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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Axialkolbenmaschine mit einer Kolbenmantelfläche und einem Kolbenboden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Axialkolbenmaschine mit ringförmig angeordneten Zylindern, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3. Die Erfindung betrifft außerdem noch ein Wärmerückgewinnungssystem mit einer derartigen Axialkolbenmaschine.
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Aus der
DE 10 2010 036 917 A1 sind ein gattungsgemäßer Kolben sowie eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine mit ringförmig angeordneten Zylindern bekannt, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jedem dieser Zylinder ist dabei eine Einlassöffnung zugeordnet. Ein Befüllen der einzelnen Zylinder mit Arbeitsmedium erfolgt dabei über eine drehfest mit der Welle verbundene Steuerscheibe, die eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung aufweist, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe jede Einlassöffnung einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium über den Zylinderkopf axial über einen Kanal in den zugehörigen Zylinder leitet. Der Medienaustritt wird über ein zweites zentral zwischen den Zylindern angeordnetes Steuerorgan, eine Walze auf der Welle, gewährleistet. Dieses stellt über einen Kanal zwischen einer Wellenbohrung und einer radial im Zylinder angeordneten Auslassöffnung eine Verbindung zum Niederdruckbereich der Axialkolbenmaschine her.
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Nachteilig hierbei ist jedoch, dass für im Zylinderkopf sowohl eine Einlasskammer als auch ein Einlasskanal mit entsprechendem Bauraumbedarf vorgesehen werden muss.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben bzw. eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mit der insbesondere eine kompakte Bauform erreicht werden kann.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken an einem Kolben für eine Axialkolbenmaschine eine derart gestaltete Ausnehmung vorzusehen, dass selbst in einem oberen Totpunkt dieses Kolbens in einem Zylinder eine fluidleitende Verbindung zwischen einem an einer Zylinderlauffläche angeordneten Einlasskanal und dem Zylinder, das heißt einem zwischen einer Zylinderstirnwand und einem Kolbenboden gelegenen Zylinderraum ermöglicht wird. Hierdurch ist es zudem möglich, ein Totraumvolumen einer derartigen mit einem solchen Kolben ausgestatteten Axialkolbenmaschine zu reduzieren und dadurch einen Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine zu steigern, da dieser in großem Maße von den Totraumvolumen abhängt. Dabei gilt, dass je geringer das Totraumvolumen ist, umso mehr Expansionsenergie kann direkt für die Krafterzeugung genutzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Kolben ist es aufgrund des nicht mehr stirnseitig in den Zylinder eintretenden Einlasskanals auch möglich, eine axiale Baulänge einer mit einem solchen Kolben ausgestatteten Axialkolbenmaschine zur reduzieren und dadurch eine kompakte Bauform zu realisieren.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Axialkolbenmaschine mit ringförmig angeordneten Zylindern anzugeben, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jedem dieser Zylinder ist dabei ein Einlasskanal zugeordnet. Erfindungsgemäß mündet nun der Einlasskanal über eine in einer Zylinderlauffläche benachbart zu einer Zylinderstirnwand (Zylinderkopf) angeordnete Einlassöffnung radial in den zugehörigen Zylinder, wobei der Kolben und/oder die Zylinderstirnwand eine Ausnehmung aufweisen, die ein Einströmen von Gas über die Einlassöffnung in den zugehörigen Zylinder im oberen Totpunkt des Kolbens erleichtert. Zusätzlich oder alternativ weist die Einlassöffnung an einer Seite im Bereich der Zylinderstirnwand eine größere Umfangserstreckung auf als auf einer gegenüberliegenden Seite. Die Ausnehmung bzw. die Querschnittsgestalt der Einlassöffnung verfolgt dabei den Grundgedanken der Erfindung, eine fluidleitende Verbindung zwischen der Einlassöffnung und einem zwischen dem Kolbenboden und der Zylinderstirnwand gelegenen Zylinderraum auch dann zu ermöglichen, sofern sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist die Ausnehmung als eine zwischen einer Kolbenmantelfläche und dem Kolbenboden verlaufende Fase ausgebildet. Eine derartige Fase ermöglicht einen fluidleitenden Kontakt zwischen der Einlassöffnung und dem durch den Kolbenboden und die Zylinderstirnwand begrenzten Zylinderraum selbst dann, wenn sich der Kolben in seiner oberen Totpunktlage befindet und dadurch mit seinem Kolbenboden direkt benachbart zur Zylinderstirnwand angeordnet ist. Durch die Fase ist es zudem möglich, das Totraumvolumen der Axialkolbenmaschine, welches durch den zwischen der Zylinderstirnwand und dem Kolbenboden bei sich im oberen Totpunkt befindlichen Kolben definiert ist, zu minimieren, so dass selbst bei einem radial in den Zylinderraum einmündenden Einlasskanal der Kolben in seinem oberen Totpunkt vergleichsweise nah an die Zylinderstirnwand herangefahren und dadurch das Totraumvolumen reduziert und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine gesteigert werden können. Zudem kann eine derartige Fase fertigungstechnisch vergleichsweise einfach hergestellt werden, beispielsweise durch eine entsprechende Gussform für den Kolben. Auch ein nachträgliches Einbringen einer derartigen Fase in bestehende Kolben ist rein theoretisch denkbar, so dass auch eine Nachrüstung bekannter Kolben vergleichsweise einfach möglich ist.
