DE102006006628B3

DE102006006628B3 - Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit

Info

Publication number: DE102006006628B3
Application number: DE102006006628A
Authority: DE
Inventors: Erik Schneider; Andreas Werler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: ATE422603T1; EP1818516B1; EP1818516A1; DE502006002811D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit, wobei diese einen Zylinder (1), einen Zylinderkopf (5), einen Einlass (17), einen Auslass (4), einen Arbeitsraum (6) und einen Drehschieber (7) umfasst. Zwischen dem Arbeitsraum (6) und dem Drehschieber (7) befindet sich ein Schadraum (14). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Auslass (4) über den Drehschieber (7) und ein druckgesteuertes, fremdbetätigtes Ventil (11) gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Das Steuerorgan ist für Zylinder-Kolben-Einheiten wirksam, welche mit einem Arbeitsmedium betrieben werden, das unter Druck am Einlass der Zylinder-Kolben-Einheit anliegt. Für derartige Maschinen ist die Abdichtung der Arbeitsräume sowohl gegen den von außen am Einlass wirksamen Druck als auch gegen den durch die Expansion des Arbeitsmediums im Arbeitsraum wirksamen Innendruck erforderlich. Insbesondere in einer Anordnung der Zylinder-Kolben-Einheiten innerhalb einer Axialkolbenmaschine ist bauartbedingt die Steuerung der Ein- und Auslassorgane kompliziert, da übliche Bauformen mit Nockenwellen, welche für in Reihe angeordnete Motoren üblich sind, nur mit großem Aufwand darstellbar sind.

Aus der DE 38 41 786 A1 ist ein Zylinderkopf mit Steuerscheibe für eine im Otto-Verfahren arbeitende Axialkolbenmaschine bekannt. Im Zylinderkopf ist eine auf der Motorwelle befestigte Steuerscheibe untergebracht, welche den Gaswechsel steuert, den Kraftstoff in die Zylinder leitet und die Zündkerze mitführt. Die gezeigte Axialkolbenmaschine ist ein konventioneller Motor mit innerer Verbrennung. Es liegt kein unter Druck stehendes Arbeitsmedium am Einlass an, welches im Arbeitsraum expandiert. Zur erfindungsgemäßen Ausführung ähnlich ist die Anordnung eines Drehschiebers im Zylinderkopf. Drehschieber sind, wenn sie gute Dichtwerte erzielen sollen, hinsichtlich ihrer Abdichtung im Zylinderkopf aufwändig, da die Steuerscheibe über die Dichtflächen rotiert. Weiterhin verbleibt unterhalb des Drehschiebers ein Schadraum. Als Schadraum wird der Teil des Arbeitsraumes bezeichnet, der nicht zum Hubvolumen zählt. Die im Schadraum verbleibende, vom Kolben nicht ausgeschobene Restmasse vermindert das Ansaugvolumen und erhöht die Energiezufuhr, da sie bei der Rückexpansion weniger Arbeit abgibt, als sie bei der Kompression aufnimmt. Der Schadraum ist durch die freien Ventilräume und das axiale Kolbenspiel bedingt und soll möglichst klein sein. (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag, 17. Auflage, P24)

Aus der DE 43 42 299 A1 ist ein Kältemittel-Kompressor bekannt, dessen Ein- und Auslasssteuerung mittels federbelasteter Plattenventile erfolgt. Das Öffnen und Schließen der Plattenventile erfolgt entsprechend der Druckdifferenz am Ein- bzw. Auslass. Eine mit der Antriebsdrehzahl synchronisierte Zwangssteuerung von Ein- bzw. Auslass mittels eines Drehschiebers erfolgt nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit zu schaffen, in der ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium im Arbeitsraum der Zylinder-Kolben-Einheit entspannt wird, wobei eine gute Dichtwirkung des Steuerorgans erreicht werden soll und gleichzeitig der Schadraum minimiert wird.

