DE102017105613A1 - Piston engine and cycle processor - Google Patents

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Abstract

Eine Kolbenmaschine (12), die ein Zylindergehäuse (44), in dem mehrere Zylinder (46, 82) ausgebildet sind, und in den Zylindern (46, 82) beweglich geführte Kolben (48, 84) umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Zylinder (46, 82) als Pumpenzylinder (84) Teil einer Pumpe (14) ist und über ein Flüssigkeitseinlassventil (90) mit einem Flüssigkeitseinlass (86) und über ein Flüssigkeitsauslassventil (92) mit einem Flüssigkeitsauslass (88) verbunden ist sowie zumindest ein anderer der Zylinder (46, 82) als Expanderzylinder (46) Teil einer Expansionsvorrichtung (10) ist und über ein Gaseinlassventil mit einem Gaseinlass (76) und über ein Gasauslassventil mit einem Gasauslass (80) verbunden ist. Dies stellt eine vorteilhafte und insbesondere strukturelle relativ einfache sowie kompakte Ausgestaltung einer Kolbenmaschine (12), die eine Expansionsvorrichtung (10) sowie eine durch die Expansionsvorrichtung (10) antreibbare Pumpe (14) integriert, dar. Die Kolbenmaschine (12) kann beispielsweise vorteilhaft in einer Kreisprozessvorrichtung zur Nutzung von Abwärme, die von einem Verbrennungsmotor (20) eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird, zur Anwendung kommen.A piston engine (12) comprising a cylinder housing (44) in which a plurality of cylinders (46, 82) are formed and pistons (48, 84) movably guided in the cylinders (46, 82) is characterized in that at least one of the cylinders (46, 82) as a pump cylinder (84) is part of a pump (14) and is connected via a liquid inlet valve (90) to a liquid inlet (86) and via a liquid outlet valve (92) to a liquid outlet (88) and at least another of the cylinders (46, 82) as an expander cylinder (46) is part of an expansion device (10) and is connected to a gas inlet (76) via a gas inlet valve and to a gas outlet (80) via a gas outlet valve. This constitutes an advantageous and in particular structural relatively simple and compact embodiment of a piston engine (12) which integrates an expansion device (10) and a pump (14) which can be driven by the expansion device (10). The piston engine (12) can be advantageous, for example a cycle device for the use of waste heat, which is provided by an internal combustion engine (20) of a drive system of a motor vehicle, are used.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine sowie eine Kreisprozessvorrichtung mit einer solchen Kolbenmaschine. Die Kreisprozessvorrichtung kann insbesondere Teil eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug sein.The invention relates to a piston engine and a cycle device with such a piston engine. In particular, the cycle device may be part of a drive system for a motor vehicle.

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 eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs zu steigern und damit den Kraftstoffverbrauch zu senken.Motor vehicles are currently mostly driven by internal combustion engines in which burned fuels and the heat energy released thereby is partially converted into mechanical work. The efficiency of reciprocating internal combustion engines, which are used almost exclusively for driving motor vehicles, is about one third of the primary energy used. Accordingly, represent two-thirds of the heat energy released during combustion waste heat, which is discharged either via the engine cooling or the exhaust system as heat loss to the environment. Utilization of this waste heat is one way to increase the overall efficiency of a drive system of a motor vehicle and thus reduce fuel consumption.

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 (Dampf-)Kreisprozessvorrichtung integriert. Die in dem Wärmetauscher von dem Abgas auf ein Arbeitsmedium der Kreisprozessvorrichtung übertragene Wärmeenergie wird in einer Expansionsvorrichtung teilweise in mechanische Energie gewandelt, 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.The DE 10 2009 028 467 A1 describes a device for using waste heat of an internal combustion engine. For this purpose, in the exhaust system of the internal combustion engine, a first heat exchanger, the evaporator, a (steam) integrated circuit process device. The heat energy transferred from the exhaust gas to a working medium of the cycle device in the heat exchanger is partially converted into mechanical energy in an expansion device, which can be used, for example, to assist the propulsion of a motor vehicle or to generate electrical energy. Downstream of the expansion device, the working medium is cooled in a second heat exchanger, the condenser, where it condenses. About a pump, an increase in pressure of the working fluid and its supply to the evaporator.

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.As an expansion device in such a system for waste heat utilization, an axial piston motor can be used, as is known from DE 10 2010 052 508 A1 is known.

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.Axial piston engines have a cylinder housing in which a plurality of cylinders are formed in an annular arrangement. In each of the cylinders, a piston is movably guided, wherein a phase offset is provided in the piston positions, based on a movement cycle of the piston ("piston cycle": OT → UT → OT or UT → OT → UT), the division between the Corresponds to cylinders. With intake and exhaust valves, a pressurized fluid is sequentially introduced into the cylinders to apply a power stroke (OT → UT) to each piston. The fluid causes movement of the respective piston and optionally expands (in a pneumatic axial piston motor). In a subsequent discharge stroke (UT → OT) of each piston, the fluid is expelled again. The movements of the pistons are transmitted via an obliquely arranged to the longitudinal axes of the cylinder plate to which the pistons are connected directly or via connecting rods to an output shaft.

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 dagegen nicht. Gleiches gilt für eine Taumelscheibe, an der die Kolben über Pleuel angebunden sind. Die Taumelscheibe liegt vielmehr 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.Axial piston engines are regularly designed in one of three designs. In the swashplate and the bent axis design, the cylinder housing rotates together with the piston. In the swashplate design, the shaft is arranged parallel to the cylinder housing and rotatably connected thereto. The movement of the piston controlling swash plate is fixed. In the oblique axis type, the longitudinal axes of the shaft, including the flange ("oblique plate") on which the pistons engage, and the cylinder are oblique to each other. In the swash plate type, however, the cylinder housing does not rotate with the piston guided therein. The same applies to a swash plate to which the pistons are connected via connecting rods. Rather, the swash plate is rotatably mounted on a swash plate, wherein the support surface of the swash plate and thus the orientation of the swash plate is aligned obliquely with respect to the longitudinal axes of the cylinder. The swash plate is rotatably connected to the shaft.

Die Einlass- und Auslassventile von Axialkolbenmotoren können in Form eines oder mehrerer Drehschieberventile ausgebildet sein (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 einem Auslass des Axialkolbenmotors verbindet.The inlet and outlet valves of axial piston motors may be in the form of one or more rotary slide valves (cf. DE 10 2011 118 622 A1 and DE 10 2015 204 367 A1 ) each having a rotatably connected to the drive or driven shaft rotary valve, which connects depending on the respective piston positions fluid exchange openings of the individual cylinder temporarily with an inlet or an outlet of the axial piston motor.

Die DE 100 54 022 A1 offenbart ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mit einer Expansionsvorrichtung in Form einer Kolbenmaschine, die mindestens zwei in Zylindern geführte Kolben aufweist. Die Zylinder-Kolben-Einheiten werden jeweils abwechselnd dazu genutzt, in einem ersten Zyklus in einem Siedebehälter verdampftes Arbeitsmedium in einen Druckkessel zu fördern, in dem dieses durch die zusätzliche Zufuhr von Wärme und flüssigem Arbeitsmedium überhitzt und auf einen hohen Druck verdichtet wird. In einem darauffolgenden zweiten Zyklus wird dieses überhitzte und unter hohem Druck stehende, gasförmige Arbeitsmedium in den Zylinder-Kolben-Einheiten entspannt, um mechanische Leistung zu erzeugen.The DE 100 54 022 A1 discloses a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine with an expansion device in the form of a piston engine having at least two cylinders guided in pistons. The cylinder-piston units are each used alternately to promote in a first cycle in a boiling vessel vaporized working fluid in a pressure vessel in which this is overheated by the additional supply of heat and liquid working fluid and compressed to a high pressure. In a subsequent second cycle, this superheated and high pressure gaseous working fluid is expanded in the cylinder-piston units to produce mechanical power.

In der DE 10 2007 006 420 A1 ist ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei der die mittels einer Expansionsvorrichtung einer Kreisprozessvorrichtung erzeugte mechanische Leistung auch zum Antrieb eines Kompressors eines Druckluftsystems eines das Abwärmenutzungssystem umfassenden Kraftfahrzeugs genutzt werden kann. Die Expansionsvorrichtung und der Kompressor können dabei in ein Gehäuse integriert sein. In the DE 10 2007 006 420 A1 A system for utilizing waste heat of an internal combustion engine is described, in which the mechanical power generated by means of an expansion device of a cycle device can also be used to drive a compressor of a compressed air system of a motor vehicle comprising the waste heat recovery system. The expansion device and the compressor can be integrated in a housing.

Die WO 2014/023295 A2 offenbart ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors, bei dem eine Speisepumpe, eine Expansionsvorrichtung und eine Elektromotor-/Generatoreinheit als eine Baueinheit ausgeführt sind.The WO 2014/023295 A2 discloses a system for utilizing waste heat of an internal combustion engine, wherein a feed pump, an expansion device and an electric motor / generator unit are designed as a structural unit.

Eine Kreisprozessvorrichtung, bei der die Pumpe für das (flüssige) Arbeitsmedium direkt von der Expansionsvorrichtung angetrieben wird, ist aus der WO 96/01362 A1 bekannt.A cycle device in which the pump for the (liquid) working medium is directly driven by the expansion device is known from US 5,156,074 WO 96/01362 A1 known.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Kreisprozessvorrichtung anzugeben, die sich durch einen einfachen strukturellen Aufbau und/oder durch einen relativ geringen Bauraumbedarf auszeichnet.The invention was based on the object of specifying a cycle device which is characterized by a simple structural design and / or by a relatively small space requirement.

