DE102016100439A1

DE102016100439A1 - Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors sowie Axialkolbenmotor

Info

Publication number: DE102016100439A1
Application number: DE102016100439.1A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Rohs
Original assignee: GETAS Gesellschaft fuer Themodynamische Antriebssysteme mbH
Current assignee: GETAS Gesellschaft fuer Themodynamische Antriebssysteme mbH
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-07-13
Also published as: EP3402973A1; CN108463618A; DE112017000339A5; US20190017432A1; JP2019505718A; EP3402973B1; KR20180100628A; US10450945B2; WO2017121427A1

Abstract

Um einen Axialkolbenmotor, bei welchem Kraftstoff und komprimiertes Brennmedium kontinuierlich zum Arbeitsmedium in einer Brennkammer verbrannt und sukzessive Arbeitszylindern zugeführt wird, mit möglichst effektiver Verdichtung zu bertreiben, wird wenigstens eines der Verdichterauslassventile zwangsgesteuert geschlossen und über einen sich in dem jeweiligen Verdichterzylinder aufbauenden Verdichterdruck geöffnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors, bei welchem Kraftstoff und komprimiertes Brennmedium kontinuierlich zu Arbeitsmedium in einer Brennkammer verbrannt und sukzessive Arbeitszylindern zugeführt wird, in welchen Arbeitskolben hin und her laufen, die wiederum einen Abtrieb und Verdichterkolben antreiben, welche in Verdichterzylindern hin und her laufen, in denen das Brennmedium komprimiert wird, wobei das Brennmedium über Verdichtereinlassventile angesaugt und das komprimierte Brennmedium über Verdichterauslassventile von den Verdichterzylindern der Brennkammer zugeführt wird. Ebenso betrifft die Erfindung einen Axialkolbenmotor mit einer kontinuierlichen komprimiertes Brennmedium und Kraftstoff zu Arbeitsmedium verbrennenden Brennkammer, mit Arbeitszylindern, welche mittels zyklisch öffnen- und schließbarer Schussverbindungen mit der Brennkammer verbunden sind und in welchen Arbeitskolben hin und her laufen, mit Verdichterzylindern, in welchen Verdichterkolben hin und her laufen, die von den Arbeitskolben angetrieben sind, und mit wenigstens einer Brennmediumzuleitung, die von Verdichterauslassventilen der Verdichterzylindern zu der Brennkammer führt, wobei wenigstens eines der Verdichterauslassventile ein sich von dem Verdichterzylinder weg öffnendes und mit einem Ventiltrieb zusammenwirkendes Verschlussteil aufweist.
Derartige Betriebsverfahren bzw. Axialkolbenmotoren sind beispielsweise aus der EP 1 035 310 A2 bzw. aus der WO 2011/00943 A2 bekannt. Hierbei offenbart die EP 1 035 310 A2 eine Keramikkugel, die durch den in einer Druckkammer bzw. in einer Brennmediumzuleitung herrschenden Druck gegen ihren Ventilsitz gedrückt wird und als Verschlussteil eines Verdichterauslassventils dient. Auf diese Weise bleibt das Auslassventil solange verschlossen, solange der Druck im Verdichterkolben unter dem Druck in der Druckkammer bzw. unter dem Druck der entsprechenden Brennmediumzuleitung liegt. Steigt der Druck in dem Verdichterzylinder über den Druck in der Brennmediumzuleitung bzw. der Druckkammer, so öffnet das durch die Keramikkugel gebildete Verschlussteil des Verdichterauslassventils und schlägt gegen eine Stellschraube an. Hierdurch wird der Weg in die Druckkammer geöffnet. Auch die WO 2011/009453 A2 offenbart eine derartige passive Ansteuerung des Verdichterauslassventils mit einem als einer Halbkugel ausgebildeten Ventildeckel, der mit einer Ventildeckelandruckfeder wechselwirkt, sodass letztlich auch dieses Verdichterauslassventil über die Druckdifferenz zwischen Verdichterzylinder und Brennmediumzuleitung gesteuert ist, wobei die Federkraft der Ventildeckelandruckfeder letztlich lediglich parallel zu dieser Druckdifferenz wirkt.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors und einen Axialkolbenmotor bereitzustellen, bei welchen die Verdichtung möglichst effektiv erfolgt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors und 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.
So kann eine möglichst effektive Verdichtung bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotor erfolgen, wenn sich dieses dadurch auszeichnet, dass wenigstens eines der Verdichterauslassventile zwangsgesteuert geschlossen und über einen sich in den jeweiligen Verdichterzylinder aufbauenden Verdichterdruck geöffnet wird. Auf diese Weise wird das Brennmedium aus dem Verdichterzylinder der Brennkammer zugeführt, sowie in dem Verdichterzylinder ausreichend Verdichterdruck zu finden ist, während über die zwangsgesteuerte Schließung sichergestellt werden kann, dass kein Brennmedium in den Verdichterzylinder zurückströmt, was dementsprechend zu Verlusten führen würde.
