DE102010038542A1

DE102010038542A1 - piston engine

Info

Publication number: DE102010038542A1
Application number: DE102010038542A
Authority: DE
Inventors: Nadja Eisenmenger; Hans-Christoph Magel; Andreas Wengert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02
Also published as: WO2012013471A1

Abstract

Eine Kolbenmaschine (1), die insbesondere zur Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen dient, umfasst zumindest eine Zylinderbohrung (6), einen in der Zylinderbohrung (6) angeordneten Zylinderkolben (8), der in der Zylinderbohrung (6) einen Arbeitsraum (10) begrenzt, und eine mit dem Zylinderkolben (8) verbundene Stange (9), die aus der Zylinderbohrung (6) in einen Kurbelraum (12) geführt ist. Außerdem sind Dichtelemente (21, 22) vorgesehen, die Durchgangsöffnungen (23, 24) aufweisen. Die Stange (9) erstreckt sich durch die Durchgangsöffnungen (23, 24) der Dichtelemente (21, 22). Dabei bilden die Dichtelemente (21, 22) eine Abdichtung zwischen der Zylinderbohrung (6) und dem Kurbelraum (12). Dadurch ist eine Trennung eines durch den Arbeitsraum (10) geführten gasförmigen Arbeitsfluids und eiährleistet.A piston machine (1), which is used in particular to utilize waste heat from internal combustion engines, comprises at least one cylinder bore (6), a cylinder piston (8) which is arranged in the cylinder bore (6) and delimits a working space (10) in the cylinder bore (6), and a rod (9) connected to the cylinder piston (8) and guided out of the cylinder bore (6) into a crank chamber (12). In addition, sealing elements (21, 22) are provided which have through openings (23, 24). The rod (9) extends through the through openings (23, 24) of the sealing elements (21, 22). The sealing elements (21, 22) form a seal between the cylinder bore (6) and the crank chamber (12). This ensures that a gaseous working fluid passed through the working space (10) is separated.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere zur Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung eine Kolbenmaschine, die zur Umwandlung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs in zusätzliche mechanische Antriebsenergie dient.The invention relates to a piston engine, in particular for waste heat utilization of internal combustion engines. Specifically, the invention relates to a piston engine which serves to convert a waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle into additional mechanical drive energy.

Brennkraftmaschinen wandeln die Energie des Brennstoffs in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen um. Dabei wird jedoch ein erheblicher Teil als Abwärme freigesetzt, die durch das Kühlsystem oder im Abgas von der Brennkraftmaschine weggeleitet wird. Zum Nutzen dieser Wärmeenergie ist es denkbar, dass ein Dampfkraftprozess mit der Brennkraftmaschine gekoppelt wird. Dabei wird die Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Dampf verwendet, der dann in einer Expansionsmaschine entspannt wird und somit weitere mechanische Energie bereit stellt. Diese weitere mechanische Energie kann dann zum Antrieb des Fahrzeugs oder auf andere Weise, beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Hilfsenergie, genutzt werden. Besonders sinnvoll ist hierbei die Kombination einer Brennkraftmaschine mit einer Kolbenmaschine zur Abwärmenutzung bei einem Nutzkraftwagen, da hier die Brennkraftmaschine eine große Leistung abgibt und somit eine große Wärmemenge zur Dampferzeugung zur Verfügung steht.Internal combustion engines convert the energy of the fuel into mechanical energy for driving vehicles. However, a considerable part is released as waste heat, which is led away by the cooling system or in the exhaust gas from the internal combustion engine. For the benefit of this heat energy, it is conceivable that a steam power process is coupled to the internal combustion engine. The heat energy from the internal combustion engine is used to generate steam, which is then expanded in an expansion machine and thus provides additional mechanical energy. This additional mechanical energy can then be used to drive the vehicle or otherwise, for example, to generate electrical auxiliary energy. Particularly useful in this case is the combination of an internal combustion engine with a piston engine for waste heat utilization in a commercial vehicle, since here the internal combustion engine emits a large power and thus a large amount of heat for steam generation is available.

Allerdings ergibt sich bei der Nutzung der Abwärme das Problem, dass der Wirkungsgrad bei der Abwärmenutzung unter anderem durch die auftretende Reibung erheblich reduziert ist. Um in Bezug auf den Dampfkraftprozess einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, ist ein großes Hubvolumen des Dampfmotors und damit ein großer Kolbendurchmesser eines Hubkolbens des Dampfmotors notwendig. Dies bedeutet allerdings auch entsprechend große Reibverluste, die den gesamten Wirkungsgrad wiederum reduzieren.However, when using the waste heat, there is the problem that the efficiency in the use of waste heat is significantly reduced, inter alia, by the friction occurring. In order to achieve good efficiency in terms of the steam power process, a large displacement of the steam engine and thus a large piston diameter of a reciprocating piston of the steam engine is necessary. However, this also means correspondingly large friction losses, which in turn reduce the overall efficiency.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Wirkungsgrad der Kolbenmaschine verbessert ist. Insbesondere kann ein großer Teil der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abwärme in Form von mechanischer Energie genutzt werden.The piston engine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an efficiency of the piston engine is improved. In particular, a large part of the waste heat emitted by the internal combustion engine can be used in the form of mechanical energy.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Kolbenmaschine möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous developments of the piston machine specified in claim 1 are possible.

