EP1818515A2 - Steuerorgan für den Einlass einer Zylinder-Kolben-Einheit - Google Patents

Steuerorgan für den Einlass einer Zylinder-Kolben-Einheit Download PDF

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EP1818515A2
EP1818515A2 EP06024760A EP06024760A EP1818515A2 EP 1818515 A2 EP1818515 A2 EP 1818515A2 EP 06024760 A EP06024760 A EP 06024760A EP 06024760 A EP06024760 A EP 06024760A EP 1818515 A2 EP1818515 A2 EP 1818515A2
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EP
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cylinder
inlet
valve
pressure
controlled
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Erik Schneider
Andreas Werler
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IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
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IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/20—Shapes or constructions of valve members, not provided for in preceding subgroups of this group
    • F01L3/205—Reed valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L7/00—Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements
    • F01L7/06—Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements with disc type valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B27/10—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having stationary cylinders
    • F04B27/1009—Distribution members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/10—Adaptations or arrangements of distribution members
    • F04B39/1073—Adaptations or arrangements of distribution members the members being reed valves

Definitions

  • the invention relates to a control device for the inlet of a cylinder-piston unit according to the preamble of claim 1.
  • the control device is effective for cylinder-piston units which are operated with a working medium, which rests under pressure at the inlet of the cylinder-piston unit.
  • the sealing of the working chambers is required both against the effective pressure from the outside of the inlet and against the effective through the expansion of the working fluid in the working space internal pressure.
  • the control of the inlet and outlet members is complicated by design, since conventional designs with camshafts, which are common for engines arranged in series, can be displayed only with great effort.
  • the invention has for its object to provide a control member for a cylinder-piston unit, the inlet side, a pressurized working fluid is supplied, with a good sealing effect of the control member to be achieved while the dead space is minimized.
  • a control member advantageously a rotary valve and an automatic, pressure-controlled valve are combined in the control member for the inlet, whereby a needs-based shut-off of the inlet with the rotary valve and the good sealing effect of the pressure-controlled valve are combined.
  • automatically pressure-controlled means that the valve opening takes place due to the pressure difference between the working space and the inlet above the valve, without requiring additional actuating forces for the valve.
  • the control of the valve takes place in this respect automatically, as the rotary valve in each case opens the clock according to the correct opening or shuts off, which automatically causes an opening or closing of the valve.
  • the valve is held spring-biased in the closed position against the cylinder head and opens into the working space.
  • An advantage of the invention is that the automatic valve is arranged such that after closing the inlet by the rotary valve, the working space is separated from the dead space by means of the automatic valve, so that the working space comprises only the stroke volume.
  • the automatic valve is automatically controlled by the pressure difference between the inlet and the working space.
  • a rotary valve is used, which is particularly advantageous in a multi-cylinder axial piston engine, since the arrangement of the cylinder around a central output shaft allows a particularly simple control of inlet and outlet.
  • the rotary valve can be configured to simultaneously control the inlets and outlets of all cylinders and can run centrally in fixed relation to the speed of the output shaft.
  • the rotary valve itself can also be made sealing against the cylinder head.
  • the rotary valve is combined with an automatically pressure-controlled plate valve, which has the advantage that it achieves a very good sealing effect with a simple structural design, without having to make costly seals, as necessary for the same sealing effect on the rotary valve.
  • the plate valve locks the cylinder and seals the working space safely due to the pressure difference. It is thus achieved a flexible control by the rotary valve and a good sealing effect by the automatic, pressure-controlled plate valve.
  • FIG. 1 shows a section through a cylinder 1 of an axial piston machine 2. This is operated with a pressurized working fluid - preferably steam - operated. Shown is a cylinder-piston unit Z with a cylinder 1 and a piston 11. The steam is applied under pressure to the inlet 4 of the cylinder 1 and flows in the direction of the arrow 3 through this inlet 4, which extends through the cylinder head 5, in the working space 6.
  • the operation of the axial piston machine 2 corresponds to that of an expander.
  • the pressurized steam is admitted into the working space 6, relaxes there when the working space 6 is closed and displaces the piston 11.
  • the subsequently relaxed steam is discharged again from the working space 6 via an outlet 14 at the latest after the bottom dead center of the piston 11.
  • a demand-based metering of the pressurized working medium via a controllable inlet member is necessary.
