DE102015108542A1

DE102015108542A1 - Axialkolbenmotor

Info

Publication number: DE102015108542A1
Application number: DE102015108542.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rohs
Original assignee: GETAS Gesellschaft fuer Themodynamische Antriebssysteme mbH
Current assignee: GETAS Gesellschaft fuer Themodynamische Antriebssysteme mbH
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-12-01
Also published as: WO2016192711A1; DE112016002409A5

Abstract

Die Lebensdauer der Steuerkolben eines Axialkolbenmotors mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben verschließ- und öffenbar ist, lässt dadurch erhöhen, dass die unmittelbar durch die äußerst hohe Wärme belasteten Bauteile derart ausgebildet sind, dass sie die Wärme unmittelbar und direkt wieder abführen, indem sie äußerst gut wärmeleitfähig ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenmotor mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben verschließ- und öffenbar ist.
Derartige Axialkolbenmotoren sind beispielsweise aus der WO 2009/062473 A2 und aus der WO 2011/009454 A2 bekannt, wobei dort aufwändige Maßnahmen offenbart sind, mit welchen die Lebensdauer der Steuerkolben erhöht werden soll, die, da sie jeweils den Strom an Arbeitsmedium von der Brennkammer in die Arbeitskolben unterbrechen und somit mit dem sehr heißen Arbeitsmedium in Kontakt kommen und einem hohen Verschleiß unterliegen.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung einen gattungsgemäßen Axialkolbenmotor bereit zu stellen, bei welchem die Lebensdauer der Steuerkolben durch verhältnismäßig einfache Maßnahmen erhöht ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Axialkolbenmotor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere, ggf. auch unabhängig hiervon, vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Hierbei geht die Erfindung von der Grunderkenntnis aus, dass sich die Lebensdauer des Steuerkolben dadurch erhöhen lässt, dass die unmittelbar durch die äußerst hohe Wärme belasteten Bauteile derart ausgebildet sind, dass sie die Wärme unmittelbar und direkt wieder abführen, indem sie äußerst gut wärmeleitfähig ausgebildet sind.
Dementsprechend lässt sich die Lebensdauer der Steuerkolben bei einem Axialkolbenmotor mit kontinuierlicher Verbrennung, welche eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder umfasst, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben verschließ- und öffenbar ist, dadurch erhöhen, dass der Steuerkolben jeweils einen Steuerkolbenkörper und einen schusskanalseitig von dem Steuerkolbenkörper getragenen, aus einem Material mit um ein ∆λ höheren Wärmeleitfähigkeit λ_D als der Steuerkolbenkörper ausgebildeten Steuerkolbendeckel aufweist. Durch die gute bzw. gegenüber dem Steuerkolbenkörper höhere Wärmeleitfähigkeit λ_D des Steuerkolbendeckels kann die Wärme, welche auf den Steuerkolben schusskanalseitig wirkt, in stärkerem Maße abgeführt werden als dieses bei herkömmlichen Steuerkolben der Fall ist. Die übrigen Baugruppen des Steuerkolbens können hingegen weiterhin aus sehr stabilen und verschleißfestem Material gebildet werden, da sie nicht so hoch thermisch belastet sind.
Ebenso ist die Lebensdauer der Steuerkolben bei einem Axialkolbenmotor mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben verschließ- und öffenbar ist, erhöht, wenn sich der Axialkolbenmotor dadurch auszeichnet, dass der Steuerkolben eine Prallfläche und/oder eine Leitfläche aus einem Material mit einer um ein ∆λ höheren Wärmeleitfähigkeit λ_D als ein dem Schusskanal abgewandtes Teil des Steuerkolbens aufweist. Auch diese Ausgestaltung gewährleistet, dass die unmittelbar mit dem heißen Arbeitsmedium in Kontakt kommenden Flächen, insbesondere die Prallfläche und/oder die Leitfläche aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit einer geringeren Wärmebelastung unterliegen. Hierbei ist es nicht zwingend notwendig, die Prallfläche bzw. die Leitfläche jeweils an einem Steuerkolbendeckel auszugestalten, was jedoch an sich zu einer verhältnismäßig einfachen baulichen Gesamtkonzeption führt. Es versteht sich darüber hinaus, dass die entsprechenden Vorteile bereits vorliegen, wenn lediglich die Prallfläche bzw. lediglich die Leitfläche aus einem entsprechenden Material gebildet sind. Es ist nicht zwingend notwendig, dass sowohl die Prallfläche als auch die Leitfläche entsprechend ausgestaltet sind, um bereits Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer zu erhalten.
