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Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenmotor mit einer kontinuierlich arbeitenden Brennkammer, die eine Brennmediumzuleitung und eine von der Brennmediumzuleitung getrennte Kraftstoffzuleitung aufweist und in welcher Kraftstoff erst mit komprimierten Brennmedium in Kontakt gebracht wird, mit in Bezug auf die Brennkammer ortsfesten Arbeitszylindern und mit zwischen der Brennkammer und den Arbeitszylindern zyklisch öffen- und schließbaren Schussverbindungen. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors, bei welchem Arbeitsmedium aus einer kontinuierlich Arbeitsmedium bereitstellenden Brennkammer, welcher komprimiertes Brennmedium und Kraftstoff getrennt zugeführt und in welcher der Kraftstoff mittels des Brennmediums zu dem Arbeitsmedium verbrannt werden, zyklisch auf Arbeitszylinder über Schussverbindungen verteilt wird.
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Beispielsweise als Kolbenmotoren sind Motoren mit innerer kontinuierlicher Verbrennung aus der
US 972,404 bereits hinlänglich bekannt. Andererseits sind Axialkolbenmotoren beispielsweise in der
US 5,228,415 oder in der
DE 31 35 619 A1 beschrieben, wobei hier jedoch eine innere kontinuierliche Verbrennung bei diesem Motorentypus nicht beschrieben ist. Allerdings offenbaren die
US 3,893,295 , die
EP 1 035 310 A2 und die
WO 2011/009454 A2 Axialkolbenmotoren mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, wobei die Axialkolbenmotoren der letztere beiden Druckschriften jeweils eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer, wenigstens zwei Arbeitszylinder und wenigstens zwei von den Arbeitszylindern angetriebene Verdichterzylinder aufweisen, wobei Schussverbindungen zwischen der kontinuierlich arbeitenden Brennkammer und den Arbeitszylindern zyklisch schließ- und öffenbar sind und wobei zwischen den Verdichterzylindern und der Brennkammer eine Brennmediumzuleitung zur Zufuhr von verdichteten Brennmedium zu der kontinuierlich arbeitenden Brennkammer vorgesehen ist. Ebenso offenbaren letztere beiden Druckschriften ein Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors mit innerer kontinuierlicher Verbrennung, bei welchem verdichtetes Brennmedium gemeinsam mit Kraftstoff in einer kontinuierlich arbeitenden Brennkammer zu Arbeitsmedium verbrannt, das Arbeitsmedium zum Gewinnen mechanischer Energie zyklisch Arbeitszylindern zugeführt und die in den Arbeitszylindern gewonnene mechanische Energie auch für ein Verdichten des Brennmediums genutzt wird. Hierbei setzt die
EP 1 035 310 A2 zum zyklischen Öffnen und Schließen der Schussverbindungen auf Hülsen, welche jeweils um die Arbeitszylinder herum angeordnet sind und um diese drehen, wobei Öffnungen in diesen Hülsen dann zum Öffnen bzw. Schließen der Schussverbindungen genutzt werden. Entsprechend der
WO 2011/009454 A2 können statt dieser Hülsen auch Steuerkolben zur Anwendung kommen, welche entsprechend zyklisch die Schussverbindungen öffnen bzw. schließen. Darüber hinaus offenbart letztere Druckschrift, dass das Arbeitsmedium während der Expansion in dem Arbeitszylinder mit einem größeren Druckverhältnis als ein während der Verdichtung in dem Verdichtungszylinder vorliegendes Druckverhältnis expandiert werden soll. Darüber hinaus ist beiden Axialkolbenmotoren dieser beiden Druckschriften gemein, dass das verdichtete Brennmedium aus den Verdichterzylinder kommend zunächst in einer Art Sammelrohr gesammelt und dann hieraus das verdichtete Brennmedium über eine Brennmediumzuleitung, welche durch einen oder mehrere Wärmetauscher läuft, der kontinuierlich arbeitenden Brennkammer zugeführt wird.
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Entsprechend der
US 3,893,295 werden die Kolben und die Zylinder in einer Rotationsbewegung an Schusskanälen, die aus einer Brennkammer führen, vorbeigeführt, wobei die Kolben und Zylinder sowohl der Verdichtung als auch der Expansion dienen.
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Einen nicht gattungsgemäßen Axialkolbenmotor offenbart auch die
US 5,285,633 , welcher als Torpedoantrieb dient und somit nur relativ kurzzeitig funktionstüchtig sein muss.
