WO2016146456A1 - Axialkolbenmaschine mit auslasssteuerung - Google Patents

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WO2016146456A1
WO2016146456A1 PCT/EP2016/055044 EP2016055044W WO2016146456A1 WO 2016146456 A1 WO2016146456 A1 WO 2016146456A1 EP 2016055044 W EP2016055044 W EP 2016055044W WO 2016146456 A1 WO2016146456 A1 WO 2016146456A1
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WO
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roller slide
axial piston
shaft
piston machine
cylinder
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PCT/EP2016/055044
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English (en)
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Michael Bucher
Christoph Fiala
Mirko GÜNTHER
Michael HÖTGER
Gunter Rzychon
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Mahle International Gmbh
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Publication date
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    • F04B1/26—Control
    • F04B1/28—Control of machines or pumps with stationary cylinders

Definitions

  • the invention relates to an axial piston machine containing
  • Axial piston machines have a plurality of cylinders, in each of which a piston executes a stroke.
  • the hub is transmitted, for example via a wobble or swash plate on the shaft.
  • a generator or a vehicle can be driven with the rotating shaft.
  • the inlet control for the working medium is carried out by means of control organs.
  • a valve-controlled axial piston machine is known.
  • the known arrangement comprises a rotating cam, which is driven by the shaft.
  • the cam plate controls valve tappets and by means of the valve tappets the valves at the respective inlet of the cylinder.
  • the arrangement is voluminous and complex.
  • DE 10 2011 118 622 AI discloses an axial piston machine of the type mentioned, in which in the central region of the cylinder assembly, a cavity is provided around the shaft around, which is bounded by a rotating rotary valve with an off-axis opening.
  • the exhaust ports associated with the cylinders pass through the cylinder head. In this case, a temporary connection between the cavity and the expansion volume of the cylinder is produced.
  • the timing at the outlet can be realized geometrically by the shape of the opening in the rotary valve.
  • a disadvantage of the arrangement is that the exhaust port in the cylinder head is expensive to manufacture and that the additional channel brings in the cylinder head efficiency disadvantages.
  • a plurality of cylinders are arranged in a ring around a shaft.
  • the stroke direction runs parallel to the center axis of the shaft.
  • the cylinders are limited at the top by a common cylinder head.
  • a connection is made laterally from the shell of the roller slide to the cavity.
  • the connection can be guided in the form of a channel or a bore through the body of the roller slide. Then, the connection through the channel from a lateral opening located in the jacket with an opening in the cavity-side end face of the roller slide. Cost effective, the connection can be realized in the form of an externally mounted recess.
  • a roller slide is a cost-effective, simple and very accurate manufacturable rotary part.
  • the arrangement also gains an increased efficiency.
  • the volume in the outlet is lower than when using a side outlet in the cylinder head, whereby the efficiency increases.
  • a guided through the cylinder head sealing sleeve is provided, which seals against the roller slide out. This avoids blow-by on the shaft beyond the roller slide and achieves better efficiency.
  • a mechanical seal can be used instead of the sealing sleeve and a mechanical seal.
  • the area between the sealing sleeve and shaft, as well as the area on the side facing away from the roller slide side of the sealing sleeve are exposed to the pressure of the working medium.
  • the steam room of Arrangement generates vapor pressure, which takes over the investment force. Additional springs or other components for pressing are not required.
  • a rotation for holding the sealing sleeve or provided for the sealing sleeve guide is provided.
  • the roller slide can be made of steel, carbon, temperature-resistant plastic or an alloy containing copper, tin, zinc and / or nickel or a combination thereof.
  • the material or the composition of the materials for the roller slide is selected so that it comes to contact with the housing to no abrasive wear. If the shaft is skewed, unintentional contact may occur. Then it is good if the slider only wears, but not lubricates or eats and blocks.
  • Coated steel or high-temperature resistant plastics such as those sold under the trade names Vespel, Torion, Teflon or Piek, are particularly well suited.
  • a gap between the housing and roller slide is formed, the dimensions of which are selected such that the expansion is taken into account due to operational heat generation.
  • Plastic for example, expands more than steel. Accordingly, more space must be provided.
  • Carbon on the other hand, expands only to a very small extent.
  • the gap can be chosen correspondingly lower. The arrangement must not have too much play during operation.
  • a spacer ring between a shaft shoulder and the roller slide is provided.
  • the spacer ring can be made of a material with a thermal expansion, which allows to move the roller slide in an optimal position at operating temperature machine.
  • Optimal means that the position reaches the sealing ring and the secondary outlet channel in which the Mauauslasskanal is not completely or partially closed. A partial overlap creates an undesirable flow edge and, as a consequence, a reduction in the efficiency.
  • the arrangement may have discharge openings in the roller slide, which open in the housing, wherein the housing is provided with an outlet opening to the condenser.
