WO2016142141A1 - Axialkolbenmaschine - Google Patents

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WO2016142141A1
WO2016142141A1 PCT/EP2016/053370 EP2016053370W WO2016142141A1 WO 2016142141 A1 WO2016142141 A1 WO 2016142141A1 EP 2016053370 W EP2016053370 W EP 2016053370W WO 2016142141 A1 WO2016142141 A1 WO 2016142141A1
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WO
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axial piston
cylinder head
piston machine
sealing
sealing disc
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PCT/EP2016/053370
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French (fr)
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Michael Bucher
Christoph Fiala
Mirko GÜNTHER
Michael HÖTGER
Falk Schneider
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Mahle International GmbH
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Mahle International GmbH
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    • F16K3/085—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with flat sealing faces; Packings therefor with pivoted closure members in the form of closure plates arranged between supply and discharge passages with circular plates rotatable around their centres the axis of supply passage and the axis of discharge passage being coaxial and parallel to the axis of rotation of the plates

Definitions

  • the present invention relates to an axial piston machine with a shaft, according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a heat recovery system with such axial piston machine.
  • a generic axial piston machine with a shaft which is rotatably connected to a swash plate.
  • a plurality of cylinders are arranged, in each of which pistons are arranged in a translationally adjustable manner.
  • Each of these pistons is coupled via an associated spherical bearing and a sliding block with the swash plate, whereby a movement of the respective piston causes a drive of the swash plate and thus a driving of the shaft.
  • each inlet opening of a cylinder is swept once over a control disk with an eccentrically arranged passage opening for each revolution and in the process is supplied to the respective cylinder working medium.
  • a cavity is provided around the shaft, which is delimited by the control disk, wherein the outlet openings belonging to the cylinders pass through the cylinder head in this way are that on the off-axis passage opening in the rotating control disk, a temporary connection between the cavity and the expansion volume of the cylinder can be produced.
  • the efficiency should be able to be increased.
  • axial piston machines are used in heat recovery systems, in which a vaporized by exhaust gas and compressed medium expands, thereby generating mechanical energy.
  • a vaporized by exhaust gas and compressed medium expands, thereby generating mechanical energy.
  • it must be ensured that only one of the cylinders is actually filled, while the other inlet openings of the remaining cylinders are sealed absolutely tight.
  • a rotating valve disc is usually used as inlet control valve, which has a valve opening, so must be sealed at a circumference of this valve disc.
  • the seal is usually carried out via so-called slightly raised "sealing eyes", which surround the inlet openings annular and are therefore also called sealing rings.
  • an axial piston engine is a thermally highly loaded system and both a housing thereof and a cylinder head can heat to different degrees during operation, it can lead to different Axialdehnonne, which in an extreme case to a bulging of the cylinder head and thus connected to a lifting of the valve disc leads from the sealing eyes, resulting in leaks that reduce the efficiency.
  • 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, which in particular by an improved seal has an increased efficiency.
  • This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the present invention is based on the general idea of biasing a gasket for sealing individual intake ports of individual cylinders of an axial piston engine with respect to a rotating valve disk against a cylinder head of the axial piston engine and on the intake ports, whereby buckling of the gasket due to For example, different temperature-induced axial expansions avoided and thereby a flat sealing surface can be ensured to the valve disc, which is much easier to seal.
  • the axial piston machine according to the invention in this case has a rotor with a shaft and annularly arranged around and at an angle to the shaft cylinder, in which piston are arranged translationally adjustable.
  • the cylinders are arranged in a range of +/- 30 ° to the rotor, in particular 0 °, that is parallel to the rotor.
  • An axis of the annularly arranged cylinder runs coaxially to the shaft.
  • Each cylinder is assigned an inlet opening in a cylinder head.
  • a sealing disk is now provided which has a number of passage openings corresponding to the number of inlet openings and which is arranged on the inlet openings such that the passage openings of the sealing disk and the inlet openings of the cylinders are arranged in alignment with one another.
  • the sealing disc is rotatably connected to the cylinder head, so that the passage openings are always arranged in alignment with the inlet openings of the cylinder.
  • a non-rotatably connected to the shaft valve disc provided with a single valve opening, which is rotational angle dependent with the individual passage openings of the sealing disc can be brought into cover and thereby allows depending on the rotational position of an inflow of working fluid into the respective cylinder, while all other cylinders are closed by the sealing washer.
  • the sealing disk arranged between the inlet openings and the valve disk is, according to the invention, prestressed against the cylinder head and onto the inlet openings.