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Einen rotierenden Brennkammerboden mit einer dort als Schusskanal bezeichneten Verteileröffnung offenbart die
EP 1 035 310 A2 , wobei jedoch die bereits vorstehend erläuterten Hülsen dazu dienen den Einlass in die Arbeitszylinder zu öffnen und zu verschließen, um die in dem Arbeitsmedium vorhandene Energie gut ausnutzen zu können.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Axialkolbenmotor sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors bereitzustellen, bei welchen auch bei hohen Motordrehzahlen ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine ausreichend hohe Leistung erzielt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch Axialkolbenmotoren bzw. durch Verfahren zum Betrieb von Axialkolbenmotoren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere, ggf. auch unabhängig hiervon, vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Hierbei geht die Erfindung von der Grunderkenntnis aus, dass auch bei hohen Motordrehzahlen ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine ausreichend hohe Leistung erzielt werden kann, wenn auch bei hohen Motordrehzahlen eine präzise Versorgung des jeweiligen Arbeitszylinders mit Arbeitsmedium gewährleistet werden kann.
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So kann einerseits bei einem Axialkolbenmotor mit einer kontinuierlich arbeitenden Brennkammer, die eine Brennmediumzuleitung und eine von der Brennmediumzuleitung getrennte Kraftstoffzuleitung aufweist und in welcher Kraftstoff erst mit komprimierten Brennmedium in Kontakt gebracht wird, mit in Bezug auf die Brennkammer ortsfesten Arbeitszylindern und mit zwischen der Brennkammer und den Arbeitszylindern zyklisch öffen- und schließbaren Schussverbindungen eine präzise Versorgung des jeweiligen Arbeitszylinders mit Arbeitsmedium und mithin ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine ausreichend hohe Leistung gewährleistet werden, wenn sich der Axialkolbenmotor durch einen die Schussverbindungen zyklisch öffnenden und schließenden rotierenden und als Drehschieber ausgebildeten Verteiler auszeichnet. Ebenso kann bei einem Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors, bei welchem Arbeitsmedium aus einer kontinuierlich Arbeitsmedium bereitstellenden Brennkammer, welcher komprimiertes Brennmedium und Kraftstoff getrennt zugeführt und in welcher der Kraftstoff mittels des Brennmediums zu dem Arbeitsmedium verbrannt werden, zyklisch auf Arbeitszylinder über Schussverbindungen verteilt wird, auch bei hohen Motordrehzahlen eine präzise Versorgung des jeweiligen Arbeitszylinders mit Arbeitsmedium gewährleistet und somit ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine ausreichend hohe Leistung erzielt werden, wenn die Verteilung des Arbeitsmediums über einen rotierenden und als Drehschieber ausgebildeten Verteiler erfolgt.
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Über einen rotierenden und als Drehschieber ausgebildeten Verteiler kann das jeweilige Arbeitsmedium präzise den zugehörigen Arbeitszylindern zugeordnet werden, indem jeweils Schussverbindungen zwischen der Brennkammer und den Arbeitszylindern durch den rotierenden Verteiler zyklisch geöffnet und geschlossen werden. Rotierende Verteiler haben diesbezüglich den Vorteil, dass sie auch bei hohen Drehzahlen entsprechend präzise arbeiten. Dieses gilt insbesondere beispielsweise in Abgrenzung zu den Steuerkolben, wie sie in der
WO 2011/009454 A2 offenbart sind, bei welchem entsprechend hohe Taktzeiten nur sehr schwierig realisierbar sind. Auch der bauliche Aufwand für die Hülsen, welche in der
EP 1 035 310 A2 offenbart sind und welche jedoch unter vertretbarem Kostenaufwand nicht vertretbare Standzeiten aufweisen, ist in der Praxis nicht umsetzbar, um einen Axialkolbenmotor mit hohen Wirkungsgrad bzw. mit ausreichend hoher Leistung auch bei hohen Motordrehzahlen bereitzustellen.
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Dadurch, dass der rotierende Verteiler als Drehschieber ausgebildet ist, was an sich baulich einfach zu realisieren ist, ist an sich auch bei hohen Drehzahlen eine sehr hohe Präzision in der Versorgung des jeweiligen Arbeitszylinders mit Arbeitsmedium gewährleistet. Insbesondere das Entweichen von Arbeitsmedium aus einer geschlossenen Schussverbindung aber auch ein etwaiger Rückfluss von Arbeitsmedium aus dem Arbeitszylinder durch die geschlossene Schussverbindung kann durch einen als Drehschieber ausgebildeten rotierenden Verteiler wirkungsvoll minimiert werden, was dementsprechend zu der vorgenannten Präzision beiträgt.
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Eine besonders kompakte Ausgestaltung kann gewährleistet werden, wenn der rotierende Verteiler einen Brennkammerboden der Brennkammer umfasst. Hierbei gewährleistet der entsprechend kompakte Aufbau auch etwaige Verluste auf ein Minimum zu reduzieren.
