CN103026002A - 可通过蒸汽力过程驱动的活塞机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞机（1），它能够通过蒸汽力过程被驱动，尤其是用于利用内燃机的废气，该活塞机包括一个缸孔（5）、一个布置在该缸孔（5）中的缸活塞（6）、一个与缸活塞（6）连接的杆（21）和一个支承部位（37），该缸活塞在缸孔（5）中限界一个工作室（8），杆（21）和与杆（21）连接缸活塞（6）支承在该支承部位上。在此在缸活塞（6）和缸孔（5）之间设有一个圆周间隙（28）。由此阻止缸活塞（6）和缸孔（5）之间的摩擦磨损。这尤其是在通过工作室（8）的基于水的工作流体时是有利的，因为水蒸气没有润滑能力。

Description

可通过蒸汽力过程驱动的活塞机

技术领域

本发明涉及一种可通过蒸汽力过程驱动的活塞机。本发明具体涉及一种活塞机，它可通过蒸汽力过程驱动并且用于利用内燃机的废热。

背景技术

内燃机将燃料能量转化成机械能以驱动机动车和类似物。但是由此很大部分能量作为废热被释放，这些废热通过冷却系统或在废气中从内燃机导出。为了利用这些热能，可想到使蒸汽力过程与内燃机耦合。由此能够将来自内燃机的热能用于产生蒸汽，该蒸汽在膨胀机中减压并且由此提供另外的能量，这些另外的能量可以用于驱动机动车或者用于产生辅助能量。然而在这里产生以下问题，即蒸汽机以水蒸气或来自蒸汽力过程的类似流体被驱动，其没有润滑能力，由此促进了蒸汽机的磨损。

发明内容

按照本发明的具有权利要求1的特征的活塞机具有优点，即便使用水或其它润滑很差的工作流体也能够实现活塞机的有利运行。这尤其是引起缸活塞的减少的磨损并且延长活塞机的使用寿命。

通过在从属权利要求中列出的措施能够实现在权利要求1中给出的活塞机的有利扩展构型。

以有利的方式，可通过蒸汽力过程驱动的活塞机可以与一个内燃机组合，以便通过蒸汽力过程将内燃机的废热转化为附加的驱动能量。特别有效的是载货车辆中的这样一种用于利用废气的组合，因为在这里内燃机释放大的功率并且由此也有大的热能供产生蒸汽使用。由此能够减小内燃机的燃料消耗。

恰好对于在具有柴油发动机或燃气发动机的载重车辆中的使用，在这里特别有利的是一种构造为往复式活塞-蒸汽发动机的、具有苏格兰轭（Scotch-Yoke）曲轴传动装置的活塞机。由此大致能够实现与内燃机的转速范围相同的活塞机转速范围并且由此能够将活塞机输出的机械能直接输出到柴油发动机或者说燃气发动机的曲轴上。此外可以在有限的结构空间内在内燃机上有利地安设这样一个活塞机。

以有利的方式能够将蒸汽力过程设计为ORC-过程（Organic RankineCycle Process）。在这里废气的热能通过ORC过程转化为机械能。由此能够以有利的方式将废热从内燃机的废气或废气回输通过热交换器传递给ORC过程的工作流体。工作流体可以在这里至少基本上基于水。在热交换器上可以蒸发工作流体。蒸汽可以接下来在用作膨胀机的活塞机中被减压，其中获得机械能。工作流体接下来在冷凝器中被冷却并且被输送给泵。工作流体可以由此以液态被泵压缩到用于在热交换器上重新蒸发的压力水平。由此该循环是闭环的。

通过杆在支承部位上的支承能够以有利的方式减小缸活塞的负载。具体地通过该支承方式能够减少缸活塞上的横向力，因为横向力在支承部位被接收。在这里缸活塞的外侧的外直径以有利方式被预给定为小于缸孔的内直径。由此保证：缸活塞不是直接贴靠在用作缸运行轨的缸孔上并且在用作工作活塞的缸活塞与缸孔（缸壁）之间不传递力。缸活塞在这里具有一个相对于缸孔的足够的圆周间隙。与在也用作传动杆的杆上的支承相结合可以实现用于缸活塞的稳定且良好导向的支承装置。