Diese Aufgabe wird durch eine Kreisprozessvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 13 mit einer Kolbenmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und der erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is achieved by a cycle device according to claim 13 with a piston engine according to claim 1. Advantageous embodiments of the piston engine according to the invention and the cycle device according to the invention are objects of the other claims and / or will become apparent from the following description of the invention.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass in einer Kreisprozessvorrichtung die Antriebsleistung für die Pumpe, mit der das Fluid (Arbeitsmedium) im flüssigen Zustand in dem Kreislaufsystem gefördert werden soll, in vorteilhafter Weise durch die Expansionsvorrichtung bereitgestellt werden kann, wobei eine direkte mechanische Kopplung zwischen diesen Komponenten hinsichtlich des Wirkungsgrads vorteilhafter als beispielsweise die Wandlung von mittels der Expansionsvorrichtung erzeugter mechanischer Leistung in elektrische Leistung und die Nutzung dieser mechanischen Leistung zum Antrieb der Pumpe ist. Hinsichtlich der Erzielung eines möglichst geringen Bauraumbedarfs ist eine solche direkte Kopplung der Expansionsvorrichtung und der Pumpe erzielbar, wenn diese integral ausgebildet und insbesondere in ein gemeinsames Gehäuse integriert sind. Eine besonders kompakte Ausgestaltung kann dabei erzielt werden, wenn eine einzelne Welle der die Expansionsvorrichtung und die Pumpe integrierenden Vorrichtung einerseits als Abtriebswelle der Expansionsvorrichtung und andererseits als Antriebswelle der Pumpe kombiniert genutzt wird.The invention is based on the idea that in a cycle device, the drive power for the pump, with which the fluid (working fluid) is to be conveyed in the liquid state in the circulation system can be provided in an advantageous manner by the expansion device, wherein a direct mechanical coupling between these components in terms of efficiency more advantageous than, for example, the conversion of generated by the expansion device mechanical power into electrical power and the use of this mechanical power to drive the pump. With regard to achieving the smallest possible space requirement, such a direct coupling of the expansion device and the pump can be achieved if they are integrally formed and integrated in particular in a common housing. A particularly compact design can be achieved when a single shaft of the expansion device and the pump integrating device is used on the one hand as the output shaft of the expansion device and on the other hand combined as a drive shaft of the pump.

Dementsprechend ist erfindungsgemäß eine Kolbenmaschine vorgesehen, die zumindest ein Zylindergehäuse, in dem mehrere Zylinder ausgebildet sind, und in den Zylindern beweglich geführte Kolben umfasst. Dabei ist zumindest einer der Zylinder (als Pumpenzylinder) Teil einer Kolbenpumpe und über ein Flüssigkeitseinlassventil mit einem Flüssigkeitseinlass und über ein Flüssigkeitsauslassventil mit einem Flüssigkeitsauslass verbunden. Weiterhin ist zumindest ein anderer der Zylinder (als Expanderzylinder) Teil einer Expansionsvorrichtung und über ein Gaseinlassventil mit einem Gaseinlass und über ein Gasauslassventil mit einem Gasauslass verbunden.Accordingly, a piston engine according to the invention is provided which comprises at least one cylinder housing in which a plurality of cylinders are formed, and in the cylinders movably guided piston. In this case, at least one of the cylinders (as pump cylinder) is part of a piston pump and connected via a liquid inlet valve with a liquid inlet and a liquid outlet valve with a liquid outlet. Furthermore, at least one other of the cylinders (as expander cylinder) is part of an expansion device and connected to a gas inlet via a gas inlet valve and to a gas outlet via a gas outlet valve.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausgestaltung der Vorrichtung als Kolbenmaschine kann über die bereits genannten Vorteile, die sich aus der integralen Kombination der Expansionsvorrichtung und der Pumpe ergeben, hinaus der Vorteil einer im Hinblick auf die Abmessungen relativ hohen Leistungsfähigkeit sowohl der Expansionsvorrichtung als auch der Pumpe erreicht werden. Weiterhin kann sich eine solche Kolbenmaschine auch durch einen relativ hohen Wirkungsgrad auszeichnen.The inventively provided embodiment of the device as a piston machine can be achieved beyond the already mentioned advantages resulting from the integral combination of the expansion device and the pump, the advantage of a relatively high in terms of dimensions performance of both the expansion device and the pump , Furthermore, such a piston engine can also be characterized by a relatively high efficiency.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, den Grundgedanken der Erfindung, nämlich die Kombination einer Expansionsvorrichtung und einer Pumpe in einem gemeinsamen Gehäuse und die direkte mechanische Kopplung dieser Komponenten beziehungsweise deren gemeinsame Nutzung einer Welle ohne dazwischen liegende Komponenten, die einer bedarfsweisen Leistungsveränderung dienen (z.B. eine Kupplung, etc.) auf andere Arten von Expansionsvorrichtungen und/oder Pumpen, insbesondere in Form von Strömungsmaschinen, zu übertragen.In principle, there is also the possibility of the basic idea of the invention, namely the combination of an expansion device and a pump in a common housing and the direct mechanical coupling of these components or their sharing a wave without intervening components that serve as needed performance change (eg a clutch , etc.) to other types of expansion devices and / or pumps, in particular in the form of turbomachines to transfer.

Eine erfindungsgemäße (Dampf-)Kreisprozessvorrichtung umfasst ein Kreislaufsystem für ein Fluid, wobei in das Kreislaufsystem zumindest folgende Komponenten integriert sind:

  • - ein Verdampfer zum Verdampfen des Fluids,
  • - eine Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Fluids mit dem Ziel der Erzeugung mechanischer Leistung,
  • - ein Kondensator zum Kondensieren des Fluids und
  • - eine Pumpe zum Fördern (und vorzugsweise auch zur Druckerhöhung) des Fluids in dem Kreislaufsystem.
A (steam) cycle process device according to the invention comprises a circulation system for a fluid, wherein at least the following components are integrated into the circulation system:
  • an evaporator for evaporating the fluid,
  • an expansion device for expanding the fluid with the aim of generating mechanical power,
  • a condenser for condensing the fluid and
  • - A pump for conveying (and preferably also for increasing the pressure) of the fluid in the circulatory system.

Die Expansionsvorrichtung und die Pumpe sind dabei in Form einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine integral ausgebildet.The expansion device and the pump are integrally formed in the form of a piston engine according to the invention.

Die Kreisprozessvorrichtung kann weiterhin noch eine Elektromaschine umfassen, die mechanisch mit der Expansionsvorrichtung verbunden ist, um eine von der Expansionsvorrichtung (als Teil der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine) infolge der Expansion des Fluids erzeugte mechanische Leistung in elektrische Leistung zu wandeln. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Kolbenmaschine und die Elektromaschine eine bauliche Einheit ausbilden und gegebenenfalls in ein gemeinsames Gehäuse integriert sind. Die Erfindung betrifft demnach auch eine entsprechende Kombination einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und einer solchen Elektromaschine, die einen mit der Welle der Kolbenmaschine drehfest oder zumindest drehungsübertragend (d.h. gegebenenfalls unter Zwischenschaltung beispielsweise einer Kupplung und/oder eines Übersetzungsgetriebes) verbundenen Rotor aufweist.The cycle device may further comprise an electric machine mechanically connected to the expansion device, to convert a mechanical power generated by the expansion device (as part of the inventive piston engine) into electrical power due to the expansion of the fluid. It can also be provided that the piston engine according to the invention and the electric machine form a structural unit and optionally integrated in a common housing. Accordingly, the invention also relates to a corresponding combination of a piston engine according to the invention and such an electric machine having a rotatably connected to the shaft of the piston engine or at least rotationally transmitting (ie, optionally with the interposition of, for example, a clutch and / or a transmission gear) connected rotor.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine kann vorgesehen sein, dass das Gaseinlassventil und/oder das Gasauslassventil in Form jeweils eines Drehschieberventils oder eines kombinierten Drehschieberventils ausgebildet ist. Dazu können besonders vorzugsweise in einer Zylinderkopfplatte des Zylindergehäuses ausgebildete Fluidwechselöffnungen (Einlass- und/oder Auslassöffnungen, wobei kombinierte Einlass- und Auslassöffnungen möglich sind) vorgesehen sein, die temporär mittels eines Drehschiebers freigegeben und abgedeckt werden können. Das Flüssigkeitseinlassventil und/oder das Flüssigkeitsauslassventil können dagegen in vorteilhafter Weise in Form eines (selbsttätigen) Überdruckventils, insbesondere in Form eines Rückschlagventils, ausgebildet sein. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, (auch) das Gaseinblasventil und/oder das Gasauslassventil in Form eines Überdruckventils auszubilden und/oder das Flüssigkeitseinlassventil und/oder das Flüssigkeitsauslassventile in Form jeweils eines Drehschieberventils oder eines kombinierten Drehschieberventils auszubilden.According to a preferred embodiment of a piston engine according to the invention can be provided that the gas inlet valve and / or the gas outlet valve is in the form of a rotary valve or a combined rotary valve. For this purpose, fluid change openings formed in a cylinder head plate of the cylinder housing (inlet and / or outlet openings, wherein combined inlet and outlet openings are possible) may be provided, which may be temporarily released and covered by means of a rotary valve. On the other hand, the liquid inlet valve and / or the liquid outlet valve may advantageously be in the form of an (automatic) pressure relief valve, in particular in the form of a check valve. In principle, however, it is also possible (also) to design the gas injection valve and / or the gas outlet valve in the form of a pressure relief valve and / or to design the liquid inlet valve and / or the liquid outlet valves in the form of a rotary slide valve or a combined rotary slide valve.

Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine können mehrere, insbesondere zumindest zwei, drei, vier, fünf oder sechs Zylinder in ringförmiger Anordnung um eine Rotationsachse einer Welle der Kolbenmaschine angeordnet sein. Die Längsachsen dieser Zylinder können dabei besonders bevorzugt eine parallele Ausrichtung zu der Rotationsachse der Welle aufweisen. Bei der Welle kann es sich insbesondere um eine Abtriebswelle der Kolbenmaschine handeln, mit der eine von der in die Kolbenmaschine integrierten Expansionsvorrichtung erzeugte mechanische Leistung auf einen Abnehmer übertragen werden kann. Bei dem Abnehmer kann es sich insbesondere um eine Elektromaschine handeln, die bei der Abnahme einer durch die Expansionsvorrichtung erzeugten mechanischen Leistung generatorisch elektrische Leistung bereitstellt.According to a further preferred embodiment of a piston engine according to the invention, a plurality, in particular at least two, three, four, five or six cylinders may be arranged in an annular arrangement about an axis of rotation of a shaft of the piston engine. The longitudinal axes of these cylinders may particularly preferably have a parallel orientation to the axis of rotation of the shaft. The shaft may, in particular, be an output shaft of the piston engine with which a mechanical power generated by the expansion device integrated in the piston engine can be transmitted to a pickup. In particular, the consumer may be an electric machine that provides electric power as the mechanical power generated by the expansion device decreases.

Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung einer solchen erfindungsgemäßen Kolbenmaschine kann vorgesehen sein, dass jeweils mindestens einer der in ringförmiger Anordnung um die Rotationsachse angeordneten Zylinder ein Pumpenzylinder und ein Expanderzylinder ist. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die in ringförmiger Anordnung um die Rotationsachse angeordneten Zylinder wechselweise Pumpenzylinder und Expanderzylinder sind, d.h. in Umfangsrichtung folgt auf einen Pumpenzylinder jeweils ein Expanderzylinder und auf einen Expanderzylinder jeweils ein Pumpenzylinder. Eine solche erfindungsgemäße Kolbenmaschinen kann sich durch besonders kompakte Abmessungen auszeichnen.According to a further preferred embodiment of such a piston engine according to the invention it can be provided that in each case at least one of the cylinders arranged in an annular arrangement about the axis of rotation is a pump cylinder and an expander cylinder. Particularly preferably, it can be provided that the cylinders arranged in an annular arrangement about the axis of rotation are alternately pump cylinders and expander cylinders, i. in the circumferential direction follows on a pump cylinder in each case an expander cylinder and an expander cylinder in each case a pump cylinder. Such a piston engine according to the invention can be characterized by particularly compact dimensions.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der in dem Pumpenzylinder geführte (Pumpen-)Kolben und/oder der in dem Expanderzylinder geführte (Expander-)Kolben an eine Schrägscheibe angebunden ist/sind, wobei die Anbindungsstellen der Kolben an die Schrägscheibe eine Ebene definieren, die schräg bezüglich der Rotationsachse der Welle der Kolbenmaschine ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist die Schrägschreibe insgesamt entsprechend schräg bezüglich der Rotationsachse angeordnet.Preferably, it may be provided that the (pump) piston guided in the pump cylinder and / or the piston (expander) guided in the expander cylinder is / are connected to a swash plate, the attachment points of the pistons defining a plane on the swash plate is aligned obliquely with respect to the axis of rotation of the shaft of the piston engine. Preferably, the oblique letter is arranged correspondingly obliquely with respect to the axis of rotation.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung einer solchen Kolbenmaschine kann 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, der drehfest oder zumindest drehungsübertragend mit der Welle der Expansionsvorrichtung verbunden ist. Dabei kann die Auflagefläche des Taumelscheibenfußes und damit die Ausrichtung der Taumelscheibe schräg bezüglich der Längsachsen der Zylinder ausgerichtet sein.A particularly preferred development of such a piston engine may be designed according to the swash plate type and for this purpose comprise a swash plate in the form of a swash plate, to which the pistons are preferably connected via connecting rods. The swash plate is rotatably mounted on a swash plate, which is rotatably connected or at least rotationally connected to the shaft of the expansion device. In this case, the bearing surface of the swash plate and thus the orientation of the swash plate can be aligned obliquely with respect to the longitudinal axes of the cylinder.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine kann vorgesehen sein, dass die Längsachse zumindest eines Zylinders der einen Art (d.h. Pumpenzylinder oder Expanderzylinder), bei mehreren Zylindern dieser Art vorzugsweise die Längsachsen sämtlicher dieser Zylinder, parallel zu der Rotationsachse der Welle ausgerichtet sind und die Längsachse eines Zylinders der anderen Art (d.h. Expanderzylinder oder Pumpenzylinder), bei mehreren Zylindern dieser Art vorzugsweise die Längsachsen sämtlicher dieser Zylinder, quer, vorzugsweise senkrecht und insbesondere radial zu der Rotationsachse der Welle ausgerichtet sind. Eine solche Kolbenmaschine kann sich insbesondere durch relativ kleine Abmessungen in den Richtungen entlang der Rotationsachse der Welle auszeichnen.According to another preferred embodiment of a piston engine according to the invention, it can be provided that the longitudinal axis of at least one cylinder of one type (ie pump cylinder or expander cylinder), in the case of several cylinders of this type, preferably the longitudinal axes of all these cylinders, are aligned parallel to the axis of rotation of the shaft and Longitudinal axis of a cylinder of the other type (ie expander cylinder or pump cylinder), in the case of several cylinders of this type, preferably the longitudinal axes of all of these cylinders, transversely, preferably vertically and in particular radially aligned with the axis of rotation of the shaft. Such a piston machine can be characterized in particular by relatively small dimensions in the directions along the axis of rotation of the shaft.

Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine kann vorgesehen sein, dass der Expanderzylinder, bei mehreren Expanderzylindern vorzugsweise sämtliche der Expanderzylinder, auf einer Seite der Schrägplatte angeordnet ist und der Pumpenzylinder, bei mehreren Pumpenzylindern vorzugsweise sämtliche der Pumpenzylinder, auf der anderen Seite der Schrägplatte angeordnet ist. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Längsachsen sowohl des/der Expanderzylinder(s) als auch des/der Pumpenzylinder(s) parallel zueinander und gegebenenfalls auch parallel bezüglich der Rotationsachse der Welle ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine bereitgestellt werden, die sich insbesondere durch relativ kleine Abmessungen in Querrichtung bezüglich der Rotationsachse auszeichnet. Weiterhin kann dadurch eine relativ weite räumliche Trennung der Expansionsvorrichtung einerseits und der Pumpe andererseits innerhalb der Kolbenmaschine erreicht werden, wodurch ein Wärmeübergang von dem relativ heißen, die Expansionsvorrichtung durchströmenden, gasförmigen Fluid auf das relativ kühle, die Pumpe durchströmende, flüssige Fluid minimiert werden kann.According to a likewise preferred embodiment of an inventive Piston machine can be provided that the expander cylinder, with several expander cylinders, preferably all of the expander cylinder, is arranged on one side of the inclined plate and the pump cylinder, with several pump cylinders, preferably all of the pump cylinder, is arranged on the other side of the inclined plate. It can be particularly preferably provided that the longitudinal axes of both the / the expander cylinder (s) and the / the pump cylinder (s) are aligned parallel to each other and possibly also parallel to the axis of rotation of the shaft. In this way, a piston engine according to the invention can be provided, which is characterized in particular by relatively small dimensions in the transverse direction with respect to the axis of rotation. Furthermore, this allows a relatively wide spatial separation of the expansion device on the one hand and the pump on the other hand can be achieved within the piston engine, whereby heat transfer from the relatively hot, the expansion device flowing through the gaseous fluid can be minimized to the relatively cool, the pump flowing liquid fluid.

Gemäß einer weiterhin bevorzugten Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit einer Schrägschreibe kann auch vorgesehen sein, dass der in dem Zylinder der einen Art (d.h. Pumpenzylinder oder, vorzugsweise, Expanderzylinder) geführte Kolben, bei mehreren Zylindern dieser Art vorzugsweise sämtliche der dazugehörigen Kolben, an die Schrägscheibe angebunden ist/sind und der in dem Zylinder der anderen Art (d.h. Expanderzylinder oder, vorzugsweise, Pumpenzylinder) geführte Kolben, bei mehreren Zylindern dieser Art vorzugsweise sämtliche der dazugehörigen Kolben, durch mindestens einen Nocken der Welle betätigbar (d.h. in dem dazugehörigen Zylinder bewegbar) ist/sind beziehungsweise im Betrieb der Kolbenmaschine betätigt wird/werden. Auch eine solche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine kann sich durch relativ kleine Abmessungen, insbesondere in Querrichtung bezüglich der Rotationsachse der Welle, auszeichnen.According to a further preferred development of a piston engine according to the invention with a helical writing, it can also be provided that the piston guided in the cylinder of one type (ie pump cylinder or, preferably, expander cylinder), with several cylinders of this type, preferably all of the associated pistons, to the swash plate Tethered and are in the cylinder of the other type (ie expander cylinder or, preferably, pump cylinder) guided piston, with several cylinders of this kind, preferably all of the associated pistons actuated by at least one cam of the shaft (ie movable in the associated cylinder) is / are or is operated during operation of the piston engine / are. Also, such an embodiment of a piston engine according to the invention may be characterized by relatively small dimensions, in particular in the transverse direction with respect to the axis of rotation of the shaft.

Eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine kann vorzugsweise eine hinsichtlich des Flüssigkeitsvolumenstroms und/oder hinsichtlich des Gasvolumenstroms ungeregelte beziehungsweise nicht-regelbare Ausgestaltung aufweisen; d.h. diese integriert keine Mittel, durch die der die Kolbenmaschine durchströmende Flüssigkeitsvolumenstrom und/oder Gasvolumenstrom (unabhängig von bzw. ergänzend zu der Drehzahl der Welle der Kolbenmaschine) aktiv beeinflussbar ist. Dadurch kann eine in struktureller Hinsicht relativ einfach und somit kostengünstige Kolbenmaschine realisiert werden. Bei der Auslegung einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine kann trotz der integralen Kombination der Expansionsvorrichtung der Pumpe der durch die zu fördernde Mengenstrom in Abhängigkeit von dem Expansionsverhältnis der Expansionsvorrichtung eingestellt werden durch:

  • - eine Anpassung der Hubwege des/der Expanderkolben und des/der Pumpenkolben;
  • - einer Anpassung der Anzahlen der Zylinder-Kolben-Einheiten der Expansionsvorrichtung und der Pumpe;
  • - eine Anpassung der Totvolumina des/der Expanderzylinder und des/der Pumpenzylinder; und
  • - eine Anpassung der Durchmesser des/der Expanderzylinder und des/der Pumpenzylinder.
A piston engine according to the invention may preferably have an unregulated or non-controllable design with regard to the liquid volume flow and / or with regard to the gas volume flow; This means that it does not integrate any means by which the liquid volume flow and / or gas volume flow flowing through the piston engine (independently of or in addition to the rotational speed of the shaft of the piston engine) can be actively influenced. As a result, a structurally relatively simple and thus cost-effective piston machine can be realized. In the design of a piston engine according to the invention, despite the integral combination of the expansion device of the pump to be adjusted by the flow rate to be delivered depending on the expansion ratio of the expansion device by:
  • - An adjustment of the strokes of / the expander piston and the / the pump piston;
  • - An adjustment of the numbers of cylinder-piston units of the expansion device and the pump;
  • an adaptation of the dead volumes of the expander cylinder and the pump cylinder (s); and
  • - An adjustment of the diameter of the / the expander cylinder and the / the pump cylinder.