  • sealing disc is biased by means of a bolted to the cylinder head hold-down against the cylinder head and the inlet openings or by the fact that the gasket is bolted directly to the cylinder head.
  • a hold-down device may for example be designed in the manner of a sheet metal star and prevents deformation of the sealing washer. Both embodiments, however, have in common that thereby a pressing of the sealing disc on the cylinder head and thereby sealing in the region of the inlet openings can be achieved in the cylinder, whereby a particularly high efficiency can be achieved.
  • the sealing disc has the respective passage openings surrounding sealing rings which face the valve disc and are in sliding contact therewith.
  • the sealing rings are commonly referred to as sealing eyes here.
  • the valve disc thus slides over the sealing rings and seals the passage openings and the inlet openings aligned therewith into the cylinders, unless the valve opening in the valve disc passes over the respective passage opening of the sealing disc.
  • the sealing disc is at least partially formed of a carbonaceous material or the sealing disc is made of metal and the sealing rings are formed of a carbonaceous material. Carbon is a finely wearable material, which also allows the valve disc to loosen an ideally narrow gap with maximum sealing effect.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the sealing disc is biased by means of a hold-down against the cylinder head and on the inlet openings, the hold-down has radial arms which are biased in the circumferential direction between the through holes against the sealing disc and press them against the cylinder head.
  • the fixing of the sealing disc to the cylinder head is effected by means of the hold-down device, the radial arms of which allow an at least slight tolerance compensation depending on the rigidity.
  • the hold-down device with its radial arms can be designed as a cost-effective and temperature-resistant stamped sheet metal part and by means of screws with the cylinder head, i. through the sealing washer, screwed. In this case, it is conceivable that the sealing disc is annular and the screws pierce the sealing disc within the ring.
  • the valve opening in the valve disc is formed annular segment-shaped and has convex side walls.
  • a radius of the convex side walls corresponds to a radius of the passage openings in the sealing Disc.
  • the present invention is further based on the general idea of equipping a heat recovery system in a motor vehicle with such an axial piston machine.
  • a heat recovery system may, for example, use the exhaust gas emitted by an internal combustion engine and very hot exhaust gas for heating or vaporizing a working medium, which medium then expands and drives the axial piston engine, thereby converting the energy of the hot exhaust gas into mechanical energy.
  • FIG. 1 is an end view of an axial piston machine according to the invention
  • valve disc 3 is a view of a valve disc
  • FIG. 4 is a detailed view of a sealing washer of Figure 2
  • Fig. 5 is a representation as in Figure 4, but in another sealing disc
  • Fig. 6 is a representation as in Fig. 1, but with differently designed
  • an axial piston machine 1 which can be used for example in a heat recovery system 2 of a motor vehicle not shown in more detail, has a rotor 3 with a shaft 4.
  • cylinders 5 are arranged in a ring shape around and parallel to the shaft 4, in which pistons 6 are arranged translationally adjustable.
  • Each of the cylinders 5 is assigned an inlet opening 8 in a cylinder head 7.
  • a sealing disk 9 is provided which has a number of passage openings 10 corresponding to the number of inlet openings 8 and which is arranged on the cylinder head 7 such that the passage openings 10 and the inlet openings 8 are arranged in alignment with one another.
  • a valve disk 1 1 connected in a rotationally fixed manner to the shaft 4 (see also FIG. 3) with a single valve opening 12, which can be brought into coincidence with the individual passage openings 10 of the sealing disk 9 in a manner dependent on the angle of rotation. Escapes while the valve opening 12 with the passage openings 10 of the sealing disc 9, the working medium can be admitted into the respectively associated cylinder 5 and the piston 6 are moved by means of the working medium.
  • the sealing disc 9 is also arranged between the inlet openings 8 and the valve disc 1 1 and biased against the cylinder head 7 directly or indirectly by means of a hold-down 13. In the same way, the sealing disc 9 is biased onto the inlet openings 8 in the cylinder head 7.
  • the sealing disk 9 can be prestressed against the cylinder head 7 and onto the inlet openings 8 by means of a downholder 13 bolted to the cylinder head 7, or else the sealing disk 9 is screwed directly to the cylinder head 7. In both cases, screws 14 are used for this purpose.
  • the biasing of the sealing disc 9 against the cylinder head 7 and on the inlet openings 8 offers the great advantage that even with a bulging of the cylinder head 7 by different strong thermal expansions no lifting of the gasket 9 from the cylinder head 7 and from the inlet openings 8, along with the resulting from leaks.
