EP2598719A1 - Über einen dampfkraftprozess antreibbare kolbenmaschine - Google Patents

Über einen dampfkraftprozess antreibbare kolbenmaschine

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Publication number
EP2598719A1
EP2598719A1 EP11729990.9A EP11729990A EP2598719A1 EP 2598719 A1 EP2598719 A1 EP 2598719A1 EP 11729990 A EP11729990 A EP 11729990A EP 2598719 A1 EP2598719 A1 EP 2598719A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
piston
rod
bore
cylinder piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11729990.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nadja Eisenmenger
Hans-Christoph Magel
Andreas Wengert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2598719A1 publication Critical patent/EP2598719A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with crankshaft
    • F01B9/023—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with crankshaft of Bourke-type or Scotch yoke

Definitions

  • the invention relates to a drivable via a steam power piston engine. Specifically, the invention relates to a piston engine which can be driven by a steam power process and serves to utilize the waste heat of an internal combustion engine.
  • the piston engine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an advantageous operation of the piston engine is also possible when using water or other, poorly lubricating working fluids. This affects among other things in a reduced wear on the cylinder piston and in a longer
  • piston engine which can be driven via the steam power process
  • an internal combustion engine in order to convert the waste heat of the internal combustion engine via the steam power process into additional drive energy.
  • Such a combination for waste heat utilization is particularly efficient in a commercial vehicle, since here the internal combustion engine gives off a large power and thus a large amount of heat for steam generation is available. As a result, the fuel consumption can be reduced.
  • Piston machine can be achieved as well as for the internal combustion engine and thus the mechanical energy emitted by the piston engine can be delivered directly to the crankshaft of the diesel engine or gas engine.
  • a piston engine can be conveniently mounted in a limited space on an internal combustion engine.
  • the steam process can be configured as an ORC process (Organic Rankine Cycle Process).
  • ORC process Organic Rankine Cycle Process
  • the thermal energy of the waste heat is converted into mechanical energy via the ORC process.
  • the waste heat from an exhaust gas of the internal combustion engine or an exhaust gas recirculation can advantageously be transmitted via a heat exchanger to the working fluid of the ORC process.
  • the working fluid may in this case be based at least essentially on water.
  • the working fluid can be evaporated. This steam can then be expanded in the piston machine serving as an expansion machine, whereby the mechanical energy is recovered. The working fluid is then in a
  • Cooled condenser and fed to a pump.
  • the working fluid can thereby be compressed in the liquid phase by the pump to the pressure level for re-evaporation at the heat exchanger. As a result, the cycle is closed.
  • an outer diameter of an outer side of the cylinder piston is smaller than an inner diameter of the cylinder bore.
  • Cylinder piston and the cylinder bore (cylinder wall) no force is transmitted.
  • Cylinder piston in this case has a sufficient circumferential gap to the
  • a stable and well-guided bearing for the cylinder piston can be realized.
  • the occurrence of wear is critical because it works with a poorly lubricating working fluid (working fluid).
  • working fluid working fluid
  • the working piston can work with water vapor, which has no lubricity.
  • water vapor which has no lubricity.
  • at least one sealing element is arranged on the outside of the cylinder piston.
  • Recess is configured that the sealing element is designed as an annular sealing element and that the annular sealing element is inserted into the circumferential recess on the outside of the cylinder piston. Specifically, the circumferential
  • Recess may be formed on the outside of the cylinder piston by a circumferential annular groove.
  • the tightness on the cylinder piston can be increased in an advantageous manner in order to prevent or at least reduce an undesired escape of the gaseous working fluid, in particular of the water vapor, via the gap between the cylinder piston and the cylinder bore.
  • additional sealing elements in the form of piston rings or the like can be used.
  • Cylinder piston is connected, that the bearing point is formed by a bearing bore in which the rod is guided and that the cylinder piston is aligned by the leadership of the rod in the bearing bore at least approximately centered on a longitudinal axis of the cylinder bore.
  • the bearing bore may for example be designed on a housing part which is arranged between the cylinder bore and a crankshaft space.
  • a lubricating oil may be provided in the crankshaft space to lubricate a crankshaft and other components disposed in the crankshaft space.
  • Bearing point is guided in the crankshaft space that in the crankshaft space the Crankshaft is arranged and that the rod cooperates by means of a crank loop with the crankshaft.
  • At least one further cylinder bore, a further cylinder piston arranged in the further cylinder bore, which delimits a further working space in the further cylinder bore, a further rod which is at least indirectly connected to the further cylinder piston and at least one further bearing point are provided wherein the further rod is mounted on the further bearing point and wherein between the further cylinder piston and the further cylinder bore, a circumferential gap is predetermined.
  • the further rod is substantially rigidly connected to the other cylinder piston, that the further bearing point is formed by a further bearing bore, in which the further rod is guided, and that the further cylinder piston by the leadership of the further rod in the further bearing bore is aligned at least approximately centered on a longitudinal axis of the further cylinder bore.
  • the further rod is in this case preferably connected to a crank arranged in the piston chamber.
  • Crank grinding drive can be realized.
  • the two bearing points such as the entire remaining crank drive
  • In the oil sector can be realized by a stable and well-managed storage. This may optionally be provided an additional media separation, which connects directly to the bearings. Thereby, an improved separation of the oil from the working fluid can be achieved.
  • a particularly low-wear piston machine with lubricated oil crank loop and without direct contact between the cylinder piston and the cylinder wall of the cylinder bore can be realized.
