DE102010038543A1

DE102010038543A1 - About a steam power process drivable piston engine

Info

Publication number: DE102010038543A1
Application number: DE102010038543A
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: US20130118174A1; CN103026002A; EP2598719A1; WO2012013463A1

Abstract

Eine Kolbenmaschine (1), die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist und die insbesondere zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine dient, umfasst eine Zylinderbohrung (5), einen in der Zylinderbohrung (5) angeordneten Zylinderkolben (6), der in der Zylinderbohrung (5) einen Arbeitsraum (8) begrenzt, eine mit dem Zylinderkolben (6) verbundene Stange (21) und eine Lagerstelle (37), an der die Stange (21) und der mit der Stange (21) verbundene Zylinderkolben (6) gelagert sind. Dabei ist zwischen dem Zylinderkolben (6) und der Zylinderbohrung (5) ein umfänglicher Spalt (28) vorgegeben. Dadurch wird ein Reibverschleiß zwischen dem Zylinderkolben (6) und der Zylinderbohrung (5) verhindert. Dies ist speziell bei einem auf Wasser basierenden Arbeitsfluid, das durch den Arbeitsraum (8) geführt wird, von Vorteil, da Wasserdampf keine Schmierfähigkeit hat.A piston engine (1), which is drivable via a steam power process and which is used in particular for utilizing the waste heat of an internal combustion engine, comprises a cylinder bore (5), a cylinder piston (6) arranged in the cylinder bore (5) and located in the cylinder bore (5). a working space (8) bounded, a rod (21) connected to the cylinder piston (6) and a bearing point (37) on which the rod (21) and the cylinder piston (6) connected to the rod (21) are mounted. In this case, a circumferential gap (28) is predetermined between the cylinder piston (6) and the cylinder bore (5). This prevents frictional wear between the cylinder piston (6) and the cylinder bore (5). This is particularly advantageous with a water-based working fluid passing through the working space (8) since water vapor has no lubricity.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine über einen Dampfkraftprozess antreibbare Kolbenmaschine. Speziell betrifft die Erfindung eine Kolbenmaschine, die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist und zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine dient.The invention relates to a drivable via a steam power piston engine. Specifically, the invention relates to a piston engine which can be driven by a steam power process and serves to utilize the waste heat of an internal combustion engine.

Brennkraftmaschinen wandeln die Energie des Brennstoffs in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen und dergleichen um. Dabei wird jedoch ein erheblicher Teil der Energie als Abwärme freigesetzt, die durch das Kühlsystem oder im Abgas von der Brennkraftmaschine weggeleitet wird. Um diese Wärmeenergie zu nutzen, ist es denkbar, dass ein Dampfkraftprozess mit der Brennkraftmaschine gekoppelt wird. Hierdurch kann die Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Dampf genutzt werden, der in einer Expansionsmaschine entspannt wird und somit weitere Energie bereitstellt, die zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Erzeugung von Hilfsenergien genutzt werden kann. Hierbei ergibt sich allerdings das Problem, dass der Dampfmotor mit Wasserdampf oder einem ähnlichen Fluid aus dem Dampfkraftprozess angetrieben ist, das keine Schmierfähigkeit aufweist, wodurch ein Verschleiß des Dampfmotors begünstigt wird.Internal combustion engines convert the energy of the fuel into mechanical energy for driving vehicles and the like. However, a considerable part of the energy is released as waste heat, which is led away by the cooling system or in the exhaust gas from the internal combustion engine. To use this heat energy, it is conceivable that a steam power process is coupled to the internal combustion engine. In this way, the heat energy from the internal combustion engine can be used to generate steam, which is expanded in an expansion engine and thus provides further energy that can be used to drive the vehicle or to generate auxiliary energy. Here, however, there is a problem that the steam engine is driven by steam or a similar fluid from the steam power process, which has no lubricity, whereby a wear of the steam engine is favored.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein vorteilhafter Betrieb der Kolbenmaschine auch beim Einsatz von Wasser oder anderen, schlecht schmierenden Arbeitsfluiden möglich ist. Dies wirkt sich unter anderem in einem reduzierten Verschleiß am Zylinderkolben und in einer längeren Lebensdauer der Kolbenmaschine aus.The piston engine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an advantageous operation of the piston engine even when using water or other, poorly lubricating working fluids is possible. This affects, inter alia, in a reduced wear on the cylinder piston and in a longer life of the piston engine.

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.

Vorteilhaft ist es, dass die Kolbenmaschine, die über den Dampfkraftprozess antreibbar ist, mit einer Brennkraftmaschine kombiniert ist, um die Abwärme der Brennkraftmaschine über den Dampfkraftprozess in zusätzliche Antriebsenergie umzuwandeln. Besonders effizient ist solch eine Kombination zur Abwärmenutzung bei einem Nutzkraftwagen, da hier die Brennkraftmaschine eine große Leistung abgibt und somit eine große Wärmemenge zur Dampferzeugung zur Verfügung steht. Hierdurch kann der Brennstoffverbrauch reduziert werden.It is advantageous that the piston engine, which can be driven via the steam power process, is combined with an internal combustion engine in order to convert the waste heat of the internal combustion engine via the steam power process into additional drive energy. Such a combination for waste heat utilization is particularly efficient in a commercial vehicle, since here the internal combustion engine gives off a large power and thus a large amount of heat for steam generation is available. As a result, the fuel consumption can be reduced.

Gerade für den Einsatz bei Nutzkraftwagen mit Dieselmotor oder Gasmotor ist dabei eine als Hubkolben-Dampfmotor ausgestaltete Kolbenmaschine mit Scotch-Yoke-Kurbeltrieb von besonderem Vorteil. Hierdurch kann in etwa der gleiche Drehzahlbereich für die Kolbenmaschine wie auch für die Brennkraftmaschine erzielt werden und somit kann die von der Kolbenmaschine abgegebene mechanische Energie direkt an die Kurbelwelle des Dieselmotors beziehungsweise Gasmotors abgegeben werden. Zudem kann solch eine Kolbenmaschine im begrenzten Bauraum an einer Brennkraftmaschine günstig angebracht werden.Especially for use in commercial vehicles with diesel engine or gas engine is designed as a reciprocating steam engine piston engine with Scotch-yoke crank mechanism of particular advantage. As a result, approximately the same speed range can be achieved for the piston engine as well as for the internal combustion engine, and thus the mechanical energy delivered by the piston engine can be delivered directly to the crankshaft of the diesel engine or gas engine. In addition, such a piston engine can be conveniently mounted in a limited space on an internal combustion engine.

