WO2015176989A1 - Axialkolbenmaschine - Google Patents

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WO2015176989A1
WO2015176989A1 PCT/EP2015/060370 EP2015060370W WO2015176989A1 WO 2015176989 A1 WO2015176989 A1 WO 2015176989A1 EP 2015060370 W EP2015060370 W EP 2015060370W WO 2015176989 A1 WO2015176989 A1 WO 2015176989A1
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WO
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axial piston
piston machine
control disk
shaft
inlet opening
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Application number
PCT/EP2015/060370
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English (en)
French (fr)
Inventor
Falk Schneider
Original Assignee
Mahle International Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • 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
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0002—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having stationary cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0032—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having rotary cylinder block
    • F01B3/0044—Component parts, details, e.g. valves, sealings, lubrication
    • F01B3/007—Swash plate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/10—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto
    • F01B3/101—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto for machines with stationary cylinders

Definitions

  • the present invention relates to an axial piston machine with annularly arranged around and coaxial with a shaft cylinders according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a heat recovery system in a motor vehicle having such an axial piston machine.
  • a generic axial piston machine is known with annularly arranged around and coaxial with a shaft cylinders, in which pistons are arranged translationally adjustable. Each of these cylinders is assigned an inlet opening. A filling of the individual cylinders with working fluid takes place via a non-rotatably connected to the shaft control disc having an eccentrically arranged passage opening, which passes over each inlet opening once each revolution of the control disc and thereby directs working fluid into the associated cylinder.
  • a control disk for an axial piston machine in which at least a first control opening and a second control opening are provided. Adjacent to the control openings, an inner sealing land and an outer sealing land are formed for sealing cooperation with an end face of a cylinder barrel. At least a portion of the outer sealing land is increased in relation to a further subregion in terms of elasticity, whereby a control disk is to be created, which is able to avoid surface pressure peaks even without the use of lead-containing bronze.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing for an axial piston machine of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, by means of which on the one hand, a high efficiency of the axial piston machine can be achieved, on the other hand, however, a reliable overload protection can be created.
  • the present invention is based on the general idea, such a control disc of an axial piston so adjustable and at the same time rotatably support a shaft of the axial piston machine that reversibly lifted at an undesirable pressure in the cylinder from the inlet opening and thereby enables a pressure reduction in the cylinder.
  • the axial piston machine according to the invention has annularly around and coaxial with the shaft arranged cylinder, in which piston are arranged translationally adjustable. Each of these cylinders is associated with a previously described inlet opening.
  • the control disk itself is non-rotatably connected to the shaft and has an eccentrically arranged passage opening, which passes over each inlet opening once each revolution of the control disk and thereby directs working fluid into the associated cylinder.
  • the inventive storage of the control disk on the shaft it is possible to provide a comparatively simple overload protection against excessive pressure in the cylinder, in which the control disk in Take off the axial direction reversibly against the cylinder and thereby allow a pressure reduction in the cylinder.
  • the transition between the control disk and the inlet opening of the cylinder is optimally sealed, whereby a high efficiency can be achieved.
  • Such axial piston machine according to the invention thus not only has a high efficiency, but also also a comparatively structurally simple constructed overload protection, which ensures the long-term function of the axial piston machine.
  • the shaft in a contact region between the same and the control disc a spherical outer contour or the control disc a convex inner contour, which at least a slight inclination of the control disc to the shaft and thereby at a high and in particular undesirable pressure in Cylinder allows lifting the control disc from the inlet port of the cylinder.
  • control disk lies close to the inlet opening of the cylinder and thus seals it off optimally, as a result of which high efficiency can be achieved.
  • the tight resting of the control disk on the inlet opening can be achieved in particular by a spring which biases the control disk against the inlet opening in a reversible manner.
  • the spring may for example be designed as a helical spring which winds around the shaft.
  • the control disk is expediently made of carbon or has a coating, in particular a polymer coating, a DLC Coating, a carbon coating or a polytetrafluoroethylene coating (PTFE).
  • a coating in particular a polymer coating, a DLC Coating, a carbon coating or a polytetrafluoroethylene coating (PTFE).
  • this may for example be formed of carbon and grind in contact with the inlet opening of the cylinder.
  • the carbon used is finely wearable.