恰好在缸活塞上所出现的磨损是关键的，因为它以润滑很差的工作流体（工作介质）工作。尤其是工作活塞可以用没有润滑能力的水蒸气工作。通过缸活塞和缸孔之间的间隙阻止或至少减小了所出现的这种磨损。在缸活塞外侧上以有利的方式设置至少一个密封元件。在这里还有利的是，在缸活塞的外侧上构造一个环绕的空槽，密封元件被构造为环形的密封元件并且该环形的密封元件被装入缸活塞外侧上的该环绕空槽中。具体地缸活塞外侧上的该环绕空槽能够通过一个环绕的环形槽构成。由此能够以有利方式提高在缸活塞上的密封性，以便阻止或至少减少气态工作流体、尤其是水蒸气通过缸活塞和缸孔之间的间隙不希望地逸出。为了提高活塞上的密封性，在这里可以具体地使用活塞环形式或类似装置的形式的附加密封元件。

也有利的是，杆至少基本上刚性地与缸活塞连接，支承部位通过支承孔构成，杆在该支承孔中导向并且缸活塞通过杆在缸孔中的导向至少近似地在缸孔的纵轴线上对中地定向。由此能够借助杆实现缸活塞相对于缸孔在支承部位上的有利支承。在这里可以在活塞机的使用寿命上阻止工作活塞上的磨损。支承孔可以例如构造在一个布置在缸孔和曲轴室之间的壳体部件上。由此能够实现通过支承孔的有利的介质分离。具体地在曲轴室中可以设有润滑油，以便润滑布置在曲轴室中的曲轴和其它部件。

在这里也有利的是，杆从缸孔通过支承部位伸入到曲轴室中，在曲轴室中设有曲轴并且杆借助曲柄摇拐机构与曲轴配合作用。

还有利的是，设有至少一个另外的缸孔、一个布置在该另外的缸孔中的另外的缸活塞、一个至少间接地与该另外的缸活塞连接的另外的杆和至少一个另外的支承部位，该另外的缸活塞在该另外的缸孔中限界一个另外的工作室，其中，该另外的杆支承在该另外的支承部位上并且在该另外的缸活塞和该另外的缸孔之间设有一个圆周间隙。还有利的是，该另外的杆至少基本上刚性地与该另外的缸活塞连接，该另外的支承部位通过一个另外的支承孔构成，该另外的杆在该另外的支承孔中导向，并且该另外的缸活塞通过该另外的杆在该另外的支承孔中的导向而至少近似地在该另外的缸孔的纵轴线上对中地定向。该另外的杆优选与一个布置在活塞室中的曲柄摇拐机构连接。由此能够实现有利的曲柄摇拐传动装置。尤其有利的是，两个支承部位如所有剩余的曲柄传动装置那样用油润滑。在油区域中由此能够实现稳定且良好导向的支承。在这里在需要时可以设置一个附加的介质分离装置，它直接连接到支承部位上。由此能够实现油与工作流体的改善的分离。由此能够实现具有用油润滑的曲柄摇拐机构并且没有缸活塞与缸孔缸壁之间的直接接触的特别低磨损的活塞机。工作活塞在各一个传动杆上的支承在没有与缸孔的相应接触的情况下能够以有利的方式用在构造为往复活塞-蒸汽发动机的活塞机中。但是该设计方案在一种设计为往复活塞-蒸汽发动机的、具有曲柄摇拐驱动装置（Scotch Yoke）的活塞机中特别有利。

该另外的缸活塞的外侧的外直径以有利的方式预给定为小于该另外的缸孔的内直径。还有利的是，在该另外的缸活塞的外侧上设有至少一个密封元件。在这里可以设置相应的设计方案，如其在所述缸活塞上也实现的那样。

