WO2012013470A1 - Über einen dampfkraftprozess antreibbare kolbenmaschine - Google Patents

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WO2012013470A1
WO2012013470A1 PCT/EP2011/061465 EP2011061465W WO2012013470A1 WO 2012013470 A1 WO2012013470 A1 WO 2012013470A1 EP 2011061465 W EP2011061465 W EP 2011061465W WO 2012013470 A1 WO2012013470 A1 WO 2012013470A1
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WO
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piston
cylinder
engine
internal combustion
rod
Prior art date
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PCT/EP2011/061465
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nadja Eisenmenger
Hans-Christoph Magel
Andreas Wengert
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • F01B29/00—Machines or engines with pertinent characteristics other than those provided for in preceding main groups
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

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 in a compact design, a good efficiency can be achieved. Specially, the piston engine can even in a confined space situation on a
  • the piston engine can be combined with an internal combustion engine to the waste heat of the internal combustion engine in additional drive energy
  • crank axle of a crankshaft of the piston engine sits on a crank axle of the internal combustion engine.
  • the cylinder is directed horizontally or downwardly from the crank axis of the crankshaft with respect to an installation position of the internal combustion engine.
  • Cultivation sites are limited. Especially in this case, only the horizontal installation can be useful here, with the remaining ancillaries are adapted.
  • a designed as a single-cylinder steam engine piston engine is mounted on the internal combustion engine, which operates in one-stroke process.
  • These Design allows a small size and a flexible positioning. Due to the configuration as a single-cylinder engine, the single cylinder of the piston engine can be flexibly attached to the internal combustion engine in the angular position.
  • the one-stroke principle which is realized by the double-acting cylinder piston, a cylinder diameter of the cylinder piston can still be set relatively small.
  • a crankshaft or another shaft of the piston engine can sit directly on the crankshaft or shaft axis of the internal combustion engine, and the cylinder of the piston engine can be placed in an existing gap on the internal combustion engine through the one-sided installation space.
  • This combination allows a sufficiently compact design of the piston engine with sufficient for a good efficiency displacement. As a result, both the cultivation and a sufficient reduction in fuel consumption are possible.
  • the conditions for an economical use of the piston engine on an internal combustion engine of a motor vehicle or the like are given.
  • a compact piston engine can also be placed at other locations, for example in the region of the transmission bell between the internal combustion engine and the transmission. Furthermore, an attachment laterally to the internal combustion engine (internal combustion engine) is advantageous, wherein the crankshaft of the internal combustion engine (internal combustion engine)
  • Piston engine (steam engine) parallel to the crankshaft of the internal combustion engine
  • a further cylinder bore, a further cylinder piston arranged in the further cylinder bore and a further rod connected at least indirectly to the further cylinder piston are provided, that the further rod is guided out of the further cylinder bore, that the further cylinder piston limited in the other cylinder bore on the one hand a third working space and on the other hand, a fourth working space and that the rod and the other Rod are connected to each other at least indirectly.
  • a piston engine can be realized with exactly two cylinders.
  • Piston engine can be done by a double-acting piston according to a one-stroke principle.
  • a double-acting cylinder piston can be realized with relatively little effort in a piston engine, in which a Scotch-yoke drive and a bearing of a crank loop are provided on the serving as a transmission rods rods. As a result, almost twice the displacement can be achieved with the same space required, thereby increasing the efficiency of the piston engine.
  • Cylinder piston crank loop can be used in this case formed back space on the cylinder piston directly as another working space. The sealing of the others
  • Piston rings be provided.
  • crank loop Further optimization is possible by mounting the crank loop in the oil area. This allows a long life and high efficiency can be achieved, which is particularly important for use in a commercial vehicle with an internal combustion engine of importance.
  • a seal for the working fluid (working fluid) on the rods relative to the oil area is at the same time as a seal for the adjacent Workrooms effective. This results in an advantageous construction in which the number of required components is reduced.
  • the piston engine Due to the design of the piston engine as a reciprocating steam engine with one-stroke principle and Scotch-Yoke crank mechanism in conjunction with an internal combustion engine thus a particularly fuel-efficient and cost-effective combination engine from the internal combustion engine and the reciprocating engine can be produced, the
  • the cylinder piston on the one hand a first side surface and on the other hand has a second side surface, that the first side surface and the second side surface facing away from each other, that the first side surface of the cylinder piston in the cylinder bore limits the first working space and that the second side surface of the Cylinder piston in the cylinder bore limits the second working space.
  • This can be achieved by alternately filling the work spaces with vaporous working fluid alternately actuation of the cylinder piston.