  • the storage of the working piston on each of a transmission rod without respective contact with the cylinder bore can be used in an advantageous manner in designed as a reciprocating steam engines piston engines.
  • this embodiment is particularly advantageous in a designed as a reciprocating steam engine piston engine with crank grinding (Scotch Yoke).
  • Cylinder piston specified smaller than an inner diameter of the other
  • Cylinder piston at least one sealing element is arranged. This can be a
  • FIG. 1 shows a piston machine in a schematic sectional illustration according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a piston engine 1 in a schematic illustration according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the piston engine 1 is connected via a
  • the piston engine 1 can be used, for example, in an internal combustion engine of a motor vehicle to use the waste heat of the internal combustion engine.
  • the piston engine 1 then converts the waste heat into mechanical energy, which can serve, for example, as additional drive energy or for driving an auxiliary aggregate, in particular an electric generator.
  • the piston engine 1 according to the invention is also suitable for others
  • the piston engine 1 of the exemplary embodiment has a housing part 2 and cylinders 3, 4 connected to the housing part 2. On the cylinder 3, a cylinder bore 5 is formed, in which a cylinder piston 6 is arranged.
  • Cylinder bore 5 has a longitudinal axis 7, along which the cylinder piston 6 is displaceable.
  • the cylinder piston 6 bounded in the cylinder bore 5 on the one hand a working space 8 and on the other hand a pressure-relieved space 9.
  • a valve-controlled inlet 10 and a valve-controlled outlet 1 1 are provided for the working space 8.
  • gaseous working fluid in particular water vapor, can be guided into the working space 8.
  • Cylinder piston 6 in a direction 12 along the longitudinal axis 7 leads.
  • the volume of the working space 8 increases while the volume of the pressure-relieved space 9 decreases.
  • the pressure-relieved space 9 is connected via an outlet 13 with a
  • crankshaft space 15 is provided within the housing part 2.
  • Crankshaft 15 is a crankshaft 16 with a crankshaft journal 17 is arranged.
  • An axis of rotation of the crankshaft 16 is in this case oriented perpendicular to the longitudinal axis 7.
  • a crank loop 18 is arranged in the crankshaft space 15.
  • Crank loop 18 has a slot-shaped recess 19 into which a sliding block 20 is inserted.
  • the sliding block 20 is in this case on the crankshaft journal 17th
  • the cylinder piston 6 is connected via a rod 21 with the crank loop 18. As a result, an operative connection between the cylinder piston 6 and the crankshaft 16 is formed, so that the lifting movement of the cylinder piston 6 in a
  • the cylinder 4 of the piston engine 1 a further cylinder bore 5 ', in which a further cylinder piston 6' is arranged.
  • the further cylinder piston 6 ' is guided along the longitudinal axis 7 of the cylinder bore 5'.
  • the longitudinal axis 7 serves as a common longitudinal axis 7 for the two cylinder bores 5, 5 'of the cylinder 3, 4th
  • Working space 8 ' Provided. Further, an outlet 13 'for the pressure-relieved space 9' is provided to return from the working space 8 'in the pressure-relieved space 9' reaching working fluid in the steam circuit.
  • gaseous working fluid can also be passed through the working space 8 '.
  • the cylinder piston 6' is actuated counter to the direction 12.
  • the lifting movement of the cylinder piston 6 ' is in this case transmitted via a further rod 21' on the crank loop 18.
  • the further rod 21 ' in this case connects the cylinder piston 6' with the crank loop 18th
  • crank loop 18 is connected on the one hand via the rod 21 with the cylinder piston 6 and on the other hand via the rod 21 'with the cylinder piston 6'.
  • an alternating actuation of the crank loop 18 in and against the direction 12 is possible.
  • a Scotch-Yoke drive can be realized in an advantageous manner.
  • the cylinder piston 6 has an outer side 25. On the outer side 25, the cylinder piston 6 has an outer diameter 26. In addition, an inner diameter 27 of the cylinder bore 5 is predetermined. The outer diameter 26 of the cylinder piston 6 and the inner diameter 27 of the cylinder bore 5 are coordinated. Here, the outer diameter 26 of the outer side 25 of the cylinder piston 6 is smaller than the inner diameter 27 of the cylinder bore 5. As a result, a gap 28 between the outer side 25 of the cylinder piston 6 and the cylinder bore 5 is predetermined. Of the predetermined gap 28 ensures a certain distance of the cylinder piston 6 of the cylinder bore 5 during operation. A contact between the cylinder piston 6 and the cylinder bore 5 is in this case avoided over the entire stroke range of the cylinder piston 6.
  • Cylinder piston 6 in the cylinder bore 5 to avoid Reibverschl foundedes can not be guaranteed.
  • the predetermined gap 28 By the predetermined gap 28, however, frictional wear is prevented.
  • vaporous working fluid can pass from the working space 8 into the pressure-relieved space 9 via the gap 28.
  • this working fluid is returned via the outlet 13 in the steam circuit.
  • the cylinder piston 6 in this embodiment annular recesses 29, 30 on.
  • the circumferential recesses 29, 30 are configured here as annular grooves.
  • annular sealing elements 31, 32 are used in the annular grooves 29, 30.
  • the annular sealing elements 31, 32 form a seal between the working space 8 and the pressure-relieved space 9 with respect to the predetermined gap 28.
  • a housing part 35 is provided, which is connected to the cylinder 3.
