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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine ventilgesteuerte Axialkolben-Expansionsmaschine
mit einer Anordnung aus zwei oder mehr Zylindern, welche um eine gemeinsame
axiale Mittelachse gruppiert sind, enthaltend
- (a)
Zylinder mit jeweils ventilgesteuertem Einlass bzw. Auslass für ein Arbeitsmittel
zur Expansion des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung,
- (b) in den Zylindern laufende Kolben, welche über ein
Getriebe mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind,
- (c) Ventilstößel zum
Offnen bzw. Schließen
der Ventile entsprechend dem Arbeitstakt des Kolbens, und
- (d) eine Nockenscheibe zum Übertragen
von Kräften
von der Welle auf die Ventilstößel.
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In
einer Expansionsmaschine wird ein Arbeitsmittel unter Arbeitsleistung
expandiert. Bei Expansionsmaschinen mit externer Verbrennung, zum Beispiel
bei einem Dampf-Kreisprozess,
wird dem Arbeitsmittel in einem Wärmeübertrager Energie in Form von
Wärme aus
einem Brenner zugeführt.
Als Arbeitsmittel wird üblicherweise
Wasser verwendet. Es kann aber auch ein anderes Arbeitsmittel, wie
Methylpyridin verwendet werden. Dieses hat zusätzliche Schmiereigenschaften.
Der entstehende Wasserdampf steht dann unter hohem Druck und ist
sehr heiß.
Dabei können
Temperaturen von einigen hundert Grad und besonders hohe Drücke auftreten.
Der Hochdruck-Dampf wird über
einen Einlass in einen Zylinder überführt. In
dem Zylinder befindet sich ein beweglicher Kolben. Wenn der Dampf
in dem Expansionsraum innerhalb des Zylinders expandiert, wird der
Kolben von einem oberen Totpunkt (OT) in Richtung des unteren Totpunkts
(UT) bewegt. Der expandierte Dampf verlässt den Expansionsraum durch
einen Auslass. Die Wärmeenergie
des Arbeitsmittels wird dabei in eine Bewegung des Kolbens, d.h.
in mechanische Arbeit umgewandelt. Die mechanische Arbeit wird z.B.
mittels Pleuel und Kurbelwelle oder einem Schrägscheibengetriebe in eine Rotationsbewegung
einer Welle überführt. Diese
Rotationsbewegung kann als Kraftfahrzeugantrieb, als Antrieb für einen
Generator oder als Antrieb einer Maschine dienen.
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Bei
einer Axialkolben-Expansionsmaschine sind mehrere Zylinder um eine
gemeinsame Mittelachse herum angeordnet. Die Zylinderachsen verlaufen
parallel zu der gemeinsamen Mittelachse. Die Kräfte der in den Zylindern laufenden
Kolben werden auf eine gemeinsame Welle übertragen, welche koaxial zu
der gemeinsamen Mittelachse verläuft.
Bei dem beschriebenen Beispiel eines Dampfkreisprozesses wird der
Einlass abwechselnd im Takt geöffnet
und geschlossen, um die Zufuhr von Arbeitsmittel zu steuern. Dadurch
wird Arbeitsmittel nur dann in den Expansionsraum eingeführt, wenn
sich der Kolben im Bereich des oberen Totpunktes befindet. Zum Öffnen und
Schließen
des Einlasses bzw. Auslass sind unterschiedliche Mechanismen bekannt.
Neben der Schieber- oder Drehschiebersteuerung sind auch ventilgesteuerte
Axialkolben-Expansionsmaschinen bekannt.
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Dampfloks
wurden mit linearen Schiebern betrieben. Aus der WO 02/077415 ist
es bekannt, den Gaswechselvorgang in Kolbenexpansionsmaschinen mit
Drehschiebern zu steuern.
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Der
Nachteil dieser Schieber besteht darin, dass sie bei hohen Drücken Undichtigkeiten
aufweisen. Bei Ventilen mit definiertem Ventilsitz treten diese
Undichtigkeiten nicht auf. Sie haben konstruktionsbedingt eine höhere Steuerungsgenauigkeit.
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Ein
Beispiel für
eine bekannte ventilgesteuerte Axialkolben-Expansionsmaschine mit
einem Kolben 33 ist schematisch in 1 dargestellt. In der gezeigten Anordnung 11 hat
jeder Einlass bzw. Auslass 13 ein Ventil mit Ventilsitz 15 und
Ventilkopf 17, mit welchem der Einlass bzw. Auslass verschließbar ist.