Speziell kann die Kolbenmaschine zur Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen dienen. Hierbei kann die Kolbenmaschine in vorteilhafter Weise als Hubkolben-Dampfmotor mit optimierter Medientrennung ausgestaltet sein. Speziell kann im Betrieb durch den Arbeitsraum dampfförmiges Arbeitsfluid geführt werden, das im Arbeitsraum entspannt wird und somit mechanische Energie über den Zylinderkolben und die Stange überträgt. Das dampfförmige Arbeitsfluid wird hierbei vorzugsweise gesteuert über den Arbeitsraum geführt. Hierbei können Ein- und Auslassventile für den Arbeitsraum vorgesehen sein. Ferner ist es vorteilhaft, dass im Betrieb zur Schmierung Öl im Kurbelraum vorgesehen ist. Hierbei kann der Kurbelraum in vorteilhafter Weise an einen Schmiermittelkreislauf angeschlossen sein. Durch das Dichtelement wird dann eine Medientrennung zwischen dem dampfförmigen Arbeitsfluid und dem Öl im Kurbelraum gewährleistet. Hierbei können auch mehrere Dichtelemente vorgesehen sein, die vorzugsweise hintereinander angeordnet sind.Specifically, the reciprocating engine can be used for waste heat utilization of internal combustion engines. In this case, the piston engine can be designed in an advantageous manner as a reciprocating steam engine with optimized media separation. In particular, during operation, vaporous working fluid can be conducted through the working space, which is expanded in the working space and thus transfers mechanical energy via the cylinder piston and the rod. The vaporous working fluid is preferably guided controlled over the working space. In this case, inlet and outlet valves can be provided for the working space. Furthermore, it is advantageous that oil is provided in the crankcase during operation for lubrication. Here, the crank chamber can be connected in an advantageous manner to a lubricant circuit. By the sealing element then a media separation between the vaporous working fluid and the oil is ensured in the crankcase. In this case, a plurality of sealing elements can be provided, which are preferably arranged one behind the other.

Vorteilhaft ist es, dass ein Durchmesser der Stange deutlich kleiner ist als ein Durchmesser des Zylinderkolbens. Beispielsweise kann der Durchmesser der Stange nicht größer als die Hälfte des Durchmessers des Zylinderkolbens gewählt sein. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Stange kleiner als die Hälfte des Durchmessers des Zylinderkolbens. Hierdurch kann zum einen ein guter Wirkungsgrad in Bezug auf den Dampfkraftprozess erzielt werden, da ein relativ großes Hubvolumen bei einem relativ großen Durchmesser des Zylinderkolbens besteht. Zum anderen kann auch die auftretende Reibung zwischen der Stange und dem Dichtelement begrenzt werden, da der Durchmesser der Stange relativ klein ist und somit die Kontaktfläche zwischen der Stange und dem Dichtelement im Bereich der Durchgangsöffnung des Dichtelements, an der die Reibung auftritt, klein ist. Somit ergibt sich insgesamt ein optimierter Wirkungsgrad der Kolbenmaschine.It is advantageous that a diameter of the rod is significantly smaller than a diameter of the cylinder piston. For example, the diameter of the rod may not be greater than half the diameter of the cylinder piston. Preferably, the diameter of the rod is smaller than half the diameter of the cylinder piston. In this way, on the one hand, a good efficiency with respect to the steam power process can be achieved, since there is a relatively large displacement at a relatively large diameter of the cylinder piston. On the other hand, the occurring friction between the rod and the sealing element can be limited, since the diameter of the rod is relatively small and thus the contact surface between the rod and the sealing element in the region of the passage opening of the sealing element, where the friction occurs, is small. This results in an overall optimized efficiency of the piston engine.

Vorteilhaft ist es, dass der Zylinderkolben einerseits den Arbeitsraum und andererseits einen druckentlasteten Raum der Zylinderbohrung begrenzt und dass das Dichtelement eine Abdichtung zwischen dem druckentlasteten Raum und dem Kurbelraum bildet.It is advantageous that the cylinder piston limits on the one hand the working space and on the other hand a pressure-relieved space of the cylinder bore and that the sealing element forms a seal between the pressure-relieved space and the crank space.

Hierdurch grenzt der Arbeitsraum nicht unmittelbar an den Kurbelraum an, da der druckentlastete Raum zwischen dem Arbeitsraum und dem Kurbelraum in der Zylinderbohrung angeordnet ist. Hierdurch wird das Problem einer Einleitung von gasförmigem oder flüssigem Druckfluid in den Kurbelraum, wo es sich mit dem Schmieröl mischen kann, verringert. Dadurch kann auch eine Belastung des Dichtelements, das die Abdichtung zwischen dem druckentlasteten Raum und dem Kurbelraum bildet, verringert werden. Somit ergibt sich eine optimierte Trennung des Arbeitsraums von dem Kurbelraum. Hierbei wird umgekehrt auch ein Eintrag von Öl in das Arbeitsfluid verhindert oder zumindest erheblich reduziert.As a result, the working space does not directly adjoin the crank chamber, since the pressure-relieved space between the working space and the crank space is arranged in the cylinder bore. This reduces the problem of introducing gaseous or liquid pressurized fluid into the crankcase where it can mix with the lubricating oil. As a result, a load of the sealing element, which forms the seal between the pressure-relieved space and the crank chamber can be reduced. This results in an optimized separation the working space of the crankcase. In this case, conversely, an entry of oil into the working fluid is prevented or at least considerably reduced.