  • Fig.1 is a longitudinal section through an axial piston machine with roller slide.
  • FIG. 2 is a longitudinal section through the axial piston machine from FIG. 1 along another sectional plane.
  • FIG. 1 Axial piston machine from FIG. 1.
  • FIG. 6 is a side view of the roller slide of Figure 3.
  • FIG. 7 is a diagram showing the pressure curve of the arrangement of FIG. 1 in FIG.
  • FIG. 8 is a pV diagram for the arrangement of FIG. 1.
  • FIG. 9 is a detail from FIG. 1 with the sealing sleeve. Description of the embodiment
  • FIG. 1 and 2 show a generally designated 110 axial piston machine.
  • the axial piston machine 110 has a two-part housing with a cylindrical upper housing part 112 and a lower housing part 116. Coaxially through the housing 112 and 116, a rotatably mounted shaft 118 is guided. On the upper housing part 112, a disk-shaped cylinder head 120 is provided. The cylinder head 120 and the housing part 112 are connected to bolts 124 that extend through the cylinder head 120. The ends of the bolts protrude upwards out of the housing, which can be clearly seen in FIG.
  • holes 142 are provided, which are arranged in a ring shape, parallel to the axis of rotation of the shaft about the shaft 118 around. This is shown in FIG.
  • the holes 142 form the expansion volume of the cylinder of the axial piston 110.
  • 7 or 9 holes are provided in non-illustrated embodiments.
  • piston 144 are guided.
  • the pistons 144 have cavities 126. As a result, these are lightweight and require little material.
  • the sliding blocks 146 In the lower region of the piston 144 two sliding blocks 146 are rotatably mounted.
  • the sliding blocks 146 have the shape of a spherical segment.
  • a swash plate 148 is connected to the pistons 144 according to the number of pistons with a plurality of sliding blocks 146.
  • the swash plate 148 is fixedly connected to the lower part of the shaft 118.
  • a common, disk-shaped cylinder head 120 is arranged at the upper end of the upper housing part 12. With the cylinder head 120, the holes 142 are closed. The upper part of the shaft 118 is guided through a center hole in the cylinder head 120. The upper end of the shaft 118 opens into an inlet chamber 132.
  • the inlet chamber 132 is formed by a connection projection 122 on the cylinder head with a cover 123.
  • the terminal projection 122 has a bore 135 as an inlet.
  • a disk-shaped rotary valve 134 runs on a carbon bearing 138.
  • the inlet chamber 132 is connectable via the inlet 135 to a source of pressurized working fluid. For this purpose, a steam supply line is provided, which opens into the inlet chamber 132.
  • the rotary valve 134 is positively connected to the upper part of the shaft 118 and is driven by this.
  • the rotary valve 134 runs at the upper end of the shaft 118.
  • the carbon bearing 138 is disk-shaped and consists in the present embodiment of sintered carbon.
  • the rotary valve 134 has an off-center passage.
  • the cylinder head 120 has holes 140 in the region of the carbon bearing 138.
  • Each cylinder of the axial piston is associated with a bore 140.
  • the holes 140 are arranged in a ring around the shaft 118 around.
  • the passage in the rotary valve 134 passes over the holes 140.
  • the area around the holes 140 is curved slightly above, whereby the friction is reduced. The low friction causes a high efficiency of the arrangement.
  • a cavity 161 is provided in the housing.
  • the cavity 161 is connected to the surrounding space of the swash plate 148 via a passage 170 (FIG.
  • the surrounding space of the swash plate is arranged in the region of the upper housing part 112.
  • This housing part 112 is provided with an output, via which a connection to the capacitor is made. Accordingly, in the cavity 161 condenser or atmospheric pressure prevails at any time.
  • the expansion volume of the cylinders formed by the bore 142 is further connected to the cavity 161 via main outlets 160 in the cylinder wall.
  • a roller slide 162 is arranged around the shaft 118 around. The roller slide 162 is shown separately in FIGS. 3 to 6.
  • the roller slide 162 is substantially cylindrical with a lateral surface 163 and two end surfaces 165 and 167.
  • the roller slide 162 has a central bore 169. Through the central bore 169, the shaft 118 extends. Starting from the central bore 169, a recess 171 is provided in the radial direction. The recess 171 serves to receive a driver on the shaft. In this way, the roller slide 162 is driven by the shaft 118.
  • a recess 173 is provided outside of the lateral surface 163.
  • the recess 173 extends in the present embodiment, for example over an angular range of 90 °.
  • Other embodiments with more or less cylinders have recesses 173 covering a different angular range.
  • the recess 173 extends in the axial direction of the end face 165 only over a partial region of the lateral surface.
  • a secondary outlet 152 is provided in each case.
