DE102009024436B4

DE102009024436B4 - Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE102009024436B4
Application number: DE102009024436A
Authority: DE
Inventors: Alexander Latz; Marc Schlösser; Rainer Schnur; Michael Schmidt
Original assignee: DEVETEC GmbH
Current assignee: Devetec De GmbH
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2029-06-06
Also published as: EP2261473B1; DE102009024436A1; EP2261473A1

Abstract

Wärmekraftmaschine mit einem in einem Zylinder (2) hin und her bewegbaren Kolben (1), an dem ein unter Druck in einem Zylinderraum (9) eingelassenes Arbeitsmedium mechanische Expansionsarbeit verrichtet, mit Einrichtungen zur Variation des beim Schließen eines Einlassventils (4) für das Arbeitsmedium vorhandenen Zylinderraumvolumens (V0) und/oder zur Variation der Öffnungsdauer des Einlassventils (4), wobei das Einlassventil (4) für das Medium ein axial in den Zylinderraum (9) vorstehendes, unmittelbar durch den Kolben (1) bewegbares Betätigungselement (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Zylinderraum (9) bei geschlossenem Einlassventil vorstehende Länge des Betätigungselements (12) unter Variation des genannten Zylinderraumvolumens (V0) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einem in einem Zylinder hin und her bewegbaren Kolben, an dem ein unter Druck in einen Zylinderraum eingelassenes Arbeitsmedium mechanische Expansionsarbeit verrichtet, mit Einrichtungen zur Variation des beim Schließen eines Einlassventils für das Arbeitsmedium vorhandenen Zylinderraumvolumens (V₀) und/oder zur Variation der Öffnungsdauer des Einlassventils, wobei das Einlassventil für das Medium ein axial in den Zylinderraum vorstehendes, unmittelbar durch den Kolben bewegbares Betätigungselement umfasst.
Eine Wärmekraftmaschine, bei der ein unter Gasdruck stehendes Arbeitsmedium in den Zylinderraum eingelassen wird, dass nach Schließen eines Einlassventils im Zylinderraum expandiert, ist z. B. aus der DE 10 2008 058 558 A1 und darüber hinaus seit langem als Dampfmaschine bekannt. Im gasförmigen Arbeitsmedium enthaltene Wärmeenergie wird bei der Expansion in mechanische Arbeit umgesetzt, wobei sich Druck und Temperatur des Arbeitsmediums verringern. Ändern sich die Ausgangstemperatur und der Ausgangsdruck des in den Zylinderraum eingelassenen Arbeitsmediums, so ändert sich auch die jeweils bis zum unteren Totpunkt des Kolbens geleistete mechanische Arbeit und ggf. auch der Wirkungsgrad.
Aus der US 1 089 718 A geht eine Wärmekraftmaschine mit einem axial in einen Zylinderraum vorstehenden, unmittelbar durch einen Kolben bewegbaren Betätigungselement hervor. Bei dieser Wärmekraftmaschine liegt über die gesamte Hubbewegung des Kolbens am Kolben der gleiche Arbeitsdruck an. Durch Einwirkung auf das Betätigungselement wird eine Umschaltung einer Dampfzufuhr zur jeweils entgegengesetzten Zylinderseite bewirkt.
Eine Wärmekraftmaschine der eingangs erwähnten Art geht aus der US 4 168 655 A hervor. Ein Einlassventil umfasst ein zwischen einer Offen- und Geschlossenstellung hin und her bewegbaren Ventilkörper mit einer in den Zylinderraum hinein vorstehenden, unmittelbar durch Anstoß des Kolbens betätigten Verlängerung. Das Ausmaß der Hin- und Herbewegung und damit die Zeitdauer der Zufuhr des Arbeitsmediums ist einstellbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Wärmekraftmaschine der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Arbeitsleistung sich mit geringem Aufwand an unterschiedliche Ausgangsparameter eines Arbeitsmediums sowie unterschiedliche Arbeitsmedien anpassen lässt.
Die diese Aufgabe lösende Wärmekraftmaschine nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die in den Zylinderraum bei geschlossenem Einlassventil vorstehende Länge des Betätigungselements unter Variation des genannten Zylinderraumvolumens (V₀) einstellbar ist.
