DE102012210639A1

DE102012210639A1 - Axialkolbenmaschine, die vorzugsweise durch einen Dampfkraftprozess antreibbar ist

Info

Publication number: DE102012210639A1
Application number: DE201210210639
Authority: DE
Inventors: Stefan Loesch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Eine Axialkolbenmaschine (1) ist durch eine Expansion eines Arbeitsfluids antreibbar. Die Axialkolbenmaschine (1) umfasst eine Zylinderbohrung (13) und einen in der Zylinderbohrung (13) angeordneten Kolben (12). Der Kolben (12) ist in der Zylinderbohrung (13) entlang einer Achse (14) der Zylinderbohrung (13) axial bewegbar. Der Kolben (12) begrenzt in der Zylinderbohrung (13) einen Arbeitsraum (8). Ferner sind ein steuerbarer Einlass (10), über den das Arbeitsfluid in den Arbeitsraum (8) führbar ist, und ein steuerbarer Auslass (11), über den das Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum (8) führbar ist, vorgesehen. Außerdem ist durch eine Rotation des Kolbens (12) um die Achse (14) der Zylinderbohrung (13) die Steuerung des Einlasses (10) und die Steuerung des Auslasses (11) gegeben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine, die durch eine Expansion eines Arbeitsfluids antreibbar ist. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der als Expansionsmaschinen ausgestalteten Axialkolbenmaschinen, die über einen Dampfkraftprozess antreibbar sind und zur Nutzung der Abwärme von Brennkraftmaschinen dienen.
Als Kolbenmaschinen ausgestaltete Expansionsmaschinen werden beispielsweise für einen ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle-Process) eingesetzt, bei denen ein Arbeitsfluid als Prozessmedium verdichtet, verdampft und überhitzt, expandiert sowie anschließend wieder kondensiert wird. Dieses Verfahren kann mit Dampfturbinen betrieben werden. Allerdings ist für kleine Leistungen ein Einsatz einer Dampfturbine nicht sinnvoll, da Turbinen einen fallenden Wirkungsgrad mit abnehmender Baugröße haben. Daher eignet sich für solch einen Fall eine Kolbenmaschine, die beispielsweise als Rotations- oder Hubkolbenmaschine ausgestaltet ist. Speziell kann hierbei eine Energierückgewinnung aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine realisiert werden.
Insbesondere steigende Energiepreise ermöglichen eine wirtschaftliche Realisierung solcher Einrichtungen, die aus der Abwärme einer Brennkraftmaschine über einen nachgelagerten thermodynamischen Prozess zusätzliche mechanische Energie erzeugen. In Abhängigkeit von dem relevanten Temperaturbereich können hierbei unterschiedliche Medien für das Arbeitsfluid zum Einsatz kommen. Bei einem ORC-Prozess kommen Kohlewasserstoffverbindungen zum Einsatz. Als Arbeitsfluid kann im einfachsten Fall allerdings auch Wasser dienen. Wenn die Expansionsmaschine als Kolbenmaschine ausgestaltet wird, dann ist es erforderlich, dass der Zylinderraum vor einem Beginn der Expansion mit der Hochdruckseite verbunden wird, was bedeutet, dass der Einlass offen ist, während der Auslass geschlossen ist. Während der Expansionsphase ist der Hochdruckraum dann verschlossen, was bedeutet, dass der Einlass und der Auslass geschlossen sind. Während der Ausschubphase ist der Zylinderraum mit der Niederdruckseite verbunden, was bedeutet, dass der Einlass geschlossen ist, während der Auslass offen ist. Für die Steuerung der diesbezüglichen Ladungswechsel sind verschiedene Ventiltriebe denkbar. Beispielsweise sind nockengetriebene oder schiebergesteuerte Ventiltriebe denkbar. Hierbei kann die Betätigung über eine mechanische Verbindung von einer Abtriebswelle, insbesondere einer Kurbelwelle, der Kolbenmaschine zu den Ventilen erfolgen.
Die Ausgestaltung einer Kolbenmaschine mit solch einem Ventiltrieb hat den Nachteil, dass die Ausgestaltung der mechanischen Verbindung von der Abtriebswelle zu den Ventilen aufwändig ist und einen zusätzlichen Bauraum beansprucht. Ferner ist eine Wartung, insbesondere Schmierung, erforderlich.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Steuerung des Einlasses und/oder des Auslasses für den Arbeitsraum möglich ist. Speziell können dadurch die Komplexität und der benötigte Bauraum verringert sowie die Betriebsfähigkeit verbessert werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Axialkolbenmaschine möglich.