Der Ventilkopf 17 ist beweglich. Auf der gemeinsamen Welle 19 der
Expansionsmaschine 11 sitzt eine axiale Nockenscheibe 21,
die von der Welle 19 angetrieben wird. Eine axiale Nockenscheibe
weist ein Profil in Form von kleinen, kantenlosen Vorsprüngen 23 in
axialer Richtung auf der Oberfläche 25 auf. Der
Ventilkopf 17 ist mit einem Ventilstößel 27 verbunden.
Die dem Ventil abgewandte Seite 29 des Ventilstößels 27 liegt lose
auf der Nockenscheibe 21 auf. Wenn sich die Nockenscheibe 21 mit
der Welle 19 dreht, wird der Ventilstößel 27 jedes Mal in
Richtung Ventil und wieder zurück
bewegt, wenn der Stößel einen
Nocken 23 der Nockenscheibe 21 überstreicht.
In diesem Zeitraum wird das Ventil durch diese Hubbewegung geöffnet und
der Heißdampf
tritt in den Expansionsraum 31. Die Einlasszeiten werden also
durch die Größe und Position
des Nockens bestimmt.
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2 zeigt eine Draufsicht
auf die axiale Nockenscheibe 21 mit axialem Nocken 23.
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Der
Durchmesser der Nockenscheibe ist nur wenig größer als der Durchmesser der
Welle. Die Nocken liegen auf dem äußeren Rand der Nockenscheibe.
Entsprechend verlaufen die Ventilstößel in axialer Richtung in
dem Zwischenraum 35 zwischen den Zylindern. Dies ist in
dem Schnitt in 3 besonders deutlich
erkennbar.
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Bei
einer thermischen Kolbenmaschine wird ein höherer Wirkungsgrad bei hohen
Temperaturen des Arbeitsmittels und hohen Drücken erreicht. Entsprechend
ist auch die thermische Belastung sehr hoch. Die Prozesstemperaturen
bedingen eine thermische Ausdehnung der verwendeten Werkstoffe. Üblicherweise
werden für
die einzelnen Komponenten, nämlich
Kolben, Zylinder und Zylinderkopf, Werkstoffe mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient
verwendet. Dadurch werden die wesentlichen Effekte der Temperaturschwankungen
ausgeglichen.
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Die
Ventilbetätigungsmechanik
unterliegt jedoch besonders hohen Ansprüchen an die Steuerungsgenauigkeit,
da hierdurch der Verlauf des Öffnungs-
und Schließvorgangs
und das komplette Schließen
eines Ventils gesteuert wird. Eine Größenänderung ist hier daher von
besonderem Nachteil.
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Dieses
Problem kann durch Verwendung von Werkstoffen mit einem sehr geringen
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
zum Beispiel Keramik, gelöst werden.
Solche Werkstoffe sind im allgemeinen sehr teuer und weisen nicht
die gewünschten
Festigkeitseigenschaften auf, da sie spröde sind.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannten
Art zu schaffen, welche auch bei hohen Temperaturen und Drücken eine genaue
Steuerung und hohe Dichtigkeit des Einlasses bzw. Auslasses ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß die
Ventile und die Ventilstößel auf
der der gemeinsamen Mittelachse abgewandten Seite der Zylinder angeordnet
sind. Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß das Temperaturfeld
bei Axialkolben-Expansionsmaschinen um jeden Zylinder herum nicht
symmetrisch ist. Die Temperatur fällt in dem der Mittelachse
abgewandten Außenbereich
der Zylinder sehr schnell ab, während
sie im Bereich um die gemeinsame Mittelachse im wesentlichen gleich
bleibend hoch ist.
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Wenn
nun die Ventilstößel und
die Ventile in diesem kühleren
Außenbereich
liegen, bietet sich die Möglichkeit
einer genaueren Ventilsteuerung. Es sind trotz der hohen Temperaturen
und Drücke
keine teuren Materialien mit geringer Wärmeausdehnung erforderlich.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die
Nockenscheibe radiale Nocken auf, und Übertragungselemente zum Übertragen
einer Radialbewegung in eine Axialbewegung, mit welchen eine durch
die radialen Nocken der Nockenscheibe hervorgerufene Radialbewegung auf
die Ventilstößel übertragbar
ist. Unter radialen Nocken werden solche Nocken verstanden, die
sich in radialer Richtung entlang des Umfangs der Nockenscheibe
in der Scheibenebene erstrecken. Selbstverständlich können statt Nocken auch Ausnehmungen
entlang des Umfangs der Nockenscheibe vorgesehen werden. Bei einer
solchen Ausgestaltung der Erfindung kann die Kraft bei vergleichsweise kleinem
Durchmesser der Nockenscheibe auf die Ventilstößel übertragen werden.