Es versteht sich, dass eine derartige Verfahrensführung auch für eine mehrstufigen Verdichtung, bei welchem das den Verdichter verlassende Brennmedium nicht unmittelbar der Brennkammer sondern mittelbar über eine weitere Verdichtungsstufe, wie bei beispielsweise einen weiteren Verdichterzylinder, der Brennkammer zugeführt wird, geeignet ist.
Bei dem vorstehend erläuterten Verfahren sind Verdichtung und Arbeit getrennt, sodass eine Verdichtung bei möglichst niedrigen Temperaturen erfolgen kann.
Vorzugsweise wird der Schließvorgang des wenigstens einen der Verdichterauslassventile eingeleitet, bevor der zugehörige Verdichterkolben seinen oberen Totpunkt erreicht. Zwar strömt zu diesem Zeitpunkt dann noch verdichtetes Brennmedium aus dem Verdichterzylinder zu der Brennkammer. In der Nähe des oberen Tonpunktes erfolgt dieses jedoch nur mit einem verhältnismäßig geringen Volumenmassestrom, sodass der durch das sich schließende Verdichterauslassventil bedingt kleinere Ventildurchsatz unkritisch ist und die Strömung nur unwesentlich behindert.
Vorzugsweise wird der Schließvorgang des wenigstens einen der Verdichterauslassventile spätesten 5°, vorzugsweise spätestens 7°, bevor der zugehörige Verdichterkolben seinen oberen Totpunkt erreicht, eingeleitet.
Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass zum Schließen des Verdichterauslassventils das Verschlussteil des Verdichterauslassventils beschleunigt und eine gewisse Wegstrecke zurücklegen muss, bis dann letztlich das Verdichterauslassventil geschlossen ist. Indem der Schließvorgang rechtzeitig eingeleitet wird, kann sichergestellt werden, dass das entsprechende Verdichterauslassventil auch rechtzeitig, insbesondere auch unter Berücksichtigung von Toleranzen, geschlossen ist.
Hierbei kann das zwangsweise bzw. zwangsgesteuerte Schließen, nachdem der Schließvorgang eingeleitet ist, unter Umständen durch die bewegte Masse des einen der Verdichterauslassventile letztlich erfolgen, was insbesondere ein Einhalten von etwaigen Toleranzen ermöglicht, zumal das Verdichterauslassventil durch die Druckdifferenz geschlossen gehalten wird, sowie der zugehörige Verdichterkolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Insofern ist es nicht zwingend notwendig, dass das entsprechende Verdichterauslassventil bis zu dem Punkt, zu welchem es dicht geschlossen ist, aktiv angedrückt wird bzw. mit einer Andruckanlage in Kontakt steht. Insofern ist es von Vorteil, wenn wenigstens eine der Verdichterauslassventile nach dem Einleiten des Schließvorgangs frei durch seine Eigenmasse, quasi ballistisch, geschlossen wird.
Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn das wenigstens eine der Verdichterauslassventile geschlossen ist, wenn der zugehörige Verdichterkolben seinen oberen Totpunkt erreicht. Hierdurch kann wirkungsvoll ein etwaiges Zurückströmen an Brennmedium aus der Brennmediumzuleitung, welche – wie bereits vorstehen angedeutet ist – auch durch eine zweite Verdichterstufe unterbrochen sein kann, in den jeweiligen Verdichterzylinder unterbunden werden. Auf diese Weise kann, da unmittelbar nach dem Erreichen des oberen Totpunktes der Verdichterkolbens ansaugend wirkt, ein Verlust an komprimiertem Brennmedium auf ein Minimum reduziert bzw. gänzlich vermieden werden.
Dadurch, dass das wenigstens eine der Verdichterauslassventile über den sich in den jeweiligen Verdichterzylinder aufbauenden Verdichterdruck geöffnet wird, kann sofort, wenn ausreichend Druck in dem Verdichterzylinder vorliegt, Brennmedium zu der Brennkammer hin gefördert werden.
Damit ein entsprechendes, druckgesteuertes Öffnen des entsprechenden Verdichterauslassventils zuverlässig gewährleistet werden kann, ist es von Vorteil, wenn das wenigstens eine der Verdichterauslassventile vor dem Kompressionsvorgang in dem jeweiligen Verdichterzylinder freigegeben wird. Dieses kann beispielsweise schon während des Ansaugens geschehen. Insbesondere kann dieses bereits spätestens 12°, vorzugsweise spätestens 10°, nachdem der zugehörige Verdichterkolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, erfolgen, da letztlich dann schon die Druckdifferenz zwischen Brennmediumzuleitung und Verdichterzylinder dafür sorgt, dass das entsprechende Verdichterauslassventil dicht geschlossen bleibt.
Insbesondere kann das wenigstens eine der Verdichterauslassventile mechanisch angetrieben werden, was eine besonders präzise und baulich einfach umzusetzende Antriebsform ermöglicht.