Die Axialkolbenmaschine arbeitet vorzugsweise nach dem Zwei-Takt-Prinzip. Das bedeutet, dass bei jeder Umdrehung einer Welle der Axialkolbenmaschine ein Arbeitshub des Kolbens beziehungsweise jedes der Kolben stattfindet und somit die Steuerzeiten synchron zur Wellendrehzahl sind. Zum Öffnen und Schließen des Einlasses und/oder des Auslasses sind bei einer herkömmlichen Ausgestaltung beispielsweise über Nocken gesteuerte Ventile vorgesehen, die bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eingespart werden können. Auch mögliche Drehschieber oder dergleichen sind somit nicht erforderlich.
In vorteilhafter Weise wird die Welle der Axialkolbenmaschine durch die axiale Verschiebung des Kolbens angetrieben, wobei die Rotation des Kolbens synchron zu der Rotation der Welle erfolgt. Die Welle kann hierbei insbesondere als Kurbelwelle ausgestaltet sein. Allerdings sind auch andere Ausgestaltungen der Welle denkbar. Durch die Rotation des Kolbens in der Zylinderbohrung kann außerdem in vorteilhafter Weise eine Schmierung zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung erzielt werden. Speziell bei einem Antrieb der Axialkolbenmaschine durch Dampf oder ein gasförmiges Arbeitsfluid ist durch das Arbeitsfluid selbst keine ausreichende Schmierung gewährleistet. Eine zusätzliche Schmierung erfordert jedoch eine gleichmäßige Verteilung des Schmiermittels über den Umfang des Kolbens. Durch die Rotation des Kolbens wird die Verteilung des Schmiermittels in vorteilhafter Weise erzielt. Dadurch vereinfacht sich auch die Schmierung. Durch die Drehung bleibt der Schmierfilm aufrechterhalten.
Vorteilhaft ist es, dass eine mit der Welle verbundene Schrägscheibe vorgesehen ist und dass der Kolben mit der Schrägscheibe so zusammen wirkt, dass die axiale Bewegung des Kolbens der Rotation der Welle entspricht. Dies bedeutet, dass bei einem Arbeitshub des Kolbens die axiale Bewegung des Kolbens die Rotation der Welle bedingt. Bei einem Ausstoßhub des Kolbens kann andererseits die Rotation der Welle die axiale Bewegung des Kolbens bedingen. Somit ergibt sich ein bestimmter Zusammenhang zwischen der axialen Bewegung des Kolbens und der Rotation der Welle. Hierbei ist anzumerken, dass vorzugsweise mehrere Kolben vorgesehen sind, die jeweils in einer Zylinderbohrung angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein Wechselspiel, bei dem einander abwechselnd ein Teil der Kolben über ihren Arbeitshub die mit der Schrägscheibe verbundene Welle antreibt, während der andere Teil der Kolben betätigt wird.
Allerdings sind auch andere Ausgestaltungen denkbar. Beispielsweise können Doppelkolben vorgesehen sein, die an voneinander abgewandten Seiten Arbeitsräume begrenzen. Führt der Kolben bezüglich des einen Arbeitsraums einen Arbeitshub aus, dann führt er zugleich bezüglich des anderen Arbeitsraums einen Ausstoßhub aus. Abgesehen von Totpunkten erfolgt bei dieser Ausgestaltung somit die meiste Zeit ein Antrieb der Welle mittels der Schrägscheibe.
Vorteilhaft ist es ferner, dass der Kolben mit der Schrägscheibe so zusammen wirkt, dass die Rotation der mit der Schrägscheibe verbundenen Welle die Rotation des Kolbens um die Achse der Zylinderbohrung bedingt. Hierbei ist es weiter von Vorteil, dass der Kolben an seiner Außenseite eine umlaufende, schräge Nut aufweist und dass die Schrägscheibe in die schräge Nut des Kolbens eingreift. Diese Nut erzwingt eine Eigendrehung des Kolbens bei jeder Umdrehung der Welle. In entsprechender Weise können auch mehrere Kolben mit jeweils einer umlaufenden, schrägen Nut versehen sein.
