-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Ladungswechseleinrichtung für eine Expansionsmaschine, die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Expansionsmaschinen, die über einen Dampfkraftprozess antreibbar sind und zur Nutzung der Abwärme von Brennkraftmaschinen dienen.
-
Als Kolbenmaschinen ausgestaltete Expansionsmaschinen werden beispielsweise für einen ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle-Process) eingesetzt, bei denen ein Arbeitsfluid als Prozessmedium verdichtet, verdampft und überhitzt, expandiert sowie anschließend wieder kondensiert wird. Dieses Verfahren kann mit Dampfturbinen betrieben werden. Allerdings ist für kleine Leistungen ein Einsatz einer Dampfturbine nicht sinnvoll, da Turbinen einen fallenden Wirkungsgrad mit abnehmender Baugröße haben. Daher eignet sich für solch einen Fall eine Kolbenmaschine, die beispielsweise als Rotations- oder Hubkolbenmaschine ausgestaltet ist. Speziell kann hierbei eine Energierückgewinnung aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine realisiert werden.
-
Insbesondere steigende Energiepreise ermöglichen eine wirtschaftliche Realisierung solcher Einrichtungen, die aus der Abwärme einer Brennkraftmaschine über einen nachgelagerten thermodynamischen Prozess zusätzliche mechanische Energie erzeugen. In Abhängigkeit von dem relevanten Temperaturbereich können hierbei unterschiedliche Medien für das Arbeitsfluid zum Einsatz kommen. Bei einem ORC-Prozess kommen Kohlewasserstoffverbindungen zum Einsatz. Als Arbeitsfluid kann im einfachsten Fall allerdings auch Wasser dienen. Wenn die Expansionsmaschine als Kolbenmaschine ausgestaltet wird, dann ist es erforderlich, dass der Zylinderraum vor einem Beginn der Expansion mit der Hochdruckseite verbunden wird, was bedeutet, dass der Einlass offen ist, während der Auslass geschlossen ist. Während der Expansionsphase ist der Hochdruckraum dann verschlossen, was bedeutet, dass der Einlass und der Auslass geschlossen sind. Während der Ausschubphase ist der Zylinderraum mit der Niederdruckseite verbunden, was bedeutet, dass der Einlass geschlossen ist, während der Auslass offen ist. Für die Steuerung des Ladungswechsels sind verschiedene Ventiltriebe denkbar. Beispielsweise sind nockengetriebene oder schiebergesteuerte Ventiltriebe denkbar. Hierbei kann die Betätigung über eine mechanische Verbindung von einer Abtriebswelle, insbesondere einer Kurbelwelle, der Kolbenmaschine zu den Ventilen erfolgen.
-
Die Ausgestaltung einer Expansionsmaschine mit solch einem Ventiltrieb hat den Nachteil, dass die Ausgestaltung der mechanischen Verbindung von der Antriebswelle zu den Ventilen aufwändig ist und einen zusätzlichen Bauraum beansprucht. Ferner ist eine Wartung, insbesondere Schmierung, erforderlich.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Ladungswechseleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein verbesserter Aufbau ermöglicht ist. Speziell kann eine direkte mechanische Verbindung zur Abtriebswelle entfallen, wobei aber dennoch Steuerzeiten dargestellt werden können, die synchron zu einer Umdrehung einer Kurbelwelle, das heißt einem Kurbelwinkel, sind und somit nicht synchron zum Kolbenhub sind, was auch als asymmetrisch bezeichnet wird. Entsprechende Vorteile ergeben sich für die erfindungsgemäße Expansionsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Ladungswechseleinrichtung und der im Anspruch 10 angegebenen Expansionsmaschine möglich.
-
Vorteilhaft ist es, dass der Steuerschieber direkt oder mittels eines Dämpfungselements, das mit einer dem Kolben zugewandten Stirnseite des Steuerschiebers oder mit einer dem Steuerschieber zugewandten Stirnseite des Kolbens verbunden ist, von dem Kolben betätigbar ist. Hierdurch ist der Steuerschieber mittelbar von dem Kolben betätigbar, nämlich mittels des Dämpfungselements. Das Dämpfungselement kann hierbei als elastisches Kopplungselement zwischen dem Steuerschieber und dem Kolben dienen, um mechanische Belastungen und Toleranzanforderungen zu reduzieren. Das Dämpfungselement kann insbesondere als Elastomerscheibe ausgestaltet sein. Das Dämpfungselement kann allerdings auch als Feder ausgestaltet sein.