In diesem Zusammenhang sei erläutert, dass mit der Bezeichnung „Prallfläche“ eine Fläche des Steuerkolben beschrieben ist, welche mit einer Komponente senkrecht zur Schussrichtung des heißen Arbeitsmediums durch den Schusskanal bzw. mit einer Fläche senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Arbeitsmediums durch den Schusskanal versehen ist. Hingegen wird unter der Bezeichnung „Leitfläche“ eine Fläche des Steuerkolbens verstanden, welche unmittelbar mit dem Arbeitsmedium in Kontakt kommt und eine Komponente im Wesentlichen parallel zur Schussrichtung bzw. parallel zur Hauptströmungsrichtung des Arbeitsmediums durch den Schusskanal hindurch aufweist.
Vorzugsweise beträgt das ∆λ – also der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit – mehr als 20 W/(m·K), was eine entsprechend gut thermische Entlastung bzw. eine entsprechende Erhöhung der Lebensdauer bedingt. Es versteht sich, dass der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit auch mehr als 25 W/(m K) bzw. mehr als 30 W/(m K) betragen kann.
Kumulativ bzw. alternativ lässt sich eine entsprechend lange Lebensdauer der Steuerkolben dann erreichen, wenn der auf die Wärmeleitung des Steuerkolbenkörpers λ_S = λ_D – ∆λ normierte Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit, also ∆λ/(λ_D – ∆λ), mehr als 1, insbesondere mehr als 1,2 bzw. mehr als 1,5 oder sogar mehr als 2 beträgt.
Bei einem Axialkolbenmotor mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben verschließ- und öffenbar ist, lässt sich die Lebensdauer der Steuerkolben erhöhen, wenn der Steuerkolben jeweils einen Steuerkolbenkörper und einen schusskanalseitig von dem Steuerkolbenkörper getragenen, aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit über 60 W/(m K) ausgebildeten Steuerkolbendeckel aufweist. Bei einer derartigen Wärmeleitfähigkeit kann unter dem Betriebsbedingungen in einen Axialkolbenmotor mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, bei welcher das heiße Arbeitsmedium ständig in unmittelbarem Kontakt mit dem Steuerkolbendeckel ist, gewährleistet werden, dass die thermische Belastung sowohl für den Steuerkolbendeckel als auch für den Steuerkolbenkörper selbst ausreichend gering ist, um eine ausreichende Lebensdauer zu gewährleisten. Hierbei spielt es letztlich keine Rolle, wenn kurzzeitig der Steuerkolbenkörper ggf. selbst mit dem heißen Arbeitsmedium in Kontakt kommt.
Darüber hinaus kann bei einem Arbeitskolbenmotor mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben verschließ- und öffenbar ist, die Lebensdauer der Steuerkolben erhöht werden, wenn der Steuerkolben eine Prallfläche und/oder eine Leitfläche aus einem Material aus einer Wärmeleitfähigkeit über 60 W/(m K) aufweist. Auch hier gewährleistet die Ausgestaltung der Prallfläche bzw. der Leitfläche aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit, dass die thermische Belastung der Prallfläche bzw. der Leitfläche, welche während des Betriebs des Axialkolbenmotors sehr häufig, wenn nicht sogar immer, mit dem heißem Arbeitsmedium in Kontakt sind, auf ein notwendiges Maß reduziert werden kann. Auch hier versteht es sich, dass die Prallfläche und die Leitfläche nicht unbedingt beide aus einem entsprechenden Material gebildet sein müssen, da die entsprechenden Vorteile bereits vorliegend, wenn lediglich eine der Flächen aus einem entsprechenden Material gebildet ist. Es versteht sich darüber hinaus, dass die Prallfläche und die Leitfläche nicht zwingend an einem Steuerkolbendeckel ausgebildet sein müssen. Hier ist es beispielsweise denkbar, dass die Prallfläche bzw. die Leitfläche durch entsprechende Beschichtungen oder durch geeignete Inlays bzw. durch geeignete Einlagen dargestellt sind.