  • the sealing disc 9 may be formed as a disc and in this case directly to the cylinder head 7 via the corresponding
  • Screws 14 are screwed.
  • the sealing disc 9 is configured annular, as is carried out for example according to Figures 1, 2 and 4 and 5.
  • the holding-down device 13 is used for pretensioning, which radial arms 15 (cf., FIG. 1) are prestressed in the circumferential direction between the through-openings 10 against the sealing disk 9 and press them against the cylinder head 7.
  • the ter 13 can be formed as a simple and inexpensive to produce sheet metal forming part.
  • the sealing disk 9 itself has either disk-like or ring-like sealing rings 16 (see also FIGS. 1, 2 and 4 and 5) which face the respective through-openings 10 and face the valve disk 11 in sliding contact therewith ,
  • the valve disc 1 1 thus grinds or slides during operation of the axial piston machine 1 via the sealing rings 16.
  • the sealing disc 9 itself can be at least partially formed from a carbonaceous material 17, wherein, of course, a complete design of a carbonaceous material 17 is conceivable.
  • the gasket 9 made of metal 18 and the sealing rings 16 are formed from the carbonaceous material 17, as shown for example in FIG 5.
  • a temperature and wear resistant material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) conceivable.
  • the sealing disc 9 may also be made entirely of a metallic material, in particular of a Cu-based material with zinc and / or tin and / or lead, or of brass. The whole can be present as a cast workpiece or semi-finished product, which is then processed.
  • valve opening 12 is formed annular segment-shaped and has convex side walls 19. It is of particular advantage in this case if a radius R s of the convex side walls 19 corresponds to a radius R D of the passage openings 10 or to a radius R DR of the sealing rings 16. Both embodiments have in common that by the convex shaped side walls 19 a comparatively fast, In particular, even sudden opening of the respective cylinder 5 and a rapid or sudden application of the respective piston can be done with working medium.
  • the sealing rings 16 may also be produced by a turning / milling process (see Fig. 6), wherein an inner diameter D1 and an outer diameter D2 determine the turning operation and thus determines an inner edge 20 and an outer edge 21 of the sealing ring 16.
  • the two side edges 22, 22 ' are then produced with a milling.
  • the sealing ring 16 has no annular shape in the true sense, but a quadrangular outer contour with the circular segment arc-shaped inner edge 20 and outer edge 21 and the radially extending side edges 22, 22 '.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine (1), - mit einem Rotor (3) mit einer Welle (4), - mit ringförmig um die Welle (4) angeordneten Zylindern (5), in welchen Kolben (6) translatorisch verstellbar angeordnet sind, - wobei jedem Zylinder (5) in einem Zylinderkopf (7) eine Einlassöffnung (8) zugeordnet ist. Erfindungswesentlich ist dabei, - dass eine Dichtscheibe (9) vorgesehen ist, die eine zur Anzahl der Einlassöffnungen (8) korrespondierende Anzahl an Durchgangsöffnungen (10) aufweist und die derart am Zylinderkopf (7) angeordnet ist, dass die Durchgangsöffnungen (10) und die Einlassöffnungen (8) fluchtend zueinander angeordnet sind, - dass eine drehfest mit der Welle (4) verbundene Ventilscheibe (11) mit einer Ventilöffnung (12) vorgesehen ist, die drehwinkelabhängig mit den einzelnen Durchgangsöffnungen (10) der Dichtscheibe (9) in Deckung bringbar ist, - dass die Dichtscheibe (9) zwischen den Einlassöffnungen (8) und der Ventilscheibe (11) angeordnet und gegen den Zylinderkopf (7) und auf die Einlassöffnungen (8) vorgespannt ist.

Description

Axialkolbenmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Welle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem ein Wärmerückgewinnungssystem mit einer derartigen Axialkolbenmaschine.
Bei Verbrennungsmotoren ist es bekannt, dass lediglich 40% der im Kraftstoff gespeicherten Energie zur Bewegung des Kolbens und damit zum Antrieb des Verbrennungsmotors genutzt werden. Die restliche im Rahmen der Verbrennung erzeugte Energie wird hauptsächlich durch entweichende Verbrennungsabgase in Form von Wärme aus dem Verbrennungsmotor abgeleitet. Zur Reduzierung derartiger Wärmeverluste und damit auch zur Steigerung der Effizienz des Verbrennungsmotors ist es bekannt, eine Axialkolbenmaschine mit dem Verbrennungsmotor zu koppeln.