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Weist der Verteiler bzw. der Drehschieber wenigstens eine zylindrische Wandung bzw. eine senkrecht zu einer Rotationsachse des rotierenden Verteilers ausgerichtete ebene Wandung auf, kann eine präzise Positionierung des Verteilers bzw. des Drehschiebers in Bezug auf andere Baugruppen, mit denen er zusammenarbeitet, wie beispielsweise mit Schusskanälen, mit einem oder mehreren Schusskanalträgern, mit den Brennkammerwandungen oder mit etwaigen Dichtkörpern, einfach und präzise ausgerichtet werden, insbesondere wenn relativ hohe Temperaturunterschiede, wie sie beim Stillstand insbesondere in den Wintermonaten und unter Volllast auftreten können, zu bewältigen sind. Ein thermischer Verzug hat in Bezug auf zylindrische Wandungen bzw. in Bezug auf senkrecht zu einer Rotationsachse ausgerichteten ebenen Wandungen wesentlich weniger Einfluss, als wenn entsprechende Wandungen in einem Winkel vorliegen würden. Letzteres kann viel schneller zu Verkeilungen führen.
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Vorzugsweise weist der Verteiler bzw. der Drehschieber eine Verteileröffnung auf, durch welche Arbeitsmedium aus der kontinuierlich Arbeitsmedium bereitstellenden Brennkammer geführt werden kann. Dieses gewährleistet auf betriebssichere und einfache Weise, dass der Verteiler im Zusammenspiel mit in Bezug auf die Arbeitszylinder feststehende Schusskanälen schnell und betriebssicher jeweils Schussverbindungen bilden kann, indem die jeweilige Verteileröffnung mit den Schusskanälen in Deckung gebracht wird.
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Vorzugsweise ist die Verteileröffnung exzentrisch ausgebildet, sodass eine möglichst kurze Erstreckung der Verteileröffnung gewährleistet werden kann. Dieses gewährleistet einerseits möglichst wenig Verluste und andererseits möglichst wenig Baugruppen, die extrem thermisch belastet und mithin auch aufwendig gekühlt werden müssen.
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Auch kann die Verteileröffnung gebogen ausgebildet sein, um auf diese Weise insbesondere bei senkrecht zur Rotationsachse des rotierenden Verteilers ausgerichteten Schusskanälen eine möglichst kurze Verteileröffnung bereitzustellen, die jeweils zyklisch mit den Schusskanälen in Deckung gebracht werden kann.
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Vorzugsweise ist die zylindrische Wandung bzw. die senkrecht zu der Rotationsachse des rotierenden Verteilers ausgerichtete ebene Wandung den jeweiligen Schusskanälen bzw. Arbeitszylindern zugewandt, was die entsprechend vorstehend dargelegten Vorteile bedingt.
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So kann wenigstens eine der Wandungen des Verteilers von der Verteileröffnung durchbrochen sein, sodass diese Wandung senkrecht zur Verteileröffnung die Verteileröffnung umgibt. Dieses bedingt einerseits einen sehr guten Sitz, der die Verteileröffnung bildenden Baugruppe in dem Verteiler bzw. in der Wandung. Darüber hinaus kann die entsprechende Wandung dann der Wechselwirkung mit anderen Baugruppen, wie beispielsweise der Wechselwirkung mit den ortsfesten Schusskanälen, mit zugehörigen Dichtkörpern oder auch mit Kühlräumen des Verteilers, dienen. Dementsprechend handelt es sich bei dieser Wandung vorzugsweise um eine eine Dichtfläche einer Dichtung bildende oder einen Dichtkörper tragende Wandung.
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Vorzugsweise ist der rotierende Verteiler in einem Druckraum angeordnet, der beispielsweise mit Brennkammerdruck oder aber auch mit einem Verdichterdruck aus einem Verdichter beladen sein, mit welchem Brennmittel, wie beispielsweise Luft, welches der Brennkammer zugeführt wird, für die Verbrennung mit Kraftstoff verdichtet wird. Dieses ermöglicht es, dass etwaige Leckströme, die insbesondere im Bereich des rotierenden Verteilers auftreten können, keine großen Druckgefälle finden, sodass deren Einfluss minimiert bzw. die Präzision der Versorgung der Arbeitszylinder optimiert werden kann.
