WO2016142144A1 - Axialkolbenmaschine - Google Patents

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WO2016142144A1
WO2016142144A1 PCT/EP2016/053460 EP2016053460W WO2016142144A1 WO 2016142144 A1 WO2016142144 A1 WO 2016142144A1 EP 2016053460 W EP2016053460 W EP 2016053460W WO 2016142144 A1 WO2016142144 A1 WO 2016142144A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
axial piston
channel
piston machine
cylinder head
bypass
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/053460
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bucher
Mirko GÜNTHER
Michael HÖTGER
Michael Kreisig
Hannes MARLOK
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International Gmbh filed Critical Mahle International Gmbh
Priority to US15/557,102 priority Critical patent/US10808675B2/en
Publication of WO2016142144A1 publication Critical patent/WO2016142144A1/de

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C1/00—Reciprocating-piston liquid engines
    • F03C1/02—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders
    • F03C1/06—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders with cylinder axes generally coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F03C1/0678—Control
    • F03C1/0684—Control using a by-pass valve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C1/00—Reciprocating-piston liquid engines
    • F03C1/02—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders
    • F03C1/06—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders with cylinder axes generally coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F03C1/061—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders with cylinder axes generally coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having stationary cylinders
    • F03C1/0623—Details, component parts
    • F03C1/0626—Cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C1/00—Reciprocating-piston liquid engines
    • F03C1/02—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders
    • F03C1/06—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders with cylinder axes generally coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F03C1/0636—Reciprocating-piston liquid engines with multiple-cylinders, characterised by the number or arrangement of cylinders with cylinder axes generally coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having rotary cylinder block

Definitions

  • the present invention relates to an axial piston machine with a shaft which is non-rotatably connected to a swash plate, 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 built and hollow pistons are arranged translationally adjustable.
  • 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 rotary valve disk with an eccentrically arranged passage opening during each revolution and thereby supplied to the respective cylinder working fluid.
  • a cavity is provided around the shaft, which is bounded by the cylinder head, wherein the outlet openings belonging to the cylinders are guided through the cylinder block such that a temporary connection between the cavity and the expansion volume of the cylinder can be produced via the off-axis passage opening in the revolving rotary valve disk.
  • the efficiency should be able to be increased.
  • a further axial piston machine which has a bypass channel for bypassing the same.
  • This bypass channel completely bypasses the axial piston machine, so that an extra bypass line and corresponding branches and a bypass valve are to be provided for this purpose.
  • the present invention is concerned 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 allows improved control of the axial piston machine with reduced space requirement.
  • the present invention is based on the general idea to provide an axial piston machine with a bypass channel, wherein the bypass channel is integrated into a cylinder head and a housing of the axial piston machine and thereby arranged space-optimized.
  • the axial piston machine according to the invention has, in a known manner, a rotor which is rotatably mounted in a housing and has a ring around and at an angle to the rotor.
  • Nete cylinder in which pistons 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.
  • Each cylinder is assigned an inlet opening in the cylinder head and at least one outlet opening in the housing.
  • an inlet channel leading to the inlet opening is now provided in the cylinder head and an outlet channel communicating with the outlet opening is provided in the housing.
  • a bypass channel is provided which extends from the cylinder head through the housing to the exhaust passage or a swash plate space.
  • a bypass valve which is either connected to the cylinder head or even integrated into it and which, depending on its sound position, distributes an inflow of working medium to the inlet channel and the bypass channel.
  • the second embodiment in which not only the bypass channel is integrated into the cylinder head and the housing, but also the bypass valve is integrated into the cylinder head, represents a particularly space-optimized embodiment.
  • the bypass valve arranged on the cylinder head or connected to this already a significant improvement, since the bypass channel is completely integrated into the cylinder head and the housing and thus no separate installation of a corresponding bypass line or a corresponding bypass channel is required more.
  • the axial piston machine according to the invention can thus be controlled or regulated particularly precisely and moreover, due to the previously described integration of the bypass channel into the cylinder head and the housing, it is extremely compact.
  • a separation of lubricant contained in the working medium is also possible, as it is already provided in active operation, whereby in particular a lubrication of a swash plate can be ensured particularly advantageous.
  • the improved lubrication can also be a significant improvement to be achieved on restart.
  • bypass valve is integrated in the cylinder head, it is possible-as already mentioned above-to realize a particularly compact design which permits improved heat transfer in comparison to axial piston machines known from the prior art.
  • external lines can be omitted which otherwise cause unnecessary heat loss and on the other hand, due to the direct structural proximity, the heat input directly into or on the housing of the axial piston machine.