  • other materials for the control disk are conceivable, which then has a friction-reducing, sealing and / or wear-resistant coating, at least in its sweeping the inlet opening of the cylinder area.
  • polymer coatings or DLC coatings are suitable for this, as well as, of course, a carbon coating.
  • a molded seal in particular of carbon, also be provided, which also grinds in the operation of the axial piston on the rotating control disk and thereby achieves a high sealing effect.
  • a radial pin is arranged on the shaft, which engages in an axial recess on the control disk and thereby enables a torque transmission with axial play.
  • a toothing can also be arranged on the shaft, which cooperates with a counter-toothing on the control disk and thereby also allows a torque transmission with axial play.
  • At least one piston expediently has a nose or an extension on a piston head which engages at least partially in the inlet opening and thereby minimizes a dead space volume in the gas inflow region.
  • the efficiency of an axial piston machine largely depends on the dead space volume in the gas inflow region, with the proviso that the less dead space volume is present, the more expansion energy can be used directly for the generation of force.
  • the reduction of the dead space volume can be achieved, for example, by the nose arranged on the piston head or the extension arranged there, which fills at least part of the inlet opening and thereby reduces the dead space volume.
  • the nose and the extension are of course carried out so that a further smooth flow of the working medium into the cylinder is possible.
  • control disk tapers radially outward in terms of its thickness and in particular in the region of the passage opening has a small thickness, as in a radially inner region.
  • control disc between the region of the passage opening and the radially inner region cranked.
  • a partition wall arranged between the cylinder and the control disk, into which the inlet opening of the respective cylinder is integrated, can be reduced in thickness at least in the region of the inlet opening.
  • a safety valve which depends on the force of rotation, that is from a certain limit of the shaft closes an associated through hole of the control disk and thus prevents further inflow of working fluid into the respective cylinder.
  • One possibility here is to regulate the supply of working fluid in the cylinder and divert for example via a bypass.
  • Another possibility consists of the safety valve according to the invention, which from a certain limit speed of the shaft, that is from a speed at which a critical phase is reached, an associated passage opening of the control disk closes and thereby interrupts the further supply of working fluid in the respective cylinder. This makes it possible to control the axial piston immediately down and reduce the speed. By providing a spring, the safety valve can be opened again when falling below the limit speed and the axial piston machine can be converted into a normal operating mode.
  • FIG. 1 shows a sectional view through an axial piston machine according to the invention
  • FIG. 3 is a representation as in Fig. 2, but with convex control disk
  • Fig. 4 is a detail of a safety valve.
  • an axial piston machine 1 which may for example be part of a heat recovery system 2 of a motor vehicle, not shown in detail, a shaft 3, which is rotatably connected to a swash plate 4.
  • cylinders 5 are arranged in annular fashion around and coaxial with the shaft 3, in which pistons 6, in particular hollow and built pistons, are arranged in a translationally adjustable manner.
  • Each of these pistons 6 is connected via a spherical bearing 7 and a sliding block 8 with the swash plate 4.
  • the control disk 10 thus has an eccentrically arranged passage opening 1 1, which covers each inlet opening 9 of a cylinder 5 once each revolution of the control disk 10, while working medium passes into this.
  • the control disk 10 according to the invention in such a way Shaft 3 stored so that it reversibly lifts off at a predefined pressure in the cylinder 5, that is, from a predefined limit pressure, from the inlet opening 9, thereby allowing a pressure reduction in the cylinder 5.
  • this is mounted axially displaceable on the shaft 3 at least to a small extent.
  • the shaft 3 has a convex outer contour at a contact region 13 to the control disk 10, which allows an at least slight inclination of the control disk 10 to the shaft 3.
  • the control disk 10 in the contact region 13 to the shaft 3 has a convex inner contour, which also allows a slight inclination of the control disk 10 to the shaft 3 in case of overload (see Fig .. 3).
  • control disk 10 In the normal operating state, however, the control disk 10 should cover the inlet opening 9 of the cylinder 5 as closely as possible, for which reason the control disk 10 is made of carbon, in particular finely wearable carbon, and / or has a coating 14, in particular a polymer coating, in particular one Polymer coating, a DLC coating, a carbon coating or polytetrafluoroethylene coating (PTFE). In an embodiment of the control disc made of carbon, this can grind in the operation of the axial piston 1 and thereby generate the responsible for the high efficiency tightness.
