DE102011121293A1 - Kolbenexpansionsmaschine - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenexpansionsmaschine (11) mit zumindest einem Zylinder (16), der einen Hubraum (17) aufweist, in dem ein Kolben (18) hubverstellbar angeordnet ist, wobei ein Arbeitsmedium der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) über einen Hubraumeinlass (21) in den Hubraum (17) strömen kann. Ein verbesserter Liefergrad und somit Wirkungsgrad ergibt sich, wenn die fluidische Verbindung zwischen dem Hubraumeinlass (21) und der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) mittels eines Vorkammereinlasses (24) einer Vorkammer (22) realisiert ist, der von einem Vorkammerventil (27) gesteuert ist. Die Erfindung betrifft weiter eine Abwärmenutzungsvorrichtung (2) mit einer derartigen Kolbenexpansionsmaschine (11).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenexpansionsmaschine einer Abwärmenutzungsvorrichtung sowie eine Abwärmenutzungsvorrichtung mit einer derartigen Kolbenexpansionsmaschine.
  • Eine Abwärmenutzungsvorrichtung nutzt die meist als Beiprodukt erzeugte bzw. überflüssige Wärme eines Prozesses und setzt diese in eine andere Energie um. Die Abwärmenutzungsvorrichtung kann beispielsweise nach Art eines Clausius-Rankine-Prozesses funktionieren. Hierzu ist insbesondere ein Expander zum Entspannen eines in der Abwärmenutzungsvorrichtung zirkulierenden Arbeitsmediums notwendig, wobei der Expander beispielsweise einen Generator antreibt, um elektrische Energie bzw. elektrischen Strom zu erzeugen. Der Expander kann als Kolbenexpansionsmaschine realisiert sein. Insbesondere kann die Hubkolbenmaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt sein, bei der mehrere Kolben parallel zueinander um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind. Die Kolbenexpansionsmaschine weist üblicherweise mehrere Zylinder auf, in deren Hubraum jeweils ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Zum Entspannen des Arbeitsmediums strömt das Arbeitsmedium durch einen Hubraumeinlass in den jeweiligen Hubraum hinein und versetzt den zugehörigen Kolben in Bewegung, wobei es durch diese Energieabgabe entspannt wird. Anschließend strömt das entspannte Arbeitsmedium durch einen Auslass aus dem Hubraum hinaus. Der Hubraumeinlass wird gewöhnlich durch ein Hubraumventil verschlossen. Der Kolben bewegt sich innerhalb des Zylinders bzw. des Hubraums zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt, wobei ein sich dabei ändernder Expansionsraum beim unteren Totpunkt maximiert und beim oberen Totpunkt minimiert ist. Das Hubraumventil wird zweckmäßig geöffnet, wenn der Kolben im Bereich des oberen Totpunkts ist bzw. wenn der Expansionsraum minimiert oder verkleinert ist. Nachteilig dabei ist, dass das Arbeitsmedium hierbei im Expansionsraum einen höheren Druck aufweisen kann, als außerhalb des Expansionsraumes, so dass das Arbeitsmedium durch den Hubraumeinlass aus dem Hubraum hinausströmt und entsprechend in die Abwärmenutzungsvorrichtung zurückströmt. Dies führt zu einem reduzierten Liefergrad und somit zu einem reduzierten Wirkungsgrad der Kolbenexpansionsmaschine bzw. der Abwärmenutzungsvorrichtung.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Kolbenexpansionsmaschine eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verbesserten Liefergrad bzw. Wirkungsgrad auszeichnet.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Hubraum eines Zylinders einer Kolbenexpansionsmaschine für eine von einem Arbeitsmedium durchzirkulierten Abwärmenutzungsvorrichtung, wobei im Zylinder bzw. im Hubraum ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist, über einen Vorkammereinlass einer Vorkammer mit der Abwärmenutzungsvorrichtung fluidisch verbindbar zu machen und den Vorkammereinlass mit einem Vorkammerventil auszustatten, welches das Hinausströmen des Arbeitsmediums aus der Vorkammer durch den Vorkammereinlass verhindert. Somit sind der Liefergrad des Hubraums bzw. des Zylinders und der Wirkungsgrad der Kolbenexpansionsmaschine verbessert.