Vorteilhaft lässt sich durch die erfindungsgemäße Variierbarkeit des Zylinderraumvolumens (V₀), das zum Schließzeitpunkt des Einlassventils vorliegt und/oder der Öffnungsdauer des Einlassventils die jeweils im Zylinderraum eingeschlossene Gasmasse m im Hinblick auf eine gewünschte Arbeitsleistung der Wärmekraftmaschine einstellen. So lassen sich unterschiedliche Arbeitsmedien und Wärmequellen optimal nutzen.
Die Expansion beginnt, wenn sich der Kolben auf seinem Weg vom oberen zum unteren Totpunkt von dem axial in den Zylinderraum vorstehenden Betätigungselements löst. Je nach vorstehender Länge des Betätigungselements ergeben sich unterschiedliche Drehwinkel einer Kurbelwelle, über die das Einlassventil geöffnet ist, und damit unterschiedliche Ausgangsvolumen (V₀) für das expandierende Arbeitsmedium sowie unterschiedliche Öffnungszeiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Zylinderraumvolumen (V₀) und/oder die Öffnungsdauer durch die genannten Einrichtungen von außen ohne Öffnung des Zylinderraums bzw. Demontage des Zylinderkopfes variierbar. Die Anpassung der Wärmekraftmaschine an unterschiedliche Ausgangsparameter des Arbeitsmediums kann mit sehr geringem Arbeitsaufwand erfolgen.
Insbesondere sind die Einrichtungen zur Variation des Zylinderraumvolumens (V₀) und/oder der Öffnungsdauer von einer dem Zylinderraum abgewandten Seite eines Zylinderkopfes her zugänglich. Vorteilhaft sind alle erfindungsgemäßen Variationseinrichtungen in einem einzigen Bauteil, dem Zylinderkopf, vereint.
Zwecks Änderung der vorstehenden Länge des Betätigungselements kann die Position eines Gehäuses des Einlassventils innerhalb einer Aufnahmebohrung in dem Zylinderkopf in Bewegungsrichtung des Kolbens verstellbar sein.
Zum Beispiel weist das Ventilgehäuse ein in ein Innengewinde der Aufnahmebohrung eingreifendes Außengewinde auf und ist durch Drehung um die Gewindeachse in seiner axialen Position verstellbar.
Vorzugsweise weist das Ventilgehäuse eine zur Gewindeachse koaxiale Zahnung auf und ist durch eine gezahnte Welle drehbar, die in eine Bohrung auf der dem Zylinderraum abgewandten Außenseite des Zylinderkopfes in den Zylinderkopf eingeführt oder einführbar ist. Eine das Ventilgehäuse über einen Schneckenantrieb drehende Welle könnte auch seitlich in den Zylinderkopf eingeführt sein.
Zweckmäßig ist das Ventilgehäuse gegen die Aufnahmebohrung durch eine das Ventilgehäuse umgebende Ringdichtung abgedichtet, die den Zylinderraum gegen die Bohrung abdichtet, welche die gezahnt Welle aufnimmt.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Betätigungselement durch eine axiale Verlängerung eines Ventilkörpers gebildet, wobei das Ventilgehäuse den Ventilsitz aufweist. Ventilkörper und Gehäuse können rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Einrichtungen zur Variation des Zylinderraumvolumens (V₀) einen zu dem Zylinderraum offenen, in seinem Volumen verstellbaren Nebenraum. Der Nebenraum kann zur Volumenverstellung z. B. durch einen oder mehrere verschieden große Füllkörper ausfüllbar sein.
Zweckmäßig ist der Nebenraum durch eine Bohrung im Zylinderkopf, insbesondere axiale Bohrung, gebildet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kolben über eine Kolbenstange starr mit einem in Bewegungsrichtung des Kolbens geführten Schlittenelement verbunden und an das Schlittenelement ist eine mit einer Kurbelwelle verbundene Pleuelstange angelenkt.
Das Schlittenelement kann durch einen Zylinder eines zum Bau der Wärmekraftmaschine verwendeten Verbrennungsmotors geführt sein, der die Kurbelwelle und Pleuelstange umfasst. Der Kolben kann sich in einem axial an den Zylinder des Verbrennungsmotors angeschlossenen Zylinder bewegen. Vorteilhaft baut die Wärmekraftmaschine konstruktiv auf einer gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschine auf, deren modifizierter Kolben das genannte Schlittenelement bildet.
Ein in jeder Hubphase des Kolbens öffnendes Auslassventil für das entspannte Medium kann durch eine von einer Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle gesteuert sein.