Vorzugsweise ist es, wenn das wenigstens eine der Verdichterauslassventile synchron zu dem Abtrieb des Axialkolbenmotors angetrieben wird, wobei es sich versteht, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand ggf. die Phasen zwischen dem Abtrieb des Axialkolbenmotors und dem Antrieb des Verdichterauslassventils angepasst werden können.
Bei einem gattungsgemäßen Axialkolbenmotor kann eine möglichst effektive Verdichtung erfolgen, wenn sich dieser dadurch auszeichnet, dass sich das mit einem Ventiltrieb zusammenwirkende Verschlussteil gegen eine Begrenzungsanlage öffnet und der Ventiltrieb in Öffnungsrichtung freigebar ist. Dieses ermöglicht einerseits ein gezieltes Schließen des Verschlussteils, wenn dieses vorteilhaft ist und andererseits ein Öffnen des Verschlussteils, wenn in dem Verdichterzylinder ausreichend Druck herrscht.
Kumulativ bzw. alternativ erfolgt eine möglichst effektive Verdichtung bei einem gattungsgemäßen Axialkolbenmotor, wenn dieser sich dadurch auszeichnet, dass sich das mit dem Ventiltrieb zusammenwirkende Verschlussteil gegen eine Begrenzungsanlage öffnet und der Ventiltrieb lediglich gegen die Öffnungsrichtung auf das Verschlussteil wirkt. Auch dieses ermöglicht einerseits ein zwangsweises Schließen des Verschlussteils, wenn dieses vorteilhaft erscheint, während sich das Verschlussteil öffnen kann, wenn in dem Verdichterzylinder ein ausreichender Druck an Brennmedium vorherrscht.
Auch bei dem gattungsgemäßen Axialkolbenmotor sind Verdichtung und Arbeit getrennt, so dass eine Verdichtung bei möglichst niedrigen Temperaturen erfolgen kann.
Vorzugsweise ist der Ventiltrieb mechanisch ausgebildet, was eine einfache und präzise Ansteuerung des Verschlussteils ermöglicht.
In einer konkreten Umsetzung kann der Ventiltrieb eine Andruckanlage aufweisen, die auf das Verschlussteil wirkt, wodurch ein Ventiltrieb, der lediglich gegen die Öffnungsrichtung auf das Verschlussteil wirkt, baulich besonders einfach bereitgestellt werden kann. In einer konkreten Umsetzung kann der Ventiltrieb dadurch in Öffnungsrichtung freigegeben werden, dass die Andruckanlage von dem Verschlussteil entfernt wird.
So können die Andruckanlage und die Begrenzungsanlage an einer gemeinsamen Steuerbaugruppe befindlich sein, sodass durch Verlagerung der Steuerbaugruppe die Andruckanlage bzw. die Begrenzungsanlage in eine entsprechende Position verlagert und auf diese Weise das entsprechende Verdichterauslassventil angesteuert werden können.
Vorzugsweise sind die Andruckanlage und die Begrenzungsanlage an der Steuerbaugruppe einstückig zueinander ausgebildet, was eine baulich besonders einfache Ausgestaltung bedingt.
Insbesondere kann die Steuerbaugruppe zwischen einer Belastungsposition und einer Entlastungsposition verlagerbar sein, wobei in der Belastungsposition vorzugsweise die Andruckanlage und in der Entlastungsposition vorzugsweise die Begrenzungsanlage jeweils derart positioniert sind, dass sie mit dem Verschlussteil wechselwirken können. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass in der Belastungsposition die Andruckanlage entsprechend andrückend auf das Verschlussteil wirkt, während in der Entlastungsposition lediglich die Begrenzungsanlage den Ventilweg in Öffnungsrichtung begrenzt. Eine entsprechende Verlagerung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Steuerbaugruppe einer entsprechenden Schiebebewegung unterzogen wird. Ebenso kann beispielsweise eine Kipp- oder Drehbewegung, beispielsweise auch eines Kipphebels oder ähnliches, vorgesehen sein, durch welche die Steuerbaugruppe zwischen der Belastungsposition und der Entlastungsposition wechselt und jeweils die Andruckanlage bzw. die Begrenzungsanlage dem Verschlussteil zur Wechselwirkung anbietet.
Ggf. können die Andruckanlage und die Begrenzungsanlage auch identisch ausgebildet sein, was insbesondere beispielsweise bei Andruckstempeln, Ankern oder Kipphebeln realisierbar ist.
Vorzugsweise sind die Andruckanlage, die Begrenzungsanlage und/oder die Steuerbaugruppe gefedert. Hierdurch lassen sich die auf das Verschlussteil wirkenden Kräfte minimieren, sodass dessen Lebensdauer erhöht ist, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das Verschlussteil in Leichtbauweise, beispielsweise aus sehr leichtem Materialen oder innen hohl, ausgebildet ist. Insbesondere hinsichtlich der Andruckanlage kann hierdurch auch ein sicheres Schließen des Ventils gewährleistet werden, unabhängig von unvermeidbaren Fertigungstoleranzen. Alternativ bzw. kumulativ hierzu kann auch das Verschlussteil eine Federung aufweisen, welche zu der Andruckanlage, der Begrenzungsanlage bzw. zu der Steuerbaugruppe wirksam ist, um auf diese Weise eine entsprechende Entlastung zu gewährleisten. Auch kann ggf. eine Federung als Toleranzausgleich dienen, wenn die Andruckanlage auch bei geschlossenem Ventil auf dasselbe drückt und an diesem anliegt.
