DE102020103138B3

DE102020103138B3 - Reciprocating piston engine and method for operating a reciprocating piston engine

Info

Publication number: DE102020103138B3
Application number: DE102020103138.6A
Authority: DE
Inventors: Valentino De Masi
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2040-02-08

Abstract

Hubkolbenmaschine (1) mit einer Zylindereinheit (2) und einer von der Zylindereinheit (2) angetriebenen Welleneinrichtung (11), wobei die Zylindereinheit (2) einen in einem Zylinder (12) aufgenommenen Hubkolben (22) und eine Einlasseinheit (3) zum Einlassen eines mittels einer Dampferzeugungseinheit (5) verdampften Arbeitsmediums in einen Arbeitsraum (32) des Zylinders (12) und eine Auslasseinheit (4) zum Auslassen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum (32) in einem Rückstelltakt umfasst. Der Hubkolben (22) ist in einem Arbeitstakt durch das Arbeitsmedium im Arbeitsraum (32) in Richtung eines unteren Totpunkts bewegbar, sodass die Welleneinrichtung (11) angetrieben wird. Dabei ist die Dampferzeugungseinheit (5) dazu geeignet und ausgebildet ist, ein als Arbeitsmedium dienendes Wasser-Alkohol-Gemisch mittels einer der Zylindereinheit (2) zugeordneten Hochfrequenzeinrichtung (6) zur Erzeugung von elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung zu verdampfen und damit den Arbeitsraum (32) zu beaufschlagen.A reciprocating piston machine (1) with a cylinder unit (2) and a shaft device (11) driven by the cylinder unit (2), the cylinder unit (2) having a reciprocating piston (22) accommodated in a cylinder (12) and an inlet unit (3) for inlet a working medium evaporated by means of a steam generating unit (5) into a working chamber (32) of the cylinder (12) and an outlet unit (4) for discharging the working medium from the working chamber (32) in a reset cycle. The reciprocating piston (22) can be moved in one working cycle through the working medium in the working space (32) in the direction of a bottom dead center, so that the shaft device (11) is driven. The steam generating unit (5) is suitable and designed to vaporize a water-alcohol mixture serving as the working medium by means of a high-frequency device (6) assigned to the cylinder unit (2) for generating electromagnetic high-frequency radiation and thus to act on the working space (32) .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine.The present invention relates to a reciprocating piston engine according to the preamble of claim 1 and a method for operating such a reciprocating piston engine.

Bei derartigen Hubkolbenmaschinen haben die Art der Dampferzeugung und das zur Verdampfung eingesetzte Arbeitsmedium in der Regel einen besonders entscheidenden Einfluss. Beispielsweise werden die beim Betrieb verursachten Emissionen und der erzielte Wirkungsgrad dadurch erheblich beeinflusst. Eine gattungsgemäße Hubkolbenmaschine mit Wasser als Arbeitsmedium ist aus der US 2012 /0 193 064 A1 bekannt. Dabei wird das Arbeitsmedium durch eine mittels Mikrowellenbestrahlung aufgeheizte Suspension aus Edelstahlpulver und Silikonöl verdampft. Die US 2009 / 0 293 480 A1 beschreibt eine Hubkolbenmaschine mit Ethylenglycol als Arbeitsmedium.In such reciprocating piston engines, the type of steam generation and the working medium used for evaporation usually have a particularly decisive influence. For example, the emissions caused during operation and the efficiency achieved are significantly influenced by this. A reciprocating piston machine of the generic type with water as the working medium is from the US 2012/0 193 064 A1 known. The working medium is evaporated by a suspension of stainless steel powder and silicone oil heated by microwave irradiation. The US 2009/0 293 480 A1 describes a reciprocating piston engine with ethylene glycol as the working medium.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Hubkolbenmaschine in Hinblick auf das Emissionsverhalten und/oder den Wirkungsgrad zu verbessern.It is therefore the object of the present invention to improve such a reciprocating piston machine with regard to the emission behavior and / or the efficiency.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist Gegenstand des Anspruchs 13. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.This object is achieved by a reciprocating piston engine having the features of claim 1 and by a method according to claim 12. A motor vehicle according to the invention is the subject matter of claim 13. Preferred developments of the invention are the subject matter of the subclaims. Further advantages and features of the present invention emerge from the general description and the description of the exemplary embodiment.

Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine umfasst wenigstens eine Zylindereinheit und wenigstens eine von der Zylindereinheit angetriebene Welleneinrichtung. Die Zylindereinheit umfasst wenigstens einen in einem Zylinder aufgenommenen Hubkolben und wenigstens eine Einlasseinheit zum Einlassen wenigstens eines mittels wenigstens einer Dampferzeugungseinheit verdampften Arbeitsmediums in einen Arbeitsraum des Zylinders. Die Zylindereinheit umfasst wenigstens eine Auslasseinheit zum Auslassen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum insbesondere in einem Rückstelltakt. Der Hubkolben ist in einem Arbeitstakt durch das verdampfte Arbeitsmedium im Arbeitsraum in Richtung eines unteren Totpunkts bewegbar, sodass die Welleneinrichtung angetrieben wird bzw. der Arbeitsraum mit Druck beaufschlagt wird. Dabei ist die Dampferzeugungseinheit dazu geeignet und ausgebildet, ein als Arbeitsmedium dienendes Wasser-Alkohol-Gemisch mittels wenigstens einer der Zylindereinheit zugeordneten Hochfrequenzeinrichtung zu verdampfen. Die Hochfrequenzeinrichtung dient dabei zur Erzeugung von elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung. Die Dampferzeugungseinheit ist dazu geeignet und ausgebildet, mit dem derart erzeugten Dampf den Arbeitsraum zu beaufschlagen, um den Hubkolben in Richtung des unteren Totpunkts zu bewegen. Dabei ist der Hubkolben nach dem Arbeitstakt und/oder im Rückstelltakt wenigstens teilweise durch atmosphärischen Druck in Richtung eines oberen Totpunkts bewegbar.The reciprocating piston engine according to the invention comprises at least one cylinder unit and at least one shaft device driven by the cylinder unit. The cylinder unit comprises at least one reciprocating piston accommodated in a cylinder and at least one inlet unit for admitting at least one working medium vaporized by means of at least one steam generating unit into a working space of the cylinder. The cylinder unit comprises at least one outlet unit for discharging the working medium from the working space, in particular in a reset cycle. The reciprocating piston can be moved in one working cycle through the evaporated working medium in the working space in the direction of a bottom dead center, so that the shaft device is driven or the working space is pressurized. In this case, the steam generating unit is suitable and designed to evaporate a water-alcohol mixture serving as the working medium by means of at least one high-frequency device assigned to the cylinder unit. The high-frequency device serves to generate electromagnetic high-frequency radiation. The steam generation unit is suitable and designed to apply the steam generated in this way to the working space in order to move the reciprocating piston in the direction of bottom dead center. In this case, after the working cycle and / or in the reset cycle, the reciprocating piston is at least partially movable by atmospheric pressure in the direction of a top dead center.

Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bieten dabei das Wasser-Alkohol-Gemisch als Arbeitsmedium und das Verdampfen mittels der Hochfrequenzeinrichtung. Besondere Vorteile ergeben sich dabei durch die Kombination des Wasser-Alkohol-Gemisches mit der Dampferzeugung durch Hochfrequenzenergie. Die Erfindung kann emissionsfrei und mit einem besonders günstigen Wirkungsgrad betrieben werden.The reciprocating piston machine according to the invention offers many advantages. The water-alcohol mixture as the working medium and the evaporation by means of the high-frequency device offer a considerable advantage. The combination of the water-alcohol mixture and the generation of steam using high-frequency energy result in particular advantages. The invention can be operated emission-free and with a particularly favorable degree of efficiency.

In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt und vorteilhaft, dass als Alkohol für das Arbeitsmedium wenigstens Propylenglykol dient. So kann ein Gemisch aus Wasser und Propylenglykol verdampft werden. Insbesondere dient als Arbeitsmedium ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch bzw. Propylenglykol-Wasser-Gemisch. Möglich ist auch der Einsatz von anderen geeigneten Alkoholen. Das bietet eine erhebliche Verbesserung der Betriebseigenschaften der Hubkolbenmaschine.In all of the embodiments, it is particularly preferred and advantageous that at least propylene glycol is used as the alcohol for the working medium. In this way a mixture of water and propylene glycol can be evaporated. In particular, a water-propylene glycol mixture or propylene glycol-water mixture serves as the working medium. The use of other suitable alcohols is also possible. This offers a considerable improvement in the operating properties of the reciprocating piston engine.

Die Dampferzeugungseinrichtung umfasst vorzugsweise wenigstens einen Dampferzeuger. Der Dampferzeuger ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, das Arbeitsmedium außerhalb des Arbeitsraums mittels wenigstens einer Hochfrequenzeinheit der Hochfrequenzeinrichtung zu verdampfen. Eine solche Dampferzeugung bietet viele Vorteile. Der Dampferzeuger ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, das verdampfte Arbeitsmedium mittels wenigstens einer Strömungsverbindung über die Einlasseinheit dem Arbeitsraum zuzuführen. Der Dampferzeuger umfasst insbesondere wenigstens einen Dampfbehälter. Bevorzugt und vorteilhaft ist, dass die Dampferzeugungseinheit wenigstens eine Druckspeichereinrichtung umfasst. Insbesondere ist die Druckspeichereinrichtung zwischen dem Dampferzeuger und der Einlasseinheit angeordnet.The steam generating device preferably comprises at least one steam generator. The steam generator is particularly suitable and designed to evaporate the working medium outside the working space by means of at least one high-frequency unit of the high-frequency device. Such steam generation offers many advantages. The steam generator is particularly suitable and designed to supply the evaporated working medium to the working space by means of at least one flow connection via the inlet unit. The steam generator comprises in particular at least one steam container. It is preferred and advantageous that the steam generating unit comprises at least one pressure storage device. In particular, the pressure storage device is arranged between the steam generator and the inlet unit.

Insbesondere ist die Dampferzeugungseinheit dazu geeignet und ausgebildet, den Dampferzeuger mittels wenigstens einer Pumpeneinrichtung mit einem Unterdruck zu beaufschlagen. Insbesondere wird dadurch der Siedepunkt des Arbeitsmediums in Richtung einer geringeren Temperatur verschoben. So können die Betriebseigenschaften der Hubkolbenmaschine weiter verbessert werden.In particular, the steam generating unit is suitable and designed to apply a negative pressure to the steam generator by means of at least one pump device. In particular, this shifts the boiling point of the working medium in the direction of a lower temperature. In this way, the operating properties of the reciprocating piston machine can be further improved.