  • a combination of a rotary valve 7 and a pressure-controlled, automatic valve 9 is provided according to the invention.
  • the rotary valve 7 is rotatably arranged in the cylinder head 5 and forms a control disk Passages that shuts off or releases the pressure at the inlet 4 against the working space 6.
  • the steam can only flow into the working space 6, provided that the rotary valve 7 occupies a position in which an opening 8 in the rotary valve 7 is at the level of the inlet 4.
  • the pressure applied to the inlet 4 steam then acts on a between the working chamber 6 and the inlet 4 on the cylinder head 5 arranged, pressure-controlled, automatic valve 9, which opens the inlet 4 with respect to the working space 6.
  • the automatic valve 9 is, for example, a spring-loaded plate valve (so-called flutter valve).
  • the sealing plate of the valve 9 is spring-biased against the opening of the inlet 4 and is opened by the applied pressure.
  • the rotary valve 7 rotates in the cylinder head 5 and by its rotational movement, the opening 8 displaces relative to the inlet 4, so that the rotary valve 7 closes the inlet 4, this position is shown in Figure 2.
  • the rotary valve 7 is coupled to the output shaft 12 and thus ensures a clock-correct driving the respective A 4- and outlets 14 of the cylinder Z1-4.
  • the rotary valve 7 13 breakthroughs for the respective inlets 4 and the outlets 14 are introduced into the cylinder head 5 on circular paths, which release the inlets 4 of the respective cylinder Z1-4 when circulating. Due to the fixed coupling of the rotary valve 7 with the output shaft 12, the opening or closing of the input 4 and outlets 14 is synchronous to the rotational movement of the output shaft 12.
  • the size and position of the apertures on the control disk sets the control regime for the inlets 4 and outlets 14th the respective cylinder Z1-4.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of a cylinder-piston unit Z in a view from the inside of the cylinder head 5.
  • an inlet 4 and an outlet 14 are shown in the cylinder head 5 of the cylinder 1.
  • Inlet 4 and outlet 14 are controlled by the overlying rotary valve 7 (not shown).
  • the automatic valve 9 is a plate valve, which is made of a spring material and is held taut against the inlet 4.
  • Another plate valve 15 closes the outlet 14. This is spring-biased held in the closed position and is externally controlled synchronously with the rotary valve 7 (Fig.1 - 3) opened.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerorgan für den Einlass wenigstens eine Zylinder-Kolben-Einheit (Z), der einlassseitig ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium zugeführt wird. Die Zylinder-Kolben-Einheit (Z) umfasst einen Zylinder (1), einen Zylinderkopf (5), einen Einlass (4), einen Arbeitsraum (6) und einen diesen begrenzenden Kolben (11). Zur Steuerung von Ein- (4) und Auslass (14) der Zylinder-Kolben-Einheit (Z) ist ein Drehschieber (7) im Zylinderkopf (5) angeordnet. Der Einlass (4) ist weiterhin über ein druckgesteuertes, selbsttätiges Ventil (9) absperrbar.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Steuerorgan für den Einlass einer Zylinder-Kolben-Einheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Das Steuerorgan ist für Zylinder-KolbenEinheiten wirksam, welche mit einem Arbeitsmedium betrieben werden, das unter Druck am Einlass der Zylinder-Kolben-Einheit anliegt. Für derartige Maschinen ist die Abdichtung der Arbeitsräume sowohl gegen den von außen am Einlass wirksamen Druck als auch gegen den durch die Expansion des Arbeitsmediums im Arbeitsraum wirksamen Innendruck erforderlich. Insbesondere in einer Anordnung der Zylinder-Kolben-Einheiten innerhalb einer Axialkolbenmaschine ist bauartbedingt die Steuerung der Ein- und Auslassorgane kompliziert, da übliche Bauformen mit Nockenwellen, welche für in Reihe angeordnete Motoren üblich sind, nur mit großem Aufwand darstellbar sind.