  • the rod is connected to the second side surface of the cylinder piston with the cylinder piston and that the rod extends at least approximately perpendicular to the second side surface through the second working space.
  • the rod can be rigidly connected to the cylinder piston.
  • vaporous working fluid in the first working space and the second working space is feasible.
  • the inlets can be designed in this case in an advantageous manner as a valve-controlled inlets. Further, it is advantageous that an outlet for the first working space and an outlet for the second working space are provided and that over the outlet for the first working space and the outlet for the second working space alternately at least partially relaxed vaporous working fluid from the first working space and the second working space is ejected.
  • the outlets can be configured in an advantageous manner as a valve-controlled outlets. It is possible to do this
  • Integrate working spaces in an advantageous manner in the steam power process can be under relatively high pressure, gaseous working fluid in the
  • crankshaft arranged in a crankshaft space is provided, that the crankshaft has a crankshaft journal on which a sliding block is arranged, that the rod is connected to a crankshaft arranged in the crankshaft space, and that the crank loop is a slot-shaped recess has, in which the sliding block is inserted.
  • a crank-grinding drive can be realized in an advantageous manner.
  • Reciprocating steam engine designed piston machine can be realized with Scotch-Yoke crank mechanism.
  • the cylinder bore is directed horizontally or downwardly from the crank axis of the crankshaft with respect to an installation position of the internal combustion engine. In this area usually no ancillaries are arranged on the internal combustion engine, so that the available space can be used.
  • the steam power 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 be transferred via a heat exchanger to the working fluid of the ORC process in an advantageous manner.
  • 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.
  • the rod is on the one hand rigidly connected to the cylinder piston and on the other hand rigidly connected to the crank loop.
  • a bearing is provided, on which the guided out of the cylinder bore rod is mounted.
  • the bearing may in this case be advantageously formed by a bearing surface.
  • the bearing can be lubricated by a lubricant from the crankshaft space.
  • Anchuposition be selected on the internal combustion engine, even if there are cramped space conditions that are caused for example by other units. Therefore, an attachment to the internal combustion engine can be carried out in an advantageous manner, wherein the piston engine with the internal combustion engine forms a combination engine.
  • a steam engine is combined with an internal combustion engine.
  • the piston engine can be in mechanical operative connection with a drive train of a vehicle. If the piston engine is attached to an internal combustion engine, then it is advantageous that the piston engine is mounted on the front of the internal combustion engine or that the piston engine is mounted laterally on the internal combustion engine. In the case of a lateral attachment, for example, a gear box or the like also required for further units can be used to produce the mechanical operative connection.
  • the cylinder bore is oriented at least approximately parallel to a cylinder of the internal combustion engine. Especially in a single-cylinder embodiment of the piston engine, the cylinder preferably points upwards.
  • FIG. 1 shows a piston machine in a schematic sectional representation according to a first exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows an arrangement of the piston machine of the first shown in Fig. 1
  • FIG. 3 the piston machine shown in Fig. 1 in a schematic sectional view according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a piston machine 1 in a schematic representation according to a first embodiment of the invention.
  • the piston engine 1 is driven by a steam power process.
  • the piston engine 1 especially at a Internal combustion engine of a motor vehicle are used 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 has a housing part 2 and a cylinder 3 connected to the housing part 2.
  • the piston engine 1 has exactly one cylinder 3.
  • the cylinder 3 of the piston engine 1 has a cylinder bore 4 in which a
  • Cylinder piston 5 is arranged.
  • the cylinder piston 5 is in this case arranged along an axis 6 of the cylinder bore 4 displaceable in the cylinder bore 4.
  • the cylinder piston 5 has, on the one hand, a first side surface 7 and, on the other hand, a second side surface 8. With the first side surface 7 of the cylinder piston 5 limited in the cylinder bore 4, a first working space 9. With the second side surface 8 of the cylinder piston 5 limited in the cylinder bore 4, a second working space 10. In a
  • Adjustment of the cylinder piston 5 in a direction 1 1 increases the volume of the first working space 9, while the volume of the second working space 10 decreases.
  • Valve-controlled inlets 12, 13 are provided on the cylinder 3. Further, valve-controlled outlets 14, 15 are provided on the cylinder 3.
  • the inlet 12 and the outlet 14 are associated with the first working space 9.
  • the inlet 13 and the outlet 15 are associated with the second working space 10.
  • high-pressure, vaporous working fluid can be introduced into the first working space 9 via the inlet 12.
  • an actuating force is exerted on the cylinder piston 5 in the direction of 1 1.
  • the gaseous working fluid in the first working chamber 9 relaxes.
  • the outlet 15 can be opened in order to eject the already relaxed, residual working fluid from the second working chamber 10.