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Auch lässt sich bei hohen Motordrehzahlen eine präzise Versorgung des jeweiligen Arbeitszylinders mit Arbeitsmedium gewährleisten und mithin ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine ausreichend hohe Leistung erzielen, wenn sich ein Verfahren zum Betrieb eines Axialkolbenmotors, bei welchem Arbeitsmedium aus einer kontinuierlich Arbeitsmedium bereitstellenden Brennkammer, welcher komprimiertes Brennmedium und Kraftstoff getrennt zugeführt und in welcher der Kraftstoff mittels des Brennmediums zu dem Arbeitsmedium verbrannt werden, zyklisch auf Arbeitszylinder über Schussverbindungen verteilt wird, dadurch auszeichnet, dass die Schussverbindungen nach außen jeweils abgedichtet werden. Dementsprechend lässt sich bei einem Axialkolbenmotor mit einer kontinuierlich arbeitenden Brennkammer, die eine Brennmediumzuleitung und eine von der Brennmediumzuleitung getrennte Kraftstoffzuleitung aufweist und in welcher Kraftstoff erst mit komprimierten Brennmedium in Kontakt gebracht wird, mit in Bezug auf die Brennkammer ortsfesten Arbeitszylindern und mit zwischen der Brennkammer und den Arbeitszylindern zyklisch öffen- und schließbaren Schussverbindungen auch bei hohen Motordrehzahlen eine präzise Versorgung des jeweiligen Arbeitszylinders mit Arbeitsmedium gewährleisten und mithin ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine ausreichend hohe Leistung erzielen, wenn sich der Axialkolbenmotor dadurch auszeichnet, dass die jeweiligen Schussverbindungen nach außen jeweils abgedichtet sind.
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So kann zwischen einem rotierenden Verteiler und einem in Bezug auf die Arbeitszylinder ortsfesten Schusskanalträger eine Dichtung angeordnet sein, die für eine entsprechende Abdichtung der Schussverbindung, die aus dem jeweiligen Schusskanal und der mit dem Schusskanal in Deckung befindlichen Verteileröffnung des rotierenden Verteilers gebildet ist, sorgt.
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Insbesondere kann die jeweilige Schussverbindung gegen einen Druckraumdruck abgedichtet werden, der beispielsweise dem Brennkammerdruck oder auch einen Verdichterdruck entspricht. Dieses bedeutet, dass die Dichtung nur einem äußerst geringen Druckgefälle wiederstehen muss, wenn eine entsprechende Schussverbindung besteht.
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Vorzugsweise umfasst die Dichtung einen Dichtring und umgibt einen Schusskanal oder die Verteileröffnung des rotierenden Verteilers.
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Insbesondere kann die Dichtung einen Dichtkörper aus Bronze, aus Keramik, aus Graphit oder Kohle umfassen, was einen thermisch besonders stabilen und auch den mechanischen Belastungen gewachsenen Dichtkörper bereitstellt.
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Die Dichtung kann kumulativ bzw. alternativ hierzu einen Dichtungskörper umfassen, der gegen eine Dichtungsfläche gedrückt wird, wobei die Dichtungsfläche beispielsweise an dem Verteiler angeordnet und durch eine seiner Wandungen gebildet sein kann. Ebenso kann die Dichtungsfläche an einem Schusskanalträger oder an einer ähnlichen in Bezug auf die Arbeitszylinder ortsfesten Baugruppe angeordnet sein, insbesondere wenn der eigentliche Dichtungskörper dann an dem rotierenden Verteiler oder an einer mit dieser mitrotierenden Baugruppe vorgesehen ist.
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So ist es denkbar, dass ein bei geöffneter Schussverbindung einen Teil der Schussverbindung bildender Schusskanal, wenn die Schussverbindung geschlossen ist, mittels des rotierenden Verteilers oder mittels einer mit dem rotierenden Verteiler rotierenden Baugruppe abgedichtet wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass, wenn die Schussverbindung geschlossen ist, der Schusskanal ebenfalls geschlossen bzw. abgedichtet ist und das Arbeitsmedium in dem Arbeitszylinder seine Arbeit verrichtet und nicht durch den Schusskanal entweichen kann. In diesem Falle müsste die Dichtung, wenn der Verteiler in einem Druckraum angeordnet ist, lediglich gegen den Druckraumdruck abdichten, wenn kein Arbeitsmedium durch den Schusskanal strömt, also wenn nur eine geringe thermische Belastung vorliegt.
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Vorzugsweise ist der Dichtungskörper mittels einer Feder und/oder mittels Brennkammerdruck gegen die Dichtungsfläche gedrückt. Hierbei hat die Feder den Vorteil, dass sie auch im Stillstand des Motors eine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet, während ein Aufbringen der Andrückkräfte, mit denen der Dichtungskörper gegen die Dichtungsfläche gedrückt wird, durch den Brennkammerdruck oder auch durch Verdichterdruck den Vorteil hat, dass bei variierendem Brennkammerdruck bzw. Verdichterdruck gerade so viel Anpressdruck vorliegt, wie unbedingt nötig ist, um auf diese Weise etwaige Verluste zu minimieren. Besonders vorteilhaft werden mithin beide Effekte kombiniert, sodass die Feder lediglich dem Aufbringen einer Grundlast, insbesondere bei Startvorgängen, dient, während ansonsten für das Andrücken ein Druckraumdruck bzw. der Brennkammerdruck oder der Verdichterdruck hierzu benutzt werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Dichtung trocken, sodass ein Eintrag von Dichtmittel oder anderen Fremdstoffen auf ein Minimum reduziert werden kann, was letztlich einem möglichst schadstoffarmen Abgas dient. Hierbei hilft auch der rotierende Verteiler, da aufgrund der Rotationsbewegung ein Transport von Schmiermitteln und ähnlichen Fremdstoffen in Richtung auf die Dichtung auf ein Minimum und gesenkt werden kann, was insbesondere im Vergleich zu Schubkolben oder ähnlichen, die Schusskanäle öffnenden bzw. schließenden Einrichtungen gilt.