    • Stand der Technik
  • Aus der DE 38 41 786 A1 ist ein Zylinderkopf mit Steuerscheibe für eine im Otto-Verfahren arbeitende Axialkolbenmaschine bekannt. Im Zylinderkopf ist eine auf der Motorwelle befestigte Steuerscheibe untergebracht, welche den Gaswechsel steuert, den Kraftstoff in die Zylinder leitet und die Zündkerze mitführt. Die gezeigte Axialkolbenmaschine ist ein konventioneller Motor mit innerer Verbrennung. Es liegt kein unter Druck stehendes Arbeitsmedium am Einlass an. Zur erfindungsgemäßen Ausführung ähnlich ist die Anordnung eines Drehschiebers im Zylinderkopf. Drehschieber sind, wenn sie gute Dichtwerte erzielen sollen, hinsichtlich ihrer Abdichtung im Zylinderkopf aufwändig, da die Steuerscheibe über die Dichtflächen rotiert. Weiterhin verbleibt unterhalb des Drehschiebers ein Schadraum. Als Schadraum wird der Teil des Arbeitsraumes bezeichnet, der nicht zum Hubvolumen zählt. Die im Schadraum verbleibende, vom Kolben nicht ausgeschobene Restmasse vermindert das Ansaugvolumen und erhöht die Energiezufuhr, da sie bei der Rückexpansion weniger Arbeit abgibt, als sie bei der Kompression aufnimmt. Der Schadraum ist durch die freien Ventilräume und das axiale Kolbenspiel bedingt und soll möglichst klein sein. (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag, 17. Auflage, P24)
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerorgan für eine Zylinder-Kolben-Einheit zu schaffen, der einlassseitig ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium zugeführt wird, wobei eine gute Dichtwirkung des Steuerorgans erreicht werden soll und gleichzeitig der Schadraum minimiert wird.
  • Die Aufgabe wird durch ein Steuerorgan gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß vorteilhaft werden ein Drehschieber und ein selbsttätiges, druckgesteuertes Ventil im Steuerorgan für den Einlass vereint, wodurch ein bedarfsgerechtes Absperren des Einlasses mit dem Drehschieber und die gute Dichtwirkung des druckgesteuerten Ventils vereint werden.
    Selbsttätig druckgesteuert bedeutet im Sinne der Anmeldung, dass die Ventilöffnung aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsraum und dem über dem Ventil liegenden Einlass erfolgt, ohne zusätzliche Stellkräfte für das Ventil zu benötigen. Die Steuerung des Ventils erfolgt insoweit selbsttätig, als der Drehschieber jeweils den Einlass entsprechend taktrichtig öffnet bzw. absperrt, was ein Öffnen bzw. Schließen des Ventils selbsttätig bewirkt. Das Ventil ist dabei federvorgespannt in Schließstellung gegen den Zylinderkopf gehalten und öffnet in den Arbeitsraum.
    Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das selbsttätige Ventil derart angeordnet ist, dass nach dem Schließen des Einlasses durch den Drehschieber der Arbeitsraum gegenüber dem Schadraum mittels des selbsttätigen Ventils getrennt ist, so dass der Arbeitsraum nur das Hubvolumen umfasst. Das selbsttätige Ventil wird automatisch durch die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Arbeitsraum gesteuert. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird ein Drehschieber verwendet, welcher insbesondere bei einer mehrzylindrigen Axialkolbenmaschine vorteilhaft ist, da die Anordnung der Zylinder um eine zentrale Abtriebswelle eine besonders einfache Steuerung von Ein- und Auslass erlaubt. Der Drehschieber kann so konfiguriert werden, dass er gleichzeitig die Ein- und Auslässe aller Zylinder steuert und zentral angetrieben in festem Verhältnis zur Drehzahl der Abtriebswelle laufen kann. Der Drehschieber selbst kann dabei gegen den Zylinderkopf ebenfalls dichtend ausgeführt sein.
  • Erfindungsgemäß vorteilhaft wird der Drehschieber mit einem selbsttätig druckgesteuerten Plattenventil kombiniert, welches den Vorteil hat, dass es bei einfachem konstruktiven Aufbau eine sehr gute Dichtwirkung erreicht, ohne aufwändige Abdichtungen, wie für die gleiche Dichtwirkung am Drehschieber notwendig, vornehmen zu müssen. In der Arbeitsphase des Zylinders sperrt das Plattenventil den Zylinder ab und dichtet aufgrund der Druckdifferenz den Arbeitsraum sicher ab. Es wird damit eine flexible Steuerung durch den Drehschieber und eine gute Dichtwirkung durch das selbsttätige, druckgesteuerte Plattenventil erreicht.