Allerdings ist es auch vorteilhaft, dass eine an der Außenseite des Kolbens vorgesehene Verzahnung mit einer Verzahnung an der Außenseite der Schrägscheibe zusammen wirkt. Somit kann die Drehung des Kolbens beziehungsweise der Kolben über den Eingriff der Verzahnungen übertragen werden. Hierbei ist die Zähnezahl der Verzahnung des Kolbens gleich der Zähnezahl der Verzahnung der Schrägscheibe.
Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass der Kolben mit der Welle so zusammen wirkt, dass die Rotation der Welle die Rotation des Kolbens um die Achse der Zylinderbohrung bedingt. Bei dieser Ausgestaltung ist es ferner vorteilhaft, dass eine an der Außenseite des Kolbens vorgesehene Verzahnung mit einer Verzahnung der Welle zusammen wirkt. Um je Umdrehung der Welle eine Umdrehung des Kolbens zu erzielen, ist die Zähnezahl der Verzahnung der Welle gleich der Zähnezahl der Verzahnung des Kolbens vorgegeben. Somit kann eine direkte Kraftübertragung von der Welle auf die Kolben erzielt werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass der Kolben an seiner Außenseite eine Einlass-Steuerausnehmung aufweist, dass an der Zylinderbohrung eine Einlass-Öffnung vorgesehen ist, dass der Einlass die Einlass-Steuerausnehmung und die Einlass-Öffnung umfasst und dass die Einlass-Steuerausnehmung somit mit der Einlass-Öffnung zusammen wirkt, dass bei geöffnetem Einlass das Arbeitsfluid über die Einlass-Öffnung und die Einlass-Steuerausnehmung in den Arbeitsraum geführt wird. Die Einlass-Steuerausnehmung kann insbesondere nutförmig ausgestaltet sein.
Ferner ist es vorteilhaft, dass der Kolben an seiner Außenseite eine Auslass-Steuerausnehmung aufweist, dass an der Zylinderbohrung eine Auslass-Öffnung vorgesehen ist, dass der Auslass die Auslass-Steuerausnehmung und die Auslass-Öffnung umfasst und dass die Auslass-Steuerausnehmung so mit der Auslass-Öffnung zusammen wirkt, dass bei geöffnetem Auslass das Arbeitsfluid über die Auslass-Steuerausnehmung und die Auslass-Öffnung aus dem Arbeitsraum geführt wird. Die Auslass-Steuerausnehmung kann insbesondere nutförmig ausgestaltet sein.
Durch diese Ausgestaltung des Einlasses beziehungsweise des Auslasses kann die Anzahl der Bauteile und der diesbezügliche Herstellungsaufwand erheblich reduziert werden. Hierbei erfolgt sowohl die Steuerung des Einlasses als auch die Steuerung des Auslasses durch die Rotation des Kolbens um die Achse der Zylinderbohrung. Somit können bei dieser Ausgestaltung sowohl der Einlass als auch der Auslass in vorteilhafter Weise gesteuert werden.
Somit ist eine konstruktive Ausgestaltung eines Kurbeltriebs einer Axialkolbenmaschine in der Form möglich, dass sich die Kolben synchron zur Kurbelwellendrehzahl um die eigene Achse, das heißt die Achse der jeweiligen Zylinderbohrung, drehen. Dadurch ist es möglich, dass bei entsprechender Ausgestaltung der Kolben die Steuerzeiten vollständig oder teilweise durch die Konstruktion der Kolben und der Zylinder beziehungsweise Zylinderbohrungen festgelegt sind. Dadurch ist eine Ausgestaltung der als Expansionsmaschine dienenden Axialkolbenmaschine mit sehr wenig bewegten Bauteilen möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Anordnung mit einer Axialkolbenmaschine, die durch einen Dampfkraftprozess antreibbar ist, entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der in 1 dargestellten Axialkolbenmaschine des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
3 die in 1 dargestellte Axialkolbenmaschine des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung;
4 die in 3 dargestellte Axialkolbenmaschine entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung;
5 die in 3 dargestellte Axialkolbenmaschine entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung;
6 eine Zylinderbohrung und einen in der Zylinderbohrung angeordneten Kolben der in 1 dargestellten Axialkolbenmaschine in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung;
7 einen schematischen Schnitt durch den in 6 dargestellten Kolben entlang der mit VII bezeichneten Schnittlinie;
