DE102017105611A1

DE102017105611A1 - Expansionsvorrichtung, Kreisprozessvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer solchen Kreisprozessvorrichtung

Info

Publication number: DE102017105611A1
Application number: DE102017105611.4A
Authority: DE
Inventors: Asmus CARSTENSEN; Artur Semke; Thomas Schulenburg; Andreas Herr; Marcus Dallmann; Bernd Hupfeld; Holger Lange; Andre Horn; Michael Kaack; Uwe Kammann; Thomas MAISCHIK
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Eine Expansionsvorrichtung für eine Kreisprozessvorrichtung umfasst zumindest einen Einlass 58, 110 für ein Fluid, einen Expansionsbereich mit Mitteln zur Erzeugung einer Antriebsleistung durch Expansion des Fluids und einen Auslass 64 zum Abführen des Fluids aus der Expansionsvorrichtung. Gekennzeichnet ist eine solche Expansionsvorrichtung durch eine in die Expansionsvorrichtung und insbesondere in ein Gehäuse der Expansionsvorrichtung integrierte Bypassleitung 34, die unter Umgehung des Expansionsbereichs zwischen dem Einlass 58, 110 und dem Auslass 64 verläuft. Mittels der Bypassleitung 34 kann das Fluid durch zumindest einen Abschnitt der Expansionsvorrichtung hindurch geführt werden, ohne dass dieses auch durch den Expansionsbereich strömt und/oder ohne dass eine Nutzleistung von der Expansionsvorrichtung erzeugt wird. Dies kann insbesondere dazu dienen, die Expansionsvorrichtung während eines Anfahrens der zuvor deaktivierten, die Expansionsvorrichtung integrierenden Kreisprozessvorrichtung vorzuwärmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsvorrichtung, insbesondere in Form eines Axialkolbenmotors. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kreisprozessvorrichtung mit einer solchen Expansionsvorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Kreisprozessvorrichtung. Die Kreisprozessvorrichtung kann insbesondere Teil einer Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug sein.
Kraftfahrzeuge werden derzeit zumeist mittels Brennkraftmaschinen angetrieben, in denen Kraftstoffe verbrannt und die dabei freigesetzte Wärmeenergie teilweise in mechanische Arbeit gewandelt wird. Der Wirkungsgrad von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, die für den Antrieb von Kraftfahrzeugen nahezu ausschließlich eingesetzt werden, liegt bei ca. einem Drittel der eingesetzten Primärenergie. Demnach stellen zwei Drittel der bei der Verbrennung freigesetzten Wärmeenergie Abwärme dar, die entweder über die Motorkühlung oder den Abgasstrang als Verlustwärme an die Umgebung abgegeben wird. Eine Nutzung dieser Abwärme stellt eine Möglichkeit dar, den Gesamtwirkungsgrad einer Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs zu steigern und damit den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Die DE 10 2009 028 467 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme einer Brennkraftmaschine. Dazu ist in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine ein erster Wärmetauscher, der Verdampfer, einer Dampfkreisprozessvorrichtung integriert. Die in dem Wärmetauscher von dem Abgas auf ein Arbeitsmedium der Dampfkreisprozessvorrichtung übertragene Wärmeenergie wird in einer Expansionsvorrichtung teilweise in mechanische Energie umgewandelt, die beispielsweise zur Unterstützung des Antriebs eines Kraftfahrzeugs oder zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Stromab der Expansionsvorrichtung wird das Arbeitsmedium in einem zweiten Wärmetauscher, dem Kondensator, abgekühlt, wobei es kondensiert. Über eine Pumpe erfolgt eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums und dessen Zufuhr zu dem Verdampfer.
Als Expansionsvorrichtung in einem solchen System zur Abwärmenutzung kann ein Axialkolbenmotor eingesetzt werden, wie dies aus der DE 10 2010 052 508 A1 bekannt ist.
Axialkolbenmotoren weisen ein Zylindergehäuse auf, in dem mehrere Zylinder in ringförmiger Anordnung ausgebildet sind. In jedem der Zylinder ist ein Kolben beweglich geführt, wobei ein Phasenversatz in den Kolbenpositionen vorgesehen ist, der, bezogen auf einen Bewegungszyklus der Kolben („Kolbenzyklus“: OT→UT→OT bzw. UT→OT→UT), der Teilung zwischen den Zylindern entspricht. Über Einlass- und Auslassventile wird zur Ausübung eines Arbeitshubs (OT→UT) jedes Kolbens ein unter Druck stehendes Fluid nacheinander in die Zylinder eingebracht. Das Fluid bewirkt eine Bewegung des jeweiligen Kolbens und expandiert dabei gegebenenfalls (bei einem pneumatischen Axialkolbenmotor). In einem sich an den Arbeitshub anschließenden Ausstoßhub (UT→OT) jedes Kolbens wird das Fluid wieder ausgestoßen. Die Bewegungen der Kolben werden über eine schräg zu den Längsachsen der Zylinder angeordnete Platte, an die die Kolben direkt oder über Pleuel angebunden sind, auf eine Abtriebswelle übertragen.
Axialkolbenmotoren werden regelmäßig in einer von drei Bauweisen ausgeführt. Bei der Schrägscheiben- sowie der Schrägachsenbauart rotiert das Zylindergehäuse mitsamt den Kolben. Bei der Schrägscheibenbauart ist die Welle dabei parallel zum Zylindergehäuse angeordnet und drehfest mit diesem verbunden. Die die Bewegung der Kolben steuernde, Schrägscheibe ist feststehend ausgebildet. Bei der Schrägachsenbauart verlaufen die Längsachsen der Welle, einschließlich des Flansches („schräge Platte“), an dem die Kolben angreifen, und der Zylinder schräg zueinander. Bei der Taumelscheibenbauart rotiert das Zylindergehäuse mit den darin geführten Kolben nicht. Gleiches gilt für eine Taumelscheibe, an der die Kolben über Pleuel angebunden sind. Die Taumelscheibe liegt drehbar auf einem Taumelscheibenfuß auf, wobei die Auflagefläche des Taumelscheibenfußes und damit die Ausrichtung der Taumelscheibe schräg bezüglich der Längsachsen der Zylinder ausgerichtet ist. Der Taumelscheibenfuß ist drehfest mit der Welle verbunden.
Die Einlass- und Auslassventile von Axialkolbenmotoren werden regelmäßig in Form eines oder mehrerer Drehschieberventile ausgebildet (vgl. DE 10 2011 118 622 A1 und DE 10 2015 204 367 A1 ), die jeweils einen drehfest mit der Antriebs- oder Abtriebswelle verbundenen Drehschieber umfassen, der in Abhängigkeit von den jeweiligen Kolbenpositionen Fluidwechselöffnungen der einzelnen Zylinder temporär mit einem Einlass oder Auslass des Axialkolbenmotors verbindet.
In der DE 10 2008 064 015 A1 ist ein System zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors beschrieben, wobei das System ein auch den Verbrennungsmotor integrierendes Kühlsystem umfasst, in das zudem ein Abgaswärmetauscher integriert ist. In dem Abgaswärmetauscher kann ein Übergang von Wärmeenergie auf das in dem Kühlmittelkreislauf geförderte Kühlmittel erreicht werden, wobei die Wärmeenergie von über eine Abgasrückführung in einen Frischgasstrang des Verbrennungsmotors rückzuführendem Abgas stammt. Weiterhin umfasst das Abwärmenutzungssystem einen zweiten Wärmetauscher, in dem Wärmeenergie von dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislauf auf ein Arbeitsmedium einer Kreisprozessvorrichtung übergehen kann. Die Kreisprozessvorrichtung umfasst eine Turbine zur Wandlung der in dem zweiten Wärmetauscher übergegangen Wärmeleistung in mechanische Leistung. In das Kühlsystem kann zusätzlich ein Bypass integriert sein, so dass das Kühlmittel in einem die beiden Wärmetauscher umgehenden Kreislauf des Kühlsystems gefördert werden kann.
Die EP 2 312 136 A1 offenbart ein System zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors mit einer Kreisprozessvorrichtung, die zwei Wärmetauscher umfasst, die für einen Übergang von Wärmeenergie von einerseits einem in einem Kühlsystem des Verbrennungsmotors strömendem Kühlmittel und andererseits von Abgas des Verbrennungsmotors auf ein Arbeitsmedium der Kreisprozessvorrichtung umfasst. In die Kreisprozessvorrichtung ist weiterhin eine Expansionsvorrichtung, ein Kondensator sowie eine Pumpe für das Arbeitsmedium integriert. Weiterhin ist ein mittels eines Ventils verschließbarer Bypass zur bedarfsweisen Umgehung des Kondensators vorgesehen. Beim Deaktivieren des Verbrennungsmotors soll das Arbeitsmedium über den Bypass geführt werden, um die über dem Kondensator herrschende Druckdifferenz zu verringern.