  • the bypass valve is fastened via a decoupling element on the outside of the cylinder head.
  • a decoupling element on the outside of the cylinder head.
  • the decoupling element for example, as a plastic part, in particular as an elastomeric element formed.
  • a braking device for braking the rotor and fixing it in a predefined rotational position is provided in the cylinder head, wherein the braking device can be actuated, for example, by means of compressed air or by means of the working medium. It can be provided that in the cylinder head, a brake channel is arranged, which is connected to one end with the bypass valve and other ends with the braking device, so that the braking device can be actuated via the bypass valve.
  • the brake device it is for example possible to fix the rotor in a predefined rotational position, in which an eccentric opening of a rotatably connected to the rotor rotary valve disc is aligned with an inlet port of a cylinder, wherein the piston of this cylinder is in the region of top dead center and the inflow of working fluid in the direction the bottom dead center is moved.
  • a reliable and powerful starting of the axial piston machine is possible.
  • the braking device has a pin which engages in the predefined rotational position in a recess arranged on the rotary valve disc.
  • a recess may be arranged, for example, on an outer edge of the rotary valve disc.
  • a braking effect by means of the bypass valve could be made possible without the brake channel, if the bypass valve selectively switches a back pressure when the respective piston is blown in the outlet opening, located at bottom dead center. In this case, the inlet opening of this cylinder is closed, so that the bypass flow flowing in via the outlet opening builds up a pressure and impedes a movement of the piston towards top dead center.
  • a connecting channel is provided between the inlet channel and the bypass channel, in which a pressure relief valve is arranged.
  • a pressure relief valve By means of such a pressure relief valve, the axial piston machine can be shut off at a predefined overpressure, independently of the bypass valve, since then working medium can be directly blown out of the inlet duct via the connecting duct into the bypass duct. In this way, the axial piston can be stopped until again a subcritical pressure is applied and without that the bypass valve itself would have to be switched. This makes it possible to enable a particularly fast switching.
  • the bypass channel is arranged at right angles to the respective outer (upper) surfaces, thereby enabling a particularly simple and cost-effective production of the bypass channel by drilling.
  • the bypass channel opens into the swash plate space
  • this has a nozzle at its end facing the swash plate space, or such a nozzle is arranged there.
  • This is directed to a collision surface of the Gleitfußes connected to the piston and thus serves as a jump start, by a steam jet emerging from it pushes the piston down.
  • FIG. 1 shows a sectional view through an axial piston machine according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a representation as in FIG. 1, but with a bypass valve integrated in a cylinder head of the axial piston machine
  • FIG. 3 shows a representation as in FIG. 1, but with a connecting channel between the bypass channel and an inlet channel,
  • FIG. 4 shows a representation according to the second alternative of the invention with a bypass channel opening into a swash plate space
  • Fig. 5 is a view similar to Fig. 2, but with a starter channel.
  • an axial piston machine 1 which may for example be part of a heat recovery system 2 not explained in detail in a motor vehicle, has a rotor 4 rotatably mounted in a housing 3. Annular around and parallel to the rotor 4 are arranged in the housing 3 cylinder 5, in which piston 6 are mounted translationally adjustable. Each piston 6 is firmly connected to a Gleitfuß 27, which in turn is coupled via a sliding block with a swash plate 23. Each cylinder 5 is assigned an inlet opening 8 in the cylinder head 7 and an outlet opening 9 in the housing 3. The cylinder head 7 is completed at the top by means of a cover 10.
  • an inlet channel 1 1 leading to the inlet opening 8 and in the housing 3 an outlet connection communicating with the outlet opening 9 are now provided in the cylinder head 7.
  • channel 12 is provided.
  • a bypass passage 13 which extends from the cylinder head 7 via the housing 3 as far as the outlet passage 12 (FIGS. 1 to 3 and 5) or into a swash plate space 24 (see FIG.
  • a bypass valve 14 is provided which, according to FIGS. 1 and 3, is connected to the cylinder head 7, ie, is fastened to the cylinder head 7, and which is integrated into the cylinder head 7 according to FIG.
  • the bypass valve 14 divides an inflow of working fluid as a function of its switching position on the inlet channel 1 1 and the bypass channel 13.
  • bypass channel 13 in the cylinder head 7 and the housing 3, this space can be arranged optimally, while at the same time further components, such as lines or branches, as would be required in known from the prior art external bypass channels, can be omitted.
  • the bypass valve 14 is attached via a decoupling element 15 on the outside of the cylinder head 7.