Die Aufgabe wird durch ein Steuerorgan gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß vorteilhaft werden ein Drehschieber und ein druckgesteuertes, fremdbetätigtes Ventil im Steuerorgan für den Auslass vereint, wodurch ein bedarfsgerechtes Absperren des Auslasses mit dem Drehschieber und die gute Dichtwirkung des druckgesteuerten Ventils vereint werden.

Druckgesteuert und fremdbetätigt bedeutet im Sinne der Anmeldung, dass das Ventil vorgespannt in Schließstellung gehalten ist und durch gesteuert angelegten Druck fremdbetätigt geöffnet wird. Eine Öffnungsbewegung des Ventils erfolgt nicht durch den automatisch beim Ein- bzw. Auslassöffnen des Drehschiebers erzeugten Druckunterschied zwischen Arbeitsraum und Auslass, vielmehr wird ein gesonderter Stelldruck gesteuert angelegt. Im Gegensatz dazu wird das den Einlass überdeckende Ventil selbsttätig über den Druckunterschied zwischen Einlass und Arbeitsraum geöffnet.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil derart angeordnet ist, dass nach dem Schließen des Einlasses durch den Drehschieber der Arbeitsraum gegenüber dem Schadraum mittels des Ventils getrennt ist, so dass der Arbeitsraum nur das Hubvolumen umfasst. Das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil ist vorgespannt gegen den Zylinderkopf gehalten und verschließt somit den Auslass. In der Expansionsphase des Dampfes steigt der Innendruck im Arbeitsraum, wodurch das Ventil zusätzlich gegen die Dichtflächen im Zylinderkopf gedrängt wird. Der Drehschieber selbst kann dabei gegen den Zylinderkopf ebenfalls dichtend ausgeführt sein.

Erfindungsgemäß vorteilhaft wird zur Steuerung der Ein- und Auslässe ein Drehschieber verwendet, welcher insbesondere bei einer mehrzylindrigen Axialkolbenmaschine vorteilhaft ist, da die Anordnung der Zylinder um eine zentrale Abtriebswelle eine besonders einfache Steuerung von Ein- und Auslass erlaubt. Der Drehschieber kann so konfiguriert werden, dass er gleichzeitig die Ein- und Auslässe aller Zylinder steuert und zentral angetrieben in festem Verhältnis zur Drehzahl der Abtriebswelle laufen kann.

Erfindungsgemäß vorteilhaft wird der Drehschieber mit einem druckgesteuerten, fremdbetätigten Plattenventil kombiniert, welches den Vorteil hat, dass es bei einfachem konstruktiven Aufbau eine sehr gute Dichtwirkung erreicht, ohne aufwändige Abdichtungen, wie am Drehschieber notwendig, vornehmen zu müssen. In der Arbeitsphase des Zylinders sperrt das Plattenventil den Zylinder ab und dichtet aufgrund der Druckdifferenz den Arbeitsraum sicher ab. Die Öffnung des Plattenventils erfolgt fremdbetätigt durch den Drehschieber, welcher eine Steuerbahn für ein Steuerelement aufweist, welches das Plattenventil von seinem Dichtsitz im Zylinderkopf abhebt. Es wird damit eine flexible Steuerung durch den Drehschieber und eine gute Dichtwirkung durch das Plattenventil erreicht.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil derart angeordnet ist, dass nach dem Schließen des Auslasses durch den Drehschieber der Arbeitsraum gegenüber dem Schadraum mittels des druckgesteuerten, fremdbetätigten Ventils getrennt ist, so dass der Arbeitsraum nur das Hubvolumen umfasst. Das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil wird über ein Steuerelement, welches in dem Zylinderkopf gelagert ist und mit dem Drehschieber zusammenwirkt, gesteuert. Die Auslassöffnung des Drehschiebers wird damit synchron zum druckgesteuerten, fremdbetätigten Ventil gesteuert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Steuerelement über eine in dem Drehschieber befindliche Steuerbahn gesteuert. Erhebungen in der Steuerbahn betätigen das Steuerelement, vorzugsweise eine Kugel, welche gegen das Ventil gedrängt wird und dieses in Richtung Arbeitsraum von seinem Dichtsitz abhebt.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wird das Steuerelement über eine in dem Drehschieber befindliche Steueröffnung, die mit dem Einlassdruck vor dem Drehschieber verbindbar ist, gesteuert. Dies bietet den Vorteil, dass der am Einlass anliegende Druck zum Öffnen des Ventils genutzt werden kann, wobei eine mechanische Betätigung des Steuerelementes entfällt.

