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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 Drehventilscheibe 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 dem Zylinderkopf begrenzt ist, wobei die zu den Zylindern gehörenden Auslassöffnungen derart durch den Zylinderblock geführt sind, dass über die außeraxiale Durchgangsöffnung in der umlaufenden Drehventilscheibe 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
WO 2014/128266 A1 ist eine weitere Axialkolbenmaschine bekannt, welche zur Umgehung derselben einen Bypasskanal aufweist. Dieser Bypasskanal umgeht die Axialkolbenmaschine komplett, so dass hierfür eine extra Bypassleitung sowie entsprechende Abzweigungen und ein Bypassventil vorzusehen sind.
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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 insbesondere eine verbesserte Regelung der Axialkolbenmaschine bei gleichzeitig reduziertem Bauraumbedarf ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Axialkolbenmaschine mit einem Bypasskanal vorzusehen, wobei der Bypasskanal in einen Zylinderkopf und ein Gehäuse der Axialkolbenmaschine integriert und dadurch bauraumoptimiert angeordnet ist. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Axialkolbenmaschinen ist somit insbesondere auch keine externe, separate Anordnung des Bypasskanals erforderlich. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine besitzt dabei in bekannter Weise einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor sowie ringförmig um und winkelig zum Rotor angeordnete Zylinder, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Dabei sind die Zylinder in einem Bereich von +/–30° zum Rotor, insbesondere 0°, also parallel zum Rotor angeordnet. Jedem Zylinder ist dabei in dem Zylinderkopf eine Einlassöffnung und in dem Gehäuse mindestens eine Auslassöffnung zugeordnet. Erfindungsgemäß sind nun in dem Zylinderkopf ein zur Einlassöffnung führender Einlasskanal und im Gehäuse ein mit der Auslassöffnung kommunizierend verbundener Auslasskanal vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Bypasskanal vorgesehen, der sich vom Zylinderkopf über das Gehäuse bis in den Auslasskanal erstreckt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Bypassventil, das entweder mit dem Zylinderkopf verbunden oder sogar in diesen integriert ist und welches in Abhängigkeit seiner Schallstellung einen Zufluss von Arbeitsmedium auf den Einlasskanal und den Bypasskanal aufteilt. Besonders die zweite Ausführungsform, bei welcher nicht nur der Bypasskanal in den Zylinderkopf und das Gehäuse integriert ist, sondern zudem auch das Bypassventil in den Zylinderkopf integriert ist, stellt eine besonders bauraumoptimierte Ausführungsform dar. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Axialkolbenmaschinen, stellt aber auch die zuerst erwähnte Alternative, bei welchem das Bypassventil am Zylinderkopf angeordnet bzw. mit diesem verbunden ist, bereits eine erhebliche Verbesserung dar, da der Bypasskanal komplett in den Zylinderkopf und das Gehäuse integriert ist und dadurch keinerlei separate Verlegung einer entsprechenden Bypassleitung bzw. eines entsprechenden Bypasskanals mehr erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine lässt sich somit besonders exakt steuern bzw. regeln und baut darüber hinaus aufgrund der zuvor beschriebenen Integration des Bypasskanals in den Zylinderkopf und das Gehäuse äußerst kompakt. Bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine wird zudem auch eine Abscheidung von im Arbeitsmedium enthaltenem Schmierstoff ermöglicht, wie er bereits im aktiven Betrieb vorgesehen ist, wodurch insbesondere eine Schmierung einer Schrägscheibe besonders vorteilhaft gewährleistet werden kann. Durch die verbesserte Schmierung kann auch eine deutliche Verbesserung beim Wiederanlauf erreicht werden. Durch den in das Gehäuse zumindest teilweise integrierten Bypasskanal kann auch eine schnellere Erwärmung der Axialkolbenmaschine erzielt werden, wodurch deren Wirkungsgrad verbessert und somit eine frühere Zuschaltung der Axialkolbenmaschine erreicht werden kann.