-
Vorteilhaft ist es auch, dass das Einlassventil ein Schließelement aufweist, das an dem Steuerschieber geführt ist, dass das Schließelement zum Schließen des Einlasses für Arbeitsfluid in den Arbeitsraum mit einer Dichtfläche zusammen wirkt und dass ab einer Einlassventil-Öffnungshubstellung des Kolbens das Schließelement zum Öffnen des Einlasses für Arbeitsfluid in den Arbeitsraum durch den Steuerschieber, der von dem Kolben betätigbar ist, betätigbar ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass der Steuerschieber einen Absatz aufweist, der ab der Einlassventil-Öffnungshubstellung des Kolbens mit dem Schließelement zusammen wirkt. Bei geschlossenem Einlass kann das Schließelement unter anderem durch den Hochdruck des anstehenden Arbeitsfluids in einer geschlossenen Stellung gehalten werden. Durch Betätigen des Steuerschiebers wird dann das Schließelement mitgenommen und somit der Einlass für Arbeitsfluid geöffnet.
-
Außerdem ist es vorteilhaft, dass das Einlassventil ein Federelement aufweist, das den Steuerschieber in Richtung des Kolbens beaufschlagt. Hierdurch ist eine Rückstellung des Steuerschiebers gewährleistet. Speziell wird bei dem Arbeitshub des Kolbens zunächst ein Rückstellung des Steuerschiebers erzielt, bis der Einlass geschlossen ist.
-
Vorteilhaft ist es hierbei auch, dass ab einer Einlassventil-Schließhubstellung des Kolbens das Schließelement zum Schließen des Einlasses für Arbeitsfluid in den Arbeitsraum durch den Steuerschieber, der von dem Federelement in Richtung des Kolbens beaufschlagt ist, betätigbar ist. Hierdurch kann gewissermaßen eine zwangsweise Schließung des Einlasses erfolgen. Denn während des Arbeitshubs des Kolbens nimmt dann der Steuerschieber das Schließelement mechanisch mit. Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, dass der Steuerschieber einen Absatz aufweist, der ab der Einlassventil-Schließhubstellung zum Schließen des Einlasses für Arbeitsfluid in den Arbeitsraum mit dem Schließelement zusammen wirkt.
-
Vorteilhaft ist es auch, dass ein Auslassventil vorgesehen ist, das einen Auslass von Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum steuert und dass das Auslassventil öffnet, wenn ein Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsraum einen Öffnungsdruck des Auslassventils unterschreitet. Hierdurch kann eine druckabhängige Betätigung des Auslassventils erfolgen. Da der Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsraum mit der Kolbenstellung und somit mit dem Kolbenwinkel zusammen hängt, ergibt sich somit eine vorteilhafte Unterstützung der Arbeitsweise für eine Energierückgewinnung oder dergleichen.
-
Hierbei ist es speziell von Vorteil, dass das Auslassventil ein Federelement und einen Dichtkörper aufweist, der mit einer Dichtfläche zusammen wirkt, dass der Dichtkörper von einem Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsraum gegen die Dichtfläche beaufschlagbar ist und dass das Federelement den Dichtkörper gegen den Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsraum beaufschlagt. Hierdurch ist eine robuste und konstruktiv einfache Ausgestaltung möglich, die einen zuverlässigen Betrieb über die Lebensdauer ermöglicht.
-
Hierbei ist es außerdem vorteilhaft, dass das Auslassventil in ein Gehäuse oder den Kolben der Expansionsmaschine integrierbar ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Ausgestaltung.