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Um
die im Randbereich der Maschine liegenden Ventilstößel zu betätigen, müsste bei
einer Nockenscheibe mit axialen Nocken der Radius sehr groß werden,
damit die Scheibe bis zu den Stößel reicht.
Durch den großen
erforderlichen Durchmesser der Scheibe ergeben sich sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten
an der Kontaktstelle der Stößel und Scheibe,
die Reibungsprobleme verursachen. Zudem wird die Scheibe durch die
Hubbewegung der Stößel axial
stark belastet, was zu einer Durchbiegung der Scheibe und so zu
Ungenauigkeiten im Bewegungsablauf führt. Diese Nachteile werden
bei einer Ausgestaltung mit radialen Nocken vermieden. Es entstehen
weniger Festigkeitsprobleme und Steuerungsungenauigkeiten.
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Alternativ
kann die Nockenscheibe auch als axiale Nockenscheibe ausgebildet
werden. Dann kann auf die Elemente zur Kraftübertragung verzichtet werden.
Eine so geartete axiale Nockenscheibe ist mit einem größeren Durchmesser
versehen, um die außen
liegenden Ventilstößel zu erreichen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilkopf über einen
Punktkontakt von dem Ventilstößel bewegbar
und es ist eine Druckfeder zur Erzeugung einer Vorspannung vorgesehen, mit
welcher der Punktkontakt ständig
aufrecht erhalten wird. Dadurch wird der Wärmeübergang vom Ventil in den Ventilstößel verringert.
Das Ventil ist durch den ständigen
Kontakt mit dem heißen
Arbeitsmedium heiß.
Wärmeverluste
an dem Ventilstößel würden den
Wirkungsgrad der Maschine verringern und eine thermische Größendilatation
des Stößels verursachen.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ausführungsbeispiele sind ist nachstehend
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Axialkolben-Expansionsmaschine nach
dem Stand der Technik
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2 ist
eine Draufsicht auf eine Nockenscheibe nach dem Stand der Technik
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3 ist
ein Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A in 1
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4 ist
ein Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Axialkolben-Expansionsmaschine mit
Nockenscheibe mit radialen Nocken nach einem ersten Ausführungsbeispiel
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5 ist
eine Draufsicht auf eine Nockenscheibe mit radialen Nocken und einen
Rollenstößel
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6 ist
ein Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Axialkolben-Expansionsmaschine mit
Nockenscheibe mit radialen Nocken nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
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7 ist
ein Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B in 3 und 5
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8 ist
ein Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Axialkolben-Expansionsmaschine mit
Nockenscheibe mit radialen Nocken nach einem dritten Ausführungsbeispiel
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9 ist
ein Querschnitt entlang der Schnittlinie C-C in 8
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 4 ist
eine zweizylindrige Axialkolben-Expansionsmaschine 10 dargestellt.
Zwei Zylinder 12 und 14 sind um eine gemeinsame
Mittelachse 16 herum angeordnet. In den Zylindern 12 und 14 sind
laufen Kolben 18 und 20. Die durch Pfeile 22 und 24 repräsentierte
Bewegungsrichtung der Kolben 18 und 20 ist parallel
zur Mittelachse 16. Die Zylinder 12 und 14 sind
in einem Gehäuseblock 26 angeordnet. Der
Austausch des Arbeitsgases erfolgt über den Einlass bzw. Auslass 83.
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Die
Linearbewegung der Kolben 18 und 20 wird über Pleuel 28 und 30 und
Kugellagerung 32 und 34 auf die Schrägscheibe 36 eines
Schrägscheibengetriebes 37 übertragen.
Mit dieser Schrägscheibe 36 wird
eine Welle 38 angetrieben. Auf diese Weise wird die Linearbewegung
in eine Rotationsbewegung übersetzt.
Das Gehäuse 26 mit
den Zylindern 12 und 14 ist mit einer Wandung 50 von
dem Getrieberaum 48 getrennt. Es wird mittels Dichtungen 40, 42, 44 und 46 gegenüber dem
Getrieberaum 48 abgedichtet. Auf diese Weise wird der Wärmeübergang zwischen
dem Gehäuse 26 und
dem Getrieberaum gering gehalten.
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Auf
der Welle 38 ist eine Nockenscheibe 52 vorgesehen.
Die Nockenscheibe 52 wird von der Welle 38 angetrieben.
Eine Draufsicht auf die Nockenscheibe 52 ist in 5 dargestellt.