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Ist das Bypassventil in den Zylinderkopf integriert, kann – wie bereits zuvor erwähnt – eine besonders kompakt bauende Ausführungsform realisiert werden, die einen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Axialkolbenmaschinen verbesserten Wärmeübergang ermöglicht. Zum einen können externe Leitungen entfallen die sonst einen unnötigen Wärmeverlust bedeuten und zum anderen ist durch die direkte bauliche Nähe der Wärmeeintrag direkt im oder am Gehäuse der Axialkolbenmaschine.
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Zweckmäßig ist das Bypassventil über ein Entkopplungselement außen am Zylinderkopf befestigt. Eine derartige angebaute Bauweise ermöglicht insbesondere auch das Vorsehen des Bypassventils als lediglich optionales Bauteil, da dieses beispielsweise modular angeflanscht und insbesondere auch nachgerüstet werden kann. Um das Bypassventil dabei thermisch von dem Zylinderkopf entkoppeln zu können, ist das Entkopplungselement beispielsweise als Kunststoffteil, insbesondere als Elastomerelement, ausgebildet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist in dem Zylinderkopf eine Bremsvorrichtung zum Abbremsen des Rotors und zum Fixieren desselben in einer vordefinierten Drehstellung vorgesehen, wobei die Bremsvorrichtung beispielsweise mittels Druckluft oder mittels des Arbeitsmediums betätigbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass im Zylinderkopf ein Bremskanal angeordnet ist, der einen Ends mit dem Bypassventil und anderen Ends mit der Bremsvorrichtung verbunden ist, so dass die Bremsvorrichtung über das Bypassventil betätigbar ist. Über die Bremsvorrichtung ist es beispielsweise möglich, den Rotor in einer vordefinierten Drehstellung zu fixieren, in welcher eine exzentrische Öffnung einer mit dem Rotor drehfest verbundenen Drehventilscheibe fluchtend zu einer Einlassöffnung eines Zylinders steht, wobei sich der Kolben dieses Zylinders im Bereich des oberen Totpunktes befindet und beim Einströmen von Arbeitsmedium in Richtung des unteren Totpunktes verschoben wird. Hierdurch ist ein zuverlässiges und kraftvolles Starten der Axialkolbenmaschine möglich.
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Zweckmäßig weist die Bremsvorrichtung einen Stift auf, der in der vordefinierten Drehstellung in eine an der Drehventilscheibe angeordnete Ausnehmung eingreift. Eine derartige Ausnehmung kann beispielsweise an einem außenliegenden Rand der Drehventilscheibe angeordnet sein. Rein theoretisch könnte eine Bremswirkung mittels des Bypassventils auch ohne den Bremskanal ermöglicht werden, sofern das Bypassventil gezielt einen Gegendruck schaltet, wenn der jeweilige Kolben, in dessen Auslassöffnung geblasen wird, im unteren Totpunkt anliegt. In diesem Fall ist die Einlassöffnung dieses Zylinders verschlossen, so dass der über die Auslassöffnung einströmende Bypassstrom einen Druck aufbaut und ein Verfahren des Kolbens hin zum oberen Totpunkt behindert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem Einlasskanal und dem Bypasskanal ein Verbindungskanal vorgesehen, in welchem ein