  • valve-controlled inlet 13 is now opened to initiate under high pressure, gaseous working fluid in the second working space 10.
  • the inlet 1 1 for the first Working space 9 is closed here.
  • the outlet 14 for the first working space 1 1 can now be opened in order to eject the relaxed, gaseous working fluid from the first working space 9 in the direction of the direction 1 1 when the cylinder piston 5 is actuated.
  • an alternate operation of the cylinder piston 5 is possible.
  • the piston machine 1 has a rod 20, which serves as a transmission rod 20.
  • the rod 20 is connected on the one hand to the second side surface 8 with the cylinder piston 5.
  • the rod 20 is rigidly connected to the cylinder piston 5.
  • the rod 20 is in this case aligned with the axis 6, so that the rod 20 is oriented perpendicular to the second side surface 8.
  • a crankshaft space 21 is provided, in which a crankshaft 22 is arranged.
  • the rod 20 is connected to a crank loop 23 arranged in the crankshaft space 21.
  • the connection of the rod 20 with the crank loop 23 is in this case also rigid.
  • the rod 20 extends through the second working space 10 and into the crankshaft space 21.
  • the cylinder bore 4 is separated from the crankshaft space 21 by a housing part 24.
  • a bearing surface 25 is configured on the housing part 24, which is connected to the
  • crankshaft space 21 adjacent.
  • the bearing surface 25 forms a bearing 25 ', on which the guided out of the cylinder bore 4 rod 20 is mounted.
  • This lubricating oil can also serve to lubricate the bearing surface 25.
  • annular sealing elements 26, 27 may be provided, which are arranged behind the bearing surface 25. This will be an entry of
  • Lubricating oil in the second working space 10 prevents mixing of the one hand, the gaseous working fluid and on the other hand, the lubricating oil.
  • the crank mechanism of the piston engine 1 has a sliding block 28, which is arranged on a crankshaft journal 29 of the crankshaft 22.
  • the sliding block 28 is here inserted into a slot-shaped recess 30 of the crank loop 23.
  • the lubrication of the crank mechanism takes place via the provided in the crankshaft space 21 lubricating oil.
  • piston rings 31, 32 are arranged, which improve a seal between the working chambers 9, 10 and at the same time a friction between the cylinder piston 5 and the Prevent cylinder bore 4. As a result, a fretting wear can be reduced and at the same time a reliable seal can be ensured.
  • Piston engine 1 can be realized with exactly one cylinder 3, which operates in the one-stroke principle.
  • the cylinder piston 5 passes its force on the rod 20 on the
  • crank-wheel drive and thus the crankshaft 22 a. All inlets 12, 13 and outlets 14, 15 are controlled.
  • crank grinding By the crank grinding with the crank loop 23 and the sliding block 28, which sits on the crankshaft journal 29, the reciprocating piston movement of the cylinder piston 5 is transmitted to the crankshaft 22.
  • crank loop 23 is mounted on the rod 20 at the bearing point formed by the bearing surface 25. This bearing is located in the oil area, since it is adjacent to the crankshaft space 21.
  • crank axle 33 of the piston engine 1 sits exactly on a crank axle of the internal combustion engine. This arrangement is further described with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 shows an arrangement of the piston engine 1 shown in FIG. 1
  • the internal combustion engine 35 has, for example, a cylinder 36 which is oriented vertically or vertically relative to an installed position. This is possible, for example, in a configuration as a row cylinder. At the front of the internal combustion engine 35.
  • a cylinder 36 which is oriented vertically or vertically relative to an installed position. This is possible, for example, in a configuration as a row cylinder.
  • auxiliary units 37, 38, 39 are arranged.
  • Crank axle 33 of the internal combustion engine 35 is oriented perpendicular to the plane of the drawing in this embodiment.
  • the piston engine 1 can now advantageously in the Front of the internal combustion engine 35 are arranged, wherein the of the
  • Auxiliary units 37 to 39 free space can be used.
  • the piston engine 1 is arranged on the front side of the internal combustion engine 35 such that the crank axle 33 of the piston engine 1 coincides with the crank axle 33 of the internal combustion engine 35.
  • This attachment is particularly advantageous because the power transmission from the piston engine 1 to the internal combustion engine 35 can be done without additional gears, chains and belts.
  • Auxiliary units 37 to 39 is located on the internal combustion engine 35.
  • Fig. 3 shows the piston machine 1 shown in Fig. 1 in a schematic
  • a further cylinder bore 4' is configured, in which a further cylinder piston 5 'is arranged.
  • the cylinder piston 5 ' has a first side surface T and a second side surface 8'.