In vorteilhafter Weise ist der Dampfprozess als ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle Process) ausgestaltet werden. Hierbei wird die thermische Energie der Abwärme über den ORC-Prozess in mechanische Energie umgesetzt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Abwärme aus einem Abgas der Brennkraftmaschine oder einer Abgasrückführung über einen Wärmetauscher an das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses übertragen werden. Das Arbeitsfluid kann hierbei zumindest im Wesentlichen auf Wasser basieren. An dem Wärmetauscher kann das Arbeitsfluid verdampft werden. Dieser Dampf kann anschließend in der als Expansionsmaschine dienenden Kolbenmaschine entspannt werden, wobei die mechanische Energie gewonnen wird. Das Arbeitsfluid wird anschließend in einem Kondensator abgekühlt und einer Pumpe zugeführt. Das Arbeitsfluid kann dadurch in der flüssigen Phase von der Pumpe auf das Druckniveau für die erneute Verdampfung am Wärmetauscher komprimiert werden. Hierdurch ist der Kreislauf geschlossen.Advantageously, the steam process can be configured as an ORC process (Organic Rankine Cycle Process). The thermal energy of the waste heat is converted into mechanical energy via the ORC process. As a result, the waste heat from an exhaust gas of the internal combustion engine or an exhaust gas recirculation can advantageously be transmitted via a heat exchanger to the working fluid of the ORC process. The working fluid may in this case be based at least essentially on water. At the heat exchanger, the working fluid can be evaporated. This steam can then be expanded in the piston machine serving as an expansion machine, whereby the mechanical energy is recovered. The working fluid is then cooled in a condenser and fed to a pump. The working fluid can thereby be compressed in the liquid phase by the pump to the pressure level for re-evaporation at the heat exchanger. As a result, the cycle is closed.

Durch die Lagerung der Stange an der Lagerstelle kann die Belastung des Zylinderkolbens in vorteilhafter Weise verringert werden. Speziell können durch diese Lagerung Querkräfte auf den Zylinderkolben reduziert werden, da diese an der Lagerstelle aufgenommen werden. In vorteilhafter Weise ist hierbei ein Außendurchmesser einer Außenseite des Zylinderkolbens kleiner vorgegeben als ein Innendurchmesser der Zylinderbohrung. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Zylinderkolben nicht direkt an der als Zylinderlaufbahn dienenden Zylinderbohrung anliegt und zwischen dem als Arbeitskolben dienenden Zylinderkolben und der Zylinderbohrung (Zylinderwand) keine Kraft übertragen wird. Der Zylinderkolben weist hierbei einen ausreichenden umfänglichen Spalt zu der Zylinderbohrung auf. In Verbindung mit der Lagerung an der auch als Übertragungsstange dienenden Stange kann eine stabile und gut geführte Lagerung für den Zylinderkolben realisiert werden.By the storage of the rod at the bearing point, the load on the cylinder piston can be reduced in an advantageous manner. In particular, lateral forces on the cylinder pistons can be reduced as a result of this bearing, since these are absorbed at the bearing point. Advantageously, in this case an outer diameter of an outer side of the cylinder piston is smaller than an inner diameter of the cylinder bore. This ensures that the cylinder piston is not applied directly to the cylinder bore serving as the cylinder bore and between the cylinder piston serving as a piston and the cylinder bore (cylinder wall) no force is transmitted. The cylinder piston in this case has a sufficient circumferential gap to the cylinder bore. In conjunction with the storage on the rod also serving as a transmission rod, a stable and well-guided bearing for the cylinder piston can be realized.

Gerade am Zylinderkolben ist das Auftreten eines Verschleißes kritisch, da dieser mit einem schlecht schmierenden Arbeitsfluid (Arbeitsmedium) arbeitet. Insbesondere kann der Arbeitskolben mit Wasserdampf arbeiten, der keine Schmierfähigkeit aufweist. Durch den Spalt zwischen dem Zylinderkolben und der Zylinderbohrung ist das Auftreten eines solchen Verschleißes verhindert oder zumindest verringert. In vorteilhafter Weise ist an der Außenseite des Zylinderkolbens zumindest ein Dichtelement angeordnet. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass an der Außenseite des Zylinderkolbens eine umlaufende Ausnehmung ausgestaltet ist, dass das Dichtelement als ringförmiges Dichtelement ausgestaltet ist und dass das ringförmige Dichtelement in die umlaufende Ausnehmung an der Außenseite des Zylinderkolbens eingesetzt ist. Speziell kann die umlaufende Ausnehmung an der Außenseite des Zylinderkolbens durch eine umlaufende Ringnut ausgebildet sein. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Dichtheit am Zylinderkolben erhöht werden, um ein unerwünschtes Entweichen des gasförmigen Arbeitsfluids, insbesondere des Wasserdampfs, über den Spalt zwischen dem Zylinderkolben und der Zylinderbohrung zu verhindern oder zumindest zu verringern. Um die Dichtheit am Kolben zu erhöhen, können hierbei speziell zusätzliche Dichtelemente in Form von Kolbenringen oder dergleichen eingesetzt werden.Especially on the cylinder piston, the occurrence of wear is critical because it works with a poorly lubricating working fluid (working fluid). In particular, the working piston with Working water vapor, which has no lubricity. Through the gap between the cylinder piston and the cylinder bore, the occurrence of such wear is prevented or at least reduced. In an advantageous manner, at least one sealing element is arranged on the outside of the cylinder piston. Here, it is also advantageous that on the outer side of the cylinder piston, a circumferential recess is configured, that the sealing element is designed as an annular sealing element and that the annular sealing element is inserted into the circumferential recess on the outside of the cylinder piston. Specifically, the circumferential recess may be formed on the outside of the cylinder piston by a circumferential annular groove. As a result, the tightness on the cylinder piston can be increased in an advantageous manner in order to prevent or at least reduce an undesired escape of the gaseous working fluid, in particular of the water vapor, via the gap between the cylinder piston and the cylinder bore. In order to increase the tightness of the piston, in this case especially additional sealing elements in the form of piston rings or the like can be used.