Aus der DE 10 201 1 1 18 622 A1 ist beispielsweise eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine mit einer Welle bekannt, welche drehfest mit einer Schrägscheibe verbunden ist. Koaxial zur Welle und ringförmig um diese sind dabei mehrere Zylinder angeordnet, in welchen jeweils Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jeder dieser Kolben ist über ein zugehöriges Kalottenlager und einen Gleitstein mit der Schrägscheibe gekoppelt, wodurch eine Bewegung des jeweiligen Kolbens einen Antrieb der Schrägscheibe und damit ein Antreiben der Welle bewirkt. Über eine Steuerscheibe mit einer exzentrisch angeordneten Durch- gangsöffnung wird dabei jede Einlassöffnung eines Zylinders bei jeder Umdrehung einmal überstrichen und dabei dem jeweiligen Zylinder Arbeitsmedium zugeführt. Im Zentralbereich der Axialkolbenmaschine ist um die Welle herum ein Hohlraum vorgesehen, der von der Steuerscheibe begrenzt ist, wobei die zu den Zylindern gehörenden Auslassöffnungen derart durch den Zylinderkopf geführt sind, dass über die außeraxiale Durchgangsöffnung in der umlaufenden Steuerscheibe eine temporäre Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Expansionsvolumen des Zylinders herstellbar ist. Hierdurch soll insbesondere der Wirkungsgrad gesteigert werden können.
Generell werden in Wärmerückgewinnungssystemen Axialkolbenmaschinen verwendet, in denen ein durch Abgas verdampftes und komprimiertes Medium expandiert und dadurch mechanische Energie erzeugt. Um dabei einen möglichst hohen Wirkungsgrad erzielen zu können, muss sichergestellt werden, dass auch wirklich nur einer der Zylinder gefüllt wird, während die anderen Einlassöffnungen der restlichen Zylinder absolut dicht verschlossen sind. Da als Einlassregelventil üblicherweise eine rotierende Ventilscheibe verwendet wird, welche eine Ventilöffnung aufweist, muss also an einem Kreisumfang dieser Ventilscheibe abgedichtet werden. Die Abdichtung erfolgt hierbei üblicherweise über sogenannte leicht erhabene "Dichtaugen", die die Einlassöffnungen ringförmig umschließen und deshalb auch Dichtringe genannt werden.
Da eine Axialkolbenmaschine ein thermisch hoch belastetes System darstellt und sich im Betrieb sowohl ein Gehäuse derselben als auch ein Zylinderkopf unterschiedlich stark erwärmen können, kann es zu unterschiedlichen Axialdehnungen kommen, welche im Extremfall zu einem sich Aufwölben des Zylinderkopfes und verbunden damit zu einem Abheben der Ventilscheibe von den Dichtaugen führt, wodurch sich Undichtigkeiten ergeben, die den Wirkungsgrad reduzieren.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere durch eine verbesserte Abdichtung einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist. 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, eine Dichtscheibe zum Abdichten einzelner Einlassöffnungen einzelner Zylinder einer Axialkolbenmaschine in Bezug auf eine rotierende Ventilscheibe gegen einen Zylinderkopf der Axialkolbenmaschine und auf die Einlassöffnungen vorzuspannen, wodurch ein sich Wölben bzw. ein anderweitiges sich Verformen der Dichtscheibe aufgrund von beispielsweise unterschiedlichen temperaturbedingen Axialdehnungen vermieden und dadurch eine plane Dichtfläche zur Ventilscheibe gewährleistet werden kann, welche deutlich einfacher abzudichten ist. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine weist dabei einen Rotor mit einer Welle auf sowie ringförmig um und winkelig zur Welle angeordnete Zylinder, in welchen Kolben translatorisch verstellbar angeordnet sind. Dabei sind die Zylinder in einem Bereich von +/- 30° zum Rotor, insbesondere 0°, also parallel zum Rotor angeordnet. Eine Achse der ringförmig angeordneten Zylinder verläuft dabei koaxial zur Welle. Jedem Zylinder ist dabei in einem Zylinderkopf eine Einlassöffnung zugeordnet. Erfindungsgemäß ist nun eine Dichtscheibe vorgesehen, welche eine zur Anzahl der Einlassöffnungen korrespondierende Anzahl an Durchgangsöffnungen aufweist und welche derart auf den Einlassöffnungen angeordnet ist, dass die Durchgangsöffnungen der Dichtscheibe und die Einlassöffnungen der Zylinder fluchtend zueinander angeordnet sind. Die Dichtscheibe ist dabei drehfest mit dem Zylinderkopf verbunden, so