  • On the first side surface 7 'of the cylinder piston 5' defines a third working space 40.
  • At the second side surface 8 'of the cylinder piston 5' limits a fourth working space 41.
  • the cylinder piston 5 ' is actuated together with the cylinder piston 5, so that both cylinder piston 5 either be adjusted in the direction of 1 1 or against the direction of 1 1.
  • a rod 20 ' is provided, via which the cylinder piston 5' is connected to the crank loop 23.
  • the rod 20 ' is in this case on the second side surface 8' rigidly connected to the cylinder piston 5 '.
  • the rod 20 ' is in this case mounted on a bearing 25'.
  • the inlets 12 ', 13' are opened alternately.
  • the actuation of the inlets 12, 13 and the inlets 12 ', 13' for the two cylinders 3, 3 ' can be coordinated with each other.
  • the actuation of the outlets 14, 15 for the cylinder 3 and the outlets 14 ', 15' for the cylinder 3 ' can be coordinated with each other.
  • a piston engine 1 with opposing cylinders 3, 3 'and thus opposed cylinder pistons 5, 5' can be realized, wherein the cylinder piston 5, 5 'initiate their forces on the crankshaft drive on the crankshaft 22.
  • the reciprocating piston movement of the two cylinder pistons 5, 5 ' is transmitted to the crankshaft 22.
  • the crank loop 23 is in this embodiment in an advantageous manner to the two bearings 25, 25 'mounted on both sides of the
  • Crank axle 33 are arranged.
  • an additional seal can be provided by means of sealing elements.
  • Working space 41 are filled with gaseous working fluid, so that during the working
  • the reciprocating engine 1 of the second embodiment shown in FIG. 3 may be attached to an engine 35.
  • Auxiliary unit 37 upwards and on the other hand optionally the auxiliary unit 39 is carried upward.
  • the crank axle 33 of the crankshaft 22 of the piston engine 1 then coincides with the crank axle 33 of the internal combustion engine 35.
  • the piston engine 1 then forms a combination engine 1, 35 with the internal combustion engine 35.
  • the piston engine 1 is in mechanical operative connection with a drive train 33 of a vehicle.
  • the reciprocating engine 1 is mounted on the engine 35, the reciprocating engine 1 may be mounted on the front of the engine 35, or the reciprocating engine 1 may be mounted on the side of the engine.
  • the cylinder bore 4 is preferably oriented at least approximately parallel to the cylinder 36 of the internal combustion engine 35. Particularly advantageous is the cultivation, if exactly one cylinder bore 4 is provided.
  • the cylinder piston 5 on the one hand a first side surface 7 and on the other hand, a second side surface 8, that the first side surface 7 and the second side surface 8 facing away from each other, that the first side surface 7 of the cylinder piston 5 in the cylinder bore 4, the first Working space 9 limited and that the second side surface 8 of the cylinder piston 5 in the cylinder bore 4 the second
  • the rod 20 is connected to the cylinder piston 5 on the second side surface 8 of the cylinder piston 5 and that the rod 20 extends at least approximately perpendicular to the second side surface 8 through the second working space 10.
  • an inlet 12 for the first working space 9 and an inlet 13 for the second working dream 10 are provided and that via the inlet 12 for the first working space 9 and the inlet 13 for the second working space 10th
  • an outlet 14 is provided for the first working space 9 and an outlet 15 for the second working space 10 and that over the outlet 14 for the first working space 9 and over the outlet 15 for the second working space 10 alternately at least partially relaxed vaporous working fluid from the first Working space 9 and the second working space 10 can be ejected.
  • crankshaft 22 has a crankshaft journal 29, on which a sliding block 28 is arranged, that the rod 20 is connected to a arranged in the crankshaft space 21 crank loop 23 and that the crank loop 23 has a slot-shaped recess 30 into which the sliding block 28 is inserted.
  • a crank axle 33 of the crankshaft 22 sits on a crank axle 33 of the internal combustion engine 35.
  • the cylinder bore 4 is aligned horizontally or downwardly with respect to an installation position of the internal combustion engine 35 from the crank axle 33. The invention is not limited to the described embodiments.