Vorteilhaft ist es auch, dass die Stange zumindest im Wesentlichen starr mit dem Zylinderkolben verbunden ist, dass die Lagerstelle durch eine Lagerbohrung gebildet ist, in der die Stange geführt ist und dass der Zylinderkolben durch die Führung der Stange in der Lagerbohrung zumindest näherungsweise an einer Längsachse der Zylinderbohrung zentriert ausgerichtet ist. Hierdurch ist eine vorteilhafte Lagerung des Zylinderkolbens bezüglich der Zylinderbohrung an der Lagerstelle mittels der Stange möglich. Dabei kann über die Lebensdauer der Kolbenmaschine ein Verschleiß am Arbeitskolben verhindert werden. Die Lagerbohrung kann beispielsweise an einem Gehäuseteil ausgestaltet sein, das zwischen der Zylinderbohrung und einem Kurbelwellenraum angeordnet ist. Hierdurch ist eine vorteilhafte Medientrennung über die Lagerbohrung möglich. Speziell kann im Kurbelwellenraum ein Schmieröl vorgesehen sein, um eine im Kurbelwellenraum angeordnete Kurbelwelle und andere Komponenten zu schmieren.It is also advantageous that the rod is at least substantially rigidly connected to the cylinder piston, that the bearing is formed by a bearing bore in which the rod is guided and that the cylinder piston by the leadership of the rod in the bearing bore at least approximately on a longitudinal axis the cylinder bore is centered. As a result, an advantageous storage of the cylinder piston with respect to the cylinder bore at the bearing by means of the rod is possible. It can be prevented over the life of the piston engine wear on the working piston. The bearing bore may for example be designed on a housing part which is arranged between the cylinder bore and a crankshaft space. As a result, an advantageous media separation on the bearing bore is possible. Specifically, a lubricating oil may be provided in the crankshaft space to lubricate a crankshaft and other components disposed in the crankshaft space.

Hierbei ist es auch vorteilhaft, dass die Stange aus der Zylinderbohrung über die Lagerstelle in den Kurbelwellenraum geführt ist, dass in dem Kurbelwellenraum die Kurbelwelle angeordnet ist und dass die Stange mittels einer Kurbelschleife mit der Kurbelwelle zusammenwirkt.It is also advantageous that the rod is guided out of the cylinder bore via the bearing point in the crankshaft space, that in the crankshaft space, the crankshaft is arranged and that the rod cooperates by means of a crank loop with the crankshaft.

Ferner ist es vorteilhaft, dass zumindest eine weitere Zylinderbohrung, ein in der weiteren Zylinderbohrung angeordneter weiterer Zylinderkolben, der in der weiteren Zylinderbohrung einen weiteren Arbeitsraum begrenzt, eine weitere Stange, die zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben verbunden ist und zumindest eine weitere Lagerstelle vorgesehen sind, wobei die weitere Stange an der weiteren Lagerstelle gelagert ist und wobei zwischen dem weiteren Zylinderkolben und der weiteren Zylinderbohrung ein umfänglicher Spalt vorgegeben ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die weitere Stange im Wesentlichen starr mit dem weiteren Zylinderkolben verbunden ist, dass die weitere Lagerstelle durch eine weitere Lagerbohrung gebildet ist, in der die weitere Stange geführt ist, und dass der weitere Zylinderkolben durch die Führung der weiteren Stange in der weiteren Lagerbohrung zumindest näherungsweise an einer Längsachse der weiteren Zylinderbohrung zentriert ausgerichtet ist. Die weitere Stange ist hierbei vorzugsweise mit einer im Kolbenraum angeordneten Kurbelschleife verbunden. Hierdurch kann ein vorteilhafter Kurbelschleifentrieb realisiert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die beiden Lagerstellen wie der gesamte restliche Kurbeltrieb mit Öl geschmiert sind. Im Ölbereich kann dadurch eine stabile und gut geführte Lagerung realisiert werden. Hierbei kann gegebenenfalls eine zusätzliche Medientrennung vorgesehen sein, die sich direkt an die Lagerstellen anschließt. Dadurch kann eine verbesserte Trennung des Öls vom Arbeitsfluid erzielt werden. Somit kann eine besonders verschleißarme Kolbenmaschine mit Öl geschmierter Kurbelschleife und ohne direkten Kontakt zwischen dem Zylinderkolben und der Zylinderwand der Zylinderbohrung realisiert werden. Die Lagerung der Arbeitskolben an jeweils einer Übertragungsstange ohne jeweiligen Kontakt zur Zylinderbohrung kann in vorteilhafter Weise bei als Hubkolben-Dampfmotoren ausgestalteten Kolbenmaschinen zum Einsatz kommen. Jedoch ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft bei einer als Hubkolben-Dampfmotor ausgestalteten Kolbenmaschine mit Kurbelschleifenantrieb (Scotch Yoke).Furthermore, it is advantageous that at least one further cylinder bore, a further cylinder piston arranged in the further cylinder bore, which delimits a further working space in the further cylinder bore, a further rod which is at least indirectly connected to the further cylinder piston and at least one further bearing point are provided wherein the further rod is mounted on the further bearing point and wherein between the further cylinder piston and the further cylinder bore, a circumferential gap is predetermined. Further, it is advantageous that the further rod is substantially rigidly connected to the other cylinder piston, that the further bearing point is formed by a further bearing bore, in which the further rod is guided, and that the further cylinder piston by the leadership of the further rod in the further bearing bore is aligned at least approximately centered on a longitudinal axis of the further cylinder bore. The further rod is in this case preferably connected to a crank arranged in the piston chamber. As a result, an advantageous crank grinding engine can be realized. In particular, it is advantageous if the two bearing points, such as the entire remaining crank drive, are lubricated with oil. In the oil sector can be realized by a stable and well-managed storage. This may optionally be provided an additional media separation, which connects directly to the bearings. Thereby, an improved separation of the oil from the working fluid can be achieved. Thus, a particularly low-wear piston machine with lubricated oil crank loop and without direct contact between the cylinder piston and the cylinder wall of the cylinder bore can be realized. The storage of the working piston on each of a transmission rod without respective contact with the cylinder bore can be used in an advantageous manner in designed as a reciprocating steam engines piston engines. However, this embodiment is particularly advantageous in a designed as a reciprocating steam engine piston engine with crank grinding (Scotch Yoke).