  • Each cylinder has its own secondary outlet 152. This can be clearly seen in FIG.
  • the auxiliary outlet 152 extends directly from the bore 142 into the cavity 161.
  • the recess 173 in the roller slide forms an off-axis passage at the axial height of the Mauauslässe 152. With the shaft 118 also rotates the roller valve 162. In this way, the recess sweeps successively the Side outlets 152.
  • a sealing sleeve 180 is disposed around the shaft 118 and seals the cylinder head 120 against the roller slide 162.
  • the sealing sleeve 180 is provided with a projection as anti-rotation 182, which is accommodated in a recess in the cylinder head. The sealing sleeve is thus fixed to the housing and does not rotate.
  • a spacer 184 is arranged around the shaft 118.
  • the spacer 184 sits on an annular shoulder 186 of Shaft and stabilizes the axial position of the roller slide 162.
  • the shaft 118 is mounted in the bearing 188. This can be seen in FIG.
  • Pressurized water vapor or another working medium passes through the steam supply line and the inlet 135 into the inlet chamber 132.
  • the passage in the rotary valve 134 sweeps over the rotation of the shaft with the rotary valve successively the holes 140.
  • the rotary valve 134 thus always gives only one of the holes 140th free. It corresponds to the point 10 "inlet opens" in Figure 7 and Figure 8.
  • the recess 173 in the roller valve 162 sweeps over the secondary outlet 152.
  • the secondary outlet opens.
  • the point is designated 26 in FIG. 7 and FIG.
  • further working medium with the outlet 160 closed can escape via the secondary outlet 152 into the cavity 161.
  • the volume decreases at constant pressure.
  • the corresponding curve part is designated 28 in FIG. 7 and FIG. Accordingly, there is less working medium in the expansion volume.
  • the auxiliary outlet is also closed. This point is designated 30 in FIG. 7 and FIG. The cycle is repeated.
  • the situation is additionally shown for the case without auxiliary outlet.
  • the associated curve is designated 32. It can be seen in the p-V diagram in FIG. 18 that the area enclosed by the curve is substantially larger in accordance with the work performed in the present embodiment than in arrangements according to the prior art in which the area is limited by the curve 32.
  • the opening and closing of the sub-outlet 152 is realized by a single rotary member.
  • the associated volumes are low. As a result, a particularly good efficiency is achieved.
  • the sub-outlet can be realized by a simple, straight bore between cylinder 142 and cavity 161.
  • top and bottom refer to the sectional views in the figures and are not to be understood absolutely.
  • the embodiments serve merely to illustrate the invention and not to limit the scope of protection defined by the appended claims.
  • the invention can also be implemented in modifications.
  • differently structured housing and different number of cylinders be used.
  • the invention is not limited to a specific working medium. Rather, other working media are also suitable for expansion.

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Abstract

Eine Axialkolbenmaschine (110) enthaltend eine Welle (118), ein Gehäuse (112, 116), und (c) eine kranzförmig in dem Gehäuse angeordnete Zylinderanordnung mit Zylindern und darin geführten Kolben (144) zum Antrieb der Welle, wobei die Zylinder jeweils ein Expansionsvolumen (142) mit einer Einlass (140)- und mindestens einer Auslassöffnung (160) für ein Arbeitsmedium aufweisen, einen an dem Gehäuse vorgesehenen Zylinderkopf (120), welcher die Zylinder der Zylinderanordnung abschließt, und im Zentralbereich der Zylinderanordnung ein Hohlraum (161) um die Welle (118) herum vorgesehen ist, der über eine temporäre Verbindung (173) mit Nebenauslassöffnungen (152) des Expansionsvolumens (142) des Zylinders verbindbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (161) im Zentralbereich der Zylinderanordnung ein von der Welle (118) angetriebener, zylindrischer Walzenschieber (162) rotiert, und die temporäre Verbindung (173) zwischen Hohlraum (161) und Expansionsvolumen (142) von wenigstens einem Kanal durch den Walzenschieber (162) oder einer Aussparung (173) außen an dem Walzenschieber gebildet ist, der/die sich seitlich vom Mantel (163) des Walzenschiebers (162) auf Höhe der Nebenauslassöffnungen (152) im Zylinder bis zum Hohlraum (161) im Zentralbereich der Zylinderanordnung erstreckt.

Description

Axialkolbenmaschine mit Auslasssteuerung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine enthaltend
(a) eine Welle,
(b) ein Gehäuse, und
(c) eine kranzförmig in dem Gehäuse angeordnete Zylinderanordnung mit Zylindern und darin geführten Kolben zum Antrieb der Welle, wobei die Zylinder jeweils ein Expansionsvolumen mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung für ein Arbeitsmedium aufweisen,
(d) einen an dem Gehäuse vorgesehenen Zylinderkopf, welcher die Zylinder der Zylinderanordnung abschließt, und
(e) im Zentralbereich der Zylinderanordnung ein Hohlraum um die Welle herum vorgesehen ist, der über eine temporäre Verbindung mit dem Expansionsvolumen des Zylinders verbindbar ist.
