EP2616733A1 - Ölsystem zur schmierölversorgung einer arbeits- und/oder antriebsmaschine - Google Patents

Ölsystem zur schmierölversorgung einer arbeits- und/oder antriebsmaschine

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Publication number
EP2616733A1
EP2616733A1 EP11764677.8A EP11764677A EP2616733A1 EP 2616733 A1 EP2616733 A1 EP 2616733A1 EP 11764677 A EP11764677 A EP 11764677A EP 2616733 A1 EP2616733 A1 EP 2616733A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oil
working
working medium
steam
heat
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Withdrawn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
EP11764677.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joerg Nickl
Eberhard Bredel
Joerg Auerswald
Michael Bucher
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.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent 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 Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2616733A1 publication Critical patent/EP2616733A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16N—LUBRICATING
    • F16N39/00—Arrangements for conditioning of lubricants in the lubricating system
    • F16N39/005—Arrangements for conditioning of lubricants in the lubricating system by evaporating or purifying
    • 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
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M5/00—Heating, cooling, or controlling temperature of lubricant; Lubrication means facilitating engine starting
    • F01M5/001—Heating

Definitions

  • the present invention relates to an oil system for supplying lubricating oil to a working and / or driving machine, in particular for lubricating oil supply of a steam engine, which is operated with a liquid or vaporous working medium.
  • a steam engine which is operated with a liquid or vaporous working medium.
  • vaporous working medium and another, at least in certain operating conditions gaseous working medium is used.
  • Work or drive machines to be provided with an oil system for lubricating oil supply to lubricate bearings or relatively moving parts and / or to the work machine or
  • Such a working machine as supplied in accordance with an embodiment of the present invention with lubricating oil, for example, a steam engine (steam expander) or a pump, in particular feed pump in a steam cycle.
  • lubricating oil for example, a steam engine (steam expander) or a pump, in particular feed pump in a steam cycle.
  • Work medium leading areas in particular the working space, can be achieved, for example, by providing a separate crankcase with
  • Oil carryover into the working medium This is on the one hand disadvantageous for the working medium circuit. On the other hand, this means oil loss in the oil system.
  • Such oil return involves the risk that due to an entrained in the working medium oil entrained working medium content
  • CONFIRMATION COPY Working fluid is added to the oil system and reduces the lubricity of the oil. Even at interfaces in the working and / or drive machine between the working medium and the oil system can in the worst case working medium penetrate into the oil system.
  • EP 1 525 912 A1 describes an arrangement for the treatment of engine oil in a motor vehicle, in which fuel contaminants in the engine oil are expelled in an electrically heated distillation space, thereby achieving high engine oil temperatures, so that only a very small proportion of the engine oil flow is always heated in the distillation space.
  • WO 2007/014942 A2 proposes to remove oil behind a steam expander from the
  • DE 100 54 032 A1 describes a heat engine operated with superheated steam with an oil separator.
  • the present invention has for its object to provide an oil system for
  • the oil system according to the invention which is designed in particular for lubricating oil supply to a steam engine and thus as part of a steam power system, the steam engine (or the other working and / or
  • gaseous working medium has a connected to the working and / or drive machine, in particular steam engine oil return to order from the working and / or drive machine (steam engine) and / or the working medium discharged oil into the working and / or
  • a separation device for exiting the working medium contained in the recirculated oil in the oil guide working fluid in the oil return, wherein the separation device has a heater for heating the recirculated oil, in particular up to partial or complete evaporation of the working medium contained in the recycled oil.
  • the heating device with heat from the working medium of the working and / or driving machine itself and / or with heat from a
  • Heat source for heating the working medium and to save heat for the purpose of heating the recirculated are used in the heater.
  • Used heater and it can be dispensed in particular to an electric heating.
  • an electric booster heater could be considered.
  • the working and / or driving machine is designed as a steam engine, with a vapor
  • the heat flow which is used for the evaporation of the working fluid, are also used for heating the recirculated oil in the heater.
  • Such heat flow can For example, be the waste heat flow of an internal combustion engine in a motor vehicle or a stationary system.
  • the heat flow from an exhaust gas stream of the internal combustion engine comes into consideration here.
  • heat from the working medium itself can be used as a heat source for the heater for heating the recirculated oil.
  • the heater a
  • Waste heat of the recirculated oil after it has been heated with the heater comes into consideration.
  • the heater can in
  • Flow direction of the recirculated oil in the flow of oil a preheater are preceded, which is particularly advantageous designed as liquid-liquid preheater, which on its one side with the discharged from the working and / or drive machine and / or the working fluid oil, which has the working fluid content , is applied to the preheating, and on its other side with the heated by the heater return oil, from which the working medium was excreted.
  • the preheater advantageously operates on the countercurrent principle, that is, the flow direction of the heated with the heater recirculated oil is opposite to the flow direction of the discharged oil.
  • two oil streams of the working and / or driving machine are returned, namely a first oil flow from an oil separator positioned in the working medium flow via a first oil flow
  • Oil return line which is connected on the oil side to the working and / or drive machine and is brought together with the first oil return line, for example in a collecting container.
