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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Welle, die drehfest mit einer Schrägscheibe verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wärmerückgewinnungssystem mit einer derartigen Axialkolbenmaschine.
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Bei Verbrennungsmotoren ist es bekannt, dass lediglich 40% der im Kraftstoff gespeicherten Energie zur Bewegung des Kolbens und damit zum Antrieb des Verbrennungsmotors genutzt werden. Die restliche im Rahmen der Verbrennung erzeugte Energie wird hauptsächlich durch entweichende Verbrennungsabgase in Form von Wärme aus dem Verbrennungsmotor abgeleitet. Zur Reduzierung derartiger Wärmeverluste und damit auch zur Steigerung der Effizienz des Verbrennungsmotors ist es bekannt, eine Axialkolbenmaschine mit dem Verbrennungsmotor zu koppeln.
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Aus der
DE 10 2011 118 622 A1 ist beispielsweise eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine mit einer Welle bekannt, welche drehfest mit einer Schrägscheibe verbunden ist. Koaxial zur Welle und ringförmig um diese sind dabei mehrere Zylinder angeordnet, in welchen jeweils gebaute und hohle Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jeder dieser Kolben ist über ein zugehöriges Kalottenlager und einen Gleitstein mit der Schrägscheibe gekoppelt, wodurch eine Bewegung des jeweiligen Kolbens einen Antrieb der Schrägscheibe und damit ein Antreiben der Welle bewirkt. Über eine Steuerscheibe mit einer exzentrisch angeordneten Durchgangsöffnung wird dabei jede Einlassöffnung eines Zylinders bei jeder Umdrehung einmal überstrichen und dabei dem jeweiligen Zylinder Arbeitsmedium zugeführt. Im Zentralbereich der Axialkolbenmaschine ist um die Welle herum ein Hohlraum vorgesehen, der von der Steuerscheibe begrenzt ist, wobei die zu den Zylindern gehörenden Auslassöffnungen derart durch den Zylinderkopf geführt sind, dass über die außeraxiale Durchgangsöffnung in der umlaufenden Steuerscheibe eine temporäre Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Expansionsvolumen des Zylinders herstellbar ist. Hierdurch soll insbesondere der Wirkungsgrad gesteigert werden können.
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Aus der
DE 43 33 633 A1 ist wiederum eine Axialkolbenmaschine mit einer Antriebswelle und einem Zylinderblock mit daran rings um die Achse der Antriebswelle angeordneten Zylindern bekannt. In den einzelnen Zylindern sind Kolben translatorisch verstellbar angeordnet und zwar derart, dass sie alternierend einen Saug- und einen Kompressionshub ausführen, wobei während des Saughubes ein Fluid in die Zylinder eingeleitet, während des Kompressionshubes komprimiert und schließlich derart aus den Zylindern ausgestoßen wird, dass am Ende des Kompressionshubes ein Teil des Arbeitsmediums als Restgas in den Zylindern und/oder daran angrenzenden Teilen verbleibt. Um den Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine zu verbessern, sind Ventileinrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe das Restgas aus einem Zylinder einem anderen Zylinder zuführbar ist, in der ein Kompressionshub stattfindet.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche sich nochmals durch einen gesteigerten Wirkungsgrad auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Wirkungsgrad einer Axialkolbenmaschine dadurch zu verbessern, dass eine Abdichtung einzelner Strömungswege innerhalb der Axialkolbenmaschine verbessert und dadurch insbesondere eine interne Leckage bzw. ein interner Blow-by zumindest reduziert wird. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine besitzt dabei eine Welle, welche drehfest mit einer Schrägscheibe verbunden ist. Ringförmig um und koaxial zu dieser Welle sind Zylinder angeordnet, in welchen Kolben translatorisch verstellbar gelagert sind, wobei jeder Kolben über ein Kalottenlager und einen Gleitstein mit der Schrägscheibe antriebsgekoppelt ist. Jedem Zylinder ist darüber hinaus eine Einlassöffnung für Arbeitsmedium zugeordnet. Erfindungsgemäß vorgesehen ist nun ein zentrales Walzenschieberventil, dessen Ventilkörper drehfest mit der Welle verbunden und gleichzeitig über eine Labyrinthdichtung entweder, das heißt je nach Ausführungsform des Walzenschieberventils, mit einem Gehäuse der Axialkolbenmaschine oder mit einer schwimmend gelagerten Hülse verbunden ist. Die Labyrinthdichtung, welche üblicherweise mehrere Stufen und damit eine mehrfache Strömungsumlenkung besitzt, bewirkt dabei die gewünschte hohe Dichtwirkung, ohne dass die einzelnen die Labyrinthdichtung bildenden Teile mit äußerst hoher Fertigungsgenauigkeit hergestellt werden müssten. Durch die mehrstufige Labyrinthdichtung kann somit nicht nur die Dichtwirkung und indirekt über diese auch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine gesteigert werden, sondern es können zusätzlich auch zumindest geringfügige Fertigungstoleranzen in Kauf genommen werden, was bei bisherigen Abdichtungsmethoden nicht möglich war.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Labyrinthdichtung mehrere Stufen auf und ist derart ausgebildet, dass eine Relativbewegung zwischen Ventilkörper und Gehäuse oder Hülse möglich ist. Selbstverständlich ist der in der Labyrinthdichtung vorhandene Spalt nach der Montage der Axialkolbenmaschine minimal, wodurch die Labyrinthdichtung ihre optimale Wirkung entfaltet. Um den Zusammenbau der Axialkolbenmaschine zu vereinfachen sind dabei die Stufen der Labyrinthdichtung im Ventilkörper bzw. im Gehäuse oder der Hülse so angeordnet, dass die Labyrinthdichtung durch Zusammenschieben der zuvor genannten Komponenten in Axialrichtung geschlossen werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der Ventilkörper einen Einströmkanal auf, der in einer vordefinierten Stellung kommunizierend mit der Einlassöffnung eines Zylinders und einem im Gehäuse angeordneten Arbeitsmedium-Zuführungskanal verbunden ist. Dies bietet den großen Vorteil, dass der Ventilkörper selbst die Funktion eines Einlassventils übernimmt, wobei dieses Einlassventil, das heißt der Ventilkörper, in seinem oberen Bereich durch die erfindungsgemäße Labyrinthdichtung gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist. Vorteil einer derartigen Zuführung des Arbeitsmediums durch den Ventilkörper in den jeweiligen Zylinder ist ein vergleichsweise geringes Totvolumen im Zulauf, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine auswirkt. Zudem ist es bei einer derartigen Zuführung des Arbeitsmediums durch den Ventilkörper in die jeweiligen Zylinder möglich, ein Lager für die Welle, beispielsweise ein Kugellager außerhalb der Strömung anzuordnen und dadurch ideal schmieren zu können.
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Zweckmäßig ist zumindest ein Kolben als gebauter Hohlkolben ausgebildet und besitzt in seinem Kolbenboden ein Überdruckventil, welches ab einem vordefinierten Grenzdruck öffnet und Arbeitsmedium aus dem Zylinder in einen Kolbeninnenraum einströmen lässt. Ein derartiges Überdruckventil ist bei einer Zuführung des Arbeitsmediums über den zentralen Ventilkörper erforderlich, da in diesem Fall die ansonsten vorhandene Steuerscheibe fehlt, welche sich ab einem vordefinierten Grenzdruck von der Einlassöffnung des jeweiligen Zylinders abheben und damit einen Druckausgleich ermöglichen kann. Am Kopf des jeweiligen Kolbens, das heißt insbesondere in einem dort angeordneten Kalottenlager, ist dabei ein Entlüftungskanal vorgesehen, der Kolbeninnenraum mit der Umgebung, beispielsweise einem Inneren der Axialkolbenmaschine, verbindet. Hierdurch kann bei einem Öffnen des Überdruckventils ein Aufblähen des Kolbens und damit ein Verklemmen desselben im Zylinder vermieden werden, da der im Kolbeninnenraum auftretende Überdruck unmittelbar über den Entlüftungskanal