  • the decoupling element 15 serves in particular the thermal decoupling of the bypass valve 14 from the cylinder head 7 and may be formed, for example, as an elastomeric element.
  • a braking device 16 for braking the rotor 4, which is actuated by means of the working medium, ie via the bypass valve 14, or purely theoretically via compressed air.
  • a brake channel 17 is provided for this purpose, which is connected to one end with the bypass valve 14 and other ends to the brake device 16, so that the brake device 16 can be actuated by means of the bypass valve 14.
  • the brake device 16 is designed such that it fixes the rotor 4 in a defined rotational position, in which an opening 18 of a with the Ro Tor 4 rotatably connected rotary valve disk 19 is aligned with an inlet port 8 of a cylinder 5, wherein the piston 6 of this cylinder 5 is in the region of a top dead center.
  • the braking device 16 can have a pin 20 which, in the defined rotational position, engages in a recess arranged peripherally on the rotary valve disk 19 and thereby fixes the rotary valve disk 19 in the desired, predefined rotational position.
  • Brake device 16 also have, for example, a brake shoe or a brake pad which engages the rotary valve disc 19 or at another rotating together with the rotor 4 part.
  • a braking effect can also be effected without the brake device 16, provided that the bypass valve 14 selectively switches a back pressure when the respective piston 6, in whose outlet opening 9 is blown, abuts the bottom dead center (compare left piston of FIGS 3).
  • the rotary valve disk 19 would close the inlet opening 8, so that would be braked at an influx of working fluid into the cylinder 5 via the outlet opening 9 a driving up of the piston 6 and thus a rotational movement of the rotor 4.
  • a connecting channel 21 is provided between the inlet channel 1 1 and the bypass channel 13, in which a pressure relief valve 22 is arranged.
  • This pressure relief valve 22 opens, provided that a predefined limit pressure of the working medium is exceeded, whereupon the working medium blows out via the connecting channel 21 into the bypass channel 13.
  • the axial piston machine 1 can be stopped until a subcritical pressure, at which the pressure relief valve 22 does not respond, is present without the bypass valve 14 itself having to be switched for this purpose.
  • This allows a particularly fast circuit, which is particularly in the so-called failsafe case of great advantage.
  • bypass channel 13 opens into the swash plate space 24 and has a nozzle 25 at its end facing the swash plate space 24.
  • This is directed to a contact surface 26 of the piston 6 connected to Gleitfußes 27 and thus serves as a jump start by a steam jet exiting therefrom pushes the piston 6 down.
  • a starter channel 28 is provided in the cylinder head 7, which is the output side connected to the cylinder 5 and on the input side a valve 29 which may be formed separately to the bypass valve 14 or as part thereof. Be applied via the starter channel 28 on the piston 6, a translational start pulse.
  • a pressure relief valve 22 could also be arranged in the bypass channel 13 in an analogous manner to FIG.
  • bypass channel 13 allows a media guide comparatively close to the real operation without the axial piston machine 1 is actuated.
  • the deposition of lubricant contained in the working fluid, as already provided in active operation is.
  • the axial piston machine 1 can be optimally lubricated during restart, in particular, this lubrication of the swash plate 23 is possible.
  • bypass valve 14 as shown in FIGS. 1, 3 and 4 is mounted on the outside of the cylinder head 7, a comparatively high degree of modularity or flexibility can be achieved since the axial piston machine 1 can also be used without a bypass valve 14 in theory. By integrating the same in the cylinder head 7, however, an extremely compact design can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine (1), mit einem in einem Gehäuse (3) drehbar gelagerten Rotor (4), mit ringförmig um den Rotor (4) angeordneten Zylindern (5), in welchen Kolben (6) translatorisch verstellbar angeordnet sind, wobei jedem Zylinder (5) in einem Zylinderkopf (7) eine Einlassöffnung (8) und in dem Gehäuse (3) zumindest eine Auslassöffnung (9) zugeordnet ist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass in dem Zylinderkopf (7) ein zur Einlassöffnung (8) führender Einlasskanal (11) und im Gehäuse (3) ein mit der Auslassöffnung (9) kommunizierend verbundener Auslasskanal (12) vorgesehen sind, dass ein Bypasskanal (13) vorgesehen ist, der sich vom Zylinderkopf (7) über das Gehäuse (3) bis in den Auslasskanal (12) oder einen Schrägscheibenraum (24) erstreckt, dass ein Bypassventil (13) vorgesehen ist, das mit dem Zylinderkopf (7) verbunden oder in diesen integriert ist und das in Abhängigkeit seiner Schaltstellung ein Arbeitsmedium auf den Einlasskanal (11) und den Bypasskanal (13) aufteilt.