-
Außerdem ist es vorteilhaft, dass in dem Gehäuse der Expansionsmaschine, in dem die Kolbenbohrung ausgestaltet ist, eine in die Kolbenbohrung mündende Absteuerbohrung ausgestaltet ist, wobei der Kolben, der in der Kolbenbohrung den Arbeitsraum begrenzt, in einem unteren Totpunkt die Absteuerbohrung mit dem Arbeitsraum verbindet. Hierdurch kann der Druck im Arbeitsraum am unteren Totpunkt oder auch einer anderen bestimmten Kolbenposition auf den Öffnungsdruck des Auslassventils abgesenkt werden, was zum Öffnen des Auslassventils beiträgt. Der freie Strömungsquerschnitt bei offenen Auslassventil ist so groß vorgegeben, dass durch Ausschieben des expandierten Arbeitsfluids kein Druck entsteht, der zum Schließen des Auslassventils führt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine Expansionsmaschine mit einer Ladungswechseleinrichtung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Expansionsmaschine des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
-
3 ein Einlassventil der in 1 dargestellten Ladungswechseleinrichtung der Expansionsmaschine in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
4 das Einlassventil der in 1 dargestellten Ladungswechseleinrichtung der Expansionsmaschine in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
5 ein Auslassventil der in 1 dargestellten Ladungswechseleinrichtung der Expansionsmaschine in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
6 den in 1 mit VI bezeichneten Ausschnitt einer Expansionsmaschine entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung und
-
7 eine Expansionsmaschine mit einer Ladungswechseleinrichtung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt eine Expansionsmaschine 1 mit einer Ladungswechseleinrichtung 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Expansionsmaschine 1 kann insbesondere als Axialkolbenmotor 1 ausgestaltet sein. Die Expansionsmaschine ist über einen Dampfkraftprozess antreibbar. Die Ladungswechseleinrichtung 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Einlassventil 3 und ein Auslassventil 4 auf.
-
Die Expansionsmaschine 1 kann Teil einer Anlage 5 sein, die zur Nutzung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine oder dergleichen dient. Die Anlage 5 weist eine Einrichtung 6 auf, die als Verdampfer 6 oder Überhitzer 6 ausgestaltet sein kann. In der Einrichtung 6 wird ein Arbeitsfluid erhitzt und verdampft. Das unter hohem Druck stehende gasförmige Arbeitsfluid wird dann an einen Eingang 7 der Expansionsmaschine 1 geführt. Ferner weist die Expansionsmaschine 1 einen Ausgang 8 auf. An dem Ausgang 8 wird das entspannte Arbeitsfluid ausgestoßen und zu einem Rekuperator 9 geführt. Der Rekuperator 9 kann hierbei als Wärmeübertrager 9 dienen. Von dem Rekuperator 9 gelangt das Arbeitsfluid zu einem Verflüssiger 10. In dem Verflüssiger 10 wird das Arbeitsfluid abgekühlt und verflüssigt. Das flüssige Arbeitsfluid wird anschließend über eine Pumpe 11 zu dem Rekuperator 9 geführt. Hierbei nimmt das flüssige Arbeitsfluid im Rekuperator 9 einen Teil der Wärmeenergie des entspannten, gasförmigen Arbeitsfluids, das von der Expansionsmaschine 1 zu dem Verflüssiger 10 geführt wird, auf. Nach dem Rekuperator 9 wird das vorgewärmte, flüssige Arbeitsfluid zu der Einrichtung 6 geführt. Dadurch ist der Kreislauf geschlossen.
-
Die Expansionsmaschine 1 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem eine zylindrische Kolbenbohrung 13 ausgestaltet ist. In der Kolbenbohrung 13 ist ein Kolben 14 entlang einer Achse 15 der Kolbenbohrung 13 geführt. Der Kolben 14 begrenzt in der Kolbenbohrung 13 einen Arbeitsraum 16.
-
Die Expansionsmaschine 1 weist eine Kurbelwelle und einen mit der Kurbelwelle 17 verbundenen Kurbeltrieb 18 auf, der den Kolben 14 mit der Kurbelwelle 17 verbindet. Durch Betätigung des Kolbens 14 entlang der Achse 15 wird hierdurch die Kurbelwelle 17 angetrieben.
-
Durch Öffnen des Einlassventils 3 gelangt das gasförmige, unter hohem Druck stehende Arbeitsfluid von dem Eingang 7 über einen Einlass 20 in den Arbeitsraum 16. Hierdurch wird der Kolben 14 in einer Richtung 21 betätigt, wobei sich das Arbeitsfluid entspannt. Anschließend wird der Kolben 14 nach Durchlaufen eines unteren Totpunkts entgegen der Richtung 21 verstellt. Hierbei wird das Auslassventil 4 geöffnet, so dass das entspannte Arbeitsfluid über einen Auslass 22 des Arbeitsraums zu dem Ausgang 8 geführt und ausgestoßen werden kann.