Es ist möglich und vorteilhaft, dass die Dampferzeugungseinheit dazu geeignet und ausgebildet ist, das Arbeitsmedium im Dampferzeuger wenigstens während einer Startphase der Hubkolbenmaschine zusätzlich mittels wenigstens einer Heizquelle zu erhitzen. Die Heizquelle umfasst insbesondere wenigstens eine elektrische Widerstandsheizquelle oder ist als eine solche ausgebildet. Möglich sind auch andere geeignete elektrisch betreibbare Heizquellen und/oder mit anderen Energieformen betreibbare Heizquellen. Insbesondere erfolgt das zusätzliche Erhitzen in Abhängigkeit der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums.It is possible and advantageous that the steam generating unit is suitable and designed to additionally heat the working medium in the steam generator at least during a starting phase of the reciprocating piston engine by means of at least one heating source. The heating source in particular comprises at least one electrical resistance heating source or is designed as such. Other suitable electrically operable heating sources and / or heating sources that can be operated with other forms of energy are also possible. In particular, the additional heating takes place as a function of the temperature of the liquid working medium.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Dampferzeugungseinheit dazu geeignet und ausgebildet, das Arbeitsmedium mittels wenigstens eines Hochfrequenzelements der Hochfrequenzeinrichtung innerhalb des Arbeitsraums wenigstens teilweise zu verdampfen und/oder zu erhitzen. Besonders bevorzugt ist die Dampferzeugungseinheit dabei dazu geeignet und ausgebildet, ein bereits außerhalb des Arbeitsraums wenigstens teilweise verdampftes Arbeitsmedium weiter zu erhitzen und/oder zu verdampfen. Eine solche Kombination bietet viele Vorteile. Möglich ist aber auch, dass das Arbeitsmedium nur mittels des Hochfrequenzelements innerhalb des Arbeitsraums verdampft wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Hubkolbenmaschine sowohl mit einer Dampferzeugung durch Hochfrequenzeinheit und Hochfrequenzelement als auch mit einer Dampferzeugung nur durch das Hochfrequenzelement oder nur durch die Hochfrequenzeinheit betreibbar ist, beispielsweise in Abhängigkeit der benötigten Leistung.In a particularly advantageous development, the steam generating unit is suitable and designed to at least partially evaporate and / or heat the working medium within the working space by means of at least one high-frequency element of the high-frequency device. The steam generating unit is particularly preferably suitable and designed to further heat and / or evaporate a working medium that has already at least partially evaporated outside the working space. Such a combination offers many advantages. However, it is also possible for the working medium to be evaporated only by means of the high-frequency element within the working space. It can be provided that the reciprocating piston machine can be operated both with steam generation by the high-frequency unit and high-frequency element and with steam generation only by the high-frequency element or only by the high-frequency unit, for example depending on the power required.

Das Hochfrequenzelement ist insbesondere wenigstens teilweise im Arbeitsraum angeordnet. Das Hochfrequenzelement erstreckt sich wenigstens abschnittsweise in den Arbeitsraum. Das Hochfrequenzelement kann auch außerhalb des Arbeitsraums angeordnet sein. Dann ist insbesondere wenigstens ein Hochfrequenz geeigneter Verbindungskanal vom Hochfrequenzelement in den Aufnahmeraum vorgesehen.The high-frequency element is in particular arranged at least partially in the work space. The high-frequency element extends at least in sections into the work space. The high-frequency element can also be arranged outside the working space. Then, in particular, at least one high-frequency suitable connection channel is provided from the high-frequency element into the receiving space.

In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass die Hochfrequenzeinheit wenigstens ein Magnetron umfasst oder als ein solches ausgebildet ist. Bevorzugt ist auch, dass das Hochfrequenzelement wenigstens ein Magnetron umfasst oder als ein solches ausgebildet ist. Das ermöglicht eine besonders zuverlässige und wirtschaftliche Dampferzeugung. Die Hochfrequenzeinheit und/oder das Hochfrequenzelement können auch als eine andere Art Hochfrequenzerzeuger ausgebildet sein. Beispielsweise können die Hochfrequenzeinheit und/oder das Hochfrequenzelement jeweils wenigstens eine Hochfrequenzdiode oder dergleichen umfassen.In all of the configurations, it is particularly preferred that the high-frequency unit comprises at least one magnetron or is designed as such. It is also preferred that the high-frequency element comprises at least one magnetron or is designed as such. This enables particularly reliable and economical steam generation. The high-frequency unit and / or the high-frequency element can also be designed as a different type of high-frequency generator. For example, the high-frequency unit and / or the high-frequency element can each include at least one high-frequency diode or the like.

Erfindungsgemäß ist der Hubkolben nach dem Arbeitstakt und/oder im Rückstelltakt wenigstens teilweise durch atmosphärischen Druck in Richtung des oberen Totpunkts bewegbar. Erfindungsgemäß kann die Hubkolbenmaschine daher auch als Atmosphärendruckmotor bezeichnet werden. Insbesondere erfolgt die Bewegung des Hubkolbens mittels des atmosphärischen Drucks während und/oder nach Abführung des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum und/oder während und/oder nach einer Kondensation des Arbeitsmediums im Arbeitsraum und/oder außerhalb des Arbeitsraums. Insbesondere ist der Hubkolben nach Erreichen des unteren Totpunkts durch atmosphärischen Druck bewegbar. Insbesondere ist die Hubkolbenmaschine dazu geeignet und ausgebildet, den Kolben nach dem Arbeitstakt und/oder im Rückstelltakt mittels atmosphärischen Drucks in Richtung des oberen Totpunkts zu bewegen.According to the invention, after the work cycle and / or in the reset cycle, the reciprocating piston is at least partially movable by atmospheric pressure in the direction of top dead center. According to the invention, the reciprocating piston machine can therefore also be referred to as an atmospheric pressure motor. In particular, the movement of the reciprocating piston takes place by means of the atmospheric pressure during and / or after the working medium has been discharged from the working space and / or during and / or after condensation of the working medium in the working space and / or outside the working space. In particular, the reciprocating piston can be moved by atmospheric pressure after it has reached bottom dead center. In particular, the reciprocating piston machine is suitable and designed to move the piston after the work cycle and / or in the reset cycle by means of atmospheric pressure in the direction of top dead center.