dass die Durchgangsöffnungen stets fluchtend zu den Einlassöffnungen der Zylinder angeordnet sind. Des Weiteren vorgesehen ist eine drehfest mit der Welle verbundene Ventilscheibe mit einer einzigen Ventilöffnung vorgesehen, die drehwinkelabhängig mit den einzelnen Durchgangsöffnungen der Dichtscheibe in Deckung bringbar ist und dadurch je nach Drehstellung ein Einströmen von Arbeitsmedium in den jeweiligen Zylinder ermöglicht, während sämtliche andere Zylinder von der Dichtscheibe verschlossen sind. Um nun ein zuverlässiges Abdichten der einzelnen Zylinder bewirken zu können, ist die zwischen den Einlassöffnungen und der Ventilscheibe angeordnete Dichtscheibe erfindungsgemäß gegen den Zylinderkopf und auf die Einlassöffnungen vorgespannt. Dies kann entweder dadurch erfolgen, dass die Dichtscheibe mittels eines mit dem Zylinderkopf verschraubten Niederhalters gegen den Zylinderkopf und auf die Einlassöffnungen vorgespannt ist oder aber dadurch, dass die Dichtscheibe direkt mit dem Zylinderkopf verschraubt ist. Ein derartiger Niederhalter kann beispielsweise in der Art eines Blechsterns ausgebildet sein und verhindert eine Verformung der Dichtscheibe. Beiden Ausführungsformen ist dabei jedoch gemein, dass hierdurch ein Anpressen der Dichtscheibe auf den Zylinderkopf und dadurch ein Abdichten im Bereich der Einlassöffnungen in die Zylinder erreicht werden kann, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad erreichbar ist. Von besonderem Vorteil bei der Fixierung der Dichtscheibe am Zylinderkopf ist darüber hinaus, dass selbst bei einem temperaturbedingen oder druckbedingten Verformen und insbesondere Aufbauchen des Zylinderkopfes die Dichtscheibe so dicht wie möglich auf den Einlassöffnungen verbleibt. Das Abheben der Dichtscheibe wird reduziert, da sich die Dichtscheibe nicht achsnah, sondern in der direkten Nähe der Einlassöffnungen abstützt. Daraus resultiert eine deutlich reduzierte Leckage.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Dichtscheibe die jeweiligen Durchgangsöffnungen umgebende Dichtringe auf, die der Ventilscheibe zugewandt sind und in Gleitkontakt zu dieser stehen. Die Dichtringe werden hierbei landläufig auch als Dichtaugen bezeichnet. Die Ventilscheibe gleitet somit über die Dichtringe und dichtet die Durchgangsöffnungen und die damit fluchtenden Einlassöffnungen in die Zylinder ab, sofern nicht die Ventilöffnung in der Ventilscheibe über die jeweilige Durchgangsöffnung der Dichtscheibe streicht. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Dichtscheibe zumindest teilweise aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff ausgebildet oder aber die Dichtscheibe ist aus Metall und die Dichtringe sind aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff ausgebildet. Kohlenstoff stellt dabei einen feinver- schleißfähigen Werkstoff dar, der es darüber hinaus ermöglicht, dass die Ventilscheibe sich einen ideal engen Spalt mit maximaler Dichtwirkung freischleift. Selbstverständlich könnte anstelle des kohlenstoffhaltigen Werkstoffes auch ein anderer dichtender und temperaturbeständiger Werkstoff verwendet werden, wie beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE).
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird die Dichtscheibe mittels eines Niederhalters gegen den Zylinderkopf und auf die Ein- lassöffnungen vorgespannt, wobei der Niederhalter Radialarme aufweist, die in Umfangsrichtung zwischen den Durchgangsöffnungen gegen die Dichtscheibe vorgespannt sind und diese gegen den Zylinderkopf drücken. Bei dieser zum direkten Verschrauben der Dichtscheibe mit dem Zylinderkopf alternativen Ausführungsform erfolgt die Fixierung der Dichtscheibe am Zylinderkopf mittels des Niederhalters, wobei die Radialarme desselben je nach Steifigkeit einen zumindest geringfügigen Toleranzausgleich ermöglichen. Der Niederhalter mit seinen Radialarmen kann dabei als kostengünstiges und temperaturbeständiges Blechstanzteil ausgebildet sein und mittels Schrauben mit dem Zylinderkopf, d.h. durch die Dichtscheibe hindurch, verschraubt werden. In diesem Fall ist es denkbar, dass die Dichtscheibe ringförmig ausgebildet ist und die Schrauben innerhalb des Rings die Dichtscheibe durchstoßen.