In vorteilhafter Weise ist das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil ein Plattenventil (sog. Flatterventil), welches vorgespannt gegen den Zylinderkopf gehalten ist und eine besonders gute Dichtwirkung aufweist.

In der erfindungsgemäßen Ausführung wird die gute Dichtwirkung der Plattenventile mit der einfachen Steuerbarkeit der Ein- bzw. Auslässe durch den Drehschieber kombiniert.

Zeichnungen
Es zeigen:
1: einen Schnitt durch eine Axialkolbenmaschine mit mechanisch vom Drehschieber betätigtem Plattenventil,
2: einen Schnitt durch eine Axialkolbenmaschine mit vom Einlassdruck betätigtem Plattenventil,
3: eine Draufsicht auf die Axialkolbenmaschine im Schnitt,
4: einen Zylinderkopf mit zwei Plattenventilen.
1 zeigt einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines Zylinders 1 einer mit Dampf betriebenen Axialkolbenmaschine 2. Im Betrieb der Axialkolbenmaschine 2 strömt der Dampf über einen Einlass 17 in einen Arbeitsraum 6 eines Zylinders 1 und wird in diesem entspannt. Nahe dem unteren Totpunkt des Kolbens wird der Dampf aus dem Arbeitsraum 6 ausgelassen. Dieser Zustand ist in der 1 für den linken Zylinder 1 dargestellt. Der Dampf strömt dabei in Richtung des Pfeils 3 durch einen Auslass 4, der sich durch den Zylinderkopf 5 erstreckt, aus dem Arbeitsraum 6. Der Dampf kann nur dann aus dem Arbeitsraum 6 strömen, sofern ein Drehschieber 7 derart im Zylinderkopf 5 positioniert ist, dass sich eine Öffnung 8 im Drehschieber 7 auf Höhe des Auslasses 4 befindet. Ein Steuerelement 9, beispielsweise eine Steuerkugel, ist in dem Zylinderkopf 5 in einer Ausnehmung 20 geführt. Der Drehschieber 7 weist eine korrespondierende Steuerbahn 10 mit Erhebungen auf, die das Steuerelement 9 genau dann auf ein druckgesteuertes, fremdbetätigtes Ventil 11, beispielsweise ein federbelastetes Plattenventil, in Richtung des Pfeils 12 drückt, wenn der Arbeitsraum 6 gegenüber dem Auslass 4 zu öffnen ist und die Öffnung 8 des Drehschiebers 7 mit dem Auslass 4 korrespondiert. In diesem Fall weist die Steuerbahn 10 keine oder eine verminderte Aussparung 13 auf, so dass eine Erhebung in der Führungsbahn das Steuerelement 9 gegen das Ventil 11 drückt. Im linken Zylinder 1 der 1 ist das Steuerelement 9 durch die Erhebung in der Steuerbahn 10 voll betätigt, so dass die Steuerbahn 10 selbst in der Schnittdarstellung nicht sichtbar ist. Wenn der Arbeitsraum 6 gegenüber dem Auslass 4 zu schließen ist, weist die Steuerbahn 10 eine Aussparung 13 auf, so dass das Ventil 11 das Steuerelement 9 in Richtung des Pfeils 12 drückt und somit das Ventil 11 den Arbeitsraum 6 gegenüber dem Auslass 4 trennt. Dieser Zustand ist im rechten Zylinder 1 gezeigt, bei welchem der Auslass 4 geschlossen ist, da das Ventil 11 aufgrund der Federvorspannung gegen seinen Dichtsitz gedrängt ist. Weiterhin trennt das Ventil 11 den Arbeitsraum 6 gegenüber einem Schadraum 14, der sich zwischen dem druckgesteuerten, fremdbetätigten Ventil 11 und dem Drehschieber 7 ausbildet. Das Ventil 11 ist dabei federvorgespannt in seiner Schließstellung im Zylinderkopf 5 gehalten.