  • a collecting container can be advantageous in the embodiment described above with preheater
  • Flow direction of the recirculated oil upstream of the preheater and a heating tank for receiving the recirculated, heated by the heater oil can be connected downstream of the sump and in particular the preheater, so that the discharged from the working and / or drive machine and / or the working fluid first in the collecting container, then through the preheater and then flows into the heating tank. From the heating tank, the heated oil can then as a heat transfer medium of others
  • the energy supplied to the heating tank is preheated energetically and extremely favorably, and the oil returned to the working and / or driving machine is cooled and thereby the heating tank from the outside
  • Drive machine is arranged, for example, as a steam engine or feed pump, in particular in a vehicle drive train, minimized.
  • the oil cooling is used to ensure a sufficient viscosity of the oil.
  • a steam power system according to the invention in particular for a motor vehicle, accordingly has a steam cycle in which the working medium circulates at least partially in the vaporous state.
  • a steam engine in particular a feed pump, and a capacitor arranged.
  • the steam engine and / or the feed pump is lubricated with an oil system according to the invention.
  • An oil separator is advantageous upstream of the condenser and downstream of the steam engine or in the region of
  • a suction device on the separation device in particular the heating tank and / or the
  • Such a suction device can be embodied, for example, as an ejector or comprise one which is aligned in the working medium flow in such a way that it generates a suction effect.
  • a favorable position for such an ejector is the area of the steam cycle between the steam engine and the
  • FIG. 1 shows a steam power system with a steam engine 1 and a condenser 4 in a steam circuit 21. Furthermore, one recognizes the feed pump 2 and the evaporator 22 as further conventional units of the steam cycle 21st
  • the feed pump 2 is associated with a bypass 23, with a bypass valve 18, the open position of which is determined by a sensor tank 17 which flows around the exhaust gas.
  • the sensor container 17 is connected via a capillary or other line to the bypass valve 18, such that the pressure or volume change of the trapped in the sensor container 17 volume in dependence of
  • Exhaust gas temperature actuates the valve body of the bypass valve 18 or more or less shifts, thereby the flow cross-section of the
  • Bypass valve 18 to change.
  • the actuation can be effected for example via a membrane.
  • the positioning of the sensor container 17 is present in the exhaust stream 24 of an internal combustion engine before or at the exhaust gas inlet of a heating tank 7, which will be discussed in detail later, provided. Positioning in another position is possible.
  • Part of the heat of the exhaust stream 24 is used to vaporize the
  • the evaporator 22 and the heating tank 7 may be parallel or in series with each other, in the latter preferably positioned with the heating tank 7 in front of the evaporator 22 or in a different order.
  • a check valve 16 is provided in the steam circuit 21, in particular directly at the outlet of the feed pump 2, which avoids a return flow of working medium.
  • a surge tank 19 is provided which avoids stronger pressure fluctuations due to the intermittent conveying, especially when using a Einzylinderhubkolbenpumpe with a longer Pumpenansaugtechnisch.
  • This pressure equalization tank 19 is in a simple form of a voluminous tube with additional gas-side pressure equalization line 20, which the gas side of
  • Pressure equalization tank 19 should advantageously be selected such that forms a liquid level in the surge tank 19.
  • the working medium reservoir 5 is placed immediately adjacent to the condenser 4. If this is not possible, then by a siphon 30 in the condenser outlet line of the
  • Liquid level of the working medium in the condenser 4 are set.
  • an oil separator 3 is provided, for example, as a cyclone separator
  • Working medium reservoir 5 are taken into account in the dimensioning of the entire Olvorrats.
  • this includes a first oil return line 26, which deposited in the oil separator 3
  • a throttle 14 in particular fixed throttle, can be provided and / or this first oil return line 26 may be designed as a capillary.
  • the working fluid-carrying outlet-side tube may be performed in the oil separator 3 as a dip tube 13.
  • the working medium-containing oil is finally passed into the heating tank 7.
  • the heating tank 7 Here it is by supplying heat by means of a
  • Heating device 28 is heated until the working medium evaporates from the oil.
  • Heating device 28 with exhaust this could be from the hot working medium
  • the working medium ethanol can be heated to more than 130 ° or 140 ° C., in particular to 150 ° C. or more.
  • the steamed working medium ethanol can be heated to more than 130 ° or 140 ° C., in particular to 150 ° C. or more.
  • Working fluid is from the heating tank 7 and in the present case also from the collecting container 6 via steam lines 9, 10 supplied to an ejector 8 in the steam cycle 21 between the oil separator 3 and the condenser 4, with the aid of the suction of the ejector 8.
  • a preheater 11 is provided in the separation device 25, through which the effluent from the heating tank 7
  • Oil pump 12 which is designed as a pressure-controlled pump or unregulated pump, in particular as a gear pump, brought in a conventional manner to the desired pressure and further supplied to the lubrication points of the steam engine 1 and / or the feed pump 2 becomes.
  • collecting container 6, preheater 11 and heating container 7 are mounted in a housing or container or other support structure, which is attached directly below the steam engine 1 as a larger oil pan.