Zweckmäßig ist die Ventilöffnung in der Ventilscheibe ringsegmentförmig ausgebildet und besitzt konvexe Seitenwände. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung entspricht dabei ein Radius der konvexen Seitenwände einem Radius der Durchgangsöffnungen in der Dicht- Scheibe. Hierdurch kann bei einem Überstreichen der Ventilöffnung über die Durchgangsöffnung ein vergleichsweise schnelles, insbesondere sogar schlagartiges Öffnen und Schließen der Durchgangsöffnungen bzw. Einlassöffnungen in den jeweiligen Zylinder erreicht werden, wodurch ein schlagartiges Beaufschlagen des jeweiligen Kolbens mit Dampf bzw. dem verwendeten Arbeitsmedium erfolgt.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Wärmerückgewinnungssystem in einem Kraftfahrzeug mit einer solchen Axialkolbenmaschine auszustatten. Ein derartiges Wärmerückgewinnungssystem kann beispielsweise das von einer Brennkraftmaschine ausgestoßene und sehr heiße Abgas zur Erhitzung bzw. zum Verdampfen eines Arbeitsmediums verwenden, wobei dieses Medium anschließend in der Axialkolbenmaschine expandiert und diese antreibt und dadurch die Energie des heißen Abgases in mechanische Energie umwandelt.
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. Dabei zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine Stirnansicht auf eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine,
Fig. 3 eine Ansicht auf eine Ventilscheibe,
Fig. 4 eine Detaildarstellung einer Dichtscheibe aus Figur 2,
Fig. 5 eine Darstellung wie in Figur 4, jedoch bei einer anderen Dichtscheibe
Fig. 6 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch bei anders ausgebildeten
Dichtringen.
Entsprechend den Figuren 1 , 2 und 6, weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1 , welche beispielsweise in einem Wärmerückgewinnungssystem 2 eines nicht näher gezeigten Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann, einen Rotor 3 mit einer Welle 4 auf. Ringförmig um und parallel zur Welle 4 sind dabei Zylinder 5 angeordnet, in welchen Kolben 6 translatorisch verstellbar angeordnet sind. Jedem der Zylinder 5 ist dabei in einem Zylinderkopf 7 eine Einlassöffnung 8 zugeordnet. Darüber hinaus ist eine Dichtscheibe 9 vorgesehen, die eine zur Anzahl der Einlassöffnungen 8 korrespondierende Anzahl an Durchgangsöffnungen 10 aufweist und die derart am Zylinderkopf 7 angeordnet ist, dass die Durchgangsöffnungen 10 und die Einlassöffnungen 8 fluchtend zueinander angeordnet sind. Zur abwechselnden Beaufschlagung der einzelnen Zylinder 5 mit einem Arbeitsmedium ist eine drehfest mit der Welle 4 verbundene Ventilscheibe 1 1 (vgl. auch Figur 3) mit einer einzigen Ventilöffnung 12 vorgesehen, die drehwinkelabhängig mit den einzelnen Durchgangsöffnungen 10 der Dichtscheibe 9 in Deckung bringbar ist. Fluchtet dabei die Ventilöffnung 12 mit den Durchgangsöffnungen 10 der Dichtscheibe 9, kann das Arbeitsmedium in den jeweils zugehörigen Zylinder 5 eingelassen und der Kolben 6 mit Hilfe des Arbeitsmediums bewegt werden. Erfindungsgemäß ist zudem die Dichtscheibe 9 zwischen den Einlassöffnungen 8 und der Ventilscheibe 1 1 angeordnet und gegen den Zylinderkopf 7 direkt oder indirekt mittels eines Niederhalters 13 vorgespannt. In gleicher Weise ist die Dichtscheibe 9 auf die Einlassöffnungen 8 im Zylinderkopf 7 vorgespannt.
Wie erwähnt, kann dabei die Dichtscheibe 9 mittels eines mit dem Zylinderkopf 7 verschraubten Niederhalters 13 gegen den Zylinderkopf 7 und auf die Einlassöffnungen 8 vorgespannt sein, oder aber die Dichtscheibe 9 ist direkt mit dem Zylinderkopf 7 verschraubt. In beiden Fällen werden hierzu Schrauben 14 eingesetzt.