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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.
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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:
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1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors;
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2 ein Querschnitt durch den rotierenden Verteiler, die Schusskanäle und die Arbeitszylinder der Anordnung nach 1;
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3 eine Detailansicht eines Brennkammerbodens, eines rotierenden Verteilers, eines Schusskanalkörpers und zweier Arbeitszylinder eines zweiten erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors in einem Schnitt ähnlich der 1;
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3a eine Ausschnittvergrößerung einer Abwandlung der Anordnung nach 3 in ähnlicher Darstellung wie 3;
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3b einen Schnitt durch einen der Dichtungsring und die Zugehörige Ringfeder der Abwandlung nach 3a;
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4 eine Detailansicht eines Brennkammerbodens, eines rotierenden Verteilers, eines Schusskanalkörpers und eines Arbeitszylinders eines dritten erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors in einem Schnitt ähnlich der 1; und
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5 eine Detailansicht eines Brennkammerbodens, eines rotierenden Verteilers, eines Schusskanalkörpers und eines Arbeitszylinders eines vierten erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors in einem Schnitt ähnlich der 1.
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Die in den Figuren dargestellten Axialkolbenmotoren 10 weisen jeweils eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer 20 auf, von welcher ausgehend über Schussverbindungen 25 jeweils Arbeitsmedium zyklisch auf Arbeitszylinder 30 verteilt wird.
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In den Arbeitszylindern 30 laufen Arbeitskolben 35 hin und her, welche über Pleuel 50 einerseits einen Abtrieb 60 und andererseits in Verdichterzylindern 40 hin- und herlaufende Verdichterkolben 45 antreiben und so die Energie des Arbeitsmediums in mechanische Energie umwandeln.
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Der Abtrieb 60 seinerseits umfasst eine Abtriebswelle 61, auf welcher eine Kurvenscheibe 62 angeordnet ist, welche mit dem Pleuel 50 in an sich bekannter Weise wechselwirkt.
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Die Verdichterzylinder 40 saugen aus einem Brennmediumeinlass 75 jeweils Brennmittel an und verdichten dieses in ein Sammelrohr 79. Von dem Sammelrohr 79 ausgehend wird das komprimierte Brennmedium über Brennmediumzuleitungen 21, welche jeweils durch Wärmetauscher 55 laufen, der Brennkammer 20 zugeführt.
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Während bei vorliegendem Ausführungsbeispielen zwei Wärmetauscher 55 und entsprechend zwei Brennmediumzuleitungen 21 vorgesehen sind, können ggf. auch mehrere oder weniger derartiger Anordnungen vorliegen. Auch versteht es sich, dass es an sich keine Rolle spielt, über wie viele Brennmediumzuleitungseingänge die Brennkammer verfügt, solange ausreichend Brennmedium zur Verfügung steht. Ebenso ist es denkbar, dass
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In der Brennkammer 20 wird das komprimierte Brennmedium gemeinsam mit Kraftstoff kontinuierlich zu Arbeitsmedium verbrannt, wobei das Brennmedium über die Brennmediumzuleitung 21 und der Kraftstoff über eine von der Brennmediumzuleitung 21 getrennte Kraftstoffzuleitung 19 der Brennkammer 20 zugeführt werden. Der Kraftstoff kommt hierbei erst in der Brennkammer 20 mit dem komprimierten Brennmedium in Kontakt, was insbesondere hinsichtlich des Entstehens etwaiger Schadstoffe von Vorteil ist.
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Die Axialkolbenmotoren 10 weisen in an sich bekannter Weise ein Gehäuse auf, welches bei vorliegenden Ausführungsbeispielen zumindest einen Zylinderkopf 15 umfasst, die Arbeitszylinder 30 und Verdichterzylinder 40 trägt oder bildet und auch für die Verdichterzylinder 40 einen Zylinderdeckel (nicht beziffert) bereitstellt.
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Wie insbesondere in 3 exemplarisch dargestellt, ist die Abtriebswelle 61 über ein Wellenlager 63 in einem Trägerkörper 16 an ihrem der Brennkammer 20 zugewandten Ende gelagert, wobei der Trägerkörper 16 seinerseits an den Arbeitszylindern 30 angeordnet und mithin als Teil des Gehäuses ausgebildet ist.
