DE102011076157A1

DE102011076157A1 - Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE102011076157A1
Application number: DE201110076157
Authority: DE
Inventors: Rainer Schnur; Michael Schmidt
Original assignee: DEVETEC GmbH
Current assignee: DEVETEC GmbH
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-22
Also published as: EP2710237A1; WO2012159616A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit wenigstens einer einen Arbeitsraum (3) bildenden Anordnung aus einem Hubkolben (2) und einem Zylinder (1), einem Ventil für den Einlass eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums in den Arbeitsraum (3) und einem Ventil für den Auslass des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum (3). Erfindungsgemäß ist zumindest das Einlassventil als Drehschieberventil ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit wenigstens einer einen Arbeitsraum bildenden Anordnung aus einem Hubkolben und einem Zylinder, einem Ventil für den Einlass eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums in den Arbeitsraum und einem Ventil für den Auslass des in dem Arbeitsraum entspannten Arbeitsmediums.
Zum Beispiel aus der DE 10 2008 058 585 A1 und der DE 10 2009 024 436 A1 bekannte Wärmekraftmaschinen solcher Art, denen ein bereits unter Arbeitsdruck stehendes Arbeitsmedium, z. B. Wasserdampf, zugeführt wird, weisen ein durch den Hubkolben selbst und damit schon vor dessen oberem Totpunkt betätigtes Einlass- und Auslassventil auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Wärmekraftmaschine der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei vereinfachtem konstruktiven Aufbau eine verbesserte Steuerung zumindest der Einlassströmung des Arbeitsmediums ermöglicht.
Die diese Aufgabe lösende Wärmekraftmaschine nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Einlassventil als Drehschieberventil ausgebildet ist.
Vorteilhaft lässt sich durch eine solche Drehschiebersteuerung die Menge des am oberen Totpunkt eingelassenen Arbeitsmediums genauer dosieren und ein hohes, mit einem hohen Wirkungsgrad verbundenes Expansionsverhältnis genauer einhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Drehschieber zumindest des Einlassventils eine zu seiner Drehachse koaxiale, vorzugsweise periphere, Verschlussfläche zum Verschließen einer Öffnung des Arbeitsraumes auf, wobei in der Verschlussfläche ein Durchbruch ausmündet, der in einer Drehstellung des Drehschiebers die Öffnung zur Durchströmung mit dem Arbeitsmedium freigibt.
Vorzugsweise weist die Verschlussfläche die Form einer Kugeloberfläche auf, die in Bezug auf Abdichtwirkung und geringen Verschleiß besonders vorteilhaft ist.
Der Drehschieber des Einlassventils kann in einem unter dem Ausgangsdruck des Arbeitsmediums stehenden Gehäuseinnenraum angeordnet und bis auf den jeweils die Öffnung verschließenden Abschnitt rundum dem Druck des Arbeitsmediums ausgesetzt sein.
Vorzugsweise liegt die Verschlussfläche gleitend gegen eine die Öffnung einfassende, insbesondere gegen die Verschlussfläche vorstehende, Ringdichtung an.
Zweckmäßig ist die Verschlussfläche durch eine polierte Metalloberfläche gebildet, während die Ringdichtung z. B. aus einem Kunststoff besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere, in einer Reihe angeordnete Kolben-Zylinder-Anordnungen vorgesehen und die Drehschieber zumindest der Einlassventile durch eine gemeinsame, sich entlang der Reihe erstreckende Welle drehbar.
Zumindest die Einlassventile können in eine den mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen gemeinsame Zylinderkopfbaugruppe integriert sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Arbeitsraum mit einer, vorzugsweise zur Variation der Einlassmenge an Arbeitsmedium in ihrem Raumvolumen verstellbaren, Nebenkammer verbunden, wobei insbesondere die Zylinderkopfbaugruppe neben den Einlassventilen und ggf. Auslassventilen solche Nebenkammern aufweisen kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Zylinderkopfbaugruppe ein dem oben genannten Gehäuse entsprechendes Gehäuse zur Aufnahme aller Drehschieber der Einlassventile und deren gemeinsamer Welle, wobei der Innenraum des Gehäuses mit dem Druck des Arbeitsmediums beaufschlagbar ist.