  • a coating 14 in particular a polymer coating, in particular one Polymer coating, a DLC coating, a carbon coating or polytetrafluoroethylene coating (PTFE).
  • the control disk 10 can of course be made of two different materials, such as plastic and carbon or steel and plastic or carbon and only in the contact point to the inlet opening 9 in the cylinder 5, the corresponding coating 14, for example, a molded contact geometry of a low-friction and wear-resistant material, similar to a mechanical direction, has. Additionally or alternatively, of course, a fine Working the contact area between the inlet opening 9 and the control disk 10 conceivable, for example by electrochemical machining, or the application of such a hard, wear-resistant coating 14 on the edge of the inlet opening. 9
  • a spring 15 is provided which biases the control disk 10 against the inlet opening 9 of the cylinder and thereby optimally seals against this.
  • the spring 15 may be formed, for example, as a helical spring and wind around the shaft 3.
  • a radial pin 16 (see Fig. 1) can be arranged on the shaft 3, which engages in an axial recess 17 on the control disk 10 and thereby on the one hand enables the required torque transmission, but on the other hand an axial play , In particular, a lifting of the control disk 10 allows the inlet opening in case of overload.
  • a toothing 18 (see Fig. 2) can be arranged on the shaft 3, which cooperates with a counter-toothing 19 on the control disk 10 and thereby enables a torque transmission with axial play.
  • control disk 10 it can be seen that this tapers radially outwardly in terms of its thickness and in particular in the region of the through hole 1 1 has a smaller thickness than in a radially inner region.
  • the control disk 10 is thereby cranked between the region of the passage opening 1 1 and the radially inner region and that at the point 20th
  • a partition wall 21 is arranged, which has the inlet opening 9 and which preferably also tapers radially outwardly in thickness, in particular in the region of the inlet opening 9 has a smaller thickness than in a radially inner region.
  • This partition wall 21 is also cranked in the region of the point 20.
  • cranks or both thickness reductions in the region of the passage opening 11 of the control disk 10 or the inlet opening 9 of the partition 21 serve to reduce the dead space volume and thereby increase the efficiency of the axial piston machine 1.
  • the dead space volume is involved in the expansion of the working medium only limited to the generation of mechanical energy and thus costs efficiency.
  • the piston 6 has on a piston head 22 a nose 23 which engages at least partially in the inlet opening 9. This also allows a dead space volume is reduced and thus the efficiency can be increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine (1), - mit ringförmig um und koaxial zu einer Welle (3) angeordneten Zylindern (5), in welchen Kolben (6) translatorisch verstellbar angeordnet sind, - wobei jedem Zylinder (5) eine Einlassöffnung (9) zugeordnet ist, - mit einer drehfest mit der Welle (3) verbundenen Steuerscheibe (10) mit einer exzentrisch angeordneten Durchgangsöffnung (11), die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe (10) jede Einlassöffnung (9) einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder (5) leitet. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Steuerscheibe (10) derart verstellbar an der Welle (3) gelagert ist, dass sie bei einem vordefinierten Druck im Zylinder (5) reversibel von der Einlassöffnung (9) abhebt und dadurch einen Druckabbau im Zylinder (5) ermöglicht.

Description

Axialkolbenmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit ringförmig um und koaxial zu einer Welle angeordneten Zylindern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem ein Wärmerückgewinnungssystem in einem Kraftfahrzeug mit einer derartigen Axialkolbenmaschine.
Aus der DE 10 2010 036 917 A1 ist eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine mit ringförmig um und koaxial zu einer Welle 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 in den zugehörigen Zylinder leitet.
