DE102006006629B3

DE102006006629B3 - Steuerorgan für den Einlass einer Zylinder-Kolben-Einheit

Info

Publication number: DE102006006629B3
Application number: DE200610006629
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: EP1818515A3; EP1818515A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerorgan für den Einlass wenigstens einer Zylinder-Kolben-Einheit (Z), der einlassseitig ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium zugeführt wird. Die Zylinder-Kolben-Einheit (Z) umfasst einen Zylinder (1), einen Zylinderkopf (5), einen Einlass (4), einen Arbeitsraum (6) und einen diesen begrenzenden Kolben (11). Zur Steuerung von Ein- (4) und Auslass (14) der Zylinder-Kolben-Einheit (Z) ist ein Drehschieber (7) im Zylinderkopf (5) angeordnet. Der Einlass (4) ist weiterhin über ein druckgesteuertes, selbsttätiges Ventil (9) absperrbar.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Steuerorgan für den Einlass einer 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. 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, der einlassseitig ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium zugeführt 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 selbsttätiges, druckgesteuertes Ventil im Steuerorgan für den Einlass vereint, wodurch ein bedarfsgerechtes Absperren des Einlasses mit dem Drehschieber und die gute Dichtwirkung des druckgesteuerten Ventils vereint werden.

Selbsttätig druckgesteuert bedeutet im Sinne der Anmeldung, dass die Ventilöffnung aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsraum und dem über dem Ventil liegenden Einlass erfolgt, ohne zusätzliche Stellkräfte für das Ventil zu benötigen. Die Steuerung des Ventils erfolgt insoweit selbsttätig, als der Drehschieber jeweils den Einlass entsprechend taktrichtig öffnet bzw. absperrt, was ein Öffnen bzw. Schließen des Ventils selbsttätig bewirkt. Das Ventil ist dabei federvorgespannt in Schließstellung gegen den Zylinderkopf gehalten und öffnet in den Arbeitsraum. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das selbsttätige Ventil derart angeordnet ist, dass nach dem Schließen des Einlasses durch den Drehschieber der Arbeitsraum gegenüber dem Schadraum mittels des selbsttätigen Ventils getrennt ist, so dass der Arbeitsraum nur das Hubvolumen umfasst. Das selbsttätige Ventil wird automatisch durch die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Arbeitsraum gesteuert. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird 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. Der Drehschieber selbst kann dabei gegen den Zylinderkopf ebenfalls dichtend ausgeführt sein.

Erfindungsgemäß vorteilhaft wird der Drehschieber mit einem selbsttätig druckgesteuerten Plattenventil kombiniert, welches den Vorteil hat, dass es bei einfachem konstruktiven Aufbau eine sehr gute Dichtwirkung erreicht, ohne aufwändige Abdichtungen, wie für die gleiche Dichtwirkung 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. Es wird damit eine flexible Steuerung durch den Drehschieber und eine gute Dichtwirkung durch das selbsttätige, druckgesteuerte Plattenventil erreicht.