Die den Drehschiebern der Einlassventile gemeinsame Welle ist in Stirnseitenwänden dieses Gehäuses vorzugsweise gasdicht gelagert.
Die Zylinderkopfbaugruppe kann ein weiteres, sich zu dem genannten Gehäuse parallel erstreckendes Gehäuse für die Aufnahme aller Drehschieber der Auslassventile und deren gemeinsamer Welle aufweisen.
Zweckmäßig ist der Durchmesser des Drehschiebers des Einlassventils bzw. der Einlassventile größer als der Durchmesser des Drehschiebers des Auslassventils bzw. der Auslassventile. Der größere Durchmesser des Drehschiebers des Einlassventils erlaubt vorteilhaft den Durchsatz größerer Mengen an Arbeitsmedium innerhalb der kurzen, am oberen Totpunkt für den Einlass des Arbeitsmediums zur Verfügung stehenden Zeit.
Zweckmäßig umfasst die Zylinderkopfbaugruppe ferner einen mit dem weiteren Gehäuse verbundenen, sich vorzugsweise parallel zu den genannten Gehäusen erstreckenden Auslasskanal für das entspannte Arbeitsmedium.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Phasenlage des Durchbruchs in der Verschlussfläche des Drehschiebers bzw. der Drehschieber in Bezug auf die Stellung des zugehörigen Kolbens verstellbar. Diese Verstellmöglichkeit erlaubt insbesondere in Verbindung mit der Verstellbarkeit des Raumvolumens der Nebenkammer bzw. Nebenkammern eine Anpassung der Wärmekraftmaschine an unterschiedliche Betriebsbedingungen, einschließlich unterschiedlicher Arbeitsmedien.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine in einer geschnittenen Teilansicht,
2 eine Zylinderkopfbaugruppe der Wärmekraftmaschine von 1 in einer geschnittenen Draufsicht,
3 die Zylinderkopfbaugruppe von 2 in einer Ansicht von unten,
4 einen in der Wärmekraftmaschine von 1 verwendeten Drehschieber für Einlassventile,
5 einen in der Wärmekraftmaschine von 1 verwendeten Drehschieber für Auslassventile, und
6 und 7 die Ausbildung von Verbindungskanälen erläuternde Darstellungen.
Eine im Zweitaktbetrieb arbeitende Wärmekraftmaschine weist vier in einer Reihe angeordnete Zylinder 1 mit jeweils einem Hubkolben 2 auf. Hubkolben 2 und Zylinder 1 bilden jeweils einen Arbeits- bzw. Expansionsraum 3. Eine durch die Kolben 2 bewegte Kurbelwelle ist nicht gezeigt.
Eine den vier Kolben-Zylinder-Anordnungen gemeinsame Zylinderkopfbaugruppe 4 umfasst in entsprechender Anzahl Ein- und Auslassventile mit je einem Drehschieber 5 bzw. 6. Die vier Drehschieber 5 der Einlassventile sitzen drehfest auf einer diesen gemeinsamen Welle 7, die Drehschieber 6 der Auslassventile in gleicher Weise auf einer Welle 8. Die Welle 7 mit den Drehschiebern 5 ist in einem Gehäuse 9, die Welle 8 mit den Drehschiebern 6 in einem Gehäuse 10 der Zylinderkopfbaugruppe 4 untergebracht.
Das Gehäuse 9 weist einen Einlass 35 für ein Arbeitsmedium auf, z. B. für Wasserdampf. Über die Länge beider Gehäuse 9, 10 erstreckt sich ein mit dem Innenraum des Gehäuses 10 verbundener Auslasskanal 11 für das entspannte Arbeitsmedium.