Darüber hinaus ergibt sich bei einem Axialkolbenmotor mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolbenverschleiß und öffenbar ist, eine erhöhte Lebensdauer der Steuerkolben, wenn sich der Axialkolbenmotor dadurch auszeichnet, dass der Steuerkolben jeweils einen Steuerkolbenkörper und einen schusskanalseitig von dem Steuerkolbenkörper getragenen, aus Kupfer oder Aluminium ausgebildeten Steuerkolbendeckel aufweist. Obgleich Titan oder ähnliche Materialien sicherlich höheren Belastungen Stand halten können, zeigt sich die verhältnismäßig gute Wärmeleitfähigkeit von insbesondere Kupfer, aber auch von Aluminium, hinsichtlich der Lebensdauer der Steuerkolben für vorteilhaft und gewährleistet, dass – insbesondere im Zusammenspiel mit einer geeigneten Kühlung – die Lebensdauer der Steuerkolben auf ein erträgliches Maß erhöht werden kann, ohne das sehr großtechnologische Aufwendungen notwendig sind.
Auch weist ein Axialkolbenmotor mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben verschließ- und öffenbar ist, Steuerkolben mit erhöhter Lebensdauer auf, wenn der Steuerkolben eine Prallfläche und/oder eine Leitfläche aus Kupfer oder Aluminium aufweist. Auch bedingt die Materialwahl mit der entsprechend guten Wärmeleitfähigkeit eine Verminderung der thermischen Belastung der Prallfläche bzw. der Leitfläche, was bereits für sich genommen entsprechend vorteilhaft ist und nicht zwingend mit der Verwendung eines separaten Steuerkolbendeckels einhergehen muss, um die zugehörigen Vorteile zu erzielen.
Vorzugsweise ist das Kupfer und/oder das Aluminium mit einer Schutzschicht versehen, insbesondere unnötigen Verschleiß, wie beispielsweise eine Oxidation des Kupfers, vermeiden zu können – Hierfür kommt insbesondere ein Vernickeln bzw. Verchromen in Frage, was sehr kostengünstig umzusetzen ist. Andererseits können auch andere Schutzschichten, wie beispielsweise eine aufgespritzte Keramikschicht oder ähnliches zur Anwendung kommen, solange die Wärmeleitfähigkeit hierdurch nicht zu weit herabgesetzt wird.
Vorzugsweise sind der Steuerkolbendeckel bzw. dass die Prallfläche und/oder die Leitfläche tragende Teil des Steuerkolbens spritzgekühlt. Hierbei erfolgt die Spritzkühlung vorzugsweise von einer dem Schusskanal abgewandten Seite, sodass eine Materialtrennung zwischen Arbeitsmedium und Kühlmedium durch den Steuerkolben gewährleistet werden kann. Die Spritzkühlung kann beispielsweise durch Wasser oder durch flüssiges Metall erfolgen, was jedoch entweder wenig effektiv oder aber sehr kostenintensiv ist. Besonders bevorzugt wird eine Spritzkühlung durch Öl.
Hierbei kann die Spritzkühlung mit Öl aus einem Steuerdruckraum erfolgen, welcher auf der den Schusskanälen abgewandten Seite der Steuerkolben angeordnet ist und in welchem die Steuerkolben hin und her bewegt werden, was den Vorteil hat, dass der Steuerdruckraum – wie jedoch aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist – unter einen Druck gesetzt werden kann, welcher in etwa den Brennkammerdruck entspricht, sodass etwaige Leckströme, die an den Steuerkolben vorbei zwischen Brennkammer und Steuerdruckraum vorliegen, auf ein Minimum begrenzt werden können. Es versteht sich, dass dementsprechend die Steuerkolben vorzugsweise innerhalb der Steuerkolbenführung so weit wie möglich abgedichtet sind.
Ist der Steuerkolben in einer sich in den Schusskanal öffnenden Steuerkolbenführung angeordnet, so ist der Steuerkolbenkörper in Bezug auf die Steuerkolbenführung vorzugsweise derart dimensioniert, dass er in allen Betriebspositionen brennkammerseitig die Steuerkolbenführung nicht in den Schusskanal hinein verlässt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Steuerkolbenkörper unmittelbar mit dem Arbeitsmedium, welches aus der Brennkammer strömt, in Kontakt kommt. Auf der der Brennkammer abgewandten Seite des Schusskanals hingegen ist es durchaus denkbar, dass der Steuerkolben in einzelnen Betriebspositionen die Steuerkolbenführung in den Schusskanal hinein verlässt, was sich jedoch als thermisch nicht so kritisch herausgestellt hat.