Ein zu dem System gemäß der EP 2 312 136 A1 vergleichbares System zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors ist aus der EP 2 503 134 A2 bekannt, wobei dort der Bypass derart in die Kreisprozessvorrichtung integriert ist, dass mit diesem die Pumpe der Kreisprozessvorrichtung bedarfsweise umgehbar ist.
Die WO 2015/200821 A1 offenbart ebenfalls ein System zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors mit einer Kreisprozessvorrichtung, wobei eine Expansionsvorrichtung der Kreisprozessvorrichtung über einen Riementrieb direkt drehungsübertragend mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, wodurch eine Koppelung der Drehzahl der Expansionsvorrichtung an die Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors gegeben ist. Um trotz dieser Kopplung eine stets optimale Beaufschlagung der Expansionsvorrichtung mit dem Arbeitsmedium der Kreisprozessvorrichtung zu realisieren ist ein Bypass zur bedarfsweisen Umgehung der Expansionsvorrichtung in die Kreisprozessvorrichtung integriert.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Anfahren einer zuvor deaktivierten, gattungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Kreisprozessvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 9 mit einer Expansionsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Verfahren zum Betreiben einer solchen Kreisprozessvorrichtung sind Gegenstände der Patentansprüche 14 und 15. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung und der erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Expansionsvorrichtung für eine Kreisprozessvorrichtung umfasst zumindest einen Einlass für ein Fluid, einen Expansionsbereich mit Mitteln zur Erzeugung einer Antriebsleistung durch Expansion des Fluids (wenn dieses in einem Normalbetrieb der Expansionsvorrichtung in gasförmigem Aggregatzustand dem Expansionsbereich zugeführt wird) und einen Auslass zum Abführen des Fluids aus der Expansionsvorrichtung. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Expansionsvorrichtung durch eine (in die Expansionsvorrichtung und insbesondere in ein Gehäuse der Expansionsvorrichtung integrierte) Bypassleitung, die unter Umgehung des Expansionsbereichs zwischen dem Einlass und dem Auslass verläuft.
Eine erfindungsgemäße (Dampf-)Kreisprozessvorrichtung umfasst zumindest ein Kreislaufsystem für ein/das Fluid, wobei in das Kreislaufsystem zumindest folgende Komponenten integriert sind:

- ein Verdampfer zum Verdampfen des Fluids,
- eine erfindungsgemäße Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Fluids mit dem Ziel der Erzeugung mechanischer Leistung (die vorzugsweise mittels einer mechanisch mit der Expansionsvorrichtung verbundenen Elektromaschine in elektrische Energie gewandelt wird),
- ein Kondensator zum Kondensieren des Fluids und
- eine Fördervorrichtung (insbesondere eine Pumpe) zum Fördern (und vorzugsweise auch zur Druckerhöhung) des Fluids (vorzugsweise im flüssigen Zustand) in dem Kreislaufsystem.

Mittels der Bypassleitung einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung kann das Fluid durch zumindest einen Abschnitt der Expansionsvorrichtung hindurch geführt werden, ohne dass dieses auch durch den Expansionsbereich strömt und/oder ohne dass eine Nutzleistung von der Expansionsvorrichtung erzeugt wird. Dies kann insbesondere dazu dienen, die Expansionsvorrichtung während eines Anfahrens einer erfindungsgemäßen, zuvor deaktivierten Kreisprozessvorrichtung, während dessen mittels der Expansionsvorrichtung noch keine Nutzleistung erzeugt werden soll oder kann, vorzuwärmen, um einen möglichst vorteilhaften Übergang in einen Normalbetrieb der Kreisprozessvorrichtung, in dem mittels der Expansionsvorrichtung Nutzleistung erzeugt werden soll, zu ermöglichen. Gründe dafür, dass mittels der Expansionsvorrichtung noch keine Nutzleistung erzeugt werden soll oder kann, können beispielsweise darin liegen, dass das Fluid in dem stromauf der Expansionsvorrichtung gelegenen Abschnitt des Kreislaufsystems einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung noch zumindest teilweise im flüssigen Aggregatzustand und/oder mit einer zu geringen Temperatur und/oder mit einem zu geringen Druck vorliegt. Dementsprechend kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung vorsehen, dass der über die Bypassleitung der Expansionsvorrichtung zu führende Mengenstrom des Fluids in Abhängigkeit von dem Aggregatzustand und/oder der Temperatur und/oder des Drucks des in dem Abschnitt des Kreislaufsystems, der zwischen dem Verdampfer und der Expansionsvorrichtung liegt, befindlichen Fluids gesteuert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung ist diese als Axialkolbenmotor ausgebildet und umfasst dazu (als Expansionsbereich) zumindest ein Zylindergehäuse, in dem mehrere Zylinder ausgebildet sind, und in den Zylindern beweglich geführte Kolben, wobei die Kolben an eine Schrägscheibe angebunden sind und wobei eine Strömung des in den Axialkolbenmotor eingetretenen Fluids in die und aus den Zylindern mittels Einlass- und Auslassventilen steuerbar ist. Die Einlass- und/oder die Auslassventile können dabei konstruktiv vorteilhaft in Form eines kombinierten Drehschieberventils ausgebildet sein, wozu in einer Zylinderkopfplatte ausgebildete Fluidwechselöffnungen (Einlass- und/oder Auslassöffnungen, wobei kombinierte Einlass- und Auslassöffnungen möglich sind) vorgesehen sind, die temporär mittels eines Drehschiebers freigegeben und abgedeckt werden können. Alternativ kann eine erfindungsgemäße Expansionsvorrichtung beziehungsweise können deren Mittel zur Erzeugung einer Antriebsleistung beispielsweise in Form einer Turbine ausgebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Expansionsvorrichtung in Form eines Axialkolbenmotors kann vorzugsweise gemäß der Taumelscheibenbauart ausgebildet sein und hierzu eine Schrägscheibe in Form einer Taumelscheibe umfassen, an die die Kolben vorzugsweise über Pleuel angebunden sind. Die Taumelscheibe liegt drehbar auf einem Taumelscheibenfuß auf, wobei die Auflagefläche des Taumelscheibenfußes und damit die Ausrichtung der Taumelscheibe schräg bezüglich der Längsachsen der Zylinder ausgerichtet sind. Der Taumelscheibenfuß ist drehfest oder zumindest drehungsübertragend mit einer (Abtriebs-)Welle der Expansionsvorrichtung verbunden.
Gemäß einer Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung kann ein erster Einlass, der in fluidleitender Verbindung mit dem Expansionsbereich steht oder zumindest bringbar ist, und ein zweiten Einlass, der in fluidleitender Verbindung mit dem Bypass steht oder zumindest bringbar ist, vorgesehen sein. Über den ersten Einlass soll demnach das Fluid (zumindest teilweise) der Expansionsvorrichtung zugeführt werden, sofern mittels der Expansionsvorrichtung eine Nutzleistung erzeugt werden soll. Andererseits kann das Fluid (zumindest teilweise) der Expansionsvorrichtung über den zweiten Einlass zugeführt und damit über die Bypassleitung geführt werden, wenn mittels der Expansionsvorrichtung keine Nutzleistung oder noch nicht die volle, im Normalbetrieb erzielbare Nutzleistung erzeugt werden soll.
Durch eine solche Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung mit mindestens zwei Einlässen wird ermöglicht, ein Ventil, über das der Mengenstrom des über die Bypassleitung zu führenden Fluids gesteuert werden kann, extern der Expansionsvorrichtung anzuordnen. Für eine erfindungsgemäße Kreisprozessvorrichtung kann dann ein mit dem zweiten Einlass fluidleitend verbundener Bypassabschnitt des Kreislaufsystems vorgesehen sein, in den ein Ventil zur Steuerung des über die Bypassleitung der Expansionsvorrichtung zu führenden Mengenstroms des Fluids integriert ist. Dabei soll unter einer Integration des Ventils in den Bypassabschnitt auch eine Anordnung in eine Abzweigung, in der sich das Kreislaufsystem in den Bypassabschnitt sowie in einen von der Abzweigung zu dem ersten Einlass führenden Hauptabschnitt verzweigt, verstanden werden.