Vorzugsweise ist ein durch die Nockenwelle bewegter Kipphebel zur indirekten Betätigung eines Ventilkörpers des Auslassventils über einen weiteren Hebel mit längerem Hebelarm vorgesehen.
Entsprechend dem längeren Hebelarm führt der weitere Hebel kürzere Querbewegungen in Bezug auf den Ventilkörper des Auslassventils aus. So ergibt sich ein verringerter Verschleiß und die Möglichkeit zum schmierungsfreien Betrieb des Auslassventils. Zudem bewirkt die indirekte Betätigung des Auslassventils, dass die auftretenden Querkräfte, die durch die Querbewegungen hervorgerufen werden, über den Hebel aufgenommen werden. Somit lassen sich die Auslassventile nahezu querkraftfrei betätigen, und das Ventil lässt sich dadurch im Trockenlauf einsetzen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt der durch die Nockenwelle über eine Stößelstange bewegte Kipphebel mit einem verschleißfesten Gleitteller gegen einen solchen Gleitteller an dem weiteren Hebel an.
Wenigstens einer der beiden Gleitteller kann kippbeweglich mit dem betreffenden Hebel verbunden sein, so dass die Gleitteller stets parallel zueinander ausgerichtet sind und bei geringerer Flächenpressung mit ebenen Gleitflächen aneinander anliegen.
Der Ventilkörper des Einlassventils kann in einer Führung seitliches Spiel haben und selbstzentrierend sein, wodurch sich ein schmierungsfreier Betrieb auch des Einlassventils erreichen lässt. Verschmutzungen des Arbeitsmediums durch Schmiermittel entfallen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine geschnittene Teildarstellung einer Kolben-Zylinder-Zylinderkopf-Baugruppe einer Wärmekraftmaschine nach der Erfindung,
2 und 3 Querschnittsdarstellungen eines in der Wärmekraftmaschine von 1 verwendeten Einlassventils,
4 weitere in der Wärmekraftmaschine von 1 verwendbare Einrichtungen zur Variation des Zylinderraumvolumens,
5 eine in der Wärmekraftmaschine von 1 verwendbare Steuerung eines Auslassventils,
6–8 Einrichtungen zur genauen Führung des Kolbens der Wärmekraftmaschine von 1 bis 5,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine in einer Wärmekraftmaschine nach der Erfindung verwendbares Einlassventil, und
10 und 11 verschiedene Querschnittsansichten des Einlassventils von 9.
1 zeigt ausschnittsweise eine Kolben-Zylinder-Baugruppe einer Wärmekraftmaschine mit einem Kolben 1, einem Zylinder 2 und einem Zylinderkopf 3. Die Kolben-Zylinder-Baugruppe ist auf einen Zylinder eines herkömmlichen Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) aufgesetzt. Der Zylinder des Verbrennungsmotors dient als Führung für ein mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbundenes Schlittenelement. Das Schlittenelement ist über eine sich in Richtung der Zylinderachse erstreckendes Kolbenstange (nicht gezeigt) mit dem Kolben 1 verbunden. Der durch das Schlittenelement geführte Kolben 1 treibt somit über das Schlittenelement die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors an.
Im Zylinderkopf 3 ist ein Ventil 4 für den Einlass eines gasförmigen Arbeitsmediums vorgesehen. Im vorliegenden Fall handelt es sich um ein Arbeitsmedium, das bei geringerer Temperatur als Wasser siedet, so dass die Wärmekraftmaschine zur Nutzung von Wärmequellen verhältnismäßig niedriger Temperatur geeignet ist.
Das Ventil 4 umfasst ein Ventilgehäuse 5, das einen ringförmigen Sitz 6 für einen rotationssymmetrischen Ventilkörper 7 bildet. Der Ventilkörper 7 versperrt im geschlossenen Zustand des Ventils einen in den Zylinderraum 9 einmündenden Durchgang 8 für das Arbeitsmedium.
Der Ventilkörper 7 ist an einer Umfangsfläche eines Tellerbereichs an dem Ventilgehäuse 5 und an einem kugelförmigen Endstück in einer Führungshülse 10 geführt. Der Ventilkörper liegt jeweils mit gerundeten Anlageflächen punkt- bzw. linienförmig gegen das Ventilgehäuse bzw. die Führungshülse 10 an. Zur jeweils punktförmigen bzw. linienförmigen Führung des Ventilgehäuses 7 stehen von der Innenseite des Ventilgehäuses 5 drei Führungssegmente 11 vor. Senkrecht zur Rotationssymmetrieachse des Ventilkörpers 7 besteht ein gewisses Spiel, das eine Selbstzentrierung des Ventilkörpers 7 im Sitz 6 ermöglicht.