Kumulativ bzw. alternativ hierzu kann, wenn der Steuerkolben in einer sich in den Schusskanal öffnenden Steuerkolbenführung angeordnet ist, der Steuerkolbendeckel derart ausgestaltet sein, dass er in allen Betriebspositionen die Steuerkolbenführung brennkammerseitig zum Schusskanal hin abschließt, was dementsprechend den Steuerkolbenkörper vor dem heißen Arbeitsmedium schützt. Auf der der Brennkammer abgewandten Seite des Schusskanals muss ein derartiger Abschluss nicht zwingend in allen Betriebspositionen vorliegen, da dieses – wie bereits vorstehend erläutert – thermisch nicht so kritisch ist.
Eine ausreichende Stabilität des Steuerkolbenkörpers kann gewährleistet werden, wenn diese aus Stahl oder Titan ausgebildet ist. Die niedrigere Wärmeleitfähigkeit kann an dieser Stelle wegen der Formstabilität und wegen der Gesamtstabilität von aus Stahl oder Titan ausgebildeten Baugruppen in Kauf genommen werden, solang die Wärme durch den jeweiligen Steuerkolbendeckel bzw. durch die Prallfläche oder die Leitfläche in ausreichendem Maße schnell abgeführt werden kann. Insbesondere kann der Steuerkolbenkörper aus Titanstahl ausgebildet sein, was sich insbesondere auch als Träger der gut leitfähige Steuerkolbendeckel bzw. der Prallfläche und/oder der Leitfläche als vorteilhaft herausgestellt hat. Ebenso ist es denkbar, den Steuerkolbenkörper aus Aluminium auszubilden, welches wegen seines geringen spezifischen Gewichts und seiner in Bezug auf das Gewicht hohen Stabilität hohe Arbeitsgeschwindigkeiten zulässt, wobei dann die Wärmeleitfähigkeit schusskanalseitig durch die Verwendung von Kupfer oder durch die Verwendung geeigneter Aluminiumlegierungen mit entsprechend höherer Wärmeleitfähigkeit angepasst werden sollte.
Die Strömungsverhältnisse innerhalb des Schusskanals lassen sich besonders günstig beeinflussen, wenn an der der Brennkammer abgewandten Seite der Leitfläche eine dem Schusskanal zugewandte und bezüglich der Leitfläche abgewinkelt angeordnete Schulterfläche vorgesehen ist. Bei geeigneter Ausgestaltung insbesondere auch des komplementären Bereich des Schusskanals kann auf diese Weise, obgleich ein abgewinkelter Bereich an sich zunächst einmal eine Strömung behindern sollte, ein guter Fluss von Arbeitsmedium erzielt werden, was einerseits die thermische Belastung des Steuerkolbens reduziert und andererseits etwaige Leistungsverluste des Axialkolbenmotors minimiert.
Durch eine geeignete Wahl des Winkels und – bei geeigneter Ausgestaltung – auch eine entsprechende Anpassung des komplementären Bereichs des Schusskanals lässt sich gewährleisten, dass der Schusskanal dann bei einer Bewegung des Steuerkolbens sehr schnell mit einem großem Querschnitt öffnen, um das heiße Arbeitsmedium von der Brennkammer in den entsprechenden Arbeitszylinder zu überführen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leitfläche und die Schulterfläche in einem stumpfen Winkel, also einem Winkel zwischen 90° und 180° zueinander angeordnet sind. Insbesondere ein überstumpfer Winkel hat sich diesbezüglich als nicht so vorteilhaft erwiesen, während ein spitzer Winkel nachteilig ist, da er zu starken Verwirbelung und mithin zu hohes Leistungsverlusten führt.
Angesichts der Vorteile hinsichtlich der Strömung des Arbeitsmediums ist eine entsprechend abgewinkelt angeordnete Schulterfläche auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung bei einem Axialkolbenmotor mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer und zumindest zwei Arbeitszylinder, die jeweils über einen Schusskanal mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben verschließ- und öffenbar ist, entsprechend vorteilhaft.
Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert, die insbesondere auch in anliegender Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Axialkolbenmotor als erstes Ausführungsbeispiel;
2 den Axialkolbenmotor nach 1 in einem Querschnitt durch die Brennkammer, die Schusskanäle und die Arbeitszylinder; und
3 einen zu den in 1 und 2 dargestellten alternativen Steuerkolben in perspektivischer Ansicht;
4 den Steuerkolben nach 3 in einer Seitenansicht;
5 den Steuerkolben nach 3 und 4 in einer Aufsicht; und
6 den Steuerkolben nach 3 bis 5 in einem Schnitt entlang der Linie VI-VI in 5.
Der in den 1 und 2 dargestellten Axialkolbenmotor 10 weist einen Brennkammerbereich 20 mit einer Brennkammer 200 auf, von welcher Schusskanäle 700 zu Arbeitszylindern 310 in einer Arbeitsseite 30 abgehen, in denen jeweils Arbeitskolben 320 hin und her beweglich sind.
Die Arbeitskolben 320 sind über Pleuel 510 mit Verdichterkolben 420 auf einer Verdichterseite 40 verbunden, welche ihrerseits in Verdichterzylindern 410 hin und her beweglich sind.
Die Pleuel 510 treiben in an sich bekannter und aus diesem Grunde nicht näher erläuterter Weise eine Abtriebsscheibe 520 an, welche ihrerseits auf einer Abtriebswelle 522 sitzt, sodass auf diese Weise mechanische Energie, welche durch die Arbeitskolben 320 gewonnen wird, zur Verfügung steht.
Die auf der Verdichterseite 40 durch die Verdichterkolben 420 in den Verdichterzylindern 410 verdichtete Luft, oder ein anderer der Verbrennung dienender Oxidator, wird von der Verdichterseite 40 über eine Oxidatorzuleitung 260 durch einen Wärmetauscher 600 der Brennkammer 200 zugeführt, wo sie bzw. er gemeinsam mit Kraftstoff 222, 242 in der Brennkammer verbrannt und von dort aus über die Schusskanäle 700 den Arbeitszylindern 310 aufgegeben werden.
Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel umfasst die Brennkammer 200 eine Hauptbrennkammer 210 und eine Vorbrennkammer 230, wobei der Hauptbrennkammer 210 über eine Hauptdüse 220 Kraftstoff 222 zugeführt wird. Über eine Oxidatorzuführ 224, welche mit der Oxidatorzuleitung 260 verbunden ist, wird der Hauptbrennkammer 210 auch das für die Verbrennung des Kraftstoffs 222 notwendige Oxidationsmittel, in der Regel Luft, zugeführt.
Bevor jedoch der aus der Hauptdüse 220 stammende Kraftstoff 222 in der Hauptbrennkammer 210 der Brennkammer 200 oxidiert werden kann, wird dieser in einer Aufbereitungskammer 250 möglichst weitgehend thermisch zerlegt, was durch eine Vorverbrennung mit einer Vorbrennkammer 230, welche in die Aufbereitungskammer 250 mündet, und mit einer Vordüse 240 für Kraftstoff 242 sowie mit einer zugehörigen Oxidatorzufuhr 244, die ihrerseits ebenfalls mit der Oxidatorzuleitung 260 verbunden ist, realisiert ist. Auf diese Weise kann eine äußerst vollständige und vor allen Dingen schadstoffarme Verbrennung realisiert werden.
Das auf diese Weise durch die Brennkammer 200 aufbereite Arbeitsmedium wird über Schusskanäle 700 zu den Arbeitszylindern 310 und den Arbeitskolben 320 geleitet, wobei diese Schusskanäle 700 über Steuerkolben 710 verschließ- und öffenbar sind.
Die Steuerkolben 710 umfassen, wie insbesondere anhand des in 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel erkennbar, jeweils einen Steuerkolbenkörper 712, der ein erstes Teil 713 des Steuerkolbens 710 bildet und bei diesem Ausführungsbeispiel aus Titanstahl gebildet ist. Ebenso umfassen die Steuerkolben 710 jeweils Steuerkolbendeckel 714, welche ein weiteres Teil 715 des Steuerkolbens 710 bilden und bei diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer gebildet sind.