  • the housing part 35 is arranged between the cylinder bore 5 of the cylinder 3 and the crankshaft space 15.
  • On the housing part 35 is a bearing bore
  • Cylinder bore 5 prevents.
  • the cylinder piston 6 is in this case additionally guided by the sealing elements 31, 32 in the cylinder bore 5.
  • a guide through the sealing elements 31, 32 is not required.
  • Inner diameter 27 'on In this embodiment, the outer diameter 26, 26 'of the cylinder piston 6, 6' given the same size. In addition, also the
  • Cylinder bore 5 'and the crankshaft space 15 is arranged.
  • a bearing bore 36' is configured, in which the rod 21 'is mounted.
  • the bearing bore 36 'thus forms a bearing 37' for the rod 21 '.
  • the two rods 21, 21 ' are rigidly connected to the crank loop 18. This is a two-sided storage of the crank loop 18 to the
  • the cylinder piston 6, 6 'serving cylinder piston 6, 6' of the designed as a reciprocating steam engine piston engine 1 is possible.
  • the cylinder piston 6, 6 'with respect to the crankshaft 16 are arranged opposite to each other.
  • the cylinder pistons 6, 6 'in this case transmit their power via the crank-wheel drive to the crankshaft 16.
  • the inlet 10 and the outlet 1 1 for the cylinder 3 and the inlet 10 'and the outlet 1 1' for the cylinder 4 are preferably valve-controlled.
  • the bearing is in this case designed so that the cylinder pistons 6, 6 'are not present at their respective cylinder liners, which are predetermined in the cylinder bores 5, 5', and there transmit no forces. This avoids critical wear on these non-oil lubricated areas.
  • the piston engine 1 can thereby the necessary
  • the bearing bores 36, 36 ' are oil lubricated.
  • one or more sealing elements 38, 39, 38', 39 ' can connect to the bearing points 37, 37'.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Eine Kolbenmaschine (1), die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist und die insbesondere zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine dient, umfasst eine Zylinderbohrung (5), einen in der Zylinderbohrung (5) angeordneten Zylinderkolben (6), der in der Zylinderbohrung (5) einen Arbeitsraum (8) begrenzt, eine mit dem Zylinderkolben (6) verbundene Stange (21) und eine Lagerstelle (37), an der die Stange (21) und der mit der Stange (21) verbundene Zylinderkolben (6) gelagert sind. Dabei ist zwischen dem Zylinderkolben (6) und der Zylinderbohrung (5) ein umfänglicher Spalt (28) vorgegeben. Dadurch wird ein Reibverschleiß zwischen dem Zylinderkolben (6) und der Zylinderbohrung (5) verhindert. Dies ist speziell bei einem auf Wasser basierenden Arbeitsfluid, das durch den Arbeitsraum (8) geführt wird, von Vorteil, da Wasserdampf keine Schmierfähigkeit hat.

Description

Beschreibung Titel
Über einen Dampfkraftprozess antreibbare Kolbenmaschine Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine über einen Dampfkraftprozess antreibbare Kolbenmaschine. Speziell betrifft die Erfindung eine Kolbenmaschine, die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist und zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine dient.
Brennkraftmaschinen wandeln die Energie des Brennstoffs in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen und dergleichen um. Dabei wird jedoch ein erheblicher Teil der Energie als Abwärme freigesetzt, die durch das Kühlsystem oder im Abgas von der Brennkraftmaschine weggeleitet wird. Um diese Wärmeenergie zu nutzen, ist es denkbar, dass ein Dampfkraftprozess mit der Brennkraftmaschine gekoppelt wird. Hierdurch kann die Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Dampf genutzt werden, der in einer Expansionsmaschine entspannt wird und somit weitere Energie bereitstellt, die zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Erzeugung von Hilfsenergien genutzt werden kann. Hierbei ergibt sich allerdings das Problem, dass der Dampfmotor mit Wasserdampf oder einem ähnlichen Fluid aus dem Dampfkraftprozess angetrieben ist, das keine Schmierfähigkeit aufweist, wodurch ein Verschleiß des Dampfmotors begünstigt wird.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein vorteilhafter Betrieb der Kolbenmaschine auch beim Einsatz von Wasser oder anderen, schlecht schmierenden Arbeitsfluiden möglich ist. Dies wirkt sich unter anderem in einem reduzierten Verschleiß am Zylinderkolben und in einer längeren
Lebensdauer der Kolbenmaschine aus.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Kolbenmaschine möglich. Vorteilhaft ist es, dass die Kolbenmaschine, die über den Dampfkraftprozess antreibbar ist, mit einer Brennkraftmaschine kombiniert ist, um die Abwärme der Brennkraftmaschine über den Dampfkraftprozess in zusätzliche Antriebsenergie umzuwandeln. Besonders effizient ist solch eine Kombination zur Abwärmenutzung bei einem Nutzkraftwagen, da hier die Brennkraftmaschine eine große Leistung abgibt und somit eine große Wärmemenge zur Dampferzeugung zur Verfügung steht. Hierdurch kann der Brennstoffverbrauch reduziert werden.
