DE102014019502A1

DE102014019502A1 - Expansionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102014019502A1
Application number: DE102014019502.3A
Authority: DE
Inventors: Helmut Scheffel; Martin Schulz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Expansionsvorrichtung mit einem Kolben (11) zur Umwandlung von thermischer in kinetische Energie, mit zwei gegenläufigen Kurbelwellen (15, 16), mit zwei Pleuelstangen (17, 18), die den Kolben (11) jeweils mit einer der Kurbelwellen (15, 16) zu einer Kraftübertragung verbinden, und mit einem Gehäuse (19), das ein oberes Gehäuseteil (20) umfasst zu einer Aufnahme des Kolbens (11), das einen Medienraum für ein Arbeitsmedium ausbildet, sowie ein unteres Gehäuseteil (22) zur Aufnahme der Kurbelwellen (15, 16), das einen Medienraum für ein Schmier- und/oder Kühlmedium ausbildet, und ferner ein mittleres Gehäuseteil (21), das den Medienraum für das Arbeitsmedium und den Medienraum für das Schmier- und/oder Kühlmedium mediendicht voneinander trennt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug.
Es ist bereits eine Expansionsvorrichtung, mit einem Kolben, mit zwei gegenläufigen Kurbelwellen und mit zwei Pleuelstangen, die den Kolben jeweils mit einer der Kurbelwellen zu einer Kraftübertragung verbinden, bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine besonders wartungsarme Expansionsvorrichtung bereitzustellen. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es wird eine Expansionsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit einem Kolben zur Umwandlung von thermischer in kinetische Energie, mit zwei gegenläufigen Kurbelwellen, mit zwei Pleuelstangen, die den Kolben jeweils mit einer der Kurbelwellen zu einer Kraftübertragung verbinden, und mit einem Gehäuse, das ein oberes Gehäuseteil umfasst zu einer Aufnahme des Kolbens, das einen Medienraum für ein Arbeitsmedium ausbildet, sowie ein unteres Gehäuseteil zur Aufnahme der Kurbelwellen, das einen Medienraum für ein Schmier- und/oder Kühlmedium ausbildet, und ferner ein mittleres Gehäuseteil, das den Medienraum für das Arbeitsmedium und den Medienraum für das Schmier- und/oder Kühlmedium mediendicht voneinander trennt.
Dabei soll in dieser Druckschrift unter kinetischer Energie die Bewegungsenergie mechanischer Bauteile, also des Kolbens, der Kurbelwelle und dergleichen verstanden werden. Wenn im Folgenden von kinetischer Energie oder mechanischer Energie die Rede ist, so ist dies in diesem Sinne zu verstehen.
Dadurch kann eine besonders wirkungsvolle Trennung des Medienraums für das Arbeitsmedium von dem Medienraum für das Schmier- und/oder Kühlmedium erreicht werden. Es kann eine wirkungsvolle thermische Isolation der Medienräume erreicht und eine wechselseitige Verunreinigung vermieden werden. Aufgrund von Leckage austretendes Arbeitsmedium und/oder Schmier- und/oder Kühlmedium kann in vorteilhafter Weise gesammelt und/oder zurückgeführt werden. Es kann eine besonders wartungsarme Expansionsvorrichtung bereitgestellt werden. Unter einer „Expansionsvorrichtung” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Maschine zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie in einem Abwärmenutzungskreis verstanden werden, der als ein Clausius-Rankine-Prozess ausgebildet ist. Unter einem „Arbeitsmedium” soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein expandierbares Fluid verstanden werden, beispielsweise ein Gasgemisch oder ein Gas, insbesondere Luft oder Wasserdampf. Das Arbeitsmedium ist dazu vorgesehen, einen Druck auf den Kolben auszuüben und den Kolben zu einer Umwandlung von thermischer in kinetische Energie zu bewegen. Unter einem „Medienraum” für das Arbeitsmedium soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Raum verstanden werden, der für die Expansion des Arbeitsmediums zu einer Umwandlung von thermischer in kinetische Energie vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Medienraum für das Arbeitsmedium für eine Betriebstemperatur von mindestens 200 Grad Celsius, bevorzugt von mindestens 300 Grad Celsius und besonders bevorzugt von mindestens 400 Grad Celsius vorgesehen. Unter einem „Medienraum” für ein Schmier- und/oder Kühlmedium soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Raum zur Aufnahme von Triebwerkselementen verstanden werden. Vorzugsweise weist der Medienraum für das Schmier- und/oder Kühlmedium in einem Betriebszustand eine Betriebstemperatur von höchstens 200 Grad auf. Unter „mediendicht” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das mittlere Gehäuseteil dazu vorgesehen ist, eine Verschleppung des Arbeitsmediums und/oder des Schmier- und/oder Kühlmediums zu unterbinden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Expansionsvorrichtung ein Kraftübertragungselement auf, das dazu vorgesehen ist, eine Antriebskraft aus dem Medienraum für das Arbeitsmedium in den Medienraum für das Schmiermedium zu übertragen. Dadurch kann eine