Kumulativ bzw. alternativ zu einer Federung kann die Andruckanlage bei geschlossenem Verdichterauslassventil von dessen Verschlussteil beabstandet sein, um auf diese Weise einen Toleranzausgleich zu ermöglichen. Dieses ist insbesondere dann möglich, wenn auf andere Weise sichergestellt ist, dass das Verdichterauslassventil betriebssicher geschlossen ist, was beispielsweise durch die Eigenmasse des Verdichterauslassventils und/oder die Druckdifferenz über das Verdichterauslassventil oder auch mit anderen Maßnahmen, wie beispielsweise mittels magnetischer Kräfte, gewährleistet werden kann. Die vorstehend genannte Federung kann dann immer noch zu materialentlastenden Zwecken genutzt werden.
Die Brennkammer kann, wie an sich aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt, zweistufig wirksam sein und eine Vorbrenner, welcher im Wesentlichen dazu dient, den Hauptteil des Kraftstoffs thermisch aufzubereiten, bevor dieser in einer Hauptbrennkammer mit dem Brennmedium, welches in der Regel Luft darstellt, in Kontakt gebracht wird. Es versteht sich, dass auch anders ausgestaltete Brennkammern bei entsprechenden Axialkolbenmotoren ohne weiteres zum Einsatz kommen können.
Wie bereits vorstehend angedeutet, kann die Brennmediumzuleitung auch verhältnismäßig komplex aufgebaut sein. So ist es denkbar, dass die Brennmediumzuleitung mehrere parallel ausgebildete Leitungen aufweist, die dann beispielsweise separat von einzelnen Verdichterzylindern zu der Brennkammer reichen. Ebenso kann die Brennmediumzuleitung auch, wie bereits vorstehend angedeutet, weitere Verdichterstufen umfassen und mithin zunächst in einen weiteren Verdichterzylinder münden, um dann von dessen Verdichterauslassventil bzw. Verdichterauslassventilen zu der Brennkammer zu führen. Auch können nach den Verdichterzylindern Druckkammern als Bestandteile der Brennmediumzuleitung vorgesehen sein, in denen das von den Verdichterzylindern bereitgestellte Brennmedium zunächst gesammelt wird um dann in eine oder mehrere Zuleitungen zu der Brennkammer geführt zu werden. Auch kann die Brennmediumzuleitung einen oder mehrere Wärmetauscher umfassen, mit denen das Brennmedium vor Eintritt in die Brennkammer temperiert wird, wobei hier vorzugsweise, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, das Abgas aus den Arbeitszylindern bzw. dessen thermische Energie genutzt wird.
Vorzugsweise ist das eine der Verdichteraulassventile ein Tellerventil, dessen Ventildeckel das Verschlussteil ist und auf dessen Ventilschafft der Ventiltrieb wirkt. Auf diese Weise lässt sich ein entsprechender Axialkolbenmotor baulich einfach und präzise umsetzen. Andererseits versteht es sich, dass als Verschlussteil gegebenenfalls auch eine Kugel eines Kugelventils oder auch eine entsprechende Halbkugel zur Anwendung kommen kann, solange auch hier ein entsprechender Ventiltrieb vorgesehen ist.
Der Ventiltrieb kann insbesondere eine Nockenscheibe oder Nockenwelle, die mit einem Abtrieb des Axialkolbenmotors synchronisiert sind, aufweisen. Hierdurch lässt sich eine entsprechende Synchronisation baulich einfach und präzise realisieren, wobei es insbesondere dann möglich ist, das Verschlussteil mechanisch bzw. über einen mechanisch ausgebildeten Ventiltrieb anzutreiben. Andererseits versteht es sich, dass über die Nockenscheibe oder Nockenwelle auch ein elektrisches, hydraulisches oder pneumatisches Signal erzeugt werden kann, das dann entsprechend für die Synchronisation des Ventiltriebs genutzt werden kann.
Vorzugsweise treibt der Ventiltrieb auch weitere Verdichterauslassventile bzw. Verdichtereinlassventile an, was eine entsprechend effektive Bauweise bzw. einen sehr geringen baulichen Aufwand bedingt.
Als Axialkolbenmotor sind die die Bewegungsrichtungen der Kolben in den Verdichter- und Arbeitszylindern parallel zur Abtriebswelle bzw. zum Abtrieb ausgerichtet. Vorzugsweise ist die Brennkammer zentral zu den Arbeitszylindern angeordnet, so dass zu jedem dem Arbeitszylinder eine identische bzw. sehr ähnliche Wegstrecke zurückzulegen ist und der Axialkolbenmotor sehr gleichförmig arbeitet.