Alternativ zu der genannten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung mit mindestens zwei Einlässen kann auch vorgesehen sein, dass das Fluid unabhängig davon, ob dieses (auch) über die Bypassleitung der Expansionsvorrichtung geführt werden soll, über einen (kombinierten) Einlass der Expansionsvorrichtung zugeführt wird, wobei dann ein in die Expansionsvorrichtung integriertes Ventil zur Steuerung des über die Bypassleitung zu führenden Mengenstroms des Fluids vorgesehen sein kann. Auf ein externes Ventil kann dadurch verzichtet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung und/oder einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung kann vorgesehen sein, dass ein Ventil zur Steuerung des über die Bypassleitung der Expansionsvorrichtung zu führenden Mengenstroms des Fluids als selbsttätiges Überdruckventil und insbesondere als Rückschlagventil ausgebildet ist. Dadurch kann im Vergleich zu einer aktiv ansteuerbaren Ausgestaltung eines solchen Ventils, die gleichfalls vorteilhaft umsetzbar ist, eine konstruktiv einfache und damit kostengünstige Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung und einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung realisiert werden. Durch ein aktiv ansteuerbares Ventil kann dagegen eine genauere Steuerung des über die Bypassleitung zu führenden Mengenstroms des Fluids erreicht werden.
Bei der Verwendung eines selbsttätigen Überdruckventils kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Öffnungsdruck des Überdruckventils größer als ein für den Betrieb der Expansionsvorrichtung vorgesehener Betriebsdruck(bereich) ist. Mittels der Fördervorrichtung der erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung kann dann ein entsprechend hoher Druck des Fluids im Bereich des Ventils eingestellt werden, sofern ein zumindest teilweises Führen des Fluids über die Bypassleitung der Expansionsvorrichtung vorgesehen ist. Für ein solches Vorgehen kann es vorteilhaft sein, wenn mittels des Ventils oder einer anderen Ventilvorrichtung gleichzeitig ein Durchströmen des Expansionsbereichs mittels des Fluids teilweise oder vollständig (weitestmöglich) verhindert ist, um die Erzeugung einer Nutzleistung mittels der Expansionsvorrichtung zu verhindern oder zumindest gering zu halten. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung als Axialkolbenmotor kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass mittels des Ventils oder der anderen Ventilvorrichtung ein Einströmen des Fluids in diejenigen Zylinder, in denen die dazugehörigen Kolben in einer einem Arbeitshub entsprechenden Stellung angeordnet sind, verhindert ist.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Bypassleitung über eine Ventilvorrichtung mit dem Expansionsbereich fluidleitend verbindbar ist. Dies kann insbesondere bei der bevorzugten Ausgestaltung der Expansionsvorrichtung als Axialkolbenmotor vorgesehen sein, wobei dann zudem vorgesehen sein kann, dass die Bypassleitung über die Ventilvorrichtung, bei der es sich insbesondere um das vorzugsweise für einen solchen Axialkolbenmotor vorgesehene Drehschieberventil handeln kann, mit den oder zumindest einigen der Zylinder verbindbar oder verbunden ist, in denen die dazugehörigen Kolben Stellungen aufweisen, die im Normalbetrieb des Axialkolbenmotors einem Ausstoßhub zuzuordnen wären. Auf diese Weise wird ermöglicht, das über die Bypassleitung geführte Fluid auch in diese Zylinder einströmen zu lassen, wodurch diese vorgewärmt werden können. Dabei besteht auch die Möglichkeit, durch eine geeignete Ausgestaltung und Betätigung der Ventilvorrichtung in zeitlicher Abfolge sämtliche der Zylinder mit der Bypassleitung fluidleitend zu verbinden, um alle Zylinder vorzuwärmen. Bei einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung als Drehschieberventil kann dies durch eine insbesondere relativ langsame Rotation des Drehschiebers erfolgen, wozu gegebenenfalls infolge einer drehfesten Verbindung des Drehschiebers mit einer (Abtriebs-)Welle des Axialkolbenmotors auch eine entsprechende Drehung der Abtriebswelle erforderlich sein kann.
Eine solche relativ langsame Drehung der (Abtriebs-)Welle kann gegebenenfalls erfordern, dass auf diese ein Bremsmoment ausgeübt wird, das eine durch die Drehung bewirkte Erzeugung einer Nutzleistung mittels der Expansionsvorrichtung teilweise kompensiert. Dies kann in vorteilhafter Weise mittels einer Elektromaschine erfolgen, die mechanisch mit der Expansionsvorrichtung und insbesondere mit einer (Abtriebs-)Welle der Expansionsvorrichtung verbunden ist. Es kann somit vorgesehen sein, dass mittels der Elektromaschine bei geöffneter Ventilvorrichtung ein von der Expansionsmaschine erzeugtes Drehmoment zumindest teilweise kompensiert wird. Möglich ist auch ein vollständiges Stillsetzen der Expansionsvorrichtung und damit ein vollständiges Kompensieren einer mittels dieser erzeugten Nutzleistung. Dadurch kann verhindert werden, dass ein relevanter Mengenstrom des Fluids den Expansionsbereich der Expansionsvorrichtung durchströmt, so dass vielmehr im Wesentlichen der gesamte die Expansionsvorrichtung durchströmende Mengenstrom des Fluids über die Bypassleitung geführt wird.
Die vorzugsweise vorgesehene Elektromaschine der erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung kann primär dafür vorgesehen sein, während einer Nutzung der Expansionsvorrichtung zur Erzeugung von mechanischer Leistung diese mechanische Leistung in elektrische Leistung zu wandeln.
Die Erfindung betrifft auch eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, die zumindest eine Brennkraftmaschine umfasst, die einen Verbrennungsmotor sowie einen Abgasstrang, über den Abgas aus dem Verbrennungsmotor abführbar ist, aufweist. Die Antriebseinheit umfasst weiterhin eine erfindungsgemäße Kreisprozessvorrichtung, wobei der Verdampfer der Kreisprozessvorrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet ist, Wärmeenergie des Abgases und/oder eines vorzugsweise zusätzlich vorgesehenen Kühlsystems des Verbrennungsmotors zum Verdampfen des Fluids zu nutzen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, das eine solche erfindungsgemäße Antriebseinheit umfasst, wobei die Brennkraftmaschine der Antriebseinheit insbesondere zur Erzeugung einer Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein kann. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW) handeln. Eine Verwendung bei anderen Kraftfahrzeugen, beispielsweise bei schienengebundenen Kraftfahrzeugen oder Schiffen, ist ebenfalls möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: eine Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors (nur in Teilen dargestellt) in einer perspektivischen Darstellung;
2: den Axialkolbenmotor in einem Längsschnitt;
3: den in der 2 mit III gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung;
4: den Drehschieber des Axialkolbenmotors in einer perspektivischen Darstellung;
5: den Deckelteil, das Dichtelement und die Druckkolben des Drehschiebers in einer perspektivischen Darstellung;
6: einen ersten Radialschnitt durch den Drehschieber;
7: einen Querschnitt durch den Drehscheiber entlang der Ebene VII - VII in der 6;
8: einen zweiten Radialschnitt durch den Drehschieber;
9: eine Aufsicht auf die Zylinderkopfplatte und das Dichtelement des Axialkolbenmotors;
10: eine erfindungsgemäße Kreisprozessvorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltungsform in einer schematischen Darstellung;
11: eine erfindungsgemäße Kreisprozessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform in einer schematischen Darstellung; und
12: ein zu einem mittels der Kreisprozessvorrichtungen gemäß den 10 und 11 durchführbaren Clausius-Rankine-Prozess gehöriges T-S-Diagramm.

Die 1 bis 9 zeigen eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Expansionsvorrichtung in Form eines Axialkolbenmotors 10. Dieser ist in Taumelscheibenbauart ausgeführt und umfasst ein mehrteiliges Zylindergehäuse 12, das eine Mehrzahl (hier: sechs) von parallel zueinander ausgerichteten Zylinderrohren 14 umfasst. Die Zylinderrohre 14 begrenzen Zylinder 16, in denen jeweils ein Kolben 18 beweglich geführt ist. Die Kolben 18 sind über jeweils einen Pleuel 20 an eine ringförmige Taumelscheibe 22 angebunden. Die Taumelscheibe 22 ist drehbar auf einem Taumelscheibenfuß 24 gelagert, der drehfest mit einer (Abtriebs-)Welle 26 des Axialkolbenmotors 10 verbunden ist.
Die Taumelscheibe 22 sowie der Taumelscheibenfuß 24 weisen (koaxiale) Längsachsen 28 auf, die in einem definierten Winkel größer Null zu den Längsachsen 30, 32 der Welle 26 und der Zylinder 16 geneigt verlaufen.