Antriebsbewegung translatorisch von dem Medienraum für das Schmier- und/oder Kühlmedium in den Medienraum für das Arbeitsmedium übertragen werden. Es kann eine besonders hohe Dichtwirkung erreicht werden. Unter einem „Kraftübertragungselement” soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zwischen dem Kolben und den Pleuelstangen angeordnetes Element verstanden werden, das in einem Betriebszustand eine Bewegung des Kolbens auf die Pleuelstangen überträgt. Bevorzugt sind das Kraftübertragungselement und der Kolben starr miteinander verbunden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das mittlere Gehäuseteil zumindest eine Dichteinheit auf, welche von dem Kraftübertragungselement durchsetzt wird. Dadurch kann eine Verschleppung des Arbeitsmediums und/oder des Schmier- und/oder Kühlmediums besonders wirkungsvoll unterbunden werden. Bevorzugt weist die Dichteinheit eine Mehrzahl von Dichtpaketen auf, die ihrerseits eine Mehrzahl von Dichtringen umfassen und dazu vorgesehen sind, eine Durchführung für das Kraftübertragungselement durch das mittlere Gehäuseteil abzudichten. Bevorzugt weist das Gehäuse zwischen dem mittleren Gehäuseteil und dem unteren Gehäuseteil einen Luftspalt auf, in dessen Bereich das Kraftübertragungselement aus dem mittleren Gehäuseteil austritt und in das untere Gehäuseteil eintritt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Dichteinheit eine Mehrzahl von Dichtungspaketen aufweist, die schwimmend, d. h. mit radialem Spielraum, gelagert sind. Insbesondere sind dabei mehrere, beispielsweise zwei bis sieben Dichtungen als Paket ausgebildet, wobei mehrfache Dichtungen vorgesehen sind, die als Dampfdichtungen ausgebildet sind. Dadurch kann eine besonders wirkungsvolle Ausgestaltung der Dichteinheit erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Expansionsvorrichtung zumindest ein Steuerelement zur Steuerung eines Arbeitsmediums auf, welches das mittlere Gehäuseteil durchsetzt. Dadurch kann eine Steuerbewegung translatorisch von einem Medienraum für das Schmier- und/oder Kühlmedium in einen Medienraum für das Arbeitsmedium übertragen werden. Es kann eine besonders hohe Dichtwirkung erreicht werden. Eine Verschleppung des Arbeitsmediums und/oder des Schmier- und/oder Kühlmediums kann besonders wirkungsvoll unterbunden werden. Bevorzugt weist die Dichteinheit eine Mehrzahl von Dichtpaketen auf, die ihrerseits eine Mehrzahl von Dichtringen umfassen und dazu vorgesehen sind, eine Durchführung für die Steuerelemente durch das mittlere Gehäuseteil abzudichten. Bevorzugt weist das Gehäuse zwischen dem mittleren Gehäuseteil und dem unteren Gehäuseteil einen Luftspalt auf, in dessen Bereich die Steuerelemente aus dem mittleren Gehäuseteil austreten und in das untere Gehäuseteil eintreten.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Expansionsvorrichtung entlang einer Achse eines Kolbens der Expansionsvorrichtung,
2 einen Schnitt durch die Expansionsvorrichtung entlang einer Achse eines Steuerelements der Expansionsvorrichtung,
3 eine Ansicht eines Zahnradgetriebes der Expansionsvorrichtung und
4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht bezogen auf die Kurbelwelle der Expansionsvorrichtung.
1 bis 4 zeigen eine Expansionsvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kolben 11 zur Umwandlung von thermischer in kinetische Energie. Die Expansionsvorrichtung 10 weist einen Arbeitszylinder 69 mit einer Laufbuchse 12 auf, in welcher der Kolben 11 axial beweglich gelagert ist. Der Arbeitszylinder 69 weist eine vertikal angeordnete Achse 70 auf. Die Laufbuchse 12 umgibt in einem montierten Zustand den Kolben 11 in axialer Richtung und ist in axialer Richtung zwischen einem Außenumfang des Kolbens 11 und einem Innenumfang des Arbeitszylinders 69 angeordnet. Der Kolben 11 ist in Form einer Kreisscheibe ausgebildet und weist eine obere Kolbenfläche 71 und eine untere Kolbenfläche 72 auf. Der Kolben 11 und die Laufbuchse 12 sind aus einem chemisch inerten Werkstoff ausgebildet und zu einem schmierstofffreien Betrieb vorgesehen. Der Kolben ist beispielsweise als ein Kohlenstoffkolben ausgebildet und/oder weist ebenso wie die Laufbuchse 12 eine Beschichtung, beispielsweise aus Chrom oder Edelstahl, auf. Der Kolben 11 teilt den Arbeitszylinder 69 in ein oberes Kompartiment 13 und in ein unteres Kompartiment 14. Die Kompartimente 13, 14 sind jeweils zur Expansion eines Arbeitsmediums vorgesehen. Das Arbeitsmedium ist als ein Fluid ausgebildet und dazu vorgesehen, eine Kraft auf die Kolbenflächen 71, 72 auszuüben und den Kolben 11 anzutreiben. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium als ein Wasserdampf ausgebildet. Der Kolben 11 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Kolbenringe 73, 74 auf, die an einem Außenumfang der Kolbens 11 angeordnet sind. Die Kolbenringe 73, 74 sind dazu vorgesehen, die Kompartimente 13, 14 mediendicht gegeneinander zu verschließen.