Axialkolbenmaschinen weisen mehrere Zylinder auf, in denen jeweils ein Kolben einen Hub ausführt. Der Hub wird beispielsweise über eine Taumel- oder Schrägscheibe auf die Welle übertragen. Mit der rotierenden Welle kann insbesondere ein Generator oder ein Fahrzeug angetrieben werden. Die Einlasssteuerung für das Arbeitsmedium erfolgt mittels Steuerorganen. Stand der Technik
Aus der DE 10 2004 004 692 AI ist eine ventilgesteuerte Axialkolbenmaschine bekannt. Die bekannte Anordnung weist eine rotierende Nockenscheibe auf, welche von der Welle angetrieben wird. Die Nockenscheibe steuert Ventilstößel und mittels der Ventilstößel die Ventile am jeweiligen Einlass der Zylinder. Die Anordnung ist voluminös und komplex.
Einfachere Axialkolbenmaschinen mit einer Einlasssteuerung sind aus den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2011 052 481 und DE 10 2010 036 917 bekannt.
DE 10 2011 118 622 AI offenbart eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art, bei der im Zentralbereich der Zylinderanordnung ein Hohlraum um die Welle herum vorgesehen ist, der von einem umlaufenden Drehschieber mit einer außeraxialen Öffnung begrenzt ist. Die zu den Zylindern gehörigen Auslassöffnungen sind durch den Zylinderkopf geführt. Dabei wird eine temporäre Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Expansionsvolumen des Zylinders hergestellt. Mit der bekannten Anordnung können die Steuerzeiten am Auslass geometrisch durch die Form der Öffnung im Drehschieber verwirklicht werden. Nachteilig bei der Anordnung ist es, dass die Auslassöffnung im Zylinderkopf teuer in der Herstellung ist und dass der zusätzliche Kanal im Zylinderkopf Wirkungsgradnachteile mit sich bringt.
Offenbarung der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad einer Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art zu erhöhen und die Herstellungskosten zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
(f) in dem Hohlraum im Zentralbereich der Zylinderanordnung ein von der Welle angetriebener, zylindrischer Walzenschieber rotiert, und (g) die temporäre Verbindung zwischen Hohlraum und Expansionsvolumen von wenigstens einem Kanal durch den Walzenschieber oder einer Aussparung außen an dem Walzenschieber gebildet ist, der/die sich seitlich vom Mantel des Walzenschiebers auf Höhe der Nebenauslassöffnungen im Zylinder bis zum Hohlraum im Zentralbereich der Zylinderanordnung erstreckt.
Bei typischen Axialkolbenmaschinen sind mehrere Zylinder kranzförmig um eine Welle herum angeordnet. Die Hubrichtung verläuft parallel zur Mittenachse der Welle. Die Zylinder werden am oberen Ende von einem gemeinsamen Zylinderkopf begrenzt. Anders als ein Nebenauslasskanal, der bei bekannten Anordnungen durch den Zylinderkopf und einen Drehschieber geführt ist, wird hier eine Verbindung seitlich vom Mantel des Walzenschiebers zum Hohlraum hergestellt. Die Verbindung kann in Form eines Kanals oder einer Bohrung durch den Körper des Walzenschiebers geführt sein. Dann besteht die Verbindung über den Kanal von einer im Mantel befindlichen seitlichen Öffnung mit einer Öffnung in der hohlraumseitigen Stirnfläche des Walzenschiebers. Kostengünstiger lässt sich die Verbindung in Form einer außen angebrachten Aussparung verwirklichen. Diese kann so ausgestaltet werden, dass sie vom Mantel bis zum Hohlraum reicht. Ein Walzenschieber ist ein kostengünstig, einfach und sehr genau herstellbares Drehteil. Neben den herstellungsbedingten Vorteilen gewinnt die Anordnung aber auch einen erhöhten Wirkungsgrad. Das Volumen im Auslass ist geringer als bei Verwendung eines Nebenauslasses im Zylinderkopf, wodurch der Wirkungsgrad steigt.
Vorteilhafterweise ist eine durch den Zylinderkopf geführte Dichthülse vorgesehen, die gegen den Walzenschieber hin abdichtet. Dadurch wird an der Welle über den Walzenschieber hinweg Blow-By vermieden und ein besserer Wirkungsgrad erreicht. Statt der Dichthülse kann auch eine Gleitringdichtung verwendet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Bereich zwischen Dichthülse und Welle, sowie der Bereich auf der vom Walzenschieber abgewandten Seite der Dichthülse dem Druck des Arbeitsmediums ausgesetzt. Der Dampfraum der Anordnung erzeugt Dampfdruck, der die Anlagekraft übernimmt. Zusätzliche Federn oder andere Bauteile zum Anpressen sind nicht erforderlich.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Verdrehsicherung zum Halten der Dichthülse oder einer für die Dichthülse vorgesehenen Führung vorgesehen.