Vorzugsweise ist dazu ein durch den Hubkolben vom Arbeitsraum getrennter Zylinderraum mittels wenigstens einer steuerbaren Ventileinrichtung mit der Atmosphäre strömungstechnisch verbindbar. Die Ventileinrichtung umfasst insbesondere wenigstens eine Drosselklappe oder ist als eine solche ausgebildet. Die Ventileinrichtung ist wenigstens während des Arbeitstaktes wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig, geöffnet. Der Zylinderraum ist insbesondere Teil des Kurbelgehäuses oder wie durch dieses bereitgestellt.For this purpose, a cylinder chamber separated from the working chamber by the reciprocating piston can preferably be fluidically connected to the atmosphere by means of at least one controllable valve device. The valve device comprises in particular at least one throttle valve or is designed as such. The valve device is at least partially, preferably completely, open at least during the work cycle. The cylinder space is in particular part of the crankcase or as provided by it.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ventileinrichtung mittels Steuermitteln wenigstens zur Drehzahleinstellung der Hubkolbenmaschine ansteuerbar. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine andere geeignete Drehzahleinstellung und/oder Leistungseinstellung der Hubkolbenmaschine vorgesehen sein.In a particularly advantageous embodiment, the valve device can be activated by means of control means at least for setting the speed of the reciprocating piston engine. Alternatively or additionally, another suitable speed setting and / or power setting of the reciprocating piston machine can also be provided.

Es ist möglich, dass der Hubkolben nach dem Arbeitstakt in einem weiteren Arbeitstakt wenigstens teilweise durch verdampftes Arbeitsmedium in Richtung eines oberen Totpunkts bewegbar ist. Insbesondere ist dazu der Zylinderraum mittels der steuerbaren Ventileinrichtung mit dem verdampfen Arbeitsmedium beaufschlagbar.It is possible for the reciprocating piston, after the work cycle, to be at least partially movable in a further work cycle through the evaporated working medium in the direction of a top dead center. In particular, the cylinder space can be acted upon with the evaporated working medium by means of the controllable valve device.

Vorzugsweise ist die Dampferzeugungseinheit dazu geeignet und ausgebildet, die Auslasseinheit bei Erreichen und/oder nach Erreichen des unteren Totpunkts des Hubkolbens wenigstens zeitweise insbesondere mittels Stellmitteln zu öffnen, um das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum zu entlassen und für eine erneute Verdampfung bereitzustellen. Insbesondere wird das Arbeitsmedium nach dem Entlassen aus dem Arbeitsraum in den Dampferzeuger und/oder einen Vorratsbehälter gefördert. Insbesondere erfolgt das Abführen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum korrespondierend zur Bewegung des Kolbens durch den atmosphärischen Druck. Insbesondere erfolgt durch das Abführen und/oder Kondensieren des Arbeitsmediums ein Unterdruck im Arbeitsraum, welcher geringer als der atmosphärische Druck ist.The steam generating unit is preferably suitable and designed to open the outlet unit at least temporarily when the reciprocating piston has reached and / or after reaching bottom dead center, in particular by means of actuating means, in order to discharge the working medium from the working space and make it available for renewed evaporation. In particular, after it has been released from the working space, the working medium is conveyed into the steam generator and / or a storage container. In particular, the working medium is discharged from the working space in a manner corresponding to Movement of the piston through atmospheric pressure. In particular, the discharge and / or condensation of the working medium results in a negative pressure in the working space which is lower than atmospheric pressure.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Dampferzeugungseinheit dazu geeignet und ausgebildet, das Arbeitsmedium im Rückstelltakt mittels der Auslasseinheit aus dem Arbeitsraum abzuführen und mittels wenigstens einer Kondensatoreinrichtung außerhalb des Arbeitsraums zu kondensieren und vorzugsweise für eine erneute Verdampfung bereitzustellen. Die Kondensatoreinrichtung ist insbesondere ein Dampfkondensator oder umfasst wenigstens einen solchen. Die Kondensatoreinrichtung ist insbesondere mit dem Kreislauf des Arbeitsmediums strömungsverbunden. Insbesondere umfasst die Dampferzeugungseinheit wenigstens einen Förderkreislauf für das Arbeitsmedium. In a particularly advantageous development, the steam generating unit is suitable and designed to discharge the working medium in the reset cycle by means of the outlet unit from the working chamber and to condense it by means of at least one condenser device outside the working chamber and preferably to make it available for renewed evaporation. The condenser device is in particular a steam condenser or comprises at least one such. The condenser device is in particular flow-connected to the circuit of the working medium. In particular, the steam generating unit comprises at least one conveying circuit for the working medium.