Eine erfindungsgemäße Kreisprozessvorrichtung kann vorzugsweise weiterhin ein vorzugsweise auf der Niedrigdruckseite der Pumpe in das Kreislaufsystem integriertes Drosselventil umfassen, wodurch trotz der erfindungsgemäßen integralen Kombination der Expansionsvorrichtung und der Pumpe in eine Kolbenmaschine eine Beeinflussung der Förderleistung der Pumpe, die unabhängig von dem Durchsatz an gasförmigem Fluid durch die Expansionsvorrichtung ist, erreicht werden. Dadurch kann eine vorteilhafte Beeinflussung des mittels der Kreisprozessvorrichtung durchführbaren Kreisprozesses, insbesondere auch hinsichtlich der Einstellung eines definierten Betriebsdruck für das der Expansionsvorrichtung zuzuführende, gasförmigen Fluid, erreicht werden.A circular process device according to the invention may preferably further comprise a preferably integrated on the low pressure side of the pump in the circulation system throttle valve, whereby despite the inventive integral combination of the expansion device and the pump in a reciprocating engine influencing the flow rate of the pump, which is independent of the flow rate of gaseous fluid through the expansion device is reached. As a result, an advantageous influencing of the cycle process which can be carried out by means of the cycle device, in particular also with regard to the setting of a defined operating pressure for the gaseous fluid to be supplied to the expansion device, can be achieved.

Ergänzend oder alternativ kann für eine erfindungsgemäße Kreisprozessvorrichtung zur Erzielung desselben Vorteils auch eine von der Hochdruckseite zu der Niedrigdruckseite der Pumpe führende Rückführleitung, in die ein Drossel- und insbesondere ein Absperrventil (durch das die Strömung des Fluids durch die Rückführleitung nicht nur gedrosselt sondern auch vollständig unterbunden werden kann, integriert ist.Additionally or alternatively, for a circuit process device according to the invention to achieve the same advantage also leading from the high pressure side to the low pressure side of the pump return line, in which a throttle and in particular a shut-off valve (through which the flow of the fluid through the return line not only throttled but also completely can be prevented is integrated.

Das oder die Drossel- oder Absperrventile können vorzugsweise mittels einer Steuerungsvorrichtung aktiv ansteuerbar ausgebildet sein.The one or more throttle or shut-off valves may preferably be actively controlled by means of a control device.

Die Erfindung betrifft auch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, das zumindest eine Brennkraftmaschine umfasst, die einen Verbrennungsmotor sowie einen Abgasstrang, über den Abgas aus dem Verbrennungsmotor abführbar ist, aufweist. Das Antriebssystem 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.The invention also relates to a drive system for a motor vehicle, which comprises at least one internal combustion engine, which has an internal combustion engine and an exhaust system via which exhaust gas can be discharged from the internal combustion engine. The drive system further comprises a circuit process device according to the invention, wherein the evaporator of the cycle device is provided and adapted to use thermal energy of the exhaust gas and / or a preferably additionally provided cooling system of the internal combustion engine for vaporizing the fluid.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, das ein solches erfindungsgemäßes Antriebssystem umfasst, wobei die Brennkraftmaschine des Antriebssystems 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. The invention further relates to a motor vehicle comprising such an inventive drive system, wherein the internal combustion engine of the drive system may be provided in particular for generating a traction drive power for the motor vehicle. The motor vehicle may in particular be a wheel-based motor vehicle (preferably a car or a truck). Use in other motor vehicles, such as rail vehicles or ships, is also possible.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

  • 1: einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung;
  • 2: ein zu einem mittels der Kreisprozessvorrichtung gemäß der 1 durchführbaren Clausius-Rankine-Prozess gehöriges T-S-Diagramm;
  • 3: in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltungsform ;
  • 4: in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform ;
  • 5: eine erfindungsgemäße (Axial-)Kolbenmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
  • 6: eine erfindungsgemäße (Axial-)Kolbenmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform; und
  • 7: eine erfindungsgemäße (Axial-)Kolbenmaschine gemäß einer dritten Ausgestaltungsform.
The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings. In the drawings shows:
  • 1 : a circuit diagram of a circuit process device according to the invention;
  • 2 to a by means of the cycle device according to the 1 feasible Clausius Rankine process associated TS diagram;
  • 3 in a schematic representation of a drive system for a motor vehicle with a circular process device according to the invention according to a first embodiment;
  • 4 in a schematic representation of a drive system for a motor vehicle with a cycle device according to the invention according to a second embodiment;
  • 5 an inventive (axial) piston engine according to a first embodiment;
  • 6 an inventive (axial) piston engine according to a second embodiment; and
  • 7 : An inventive (axial) piston engine according to a third embodiment.

Die 1 zeigt einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung. Im Betrieb der Kreisprozessvorrichtung expandiert ein verdampftes und überhitztes sowie unter Druck stehendes Fluid in einer Expansionsvorrichtung 10, die Teil einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 12 ist, wodurch ein Teil der thermischen und potentiellen Energie des Fluids in mechanische Energie gewandelt wird.The 1 shows a circuit diagram of a circuit process device according to the invention. In operation of the cycle apparatus, a vaporized and overheated and pressurized fluid expands in an expansion device 10 , the part of a piston engine according to the invention 12 is, whereby a portion of the thermal and potential energy of the fluid is converted into mechanical energy.

Das Fluid wird hierzu im flüssigen Zustand mittels einer Pumpe 14, die ebenfalls Teil der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 12 ist, zu einem Verdampfer 14 gefördert, in dem dieses durch den Übergang von Wärmeenergie erhitzt wird. Bei der Integration einer solchen erfindungsgemäßen Kreisprozessvorrichtung in ein erfindungsgemäßes Antriebssystem, wie es in Ausgestaltungsbeispielen in den 3 und 4 dargestellt ist, kann die in dem Verdampfer 16 zum Erhitzen des Fluids genutzte Wärmeenergie insbesondere aus Abgas stammen, dass durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in Brennräumen18 eines Verbrennungsmotors 20 erzeugt und über einen Abgasstrang abgeführt wurde, wobei der Verdampfer 16 derart in den Abgasstrang integriert ist, dass dieser bedarfsweise von dem Abgas durchströmt werden kann. Der Mengenstrom des den Verdampfer 16 durchströmenden Abgases und damit auch die Wärmeenergie, die in dem Verdampfer 16 von dem Abgas auf das Fluid übergehen soll, kann mittels eines Abgasventils 22 gesteuert werden, wobei derjenige Anteil des Abgases, der den Verdampfer 16 nicht durchströmen soll, über einen den Verdampfer 16 umgehenden Abgasbypass 24 geführt wird. Vor dem Erreichen des Verdampfers 16 und des Abgasbypasses 24 durchströmt das Abgas zunächst noch eine Turbine 26 eines Abgasturboladers sowie eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 28 und eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 30, beispielsweise einen Vor- und einen Hauptkatalysator. Der Abgasturbolader dient in bekannter Weise dazu, das den Brennräumen 18 zuzuführende Frischgas zu verdichten, wodurch u.a. die spezifische Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 20 erhöht werden kann.The fluid is for this purpose in the liquid state by means of a pump 14 , which is also part of the piston engine according to the invention 12 is, to an evaporator 14 promoted, in which this is heated by the transition of heat energy. In the integration of such a cycle device according to the invention in a drive system according to the invention, as in the exemplary embodiments in the 3 and 4 can be shown in the evaporator 16 used for heating the fluid heat energy, in particular from exhaust, that by the combustion of a fuel-fresh gas mixture in Brennräumen18 an internal combustion engine 20 generated and discharged via an exhaust line, wherein the evaporator 16 is integrated into the exhaust system so that it can be traversed by the exhaust gas as needed. The flow rate of the evaporator 16 flowing exhaust gas and thus the heat energy in the evaporator 16 from the exhaust gas to pass on the fluid can by means of an exhaust valve 22 be controlled, wherein that portion of the exhaust gas, the evaporator 16 should not flow through the evaporator 16 immediate exhaust bypass 24 to be led. Before reaching the evaporator 16 and the exhaust bypass 24 the exhaust gas first flows through a turbine 26 an exhaust gas turbocharger and a first exhaust aftertreatment device 28 and a second exhaust aftertreatment device 30 For example, a pilot and a main catalyst. The exhaust gas turbocharger is used in a known manner to the combustion chambers 18 To compress supplied fresh gas, which, among other things, the specific power output of the internal combustion engine 20 can be increased.