Gerade für den Einsatz bei Nutzkraftwagen mit Dieselmotor oder Gasmotor ist dabei eine als Hubkolben-Dampfmotor ausgestaltete Kolbenmaschine mit Scotch-Yoke-Kurbeltrieb von besonderem Vorteil. Hierdurch kann in etwa der gleiche Drehzahlbereich für die
Kolbenmaschine wie auch für die Brennkraftmaschine erzielt werden und somit kann die von der Kolbenmaschine abgegebene mechanische Energie direkt an die Kurbelwelle des Dieselmotors beziehungsweise Gasmotors abgegeben werden. Zudem kann solch eine Kolbenmaschine im begrenzten Bauraum an einer Brennkraftmaschine günstig angebracht werden.
In vorteilhafter Weise ist der Dampfprozess als ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle Process) ausgestaltet werden. Hierbei wird die thermische Energie der Abwärme über den ORC-Prozess in mechanische Energie umgesetzt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Abwärme aus einem Abgas der Brennkraftmaschine oder einer Abgasrückführung über einen Wärmetauscher an das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses übertragen werden. Das Arbeitsfluid kann hierbei zumindest im Wesentlichen auf Wasser basieren. An dem
Wärmetauscher kann das Arbeitsfluid verdampft werden. Dieser Dampf kann anschließend in der als Expansionsmaschine dienenden Kolbenmaschine entspannt werden, wobei die mechanische Energie gewonnen wird. Das Arbeitsfluid wird anschließend in einem
Kondensator abgekühlt und einer Pumpe zugeführt. Das Arbeitsfluid kann dadurch in der flüssigen Phase von der Pumpe auf das Druckniveau für die erneute Verdampfung am Wärmetauscher komprimiert werden. Hierdurch ist der Kreislauf geschlossen.
Durch die Lagerung der Stange an der Lagerstelle kann die Belastung des Zylinderkolbens in vorteilhafter Weise verringert werden. Speziell können durch diese Lagerung Querkräfte auf den Zylinderkolben reduziert werden, da diese an der Lagerstelle aufgenommen werden. In vorteilhafter Weise ist hierbei ein Außendurchmesser einer Außenseite des Zylinderkolbens kleiner vorgegeben als ein Innendurchmesser der Zylinderbohrung.
Hierdurch ist gewährleistet, dass der Zylinderkolben nicht direkt an der als Zylinderlaufbahn dienenden Zylinderbohrung anliegt und zwischen dem als Arbeitskolben dienenden
Zylinderkolben und der Zylinderbohrung (Zylinderwand) keine Kraft übertragen wird. Der Zylinderkolben weist hierbei einen ausreichenden umfänglichen Spalt zu der
Zylinderbohrung auf. In Verbindung mit der Lagerung an der auch als Übertragungsstange dienenden Stange kann eine stabile und gut geführte Lagerung für den Zylinderkolben realisiert werden.
Gerade am Zylinderkolben ist das Auftreten eines Verschleißes kritisch, da dieser mit einem schlecht schmierenden Arbeitsfluid (Arbeitsmedium) arbeitet. Insbesondere kann der Arbeitskolben mit Wasserdampf arbeiten, der keine Schmierfähigkeit aufweist. Durch den Spalt zwischen dem Zylinderkolben und der Zylinderbohrung ist das Auftreten eines solchen Verschleißes verhindert oder zumindest verringert. In vorteilhafter Weise ist an der Außenseite des Zylinderkolbens zumindest ein Dichtelement angeordnet. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass an der Außenseite des Zylinderkolbens eine umlaufende
Ausnehmung ausgestaltet ist, dass das Dichtelement als ringförmiges Dichtelement ausgestaltet ist und dass das ringförmige Dichtelement in die umlaufende Ausnehmung an der Außenseite des Zylinderkolbens eingesetzt ist. Speziell kann die umlaufende
Ausnehmung an der Außenseite des Zylinderkolbens durch eine umlaufende Ringnut ausgebildet sein. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Dichtheit am Zylinderkolben erhöht werden, um ein unerwünschtes Entweichen des gasförmigen Arbeitsfluids, insbesondere des Wasserdampfs, über den Spalt zwischen dem Zylinderkolben und der Zylinderbohrung zu verhindern oder zumindest zu verringern. Um die Dichtheit am Kolben zu erhöhen, können hierbei speziell zusätzliche Dichtelemente in Form von Kolbenringen oder dergleichen eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Stange zumindest im Wesentlichen starr mit dem
Zylinderkolben verbunden ist, dass die Lagerstelle durch eine Lagerbohrung gebildet ist, in der die Stange geführt ist und dass der Zylinderkolben durch die Führung der Stange in der Lagerbohrung zumindest näherungsweise an einer Längsachse der Zylinderbohrung zentriert ausgerichtet ist. Hierdurch ist eine vorteilhafte Lagerung des Zylinderkolbens bezüglich der Zylinderbohrung an der Lagerstelle mittels der Stange möglich. Dabei kann über die Lebensdauer der Kolbenmaschine ein Verschleiß am Arbeitskolben verhindert werden. Die Lagerbohrung kann beispielsweise an einem Gehäuseteil ausgestaltet sein, das zwischen der Zylinderbohrung und einem Kurbelwellenraum angeordnet ist. Hierdurch ist eine vorteilhafte Medientrennung über die Lagerbohrung möglich. Speziell kann im Kurbelwellenraum ein Schmieröl vorgesehen sein, um eine im Kurbelwellenraum angeordnete Kurbelwelle und andere Komponenten zu schmieren.