In vorteilhafter Weise ist ein Außendurchmesser einer Außenseite des weiteren Zylinderkolbens kleiner vorgegeben als ein Innendurchmesser der weiteren Zylinderbohrung. Ferner ist es vorteilhaft, dass an einer Außenseite des weiteren Zylinderkolbens zumindest ein Dichtelement angeordnet ist. Hierbei kann eine entsprechende Ausgestaltung vorgesehen sein, wie sie auch bei dem Zylinderkolben realisiert ist.Advantageously, an outer diameter of an outer side of the further cylinder piston is set smaller than an inner diameter of the further cylinder bore. Furthermore, it is advantageous that at least one sealing element is arranged on an outer side of the further cylinder piston. Here, a corresponding configuration may be provided, as it is also realized in the cylinder piston.

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 eine Kolbenmaschine in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 a piston machine in a schematic sectional view according to an embodiment of the invention.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt eine Kolbenmaschine 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kolbenmaschine 1 wird über einen Dampfkraftprozess angetrieben. Hierbei kann die Kolbenmaschine 1 beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen, um die Abwärme der Brennkraftmaschine zu nutzen. Die Kolbenmaschine 1 wandelt die Abwärme dann in mechanische Energie um, die beispielsweise als zusätzliche Antriebsenergie oder zum Antreiben eines Hilfsaggregats, insbesondere eines elektrischen Generators, dienen kann. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle. Die Kolbenmaschine 1 des Ausführungsbeispiels weist ein Gehäuseteil 2 und mit dem Gehäuseteil 2 verbundene Zylinder 3, 4 auf. An dem Zylinder 3 ist eine Zylinderbohrung 5 ausgebildet, in der ein Zylinderkolben 6 angeordnet ist. Die Zylinderbohrung 5 weist eine Längsachse 7 auf, entlang der der Zylinderkolben 6 verschiebbar ist. Der Zylinderkolben 6 begrenzt in der Zylinderbohrung 5 einerseits einen Arbeitsraum 8 und andererseits einen druckentlasteten Raum 9. 1 shows a piston engine 1 in a schematic representation according to an embodiment of the invention. The piston engine 1 is powered by a steam power process. Here, the piston engine 1 For example, in an internal combustion engine of a motor vehicle are used to use the waste heat of the internal combustion engine. The piston engine 1 then converts the waste heat into mechanical energy, which can serve as additional drive energy or for driving an auxiliary unit, in particular an electric generator. The piston engine according to the invention 1 However, it is also suitable for other applications. The piston engine 1 of the embodiment has a housing part 2 and with the housing part 2 connected cylinders 3 . 4 on. On the cylinder 3 is a cylinder bore 5 formed in which a cylinder piston 6 is arranged. The cylinder bore 5 has a longitudinal axis 7 on, along the cylinder piston 6 is displaceable. The cylinder piston 6 limited in the cylinder bore 5 on the one hand a workspace 8th and on the other hand, a pressure-relieved room 9 ,

An dem Zylinder 3 sind ein ventilgesteuerter Einlass 10 und ein ventilgesteuerter Auslass 11 für den Arbeitsraum 8 vorgesehen. Über den ventilgesteuerten Einlass 10 kann komprimiertes, gasförmiges Arbeitsfluid, insbesondere Wasserdampf, in den Arbeitsraum 8 geführt werden. Beim Entspannen des gasförmigen Arbeitsfluids im Arbeitsraum 8 wird eine Betätigungskraft auf den Zylinderkolben 6 ausgeübt, die zu einer Verstellung des Zylinderkolbens 6 in einer Richtung 12 entlang der Längsachse 7 führt. Hierbei vergrößert sich das Volumen des Arbeitsraums 8, während das Volumen des druckentlasteten Raums 9 abnimmt. Der druckentlastete Raum 9 ist über einen Auslass 13 mit einem Niederdruckbereich des Dampfkreises verbunden, so dass in den druckentlasteten Raum 9 gelangendes Arbeitsfluid in den Dampfkreis zurückgeführt wird.On the cylinder 3 are a valve controlled inlet 10 and a valve controlled outlet 11 for the workroom 8th intended. Via the valve-controlled inlet 10 can compressed, gaseous working fluid, in particular water vapor, in the working space 8th be guided. When relaxing the gaseous working fluid in the working space 8th becomes an actuating force on the cylinder piston 6 exercised, leading to an adjustment of the cylinder piston 6 in one direction 12 along the longitudinal axis 7 leads. This increases the volume of the working space 8th while the volume of the pressure-relieved space 9 decreases. The pressure relieved room 9 is over an outlet 13 connected to a low-pressure area of the steam circuit, so that in the pressure-relieved room 9 leading working fluid is returned to the steam circuit.