Das Vorspannen der Dichtscheibe 9 gegen den Zylinderkopf 7 und auf die Ein- lassöffnungen 8 bietet den großen Vorteil, dass selbst bei einem Aufbauchen des Zylinderkopfs 7 durch unterschiedlich starke Temperaturdehnungen kein Abheben der Dichtscheibe 9 vom Zylinderkopf 7 und von den Einlassöffnungen 8, einhergehend mit den daraus folgenden Undichtigkeiten, erfolgen kann.
Wie der Name bereits sagt, kann die Dichtscheibe 9 als Scheibe ausgebildet sein und in diesem Fall direkt mit dem Zylinderkopf 7 über die entsprechenden
Schrauben 14 verschraubt werden. Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass die Dichtscheibe 9 ringförmig ausgestaltet ist, wie dies beispielsweise gemäß den Figuren 1 , 2 sowie 4 und 5 ausgeführt ist. In diesem Fall wird zum Vorspannen der Niederhalter 13 verwendet, welcher Radialarme 15 (vgl. Figur 1 ) aufweist, die in Umfangsrichtung zwischen den Durchgangsöffnungen 10 gegen die Dichtscheibe 9 vorgespannt sind und diese gegen den Zylinderkopf 7 drücken. Der Niederhai- ter 13 kann dabei als einfach und kostengünstig herzustellendes Blechumformteil ausgebildet sein.
Die Dichtscheibe 9 selbst weist unabhängig von ihrer Ausführungsform, entweder scheibenartig oder ringartig, die jeweiligen Durchgangsöffnungen 10 umgebende Dichtringe 16 (vgl. auch die Figuren 1 , 2 sowie 4 und 5) auf, die der Ventilscheibe 1 1 zugewandt sind in Gleitkontakt zu dieser stehen. Die Ventilscheibe 1 1 schleift bzw. gleitet somit im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 über die Dichtringe 16. Die Dichtscheibe 9 selbst kann dabei zumindest teilweise aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff 17 ausgebildet sind, wobei selbstverständlich auch eine komplette Ausbildung aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff 17 denkbar ist. Alternativ hierzu ist auch vorstellbar, dass die Dichtscheibe 9 aus Metall 18 und die Dichtringe 16 aus dem kohlenstoffhaltigen Werkstoff 17 ausgebildet sind, wie dies beispielsweise gemäß der Figur 5 dargestellt ist. Wiederum alternativ ist selbstverständlich anstelle des kohlenstoffhaltigen Werkstoffs 17 auch die Verwendung eines Kunststoffes, insbesondere eines temperatur- und verschleißbeständigen Stoffes, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) vorstellbar.
Die Dichtscheibe 9 kann auch insgesamt aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein, insbesondere aus einem Cu-Basis Werkstoff mit Zink und/oder Zinn und/oder Blei, oder aus Messing. Das ganze kann als gegossenes Werkstück o- der als Halbzeug vorliegen, das dann bearbeitet wird.
Betrachtet man noch die Figuren 3 und 4, so kann man erkennen, dass die Ventilöffnung 12 ringsegmentförmig ausgebildet ist und konvexe Seitenwände 19 aufweist. Von besonderem Vorteil ist dabei, sofern ein Radius Rs der konvexen Seitenwände 19 einem Radius RD der Durchgangsöffnungen 10 bzw. einem Radius RDR der Dichtringe 16 entspricht. Beiden Ausführungsformen ist dabei gemein, dass durch die konvex geformten Seitenwände 19 ein vergleichsweise schnelles, insbesondere sogar schlagartiges Öffnen des jeweiligen Zylinders 5 sowie ein schnelles bzw. schlagartiges Beaufschlagen des jeweiligen Kolbens mit Arbeitsmedium erfolgen kann.
Die Dichtringe 16 können auch durch eine Dreh-/Fräsbearbeitung hergestellt sein (vgl. Fig. 6), wobei ein innerer Durchmesser D1 und ein äußerer Durchmesser D2 die Drehbearbeitung bestimmen und damit eine Innenkante 20 und eine Außenkante 21 des Dichtrings 16 bestimmt. Die beiden Seitenkanten 22, 22' werden dann mit einer Fräsbearbeitung erzeugt. In diesem Fall besitzt der Dichtring 16 keine ringförmige Gestalt im eigentlichen Sinne, sondern eine viereckige Außenkontur mit der kreissegmentbogenförmigen Innenkante 20 und Außenkante 21 und den in Radialrichtung gerade verlaufenden Seitenkanten 22, 22'.