Es ist vorteilhaft und besonders bevorzugt, dass die Dampferzeugungseinheit dazu geeignet und ausgebildet ist, das Arbeitsmedium mittels wenigstens einer Einspritzeinheit durch ein Einspritzen wenigstens eines Kühlmittels in den Arbeitsraum gezielt zu kondensieren. Dabei ist es bevorzugt und vorteilhaft, dass das Kühlmittel ein Wasser-Alkohol-Gemisch und insbesondere ein Wasser-Propylenglykol-Gemisch ist. Bevorzugt und vorteilhaft ist auch, dass das Kühlmittel dabei durch das Arbeitsmedium im flüssigen Zustand bereitgestellt wird. Insbesondere wird das Kühlmittel einem Kreislauf des Arbeitsmediums entnommen. Insbesondere wird das Kühlmittel nach Vermischung mit dem kondensierten Arbeitsmedium einem Kreislauf des Arbeitsmediums wieder zugeführt. Eine solche gezielte Kondensation des Arbeitsmediums im Arbeitsraum kann zusätzlich oder alternativ zu der Kondensation des Arbeitsmediums außerhalb des Arbeitsraums mittels der Kondensatoreinrichtung vorgesehen sein. Insbesondere erfolgt die Kondensation des Arbeitsmediums im Arbeitsraum in einem Rückstelltakt und/oder frühestens in einem letzten Viertel des Arbeitstaktes.It is advantageous and particularly preferred that the steam generating unit is suitable and designed to condense the working medium in a targeted manner by means of at least one injection unit by injecting at least one coolant into the working space. It is preferred and advantageous that the coolant is a water-alcohol mixture and in particular a water-propylene glycol mixture. It is also preferred and advantageous that the coolant is provided in the liquid state by the working medium. In particular, the coolant is taken from a circuit of the working medium. In particular, after mixing with the condensed working medium, the coolant is returned to a circuit of the working medium. Such a targeted condensation of the working medium in the working space can be provided in addition or as an alternative to the condensation of the working medium outside the working space by means of the condenser device. In particular, the condensation of the working medium in the working space takes place in a reset cycle and / or at the earliest in a last quarter of the working cycle.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, wie sie zuvor beschrieben wurde. Insbesondere ist das Verfahren so ausgestaltet, dass die Hubkolbenmaschine in allen zuvor beschriebenen Ausgestaltungen danach betrieben werden kann. Insbesondere ist die Hubkolbenmaschine dazu geeignet und ausgebildet, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden.The method according to the invention is used to operate a reciprocating piston engine as described above. In particular, the method is designed in such a way that the reciprocating piston machine can then be operated in all of the configurations described above. In particular, the reciprocating piston machine is suitable and designed to be operated according to the method according to the invention.

Insbesondere wird ein als Arbeitsmedium dienendes Wasser Alkohol-Gemisch, insbesondere Wasser-Propylenglykol-Gemisch, mittels von der Hochfrequenzeinrichtung erzeugter elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung verdampft. Insbesondere wird mit diesem Dampf der Arbeitsraum beaufschlagt, um den Hubkolben in Richtung des unteren Totpunktes zu bewegen. Auch das erfindungsgemäße Verfahren löst die zuvor gestellte Aufgabe besonders vorteilhaft.In particular, a water-alcohol mixture, in particular a water-propylene glycol mixture, serving as the working medium is evaporated by means of electromagnetic high-frequency radiation generated by the high-frequency device. In particular, this steam is applied to the working space in order to move the reciprocating piston in the direction of the bottom dead center. The method according to the invention also achieves the object set above particularly advantageously.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine Hubkolbenmaschine, wie sie zuvor beschrieben wurde. Die Hubkolbenmaschine des Kraftfahrzeugs wird dabei insbesondere nach dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben. Auch das Kraftfahrzeug bietet viele Vorteile und ermöglicht beispielsweise einen emissionsfreien Fahrbetrieb. Vorzugsweise ist das Kraftfahrzeug als ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug als ein Pkw ausgebildet. Möglich sind auch andere Kraftfahrzeugarten.The motor vehicle according to the invention comprises at least one reciprocating piston engine as described above. The reciprocating piston engine of the motor vehicle is operated in particular according to the method described above. The motor vehicle also offers many advantages and enables, for example, emission-free driving. The motor vehicle is preferably designed as an electric vehicle or hybrid vehicle. In particular, the motor vehicle is designed as a passenger car. Other types of motor vehicle are also possible.

Die Hubkolbenmaschine kann wenigstens zwei Zylindereinheiten oder auch eine Mehrzahl von Zylindereinheiten umfassen. Beispielsweise können drei oder vier oder fünf oder sechs oder acht oder zwölf oder mehr Zylindereinheiten vorgesehen sein. Die Zylindereinheiten können dabei einer oder mehrerer Zylinderbänke zugeordnet sein. Beispielsweise kann eine Anordnung der Zylindereinheiten in der Art eines Boxermotors oder eines V-Motors vorgesehen sein. Insbesondere ist für die Zylindereinheiten eine gemeinsame Welleneinrichtung vorgesehen. Die Welleneinrichtung umfasst insbesondere wenigstens eine Kurbelwelle. Insbesondere weist der Arbeitsraum ein in Abhängigkeit einer Stellung des Hubkolbens veränderliches Volumen auf.The reciprocating piston machine can comprise at least two cylinder units or also a plurality of cylinder units. For example, three or four or five or six or eight or twelve or more cylinder units can be provided. The cylinder units can be assigned to one or more cylinder banks. For example, the cylinder units can be arranged in the manner of a boxer engine or a V-engine. In particular, a common shaft device is provided for the cylinder units. The shaft device comprises in particular at least one crankshaft. In particular, the working space has a variable volume as a function of a position of the reciprocating piston.

Die Einlasseinheit umfasst insbesondere wenigstens ein Einlassventil. Die Auslasseinheit umfasst insbesondere wenigstens ein Auslassventil. Insbesondere sind geeignete Steuermittel zum Öffnen bzw. Schließen der Einlasseinheit und/oder der Auslasseinheit vorgesehen.In particular, the inlet unit comprises at least one inlet valve. The outlet unit comprises in particular at least one outlet valve. In particular, suitable control means are provided for opening and closing the inlet unit and / or the outlet unit.