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Den Trägerkörper 16 durchstößt ein axialer Fortsatz eines rotierenden Verteilers 27, der über Splineverbindung (nicht beziffert) mit der Abtriebswelle 61 drehverbunden ist, sodass der rotierende Verteiler 27 in seiner Rotationsbewegung mit der Abtriebswelle 61 synchronisiert ist. Es versteht sich, dass bei ausweichenden Ausführungsformen ggf. der Drehwinkel zwischen rotierenden Verteiler 27 und Abtriebswelle 61 veränderbar ausgebildet sein kann, um ggf. geänderten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Situationen unter Volllast oder Leerlauf, durch veränderte Steuerzeiten Rechnung tragen zu können.
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Der rotierende Verteiler 27 ist seinerseits über ein nicht beziffertes Gleitlager in einem Schusskanalträger 91 gelagert, welcher seinerseits an dem Zylinderkopf 15 und an den Arbeitszylindern 30 angeordnet ist und mithin auch einen Teil des Gehäuses bildet.
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Der rotierende Verteiler 27 trägt einen Brennkammerboden 28 der Brennkammer 20, welche im Übrigen in an sich bekannter Weise eine Brennkammerwand 22 mit einer Brennkammerkühlung 23 aufweist, die seinerseits in einem Brennkammerträger 24 angeordnet ist, der ebenso einen Teil des Gehäuses bildet.
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Während mithin die Brennkammerwand 22 der Brennkammer 20 feststeht, rotiert der Brennkammerboden 28 der Brennkammer 20 gemeinsam mit dem rotierenden Verteiler 27.
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Bei den in 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen weist der rotierende Verteiler 27 jeweils eine Verteileröffnung 29 auf, welche exzentrisch angeordnet ist und sich einerseits zur Brennkammer 20 hin und andererseits zu dem Schusskanalträger 91 hin öffnet. Letzteres gilt auch für die Verteileröffnungen 29 des Ausführungsbeispiels nach 1 und 2, wobei hier jedoch zwei Verteileröffnungen 29 in dem rotierenden Verteiler 27 vorgesehen sind.
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In dem Schusskanalträger 91 sind Schusskanäle 26 vorgesehen, welche ihrerseits zum einen zu dem rotierenden Verteiler 27 und zum anderen zu den Arbeitszylindern 30 offen sind. Wird die Verteileröffnung 29 des rotierenden Verteilers 27 an den Schusskanälen 26 vorbeigeführt, so öffnen sich jeweils Schussverbindungen 25, durch welche Arbeitsmedium von der Brennkammer 20 zu den Arbeitszylindern 30 gelangen kann.
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In dem Trägerkörper 16 ist eine Wasserkühlungszufuhr 81 vorgesehen, über welche ein Zufuhrrohr 82 des rotierenden Verteilers 27 mit Kühlwasser beaufschlagt ist. Das Kühlwasser dient zunächst der Kühlung des rotierenden Verteilers 27 insbesondere mit seinem Brennkammerboden 28 und der Verteileröffnung 29 und wird über ein Abführrohr 83, nachdem es eine Verteilerkühlung 84 des Verteilers durchlaufen hat, in einen nicht bezifferten Raum zwischen dem Trägerkörper 16 und dem Schusskanalträger 91 abgeführt, von wo es in eine Trägerkühlung 85 des Schusskanalträgers 91 gelangt. Im weiteren Verlauf kann das Kühlwasser danach oder parallel hierzu auch der Brennkammerkühlung dienen.
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Sowohl der rotierende Verteiler 27 als auch die Abtriebswelle 61 rotieren um eine Rotationsachse 87.
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Die in den 1, 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen einen rotierenden Verteiler 27 auf, der seinerseits eine zylindrische Wandung 89 aufweist, welche von der Verteileröffnung 29 durchbrochen ist. Während das Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 zwei gradlinige Verteileröffnungen 29 aufweist, die sich in eine zylindrische Brennkammerwandung öffnen, ist die Verteileröffnung 29 des Ausführungsbeispiels nach 4 ausgehend von einem ebenen und senkrecht zur Rotationsachse 87 ausgerichteten Brennkammerboden 28 gebogen und allseitig von Kühlwasser der Verteilerkühlung 84 umspült. Es versteht sich, dass bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 ggf. auch lediglich eine Verteileröffnung 29 vorgesehen sein kann, während im Übrigen bei sämtlichen Ausführungsbeispielen auch mehr Verteileröffnungen vorgesehen sein können, was dann inder Regel auch eine höhere Frequenz der Kolbenbewegungen bedingt.