Innerhalb des Gehäuseteils 2 ist ein Kurbelwellenraum 15 vorgesehen. In dem Kurbelwellenraum 15 ist eine Kurbelwelle 16 mit einem Kurbelwellenzapfen 17 angeordnet. Eine Drehachse der Kurbelwelle 16 ist hierbei senkrecht zu der Längsachse 7 orientiert.Inside the housing part 2 is a crankshaft space 15 intended. In the crankshaft space 15 is a crankshaft 16 with a crankshaft journal 17 arranged. An axis of rotation of the crankshaft 16 is here perpendicular to the longitudinal axis 7 oriented.

Außerdem ist in dem Kurbelwellenraum 15 eine Kurbelschleife 18 angeordnet. Die Kurbelschleife 18 weist eine Langloch-förmige Ausnehmung 19 auf, in die ein Kulissenstein 20 eingesetzt ist. Der Kulissenstein 20 ist hierbei an dem Kurbelwellenzapfen 17 angeordnet. Der Zylinderkolben 6 ist über eine Stange 21 mit der Kurbelschleife 18 verbunden. Hierdurch ist eine Wirkverbindung zwischen dem Zylinderkolben 6 und der Kurbelwelle 16 gebildet, so dass die Hubbewegung des Zylinderkolbens 6 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 16 übersetzt wird.Also, in the crankshaft space 15 a crank loop 18 arranged. The crank loop 18 has a slot-shaped recess 19 into which a sliding stone 20 is used. The sliding block 20 is here on the crankshaft journal 17 arranged. The cylinder piston 6 is over a pole 21 with the crank loop 18 connected. As a result, an operative connection between the cylinder piston 6 and the crankshaft 16 formed, so that the lifting movement of the cylinder piston 6 in a rotational movement of the crankshaft 16 is translated.

Außerdem weist der Zylinder 4 der Kolbenmaschine 1 eine weitere Zylinderbohrung 5' auf, in der ein weiterer Zylinderkolben 6' angeordnet ist. Hierbei ist der weitere Zylinderkolben 6' entlang der Längsachse 7 der Zylinderbohrung 5' geführt. Die Längsachse 7 dient hierbei als gemeinsame Längsachse 7 für die beiden Zylinderbohrungen 5, 5' der Zylinder 3, 4.In addition, the cylinder points 4 the piston engine 1 another cylinder bore 5 ' on, in which another cylinder piston 6 ' is arranged. Here is the other cylinder piston 6 ' along the longitudinal axis 7 the cylinder bore 5 ' guided. The longitudinal axis 7 serves as a common longitudinal axis 7 for the two cylinder bores 5 . 5 ' the cylinder 3 . 4 ,

Der Zylinderkolben 6' begrenzt in der Zylinderbohrung 5' einen weiteren Arbeitsraum 8' sowie einen weiteren druckentlasteten Raum 9'. Hierbei sind an dem Zylinder 4 ein ventilgesteuerter Einlass 10' und ein ventilgesteuerter Auslass 11' für den weiteren Arbeitsraum 8' vorgesehen. Ferner ist ein Auslass 13' für den druckentlasteten Raum 9' vorgesehen, um aus dem Arbeitsraum 8' in den druckentlasteten Raum 9' gelangendes Arbeitsfluid in den Dampfkreis zurückzuführen.The cylinder piston 6 ' limited in the cylinder bore 5 ' another working space 8th' and another pressure-relieved room 9 ' , Here are on the cylinder 4 a valve controlled inlet 10 ' and a valve controlled outlet 11 ' for the further workspace 8th' intended. There is also an outlet 13 ' for the pressure-relieved room 9 ' provided to get out of the workroom 8th' in the pressure-relieved room 9 ' returning working fluid in the steam circuit.

Somit kann auch durch den Arbeitsraum 8' gasförmiges Arbeitsfluid geführt werden. Bei der Entspannung des gasförmigen Arbeitsfluids im Arbeitsraum 8' wird der Zylinderkolben 6' entgegen der Richtung 12 betätigt. Die Hubbewegung des Zylinderkolbens 6' wird hierbei über eine weitere Stange 21' auf die Kurbelschleife 18 übertragen. Die weitere Stange 21' verbindet hierbei den Zylinderkolben 6' mit der Kurbelschleife 18.Thus, also through the work space 8th' gaseous working fluid to be performed. During the expansion of the gaseous working fluid in the working space 8th' becomes the cylinder piston 6 ' against the direction 12 actuated. The stroke of the cylinder piston 6 ' this is about another pole 21 ' on the crank loop 18 transfer. The further rod 21 ' hereby connects the cylinder piston 6 ' with the crank loop 18 ,

Somit ist die Kurbelschleife 18 einerseits über die Stange 21 mit dem Zylinderkolben 6 und andererseits über die Stange 21' mit dem Zylinderkolben 6' verbunden. Hierdurch ist eine wechselweise Betätigung der Kurbelschleife 18 in und entgegen der Richtung 12 möglich. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Scotch-Yoke-Antrieb realisiert werden.Thus, the crank loop 18 on the one hand over the bar 21 with the cylinder piston 6 and then on the pole 21 ' with the cylinder piston 6 ' connected. This is an alternate operation of the crank loop 18 in and against the direction 12 possible. Thus, a Scotch-Yoke drive can be realized in an advantageous manner.