Aus der DE 10 2008 060 067 A1 ist eine Steuerscheibe für eine Axialkolbenmaschine bekannt, in welcher zumindest eine erste Steueröffnung und eine zweite Steueröffnung vorgesehen sind. Benachbart zu den Steueröffnungen sind ein innerer Dichtsteg und ein äußerer Dichtsteg zum dichtenden Zusammenwirken mit einer Stirnseite einer Zylindertrommel ausgebildet. Zumindest ein Teilbereich des äußeren Dichtstegs ist dabei gegenüber einem weiteren Teilbereich hinsichtlich der Elastizität erhöht, wodurch eine Steuerscheibe geschaffen werden soll, die auch ohne den Einsatz von bleihaltiger Bronze in der Lage ist, Flächenpressungsspitzen zu vermeiden.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine erreichen zu können, ist es wünschenswert, dass die Steuerscheibe möglichst dicht auf der Einlassöffnung des Zylinders aufliegt. Dieses gewünschte, dichte Aufliegen schafft jedoch wiederum Probleme bei einem unerwünschten Überdruck innerhalb des Zylinders, da hierdurch die Steuerscheibe und damit auch die Axialkolbenmaschine Schaden nehmen kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mittels welcher einerseits ein hoher Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine erreichbar ist, andererseits jedoch ebenso eine zuverlässige Überlastsicherung geschaffen werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Steuerscheibe einer Axialkolbenmaschine derart verstellbar und gleichzeitig drehfest an einer Welle der Axialkolbenmaschine zu lagern, dass sie bei einem unerwünschten Überdruck im Zylinder reversibel von dessen Einlassöffnung abhebt und dadurch einen Druckabbau im Zylinder ermöglicht. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine besitzt dabei ringförmig um und koaxial zur Welle angeordnete Zylinder, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jedem dieser Zylinder ist eine zuvor beschriebene Einlassöffnung zugeordnet. Die Steuerscheibe selbst ist drehfest mit der Welle verbunden und besitzt eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe jede Einlassöffnung einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder leitet. Durch die erfindungsgemäße Lagerung der Steuerscheibe an der Welle ist es möglich, eine vergleichsweise einfache Überlastsicherung gegen einen zu hohen Druck im Zylinder zu schaffen, bei welchem die Steuerscheibe in Axialrichtung entgegen dem Zylinder reversibel abheben und dadurch einen Druckabbau im Zylinder ermöglichen kann. Im normalen Betriebszustand hingegen ist der Übergang zwischen der Steuerscheibe und der Einlassöffnung des Zylinders optimal abgedichtet, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Eine derartige erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine weist somit nicht nur einen hohen Wirkungsgrad, sondern zudem auch eine vergleichsweise konstruktiv einfach aufgebaute Überlastsicherung auf, die die langfristige Funktion der Axialkolbenmaschine sichert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßem Lösung weist die Welle in einem Kontaktbereich zwischen derselben und der Steuerscheibe eine ballige Außenkontur oder aber die Steuerscheibe ein ballige Innenkontur auf, die eine zumindest geringfügige Schrägstellung der Steuerscheibe zur Welle und dadurch bei einem zu hohen und insbesondere unerwünschten Druck im Zylinder ein Abheben der Steuerscheibe von der Einlassöffnung des Zylinders ermöglicht. Mit der balligen Ausführung des Kontaktbereichs der Welle oder des Kontaktbereichs der Steuerscheibe kann somit ein Freiheitsgrad geschaffen werden, der ein bedarfsgerechtes, schnelles und zugleich einfaches Abheben der Steuerscheibe von der Einlassöffnung im Falle eines Überdrucks ermöglicht. Im normalen Betriebszustand liegt dabei die Steuerscheibe dicht auf der Einlassöffnung des Zylinders auf und dichtet diesen somit optimal ab, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann. Das dichte Aufliegen der Steuerscheibe auf der Einlassöffnung kann insbesondere durch eine Feder erreicht werden, die die Steuerscheibe gegen die Einlassöffnung in reversibler Art und Weise vorspannt. Dabei kann die Feder beispielweise als Schraubenfeder ausgebildet sein, die sich um die Welle windet.