Der Walzenschieber kann aus Stahl, Kohlenstoff, temperaturbeständigem Kunststoff oder einer Legierung bestehen, enthaltend Kupfer, Zinn, Zink und/oder Nickel oder eine Kombination daraus.
Vorteilhafterweise ist das Material oder die Zusammensetzung der Materialien für den Walzenschieber derart ausgewählt, dass es bei Kontakt mit dem Gehäuse zu keinem abrasivem Verschleiß kommt. Bei Schrägstellungsfehler der Welle kann es zu einem unbeabsichtigten Kontakt kommen. Dann ist es gut, wenn der Schieber nur verschleißt, nicht aber schmiert oder frisst und blockiert. Beschichteter Stahl oder hochtemperaturfeste Kunststoffe wie sie unter den Handelsnamen Vespel, Torion, Teflon oder Piek vertrieben werden, sind besonders gut geeignet.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Spalt zwischen Gehäuse und Walzenschieber gebildet, dessen Abmessungen derart ausgewählt sind, dass die Ausdehnung aufgrund betriebsbedingter Wärmebildung berücksichtigt wird. Kunststoff beispielsweise dehnt sich stärker aus als Stahl. Entsprechend ist mehr Raum vorzusehen. Kohlenstoff hingegen dehnt sich nur in sehr geringem Maß aus. Der Spalt kann entsprechend geringer gewählt werden. Die Anordnung darf im Betrieb nicht zuviel Spiel haben.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Distanzring zwischen einem Wellenabsatz und dem Walzenschieber vorgesehen. Der Distanzring kann dabei aus einem Material mit einer Wärmeausdehnung gefertigt sein, die es erlaubt bei betriebswarmer Maschine den Walzenschieber in eine optimale Position zu bewegen. Optimal bedeutet, dass die Position zum Dichtring und zum Nebenauslasskanal erreicht wird, bei der der Nebenauslasskanal nicht ganz oder teilweise verschlossen wird. Ein teilweise Überlapp erzeugt eine unerwünschte Strömungskante und in der Folge eine Verringerung des Wirkungsgrads.
Die Anordnung kann Abflussöffnungen im Walzenschieber aufweisen, die im Gehäuse münden, wobei das Gehäuse mit einer Ausgangsöffnung zum Kondensator versehen ist.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.1 ist ein Längssschnitt durch eine Axialkolbenmaschine mit Walzenschieber.
Fig.2 ist ein Längsschnitt durch die Axialkolbenmaschine aus Figur 1 entlang einer anderen Schnittebene.
Fig.3 ist eine perspektivische Ansicht des Walzenschiebers aus der
Axialkolbenmaschine aus Figur 1.
Fig.4 ist ein Querschnitt des Walzenschiebers aus Figur 3.
Fig.5 ist ein Längsschnitt durch den Walzenschieber aus Figur 4 entlang der
Schnittebene A-A.
Fig.6 ist eine Seitenansicht des Walzenschiebers aus Figur 3.
Fig.7 ist ein Diagramm, das den Druckverlauf der Anordnung aus Figur 1 in
Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel illustriert. Fig.8 ist ein p-V-Diagramm für die Anordnung aus Figur 1.
Fig.9 ist ein Detail aus Figur 1 mit der Dichthülse. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 und 2 zeigen eine allgemein mit 110 bezeichnete Axialkolbenmaschine. Die Axialkolbenmaschine 110 weist ein zweiteiliges Gehäuse mit einem zylindrischen, oberen Gehäuseteil 112 und einem unteren Gehäuseteil 116 auf. Koaxial durch das Gehäuse 112 und 116 ist eine drehbar gelagerte Welle 118 geführt. Auf dem oberen Gehäuseteil 112 ist ein scheibenförmiger Zylinderkopf 120 vorgesehen. Der Zylinderkopf 120 und das Gehäuseteil 112 sind mit Bolzen 124 verbunden, die sich durch den Zylinderkopf 120 hindurch erstrecken. Die Enden der Bolzen ragen nach oben aus dem Gehäuse heraus, was in Figur 2 gut zu erkennen ist.
In den Gehäuseteilen sind fünf Bohrungen 142 vorgesehen, welche kranzförmig, parallel zur Rotationsachse der Welle um die Welle 118 herum angeordnet sind. Dies ist in Figur 1 dargestellt. Die Bohrungen 142 bilden das Expansionsvolumen der Zylinder der Axialkolbenmaschine 110. In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind 7 oder 9 Bohrungen vorgesehen. In den Bohrungen 142 sind Kolben 144 geführt. Die Kolben 144 weisen Hohlräume 126 auf. Dadurch sind diese leicht und erfordern nur wenig Material.