Der Zylinderkolben 6 weist eine Außenseite 25 auf. An der Außenseite 25 weist der Zylinderkolben 6 einen Außendurchmesser 26 auf. Außerdem ist ein Innendurchmesser 27 der Zylinderbohrung 5 vorgegeben. Der Außendurchmesser 26 des Zylinderkolben 6 und der Innendurchmesser 27 der Zylinderbohrung 5 sind aufeinander abgestimmt. Hierbei ist der Außendurchmesser 26 der Außenseite 25 des Zylinderkolbens 6 kleiner als der Innendurchmesser 27 der Zylinderbohrung 5. Hierdurch ist ein Spalt 28 zwischen der Außenseite 25 des Zylinderkolbens 6 und der Zylinderbohrung 5 vorgegeben. Der vorgegebene Spalt 28 gewährleistet einen gewissen Abstand des Zylinderkolbens 6 von der Zylinderbohrung 5 während des Betriebs. Ein Kontakt zwischen dem Zylinderkolben 6 und der Zylinderbohrung 5 ist hierbei über den ganzen Hubbereich des Zylinderkolbens 6 vermieden.The cylinder piston 6 has an outside 25 on. On the outside 25 points the cylinder piston 6 an outer diameter 26 on. There is also an inside diameter 27 the cylinder bore 5 specified. The outer diameter 26 of the cylinder piston 6 and the inner diameter 27 the cylinder bore 5 are coordinated. Here is the outer diameter 26 the outside 25 of the cylinder piston 6 smaller than the inner diameter 27 the cylinder bore 5 , This is a gap 28 between the outside 25 of the cylinder piston 6 and the cylinder bore 5 specified. The predetermined gap 28 ensures a certain distance of the cylinder piston 6 from the cylinder bore 5 during operation. A contact between the cylinder piston 6 and the cylinder bore 5 is here over the entire stroke range of the cylinder piston 6 avoided.

Im Betrieb der Kolbenmaschine 1 besteht das Problem, dass das im Arbeitsraum 8 vorgesehene gasförmige Arbeitsfluid, insbesondere der Wasserdampf, keine oder nur schlechte Schmiereigenschaften aufweist. Eine ausreichende Schmierung des Zylinderkolbens 6 in der Zylinderbohrung 5 zur Vermeidung eines Reibverschleißes kann hierdurch nicht gewährleistet werden. Durch den vorgegebenen Spalt 28 wird allerdings ein Reibverschleiß verhindert. Hierbei kann dampfförmiges Arbeitsfluid von dem Arbeitsraum 8 in den druckentlasteten Raum 9 über den Spalt 28 gelangen. Dieses Arbeitsfluid wird allerdings über den Auslass 13 in den Dampfkreis zurückgeführt. In operation of the piston engine 1 the problem is that in the workroom 8th provided gaseous working fluid, in particular the water vapor, no or only bad lubricating properties. Adequate lubrication of the cylinder piston 6 in the cylinder bore 5 This can not be guaranteed to avoid fretting. Through the given gap 28 However, a fretting is prevented. This can vaporous working fluid from the working space 8th in the pressure-relieved room 9 over the gap 28 reach. This working fluid, however, is via the outlet 13 returned to the steam circuit.

Außerdem weist der Zylinderkolben 6 in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig umlaufende Ausnehmungen 29, 30 auf. Die umlaufenden Ausnehmungen 29, 30 sind hierbei als Ringnuten ausgestaltet. In die Ringnuten 29, 30 sind ringförmige Dichtelemente 31, 32 eingesetzt. Die ringförmigen Dichtelemente 31, 32 bilden eine Abdichtung zwischen dem Arbeitsraum 8 und dem druckentlasteten Raum 9 in Bezug auf den vorgegebenen Spalt 28.In addition, the cylinder piston points 6 in this embodiment, annular recesses 29 . 30 on. The circumferential recesses 29 . 30 are configured here as annular grooves. In the ring grooves 29 . 30 are annular sealing elements 31 . 32 used. The annular sealing elements 31 . 32 form a seal between the working space 8th and the pressure-relieved room 9 in relation to the given gap 28 ,

In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Gehäuseteil 35 vorgesehen, das mit dem Zylinder 3 verbunden ist. Hierbei ist das Gehäuseteil 35 zwischen der Zylinderbohrung 5 des Zylinders 3 und dem Kurbelwellenraum 15 angeordnet. An dem Gehäuseteil 35 ist eine Lagerbohrung 36 ausgestaltet, die eine Lagerstelle 37 für die Stange 21 bildet. Hierdurch ist die Stange 21 in der Lagerbohrung 36 gelagert, wobei die Lagerbohrung 36 eine Bewegung der Stange 21 entlang der Längsachse 7 ermöglicht. Durch die Lagerung der Stange 21 an der Lagerstelle 37 werden auftretende Querkräfte aufgenommen. Hierdurch werden die Dichtelemente 31, 32 entlastet und es wird ein Kontakt zwischen dem Zylinderkolben 6 und der Zylinderbohrung 5 verhindert. Der Zylinderkolben 6 ist hierbei durch die Dichtelemente 31, 32 zusätzlich in der Zylinderbohrung 5 geführt. Bei einer starren Verbindung der Stange 21 mit dem Zylinderkolben 6 ist eine Führung durch die Dichtelemente 31, 32 nicht erforderlich.In this embodiment, a housing part 35 provided with the cylinder 3 connected is. Here is the housing part 35 between the cylinder bore 5 of the cylinder 3 and the crankshaft space 15 arranged. On the housing part 35 is a bearing bore 36 designed to be a depository 37 for the pole 21 forms. This is the pole 21 in the bearing bore 36 stored, with the bearing bore 36 a movement of the rod 21 along the longitudinal axis 7 allows. By the storage of the rod 21 at the depository 37 occurring transverse forces are absorbed. As a result, the sealing elements 31 . 32 relieved and there is a contact between the cylinder piston 6 and the cylinder bore 5 prevented. The cylinder piston 6 is here by the sealing elements 31 . 32 additionally in the cylinder bore 5 guided. For a rigid connection of the rod 21 with the cylinder piston 6 is a guide through the sealing elements 31 . 32 not mandatory.