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Abstract

Eine Kolbenmaschine (1), die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist und insbesondere zur Nutzung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine dient, umfasst zumindest eine Zylinderbohrung (4), einen in der Zylinderbohrung (4) angeordneten Zylinderkolben (5) und eine mit dem Zylinderkolben (5) verbundene Stange (20). Die Stange (20) ist aus der Zylinderbohrung (4) geführt. Dabei begrenzt der Zylinderkolben (5) in der Zylinderbohrung (4) einerseits einen ersten Arbeitsraum (9) und andererseits einen zweiten Arbeitsraum (10), wobei eine in einem Kurbelwellenraum (21) angeordnete Kurbelwelle (22) vorgesehen ist, wobei die Stange (20) mit einer in dem Kurbelwellenraum (21) angeordneten Kurbelschleife (23) verbunden ist und wobei die Stange (20) über die Kurbelschleife (23) mit der Kurbelwelle (22) in Wirkverbindung steht. Hierdurch kann bei einem kompakten Aufbau der Kolbenmaschine (1) ein großes Expansionsvolumen realisiert werden.

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. Dadurch 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 für einen guten Wirkungsgrad des
Dampfkraftprozesses ein großes Expansionsvolumen der Expansionsmaschine erforderlich ist, während die Bauraumsituation an einer Brennkraftmaschine in der Regel jedoch sehr beengt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei einer kompakten Bauweise ein guter Wirkungsgrad erzielbar ist. Speziell kann die Kolbenmaschine auch bei einer beengten Bauraumsituation an einer
Brennkraftmaschine oder dergleichen untergebracht werden und zugleich ein
ausreichendes Hubvolumen aufweisen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Kolbenmaschine möglich. In vorteilhafter Weise kann die Kolbenmaschine mit einer Brennkraftmaschine kombiniert werden, um die Abwärme der Brennkraftmaschine 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 auch eine große Wärmemenge zur Dampferzeugung zur Verfügung steht. Hierdurch kann der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert werden.
Gerade für den Einsatz bei Nutzkraftwagen mit einem Dieselmotor oder einem 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 für die Brennkraftmaschine erzielt werden und somit kann die von der Kolbenmaschine abgegebene mechanische Energie direkt an die Kurbelwelle des Dieselmotors beziehungsweise des Gasmotors abgegeben werden. Einerseits ist hierbei eine kleine Baugröße der Kolbenmaschine besonders wichtig. Andererseits ist aber auch eine möglichst flexible Positionierbarkeit an der Brennkraftmaschine erforderlich, um bei den in der Regel zahlreich vorhandenen Nebenaggregaten an der Brennkraftmaschine noch einen günstigen Anbauplatz zu finden, der keinen großen Änderungsaufwand an der Brennkraftmaschine bedingt. Dies ist speziell bei einem Nutzkraftwagen durch einen Einbau vorne an der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise möglich, wobei der Einbau zwischen der Brennkraftmaschine und einem Kühler beziehungsweise Lüfter erfolgt. Hierbei kann die Kurbelwelle der Kolbenmaschine genau auf der Kurbelachse der
Brennkraftmaschine liegen, damit kein zusätzlicher Bauraum für eine Kraftübertragung über ein oder mehrere Zahnräder, eine Kette oder einen Riemen benötigt wird. Speziell ist es daher vorteilhaft, dass eine Kurbelachse einer Kurbelwelle der Kolbenmaschine auf einer Kurbelachse der Brennkraftmaschine sitzt.
Ferner ist es vorteilhaft, dass der Zylinder von der Kurbelachse der Kurbelwelle aus in Bezug auf eine Einbaulage der Brennkraftmaschine waagrecht oder nach unten gerichtet ist. Bei einer als Zweikolben-Hubkolbenmotor ausgestalteten Kolbenmaschine mit gegenüberliegenden Zylindern mit Scotch-Yoke-Antrieb kann eine relativ kompakte
Bauform erzielt werden. Durch die beidseitig der Kurbelwelle befindlichen Zylinder weist diese Bauform jedoch keine flexible Orientierung der Zylinder auf, da die möglichen
Anbaulagen eingeschränkt sind. Speziell in diesem Fall kann hier nur der waagrechte Einbau sinnvoll sein, wobei die restlichen Nebenaggregate anzupassen sind.
In vorteilhafter Weise wird an der Brennkraftmaschine eine als Einzylinder-Dampfmotor ausgestaltete Kolbenmaschine angebracht, die im Ein-Takt-Verfahren arbeitet. Diese Bauform ermöglicht eine geringe Baugröße und eine flexible Positionierung. Durch die Ausgestaltung als Ein-Zylinder-Motor kann der einzige Zylinder der Kolbenmaschine in der Winkellage flexibel an die Brennkraftmaschine angebaut werden. Durch die Verwendung des Ein-Takt-Prinzips, das durch den doppelt wirkenden Zylinderkolben realisiert ist, kann ein Zylinderdurchmesser des Zylinderkolbens dabei trotzdem relativ klein vorgegeben sein.