Description

Axialkolbenmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Welle, die drehfest mit einer Schrägscheibe verbunden ist, 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 gebaute und hohle 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 Drehventilscheibe mit einer exzentrisch angeordneten Durchgangsöffnung 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 dem Zylinderkopf begrenzt ist, wobei die zu den Zylindern gehörenden Auslassöffnungen derart durch den Zylinderblock geführt sind, dass über die außeraxiale Durchgangsöffnung in der umlaufenden Drehventilscheibe eine temporäre Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Expansionsvolumen des Zylinders herstellbar ist. Hierdurch soll insbesondere der Wirkungsgrad gesteigert werden können.
Aus der WO 2014/128266 A1 ist eine weitere Axialkolbenmaschine bekannt, welche zur Umgehung derselben einen Bypasskanal aufweist. Dieser Bypasskanal umgeht die Axialkolbenmaschine komplett, so dass hierfür eine extra Bypasslei- tung sowie entsprechende Abzweigungen und ein Bypassventil vorzusehen sind.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere eine verbesserte Regelung der Axialkolbenmaschine bei gleichzeitig reduziertem Bauraumbedarf ermöglicht.
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 Axialkolbenmaschine mit einem Bypasskanal vorzusehen, wobei der Bypasskanal in einen Zylinderkopf und ein Gehäuse der Axialkolbenmaschine integriert und dadurch bauraumoptimiert angeordnet ist. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Axialkolbenmaschinen ist somit insbesondere auch keine externe, separate Anordnung des Bypasskanals erforderlich. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine besitzt dabei in bekannter Weise einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor sowie ringförmig um und winkelig zum Rotor angeord- nete 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. Jedem Zylinder ist dabei in dem Zylinderkopf eine Einlassöffnung und in dem Gehäuse mindestens eine Auslassöffnung zugeordnet. Erfindungsgemäß sind nun in dem Zylinderkopf ein zur Einlassöffnung führender Einlasskanal und im Gehäuse ein mit der Auslassöffnung kommunizierend verbundener Auslasskanal vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Bypasskanal vorgesehen, der sich vom Zylinderkopf über das Gehäuse bis in den Auslasskanal oder einen Schrägscheibenraum erstreckt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Bypassventil, das entweder mit dem Zylinderkopf verbunden oder sogar in diesen integriert ist und welches in Abhängigkeit seiner Schallstellung einen Zufluss von Arbeitsmedium auf den Einlasskanal und den Bypasskanal aufteilt. Besonders die zweite Ausführungsform, bei welcher nicht nur der Bypasskanal in den Zylinderkopf und das Gehäuse integriert ist, sondern zudem auch das Bypassventil in den Zylinderkopf integriert ist, stellt eine besonders bauraumoptimierte Ausführungsform dar. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Axialkolbenmaschinen, stellt aber auch die zuerst erwähnte Alternative, bei welchem das Bypassventil am Zylinderkopf angeordnet bzw. mit diesem verbunden ist, bereits eine erhebliche Verbesserung dar, da der Bypasskanal komplett in den Zylinderkopf und das Gehäuse integriert ist und dadurch keinerlei separate Verlegung einer entsprechenden Bypassleitung bzw. eines entsprechenden Bypasskanals mehr erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine lässt sich somit besonders exakt steuern bzw. regeln und baut darüber hinaus aufgrund der zuvor beschriebenen Integration des Bypasskanals in den Zylinderkopf und das Gehäuse äußerst kompakt. Bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine wird zudem auch eine Abscheidung von im Arbeitsmedium enthaltenem Schmierstoff ermöglicht, wie er bereits im aktiven Betrieb vorgesehen ist, wodurch insbesondere eine Schmierung einer Schrägscheibe besonders vorteilhaft gewährleistet werden kann. Durch die verbesserte Schmierung kann auch eine deutliche Verbesserung beim Wiederanlauf erreicht werden. Durch den in das Gehäuse zumindest teilweise integrierten Bypasskanal kann auch eine schnellere Erwärmung der Axialkolbenmaschine erzielt werden, wodurch deren Wirkungsgrad verbessert und somit eine frühere Zuschaltung der Axialkolbenmaschine erreicht werden kann.
