DE102013213614A1 - axial piston - Google Patents
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- F04B1/141—Details or component parts
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Abstract
Eine Axialkolbenmaschine mit einem Zylinderkörper (10), in dem mindestens drei Zylinder (12) ausgebildet sind, und mit in den Zylindern (12) beweglich geführten Kolben (14), wobei die Kolben (14) an eine Taumelscheibe (18) angebunden sind, die drehbar an einem Taumelscheibenfuß (20) anliegt, und wobei eine Fluidströmung in die und aus den Zylindern (12) mittels Einlass- und Auslassventilen gesteuert wird, ist durch variierende Teilungen zwischen den Anbindungen der Kolben (14) an der Taumelscheibe (18) und/oder variierende Öffnungszeiten für die Einlass- und/oder Auslassventile gekennzeichnet. An axial piston machine having a cylinder body (10) in which at least three cylinders (12) are formed and with pistons (14) movably guided in the cylinders (12), the pistons (14) being connected to a swash plate (18), which rotatably abuts a swashplate base (20), and wherein fluid flow into and out of the cylinders (12) is controlled by inlet and exhaust valves is by varying pitches between the connections of the pistons (14) to the swashplate (18) and / or varying opening times for the intake and / or exhaust valves.
Description
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine und insbesondere einen Axialkolbenmotor für eine Kreisprozessvorrichtung zur Nutzung von Abwärme einer Brennkraftmaschine. The invention relates to an axial piston machine and in particular to an axial piston motor for a cycle device for utilizing waste heat of an internal combustion engine.
Kraftfahrzeuge werden derzeit zumeist mittels Brennkraftmaschinen angetrieben, in denen Kraftstoffe verbrannt und die dabei freigesetzte Wärmeenergie teilweise in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, die für den Antrieb von Kraftfahrzeugen nahezu ausschließlich eingesetzt werden, liegt bei ca. einem Drittel der eingesetzten Primärenergie. Demnach stellt zwei Drittel der bei der Verbrennung freigesetzten Wärmeenergie Abwärme dar, die entweder über die Motorkühlung oder den Abgasstrang als Verlustwärme an die Umgebung abgegeben wird. Motor vehicles are currently mostly driven by internal combustion engines in which fuels are burned and the heat energy released thereby is partially converted into mechanical work. The efficiency of reciprocating internal combustion engines, which are used almost exclusively for driving motor vehicles, is about one third of the primary energy used. Thus, two-thirds of the thermal energy released during combustion is waste heat, which is released either via the engine cooling system or the exhaust system as heat loss to the environment.
Eine Nutzung dieser Abwärme stellt eine Möglichkeit dar, den Gesamtwirkungsgrad einer Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs zu steigern und damit den Kraftstoffverbrauch zu senken. Utilization of this waste heat represents a possibility to increase the overall efficiency of a drive unit of the motor vehicle and thus to reduce fuel consumption.
Die
Als Expansionsvorrichtung in einem solchen System zur Abwärmenutzung kann ein Axialkolbenmotor eingesetzt werden, wie dies aus der
Axialkolbenmotoren weisen einen Zylinderkörper auf, in dem mehrere Zylinder in gleichmäßiger Teilung ausgebildet sind. In jedem der Zylinder ist ein Kolben beweglich geführt, wobei ein Phasenversatz in den Kolbenpositionen vorgesehen ist, der bezogen auf einen Bewegungszyklus der Kolben („Kolbenzyklus“: OT→UT→OT bzw. UT→OT→UT) der Teilung zwischen den Zylindern entspricht. Über Einlass- und Auslassventile wird zur Ausübung eines Arbeitstakts (OT→UT) jedes Kolbens ein unter Druck stehendes Fluid nacheinander in den entsprechenden Zylinder eingebracht, das dort gegebenenfalls (bei einem pneumatischen Axialkolbenmotor) expandiert und eine Bewegung des jeweiligen Kolbens bewirkt. In einem sich an den Arbeitstakt anschließenden Auslasstakt (UT→OT) jedes Kolbens wird das Fluid wieder ausgestoßen. Die Bewegungen der Kolben werden über eine schräg zu den Längsachsen der Zylinder angeordneten Platte, an die die Kolben direkt oder über Pleuel angebunden sind, auf eine Abtriebswelle übertragen. Axial piston engines have a cylinder body in which a plurality of cylinders are formed in a uniform pitch. In each of the cylinders, a piston is movably guided, wherein a phase offset is provided in the piston positions, which corresponds to the pitch between the cylinders with respect to a movement cycle of the piston ("piston cycle": OT → UT → OT or UT → OT → UT) , Through intake and exhaust valves, a pressurized fluid is successively introduced into the corresponding cylinder to exert a working stroke (OT → UT) of each piston, where appropriate (in the case of a pneumatic axial piston engine) expanding and causing movement of the respective piston. In an exhaust stroke (UT → OT) of each piston following the power stroke, the fluid is expelled again. The movements of the pistons are transmitted via an obliquely arranged to the longitudinal axes of the cylinder plate to which the pistons are connected directly or via connecting rods to an output shaft.