entweichen kann. Der Entlüftungskanal kann beispielsweise weiter durch die Welle nach außen geführt sein, wodurch auch ein direkter Druckausgleich mit der Umgebung möglich ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine besitzt der Ventilkörper einen Grundkörper und ein damit gasdicht verbundenes Deckelteil, an welchem ein Teil der Labyrinthdichtung angeordnet ist. Der andere Teil der Labyrinthdichtung ist dabei an der schwimmend im Gehäuse gelagerten Hülse angeordnet. Eine derartige Ausführungsform ermöglicht es, den Ventilkörper selbst nicht einstückig ausbilden zu müssen, sondern zweiteilig, nämlich aus dem Grundkörper und dem damit verbundenen Deckelteil. Dies erleichtert insbesondere die Herstellung der Labyrinthdichtung, da diese am separaten Deckelteil leichter zu fertigen ist. Durch die in Axialrichtung schwimmend im Gehäuse gelagerte Hülse, kann diese mit ihrem Teil der Labyrinthdichtung optimal gegen den an dem Deckelteil angeordneten Teil der Labyrinthdichtung verfahren werden, so dass zwischen den beiden Teil ein lediglich noch minimaler Spalt besteht, der eine optimale Dichtwirkung ermöglicht. Eine Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Deckelteil kann beispielsweise mittels Verkleben, Verschweißen, Verschrauben oder auf andere Weise erfolgen. Um dabei einen Blow-by zwischen dem Grundkörper und dem Deckelteil zu verhindern, kann zwischen diesen beiden Teilen eine Dichtung, insbesondere eine O-Ringdichtung, angeordnet sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der Kolbenboden zumindest eines Kolbens eine Nase auf, die zumindest teilweise in die zugehörige Einlassöffnung eingreift. Hierdurch ist es möglich, das den Wirkungsgrad reduzierende Totvolumen deutlich zu reduzieren, wobei eine derartige Nase vorzugsweise einstückig mit dem Kolbenboden ausgebildet wird. Der Kolbenboden, ein Kolbenmantel sowie die Kalottenlagerung bilden dabei den hohlen und gebauten Kolben, wobei die einzelnen Komponenten beispielsweise thermisch miteinander gefügt, verschweißt, verlötet oder verklebt werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der Ventilkörper zumindest einen Auslasskanal und einen Restgasauslasskanal auf. In der Zylinderwandung ist am unteren Totpunkt ein erster Auslasskanal angeordnet, der nach Erreichen des unteren Totpunkts durch den Kolben vollständig geöffnet ist und dadurch ein Ableiten des Arbeitsmediums aus dem Zylinder ermöglicht. Dieser erste Auslasskanal kommuniziert mit dem Auslasskanal des Ventilkörpers und ermöglicht somit das Ablassen des Arbeitsmediums. Anschließend verfährt der Kolben jedoch wieder zurück in Richtung seines oberen Totpunkts, wobei der erste Auslasskanal in der Zylinderwandung nunmehr vom Kolben überstrichen und damit verschlossen wird. Um bis zum Erreichen des oberen Totpunkts keinen Druck im Zylinder aufzubauen und dadurch den Wirkungsgrad zu reduzieren, ist kurz vor dem oberen Totpunkt ein zweiter Auslasskanal in der Zylinderwandung vorgesehen, der mit dem Restgasauslasskanal im Ventilkörper kommunizierend verbunden, zumindest solange, wie sich der Kolben in Richtung des oberen Totpunkts bewegt. Anschließend wird der zweite Auslasskanal in der Zylinderwandung selbstverständlich durch ein Weiterdrehen des Ventilkörpers verschlossen, so dass hier keine unerwünschte Bypassströmung beim Befüllen des Zylinders mit neuem Arbeitsmedium erfolgen kann.
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Generell kann die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine in einem Wärmerückgewinnungssystem in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden und dort für eine Energierückgewinnung der ansonsten ungenutzt in die Umgebung abgelassenen Abgase genutzt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine mit gegenüber einem Gehäuse abgedichtetem Ventilkörper,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit gegenüber einer Hülse abgedichtetem Ventilkörper.