Die Expansionsvorrichtung 10 weist zwei gegenläufige Kurbelwellen 15, 16 sowie zwei Pleuelstangen 17, 18 auf, die den Kolben 11 jeweils mit einer der Kurbelwellen 15, 16 zu einer Kraftübertragung verbinden. Die Pleuelstangen 17, 18 sind bevorzugt analog zueinander ausgebildet und weisen eine gleiche Länge auf. Eine erste der Kurbelwellen 15 ist einer ersten der Pleuelstangen 17 zugeordnet und eine weitere der Kurbelwellen 16 ist einer weiteren der Pleuelstangen 18 zugeordnet. Die Kurbelwellen 15, 16 weisen je eine Kurbelwange 75, 76 mit je einem Hubzapfen auf, der in einem montierten Zustand die jeweils zugeordnete Pleuelstange 17, 18 an einem unteren Ende der Pleuelstange 17, 18 mit der Kurbelwange 75, 76 verbindet und eine Bewegung der Pleuelstange 17, 18 auf die Kurbelwelle 15, 16 überträgt. Die Kurbelwellen 15, 16 weisen jeweils eine Achse auf. Die Achsen der Kurbelwellen 15, 16 sind nebeneinander und parallel zueinander angeordnet. Die Kurbelwellen 15, 16 weisen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils ein Synchronisierungszahnrad 77, 78 auf. Die Synchronisierungszahnräder 77, 78 greifen in einem montierten Zustand ineinander ein und sind dazu vorgesehen, eine Drehbewegung der Kurbelwellen 15, 16 zu synchronisieren. Die Pleuelstangen 17, 18 sind in einer axialen Richtung jeweils zwischen der Kurbelwange 75, 76 und dem Synchronisierungszahnrad 77, 78 der zugeordneten Kurbelwelle 15, 16 angeordnet. In einem Betriebszustand der Expansionsvorrichtung 10 weisen die Kurbelwellen 15, 16 einander entgegengesetzte Drehrichtungen auf.
Die Expansionsvorrichtung 10 weist ein zu einer Kraftübertragung zwischen dem Kolben 11 und den beiden Pleuelstangen 17, 18 angeordnetes Kraftübertragungselement 26 auf, das zu einer axialen Führung des Kolbens 11 vorgesehen ist. Das Kraftübertragungselement 26 weist an einem oberen Ende ein Kolbenverbindungsstück 79 sowie einen zylindrischen Schaft 27 und an einem unteren Ende eine Aufnahme 80 zu einer Verbindung mit den Pleuelstangen 17, 18 auf. Das Kraftübertragungselement 26 ist einstückig ausgebildet. Die Aufnahme 80 weist zwei nebeneinander angeordnete Ringpaare auf. Die Aufnahme 80 ist gabelförmig ausgebildet, d. h. Ringe eines Ringpaares sind jeweils koaxial und beabstandet zueinander angeordnet. Der Schaft 27 des Kraftübertragungselements 26 ist in Form eines Rohrs ausgebildet und weist einen Hohlraum 81 auf. Eine Achse 70 des Schafts 27 ist fluchtend mit der Achse 70 des Arbeitszylinders 69 und einer Achse 70 des Kolbens 11 angeordnet. Die Pleuelstangen 17, 18 weisen an einem oberen Ende jeweils ein Pleuelauge 82, 83 auf. Die Expansionsvorrichtung 10 weist zwei Kolbenbolzen auf, die dazu vorgesehen sind, die Aufnahme 80 des Kraftübertragungselements 26 mit jeweils einem Pleuelauge 82, 83 zu verbinden und eine Bewegung des Kraftübertragungselements 26 auf die Pleuelstangen 17, 18 zu übertragen. In einem montierten Zustand ist jeweils ein Pleuelauge 82, 83 zwischen den Ringen jeweils eines Ringpaares angeordnet und je ein Kolbenbolzen durchsetzt einen vorderen Ring des Ringpaares, das Pleuelauge 82, 83 und einen hinteren Ring des Ringpaares. Das Kraftübertragungselement 26 ist dazu vorgesehen, eine Kraft und eine Bewegung des Kolbens 11 auf die Pleuelstangen 17, 18 zu übertragen. Das Kraftübertragungselement 26 ist starr mit dem Kolben 11 verbunden. Das Kraftübertragungselement 26 ist gelenkfrei mit dem Kolben 11 verbunden. In einem montierten Zustand durchsetzt das Kolbenverbindungsstück 79 des Kraftübertragungselements 26 den Kolben 11. Das Kraftübertragungselement 26 durchsetzt die untere Kolbenfläche 72 und die obere Kolbenfläche 71. Die Expansionsvorrichtung 10 weist ein oberes Verbindungselement 84 und ein unteres Verbindungselement 85 zur Verbindung des Kraftübertragungselements 26 mit dem Kolben 11 auf. Das Kraftübertragungselement 26 weist eine Länge auf, die größer ist als die Länge der Pleuelstangen 17, 18. Die Länge des Kraftübertragungselements 26 beträgt etwa das 2,5-fache der Länge der Pleuelstangen 17, 18.