Das in dem Verdampfer 16 verdampfte und überhitzte Fluid strömt zu der Expansionsvorrichtung 10 und von dieser in einem entspannte(re)n Zustand zu einem Kondensator 32 der Kreisprozessvorrichtung. In dem Kondensator 32 wird das Fluid durch einen Wärmeübergang auf ein Kühlmedium, bei einem Antriebssystem gemäß den 3 und 4 beispielsweise auf ein Kühlmittel, das in einem auch den Verbrennungsmotor 20 integrierenden Kühlsystem 34 strömt, gekühlt. Dabei kondensiert das Fluid, so dass es im flüssigen Zustand mittels der Pumpe 14 (ggf. über einen Ausgleichsbehälter 36; vgl. 3 und 4) erneut dem Verdampfer 16 zugeführt werden kann. Aufgrund der Förderung des flüssigen Fluids mittels der Pumpe 14 wird auch eine Verdichtung des zwischen dem Verdampfer 16 und der Expansionsvorrichtung 10 im gasförmigen Zustand vorliegenden Fluids auf einen vorgesehenen Betriebsdruck erreicht, wobei die Druckerzeugung mittels der Pumpe 14 in Wechselwirkung mit der Expansion des gasförmigen Fluids in der Expansionsvorrichtung 10 steht.That in the evaporator 16 vaporized and superheated fluid flows to the expansion device 10 and from this in a relaxed (re) n state to a capacitor 32 the cycle processor. In the condenser 32 is the fluid by a heat transfer to a cooling medium, in a drive system according to the 3 and 4 for example, on a coolant that is also in an internal combustion engine 20 integrating cooling system 34 flows, cooled. In this case, the fluid condenses, so that it in the liquid state by means of the pump 14 (if necessary via an expansion tank 36 ; see. 3 and 4 ) again to the evaporator 16 can be supplied. Due to the promotion of the liquid fluid by means of the pump 14 will also be a compression of the between the evaporator 16 and the expansion device 10 achieved in the gaseous state fluid to a designated operating pressure, wherein the pressure generation by means of the pump 14 in interaction with the expansion of the gaseous fluid in the expansion device 10 stands.

Die mittels der Expansionsvorrichtung 10 durch die Entspannung des gasförmigen Fluids erzeugte mechanische Leistung dient zum einen dem Antrieb der Pumpe 14 und damit der Förderung des Fluids in dem Kreislaufsystem der Kreisprozessvorrichtung. Weiterhin dient diese der Erzeugung von elektrischer Leistung mittels einer mit einer (Abtrieb-)Welle 38 der Expansionsvorrichtung 10 beziehungsweise der Kolbenmaschine 12 mechanisch verbundenen, dabei generatorisch betriebenen Elektromaschine 40, wobei die so erzeugte elektrische Energie in einer Batterie 42 gespeichert werden kann. Diese elektrische Energie steht dann für verschiedene Funktionen eines erfindungsgemäßen, das Antriebssystem umfassenden Kraftfahrzeugs (nicht weiter dargestellt) zur Verfügung. Auch kann diese elektrische Energie zeitweise dazu genutzt werden, die Elektromaschine 40 elektromotorisch zu betreiben, um beispielsweise ein Anfahren der Kolbenmaschine 12 und damit der Kreisprozessvorrichtung zu unterstützen oder zu ermöglichen.The by means of the expansion device 10 The mechanical power generated by the expansion of the gaseous fluid on the one hand serves to drive the pump 14 and thus the delivery of the fluid in the circulatory system of the cycle device. Furthermore, this serves to generate electrical power by means of one with a (output) shaft 38 of the expansion device 10 or the piston engine 12 mechanically connected, thereby generator-operated electric machine 40 , wherein the electrical energy thus generated in a battery 42 can be stored. This electrical energy is then available for various functions of a motor vehicle according to the invention comprising the drive system (not shown). Also, this electrical energy can be used temporarily, the electric machine 40 to operate electromotive, for example, a start of the piston engine 12 and thus to assist or enable the cycle device.

Durch die Arbeit der Pumpe 14 der Kreisprozessvorrichtung wird das Druckniveau des Fluids gemäß dem T-S-Diagramm der 2 (theoretisch beziehungsweise idealisiert betrachtet) adiabat und isentrop auf einen festgelegten Wert angefahren und ein definierter Volumenstrom des Fluids sichergestellt. Vom Zustandspunkt b bis zum Zustandspunkt c findet eine (theoretisch beziehungsweise idealisiert betrachtet) 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 Leistung durch die Expansionsvorrichtung 10 findet durch eine (theoretisch beziehungsweise idealisiert betrachtet) isentrope Entspannung vom Zustandspunkt c bis zum Zustandspunkt d statt. Je nach Art und Aufbau der Expansionsvorrichtung 10 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 32 (theoretisch beziehungsweise idealisiert betrachtet) isobar und isotherm verflüssigt.Through the work of the pump 14 the cycle device, the pressure level of the fluid according to the TS diagram of 2 (considered theoretically or idealized) adiabatically and isentropically approached to a specified value and a defined volume flow of the fluid ensured. From the state point b to the state point c There is a (theoretical or idealized) isobaric heat supply with evaporation and overheating instead. From the state point b ' The evaporation begins when the state point b "is reached b " to the state point c the vaporous fluid is overheated. The delivery of mechanical power by the expansion device 10 takes place by a (theoretically or idealized) isentropic relaxation from the state point c to the state point d. Depending on the type and structure of the expansion device 10 can now be relaxed until just before the steam area or into the wet steam area. From the state point d to the state point a, the fluid passes through the condenser 32 (considered theoretically or idealized) isobaric and isothermal liquefaction.

Ziel der Betrachtung im T-S-Diagramm ist grundsätzlich eine Maximierung der zugeführten Wärme vom Zustandspunkt b bis zum Zustandspunkt c und eine Minimierung 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 der beiden Flächen in der 2 zu interpretieren (ηth = 1 - (q_ab)/(q_zu)).The aim of the consideration in the TS diagram is basically to maximize the heat supplied from the condition point b to the state point c and minimizing the dissipated heat (q_ab) from the state point d to the state point a , The enclosed area from the state point a about the condition points b and c to the state point d should be maximized in the intended temperature range. The efficiency of a Rankine process is thus visually as the ratio of the two surfaces in the 2 to interpret (η th = 1 - (q_ab) / (q_zu)).

Die 5 bis 7 zeigen drei verschiedene Ausgestaltungsbeispiele erfindungsgemäßer (Axial-)Kolbenmaschinen, die jeweils eine (Kolben-)Expansionsvorrichtung 10 und eine (Kolben-)Pumpe 14 integral kombinieren. Dabei ist die Expansionsvorrichtung 10 jeweils in Form eines Axialkolbenmotors in Taumelscheibenbauart ausgeführt.The 5 to 7 show three different embodiments of inventive (axial) piston machines, each of a (piston) expansion device 10 and a (piston) pump 14 integrally combine. Here is the expansion device 10 each carried out in the form of an axial piston motor in swash plate type.

Die Kolbenmaschine 12 umfasst jeweils ein mehrteiliges Zylindergehäuse 44, das eine Mehrzahl (beispielsweise sechs) von parallel zueinander sowie zu einer Rotationsachse einer (Abtriebs-)Welle ausgerichteten (Expander-)Zylindem 46 begrenzt, in denen jeweils ein (Expander-)Kolben 18 beweglich geführt ist. Die Expanderkolben 18 sind über jeweils einen Pleuel 50 an eine ringförmige Taumelscheibe 52 angebunden. Die Taumelscheibe 52 ist drehbar auf einem Taumelscheibenfuß 54 gelagert, der drehfest mit der Welle 38 des Axialkolbenmotors 10 verbunden ist. Die Taumelscheibe 52 sowie der Taumelscheibenfuß 54 weisen (zueinander koaxiale) Längsachsen 56 auf, die in einem definierten Winkel größer Null und kleiner 90°, insbesondere kleiner 45°, zu den Längsachsen 58 der Expanderzylinder 46 sowie zu der Längsachse/Rotationsachse 60 der Welle 38 geneigt verlaufen.The piston engine 12 each includes a multi-part cylinder housing 44 , which defines a plurality (for example, six) of (expander) cylinders 46 oriented parallel to one another and to an axis of rotation of a (driven) shaft, in each of which an (expander) piston 18 is movably guided. The expander pistons 18 are each over a connecting rod 50 to an annular swash plate 52 tethered. The swash plate 52 is rotatable on a swashplate base 54 stored, the rotation with the shaft 38 of the axial piston motor 10 connected is. The swash plate 52 as well as the swashplate foot 54 have (mutually coaxial) longitudinal axes 56 on, in a defined angle greater than zero and less than 90 °, in particular less than 45 °, to the longitudinal axes 58 the expander cylinder 46 as well as to the longitudinal axis / rotation axis 60 the wave 38 inclined.

Der Druck des nacheinander in die einzelnen Expanderzylinder 46 eintretenden, gasförmigen Fluids führt aufgrund der Schrägstellung der Taumelscheibe 52 zu einer in Umfangsrichtung gerichteten Kraftkomponente in den Anbindungsstellen der Pleuel 50 an die Taumelscheibe 52, wobei diese Kraftkomponente auf den Taumelscheibenfuß 54 übertragen wird und dadurch die gewünschte Drehung der Welle 38 bewirkt. Infolge der Drehung der Welle 38 sowie des damit drehfest verbundenen Taumelscheibenfußes 54 wird die Taumelscheibe 52 in eine taumelnde Bewegung versetzt, die zu einer Hin-und-her-Bewegung der mit der Taumelscheibe 52 über die Pleuel 50 verbundenen Expanderkolben 48 führt. Dabei bewegt sich jeder der Expanderkolben 48 zyklisch zwischen einem zu einem Zylinderkopf 62 nahe gelegenen oberen Totpunkt (OT) und einem von dem Zylinderkopf 62 entfernt gelegenen unteren Totpunkt (UT).The pressure of successively into each expander cylinder 46 entering gaseous fluid leads due to the inclination of the swash plate 52 to a circumferentially directed force component in the connection points of the connecting rods 50 to the swash plate 52 , wherein this force component on the swash plate foot 54 is transmitted and thereby the desired rotation of the shaft 38 causes. As a result of the rotation of the shaft 38 and the thus rotatably connected swash plate foot 54 becomes the swash plate 52 in a staggering motion that leads to a back-and-forth motion with the swash plate 52 over the connecting rods 50 connected expander piston 48 leads. Each of the expander pistons moves 48 cyclically between one to a cylinder head 62 Nearby top dead center (OT) and one of the cylinder head 62 distant lower dead center (UT).