Ferner ist es vorteilhaft, dass die Stange zumindest in einem Dichtabschnitt, in dem die Stange an der Durchgangsöffnung des Dichtelements mit dem Dichtelement zusammenwirkt, eine hohe Oberflächengüte und/oder eine Beschichtung mit einer hohen Oberflächengüte aufweist. Hierdurch können auftretende Reibverluste zwischen der Stange und dem Dichtelement weiter verringert werden.Furthermore, it is advantageous for the rod to have a high surface quality and / or a coating with a high surface quality, at least in a sealing section in which the rod interacts with the sealing element at the passage opening of the sealing element. As a result, occurring friction losses between the rod and the sealing element can be further reduced.

In vorteilhafter Weise ist eine in dem Kurbelraum angeordnete Kurbelwelle vorgesehen, wobei die Stange mittels eines Kurbelschleifenantriebs mit der Kurbelwelle verbunden ist. Speziell kann ein Scotch-Yoke-Antrieb realisiert sein. Hierdurch kann insbesondere eine als Dampfmotor ausgestaltete Kolbenmaschine mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden, die gut an einer Brennkraftmaschine angebracht werden kann. Dies ermöglicht einen Kombinationsmotor aus einer Brennkraftmaschine und einem Dampfmotor mit einem im Ergebnis sehr geringen Kraftstoffverbrauch.In an advantageous manner, a crank shaft arranged in the crankshaft is provided, wherein the rod is connected by means of a crank-wheel drive with the crankshaft. In particular, a Scotch-Yoke drive can be realized. As a result, in particular, a piston engine designed as a steam engine can be realized with high efficiency, which can be mounted well on an internal combustion engine. This allows a combination engine of an internal combustion engine and a steam engine with a result in very low fuel consumption.

Vorteilhaft ist es, dass die Stange mit einer Kurbelschleife des Kurbelschleifenantriebs verbunden ist, wobei die Stange über den Kurbelschleifenantrieb mit der Kurbelwelle verbunden ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Stange, die den Zylinderkolben mit der Kurbelschleife verbindet, so geführt ist, dass die Stange im Betrieb eine rein translatorische Bewegung ausführt. Durch den Kurbelschleifenantrieb wird erreicht, dass die Stange (Verbindungsstange) zwischen dem als Arbeitskolben dienenden Zylinderkolben und der Kurbelschleife eine rein translatorische Bewegung durchführt. Daher ist die Realisierung einer optimierten Medientrennung möglich, ohne den Bauraum stark zu vergrößern. Daher wird in dieser Kombination ein Dampfmotor mit geringen Reibungsverlusten und bezogen auf den Bauraum großem Hubvolumen ermöglicht.It is advantageous that the rod is connected to a crank loop of the crank grinding wheel drive, wherein the rod is connected to the crankshaft via the crank grinding wheel drive. Further, it is advantageous that the rod which connects the cylinder piston with the crank loop, is guided so that the rod performs a purely translational movement during operation. By means of the crank-wheel drive it is achieved that the rod (connecting rod) performs a purely translatory movement between the cylinder piston serving as working piston and the crank-loop. Therefore, the realization of an optimized media separation is possible without greatly increasing the space. Therefore, in this combination, a steam engine with low friction losses and based on the space allows large displacement.

In vorteilhafter Weise wandelt die Kolbenmaschine eine Abwärme der Brennkraftmaschine über einen ORC-Prozess in mechanische Energie um. Das Arbeitsfluid (Arbeitsmedium) des ORC-Prozesses (Organic Rankine Cycle) kann hierbei im Wesentlichen aus Wasser bestehen. Das Arbeitsfluid wird in der flüssigen Phase von einer Pumpe auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases, der Abgasrückführung und dergleichen über einen Wärmetauscher an das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses übertragen. Hierbei wird das Arbeitsfluid isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in dem Arbeitsraum der Kolbenmaschine adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und über die Stange auf die Kurbelwelle oder dergleichen übertragen. Das Arbeitsfluid wird nun in einem Kondensator abgekühlt und im flüssigen Zustand wieder der Pumpe zugeführt. Hierdurch ist der Kreislauf des ORC-Prozesses geschlossen.Advantageously, the piston engine converts a waste heat of the internal combustion engine via an ORC process into mechanical energy. The working fluid (working medium) of the ORC (Organic Rankine Cycle) process can essentially consist of water. The working fluid is compressed in the liquid phase by a pump to the pressure level for evaporation. Subsequently, the heat energy of the exhaust gas, the exhaust gas recirculation and the like is transmitted via a heat exchanger to the working fluid of the ORC process. Here, the working fluid isobaric evaporated and then overheated. Thereafter, the steam is adiabatically released in the working space of the reciprocating engine. In this case, mechanical energy is obtained and transmitted via the rod to the crankshaft or the like. The working fluid is then cooled in a condenser and returned to the pump in the liquid state. This closes the cycle of the ORC process.

Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest eine weitere Zylinderbohrung, ein in der weiteren Zylinderbohrung angeordneter weiterer Zylinderkolben, der in der weiteren Zylinderbohrung einen Arbeitsraum begrenzt, eine zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben verbundene Stange, die aus der weiteren Zylinderbohrung in den Kurbelraum geführt ist, und zumindest ein weiteres Dichtelement vorgesehen sind, dass das weitere Dichtelement eine Durchgangsöffnung aufweist, dass sich die weitere Stange durch die Durchgangsöffnung des weiteren Dichtelements erstreckt, dass eine in dem Kurbelraum angeordnete Kurbelwelle vorgesehen ist und dass die beiden Stangen zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle verbunden sind. Speziell können die beiden Stangen gegeneinander auf die Kurbelwelle einwirken. Die Anordnung kann hierbei entsprechend einer Boxeranordnung erfolgen. Dadurch wird ein vorteilhaftes Laufverhalten der Kolbenmaschine und somit eine relativ gleichmäßige Abgabe der mechanischen Energie erzielt.It is also advantageous that at least one further cylinder bore, a further cylinder piston arranged in the further cylinder bore, which delimits a working space in the further cylinder bore, a rod connected at least indirectly to the further cylinder piston, which is guided from the further cylinder bore into the crank space, and at least one further sealing element are provided, that the further sealing element has a passage opening, that the further rod extends through the passage opening of the further sealing element, that a crankshaft arranged in the crank chamber is provided and that the two rods are at least indirectly connected to the crankshaft , Specifically, the two rods can act against each other on the crankshaft. The arrangement can be made according to a boxer arrangement. As a result, an advantageous running behavior of the piston engine and thus a relatively uniform delivery of the mechanical energy is achieved.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:Preferred embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Kolbenmaschine zur Umwandlung von Abwärme einer Brennkraftmaschine oder dergleichen in mechanische Energie in einer schematischen Darstellung. 1 An embodiment of a piston engine for the conversion of waste heat of an internal combustion engine or the like into mechanical energy in a schematic representation.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolbenmaschine 1 in einer schematischen Darstellung. Die Kolbenmaschine 1 kann insbesondere als Hubkolben-Dampfmotor ausgestaltet sein. Die Kolbenmaschine 1 kann speziell zur Nutzung der Abwärme von Brennkraftmaschinen dienen. Dabei eignet sich die Kolbenmaschine 1 besonders für Nutzkraftwagen mit Dieselmotor oder Gasmotor, da in diesem Fall vergleichbare Drehzahlbereiche realisiert werden können und die mechanische Energie aus der Kolbenmaschine somit direkt an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgegeben werden kann. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle. 1 shows an embodiment of a piston engine 1 in a schematic representation. The piston engine 1 can be configured in particular as a reciprocating steam engine. The piston engine 1 can be used specifically for the use of waste heat from internal combustion engines. In this case, the piston engine is suitable 1 especially for commercial vehicles with diesel engine or gas engine, since in this case comparable speed ranges can be realized and the mechanical energy from the piston engine can thus be delivered directly to the crankshaft of the internal combustion engine. The piston engine according to the invention 1 However, it is also suitable for other applications.

Die Kolbenmaschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das Gehäuseteile 3, 4, 5 umfasst. In dem Gehäuseteil 3 ist eine Zylinderbohrung 6 ausgestaltet. Ferner ist in dem Gehäuseteil 4 eine weitere Zylinderbohrung 7 ausgestaltet. In der Zylinderbohrung 6 ist ein Zylinderkolben 8 angeordnet. Der Zylinderkolben 8 ist mit einer Stange 9 verbunden. Die Stange 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel starr mit dem Zylinderkolben 8 verbunden. Der Zylinderkolben 8 begrenzt einerseits einen Arbeitsraum 10 und andererseits einen druckentlasteten Raum 11 der Zylinderbohrung 6. Die Stange 9 erstreckt sich durch den druckentlasteten Raum 11 in einen Kurbelraum 12 innerhalb des Gehäuseteils 5.The piston engine 1 has a housing 2 on, the housing parts 3 . 4 . 5 includes. In the housing part 3 is a cylinder bore 6 designed. Furthermore, in the housing part 4 another cylinder bore 7 designed. In the cylinder bore 6 is a cylinder piston 8th arranged. The cylinder piston 8th is with a pole 9 connected. The pole 9 is rigid with the cylinder piston in this embodiment 8th connected. The cylinder piston 8th limited on the one hand a working space 10 and on the other hand, a pressure-relieved room 11 the cylinder bore 6 , The pole 9 extends through the pressure-relieved room 11 in a crank room 12 within the housing part 5 ,