8 die in 6 dargestellte Zylinderbohrung und den Kolben in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung in einer weiteren Stellung des Kolbens und
9 einen schematischen Schnitt durch den in 8 dargestellten Kolben in der weiteren Stellung entlang der mit IX bezeichneten Schnittlinie.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Axialkolbenmaschine 1 als Teil einer Anordnung 2 entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung. Die Axialkolbenmaschine 1 ist hierbei durch eine Expansion eines Arbeitsfluids antreibbar, das in einem geschlossenen Kreislauf 3 der Anordnung 2 geführt wird. Das Arbeitsfluid kann hierbei in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere ein vorgegebenes Temperaturniveau, gewählt werden. Speziell kann als Arbeitsfluid Wasser zum Einsatz kommen. Auch Kohlenwasserstoffverbindungen können zum Einsatz kommen. Ferner kann das Arbeitsfluid durch ein Gas oder ein Gasgemisch gebildet sein. Bei einer bevorzugten Anwendung wird die Axialkolbenmaschine 1 über einen Dampfkraftprozess angetrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 2 eine Einrichtung 4 auf, die als Verdampfer oder Überhitzer für das Arbeitsfluid dient. Das unter hohem Druck stehende Arbeitsfluid wird dann der Axialkolbenmaschine 1 zugeführt. In der Axialkolbenmaschine 1 wird das Arbeitsfluid entspannt und anschließend zu einem Verflüssiger 5 geführt. In dem Verflüssiger 5 wird das Arbeitsfluid verflüssigt und nachfolgend über eine Speisepumpe 6 wieder zu der Einrichtung 4 geführt. Dadurch ist der Kreislauf geschlossen.
Die in 1 dargestellte Anordnung 2 kann insbesondere für einen thermodynamischen Kreislauf entsprechend einem ORC-Prozess dienen.
2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der in 1 dargestellten Axialkolbenmaschine 1 des ersten Ausführungsbeispiels. Hierbei ist an der Abszisse ein Winkel einer Welle 7 (3) der Axialkolbenmaschine 1 angetragen. Bei der Welle 7 kann es sich insbesondere um eine Kurbelwelle handeln. Dann handelt es sich bei dem an der Abszisse angetragenen Winkel um den Kurbelwellenwinkel. An der Ordinate ist ein Druck in einem Arbeitsraum 8 (3) angetragen. Hierbei ist ein möglicher Verlauf 9 des Druckes im Arbeitsraum 8 zur Erläuterung dargestellt.
Wie es in der 1 schematisch dargestellt ist, weist die Axialkolbenmaschine 1 einen Einlass 10 und einen Auslass 11 auf. In Abhängigkeit von dem Winkel der Welle 7 werden der Einlass 10 und der Auslass 11 gesteuert. Hierbei ist in der 2 ein Schließen des Einlasses 10 mit ES gekennzeichnet. Ein Öffnen des Auslasses 11 ist mit AÖ gekennzeichnet. Ein Schließen des Auslasses 11 ist mit AS gekennzeichnet. Ferner ist ein Öffnen des Einlasses 10 mit EÖ gekennzeichnet.
Die Funktionsweise der Axialkolbenmaschine 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist im Folgenden auch unter Bezugnahme auf die 3 weiter beschrieben.
3 zeigt die in 1 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 des ersten Ausführungsbeispiels in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung. Die Axialkolbenmaschine 1 weist einen Kolben 12 auf, der in einer Zylinderbohrung 13 geführt ist. Die Zylinderbohrung 13 weist eine Achse 14 auf, entlang der der Kolben 12 in der Zylinderbohrung 13 bewegbar ist. Der Kolben 12 weist eine Stirnseite 15 auf, die in der Zylinderbohrung 13 den Arbeitsraum 8 begrenzt. Entsprechend der axialen Stellung des Kolbens 12 ergibt sich ein Volumen des Arbeitsraums 8.
Die Welle 7 ist mit einer Schrägscheibe 20 verbunden. Der Kolben 12 weist an seiner Außenseite 21 eine umlaufende, schräge Nut 22 auf, in die die Schrägscheibe 20 eingreift. Die Schrägscheibe 20 ist fest mit der Welle 7 verbunden oder einstückig mit der Welle 7 ausgestaltet. Ferner ist die Schrägscheibe 20 unter einem gewissen Winkel zu einer Drehachse 23 der Welle 7 geneigt. Dadurch wird die axiale Bewegung des Kolbens 12 in einer Rotationsbewegung der Welle 7 umgesetzt und umgekehrt. Durch das Zusammenwirken der Schrägscheibe 20 mit der Nut 22 wird außerdem eine Eigendrehung des Kolbens 12 je Umdrehung der Welle 7 erzwungen.