Mit dem Ventilkörper 7 einstückig verbunden ist ein axial vorstehender Betätigungsansatz 12, über den der Ventilkörper 7 gegen die dem Zylinderkopf 3 zugewandte Oberfläche des Kolbens 1 anliegt, wenn sich der Kolben 1 nahe seinem oberen Totpunkt befindet.
Wie 1 ferner erkennen lässt, ist das den Ventilsitz 6 bildende Ventilgehäuse 5 an seinem dem Kolben 1 zugewandten Ende mit einem Außengewinde 14 versehen, das in ein entsprechendes Innengewinde 15 im Zylinderkopf 3 eingreift. Zur Befestigung der Führungshülse 10 im Zylinderkopf 3 dient eine Passungsbohrung 16.
Koaxial zur Rotationssymmetrieachse des Ventilkörpers 7 weist das Ventilgehäuse 5 ferner ein Außenzahnung 17 auf, die mit einer Außenzahnung 18 am Ende einer Welle 19 im Eingriff steht. Die in einer Bohrung 20 im Zylinderkopf 3 gelagerte Welle 19 weist einen Antriebskopf 21 auf, über den sie ggf. mit Hilfe eines Werkzeugs drehbar ist.
Der das Ventil 4 einschließlich der Welle 19 aufnehmende Innenraum des Zylinderkopfs 3 ist durch eine zum Ventilgehäuse 5 konzentrische Ringdichtung 22 sowie eine zur Achse der Welle 19 konzentrische Ringdichtung 23 abgedichtet.
Im Betrieb der Wärmekraftmaschine öffnet jeweils nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens 1 das Ventil 4 und das unter der Ausgangstemperatur T₀ und dem Ausgangsdruck p₀ stehende Arbeitsmedium strömt in den Zylinderraum 9. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 1 schließt das Ventil 4. Im Zylinderraum 9, dessen Volumen zum Zeitpunkt des Ventilverschlusses V₀ beträgt, wird eine Masse m des Arbeitsmediums eingeschlossen. Es versteht sich, dass die eingeschlossene Masse m auch davon abhängt, wie lange das Einlassventil geöffnet ist.
Eine Änderung des Ausgangsdrucks p₀ oder/und der Ausgangstemperatur T₀ des Arbeitsmediums führt zu einer entsprechenden Änderung der bei der Kolbenabwärtsbewegung geleisteten mechanischen Arbeit A. Durch Änderung des Ausgangsvolumens V₀ und damit durch Änderung der beim Schließen des Ventils 4 im Zylinderraum 9 eingeschlossenen Gasmasse m lässt sich die Änderung der mechanischen Arbeit ausgleichen und die Wärmekraftmaschine so an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen. Wenn jedoch kein ausreichender Massenstrom durch die Engstellen des Ventils fließen kann, so dass im Ausgangsvolumen (V₀) der Druck p₀ nicht erreicht wird, wird die Masse m, die beim Schließen des Einlassventils 4 im Zylinderraum 9 eingeschlossen ist, maßgeblich durch den Einlassventilhub und die damit bei konstanter Drehzahl fest gekoppelte Einlasszeit beeinflusst.
Zwecks Änderung des Ausgangsvolumens V₀ des Zylinderraums 9 beim Schließen des Ventils 4 (und bei gegebener Drehzahl damit auch der Steuerzeit) wird die Welle 19 durch ein am Antriebskopf 21 angreifendes Werkzeug gedreht und über die im Eingriff stehenden Zahnungen 17, 18 das Ventilgehäuse 5 zur Drehung angetrieben. Das Ventilgehäuse 5 verschiebt sich dabei in Richtung der Achse der beiden im Eingriff stehenden Gewinde 14, 15. Durch die axiale Verschiebung des Ventilgehäuses 5 verschiebt sich auch die Position des Betätigungsansatzes 12 des Ventilkörpers 7. Es kommt zur Änderung des beim Schließen des Ventils 4 vorhandenen Ausgangsvolumens V₀, ggf. zur Änderung der Einlasszeit und letztlich zur Änderung der im Zylinder eingeschlossenen Gasmassen.
Weitere, am Zylinderkopf 3 vorgesehene Einrichtungen zur Variation des Zylinderraumvolumens V₀ sind in 4 gezeigt.
