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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen ventilgesteuerten Dampfexpander.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Dampfexpander bekannt, die als einfach- oder doppeltwirkende Hubkolbenmaschinen ausgeführt sind. Weiterhin sind Dampfexpander mit Ventilsteuerung bekannt, bei denen die Zuführung des Arbeitsmediums über einen Einlasskanal erfolgt, der durch ein zum Kanal hin öffnendes Ventil verschließbar ist und die Abführung des Arbeitsmediums nach dem Verrichten der Arbeit durch einen Auslasskanal erfolgt, der durch ein zum Arbeitsraum hin öffnendes Ventil verschließbar ist. Es ist bekannt, dass der Kolben bei den einfach- oder doppeltwirkenden Hubkolbenmaschinen an einer geführten Kolbenstange befestigt ist, so dass die Kolbenstange nur eine geradlinige Bewegung im Gehäuse ausführen kann. Die Kolbenstange kann durch den Kolben hindurchreichen, so dass eine beidseitige Lagerung der Kolbenstange zur besseren Führung erfolgt. Ein Kreuzkopf am Ende der Kolbenstange stellt mittels einer Pleuelstange die Verbindung zur Kurbelwelle her. Der Kreuzkopf kann ebenfalls im Gehäuse geführt werden. Für den Antrieb des Ventiltriebs sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, für welche zusätzliche Einrichtungen notwendig sind. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl verschiedener mechanischer Ventiltriebe bekannt. Dazu werden verschiedene Stößelstangenantriebe, Ketten- oder Riementriebe verwendet. Auch elektromechanische oder elektrohydraulische und weitere verschiedene Antriebe werden verwendet.
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Aus der Patentschrift
US 1,668,927 A ist eine ventil- und schlitzgesteuerte Dampfmaschine bekannt, wobei der Einlass mittels eines Hubventils und der Auslass mittels Auslassschlitzen und einem doppeltwirkenden Hubkolben gesteuert wird. Das Einlassventil ist dabei als ein nach innen, also in den Einlasskanal öffnendes Ventil ausgebildet.
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Aus der Patentschrift
US 1,200,893 A ist ein ventilgesteuerter Dampfexpander bekannt, welcher einen in einem Zylinder hin und her bewegbaren und mittels einer Kolbenstange geführten, doppeltwirkenden Kolben aufweist und demnach einen ersten und einen weiteren Arbeitsraum bildet. Jedem Arbeitsraum sind ein als Ringschieber ausgebildetes Einlassventil und mehrere als nach außen öffnendes Hubventil ausgebildete Auslassventile zugeordnet. Der Dampfexpander weist zudem einen Pleuel auf, welches einerseits mittels eines Kreuzkopfes mit der Kolbenstange und andererseits mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Zur Betätigung der Einlassventile und Auslassventile ist auf der Kurbelwelle ein Nocken angeordnet, welcher mit einer Nockenstange verbunden ist. Der Ventiltrieb ist zudem für eine Zwangssteuerung ausgebildet.
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Aus der Patentschrift
US 3,788,193 A ist eine schlitzgesteuerte Dampfmaschine mit doppeltwirkenden Hubkolben bekannt. Mittels eines als Schieberventil ausgestalteten zusätzlichen Einlassventils wird der Dampf bedarfsgerecht zu den Einlassschlitzen sowie über die Auslassschlitze aus dem Arbeitsraum geleitet, so dass die Dampfmaschine effizient bei hoher Drehzahl mit niedrigem Drehmoment oder bei niedriger Drehzahl mit hohem Drehmoment betreibbar ist.
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Aus der Patentschrift
CH 218 460 A ist eine Gleichstromdampfmaschine mit Kondensationsanlage bekannt. Die Dampfmaschine umfasst durch einen Tauchkolben gesteuerte Auslassschlitze und ein als in den Einlasskanal öffnendes Hubventil ausgebildetes, doppelsitziges Einlassventil. Weiter wird beschrieben, dass bei der Betätigung des Einlassventils auf Schließfedern verzichtet werden kann, da durch die Ausführung der Ventilsitze und des Dampfdrucks das Ventil stets in seinen Sitz gedrückt wird.