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Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1, welche beispielsweise Bestandteil eines nicht näher gezeigten Wärmerückgewinnungssystems 2 eines Kraftfahrzeuges sein kann, eine Welle 3 auf, welche drehfest mit einer Schrägscheibe 4 verbunden ist. Um die Welle 3 herum und koaxial zu dieser angeordnet sind vorzugsweise zumindest vier Zylinder 5, in welchen gebaute und hohle Kolben 6 translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jeder dieser Kolben 6 ist dabei über ein Kalottenlager 7 und einen Gleitstein 8 mit der Schrägscheibe 4 zum Antrieb der Welle 3 gekoppelt. Jedem Zylinder 5 ist darüber hinaus eine Einlassöffnung 9 zugeordnet.
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Die Axialkolbenmaschine gemäß der 2 besitzt dabei eine Steuerscheibe 10, die die jeweilige Einlassöffnung 9 abdeckt und eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung 11 besitzt. Die Steuerscheibe 10 ist dabei drehfest mit der Welle 3 verbunden. Bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe 10 überstreicht deren Durchgangsöffnung 11 jeweils einmal jede Einlassöffnung 9 und ermöglicht dadurch einen Zutritt von Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder 5. Das Arbeitsmedium wird dabei zuvor in einem Sammelraum 12 unter Druck gesammelt, wobei dieser Sammelraum 12 beispielsweise mit einem Kreislauf eines Wärmerückgewinnungssystems 2 verbunden werden kann. Eine derartige Steuerscheibe 10 ist bei der Axialkolbenmaschine 1 gemäß der 1 nicht vorgesehen, da hier die Zuführung des Arbeitsmediums in den jeweiligen Zylinder 5 über einen Ventilkörper 13 eines Walzenschieberventils 14 erfolgt, welches zentral angeordnet ist.
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Das Walzenschieberventil 14 gemäß der 1 steuert somit sowohl die Befüllung des Zylinders 5 mit Arbeitsmedium als auch das Ablassen des Arbeitsmediums aus dem Zylinder 5, wogegen das Walzenschieberventil 14 gemäß der 2 lediglich das Ablassen des Arbeitsmediums aus dem Zylinder 5 steuert.
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Beiden Ausführungsformen ist erfindungsgemäß jedoch gemein, dass ein Walzenschieberventil 14 vorgesehen ist, dessen Ventilkörper 13 drehfest mit der Welle 3 verbunden und über eine Labyrinthdichtung 15 entweder gegenüber einem Gehäuse 16 (vgl. 1) der Axialkolbenmaschine 1 oder gegenüber einer schwimmend gelagerten Hülse 17 (vgl. 2) abgedichtet ist. Durch die Labyrinthdichtung 15 kann insbesondere eine unerwünschte Bypassströmung bzw. ein unerwünschter Blow-by zumindest reduziert werden, was den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 steigert.
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Betrachtet man die gemäß den 1 und 2 dargestellten Labyrinthdichtungen 15, so kann man erkennen, dass diese jeweils mehrere Stufen aufweisen und derart ausgebildet sind, dass eine Relativbewegung zwischen dem Ventilkörper 13 und dem Gehäuse 16 bzw. zwischen dem Ventilkörper 13 und der Hülse 17 möglich ist. Dies ermöglicht insbesondere eine vereinfachte Montage der Axialkolbenmaschine 1, da der Ventilkörper 13 in Axialrichtung eingeschoben und in dieser Richtung die Labyrinthdichtung 15 auch geschlossen werden kann.
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Betrachtet man die Axialkolbenmaschine 1 gemäß der 1, so kann man erkennen, dass der Ventilkörper 13 einen Einströmkanal 18 aufweist, der in einer vordefinierten und gemäß der 1 gezeigten Stellung kommunizierend mit der Einlassöffnung 9 des Zylinders 5 und einem im Gehäuse 16 angeordneten Arbeitsmedium-Zuführungskanal 19 verbunden ist. Dies bietet den großen Vorteil, dass die Funktion des Einlassventils zugleich auch in das zentrale Walzenschieberventil 14 integriert werden kann, so dass eine separate Steuerscheibe 10, wie diese gemäß der 2 gezeigt ist, entbehrlich ist.