Der Durchmesser der Nockenscheibe 52 ist nur wenig größer als
der Durchmesser der Welle. Entlang des Umfangs 54 der Nockenscheibe 52 ist
ein radialer Nocken 56 vorgesehen. Der Nocken 56 erstreckt
sich über
einen Winkelbereich von etwa 30 Grad. Die Nockenscheibe 52 rotiert
mit der Welle 38. Dies ist durch einen Pfeil 58 dargestellt.
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Die
im folgenden aufgeführten
Konstruktionsdetails werden nur für eine Kolben-Zylinder-Anordnung
beschrieben, da die Anordnung bis auf den Arbeitstakt vollständig symmetrisch
ist.
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Die
Rolle 60 eines Rollenstößels 62 liegt
an der Nockenscheibe 52 an. Mittels einer Druckfeder 66 wird
eine Vorspannung erzeugt, die für
einen ständigen
Kontakt zwischen der Rolle 62 und dem äußeren Rand 54 der
Nockenscheibe 52 sorgt. Die Druckfeder 66 und
der Rollenstößel 62 sind
in einer Führung 68 angeordnet.
Wenn sich die Nockenscheibe 52 dreht, rollt die Rolle 60 auch über den
Nocken 56. Die Rolle 60 ist um eine Achse 70 drehbar
gelagert. Die Rolle 60 ist fest mit dem Rollenstößel verbunden. Beim "Durchfahren" des Nockens 56 führt der
Rollenstößel eine
Linearbewegung in Richtung des Pfeils 64 aus. Dabei bewegt
er sich entsprechend der Formgebung des Nockens zunächst gegen
die Federkraft der Feder 66 nach außen und danach wieder zurück nach
innen.
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An
der der Welle abgewandten Seite 72 des Rollenstößels 62 liegt eine
erste Kante 74 eines Kipphebels 76 an. Der Kipphebel 76 weist
eine weitere Kante 78 auf, die mit der ersten Kante einen
Winkel von etwa 90 Grad bildet. Der Kipphebel 76 ist um eine
Achse 80 drehbar gelagert. Die Achse 80 liegt
in einer Radialebene und verläuft
senkrecht zur Mittelachse 16 und Bewegungsrichtung 22 der
Kolben. Die in 5 horizontal dargestellte Kante 78 steht
in Kontakt mit einem Ventilstößel 82.
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Der
Ventilstößel 82 ist
auf der, der Mittelachse 16 abgewandten Seite des Zylinders 12 angeordnet.
Er steht mit dem Ventilkopf 84 eines Einlassventils 86 in
Verbindung. Wenn die Rolle 60 den Nocken 56 überstreicht,
wird der Rollenstößel 62 wie
oben beschrieben nach außen
bewegt. Dadurch wird der Kipphebel 76 in Richtung des Pfeils 88 bewegt.
Der an der Kante 78 anliegende Ventilstößel 82 wird nach oben
in 4 bewegt. Mit dem Ventilstößel 82 wird der Ventilkopf 84 ebenfalls
nach oben aus dem Ventilsitz bewegt. Das Ventil 86 öffnet damit
den Einlass bzw. Auslass 83. Wenn der Nocken 56 vollständig überstrichen
ist, bewegt sich der Ventilkopf 84 in umgekehrter Richtung
nach unten und das Ventil schließt.
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Sind
mehrere Nocken an der Nockenscheibe vorgesehen, öffnet das Ventil entsprechend öfter pro Umdrehung.
Auf diese Weise kann durch Anzahl, Größe und Formgebung der Nocken
eine sehr genaue Ventilsteuerung erreicht werden. Es können auch
mehrere Nockenscheiben eingesetzt werden. Mit dem Öffnen des
Ventils 86 wird überhitzter,
unter hohem Druck stehender Wasserdampf in den Expansionsraum 90 innerhalb
des Zylinders 12 eingelassen. Der Dampf expandiert und
drückt
den Kolben 20 nach unten. Diese Bewegung wird über die
Schrägscheibe 36 auf
die Welle 38 übertragen
und die Welle dreht sich. Dabei wird der Kolben 18 des
Zylinders 14 nach oben in 4 bewegt.
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In 4 und 5 ist
der obere Totpunkt des Kolbens 20 dargestellt. An diesem
Punkt ist das Ventil 86 geöffnet und der Rollenstößel befindet
sich in der Stellung, die sich am weitesten von der Welle weg befindet.
Wenn der Nocken überstrichen
ist, schließt
das Ventil und der Dampf expandiert, während sich der Kolben 18 auf
den oberen Totpunkt zu bewegt. Kurz vor dessen Erreichen befindet
läuft der Nocken 56 auf
die Rolle 92 zu und das zu dem Kolben 18 gehörige Einlassventil 94 öffnet. Auf
diese Weise wird das Arbeitsmittel abwechselnd in den Zylindern
expandiert und die Energie auf die Welle 38 übertragen.