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 einen schematischen Schnitt durch einen Verdichterzylinderkopf eines Axialkolbenmotors bei geschlossenem Verdichterauslassventil;
2 die Anordnung nach 1 bei geöffnetem Verdichterauslassventil;
3 einen schematischen Querschnitt durch einen Axialkolbenmotor bei welchem der Verdichterzylinderkopf nach 1 und 2 zur Anwendung kommen kann;
4 einen schematischen Schnitt durch die Brennkammer und die Arbeitszylinder des Axialkolbenmotors nach 3;
5 eine schematische Detaildarstellung eines weiteren Verdichterzylinderkopfs, der bei der Anordnung nach 3 und 4 zur Anwendung kommen kann, bei geschlossenem Verdichterauslassventil;
6 die Anordnung nach 5 bei geöffnetem Verdichterauslassventil;
7 einen weiteren Verdichterzylinderkof, der bei dem Axialkolbenmotor nach 3 und 4 zur Anwendung kommen kann, im schematischen Schnitt; und
8 einen weiteren Verdichterzylinderkopf, der bei dem Axialkolbenmotor nach 3 und 4 zur Anwendung kommen kann, im schematischen Schnitt.
Der in den 1 und 2 dargestellte Verdichterzylinderkopf 17 kann bei dem in 3 und 4 dargestellten Axialkolbenmotor 10 zur Anwendung kommen und weist zumindest einen Brennmediumeinlass 46 und einen Brennmediumauslass 47 zu Verdichterzylindern 40 auf.
Das in den Verdichterzylindern 40 durch hin und her laufende Verdichterkolben 45 verdichtete Brennmedium wird in einem Sammelrohr 48 gesammelt, in welches die Brennmediumauslässe 47 der einzelnen Verdichterzylinder 40 münden.
Von dem Sammelrohr 48 reicht eine mehrteilige Brennmediumzuleitung 56, die bei diesem Ausführungsbeispiel dreiteilig entsprechend einer Zahl an Wärmetauschern 55 ausgebildet ist, durch die Wärmetauscher 55 zu einer Brennkammer 20, wobei auch das Sammelrohr 48 zu der Brennmediumzuleitung 56 zu zählen ist. In abweichenden Ausführungsformen kann die Brennmediumzuleitung 56 einfacher oder komplexer aufgebaut sein und z.B. noch zu weiteren Verdichterstufen führen bzw. von weiteren Verdichterstufen unterbrochen sein, wobei ggf. auch diese entsprechende Ventile und Brennmediumeinlässe und/oder -auslässe aufweisen können.
Von der Brennkammer 20 ausgehend reichen jeweils Schussverbindungen 25 zu Arbeitszylindern 30, die durch zwischen der Brennkammer 20 und den jeweiligen Arbeitszylindern 30 periodisch öffen- und schließbare Schusskanäle 26 dargestellt sind. Je nach konkreter Umsetzung des Ausführungsbeispiels kann dieses beispielsweise durch um die Arbeitszylinder umlaufende Burt-McCullumn-Schieber, durch Steuerkolben oder durch koaxial zur Brennkammer 20 angeordnete rotierende Drehschieber oder ähnliches realisiert sein.
In den Arbeitszylindern 30 laufen Arbeitskolben 35 hin und her, die jeweils über einen Pleuel 51 mit jeweils einem Verdichterkolben 45 verbunden sind, wobei die Pleuel 51 mit einer Kurvenscheibe 52 eines Abtriebs 50 wechselwirken, die auf einer Abtriebswelle 53 angeordnet ist. Der Pleuel 51 wechselwirkt mit der Kurvenscheibe 52 des Abtriebs 50 über ein Pleuellager 57 (siehe 7).
Die Verdichterzylinder 40, Verdichterkolben 45, Arbeitszylinder 30, Arbeitskolben 35 und Pleuel 51 sind sternförmig koaxial um die Brennkammer 20 und die Abtriebswelle 53 angeordnet.
Der Axialkolbenmotor 10 umfasst ein Gehäuse 16, welches zu einer Seite einen Arbeitszylinderkopf 15 mit den Schusskanälen 26 sowie Leitungen für Abgas 36 und nicht näher dargestellte aber an sich hinlänglich bekannte Abgasventile aufweist.
Ebenso trägt das Gehäuse 16 den Verdichterzylinderkopf 17.
Das Abgas 36 wird in die Wärmetauscher 55 geleitet und dessen thermische Energie in den Wärmetauscher 55 dem in der Brennmediumzuleitung 56 befindlichen, komprimierten Brennmedium zugeführt, bevor dieses in der Brennkammer 20, welche kontinuierlich arbeitet, zum Verbrennen von Kraftstoff genutzt wird. Zwar ist in der schematischen Darstellung der 3 und 4 lediglich eine einstufige Brennkammer angedeutet. Es versteht sich, dass hier auch eine mehrstufige Verbrennung, insbesondere mit einem Vorbrenner zur Aufbereitung des Kraftstoffs, vorgesehen sein kann.