Die Steuerkolbendeckel 714 umfassen jeweils eine Prallfläche 716, welche der Brennkammer 200 zugewandt sind und im Wesentlichen senkrecht zu dem Schusskanal 700 bzw. senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung des Arbeitsmediums durch den Schusskanal 700 durch ausgerichtet sind. Darüber hinaus umfassen die Steuerkolbendeckel 714 jeweils eine Leitfläche 718, die im Wesentlichen parallel zu dem Schusskanal 700 bzw. parallel zu der Hauptströmungsrichtung des Arbeitsmediums durch den Schusskanal 700 hindurch ausgerichtet sind. Wie unmittelbar ersichtlich sind auch die Prallflächen und Leitflächen jeweils aus Kupfer gebildet. Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel ist der Steuerkolbendeckel vernickelt und trägt somit eine Schutzschicht gegen unerwünschte Oxidationen.
Hierbei sind bei beiden Ausführungsbeispielen die Wärmeleitfähigkeit der Steuerkolbendeckel 714 bzw. des entsprechenden Kupfers derart gewählt, dass dieses eine Wärmeleitfähigkeit von über 60W/ (m K) aufweist. Im Vergleich zu der Wärmeleitfähigkeit des Titanstahls, aus welchem der Steuerkolbenkörper 712 jeweils gebildet ist, kann dann ein Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit von deutlich mehr als 20W/ (m K) realisiert werden. Dieses ergibt dann auch dementsprechende Werte für die Prallflächen 760 bzw. für die Leitflächen 718 und führt zu einem Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit bezogen auf die Wärmeleitfähigkeit des Steuerkolbenkörpers 712 von mehr als 1,2.
Die Steuerkolben 710 weisen jeweils ein Laufrad 735 auf, welche in einer Steuerscheibe 740 läuft, die ihrerseits wiederum auf der Abtriebswelle 522 sitzt, wodurch die Bewegung der Steuerkolben 710 in Bezug auf die Bewegung der Arbeitskolben 320 und der Verdichtung der Kolben 420 synchronisiert werden kann.
Die Steuerscheibe 740 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in einer Steuerdruckkammer 750 angeordnet, wenn der Raum, in dem die Steuerscheibe 740 zu finden ist, in geeigneter Weise abgedichtet wird, was jedoch in anderen Ausführungsformen nicht zwingend ist. Hierbei kann der Druck in der Steuerdruckkammer 750 im Wesentlichen den Druck des verdichteten Oxidationsmittel, also im Wesentlichen den Druck in der Oxidatorzuleitung 260, entsprechen, was ungefähr auch dem Druck in der Hauptbrennkammer 210 entspricht. Auf diese Weise lassen sich etwaige Leckagen an den Steuerkolben 710 vorbei auf ein Minimum reduzieren.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 die zugehörigen Dichtungen, mit welcher die Steuerdruckkammer 750 abgedichtet ist, nicht dargestellt. Selbiges gilt auch für Dichtungen und Ölabstreifer an den Steuerkolben 710 in Bezug auf deren Steuerkolbenführung 730, durch welche die Steuerkolben 710 in Verbindung mit dem Laufrad 735 und der Steuerscheibe 735 in ihrer Bewegung geführt sind.
Wie unmittelbar in 6 ersichtlich, kann der jeweilige Steuerkolbendeckel 714 bzw. das zugehörige Teil 715 des Steuerkolbens 710 von innen ohne weiteres spritzgekühlt werden, sodass Öl, welches in die Steuerdruckkammer 750 geleitet wird, unmittelbar einer entsprechenden Kühlung dienen kann.
Insoweit vorstehend beschrieben, entsprechend die Steuerkolben 700 des Ausführungsbeispiels nach 1 und 2 den Steuerkolben nach 3 bis 6. Ergänzend weisen jedoch letztere Steuerkolben 710 eine Schulterfläche 720 auf, welche in einem stumpfen Winkel zu der Leitfläche 718 angeordnet ist, sodass sich eine geänderte Wandung des Steuerkolbens 710 in Bezug auf den Schusskanal 700 ergibt, die bei geeigneter Ausgestaltung des komplementären Schusskanals 700 zu verbesserten Strömungsverhältnissen führt, gegenüber den Steuerkolben nach 1 und 2 führt.