Der Druck des nacheinander in die einzelnen Zylinder 16 eintretenden Fluids (Arbeitsmedium) führt aufgrund der Schrägstellung der Taumelscheibe 22 zu einer in Umfangsrichtung gerichteten Kraftkomponente in den Anbindungsstellen der Pleuel 20 an die Taumelscheibe 22, wobei diese Kraftkomponente auf den Taumelscheibenfuß 24 übertragen wird und dadurch die gewünschte Drehung der Welle 26 bewirkt. Infolge der Drehung der Welle 26 sowie des damit drehfest verbundenen Taumelscheibenfußes 24 wird die Taumelscheibe 22 in eine taumelnde Bewegung versetzt, die zu einer Hin-undher-Bewegung der mit der Taumelscheibe 22 über die Pleuel 20 verbundenen Kolben 18 führt. Dabei bewegt sich jeder der Kolben 18 zyklisch zwischen einem zu einem Zylinderkopf 36 nahe gelegenen oberen Totpunkt (OT) und einem von dem Zylinderkopf 36 entfernt gelegenen unteren Totpunkt (UT).
Die Kolben-Zylinder-Einheiten arbeiten mit zwei Takten. Die Bewegung jedes Kolbens 18 ausgehend von dem OT bis zu dem UT wird durch das in die jeweiligen Zylinder 16 einströmende Fluid bewirkt (Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders 16 und Arbeitshub des jeweiligen Kolbens 18). Bei der von der Taumelscheibe 22 geführten Bewegung der Kolben 18 ausgehend von dem UT bis zu dem OT wird das während des vorhergehenden Arbeitstakts entspannte Fluid aus den jeweiligen Zylindern 16 ausgestoßen (Ausstoßtakt des jeweiligen Zylinders 16 und Ausstoßhub des jeweiligen Kolbens 18). Das Einströmen und Ausstoßen des Fluids zu den vorgesehenen Steuerzeiten wird mittels den Zylindern 16 zugeordneten Einlass- und Auslassventilen gesteuert, die in Form eines kombinierten Drehschieberventils 38 ausgebildet sind.
Das Drehschieberventil 38 umfasst eine Zylinderkopfplatte 40, die stirnseitig auf der von der Taumelscheibe 22 beabstandeten Seite abdichtend an dem Zylindergehäuse 12 anliegt. Die Zylinderkopfplatte 40 weist jeweils eine als kombinierte Ein- und Auslassöffnung dienende Fluidwechselöffnung 42 für jeden der Zylinder 16 auf. Weitere Öffnungen 44 (vgl. 1 und 9) dienen der Aufnahme von Schrauben 46, durch die ein Zylinderkopfgehäuse 48, die Zylinderkopfplatte 40, das Zylindergehäuse 12 sowie ein die Taumelscheibe 22 und den Taumelscheibenfuß 24 umgebendes Gehäuse 50 miteinander verbunden sind. Auf der von den Zylindern 16 beabstandeten Seite der Zylinderkopfplatte 40 ist ein Drehschieber 52 angeordnet, der drehfest mit der Welle 26 verbunden ist und sich somit im Betrieb des Axialkolbenmotors 10 relativ zu der Zylinderkopfplatte 40 dreht. Dadurch werden die Fluidwechselöffnungen 42 der Zylinderkopfplatte 40 abwechselnd und einmal je Umdrehung der Welle 26 in Überdeckung mit einer ersten Durchtrittsöffnung (Eintrittsöffnung) 54 sowie mit einer zweiten Durchtrittsöffnungen (Austrittsöffnung) 56 des Drehschiebers 52 gebracht. Die Eintrittsöffnung 54 und die Austrittsöffnung 56 sind dazu auf derselben Kreisbahn um die Rotationsachse 32 des Drehschiebers 52 angeordnet. In einem Normalbetrieb des Axialkolbenmotors (mit dem Ziel der Erzeugung einer Nutzleistung) wird bei einer Überdeckung der Fluidwechselöffnungen 42 der Zylinderkopfplatte 40 mit der Eintrittsöffnung 54 des Drehschiebers 52 dem jeweiligen Zylinder 16 über einen zentralen (d.h. koaxial bezüglich der Rotationsachse 32 des Drehschiebers 52 und der Welle 26 gelegenen) ersten Einlass 58 des Axialkolbenmotors 10, über ein (ebenfalls koaxial bezüglich der Rotationsachse 32 des Drehschiebers 52 und der Welle 26 verlaufendes) rohrförmiges Dichtelement 98, über einen in den Drehschieber 52 integrierten Hohlraum 60 sowie über einen den Hohlraum 60 mit der Eintrittsöffnung 54 verbindenden Fluidkanal 62 das gasförmige Fluid zugeführt (vgl. 6). Bei einer Überdeckung der Fluidwechselöffnungen 42 mit der Austrittsöffnung 56 wird das Fluid aus den jeweiligen Zylindern 16 ausgestoßen und über einen zwischen dem Zylinderkopfgehäuse 48 und dem Drehschieber 52 ausgebildeten, ringförmigen Überströmkanal 34 sowie über einen Auslass 64 aus dem Axialkolbenmotor 10 abgeführt. Dabei ist die Länge der Eintrittsöffnung 54 des Drehschiebers 52 (hinsichtlich der vorgesehenen Rotationsrichtung 72 des Drehschiebers 52) derart gewählt, dass eine Überdeckung mit immer nur der Fluidwechselöffnung 42 eines einzigen Zylinders 16 gegeben ist, während die in Umfangsrichtung deutlich längere Austrittsöffnung 56 des Drehschiebers 52 ein gleichzeitiges Freigeben mehrerer Fluidwechselöffnungen 42 vorsieht.
Das Dichtelement 98 dient einer fluidleitenden Verbindung zwischen dem ersten Einlass 58 und dem Hohlraum 60 (und über diesen Hohlraum 60 sowie den Fluidkanal 62 mit der Eintrittsöffnung 54), wobei das Dichtelement 98 ein Überströmen von über den ersten Einlass 58 in den Axialkolbenmotor 10 eingebrachtem Fluid von der Hochdruckseite des Axialkolbenmotors 10, die der Fluidführung zwischen dem ersten Einlass 58 und der Eintrittsöffnung 54 des Drehschiebers 52 entspricht, zu der Niederdruckseite des Axialkolbenmotors 10, die der ebenfalls in den Zylinderkopf 36 integrierten Fluidführung (Überströmkanal 34) zwischen der Austrittsöffnung 56 des Drehschiebers 52 und dem Auslass 64 des Axialkolbenmotors 10 entspricht, weitestmöglich verhindern soll. Problematisch dabei ist die Drehung des Drehschiebers 52 relativ zu dem Zylinderkopfgehäuse 48 im Betrieb des Axialkolbenmotors 10, so dass mittels des Dichtelements 98 eine fluidtechnische Trennung der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Axialkolbenmotors 10 trotz dieser Relativdrehung bestmöglich erreicht werden soll. Hierzu ist vorgesehen, dass das rohrförmige Dichtelement 98, dessen Längsachse 32 (ebenso wie die Längsachse 32 des ersten Einlasses 58) koaxial bezüglich der Rotationsachse 32 des Drehschiebers 52 angeordnet ist, weitgehend unbeweglich innerhalb des Zylinderkopfgehäuses 48 aufgenommen ist und der Drehschieber 52 sich im Betrieb des Axialkolbenmotors 10 somit auch relativ zu dem Dichtelement 98 dreht. Konkret findet eine gleitende Relativbewegung zwischen einer der ringförmigen Stirnseiten des Dichtelements 98 und dem daran angrenzenden Abschnitt der Oberseite des Drehschiebers 52 statt, wie dies insbesondere aus der 3 ersichtlich ist.