Der in dem Verdichterzylinderkopf 17 vorgesehene Brennmediumauslass 47 kann mittels eines Verdichterauslassventils 42 geöffnet und geschlossen werden.
Das als Tellerventil 80 ausgebildete Verdichterauslassventil 42 umfasst als Ventil 70 ein Verschlussteil 71, welches durch einen Ventildeckel 81 des Tellerventils 80 gebildet wird, sowie ein Gegenteil 75, welches durch den Verdichterzylinderkopf 17 selbst gebildet wird und den Ventilsitz 83 des Tellerventils 80 darstellt. Das Tellerventil 80 umfasst des Weiteren einen Ventilschafft 82, der von einer Ventilführung 89 geführt wird, sodass das Ventil 70 sicher geöffnet und geschlossen werden kann. Hierbei sitzt die Ventilführung 89 in dem Verdichterzylinderkopf 17.
Als Ventiltrieb 60 dient eine Steuerbaugruppe 65, die über eine hülsenartige Steuerbaugruppenführung 88 in dem Verdichterzylinderkopf 17 radial in Bezug zu der Abtriebswelle 53 verlagerbar gelagert ist und über eine Andruckfeder 87 gegen eine Nockenscheibe 61 gedrückt wird, wobei die Steuerbaugruppe 65 eine Nockenfolgerkugel 85 trägt, welche zur Verminderung von Reibungsverlusten auf der Nockenscheibe 61 läuft. Die Andruckfeder 87 stützt sich einerseits auf an der Steuerbaugruppenführung 88 und andererseits an einer Hülse 84 ab, in welcher die Steuerbaugruppe 65 befestigt ist, sodass die Steuerbaugruppe 65 über die Nockenscheibe 61 synchron zur Drehung der Abtriebswelle 53 angesteuert wird, da die Nockenscheibe 61 auf die Abtriebswelle 53 aufgesetzt ist.
Zwischen dem Ventilschafft 82 und der Steuerbaugruppe 65 ist eine Steuerkugel 86 vorgesehen, um Reibungsverluste zu vermindern.
Die Steuerbaugruppe 65 weist eine Begrenzungsanlage 73 und eine Andruckanlage 74 auf, die radial in Bezug auf die Abtriebswelle 53 gesehen an verschiedenen Positionen der Steuerbaugruppe 65 vorgesehen sind. Durch die Nockenscheibe 61 können dann – je nach Kurvenbahn der Nockenscheibe 61 – die Begrenzungsanlage 73 oder die Andruckanlage 74 in eine Wechselwirkungsposition zu der Steuerkugel 86 gebracht werden.
In axialer Richtung gesehen ist die Andruckanlage 74 so dicht an dem Ventilsitz 83 vorgesehen, dass der Ventildeckel 81 gegen den Ventilsitz 83 gepresst und das Verdichterauslassventil 42 geschlossen ist, wenn die Andruckanlage 74 in ihrer Wechselwirkungsposition in Bezug zu der Steuerkugel 86 angeordnet ist, wie dieses in 1 dargestellt ist.
Ist hingegen die Begrenzungsanlage 73 in ihrer Wechselwirkungsposition in Bezug auf die Steuerkugel 86 angeordnet, so kann sich der Ventildeckel 81 von seinem Ventilsitz 83 in eine Öffnungsrichtung 72 öffnen, wenn der Gasdruck in dem Verdichterzylinder 40 den Gasdruck im Brennmediumauslass 47 übersteigt, wie dieses in 2 exemplarisch dargestellt ist.
Insoweit gibt die Steuerbaugruppe 65 bzw. der Ventiltrieb 60 das Ventil 70 in Öffnungsrichtung 72 frei, wenn die Begrenzungsanlage 73 in ihrer Wechselwirkungsposition zu der Steuerkugel 86 angeordnet ist. Das Ventil kann dann durch den Gasdruck gesteuert sich selbst öffnen. Wird andererseits durch den Ventiltrieb 60 die Andruckanlage 74 der Steuerbaugruppe 65 in Wechselwirkungsposition zu der Steuerkugel 86 gebracht, so wird das Ventil 70 zwangsweise geschlossen.
Die Begrenzungsanlage 73 sowie die Andruckanlage 74 sind an einem federnden Arm der Steuerbaugruppe 65 vorgesehen, sodass die Steuerbaugruppe 65 federnd mit dem Verschlussteil 71 des Ventils 70 wechselwirkt. Dieses entlastet einerseits das Material des Ventils 70 und dient andererseits dazu, beim Schließen des Ventils 70 einen sicheren Sitz des Verschlussteils 71 an seinem Gegenteil 75 zu gewährleisten, insbesondere auch unter Berücksichtigung unvermeidbarer Fertigungstoleranzen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Geometrien zwischen der Andruckanlage 74 und dem Ventilschaft 82, der Steuerkugel 86 bzw. dem Ventilsitz 83 derart aufeinander abgestimmt, dass die Andruckanlage 74, wenn sie in ihrer Wechselwirkungsposition zu der Steuerkugel 86 gebracht ist, bei geschlossenem Verdichterauslassventil 42 von der Steuerkugel 86 beabstandet verbleibt, um auf diese Weise etwaigen Toleranzen zu berücksichtigen. Das Verdichterauslassventil 42 schließt an sich ballistisch, also durch seine eigen Bewegung und Masse, wenn es entsprechend durch die Steuerbaugruppe 65 in Schließrichtung beschleunigt wurde. Im Übrigen wirkt auch die Druckdifferenz über dem Verdichterauslassventil 42 ventilschließend, sowie der obere Totpunkt des entsprechenden Verdichterkolbens 45 erreicht ist. Es versteht sich, dass in einer alternativen Ausführungsform ggf. die Andruckanlage 74 in ihrer Wechselwirkungsposition auch bei geschlossenem Verdichterauslassventil 42 an der Steuerkugel 86 anliegen kann, wenn die Federung ausreichend auf die Toleranzen abgestimmt ist.