Zweckmäßig ist die Steuerscheibe aus Kohlenstoff ausgebildet oder weist eine Beschichtung auf, insbesondere eine Polymerbeschichtung, eine DLC- Beschichtung, eine Kohlenstoffbeschichtung oder eine Polytetrafluorethylenbe- schichtung (PTFE). Um ein möglichst gutes Abdichten der Steuerscheibe auf der Einlassöffnung erreichen zu können, kann diese beispielsweise aus Kohlenstoff ausgebildet sein und sich bei einem Kontakt mit der Einlassöffnung des Zylinders einschleifen. In diesem Fall ist der verwendete Kohlenstoff fein verschleißfähig. Selbstverständlich sind auch andere Werkstoffe für die Steuerscheibe vorstellbar, wobei diese dann zumindest in ihrem die Einlassöffnung des Zylinders überstreichenden Bereich eine reibungsreduzierende, dichtende und/oder verschleißbeständige Beschichtung besitzt. Hierfür in Frage kommen beispielsweise Polymer- beschichtungen bzw. DLC-Beschichtungen, ebenso wie selbstverständlich auch eine Kohlenstoffbeschichtung. Selbstverständlich kann zusätzlich oder alternativ zu Erhöhung der Dichtfunktion zwischen Steuerscheibe und Zylinder an der Einlassöffnung des Zylinders auch eine angespritzte Dichtung, insbesondere aus Kohlenstoff, vorgesehen werden, welche sich ebenfalls im Betrieb der Axialkolbenmaschine an der rotierenden Steuerscheibe einschleift und dadurch eine hohe Dichtwirkung erzielt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist an der Welle ein Radialstift angeordnet, der in eine Axialausnehmung an der Steuerscheibe eingreift und dadurch eine Drehmomentübertragung mit Axialspiel ermöglicht. Alternativ hierzu kann auch an der Welle eine Verzahnung angeordnet sein, die mit einer Gegenverzahnung an der Steuerscheibe zusammenwirkt und dadurch ebenfalls eine Drehmomentübertragung mit Axialspiel ermöglicht. Beide genannte Ausführungsformen ermöglichen dabei einerseits die drehfeste Verbindung der Steuerscheibe mit der Welle, erlauben es jedoch andererseits, dass diese sich zumindest geringfügig in Axialrichtung bewegen und dadurch bei einem Überdruck im Zylinder von dessen Einlassöffnung abheben kann. Die Drehmomentübertragung ist dabei auch in abgehobenem zustand gewährleistet. Zweckmäßig weist zumindest ein Kolben an einem Kolbenboden eine Nase bzw. eine Fortsatz auf, die/der zumindest teilweise in die Einlassöffnung eingreift und dadurch ein Totraumvolumen im Gaseinströmbereich minimiert. Der Wirkungsgrad einer Axialkolbenmaschine hängt in großem Maße vom Totraumvolumen im Gaseinströmbereich ab, wobei gilt, dass je weniger Totraumvolumen vorhanden ist, desto mehr Expansionsenergie kann direkt für die Krafterzeugung genutzt werden. Die Verringerung des Totraumvolumens kann dabei beispielsweise von der am Kolbenboden angeordneten Nase bzw. dem dort angeordneten Fortsatz erreicht werden, die/der zumindest einen Teil der Einlassöffnung ausfüllt und dadurch das Totraumvolumen reduziert. Die Nase bzw. der Fortsatz sind selbstverständlich so ausgeführt, dass auch weiterhin ein problemloses Einströmen des Arbeitsmediums in den Zylinder möglich ist.
Eine weitere Möglichkeit der Reduzierung des Totraumvolumens besteht beispielsweise darin, dass sich die Steuerscheibe nach radial außen hinsichtlich ihrer Dicke verjüngt und insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung eine geringe Dicke aufweist, als in einem radial inneren Bereich. Eine besonders vorteilhafte Ausführung ist dabei die Steuerscheibe zwischen dem Bereich der Durch- gangsöffnung und dem radial inneren Bereich gekröpft. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine zwischen den Zylinder und der Steuerscheibe angeordnete Trennwand, in welche die Einlassöffnung des jeweiligen Zylinders integriert ist, zumindest im Bereich der Einlassöffnung hinsichtlich ihrer Dicke reduziert sein. Hierdurch wird das Totraumvolumen, das Wirkungsgrad kostet reduziert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Sicherheitsventil vorgesehen, welches flieg kraftabhängig, das heißt ab einer bestimmten Grenzzahl der Welle eine zugehörige Durchgangsöffnung der Steuerscheibe verschließt und damit ein weiteres Einströmen von Arbeitsmedium in den jeweiligen Zylinder unterbindet. Generell wir die erfindungsgemäße Axial- kolbenmaschine durch das einströmende und in den Zylindern expandierende Gas angetrieben. Tritt hierbei jedoch ein Überlastfall ein, so können die erreichten Drehzahlen so groß werden, dass die Axialkolbenmaschine Schaden nimmt. In diesem Fall muss die Drehzahl möglichst automatisch und unmittelbar herunter geregelt werden. Eine Möglichkeit hierbei ist die Zufuhr von Arbeitsmedium in die Zylinder zu regeln und beispielsweise über einen Bypass umzuleiten. Eine weitere Möglichkeit besteht durch das erfindungsgemäße Sicherheitsventil, welches ab einer gewissen Grenzdrehzahl der Welle, das heißt ab einer Drehzahl, bei welchem eine kritische Phase erreicht wird, eine zugehörige Durchgangsöffnung der Steuerscheibe verschließt und dadurch die weitere Zufuhr von Arbeitsmedium in den jeweiligen Zylinder unterbricht. Hierdurch ist es möglich, die Axialkolbenmaschine unmittelbar herunter zu regeln und die Drehzahl zu verringern. Durch eine vorgesehene Feder kann das Sicherheitsventil bei Unterschreiten der Grenzdrehzahl wieder geöffnet und die Axialkolbenmaschine in einen normalen Betriebsmodus überführt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolben- maschine,
Fig. 2 eine Detaildarstellung der Lagerung der Steuerscheibe an der Welle bei ballig ausgebildeter Welle,
Fig. 3 eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch bei ballig ausgebildeter Steuerscheibe,
Fig. 4 eine Detaildarstellung eines Sicherheitsventils.