  • the invention is particularly for lubricating oil supply of a steam engine and / or a feed pump of the type shown in one
  • Vehicle powertrain suitable wherein exhaust heat of an exhaust gas stream of an internal combustion engine for driving the vehicle to evaporate the Working medium of the steam cycle and for heating the recirculated oil to expel the working fluid from the recirculated oil, is used.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ölsystem zur Schmierölversorgung einer Arbeits- und/oder Antriebsmaschine, insbesondere einer Dampfkraftmaschine, die mit einem flüssigen oder dampfförmigen Arbeitsmedium betrieben wird mit einer mit der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine verbundenen Olrückführung, um aus der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine und/oder dem Arbeitsmedium ausgeleitetes Öl in die Arbeits- und/oder Antriebsmaschine rückzuführen, mit einer mit der Olrückführung verbundenen Ausscheidevorrichtung zum Ausscheiden von in dem in der Olrückführung rückgeführten Öl enthaltenen Arbeitsmedium, wobei die Ausscheidevorrichtung eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des rückgeführten Öls aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zum Erhitzen des rückgeführten Öls mit Wärme aus dem Arbeitsmedium und/oder mit Wärme, mittels welcher auch das flüssige oder dampfförmige Arbeitsmedium zum Betrieb der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine erhitzt wird, beaufschlagt ist.

Description

Ölsystem zur Schmierölversorgung einer Arbeits- und/oder Antriebsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ölsystem zur Schmierölversorgung einer Arbeits- und/oder Antriebsmaschine, insbesondere zur Schmierölversorgung einer Dampfkraftmaschine, die mit einem flüssigen oder dampfförmigen Arbeitsmedium betrieben wird. Prinzipiell ist es auch vorstellbar, dass anstelle eines
dampfförmigen Arbeitsmediums auch ein anderes, zumindest in bestimmten Betriebszuständen gasförmiges Arbeitsmedium verwendet wird. Arbeits- oder Antriebsmaschinen mit einem Ölsystem zur Schmierölversorgung zu versehen, um Lagerstellen beziehungsweise sich relativ zueinander bewegende Teile zu schmieren und/oder um die Arbeitsmaschine beziehungsweise
Antriebsmaschine zu kühlen, ist bekannt. Eine solche Arbeitsmaschine, wie sie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Schmieröl versorgt wird, ist beispielsweise eine Dampfkraftmaschine (Dampfexpander) oder eine Pumpe, insbesondere Speisepumpe in einem Dampfkreislauf.
Obwohl in solchen Arbeitsmaschinen, beispielsweise Hubkolbenmaschinen in Tauchkolbenbauart, eine gute Abdichtung des Ölsystems gegen
arbeitsmediumführende Bereiche, insbesondere den Arbeitsraum, erreicht werden kann, beispielsweise durch Vorsehen eines separaten Kurbelraumes mit
Kurbelwelle, Pleuel usw., kommt es in der Praxis zu einer geringfügigen
Ölverschleppung in das Arbeitsmedium. Dies ist zum einen nachteilig für den Arbeitsmediumkreislauf. Zum anderen bedeutet dies einen Ölverlust im Ölsystem.
Es ist möglich, das in das Arbeitsmedium eingetragene Öl mittels eines
Ölabscheiders im Arbeitsmediumkreislauf abzuscheiden und dem Ölsystem erneut zuzuführen.
Eine solche Ölrückführung birgt die Gefahr, dass aufgrund eines im aus dem Arbeitsmedium abgeschiedenen Öl mitgeführten Arbeitsmediumanteils
BESTÄTIGUNGSKOPIE Arbeitsmedium in das Ölsystem eingetragen wird und die Schmierfähigkeit des Öls herabsetzt. Auch an Schnittstellen in der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine zwischen Arbeitsmedium und Ölsystem kann im ungünstigen Fall Arbeitsmedium in das Ölsystem eindringen.
EP 1 525 912 AI beschreibt eine Anordnung zur Aufbereitung von Motoröl in einem Kraftfahrzeug, bei welcher Kraftstoffverunreinigungen im Motoröl in einem elektrisch beheizten Destillationsraum ausgetrieben werden, wobei dadurch hohe Motoröltemperaturen erreicht werden, sodass stets nur ein sehr kleiner Anteil des Motorölstromes im Destillationsraum erhitzt wird.
WO 2007/014942 A2 schlägt vor, Öl hinter einem Dampfexpander aus dem
Dampfkreislauf abzutrennen und vor dem Expander wieder zuzuführen. DE 100 54 032 AI beschreibt eine mit Heißdampf betriebene Wärmekraftmaschine mit einem Ölabscheider.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ölsystem zur
Schmierölversorgung einer Arbeits- und/oder Antriebsmaschine anzugeben, das hinsichtlich der genannten Probleme gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Insbesondere soll sich das Ölsystem durch eine wirkungsvolle und energetisch günstige Trennung des Öls und des Arbeitsmediums der Arbeits- und/oder
Antriebsmaschine auszeichnen. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Ölsystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Ferner wird ein erfindungsgemäßes Verfahren insbesondere zum Betrieb eines
erfindungsgemäßen Ölsystems angegeben. Das erfindungsgemäße Ölsystem, welches insbesondere zur Schmierölversorgung einer Dampfkraftmaschine und somit als Teil eines Dampfkraftsystems ausgeführt ist, wobei die Dampfkraftmaschine (oder die sonstige Arbeits- und/oder
Antriebsmaschine) mit einem flüssigen oder dampfförmigen (ggf. auch
gasförmigen) Arbeitsmedium betrieben wird, weist eine mit der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine, insbesondere Dampfkraftmaschine verbundene Ölrückführung auf, um aus der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine (Dampfkraftmaschine) und/oder dem Arbeitsmedium ausgeleitetes Öl in die Arbeits- und/oder
Antriebsmaschine (Dampfkraftmaschine) rückzuführen.