Die Expansionsvorrichtung 10 weist als Hilfsvorrichtung eine Fluidsteuereinheit auf, die zu einer Steuerung des Arbeitsmediums vorgesehen ist. In einem Betriebszustand der Expansionsvorrichtung 10 steuert die Fluidsteuereinheit einen Strom des Arbeitsmediums durch den Arbeitszylinder 69. Der Kolben 11 in der beschriebenen Ausführung ist als ein doppelt wirkender Kolben 11 ausgebildet. Die Fluidsteuereinheit ist dazu vorgesehen, das Arbeitsmedium sowohl in das obere Kompartiment 13 des Arbeitszylinders 69 als auch in das untere Kompartiment 13 des Arbeitszylinders 69 zu leiten und aus jedem der Kompartimente 13, 14 abzuleiten. Der Kolben 11 ist dazu vorgesehen, in jeweils zwei direkt aufeinanderfolgenden Arbeitstakten eine Kraft auf das Kraftübertragungselement 26 auszuüben. Die Fluidsteuereinheit weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Steuerelemente 41, 42 auf, von denen zwei in 2 dargestellt sind. Zwei weitere Steuerelemente, die nicht dargestellt sind, sind, bezogen auf eine Richtung parallel zu den Achsen der Kurbelwellen 15, 16, versetzt zu den dargestellten Steuerelementen 41, 42 angeordnet. Die Steuerelemente 41, 42 sind jeweils als ein Steuerschieber ausgebildet. Die Steuerelemente 41, 42 sind aus einem gegenüber dem Arbeitsmedium chemisch inerten Werkstoff ausgebildet und zu einem schmierstofffreien Betrieb vorgesehen. Die Steuerelemente 41, 42 weisen jeweils einen Rollenstößel 49, 50, je einen Schaft 43, 44 und je einen Schieberkolben 51, 52 auf. Die Schieberkolben 51, 52 sind jeweils zu einer Einstellung von Steuerzeiten justierbar mit dem jeweiligen Schaft 43, 44 des Steuerelements 41, 42 verbunden. Zu einer Einstellung von Steuerzeiten wird eine Position der Schieberkolben 51, 52 relativ zu dem jeweils zugeordneten Schaft 43, 44 justiert. Die Expansionsvorrichtung 10 weist Gasaustauschöffnungen 88, 89 auf, die als Einlassöffnungen und/oder als Auslassöffnungen ausgebildet sind. Bevorzugt weist jedes Kompartiment 13, 14 zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung als Gasaustauschöffnungen 88, 89 auf. Die Steuerelemente 41, 42 sind dazu vorgesehen, die Gasaustauschöffnungen 88, 89 des Arbeitszylinders 69 zu öffnen bzw. freizugeben und zu schließen bzw. zu verschließen.
Die Fluidsteuereinheit weist ferner einen Steuerantrieb auf, der dazu vorgesehen ist, die Steuerelemente 41, 42 zu betätigen. Der Steuerantrieb ist dazu vorgesehen, die Steuerelemente 41, 42 für eine Steuerbewegung vorzubeschleunigen. Der Steuerantrieb weist eine erste Nockenwelle 53 und eine weitere Nockenwelle 54 auf. Die Nockenwellen 53, 54 sind unterhalb des Arbeitszylinders 69 angeordnet. Die Nockenwellen 53, 54 weisen jeweils eine Achse auf. Die Achsen der Nockenwellen 53, 54 sind nebeneinander, parallel zueinander und parallel zu den Achsen der Kurbelwellen 15, 16 angeordnet. Der Steuerantrieb weist eine direkte Zahnradverbindung 59 zwischen jeweils einer der Kurbelwellen 15, 16 und jeweils einer der Nockenwellen 53, 54 auf. Die Zahnradverbindung 59 weist vier Zahnräder 60, 61, 62, 63 (vgl. 3) auf. Die Zahnräder 60, 61, 62, 63 sind analog zueinander ausgebildet und weisen insbesondere eine gleiche Zähnezahl auf. Ein erstes der Zahnräder 60 ist drehfest mit der ersten Kurbelwelle 15 verbunden, ein zweites der Zahnräder 61 ist drehfest mit der ersten Nockenwelle 53 verbunden. In einem montierten Zustand ist das Zahnrad 60 der ersten Kurbelwelle 15 zu einem Antrieb der ersten Nockenwelle 53 in Eingriff mit dem Zahnrad 61 der ersten Nockenwelle 53. Ein drittes der Zahnräder 62 ist drehfest mit der weiteren Kurbelwelle 16 verbunden. Ein viertes der Zahnräder 63 ist drehfest mit der weiteren Nockenwelle 54 verbunden. In einem montierten Zustand ist das Zahnrad 62 der weiteren Kurbelwelle 16 zu einem Antrieb der weiteren Nockenwelle 54 in Eingriff mit dem Zahnrad 63 der weiteren Nockenwelle 54. In einem Betriebszustand der Expansionsvorrichtung 10 weisen die Kurbelwellen 15, 16 und die Nockenwellen 53, 54 eine gleiche Drehzahl auf.