Die 3 zeigt in vergrößerter Darstellung den in der 2 mit III gekennzeichneten Ausschnitt, wobei in die 3 zudem noch Pfeile eingezeichnet sind, die Kräfte symbolisieren, die sich dadurch ergeben, dass das Dichtelement 98 mittels des Einlassdrucks des Fluids einerseits (in radialer Richtung) gegen einen Abschnitt des Zylinderkopfgehäuses 48 und andererseits (in längsaxialer Richtung) gegen den Drehschieber 52 beaufschlagt ist. Diejenigen Pfeile, die die durch die Druckbeaufschlagung erzeugten Kräfte symbolisieren, sind dabei mit Flächenfüllung gezeichnet, während diejenigen Pfeile, die die dazugehörigen Reaktionskräfte symbolisieren, ohne Flächenfüllung dargestellt sind. Zu erkennen ist, dass die äußere Mantelfläche des Dichtelements 98 einerseits infolge einer ausreichend (elastisch) deformierbaren Ausgestaltung des Dichtelements 98 gegen eine Kontaktfläche des Zylinderkopfgehäuses 48 gedrückt wird, wodurch der zwischen diesen Kontaktflächen liegende, ringförmige Spalt abgedichtet ist, so dass ein Überströmen von Fluid aus dem ersten Einlass 58 über diesen ringförmigen Spalt in den den Drehschieber 52 aufnehmenden Innenraum 100 des Zylinderkopfs 36 beziehungsweise in den Überströmkanal 34 weitestmöglich verhindert ist. Weiterhin wird das Dichtelement 98 in längsaxialer Richtung durch den Einlassdruck des Fluids gegen die Oberseite des sich im Betrieb des Axialkolbenmotors 10 relativ zu dem Dichtelement 98 drehenden Drehschiebers 52 beaufschlagt, wodurch zudem ein Überströmen von Fluid im Bereich des Übergangs zwischen dem Innenvolumen des Dichtelements und dem Hohlraum 60 des Drehschiebers 52 über den dort zwischen dem Dichtelement 98 und dem Drehschieber 52 ausgebildeten, ringförmig umlaufenden Spalt weitestgehend verhindert ist. Um eine Abdichtung dieses Spalts ergänzend zu verbessern, ist vorgesehen, dass das Dichtelement 98 in Kombination mit dem Drehschieber 52 eine Labyrinthdichtung ausbildet, wozu an der Oberseite des Drehschiebers 52 ein ringförmig umlaufender Vorsprung 102 ausgebildet ist, der in eine komplementäre Vertiefung in der Stirnseite des Dichtelements 98 eingreift. Weiterhin bildet auch das Dichtelement 98 an der dem Drehschieber 52 zugewandten Stirnseite radial innen liegend einen ringförmig umlaufenden Vorsprung 104 aus, der in eine in die Oberseite des Drehschiebers 52 integrierte, in den Hohlraum 60 des Drehschiebers 52 mündende Anschlussöffnung 106 eingreift.
Die Kraft, mit der die äußere Mantelfläche des Dichtelements 98 gegen die angrenzende Kontaktfläche des Zylinderkopfgehäuses 48 gedrückt wird, ergibt sich aus der Höhe des Einlassdrucks des Fluids und der Größe der inneren Mantelfläche des Dichtelements 98. Die Kraft, mit der das Dichtelement 98 gegen den Drehschieber 52 gedrückt wird, ergibt sich dagegen aus der Höhe des Einlassdrucks des Fluids und der Differenz der Größe der dem ersten Einlass 58 zugewandten (größeren) Stirnseite des Dichtelements 98 einerseits und der Größe desjenigen (kleineren) Abschnitts der dem Drehschieber 52 zugewandten Stirnseite des Dichtelements 98, die von dem in die Anschlussöffnung 106 des Drehschiebers 52 ragenden Vorsprung 104 ausgebildet ist, andererseits. Um dabei eine Beaufschlagung der dem ersten Einlass 58 zugewandten Stirnfläche des Dichtelements 98 mit dem Einlassdruck des Fluids zu ermöglichen ist der erste Einlass 58 derart ausgebildet, dass angrenzend an diese Stirnseite des Dichtelements 98 ein Freiraum 108 ausgebildet ist, in dem der Durchmesser des zylindrischen Einlasses 58 dem Außendurchmesser des Dichtelements 98 entspricht.
Um einen möglichst geringen Reibungswiderstand aufgrund der Bewegung des Drehschiebers 52 relativ zu dem Dichtelement 98 zu erzielen ist das Dichtelement 98 aus einem Gleitlagermaterial (z.B. PTFE) ausgebildet. Trotz eines so erreichten relativ kleinen Reibungswiderstands unterliegt insbesondere das Dichtelement 98 (weniger der Drehschieber 52) einem Verschleiß aufgrund der Relativbeweglichkeit bezüglich des Drehschiebers 52. Dieser Verschleiß kann sich jedoch selbsttätig aufgrund der längsaxial verschiebbaren Lagerung des Dichtelements 98 in dem Zylinderkopfgehäuse 48 und aufgrund einer angepassten Dimensionierung des Dichtelements 98 und des Drehschiebers 52, insbesondere hinsichtlich der ineinander greifenden Vorsprünge 102, 104, in Kombination mit der längsaxialen Beaufschlagung des Dichtelements 98 mittels des Einlassdrucks des Fluids ausgleichen.
Der Drehschieber 52 und konkret ein Grundkörper 66 des Drehschiebers 52 ist für eine fertigungstechnisch vorteilhafte Ausbildung des Hohlraums 60 mehrteilig ausgebildet. Dieser umfasst ein Basisteil 68, das eine zentral gelegene Aufnahmevertiefung ausbildet, in die ein Deckelteil 78 eingesetzt ist. Der Deckelteil 78 begrenzt mit der Oberseite des Basisteils 68 im Bereich der Aufnahmevertiefung den Hohlraum 60, wobei eine Öffnung in der Mantelfläche des Deckelteils 78 eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Hohlraum 60 und dem Fluidkanal 62 ermöglicht.
Der Drehschieber 52 umfasst neben dem Grundkörper 66 eine sich über einen Umfangswinkel (bezüglich der Rotationsachse 32 des Drehschiebers 52) von ca. 180° erstreckende, teilkreisringförmige Dichtplatte 70. In dieser Dichtplatte 70 ist die Eintrittsöffnung 54 des Drehschiebers 52 ausgebildet.
Die geschlossenen (d.h. die nicht die Eintrittsöffnung 54 ausbildenden) Abschnitte der Dichtplatte 70 dienen einer bedarfsweisen Abdeckung der Fluidwechselöffnungen 42, wobei zumindest der in der Rotationsrichtung 72 des Drehschiebers 52 hinter der Eintrittsöffnung 54 gelegene Abschnitt infolge der drehfesten Koppelung des Drehschiebers 52 über die Welle 26 an den Taumelscheibenfuß 24 stets derart angeordnet ist, dass dieser im Bereich derjenigen drei Zylinder 16 angeordnet ist, in denen im Betrieb des Axialkolbenmotors 10 die dazugehörigen Kolben 18 aktuell einen Arbeitshub ausführen.
Die Dichtplatte 70 ist in einer (teil-)kreisringförmigen Aufnahmevertiefung, die von der an die Zylinderkopfplatte 40 angrenzenden Unterseite des Grundkörpers 66 ausgebildet ist, beweglich angeordnet, wobei eine über eine relativ kleine Distanz mögliche Verschiebung der Dichtplatte 70 in den zu der Rotationsachse 32 des Drehschiebers 52 parallelen Richtungen und folglich auf die Zylinderkopfplatte 40 zu oder von dieser weg möglich ist. Dies ermöglicht, die Dichtplatte 70 bedarfsgerecht an die Zylinderkopfplatte 40 anzudrücken, wodurch die von dem geschlossen ausgebildeten Abschnitt der Dichtplatte 70 überdeckten Fluidwechselöffnungen 42 nicht nur abgedeckt sind, sondern auch der zwischen diesem Abschnitt der Dichtplatte 70 und der Zylinderkopfplatte 40 ausgebildete Spalt infolge einer ausreichend hohen Kraft, mit der die Dichtplatte 70 gegen die Zylinderkopfplatte 40 gedrückt wird, in ausreichendem Maße abgedichtet ist.
Andererseits ist vorgesehen, dass sich die Unterseite des Grundkörpers 66 in einem definierten, relativ kleinen (z.B. ca. 3/10 mm) Abstand zu der Oberseite der Zylinderkopfplatte 40 befindet, wodurch ein Kontakt zwischen dem Grundkörper 66 und der Zylinderkopfplatte 40 und damit Reibungsverluste infolge der Drehung des Grundkörpers 66 relativ zu der Zylinderkopfplatte 40 vermieden werden. Folglich ist ein Kontakt zwischen dem Drehschieber 52 und der Zylinderkopfplatte 40 lediglich in den Bereichen der geschlossenen ausgebildeten Abschnitte der Dichtplatte 70 vorgesehen, wodurch die Größe dieser Kontaktfläche auf das für das abgedichtete Abdecken der Fluidwechselöffnungen 42 derjenigen Zylinder 16, in denen aktuell die dazugehörigen Kolben 18 einen Arbeitshub ausführen, erforderliche Maß reduziert ist. Dadurch sind Reibungsverluste, die sich aus der Drehung des Drehschiebers 52 relativ zu der Zylinderkopfplatte 40 ergeben, minimiert. Besonders klein können diese Reibungsverluste gehalten werden, wenn die Auswahl der Materialen, aus denen die Zylinderkopfplatte 40 (z.B. Stahl) und die Dichtplatte 70 ausgebildet sind, auch hinsichtlich eines möglichst geringen Reibungskoeffizienten ausgewählt sind. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer Beschichtung der Zylinderkopfplatte 40 und/oder der Dichtplatte 70 mit einem Gleitlagermaterial (z.B. PTFE oder DLC (Diamond-like Carbon)). Unter anderem dann kann das Dichtelement 70 vorteilhafterweise auch aus Stahl ausgebildet sein.