Um zu verhindern, dass die Taumelscheibe 52 von der Drehbewegung des Taumelscheibenfußes 54 mitgenommen wird, ist vorgesehen, diese gegen ein Verdrehen gesichert mit dem Zylindergehäuse 44 zu verbinden. Dazu kann eine Sicherungshülse (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die mit dem Zylindergehäuse 44 verbunden ist. Die Sicherungshülse kann zudem über eine kardanartige Gelenkanordnung (nicht dargestellt) mit der Taumelscheibe 52 verbunden sein. Die Gelenkanordnung bindet die Taumelscheibe 52 drehfest an die Sicherungshülse und damit an das Zylindergehäuse 44 und lässt gleichzeitig die Taumelbewegung der Taumelscheibe 52 zu. Die Gelenkanordnung kann dazu einen Gelenkring, der über zwei Lagerstifte um eine erste Achse drehbar mit der Sicherungshülse sowie um eine zweite, zu der ersten Achse senkrecht verlaufende Achse drehbar mit der Taumelscheibe 52 verbunden ist, umfassen.To prevent the swash plate 52 from the rotational movement of the swash plate foot 54 is taken, is provided, this secured against rotation with the cylinder housing 44 connect to. For this purpose, a securing sleeve (not shown) may be provided, which is connected to the cylinder housing 44 connected is. The locking sleeve can also have a cardan-like joint arrangement (not shown) with the swash plate 52 be connected. The hinge assembly binds the swash plate 52 rotationally fixed to the locking sleeve and thus to the cylinder housing 44 while leaving the wobble of the swash plate 52 to. To this end, the joint arrangement can rotate about the two bearing pins about a first axis with the locking sleeve and about a second axis perpendicular to the first axis extending rotatably with the swash plate 52 is connected.

Die Kolben-Zylinder-Einheiten der Expansionsvorrichtungen 10 arbeiten mit zwei Takten. Die Bewegung jedes Expanderkolbens 48 ausgehend von dem OT bis zu dem UT wird durch die Expansion des in die dazugehörigen Expanderzylinder 46 einströmenden Fluids bewirkt (Arbeitstakt des jeweiligen Expanderzylinders 46 und Arbeitshub des jeweiligen Expanderkolbens 48). Bei der durch die Taumelscheibe 52 bewirkten Bewegung der Expanderkolben 48 jeweils ausgehend von dem UT bis zu dem OT wird das während des vorhergehenden Arbeitstakts entspannte Fluid aus den dazugehörigen Expanderzylindern 46 ausgestoßen (Ausstoßtakt des jeweiligen Expanderzylinders 46 und Ausstoßhub des jeweiligen Expanderkolbens 48). Das Einströmen und Ausstoßen des Fluids zu den vorgesehenen Steuerzeiten wird mittels den Expanderzylindern 46 zugeordneten Gaseinlass- und Gasauslassventilen gesteuert, die in Form eines kombinierten Drehschieberventils 64 ausgebildet sind. The piston-cylinder units of the expansion devices 10 work with two bars. The movement of each expander piston 48 starting from the OT to the UT is due to the expansion of the in the associated expander cylinder 46 inflowing fluid causes (power stroke of the respective expander cylinder 46 and working stroke of the respective expander piston 48 ). When through the swash plate 52 caused movement of expander pistons 48 from the UT to the TDC, respectively, the fluid expanded during the previous cycle is removed from the associated expander cylinders 46 ejected (exhaust stroke of the respective expander cylinder 46 and ejection stroke of the respective expander piston 48 ). The inflow and discharge of the fluid at the scheduled timing is by means of the expander cylinders 46 associated gas inlet and gas outlet valves controlled in the form of a combined rotary valve 64 are formed.

Das Drehschieberventil 64 umfasst eine Zylinderkopfplatte 66, die stirnseitig auf der von der Taumelscheibe 52 beabstandeten Seite abdichtend an dem Zylindergehäuse 44 anliegt. Die Zylinderkopfplatte 66 weist jeweils eine als kombinierte Ein- und Auslassöffnung dienende Fluidwechselöffnung 68 für jeden der Expanderzylinder 46 auf. Auf der von den Expanderzylindern 46 beabstandeten Seite der Zylinderkopfplatte 66 ist ein Drehschieber 70 angeordnet, der drehfest mit der Welle 38 verbunden ist und sich somit im Betrieb der Expansionsvorrichtung 10 beziehungsweise der Kolbenmaschine 12 relativ zu der Zylinderkopfplatte 66 dreht. Dadurch werden die Fluidwechselöffnungen 68 der Zylinderkopfplatte 66 abwechselnd und einmal je Umdrehung der Welle 38 in Überdeckung mit einer ersten Durchtrittsöffnung (Eintrittsöffnung) 72 sowie mit einer zweiten Durchtrittsöffnungen (Austrittsöffnung) 74 des Drehschiebers 70 gebracht. Die Eintrittsöffnung 72 und die Austrittsöffnung 74 sind dazu auf derselben Kreisbahn um die Rotationsachse 60 des Drehschiebers 70 angeordnet. Im Betrieb der Kolbenmaschine 12 (mit dem Ziel der Erzeugung einer mechanischen Leistung mittels der Expansionsvorrichtung 10) wird bei einer Überdeckung der Fluidwechselöffnungen 68 der Zylinderkopfplatte 66 mit der Eintrittsöffnung 72 des Drehschiebers 70 dem jeweiligen Expanderzylinder 46 über einen zentralen (d.h. koaxial bezüglich der Rotationsachse 60 des Drehschiebers 70 und der Welle 38 gelegenen) Gaseinlass 76 der Kolbenmaschine 12, über einen in den Drehschieber 70 integrierten und den Gaseinlass 76 mit der Eintrittsöffnung 72 verbindenden Fluidkanal 78 das gasförmige Fluid zugeführt. Bei einer Überdeckung der Fluidwechselöffnungen 68 mit der Austrittsöffnung 74 des Drehschiebers 70 wird das Fluid aus den jeweiligen Expanderzylindern 46 ausgestoßen und über einen Gasauslass 80 aus der Kolbenmaschine 12 abgeführt. Dabei ist die Länge der Eintrittsöffnung 72 des Drehschiebers 70 (hinsichtlich der vorgesehenen Rotationsrichtung des Drehschiebers 70) derart gewählt, dass eine Überdeckung mit immer nur der Fluidwechselöffnung 68 eines einzigen Expanderzylinders 46 gegeben ist, während die in Umfangsrichtung längere Austrittsöffnung 74 des Drehschiebers 70 ein gleichzeitiges Freigeben mehrerer Fluidwechselöffnungen 68 vorsieht.The rotary valve 64 includes a cylinder head plate 66 , which face the front of the swash plate 52 spaced side sealing to the cylinder housing 44 is applied. The cylinder head plate 66 each has a fluid exchange opening serving as a combined inlet and outlet opening 68 for each of the expander cylinders 46 on. On the from the expander cylinders 46 spaced side of the cylinder head plate 66 is a rotary valve 70 arranged, the rotation with the shaft 38 is connected and thus in the operation of the expansion device 10 or the piston engine 12 relative to the cylinder head plate 66 rotates. This will cause the fluid change openings 68 the cylinder head plate 66 alternately and once per revolution of the shaft 38 in overlap with a first passage opening (inlet opening) 72 and with a second passage openings (outlet opening) 74 of the rotary valve 70 brought. The entrance opening 72 and the exit opening 74 are on the same orbit about the axis of rotation 60 of the rotary valve 70 arranged. In operation of the piston engine 12 (with the aim of generating a mechanical power by means of the expansion device 10 ) is at a coverage of the fluid exchange openings 68 the cylinder head plate 66 with the entrance opening 72 of the rotary valve 70 the respective expander cylinder 46 via a central (ie coaxial with respect to the axis of rotation 60 of the rotary valve 70 and the wave 38 located) gas inlet 76 the piston engine 12 , about one in the rotary valve 70 integrated and the gas inlet 76 with the entrance opening 72 connecting fluid channel 78 supplied to the gaseous fluid. At an overlap of the fluid exchange openings 68 with the outlet 74 of the rotary valve 70 the fluid from the respective Expanderzylindern 46 ejected and via a gas outlet 80 from the piston engine 12 dissipated. Here is the length of the inlet opening 72 of the rotary valve 70 (Regarding the intended direction of rotation of the rotary valve 70 ) selected such that an overlap with always only the fluid exchange opening 68 a single expander cylinder 46 is given, while the longer in the circumferential direction outlet opening 74 of the rotary valve 70 a simultaneous release of several fluid exchange openings 68 provides.

Neben der Expansionsvorrichtung 10 integrieren die Kolbenmaschinen 12 gemäß den 5 bis 7 jeweils auch eine Pumpe 14, die einen oder mehrere von dem Zylindergehäuse 44 ausgebildete (Pumpen-)Zylinder 82 umfasst, in denen jeweils ein (Pumpen-)Kolben 84 beweglich geführt ist. In die Pumpenzylinder 82 mündet jeweils ein Flüssigkeitseinlass 86 sowie ein Flüssigkeitsauslass 88. In den Flüssigkeitseinlass 86 ist ein Flüssigkeitseinlassventil 90 und in den Flüssigkeitsauslass 88 ein Flüssigkeitsauslassventil 92, jeweils in Form eines Rückschlagventils, integriert. Bei einer durch die Drehung der Welle 38 bewirkten Hin- und-her-Bewegung der Pumpenkolben 84 wird, gesteuert durch die Flüssigkeitseinlassventile 90 und die Flüssigkeitsauslassventile 92, zyklisch, bei einem vom OT zum UT führenden Saughub, Fluid in flüssigem Zustand in die dazugehörigen Pumpenzylinder 82 gesaugt sowie, bei einem vom UT zum OT führenden Förderhub, das zuvor angesaugte Fluid aus den Pumpenzylindern 82 ausgestoßen.In addition to the expansion device 10 integrate the piston engines 12 according to the 5 to 7 each also a pump 14 , one or more of the cylinder housing 44 formed (pump) cylinder 82 includes, in each of which a (pump) piston 84 is movably guided. In the pump cylinder 82 each opens a liquid inlet 86 and a liquid outlet 88 , Into the liquid inlet 86 is a liquid inlet valve 90 and into the fluid outlet 88 a liquid outlet valve 92 , each in the form of a check valve, integrated. At one by the rotation of the shaft 38 caused reciprocating movement of the pump piston 84 is controlled by the liquid inlet valves 90 and the liquid outlet valves 92 , cyclically, in a suction stroke leading from the TDC to the UT, fluid in the liquid state into the associated pump cylinders 82 sucked and, in a leading from the UT to the OT delivery stroke, the previously sucked fluid from the pump cylinders 82 pushed out.