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Abweichend von den in den 1, 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen weist der rotierende Verteiler 27 des Ausführungsbeispiels nach 5 eine konische Wandung auf, welche von der Verteileröffnung 29 zu den Schusskanalträger 91 hin durchbrochen ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 reicht die Verteileröffnung 29 von dem ebenen und senkrecht zur Rotationsachse 87 ausgerichteten Brennkammerboden 28 zu einer senkrecht zur Rotationsachse 87 ausgerichteten Wandung 88, welche dem Schusskanalträger 91 gegenüberliegt.
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Alle Ausführungsbeispiele weisen Federn 92 auf, welche Dichtringe 94 aus Bronze, aus Keramik, aus Graphit oder Kohle, die ihrerseits jeweils an dem Schusskanalträger 91 vorgesehen sind, gegen die jeweilige Wandung des rotierenden Verteilers 27 drücken. Dieses geschieht bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 über eine einzige, zentral angeordnete Feder, während dieses bei den Ausführungsbeispielen nach 4 und 5 über jeweils in Hülsen 93 gelagerte Federn 92 geschieht, wobei diese Hülsen aus thermoresistentem Material gebildet sind und insbesondere auch dazu dienen, den Schusskanalträger 91 von zu großer thermischer Belastung zu entlasten. Hierbei können diese Hülsen, je nach konkreter Ausführungsform, aus geeigneten Metallen, wie insbesondere aus geeigneten Stählen, oder auch aus Keramik gebildet sein.
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Der Fortsatz des rotierenden Verteilers 27 ist darüber hinaus über eine Hochdruckdichtung (nicht beziffert) abgedichtet, sodass im Inneren des Schusskanalträgers 91 bis zu der Brennkammer 20 ein Druckraum 95 gebildet ist, in welchem der rotierende Verteiler 27 umläuft.
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Auf diese Weise drückt der Brennkammerdruck in der Brennkammer 20 von allen Seiten auf den rotierenden Verteiler 27 mit Ausnahme des Fortsatzes, welcher die nicht bezifferte Hochdruckdichtung durchstößt und bis zu der Splineverbindung mit der Abtriebswelle 61 reicht. Dieses bedingt, dass der rotierende Verteiler 27 mit einem der Querschnittsfläche des Fortsatzes des rotierenden Verteilers 27 entsprechenden Druck in Richtung der Abtriebswelle 61 beaufschlagt ist.
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Der vorgenannte Effekt wird insbesondere bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 dazu genutzt, den rotierenden Verteiler 27 gegen die Dichtringe 94, welche in dem Schusskanalträger 91 angeordnet sind, zu pressen, wobei hierzu noch ergänzend die Feder 92 genutzt wird, welche eine Grundlast bereitstellt. Um hierbei einen entsprechenden Spielraum zu gewährleisten, ist die Splineverbindung zwischen dem rotierenden Verteiler 27 und der Abtriebswelle 61 parallel zur Rotationsachse 87 lose ausgebildet.
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Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 wird dementsprechend der Brennkammerdruck in der Brennkammer 20 genutzt, wobei die schräge Wandung des rotierenden Verteilers 27 etwaige Toleranzen, welche insbesondere auch auf Grund der sehr hohen Temperaturunterschiede, denen der rotierende Verteiler 27 begegnen muss, zu einem größeren mechanischen Aufwand führt. Beispielsweise weist hierzu die Verteileröffnung 29 eine nicht extra bezifferte Dehnungssicke auf.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 kann der Anpresseffekt über den Brennkammerdruck nicht unmittelbar derartig genutzt werden, allerdings ist der Raum, in welchem die Federn 92 angeordnet sind, mit dem Druckraum 95 verbunden, sodass hierdurch die Dichtringe 94 gegen die zylindrische Wandung des rotierenden Verteilers 27 gepresst werden.
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Es versteht sich, dass in abweichenden Ausführungsformen den Dichtringen 94 entsprechende Dichtkörper auch an dem rotierenden Verteiler 27 vorgesehen sein können, was dann ggf. komplementäre Maßnahmen auf Seiten des Schusskanalträgers 91 bedingt, um diesbezüglich passende Dichtflächen bereitzustellen.