Axialkolbenverdichter bzw. -pumpen weisen einen zu Axialkolbenmotoren im Wesentlichen identischen Aufbau auf, wobei mechanische Antriebsleistung von der Welle über die schräg angeordnete Platte auf die Kolben übertragen und dabei eine Drehbewegung der Welle bzw. eines damit verbundenen Antriebsmotors in die zyklische Bewegung der Kolben übersetzt wird. In dem Arbeitstakt (UT→OT) der einzelnen Kolben wird ein zuvor während eines Ansaugtakts (OT→UT) in die Zylinder eingebrachtes Fluid verdrängt und/oder verdichtet und ausgestoßen. Axial piston compressors or pumps have a structure substantially identical to axial piston motors, wherein mechanical drive power is transmitted from the shaft via the obliquely arranged plate to the pistons and a rotational movement of the shaft or an associated drive motor is translated into the cyclical movement of the pistons , In the working stroke (UT → OT) of the individual pistons, a fluid previously introduced into the cylinder during an intake stroke (OT → UT) is displaced and / or compressed and expelled.
Axialkolbenmaschinen (Axialkolbenmotoren und Axialkolbenverdichter bzw. -pumpen) werden regelmäßig in einer von drei Bauweisen ausgeführt. Axial piston machines (axial piston motors and axial piston compressors or pumps) are regularly executed in one of three designs.
Bei der Schrägscheiben- sowie der Schrägachsenbauart rotiert der Zylinderkörper mitsamt den Kolben. Bei der Schrägscheibenbauart ist die Welle dabei parallel zum Zylinderkörper angeordnet und drehfest mit diesem verbunden. Die die Bewegung der Kolben steuernde schräge Platte ist feststehend ausgebildet. Bei der Schrägachsenbauart verlaufen die Längsachsen der Welle, einschließlich des Flansches („schräge Platte“), an dem die Kolben angreifen, und der Zylinder schräg zueinander. In the swash plate and the bent axis design of the cylinder body rotates together with the piston. In the swashplate design, the shaft is arranged parallel to the cylinder body and rotatably connected thereto. The movement of the piston controlling oblique plate is fixed. In the oblique axis type, the longitudinal axes of the shaft, including the flange ("oblique plate") on which the pistons engage, and the cylinder are oblique to each other.
Bei der Taumelscheibenbauart rotiert der Zylinderkörper mit den darin geführten Kolben nicht. Gleiches gilt für eine Taumelscheibe, an der die Kolben über Pleuel angebunden sind. Die Taumelscheibe liegt drehbar auf einem Taumelscheibenfuß auf, wobei die Auflagefläche des Taumelscheibenfußes und damit die Ausrichtung der Taumelscheibe schräg bezüglich der Längsachsen der Zylinder ausgerichtet ist. Der Taumelscheibenfuß ist drehfest mit der Welle verbunden. In the swash plate type, the cylinder body does not rotate with the pistons guided therein. The same applies to a swash plate to which the pistons are connected via connecting rods. The swash plate is rotatably mounted on a swash plate, wherein the support surface of the swash plate and thus the orientation of the swash plate is aligned obliquely with respect to the longitudinal axes of the cylinder. The swash plate is rotatably connected to the shaft.
Bei Axialkolbenmaschinen der Taumelscheibenbauart ist regelmäßig vorgesehen, ein ungewolltes Mitdrehen der Taumelscheibe mit dem Taumelscheibenfuß durch eine drehfeste Fixierung der Taumelscheibe in oder an dem Gehäuse der Axialkolbenmaschine sicherzustellen. Hierzu wird regelmäßig an einer oder mehreren Stellen auf dem Außen- oder Innenumfang der ringförmigen Taumelscheibe eine Nut vorgesehen, in die ein länglicher, gekrümmt verlaufender Vorsprung des Gehäuses oder eines mit dem Gehäuse verbundenen Bauteils eingreift. Diese Nut-Vorsprung-Verbindungen verhindern ein Verdrehen der Taumelscheibe, erlauben gleichzeitig aber eine Bewegung entlang des Verlaufs des Vorsprungs, wodurch die Taumelbewegung der Taumelscheibe ermöglicht wird. In the case of axial piston machines of the swashplate type, it is regularly provided to ensure unintentional co-rotation of the swashplate with the swashplate base by means of a rotationally fixed fixation of the swashplate in or on the housing of the axial piston machine. For this purpose, a groove is regularly provided at one or more locations on the outer or inner circumference of the annular swash plate, in which an elongated, curved extending projection of the housing or one with the Housing connected component engages. These groove-protrusion connections prevent the swash plate from rotating, but at the same time allow it to move along the course of the protrusion, thereby allowing the tumbling motion of the swash plate.