Das Andrücken der Dichtplatte 70 an die Zylinderkopfplatte 40 erfolgt mittels mehreren entlang der geschlossen ausgebildeten Abschnitte verteilt angeordneten Druckkolben 74, die verschiebbar (entlang der Rotationsachse 32) in jeweils einer zylindrischen Aufnahmeöffnung des Grundkörpers 66 gelagert sind und die an ihrer Oberseite mit dem über den ersten Einlass 58 in den Hohlraum 60 des Drehschiebers 52 eingeströmten Fluid und demnach mit dem Einlassdruck des Fluids beaufschlagt sind. Hierzu ist jeweils ein zu jedem der Druckkolben 74 führender Fluidkanal 62 in dem Basisteil 68 des Grundkörpers 66 ausgebildet (vgl. 8), der über jeweils eine dazugehörige Öffnung 76 in der Mantelfläche des Deckelteils 78 (vgl. 5) in fluidleitender Verbindung mit dem Hohlraum 60 steht. Für eine Abdichtung der umlaufenden Spalte zwischen den Umfangsflächen der Druckkolben 74 und der Begrenzungswände der diese aufnehmenden Aufnahmeöffnungen ist jeweils ein Dichtring 80 (O-Ring) vorgesehen.
Die mit dem Einlassdruck des Fluids beaufschlagten Druckkolben 74 drücken die Dichtplatte 70 gegen die Zylinderkopfplatte40, wodurch das bereits beschriebene abgedichtete Abdecken der Fluidwechselöffnungen 42 derjenigen Zylinder 16, deren dazugehörige Kolben 18 einen Arbeitshub durchführen, erreicht wird. Dabei ist die Kraft, mit der die Dichtplatte 70 gegen die Zylinderkopfplatte 40 gedrückt wird, direkt abhängig von der Höhe des Einlassdrucks des Fluids, so dass bei jeder tatsächlich im Betrieb des Axialkolbenmotors 10 vorgesehenen Höhe des Einlassdrucks einerseits eine ausreichende Abdichtung erzielt und andererseits ein unnötig starkes Andrücken der Dichtplatte 70 an die Zylinderkopfplatte 40 und damit ein unnötig hoher Reibungswiderstand für die Drehung des Drehschiebers 52 relativ zu der Zylinderkopfplatte 40 vermieden wird.
Bei der Dichtplatte 70 ist ein der Eintrittsöffnung 54 vorgelagerter, geschlossener Abschnitt vorgesehen, dessen Länge in Umfangsrichtung mindestens der Breite der Fluidwechselöffnungen 42 in Umfangsrichtung entspricht (vgl. insbesondere 9). Dadurch ist sichergestellt, dass auch bei einer nur anfänglichen Überdeckung der Eintrittsöffnung 54 der Dichtplatte 70 mit den einzelnen Fluidwechselöffnungen 42 der Zylinderkopfplatte 40 das gesamte in den jeweiligen Zylinder 16 einströmende Fluid darin verbleibt und nicht über einen vor der Dichtplatte 70 anfänglich noch ausgebildeten Spalt wieder abströmt. Auch in diesem der Eintrittsöffnung 54 vorgelagerten Abschnitt ist ein Andrücken der Dichtplatte 70 mittels eines Druckkolbens 74 vorgesehen (vgl. 5). Über eine Variation der Länge dieses der Eintrittsöffnung 54 vorgelagerten, geschlossenen Abschnitts der Dichtplatte 70 kann eine Vorkompression von noch in den Zylindern 16 verbliebenem Fluid realisiert und angepasst werden, indem dieser Abschnitt der Dichtplatte 70 die Fluidwechselöffnungen 42 bereits abdeckt, bevor die dazugehörigen Kolben 18 ihren OT erreicht haben.
Weiterhin ist ein Druckkolben 74 unmittelbar hinter (bezüglich der Rotationsrichtung 72) der Eintrittsöffnung 54 vorgesehen, dem sich mehrere weitere Druckkolben 74 anschließen. Dabei ist vorgesehen, dass einerseits die Flächen der dem Einlassdruck des Fluids ausgesetzten Oberseiten der Druckkolben 74 in Rotationsrichtung 72 größer werdend ausgebildet sind und andererseits die Abstände zwischen den Druckkolben 74 in Drehrichtung kleiner werdend ausgebildet sind, wodurch ein besonders starkes Andrücken der Dichtplatte 70 an die Zylinderkopfplatte 40 in einem die Eintrittsöffnung 54 umfassenden Bereich erreicht wird, während der Anpressdruck mit zunehmenden Abstand von der Eintrittsöffnung 54 kleiner wird, wodurch die durch die einzelnen Druckkolben 74 erzeugten und auf verschiedene Bereiche der Dichtplatte 70 wirkenden Andrückkräfte an den sich während der Arbeitstakte in den Zylindern 16 zunehmend verringernden Fluiddruck angepasst ist.
Um zu verhindern, dass die Taumelscheibe 22 von der Drehbewegung des Taumelscheibenfußes 24 mitgenommen wird, ist vorgesehen, diese gegen ein Verdrehen gesichert mit dem Zylindergehäuse 12 zu verbinden. Dazu ist eine Sicherungshülse 82 vorgesehen, die mit dem Zylindergehäuse 12 verbunden ist. Die Sicherungshülse 82 ist zudem über eine kardanartige Gelenkanordnung mit der Taumelscheibe 22 verbunden. Die Gelenkanordnung bindet die Taumelscheibe 22 drehfest an die Sicherungshülse 82 und damit an das Zylindergehäuse 12 und lässt gleichzeitig die Taumelbewegung der Taumelscheibe 22 zu. Die Gelenkanordnung umfasst einen Gelenkring 84, der über jeweils zwei Lagerstifte 86 um eine erste Achse drehbar mit der Sicherungshülse 82 sowie um eine zweite, zu der ersten Achse senkrecht verlaufende Achse drehbar mit der Taumelscheibe 22 verbunden ist.
Der Axialkolbenmotor 10 und konkret dessen Zylinderkopf 36 bildet erfindungsgemäß einen zweiten Einlass 110 aus, über den dem Axialkolbenmotor 10 ebenfalls Fluid zugeführt werden kann. Der zweite Einlass 110 steht in fluidleitender Verbindung mit dem Überströmkanal 34, über den im Normalbetrieb des Axialkolbenmotors 10 das aus den jeweils in einem Ausstoßtakt empfindlichen Zylindern 16 infolge einer Überdeckung der Austrittsöffnung 56 des Drehschiebers 52 mit den diesen Zylindern 16 zugeordneten Fluidwechselöffnungen 42 ausgestoßene Fluid zu dem Auslass 64 des Axialkolbenmotors 10 geführt wird. Über den zweiten Einlass 110 zugeführtes Fluid kann folglich über den als Bypassleitung dienenden Überströmkanal 34 unmittelbar zu dem Auslass 64 strömen, ohne dass dieses in diejenigen Zylinder 16 strömt, deren Fluidwechselöffnungen 42 durch den Drehschieber 52 aktuell abgedeckt sind. Da es sich hierbei um diejenigen Zylinder 16 handelt, die sich in einem Normalbetrieb des Axialkolbenmotors 10 in einem Arbeitstakt befinden würden, wird (zumindest weitestgehend) verhindert, dass über den zweiten Einlass 110 dem Axialkolbenmotor 10 zugeführtes Fluid zur Erzeugung einer Nutzleistung durch den Axialkolbenmotor 10 genutzt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise während eines Anfahrens beziehungsweise einer Aufwärmphase einer den Axialkolbenmotor 10 integrierenden Kreisprozessvorrichtung 88 (vgl. 10) verhindert werden, dass der Axialkolbenmotor 10 mit noch nicht ausreichend überhitztem, gasförmigem Fluid und gegebenenfalls sogar mit sich noch zumindest teilweise im flüssigen Aggregatzustand befindlichem Fluid betrieben wird, was bei einem Normalbetrieb des Axialkolbenmotors 10 zu Schäden führen könnte. Gleichzeitig ermöglicht die Durchströmung der Bypassleitung 34 ein vorteilhaftes Anfahren der Kreisprozessvorrichtung 88 infolge einer Durchströmung von dessen Kreislaufsystem mittels des Fluids und, infolge der erfindungsgemäßen Integration der Bypassleitung 34 in den Axialkolbenmotor 10, ein dabei erfolgendes Vorwärmen des Axialkolbenmotors 10, wodurch dessen Übergang in einen Normalbetrieb vorteilhaft beeinflusst werden kann.