Hierbei ist es auch vorteilhaft, dass die Stange aus der Zylinderbohrung über die
Lagerstelle in den Kurbelwellenraum geführt ist, dass in dem Kurbelwellenraum die Kurbelwelle angeordnet ist und dass die Stange mittels einer Kurbelschleife mit der Kurbelwelle zusammenwirkt.
Ferner ist es vorteilhaft, dass zumindest eine weitere Zylinderbohrung, ein in der weiteren Zylinderbohrung angeordneter weiterer Zylinderkolben, der in der weiteren Zylinderbohrung einen weiteren Arbeitsraum begrenzt, eine weitere Stange, die zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben verbunden ist und zumindest eine weitere Lagerstelle vorgesehen sind, wobei die weitere Stange an der weiteren Lagerstelle gelagert ist und wobei zwischen dem weiteren Zylinderkolben und der weiteren Zylinderbohrung ein umfänglicher Spalt vorgegeben ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die weitere Stange im Wesentlichen starr mit dem weiteren Zylinderkolben verbunden ist, dass die weitere Lagerstelle durch eine weitere Lagerbohrung gebildet ist, in der die weitere Stange geführt ist, und dass der weitere Zylinderkolben durch die Führung der weiteren Stange in der weiteren Lagerbohrung zumindest näherungsweise an einer Längsachse der weiteren Zylinderbohrung zentriert ausgerichtet ist. Die weitere Stange ist hierbei vorzugsweise mit einer im Kolbenraum angeordneten Kurbelschleife verbunden. Hierdurch kann ein vorteilhafter
Kurbelschleifentrieb realisiert werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die beiden Lagerstellen wie der gesamte restliche Kurbeltrieb mit Öl geschmiert sind. Im Ölbereich kann dadurch eine stabile und gut geführte Lagerung realisiert werden. Hierbei kann gegebenenfalls eine zusätzliche Medientrennung vorgesehen sein, die sich direkt an die Lagerstellen anschließt. Dadurch kann eine verbesserte Trennung des Öls vom Arbeitsfluid erzielt werden. Somit kann eine besonders verschleißarme Kolbenmaschine mit Öl geschmierter Kurbelschleife und ohne direkten Kontakt zwischen dem Zylinderkolben und der Zylinderwand der Zylinderbohrung realisiert werden. Die Lagerung der Arbeitskolben an jeweils einer Übertragungsstange ohne jeweiligen Kontakt zur Zylinderbohrung kann in vorteilhafter Weise bei als Hubkolben-Dampfmotoren ausgestalteten Kolbenmaschinen zum Einsatz kommen. Jedoch ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft bei einer als Hubkolben-Dampfmotor ausgestalteten Kolbenmaschine mit Kurbelschleifenantrieb (Scotch Yoke).
In vorteilhafter Weise ist ein Außendurchmesser einer Außenseite des weiteren
Zylinderkolbens kleiner vorgegeben als ein Innendurchmesser der weiteren
Zylinderbohrung. Ferner ist es vorteilhaft, dass an einer Außenseite des weiteren
Zylinderkolbens zumindest ein Dichtelement angeordnet ist. Hierbei kann eine
entsprechende Ausgestaltung vorgesehen sein, wie sie auch bei dem Zylinderkolben realisiert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Kolbenmaschine in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung Fig. 1 zeigt eine Kolbenmaschine 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kolbenmaschine 1 wird über einen
Dampfkraftprozess angetrieben. Hierbei kann die Kolbenmaschine 1 beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen, um die Abwärme der Brennkraftmaschine zu nutzen. Die Kolbenmaschine 1 wandelt die Abwärme dann in mechanische Energie um, die beispielsweise als zusätzliche Antriebsenergie oder zum Antreiben eines Hilfsaggregats, insbesondere eines elektrischen Generators, dienen kann. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 eignet sich jedoch auch für andere
Anwendungsfälle. Die Kolbenmaschine 1 des Ausführungsbeispiels weist ein Gehäuseteil 2 und mit dem Gehäuseteil 2 verbundene Zylinder 3, 4 auf. An dem Zylinder 3 ist eine Zylinderbohrung 5 ausgebildet, in der ein Zylinderkolben 6 angeordnet ist. Die
Zylinderbohrung 5 weist eine Längsachse 7 auf, entlang der der Zylinderkolben 6 verschiebbar ist. Der Zylinderkolben 6 begrenzt in der Zylinderbohrung 5 einerseits einen Arbeitsraum 8 und andererseits einen druckentlasteten Raum 9. An dem Zylinder 3 sind ein ventilgesteuerter Einlass 10 und ein ventilgesteuerter Auslass 1 1 für den Arbeitsraum 8 vorgesehen. Über den ventilgesteuerten Einlass 10 kann komprimiertes, gasförmiges Arbeitsfluid, insbesondere Wasserdampf, in den Arbeitsraum 8 geführt werden. Beim Entspannen des gasförmigen Arbeitsfluids im Arbeitsraum 8 wird eine Betätigungskraft auf den Zylinderkolben 6 ausgeübt, die zu einer Verstellung des
Zylinderkolbens 6 in einer Richtung 12 entlang der Längsachse 7 führt. Hierbei vergrößert sich das Volumen des Arbeitsraums 8, während das Volumen des druckentlasteten Raums 9 abnimmt. Der druckentlastete Raum 9 ist über einen Auslass 13 mit einem
Niederdruckbereich des Dampfkreises verbunden, so dass in den druckentlasteten Raum 9 gelangendes Arbeitsfluid in den Dampfkreis zurückgeführt wird.