  • Die erfindungsgemäße Kolbenexpansionsmaschine einer Abwärmenutzungsvorrichtung weist zumindest einen Zylinder auf, der einen Hubraum aufweist, in dem ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Eine Trennwand ist zwischen dem Kolben und einer Vorkammer angeordnet. Ein Hubraumeinlass ist in der Trennwand angeordnet ist, zum Einlassen eines Arbeitsmediums der Abwärmenutzungsvorrichtung in den Hubraum. Der Hubraumeinlass verbindet den Hubraum fluidisch mit einer Vorkammer. Ein vom Hubraumeinlass entfernter Vorkammereinlass der Vorkammer, ist zum Einlassen des Arbeitsmediums in die Vorkammer fluidisch mit einem Hochdruckbereich der Abwärmenutzungsvorrichtung verbindbar. Es ist ein dem Hubraumeinlass zugeordnetes Hubraumventil vorgesehen und ein dem Vorkammereinlass zugeordnetes Vorkammerventil.
  • Die Kolbenexpansionsmaschine weist zumindest einen derartigen Zylinder mit einem Hubraum auf, in dem ein derartiger Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Auf der vom Kolben abgewandten Seite des Hubraums ist zudem ein Hubraumeinlass angeordnet, durch den das Arbeitsmedium von der Vorkammer in den Hubraum hineinströmen kann. Der Kolben bewegt sich im Hubraum zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt parallel zum Zylinder, wobei sich hierbei ein Expansionsraum, in dem sich das Arbeitsmedium befindet, verändert. Der Expansionsraum erreicht beim oberen Totpunkt einen Minimalwert bzw. ein minimales Volumen, während er beim unteren Totpunkt einen Maximalwert bzw. ein Maximalvolumen erreicht. Der Hubraum ist über die Vorkammer mit dem Hochdruckbereich der Abwärmenutzungsvorrichtung verbindbar, wobei der Hubraumeinlass zweckmäßig vom Vorkammereinlass entfernt bzw. beabstandet angeordnet ist. Der Vorkammereinlass dient erfindungsgemäß zum Einlassen des Arbeitsmediums in die Vorkammer und ist folglich fluidisch mit dem Hochdruckbereich der Abwärmenutzungsvorrichtung verbindbar. Zudem ist ein Hubraumventil vorgesehen, welches den Hubraumeinlass verschließt bzw. freigibt. Das Vorkammerventil ist erfindungsgemäß derart ausgebildet bzw. ausgestattet, dass es den Vorkammereinlass verschließt, wenn der Druck auf der der Vorkammer zugewandten Seite des Vorkammereinlasses größer ist als der Druck auf der von der Vorkammer abgewandten Seite des Vorkammereinlasses. Hierbei bezieht sich der Druck auf den im Arbeitsmedium herrschenden Druck im jeweiligen Bereich, wobei der Druck auf der von der Vorkammer abgewandten Seite des Vorkammereinlasses dem Druck des Arbeitsmediums im entsprechenden Bereich der mit dem Vorkammereinlass verbindbaren Abwärmenutzungsvorrichtung entsprechen kann.
  • Zweckmäßig ist zudem ein Auslass vorgesehen, durch den das entspannte Arbeitsmedium einen Niederdruckbereich der Abwärmenutzungsvorrichtung gelangen kann. Folglich ist der Auslass fluidisch mit einem Niederdruckbereich der Abwärmenutzungsvorrichtung verbindbar, während der Vorkammereinlass mit einem Bereich höheren Druckes, beispielsweise einem Hochdruckbereich, der Abwarmenutzungsvorrichtung fluidisch verbindbar ist.
  • Das Arbeitsmedium wird dadurch entspannt, dass es den Kolben in Bewegung versetzt und dadurch unter Druckabbau expandiert. Die potentielle und kinetische Energie des Arbeitsmediums wird hierbei in kinetische Energie des Kolbens umgewandelt. Das Arbeitsmedium wird also insbesondere in den Hubraum hineingelassen, wenn der Expansionsraum minimiert oder zumindest verkleinert ist bzw. wenn der Kolben im Bereich des oberen Totpunkts ist.