Der Zylinderbohrung 6 sind ein Einlass 15 und ein Auslass 16 zugeordnet. Hierbei sind der Einlass 15 und der Auslass 16 vorzugsweise über je ein Ventil steuerbar. Über den Einlass 15 kann gasförmiges Arbeitsfluid in den Arbeitsraum 10 geführt werden. Über den Auslass 16 kann das Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum 10 ausgelassen werden. Hierbei entspannt sich das in den Arbeitsraum 10 über den Einlass 15 zugeführte Arbeitsfluid im Arbeitsraum 10. Dies führt zu einer Verstellung des Zylinderkolbens 8 und somit auch der Stange 9 in einer Richtung 17. Durch Betätigen des Zylinderkolbens 8 entgegen der Richtung 17 kann anschließend das entspannte Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum 10 ausgestoßen werden.The cylinder bore 6 are an inlet 15 and an outlet 16 assigned. Here are the inlet 15 and the outlet 16 preferably controllable via a respective valve. About the inlet 15 can gaseous working fluid in the working space 10 be guided. About the outlet 16 can the working fluid from the work space 10 be left out. This relaxes in the work space 10 over the inlet 15 supplied working fluid in the work space 10 , This leads to an adjustment of the cylinder piston 8th and therefore also the pole 9 in one direction 17 , By actuating the cylinder piston 8th against the direction 17 then can the relaxed working fluid from the workspace 10 be ejected.

Der druckentlastete Raum 11 ist über einen Auslass 18 mit einem Niederdruckbereich des Dampfkreises verbunden. Arbeitsfluid, das auf Grund einer Leckage aus dem Arbeitsraum 10 in den druckentlasteten Raum 11 gelangt, kann somit über den Auslass 18 wieder in den Dampfkreis geführt werden.The pressure relieved room 11 is over an outlet 18 connected to a low pressure region of the steam circuit. Working fluid due to leakage from the work space 10 in the pressure-relieved room 11 can thus pass through the outlet 18 be led back into the steam circle.

Das Gehäuseteil 3 weist einen ringförmigen Bund 19 auf. Der Bund 19 weist eine Durchgangsbohrung 20 auf. Im Bereich der Durchgangsbohrung 20 sind ringförmige Dichtelemente 21, 22 in den Bund 19 eingesetzt. Die Dichtelemente 21, 22 weisen jeweils eine Durchgangsöffnung 23, 24 auf.The housing part 3 has an annular collar 19 on. The Bund 19 has a through hole 20 on. In the area of the through hole 20 are annular sealing elements 21 . 22 in the covenant 19 used. The sealing elements 21 . 22 each have a passage opening 23 . 24 on.

Die Stange 9 erstreckt sich durch die Durchgangsöffnungen 23, 24 der Dichtelemente 21, 22. Die Stange 9 weist einen Dichtabschnitt 25 auf, in dem die Stange 9 an den Durchgangsöffnungen 23, 24 der Dichtelemente 21, 22 mit den Dichtelementen 21, 22 zusammenwirkt. Zumindest an dem Dichtabschnitt 25 weist die Stange 9 eine hohe Oberflächengüte oder eine Beschichtung mit einer hohen Oberflächengüte auf, um eine Reibung zwischen der Stange 9 und den Dichtelementen 21, 22 im Bereich der Durchgangsöffnung 23, 24 weiter zu reduzieren. Die Stange 9 weist zumindest an ihrem Dichtabschnitt 25 einen vorgegebenen Durchmesser 26 auf. Ein Durchmesser der Durchgangsöffnungen 23, 24 der Dichtelemente 21, 22 ist hierbei gleich große vorgegeben wie der Durchmesser 26 der Stange 9. Somit bilden die Dichtelemente 21, 22 eine Abdichtung zwischen dem Kurbelraum 12 und dem druckentlasteten Raum 11 der Zylinderbohrung 6.The pole 9 extends through the through holes 23 . 24 the sealing elements 21 . 22 , The pole 9 has a sealing portion 25 on where the rod is 9 at the passage openings 23 . 24 the sealing elements 21 . 22 with the sealing elements 21 . 22 interacts. At least on the sealing section 25 points the pole 9 a high surface finish or coating with a high surface finish to provide friction between the rod 9 and the sealing elements 21 . 22 in the area of the passage opening 23 . 24 continue to reduce. The pole 9 points at least at its sealing portion 25 a given diameter 26 on. A diameter of the passage openings 23 . 24 the sealing elements 21 . 22 this is the same size as the diameter 26 the pole 9 , Thus, the sealing elements form 21 . 22 a seal between the crankcase 12 and the pressure-relieved room 11 the cylinder bore 6 ,