Insbesondere ist die Hubkolbenmaschine für ein Kraftfahrzeug beispielsweise für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug vorgesehen. Insbesondere sind zur Energieversorgung der Dampferzeugungseinheit und vorzugsweise wenigstens der Hochfrequenzeinrichtung wenigstens ein Energiespeicher und vorzugsweise ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen. Die Hubkolbenmaschine ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, ein als Arbeitsmedium dienendes Wasser-Alkohol-Gemisch mittels der Hochfrequenzeinrichtung zu verdampfen und als Dampf zum Antrieb des Hubkolbens einzusetzen. Dabei wird das verdampfte Arbeitsmedium insbesondere als Heißdampf oder auch als Sattdampf eingesetzt.In particular, the reciprocating piston engine is intended for a motor vehicle, for example for an electric vehicle or hybrid vehicle. In particular, at least one energy store and preferably one electrical energy store are provided for supplying energy to the steam generating unit and preferably at least the high-frequency device. The reciprocating piston machine is particularly suitable and designed to vaporize a water-alcohol mixture serving as the working medium by means of the high-frequency device and to use it as steam to drive the reciprocating piston. The evaporated working medium is used in particular as superheated steam or as saturated steam.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.Further advantages and features of the present invention emerge from the Exemplary embodiments which are explained below with reference to the accompanying figures.

In der Figur zeigt:

1 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine.

In the figure shows:

1 a highly schematic representation of a reciprocating piston engine according to the invention.

Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine 1, wie sie beispielsweise in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Die Hubkolbenmaschine 1 kann einen oder mehrere Zylindereinheiten 2 und eine davon angetriebene Welleneinrichtung 11 aufweisen. Zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur eine Zylindereinheit 2 dargestellt. Die Zylindereinheiten 2 treiben dann eine gemeinsame Welleneinrichtung 11 und beispielsweise eine Kurbelwelle an. Die Hubkolbenmaschine 1 wird hier nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben.The 1 shows a reciprocating piston engine according to the invention 1 as used, for example, in a motor vehicle according to the invention. The reciprocating engine 1 can be one or more cylinder units 2 and a shaft device driven thereby 11 exhibit. For the sake of clarity, there is only one cylinder unit here 2 shown. The cylinder units 2 then drive a common shaft device 11 and for example a crankshaft. The reciprocating engine 1 is operated here according to the method according to the invention.

Die Zylindereinheit 2 umfasst einen Hubkolben 22, welcher in einem Zylinder 12 zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) bewegbar ist. In der hier gezeigten Darstellung befindet sich der Hubkolben 22 am UT.The cylinder unit 2 includes a reciprocating piston 22nd which in a cylinder 12th is movable between a top dead center (OT) and a bottom dead center (BDC). In the illustration shown here, the reciprocating piston is located 22nd at UT.

Die Zylindereinheit 2 umfasst zudem eine als Einlassventil ausgebildete Einlasseinheit 3 zum Einlassen eines Arbeitsmediums in einen Arbeitsraum 32 des Zylinders 12. Zudem umfasst die Zylindereinheit 2 eine als Auslassventil ausgebildete Auslasseinheit 4 zum Auslassen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum 32. Der Hubkolben 22 begrenzt hier im Zylinder 12 nach oben den Arbeitsraum 32 und nach unten einen Zylinderraum 42 bzw. ein Kurbelgehäuse. Der Hubkolben 22 ist über ein Pleuel 52 mit der Welleneinrichtung 11 verbunden.The cylinder unit 2 also includes an inlet unit designed as an inlet valve 3 for admitting a working medium into a working space 32 of the cylinder 12th . Also includes the cylinder unit 2 an outlet unit designed as an outlet valve 4th to let the working medium out of the working area 32 . The reciprocating piston 22nd limited here in the cylinder 12th up the work area 32 and down a cylinder space 42 or a crankcase. The reciprocating piston 22nd is about a connecting rod 52 with the shaft device 11 connected.

Das Arbeitsmedium wird mittels einer Dampferzeugungseinheit 5 verdampft und über die Einlasseinheit 3 in den Arbeitsraum 32 eingelassen. Durch die Beaufschlagung des Arbeitsraums 32 mit Dampf bewegt sich der Hubkolben 22 in einem Arbeitstakt in Richtung des UT, sodass die Welleneinrichtung 11 gedreht wird.The working medium is generated by means of a steam generating unit 5 evaporated and via the inlet unit 3 in the work room 32 let in. By loading the work area 32 the piston moves with steam 22nd in one work cycle in the direction of BDC, so that the shaft device 11 is rotated.

Die Dampferzeugungseinheit 5 umfasst eine Hochfrequenzeinrichtung 6 zur Erzeugung von elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung. Dabei wird ein als Arbeitsmedium dienendes Wasser-Propylenglykol-Gemisch durch die erzeugte Hochfrequenzenergie verdampft. Die Hochfrequenzstrahlung liegt insbesondere im Mikrowellenbereich.The steam generating unit 5 includes a high frequency device 6th for generating electromagnetic high frequency radiation. A water-propylene glycol mixture serving as the working medium is evaporated by the generated high-frequency energy. The high-frequency radiation is particularly in the microwave range.