Die Einlass- und Auslassventile von Axialkolbenmaschinen werden regelmäßig in Form eines Drehschiebers ausgebildet, der drehfest mit der Welle verbunden ist und in Abhängigkeit von den jeweiligen Kolbenpositionen Einlass- und Auslassöffnungen der einzelnen Zylinder temporär mit einem Einlass- bzw. Auslasskanal verbindet. The intake and exhaust valves of axial piston engines are regularly formed in the form of a rotary valve which is non-rotatably connected to the shaft and temporarily connects intake and exhaust ports of the individual cylinders to an intake and exhaust passage depending on the respective piston positions.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine der Taumelscheibenbauart anzugeben, die sich durch einen möglichst hohen Wirkungsgrad und/oder einen gleichförmigen Verlauf auszeichnet. Based on this prior art, the present invention seeks to provide a Taumelscheibenbauart axial piston machine, which is characterized by the highest possible efficiency and / or a uniform course.
Diese Aufgabe wird durch eine Axialkolbenmaschine gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. This object is achieved by an axial piston machine according to independent claim 1. Advantageous embodiments thereof are the subject of the dependent claims and will become apparent from the following description of the invention.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Axialkolbenmaschine der Taumelscheibenbauart infolge der Fixierung der Taumelscheibe zur Verdrehsicherung eine Ungleichförmigkeit in der Taumelbewegung erzeugt wird, die zu einem ungleichförmigen Phasenversatz in den Kolbenpositionen benachbarter Kolben sowie in einem ungleichförmigen Geschwindigkeitsverlauf benachbarter Kolben führt. Dadurch entstehen zum einen Drehungleichförmigkeiten. Zum anderen wird dadurch die Leistung und der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine negativ beeinflusst, da die Bewegung einzelner Kolben nicht mehr exakt zu den vorgesehenen und durch die Drehbewegung der Welle vorgegebenen Ventilsteuerzeiten passt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Einlassventile für alle Zylinder möglichst exakt zum oberen Totpunkt (OT) des jeweiligen Kolbens geöffnet werden sollen. Die Einlassöffnungen aller Zylinder sind bei konventionellen Axialkolbenmaschinen identisch bezüglich der jeweiligen Zylinder angeordnet und ausgebildet. Demnach erfolgt das nacheinander folgende Öffnen der Einlassöffnungen durch den mit der Welle mitrotierenden Drehschieber nach immer der gleichen, der Teilung zwischen den Zylindern entsprechenden Teildrehung der Welle. Die Ungleichförmigkeit, die durch die Übersetzung der Drehbewegung der Welle in die zyklische Linearbewegung des Kolben eingebracht wird, wird dabei nicht berücksichtigt. Dies kann somit dazu führen, dass bei einzelnen Zylindern die Einlassöffnungen von dem Drehschieber geöffnet werden, bevor der dazugehörige Kolben den OT erreicht bzw. nachdem dieser den OT bereits passiert hat. Dies führt zu einer verschlechterten Füllung dieser Zylinder. The invention is based on the finding that in an axial piston machine of the swash plate design as a result of fixing the swash plate to prevent rotation a nonuniformity in the wobbling motion is generated, which leads to a non-uniform phase offset in the piston positions of adjacent pistons and in a non-uniform velocity curve of adjacent pistons. This creates on the one hand rotational irregularities. On the other hand, the performance and efficiency of the axial piston machine is adversely affected, since the movement of individual pistons no longer fits exactly to the provided and provided by the rotational movement of the shaft valve timing. For example, it can be provided that the intake valves for all cylinders should be opened as exactly as possible at top dead center (TDC) of the respective piston. The inlet openings of all cylinders are arranged and formed identical with respect to the respective cylinders in conventional axial piston machines. Accordingly, the successive opening of the inlet openings takes place by the rotating with the shaft rotary valve after always the same, the division between the cylinders corresponding partial rotation of the shaft. The non-uniformity, which is introduced by the translation of the rotational movement of the shaft in the cyclic linear movement of the piston is not taken into account. This can thus lead to the inlet openings being opened by the rotary valve in individual cylinders before the associated piston reaches the TDC or after it has already passed the TDC. This leads to a deteriorated filling of these cylinders.