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Als Nachteil des Standes der Technik ist der hohe Aufwand zum Antrieb des Ventiltriebs zu nennen, der vor allem Kosten verursacht, zusätzliches Gewicht verursacht und den Bauraumbedarf von Hubkolbenmaschinen und dementsprechend von Dampfexpandern stark erhöht.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen ventilgesteuerten Dampfexpander zu schaffen, der gegenüber dem Stand der Technik an Bauraum, Kosten und Gewicht spart, um somit für den mobilen Einsatz gebrauchsfähig zu sein.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt einen ventilgesteuerten Dampfexpander bereit, bei dem der zusätzliche Antrieb eines herkömmlichen Ventiltriebs eingespart wird. Dadurch kann der Dampfexpander gegenüber dem Stand der Technik leichter, kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden. Der Dampfexpander eignet sich somit für den mobilen Einsatz beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, um die von einer Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme zu nutzen. Dazu kann ein Arbeitsmittel verwendet werden, welches wenigstens einen Teil der Abwärme aufnimmt und dem Dampfexpander zugeführt wird.
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Die nach dem Zweitaktprinzip arbeitende Kolbenmaschine verfügt dazu über eine Ventilsteuerung, bei welcher die Nocken zur Betätigung der Ventile zum Austausch des Arbeitsmediums direkt auf der Kurbelwelle positioniert sind. Dabei können die Nocken stoff-, form- oder kraftschlüssig aufgebracht sein. Die Betätigung der Ventile mittels der über die Kurbelwelle angetriebenen Nocken wird durch die Arbeitsweise des Dampfexpanders möglich, da entsprechend dem Zweitaktprinzip jedes Ventil zum Austausch des Arbeitsmediums bei jeder Kurbelwellenumdrehung einmal geöffnet werden muss. Wenigstens ein Einlassventil und ein Auslassventil eines Arbeitsraumes werden mittels eines Nockens auf der Kurbelwelle angetrieben, wobei ein Nocken beide Ventile betätigt oder jeweils ein separater Nocken für jedes Ventil auf der Kurbelwelle vorgesehen ist. Die Ventile können direkt oder indirekt unter Verwendung von Hebel- oder Stangengetrieben betätigt werden.
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In einer Ausgestaltung des Dampfexpanders mit doppeltwirkenden Kolben sind für jeden Arbeitsraum wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil vorgesehen, wobei wenigstens ein Ventil jedes Arbeitsraumes mittels eines Nockens auf der Kurbelwelle direkt oder indirekt betätigt wird.
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Wenigstens ein Ventil des Arbeitsraumes kann als ein nach außen öffnendes, also in den Arbeitsraum hinein betätigtes Ventil und wenigstens ein weiteres Ventil als ein nach innen, also in einen dem entsprechenden Ventil zugeordneten Kanal öffnendes Ventil ausgeführt sein. Sinnvollerweise ist das Einlassventil des Arbeitsraumes für die Einleitung des Arbeitsmediums als ein nach innen öffnendes Ventil ausgebildet, da das Arbeitsmedium im Einlasskanal stets einen höheren Druck als das Arbeitsmedium im Arbeitsraum aufweist. Dadurch ist ein sicheres Öffnen und Schließen des Einlassventils gewährleistet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dampfexpanders wird ein erstes Ventil eines Arbeitsraumes direkt von einem Nocken und ein weiteres Ventil eines Arbeitsraumes mittels eines weiteren Nockens und einer desmodromischen Steuerung betätigt, wobei vorzugsweise das Einlassventil desmodromisch gesteuert wird. Die beiden Nocken für die direkte Betätigung des ersten Ventils und des weiteren Ventils können direkt nebeneinander angeordnet sein, so dass sich ein geringer axialer Bauraum der Nocken auf der Kurbelwelle ergibt. Die beiden Nocken können auch zu einem Nocken mit unterschiedlichen Nockenkonturen zusammengefasst sein, wobei der direkten oder indirekten und der desmodromischen Betätigung eine separate Nockenkontur zugeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist jedoch, wenn ein und derselbe Nocken mit einer besonderen Nockenkontur ausgestattet ist, so dass ein Nocken ausreicht, um einerseits das erste Ventil und das weitere Ventil zu betätigen. Dadurch wird es möglich, mittels eines einzigen Nockens ein Einlassventil eines ersten Arbeitsraumes desmodromisch und gleichzeitig ein Auslassventil eines weiteren Arbeitsraumes direkt oder indirekt zu steuern. Durch die wechselseitige Anordnung der direkten oder indirekten und desmodromischen Steuerung der Ventile und die wechselseitige Anordnung der weiteren Ventile für den jeweiligen Arbeitsraum kann stets das Einlassventil desmodromisch gesteuert werden. Dafür wird eine weitere Ebene der Ventilsteuerung für einen Zylinder vorgesehen, so dass jedem Arbeitsraum wenigstens ein Einlassventil und ein axial zur Kurbelwelle beabstandetes Auslassventil zur Verfügung stehen, wobei das Einlassventil stets desmodromisch gesteuert wird. In einer ersten Ebene senkrecht zur Kurbelwellenachse befinden sich also ein Auslassventil des ersten Arbeitsraumes und ein Einlassventil des weiteren Arbeitsraumes mit entsprechender Steuerung. In einer weiteren Ebene senkrecht zur Kurbelwelle desselben Zylinders befinden sich ein Einlassventil des ersten Arbeitsraumes und ein Auslassventil des weiteren Arbeitsraumes mit entsprechender Betätigung. Es ergibt sich ein minimaler axialer Bauraum für die Betätigung der Ventile, da für jede Ebene in vorteilhafter Weise nur ein Nocken für die gleichzeitige Betätigung des jeweiligen Einlass- und Auslassventils benötigt wird.