Da das über den zweiten Einlass 110 in den Axialkolbenmotor 10 eingeströmte Fluid über die Austrittsöffnung 56 des Drehschiebers 52 in diejenigen Zylinder 16, deren Fluidwechselöffnungen 42 in zumindest teilweiser Überdeckung mit der Austrittsöffnung 56 angeordnet sind, einströmen kann, kann nicht nur der die Bypassleitung 34 umfassende Zylinderkopf 36 sondern können auch diese Zylinder 16 und die dazugehörigen Kolben 18 in vorteilhafter Weise vorgewärmt werden. Die Stellungen dieser Kolben 18, die in einem Normalbetrieb des Axialkolbenmotors 10 einem Ausstoßhub zuzuordnen wären, können dabei in Kombination mit einer Vermeidung eines Einströmens von Fluid in die anderen Zylinder 16, deren Fluidwechselöffnungen 42 durch den Drehschieber 52 abgedeckt sind, eine durch das Fluid bewirkte Drehung der Welle 26 und damit die Erzeugung einer Nutzleistung durch den Axialkolbenmotor 10 verhindern.
Um während dieses Bypassbetriebs des Axialkolbenmotors 10 sämtliche ZylinderKolben-Einheiten vorwärmen zu können, kann es sinnvoll sein, die Welle 26 und damit den Drehschieber 52 langsam drehen zu lassen, um nacheinander sämtliche der Fluidwechselöffnungen 42 in Überdeckung mit der Austrittsöffnung 56 des Drehschiebers 52 zu bringen. Ein solches Drehen der Welle 26 kann beispielsweise aktiv mittels einer mit dieser mechanisch verbundenen Elektromaschine 112 (vgl. 10) erfolgen, die dazu elektromotorisch betrieben wird. Der primäre Zweck der Elektromaschine 112 liegt jedoch in der Erzeugung von elektrischer Leistung durch Wandlung der von dem Axialkolbenmotor 10 während eines Normalbetriebs erzeugten mechanischen Leistung.
Der Axialkolbenmotor 10 gemäß den 1 bis 9 kann beispielsweise in einer Kreisprozessvorrichtung 88 zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors 90 einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß der 10 eingesetzt werden. In einem Normalbetrieb der Kreisprozessvorrichtung 88 expandiert ein verdampftes und überhitztes sowie unter Druck stehendes Fluid in dem Axialkolbenmotor 10, wodurch ein Teil der thermischen und potentiellen Energie des Fluids in mechanische Energie beziehungsweise Leistung (P_mech) gewandelt wird. Das Fluid wird hierzu im flüssigen Zustand mittels einer Pumpe 92 (Fördervorrichtung) zu einem Verdampfer 94 gefördert, in dem dieses durch den Übergang von Wärmeenergie von aus dem Verbrennungsmotor 90 über einen den Verdampfer 94 integrierenden Abgasstrang abgeführtem Abgas erhitzt wird. Das so verdampfte und überhitzte Fluid strömt dann zu dem als Expansionsvorrichtung der Kreisprozessvorrichtung 88 dienenden Axialkolbenmotor 10 und von diesem in einem entspannte(re)n Zustand zu einem Kondensator 96 der Kreisprozessvorrichtung 88. In dem Kondensator 96 wird das Fluid durch einen Wärmeübergang auf ein Kühlmedium, beispielsweise auf ein in einem auch den Verbrennungsmotor 90 integrierenden Kühlsystem (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs strömendes Kühlmittel, gekühlt. Dabei kondensiert das Fluid, so dass es im flüssigen Zustand mittels der Pumpe 92 (über einen Tank 114) erneut dem Verdampfer 94 zugeführt werden kann. Aufgrund der Förderung des flüssigen Fluids mittels der Pumpe 92 wird auch eine Verdichtung des zwischen dem Verdampfer 94 und dem Axialkolbenmotor 10 (Expansionsvorrichtung) im gasförmigen Zustand vorliegenden Fluids auf einen vorgesehenen Betriebsdruck erreicht, wobei die Druckerzeugung mittels der Pumpe 92 in Wechselwirkung mit der Expansion des gasförmigen Fluids in dem Axialkolbenmotor 10 steht.
Der Abschnitt des Kreislaufsystems der Kreisprozessvorrichtung 88 gemäß der 10, der zwischen dem Verdampfer 94 und dem Axialkolbenmotor 10 gelegen ist, weist eine Abzweigung auf, ab der dieser einerseits einen mit dem ersten Einlass 58 des Axialkolbenmotors 10 fluidleitend verbundenen Hauptabschnitt 116 und andererseits einen zu dem Hauptabschnitt 116 parallel geführten und mit dem zweiten Einlass 110 fluidleitend verbundenen Bypassabschnitt 118 umfasst. In den Bypassabschnitt 118 ist ein Ventil 120 integriert, durch das der Mengenstrom des über den Bypassabschnitt 118 und damit auch über die Bypassleitung 34 unter Umgehung des u.a. durch die ZylinderKolben-Einheiten ausgebildeten Expansionsbereichs des Axialkolbenmotors 10 strömenden Fluids gesteuert werden kann.
Die 11 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung 88, die sich von derjenigen gemäß der 10 darin unterscheidet, dass das Ventil 120 in die Expansionsvorrichtung beziehungsweise in den Axialkolbenmotor 10 integriert ist und das Fluid dem Axialkolbenmotor 10 über einen einzelnen Einlass zugeführt wird. Erst nach dem Einströmen des Fluids in diesen Einlass erfolgt ein bedarfsweises Verteilen des Fluids hinsichtlich der Durchströmung des Expansionsbereichs und/oder der Bypassleitung 34 des Axialkolbenmotors 10.
Das Ventil120 kann bei beiden Ausgestaltungsbeispielen erfindungsgemäßer Kreisprozessvorrichtungen 88 gemäß den 10 und 11 beispielsweise aktiv mittels einer (nicht dargestellten) Steuervorrichtung ansteuerbar sein, wodurch eine besonders exakte Steuerung der Größe des den Expansionsbereich des Axialkolbenmotors 10 gegebenenfalls umgehenden Mengenstroms des Fluids realisiert werden kann.
Alternativ kann das Ventil 120 in konstruktiv vorteilhafter Weise als selbsttätiges Überdruckventil und insbesondere als Rückschlagventil ausgebildet sein. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Öffnungsdruck des Rückschlagventils um beispielsweise zwei bar oberhalb des für den Normalbetrieb der Kreisprozessvorrichtung 88 vorgesehenen Betriebsdrucks (beziehungsweise oberhalb des oberen Grenzwerts eines entsprechenden Betriebsdruckbereichs) liegt. Um beispielsweise bei einem Anfahren der Kreisprozessvorrichtung 88 das Fluid zumindest auch über die Bypassleitung 34 des Axialkolbenmotors 10 und somit unter Umgehung des Expansionsbereichs des Axialkolbenmotors 10 durch das Kreislaufsystem der Kreisprozessvorrichtung 88 zu fördern, kann vorgesehen sein, dass ein entsprechend hoher, zu einem Öffnen des Rückschlagventils führender Fluiddruck mittels der Pumpe 92 eingestellt wird. Ein Strömen des Fluids über den Hauptabschnitt 116 des Kreislaufsystems und damit ein Einströmen des Fluids in diejenigen Zylinder 16, deren Kolben 18 sich in Stellungen befinden, die im Normalbetrieb des Axialkolbenmotors 10 Arbeitshüben zuzuordnen wären, wird dabei im Wesentlichen durch das Abdecken der diesen Zylindern 16 zugeordneten Fluidwechselöffnungen 42 durch den Drehschieber 52 erreicht. Wie bereits beschrieben wurde, kann dabei aber auch vorgesehen sein, dass sich der Drehschieber 52 langsam drehen soll, wodurch insbesondere ein Vorwärmen sämtlicher Zylinder 16 durch ein Einströmen von Fluid über die Austrittsöffnung 56 des Drehschiebers 52 in diese Zylinder 16 erreicht werden kann. Da durch ein solches Drehen des Drehschiebers 52 auch die Eintrittsöffnung 54 des Drehschiebers in Überdeckung mit den Fluidwechselöffnungen 42 kommen würde, würde dann durch den Axialkolbenmotor 10 grundsätzlich auch eine Nutzleistung erzeugt werden. Diese Nutzleistung kann durch die Erzeugung einer Bremsleistung mittels der Elektromaschine 112 kompensiert und dadurch auch die Drehung des Drehschiebers 52 soweit abgebremst werden, dass die gewünschte langsame Drehung erreicht wird.
