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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Axialkolbenmaschine mit zumindest einem solchen Kolben sowie ein Wärmerückgewinnungssystem in einem Kraftfahrzeug mit zumindest einer solchen Axialkolbenmaschine.
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Bei Axialkolbenmaschinen in Wärmerückgewinnungssystemen in Kraftfahrzeugen ist der Wirkungsgrad ein besonders großes Thema. Insbesondere soll für einen hohen Wirkungsgrad das Arbeitsmedium möglichst heiß expandieren. Üblicherweise sind dabei die Kolben von Axialkolbenmaschinen aus Metall ausgebildet und damit aus einem Werkstoff, der eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Mit dieser hohen Wärmeleitfähigkeit erfolgt jedoch auch ein unerwünschter Wärmetransport vom Zylinder der Axialkolbenmaschine über den Kolben in einen darunter angeordneten Taumelscheibenraum.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen höheren Wirkungsgrad einer mit solchen Kolben ausgestatteten Axialkolbenmaschinen auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kolben einer Axialkolbenmaschine wärmeisolierend auszubilden und dadurch einen unerwünschten Wärmeabfluss von einem Expansionsraum, das heißt einem Zylinder der Axialkolbenmaschine, über den Kolben in einen Taumelscheibenraum soweit als möglich zu reduzieren. Erfindungsgemäß ist deshalb der Kolben als gebauter Hohlkolben ausgebildet und weist einen wärmeisolierenden Hohlraum auf, in dem zur Verbesserung der wärmeisolierenden Eigenschaft ein Unterdruck herrscht und/oder ein wärmeisolierendes Material angeordnet ist. Mittels des erfindungsgemäßen Kolbens, der einen Hohlraum mit Unterdruck und/oder wärmeisolierendem Material aufweist, kann eine besonders effektive Wärmeisolierung zwischen dem Expansionsbereich (Zylinder) und dem Taumelscheibenraum, in welchem das Arbeitsmedium expandiert, geschaffen werden. Besonders die Ausführungsform mit Unterdruck bietet eine nicht nur kostengünstige, sondern auch bezüglich einer Wärmeisolierung hoch effektive Ausführungsform.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung liegt in dem Hohlraum des Kolbens ein Vakuum an. Ein derartiges Vakuum stellt ein hoch effizientes Vakuumwärmedämmsystem zur Verfügung, bei dem der durch die Gasmoleküle der luftbedingte Wärmetransport zumindest reduziert ist. Durch das Herstellen eines Vakuums in dem Hohlraum kann insbesondere ein Wärmetransport über Konvektion, das heißt über einen Teilchenstrom, nahezu vollständig ausgeschlossen werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Hohlraum zumindest teilweise mit einem wärmeisolierenden Gas, bspw. CO2 befüllt. CO2 bietet dabei im Vergleich zu Luft eine deutlich reduzierte Wärmeleitfähigkeit, wodurch auch hiermit eine deutliche Reduzierung des an sich unerwünschten Wärmetransports vom Expansionsraum im Zylinder der Axialkolbenmaschine in einen Taumelscheibenraum erreicht werden kann. Zweckmäßig ist der Hohlraum zumindest teilweise mit einem wärmeisolierenden Material befüllt, bspw. mit Kieselkur, Kunststoffschaum, Metallschaum oder einem porösen Werkstoff. Durch die Verwendung mikroporöser Füllmaterialien kann eine freie Weglänge der Gasmoleküle in dem diese umschließenden Festkörper stark reduziert werden, wodurch sich die freie Molekularströmung und damit auch indirekt ein Konvektionswärmestrom reduzieren lassen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das wärmeisolierende Material als Stützkern für den Kolben ausgebildet. Neben der wärmeisolierenden Wirkung des im Hohlraum des Kolbens angeordneten wärmeisolierenden Materials, kann diesem zusätzlich auch eine Stützfunktion zugedacht werden, wodurch es möglich ist, den Kolben an sich dünner, insbesondere mit einer dünneren Wandstärke, und dadurch kostengünstiger und leichter auszubilden, wodurch sich insbesondere die Herstellungskosten der Axialkolbenmaschine reduzieren lassen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Axialkolbenmaschine mit zumindest einem zuvor beschriebenen Kolben auszustatten, wobei eine derartige Axialkolbenmaschine bspw. Bestandteil eines Wärmerückgewinnungssystems in einem Kraftfahrzeug sein kann. Durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine mit wärmeisolierten Kolben, kann insbesondere der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine erhöht und dadurch der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs gesenkt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine Axialkolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform des Kolbens.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer im Übrigen lediglich stark schematisiert dargestellten Axialkolbenmaschine 2 einen wärmeisolierenden Hohlraum 3 auf, in dem ein Unterdruck herrscht und/oder ein wärmeisolierendes Material 4 angeordnet ist. Der Kolben 1 ist dabei gemäß den 1 und 2 translatorisch nach oben und unten verstellbar und an seinem unteren Ende über einen Gleitstein 5 mit einer Taumelscheibe 6 antriebsverbunden. Die Taumelscheibe 6 dreht dabei um eine Drehachse 15 der Axialkolbenmaschine 2. Die translatorische Bewegung des Kolbens 1 ist dabei durch einen Zylinder 7 der Axialkolbenmaschine 2 vorgegeben, in welchem der Kolben 1 geführt ist.