Um nun einen zunehmenden Anteil von Arbeitsmedium im Öl des Ölsystems zu verhindern, ist in der Ölrückführung eine Ausscheidevorrichtung zum Ausscheiden von dem in dem in der Ölführung rückgeführten Öl enthaltenen Arbeitsmedium vorgesehen, wobei die Ausscheidevorrichtung eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des rückgeführten Öls aufweist, insbesondere bis zur teilweise oder vollständigen Verdampfung des im rückgeführten Öl enthaltenen Arbeitsmediums.
Erfindungsgemäß wird die Heizeinrichtung mit Wärme aus dem Arbeitsmedium der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine selbst und/oder mit Wärme aus einem
Wärmestrom betrieben, mit welchem das Arbeitsmedium zum Betrieb der Arbeitsund/oder Antriebsmaschine erhitzt wird. Mit anderen Worten kann dieselbe
Wärmequelle zum Erhitzen des Arbeitsmediums und zur Wärmeeinsparung zwecks Erhitzung des rückgeführten in die Heizeinrichtung genutzt werden. Somit wird im System vorhandene Wärme zum Erhitzen des rückgeführten Öls in der
Heizeinrichtung genutzt und es kann insbesondere auf eine elektrische Beheizung verzichtet werden. Generell könnte jedoch eine elektrische Zusatzheizung in Betracht kommen. Wenn beispielsweise die Arbeits- und/oder Antriebsmaschine als Dampfkraftmaschine ausgeführt ist, die mit einem dampfförmigen
Arbeitsmedium betrieben wird, so kann der Wärmestrom, der zur Verdampfung des Arbeitsmedium herangezogen wird, auch zur Erhitzung des rückgeführten Öls in der Heizeinrichtung herangezogen werden. Ein solcher Wärmestrom kann beispielsweise der Abwärmestrom eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug oder einer stationären Anlage sein. Insbesondere kommt hier der Wärmestrom aus einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors in Betracht. Zusätzlich oder alternativ kann auch Wärme aus dem Arbeitsmedium selbst als Wärmequelle für die Heizeinrichtung zum Erhitzen des rückgeführten Öls herangezogen werden. Hierfür kann vorteilhaft die Heizeinrichtung einen
Wärmetauscher aufweisen, der vom Arbeitsmedium oder einem mittels des Arbeitsmediums erhitzen Wärmeträgermediums durchströmt wird, um Wärme in die Heizeinrichtung zum Erhitzen des rückgeführten Öls abzugeben. Auch
Abwärme des rückgeführten Öls, nachdem dieses mit der Heizeinrichtung erhitzt worden ist, kommt in Betracht.
Da in einer solchen Ausscheidevorrichtung nach dem Erhitzen des rückgeführten Öls mit dem Arbeitsmediumanteil die Flüssigkeitswärme des Öls den
überwiegenden Wärmeanteil darstellt, kann der Heizeinrichtung in
Strömungsrichtung des rückgeführten Öls im Ölstrom ein Vorwärmer vorgeschaltet werden, der besonders günstig als Flüssigkeits-Flüssigkeits-Vorwärmer ausgeführt ist, der auf seiner einen Seite mit dem aus der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine und/oder dem Arbeitsmedium ausgeleiteten Öl, welches den Arbeitsmediumanteil aufweist, zu dessen Vorwärmung beaufschlagt ist, und auf seiner anderen Seite mit dem durch die Heizeinrichtung erhitzten rückgeführten Öl, aus welchem das Arbeitsmedium ausgeschieden wurde. Somit kann die Wärme des vollständig oder im Wesentlichen arbeitsmediumfreien, durch die Heizeinrichtung der
Ausscheidevorrichtung erhitzten rückgeführten Öls zur Vorwärmung des
nachfolgenden aus der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine und/oder dem
Arbeitsmedium ausgeleiteten Öls, das rückgeführt werden soll, verwendet werden, wobei der Vorwärmer vorteilhaft nach dem Gegenstromprinzip arbeitet, das heißt die Strömungsrichtung des mit der Heizeinrichtung erhitzten rückgeführten Öls ist der Strömungsrichtung des ausgeleiteten Öls entgegengesetzt. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden zwei Ölströme der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine rückgeführt, nämlich ein erster Ölstrom aus einem im Arbeitsmediumstrom positionierten Ölabscheider über eine erste
Ölrückführleitung und ein zweiter Ölstrom aus der Arbeits- und/oder
Antriebsmaschine, beispielsweise aus dem Kurbelraum einer Dampfkraftmaschine in Hubkolbenbauart, insbesondere Tauchkolbenbauart, über eine zweite
Ölrückführleitung, die ölseitig an der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine angeschlossen ist und mit der ersten Ölrückführleitung zusammengeführt wird, beispielsweise in einem Sammelbehälter. Ein solcher Sammelbehälter kann in der oben beschriebenen Ausführungsform mit Vorwärmer vorteilhaft in
Strömungsrichtung des rückgeführten Öls dem Vorwärmer vorgeschaltet sein und ein Heizbehälter zur Aufnahme des rückgeführten, mittels der Heizeinrichtung aufzuheizenden Öls kann dem Sammelbehälter und insbesondere dem Vorwärmer nachgeschaltet sein, sodass das aus der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine und/oder dem Arbeitsmedium ausgeleitete Öl zunächst in den Sammelbehälter, dann durch den Vorwärmer und anschließend in den Heizbehälter strömt. Aus dem Heizbehälter kann das erhitzte Öl dann als Wärmeträger der anderen
wärmeabgebenden Seite des Vorwärmers zugeführt und anschließend
insbesondere über eine Ölpumpe in die Arbeits- und/oder Antriebsmaschine rückgeführt werden. Somit wird energetisch äußerst günstig das dem Heizbehälter zugeführte Öl vorgewärmt und das der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine rückgeführte Öl gekühlt und dadurch die dem Heizbehälter von außen
zuzuführende Wärme, beispielsweise aus dem Abgasstrom eines
Verbrennungsmotors, in dessen Antriebsstrang die Arbeits- und/oder
Antriebsmaschine beispielsweise als Dampfkraftmaschine oder Speisepumpe, insbesondere bei einem Fahrzeugantriebsstrang, angeordnet ist, minimiert. Die Ölkühlung dient dazu, eine ausreichende Viskosität des Öls sicherzustellen.