Bezugszeichenliste

10: Axialkolbenmotor
20: Brennkammerbereich
30: Arbeitsseite
40: Verdichterseite
200: Brennkammer
210: Hauptbrennkammer
220: Hauptdüse
222: Kraftstoff
224: Oxidatorzufuhr
230: Vorbrennkammer
240: Vordüse
242: Kraftstoff
244: Oxidatorzufuhr
250: Aufbereitungskammer
260: Oxidatorzuleitung
310: Arbeitszylinder
320: Arbeitskolben
410: Verdichterzylinder
420: Verdichterkolben
510: Pleuel
520: Abtriebsscheibe
522: Abtriebswelle
600: Wärmetauscher
700: Schusskanal
710: Steuerkolben
712: Steuerkolbenkörper
713: Teil
714: Steuerkolbendeckel
715: Teil
716: Prallfläche
718: Leitfläche
720: Schulterfläche
730: Steuerkolbenführung
735: Laufrad
740: Steuerscheibe
750: Steuerdruckkammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/062473 A2 [0002]
WO 2011/009454 A2 [0002]

Claims

Axialkolbenmotor (10) mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer (200) und zumindest zwei Arbeitszylinder (310), die jeweils über einen Schusskanal (700) mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben (320) hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal (700) jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben (710) verschließ- und öffenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (710) jeweils einen Steuerkolbenkörper (712) und einen schusskanalseitig von dem Steuerkolbenkörper (712) getragenen, aus einem Material mit um ein ∆λ höheren Wärmeleitfähigkeit λ_D als der Steuerkolbenkörper (712) ausgebildeten Steuerkolbendeckel (714) aufweist und/oder dass der Steuerkolben (710) eine Prallfläche (716) und/oder eine Leitfläche (718) aus einem Material mit einer um ein ∆λ höheren Wärmeleitfähigkeit λ_D als ein dem Schusskanal (700) abgewandtes Teil (713) des Steuerkolbens (710) aufweist.
Axialkolbenmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ∆λ mehr als 20 W/(m·K) bzw. dass ∆λ/(λ_D – ∆λ) mehr als 1 beträgt.
Axialkolbenmotor (10) mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer (200) und zumindest zwei Arbeitszylinder (310), die jeweils über einen Schusskanal (700) mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben (320) hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal (700) jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben (710) verschließ- und öffenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (710) jeweils einen Steuerkolbenkörper (712) und einen schusskanalseitig von dem Steuerkolbenkörper (712) getragenen, aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit über 60 W/(m·K) ausgebildeten Steuerkolbendeckel (714) und/oder dass der Steuerkolben (710) eine Prallfläche (716) und/oder eine Leitfläche (718) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit über 60 W/(m·K) aufweist.
Axialkolbenmotor (10) mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, umfassend eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer (200) und zumindest zwei Arbeitszylinder (310), die jeweils über einen Schusskanal (700) mit der Brennkammer verbunden sind und in denen jeweils ein Arbeitskolben (320) hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei jeder Schusskanal (700) jeweils durch einen hin und her bewegbaren Steuerkolben (710) verschließ- und öffenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (710) jeweils einen Steuerkolbenkörper (712) und einen schusskanalseitig von dem Steuerkolbenkörper (712) getragenen, aus Kupfer oder Aluminium ausgebildeten Steuerkolbendeckel (714) und/oder dass der Steuerkolben (710) eine Prallfläche (716) und/oder eine Leitfläche (718) aus Kupfer oder Aluminium aufweist.
Axialkolbenmotor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer oder das Aluminium mit einer Schutzschicht versehen, vorzugsweise verchromt oder vernickelt, ist.
Axialkolbenmotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolbendeckel (714) bzw. dass die Prallfläche (716) und/oder die Leitfläche (718) tragende Teil (715) des Steuerkolbens (710) spritzgekühlt, vorzugsweise durch Öl spritzgekühlt, ist.
Axialkolbenmotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (710) in einer sich in den Schusskanal (700) öffnenden Steuerkolbenführung (730) angeordnet ist und dass der Steuerkolbenkörper (712) in allen Betriebspositionen brennkammerseitig die Steuerkolbenführung (730) nicht in den Schusskanal (700) hinein verlässt und/oder dass der Steuerkolbendeckel (714) in allen Betriebspositionen die Steuerkolbenführung (730) brennkammerseitig zum Schusskanal (700) abschließt.
Axialkolbenmotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolbenkörper (712) aus Stahl oder Titan, insbesondere aus Titanstahl, oder aus Aluminium ausgebildet ist.
Axialkolbenmotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Brennkammer (200) abgewandten Seite der Leitfläche (718) eine dem Schusskanal (700) zugewandte und bezüglich der Leitfläche (718) abgewinkelt angeordnete Schulterfläche (720) vorgesehen ist.
Axialkolbenmotor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (718) und die Schulterfläche (720) in einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet sind.