Somit wirkt der Kolben 12 so mit der Schrägscheibe 20 zusammen, dass die axiale Bewegung des Kolbens 12 der Rotation der Welle 7 entspricht. Außerdem wirkt der Kolben 12 so mit der Schrägscheibe 20 zusammen, dass die Rotation der mit der Schrägscheibe 20 verbundenen Welle 7 die Rotation des Kolbens 12 um die Achse 14 der Zylinderbohrung 13 bedingt.
Wenn der Einlass 10 geschlossen wird, wie es der in der 2 gezeigten Drehwinkelstellung ES entspricht, dann expandiert anschließend das Arbeitsfluid im geschlossenen Arbeitsraum 8, so dass der Druck vom hohen Druck p_H auf den niedrigen Druck p_N abnimmt. Dann wird der Auslass 11 geöffnet, so dass der Druck im Arbeitsraum 8 auf dem niedrigen Druck p_N bleibt, während der Ausstoßhub des Kolbens 12 erfolgt. Dann erfolgt das Schließen des Auslasses 11 bei der Drehwinkelstellung AS. Kurz danach wird der Einlass 10 geöffnet, was vorzugsweise im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 12 erfolgt. Durch das unter dem hohen Druck p_H in den Arbeitsraum 8 geführte Arbeitsfluid wird dann der nächste Arbeitshub eingeleitet.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Axialkolbenmaschine zumindest einen weiteren Kolben 25 auf, der in einer Zylinderbohrung 26 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Axialkolbenmaschine 1 drei bis sechs solcher Kolben 12, 25 aufweisen, die gleichmäßig um die Drehachse 23 verteilt in ihren Zylinderbohrungen 13, 26 angeordnet sind. Die Funktionsweise des Kolbens 25 entspricht hierbei der Funktionsweise des Kolbens 12. Speziell bewegt sich der Kolben 25 entsprechend der Rotation der Welle 7 entlang der Achse 27 der Zylinderbohrung 26. Außerdem erfolgt entsprechend der Rotation der Welle 7 um ihre Drehachse 23 eine Rotation des Kolbens 25 um seine Achse 27.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Axialkolbenmaschine 1 als doppelt wirkende Axialkolbenmaschine 1 ausgestaltet. Hierbei ist der Kolben 12 auch in einer Zylinderbohrung 13’ geführt. Hierbei begrenzt eine von der Stirnseite 15 abgewandte Stirnseite 15’ des Kolbens 12 einen weiteren Arbeitsraum 8’ in der Zylinderbohrung 13’. Für den weiteren Arbeitsraum 8’ sind in entsprechender Weise ein Einlass und ein Auslass vorgesehen. Somit kann der Kolben 12 wechselweise beaufschlagt werden, nämlich einerseits von dem Arbeitsraum 8 und andererseits von dem Arbeitsraum 8’. Während der Kolben 12 beispielsweise einen Arbeitshub bezüglich des Arbeitsraums 8 ausführt, erfolgt dann synchron ein Ausstoßhub des Kolbens 12 bezüglich des Arbeitsraums 8’.
Entsprechend begrenzt der Kolben 25 einerseits in der Zylinderbohrung 26 einen Arbeitsraum 28. Und zugleich begrenzt der Kolben 25 in einer Zylinderbohrung 26’ den weiteren Arbeitsraum 28’. Somit ergibt sich auch eine wechselweise Beaufschlagung des Kolbens 25 einerseits von dem Arbeitsraum 28 her und andererseits von dem Arbeitsraum 28’ her.
4 zeigt die in 3 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Kolben 12 ein Zahnrad 30 auf. An der Außenseite des Zahnrads 30 des Kolbens 12 ist eine Verzahnung 31 ausgestaltet. Hierbei ist eine ein- oder mehrstückige Ausgestaltung des Kolbens 12 möglich. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Verzahnung 31 an einer Außenseite 32 des Zahnrads 30 des Kolbens 12 vorgesehen. Ein Durchmesser des Zahnrads 30 ist hierbei größer als ein Durchmesser eines Zylinders 33 des Kolbens 12. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung kann die Verzahnung 31 allerdings auch direkt an dem Zylinder 33 ausgestaltet sein.