附图说明

本发明的优选实施例在下面的说明书中参照附图详细阐述。其示出：

图1示出按照本发明的一个实施例的活塞机的示意性的剖视图。

具体实施方式

图1以示意图示出按照本发明的一个实施例的活塞机1。该活塞机1通过蒸汽力过程被驱动。在这里活塞机1可以例如在机动车的内燃机中使用，以便利用内燃机的废热。活塞机1然后将废热转化为机械能，机械能可以例如用作附加的驱动能量或者用于驱动辅助机组、尤其是发电机。但是按照本发明的活塞机1也适合于其它用途。该实施例的活塞机1具有一个壳体部件2和与壳体部件2连接的缸3、4。在缸3上构成缸孔5，在该缸孔中设有缸活塞6。缸孔5具有一个纵轴线7，缸活塞6可沿着该纵轴线移动。缸活塞6在缸孔5中一方面限界一个第一工作室8，另一方面限定一个减压室9。

在缸3上设有一个用于工作室8的由阀控制的入口10和一个用于工作室8的由阀控制的出口11。被压缩的、气态的工作流体、尤其是水蒸气可以通过由阀控制的入口10被导入到工作室8中。在工作室8中的气态工作流体减压时，在缸活塞6上施加一个操作力，该操作力导致缸活塞6顺着方向12沿着纵轴线7移动。在这里，工作室8的容积增大，而减压室9的容积减小。减压室9通过一个出口13与蒸汽回路的低压区域连接，从而进入在减压室9中的工作流体被回送到蒸汽回路中。

在壳体部件2内部设有一个曲轴室15。在曲轴室15中设有一个具有曲轴轴颈17的曲轴16。曲轴16的旋转轴线在这里垂直于纵轴线7定向。

此外在曲轴室15中设有一个曲柄摇拐机构18。该曲柄摇拐机构18具有一个长孔形的空槽19，在该长孔形的空槽中安装滑块20。滑块20在这里布置在曲轴轴颈17上。缸活塞6通过一个杆21与曲柄摇拐机构18连接。由此在缸活塞6和曲轴16之间形成作用连接，从而将缸活塞6的往复运动转化为曲轴16的旋转运动。

此外该活塞机1的缸4具有一个另外的缸孔5’，在其中布置一个另外的缸活塞6’。在这里该另外的缸活塞6’沿着缸孔5’的纵轴线7导向。纵轴线7在此用作缸3、4的两个缸孔5、5’的共同的纵轴线。

缸活塞6’在缸孔5’中限界一个另外的工作室8’以及一个另外的减压室9’。在此在缸4上设有一个用于另外的工作室8’的由阀控制的入口10’和一个用于另外的工作室8’的由阀控制的出口11’。还设有一个用于减压室9’的出口13’，以便将从工作室8’进入到减压室9’中的工作流体回送到蒸汽回路中。

因此也可以输送气态工作流体通过工作室8’。在工作室8’中的气态工作流体减压时，缸活塞6’逆着方向12被操作。缸活塞6’的往复运动在这里通过一个另外的杆21’传递到曲柄摇拐机构18上。该另外的杆21’在此将缸活塞6’与曲柄摇拐机构18连接。

因此，曲柄摇拐机构18一方面通过杆21与缸活塞6连接并且另一方面通过杆21’与缸活塞6’连接。由此能够顺着和逆着方向12实现对曲柄摇拐机构18的交替操作。由此能够以有利的方式实现苏格兰轭驱动装置。

缸活塞6具有一个外侧25。缸活塞6在该外侧25上具有一个外直径26。此外设有缸孔5的一个内直径27。缸活塞6的外直径26和缸孔5的内直径27相互匹配。在此，缸活塞6的外侧25的外直径26小于缸孔5的内直径27。由此在缸活塞6的外侧25和缸孔5之间设有一个间隙28。预给定的间隙28保证了缸活塞6在运行中与缸孔5间隔一定距离。缸活塞6和缸孔5之间的接触在此在缸活塞6的整个行程范围上被避免。