Ein erfindungsgemäßes Dampfkraftsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, weist entsprechend einen Dampfkreislauf auf, in dem das Arbeitsmedium zumindest teilweise im dampfförmigen Zustand zirkuliert. Im Dampfkreislauf ist eine Dampfkraftmaschine, insbesondere eine Speisepumpe, und ein Kondensator angeordnet. Die Dampfkraftmaschine und/oder die Speisepumpe ist mit einem erfindungsgemäßen Ölsystem schmierölversorgt. Vorteilhaft wird dabei ein Ölabscheider stromaufwärts des Kondensators und stromabwärts der Dampfkraftmaschine oder im Bereich des
Arbeitsmediumeinlasses am Kondensator beziehungsweise im Bereich des Arbeitsmediumauslasses an der Dampfkraftmaschine im Dampfkreislauf positioniert und das mit diesem Ölabscheider aus dem Arbeitsmedium
abgeschiedene Öl durch Erwärmen in einer Ausscheidevorrichtung behandelt, um den Arbeitsmediumanteil im rückgeführten Öl zu minimieren oder zu eliminieren. Zusätzlich kann auch unmittelbar aus der Dampfkraftmaschine und/oder der Speisepumpe abgeleitetes Öl entsprechend zum Ausscheiden des
Arbeitsmediumanteils erhitzt werden.
Um das in der Ausscheidevorrichtung durch Aufheizen und insbesondere das im Sammelbehälter zusätzlich abgetrennte Arbeitsmedium zurück in den
Arbeitsmediumkreislauf zu führen, ist vorteilhaft eine Absaugeinrichtung an der Ausscheidevorrichtung, insbesondere dem Heizbehälter und/oder dem
Sammelbehälter angeschlossen, welche das dampfförmige (gasförmige)
Arbeitsmedium absaugt und dem Arbeitsmediumkreislauf zuführt. Eine solche Absaugeinrichtung kann beispielsweise als Ejektor ausgeführt sein oder einen solchen umfassen, der derart im Arbeitsmediumstrom ausgerichtet ist, dass er eine Saugwirkung erzeugt. Als günstige Position für einen solchen Ejektor ist der Bereich des Dampfkreislaufes zwischen der Dampfkraftmaschine und dem
Kondensator, einschließlich des Arbeitsmediumeinlasses am Kondensator und des Arbeitsmediumauslasses an der Dampfkraftmaschine anzusehen, insbesondere in Strömungsrichtung des Dampfes hinter dem Ölabscheider. Als Arbeitsmedium kommt beispielsweise Wasser in Betracht. Als günstig hat sich jedoch auch ein Alkohol, beispielsweise Ethanol erwiesen. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
In der Figur 1 ist ein Dampfkraftsystem mit einer Dampfkraftmaschine 1 und einem Kondensator 4 in einem Dampfkreislauf 21 dargestellt. Ferner erkennt man die Speisepumpe 2 und den Verdampfer 22 als weitere übliche Aggregate des Dampfkreislaufes 21.
Der Speisepumpe 2 ist ein Bypass 23 zugeordnet, mit einem Bypassventil 18, dessen Öffnungsstellung über einen abgasumströmten Fühlerbehälter 17 bestimmt wird. Der Fühlerbehälter 17 ist über eine Kapillarleitung oder sonstige Leitung mit dem Bypassventil 18 verbunden, derart, dass die Druck- bzw. Volumenänderung des im Fühlerbehälter 17 eingeschlossenen Volumens in Abhängigkeit der
Abgastemperatur den Ventilkörper des Bypassventils 18 betätigt beziehungsweise mehr oder minder verschiebt, um dadurch den Strömungsquerschnitt des
Bypassventils 18 zu verändern. Die Betätigung kann beispielsweise über eine Membran erfolgen. Die Positionierung des Fühlerbehälters 17 ist vorliegend im Abgasstrom 24 eines Verbrennungsmotors vor beziehungsweise am Abgaseintritt eines Heizbehälters 7, auf den später im Einzelnen eingegangen wird, vorgesehen. Die Positionierung an einer anderen Stelle ist möglich.