Im unteren Bereich der Kolben 144 sind zwei Gleitsteine 146 drehbar gelagert. Die Gleitsteine 146 haben die Form eines Kugelsegments. Eine Taumelscheibe 148 ist je nach Anzahl der Kolben mit mehreren Gleitsteinen 146 mit den Kolben 144 verbunden. Die Taumelscheibe 148 ist fest mit dem unteren Teil der Welle 118 verbunden.
Am oberen Ende des oberen Gehäuseteils 12 ist ein gemeinsamer, scheibenförmiger Zylinderkopf 120 angeordnet. Mit dem Zylinderkopf 120 werden die Bohrungen 142 verschlossen. Der obere Teil der Welle 118 ist durch eine Mittenbohrung in dem Zylinderkopf 120 geführt. Das obere Ende der Welle 118 mündet in eine Einlasskammer 132. Die Einlasskammer 132 wird von einem Anschlussvorsprung 122 am Zylinderkopf mit einem Deckel 123 gebildet. Der Anschlussvorsprung 122 weist eine Bohrung 135 als Einlass auf. In der Einlasskammer 132 läuft ein scheibenförmiger Drehschieber 134 auf einem Kohlenstofflager 138 um. Die Einlasskammer 132 ist über den Einlass 135 mit einer Quelle für unter Druck stehendes Arbeitsmedium verbindbar. Hierfür ist eine Dampfzuleitung vorgesehen, die in der Einlasskammer 132 mündet.
Der Drehschieber 134 ist formschlüssig mit dem oberen Teil der Welle 118 verbunden und wird von dieser angetrieben. Der Drehschieber 134 läuft am oberen Ende der Welle 118 um. Das Kohlenstofflager 138 ist scheibenförmig und besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus gesintertem Kohlenstoff.
Der Drehschieber 134 weist einen außermittigen Durchgang auf. Der Zylinderkopf 120 weist im Bereich des Kohlenstofflagers 138 Bohrungen 140 auf. Jedem Zylinder der Axialkolbenmaschine ist eine Bohrung 140 zugeordnet. Die Bohrungen 140 sind kranzförmig um die Welle 118 herum angeordnet. Der Durchgang im Drehschieber 134 überstreicht die Bohrungen 140. Dabei ist der Bereich um die Bohrungen 140 etwas vorstehend gewölbt, wodurch die Reibung reduziert wird. Die geringe Reibung bewirkt eine hohe Effizienz der Anordnung.
Koaxial zur Welle 1 18 ist im Gehäuse ein Hohlraum 161 vorgesehen. Der Hohlraum 161 ist über einen Durchlass 170 (Fig.2) mit dem Umgebungsraum der Taumelscheibe 148 verbunden. Der Umgebungsraum der Taumelscheibe ist im Bereich des oberen Gehäuseteils 112 angeordnet. Dieses Gehäuseteil 112 ist mit einem Ausgang versehen, über welchen eine Verbindung zum Kondensator hergestellt wird. Entsprechend herrscht im Hohlraum 161 zu jedem Zeitpunkt Kondensator- bzw. Atmosphärendruck. Das von der Bohrung 142 gebildete Expansionsvolumen der Zylinder ist ferner über Hauptauslässe 160 in der Zylinderwandung mit dem Hohlraum 161 verbunden. In dem Hohlraum ist ein Walzenschieber 162 um die Welle 118 herum angeordnet. Der Walzenschieber 162 ist in den Figuren 3 bis 6 gesondert dargestellt. Der Walzenschieber 162 ist im Wesentlichen zylindrisch mit einer Mantelfläche 163 und zwei Stirnflächen 165 und 167. Der Walzenschieber 162 weist eine Mittenbohrung 169 auf. Durch die Mittenbohrung 169 erstreckt sich die Welle 118. Von der Mittenbohrung 169 ausgehend ist eine Ausnehmung 171 in radialer Richtung vorgesehen. Die Ausnehmung 171 dient der Aufnahme eines Mitnehmers an der Welle. Auf diese Weise wird der Walzenschieber 162 von der Welle 118 angetrieben.