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Vergleich zu 1 unterscheidet sie sich dadurch, dass der Drehschieber 7 anstelle der in 1 dargestellten Steuerbahn 10 einen Steuerraum 15 umfasst. In der für den linken Zylinder 1 dargestellten Position des Drehschiebers 7 ist der Steuerraum 15 über einen Kanal 16, der im Drehschieber 7 angeordnet ist, mit dem Einlass 17 des Zylinders 1 verbunden. Das Steuerelement 9, beispielsweise ein Steuerkolben, ist in einer Ausnehmung 20 im Zylinderkopf 5 geführt und betätigt bei im Steuerraum 15 anliegendem Druck das Ventil 11 in dessen Öffnungsrichtung. Liegt am Steuerraum 15 kein Druck an, so ist das Ventil 11 gegen seinen Dichtsitz geschlossen gehalten (rechter Zylinder). Das Ventil 11 ist federvorgespannt und wird ohne Betätigungsdruck im Steuerraum 15 in Schließstellung gegen seinen Dichtsitz gedrückt. Im Arbeitstakt bei Expansion des Dampfes im Arbeitsraum 6 wirkt zusätzlich der Innendruck, wodurch die besonders gute Dichtwirkung des Ventils 11 unterstützt wird. Das Ventil 11 ist über den gesondert zugeführten Steuerdruck in Richtung des Pfeils 12 betätigbar, wenn der Steuerraum 15 über den Kanal 16 mit dem Einlassdruck verbunden ist. Steuerraum 15 und Kanal 16 sind in den Drehschieber 7 eingearbeitet und bewegen sich mit diesem. Ist während des Umlaufs des Drehschiebers 7 der Kanal 16 am Einlass 17 angekommen, wird durch den am Einlass 17 anliegenden Druck das Steuerelement 9 (hier der Steuerkolben) gegen das Ventil 11 gedrängt. Der Drehschieber 7 ist mit einer zentralen Abtriebswelle 18 (nicht dargestellt) gekoppelt, so dass der Drehschieber 7 synchron mit der zentralen Abtriebswelle 18 (3) umläuft. Der Kanal 16 und der Steuerraum 15 sind wie die Öffnung 8 so in den Drehschieber 7 eingebracht, dass sie phasenrichtig den Auslass 4 freigeben und gleichzeitig das Ventil 11 öffnen.
In 3 ist die Axialkolbenmaschine 2 in einer Draufsicht dargestellt. Um eine zentrale Abtriebswelle 18 sind vier Zylinder Z1-4 angeordnet, welche der Bauart einer Axialkolbenmaschine 2 entsprechend auf eine Schrägscheibe – nicht dargestellt – einwirken und die zentrale Abtriebswelle 18 treiben. Der Drehschieber 7 ist dabei mit der Abtriebswelle 18 gekoppelt und sichert somit ein taktrichtiges Ansteuern der jeweiligen Ein- 17 und Auslässe 4 der Zylinder Z1-4. Im Drehschieber 7 sind umlaufend auf Kreisbahnen 19 Öffnungen für die jeweiligen Einlässe 17 und die Auslässe 4 eingebracht, welche beim Umlauf des Drehschiebers 7 die Einlässe 17 der jeweiligen Zylinder Z1-4 freigeben. Durch die feste Kopplung des Drehschiebers 7 mit der zentralen Abtriebswelle 18 wird mit der Position und Größe der Öffnungen 8 im Drehschieber 7 das Steuerregime für Ein- 17 und Auslass 4 der jeweiligen Zylinder Z1-4 festgelegt. Bei einer Ausführungsform gemäß der in 1 gezeigten sind die in Ausnehmungen 20 im Zylinderkopf 5 geführten Steuerelemente 9 über die im Drehschieber 7 angeordnete Steuerbahn 10 betätigbar.
4 zeigt schematisch eine Prinzipdarstellung einer Zylinder-Kolben-Einheit Z in einer Ansicht von innen auf den Zylinderkopf 5. Vereinfacht dargestellt wurden nur die erfindungswesentlichen Details. Im Zylinderkopf 5 des Zylinders 1 sind dessen Einlass 17 und Auslass 4 dargestellt. Ein- 17 und Auslass 4 werden von dem darüber liegenden Drehschieber 7 (nicht dargestellt) gesteuert. Entsprechend dem anliegenden Druck öffnet ein selbsttätiges Ventil 21, welches vorgespannt gegen den Zylinderkopf 5 gehalten ist und den Einlass 17 überdeckend ausgeführt ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das selbsttätige, druckgesteuerte Ventil 21 ein Plattenventil, das aus einem Federmaterial gefertigt ist und gegen den Einlass 17 gespannt gehalten ist. Ein weiteres druckgesteuertes, fremdbetätigtes Ventil 11, welches als Plattenventil ausgeführt ist, wird durch ein Steuerelement 9 betätigt. Es ist vorgespannt gegen den Zylinderkopf 5 gehalten und den Auslass 4 überdeckend ausgeführt.