-
Die Ladungswechseleinrichtung 2 besitzt keine mechanische Verbindung zu der Kurbelwelle 17. Somit sind weder das Einlassventil 3 noch das Auslassventil 4 direkt von der Kurbelwelle 17 angetrieben. Das Öffnen und Schließen des Einlassventils 3 und des Auslassventils 4 kann durch eine Kombination der Druckverhältnisse im Arbeitsraum 16 und der Position des Kolbens 14 erreicht werden. Dadurch ergeben sich Kosten- und Bauraumvorteile sowie eine minimale Leckagemenge an den Ventilen 3, 4, da das Einlassventil 3 und das Auslassventil 4 insbesondere als Sitzventile ausgestaltet sein können.
-
Die Expansionsmaschine 1 kann nach einem Zweitakt-Prinzip arbeiten. Dies bedeutet, dass je Kurbelwellenumdrehung ein Expansionshub des Kolbens 14 stattfindet. Der Rückhub des Kolbens 14 wird zum Ausschieben des expandierten Arbeitsfluids benötigt.
-
Die Ausgestaltung und Arbeitsweise der Expansionsmaschine 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist im Folgenden auch anhand der 2 bis 5 weiter beschrieben.
-
2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Expansionsmaschine 1 des ersten Ausführungsbeispiels. 3 und 4 zeigen das Einlassventil 3 der Ladungswechseleinrichtung 2 der Expansionsmaschine 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung in unterschiedlichen Arbeitspositionen beziehungsweise Schaltstellungen. 5 zeigt das Auslassventil 4 der Ladungswechseleinrichtung 2 der Expansionsmaschine 1 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung, wobei unterschiedliche Schaltstellungen veranschaulicht sind.
-
In 2 ist an der Abszisse ein Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 17 angetragen. An der Ordinate ist ein Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsraum 16 angetragen. Hierbei ist ein Druckverlauf 23 exemplarisch dargestellt. Der Druckverlauf 23 kann hierbei im Hinblick auf eine gewünschte Motorleistung und einen günstigen Wirkungsgrad auch anders vorgegeben werden.
-
Das Einlassventil 3 ist so konfiguriert, dass es nach dem Ausschubvorgang im Bereich eines oberen Totpunkts des Kolbens 14 öffnet, bis zu einem bestimmten Kolbenhub geöffnet bleibt und dann schließt. Durch diese Unsymmetrie der Einlasszeit bezüglich der Kolbenposition ist es erforderlich, dass die Betätigung des Einlassventils 3 in Abhängigkeit von der Kolbenposition in Kombination mit dem Zylinderdruck erfolgt. Diese Funktionsweise kann beispielsweise über eine vorgegebene Hysterese verwirklicht werden. Hierfür kann beispielsweise während des Ausschubhubes zunächst das Einlassventil 3 geschlossen sein, indem eine mit dem Hochdruck des unter hohem Druck stehenden Arbeitsfluids beaufschlagte Fläche 24 eines Schließelements 25 größer ist als eine freie Fläche 26 des Schließelements 25, die mit dem Arbeitsraum 16 verbunden ist. Somit ist eine Dichtkraft vorhanden. Das Schließelement 25 ist hierbei entlang einer Ventilachse 27 an einem Steuerschieber 28 geführt. Der Kolben 14 hat zunächst keinen Kontakt mit dem Steuerschieber 28. Dann gelangt der Kolben 14 bei seiner Bewegung entlang der Richtung 21 in Kontakt mit dem Steuerschieber 28. Diese Situation ist in der 3 rechts von der Ventilachse 27 dargestellt.
-
Die dem Arbeitsraum 16 abgewandte Seite des Einlassventils 3 und des Steuerschiebers 28 kann sowohl mit der Hochdruck- als auch mit der Niederdruckseite oder mit einem Umgebungsdruck verbunden sein. Entsprechend sind die mit Druck beaufschlagten Flächen und Federkräfte ausgelegt. Die Druckkräfte ergeben sich aus den Verhältnissen der mit Druck beaufschlagten Flächen. Der Steuerschieber 28 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch mindestens ein Federelement 29 in seiner Endlage gehalten, wenn der Kolben 14 noch keinen Kontakt zum Steuerschieber 28 hat. Ein Raum 30, in dem das Federelement 29 angeordnet ist, kann hierdurch auch auf einem niedrigen Druck, insbesondere dem Umgebungsdruck, liegen.