Durch die kompakte und einseitig zur Achse ausgebildete Bauform als Ein-Zylinder-Motor ist es einfacher, an einem typischen Verbrennungsmotor vorne zwischen den bereits vorhandenen Anbauaggregaten einen Bauraum für die Kolbenmaschine zu finden.
Insbesondere kann eine Kurbelwelle oder eine andere Welle der Kolbenmaschine direkt auf der Kurbel- oder Wellenachse der Brennkraftmaschine sitzen und durch den einseitigen Bauraum kann der Zylinder der Kolbenmaschine in einer vorhandenen Lücke an der Brennkraftmaschine platziert werden. Diese Kombination ermöglicht einen hinreichend kompakten Aufbau der Kolbenmaschine mit einem für einen guten Wirkungsgrad ausreichenden Hubvolumen. Dadurch sind sowohl der Anbau als auch eine ausreichende Senkung des Brennstoffverbrauchs möglich. Somit sind die Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Einsatz der Kolbenmaschine an einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen gegeben.
Alternativ zum Anbau vor der Brennkraftmaschine kann eine kompakte Kolbenmaschine auch an anderen Stellen platziert werden, beispielsweise im Bereich der Getriebeglocke zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebe. Weiterhin ist ein Anbau seitlich an der Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor) vorteilhaft, wobei die Kurbelwelle der
Kolbenmaschine (Dampfmotor) parallel zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
ausgerichtet ist. Dadurch kann eine einfache Wirkverbindung beider Kurbelwellen über Zahnräder oder Ketten beziehungsweise Riemen erfolgen. Hierfür ist ebenfalls eine sehr kompakte Baugröße des Dampfmotors notwendig. Vorteilhaft ist dabei eine Einzylinder- Bauform, wobei der Zylinder ungefähr parallel zur Zylinderlaufrichtung des
Verbrennungsmotors ausgerichtet ist. Hierbei bieten diese Kombinationen ebenfalls die notwendige Freiheit bei der Platzierung des Zylinderbauraums zur Antriebsverbindung.
Alternativ ist es allerdings auch von Vorteil, dass eine weitere Zylinderbohrung, ein in der weiteren Zylinderbohrung angeordneter weiterer Zylinderkolben und eine zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben verbundene weitere Stange vorgesehen sind, dass die weitere Stange aus der weiteren Zylinderbohrung geführt ist, dass der weitere Zylinderkolben in der weiteren Zylinderbohrung einerseits einen dritten Arbeitsraum und andererseits einen vierten Arbeitsraum begrenzt und dass die Stange und die weitere Stange zumindest mittelbar miteinander verbunden sind. Speziell kann eine Kolbenmaschine mit genau zwei Zylindern realisiert werden.
Um einen guten Wirkungsgrad des Dampfkraftprozesses zu erzielen, ist ein großes
Expansionsvolumen für das gasförmige Arbeitsfluid in der Kolbenmaschine erforderlich. Auf Grund der beengten Bauraumsituation ist in der Regel eine Vergrößerung des
Zylinderkolbens oder eine Erhöhung der Anzahl der Zylinderkolben nicht möglich. Eine weitere Optimierung des Expansionsvolumens bei vorgegebener Baugröße einer
Kolbenmaschine kann durch einen beidseitig wirkenden Arbeitskolben entsprechend einem Ein-Takt-Prinzip erfolgen.
Ein doppelt wirkender Zylinderkolben lässt sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand bei einer Kolbenmaschine realisieren, bei der ein Scotch-Yoke-Antrieb und eine Lagerung einer Kurbelschleife an den als Übertragungsstangen dienenden Stangen vorgesehen sind. Hierdurch kann bei gleichem benötigten Bauraum nahezu der doppelte Hubraum erzielt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der Kolbenmaschine erhöht.
Durch die Lagerung der Kurbelschleife an den Übertragungsstangen von den
Zylinderkolben zur Kurbelschleife lässt sich der dabei ausgebildete Rückraum an den Zylinderkolben direkt als weiterer Arbeitsraum nutzen. Die Abdichtung der weiteren
Arbeitsräume erfolgt dann an der jeweiligen Übertragungsstange. Somit werden keine zusätzlichen Dichtstellen benötigt. Um die Dichtheit an den Übertragungsstangen zu verbessern, können hier gegebenenfalls zusätzliche Dichtelemente, insbesondere
Kolbenringe, vorgesehen sein.
Somit kann auch bei dieser Ausgestaltung eine vorteilhafte Kombination der
Kolbenmaschine mit einer Brennkraftmaschine erfolgen. Trotz der kompakten
Ausgestaltung der Kolbenmaschine kann ein ausreichendes Hubvolumen erzielt werden, das zu einem hohen Wirkungsgrad und somit zu einer deutlichen Senkung des
Brennstoffverbrauchs führt. Somit sind auch in diesem Fall die Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Einsatz der Kolbenmaschine an einem Kraftfahrzeug gegeben.