Bei den Kolbenmaschinen 12 gemäß den 5 und 6 sind die Pumpenkolben 84 ebenfalls über Pleuel 50 an die Taumelscheibe 52 angebunden und werden somit durch deren Taumelbewegung, die durch den Betrieb der Expansionsvorrichtung 10 bewirkt wird, betätigt beziehungsweise bewegt. Dabei ist bei der Kolbenmaschine 12 gemäß der 5 vorgesehen, dass auch die Längsachse 94 des Pumpenzylinders 82 (ebenso wie die Längsachsen 58 der Expanderzylinder 46) parallel bezüglich der Rotationsachse 60 der Welle 38 ausgerichtet ist, so dass bei dieser Kolbenmaschine 12 nicht nur die Expansionsvorrichtung 10 als Axialkolbenmotor sondern auch die Pumpe 14 als Axialkolbenpumpe ausgebildet ist. Im Gegensatz dazu ist bei der Kolbenmaschine 12 gemäß der 6 eine radiale Ausrichtung der Längsachse 94 des Pumpenzylinders 82 vorgesehen, so dass deren Pumpe 14 in Form einer Radialkolbenpumpe ausgebildet ist.In the piston engines 12 according to the 5 and 6 are the pump pistons 84 also over connecting rods 50 to the swash plate 52 tethered and thus are characterized by their tumbling motion, caused by the operation of the expansion device 10 is effected, actuated or moved. It is in the piston engine 12 according to the 5 provided that also the longitudinal axis 94 the pump cylinder 82 (as well as the longitudinal axes 58 the expander cylinder 46 ) parallel with respect to the axis of rotation 60 the wave 38 aligned so that in this piston engine 12 not just the expansion device 10 as axial piston motor but also the pump 14 is designed as an axial piston pump. In contrast, in the piston engine 12 according to the 6 a radial orientation of the longitudinal axis 94 the pump cylinder 82 provided so that their pump 14 is formed in the form of a radial piston pump.

Die Pumpe 14 bei der Kolbenmaschine 12 gemäß der 7 ist ebenfalls als Radialkolbenpumpe ausgebildet, so dass die Längsachse 94 des Pumpenzylinders 82 wiederum radial bezüglich der Längsachse 60 der Welle 38 ausgerichtet ist. Dabei wird jedoch eine Betätigung beziehungsweise Bewegung des Pumpenkolbens 84 mittels eines von der Welle 38 ausgebildeten Nockens 96 in Wechselwirkung mit einem Federelement 98 bewirkt. Durch eine Führung des von dem Pumpenkolben 84 beabstandeten Endes des Pleuels 50 an der als Nockenlaufbahn wirkenden Oberfläche des Nockens 96 wird bei einer Drehung der Welle 38, die durch den Betrieb der Expansionsvorrichtung 10 bewirkt wird, der Pumpenkolben 84 zyklisch ausgehend vom dazugehörigen UT zum dazugehörigen OT bewegt, während eine darauffolgende Rückbewegung vom OT zum UT durch das Federelement 98 bewirkt wird.The pump 14 in the piston engine 12 according to the 7 is also designed as a radial piston pump, so that the longitudinal axis 94 the pump cylinder 82 again radially with respect to the longitudinal axis 60 the wave 38 is aligned. In this case, however, an actuation or movement of the pump piston 84 by means of one of the shaft 38 trained cam 96 in interaction with a spring element 98 causes. By a Guide of the pump piston 84 spaced end of the connecting rod 50 on the cam track acting surface of the cam 96 becomes upon rotation of the shaft 38 caused by the operation of the expansion device 10 is effected, the pump piston 84 cyclically starting from the associated UT moves to the associated TDC, while a subsequent return movement from TDC to UT by the spring element 98 is effected.

Bei den Kolbenmaschinen 12 gemäß den 5 und 7 ist vorgesehen, dass die Expanderzylinder 46 (und damit auch die Expanderkolben 48) auf einer Seite der jeweiligen Taumelscheibe 52 angeordnet sind, während der Pumpenzylinder 82 (und damit auch der Pumpenkolben 84) auf der anderen Seite der Taumelscheibe 52 angeordnet ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, sowohl die Expanderzylinder 46 als auch den Pumpenzylinder 82 auf derselben Seite bezüglich der Taumelscheiben 52 anzuordnen. Bei einer Kolbenmaschine 12 gemäß der 5 kann hierzu insbesondere vorgesehen sein, dass die Expanderzylindern 46 und der oder die Pumpenzylinder 82 in ringförmiger Anordnung um die Rotationsachse 60 der Welle 38 angeordnet sind, wobei dabei auch eine gleiche Anzahl an Expanderzylindern 46 und Pumpenzylindern 82 und dann weiterhin eine wechselweise Anordnung in Umfangsrichtung vorgesehen sein kann.In the piston engines 12 according to the 5 and 7 is provided that the expander cylinder 46 (and thus also the expander pistons 48 ) on one side of the respective swash plate 52 are arranged while the pump cylinder 82 (and thus also the pump piston 84 ) on the other side of the swash plate 52 is arranged. Alternatively, there is also the possibility of both the expander cylinder 46 as well as the pump cylinder 82 on the same side with respect to the swash plates 52 to arrange. In a piston engine 12 according to the 5 can be provided in particular for this purpose that the expander cylinders 46 and the pump cylinder (s) 82 in an annular arrangement about the axis of rotation 60 the wave 38 are arranged, in which case an equal number of expander cylinders 46 and pump cylinders 82 and then further may be provided alternately in the circumferential direction.

Die Kolbenmaschinen 12 gemäß den 5 bis 7 sind sowohl hinsichtlich der Expansionsvorrichtung 10 als auch hinsichtlich der Pumpe 14 ungeregelt beziehungsweise nicht-regelbar ausgestaltet, so dass die Drehzahl der Welle 38 und damit die Förderleistung der jeweiligen Pumpe 14 direkt abhängig von dem Betriebsdruck des gasförmigen Fluids, dass der Expansionsvorrichtung 10 zugeführt wird, ist. Um bei der Integration einer solchen Kolbenmaschine 12 in eine Kreisprozessvorrichtung eine Beeinflussbarkeit der Förderleistung der Pumpe 14 zu realisieren, die unabhängig von dem Betrieb der dazugehörigen Expansionsvorrichtung 10 ist, kann vorgesehen sein, dass in das Kreislaufsystem stromauf der Pumpe 14 der Kolbenmaschine 12 (bezüglich der Strömung des Fluids im flüssigen Zustand) ein mittels einer Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) ansteuerbares, d.h. hinsichtlich der Drosselwirkung veränderbares, Drosselventil 100 integriert ist, wie dies für das Antriebssystem gemäß der 3 vorgesehen ist. Mittels des Drosselventils 100 kann die Menge des zu der Pumpe 14 der Kolbenmaschine 12 strömenden Fluids und damit die Förderleistung der Pumpe 14 ergänzend (zu dem Betrieb der Expansionsvorrichtung 10) beeinflusst werden.The piston engines 12 according to the 5 to 7 are both in terms of expansion device 10 as well as with regard to the pump 14 unregulated or non-controllable designed so that the speed of the shaft 38 and thus the delivery rate of the respective pump 14 directly dependent on the operating pressure of the gaseous fluid, that of the expansion device 10 is supplied is. To help with the integration of such a piston machine 12 in a circuit processing device an influenceability of the delivery rate of the pump 14 to realize, whatever the operation of the associated expansion device 10 is, it can be provided that in the circulatory system upstream of the pump 14 the piston engine 12 (with respect to the flow of the fluid in the liquid state) by means of a control device (not shown) drivable, ie changeable with respect to the throttle effect, throttle valve 100 is integrated, as for the drive system according to the 3 is provided. By means of the throttle valve 100 can the amount of to the pump 14 the piston engine 12 flowing fluid and thus the flow rate of the pump 14 in addition (to the operation of the expansion device 10 ) to be influenced.