Jeder Kolben-Zylinder-Anordnung ist ferner eine mit dem jeweiligen Arbeitsraum 3 verbundene, in die Zylinderkopfbaugruppe 4 integrierte Nebenkammer 12 zugeordnet, deren Raumvolumen durch einen Kolben 13 verstellbar ist.
Die Wellen 7, 8 sind an den Enden der jeweiligen Gehäuse 9, 10 bei 14 und 15 bzw. 16 und 17 drehbar gelagert, vorzugsweise durch Wälzlager. Zur Abdichtung nach außen dienen Wellendichtringe, Labyrinthdichtsysteme oder Gleitringdichtungen, je nach Druckgefälle auch Kombinationen solcher Dichtmittel.
Antriebsverbindungen, über die die Wellen 7, 8 mit der oben erwähnten Kurbelwelle in einem festen Übersetzungsverhältnis stehen, sind nicht gezeigt.
Wie insbesondere 1 erkennen lässt, sind das Gehäuse 10 für die Drehschieber 6 der Auslassventile und der Auslasskanal 11 etwa mittig und das Gehäuse 9 für die Drehschieber 5 der Einlassventile sowie die Nebenkammern 12 dazu seitlich angeordnet. Diese Anordnung erlaubt es, die Zylinderkopfbaugruppe kompakt mit geringem Materialaufwand bei hoher Stabilität herzustellen.
Wie aus 4 hervorgeht, weisen die Drehschieber 5 jeweils eine periphere, zur Drehachse koaxiale Verschlussfläche 18 in der Form einer Kugeloberfläche auf. In der polierten Verschlussfläche 18 sind als Steueröffnungen dienende Durchbrüche 19 und 20 gebildet. Weitere Durchbrüche 21 befinden sich zwischen Speichen 39, die eine Nabe 23 und einen die Verschlussfläche 18 bildenden Außenring 23 verbinden.
Die Nabe 22 weist eine zentrale, einen Schiebesitz bildende Bohrung 24 für den Durchtritt der Welle 7 auf. Mittels Spannschrauben 25 kann die geschlitzte Nabe 22 auf der Welle 7 in gewünschten Drehpositionen befestigt werden.
Wie 1 erkennen lässt, liegt die kugelförmige, metallische Verschlussfläche 18 der Drehschieber 5 jeweils gleitend gegen eine ringförmige Dichtung 26 aus Kohlenstoff, Graphit oder/und einem Kunststoff an, welche eine Mündungsöffnung eines Spül- bzw. Verbindungskanals 27 zwischen dem Innenraum 36 des Gehäuses 9 und dem betreffenden Arbeitsraum 3 umgibt. Jedem der beiden Durchbrüche 19, 20 ist ein solcher Spül- bzw. Verbindungskanal 27 zugeordnet.
Der gesondert in 5 dargestellte Drehschieber 6 weist eine kugelförmige Verschlussfläche 28 mit einer Ausnehmung 29 auf, in die eine Durchgangsöffnung 38 einmündet. Zu beiden Seiten der Verschlussfläche 28 angeordnete Nabenteile 30 sind von einer zentralen, einen Schiebesitz bildenden Bohrung 31 für die Aufnahme der Welle 8 durchsetzt. Mit Hilfe von Spannschrauben 31 lassen sich die geschlitzten Nabenteile 30 auf der Welle 8 in unterschiedlichen Einstellpositionen befestigen.
Mit ihrer kugelförmigen, metallischen Verschlussfläche 28 liegen die Drehschieber 6 jeweils gegen einen vorstehenden Dichtungsring 33 aus Kohlenstoff, Graphit oder Kunststoff an der Mündung eines Verbindungskanals 34 zwischen dem Innenraum 37 des Gehäuses 10 und dem Arbeitsraum 3 an.
Die Ausbildung der Verbindungskanäle 27 und 34 erläutern die 6 und 7.