Eine axiale, durch einen Gewindestopfen 25 nach außen verschließbare Bohrung 24 bildet einen das Volumen des Zylinderraums 9 vergrößernden Nebenraum.
Wie aus den 4b und 4c hervorgeht, kann dieses Zusatzvolumen durch verschieden große Einsatzstücke 26, 27 in unterschiedlichem Maße verkleinert werden, wobei in dem Ausführungsbeispiel von 4c das Zusatzvolumen durch das Einsatzstück 27 vollkommen aufgehoben ist. Das gemäß 4b etwa die Hälfte des Zusatzvolumens ausfüllende Einsatzstück 26 wird durch eine Schraubenfeder 28, deren dem Einsatzstück 26 abgewandtes Ende gegen eine Ringschulter 29 der Bohrung 24 anliegt, in Position gehalten.
Das oben erwähnte Spiel des Ventilkörpers 7 im Ventilgehäuse 5 bzw. der Führungshülse 10 ermöglicht einen wartungsfreien Betrieb des Ventils 4 ohne Schmierung.
Schmierungsfrei arbeitet auch eine in 5 gezeigte Steuerung eines im Zylinderkopf 3 vorgesehenen Auslassventils für das entspannte, bei jedem Kolbenhub auszustoßende Arbeitsmedium. Ein mit einem Ventilteller 30 verbundener Ventilstößel 31 wird über einen nadelgelagerten, durch eine Nockenwelle über eine Stößelstange 71 betätigten Kipphebel 32 bewegt. Die Betätigung des Stößels 31 durch den um eine Achse 33 verschwenkbaren Kipphebel 32 erfolgt jedoch nicht auf direktem Wege, sondern über einen weiteren, um eine Achse 35 verschwenkbaren Hebel 34.
Ein mit dem Kipphebel 32 verschraubter, durch eine Kontermutter 36 gesicherter Betätigungsstift 37 liegt über eine Kugelfläche 38 schwenkbeweglich gegen ein topfförmiges Verbindungsstück 39 an, das mit einem Gleitteller 40 verschraubt ist. Eine verschleißfeste Gleitfläche des Gleittellers 40 liegt einer ebensolchen Gleitfläche eines weiteren, mit dem Hebel 34 verschraubten Gleittellers 41 gegenüber.
In einer Aussparung 42 auf der dem Gleitteller 41 abgewandten Seite des Hebels 34 greift eine auf den Stößel 31 aufgesetzte Haube 43 mit einer gerundeten Anlagefläche 44 ein.
Wie 5 erkennen lässt, ist der Ventilstößel 31 gegen die Kraft einer Schraubenfeder 45 bewegbar. Ein Ende der Feder 45 liegt gegen einen mit dem Ventilstößel 31 verbundenen Teller 46 an, das andere Ende (nicht sichtbar) ist am Zylinderkopf 3 festgelegt.
Durch die indirekte Betätigung des Ventilstößels 31 über den Hebel 34, dessen Schwenkradius deutlich größer als der Schwenkradius des Kipphebels 32 ist, kommt es bei der Betätigung des Ventilstößels 31 nur zu geringen, zur Verschiebungsachse 47 des Ventilstößels 31 senkrechten Querverschiebungen bzw. Querkräften. Größere Querverschiebungen des Betätigungsstifts 37 werden durch die leicht und verschleißfrei gegeneinander verschiebbaren Gleitteller 40, 41, von denen der Gleitteller 40 zusätzlich schwenkbeweglich ist, ausgeglichen. Die Ventilsteuerung arbeitet ohne Schmierung weitgehend verschleißfrei.
Es wird nun auf die 6 bis 8 Bezug genommen, in welchen die Führung des Kolbens 1 durch das oben genannte Schlittenelement genauer erläutert ist.
Der von ringförmigen Dicht- und Führungselementen 48 und 49 umgebene Kolben 1 ist über ein zur Kolbenachse koaxiale Stange 50 mit dem Schlittenelement 51 verbunden. Das Schlittenelement 51 steht seinerseits über ein Pleuel 52 in Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle.