Ist das Bypassventil in den Zylinderkopf integriert, kann - wie bereits zuvor erwähnt - eine besonders kompakt bauende Ausführungsform realisiert werden, die einen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Axialkolbenmaschinen verbesserten Wärmeübergang ermöglicht. Zum einen können externe Leitungen entfallen die sonst einen unnötigen Wärmeverlust bedeuten und zum anderen ist durch die direkte bauliche Nähe der Wärmeeintrag direkt im oder am Gehäuse der Axialkolbenmaschine.
Zweckmäßig ist das Bypassventil über ein Entkopplungselement außen am Zylinderkopf befestigt. Eine derartige angebaute Bauweise ermöglicht insbesondere auch das Vorsehen des Bypassventils als lediglich optionales Bauteil, da dieses beispielsweise modular angeflanscht und insbesondere auch nachgerüstet werden kann. Um das Bypassventil dabei thermisch von dem Zylinderkopf entkoppeln zu können, ist das Entkopplungselement beispielsweise als Kunststoffteil, insbesondere als Elastomerelement, ausgebildet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist in dem Zylinderkopf eine Bremsvorrichtung zum Abbremsen des Rotors und zum Fixieren desselben in einer vordefinierten Drehstellung vorgesehen, wobei die Bremsvorrichtung beispielsweise mittels Druckluft oder mittels des Arbeitsmediums betätigbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass im Zylinderkopf ein Bremskanal angeordnet ist, der einen Ends mit dem Bypassventil und anderen Ends mit der Bremsvorrichtung verbunden ist, so dass die Bremsvorrichtung über das Bypassventil betätigbar ist. Über die Bremsvorrichtung ist es beispielsweise möglich, den Rotor in einer vordefinierten Drehstellung zu fixieren, in welcher eine exzentrische Öffnung einer mit dem Rotor drehfest verbundenen Drehventilscheibe fluchtend zu einer Einlassöffnung eines Zylinders steht, wobei sich der Kolben dieses Zylinders im Bereich des oberen Totpunktes befindet und beim Einströmen von Arbeitsmedium in Richtung des unteren Totpunktes verschoben wird. Hierdurch ist ein zuverlässiges und kraftvolles Starten der Axialkolbenmaschine möglich.
Zweckmäßig weist die Bremsvorrichtung einen Stift auf, der in der vordefinierten Drehstellung in eine an der Drehventilscheibe angeordnete Ausnehmung eingreift. Eine derartige Ausnehmung kann beispielsweise an einem außenliegenden Rand der Drehventilscheibe angeordnet sein. Rein theoretisch könnte eine Bremswirkung mittels des Bypassventils auch ohne den Bremskanal ermöglicht werden, sofern das Bypassventil gezielt einen Gegendruck schaltet, wenn der jeweilige Kolben, in dessen Auslassöffnung geblasen wird, im unteren Totpunkt anliegt. In diesem Fall ist die Einlassöffnung dieses Zylinders verschlossen, so dass der über die Auslassöffnung einströmende Bypassstrom einen Druck aufbaut und ein Verfahren des Kolbens hin zum oberen Totpunkt behindert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem Einlasskanal und dem Bypasskanal ein Verbindungskanal vorgesehen, in welchem ein Überdruckventil angeordnet ist. Mittels eines derartigen Überdruckventils kann unabhängig vom Bypassventil ein Abriegeln der Axialkolbenmaschine bei einem vordefinierten Überdruck erfolgen, da dann direkt Arbeitsmedium vom Einlasskanal über den Verbindungskanal in den Bypasskanal ausgeblasen werden kann. Hierdurch kann die Axialkolbenmaschine abgeregelt werden, bis wieder ein unterkritischer Druck anliegt und zwar ohne, dass das Bypassventil selbst geschaltet werden müsste. Hierdurch lässt sich somit ein besonders schnelles Schalten ermöglichen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Bypasskanal rechtwinklig zu den jeweiligen außenliegenden (Ober-)Flächen angeordnet und ermöglicht dadurch eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Bypasskanals durch Bohren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung entsprechend der zweiten Alternative, bei der der Bypasskanal in den Schrägscheibenraum mündet, weist dieser an seinem dem Schrägscheibenraum zugewandten Ende eine Düse auf, bzw. ist eines solche Düse dort angeordnet. Diese ist auf eine Anprallfläche des mit dem Kolben verbundenen Gleitfußes gerichtet und dient somit als Starthilfe, indem ein daraus austretender Dampfstrahl den Kolben nach unten drückt. Beim Starten der Axialkolbenmaschine kann somit über die Düse auf den Gleitfuß ein translatorischer und auf die Schrägscheibe ein rotatorischer Startimpuls ausgeübt 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. Dabei zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolben- maschine in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Darstellung wie in Figur 1 , jedoch mit einem in einen Zylinderkopf der Axialkolbenmaschine integrierten Bypassventil,
Fig. 3 eine Darstellung wie in Figur 1 , jedoch mit einem Verbindungskanal zwischen dem Bypasskanal und einem Einlasskanal,
Fig. 4 eine Darstellung gemäß der zweiten Alternative der Erfindung mit einem in einen Schrägscheibenraum mündenden Bypasskanal,
Fig. 5 einer Darstellung ähnlich zu Fig. 2, jedoch mit einem Starterkanal .