Zur Dampferzeugung umfasst die Dampferzeugungseinheit 5 hier einen Dampferzeuger 15 mit einer Mehrzahl von Hochfrequenzeinheiten 16. Die Hochfrequenzeinheiten 16 sind hier als Magnetrone 36 ausgebildet und erhitzen das Gemisch aus Propylenglykol und Wasser, sodass Propylenglykol-Wasserdampf entsteht. Der erzeugte Heißdampf strömt vom Dampferzeuger 15 über entsprechende Leitungen zur Einlasseinheit 3.The steam generation unit comprises the steam generation 5 here a steam generator 15th with a plurality of high frequency units 16 . The high frequency units 16 are here as magnetrons 36 formed and heat the mixture of propylene glycol and water, so that propylene glycol water vapor is formed. The superheated steam generated flows from the steam generator 15th via corresponding lines to the inlet unit 3 .

Der Dampferzeuger 15 umfasst hier zudem eine Heizquelle 35 und beispielsweise einen elektrischen Heizstab. Die Heizquelle 35 unterstützt die Magnetrone 36 bei der Dampferzeugung zu Beginn, um den Motor schnellstmöglich bzw. zügig starten zu können.The steam generator 15th also includes a heat source here 35 and for example an electric heating rod. The heating source 35 supports the magnetrons 36 when generating steam at the beginning, so that the engine can be started as quickly as possible.

Zudem umfasst die Dampferzeugungseinheit 5 hier eine Pumpeneinrichtung 25 zur Erzeugung eines Unterdrucks im Tank bzw. Druckbehälter des Dampferzeugers 15. Dadurch sinkt die Siedetemperatur des Arbeitsmediums und es kommt zu einer zügigeren Verdampfung. Zudem ist hier zwischen dem Dampferzeuger 15 und der Einlasseinheit 3 ein Druckspeicher 55 angeordnet.It also includes the steam generating unit 5 here a pump device 25th for generating a negative pressure in the tank or pressure vessel of the steam generator 15th . As a result, the boiling temperature of the working medium drops and evaporation occurs more quickly. In addition, here is between the steam generator 15th and the inlet unit 3 a pressure accumulator 55 arranged.

Die Einlasseinheit 3 entlässt den heißen Propylenglykol-Wasserdampf in den Arbeitsraum 32, sodass dieser sich mit dem Dampf füllt. Der Kolben bewegt sich dabei von der OT-Position in Richtung UT.The inlet unit 3 releases the hot propylene glycol steam into the work area 32 so that it fills with steam. The piston moves from the TDC position in the direction of BDC.

Um den Propylenglykol-Wasserdampf im Arbeitsraum 32 zusätzlich zu erhitzen bzw. weiter zu verdampfen, umfasst die Hochfrequenzeinrichtung 6 hier ein in der Zylindereinheit 2 angeordnetes Hochfrequenzelement 26. Das Hochfrequenzelement 26 ist hier beispielsweise als ein Magnetron 36 ausgebildet und sendet seine Hochfrequenzenergie gezielt in den Arbeitsraum 32.Around the propylene glycol steam in the work room 32 In addition to heating or further evaporation, the high-frequency device comprises 6th here one in the cylinder unit 2 arranged high frequency element 26th . The high frequency element 26th is here for example as a magnetron 36 trained and sends its high-frequency energy specifically into the work area 32 .

Während der Bewegung des Hubkolbens 22 in Richtung UT wird hier die Luft, welche sich im Zylinderraum 42 bzw. Kurbelwellengehäuse befindet, über eine Ventileinrichtung 7 aus der Zylindereinheit 2 herausgedrückt. Dazu ist die Ventileinrichtung 7 hier beispielsweise als Drosselklappe 17 ausgebildet, welche über hier nicht näher dargestellte Stellmittel gezielt angesteuert werden kann.During the movement of the reciprocating piston 22nd in the direction of BDC is the air that is in the cylinder space 42 or crankshaft housing is located, via a valve device 7th from the cylinder unit 2 pushed out. This is the valve device 7th here, for example, as a throttle valve 17th formed, which can be controlled in a targeted manner via actuating means, not shown in detail here.

Nach dem Arbeitstakt bzw. wenn sich der Hubkolben 22 am OT befindet, wird die Auslasseinheit 4 hier kurzzeitig geöffnet, um überschüssigen Propylenglykol-Wasserdampf zu entlassen. Anschließend wird die Auslasseinheit 4 wieder geschlossen. Der ausgelassene Dampf wird hierzu einer Kondensatoreinrichtung 8 geleitet und dort wieder verflüssigt. Das flüssige Arbeitsmedium strömt dann über eine hier nicht näher dargestellte Leitung zurück in den Tank des Dampferzeugers 15.After the work cycle or when the reciprocating piston 22nd is at TDC, the exhaust unit becomes 4th briefly opened here to release excess propylene glycol steam. Then the outlet unit 4th closed again. The released steam is used for this purpose in a condenser device 8th directed and liquefied there again. The liquid working medium then flows back into the tank of the steam generator via a line not shown in detail here 15th .

Nach dem Arbeitstakt bzw. im Rückstelltakt wird hier über eine Einspritzeinheit 9 flüssiges bzw. kaltes Propylenglykol-Wasser-Gemisch in den Arbeitsraum 32 eingespritzt. Dadurch Kühlen der Dampf und die Luft im Arbeitsraum 32 schlagartig ab. Im Arbeitsraum 32 entsteht ein Unterdruck und der Hubkolben 22 wird vom Atmosphärendruck wieder in Richtung OT bewegt. Das flüssige Arbeitsmedium wird hier aus einem Behälter 45 entnommen, welcher mit der Kondensatoreinrichtung 8 in Strömungsverbindung steht.After the work cycle or in the reset cycle, an injection unit is used here 9 liquid or cold propylene glycol-water mixture into the work area 32 injected. This cools the steam and the air in the work area 32 abruptly from. In the work room 32 a negative pressure is created and the reciprocating piston 22nd is moved back from the atmospheric pressure in the direction of TDC. The liquid working medium is here from a container 45 taken, which with the capacitor device 8th is in flow connection.