Der Kolben 1 gleitet in einer Zylinderbohrung 53 in einer die Zylinderwand 2 bildenden, mehrere Zylinderbohrungen aufweisenden Zylinderbank 54. Das Schlittenelement 51 bewegt sich in einer Bohrung 55 in einem Block 56, der mit einem Gehäuse (nicht gezeigt) für die erwähnte Kurbelwelle verbunden ist. Der Block 56 mit dem Kurbelwellengehäuse, ist, wie oben bereits erwähnt, durch den Motorblock eines zum Bau der beschriebenen Wärmekraftmaschine verwendeten Verbrennungsmotors gebildet. Über eine Anlagefläche 57 sind die Zylinderbank 54 und der Block 56 miteinander verbunden.
Eine zur Kolbenstange 50 koaxialer Stangendichtung 60, in welcher die Kolbenstange 50 gleitet, dichtet die Zylinderbohrung 53 gegen die Bohrung 55 ab.
Der Zylinder 1 ist mit der Kolbenstange 50 über ein in die hohle Kolbenstange eingreifendes Endstück 58 verschraubt. Eine ähnliche Verschraubung über ein Endstück 59 besteht zwischen dem Schlittenelement 51 und dem anderen Ende der Kolbenstange 50.
Wie die 7 und 8 erkennen lassen, umfasst das Schlittenelement 51 einen in der Draufsicht von 7 rechteckigen und in der Querschnittsansicht von 8 U-förmigen Block 61, in welchen das mit einem Achsbolzen 62 verbundene Pleuel 52 eingreift. Der Achsbolzen 62 ist an seinen Enden in den Schenkeln 64 und 65 des U-förmigen Blocks 61 gelagert, wobei der Schenkel 64 durch ein gesondertes, mit dem übrigen Block 61 verschraubtes Teilstück gebildet ist. Ein Federring 66 hält den Achsbolzen 62 in seiner Lagerung.
Wie insbesondere aus 7 hervorgeht, bilden vier mit der Wand der Bohrung 55 verbundene, an den Ecken des Blocks 61 angreifende Führungselemente 67 bis 70 eine Gleitführung für das Schlittenelement 51.
In den 9 bis 11 ist ein zu dem Einlassventil von 1 bis 3 alternatives Einlassventil gezeigt. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit derselben Bezugszahl bezeichnet, wobei den betreffenden Bezugszahlen der Buchstabe a beigefügt ist.
Das in den 9 bis 11 gezeigte Einlassventil 40 unterscheidet sich von dem vorangehend beschriebenen Einlassventil 4 u. a. dadurch, dass ein Ventilkörper 7a nicht ein- sondern zweiteilig ausgebildet und einen längliches Zentralteil 75 sowie einen den Zentralteil umgebenden Ringteil 73 aufweist. Der Zentralteil 75 geht an einem Ende in ein Betätigungselement 12a über. Über den Ringteil 73 kommt der Ventilkörper 4a zur Anlage gegen einen Ventilsitz 6a, der an einem Ventilgehäuse 5a gebildet ist.
Der Zentralteil 75 weist ein Außengewinde 80 auf, das im Eingriff mit einem Innengewinde 81 in einer den Zentralteil aufnehmenden Durchgangsbohrung im Ringteil steht. Ein ringförmiges Dichtelement 74 dichtet die Durchgangsbohrung ab.
Wie die Querschnittsdarstellung von 10 erkennen lässt, weist der Ringteil 73 drei Einbuchtungen auf, in welche jeweils ein mit dem Ventilgehäuse 5a verbundenes Führungselement 11a eingreift. Zwischen den Führungselementen 11a und den Einbuchtungen besteht Spiel, das eine Selbstzentrierung des Ventilkörpers im Ventilsitz 6a ermöglicht.
Wie die Querschnittsdarstellung von 11 zeigt, weist der Zentralteil an seinem in einer Führungshülse 10a geführten Kugelkopf zwei diametral vorstehende Arretierungselemente 77 auf, die in entsprechende Ausnehmungen in der Führungshülse 10a eingreifen. Die in einer Passungsbohrung 16a drehbar gelagerte Führungshülse 10a greift mit einer Außenzahnung 79 in eine Außenzahnung 18a einer Antriebswelle 19a ein.
Über die Antriebswelle 19a lässt sich die Führungshülse 10a drehen, wobei letztere über die Arretierungselemente 77 den Zentralteil 75 des Ventilkörpers mitdreht. Indem der Ringteil 73 des Ventilkörpers durch die in die Ausnehmungen eingreifenden Führungselemente 11a gehalten wird, verdreht sich der Zentralteil 75 mit seinem Außengewinde 80 im Innengewinde 81 des Ringteils 73 und bewegt sich axial relativ zum Ringteil. Entsprechend steht der Betätigungsansatz 12a mehr oder weniger weit in den Zylinderraum 9a hinein vor.