Außen an der Mantelfläche 163 ist eine Aussparung 173 vorgesehen. Die Aussparung 173 erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa über einen Winkelbereich von 90°. Andere Ausführungsbeispiele mit mehr oder weniger Zylindern haben Aussparungen 173, die einen anderen Winkelbereich abdecken. Die Aussparung 173 erstreckt sich in axialer Richtung von der Stirnfläche 165 nur über einen Teilbereich der Mantelfläche. Am oberen Ende des Expansionsvolumens in der Bohrung 142 des Zylinders ist jeweils ein Nebenauslass 152 vorgesehen. Jeder Zylinder hat einen eigenen Nebenauslass 152. Dies ist in Figur 1 gut zu erkennen. Der Nebenauslass 152 erstreckt sich direkt von der Bohrung 142 in den Hohlraum 161. Die Aussparung 173 im Walzenschieber bildet einen außeraxialen Durchgang auf axialer Höhe der Nebenauslässe 152. Mit der Welle 118 dreht sich auch der Walzenschieber 162. Auf diese Weise überstreicht die Aussparung nacheinander die Nebenauslässe 152.
Eine Dichthülse 180 ist um die Welle 118 herum angeordnet und dichtet den Zylinderkopf 120 gegen den Walzenschieber 162 ab. Die Dichthülse 180 ist mit einem Vorsprung als Verdrehsicherung 182 versehen, der in einer Aussparung im Zylinderkopf aufgenommen ist. Die Dichthülse ist also gehäusefest und dreht sich nicht.
Unterhalb des Walzenschiebers 162 in Figur 1 ist eine Distanzscheibe 184 um die Welle 118 herum angeordnet. Die Distanzscheibe 184 sitzt auf einer Ringschulter 186 der Welle und stabilisiert die axiale Lage des Walzenschiebers 162. Die Welle 118 ist im Lager 188 gelagert. Dies ist in Figur 9 zu erkennen.
Die Anordnung arbeitet wie folgt:
Unter Druck stehender Wasserdampf oder ein anderes Arbeitsmedium gelangt durch die Dampfzuleitung und den Einlass 135 in die Einlasskammer 132. Der Durchgang im Drehschieber 134 überstreicht bei Rotation der Welle mit dem Drehschieber nacheinander die Bohrungen 140. Der Drehschieber 134 gibt somit immer nur eine der Bohrungen 140 frei. Er entspricht dem Punkt 10„Einlass öffnet" in Figur 7 und Figur 8.
Durch die Bohrung 140 tritt der Wasserdampf in den Zylinder mit dem Expansionsvolumen 142. Dort expandiert der Wasserdampf. Der zugehörige Kolben 144 bewegt sich dabei nach unten in der Darstellung in Figur 1. Dies entspricht dem Kurvenabschnitt 12 in Figuren 7 und 8. Über die Gleitsteine 146 und die Taumelscheibe 148 wird auf diese Weise die Welle 118 angetrieben. In diesem Zustand verschließt der Walzenschieber 162 den Nebenauslass 152.
Wenn die der Durchgang im Drehschieber 134 die Bohrung 140 passiert hat, schließt der Einlass. Dieser Punkt ist in Figur 7 und Figur 8 mit 16 bezeichnet. Der Kolben bewegt sich ohne weitere Zufuhr von Arbeitsmittel weiter nach unten und das Expansionsvolumen vergrößert sich. Dies ist mit einem Druckabfall verbunden, der in Figur 7 und Figur 8 mit 18 bezeichnet ist. Wenn der Kolben weit genug nach unten gelangt ist, öffnet der Auslass 160, indem eine Verbindung zwischen Hohlraum 161 und Zylinderinnenraum 142 hergestellt wird. Das Arbeitsmedium kann über den Auslass 160, den Hohlraum 161, den Durchlass und den Ausgang nach außen in den Kondensator entweichen. Dieser Punkt ist in Figur 7 und Figur 8 mit 20 bezeichnet. Nach dem unteren Totpunkt - in Figur 7 und Figur 8 mit 22 bezeichnet - schließt der Auslass 160. Dieser Punkt ist in Figur 7 und 8 mit 24 bezeichnet. Kurz danach, während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 144 überstreicht die Aussparung 173 im Walzenschieber 162 den Nebenauslass 152. Der Nebenauslass öffnet. Der Punkt ist in Figur 7 und Figur 8 mit 26 bezeichnet. Dann kann weiteres Arbeitsmedium bei geschlossenem Auslass 160 über den Nebenauslass 152 in den Hohlraum 161 entweichen. Das Volumen verringert sich bei konstantem Druck. Der entsprechende Kurventeil ist in Figur 7 und Figur 8 mit 28 bezeichnet. Entsprechend ist befindet sich weniger Arbeitsmedium im Expansionsvolumen. Erst kurz bevor der Einlass wieder öffnet, wird auch der Nebenauslass geschlossen. Dieser Punkt ist in Figur 7 und Figur 8 mit 30 bezeichnet. Der Kreislauf wiederholt sich.