Somit umfasst der Kolben 12 in diesem Ausführungsbeispiel das Zahnrad 30 und den Zylinder 33. Ferner weist der Kolben 12 ein Stützelement 34 auf, das in einer umlaufenden Vertiefung 35 der Schrägscheibe 20 abgestützt ist.
In entsprechender Weise ist der Kolben 25 ausgestaltet.
Die Welle 7 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Verzahnung 40 auf. Die Verzahnung 40 ist in diesem Ausführungsbeispiel an einer Außenseite 41 eines Abschnitts 42 der Welle 7 mit vergrößertem Durchmesser ausgestaltet. Die Verzahnung 40 der Welle 7 wirkt mit der Verzahnung 31 des Kolbens 12 zusammen. Hierbei ist die Zähnezahl der Verzahnung 31 gleich der Zähnezahl der Verzahnung 40. Bei einer Umdrehung der Welle 7 wird somit auch eine Umdrehung des Kolbens 12 bewirkt. Ferner erfolgt aufgrund der Schrägscheibe 20 eine axiale Bewegung des Kolbens 12 entlang seiner Achse 14. Die Wechselwirkung zwischen dem Kolben 12 und der Schrägscheibe 20 erfolgt hierbei im Wechselspiel von Arbeitshub und Ausstoßhub.
Entsprechend wird durch eine Rotation der Welle 7 genau eine Rotation des Kolbens 25 um seine Achse 27 erzielt.
5 zeigt die in 3 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung. In diesem Ausführungsbeispiel ist an der Außenseite 21 des Kolbens 12 eine Verzahnung 31 vorgesehen. Die Verzahnung 31 ist hierbei im Bereich einer umlaufenden Vertiefung 43 vorgesehen. Eine an einer Außenseite 44 der Schrägscheibe 20 vorgesehenen Verzahnung 45 greift in die Verzahnung 31 des Kolbens 12 ein. Hierbei wird bei einer Rotation der Welle 7 um ihre Drehachse 23 genau eine Rotation des Kolbens 12 um seine Achse 14 bewirkt. Außerdem wirkt der Kolben 12 im Bereich seiner Vertiefung 43, in die die Schrägscheibe 20 eingreift, so mit der Schrägscheibe 20 zusammen, dass die axiale Bewegung des Kolbens 12 der Rotation der Welle 7 um ihre Drehachse 23 entspricht.
6 zeigt die Zylinderbohrung 13 und den Kolben 12 der in 1 dargestellten Axialkolbenmaschine 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung. Der Kolben 12 weist an seiner Außenseite 21 eine Einlass-Steuerausnehmung 50 auf. Ferner ist an der Zylinderbohrung 13 eine Einlass-Öffnung 51 vorgesehen. An der Einlass-Öffnung 51 liegt das Arbeitsfluid mit dem hohen Druck p_H an. Die Einlass-Steuerausnehmung 50 und die Einlass-Öffnung 51 sowie gegebenenfalls weitere Elemente, insbesondere ein Anschlussstück, bilden in diesem Ausführungsbeispiel den Einlass 10. Die Einlass-Steuerausnehmung 50 erstreckt sich hierbei bis zu der Stirnseite 15 des Kolbens 12. Bei dem Arbeitshub des Kolbens 12, der in einer Richtung 52 erfolgt, und einer gleichzeitigen Rotation des Kolbens 12 um die Achse 14 der Zylinderbohrung 13, die bei dieser Ausgestaltung in einer Drehrichtung 53 erfolgt, bleibt die Verbindung zwischen der Einlass-Öffnung 51 und der Einlass-Steuerausnehmung 50 für einen gewissen Zeitraum beziehungsweise einen gewissen Umdrehungswinkel der Welle 7 bestehen. Dies entspricht dem in der 2 dargestellten Abschnitt des Verlaufs 9 vom Zustand EÖ bis zum Zustand ES. Dann wird die Einlass-Öffnung 51 gewissermaßen durch die Außenseite 21 des Kolbens 12 verschlossen. Somit wirkt die Einlass-Steuerausnehmung 50 so mit der Einlass-Öffnung 51 zusammen, dass bei geöffnetem Einlass 10 das Arbeitsfluid über die Einlass-Öffnung 51 und die Einlass-Steuerausnehmung 50 in den Arbeitsraum 8 geführt wird.