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Zweckmäßig verbindet die Fase bei dem in seinem Totpunkt befindlichen Kolben die Einlassöffnung kommunizierend mit dem zwischen der Zylinderstirnwand und dem Kolbenboden gelegenen Zylinderraum. Hierdurch ist es möglich, die Einlassöffnungen in allen Stellungen des Kolbens, selbst sofern sich dieser in seiner oberen Totpunktlage befindet, fluidleitend mit dem Zylinderraum zu verbinden. Hierdurch wird insbesondere ein Startvorgang deutlich erleichtert und der Wirkungsgrad durch eine optimierte Befüllung des Zylinders verbessert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist an der Zylinderstirnwand eine als Mulde ausgebildete Ausnehmung vorgesehen. Diese Mulde ermöglicht ebenfalls die Anordnung der Einlassöffnung an einer Zylinderlauffläche und schafft zugleich eine kommunizierende Verbindung der Einlassöffnung mit dem Zylinderraum in allen denkbaren Stellungen des Kolbens, selbst in dessen oberer Totpunktlage. Die Mulde kann dabei in die Einlassöffnung übergehen und muss lediglich derart konzipiert sein, dass sie eine fluidleitende Verbindung zwischen der Einlassöffnung und dem durch den Kolbenboden und die Zylinderstirnwand begrenzten Zylinderraum in allen Stellungen des Kolbens ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Wärmerückgewinnungssystem an einem Kraftfahrzeug mit einer solchen Axialkolbenmaschine auszustatten, wodurch eine Energiebilanz des Kraftfahrzeugs verbessert werden kann. Ein derartiges Wärmerückgewinnungssystem kann beispielsweise einen Wärmeübertrager aufweisen, der das zum Antrieb der Axialkolbenmaschine erforderliche Arbeitsmedium erhitzt.
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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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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schrägansicht auf eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen und eine als Fase ausgebildete Ausnehmung aufweisenden Kolben,
- 2 eine Schnittdarstellung durch die Axialkolbenmaschine entsprechend der 1,
- 3 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einer in einer Zylinderstirnwand als Mulde ausgebildeten Ausnehmung,
- 4 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine entsprechend der 3,
- 5 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einer anders ausgeführten Einlassöffnung.
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Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 2 eine Kolbenmantelfläche 3 sowie einen Kolbenboden 4 auf. Der erfindungsgemäße Kolben 1 weist bei den gemäß den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen eine Ausnehmung 5 auf, die als zwischen der Kolbenmantelfläche 3 und dem Kolbenboden 4 verlaufende Fase 6 ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist die Fase 6 in Umfangsrichtung auf einen Winkelbereich von α < 45°, insbesondere auf einen Winkelbereich von α < 10°, begrenzt. Durch die in Umfangsrichtung stark begrenzte Fase 6 kann im Vergleich zu einer vollkommen umlaufenden Fase das Totraumvolumen begrenzt und dadurch der Wirkungsgrad gesteigert werden.