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In beiden Fällen ist dabei der Kolben 6 als gebauter Hohlkolben ausgebildet, wobei jedoch bei der Ausführungsform gemäß der 1 im Kolbenboden 20 des Kolbens 6 ein Überdruckventil 21 vorgesehen ist, welches ab einem vordefinierten Grenzdruck öffnet und Arbeitsmedium aus dem Zylinder 5 in einen Kolbeninnenraum 22 einströmen lässt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Entlüftungskanal 23, welche den Kolbeninnenraum 22 mit der Umgebung, hier einem Innenraum der Axialkolbenmaschine 1 druckausgleichend verbindet. Der Entlüftungskanal 23 kann dabei in einem weiteren Teil 23' in der Welle 3 weitergeführt sein und dadurch auch einen Druckausgleich mit der Umgebung ermöglichen. Ein solcher Entlüftungskanal 23 ist auch im Kalottenlager 7 gemäß der 2 vorgesehen.
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Betrachtet man die gemäß der 2 dargestellte Ausführungsform des Ventilkörpers 13, so kann man erkennen, dass dieser aus einem Grundkörper 24 und einem damit gasdicht verbundenen Deckelteil 25 zusammengesetzt ist. An dem Deckelteil 25 ist dabei der Teil der Labyrinthdichtung 15 angeordnet, welcher mit dem an der Hülse 17 angeordneten Teil der Labyrinthdichtung 15 zusammenwirkt. Der Grundkörper 24 und das Deckelteil 25 sind dabei gasdicht miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verklebt, verschraubt, verlötet oder verschweißt. Um eine tatsächliche Gasdichtheit und insbesondere einen unerwünschten Blow-by zu vermeiden, ist zwischen dem Grundkörper 24 und dem Deckelteil 25 eine Dichtung 26, insbesondere eine O-Ringdichtung vorgesehen.
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Der gemäß der 2 dargestellte Kolbenboden 20 des Kolbens 6 weist darüber hinaus eine Nase 27 auf, welche zumindest teilweise in die Einlassöffnung 9 eingreift und dadurch ein Totvolumen reduziert, was ebenfalls zur Steigerung des Wirkungsgrades der Axialkolbenmaschine 1 beiträgt.
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Betrachtet man den Ventilkörper 13, so kann man erkennen, dass dieser sowohl einen Auslasskanal 28 als auch eine Restgasauslasskanal 29 aufweist. Über den Auslasskanal 28 erfolgt ein Ablassen des im Zylinder 5 angeordneten Arbeitsmediums, sofern der Kolben 6 seinen unteren Totpunkt erreicht und dadurch einen in der Zylinderwandung korrespondierend angeordneten ersten Auslasskanal 28' öffnet. Bewegt sich der Kolben 6 wieder von seinem unteren Totpunkt in Richtung des oberen Totpunkts, so soll eine Kompression des noch im Zylinder 5 vorhandenen Arbeitsmediums vermieden werden, da dies den Wirkungsgrad negativ beeinflussen würde. Über einen zweiten in der Zylinderwandung vorgesehenen Auslasskanal 28'' kann bei einer vordefinierten Stellung eine kommunizierende Verbindung mit dem Restgasauslasskanal 29 des Ventilkörpers 13 hergestellt werden, wodurch ein widerstandsreduziertes Ausblasen des sich noch im Zylinder 5 befindlichen Arbeitsmediums ermöglicht wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung 15 kann eine deutlich verbesserte Dichtung und damit eine deutliche Reduzierung eines unerwünschten Blow-bys erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine 1 gesteigert werden kann. Durch die gleichzeitige Integration eines Einströmkanals 18 in den Ventilkörper 13 kann zudem auf die bisher erforderliche Steuerscheibe 10 verzichtet werden, wodurch die Funktionalität des Ventilkörpers 13 gesteigert werden kann. Insbesondere ermöglicht dies auch eine Anordnung eines Lagers 30 zur Lagerung der Welle 3 außerhalb der Strömung, wodurch eine ideale Schmierung der Lager 30 möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011118622 A1 [0003]
- DE 4333633 A1 [0004]