7 zeigt einen schematischen Schnitt durch den in 6 dargestellten Kolben 12 entlang der mit VII bezeichneten Schnittlinie. Hierbei ist die nutförmige Einlass-Steuerausnehmung 50 in einer Schnittebene senkrecht zu der Achse 14 dargestellt. Durch die schraubenförmige Ausgestaltung der Einlass-Steuerausnehmung 50 besteht für einen gewissen Drehwinkel in der Drehrichtung 53 eine Verbindung zwischen der Einlass-Öffnung 51 und der Einlass-Steuerausnehmung 50, so dass der Einlass 10 geöffnet ist, während ansonsten der Einlass 10 geschlossen ist. Somit ist die Steuerung des Einlasses 10 durch die Rotation des Kolbens 12 um die Achse 14 möglich.
8 zeigt die in 6 dargestellte Zylinderbohrung 13 und den Kolben 12 der in 1 dargestellten Axialkolbenmaschine 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung in einer weiteren Stellung des Kolbens 12. Während die 6 und 7 eine Stellung des Kolbens 12 im Bereich des oberen Totpunkts zeigen, zeigt die 8 eine Stellung des Kolbens 12 im Bereich eines unteren Totpunkts. Der Kolben 12 weist an seiner Außenseite 21 eine Auslass-Steuerausnehmung 60 auf. Ferner ist an der Zylinderbohrung 13 eine Auslass-Öffnung 61 vorgesehen. Die Auslass-Steuerausnehmung 60, die Auslass-Öffnung 61 und gegebenenfalls weitere Elemente bilden den Auslass 11. In der 8 ist eine Stellung des Kolbens 12 dargestellt, in der die Auslass-Steuerausnehmung 60 mit der Auslass-Öffnung 61 verbunden ist. Hierbei erstreckt sich die Auslass-Steuerausnehmung 60 bis zu der Stirnseite 15 des Kolbens 12. Bei dem Ausstoßhub des Kolbens 12 in der Richtung 62 erfolgt sogleich eine Rotation des Kolbens 12 in der Drehrichtung 63. Dadurch bleibt die Auslass-Steuerausnehmung 60 mit der Auslass-Öffnung 61 für einen gewissen Zeitraum beziehungsweise für einen gewissen Drehwinkelbereich der Welle 7 verbunden. Dies entspricht dem Bereich des Verlaufs 9 vom Zustand AÖ bis zum Zustand AS, wie es in 2 veranschaulicht ist. Im Übrigen wird die Auslass-Öffnung 61 durch die Außenseite 21 des Kolbens 12 verschlossen. Während der Auslass 11 durch Verbinden der Auslass-Steuerausnehmung 60 mit der Auslass-Öffnung 61 geöffnet ist, ist der Arbeitsraum 8 über die Auslass-Steuerausnehmung 60 mit dem an der Auslass-Öffnung 61 anliegenden niedrigen Druck p_N verbunden. Somit ist ein Ausstoß des unter niedrigem Druck stehenden, expandierten Arbeitsfluids möglich.
9 zeigt einen schematischen Schnitt durch den in 8 dargestellten Kolben 12 entlang der mit IX bezeichneten Schnittlinie. Hierbei ist die Auslass-Steuerausnehmung 60 in einem Schnitt senkrecht zu der Achse 14 dargestellt. Die Auslass-Steuerausnehmung 60 ist bezüglich der Achse 14 schraubenförmig ausgestaltet. Die Auslass-Steuerausnehmung 60 ist in diesem Ausführungsbeispiel nutförmig ausgestaltet.
Es ist anzumerken, dass die 6 und 7 nur die Einlass-Steuerausnehmung 50 und die Einlass-Öffnung 51 des Einlasses 10 zeigen, während die 8 und 9 nur die Auslass-Steuerausnehmung 60 und die Auslass-Öffnung 61 des Auslasses 11 zeigen. Vorzugsweise sind an dem Kolben 12 aber sowohl eine Einlass-Steuerausnehmung 50 für den Einlass 10 als auch eine Auslass-Steuerausnehmung 60 für den Auslass 11 ausgebildet. Dies ist durch eine überschneidungsfreie Ausgestaltung der Einlass-Steuerausnehmung 50 und der Auslass-Steuerausnehmung 60 an dem Kolben 12 sowie geeignet an der Zylinderbohrung 13 positionierte Öffnungen 51, 61 möglich. Speziell können hierdurch die Punkte ES, AÖ, AS, EÖ, die in der 2 dargestellt sind, unabhängig voneinander vorgegeben werden.