Bei dem in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dient ein Magnet 90 mit einem Anker 91 als Ventiltrieb 60, welche ebenfalls mit einem als Tellerventil 80 ausgestalteten Ventil 70 wechselwirken.
Die Ventilführung 89 ist in einem Aluminiumträger 93 eingelassen, welcher an der Seite des Ankers 91, welche dem Magneten 90 abgewandt ist, einen Anschlag 94 trägt, gegen welchen Federn 92 den Anker 91 drücken. Wird der Magnet 90 mit einem Strom beaufschlagt, so wird der Anker 91 entgegen der Federkraft der Federn 92 und entgegen der Öffnungsrichtung 72 gegen den Magneten 90 gezogen. Wird der Magnet 90 ausgeschaltet, so können die Federn 92 den Anker 91 in Öffnungsrichtung 72 wieder gegen den Anschlag 94 drücken.
Im Bereich des Aluminiumträgers 93 weist der den Aluminiumträger 93 umgebenden Bereich des Verdichterzsylinderkopfs 17 Kühlrippen 95 auf.
Auch diese Anordnung ermöglicht es, dass das Verschlussteil 71 des Ventils 70 in Öffnungsrichtung frei und nur durch die Gasdruckdifferenz zwischen Verdichterzlinder 40 und Brennmediumauslauss 47 bedingt öffnen kann, während es über den Magneten 90 geschlossen werden kann. Hierbei dient der mit dem Verschlussteil 71 des Ventils 70 in Kontakt kommende Schaft des Ankers 91 sowohl als Begrenzungsanlage 73 als auch als Andruckanlage 74, wobei durch Anziehen des Ankers 91 entgegen der Öffnungsrichtung 72 des Ventils 70 das Verdichterauslassventil 42 bzw. das Ventil 70 zwangsweise geschlossen werden kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Ventilschaft 81 bzw. der Ventilsitz 83 und der Schaft des Ankers 91 derart in ihren Geometrien aufeinander abgestimmt, dass die Andruckanlage 74 auch bei geschlossenem Verdichterauslassventil 42 an dme Ventilschaft 81 anliegt. Hier kann zum Toleranzausgleich ein kleiner Spalt zwischen Anker 91 und Magnet 90 verbleiben. Alternativ kann auch hier ein ballistisches Schließen des Verdichterauslassventils 42 vorgesehen sein, indem der Ventilschaft 81 bzw. der Schaft des Ankers 91 entsprechend kürzer ausgebildet werden, so dass die Andruckanlage 74 bei geschlossenem Verdichterauslassventil 42 nicht an dem Ventilschaft 81 anliegt.
Die in den 7 und 8 dargestellten Anordnungen zeigen mögliche Ausgestaltungen von Verdichtereinlassventilen 41, die ebenfalls über die Nockenscheibe 61, die dort jedoch als Nockenwelle 62 wirkt, angesteuert sind. Hierbei wird das jeweilige Verdichtereinlassventil 41 über einen Betätigungshebel 99 angesteuert.