Zeichnungen
Es zeigen:
1: einen Schnitt durch einen Zylinder mit offenem Einlass,
2: einen Schnitt durch einen Zylinder mit geschlossenem Einlass,
3: eine Draufsicht auf die Axialkolbenmaschine,
4: einen Zylinder als Detail der Draufsicht von 3.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinder 1 einer Axialkolbenmaschine 2. Diese wird mit einem unter Druck stehenden Arbeitsmedium – vorzugsweise Dampf – betrieben. Dargestellt ist eine Zylinder-Kolben-Einheit Z mit einem Zylinder 1 und einem Kolben 11. Der Dampf liegt unter Druck am Einlass 4 des Zylinders 1 an und strömt in Richtung des Pfeils 3 durch diesen Einlass 4, der sich durch den Zylinderkopf 5 erstreckt, in den Arbeitsraum 6. Die Arbeitsweise der Axialkolbenmaschine 2 entspricht der eines Expanders. Der unter Druck stehende Dampf wird in den Arbeitsraum 6 eingelassen, entspannt sich dort bei abgeschlossenem Arbeitsraum 6 und verdrängt dabei den Kolben 11. Der danach entspannte Dampf wird spätestens nach dem unteren Totpunkt des Kolbens 11 wieder aus dem Arbeitsraum 6 über einen Auslass 14 ausgelassen. Zur Steuerung der Axialkolbenmaschine 2 ist eine bedarfsgerechte Zumessung des unter Druck stehenden Arbeitsmediums über ein steuerbares Einlassorgan notwendig. Hierfür ist erfindungsgemäß eine Kombination aus einem Drehschieber 7 und einem druckgesteuerten, selbsttätigen Ventil 9 vorgesehen. Der Drehschieber 7 ist dabei drehbar im Zylinderkopf 5 angeordnet und bildet eine Steuerscheibe mit Durchlässen, die den Druck am Einlass 4 gegen den Arbeitsraum 6 absperrt bzw. freigibt. Der Dampf kann nur dann in den Arbeitsraum 6 strömen, sofern der Drehschieber 7 eine Position einnimmt, in welcher sich eine Öffnung 8 im Drehschieber 7 auf Höhe des Einlasses 4 befindet. Der unter Druck am Einlass 4 anliegende Dampf wirkt dann auf ein zwischen dem Arbeitsraum 6 und dem Einlass 4 an dem Zylinderkopf 5 angeordnetes, druckgesteuertes, selbsttätiges Ventil 9, welches den Einlass 4 gegenüber dem Arbeitsraum 6 öffnet. Das selbsttätige Ventil 9 ist beispielsweise ein federbelastetes Plattenventil (sog. Flatterventil). Die Dichtplatte des Ventils 9 ist federvorgespannt gegen die Öffnung des Einlasses 4 gehalten und wird durch den anliegenden Druck geöffnet. Der Drehschieber 7 rotiert im Zylinderkopf 5 und durch dessen Drehbewegung verlagert sich die Öffnung 8 relativ gegenüber dem Einlass 4, so dass der Drehschieber 7 den Einlass 4 verschließt, diese Position ist in 2 dargestellt. Der im Arbeitsraum 6 befindliche Dampf entspannt sich, wobei durch das Absperren des Drehschiebers 7 der unter Druck stehende Dampf am Einlass 4 von der Oberseite des selbsttätigen, druckgesteuerten Ventils 9 getrennt wird. Der im Arbeitsraum 6 herrschende Innendruck und die Federvorspannung wirken auf das selbsttätige Ventil 9, so dass dieses den Arbeitsraum 6 gegenüber einem Schadraum 10, der sich zwischen dem selbsttätigen Ventil 9 und dem Drehschieber 7 bildet, trennt.
In 3 ist die Axialkolbenmaschine 2 in einer Draufsicht dargestellt. Um eine zentrale Abtriebswelle 12 sind 4 Zylinder Z1–4 angeordnet, welche der Bauart einer Axialkolbenmaschine entsprechend auf eine Schrägscheibe – nicht dargestellt – einwirken und die zentrale Abtriebswelle 12 treiben. Der Drehschieber 7 ist dabei mit der Abtriebswelle 12 gekoppelt und sichert somit ein taktrichtiges Ansteuern der jeweiligen Ein 4- und Auslässe 14 der Zylinder Z1–4. Im Drehschieber 7 sind auf Kreisbahnen 13 Durchbrüche für die jeweiligen Einlässe 4 und die Auslässe 14 im Zylinderkopf 5 eingebracht, welche beim Umlauf die Einlässe 4 der jeweiligen Zylinder Z1–4 freigeben. Durch die feste Kopplung des Drehschiebers 7 mit der Abtriebswelle 12 erfolgt das Öffnen bzw. Schließen der Ein- 4 und Auslässe 14 synchron zur Drehbewegung der Abtriebswelle 12. Die Größe und Position der Durchbrüche auf der Steuerscheibe legt das Steuerregime für die Einlässe 4 und Auslässe 14 der jeweiligen Zylinder Z1–4 fest.
4 zeigt 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 ein Einlass 4 und ein Auslass 14 dargestellt. Ein- 4 und Auslass 14 werden von dem darüber liegenden Drehschieber 7 (nicht dargestellt) gesteuert. Entsprechend dem anliegenden Druck öffnet das selbsttätige Ventil 9, welches vorgespannt gegen den Zylinderkopf 5 gehalten ist und den Einlass 4 überdeckend ausgeführt ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das selbsttätige, druckgesteuerte Ventil 9 ein Plattenventil, das aus einem Federmaterial gefertigt ist und gegen den Einlass 4 gespannt gehalten ist. Ein weiteres Plattenventil 15 verschließt den Auslass 14. Dieses ist federvorgespannt in Schließstellung gehalten und wird fremdgesteuert synchron mit dem Drehschieber 7 (1–3) geöffnet.

1: Zylinder
2: Axialkolbenmaschine
3: Pfeil
4: Einlass
5: Zylinderkopf
6: Arbeitsraum
7: Drehschieber
8: Öffnung im Drehschieber
9: selbsttätiges Ventil
10: Schadraum
11: Kolben
12: Abtriebswelle
13: Kreisbahn
14: Auslass
15: Plattenventil (Auslass)
Z: Zylinder-Kolben-Einheit
Z1–4: Zylinder der Axialkolbenmaschine

Claims

Steuerorgan für den Einlass (4) einer Zylinder-Kolben-Einheit (Z), der einlassseitig ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium zugeführt wird, wobei ein Zylinder (1) einen Zylinderkopf (5), einen Einlass (4), einen Arbeitsraum (6), einen diesen begrenzenden Kolben (11) und einen Drehschieber (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (4) über den Drehschieber (7) und ein druckgesteuertes, selbsttätiges Ventil (9) gesteuert wird.
Steuerorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (6) gegenüber einem Schadraum (10), der sich zwischen dem Arbeitsraum (6) und dem Drehschieber (7) ausbildet, über das druckgesteuerte, selbsttätige Ventil (9) trennbar ist.
Steuerorgan nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte, selbsttätige Ventil (9) ein federbelastetes Ventil ist.
Steuerorgan nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte, selbsttätige Ventil (9) ein Plattenventil ist.
Steuerorgan nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolben-Einheit (Z) einen Teil einer Axialkolbenmaschine (2) bildet.
Steuerorgan nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zylinder-Kolben-Einheit (Z) um eine zentrale Abtriebswelle (12) der Axialkolbenmaschine (2) angeordnet ist und ein Drehschieber (7) Ein- (4) und Auslass (14) der Zylinder-Kolben-Einheit (Z) steuert und von der Abtriebswelle (12) der Axialkolbenmaschine (2) angetrieben wird oder direkt mit dieser gekoppelt ist.
Steuerorgan nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte, selbsttätige Ventil (9) ein in den Arbeitsraum (6) öffnendes Plattenventil ist, welches den Einlass (4) überdeckt und vorgespannt in Schließstellung gegen seinen Dichtsitz im Zylinderkopf (5) gehalten ist.