In Figur 7 und Figur 8 ist die Situation zusätzlich für den Fall ohne Nebenauslass dargestellt. Die zugehörige Kurve ist mit 32 bezeichnet. Man erkennt im p-V-Diagramm in Figur 18, dass die von der Kurve umschlossene Fläche entsprechend der geleisteten Arbeit bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wesentlich größer ist, als bei Anordnungen nach dem Stand der Technik, bei denen die Fläche von der Kurve 32 begrenzt wird. Durch die Verwendung eines Walzenschiebers wird das Öffnen und Schließen des Nebenauslasses 152 durch ein einziges Drehteil verwirklicht. Die zugehörigen Volumina sind gering. Dadurch wird ein besonders guter Wirkungsgrad erreicht. Der Nebenauslass kann durch eine einfache, gerade Bohrung zwischen Zylinder 142 und Hohlraum 161 verwirklicht werden.
In den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen beziehen sich die Begriffe„oben" und „unten" auf die Schnittdarstellungen in den Figuren und sind nicht absolut zu verstehen. Die Ausführungsbeispiele dienen ferner lediglich zur Illustration der Erfindung und nicht zur Beschränkung des Schutzumfangs der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Insbesondere kann die Erfindung auch an Modifikationen verwirklicht werden. So können unterschiedlich aufgebaute Gehäuse und unterschiedliche Anzahl an Zylindern verwendet werden. Auch ist die Erfindung nicht auf ein konkretes Arbeitsmedium beschränkt. Vielmehr eignen sich auch andere Arbeitsmedien zur Expansion.

Claims

Patentansprüche
Axialkolbenmaschine (110) enthaltend
(a) eine Welle (118),
(b) ein Gehäuse (112, 116), und
(c) eine kranzförmig in dem Gehäuse angeordnete Zylinderanordnung mit Zylindern und darin geführten Kolben (144) zum Antrieb der Welle, wobei die Zylinder jeweils ein Expansionsvolumen (142) mit einer Einlass (140)- und mindestens einer Auslassöffnung (160) für ein Arbeitsmedium aufweisen,
(d) einen an dem Gehäuse vorgesehenen Zylinderkopf (120), welcher die Zylinder der Zylinderanordnung abschließt, und
(e) im Zentralbereich der Zylinderanordnung ein Hohlraum (161) um die Welle (118) herum vorgesehen ist, der über eine temporäre Verbindung (173) mit Nebenauslassöffnungen (152) des Expansionsvolumens (142) des Zylinders verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
(f) in dem Hohlraum (161) im Zentralbereich der Zylinderanordnung ein von der Welle (118) angetriebener, zylindrischer Walzenschieber (162) rotiert, und
(g) die temporäre Verbindung (173) zwischen Hohlraum (161) und Expansionsvolumen (142) von wenigstens einem Kanal durch den Walzenschieber (162) oder einer Ausparung (173) außen an dem Walzenschieber gebildet ist, der/die sich seitlich vom Mantel (163) des Walzenschiebers (162) auf Höhe der Nebenauslassöffnungen (152) im Zylinder bis zum Hohlraum (161) im Zentralbereich der Zylinderanordnung erstreckt.
2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine durch den Zylinderkopf geführte Dichthülse (180), die gegen den Walzenschieber (162) hin abdichtet.
3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Bereich zwischen Dichthülse (180) und Welle (118), sowie der Bereich auf der vom Walzenschieber (162) abgewandten Seite der Dichthülse dem Druck des Arbeitsmediums ausgesetzt sind.
4. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Verdrehsicherung zum Halten der Dichthülse (180) oder einer für die Dichthülse vorgesehenen Führung.
5. Axialkolbenmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzenschieber (162) aus Stahl, Kohlenstoff, temperaturbeständigem Kunststoff oder einer Legierung besteht, enthaltend Kupfer, Zinn, Zink und/oder Nickel oder eine Kombination daraus.
6. Axialkolbenmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material oder die Zusammensetzung der Materialien für den Walzenschieber (162) derart ausgewählt ist, dass es bei Kontakt mit dem Gehäuse zu keinem abrasivem Verschleiß kommt.
7. Axialkolbenmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt zwischen Gehäuse und Walzenschieber (162) gebildet ist, dessen Abmessungen derart ausgewählt sind, dass die Ausdehnung aufgrund betriebsbedingter Wärmebildung berücksichtigt wird.
8. Axialkolbenmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Distanzring (184) zwischen einem Wellenabsatz (186) und dem Walzenschieber (162) vorgesehen ist. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
Distanzring (184) aus einem Material mit einer Wärmeausdehnung gefertigt ist, die es erlaubt bei betriebswarmer Maschine den Walzenschieber in eine optimale Position zu bewegen.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch Abflussöffnungen im Walzenschieber (162), die im Gehäuse münden, wobei das Gehäuse mit einer Ausgangsöffnung zum Kondensator versehen ist.
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