Entsprechend den Figuren 1 bis 5, weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1 , welche beispielsweise Bestandteil eines nicht näher erläuterten Wärmerückgewinnungssystems 2 in einem Kraftfahrzeug sein kann, einen in einem Gehäuse 3 drehbar gelagerten Rotor 4 auf. Ringförmig um und parallel zum Rotor 4 sind im Gehäuse 3 Zylinder 5 angeordnet, in welchen Kolben 6 translatorisch verstellbar gelagert sind. Jeder Kolben 6 ist dabei fest mit einem Gleitfuß 27 verbunden, der wiederum über einen Gleitstein mit einer Schrägscheibe 23 gekoppelt ist. Jedem Zylinder 5 ist dabei in einem Zylinderkopf 7 eine Einlassöffnung 8 und in dem Gehäuse 3 eine Auslassöffnung 9 zugeordnet. Nach oben hin abgeschlossen ist der Zylinderkopf 7 mittels eines Deckels 10. Erfindungsgemäß sind nun in dem Zylinderkopf 7 ein zur Einlassöffnung 8 führender Einlasskanal 1 1 und im Gehäuse 3 ein mit der Auslassöffnung 9 kommunizierend verbundener Auslass- kanal 12 vorgesehen. Ebenfalls vorgesehen ist ein Bypasskanal 13, der sich vom Zylinderkopf 7 ausgehend über das Gehäuse 3 bis hin zum Auslasskanal 12 (Fig. 1 bis 3 und 5) oder bis in einen Schrägscheibenraum 24 (vgl. Fig. 4) erstreckt. Des Weiteren ist erfindungsgemäß ein Bypassventil 14 vorgesehen, welches gemäß den Figuren 1 und 3 mit dem Zylinderkopf 7 verbunden, d.h. außen an diesem befestigt ist, und welches gemäß der Figur 2 in den Zylinderkopf 7 integriert ist. Das Bypassventil 14 teilt dabei einen Zufluss von Arbeitsmedium in Abhängigkeit seiner Schaltstellung auf den Einlasskanal 1 1 und den Bypasskanal 13 auf.
Durch die Integration des Bypasskanals 13 in den Zylinderkopf 7 und das Gehäuse 3 kann dieser bauraumoptimiert angeordnet werden, wobei zugleich weitere Bauteile, wie beispielsweise Leitungen oder Abzweigungen, wie dies bei aus dem Stand der Technik bekannten externen Bypasskanälen erforderlich wären, entfallen können.
Betrachtet man die Figuren 1 , 3 und 4, so kann man erkennen, dass das Bypassventil 14 über ein Entkopplungselement 15 außen am Zylinderkopf 7 befestigt ist. Das Entkopplungselement 15 dient dabei besonders der thermischen Entkopplung des Bypassventils 14 vom Zylinderkopf 7 und kann beispielsweise als Elastomerelement ausgebildet sein.