Der Steuerantrieb weist vier Nockenelemente 55, 56 auf, die jeweils zu einem Antrieb eines der Steuerelemente 41, 42 vorgesehen sind. Zwei der Nockenelemente 55, 56 sind in 2 dargestellt. Zwei weitere Nockenelemente, die nicht dargestellt sind, sind, bezogen auf eine Richtung parallel zu den Achsen der Nockenwellen 53, 54, versetzt zu den dargestellten Nockenelementen 55, 56 angeordnet. Die Nockenelemente 55, 56 sind analog zueinander ausgebildet, weshalb im Folgenden nur ein erstes der Nockenelemente 55 näher beschrieben wird. Das Nockenelement 55 ist scheibenförmig ausgebildet und weist einen Grundkreis sowie eine Nockenvertiefung 57 auf, die an einem Außenumfang des Nockenelements 55 angeordnet ist. Das Nockenelement 55 ist dazu vorgesehen, mit dem Rollenstößel 49 des zugeordneten Steuerelements 41 zur Betätigung des Steuerelements 41 zusammenzuwirken. Der Rollenstößel 49 ist in einem Betriebszustand der Expansionsvorrichtung 10 entlang einer Nockenbahn in Kontakt mit dem Nockenelement 55. Die Nockenbahn nähert sich im Bereich der Nockenvertiefung 57 einer Achse des Nockenelements 55 an. Ein weiteres der Nockenelemente 56 weist analog zu dem ersten Nockenelement 55 eine Nockenvertiefung 58 auf. Der Steuerantrieb weist vier Steuerfederelemente 86, 87 auf, die jeweils einem der Steuerelemente 41, 42 zugeordnet sind. Zwei der Steuerfederelemente 86, 87 sind in 2 dargestellt. Zwei weitere Steuerfederelemente, die nicht dargestellt sind, sind, bezogen auf eine Richtung parallel zu den Achsen der Nockenwellen 53, 54, versetzt zu den dargestellten Steuerfederelementen 86, 87 angeordnet. Die Steuerfederelemente 86, 87 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils als eine Schraubendruckfeder ausgebildet. Die Nockenelemente 55, 56 sind jeweils dazu vorgesehen, mit jeweils einem Rollenstößel 49, 50 zu einer Betätigung jeweils eines Steuerelements 41, 42 zusammenzuwirken. Die Steuerfederelemente 86, 87 sind dazu vorgesehen, eine Spannkraft bereitzustellen, welche jeweils einen zugeordneten Rollenstößel 49, 50 auf das zugeordnete Nockenelement 55, 56 drückt und den Rollenstößel 49, 50 in Kontakt mit dem Nockenelement 55, 56 hält. Jeweils ein Schaft 43, 44 eines Steuerelements 41, 42 ist zentral über dem zugeordneten Nockenelement 55, 56 angeordnet.
In einem Betriebszustand der Expansionsvorrichtung 10 dreht sich das erste Nockenelement 55, 56. Der Rollenstößel 49, 50 des zugeordneten Steuerelements 41, 42 ist in einem Betriebszustand der Expansionsvorrichtung 10 entlang einer Nockenbahn in Kontakt mit dem Nockenelement 55, 56. In einer eingestellten Winkellage der Nockenwelle 54, auf der das Nockenelement 55, 56 drehfest angeordnet ist, erreicht die Nockenvertiefung 57, 58 des Nockenelements 55, 56 den Rollenstößel 49, 50 und das Steuerfederelement 86, 87 drückt den Rollenstößel 49, 50 und das fest mit dem Rollenstößel 49, 50 verbundene Steuerelement 41, 42 nach unten in Richtung der Achse des Nockenelements 55, 56. Der Rollenstößel 49, 50 bewegt sich entlang einer fallenden Flanke der Nockenvertiefung 57, 58 in Richtung der Achse des Nockenelements 55, 56. Das Steuerfederelement 86, 87 beschleunigt das Steuerelement 41, 42 und das Steuerelement 41, 42 öffnet eine Gasaustauschöffnung 88, 89 des Arbeitszylinders 69. Im weiteren Verlauf kommt der Rollenstößel 49, 50 in Kontakt mit einer steigenden Flanke der Nockenvertiefung 57, 58 und das Nockenelement 55, 56 drückt aufgrund der Drehbewegung den Rollenstößel 49, 50 aus der Nockenvertiefung 57, 58 entgegen der Spannkraft des Steuerfederelements 86, 87. Das Steuerelement 41, 42 schließt die Gasaustauschöffnung 88, 89 des Arbeitszylinders 69.
Die Expansionsvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 19 auf, mit drei lösbar miteinander verbundenen Gehäuseteilen 20, 21, 22. Das Gehäuse 19 ist modular aufgebaut. Durch einen modularen Aufbau der Expansionsvorrichtung 10 kann eine leicht montierbare, reparierbare, wartungsfreundliche und leicht umrüstbare Expansionsvorrichtung bereitgestellt werden. Der modulare Aufbau ermöglicht die Anpassung der Expansionsvorrichtung 10 an unterschiedliche Betriebsbedingungen und erleichtert die Medientrennung in der Expansionsvorrichtung 10. Die Gehäuseteile können unabhängig voneinander gewechselt werden, beispielsweise für einen Betrieb der Expansionsvorrichtung mit jeweils unterschiedlichen Arbeitsmedien oder eine Auslegung für verschiedene Kolbenhublängen, Kompartimentgrößen, Zylinderdurchmesser oder dergleichen.