Grundgedanke der Erfindung ist, die Ungleichförmigkeit in den Kolbenbewegungen, die in der Übersetzung der Drehbewegung der Welle in die zyklische Linearbewegung des Kolbens begründet ist, zu kompensieren. The basic idea of the invention is to compensate for the non-uniformity in the piston movements, which is due to the translation of the rotational movement of the shaft into the cyclical linear movement of the piston.
Dies wird bei einer gattungsgemäßen Axialkolbenmaschine, die einen Zylinderkörper, in dem mehrere (vorzugsweise mindestens drei) Zylinder ausgebildet sind, sowie in den Zylindern beweglich geführte Kolben aufweist, wobei die Kolben an einer Taumelscheibe angebunden sind, der drehbar an einem Taumelscheibenfuß anliegt, und wobei eine Fluidströmung in die und aus den Zylindern mittels Einlass- und Auslassventilen gesteuert wird, erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass variierende Teilungen zwischen den (insbesondere feststehenden) Anbindungen der Kolben an der Taumelscheibe und/oder variierende Öffnungszeiten für die Einlass- und/oder Auslassventile vorgesehen sind. This is in a generic axial piston machine having a cylinder body in which a plurality (preferably at least three) cylinders are formed, as well as in the cylinders movably guided pistons, wherein the pistons are connected to a swash plate which rotatably bears against a swash plate, and wherein a fluid flow in and out of the cylinders is controlled by means of inlet and outlet valves, according to the invention achieved in that varying divisions between the (in particular fixed) connections of the piston to the swash plate and / or varying opening times for the inlet and / or outlet valves are provided ,
Durch eine Variation der Teilungen der Anbindungen der Kolben an die Taumelscheibe kann eine in der Übersetzung begründete Verschiebung der Gesamtbewegung der Kolben ausgeglichen werden, so dass im Ergebnis die Kolben immer nach einer gleichbleibenden Teildrehung der Welle ihren OT und/oder UT erreichen. By varying the pitches of the connections of the piston to the swash plate, a translation of the total movement of the pistons, which is justified in the translation, can be compensated, so that, as a result, the pistons always reach their TDC and / or BDC after a constant partial rotation of the shaft.
Durch eine Variation der Öffnungszeiten für die Einlass- und/oder Auslassventile kann erreicht werden, dass trotz der durch die Übersetzung bedingten Ungleichförmigkeiten in den Kolbenbewegungen die Öffnungszeiten möglichst exakt zu den jeweiligen Kolbenstellungen passen. By varying the opening times for the intake and / or exhaust valves, it is possible to ensure that, in spite of the nonuniformities in the piston movements caused by the translation, the opening times match the respective piston positions as exactly as possible.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die variierenden Öffnungszeiten derart angepasst sind, dass die Einlass- und/oder die Auslassventile aller Zylinder bei identischer Kolbenposition der zugehörigen Kolben öffnen und/oder schließen. Dadurch kann die Füllung der Zylinder und damit die Leistung und gegebenenfalls auch der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine verbessert werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass durch eine zylinderselektive Anpassung die Öffnungszeitpunkte der Einlassventile aller Zylinder auf die OTs der jeweiligen Kolben abgestimmt werden. In particular, it may be provided that the varying opening times are adapted such that the inlet and / or the exhaust valves of all cylinders open and / or close at identical piston position of the associated piston. Thereby, the filling of the cylinder and thus the performance and possibly also the efficiency of the axial piston machine can be improved. For example, it can be provided that the opening times of the intake valves of all cylinders are matched to the TDCs of the respective pistons by a cylinder-selective adaptation.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die variierenden Öffnungszeiten derart angepasst sind, dass die Öffnungsdauer der Einlass- und/oder der Auslassventile zumindest einiger der Zylinder unterschiedlich ist. Dadurch kann insbesondere der Einfluss, den die unterschiedlichen Geschwindigkeitsverläufe der Kolbenbewegungen auf die Füllung der Zylinder mit dem Fluid haben kann, kompensiert werden. Vorzugsweise ist daher vorgesehen, dass die unterschiedliche Öffnungsdauer (d.h. die Winkelbereiche der Teildrehungen der Welle zwischen dem Öffnen und dem erneuten Schließen der Einlass- oder Auslassventile, definiert durch die Summe der jeweiligen Winkel α (Länge der Ein- und Auslassöffnungen