    • Zeichnungen
  • Es zeigen:
    • Figur 1:
    einen Schnitt durch einen Zylinder mit offenem Einlass,
    Figur 2:
    einen Schnitt durch einen Zylinder mit geschlossenem Einlass,
    Figur 3:
    eine Draufsicht auf die Axialkolbenmaschine,
    Figur 4:
    einen Zylinder als Detail der Draufsicht von Figur 3.
  • Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinder 1 einer Axialkolbenmaschine 2. Diese wird mit einem unter Druck stehenden Arbeitsmedium - vorzugsweise Dampf - betrieben. Dargestellt ist eine Zylinder-Kolben-Einheit Z mit einem Zylinder 1 und einem Kolben 11. Der Dampf liegt unter Druck am Einlass 4 des Zylinders 1 an und strömt in Richtung des Pfeils 3 durch diesen Einlass 4, der sich durch den Zylinderkopf 5 erstreckt, in den Arbeitsraum 6. Die Arbeitsweise der Axialkolbenmaschine 2 entspricht der eines Expanders. Der unter Druck stehende Dampf wird in den Arbeitsraum 6 eingelassen, entspannt sich dort bei abgeschlossenem Arbeitsraum 6 und verdrängt dabei den Kolben 11. Der danach entspannte Dampf wird spätestens nach dem unteren Totpunkt des Kolbens 11 wieder aus dem Arbeitsraum 6 über einen Auslass 14 ausgelassen. Zur Steuerung der Axialkolbenmaschine 2 ist eine bedarfsgerechte Zumessung des unter Druck stehenden Arbeitsmediums über ein steuerbares Einlassorgan notwendig. Hierfür ist erfindungsgemäß eine Kombination aus einem Drehschieber 7 und einem druckgesteuerten, selbsttätigen Ventil 9 vorgesehen. Der Drehschieber 7 ist dabei drehbar im Zylinderkopf 5 angeordnet und bildet eine Steuerscheibe mit Durchlässen, die den Druck am Einlass 4 gegen den Arbeitsraum 6 absperrt bzw. freigibt. Der Dampf kann nur dann in den Arbeitsraum 6 strömen, sofern der Drehschieber 7 eine Position einnimmt, in welcher sich eine Öffnung 8 im Drehschieber 7 auf Höhe des Einlasses 4 befindet. Der unter Druck am Einlass 4 anliegende Dampf wirkt dann auf ein zwischen dem Arbeitsraum 6 und dem Einlass 4 an dem Zylinderkopf 5 angeordnetes, druckgesteuertes, selbsttätiges Ventil 9, welches den Einlass 4 gegenüber dem Arbeitsraum 6 öffnet. Das selbsttätige Ventil 9 ist beispielsweise ein federbelastetes Plattenventil (sog. Flatterventil). Die Dichtplatte des Ventils 9 ist federvorgespannt gegen die Öffnung des Einlasses 4 gehalten und wird durch den anliegenden Druck geöffnet. Der Drehschieber 7 rotiert im Zylinderkopf 5 und durch dessen Drehbewegung verlagert sich die Öffnung 8 relativ gegenüber dem Einlass 4, so dass der Drehschieber 7 den Einlass 4 verschließt, diese Position ist in Figur 2 dargestellt. Der im Arbeitsraum 6 befindliche Dampf entspannt sich, wobei durch das Absperren des Drehschiebers 7 der unter Druck stehende Dampf am Einlass 4 von der Oberseite des selbsttätigen, druckgesteuerten Ventils 9 getrennt wird. Der im Arbeitsraum 6 herrschende Innendruck und die Federvorspannung wirken auf das selbsttätige Ventil 9, so dass dieses den Arbeitsraum 6 gegenüber einem Schadraum 10, der sich zwischen dem selbsttätigen Ventil 9 und dem Drehschieber 7 bildet, trennt.