Betrachtet man die Figur 2, so kann man zudem eine Bremsvorrichtung 16 zum Abbremsen des Rotors 4 erkennen, die mittels des Arbeitsmediums, d.h. über das Bypassventil 14, oder rein theoretisch auch über Druckluft betätigbar ist. Im Zylinderkopf 7 ist hierzu ein Bremskanal 17 vorgesehen, der einen Ends mit dem Bypassventil 14 und anderen Ends mit der Bremsvorrichtung 16 verbunden ist, so dass die Bremsvorrichtung 16 mittels des Bypassventils 14 betätigt werden kann. Die Bremsvorrichtung 16 ist dabei derart ausgebildet, dass sie den Rotor 4 in einer definierten Drehstellung fixiert, in welcher eine Öffnung 18 einer mit dem Ro- tor 4 drehfest verbundenen Drehventilscheibe 19 fluchtend zu einer Einlassöffnung 8 eines Zylinders 5 steht, wobei sich der Kolben 6 dieses Zylinders 5 im Bereich eines oberen Totpunktes befindet. Hierdurch kann der Rotor 4 in einer Drehwinkelstellung angehalten werden, in welcher er durch Beaufschlagen mit Dampf leicht anlaufen kann, da die Einlassblende den Arbeitsraum freigibt und sich der Kolben 6 durch leichte Druckbeaufschlagung in Bewegung versetzen lässt. Die Bremsvorrichtung 16 kann hierzu einen Stift 20 aufweisen, der in der definierten Drehstellung in eine an der Drehventilscheibe 19 randseitig angeordnete Ausnehmung eingreift und dadurch die Drehventilscheibe 19 in der gewünschten, vordefinierten Drehstellung fixiert. Selbstverständlich kann die
Bremsvorrichtung 16 auch beispielsweise eine Bremsbacke bzw. einen Bremsklotz aufweisen, der an der Drehventilscheibe 19 oder an einem anderen zusammen mit dem Rotor 4 drehenden Teil angreift. Rein theoretisch kann eine Bremswirkung auch ohne die Bremsvorrichtung 16 bewirkt werden, sofern das Bypass- ventil 14 gezielt einen Gegendruck schaltet, wenn der jeweilige Kolben 6, in dessen Auslassöffnung 9 eingeblasen wird, im unteren Totpunkt anliegt (vgl. linker Kolben der Figuren 1 bis 3). In diesem Fall würde die Drehventilscheibe 19 die Einlassöffnung 8 verschließen, so dass bei einem Einströmen von Arbeitsmedium in den Zylinder 5 über die Auslassöffnung 9 ein Nachobenfahren des Kolbens 6 und damit eine Drehbewegung des Rotors 4 gebremst werden würden.
Bei der Axialkolbenmaschine gemäß den Figuren 3 und 4 ist zwischen dem Einlasskanal 1 1 und dem Bypasskanal 13 ein Verbindungskanal 21 vorgesehen, in welchem ein Überdruckventil 22 angeordnet ist. Dieses Überdruckventil 22 öffnet, sofern ein vordefinierter Grenzdruck des Arbeitsmediums überschritten wird, woraufhin das Arbeitsmedium über den Verbindungskanal 21 in den Bypasskanal 13 ausbläst. Hierdurch kann die Axialkolbenmaschine 1 abgeregelt werden, bis ein unterkritischer Druck, bei welchem das Überdruckventil 22 nicht anspricht, anliegt, ohne dass hierzu das Bypassventil 14 selbst geschaltet werden müsste. Dies er- möglicht eine besonders schnelle Schaltung, was insbesondere im sogenannten Failsafe-Fall von großem Vorteil ist.
Betrachtet man die Ausführungsform der Axialkolbenmaschine 1 gemäß der Fig.
4, so kann man erkennen, dass der Bypasskanal 13 in den Schrägscheibenraum 24 mündet und an seinem dem Schrägscheibenraum 24 zugewandten Ende eine Düse 25 aufweist. Diese ist auf eine Anprallfläche 26 des mit dem Kolben 6 verbundenen Gleitfußes 27 gerichtet und dient somit als Starthilfe, indem ein daraus austretender Dampfstrahl den Kolben 6 nach unten drückt. Beim Starten der Axialkolbenmaschine 1 kann somit über die Düse 25 auf den Gleitfuß 27 ein translatorischer und auf die Schrägscheibe 23 ein rotatorischer Startimpuls ausgeübt werden.
Betrachtet man die Ausführungsform der Axialkolbenmaschine 1 gemäß der Fig.
5, so kann man erkennen, dass bei dieser ein Starterkanal 28 im Zylinderkopf 7 vorgesehen ist, der ausgangsseitig mit dem Zylinder 5 verbunden ist und ein- gangsseitig ein Ventil 29 aufweist, das separat zum Bypassventil 14 oder als Teil desselben ausgebildet sein kann. Über den Starterkanal 28 auf den Kolben 6 ein translatorischer Startimpuls ausgeübt werden. Ein Überdruckventil 22 könnte in analoger Weise zu Fig. 3,4 auch im Bypasskanal 13 angeordnet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 ist nicht nur eine bauraumop- timierte Anordnung des Bypasskanals 13 im Zylinderkopf 7 bzw. im Gehäuse 3 möglich, sondern der Bypasskanal 13 ermöglicht eine Medienführung vergleichsweise nahe am realen Betrieb, ohne dass die Axialkolbenmaschine 1 betätigt wird.