  • Zweckmäßig kann die Kolbenexpansionsmaschine zumindest zwei oder mehr Zylinder mit jeweils einem derartigen Kolben aufweisen. In diesem Fall ist zumindest einer der Hubräume über eine Vorkammer der besagten Art fluidisch mit dem Hochdruckbereich der Abwärmenutzungsvorrichtung verbindbar. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei der alle Hubräume jeweils mittels einer derartigen Vorkammer mit der Abwärmenutzungsvorrichtung fluidisch verbindbar sind.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform öffnet der Kolben das Hubraumventil, insbesondere im Bereich des oberen Totpunkts mechanisch zwangsgesteuert. Hierfür kann insbesondere ein Öffnungselement zum Öffnen des Hubraumventils vorgesehen sein, welches auf der dem Hubraumeinlass zugewandten Seite des Kolbens angeordnet ist. Somit öffnet das Öffnungselement das Hubraumventil während sich der Kolben auf das Hubraumventil zubewegt, wenn ein vorgegebener Abstand zwischen dem Hubraumventil und dem Kolben, insbesondere die dem Hubraumeinlass zugewandte Seite des Kolbens, erreicht ist. Dementsprechend schließt das Hubraumventil, wenn dieser Abstand beim Wegbewegen des Kolbens vom Hubraumeinlass überschritten ist. Das Hubraumventil ist bevorzugt als Klappventil ausgebildet. Zusätzlich ist das Vorkammerventil derart ausgebildet, dass es sich in Richtung der Vorkammer öffnet. Zweckmäßig kann auch das Vorkammerventil als Klappventil, welches sich in Richtung der Vorkammer öffnet, ausgebildet sein. Somit öffnen sich sowohl das Hubraumventil als auch das Vorkammerventil in Richtung der Vorkammer. Folglich ist das Vorkammerventil geschlossen, wenn der Druck des Arbeitsmediums in der Vorkammer größer ist als der Druck des Arbeitsmediums auf der von der Vorkammer abgewandten Seite des Vorkammereinlasses. Dies führt dazu, dass das Arbeitsmedium aus der Vorkammer und somit aus dem Hubraum bzw. aus dem Zylinder nicht durch den Vorkammereinlass hinausströmen kann, womit die Verbesserung des Liefergrades und somit des Wirkungsgrades einhergeht. Alternativ ist auch eine elektrische Zwangssteuerung des Hubraumventils möglich.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorkammer integraler Bestandteil des Zylinders. Das heißt, dass der Zylinder einen zum Hubraum benachbarten Vorkammerabschnitt aufweist, in dem die Vorkammer angeordnet ist. Somit erfolgt die fluidische Verbindung zwischen dem Hubraum und der Vorkammer direkt über den Hubraumeinlass. Auf den Einsatz von fluidischen Leitern zur fluidischen Verbindung des Hubraums und der Vorkammer, beispielsweise Rohre bzw. Schläuche, kann dann verzichtet werden.
  • Um die durch das Entspannen des Arbeitsmedium gewonnene kinetische Energie zu nutzen, kann die Kolbenexpansionsmaschine bei einer vorteilhaften Ausführungsform eine Antriebswelle aufweisen, die mit dem zumindest einen Kolben antriebsverbunden ist. Diese Antriebsverbindung ist beispielsweise derart realisiert, dass die Bewegung des Kolbens zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt die Antriebswelle in eine Rotation versetzt. Hierbei kann die Antriebswelle parallel zum Zylinder bzw. zum Kolben angeordnet sein, womit die Kolbenexpansionsmaschine als Axialkolbenexpander ausgestaltet ist. Weißt die Kolbenexpansionsmaschine mehrere Zylinder bzw. Kolben auf, so sind diese vorzugsweise parallel angeordnet. Dementsprechend ist die Antriebswelle des Axialkolbenexpanders ebenfalls parallel zu den Zylindern angeordnet. Die Antriebswelle treibt beispielsweise einen Generator an, der z. B. elektrischen Strom bzw. elektrische Spannung erzeugt.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Kolbenexpansionsmaschine Bestandteil einer Abwärmenutzungsvorrichtung, in dem das Arbeitsmedium zirkuliert. Die Abwärmenutzungsvorrichtung setzt insbesondere die Wärme einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges oder Flugzeuges um. Zweckmäßig ist dann die Vorkammer über den Vorkammereinlass fluidisch mit einem Hochdruckbereich der Abwärmenutzungsvorrichtung verbunden, während der Auslass zum Auslassen des Arbeitsmediums aus dem Hubraum bzw. aus der Vorkammer fluidisch mit einem Niederdruckbereich der Abwärmenutzungsvorrichtung verbunden ist. Die erfindungsgemäße Kolbenexpansionsmaschine verbessert dabei den Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung durch den erhöhten Liefergrad.