Denkbar ist es auch, dass das Arbeitsfluid durch ein Wellengehäuse, insbesondere Kurbelgehäuse geführt wird, in dem die Welle 7 angeordnet ist. Dies erfolgt vorzugsweise auf der Niederdruckseite für den niedrigen Druck p_N. Bei solch einer Ausgestaltung kann die Schrägscheibe 20 als Drehschieber wirken.
Bei den anhand der 6 bis 9 beschriebenen möglichen Ausgestaltungen dient der Kolben 12 selbst als Schieber, wobei die Einlassöffnung 51 und/oder die Auslass-Öffnung 61 je nach Drehwinkel vom Kolben 12 überdeckt und somit geschlossen oder frei und somit offen sind.
Somit kann durch eine Rotation des Kolbens 12 um die Achse 14 die Steuerung des Einlasses 10 und/oder die Steuerung des Auslasses 11 erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Axialkolbenmaschine (1), die durch eine Expansion eines Arbeitsfluids antreibbar ist, mit zumindest einer Zylinderbohrung (13) und einem in der Zylinderbohrung (13) angeordnetem Kolben (12), wobei der Kolben (12) in der Zylinderbohrung (13) entlang einer Achse (14) der Zylinderbohrung (13) axial bewegbar ist, wobei der Kolben (12) in der Zylinderbohrung (13) einen Arbeitsraum (8) begrenzt, wobei ein steuerbarer Einlass (10), über den das Arbeitsfluid in den Arbeitsraum (8) führbar ist, und ein steuerbarer Auslass (11), über den das Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum (8) führbar ist, vorgesehen sind und wobei durch eine Rotation des Kolbens (12) um die Achse (14) der Zylinderbohrung (13) die Steuerung des Einlasses (10) und/oder die Steuerung des Auslasses (11) erfolgt.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (7) vorgesehen ist, die durch die axiale Verschiebung des Kolbens (12) antreibbar ist und dass die Rotation des Kolbens (12) zumindest näherungsweise synchron zu einer Rotation der Welle (7) erfolgt.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Welle (7) verbundene Schrägscheibe (20) vorgesehen ist und dass der Kolben (12) mit der Schrägscheibe (20) so zusammen wirkt, dass die axiale Bewegung des Kolbens (12) der Rotation der Welle (7) entspricht.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) mit der Schrägscheibe (20) so zusammen wirkt, dass die Rotation der mit der Schrägscheibe (20) verbundenen Welle (7) die Rotation des Kolbens (12) um die Achse (14) der Zylinderbohrung (13) bedingt.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) an seiner Außenseite (21) eine umlaufende, schräge Nut (22) aufweist und dass die Schrägscheibe (20) in die schräge Nut (22) des Kolbens (12) eingreift.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Außenseite (21) des Kolbens (12) vorgesehene Verzahnung (32) mit einer Verzahnung (45) an einer Außenseite (44) der Schrägscheibe (20) zusammen wirkt.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) mit der Welle (7) so zusammen wirkt, dass die Rotation der Welle (7) die Rotation des Kolbens (12) um die Achse (14) der Zylinderbohrung (13) bedingt.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Außenseite (21) des Kolbens (12) vorgesehene Verzahnung (31) mit einer Verzahnung (40) der Welle (7) zusammen wirkt.
Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) an seiner Außenseite (21) eine Einlass-Steuerausnehmung (50) aufweist, dass an der Zylinderbohrung (13) eine Einlass-Öffnung (51) vorgesehen ist, dass der Einlass (10) die Einlass-Steuerausnehmung (50) und die Einlass-Öffnung (51) umfasst und dass die Einlass-Steuerausnehmung (50) so mit der Einlass-Öffnung (51) zusammen wirkt, dass bei geöffnetem Einlass (10) das Arbeitsfluid über die Einlass-Öffnung (51) und die Einlass-Steuerausnehmung (50) in den Arbeitsraum (8) geführt wird.
Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) an seiner Außenseite (21) eine Auslass-Steuerausnehmung (60) aufweist, dass an der Zylinderbohrung (13) eine Auslass-Öffnung (61) vorgesehen ist, dass der Auslass (11) die Auslass-Steuerausnehmung (60) und die Auslass-Öffnung (61) umfasst und dass die Auslass-Steuerausnehmung (60) so mit der Auslass-Öffnung (61) zusammen wirkt, dass bei geöffnetem Auslass (11) das Arbeitsfluid über die Auslass-Steuerausnehmung (60) und die Auslass-Öffnung (61) aus dem Arbeitsraum (8) geführt wird.