Bezugszeichenliste

10: Axialkolbenmotor
15: Arbeitszylinderkopf
16: Gehäuse
17: Verdichterzylinderkopf
20: Brennkammer
25: Schussverbindung (exemplarisch beziffert)
26: Schusskanal (exemplarisch beziffert)
30: Arbeitszylinder (exemplarisch beziffert)
35: Arbeitskolben
36: Abgas
40: Verdichterzylinder
41: Verdichtereinlassventil
42: Verdichterauslassventil
45: Verdichterkolben
46: Brennmediumeinlass
47: Brennmediumauslass
48: Sammelrohr
50: Abtrieb
51: Pleuel
52: Kurvenscheibe
53: Abtriebswelle
55: Wärmetauscher
56: Brennmediumzuleitung
57: Pleuellager
60: Ventiltrieb
61: Nockenscheibe
62: Nockenwelle
65: Steuerbaugruppe
70: Ventil
71: Verschlussteil
72: Öffnungsrichtung
73: Begrenzungsanlage
74: Andruckanlage
75: Gegenteil
80: Tellerventil
81: Ventildeckel
82: Ventilschaft
83: Ventilsitz
84: Hülse
85: Nockenfolgerkugel
86: Steuerkugel
87: Andruckfeder
88: Steuerbaugruppenführung
89: Ventilführung
90: Magnet
91: Anker
92: Feder
93: Aluminiumträger
94: Anschlag
95: Kühlrippen
99: Betätigungshebel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1035310 A2 [0002, 0002]
WO 2011/00943 A2 [0002]
WO 2011/009453 A2 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors (10), bei welchem Kraftstoff und komprimiertes Brennmedium kontinuierlich zu Arbeitsmedium in einer Brennkammer (20) verbrannt und sukzessive Arbeitszylindern (30) zugeführt wird, in welchen Arbeitskolben (35) hin und her laufen, die wiederum einen Abtrieb (50) und Verdichterkolben (45) antreiben, welche in Verdichterzylindern (40) hin und her laufen, in denen das Brennmedium komprimiert wird, wobei das Brennmedium über Verdichtereinlassventile (41) angesaugt und das komprimierte Brennmedium über Verdichterauslassventile (42) von den Verdichterzylindern (40) der Brennkammer (20) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Verdichterauslassventile (42) zwangsgesteuert geschlossen und über einen sich in dem jeweiligen Verdichterzylinder (40) aufbauenden Verdichterdruck geöffnet wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließvorgang des wenigstens einen der Verdichterauslassventile (42), bevor der zugehörige Verdichterkolben (45) seinen oberen Totpunkt erreicht, eingeleitet wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließvorgang des wenigstens einen der Verdichterauslassventile (42) spätestens 5°, vorzugsweise spätestens 7°, bevor der zugehörige Verdichterkolben (45) seinen oberen Totpunkt erreicht, eingeleitet wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine der Verdichterauslassventile (42), wenn der zugehörige Verdichterkolben (45) seinen oberen Totpunkt erreicht, geschlossen ist.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine der Verdichterauslassventile (42) nach dem Einleiten des Schließvorgangs frei durch seine Eigenmasse geschlossen wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine der Verdichterauslassventile (42) vor dem Kompressionsvorgang freigegeben wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine der Verdichterauslassventile (42) mechanisch angetrieben wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine der Verdichterauslassventile (42) synchron zu einem (50) Abtrieb des Axialkolbenmotors (10) angetrieben wird.
Axialkolbenmotor (10) mit einer kontinuierlich komprimiertes Brennmedium und Kraftstoff zu Arbeitsmedium verbrennenden Brennkammer (20), mit Arbeitszylindern (30), welche mittels zyklisch öffen- und schließbarer Schussverbindungen (25) mit der Brennkammer (20) verbunden sind und in welchen Arbeitskolben (35) hin und her laufen, mit Verdichterzylindern (40), in welchen Verdichterkolben (45) hin- und her laufen, die von den Arbeitskolben (35) angetrieben sind, und mit wenigstens einer Brennmediumzuleitung (56), die von Verdichterauslassventilen (42) der Verdichterzylinder (40) zu der Brennkammer (20) führt, wobei wenigstens eines der Verdichterauslassventile (42) ein sich von dem Verdichterzylinder (40) weg öffnendes Verschlussteil (71) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mit einem Ventiltrieb (60) zusammenwirkende Verschlussteil (71) gegen eine Begrenzungsanlage (73) öffnet und dass der Ventiltrieb (60) in Öffnungsrichtung (72) freigebbar ist und/oder lediglich gegen die Öffnungsrichtung (72) auf das Verschlussteil (71) wirkt.
Axialkolbenmotor (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (60) mechanisch ausgebildet ist.
Axialkolbenmotor (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (60) eine Andruckanlage (74) aufweist, die auf das Verschlussteil (71) wirkt.
Axialkolbenmotor (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckanlage (74) bei geschlossenem Verdichterauslassventil (42) von dessen Verschlussteil (71) beabstandet ist.
Axialkolbenmotor (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckanlage (74) und die Begrenzungsanlage (73) an einer Steuerbaugruppe (65) befindlich und vorzugsweise einstückig zueinander ausgebildet sind.
Axialkolbenmotor (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbaugruppe (65) zwischen einer Belastungsposition und einer Entlastungsposition verlagerbar ist.
Axialkolbenmotor (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckanlage, die Begrenzungsanlage und/oder die Steuerbaugruppe gefedert sind.
Axialkolbenmotor (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das eine der Verdichterauslassventile (42) ein Tellerventil (80) ist, dessen Ventildeckel (81) das Verschlussteil (71) ist und auf dessen Ventilschaft (82) der Ventiltrieb (60) wirkt.
Axialkolbenmotor (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (60) eine Nockenscheibe (61) oder eine Nockenwelle (62), die mit einem Abtrieb (50) des Axialkolbenmotors (10) synchronisiert sind, aufweist.
Axialkolbenmotor (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (60) auch weitere Verdichterauslassventile (42) und/oder Verdichtereinlassventile (41) treibt.