  • Die Abwärmenutzungsvorrichtung arbeitet beispielsweise gemäß einem Clausius-Rankine-Prozess. Hierzu weist die Abwärmenutzungsvorrichtung eine das Arbeitsmedium antreibende Fördereinrichtung auf. Zudem weist die Abwärmenutzungsvorrichtung einen stromab der Fördereinrichtung sowie stromauf der Kolbenexpansionsmaschine angeordneten Verdampfer und einen stromab der Kolbenexpansionsmaschine und stromauf der Fördereinrichtung angeordneten Kondensator auf.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch,
  • 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer an einer Brennkraftmaschine angeordneten Abwärmenutzungsvorrichtung,
  • 2 einen Schnitt durch einen Zylinder einer Kolbenexpansionsmaschine bei unterschiedlichen Stellungen a) bis d) eines zugehörigen Kolbens.
  • Entsprechend 1 kann eine Brennkraftmaschine 1, die insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug oder in einem Flugzeug angeordnet sein kann, mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung 2 ausgestattet sein, mit deren Hilfe Abwärme genutzt werden kann, die in 1 durch einen Pfeil 3 angedeutet ist. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Motorblock 4, eine Frischluftanlage 5 und eine Abgasanlage 6. Die Brennkraftmaschine 1 treibt einen Triebstrang 7 an, der übliche Komponenten wie eine Kurbelwelle, ein Getriebe, ein Schwungrad und dgl. umfassen kann.
  • Die Abwärmenutzungsvorrichtung 2 umfasst einen Abwärmenutzungskreis 8, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. In diesem Abwärmenutzungskreis 8 sind in der Fließrichtung des Arbeitsmediums hintereinander eine Fördereinrichtung 9, ein oder mehrere Verdampfer 10, eine Kolbenexpansionsmaschine 11 und ein Kondensator 12 angeordnet. Die Fördereinrichtung 9, die bevorzugt als volumetrische Pumpe ausgestaltet sein kann, treibt das flüssige Arbeitsmedium an. Zum Antrieb der Fördereinrichtung 9 kann diese mit einem Antriebsmotor 13 ausgestattet sein.
  • Der Verdampfer 10 dient zum Verdampfen des Arbeitsmediums, wobei der Verdampfer 10 die Abwärme 3 der Brennkraftmaschine 1 nutzt. Im Beispiel ist der Verdampfer 10 wärmeübertragend mit der Abgasanlage 6 gekoppelt. Insbesondere kann der Verdampfer 10 als Wärmeübertrager ausgestaltet sein, der mehr oder weniger in die Abgasanlage 6 integriert sein kann.
  • Die Kolbenexpansionsmaschine 11, die hier als Axialkolbenexpander 11 ausgestaltet ist, dient zum Entspannen des Arbeitsmediums, wobei die Kolbenexpansionsmaschine 11 eine Abtriebswelle 14 antreibt. Der Kondensator 12 dient zum Kondensieren des Arbeitsmediums. Hierzu kann der Kondensator 13 an einen Kühlkreis 15 angeschlossen sein, bei dem es sich insbesondere um einen Kühlkreis der Brennkraftmaschine 1 handeln kann.
  • Die 2a bis 2d zeigen jeweils einen Schnitt durch einen Zylinder 16 der Kolbenexpansionsmaschine 11. Der Zylinder 16 weist einen Hubraum 17 auf, in dem ein Kolben 18 der Kolbenexpansionsmaschine 11 hubverstellbar angeordnet ist. Der Kolben 18 kann sich parallel zum Zylinder 16 zwischen einem unteren Totpunkt 19 und einem oberen Totpunkt 20 bewegen. Der Hubraum 17 ist durch einen Hubraumeinlass 21, der dem Einlassen des Arbeitsmediums in den Hubraum 17 dient, fluidisch mit einer Vorkammer 22 verbunden, wobei die Vorkammer 22 in einem dem Hubraum 17 axial benachbarten Vorkammerabschnitt 23 des Zylinders 16 angeordnet ist und somit integraler Bestandteil des Zylinders 16 ist. Das Arbeitsmedium strömt über die Vorkammer 22 in den Hubraum 17, wozu zweckmäßig ein Vorkammereinlass 24 vorgesehen ist, der die Vorkammer 22 fluidisch mit einem Hochdruckbereich 25 der Abwärmenutzungsvorrichtung 2 stromab des Verdampfers 10 verbindet. Zudem wird der Hubraumeinlass 21 durch ein Hubraumventil 26, welches als Klappventil ausgebildet ist, gesteuert, während der Vorkammereinlass 24 von einem als Klappventil ausgebildetes Vorkammerventil 27 gesteuert werden kann.