    In Figur 3 ist die Axialkolbenmaschine 2 in einer Draufsicht dargestellt. Um eine zentrale Abtriebswelle 12 sind 4 Zylinder Z1-4 angeordnet, welche der Bauart einer Axialkolbenmaschine entsprechend auf eine Schrägscheibe - nicht dargestellt - einwirken und die zentrale Abtriebswelle 12 treiben. Der Drehschieber 7 ist dabei mit der Abtriebswelle 12 gekoppelt und sichert somit ein taktrichtiges Ansteuern der jeweiligen Ein 4- und Auslässe 14 der Zylinder Z1-4. Im Drehschieber 7 sind auf Kreisbahnen 13 Durchbrüche für die jeweiligen Einlässe 4 und die Auslässe 14 im Zylinderkopf 5 eingebracht, welche beim Umlauf die Einlässe 4 der jeweiligen Zylinder Z1-4 freigeben. Durch die feste Kopplung des Drehschiebers 7 mit der Abtriebswelle 12 erfolgt das Öffnen bzw. Schließen der Ein- 4 und Auslässe 14 synchron zur Drehbewegung der Abtriebswelle 12. Die Größe und Position der Durchbrüche auf der Steuerscheibe legt das Steuerregime für die Einlässe 4 und Auslässe 14 der jeweiligen Zylinder Z1-4 fest.
  • Figur 4 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Zylinder-Kolben-Einheit Z in einer Ansicht von innen auf den Zylinderkopf 5. Vereinfacht dargestellt wurden nur die erfindungswesentlichen Details. Im Zylinderkopf 5 des Zylinders 1 sind ein Einlass 4 und ein Auslass 14 dargestellt. Ein- 4 und Auslass 14 werden von dem darüber liegenden Drehschieber 7 (nicht dargestellt) gesteuert. Entsprechend dem anliegenden Druck öffnet das selbsttätige Ventil 9, welches vorgespannt gegen den Zylinderkopf 5 gehalten ist und den Einlass 4 überdeckend ausgeführt ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das selbsttätige, druckgesteuerte Ventil 9 ein Plattenventil, das aus einem Federmaterial gefertigt ist und gegen den Einlass 4 gespannt gehalten ist. Ein weiteres Plattenventil 15 verschließt den Auslass 14. Dieses ist federvorgespannt in Schließstellung gehalten und wird fremdgesteuert synchron mit dem Drehschieber 7 (Fig.1 - 3) geöffnet.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zylinder
    2
    Axialkolbenmaschine
    3
    Pfeil
    4
    Einlass
    5
    Zylinderkopf
    6
    Arbeitsraum
    7
    Drehschieber
    8
    Öffnung im Drehschieber
    9
    selbsttätiges Ventil
    10
    Schadraum
    11
    Kolben
    12
    Abtriebswelle
    13
    Kreisbahn
    14
    Auslass
    15
    Plattenventil (Auslass)
    Z
    Zylinder-Kolben-Einheit
    Z1-4
    Zylinder der Axialkolbenmaschine

Claims (7)

  1. Steuerorgan für den Einlass (4) einer Zylinder-Kolben-Einheit (Z), der einlassseitig ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium zugeführt wird, wobei ein Zylinder (1) einen Zylinderkopf (5), einen Einlass (4), einen Arbeitsraum (6), einen diesen begrenzenden Kolben (11) und einen Drehschieber (7) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einlass (4) über den Drehschieber (7) und ein druckgesteuertes, selbsttätiges Ventil (9) gesteuert wird.
  2. Steuerorgan nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Arbeitsraum (6) gegenüber einem Schadraum (10), der sich zwischen dem Arbeitsraum (6) und dem Drehschieber (7) ausbildet, über das druckgesteuerte, selbsttätige Ventil (9) trennbar ist.
  3. Steuerorgan nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das druckgesteuerte, selbsttätige Ventil (9) ein federbelastetes Ventil ist.
  4. Steuerorgan nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das druckgesteuerte, selbsttätige Ventil (9) ein Plattenventil ist.
  5. Steuerorgan nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zylinder-Kolben-Einheit (Z) einen Teil einer Axialkolbenmaschine (2) bildet.
  6. Steuerorgan nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine Zylinder-Kolben-Einheit (Z) um eine zentrale Abtriebswelle (12) der Axialkolbenmaschine (2) angeordnet ist und ein Drehschieber (7) Ein- (4) und Auslass (14) der Zylinder-Kolben-Einheit (Z) steuert und von der Abtriebswelle (12) der Axialkolbenmaschine (2) angetrieben wird oder direkt mit dieser gekoppelt ist.
  7. Steuerorgan nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das druckgesteuerte, selbsttätige Ventil (9) ein in den Arbeitsraum (6) öffnendes Plattenventil ist, welches den Einlass (4) überdeckt und vorgespannt in Schließstellung gegen seinen Dichtsitz im Zylinderkopf (5) gehalten ist.
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