-
Das Schließelement 25 des Einlassventils 3, das an dem Steuerschieber 28 geführt ist, wirkt somit zum Schließen des Einlasses 20 für Arbeitsfluid in den Arbeitsraum 16 mit einer Dichtfläche 31 zusammen. Ab einer Einlassventil-Öffnungshubstellung des Kolben 14, die in der 3 rechts von der Ventilachse 27 dargestellt ist, wird das Schließelement 25 zum Öffnen des Einlasses 20 für Arbeitsfluid in den Arbeitsraum 16 durch den Steuerschieber 28 betätigt, der wiederum von dem Kolben 14 entgegen der Richtung 21 betätigt wird. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Steuerschieber 28 einen Absatz 35 auf, der ab der Einlassventil-Öffnungshubstellung des Kolbens 14 mit dem Schließelement 25 zusammen wirkt. Hierdurch wird die Abdichtung an der Dichtfläche 31 freigegeben.
-
Die Einlassventil-Öffnungshubstellung ist in der 2 mit EÖ bezeichnet. Somit nimmt der Druck im Arbeitsraum 16 dann von einem niedrigen Wert pN bis zu einem hohen Wert pH zu.
-
Der Kolben 14 bewegt auf seinem Weg zum oberen Totpunkt den Steuerschieber 28 weiter entgegen der Richtung 21. Am oberen Totpunkt ist das Einlassventil 3 durch den Steuerschieber 28 um einen geringen Hub zwangsgeöffnet, wie es in der 3 links von der Ventilachse 27 dargestellt ist. Dadurch kommt es zum Druckausgleich der Flächen 24, 26 am Schließelement 25, wodurch das Einlassventil 3, gegebenenfalls unterstützt durch die Kraft eines Federelements 36, weiter entgegen der Richtung 21 bewegt wird, so dass der komplette Einlassquerschnitt freigegeben wird. Die Stellung des oberen Totpunkts des Kolbens 14 ist in der 2 durch OT gekennzeichnet.
-
Mit Beginn des Arbeitshubes bewegt sich der Steuerschieber 28 mit dem Kolben 14 nach unten. Hierbei nimmt der Steuerschieber 28 ab einer gewissen Bewegung das Schließelement 25 zwangsweise mit, wie es in der linken Hälfte der 4 dargestellt ist. Denn ab einer Einlassventil-Schließhubstellung des Kolbens 14, die links von der Ventilachse 27 in der 4 dargestellt ist, wird das Schließelement 25 zum Schließen des Einlasses 20 für Arbeitsfluid in den Arbeitsraum 16 durch den Steuerschieber 28, der von dem Federelement 29 in Richtung des Kolbens 14 beaufschlagt ist, betätigt. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Steuerschieber 28 einen Absatz 37 auf, der ab der Einlassventil-Schließhubstellung zum Schließen des Einlasses 20 für das Arbeitsfluid in den Arbeitsraum 16 mit dem Schließelement 25 zusammen wirkt.
-
Bei einer Kolbenposition ES, die rechts von der Ventilachse 27 in der 4 dargestellt, ist das Einlassventil 3 wieder geschlossen. Jetzt beginnt die Expansionsphase, wobei die Dichtheit des Einlassventils 3 durch den absinkenden Zylinderdruck im Arbeitsraum 16 verbessert wird.
-
Die Konfiguration des Auslassventils 4 ist so, dass ein steigender Druck im Arbeitsraum 16 zum Schließen des Auslassventils 4 führt. Ein Ventilkörper 38 des Auslassventils 4 wird hierbei von einem Federelement 39 beaufschlagt, das gegen den Druck im Arbeitsraum 16 ein Öffnen des Auslassventils 4 bewirkt. Am Ende des Expansionshubes ist der Druck im Arbeitsraum 16 soweit abgesunken, dass das Auslassventil 4 aufgrund der Vorspannung des Federelements 39 geöffnet wird. Das Öffnen des Auslassventils 4 ist in der 2 durch AÖ gekennzeichnet.