Entsprechend der Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1 , die beispielsweise Bestandteil eines nicht näher gezeigten Wärmerückgewinnungssystems 2 eines Kraftfahrzeuges sein kann, eine Welle 3 auf, die drehfest mit einer Schrägscheibe 4 verbunden ist. Ringförmig um und koaxial zur Welle 3 sind dabei Zylinder 5 angeordnet, in welchen Kolben 6, insbesondere hohle und gebaute Kolben, translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jeder dieser Kolben 6 ist dabei über ein Kalottenlager 7 und einen Gleitstein 8 mit der Schrägscheibe 4 verbunden. Jedem Zylinder 5 zugeordnet ist eine Einlassöffnung 9, über welche Arbeitsmedium aus einem Sammelraum 12 über eine Durchgangsöffnung 1 1 einer Steuerscheibe 10 in den Zylinder 5 gelangen kann. Die Steuerscheibe 10 weist somit eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung 1 1 auf, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe 10 jede Einlassöffnung 9 eines Zylinders 5 einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in diesen leitet. Um nun eine Überlastsicherung gegen zu hohen Druck innerhalb des Zylinders 5 auf konstruktiv einfache Weise zu ermöglichen, ist die Steuerscheibe 10 erfindungsgemäß derart an der Welle 3 gelagert, dass sie an einem vordefinierten Druck im Zylinder 5, das heißt ab einem vordefinierten Grenzdruck, reversibel von der Einlassöffnung 9 abhebt und dadurch einen Druckabbau im Zylinder 5 ermöglicht. Um diese reversible Abheben der Steuerscheibe 10 zu ermöglichen ist dies zumindest in geringer Weise axial verstellbar an der Welle 3 gelagert.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Welle 3 an einem Kontaktbereich 13 zur Steuerscheibe 10 eine ballige Außenkontur aufweist, die eine zumindest geringfügige Schrägstellung der Steuerscheibe 10 zur Welle 3 ermöglicht. Dies ist in einer Detaildarstellung auch in Fig. 2 gezeigt. Alternativ hierzu ist denkbar, dass die Steuerscheibe 10 im Kontaktbereich 13 zur Welle 3 eine ballige Innenkontur besitzt, welche ebenfalls eine geringfügige Schrägstellung der Steuerscheibe 10 zur Welle 3 im Überlastfall ermöglicht (vgl. Fig. 3).