Claims

Wärmekraftmaschine mit einem in einem Zylinder (2) hin und her bewegbaren Kolben (1), an dem ein unter Druck in einem Zylinderraum (9) eingelassenes Arbeitsmedium mechanische Expansionsarbeit verrichtet, mit Einrichtungen zur Variation des beim Schließen eines Einlassventils (4) für das Arbeitsmedium vorhandenen Zylinderraumvolumens (V₀) und/oder zur Variation der Öffnungsdauer des Einlassventils (4), wobei das Einlassventil (4) für das Medium ein axial in den Zylinderraum (9) vorstehendes, unmittelbar durch den Kolben (1) bewegbares Betätigungselement (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Zylinderraum (9) bei geschlossenem Einlassventil vorstehende Länge des Betätigungselements (12) unter Variation des genannten Zylinderraumvolumens (V₀) einstellbar ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderraumvolumen (V₀) und/oder die Öffnungsdauer durch die genannten Einrichtungen von außen ohne Öffnung des Zylinderraums (9) variierbar ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einrichtungen zur Variation des Zylinderraumvolumens (V₀) und/oder der Öffnungsdauer von einer dem Zylinderraum (9) abgewandten Seite eines Zylinderkopfes (3) aus betätigen lassen.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Position eines Gehäuses (5) des Einlassventils (4) innerhalb einer Aufnahmebohrung im Zylinderkopf (3) in Bewegungsrichtung des Kolbens (1) verstellbar ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (5) ein in ein Innengewinde (15) der Aufnahmebohrung eingreifendes Außengewinde (14) aufweist und durch Drehung um die Gewindeachse in seiner axialen Position verstellbar ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (5) eine zur Gewindeachse koaxiale Zahnung (17) aufweist und durch eine gezahnte Welle (19) drehbar ist, die von der dem Zylinderraum abgewandten Außenseite des Zylinderkopfs (3) her in eine Bohrung (20) im Zylinderkopf (3) eingeführt oder einführbar ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (5) gegen die Aufnahmebohrung durch eine das Ventilgehäuse (5) umgebende Ringdichtung (22) abgedichtet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (12) durch eine axiale Verlängerung eines Ventilkörpers (7) gebildet ist, für den das Ventilgehäuse (5) einen Ventilsitz (6) bildet.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (12a) durch einen Zentralteil (75) des Ventilkörpers gebildet und der Zentralteil (75) relativ zu einem den Zentralteil (75) umgebenden Ringteil (73) des Ventilkörpers verstellbar ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außengewinde (80) des Zentralteils (75) in ein Innengewinde (81) des Ringteils (73) eingreift.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Variation des Zylinderraumvolumens (V₀) einen zu dem Zylinderraum (9) offenen, in seinem Volumen verstellbaren Nebenraum (24) umfassen.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenraum (24) durch einen oder mehrere verschieden große Füllkörper (26, 27) ausfüllbar ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenraum durch eine Bohrung (24) im Zylinderkopf (3) gebildet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) über eine Kolbenstange starr mit einem in Bewegungsrichtung des Kolbens (1) geführten Schlittenelement verbunden und an das Schlittenelement eine mit einer Kurbelwelle verbundene Pleuelstange angelenkt ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlittenelement durch einen Zylinder eines die Kurbelwelle und Pleuelstange umfassenden Verbrennungsmotors geführt ist und sich der Kolben (1) in einem axial an den Zylinder des Verbrennungsmotors angeschlossenen Zylinder bewegt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Hubphase des Kolbens (1) öffnendes Auslassventil für das entspannte Arbeitsmedium durch eine von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle gesteuert ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Nockenwelle bewegter Kipphebel (32) über einen weiteren Hebel (34) mit längerem Hebelarm einen Ventilkörper (31) des Auslassventils betätigt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Nockenwelle bewegte Kipphebel (32) mit einem Gleitteller (40) gegen einen Gleitteller (41) an dem weiteren Hebel (34) anliegt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Gleitteller (40, 41) kippbeweglich mit dem betreffenden Hebel (32, 34) verbunden ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (7) in dem Ventilgehäuse (5) in Richtung der Bewegung des Kolbens geführt ist und in seiner Führung ein Spiel senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens (1) aufweist.