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Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 2 besitzt ringförmig angeordnet Zylinder 7, in welchen Kolben 1 translatorisch, im vorliegenden Fall entsprechend den 1 bis 5, in Axialrichtung 8 verstellbar sind. Jedem Zylinder 7 ist dabei ein Einlasskanal 9 zugeordnet, über welchen ein Beaufschlagen des jeweiligen Zylinders 7 mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise einem Gas, insbesondere Dampf, erfolgt. Der Einlasskanal 9 mündet dabei erfindungsgemäß über eine in einer Zylinderlauffläche 10 benachbart zu einer Zylinderstirnwand 11 angeordnete Einlassöffnung 12 radial in den zugehörigen Zylinder 7. Erfindungsgemäß weist nun der Kolben 1 die in den vorherigen Absätzen beschriebene Ausnehmung 5 auf (vgl. die 1 und 2), wobei zusätzlich oder alternativ vorstellbar ist, dass auch in der Zylinderstirnwand 11 eine derartige Ausnehmung 5' (vgl. die 3 und 4) vorgesehen ist. Die in der Zylinderstirnwand 11 vorgesehene Ausnehmung 5' ist dabei vorzugsweise als Mulde 13 ausgebildet. Wiederum zusätzlich oder alternativ kann die Einlassöffnung 12 im Bereich der Zylinderstirnwand 11 eine größere Umfangserstreckung aufweisen, als auf einer gegenüberliegenden Seite, an welcher die Umfangserstreckung bUT im Vergleich dazu reduziert ist (vgl. 5). Die Indizes OT stehen dabei für „oberer Totpunkt“ während UT für „untere Totpunkt“ steht. Sämtlichen Ausführungsformen des Kolbens 1 bzw. der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 2 ist dabei gemein, dass die Ausnehmung 5 im Kolben 1 bzw. die Ausnehmung 5' in der Zylinderstirnwand 11 oder die Form der Einlassöffnung 12 entsprechend der 5 immer eine kommunizierende Fluidverbindung zwischen dem Einlasskanal 9 und einem zwischen dem Kolbenboden 4 und der Zylinderstirnwand 11 gelegenen Zylinderraum 14 erlaubt. Durch diesen Umstand ist es möglich, eine Gaszuführung über die Einlassöffnung 12 in den Zylinderraum 14 selbst im oberen Totpunkt des Kolbens 1 zu ermöglichen, wodurch dieser leichter startet und der Medienaustausch und somit der Wirkungsgrad im Betrieb erhöht wird. Darüber hinaus kann auch ein Totraumvolumen, welches durch den Zylinderraum 14 bei sich in seiner oberen Totpunktlage befindlichem Kolben 1 definiert ist, geringgehalten werden, wodurch ein Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine 2 gesteigert werden kann.
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Betrachtet man die Ausnehmung 5, das heißt die Fase 6, bei dem Kolben 1 gemäß den 1 und 2, so ist diese als einfache Abschrägung ausgebildet, wobei selbstverständlich zu einer bestimmten Strömungsführung auch keine rechtwinkligen Kanten, sondern beispielsweise eine Art fasenförmige Rinne vorgesehen werden kann. Die als Fase 6 ausgebildete Ausnehmung 5 ist dabei gemäß der 1 in Umfangsrichtung genauso breit wie die Einlassöffnung 12, wobei rein theoretisch selbstverständlich auch eine breitere oder schmälere Ausführung der Ausnehmung 5 denkbar ist.
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Die als Mulde 13 ausgebildete Ausnehmung 5' in der Zylinderstirnwand 11 geht vorzugsweise in die Einlassöffnung 12 über, wobei die Mulde 13 bei sich in seinem oberen Totpunkt befindlichen Kolben 1 die Einlassöffnung 12 mit dem Zylinderraum 14 fluidleitend verbindet, wodurch ebenfalls ein vereinfachtes Starten der Axialkolbenmaschine 2 ermöglicht wird. Zumindest ist das Einströmen des Arbeitsmediums kurz nach OT verbessert. Dabei kann die Mulde 13 auch über den Zylinderdurchmesser in Richtung der Einlassöffnung 12 verlängert sein.
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Betrachtet man noch die 5, so kann man dort eine Einlassöffnung 12 des Einlasskanals 9 erkennen, bei welcher diese auf der benachbart zur Zylinderstirnwand 11 angeordneten Seite 16 eine größere Umfangserstreckung bOT aufweist als auf einer gegenüberliegenden Seite 17, wodurch kurz nach dem OT, wenn der Kolben 1 den Einlasskanal 9 teilweise freigegeben hat, über die größere Umfangserstreckung bOT mehr Arbeitsmedium ausgetauscht werden. Der schlitz verjüngt sich auf der gegenüberliegenden Seite 17, um das Totvolumen zu verringern, wodurch eine bedarfsgerechte Anpassung der Geometrie auf einen erforderlichen Strömungsquerschnitt und Totvolumen möglich ist.
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Die Axialkolbenmaschine 2 kann dabei Bestandteil eines Wärmerückgewinnungssystems 15, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, sein und dadurch zur Energieeinsparung und zu einer Verbesserung einer Energiebilanz beitragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010036917 A1 [0002]