Im Bereich der weiteren Zylinderbohrung 7 weist die Kolbenmaschine 1 eine entsprechende Ausgestaltung auf. Hierbei ist in Bezug auf die Zylinderbohrung 6 eine Boxeranordnung realisiert. In der weiteren Zylinderbohrung 7 ist ein Zylinderkolben 8' geführt, der mit einer Stange 9' verbunden ist. Der Zylinderkolben 8' begrenzt in der weiteren Zylinderbohrung 7 einerseits einen Arbeitsraum 10' und andererseits einen druckentlasteten Raum 11'. Die Stange 9' erstreckt sich durch den druckentlasteten Raum 11' in den Kurbelraum 12. Ferner sind ein gesteuerter Einlass 15' und ein gesteuerter Auslass 16' für den Arbeitsraum 10' vorgesehen. Beim Expandieren des in den Arbeitsraum 10' eingeführten gasförmigen Arbeitsfluids wird der Zylinderkolben 8' mit der Stange 9' entgegen der Richtung 17 betätigt. Hierdurch wird eine Rückstellung des Zylinderkolbens 8 und somit ein Ausstoßen des Gases aus dem Arbeitsraum 10 über den Auslass 16 ermöglicht. Umgekehrt wird während des Expandierens des in den Arbeitsraum 10 eingeführten gasförmigen Arbeitsfluids ein Ausstoß des gasförmigen Arbeitsfluids aus dem Arbeitsraum 10' über den Auslass 16' ermöglicht.In the area of the further cylinder bore 7 has the piston engine 1 a corresponding embodiment. Here is in relation to the cylinder bore 6 realized a boxer arrangement. In the further cylinder bore 7 is a cylinder piston 8th' led that with a rod 9 ' connected is. The cylinder piston 8th' limited in the other cylinder bore 7 on the one hand a workspace 10 ' and on the other hand, a pressure-relieved room 11 ' , The pole 9 ' extends through the pressure-relieved room 11 ' in the crankcase 12 , Further, a controlled inlet 15 ' and a controlled outlet 16 ' for the workroom 10 ' intended. When expanding into the workspace 10 ' introduced gaseous working fluid is the cylinder piston 8th' with the rod 9 ' against the direction 17 actuated. As a result, a provision of the cylinder piston 8th and thus an expulsion of the gas from the working space 10 over the outlet 16 allows. Conversely, while expanding into the working space 10 introduced gaseous working fluid ejection of the gaseous working fluid from the working space 10 ' over the outlet 16 ' allows.

Ferner ist ein Auslass 18' für den druckentlasteten Raum 11' vorgesehen, der wie der Auslass 18 mit einem Niederdruck des Dampfkreises verbunden ist. An dem Gehäuseteil 4 ist ferner ein Bund 19' vorgesehen, der eine Durchgangsbohrung 20' aufweist. Im Bereich der Durchgangsbohrung 20' sind weitere Dichtelemente 21', 22' in den Bund 19 eingesetzt, so dass eine Abdichtung zwischen dem druckentlasteten Raum 11' und dem Kurbelraum 12 gebildet ist. Die Stange 9 ist hierbei durch Durchgangsöffnungen 23', 24' der Dichtelemente 21', 22' geführt. An dem Dichtabschnitt 25' wirkt die Stange 9' mit den Dichtelementen 21', 22' zusammen. Der Dichtabschnitt 25' weist hierbei eine hohe Oberflächengüte oder eine Beschichtung mit einer hohen Oberflächengüte auf. Ein Durchmesser 26' der Stange 9' im Dichtabschnitt 25' ist gleich groß wie der Durchmesser der Durchgangsöffnungen 23', 24' der Dichtelemente 21', 22'. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser 26' der Stange 9' gleich groß gewählt wie der Durchmesser 26 der Stange 9.There is also an outlet 18 ' for the pressure-relieved room 11 ' provided, like the outlet 18 is connected to a low pressure of the steam circuit. On the housing part 4 is also a covenant 19 ' provided, which has a through hole 20 ' having. In the area of the through hole 20 ' are more sealing elements 21 ' . 22 ' in the covenant 19 used, allowing a seal between the pressure-relieved space 11 ' and the crank room 12 is formed. The pole 9 is here through through holes 23 ' . 24 ' the sealing elements 21 ' . 22 ' guided. At the sealing section 25 ' the pole works 9 ' with the sealing elements 21 ' . 22 ' together. The sealing section 25 ' in this case has a high surface quality or a coating with a high surface quality. A diameter 26 ' the pole 9 ' in the sealing section 25 ' is the same size as the diameter of the through holes 23 ' . 24 ' the sealing elements 21 ' . 22 ' , In this embodiment, the diameter 26 ' the pole 9 ' the same size as the diameter 26 the pole 9 ,

Der Zylinderkolben 8 weist einen Durchmesser 30 auf. Der Durchmesser 30 ist hierbei gleich dem Bohrungsdurchmesser der Zylinderbohrung 6. Der Durchmesser 26 der Stange 9 ist höchstens halb so groß vorgegeben wie der Durchmesser 30 des Zylinderkolbens 8. Hierdurch kann zum einen das zur Verfügung stehende, maximale Volumen des Arbeitsraums 10 relativ groß sein. Zum anderen kann die Reibung zwischen der Stange 9 und den Dichtelementen 21, 22 auf Grund der reduzierten Reibfläche relativ klein sein.The cylinder piston 8th has a diameter 30 on. The diameter 30 is equal to the bore diameter of the cylinder bore 6 , The diameter 26 the pole 9 is at most half as large as the diameter 30 of the cylinder piston 8th , As a result, on the one hand, the available, maximum volume of the working space 10 be relatively large. Secondly, the friction between the rod 9 and the sealing elements 21 . 22 be relatively small due to the reduced friction surface.