Mit der erfindungsgemäß am Zylinderkopf 7 fixierten Dichtscheibe 9 kann auch bei eventuell auftretenden Wölbungen im Bereich des Zylinderkopfes 7 eine dichte Anlage der Dichtscheibe 9 auf den Einlassöffnungen 8 erreicht werden, was besonders vorteilhaft für den Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine 1 ist, da selbst bei gewölbtem Zylinderkopf 7 kein Abheben der Dichtscheibe 9 vom Zylinderkopf 7 befürchtet werden muss. Die stets dichte Auflage der Dichtscheibe 9 auf den Zylinderkopf 7 können insbesondere bisher dort bei einem sich Wölben des Zylinderkopfes 7 auftretende Undichtigkeiten zuverlässig vermieden werden.

Claims

Ansprüche
1 . Axialkolbenmaschine (1 ),
- mit einem Rotor (3) mit einer Welle (4),
- mit ringförmig um die zur Welle (4) angeordneten Zylindern (5), in welchen Kolben (6) translatorisch verstellbar angeordnet sind,
- wobei jedem Zylinder (5) in einem Zylinderkopf (7) eine Einlassöffnung (8) zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Dichtscheibe (9) vorgesehen ist, die eine zur Anzahl der Ein- lassöffnungen (8) korrespondierende Anzahl an Durchgangsöffnungen (10) aufweist und die derart am Zylinderkopf (7) angeordnet ist, dass die
Durchgangsöffnungen (10) und die Einlassöffnungen (8) fluchtend zueinander angeordnet sind,
- dass eine drehfest mit der Welle (4) verbundene Ventilscheibe (1 1 ) mit einer Ventilöffnung (12) vorgesehen ist, die drehwinkelabhängig mit den einzelnen Durchgangsöffnungen (10) der Dichtscheibe (9) in Deckung bringbar ist,
- dass die Dichtscheibe (9) zwischen den Einlassöffnungen (8) und der Ventilscheibe (1 1 ) angeordnet und gegen den Zylinderkopf (7) und auf die Ein- lassöffnungen (8) vorgespannt ist.
2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, - dass die Dichtscheibe (9) mittels eines mit dem Zylinderkopf (7) verschraubten Niederhalters (13) gegen den Zylinderkopf (7) und auf die Ein- lassöffnungen (8) vorgespannt ist, oder
- dass die Dichtscheibe (9) direkt über Schrauben (14) mit dem Zylinderkopf (7) verschraubt ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtscheibe (9) die jeweiligen Durchgangsöffnungen (10) umgebende erhabene Dichtringe (16) aufweist, die der Ventilscheibe (1 1 ) zugewandt sind und in Gleitkontakt zu dieser stehen.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtringe (16) durch eine Dreh-/Fräsbearbeitung hergestellt sind und eine ringförmige Gestalt aufweisen oder eine viereckige Außenkontur mit einer kreissegmentbogenförmigen Innenkante (20) und Außenkante (21 ) und in Radialrichtung gerade verlaufenden Seitenkanten (22, 22').
Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtscheibe (9) zumindest teilweise aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff (17) oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgebildet ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtscheibe (9) aus Metall (18) und die Dichtringe (16) aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff (17) oder aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgebildet sind.
7. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Dichtscheibe (9) insgesamt aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist, insbesondere aus einem Cu-Basis Werkstoff mit Zink und/oder Zinn und/oder Blei, oder
- dass die Dichtscheibe (9) insgesamt aus Messing ausgebildet ist.
8. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Niederhalter (13) Radialarme (15) aufweist, die in Umfangsrichtung zwischen den Durchgangsöffnungen (10) gegen die Dichtscheibe (9) vorgespannt sind und diese gegen den Zylinderkopf (7) drücken.
9. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventilöffnung (12) ringsegmentförmig ausgebildet ist und konvexe Seitenwände (19) aufweist.
10. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Radius Rs der konvexen Seitenwände (19) einem Radius RD der Durchgangsöffnungen (10) oder einem Radius RDR der Dichtringe (16) entspricht.
1 1 . Wärmerückgewinnungssystem (2) in einem Kraftfahrzeug mit einer Axialkolbenmaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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