Im normalen Betriebszustand soll jedoch die Steuerscheibe 10 die Einlassöffnung 9 des Zylinders 5 möglichst dicht abdecken, weshalb die Steuerscheibe 10 aus Kohlenstoff, insbesondere aus fein verschleißfähigem Kohlenstoff, ausgebildet ist, und/oder eine Beschichtung 14 aufweist, insbesondere eine Polymerbeschich- tung, insbesondere eine Polymerbeschichtung, eine DLC-Beschichtung, eine Kohlenstoffbeschichtung oder Polytetrafluorethylenbeschichtung (PTFE). Bei einer Ausbildung der Steuerscheibe aus Kohlenstoff kann sich diese im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 einschleifen und dadurch die für den hohen Wirkungsgrad verantwortliche Dichtigkeit erzeugen. Die Steuerscheibe 10 kann selbstverständlich auch aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen, beispielsweise Kunststoff und Carbon oder Stahl und Kunststoff bzw. Carbon gefertigt sein und lediglich im Bereich der Kontaktstelle zur Einlassöffnung 9 in den Zylinder 5 die entsprechende Beschichtung 14, beispielsweise eine angespritzte Kontaktgeometrie aus einem reibungsarmen und verschleißbeständigen Material, ähnlich einer Gleitringrichtung, aufweist. Zusätzlich oder alternativ ist selbstverständlich auch eine Feinbe- arbeitung des Kontaktbereichs zwischen der Einlassöffnung 9 und der Steuerscheibe 10 denkbar, beispielsweise durch eine elektrochemische Bearbeitung, oder das Aufbringen einer derartigen harten, verschleißbeständigen Beschichtung 14 auf den Rand der Einlassöffnung 9.
Betrachtet man die Fig. 1 bis 3, so kann man erkennen, dass eine Feder 15 vorgesehen ist, welche die Steuerscheibe 10 gegen die Einlassöffnung 9 des Zylinders vorspannt und dadurch optimal gegenüber dieser abdichtet. Die Feder 15 kann beispielsweise als Schraubenfeder ausgebildet sein und sich um die Welle 3 winden.
Zur Drehmomentübertragung zwischen der Welle 3 und der Steuerscheibe 10 kann an der Welle 3 eine Radialstift 16 (vgl. Fig. 1 ) angeordnet sein, der in eine Axialausnehmung 17 an der Steuerscheibe 10 eingreift und dadurch einerseits die geforderte Drehmomentübertragung ermöglicht, andererseits jedoch ein Axialspiel, insbesondere ein Abheben der Steuerscheibe 10 von der Einlassöffnung im Überlastfall ermöglicht. Alternativ hierzu kann an der Welle 3 auch eine Verzahnung 18 (vgl. Fig. 2) angeordnet sein, die mit einer Gegenverzahnung 19 an der Steuerscheibe 10 zusammenwirkt und dadurch eine Drehmomentübertragung mit Axialspiel ermöglicht.
Betrachtet man die Steuerscheibe 10 gemäß den Fig. 1 bis 3, so kann man erkennen, dass sich diese nach radial außen hinsichtlich ihrer Dicke verjüngt und insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung 1 1 eine geringere Dicke aufweist als in einem radial inneren Bereich. Die Steuerscheibe 10 ist dabei zwischen dem Bereich der Durchgangsöffnung 1 1 und dem radial inneren Bereich gekröpft und zwar an der Stelle 20. Zwischen den Zylindern 5 und der Steuerscheibe 10 ist eine Trennwand 21 angeordnet, die die Einlassöffnung 9 aufweist und die sich vorzugsweise ebenfalls nach radial außen hinsichtlich ihrer Dicke verjüngt, insbesondere im Bereich der Einlassöffnung 9 eine geringere Dicke aufweist, als in einem radial inneren Bereich. Auch diese Trennwand 21 ist dabei im Bereich der Stelle 20 gekröpft. Beide Kröpfungen bzw. beide Dickenverringerungen im Bereich der Durchgangsöffnung 1 1 der Steuerscheibe 10 bzw. der Einlassöffnung 9 der Trennwand 21 dienen dabei der Verringerung des Totraumvolumens und dadurch der Steigerung des Wirkungsgrades der Axialkolbenmaschine 1 . Das Totraumvolumen ist bei der Expansion des Arbeitsmediums nur bedingt an der Erzeugung mechanischer Energie beteiligt und kostet somit Wirkungsgrad.
Betrachtet man nochmals die Fig. 1 , so kann man erkennen, dass der Kolben 6 an einem Kolbenboden 22 eine Nase 23 aufweist, die zumindest teilweise in die Einlassöffnung 9 eingreift. Auch hierdurch kann ein Totraumvolumen reduziert und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden.