Der Durchmesser 30' des Zylinderkolbens 8' ist in diesem Ausführungsbeispiel gleich groß wie der Durchmesser 30 des Zylinderkolbens 8 gewählt. Ferner ist auch der Durchmesser 26' der Stange 9' gleich groß gewählt wie der Durchmesser 28 der Stange 9. Im Bereich der weiteren Zylinderbohrung 7 ergeben sich dadurch die entsprechenden Vorteile.The diameter 30 ' of the cylinder piston 8th' is the same size as the diameter in this embodiment 30 of the cylinder piston 8th selected. Furthermore, the diameter is also 26 ' the pole 9 ' the same size as the diameter 28 the pole 9 , In the area of the further cylinder bore 7 this results in the corresponding benefits.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zylinderkolben 8, 8' gegenüberliegend zueinander angeordnet, wobei sie ihre Kraft über einen Kurbelschleifenantrieb auf eine Kurbelwelle 31 übertragen. In diesem Ausführungsbeispiel übertragen die Zylinderkolben 8, 8' ihre Kraft auf den gleichen Abschnitt 32 der Kurbelwelle 31. Der Einlass 15 für den Arbeitsraum 10 und der Einlass 15' für den Arbeitsraum 10' werden wechselweise angesteuert. Entsprechend werden auch die Auslässe 16, 16' für die Arbeitsräume 10, 10' angesteuert. Der Kurbelschleifenantrieb umfasst eine Kurbelschleife 33 und einen an dem Abschnitt 32 der Kurbelwelle 31 angeordneten Kulissenstein 34. Der Kulissenstein 34 sitzt auf dem als Kurbelwellenzapfen 32 ausgestalteten Abschnitt 32 der Kurbelwelle 31. Somit wird die Hubkolbenbewegung der Zylinderkolben 8, 8' auf die Kurbelwelle 31 überfragen.In this embodiment, the cylinder pistons 8th . 8th' arranged opposite each other, where they use their power via a crank-wheel drive on a crankshaft 31 transfer. In this embodiment, the cylinder pistons transmit 8th . 8th' their power on the same section 32 the crankshaft 31 , The inlet 15 for the workroom 10 and the inlet 15 ' for the workroom 10 ' are controlled alternately. Accordingly, the outlets are 16 . 16 ' for the workrooms 10 . 10 ' driven. The crank drive comprises a crank loop 33 and one on the section 32 the crankshaft 31 arranged sliding block 34 , The sliding block 34 sits on the crankshaft journal 32 designed section 32 the crankshaft 31 , Thus, the reciprocating motion of the cylinder piston 8th . 8th' on the crankshaft 31 about asking.

Die Übertragung der Druckkräfte von den Arbeitsräumen 10, 10' über die Zylinderkolben 8, 8' zur Kurbelwelle 31 erfolgt über die Stangen 9, 9'. Die Dichtelemente 21, 22 an der Stange 9 sowie die Dichtelemente 21', 22' an der Stange 9' dienen hierbei zur Trennung des Arbeitsfluids von dem Öl im Kurbelraum 12.The transfer of pressure forces from the work spaces 10 . 10 ' over the cylinder pistons 8th . 8th' to the crankshaft 31 done over the bars 9 . 9 ' , The sealing elements 21 . 22 At the rod 9 as well as the sealing elements 21 ' . 22 ' At the rod 9 ' serve to separate the working fluid from the oil in the crankcase 12 ,

Als Arbeitsfluid für die Arbeitsräume 10, 10' kann insbesondere Wasserdampf dienen. Um eine geringe Reibleistung und eine hohe Lebensdauer des Kurbeltriebs zu erzielen, wird der Kurbeltrieb vorzugsweise ölgeschmiert ausgeführt. Der Kurbelraum 12 kann hierbei mit Öl gefüllt sein. Durch die ausgebildeten Abdichtungen wird ein Eintrag von Öl in das Arbeitsfluid verhindert, so dass der Wirkungsgrad des Wärmetauschers des Dampfprozesses, insbesondere des ORC-Prozesses, nicht durch den Eintritt von Öl reduziert wird. Ferner wird ein Eintrag von Arbeitsfluid in das Öl im Kurbelraum 12 verhindert, so dass die Schmiereigenschaften des Öls nicht beeinträchtigt werden.As a working fluid for the workrooms 10 . 10 ' can serve in particular water vapor. In order to achieve a low friction and a long life of the crank mechanism, the crank mechanism is preferably carried out oil lubricated. The crank room 12 can be filled with oil. The seals formed prevent entry of oil into the working fluid, so that the efficiency of the heat exchanger of the steam process, in particular the ORC process, is not reduced by the entry of oil. Further, an entry of working fluid into the oil in the crankcase 12 prevented, so that the lubricating properties of the oil are not affected.