Bei dem Antriebssystem gemäß der 4 ist alternativ für denselben Zweck eine von der Hochdruckseite zu der Niedrigdruckseite der Pumpe 14 führende Rückführleitung 102, in die ein ebenfalls mittels einer Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) ansteuerbares, d.h. hinsichtlich der Absperrwirkung veränderbares, Absperrventil 104 integriert. Zur Beeinflussung und konkret zur Reduzierung der mittels der Pumpe 14 durch den Verdampfer 16 geförderten Menge des Fluids kann somit ein Teil des zuvor mittels der Pumpe 14 geförderten Fluids über die Rückführleitung 102 und das darin integrierte (teilweise oder vollständig geöffnete) Absperrventil 104 zu der Niedrigdruckseite der Pumpe 14 zurückgeführt werden.In the drive system according to the 4 Alternatively, for the same purpose, one is from the high pressure side to the low pressure side of the pump 14 leading return line 102 , in which also by means of a control device (not shown) controllable, ie changeable in terms of Absperrwirkung, shut-off valve 104 integrated. To influence and specifically to reduce by means of the pump 14 through the evaporator 16 funded amount of fluid can thus be part of the previously by means of the pump 14 conveyed fluid via the return line 102 and the built-in (partially or fully open) shut-off valve 104 to the low pressure side of the pump 14 to be led back.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Expansionsvorrichtungexpansion device
1212
(Axial-)Kolbenmaschine(Axial) reciprocating engine
1414
(Kolben-)Pumpe(Piston) pump
1616
VerdampferEvaporator
1818
Brennraumcombustion chamber
2020
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
2222
Abgasventilexhaust valve
2424
Abgasbypassexhaust bypass
2626
Turbineturbine
2828
erste Abgasnachbehandlungsvorrichtungfirst exhaust aftertreatment device
3030
zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtungsecond exhaust aftertreatment device
3232
Kondensatorcapacitor
3434
Kühlsystemcooling system
3636
Ausgleichsbehältersurge tank
3838
(Abtriebs-)Welle(Stripping) shaft
4040
Elektromaschineelectric machine
4242
Batteriebattery
4444
Zylindergehäusecylinder housing
4646
(Expander-)Zylinder(Expander) Cylinder
4848
(Expander-)Kolben(Expander) piston
5050
Pleuelpleuel
5252
Taumelscheibeswash plate
5454
TaumelscheibenfußTaumelscheibenfuß
5656
Längsachse der Taumelscheibe und des TaumelscheibenfußesLongitudinal axis of the swash plate and the swash plate foot
5858
Längsachse des (Expander-)ZylindersLongitudinal axis of the (expander) cylinder
6060
Längsachse/Rotationsachse der Welle und des DrehschiebersLongitudinal axis / rotation axis of the shaft and the rotary valve
6262
Zylinderkopfcylinder head
6464
DrehschieberventilRotary valve
66 66
ZylinderkopfplatteCylinder head plate
6868
FluidwechselöffnungFluid exchange opening
7070
Drehschieberrotary vane
7272
erste Durchtrittsöffnung/Eintrittsöffnungfirst passage opening / inlet opening
7474
zweite Durchtrittsöffnung/Austrittsöffnungsecond passage opening / outlet opening
7676
Gaseinlassgas inlet
7878
Fluidkanalfluid channel
8080
Gasauslassgas outlet
8282
(Pumpen-)Zylinder(Pump) cylinder
8484
(Pumpen-)Kolben(Pump) piston
8686
Flüssigkeitseinlassliquid inlet
8888
Flüssigkeitsauslassliquid outlet
9090
FlüssigkeitseinlassventilLiquid inlet valve
9292
Flüssigkeitsauslassventilliquid outlet
9494
Längsachse des (Pumpen-)ZylindersLongitudinal axis of the (pump) cylinder
9696
Nockencam
9898
Federelementspring element
100100
Drosselventilthrottle valve
102102
RückführleitungReturn line
104104
Absperrventilshut-off valve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009028467 A1 [0003]DE 102009028467 A1 [0003]
  • DE 102010052508 A1 [0004]DE 102010052508 A1 [0004]
  • DE 102011118622 A1 [0007]DE 102011118622 A1 [0007]
  • DE 102015204367 A1 [0007]DE 102015204367 A1 [0007]
  • DE 10054022 A1 [0008]DE 10054022 A1 [0008]
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  • WO 2014/023295 A2 [0010]WO 2014/023295 A2 [0010]
  • WO 9601362 A1 [0011]WO 9601362 A1 [0011]

Claims (15)

Kolbenmaschine (12) mit einem Zylindergehäuse (44), in dem mehrere Zylinder (46, 82) ausgebildet sind, und mit in den Zylindern (46, 82) beweglich geführten Kolben (48, 84), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Zylinder (46, 82) als Pumpenzylinder (84) Teil einer Pumpe (14) ist und über ein Flüssigkeitseinlassventil (90) mit einem Flüssigkeitseinlass (86) und über ein Flüssigkeitsauslassventil (92) mit einem Flüssigkeitsauslass (88) verbunden ist sowie zumindest ein anderer der Zylinder (46, 82) als Expanderzylinder (46) Teil einer Expansionsvorrichtung (10) ist und über ein Gaseinlassventil mit einem Gaseinlass (76) und über ein Gasauslassventil mit einem Gasauslass (80) verbunden ist.Piston machine (12) with a cylinder housing (44) in which a plurality of cylinders (46, 82) are formed, and with in the cylinders (46, 82) movably guided piston (48, 84), characterized in that at least one of the cylinders (46, 82) as a pump cylinder (84) is part of a pump (14) and via a liquid inlet valve (90) with a liquid inlet (86) and a liquid outlet valve (92) connected to a liquid outlet (88) and at least one of the other Cylinder (46, 82) as an expander cylinder (46) is part of an expansion device (10) and is connected via a gas inlet valve with a gas inlet (76) and via a gas outlet valve with a gas outlet (80). Kolbenmaschine (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinlassventil und/oder das Gasauslassventil in Form eines Drehschieberventils (64) ausgebildet ist.Piston engine (12) according to Claim 1 , characterized in that the gas inlet valve and / or the gas outlet valve in the form of a rotary slide valve (64) is formed. Kolbenmaschine (12) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitseinlassventil (90) und/oder das Flüssigkeitsauslassventil (92) in Form eines Überdruckventils ausgebildet ist.Piston engine (12) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the liquid inlet valve (90) and / or the liquid outlet valve (92) is designed in the form of a pressure relief valve. Kolbenmaschine (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, drei, vier, fünf oder sechs der Zylinder (46, 82) in ringförmiger Anordnung um eine Rotationsachse (60) einer Welle (28) angeordnet sind.Piston engine (12) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two, three, four, five or six of the cylinders (46, 82) are arranged in an annular arrangement about an axis of rotation (60) of a shaft (28). Kolbenmaschine (12) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens einer der in ringförmiger Anordnung um die Rotationsachse (60) angeordneten Zylinder (46, 82) ein Pumpenzylinder (82) und ein Expanderzylinder (46) ist.Piston engine (12) according to Claim 4 , characterized in that in each case at least one of the cylinders (46, 82) arranged in an annular arrangement about the axis of rotation (60) is a pump cylinder (82) and an expander cylinder (46). Kolbenmaschine (12) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in ringförmiger Anordnung um die Rotationsachse (60) angeordneten Zylinder (46, 82) wechselweise Pumpenzylinder (82) und Expanderzylinder (46) sind.Piston engine (12) according to Claim 5 , characterized in that the cylinders (46, 82) arranged in an annular arrangement about the axis of rotation (60) are alternately pump cylinders (82) and expander cylinders (46). Kolbenmaschine (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Pumpenzylinder (46) geführte Kolben (84) und/oder der in dem Expanderzylinder geführte Kolben (48) an eine Schrägscheibe angebunden ist/sind, wobei die Anbindungsstellen der Kolben (46, 84) an die Schrägscheibe eine Ebene definieren, die schräg bezüglich der Rotationsachse (60) einer/der Welle (38) ausgerichtet ist.Piston engine (12) according to one of the preceding claims, characterized in that in the pump cylinder (46) guided piston (84) and / or guided in the expander cylinder piston (48) is / is connected to a swash plate, wherein the attachment points of Pistons (46, 84) to the swashplate define a plane which is obliquely aligned with respect to the axis of rotation (60) of a / the shaft (38). Kolbenmaschine (12) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägscheibe als Taumelscheibe (52) drehbar auf einem drehungsübertragend mit der Welle (38) verbundenen Taumelscheibenfuß (54) aufliegt.Piston engine (12) according to Claim 7 , characterized in that the swash plate as a swash plate (52) rotatably rests on a rotatably connected to the shaft (38) connected to the swash plate (54). Kolbenmaschine (12) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (58, 94) des Zylinders (46, 82) der einen Art parallel zu der Rotationsachse (60) und die Längsachse (94, 48) des Zylinders (82, 46) der anderen Art quer zu der Rotationsachse (60) ausgerichtet ist.Piston engine (12) according to Claim 7 or 8th characterized in that the longitudinal axis (58, 94) of the cylinder (46, 82) of one kind parallel to the axis of rotation (60) and the longitudinal axis (94, 48) of the other type cylinder (82, 46) transverse to the Rotation axis (60) is aligned. Kolbenmaschine (12) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Expanderzylinder (46) auf einer Seite der Schrägplatte und der Pumpenzylinder (82) auf der anderen Seite der Schrägplatte angeordnet ist.Piston machine (12) according to one of Claims 7 to 9 characterized in that the expander cylinder (46) is disposed on one side of the slant plate and the pump cylinder (82) on the other side of the slant plate. Kolbenmaschine (12) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Zylinder (46, 82) der einen Art geführte Kolben (48, 84) an die Schrägscheibe angebunden ist und der in dem Zylinder (82, 46) der anderen Art geführte Kolben (84, 48) durch einen Nocken (96) der Welle (38) betätigbar ist.Piston machine (12) according to one of Claims 7 to 10 , characterized in that in the cylinder (46, 82) of a kind guided piston (48, 84) is connected to the swash plate and guided in the cylinder (82, 46) of the other type piston (84, 48) a cam (96) of the shaft (38) is actuated. Kombination einer Kolbenmaschine (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Elektromaschine (40), die einen mit einer/der Welle (38) der Kolbenmaschine (12) drehungsübertragend verbundenen Rotor aufweist.Combination of a piston engine (12) according to any one of the preceding claims and an electric machine (40) having a rotatably connected to a / the shaft (38) of the piston engine (12) connected rotor. Kreisprozessvorrichtung mit einem Kreislaufsystem für ein Fluid, wobei in das Kreislaufsystem - ein Verdampfer (16) zum Verdampfen des Fluids, - eine Expansionsvorrichtung (10) zum Expandieren des Fluids, - ein Kondensator (32) zum Kondensieren des Fluids und - eine Pumpe (14) zum Fördern des Fluids in dem Kreislaufsystem integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (10) und die Pumpe (14) in Form einer Kolbenmaschine (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.Circuit process device with a circulation system for a fluid, wherein in the circulation system - an evaporator (16) for vaporizing the fluid, - an expansion device (10) for expanding the fluid, - a condenser (32) for condensing the fluid and - a pump (14 ) are integrated for conveying the fluid in the circulatory system, characterized in that the expansion device (10) and the pump (14) in the form of a piston machine (12) are designed according to one of the preceding claims. Kreisprozessvorrichtung gemäß Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein auf der Niedrigdruckseite der Pumpe (14) in das Kreislaufsystem integriertes Drosselventil (100).Circuit processing device according to Claim 13 characterized by a throttle valve (100) integrated into the circulatory system on the low pressure side of the pump (14). Kreisprozessvorrichtung (88) gemäß Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine von der Hochdruckseite zu der Niedrigdruckseite der Pumpe (14) führende Rückführleitung (102), in die ein Drosselventil (100) oder ein Absperrventil (104) integriert ist.Circuit processing device (88) according to Claim 13 or 14 characterized by a return line (102) leading from the high pressure side to the low pressure side of the pump (14) into which a throttle valve (100) or a check valve (104) is integrated.
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