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Bei
thermischen Maschinen axialer Bauart und mindestens zwei Zylindern,
wie dies in 1, 4, 6 und 8 dargestellt
ist, hat der zentrale, die Drehachse 16 umgebende Bereich
der Anordnung eine höhere
Temperatur als der Randbereich der Maschine. Dies ist in dem schematischen Temperaturverlauf
im oberen Teil von 4 dargestellt.
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Bei
der gezeigten Anordnung sind die Ventile 86 und 94 und
Stößel 81 und 82 aus
dem heißen, zentralen
Bereich 96 der Anordnung in die kühleren Randbereiche 98 und 100 zu
verlegen. Die Bauteile unterliegen dadurch erheblich weniger thermischen Belastungen
und können
genauer gesteuert werden.
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In
der in 4 gezeigten Anordnung ist die thermische Belastung
des Ventilstößels 82 weiterhin dadurch
verringert, daß das
Ventil 86 und der Ventilstößel 82 zweiteilig
ausgebildet ist. Die beiden Teile 102 und 82 weisen
nur einen Punktkontakt auf. Dadurch wird der Wärmeübergang vom heißen Ventilkopf 84 in
den Ventilstößel 82 reduziert.
Eine Feder 104 erzeugt eine Vorspannung, die den ständigen Kontakt
zwischen Teilen 102 und 82 gewährleistet.
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Im
vorliegenden Beispiel wurde ein gedrückter Ventilbetätigungsmechanismus
dargestellt, der mit Nocken positiver Ausbildung im Umfang der Nockenscheibe
einhergeht. Selbstverständlich
sind auch andere Kombinationen denkbar, etwa ein gezogener Ventilbetätigungsmechanismus,
mit Nocken negativer Ausbildung (Ausbuchtung).
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Prinzipiell arbeitet das Ausführungsbeispiel ähnlich wie
das Ausführungsbeispiel
nach den 4, 5 und 7.
Der Ein- bzw. Auslass 119 wird durch das Ventil 115 geöffnet bzw.
geschlossen. Der Rollenstößel 106 weist
hier einen Vorsprung 108 in axialer Richtung auf. Der Vorsprung
liegt an einer Kante des gegenüber
dem obigen Ausführungsbeispiel
um 90 Grad gedrehten Kipphebels 114 an. Die andere Kante
des Kipphebels 114 liegt auf der Oberseite eines Vorsprungs 110 des
Ventilstößels 116 an. Der
Vorsprung 110 ist an der dem Ventil abgewandten Seite des
Ventilstößels 116 vorgesehen.
Eine Feder 112 sorgt für
eine Vorspannung, mit welcher der Rollenstößel 106 mittels des
Kipphebels in ständigem
Kontakt mit der Nockenscheibe gehalten wird. Die Kontakte zwischen
dem Vorsprung 108 und dem Kipphebel bzw. dem Vorsprung 110 und
dem Kipphebel sind durch eine gekrümmte Oberfläche der Vorsprünge als
Punktkontakt ausgestaltet. Dadurch werden Wärmeübergänge gering gehalten. Weiterhin wird
ein eindeutiger Kontakt zwischen Stößel und Kipphebel sichergestellt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Ventilstößel 116 direkt
mit dem Ventilkopf 118 verbunden. Der Ein- bzw. Auslass 119 öffnet, wenn
der Kopf nach unten bewegt wird. In 6 ist ein
Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Axialkolben-Expansionsmaschine
zu sehen. Im übrigen
ist das Ausführungsbeispiel
nach 6 identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach den 4, 5 und 7 und
braucht daher hier nicht näher
beschrieben werden.
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In 8 und 9 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel
dargestellt. Das Ausführungsbeispiel arbeitet
prinzipiell wie das Ausführungsbeispiel
nach den 4. Hier ist das Schrägscheibengetriebe 130 jedoch
auf der kolbenfernen Seite 132 der Nockenscheibe 134 und
der Rollenstößel 136 angeordnet. Bei
dieser Variante sind die Ventilstößel 140 wesentlich
kürzer
gegenüber
der Variante aus 4.
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Bei
der Anordnung müssen
die Kolbenstangen 140 winkelversetzt gegenüber den
Ventilstößeln 138 angeordnet
sein. Wie dieser Versatz erfolgt, ist im Schnitt C-C in 9 erkennbar.
Die Rollenstößel 136 verlaufen
entlang der Schnittlinie D-D, während die Kolbenstangen
um einen Winkel 146 auf einer winkelversetzt angeordneten
Geraden 144 liegen.