  • Die Vorkammer 22 und der Hubraum 17 sind von einer Trennwand 28 des Zylinders 16, in dem der Hubraumeinlass 21 angeordnet ist, voneinander getrennt. Die der Trennwand 28 zugewandte Seite des Kolbens 18 und die Trennwand 28 bilden einen Expansionsraum 29, welcher sich abhängig von der Stellung des Kolbens 18 zwischen dem unteren Totpunkt 19 und dem oberen Totpunkt 20 ändert. Dabei ist der Expansionsraum 29 minimiert, wenn der Kolben 18 den oberen Totpunkt 20 erreicht, während der Expansionsraum 29 maximiert ist, wenn der Kolben den unteren Totpunkt 19 erreicht.
  • Das Hubraumventil 26 wird im gezeigten Beispiel durch ein Öffnungselement 30 geöffnet, das auf der der Trennwand 28 zugewandten Seite des Kolbens 18 angeordnet ist. Das Öffnen des Hubraumventils 26 erfolgt, wie in 2 zu sehen, bei einer Bewegung des Kolbens 18 in Richtung des Hubeinlassventils 26 bzw. des oberen Totpunkts 20, wobei das Hubeinlassventil 26 verschlossen wird, wenn sich der Kolben 18 von dem Hubeinlassventil 26 wegbewegt. Folglich öffnet sich das als Klappventil ausgebildete Hubeinlassventil 26 in die Vorkammer 22 hinein. Das Öffnen des Hubeinlassventils 26 durch das Öffnungselement 30 erfolgt zudem, wenn der Kolben 18 im Bereich des oberen Totpunkts 20 ist. Auch das als Klappventil ausgebildete Vorkammerventil 27 öffnet sich in die Vorkammer 22 hinein. Im Gegensatz zum durch das Öffnungselement 30 mechanisch betätigte Hubraumventil 26 ist das Vorkammerventil 27 druckgesteuert bzw. druckbetätigt. Hiermit wird vermieden, dass das Arbeitsmedium aus dem Hubraum 18 bzw. aus der Vorkammer 22 über die Einlässe 21, 24 zurück zum Hochdruckbereich 25 des Abwärmenutzungskreises 8 strömen kann. Folglich kann das Arbeitsmedium lediglich über einen hier nicht gezeigten Auslass aus dem Zylinder 16 gelangen und zum Abwärmenutzungskreis 8 strömen, wobei der Auslass schließbar ist und vorzugsweise mit einem Niederdruckbereich der Abwärmenutzungskreises 8 der insbesondere stromauf des Kondensators 12 angeordnet ist, fluidisch verbunden ist.
  • Zur Erläuterung sind in den 2a bis 2d vier unterschiedliche Stellungen des Kolbens 18 dargestellt. Im Folgenden wird angenommen, dass im Hochdruckbereich 25, insbesondere bei konstanter Wärmeübertragung durch die Brennkraftmaschine 1 und konstanter Leistung der Fördereinrichtung 9, ein im Wesentlichen konstanter Druck im Arbeitsmedium herrscht. Der Druck des Arbeitsmediums in der Vorkammer 22 sowie im Expansionsraum 29 ändert sich dagegen abhängig von der Stellung des Kolbens 18. Bei der in 2a dargestellten Stellung bewegt sich der Kolben 18, wie durch einen Pfeil 31 angedeutet auf die Vorkammer 22 bzw. die Trennwand 28 zu. Der Druck im Hochdruckbereich 25 kann beispielsweise 22 bar betragen. Beträgt auch der Druck im Expansionsraum 29, 22 bar, so herrscht in der Vorkammer 22 ein niedrigerer Druck des Arbeitsmediums als im Hochdruckbereich 25. Folglich kann das Arbeitsmedium, wie durch einen weiteren Pfeil 32 angedeutet, in die Vorkammer 22 und anschließend in den Hubraum 17 strömen.
  • Bei der in 2b dargestellten Stellung des Kolbens 18, hat der Kolben 18 den oberen Totpunkt 20 erreicht. Bei dieser Stellung, kann der Druck im Expansionsraum 29 beispielsweise 25 bar betragen, womit der Druck in der Vorkammer 22 größer ist als im Hochdruckbereich 25. Das in die Vorkammer 22 öffnende Vorkammerventil 27 wird somit in Richtung des Hochdruckbereichs 25 gedrückt und verschließt den Vorkammereinlass 24, so dass das Arbeitsmedium nicht in den Hochdruckbereich 25 zurückströmen kann.