Innerhalb des Gehäuseteils 2 ist ein Kurbelwellenraum 15 vorgesehen. In dem
Kurbelwellenraum 15 ist eine Kurbelwelle 16 mit einem Kurbelwellenzapfen 17 angeordnet. Eine Drehachse der Kurbelwelle 16 ist hierbei senkrecht zu der Längsachse 7 orientiert. Außerdem ist in dem Kurbelwellenraum 15 eine Kurbelschleife 18 angeordnet. Die
Kurbelschleife 18 weist eine Langloch-förmige Ausnehmung 19 auf, in die ein Kulissenstein 20 eingesetzt ist. Der Kulissenstein 20 ist hierbei an dem Kurbelwellenzapfen 17
angeordnet. Der Zylinderkolben 6 ist über eine Stange 21 mit der Kurbelschleife 18 verbunden. Hierdurch ist eine Wirkverbindung zwischen dem Zylinderkolben 6 und der Kurbelwelle 16 gebildet, so dass die Hubbewegung des Zylinderkolbens 6 in eine
Drehbewegung der Kurbelwelle 16 übersetzt wird.
Außerdem weist der Zylinder 4 der Kolbenmaschine 1 eine weitere Zylinderbohrung 5' auf, in der ein weiterer Zylinderkolben 6' angeordnet ist. Hierbei ist der weitere Zylinderkolben 6' entlang der Längsachse 7 der Zylinderbohrung 5' geführt. Die Längsachse 7 dient hierbei als gemeinsame Längsachse 7 für die beiden Zylinderbohrungen 5, 5' der Zylinder 3, 4.
Der Zylinderkolben 6' begrenzt in der Zylinderbohrung 5' einen weiteren Arbeitsraum 8' sowie einen weiteren druckentlasteten Raum 9'. Hierbei sind an dem Zylinder 4 ein ventilgesteuerter Einlass 10' und ein ventilgesteuerter Auslass 1 1 ' für den weiteren
Arbeitsraum 8' vorgesehen. Ferner ist ein Auslass 13' für den druckentlasteten Raum 9' vorgesehen, um aus dem Arbeitsraum 8' in den druckentlasteten Raum 9' gelangendes Arbeitsfluid in den Dampfkreis zurückzuführen.
Somit kann auch durch den Arbeitsraum 8' gasförmiges Arbeitsfluid geführt werden. Bei der Entspannung des gasförmigen Arbeitsfluids im Arbeitsraum 8' wird der Zylinderkolben 6' entgegen der Richtung 12 betätigt. Die Hubbewegung des Zylinderkolbens 6' wird hierbei über eine weitere Stange 21 ' auf die Kurbelschleife 18 übertragen. Die weitere Stange 21 ' verbindet hierbei den Zylinderkolben 6' mit der Kurbelschleife 18.
Somit ist die Kurbelschleife 18 einerseits über die Stange 21 mit dem Zylinderkolben 6 und andererseits über die Stange 21 ' mit dem Zylinderkolben 6' verbunden. Hierdurch ist eine wechselweise Betätigung der Kurbelschleife 18 in und entgegen der Richtung 12 möglich. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Scotch-Yoke-Antrieb realisiert werden.
Der Zylinderkolben 6 weist eine Außenseite 25 auf. An der Außenseite 25 weist der Zylinderkolben 6 einen Außendurchmesser 26 auf. Außerdem ist ein Innendurchmesser 27 der Zylinderbohrung 5 vorgegeben. Der Außendurchmesser 26 des Zylinderkolben 6 und der Innendurchmesser 27 der Zylinderbohrung 5 sind aufeinander abgestimmt. Hierbei ist der Außendurchmesser 26 der Außenseite 25 des Zylinderkolbens 6 kleiner als der Innendurchmesser 27 der Zylinderbohrung 5. Hierdurch ist ein Spalt 28 zwischen der Außenseite 25 des Zylinderkolbens 6 und der Zylinderbohrung 5 vorgegeben. Der vorgegebene Spalt 28 gewährleistet einen gewissen Abstand des Zylinderkolbens 6 von der Zylinderbohrung 5 während des Betriebs. Ein Kontakt zwischen dem Zylinderkolben 6 und der Zylinderbohrung 5 ist hierbei über den ganzen Hubbereich des Zylinderkolbens 6 vermieden.