Ein oberes der Gehäuseteile 20 ist als ein Zylindergehäuse ausgebildet. Das obere Gehäuseteil 20 bildet den Arbeitszylinder 69 aus und ist zu einer Aufnahme des Kolbens 11 vorgesehen. Die Laufbuchse 12 für den Kolben 11 ist in dem oberen Gehäuseteil 20 angeordnet und lösbar mit dem oberen Gehäuseteil 20 verbunden. Das obere Gehäuseteil 20 bildet in einem Betriebszustand der Expansionsvorrichtung 10 einen Medienraum für das Arbeitsmedium aus und weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Betriebszustand eine Betriebstemperatur von etwa 200 Grad Celsius auf.
Das obere Gehäuseteil 20 weist eine Führung 28 für das Kraftübertragungselement 26 auf, die dazu vorgesehen ist, das Kraftübertragungselement 26 axial beweglich zu lagern. Die Führung 28 ist als ein zylindrischer Durchtritt in einem Boden des oberen Gehäuseteils 20 ausgebildet. Das obere Gehäuseteil 20 weist ferner jeweils eine Führung 45, 46 für jeweils eines der Steuerelemente 41, 42 auf. Die Führungen 45, 46 für die Steuerelemente 41, 42 sind dazu vorgesehen, die Steuerelemente 41, 42 axial beweglich zu lagern. Die Führungen 45, 46 sind jeweils als ein zylindrischer Durchtritt in dem oberen Gehäuseteil 20 ausgebildet.
Ein unteres der Gehäuseteile 20 ist zu einer Aufnahme der Kurbelwellen 15, 16 vorgesehen und bildet einen Medienraum für ein Schmier- und Kühlmedium aus. Das untere Gehäuseteil 22 ist als ein Kurbelgehäuse ausgebildet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Schmier- und Kühlmedium als ein Schmieröl ausgebildet. In einem Betriebszustand weist das untere Gehäuseteil 22 eine Betriebstemperatur von etwa 120 Grad Celsius auf. Das untere Gehäuseteil 22 weist eine Führung 30 für das Kraftübertragungselement 26 auf, die dazu vorgesehen ist, das Kraftübertragungselement 26 axial beweglich zu lagern. Das untere Gehäuseteil 20 weist eine Dichteinheit 40 auf, welches in einem montierten Zustand mit dem Schaft 27 des Kraftübertragungselements 26 in Kontakt ist. Die Dichteinheit 40 ist dazu vorgesehen, einen Transport des Schmier- und Kühlmediums entlang des Schafts 27 des Kraftübertragungselements 26 zu begrenzen. Das untere Gehäuseteil 22 nimmt in einem montierten Zustand den Steuerantrieb der Fluidsteuereinheit mit den Nockenwellen 53, 54 auf. Die Nockenelemente 55, 56 weisen Nockenvertiefungen 57, 58 auf, die jeweils als eine negative Nocke ausgebildet sind. Diese Ausführungsform der Nocken hat im Vergleich zu einer Ausführung mit positiven Nocken den Vorteil einer erhöhten Medienabdichtung. Diese Lösung dichtet den Medienraum für das Schmier- und Kühlmittel in dem unteren Gehäuseteil 22 ab.
Die Expansionsvorrichtung 10 weist als eine Hilfsvorrichtung eine Ölpumpenvorrichtung 66 auf, die in dem unteren Gehäuseteil 22 angeordnet ist (vgl. 4). Die Ölpumpenvorrichtung 66 umfasst eine Ölpumpe 67 und einen Antrieb 65, der dazu vorgesehen ist, die Ölpumpe 67 an die erste Kurbelwelle 15 anzubinden. Die Ölpumpenvorrichtung 66 weist eine Antriebshülse 68 auf, die auf die erste Kurbelwelle 15 aufgesteckt und koaxial zu der Kurbelwelle 15 angeordnet ist. Die Antriebshülse 68 ist drehfest mit der Kurbelwelle 15 verbunden und dazu vorgesehen, eine Drehbewegung der Kurbelwelle 15 auf die Ölpumpe 67 zu übertragen. Die Ölpumpe 67 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Zahnradpumpe ausgebildet.
Der Antrieb überträgt in einem Betriebszustand eine Drehbewegung einer Kurbelwelle 15, 16 auf ein oder mehrere Vorrichtungen und/oder Hilfsvorrichtungen. Somit ist zumindest eine, bevorzugt beide, der Kurbelwellen 15, 16 zur Weitergabe der erzeugten mechanischen Energie zumindest mit einer Brennkraftmaschine, mit einem Nebenaggregat des Kraftfahrzeugs, der Brennkraftmaschine oder der Expansionsvorrichtung 10 oder mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbindbar. Weiter kann eine Kurbelwelle 15, 16 mehrere Aggregate antreiben. Insbesondere kann jede der Kurbelwellen 15, 16 andere Aggregate antreiben. In diesem Fall ist zumindest eine der Kurbelwellen 15, 16 mit mindestens einer weiteren Vorrichtung zu deren Antrieb verbindbar. Beispielsweise ist zumindest eine Kurbelwelle 15, 16, die bereits zum Antrieb der (Ölpumpe 67 der Expansionsvorrichtung 10 dient, darüber hinaus noch mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden oder verbindbar oder stellt mechanische Energie für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung.