Die Verbindungskanäle 27 umgibt jeweils ein gegen die betreffende Verschlussfläche 18 anliegender Dichtungsring 40, der über einen geschlitzten Stützring 41 und einen nicht gezeigten Wellfederring auf einer Ringschulter 42 eines ringförmigen Einsatzstücks 43 aufsitzt. Auf der Ringschulter 42 ist ferner ein abdichtender O-Ring 44 angeordnet. Das Einsatzstück 43 mit den Ringen 40, 41 halten ein Gewindeeinsatz 45 und ein Sicherungsblech 46 an Ort und Stelle. An den Gewindeeinsatz 45 schließt sich ein das Arbeitsraumvolumen minderndes Füllstück 47 mit einer Abschrägung 48 an, das durch einen in eine Nut 49 eingreifenden Federring 50 axial gehalten wird. Als Drehsicherung dient ein nicht gezeigter Stift. Die Verbindungskanäle 34 umgibt ein Dichtungsring 51, an den sich ein den Dichtungsring abstützender Stützring 52 anschließt. Der Stützring 52 liegt gegen eine nicht gezeigte Ringschulter im Innern eines Einsatzstücks 53 auf. Auf einer äußeren Ringschulter 54 des Einsatzstücks 53 ist ein abdichtender O-Ring 55 angeordnet. Ein Gewindering 56 hält das Einsatzstück 53 über ein Sicherungsblech 57 an Ort und Stelle. Durch die genannten Wellfederringe liegt der Dichtungsring 40 bzw. 51 unter Vorspannung gegen die betreffende Verschlussfläche 18 bzw. 28 an. Abnutzungen werden automatisch ausgeglichen.
Im Betrieb der anhand der 1 bis 5 beschriebenen Wärmekraftmaschine wird das Arbeitsmedium, z. B. Wasserdampf, über den Anschluss 35 am Gehäuse 9 in das Gehäuse eingeleitet. Wenn die Durchbrüche 19, 20 in der Verschlussfläche 18 von einem der Drehschieber 5 zu den betreffenden Verbindungskanälen 27 ausgerichtet sind, kann Arbeitsmedium vorübergehend in den Arbeitsraum 3 der betreffenden Kolben-Zylinder-Anordnung eintreten. Indem der Drehschieber 5 der Einlassventile im Durchmesser mindestens um den Faktor 2,5 größer als der Durchmesser der Drehschieber 6 der Auslassventile ist, und zwei Spülöffnungen 27 vorgesehen sind, besteht ein genügend größer Durchlassquerschnitt, um den jeweiligen Arbeitsraum innerhalb kurzer Zeit ausreichend zu befüllen.
Es versteht sich, dass sich die Drehschieber 5 synchron mit der durch die Kolben 2 angetriebenen Kurbelwelle bewegen und die Durchbrüche 19, 20 so angeordnet sind, dass jeweils nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens vorübergehend eine Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 3 und dem Innenraum 36 des Gehäuses 9 hergestellt ist. Ansonsten sind die Verbindungskanäle 27 durch die kugelförmige Verschlussfläche 18 versperrt.
Jeweils nahe dem unteren Totpunkt der Kolben 2 wird die Ausnehmung 29 mit der Durchgangsöffnung 38 der Drehschieber 6 jeweils zu dem betreffenden Verbindungskanal 34 ausgerichtet, so dass während der Hubbewegung des Kolbens 3 das entspannte Arbeitsmedium durch den Innenraum des Gehäuses 10 hindurch in den Auslasskanal 11 übertreten kann.
Durch Verstellung des Kolbens 13 lässt sich die jeweilige, nach Schließen des Kanals 27 im Arbeitsraum 3 eingeschlossene Gesamtmenge an Arbeitsmedium geeignet einstellen. Durch diese Verstellmöglichkeit und die Möglichkeit zur Einstellung der Drehpositionen der Drehschieber 5, 6 lässt sich bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen der jeweils optimale Wirkungsgrad erreichen.
Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel könnten Einrichtungen vorgesehen sein, die eine Verstellung sowohl der Rauminhalte der Nebenkammern als auch der Steuerzeiten der Ventile während des Maschinenbetriebs ermöglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008058585 A1 [0002]
DE 102009024436 A1 [0002]

Claims

Wärmekraftmaschine mit wenigstens einer einen Arbeitsraum (3) bildenden Anordnung aus einem Hubkolben (2) und einem Zylinder (1), einem Ventil für den Einlass eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums in den Arbeitsraum (3) und einem Ventil für den Auslass des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum (3), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Einlassventil als Drehschieberventil ausgebildet ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil als Drehschieberventil ausgebildet sind und vorzugsweise der Durchmesser des Drehschiebers (5) des Einlassventils größer als der Durchmesser des Drehschiebers (6) des Auslassventils ist, insbesondere um wenigstens den Faktor 2,5.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (5, 6) zumindest des Einlassventils eine zu seiner Drehachse koaxiale, vorzugsweise periphere, Verschlussfläche (18, 28) zum Verschließen einer Öffnung (27, 34) des Arbeitsraums (3) aufweist, wobei in die Verschlussfläche (18, 28) ein in einer Drehstellung des Drehschiebers (5, 6) die Öffnung (27, 34) freigebender Durchbruch (19, 20; 29) ausmündet.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussfläche (18, 28) die Form einer Kugeloberfläche aufweist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (5) des Einlassventils in einer unter dem Druck des Arbeitsmediums stehenden Gehäuseinnenraum (36) angeordnet ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussfläche (18, 28) gleitend gegen eine die Öffnung (27, 34) einfassende, vorzugsweise gegen die Verschlussfläche (18, 28) vorstehende, Ringdichtung (26, 33) anliegt.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussfläche (18, 28) durch eine polierte Metalloberfläche gebildet und die Ringdichtung (26, 36) aus einem Kunststoff, Kohlenstoff oder/und Graphit hergestellt ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, in einer Reihe angeordnete Kolben-Zylinder-Anordnungen vorgesehen und die Drehschieber (5) zumindest der Einlassventile durch eine gemeinsame, sich entlang der Reihe erstreckende Welle (7) drehbar sind.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Einlassventile in einen den mehreren Kolben-Zylinder-Anordnungen gemeinsame Zylinderkopfbaugruppe (4) integriert sind.
Wärmekraftmaschine nach einem der Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Arbeitsraum (3) eine, vorzugsweise in ihrem Raumvolumen verstellbare, Nebenkammer (12) verbunden ist und insbesondere die Zylinderkopfbaugruppe (4) neben den Einlassventilen und ggf. Auslassventilen mit den Arbeitsräumen (3) verbundene Nebenkammern (12) umfasst.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfbaugruppe (4) ein Gehäuse (9) zur Aufnahme aller Drehschieber (5) der Einlassventile und deren gemeinsamer Welle (7) aufweist, dessen Innenraum (36) mit dem Druck des Arbeitsmediums beaufschlagbor ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die den Drehschiebern (5) der Einlassventile gemeinsame Welle (7) in der Wand des Gehäuses (9) gasdicht gelagert ist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfbaugruppe (4) ein weiteres, sich zu dem genannten Gehäuse (9) parallel erstreckendes Gehäuse (10) für die Aufnahme aller Drehschieber (6) der Auslassventile und deren gemeinsamer Welle (8) aufweist.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfbaugruppe (4) einen mit dem weiteren Gehäuse (10) verbundenen, sich vorzugsweise parallel zu den genannten Gehäusen (9, 10) erstreckenden Auslasskanal (11) umfasst.
Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage des Durchbruchs (19, 20; 29) in der Verschlussfläche (18, 28) des Drehschiebers (5, 6) zumindest des Einlassventils in Bezug auf die Stellung des Kolbens (2) verstellbar ist.