Im Betrieb der Kolbenmaschine 1 besteht das Problem, dass das im Arbeitsraum 8 vorgesehene gasförmige Arbeitsfluid, insbesondere der Wasserdampf, keine oder nur schlechte Schmiereigenschaften aufweist. Eine ausreichende Schmierung des
Zylinderkolbens 6 in der Zylinderbohrung 5 zur Vermeidung eines Reibverschleißes kann hierdurch nicht gewährleistet werden. Durch den vorgegebenen Spalt 28 wird allerdings ein Reibverschleiß verhindert. Hierbei kann dampfförmiges Arbeitsfluid von dem Arbeitsraum 8 in den druckentlasteten Raum 9 über den Spalt 28 gelangen. Dieses Arbeitsfluid wird allerdings über den Auslass 13 in den Dampfkreis zurückgeführt. Außerdem weist der Zylinderkolben 6 in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig umlaufende Ausnehmungen 29, 30 auf. Die umlaufenden Ausnehmungen 29, 30 sind hierbei als Ringnuten ausgestaltet. In die Ringnuten 29, 30 sind ringförmige Dichtelemente 31 , 32 eingesetzt. Die ringförmigen Dichtelemente 31 , 32 bilden eine Abdichtung zwischen dem Arbeitsraum 8 und dem druckentlasteten Raum 9 in Bezug auf den vorgegebenen Spalt 28.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Gehäuseteil 35 vorgesehen, das mit dem Zylinder 3 verbunden ist. Hierbei ist das Gehäuseteil 35 zwischen der Zylinderbohrung 5 des Zylinders 3 und dem Kurbelwellenraum 15 angeordnet. An dem Gehäuseteil 35 ist eine Lagerbohrung
36 ausgestaltet, die eine Lagerstelle 37 für die Stange 21 bildet. Hierdurch ist die Stange 21 in der Lagerbohrung 36 gelagert, wobei die Lagerbohrung 36 eine Bewegung der Stange 21 entlang der Längsachse 7 ermöglicht. Durch die Lagerung der Stange 21 an der Lagerstelle
37 werden auftretende Querkräfte aufgenommen. Hierdurch werden die Dichtelemente 31 , 32 entlastet und es wird ein Kontakt zwischen dem Zylinderkolben 6 und der
Zylinderbohrung 5 verhindert. Der Zylinderkolben 6 ist hierbei durch die Dichtelemente 31 , 32 zusätzlich in der Zylinderbohrung 5 geführt. Bei einer starren Verbindung der Stange 21 mit dem Zylinderkolben 6 ist eine Führung durch die Dichtelemente 31 , 32 nicht erforderlich.
Entsprechend weist auch der Zylinderkolben 6' eine Außenseite 25' auf, die einen
Außendurchmesser 26' aufweist. Ferner weist die Zylinderbohrung 5' einen
Innendurchmesser 27' auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Außendurchmesser 26, 26' der Zylinderkolben 6, 6' gleich groß vorgegeben. Außerdem sind auch die
Innendurchmesser 27, 27' der Zylinderbohrungen 5, 5' gleich groß vorgegeben. Somit ist auch am Zylinderkolben 6' ein Spalt 28' zwischen der Außenseite 25' und der Zylinderbohrung 5' gebildet. Der Spalt 28' verhindert einen direkten Kontakt des
Zylinderkolbens 6' und der Zylinderbohrung 5'. Außerdem sind an dem Zylinderkolben 6' umlaufende Ausnehmungen 29', 30' vorgesehen, in die ringförmige Dichtelemente 31 ', 32' eingesetzt sind. Ferner ist auch ein Gehäuseteil 35' vorgesehen, das zwischen der
Zylinderbohrung 5' und dem Kurbelwellenraum 15 angeordnet ist. An dem Gehäuseteil 35' ist eine Lagerbohrung 36' ausgestaltet, in der die Stange 21 ' gelagert ist. Die Lagerbohrung 36' bildet somit eine Lagerstelle 37' für die Stange 21 '. Somit kann auch an dem Zylinder 4 eine vorteilhafte Lagerung des Zylinderkolbens 6' mittels der Stange 21 ' an der Lagerstelle 37' erfolgen.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Stangen 21 , 21 ' starr mit der Kurbelschleife 18 verbunden. Dadurch ist eine beidseitige Lagerung der Kurbelschleife 18 an den
Lagerstellen 37, 37' ausgebildet. Auftretende Querkräfte bei der Übertragung der
Hubbewegung der Zylinderkolben 6, 6' auf die Kurbelwelle 16 können somit in vorteilhafter Weise an den Lagerstellen 37, 37' aufgenommen werden.
Somit ist eine optimierte Lagerung der als Arbeitskolben 6, 6' dienenden Zylinderkolben 6, 6' der als Hubkolben-Dampfmotor ausgestalteten Kolbenmaschine 1 möglich. Hierbei sind in diesem Ausführungsbeispiel die Zylinderkolben 6, 6' bezüglich der Kurbelwelle 16 gegenüberliegend zueinander angeordnet. Die Zylinderkolben 6, 6' leiten ihre Kraft hierbei über den Kurbelschleifentrieb auf die Kurbelwelle 16 ein. Der Einlass 10 und der Auslass 1 1 für den Zylinder 3 sowie der Einlass 10' und der Auslass 1 1 ' für den Zylinder 4 sind vorzugsweise ventilgesteuert. Durch den Kurbelschleifenantrieb mit der Kurbelschleife 18 und dem Kulissenstein 20, der auf dem Kurbelwellenzapfen 17 sitzt, wird die
Hubkolbenbewegung der Zylinderkolben 6, 6' auf die Kurbelwelle 16 übertragen. Hierbei ist die Kurbelschleife 18 des Kurbelschleifenantriebs über die Stangen 21 , 21 ' an den
Lagerstellen 37, 37' gelagert, wobei diese Lagerung die auftretenden Querkräfte aufnimmt.
Die Lagerung ist hierbei so ausgelegt, dass die Zylinderkolben 6, 6' nicht an ihren jeweiligen Zylinderlaufbahnen, die in den Zylinderbohrungen 5, 5' vorgegeben sind, anliegen und dort keine Kräfte übertragen. Damit wird ein kritischer Verschleiß an diesen nicht ölgeschmierten Stellen vermieden. Die Kolbenmaschine 1 kann dadurch die notwendige
Lebensdauererwartung erreichen. Um einen Reibverschleiß zuverlässig zu verhindern, sind ausreichend große Spalte 28, 28' in Bezug auf die Zylinderlaufbahnen vorgesehen. Um andererseits die Dichtheit an den Zylinderkolben 6, 6' wieder zu erhöhen, sind in diesem Ausführungsbeispiel zusätzliche Dichtelemente 31 , 32, 31 ', 32', insbesondere Kolbenringe 31 , 32, 31 ', 32', an den Zylinderkolben 6, 6' angeordnet.