Ein Teil der Wärme des Abgasstromes 24 wird zur Verdampfung des
Arbeitsmediums im Verdampfer 22 und zusätzlich zum Erhitzen des Öls des Ölsystems im Heizbehälter 7 verwendet. Hierzu können der Verdampfer 22 und der Heizbehälter 7 parallel oder in Reihe zueinander, bei letzterem vorzugsweise mit dem Heizbehälter 7 vor dem Verdampfer 22 oder auch in anderer Reihenfolge positioniert sein.
Auf der Austrittsseite der Speisepumpe 2 ist im Dampfkreislauf 21, insbesondere unmittelbar am Austritt der Speisepumpe 2, ein Rückschlagventil 16 vorgesehen, welches eine RückStrömung von Arbeitsmedium vermeidet. In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor der Speisepumpe 2 ist ein Druckausgleichsbehälter 19 vorgesehen, der stärkere Druckschwankungen aufgrund des intermittierenden Förderns, besonders bei Verwendung einer Einzylinderhubkolbenpumpe bei einer längeren Pumpenansaugleitung vermeidet. Dieser Druckausgleichsbehälter 19 besteht in einer einfachen Form aus einem voluminösen Rohr mit zusätzlicher gasseitiger Druckausgleichsleitung 20, welche die Gasseite des
Druckausgleichsbehälters 19 mit der Gasseite des Arbeitsmediumvorratsbehälters 5, der in Strömungsrichtung zwischen dem Kondensator 4 und der Speisepumpe 2 im Arbeitsmediumkreislauf (Dampfkreislauf 21) positioniert ist verbindet. Die Höhenzuordnung zwischen dem Arbeitsmediumvorratsbehälter 5 und dem
Druckausgleichsbehälter 19 sollte vorteilhaft derart gewählt werden, dass sich im Druckausgleichsbehälter 19 ein Flüssigkeitsspiegel ausbildet.
Im vorliegenden Fall ist, wie gezeigt, der Arbeitsmediumvorratsbehälter 5 unmittelbar neben dem Kondensator 4 platziert. Sollte dies nicht möglich sein, so kann auch durch einen Siphon 30 in der Kondensatoraustrittsleitung der
Flüssigkeitsstand des Arbeitsmediums im Kondensator 4 festgelegt werden.
In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter der Dampfkraftmaschine 1 ist ein Ölabscheider 3 vorgesehen, der beispielsweise als Zyklonabscheider
ausgeführt ist. Die Positionierung des Ölabscheiders 3 am Arbeitsmediumauslass der Dampfkraftmaschine 1 ist günstig, da dort die geringste Arbeitsmediumdichte und damit der größte Unterschied zur Öldichte vorherrscht. Je nachdem, wie gut oder schlecht das Öl abgeschieden wird, sollte eine mehr oder weniger große Ölsverschleppung in den hinter dem Kondensator 4 befindlichen größeren
Arbeitsmediumvorratsbehälter 5 bei der Dimensionierung des gesamten Olvorrats berücksichtigt werden.
Eine weitere Olableitung erfolgt aus der Dampfkraftmaschine 1, beispielsweise aus deren Kurbelraum. Sowohl das im Ölabscheider 3 abgeschiedene als auch das aus der Dampfkraftmaschine 1 abgeleitete Öl weisen in der Regel einen
Arbeitsmediumanteil auf, der in das Ölsystem entsprechend eingetragen wird. Erfindungsgemäß ist nun eine Ausscheidevorrichtung 25 für das in das Ölsystem mit dem ausgeleiteten beziehungsweise abgeschiedenen Öl eingetragene
Arbeitsmedium vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst diese eine erste Ölrückführleitung 26, die das im Ölabscheider 3 abgeschiedene
(ausgeleitete) arbeitsmediumhaltige Öl in einen Sammelbehälter 6 führt, und eine zweite Ölrückführleitung 27, die das aus der Dampfkraftmaschine 1 ausgeleitete arbeitsmediumhaltige Öl in den Sammelbehälter 6 führt.
Um vor allem beim Kaltstart des Dampfkraftsystems, bei einem anfänglichen Flüssigkeitsanteil des Arbeitsmediums durch Expansion im Zweiphasengebiet in der kalten Dampfkraftmaschine 1 einen übermäßigen Arbeitsmediumeintrag ins Ölsystem zu vermeiden, kann in der ersten Ölrückführleitung 26, wie dargestellt, eine Drossel 14, insbesondere Festdrossel, vorgesehen sein und/oder diese erste Ölrückführleitung 26 kann als Kapillare ausgeführt sein. Zusätzlich oder alternativ kann das arbeitsmediumführende austrittsseitige Rohr im Ölabscheider 3 als Tauchrohr 13 ausgeführt sein.
Aus dem Sammelbehälter 6 wird das arbeitsmediumhaltige Öl letztendlich in den Heizbehälter 7 geleitet. Hier wird es durch Wärmezufuhr mittels einer
Heizeinrichtung 28 erhitzt, bis das Arbeitsmedium aus dem Öl ausdampft.