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Um dabei einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine 2 erzielen zu können, ist es wichtig, einen unerwünschten Wärmeabfluss zwischen einem Expansionsraum 8 und einem Taumelscheibenraum 9 so klein wie möglich zu halten. Aus diesem Grund ist der erfindungsgemäße Kolben 1 als gebauter Kolben 1 ausgebildet und weist den zuvor beschriebenen Hohlraum 3 auf, in welchem ein Unterdruck herrscht und/oder ein wärmeisolierendes Material 4 angeordnet ist, durch welches der Wärmeabfluss vom Expansionsraum 8 in den Taumelscheibenraum 9 zumindest erschwert wird.
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Betrachtet man die Kolben 1 gemäß den 1 und 2, so kann man erkennen, dass diese aus einem topfförmigen Kolbenkörper 10 und einen den Gleitstein 5 aufnehmenden Kolbenkopf 11 zusammengebaut sind. Der Kolbenkopf 11 besitzt dabei eine radial zurückspringende Stufe 12, in welcher der Kolbenkörper 10 mit seinem freien Rand 13 eingreift und dort dicht mit dem Kolbenkopf 11 verbunden ist.
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Durch das Vorsehen eines Unterdrucks, insbesondere eines Vakuums, und/oder eines wärmeisolierenden Materials 4 in dem Hohlraum 3 des Kolbens 1 kann der Wärmeabfluss vom Expansionsraum 8 hin zum darunter angeordneten Taumelscheibenraum 9 deutlich reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine 1 gesteigert werden kann. Selbstverständlich ist anstelle eines Vakuums auch das Einfüllen eines schlecht wärmeleitenden Gases, wie bspw. Kohlendioxid, in den Hohlraum 3 denkbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Hohlraum 3 zumindest teilweise mit dem wärmeisolierenden Material 4 befüllt, wobei dieses wärmeisolierende Material 4, bspw. Kieselgur, Kunststoffschaum, Metallschaum oder ein poröser, insbesondere ein mikroporöser, Werkstoff sein kann. Die Anordnung eines wärmeisolierenden Materials 4 in dem Hohlraum 3 bietet darüber hinaus den Vorteil, dass dieses bspw. als Stützkern 14 für den Kolben 1 dienen kann und dadurch mithilft, diesen auszusteifen. In diesem Fall ist es somit denkbar, eine Wandung des Kolbenkörpers 10 dünner und damit den gesamten Kolben 1 leichter auszubilden, wodurch beim Betrieb der Axialkolbenmaschine 2 weniger Masse hin- und her bewegt werden muss und dadurch ebenfalls ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Rein theoretisch ist ebenfalls denkbar, dass in dem Hohlraum 3 zumindest eine Trennwand 16 angeordnet ist, welche den Hohlraum 3 in zumindest zwei voneinander getrennte Kammern 17, 17‘ trennt und dadurch ebenfalls einen Konvektionswärmestrom vom Expansionsraum 8 hin zum Taumelscheibenraum 9 zumindest erschwert. Eine derartige Trennwand 16 kann ebenfalls eine Stützfunktion für den Kolben 1 darstellen, wodurch dieser mit dünnerer Wandstärke und damit leichter ausgebildet werden kann.
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Generell kann mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 – wie zuvor beschrieben – der Wärmetransport vom Expansionsraum 8 hin zum Taumelscheibenraum 9 der Axialkolbenmaschine 2 reduziert werden, wodurch erreicht werden kann, dass das Arbeitsmedium, bspw. Dampf, im Expansionsraum 8 heiß expandieren kann und dadurch ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird. Mit einer derartigen hinsichtlich ihres Wirkungsgrads verbesserten Axialkolbenmaschine 2 kann auch ein Wärmerückgewinnungssystem 18 hinsichtlich seines Wirkungsgrades verbessert werden, wobei ein derartiges Wärmerückgewinnungssystem 18 bspw. in einem Kraftfahrzeug 19 angeordnet sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011118622 A1 [0002]