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Die in den 3a und 3b dargestellte Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 3 trägt dem Umstand Rechnung, dass sich die ebene Wandung 88 des rotierenden Verteilers 27 unter den erheblichen thermischen Schwankungen und Spannungen verzieht und ermöglicht es den Dichtringen 94 einem Verzug zu folgen. Hierzu sind die Dichtringe 94 dieser Abwandlung ähnlich den Dichtungsringen der Ausführungsbeispiele nach 4 und 5 gegen die Wandung 88 des rotierenden Verteilers 27 gedrückt, wobei hierzu eine Dichtringnut 96, in welcher der jeweilige Dichtring 94 angeordnet ist, etwas größer angeordnet, so dass der Dichtring 94 zu den seitlichen Wandungen der Dichtringnut 96 ein Spiel aufweist, so dass thermisch bedingte Ausdehnungen oder Schrumpfungen den jeweiligen Dichtring 94 nicht beeinträchtigen können. Damit der Dichtring 94 etwaigen Unebenheiten der ebenen Wandung 88 des rotierenden Verteilers 27 folgen kann, wird dieser durch eine Wellfeder, welche sich am Nutgrund der Dichtringnut 96 abstützt gegen die ebene Wandung 88 gedrückt. Um die Dichtringnut 96 abzudichten, sind zwischen der Wellfeder 99 und dem Dichtring 94 noch zwei Dichtungsringe 97 vorgesehen, die ähnlich an sich bekannter Kolbenringe aufgebaut sind und über Ringfedern 98 gegen die innere Wandung der Dichtringnut 96 gepresst werden. Die jeweiligen Spalten der Dichtungsringe 97 sind versetzt angeordnet, so dass durch die Anpresskräfte der Wellfeder 99 und der Dichtungsringe 97 die Dichtungsnut 96 gegen den Schusskanal 26 bzw. die Schussverbindung 25 abgedichtet wird. Der Druck des Druckraums 95 verstärkt die Dichtwirkung hierbei noch, da dieser Druck einerseits hinter die Dichtungsringe 97 und den Dichtring 94 gelangen kann und diese in Richtung der ebenen Wandung 88 presst und andererseits die Wirkung der Ringfedern 98 verstärkt, indem er von außen auf die Dichtungsringe 97 lastet, wobei letztere für eine Verstärkung dieser Wirkung an ihrer der inneren Wandung der Dichtringnut 96 zugewandten Seite angefast sind.
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Wie unmittelbar ersichtlich sind durch die Dichtringe 94 und durch die Wandungen 88, 89 des rotierenden Verteilers 27 die Schussverbindungen 25 jeweils nach außen zu dem Druckraum 95 hin abgedichtet, wobei die jeweilige Dichtung bei geöffneter Schussverbindung verhältnismäßig wenig belastet ist, da die Abdichtung zu dem Druckraum 95 erfolgt, welcher seinerseits wiederum von der Brennkammer 20 mit Druck versorgt ist. Es versteht sich, dass in abweichenden Ausführungsformen der Druckraum 95 ggf. auch unmittelbar mit Verdichterdruck beaufschlagt werden könnte. Hierzu ist lediglich eine entsprechende Zuleitung zu dem Druckraum 95 von den Verdichterzylindern 40 bzw. von dem Sammelrohr 79 notwendig.
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Darüber hinaus dichten die Dichtringe 94 gemeinsam mit den als Dichtfläche wirkenden Wandungen 88, 89 des rotierenden Verteilers 27 die Schusskanäle 26 gegen den Druckraum 95 und mithin gegen die Brennkammer 20 ab, wenn die Schussverbindungen 25 geschlossen bzw. nicht geöffnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Axialkolbenmotor
- 15
- Zylinderkopf
- 16
- Trägerkörper
- 19
- Kraftstoffzuleitung
- 20
- Brennkammer
- 21
- Brennmediumzuleitung
- 22
- Brennkammerwand
- 23
- Brennkammerkühlung
- 24
- Brennkammerträger
- 25
- Schussverbindung
- 26
- Schusskanal
- 27
- rotierender Verteiler
- 28
- Brennkammerboden
- 29
- Verteileröffnung
- 30
- Arbeitszylinder
- 35
- Arbeitskolben
- 40
- Verdichterzylinder
- 45
- Verdichterkolben
- 50
- Pleuel
- 55
- Wärmetauscher
- 60
- Abtrieb
- 61
- Abtriebswelle
- 62
- Kurvenscheibe
- 63
- Wellenlager
- 75
- Brennmediumeinlass
- 79
- Sammelrohr
- 81
- Wasserkühlungszufuhr
- 82
- Zufuhrrohr
- 83
- Abführrohr
- 84
- Verteilerkühlung
- 85
- Trägerkühlung
- 87
- Rotationsachse
- 88
- ebene Wandung
- 89
- zylindrische Wandung
- 91
- Schußkanalträger
- 92
- Feder
- 93
- Hülse
- 94
- Dichtring
- 95
- Druckraum
- 96
- Dichtringnut
- 97
- Dichtungsring
- 98
- Ringfeder
- 99
- Wellfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 972404 [0002]
- US 5228415 [0002]
- DE 3135619 A1 [0002]
- US 3893295 [0002, 0003]
- EP 1035310 A2 [0002, 0002, 0005, 0010]
- WO 2011/009454 A2 [0002, 0002, 0010]
- US 5285633 [0004]