Es kann so beispielsweise auch die Abscheidung von im Arbeitsmedium enthaltenen Schmierstoff ermöglicht werden, wie er bereits im aktiven Betrieb vorgesehen ist. Hierdurch kann die Axialkolbenmaschine 1 beim Wiederanlauf optimal geschmiert werden, insbesondere ist hierdurch auch eine Schmierung der Schrägscheibe 23 möglich. Durch die Führung des Bypasskanals 13 durch das Gehäuse 3 kann auch ein schnelleres Erwärmen des Gehäuses 3 erzielt werden.
Wird das Bypassventil 14, wie dies gemäß den Figuren 1 , 3 und 4 gezeigt ist, außen am Zylinderkopf 7 angebaut, so kann eine vergleichsweise hohe Modularität bzw. Flexibilität erzielt werden, da die Axialkolbenmaschine 1 rein theoretisch auch ohne Bypassventil 14 verwendet werden kann. Durch die Integration desselben in den Zylinderkopf 7 kann jedoch eine äußerst kompakte Bauweise erreicht werden.

Claims

Ansprüche
1 . Axialkolbenmaschine (1 ),
- mit einem in einem Gehäuse (3) drehbar gelagerten Rotor (4),
- mit ringförmig um den Rotor (4) angeordneten Zylindern (5), in welchen Kolben (6) translatorisch verstellbar angeordnet sind,
- wobei jedem Zylinder (5) in einem Zylinderkopf (7) eine Einlassöffnung (8) und in dem Gehäuse (3) mindestens eine Auslassöffnung (9) zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass in dem Zylinderkopf (7) ein zur Einlassöffnung (8) führender Einlasskanal (1 1 ) und im Gehäuse (3) ein mit der Auslassöffnung (9) kommunizierend verbundener Auslasskanal (12) vorgesehen sind,
- dass ein Bypasskanal (13) vorgesehen ist, der sich vom Zylinderkopf (7) über das Gehäuse (3) bis in den Auslasskanal (12) oder einen Schrägscheibenraum (24) erstreckt,
- dass ein Bypassventil (14) vorgesehen ist, das mit dem Zylinderkopf (7) verbunden oder in diesen integriert ist und das in Abhängigkeit seiner Schaltstellung ein Arbeitsmedium auf den Einlasskanal (1 1 ) und den Bypasskanal (13) aufteilt.
2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Bypassventil (14) über ein Entkopplungselement (15) außen am Zylinderkopf (7) befestigt ist.
3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Entkopplungselement (15) als Elastomerelement ausgebildet ist.
4. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Zylinderkopf (7) eine Bremsvorrichtung (16) zum Abbremsen des Rotors (4) vorgesehen ist, die mittels des Arbeitsmediums oder mittels Druckluft betätigbar ist.
5. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Zylinderkopf (7) ein Bremskanal (17) vorgesehen ist, der einenends mit dem Bypassventil (14) und anderenends mit der Bremsvorrichtung (16) verbunden ist, so dass die Bremsvorrichtung (16) über das Bypassventil (14) betätigbar ist.
6. Axialkolbenmaschine nach Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bremsvorrichtung (16) derart ausgebildet ist, dass sie den Rotor (4) in einer definierten Drehstellung fixiert, in welcher eine Öffnung (18) einer mit dem Rotor (4) drehfest verbundenen Drehventilscheibe (19) fluchtend zu einer Einlassöffnung (8) eines Zylinders (5) steht, wobei sich der Kolben (6) dieses Zylinders (5) im Bereich eines oberen Totpunktes (OT) befindet.
7. Axialkolbenmaschine nach einem der Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (16) einen Stift (20) aufweist, der in der definierten Drehstellung in eine an der Drehventilscheibe (19) angeordnete Ausnehmung eingreift und diese fixiert.
8. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Einlasskanal (1 1 ) und dem Bypasskanal (13) ein Verbindungskanal (21 ) vorgesehen ist, in welchem ein Überdruckventil (22) angeordnet ist.
9. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bypasskanal (13) jeweils rechtwinklig zur außenliegenden Fläche verläuft.
10. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 , zweite Alternative, 2, 3, 8, 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bypasskanal (13) an seinem dem Schrägscheibenraum (24) zugewandten Ende eine Düse (25) aufweist.
1 1 . Axialkolbenmaschine nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Düse (25) auf eine Anprallfläche (26) eines mit dem Kolben (6) verbundenen Gleitfußes (27) gerichtet ist.
12. Wärmerückgewinnungssystem (2) in einem Kraftfahrzeug mit einer Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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