Das untere Gehäuseteil 22 weist eine Axialsicherung 64 für die Nockenwellen 53, 54 auf. Die Axialsicherung 64 ist an einem Ende des unteren Gehäuseteils 22 angeordnet. Die Axialsicherung 64 begrenzt das untere Gehäuseteil 22 in einer axialen Richtung. Die Axialsicherung 64 weist eine Mehrzahl von Deckeln und Schraubverbindungen auf und ist lösbar mit einem Grundkörper des unteren Gehäuseteils 22 verbunden. Bei einem Wechsel der Nockenwellen 53, 54 wird die Axialsicherung 64 abgeschraubt und die Nockenwellen 53, 54 werden in axialer Richtung aus dem unteren Gehäuseteil 22 entnommen.
Ein mittleres der Gehäuseteile 21 trennt in einem Betriebszustand der Expansionsvorrichtung 10 den Medienraum für das Arbeitsmedium und den Medienraum für das Schmier- und Kühlmedium mediendicht voneinander. Das Gehäuse 19 weist einen Luftspalt 25 zwischen dem mittleren Gehäuseteil 21 und dem unteren Gehäuseteil 22 auf. In einem montierten Zustand tritt der Schaft 27 des Kraftübertragungselements 26 in einem Bereich des Luftspalts 25 aus dem mittleren Gehäuseteil 21 aus und in das unteren Gehäuseteil 22 ein. Ebenso treten die Schäfte 43, 44 der Steuerelemente 41, 42 im Bereich des Luftspalts 25 aus dem mittleren Gehäuseteil 21 aus und in das untere Gehäuseteil 22 ein. Der Luftspalt 25 ist dazu vorgesehen, das obere Gehäuseteil 20 und das mittlere Gehäuseteil 21 einerseits, und das untere Gehäuseteil 22 andererseits, thermisch voneinander zu isolieren. Die Gehäuseteile 20, 21, 22 sind, bezogen auf die Achse 70 des Arbeitszylinders 69, übereinander angeordnet. Das Gehäuse 19 weist einen Schichtaufbau auf. Das mittlere Gehäuseteil 22 weist eine zylindrische Führung 29 für das Kraftübertragungselement 26 auf, die das Kraftübertragungselement 26 axial beweglich lagert. In einem montierten Zustand durchsetzt das Kraftübertragungselement 26 das mittlere Gehäuseteil 21. Das mittlere Gehäuseteil 21 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Dichteinheit 31 auf, welche von dem Kraftübertragungselement 26 durchsetzt wird. Die Dichteinheit 31 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Dichtungspaketen 32 auf, die schwimmend gelagert sind. Die Dichtungspakete 32 weisen eine Mehrzahl von Dichtringen 33 auf, die in Richtung der Achse 70 des Schafts 27 unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind und den Schaft 27 umschließen. Die Dichtringe 33 sind in einem montierten Zustand mit dem Schaft 27 des Kraftübertragungselements 26 in Kontakt. Die Dichtringe 33 sind aus einem an das Arbeitsmedium angepassten Werkstoff ausgebildet, und sind beispielsweise als Kohledichtringe, Labyrinth-Axialkolbendichtringe oder als Flachdichtungen ausgebildet. Die Dichteinheit 31 ist dazu vorgesehen, die Führung 29 des mittleren Gehäuseteils 21 für das Kraftübertragungselement 26 gegen das Kraftübertragungselement 26 mediendicht zu verschließen. Die Dichteinheit 31 ist dazu vorgesehen, einen Transport des Arbeitsmediums entlang des Schafts 27 des Kraftübertragungselements 26 zu begrenzen und ist insbesondere für einen trockenen Betrieb vorgesehen.
Das mittlere Gehäuseteil 21 weist jeweils eine Führung 47, 48 für jeweils eines der Steuerelemente 41, 42 auf. Die Führungen 47, 48 für die Steuerelemente 41, 42 sind dazu vorgesehen, die Steuerelemente 41, 42 axial beweglich zu lagern. Das mittlere Gehäuseteil 21 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ferner jeweils eine Dichteinheit 34, 37 für die Steuerelemente 41, 42 auf. Die Dichteinheiten 34, 37 weisen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils eine Mehrzahl von Dichtungspaketen 35, 38 auf, die ihrerseits eine Mehrzahl von Dichtringen 36, 39 aufweisen und von den Steuerelementen 41, 42 durchsetzt werden. Die Dichtungspakete 35, 38 sind schwimmend gelagert in dem mittleren Gehäuseteil 21 angeordnet. Die Dichtringe 36, 39 sind aus einem an das Arbeitsmedium angepassten Werkstoff ausgebildet. Die Dichteinheiten 34, 37 sind dazu vorgesehen, die Führungen 47, 48 des mittleren Gehäuseteils 21 für die Steuerelemente 41, 42 gegen die Steuerelemente 41, 42 mediendicht zu verschließen. Die Dichteinheiten 34, 37 sind dazu vorgesehen, einen Transport des Arbeitsmediums entlang der Schäfte 43, 44 der Steuerelemente 41, 42 zu begrenzen.