Betrachtet man schließlich noch die Fig. 4, so kann man ein Sicherheitsventil 24 erkennen, welches fliehkraftabhängig ab einer vordefinierten Grenzdrehzahl der Welle 3 die zugehörige Durchgangsöffnung 1 1 der Steuerscheibe 10 verschließt und dadurch ein weiteres Zuströmen von Arbeitsmedium in die jeweiligen Zylinder 5 unterbindet. Hierdurch kann ein schlagartiges Abregein der Drehzahl, insbesondere in einem kritischen Zustand, erreicht werden. Durch eine auf eine Verschlussplatte 25 des Sicherheitsventils 24 wirkende Feder 15' wird die Verschlussplatte 25 bei Unterschreiten der vordefinierten Grenzdrehzahl wieder in ihre Öffnungsstellung nach radial innen zurückverstellt und dadurch die Axialkolbenmaschine 1 wieder in ihren normalen Betriebszustand überführt.

Claims

Ansprüche
1 . Axialkolbenmaschine (1 ),
- mit ringförmig um und koaxial zu einer Welle (3) angeordneten Zylindern (5), in welchen Kolben (6) translatorisch verstellbar angeordnet sind,
- wobei jedem Zylinder (5) eine Einlassöffnung (9) zugeordnet ist,
- mit einer drehfest mit der Welle (3) verbundenen Steuerscheibe (10) mit einer exzentrisch angeordneten Durchgangsöffnung (1 1 ), die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe (10) jede Einlassöffnung (9) einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder (5) leitet, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerscheibe (10) derart verstellbar an der Welle (3) gelagert ist, dass sie bei einem vordefinierten Druck im Zylinder (5) reversibel von der Ein- lassöffnung (9) abhebt und dadurch einen Druckabbau im Zylinder (5) ermöglicht.
2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Welle (3) in einem Kontaktbereich (13) zur Steuerscheibe (10) eine ballige Außenkontur oder die Steuerscheibe (10) eine ballige Innenkontur aufweist, die eine zumindest geringfügige Schrägstellung der Steuerscheibe (10) zur Welle (3) ermöglicht.
3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (10) aus Kohlenstoff ausgebildet ist oder eine Beschichtung (14) aufweist, insbesondere eine Polymerbeschichtung, eine DLC- Beschichtung, eine Kohlenstoffbeschichtung oder eine Polytetrafluorethylen- beschichtung (PTFE).
4. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Feder (15) vorgesehen ist, die die Steuerscheibe (10) gegen die Einlassöffnung (9) vorspannt.
5. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Feder (15) als Schraubenfeder ausgebildet ist, die sich um die Welle (3) windet.
6. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass an der Einlassöffnung (9) eine angespritzte Dichtung aus Kohlenstoff vorgesehen ist.
7. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
- dass an der Welle (3) ein Radialstift (16) angeordnet ist, der in eine Axial- ausnehmung (17) an der Steuerscheibe (10) eingreift und dadurch eine Drehmomentübertragung mit Axialspiel ermöglicht, oder
- dass an der Welle (3) eine Verzahnung (18) angeordnet ist, die mit einer Gegenverzahnung (19) an der Steuerscheibe (10) zusammenwirkt und dadurch eine Drehmomentübertragung mit Axialspiel ermöglicht.
8. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Steuerscheibe (10) nach radial außen hinsichtlich ihrer Dicke verjüngt, insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung (1 1 ) eine geringere Dicke aufweist, als in einem radial inneren Bereich.
9. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerscheibe (10) an einer Stelle (20) zwischen dem Bereich der Durchgangsöffnung (1 1 ) und dem radial inneren Bereich gekröpft ist.
10. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Kolben (6) an einem Kolbenboden (22) eine Nase (23) aufweist, die zumindest teilweise in die Einlassöffnung (9) eingreift.
1 1 . Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den Zylindern (5) und der Steuerscheibe (10) eine Trennwand (21 ) angeordnet ist, die die Einlassöffnung (9) aufweist und die sich nach radial außen hinsichtlich ihrer Dicke verjüngt, insbesondere im Bereich der Ein- lassöffnung (9) eine geringere Dicke aufweist, als in einem radial inneren Bereich.
12. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennwand (21 ) an einer Stelle (20) zwischen dem Bereich der Ein- lassöffnung (9) und dem radial inneren Bereich gekröpft ist.
13. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Sicherheitsventil (24) vorgesehen ist, welches ab einer Grenzdrehzahl der Welle (3) eine zugehörige Durchgangsöffnung (1 1 ) der Steuerscheibe (10) verschließt.
14. Wärmerückgewinnungssystem (2) in einem Kraftfahrzeug mit einer Axialkolbenmaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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