Eine weitere Optimierung ist durch eine Lagerung der Kurbelschleife im Ölbereich möglich. Dadurch können eine hohe Lebensdauer und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden, was insbesondere für den Einsatz bei einem Nutzkraftwagen mit einer Brennkraftmaschine von Bedeutung ist. Eine Abdichtung für das Arbeitsfluid (Arbeitsmedium) an den Stangen gegenüber dem Ölbereich ist hierbei gleichzeitig auch als Abdichtung für die angrenzenden Arbeitsräume wirksam. Somit ergibt sich ein vorteilhafter Aufbau, bei dem die Anzahl der benötigten Komponenten reduziert ist.
Durch die Ausgestaltung der Kolbenmaschine als Hubkolben-Dampfmotor mit Ein-Takt- Prinzip und Scotch-Yoke-Kurbeltrieb in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine kann somit ein besonders verbrauchsarmer und kostengünstiger Kombinationsmotor aus der Brennkraftmaschine und der Kolbenmaschine hergestellt werden, der die
Lebensdaueranforderungen eines Nutzkraftwagens erfüllt. Vorteilhaft ist es daher, dass der Zylinderkolben einerseits eine erste Seitenfläche und andererseits eine zweite Seitenfläche aufweist, dass die erste Seitenfläche und die zweite Seitenfläche voneinander abgewandt sind, dass die erste Seitenfläche des Zylinderkolbens in der Zylinderbohrung den ersten Arbeitsraum begrenzt und dass die zweite Seitenfläche des Zylinderkolbens in der Zylinderbohrung den zweiten Arbeitsraum begrenzt. Dadurch kann durch wechselweises Befüllen der Arbeitsräume mit dampfförmigem Arbeitsfluid eine wechselweise Betätigung des Zylinderkolbens erzielt werden. Hierbei ist es auch vorteilhaft, dass die Stange an der zweiten Seitenfläche des Zylinderkolbens mit dem Zylinderkolben verbunden ist und dass sich die Stange zumindest näherungsweise senkrecht zu der zweiten Seitenfläche durch den zweiten Arbeitsraum erstreckt. Hierbei kann die Stange starr mit dem Zylinderkolben verbunden sein. Damit kann die auf den Zylinderkolben wirkende Kraft in vorteilhafter Weise über die Stange auf eine Kurbelwelle oder dergleichen übertragen werden.
Vorteilhaft ist es, dass ein Einlass für den ersten Arbeitsraum und ein Einlass für den zweiten Arbeitsraum vorgesehen sind und dass über den Einlass für den ersten
Arbeitsraum und über den Einlass für den zweiten Arbeitsraum wechselweise
dampfförmiges Arbeitsfluid in den ersten Arbeitsraum und den zweiten Arbeitsraum führbar ist. Die Einlässe können hierbei in vorteilhafter Weise als ventilgesteuerte Einlässe ausgestaltet sein. Ferner ist es vorteilhaft, dass ein Auslass für den ersten Arbeitsraum und ein Auslass für den zweiten Arbeitsraum vorgesehen sind und dass über den Auslass für den ersten Arbeitsraum und über den Auslass für den zweiten Arbeitsraum wechselweise zumindest teilweise entspanntes dampfförmiges Arbeitsfluid aus dem ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum ausstoßbar ist. Hierbei können die Auslässe in vorteilhafter Weise als ventilgesteuerte Auslässe ausgestaltet sein. Hierbei ist es möglich, die
Arbeitsräume in vorteilhafter Weise in den Dampfkraftprozess einzubinden. Über die Einlässe kann unter relativ hohem Druck stehendes, gasförmiges Arbeitsfluid in die
Arbeitsräume geführt werden. Über die Auslässe kann das entspannte gasförmige
Arbeitsfluid dann beispielsweise zu einem Kondensator geführt werden. Vorteilhaft ist es auch, dass eine in einem Kurbelwellenraum angeordnete Kurbelwelle vorgesehen ist, dass die Kurbelwelle einen Kurbelwellenzapfen aufweist, an dem ein Kulissenstein angeordnet ist, dass die Stange mit einer in dem Kurbelwellenraum angeordneten Kurbelschleife verbunden ist und dass die Kurbelschleife eine Langloch- förmige Ausnehmung aufweist, in die der Kulissenstein eingesetzt ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Kurbelschleifentrieb realisiert werden. Hierbei kann eine als
Hubkolben-Dampfmotor ausgestaltete Kolbenmaschine mit Scotch-Yoke-Kurbeltrieb realisiert werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Zylinderbohrung von der Kurbelachse der Kurbelwelle aus in Bezug auf eine Einbaulage der Brennkraftmaschine waagrecht oder nach unten gerichtet ist. In diesem Bereich sind üblicherweise keine Nebenaggregate an der Brennkraftmaschine angeordnet, so dass der zur Verfügung stehende Bauraum genutzt werden kann.