Entsprechend weist auch der Zylinderkolben 6' eine Außenseite 25' auf, die einen Außendurchmesser 26' aufweist. Ferner weist die Zylinderbohrung 5' einen Innendurchmesser 27' auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Außendurchmesser 26, 26' der Zylinderkolben 6, 6' gleich groß vorgegeben. Außerdem sind auch die Innendurchmesser 27, 27' der Zylinderbohrungen 5, 5' gleich groß vorgegeben. Somit ist auch am Zylinderkolben 6' ein Spalt 28' zwischen der Außenseite 25' und der Zylinderbohrung 5' gebildet. Der Spalt 28' verhindert einen direkten Kontakt des Zylinderkolbens 6' und der Zylinderbohrung 5'. Außerdem sind an dem Zylinderkolben 6' umlaufende Ausnehmungen 29', 30' vorgesehen, in die ringförmige Dichtelemente 31', 32' eingesetzt sind. Ferner ist auch ein Gehäuseteil 35 vorgesehen, das zwischen der Zylinderbohrung 5' und dem Kurbelwellenraum 15 angeordnet ist. An dem Gehäuseteil 35' ist eine Lagerbohrung 36' ausgestaltet, in der die Stange 21' gelagert ist. Die Lagerbohrung 36' bildet somit eine Lagerstelle 37' für die Stange 21'. Somit kann auch an dem Zylinder 4 eine vorteilhafte Lagerung des Zylinderkolbens 6' mittels der Stange 21' an der Lagerstelle 37' erfolgen.Accordingly, also the cylinder piston 6 ' an outside 25 ' on, which has an outside diameter 26 ' having. Furthermore, the cylinder bore 5 ' an inner diameter 27 ' on. In this embodiment, the outer diameter 26 . 26 ' the cylinder piston 6 . 6 ' the same size. In addition, the inner diameter are also 27 . 27 ' the cylinder bores 5 . 5 ' the same size. Thus, also on the cylinder piston 6 ' A gap 28 ' between the outside 25 ' and the cylinder bore 5 ' educated. The gap 28 ' prevents direct contact of the cylinder piston 6 ' and the cylinder bore 5 ' , In addition, on the cylinder piston 6 ' circumferential recesses 29 ' . 30 ' provided in the annular sealing elements 31 ' . 32 ' are used. Furthermore, a housing part is also 35 provided, that between the cylinder bore 5 ' and the crankshaft space 15 is arranged. On the housing part 35 ' is a bearing bore 36 ' designed in which the rod 21 ' is stored. The bearing bore 36 ' thus forms a depository 37 ' for the pole 21 ' , Thus, also on the cylinder 4 an advantageous storage of the cylinder piston 6 ' by means of the rod 21 ' at the depository 37 ' respectively.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Stangen 21, 21' starr mit der Kurbelschleife 18 verbunden. Dadurch ist eine beidseitige Lagerung der Kurbelschleife 18 an den Lagerstellen 37, 37' ausgebildet. Auftretende Querkräfte bei der Übertragung der Hubbewegung der Zylinderkolben 6, 6' auf die Kurbelwelle 16 können somit in vorteilhafter Weise an den Lagerstellen 37, 37' aufgenommen werden.In this embodiment, the two rods 21 . 21 ' rigid with the crank loop 18 connected. This is a two-sided storage of the crank loop 18 at the campsites 37 . 37 ' educated. Occurring transverse forces in the transmission of the stroke movement of the cylinder piston 6 . 6 ' on the crankshaft 16 can thus advantageously at the bearings 37 . 37 ' be recorded.

Somit ist eine optimierte Lagerung der als Arbeitskolben 6, 6' dienenden Zylinderkolben 6, 6' der als Hubkolben-Dampfmotor ausgestalteten Kolbenmaschine 1 möglich. Hierbei sind in diesem Ausführungsbeispiel die Zylinderkolben 6, 6' bezüglich der Kurbelwelle 16 gegenüberliegend zueinander angeordnet. Die Zylinderkolben 6, 6' leiten ihre Kraft hierbei über den Kurbelschleifentrieb auf die Kurbelwelle 16 ein. Der Einlass 10 und der Auslass 11 für den Zylinder 3 sowie der Einlass 10' und der Auslass 11' für den Zylinder 4 sind vorzugsweise ventilgesteuert. Durch den Kurbelschleifenantrieb mit der Kurbelschleife 18 und dem Kulissenstein 20, der auf dem Kurbelwellenzapfen 17 sitzt, wird die Hubkolbenbewegung der Zylinderkolben 6, 6' auf die Kurbelwelle 16 übertragen. Hierbei ist die Kurbelschleife 18 des Kurbelschleifenantriebs über die Stangen 21, 21' an den Lagerstellen 37, 37' gelagert, wobei diese Lagerung die auftretenden Querkräfte aufnimmt.Thus, an optimized storage of the working piston 6 . 6 ' Serving cylinder piston 6 . 6 ' the designed as a reciprocating steam engine piston engine 1 possible. Here, in this embodiment, the cylinder piston 6 . 6 ' with respect to the crankshaft 16 arranged opposite each other. The cylinder pistons 6 . 6 ' transfer their power to the crankshaft via the crank-wheel drive 16 one. The inlet 10 and the outlet 11 for the cylinder 3 as well as the inlet 10 ' and the outlet 11 ' for the cylinder 4 are preferably valve-controlled. Through the crank drive with the crank loop 18 and the Kulissenstein 20 that's on the crankshaft journal 17 sits, the reciprocating motion of the cylinder piston 6 . 6 ' on the crankshaft 16 transfer. Here is the crank loop 18 of the crank drive via the rods 21 . 21 ' at the campsites 37 . 37 ' stored, this storage absorbs the transverse forces occurring.

Die Lagerung ist hierbei so ausgelegt, dass die Zylinderkolben 6, 6' nicht an ihren jeweiligen Zylinderlaufbahnen, die in den Zylinderbohrungen 5, 5' vorgegeben sind, anliegen und dort keine Kräfte übertragen. Damit wird ein kritischer Verschleiß an diesen nicht ölgeschmierten Stellen vermieden. Die Kolbenmaschine 1 kann dadurch die notwendige Lebensdauererwartung erreichen.The bearing here is designed so that the cylinder piston 6 . 6 ' not on their respective cylinder liners, which are in the cylinder bores 5 . 5 ' are given, abut and there transferred no forces. This avoids critical wear on these non-oil lubricated areas. The piston engine 1 can thereby achieve the necessary life expectancy.