Durch die Verwendung eines Ventils 120 in Form eines Rückschlagventils, dessen Öffnungsdruck oberhalb des für den Normalbetrieb des Axialkolbenmotors 10 vorgesehenen Betriebsdrucks liegt, würde der Axialkolbenmotor 10 nach einem Umschalten vom Bypassbetrieb in den Normalbetrieb kurzzeitig mit einem über dem vorgesehenen Betriebsdruck liegenden Fluiddruck betrieben werden. Der Axialkolbenmotor 10 würde dann infolge dieses erhöhten Fluiddrucks eine über der vorgesehenen Nutzleistung liegende Nutzleistung erzeugen und dadurch selbsttätig beziehungsweise in Wechselwirkung mit der definierten Ansteuerung der Pumpe 92 zu einer Absenkung des erhöhten Fluiddrucks auf den vorgesehenen Betriebsdruck sorgen.
Durch die Arbeit der Pumpe 92 der Kreisprozessvorrichtung 88 wird das Druckniveau gemäß dem T-S-Diagramm der 12 (theoretisch) adiabat und isentrop auf einen festgelegten Wert angefahren und ein definierter Volumenstrom sichergestellt. Vom Zustandspunkt b bis zum Zustandspunkt c findet eine (theoretisch) isobare Wärmezufuhr mit Verdampfung und Überhitzung statt. Ab dem Zustandspunkt b’ beginnt die Verdampfung, die beim Erreichen des Zustandspunkts b” abgeschlossen ist. Vom Zustandspunkt b” bis zum Zustandspunkt c wird das dampfförmige Fluid überhitzt. Die Abgabe der mechanischen Arbeit (P_mech) durch den Axialkolbenmotor 10 (Expansionsvorrichtung) findet durch eine (theoretisch) isentrope Entspannung vom Zustandspunkt c bis zum Zustandspunkt d statt. Je nach Art und Aufbau der Expansionsvorrichtung kann nun bis kurz vor das Dampfgebiet oder in das Nassdampfgebiet hinein entspannt werden. Vom Zustandspunkt d bis zum Zustandspunkt a wird das Fluid durch den Kondensator (theoretisch) isobar und isotherm verflüssigt.
Ziel der Betrachtung im T-S-Diagramm ist eine Maximierung der zugeführten Wärme vom Zustandspunkt b bis zum Zustandspunkt c und eine Reduktion der abzuführenden Wärme (q_ab) vom Zustandspunkt d bis zum Zustandspunkt a. Die eingeschlossene Fläche vom Zustandspunkt a über die Zustandspunkte b und c bis zum Zustandspunkt d soll im vorgesehenen Temperaturbereich maximiert werden. Der Wirkungsgrad eines Clausius-Rankine-Prozesses ist somit visuell als Verhältnis beider Flächen zu interpretieren (η_th = 1 - (q_ab)/(q_zu)).
Bezugszeichenliste

10: Axialkolbenmotor
12: Zylindergehäuse
14: Zylinderrohr
16: Zylinder
18: Kolben
20: Pleuel
22: Taumelscheibe
24: Taumelscheibenfuß
26: Welle
28: Längsachse der Taumelscheibe und des Taumelscheibenfußes
30: Längsachse der Zylinder
32: Längsachse/Rotationsachse der Welle und des Drehschiebers; Längsachse des Einlasses und des Dichtelements
34: Überströmkanal / Bypassleitung
36: Zylinderkopf
38: Drehschieberventil
40: Zylinderkopfplatte
42: Fluidwechselöffnung
44: Öffnung der Zylinderkopfplatte
46: Schraube
48: Zylinderkopfgehäuse
50: Gehäuse
52: Drehschieber
54: erste Durchtrittsöffnung/Eintrittsöffnung
56: zweite Durchtrittsöffnung/Austrittsöffnung
58: erster Einlass
60: Hohlraum des Drehschiebers
62: Fluidkanal
64: Auslass
66: Grundkörper des Drehschiebers
68: Basisteil des Drehschiebers
70: Dichtplatte des Drehschiebers
72: Rotationsrichtung des Drehschiebers
74: Druckkolben
76: Öffnung des Deckelteils
78: Deckelteil des Drehschiebers
80: Dichtring
82: Sicherungshülse
84: Gelenkring
86: Lagerstift
88: Kreisprozessvorrichtung
90: Verbrennungsmotor
92: Pumpe
94: Verdampfer
96: Kondensator
98: Dichtelement
100: Innenraum des Zylinderkopfs
102: Vorsprung des Drehschiebers
104: Vorsprung des Dichtelements
106: Anschlussöffnung des Drehschiebers
108: Freiraum im Einlass
110: zweiter Einlass
112: Elektromaschine
114: Tank
116: Hauptabschnitt
118: Bypassabschnitt
120: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009028467 A1 [0003]
DE 102010052508 A1 [0004]
DE 102011118622 A1 [0007]
DE 102015204367 A1 [0007]
DE 102008064015 A1 [0008]
EP 2312136 A1 [0009, 0010]
EP 2503134 A2 [0010]
WO 2015/200821 A1 [0011]

Claims

Expansionsvorrichtung für eine Kreisprozessvorrichtung mit einem Einlass (58, 110) für ein Fluid, mit einem Expansionsbereich mit Mitteln zur Erzeugung einer Antriebsleistung durch Expansion des Fluids und mit einem Auslass (64) zum Abführen des Fluids aus der Expansionsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Bypassleitung (34), die unter Umgehung des Expansionsbereichs zwischen dem Einlass (58, 110) und dem Auslass (64) verläuft.
Expansionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Einlass (58), der in fluidleitender Verbindung mit dem Expansionsbereich steht, und einen zweiten Einlass (110), der in fluidleitender Verbindung mit der Bypassleitung (34) steht.
Expansionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Ventil (120) zur Steuerung des über die Bypassleitung (34) zu führenden Mengenstroms des Fluids.
Expansionsvorrichtung gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung des Ventils (120) als selbsttätiges Überdruckventil.
Expansionsvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdruck des Überdruckventils größer als ein für den Betrieb der Expansionsvorrichtung vorgesehener Betriebsdruck ist.
Expansionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (34) über eine Ventilvorrichtung mit dem Expansionsbereich fluidleitend verbindbar ist.
Expansionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Axialkolbenmotor (10) mit einem Zylindergehäuse (12), in dem mehrere Zylinder (16) ausgebildet sind, und mit in den Zylindern (16) beweglich geführten Kolben (18), wobei die Kolben (18) an eine Schrägscheibe angebunden sind und wobei eine Strömung des in den Axialkolbenmotor (10) eingetretenen Fluids in die und aus den Zylindern (16) mittels Einlass- und Auslassventilen steuerbar ist.
Expansionsvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und/oder die Auslassventile in einer Zylinderkopfplatte (40) ausgebildete Fluidwechselöffnungen (42) umfassen, die temporär mittels eines Drehschiebers (52) freigegeben und abgedeckt werden können.
Kreisprozessvorrichtung (88) mit einem Kreislaufsystem für ein Fluid, wobei in das Kreislaufsystem - ein Verdampfer (94) zum Verdampfen des Fluids, - eine Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Fluids, - ein Kondensator (96) zum Kondensieren des Fluids und - eine Fördervorrichtung zum Fördern des Fluids in dem Kreislaufsystem integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Kreisprozessvorrichtung (88) gemäß Anspruch 9 mit einer Expansionsvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder einem der von Anspruch 2 abhängigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mit dem zweiten Einlass (110) fluidleitend verbundenen Bypassabschnitt (118) des Kreislaufsystems, in den ein Ventil (120) zur Steuerung des über die Bypassleitung (34) der Expansionsvorrichtung zu führenden Mengenstroms des Fluids integriert ist.
Kreisprozessvorrichtung (88) gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung des Ventils (120) als selbsttätiges Überdruckventil.
Kreisprozessvorrichtung (88) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdruck des Überdruckventils größer als ein für den Betrieb der Expansionsvorrichtung vorgesehener Betriebsdruck ist.
Kreisprozessvorrichtung (88) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung mechanisch mit einer Elektromaschine (112) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kreisprozessvorrichtung (88) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Bypassleitung (34) der Expansionsvorrichtung zu führende Mengenstrom des Fluids in Abhängigkeit von dem Aggregatzustand und/oder der Temperatur und/oder des Drucks des in dem Abschnitt des Kreislaufsystems, der zwischen dem Verdampfer (94) und der Expansionsvorrichtung liegt, befindlichen Fluids gesteuert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Kreisprozessvorrichtung (88) gemäß Anspruch 13 mit einer Expansionsvorrichtung gemäß Anspruch 6 oder einem der von Anspruch 6 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Elektromaschine (112) bei geöffneter Ventilvorrichtung ein von der Expansionsvorrichtung erzeugtes Drehmoment zumindest teilweise kompensiert wird.