1: Zylinder
2: Axialkolbenmaschine
3: Pfeil
4: Auslass
5: Zylinderkopf
6: Arbeitsraum
7: Drehschieber
8: Öffnung
9: Steuerelement
10: Steuerbahn
11: Druckgesteuertes, fremdbetätigtes Ventil
12: Pfeil
13: Aussparung
14: Schadraum
15: Steuerraum
16: Kanal
17: Einlass
18: zentrale Abtriebswelle
19: Kreisbahnen
20: Ausnehmung im Zylinderkopf
21: Plattenventil Einlass (selbsttätig, druckgesteuert)
Z: Zylinder-Kolben-Einheit
Z1-4: Zylinder

Claims

Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit, wobei der Zylinder (1) einen Zylinderkopf (5), einen Einlass (17), einen Auslass (4), einen Arbeitsraum (6) und einen Drehschieber (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (4) über den Drehschieber (7) und ein druckgesteuertes, fremdbetätigtes Ventil (11) gesteuert wird.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (6) gegenüber dem Schadraum (14), der zwischen dem Arbeitsraum (6) und dem Drehschieber (7) ist, über das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil (11) trennbar ist.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil (11) ein federbelastetes Ventil ist.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) ein Plattenventil ist.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (7) eine Steuerbahn (10) umfasst, die über ein Steuerelement (9) auf das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil (11) wirkt, wobei das Steuerelement in dem Zylinderkopf (5) in einer Ausnehmung (20) geführt ist.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (9) eine Steuerkugel ist.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil (11) mittels des am Einlass (17) anliegenden Druckes des Arbeitsmediums steuerbar ist.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (7) einen Durchgang aufweist, über den der Einlass (17) und einer Seite des Steuerelementes (9) verbindbar sind und das Steuerelement (9) dichtend im Zylinderkopf 5 gehalten ist und einen Steuerkolben zum Öffnen des Ventils (11) bildet.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach einemd er Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang im Drehschieber (7) aus einem Kanal (16) und einem Steuerraum (15) besteht.
Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte, fremdbetätigte Ventil (11) in seiner Schließstellung vorgespannt gegen den Zylinderkopf (5) gehalten ist und druckgesteuert geöffnet wird.