Überdruckventil angeordnet ist. Mittels eines derartigen Überdruckventils kann unabhängig vom Bypassventil ein Abriegeln der Axialkolbenmaschine bei einem vordefinierten Überdruck erfolgen, da dann direkt Arbeitsmedium vom Einlasskanal über den Verbindungskanal in den Bypasskanal ausgeblasen werden kann. Hierdurch kann die Axialkolbenmaschine abgeregelt werden, bis wieder ein unterkritischer Druck anliegt und zwar ohne, dass das Bypassventil selbst geschaltet werden müsste. Hierdurch lässt sich somit ein besonders schnelles Schalten ermöglichen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Bypasskanal rechtwinklig zu den jeweiligen außenliegenden (Ober-)Flächen angeordnet und ermöglicht dadurch eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Bypasskanals durch Bohren.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem in einen Zylinderkopf der Axialkolbenmaschine integrierten Bypassventil,
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3 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem Verbindungskanal zwischen dem Bypasskanal und einem Einlasskanal.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1, welche beispielsweise Bestandteil eines nicht näher erläuterten Wärmerückgewinnungssystems 2 in einem Kraftfahrzeug sein kann, einen in einem Gehäuse 3 drehbar gelagerten Rotor 4 auf. Ringförmig um und parallel zum Rotor 4 sind im Gehäuse 3 Zylinder 5 angeordnet, in welchen Kolben 6 translatorisch verstellbar gelagert sind. Jedem Zylinder 5 ist dabei in einem Zylinderkopf 7 eine Einlassöffnung 8 und in dem Gehäuse 3 eine Auslassöffnung 9 zugeordnet. Nach oben hin abgeschlossen ist der Zylinderkopf 7 mittels eines Deckels 10. Erfindungsgemäß sind nun in dem Zylinderkopf 7 ein zur Einlassöffnung 8 führender Einlasskanal 11 und im Gehäuse 3 ein mit der Auslassöffnung 9 kommunizierend verbundener Auslasskanal 12 vorgesehen. Ebenfalls vorgesehen ist ein Bypasskanal 13, der sich vom Zylinderkopf 7 ausgehend über das Gehäuse 3 bis hin zum Auslasskanal 12 erstreckt. Des Weiteren ist erfindungsgemäß ein Bypassventil 14 vorgesehen, welches gemäß den 1 und 3 mit dem Zylinderkopf 7 verbunden, d.h. außen an diesem befestigt ist, und welches gemäß der 2 in den Zylinderkopf 7 integriert ist. Das Bypassventil 14 teilt dabei einen Zufluss von Arbeitsmedium in Abhängigkeit seiner Schaltstellung auf den Einlasskanal 11 und den Bypasskanal 13 auf.
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Durch die Integration des Bypasskanals 13 in den Zylinderkopf 7 und das Gehäuse 3 kann dieser bauraumoptimiert angeordnet werden, wobei zugleich weitere Bauteile, wie beispielsweise Leitungen oder Abzweigungen, wie dies bei aus dem Stand der Technik bekannten externen Bypasskanälen erforderlich wären, entfallen können.
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Betrachtet man die 1 und 3, so kann man erkennen, dass das Bypassventil 14 über ein Entkopplungselement 15 außen am Zylinderkopf 7 befestigt ist. Das Entkopplungselement 15 dient dabei besonders der thermischen Entkopplung des Bypassventils 14 vom Zylinderkopf 7 und kann beispielsweise als Elastomerelement ausgebildet sein.