Um einen Reibverschleiß zuverlässig zu verhindern, sind ausreichend große Spalte 28, 28' in Bezug auf die Zylinderlaufbahnen vorgesehen. Um andererseits die Dichtheit an den Zylinderkolben 6, 6' wieder zu erhöhen, sind in diesem Ausführungsbeispiel zusätzliche Dichtelemente 31, 32, 31', 32', insbesondere Kolbenringe 31, 32, 31', 32', an den Zylinderkolben 6, 6' angeordnet.In order to reliably prevent frictional wear, there are sufficiently large gaps 28 . 28 ' provided with respect to the cylinder liners. On the other hand, the tightness of the cylinder piston 6 . 6 ' increase again, are in this embodiment additional sealing elements 31 . 32 . 31 ' . 32 ' , in particular piston rings 31 . 32 . 31 ' . 32 ' , on the cylinder piston 6 . 6 ' arranged.

Außerdem sind in diesem Ausführungsbeispiel die Lagerbohrungen 36, 36' ölgeschmiert. Hierfür sind die Lagerbohrungen 36, 36' direkt neben dem Kurbelwellenraum 15 vorgesehen, so dass Schmieröl aus dem Kurbelwellenraum 15 zum Schmieren der Lagerstellen 37, 37' dienen kann. Um einen Eintrag von Schmieröl in die druckentlasteten Räume 9, 9' zu vermeiden, können sich an die Lagerstellen 37, 37' jeweils ein oder mehrere Dichtelemente 38, 39, 38', 39' anschließen. Damit kann eine gute und verschleißarme Lagerung der Kurbelschleife 18 gewährleistet werden.In addition, in this embodiment, the bearing bores 36 . 36 ' oil lubrication. For this purpose, the bearing bores 36 . 36 ' right next to the crankshaft space 15 provided so that lubricating oil from the crankshaft space 15 for lubricating the bearings 37 . 37 ' can serve. To make an entry of lubricating oil in the pressure-relieved spaces 9 . 9 ' To avoid, can contact the bearings 37 . 37 ' one or more sealing elements in each case 38 . 39 . 38 ' . 39 ' connect. This can be a good and low-wear bearing the crank loop 18 be guaranteed.

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 utilizing the waste heat of an internal combustion engine, with at least one cylinder bore ( 5 ), one in the cylinder bore ( 5 ) arranged cylinder piston ( 6 ), in the cylinder bore ( 5 ) a work space ( 8th ), at least indirectly with the cylinder piston ( 6 ) connected rod ( 21 ) and at least one depository ( 37 ), on which the rod ( 21 ) and the one with the rod ( 21 ) associated cylinder pistons ( 6 ) are mounted, wherein between the cylinder piston ( 6 ) and the cylinder bore ( 5 ) a circumferential gap ( 28 ) and where the rod ( 21 ) the cylinder piston ( 6 ) with a crank loop ( 18 ) connects.

Piston engine according to claim 1, characterized in that an outer diameter ( 26 ) an outside ( 25 ) of the cylinder piston ( 6 ) is smaller than an inner diameter ( 27 ) of the cylinder bore ( 5 ).

Piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that on an outer side ( 25 ) of the cylinder piston ( 6 ) at least one sealing element ( 31 . 32 ) is arranged.

Piston engine according to claim 3, characterized in that on the outside ( 25 ) of the cylinder piston ( 6 ) at least one circumferential recess ( 29 . 30 ) is configured such that the sealing element ( 31 . 32 ) as an annular sealing element ( 31 . 32 ) is configured and that the annular sealing element ( 31 . 32 ) in the circumferential recess ( 29 . 30 ) is used.

Piston engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rod ( 21 ) at least substantially rigidly with the cylinder piston ( 6 ), that the depository ( 37 ) through a bearing bore ( 36 ) is formed, in which the rod ( 21 ) is guided, and that the cylinder piston ( 6 ) by the guidance of the rod ( 21 ) in the bearing bore ( 36 ) at least approximately on a longitudinal axis ( 7 ) of the cylinder bore ( 5 ) is centered.

Piston engine according to claim 5, characterized in that the bearing bore ( 36 ) in a housing part ( 35 ) configured between the cylinder bore ( 5 ) and a crankshaft space ( 15 ) is arranged.

Piston engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that a crankshaft space ( 15 ) is provided that the rod ( 21 ) from the cylinder bore ( 5 ) via the depository ( 37 ) in the crankshaft space ( 15 ), that in the crankshaft space ( 15 ) a crankshaft ( 16 ) and that the rod ( 21 ) by means of the crank loop ( 18 ) with the crankshaft ( 16 ) cooperates.

Piston engine according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one further cylinder bore ( 5 ' ), one in the further cylinder bore ( 5 ' ) arranged further cylinder piston ( 6 ' ), which in the further cylinder bore ( 5 ' ) another working space ( 8th' ), another rod ( 21 ' ), which at least indirectly with the other cylinder piston ( 6 ' ), and at least one additional storage location ( 37 ' ) are provided, wherein the further rod ( 21 ' ) at the further depository ( 37 ' ) is mounted and wherein between the other cylinder piston ( 6 ' ) and the further cylinder bore ( 5 ' ) a circumferential gap ( 28 ' ) is given.

Piston engine according to claim 8, characterized in that the further rod ( 21 ' ) at least substantially rigidly with the further cylinder piston ( 6 ' ), that the further storage location ( 37 ' ) through a further bearing bore ( 36 ' ) is formed, in which the further rod ( 21 ' ) is guided, and that the further cylinder piston ( 6 ' ) by the leadership of the other rod ( 21 ' ) in the further bearing bore ( 36 ' ) at least approximately on a longitudinal axis ( 7 ) of the further cylinder bore ( 5 ' ) is centered.

Piston machine according to claim 8 or 9, characterized in that an outer diameter ( 26 ' ) an outside ( 25 ' ) of the further cylinder piston ( 6 ' ) is smaller than an inner diameter ( 27 ' ) of the further cylinder bore ( 5 ' ) and / or that on an outside ( 25 ' ) of the further cylinder piston ( 6 ' ) at least one sealing element ( 31 ' . 32 ' ) is arranged.