Das Gehäuse 19 weist eine erste Schraubverbindung 23 auf, die in einem montierten Zustand das obere Gehäuseteil 20 und das mittlere Gehäuseteil 21 lösbar miteinander verbindet. Die Schraubverbindung 23 weist eine Mehrzahl von lösbar angeordneten Schrauben auf. Die Schrauben sind parallel zu der Achse 70 des Arbeitszylinders 69 angeordnet. Das Gehäuse 19 weist eine weitere Schraubverbindung 24 auf, die in einem montierten Zustand das mittlere Gehäuseteil 21 mit dem unteren Gehäuseteil 22 verbindet. Die weitere Schraubverbindung 24 weist eine Mehrzahl von lösbar angeordneten Schrauben auf. Die Schrauben sind parallel zu der Achse 70 des Arbeitszylinders 69 angeordnet.
Bezugszeichenliste

10: Expansionsvorrichtung
11: Kolben
12: Laufbuchse
13: Kompartiment
14: Kompartiment
15: Kurbelwelle
16: Kurbelwelle
17: Pleuelstange
18: Pleuelstange
19: Gehäuse
20: Gehäuseteil
21: Gehäuseteil
22: Gehäuseteil
23: Schraubverbindung
24: Schraubverbindung
25: Luftspalt
26: Kraftübertragungselement
27: Schaft
28: Führung
29: Führung
30: Führung
31: Dichteinheit
32: Dichtungspaket
33: Dichtringe
34: Dichteinheit
35: Dichtungspaket
36: Dichtring
37: Dichteinheit
38: Dichtungspaket
39: Dichtring
40: Dichteinheit
41: Steuerelement
42: Steuerelement
43: Schaft
44: Schaft
45: Führung
46: Führung
47: Führung
48: Führung
49: Rollenstößel
50: Rollenstößel
51: Schieberkolben
52: Schieberkolben
53: Nockenwelle
54: Nockenwelle
55: Nockenelement
56: Nockenelement
57: Nockenvertiefung
58: Nockenvertiefung
59: Zahnradverbindung
60: Zahnrad
61: Zahnrad
62: Zahnrad
63: Zahnrad
64: Axialsicherung
65: Antrieb
66: Ölpumpenvorrichtung
67: Ölpumpe
68: Antriebshülse
69: Arbeitszylinder
70: Achse
71: Kolbenfläche
72: Kolbenfläche
73: Kolbenring
74: Kolbenring
75: Kurbelwange
76: Kurbelwange
77: Synchronisierungszahnrad
78: Synchronisierungszahnrad
79: Kolbenverbindungsstück
80: Aufnahme
81: Hohlraum
82: Pleuelauge
83: Pleuelauge
84: Verbindungselement
85: Verbindungselement
86: Steuerfederelement
87: Steuerfederelement
88: Gasaustauschöffnung
89: Gasaustauschöffnung

Claims

Expansionsvorrichtung eines Abwärmenutzungskreises eines Kraftfahrzeugs, zur Umwandlung von thermischer Energie des Abwärmenutzungskreises in mechanische Energie, mit zumindest einem Kolben (11), mit zwei gegenläufigen Kurbelwellen (15, 16) und mit zwei Pleuelstangen (17, 18), die den Kolben (11) jeweils mit einer der Kurbelwellen (15, 16) zu einer Kraftübertragung verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass – zu einer axialen Führung des Kolbens (11) ein Kraftübertragungselement (26) vorgesehen ist, dass zu einer Kraftübertragung zwischen dem Kolben (11) und den beiden Pleuelstangen (17, 18) angeordnet ist, und dass – ein Gehäuse (19) vorgesehen ist, das ein oberes Gehäuseteil (20) umfasst zu einer Aufnahme des Kolbens (11), das einen Medienraum für ein Arbeitsmedium ausbildet, sowie ein unteres Gehäuseteil (22) zur Aufnahme der Kurbelwellen (15, 16), das einen Medienraum für ein Schmier- und/oder Kühlmedium ausbildet, und ferner ein mittleres Gehäuseteil (21), das den Medienraum für das Arbeitsmedium und den Medienraum für das Schmier- und/oder Kühlmedium mediendicht voneinander trennt.
Expansionsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Kraftübertragungselement (26), das dazu vorgesehen ist, eine Antriebskraft aus dem Medienraum für das Arbeitsmedium in den Medienraum für das Schmiermedium zu übertragen.
Expansionsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Gehäuseteil (21) zumindest eine Dichteinheit (31) aufweist, welche von dem Kraftübertragungselement (26) durchsetzt wird.
Expansionsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (31) eine Mehrzahl von Dichtungspaketen (32) aufweist, die schwimmend gelagert sind.
Expansionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Steuerelement (41, 42) zur Steuerung eines Arbeitsmediums, welches das mittlere Gehäuseteil (21) durchsetzt.