Somit kann die Kolbenmaschine 1 als Hubkolben-Dampfmotor mit Scotch-Yoke-Antrieb ausgestaltet sein. Hierbei können sehr große Durchmesser an den Zylinderkolben 8, 8' und somit den Zylinderbohrungen 6, 7 realisiert werden.Thus, the piston engine 1 be designed as a reciprocating steam engine with Scotch-yoke drive. This can be very large diameter on the cylinder piston 8th . 8th' and thus the cylinder bores 6 . 7 will be realized.

Allerdings können auch andere Ausgestaltungen realisiert werden. Beispielsweise kann an Stelle des Scotch-Yoke-Antriebs auch ein normaler Kurbelantrieb mit Pleuel realisiert werden, wobei die Stangen 9, 9' dann als Pleuelstangen dienen. Die Medientrennung kann hierbei in entsprechender Weise durch Dichtelemente 21, 22 für die Stange 9 und die Dichtelemente 21', 22' für die Stange 9' realisiert werden.However, other embodiments can be realized. For example, instead of the Scotch-yoke drive, a normal crank drive can be realized with connecting rods, wherein the rods 9 . 9 ' then serve as connecting rods. The media separation can in this case in a corresponding manner by sealing elements 21 . 22 for the pole 9 and the sealing elements 21 ' . 22 ' for the pole 9 ' will be realized.

Somit kann eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine oder eine optimierte Ausnutzung des verbrauchten Brennstoffs erzielt werden.Thus, a reduction of the fuel consumption of an internal combustion engine or an optimized utilization of the consumed fuel can be achieved.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited to the described embodiments.

Claims

Piston machine ( 1 ), which is drivable via a steam power process, in particular for waste heat utilization of internal combustion engines, with at least one cylinder bore ( 6 ), one in the cylinder bore ( 6 ) arranged cylinder piston ( 8th ), in the cylinder bore ( 6 ) a work space ( 10 ), at least indirectly with the cylinder piston ( 8th ) connected rod ( 9 ) coming out of the cylinder bore ( 6 ) in a crankcase ( 12 ), and at least one sealing element ( 21 . 22 ), wherein the sealing element ( 21 . 22 ) a passage opening ( 23 . 24 ), wherein the rod ( 9 ) through the passage opening ( 23 . 24 ) of the sealing element ( 21 . 22 ) and wherein the sealing element ( 21 . 22 ) a seal between the cylinder bore ( 6 ) and the crankcase ( 12 ).

Piston engine according to claim 1, characterized in that during operation through the working space ( 10 ) controlled vaporous working fluid is guided and / or that during operation for lubrication oil in the crankcase ( 12 ) is provided.

Piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that a diameter ( 26 ) of the rod ( 9 ) is significantly smaller than a diameter ( 30 ) of the cylinder piston ( 8th ).

Piston engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cylinder piston ( 8th ) on the one hand the working space ( 10 ) and on the other hand a pressure-relieved space ( 11 ) of the cylinder bore ( 6 ) and that the sealing element ( 21 . 22 ) a seal between the pressure-relieved space ( 11 ) and the crankcase ( 12 ).

Piston engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rod ( 9 ) at least in a sealing section ( 25 ), in which the rod ( 9 ) at the passage opening ( 23 . 24 ) of the sealing element ( 21 . 22 ) with the sealing element ( 21 . 22 ) cooperates, has a high surface quality and / or a coating with a high surface quality.

Piston engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the crank chamber ( 12 ) Is connectable to an oil circuit of an internal combustion engine.

Piston engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that one in the crank chamber ( 12 ) arranged crankshaft ( 31 ) and that the rod ( 9 ) with a crank loop ( 33 ) of a crank-wheel drive, wherein the rod ( 9 ) via the crank drive with the crankshaft ( 31 ) connected is.

Piston engine according to claim 7, characterized in that the rod ( 9 ), the cylinder piston ( 8th ) with the crank loop ( 33 ), so guided is that the rod ( 9 ) performs a purely translational movement in operation.

Piston engine according to one of claims 1 to 8, characterized in that the piston engine converts a waste heat of an internal combustion engine via a configured as ORC process steam power process into mechanical energy.

Piston engine according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one further cylinder bore ( 7 ), one in the further cylinder bore ( 7 ) arranged further cylinder piston ( 8th' ), which in the further cylinder bore ( 7 ) a work space ( 10 ' ), at least indirectly with the other cylinder piston ( 8th' ) connected rod ( 9 ' ), from the further cylinder bore ( 7 ) in the crankcase ( 12 ), and at least one further sealing element ( 21 ' . 22 ' ) are provided, that the further sealing element ( 21 ' . 22 ' ) a passage opening ( 23 ' . 24 ' ), that the further rod ( 9 ' ) through the passage opening ( 23 ' . 24 ' ) of the further sealing element ( 21 ' . 22 ' ) that one in the crankcase ( 12 ) arranged crankshaft ( 31 ) is provided that the rod ( 9 ) at least indirectly with the crankshaft ( 31 ' ) and that the further rod ( 9 ' ) at least indirectly with the crankshaft ( 31 ) connected is.