Zusätzlich oder alternativ zu der hier gezeigten Durchströmung der
Heizeinrichtung 28 mit Abgas, könnte dies vom heißen Arbeitsmedium
durchströmt werden, um die Wärmezufuhr in das Öl zu bewirken. Auch eine elektrische oder anders arbeitende Zusatzheizeinrichtung kommt in Betracht. Beim Arbeitsmedium Ethanol kann beispielsweise eine Erhitzung auf mehr als 130° oder 140 °C, insbesondere auf 150 °C oder mehr erfolgen. Das ausgedampfte
Arbeitsmedium wird aus dem Heizbehälter 7 und vorliegend zusätzlich auch aus dem Sammelbehälter 6 über Dampfleitungen 9, 10 einem im Dampfkreislauf 21 zwischen dem Ölabscheider 3 und dem Kondensator 4 vorgesehenen Ejektor 8 zugeführt, unter Zuhilfenahme der Saugwirkung des Ejektors 8. Hierfür ist die Dampfseite des Heizbehälters 7 über die Dampfleitung 10 mit der Dampfseite des Sammelbehälters 6 verbunden.
Da die Flüssigkeitswärme des Öls im Heizbehälter 7 den überwiegenden
Wärmeanteil darstellt, ist ein Vorwärmer 11 in der Ausscheidevorrichtung 25 vorgesehen, durch welchen das aus dem Heizbehälter 7 ausströmende
arbeitsmediumarme Öl (in der Zufuhrleitung 29) im Gegenstrom zu dem aus dem Sammelbehälter 6 ausströmenden in den Heizbehälter 7 einströmenden
arbeitsmediumreichen Öl strömt, bevor es mittels der Ölpumpe 12, die als druckgeregelte Pumpe oder ungeregelte Pumpe, insbesondere als Zahnradpumpe, ausgeführt ist, in herkömmlicher Weise auf den gewünschten Druck gebracht und im weiteren Verlauf den Schmierstellen der Dampfkraftmaschine 1 und/oder der Speisepumpe 2 zugeführt wird.
In vorteilhafter Weise sind Sammelbehälter 6, Vorwärmer 11 und Heizbehälter 7 in einem Gehäuse oder Behälter oder einer sonstigen Tragstruktur montiert, der/die unmittelbar unter der Dampfkraftmaschine 1 als größere Ölwanne befestigt ist.
Durch zahlreiche Umlenkbleche kann nicht nur im Vorwärmer 11, sondern auch im Heizbehälter 7 ein längerer Gegenstrom realisiert werden, um schädliche
Mischvorgänge zu vermeiden. Abgas und„sauberes" arbeitsmediumarmes Öl strömen insbesondere auf kürzerem Weg durch mehrere parallele Rohre. Der Öleinfüllstutzen 15 befindet sich vorzugsweise auf der„sauberen" Ölseite.
Die Erfindung ist besonders zur Schmierölversorgung einer Dampfkraftmaschine und/oder einer Speisepumpe der dargestellten Art in einem
Fahrzeugantriebsstrang geeignet, wobei Abgaswärme eines Abgasstromes eines Verbrennungsmotors zum Antrieb des Fahrzeugs zum Verdampfen des Arbeitsmediums des Dampfkreislaufes und zum Erhitzen des rückgeführten Öls, um das Arbeitsmedium aus dem rückgeführten Öl auszutreiben, genutzt wird.
Bezugszeichenliste
1 Dampfkraftmaschine
2 Speisepumpe
3 Ölabscheider
4 Kondensator
5 Arbeitsmediumvorratsbehälter
6 Sammelbehälter
7 Heizbehälter
8 Ejektor
9, 10 Dampfleitungen
11 Vorwärmer
12 Ölpumpe
13 Tauchrohr
14 Drossel
15 Öleinfüllstutzen
16 Rückschlagventil
17 Fühlerbehälter
18 Bypassventil
19 Druckausgleichsbehälter
20 Druckausgleichsleitung
21 Dampfkreislauf
22 Verdampfer
23 Bypass zur Speisepumpe
24 Abgasstrom
25 Ausscheidevorrichtung
26 erste Ölrückführleitung
27 zweite Ölrückführleitung
28 Heizeinrichtung
29 Zufuhrleitung
30 Siphon

Claims

Patentansprüche
Ölsystem zur Schmierölversorgung einer Arbeits- und/oder
Antriebsmaschine, insbesondere einer Dampfkraftmaschine (1), die mit einem flüssigen oder dampfförmigen Arbeitsmedium betrieben wird;
mit einer mit der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine verbundenen
Ölrückführung, um aus der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine und/oder dem Arbeitsmedium ausgeleitetes Öl in die Arbeits- und/oder
Antriebsmaschine rückzuführen;
mit einer mit der Ölrückführung verbundenen Ausscheidevorrichtung (25) zum Ausscheiden von in dem in der Ölrückführung rückgeführten Öl enthaltenen Arbeitsmedium;
die Ausscheidevorrichtung (25) weist eine Heizeinrichtung (28) zum
Erhitzen des rückgeführten Öls auf;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Heizeinrichtung (28) zum Erhitzen des rückgeführten Öls mit Wärme aus dem Arbeitsmedium und/oder mit Wärme, mittels welcher auch das flüssige oder dampfförmige Arbeitsmedium zum Betrieb der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine erhitzt wird, beaufschlagt ist.
Olsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsund/oder Antriebsmaschine als Dampfkraftmaschine (1) ausgeführt ist, deren Arbeitsmedium mit einem Abwärmestrom, insbesondere aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, verdampft wird, und der
Abwärmestrom, Wärme aus dem Abwärmestrom und/oder Wärme aus dem Arbeitsmedium der Heizeinrichtung (28) zum Erhitzen des rückgeführten Öls zugeführt wird.
Ölsystem gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausscheidevorrichtung (25) einen im Arbeitsmediumstrom positionierten Ölabscheider (3) mit einer ersten Ölrückführleitung (26) umfasst, und ferner eine zweite Ölrückführleitung (27), die ölseitig an der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine angeschlossen ist und mit der ersten Ölrückführleitung (26) zusammengeführt wird, insbesondere in einem Sammelbehälter (6).
Ölsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (28) als Verdampfungseinrichtung ausgeführt ist, mittels welcher das im rückgeführten Öl enthaltene Arbeitsmedium verdampft oder vergast wird.
Ölsystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Heizeinrichtung (28) ein Vorwärmer (11) zum Vorwärmen des
rückgeführten Öls in Strömungsrichtung des rückgeführten Öls
vorgeschaltet ist, insbesondere in Strömungsrichtung des rückgeführten Öls hinter der Zusammenführung der ersten und der zweiten Ölrückführleitung (26, 27) oder dem Sammelbehälter (6).
Ölsystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das im
Vorwärmer (11) rückgeführte Öl mit Wärme aus dem Öl, das aus der Heizeinrichtung (28) zur Rückführung in die Arbeits- und/oder
Antriebsmaschine ausgeleitet wird, erwärmt wird.
Ölsystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ölsystem ferner eine mit der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine sowie der
Ausscheidevorrichtung (25) verbundene Zufuhrleitung (29), insbesondere mit einer Ölpumpe (12), aufweist, die Ausscheidevorrichtung (25) einen Heizbehälter (7) zur Aufnahme des rückgeführten, aufzuheizenden Öls umfasst, der insbesondere dem Sammelbehälter (6) nachgeschaltet ist, die Zufuhrleitung (29) zum Ableiten von rückgeführten Öl aus dem Heizbehälter (7) in diesen mündet, und in Strömungsrichtung des Öls in der Zufuhrleitung (29) der Vorwärmer (11) in der Zufuhrleitung (29) hinter dem Heizbehälter (7) und insbesondere vor der Ölpumpe (12) eingebracht ist, um in den Heizbehälter (7) einströmendes Öl der Ölrückführung mit Wärme aus dem Öl in der Zufuhrleitung (29) zu erwärmen.
8. Dampfkraftsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
8.1 mit einem Dampfkreislauf (21), in dem das Arbeitsmedium teilweise im
dampfförmigen Zustand zirkuliert;
8.2 mit einer im Dampfkreislauf (21) angeordneten Dampfkraftmaschine (1) und einem im Dampfkreislauf (21) angeordneten Kondensator (4);
dadurch gekennzeichnet, dass
8.3 die Dampfkraftmaschine (1) mit einem Ölsystem gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 7 schmierölversorgt ist.
Dampfkraftsystem gemäß Anspruch 8 mit einem Olsystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölabscheider (3) stromaufwärts des Kondensators (4) und stromabwärts der Dampfkraftmaschine (1), im
Bereich des Arbeitsmediumeinlasses am Kondensator (4) oder im Bereich des Arbeitsmediumauslasses an der Dampfkraftmaschine (1) im
Dampfkreislauf (21) positioniert ist.
10. Dampfkraftsystem gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ausscheidevorrichtung (25) eine
Arbeitsmediumrückführung für aus dem Öl ausgeschiedenes Arbeitsmedium aufweist, die in Strömungsrichtung des Dampfes im Dampfkreislauf (21) vor dem Kondensator (4) oder im Bereich des Arbeitsmediumeinlasses im Kondensator (4) und hinter der Dampfkraftmaschine (1) oder im Bereich des Arbeitsmediumauslasses der Dampfkraftmaschine (1), insbesondere hinter dem Ölabscheider (3) mündet.
11. Dam fkraftsystem gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung der Arbeitsmediumrückführleitung als Ejektor (8) ausgeführt ist.
12. Dampfkraftsystem gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass im Dampfkreislauf (21) ein Verdampfer (22) angeordnet ist, in welchem das Arbeitsmedium durch Zufuhr von Wärme aus einem Wärmeträger, insbesondere Abgas eines Verbrennungsmotors, verdampft wird, und dass die Heizeinrichtung (28) mit demselben
Wärmeträger zum Erhitzen des rückgeführten Öls beschickt wird.
13. Dampfkraftsystem gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger parallel durch den Verdampfer (22) und die Heizeinrichtung (28) strömt, oder die Heizeinrichtung (28) im Wärmeträgerstrom
stromaufwärts oder stromabwärts des Verdampfers (22) positioniert ist.
14. Verfahren zum Abscheiden von Arbeitsmedium einer schmierölversorgten Arbeits- und/oder Antriebsmaschine, insbesondere Dampfkraftmaschine (1), wobei Schmieröl aus der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine und/oder dem Arbeitsmedium ausgeleitet und der Arbeits- und/oder Antriebsmaschine rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgeführte Öl zum Ausscheiden des Arbeitsmediums erhitzt wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung bis zum teilweisen oder vollständigen Verdampfen des Arbeitsmediums fortgeführt wird.
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