  • Bewegt sich der Kolben 18 anschließend, wie in 2c gezeigt und durch den Pfeil 31 angedeutet in Richtung des unteren Totpunkts 19 bzw. weg von der Vorkammer 22, so nimmt der Druck im Expansionsraum 29 durch die Vergrößerung des Expansionsraum 29 ab. Beträgt der Druck im Expansionsraum beispielsweise 21 bar, so kann der Druck des Arbeitsmediums in der Vorkammer 22 weiterhin größer als der Druck des Arbeitsmediums im Hochdruckbereich 25 sein bzw. im Wesentlichen diesem entsprechend. Folglich bleibt das Vorkammerventil 27 geschlossen.
  • Bewegt sich der Kolben 18 weiter in Richtung des unteren Totpunkts 19, so baut sich der Druck im Expansionsraum 29 weiter ab und erreicht bei der in 2d gezeigten Stellung beispielsweise einen Wert von 18 bar. Folglich sinkt auch, insbesondere weil der Hubraumventil 26 weiterhin geöffnet ist, der Druck des Arbeitsmediums in der Vorkammer 22 weiter ab, so dass der Druck des Arbeitsmediums in der Vorkammer 22 kleiner ist als im Hochdruckbereich 25. Folglich wird das Vorkammerventil 27 geöffnet und das Arbeitsmedium strömt vom Hochdruckbereich 25 in die Vorkammer 22, um wieder in den Expansionsraum 29 strömen zu können, wenn das Öffnungselement 30 das Hubraumventil 26 bei der nächsten Bewegung des Kolbens 8 in Richtung des Hubraumventils 26 öffnet.
  • Selbstverständlich kann sich auch der Druck im Hochdruckbereich 25 ändern. Dabei gilt erfindungsgemäß, dass das Vorkammerventil 27 den Vorkammereinlass 24 schließt, sobald der Druck im Hochdruckbereich 25 kleiner ist als in der Vorkammer 22.

Claims (6)

  1. Kolbenexpansionsmaschine (10) einer Abwärmenutzungsvorrichtung (2) eines Fahrzeuges oder Flugzeuges, – mit zumindest einem Zylinder (16), der einen Hubraum (17) aufweist, in dem ein Kolben (18) hubverstellbar angeordnet ist, – mit einer Trennwand (28), die zwischen dem Kolben (18) und einer Vorkammer (22) angeordnet ist – mit einem Hubraumeinlass (21), der in der Trennwand (28) angeordnet ist, zum Einlassen eines Arbeitsmediums der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) in den Hubraum (18), – wobei der Hubraumeinlass (21) den Hubraum fluidisch mit einer Vorkammer (22) verbindet, – mit einem vom Hubraumeinlass (21) entfernten Vorkammereinlass (24), der zum Einlassen des Arbeitsmediums in die Vorkammer (24) fluidisch mit einem Hochdruckbereich (25) der Abwärmenutzungsvorrichtung (2) verbindbar ist, – mit einem dem Hubraumeinlass (21) zugeordneten Hubraumventil (26), – mit einem dem Vorkammereinlass (24) zugeordneten Vorkammerventil (27).
  2. Kolbenexpansionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kolben (18) auf seiner dem Hubraumeinlass (21) zugewandten Seite ein Öffnungselement (30) zum Öffnen des den Hubraumeinlass (21) verschließenden Hubraumventils (26) aufweist.
  3. Kolbenexpansionsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das Vorkammerventil (27) sich in Richtung der Vorkammer (22) öffnet.
  4. Kolbenexpansionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (16) einen zum Hubraum (17) benachbarten Vorkammerabschnitt (23) aufweist, in der die Vorkammer (22) angeordnet ist.
  5. Kolbenexpansionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kolben (18) mit einer Antriebswelle (14) der Kolbenexpansionsmaschine (11) antriebsverbunden ist.
  6. Abwärmenutzungsvorrichtung (2), eines Kraftfahrzeuges eines Fahrzeuges oder Flugzeuges, in der das Arbeitsmedium zirkuliert und mit einer Kolbenexpansionsmaschine (11) nach einem der vorherigen Ansprüche.
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