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine kann vorgesehen sein, dass die Einlass- und/oder die Auslassventile in Form eines (Mehrfach-)Drehschieberventils ausgebildet sind. Demnach können die Einlass- und/oder Auslassventile Einlass- und/oder Auslassöffnungen für die einzelnen Zylinder umfassen, die temporär mittels eines Drehschiebers freigegeben und abgedeckt werden. Die variierenden Öffnungszeiten (und damit auch variierende Öffnungsdauer der einzelnen Einlass- und/oder Auslassventile) können dann durch eine variierende Teilung zwischen den Einlass- und/oder Auslassöffnungen einzelner Zylinder und/oder durch unterschiedliche Längen (bezogen auf die Bewegungsrichtung relativ zu dem Drehschieber) der Einlass- und/oder Auslassöffnungen der Zylinder erzielt werden. Dabei kann, sofern die Phasenbeziehung zwischen Ein- und Auslass aller Zylinder konstant sein kann, nur eine (kombinierte) Ein- und Auslassöffnung je Zylinder vorgesehen sein. Sofern für die einzelnen Zylinder unterschiedliche Phasenbeziehungen zwischen Ein- und Auslass vorgesehen sein sollen, können je Zylinder mindestens eine Einlass- und mindestens eine Auslassöffnung auf unterschiedlichen Radien vorgesehen sein, die von entsprechenden Öffnungen des Drehschiebers temporär freigegebenen werden. In a preferred embodiment of the axial piston machine according to the invention, provision may be made for the inlet and / or outlet valves to be in the form of a (multiple) rotary slide valve. Thus, the intake and / or exhaust valves may include intake and / or exhaust ports for the individual cylinders that are temporarily released and covered by a rotary valve. The varying opening times (and thus also varying opening duration of the individual intake and / or exhaust valves) can then be determined by a varying pitch between the inlet and / or outlet openings of individual cylinders and / or by different lengths (relative to the direction of movement relative to the rotary valve). the inlet and / or outlet openings of the cylinder can be achieved. In this case, provided that the phase relationship between inlet and outlet of all cylinders can be constant, only one (combined) inlet and outlet opening per cylinder can be provided. If different phase relationships between inlet and outlet are to be provided for the individual cylinders, at least one inlet and at least one outlet opening may be provided at different radii per cylinder, which are temporarily released by corresponding openings of the rotary valve.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings. In the drawings shows:
Die
Der Axialkolbenmotor ist in Taumelscheibenbauart ausgeführt. Dieser umfasst einen Zylinderkörper
Die Taumelscheibe
Der Druck des nacheinander in die einzelnen Zylinder
Die Kolben
Die Drehschieberventilvorrichtung umfasst eine Zylinderkopfplatte
Der Einlasskanal
Um zu verhindern, dass die Taumelscheibe
Bei bekannten, zu dem beschriebenen erfindungsgemäßen Axialkolbenmotor im Wesentlichen funktionsgleichen Axialkolbenmaschinen ist vorgesehen, die Zylinder
Die
Der Phasenversatz zwischen den Bewegungen benachbarter Kolben
Die
Um dieses Problem zu vermeiden, ist bei dem erfindungsgemäßen Axialkolbenmotor vorgesehen, dass die den einzelnen Zylindern
Alternativ oder zusätzlich zu einer Anpassung der Öffnungszeiten der Einlassventile kann auch vorgesehen sein, die Teilungen zwischen den Anbindungen der Pleuel
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Zylinderkörper cylinder body
- 12 12
- Zylinder cylinder
- 14 14
- Kolben piston
- 16 16
- Pleuel pleuel
- 18 18
- Taumelscheibe swash plate
- 20 20
- TaumelscheibenfußTaumelscheibenfuß
- 22 22
- Welle wave
- 24 24
- Einstellbolzen adjusting
- 26 26
- Zylinderkopfplatte Cylinder head plate
- 28 28
- Ein- und Auslassöffnung Inlet and outlet opening
- 30 30
- Öffnung opening
- 32 32
- Schraube screw
- 34 34
- Gehäusekopf housing head
- 36 36
- Gehäuse casing
- 38 38
- Drehschieber rotary vane
- 40 40
- Einlassöffnung inlet port
- 42 42
- Auslassöffnung outlet
- 44 44
- Einlass inlet
- 46 46
- Einlasskanal inlet channel
- 48 48
- Auslass outlet
- 50 50
- Verschlusskörper closure body
- 52 52
- Sicherungshülse securing sleeve
- 54 54
- Sicherungsstift safety pin
- 56 56
- Gelenkring joint ring
- 58 58
- Lagerstift bearing pin
- 60 60
- Verstärkungsstrebe reinforcing strut
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102010052508 A1 [0005] DE 102010052508 A1 [0005]
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