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Dadurch entfällt der gesamte Antrieb des Ventiltriebs, bestehend aus diversen Antriebs- und Abtriebsrädern, Nockenwellen mit entsprechender Lagerung, Ketten oder Riemen sowie den dazugehörigen Spannern, der bei herkömmlichen ventilgesteuerten Hubkolbenmaschinen notwendig ist, wodurch sich ein besonders einfacher, kompakter und leichter Aufbau eines Dampfexpanders ergibt.
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Die Kurbelwelle wird über eine Kolbenstange, einen Kreuzkopf und wenigstens eine Pleuelstange angetrieben und kann dadurch in den Bereich des Ventiltriebs verlagert werden, um die Betätigung der Ventile besonders einfach zu ermöglichen und den Bauraum und somit das Gewicht des Dampfexpanders weiter zu reduzieren. Für eine Mehrzylinderanordnung eines Dampfexpanders wiederholt sich der grundsätzliche Aufbau der Ventilbetätigung.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
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1: eine schematische Darstellung eines Dampfexpanders.
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Die besonders vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Dampfexpanders, dargestellt in 1, besteht aus einem doppeltwirkenden Kolben (1), welcher in einem Zylinder (2) hin und her bewegbar ist und dadurch einen ersten Arbeitsraum (3) und einen weiteren Arbeitsraum (4) erzeugt. Der doppeltwirkende Kolben (1) wird durch ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium angetrieben, welches durch wenigstens ein Einlassventil (5) und einen Einlasskanal (6) in den jeweiligen Arbeitsraum (3, 4) eingeleitet wird. Nach ausreichender Expansion des Arbeitsmittels im jeweiligen Arbeitsraum (3, 4) wird es durch wenigstens ein Auslassventil (7) und einen Auslasskanal (8) aus dem jeweiligen Arbeitsraum (3, 4) geführt. Dabei werden das Einlassventil (5) des ersten Arbeitsraumes (3) und das Auslassventil (7) des weiteren Arbeitsraumes (4) mittels eines ersten Nockens (9) auf einer Kurbelwelle (10) des Dampfexpanders betätigt. Das Auslassventil (7) wird direkt und das Einlassventil (5) mittels einer desmodromischen Steuerung (11) betätigt. Analog dazu wird in einer weiteren Schnittebene (nicht dargestellt) des Dampfexpanders ein weiteres Einlassventil (nicht dargestellt) des weiteren Arbeitsraumes (4) und ein weiteres Auslassventil (nicht dargestellt) des ersten Arbeitsraumes (3) mittels eines weiteren zum ersten Nocken (9) axial auf der Kurbelwelle (10) beabstandeten Nockens (nicht dargestellt) betätigt. Durch die wechselseitige Anordnung der weiteren Ventile (nicht dargestellt) des jeweiligen Arbeitsraumes (3, 4) und deren Betätigung wird das weitere Auslassventil (nicht dargestellt) direkt und das weitere Einlassventil (nicht dargestellt) mittels einer desmodromischen Steuerung (nicht dargestellt) betätigt.
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Der Antrieb der Kurbelwelle (10) erfolgt durch wenigstens einen Pleuel (12), der über einen Kreuzkopf (13) mit einer durch den doppeltwirkenden Kolben (1) getriebenen Kolbenstange (1) verbunden ist.