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Betrachtet man die 2, so kann man zudem eine Bremsvorrichtung 16 zum Abbremsen des Rotors 4 erkennen, die mittels des Arbeitsmediums, d.h. über das Bypassventil 14, oder rein theoretisch auch über Druckluft betätigbar ist. Im Zylinderkopf 7 ist hierzu ein Bremskanal 17 vorgesehen, der einen Ends mit dem Bypassventil 14 und anderen Ends mit der Bremsvorrichtung 16 verbunden ist, so dass die Bremsvorrichtung 16 mittels des Bypassventils 14 betätigt werden kann. Die Bremsvorrichtung 16 ist dabei derart ausgebildet, dass sie den Rotor 4 in einer definierten Drehstellung fixiert, in welcher eine Öffnung 18 einer mit dem Rotor 4 drehfest verbundenen Drehventilscheibe 19 fluchtend zu einer Einlassöffnung 8 eines Zylinders 5 steht, wobei sich der Kolben 6 dieses Zylinders 5 im Bereich eines oberen Totpunktes befindet. Hierdurch kann der Rotor 4 in einer Drehwinkelstellung angehalten werden, in welcher er durch Beaufschlagen mit Dampf leicht anlaufen kann, da die Einlassblende den Arbeitsraum freigibt und sich der Kolben 6 durch leichte Druckbeaufschlagung in Bewegung versetzen lässt. Die Bremsvorrichtung 16 kann hierzu einen Stift 20 aufweisen, der in der definierten Drehstellung in eine an der Drehventilscheibe 19 randseitig angeordnete Ausnehmung eingreift und dadurch die Drehventilscheibe 19 in der gewünschten, vordefinierten Drehstellung fixiert. Selbstverständlich kann die Bremsvorrichtung 16 auch beispielsweise eine Bremsbacke bzw. einen Bremsklotz aufweisen, der an der Drehventilscheibe 19 oder an einem anderen zusammen mit dem Rotor 4 drehenden Teil angreift. Rein theoretisch kann eine Bremswirkung auch ohne die Bremsvorrichtung 16 bewirkt werden, sofern das Bypassventil 14 gezielt einen Gegendruck schaltet, wenn der jeweilige Kolben 6, in dessen Auslassöffnung 9 eingeblasen wird, im unteren Totpunkt anliegt (vgl. linker Kolben der 1 bis 3). In diesem Fall würde die Drehventilscheibe 19 die Einlassöffnung 8 verschließen, so dass bei einem Einströmen von Arbeitsmedium in den Zylinder 5 über die Auslassöffnung 9 ein Nachobenfahren des Kolbens 6 und damit eine Drehbewegung des Rotors 4 gebremst werden würden.
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Bei der Axialkolbenmaschine gemäß der 3 ist zwischen dem Einlasskanal 11 und dem Bypasskanal 13 ein Verbindungskanal 21 vorgesehen, in welchem ein Überdruckventil 22 angeordnet ist. Dieses Überdruckventil 22 öffnet, sofern ein vordefinierter Grenzdruck des Arbeitsmediums überschritten wird, woraufhin das Arbeitsmedium über den Verbindungskanal 21 in den Bypasskanal 13 ausbläst. Hierdurch kann die Axialkolbenmaschine 1 abgeregelt werden, bis ein unterkritischer Druck, bei welchem das Überdruckventil 22 nicht anspricht, anliegt, ohne dass hierzu das Bypassventil 14 selbst geschaltet werden müsste. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Schaltung, was insbesondere im sogenannten Failsafe-Fall von großem Vorteil ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 ist nicht nur eine bauraumoptimierte Anordnung des Bypasskanals 13 im Zylinderkopf 7 bzw. im Gehäuse 3 möglich, sondern der Bypasskanal 13 ermöglicht eine Medienführung vergleichsweise nahe am realen Betrieb, ohne dass die Axialkolbenmaschine 1 betätigt wird.
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Es kann so beispielsweise auch die Abscheidung von im Arbeitsmedium enthaltenen Schmierstoff ermöglicht werden, wie er bereits im aktiven Betrieb vorgesehen ist. Hierdurch kann die Axialkolbenmaschine 1 beim Wiederanlauf optimal geschmiert werden, insbesondere ist hierdurch auch eine Schmierung einer Schrägscheibe 23 möglich. Durch die Führung des Bypasskanals 13 durch das Gehäuse 3 kann auch ein schnelleres Erwärmen des Gehäuses 3 erzielt werden.
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Wird das Bypassventil 14, wie dies gemäß den 1 und 3 gezeigt ist, außen am Zylinderkopf 7 angebaut, so kann eine vergleichsweise hohe Modularität bzw. Flexibilität erzielt werden, da die Axialkolbenmaschine 1 rein theoretisch auch ohne Bypassventil 14 verwendet werden kann. Durch die Integration desselben in den Zylinderkopf 7 kann jedoch eine äußerst kompakte Bauweise erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011118622 A1 [0003]
- WO 2014/128266 A1 [0004]