-
Das Schließen des Auslassventils 4 kann in einer besonders einfachen Variante ausschließlich durch den Druckanstieg im Arbeitsraum 16 erfolgen, der durch das Öffnen des Einlassventils 3 bedingt wird. In diesem Fall sind aber Leckageverluste von der Hochdruck- zur Niederdruckseite möglich. Deshalb wird vorzugsweise eine Betätigung des Ventilkörpers 38 des Auslassventils 4 durch den Kolben 14 realisiert, wobei das Schließen des Auslassventils 4 vorzugsweise zum Ende des Ausschiebevorgangs vom Kolben 14 vollständig oder zumindest teilweise erfolgt. Vorzugsweise erfolgt dies im Bereich eines oberen Totpunkts. Dies kann realisiert werden, indem der Kolben 14 das Auslassventil 4 teilweise schließt, wodurch sich der noch freie Öffnungsquerschnitt so stark reduziert, dass durch den Druckanstieg im Arbeitsraum 16 nach dem Öffnen des Einlassventils 3 die komplette Schließung des Auslassventils 4 sehr schnell erfolgt. Ein Schließen des Auslassventils 4 ist in der 5 links von der Ventilachse 27 veranschaulicht. Hierbei wirkt der Kolben 14 auf den Ventilkörper 38 ein. Hierdurch wird ein mit dem Ventilkörper 38 verbundener oder einstückig mit dem Ventilkörper 38 ausgestalteter Dichtkörper 40 gegen eine Dichtfläche 41 gedrückt. Der Dichtkörper 40 wird dann von dem Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsraum 16 gegen die Dichtfläche 41 beaufschlagt, wodurch die Dichtwirkung mit dem Druck im Arbeitsraum 16 selbstverstärkend zunimmt. Das Federelement 39 beaufschlagt den Dichtkörper 40 gegen den Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsraum 16, so dass in der Nähe des niedrigen Drucks pN ein Öffnen des Auslassventils 4 erfolgt.
-
Die Schließstellung des Auslassventils 4 ist in der 2 mit AS gekennzeichnet.
-
Das Schließelement 25 und/oder der Dichtkörper 40 können aus geeigneten Werkstoffen hergestellt oder beschichtet sein, die eine verstärkte Dichtwirkung ermöglichen. Speziell kann bei einer zweiteiligen Ausgestaltung des Ventilkörpers 38 und des Dichtkörpers 40 ein Werkstoff des Dichtkörpers 40 im Hinblick auf eine optimierte Dichtwirkung gewählt sein, während der Werkstoff für den Ventilkörper 38 im Hinblick auf eine mechanische Belastbarkeit gewählt ist.
-
An dem Kolben 14 kann ein Dämpfungselement 45 vorgesehen sein, über das der Kolben 14 den Steuerschieber 28 betätigt. Umgekehrt kann das Dämpfungselement 45 auch an dem Steuerschieber 28 vorgesehen sein. Speziell kann das Dämpfungselement 45 mit einer Stirnseite 46 des Kolbens 14 oder mit einer Stirnseite 47 des Steuerschiebers 28, die dem Kolben 14 zugewandt ist, verbunden sein.
-
6 zeigt den in 1 mit VI bezeichneten Ausschnitt der Expansionsmaschine 1 entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 12 eine in die Kolbenbohrung 13 mündende Absteuerbohrung 50 auf. Im Bereich des unteren Totpunkts gibt der Kolben 14 die Absteuerbohrung 50 frei, so dass die Absteuerbohrung 50 mit dem Arbeitsraum 16 verbunden ist, wie es in der 6 gezeigt ist. Hierdurch kommt es zu einem Druckabfall im Arbeitsraum 16. Hierdurch kann der Druck im Arbeitsraum 16 zuverlässig auf oder unter den Öffnungsdruck des Auslassventils 4 abgesenkt werden, was zum Öffnen des Auslassventils 4 beiträgt. Der freie Strömungsquerschnitt bei geöffnetem Auslassventil 4 ist hierbei so groß vorgegeben, dass durch das Ausschieben des expandierten Arbeitsfluids kein Druck entsteht, der zum frühzeitigen Schließen des Auslassventils 4 führt.
-
7 zeigt eine Expansionsmaschine 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Auslassventil 4 in den Kolben 14 integriert. Ein Dichtkörper 40 wird hierbei von dem Federelement 39 entgegen dem Druck des Fluids im Arbeitsraum 16 beaufschlagt. Wenn der Druck im Arbeitsraum 16 unter den Öffnungsdruck sinkt, dann öffnet sich das Auslassventil 4. Die Abführung des Arbeitsfluids erfolgt durch den Kolben 14 in einen Niederdruckbereich 51 innerhalb des Gehäuses 12, der mit der Niederdruckseite beziehungsweise dem Rekuperator 9 verbunden ist. Eine Zwangsschließung des Auslassventils 4 am oberen Totpunkt ist hierbei ebenfalls realisierbar.
-
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