Außerdem sind in diesem Ausführungsbeispiel die Lagerbohrungen 36, 36' ölgeschmiert. Hierfür sind die Lagerbohrungen 36, 36' direkt neben dem Kurbelwellenraum 15 vorgesehen, so dass Schmieröl aus dem Kurbelwellenraum 15 zum Schmieren der Lagerstellen 37, 37' dienen kann. Um einen Eintrag von Schmieröl in die druckentlasteten Räume 9, 9' zu vermeiden, können sich an die Lagerstellen 37, 37' jeweils ein oder mehrere Dichtelemente 38, 39, 38', 39' anschließen. Damit kann eine gute und verschleißarme Lagerung der Kurbelschleife 18 gewährleistet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Ansprüche
1 . Kolbenmaschine (1 ), die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist, insbesondere zur Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einer Zylinderbohrung (5), einem in der Zylinderbohrung (5) angeordneten Zylinderkolben (6), der in der
Zylinderbohrung (5) einen Arbeitsraum (8) begrenzt, einer zumindest mittelbar mit dem Zylinderkolben (6) verbunden Stange (21 ) und zumindest einer Lagerstelle (37), an der die Stange (21 ) und der mit der Stange (21 ) verbundene Zylinderkolben (6) gelagert sind, wobei zwischen dem Zylinderkolben (6) und der Zylinderbohrung (5) ein umfänglicher Spalt (28) vorgegeben ist und wobei die Stange (21 ) den Zylinderkolben (6) mit einer
Kurbelschleife (18) verbindet.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Außendurchmesser (26) einer Außenseite (25) des Zylinderkolbens (6) kleiner vorgegeben ist als ein Innendurchmesser (27) der Zylinderbohrung (5).
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass an einer Außenseite (25) des Zylinderkolbens (6) zumindest ein Dichtelement (31 , 32) angeordnet ist.
4. Kolbenmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass an der Außenseite (25) des Zylinderkolbens (6) zumindest eine umlaufende
Ausnehmung (29, 30) ausgestaltet ist, dass das Dichtelement (31 , 32) als ringförmiges
Dichtelement (31 , 32) ausgestaltet ist und dass das ringförmige Dichtelement (31 , 32) in die umlaufende Ausnehmung (29, 30) eingesetzt ist.
5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stange (21 ) zumindest im Wesentlichen starr mit dem Zylinderkolben (6) verbunden ist, dass die Lagerstelle (37) durch eine Lagerbohrung (36) gebildet ist, in der die Stange (21 ) geführt ist, und dass der Zylinderkolben (6) durch die Führung der Stange (21 ) in der Lagerbohrung (36) zumindest näherungsweise an einer Längsachse (7) der Zylinderbohrung (5) zentriert ausgerichtet ist.
6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lagerbohrung (36) in einem Gehäuseteil (35) ausgestaltet ist, das zwischen der Zylinderbohrung (5) und einem Kurbelwellenraum (15) angeordnet ist.
7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Kurbelwellenraum (15) vorgesehen ist, dass die Stange (21 ) aus der
Zylinderbohrung (5) über die Lagerstelle (37) in den Kurbelwellenraum (15) geführt ist, dass in dem Kurbelwellenraum (15) eine Kurbelwelle (16) angeordnet ist und dass die Stange (21 ) mittels der Kurbelschleife (18) mit der Kurbelwelle (16) zusammenwirkt.
8. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine weitere Zylinderbohrung (5'), ein in der weiteren Zylinderbohrung (5') angeordneter weiterer Zylinderkolben (6'), der in der weiteren Zylinderbohrung (5') einen weiteren Arbeitsraum (8') begrenzt, eine weitere Stange (21 '), die zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben (6') verbunden ist, und zumindest eine weitere Lagerstelle (37') vorgesehen sind, wobei die weitere Stange (21 ') an der weiteren Lagerstelle (37') gelagert ist und wobei zwischen dem weiteren Zylinderkolben (6') und der weiteren Zylinderbohrung (5') ein umfänglicher Spalt (28') vorgegeben ist.
9. Kolbenmaschine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die weitere Stange (21 ') zumindest im Wesentlichen starr mit dem weiteren
Zylinderkolben (6') verbunden ist, dass die weitere Lagerstelle (37') durch eine weitere Lagerbohrung (36') gebildet ist, in der die weitere Stange (21 ') geführt ist, und dass der weitere Zylinderkolben (6') durch die Führung der weiteren Stange (21 ') in der weiteren Lagerbohrung (36') zumindest näherungsweise an einer Längsachse (7) der weiteren Zylinderbohrung (5') zentriert ausgerichtet ist.
10. Kolbenmaschine nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Außendurchmesser (26') einer Außenseite (25') des weiteren Zylinderkolbens (6') kleiner vorgegeben ist als ein Innendurchmesser (27') der weiteren Zylinderbohrung (5') und/oder
dass an einer Außenseite (25') des weiteren Zylinderkolbens (6') zumindest ein Dichtelement (31 ', 32') angeordnet ist.
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