在活塞机1的运行中存在以下问题，即设置在工作室8中的气态工作流体、尤其是水蒸气不具有或仅具有很差的润滑性能。由此不能保证缸活塞6在缸孔5中的充分润滑以避免摩擦磨损。然而通过预给定的间隙28阻止了摩擦磨损。在此可以使蒸汽状的工作流体从工作室8通过间隙28进入到减压室9中。但是工作流体通过出口13回送到蒸汽回路中。

此外缸活塞6在该实施例中具有环形环绕的空槽29、30。环绕的空槽29、30在此被构造为环形槽。在环形槽29、30中设有环形的密封元件31、32。环形的密封元件31、32形成工作室8和减压室9之间相对于预给定的间隙28的密封。

在该实施例中设有一个壳体部件35，该壳体部件与缸3连接。在此壳体部件35布置在缸3的缸孔5和曲轴室15之间。在壳体部件35上构成一个支承孔36，该支承孔形成用于杆21的支承部位37。由此该杆21支承在该支承孔36中，其中，支承孔36能够实现杆21沿着纵轴线7的运动。通过杆21在支承部位上的支承来接收出现的横向力。由此密封元件31、32被减压并且缸活塞6和缸孔5之间的接触被避免。缸活塞6在此通过密封元件31、32附加地在缸孔5中导向。在杆21与缸活塞6刚性连接时，不需要通过密封元件31、32的导向。

相应地，缸活塞6’也具有外侧25’，该外侧具有外直径26’。缸孔5’还具有一个内直径27’。在该实施例中，缸活塞6、6’的外直径26、26’相同大小地设置。此外，缸孔5、5’的内直径27、27’也相同大小地设置。由此也在缸活塞6’上形成在外侧25’和缸孔5’之间的间隙28’。间隙28’阻止缸活塞6’与缸孔5’的直接接触。此外在缸活塞6’上设有环绕的空槽29’、30’，其中安装环形的密封元件31’、32’。另外也设有壳体部件35’，它布置在缸孔5’和曲轴室15之间。在壳体部件35’上构成一个支承孔36’，在该支承孔中支承杆21’。支承孔36’由此形成用于杆21’的支承部位37’。由此也可以在缸4上实现缸活塞6’借助杆21’在支承部位37’上的有利支承。

在该实施例中，两个杆21、21’刚性地与曲柄摇拐机构18连接。由此构成曲柄摇拐机构18在支承部位37、37’上的两侧支承。在缸活塞6、6’的往复运动传递到曲轴16上时出现的横向力可以由此以有利的方式在支承部位37、37’上被接收。

因此，能够实现构造为往复活塞-蒸汽发动机的用作工作活塞6、6’的缸活塞6、6’的最佳支承。在此，在该实施例中缸活塞6、6’以曲轴16为参照彼此相对置地设置。缸活塞6、6’在此通过曲柄摇拐传动装置将它的力引入到曲轴16上。缸3的入口10和出口11以及缸4的入口10’和出口11’优选由阀控制。通过具有曲柄摇拐机构18和坐置在曲轴轴颈17上的滑块20的曲柄摇拐驱动装置将缸活塞6、6’的往复活塞运动传递到曲轴16上。在此，曲柄摇拐驱动装置的曲柄摇拐机构18通过杆21、21’支承在支承部位37、37’上，其中，该支承装置接收出现的横向力。

该支承装置在此被这样地设计，即缸活塞6、6’不是贴靠在在它们各自的设置在缸孔5、5’中的缸运行轨上并且在那里不传递力。由此避免了在那里不被油润滑的部位上的临界磨损。活塞机1由此能够实现所需的期待使用寿命。

为了可靠地阻止摩擦磨损，设有相对于缸运行轨足够大的间隙28、28’。为了另一方面又提高缸活塞6、6’上的密封性，在该实施例中附加的密封元件31、32、31’、32’、尤其是活塞环31、32、31’、32’设置在缸活塞6、6’上。