Über die Drosselklappe 17 der Ventileinrichtung 7 kann hier der Druckausgleich im Zylinderraum 42 reguliert werden, sodass darüber auch die Drehzahl des Motors reguliert werden kann. Nachdem sich der Hubkolben 22 wieder in Richtung OT bewegt hat bzw. auf OT-Position ist, wiederholen sich die zuvor beschriebenen Takte.Via the throttle valve 17th the valve device 7th the pressure equalization in the cylinder space can be achieved here 42 can be regulated so that the speed of the motor can also be regulated. After the reciprocating piston 22nd has moved again in the direction of TDC or is in TDC position, the cycles described above are repeated.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: HubkolbenmaschineReciprocating engine
22: ZylindereinheitCylinder unit
33: EinlasseinheitInlet unit
44th: AuslasseinheitOutlet unit
55: DampferzeugungseinheitSteam generating unit
66th: HochfrequenzeinrichtungHigh frequency device
77th: VentileinrichtungValve device
88th: KondensatoreinrichtungCondenser device
99: EinspritzeinheitInjection unit
1111: WelleneinrichtungShaft device
1212th: Zylindercylinder
1515th: DampferzeugerSteam generator
1616: HochfrequenzeinheitHigh frequency unit
1717th: Drosselklappethrottle
2222nd: HubkolbenReciprocating piston
2525th: PumpeneinrichtungPump device
2626th: HochfrequenzelementHigh frequency element
3232: Arbeitsraumworking space
3535: HeizquelleHeating source
3636: MagnetronMagnetron
4242: ZylinderraumCylinder space
4545: Behältercontainer
5252: PleuelConnecting rod
5555: DruckspeicherPressure accumulator

Claims

Reciprocating piston machine (1) with at least one cylinder unit (2) and at least one shaft device (11) driven by the cylinder unit (2), the cylinder unit (2) having at least one reciprocating piston (22) accommodated in a cylinder (12) and at least one inlet unit ( 3) for admitting at least one working medium evaporated by means of at least one steam generating unit (5) into a working chamber (32) of the cylinder (12) and at least one outlet unit (4) for discharging the working medium from the working chamber (32) in a reset cycle, and wherein the The reciprocating piston (22) can be moved in one working cycle through the working medium in the working space (32) in the direction of a bottom dead center, so that the shaft device (11) is driven, characterized in that the steam generating unit (5) is suitable and designed to act as a working medium serving water-alcohol mixture by means of at least one high-frequency device assigned to the cylinder unit (2) ung (6) to generate electromagnetic high-frequency radiation and thus to act on the working space (32) and that the reciprocating piston (22) after the working cycle and / or in the reset cycle is at least partially movable by atmospheric pressure in the direction of a top dead center.

Reciprocating piston machine (1) according to the preceding claim, wherein at least propylene glycol is used as the alcohol for the working medium.

The reciprocating piston engine (1) according to any one of the preceding claims, wherein the steam generating unit (5) comprises at least one steam generator (15) which is suitable and designed to supply the working medium outside the working space (32) by means of at least one high-frequency unit (16) of the high-frequency device (6 ) to evaporate and to supply the evaporated working medium via the inlet unit (3) to the working space (32).

Reciprocating piston engine (1) according to the preceding claim, wherein the steam generating unit (5) is suitable and designed to apply a negative pressure to the steam generator (15) by means of at least one pump device (25) in order to lower the boiling point of the working medium in the direction of a lower temperature move.

Reciprocating piston engine (1) according to one of the two preceding claims, wherein the steam generating unit (5) is suitable and designed to additionally heat the working medium in the steam generator (15) at least during a starting phase of the reciprocating piston engine (1) by means of at least one heating source (35).

Reciprocating piston engine (1) according to one of the preceding claims, wherein the steam generating unit (5) is suitable and designed to evaporate the working medium by means of at least one high-frequency element (26) of the high-frequency device (5) within the working space (32).

Reciprocating piston machine (1) according to one of the two preceding claims, wherein the high-frequency unit (16) and / or the high-frequency element (26) comprise at least one magnetron (36).

Reciprocating piston machine (1) according to one of the preceding claims, wherein for this purpose a cylinder chamber (42) separated from the working chamber (32) by the reciprocating piston (22) can be fluidically connected to the atmosphere by means of at least one controllable valve device (7) and wherein the valve device (7) is at least partially open at least during the work cycle and / or wherein the valve device (7) can be controlled by means of control means at least for setting the speed of the reciprocating piston engine (1).

Reciprocating piston machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the steam generating unit (5) is suitable and designed to open the outlet unit (4) at least temporarily when the reciprocating piston (22) has reached and / or after reaching the bottom dead center in order to open the working medium to be released from the work space (32) and made available for renewed evaporation.

Reciprocating piston engine (1) according to one of the preceding claims, wherein the steam generating unit (5) is suitable and designed to discharge the working medium in the reset cycle by means of the outlet unit (4) from the working chamber (32) and by means of at least one condenser device (8) outside the working chamber (32) to condense and make available for renewed evaporation.

Reciprocating piston engine (1) according to one of the preceding claims, wherein the steam generating unit (5) is suitable and designed to condense the working medium in a targeted manner by means of at least one injection unit (9) by injecting a coolant into the working space (32) and wherein the coolant is a Is a water-alcohol mixture and is provided by a liquid working medium.

Method for operating a reciprocating piston engine (1) according to one of the preceding claims.

Motor vehicle with at least one reciprocating piston engine (1) according to one of the Claims 1 to 11 .