此外在该实施例中支承孔36、36’被油润滑。为此支承孔36、36’直接设置在曲轴室15旁边，从而来自曲轴室15的润滑油可以用于润滑支承部位37、37’。为了避免润滑油进入到减压室9、9’中，可以在支承部位37、37’上分别连接一个或多个密封元件38、39，38’、39’。由此能够保证曲柄摇拐机构18的良好且低磨损的支承。

本发明不限于所述的实施例。

Claims (10)

1.活塞机（1），它能够通过蒸汽力过程被驱动，尤其是用于利用内燃机的废气，该活塞机具有至少一个缸孔（5）、一个布置在该缸孔（5）中的缸活塞（6）、一个至少间接地与缸活塞（6）连接的杆（21）和至少一个支承部位（37），该缸活塞在缸孔（5）中限界一个工作室（8），杆（21）和与杆（21）连接缸活塞（6）支承在该支承部位上，其中，在缸活塞（6）和缸孔（5）之间设有一个圆周间隙（28）并且杆（21）将缸活塞（6）与一个曲柄摇拐机构（18）连接。

2.根据权利要求1的活塞机，其特征在于，缸活塞（6）的外侧（25）的外直径（26）预给定为小于缸孔（5）的内直径（27）。

3.根据权利要求1或2的活塞机，其特征在于，在缸活塞（6）的外侧（25）上布置至少一个密封元件（31，32）。

4.根据权利要求3的活塞机，其特征在于，在缸活塞（6）的外侧（25）上构成至少一个环绕的空槽（29，30），密封元件（31，32）被构造为环形的密封元件（31，32），并且该环形的密封元件（31，32）安设在环绕的空槽（29，30）中。

5.根据权利要求1至4之一的活塞机，其特征在于，杆（21）至少基本上刚性地与缸活塞（6）连接，支承部位（37）通过支承孔（36）构成，杆（21）在该支承孔中导向，并且缸活塞（6）通过杆（21）在支承孔（36）中的导向至少近似地在缸孔（5）的纵轴线（7）上对中地定向。

6.根据权利要求5的活塞机，其特征在于，在一个布置在缸孔（5）和一个曲轴室（15）之间的壳体部件（35）中构成支承孔（36）。

7.根据权利要求1至6之一的活塞机，其特征在于，设有一个曲轴室（15），杆（21）从缸孔（5）通过支承部位（37）伸入到曲轴室（15）中，在曲轴室（15）中设有一个曲轴（16）并且杆（21）借助曲柄摇拐机构（18）与曲轴（16）配合作用。

8.根据权利要求1至7之一的活塞机，其特征在于，设有至少一个另外的缸孔（5’）、一个布置在该另外的缸孔（5’）中的另外的缸活塞（6’）、一个至少间接地与该另外的缸活塞（6’）连接的另外的杆（21’）和至少一个另外的支承部位（37’），该另外的缸活塞（6’）在该另外的缸孔（5’）中限界一个另外的工作室（8’），其中，该另外的杆（20’）支承在该另外的支承部位（37’）上并且在该另外的缸活塞（6’）和该另外的缸孔（5’）之间设有一个圆周间隙（28’）。

9.根据权利要求8的活塞机，其特征在于，该另外的杆（21’）至少基本上刚性地与该另外的缸活塞（6’）连接，该另外的支承部位（37’）通过一个另外的支承孔（36’）构成，该另外的杆（21’）在该另外的支承孔中导向，并且该另外的缸活塞（6’）通过该另外的杆（21’）在该另外的支承孔（36’）中的导向而至少近似地在该另外的缸孔（5’）的纵轴线（7）上对中地定向。

10.根据权利要求8或9的活塞机，其特征在于，该另外的缸活塞（6’）的外侧（25’）的外直径（26’）预给定为小于该另外的缸孔（5’）的内直径（27’）；和/或在该另外的缸活塞（6’）的外侧（25’）上设有至少一个密封元件（31’，32’）。

Images