In vorteilhafter Weise kann der Dampfkraftprozess als ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle Process) ausgestaltet werden. Hierbei wird die thermische Energie der Abwärme über den ORC-Prozess in mechanische Energie umgesetzt. Hierbei kann in vorteilhafter Weise die Abwärme aus einem Abgas der Brennkraftmaschine oder eine 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.
Vorteilhaft ist es, dass die Stange einerseits starr mit dem Zylinderkolben und andererseits starr mit der Kurbelschleife verbunden ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass ein Lager vorgesehen ist, an dem die aus der Zylinderbohrung geführte Stange gelagert ist. Das Lager kann hierbei in vorteilhafter Weise durch eine Lagerfläche ausgebildet sein. Ferner kann das Lager durch ein Schmiermittel aus dem Kurbelwellenraum geschmiert werden. Somit ist die Stange verschiebbar an dem Lager gelagert, wobei eine kompakte
Ausgestaltung ermöglicht ist.
Besonders vorteilhaft ist es, dass genau eine Zylinderbohrung vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich eine äußerst kompakte Ausgestaltung, die eine größere Auswahl in Bezug auf mögliche Anbaupositionen ergibt. Hierdurch kann gegebenenfalls eine günstige
Anbauposition an der Brennkraftmaschine gewählt werden, auch wenn an dieser beengte Platzverhältnisse bestehen, die beispielsweise durch weitere Aggregate bedingt sind. Daher kann in vorteilhafter Weise ein Anbau an die Brennkraftmaschine erfolgen, wobei die Kolbenmaschine mit der Brennkraftmaschine einen Kombinationsmotor bildet. Hierbei wird ein Dampfmotor mit einem Verbrennungsmotor kombiniert. Dabei kann die Kolbenmaschine mit einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs in mechanischer Wirkverbindung stehen. Wenn die Kolbenmaschine an eine Brennkraftmaschine angebaut ist, dann ist es vorteilhaft, dass die Kolbenmaschine vorne an die Brennkraftmaschine angebaut ist oder dass die Kolbenmaschine seitlich an die Brennkraftmaschine angebaut ist. Bei einem seitlichen Anbau kann beispielsweise ein auch für weitere Aggregate benötigter Räderkasten oder dergleichen genutzt werden, um die mechanische Wirkverbindung herzustellen. Vorteilhaft ist es auch, dass die Zylinderbohrung zumindest näherungsweise parallel zu einem Zylinder der Brennkraftmaschine orientiert ist. Speziell bei einer Einzylinder-Ausgestaltung der Kolbenmaschine zeigt der Zylinder vorzugsweise nach oben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende
Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Kolbenmaschine in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Anordnung der in Fig. 1 dargestellten Kolbenmaschine des ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung an einer Brennkraftmaschine und
Fig. 3 die in Fig. 1 dargestellte Kolbenmaschine in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Kolbenmaschine 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kolbenmaschine 1 wird über einen Dampfkraftprozess angetrieben. Hierbei kann die Kolbenmaschine 1 speziell 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 weist ein Gehäuseteil 2 und einen mit dem Gehäuseteil 2 verbundenen Zylinder 3 auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Kolbenmaschine 1 genau einen Zylinder 3 auf.
Der Zylinder 3 der Kolbenmaschine 1 weist eine Zylinderbohrung 4 auf, in der ein
Zylinderkolben 5 angeordnet ist. Der Zylinderkolben 5 ist hierbei entlang einer Achse 6 der Zylinderbohrung 4 verschiebbar in der Zylinderbohrung 4 angeordnet.
Der Zylinderkolben 5 weist einerseits eine erste Seitenfläche 7 und andererseits eine zweite Seitenfläche 8 auf. Mit der ersten Seitenfläche 7 begrenzt der Zylinderkolben 5 in der Zylinderbohrung 4 einen ersten Arbeitsraum 9. Mit der zweiten Seitenfläche 8 begrenzt der Zylinderkolben 5 in der Zylinderbohrung 4 einen zweiten Arbeitsraum 10. Bei einer
Verstellung des Zylinderkolbens 5 in einer Richtung 1 1 nimmt das Volumen des ersten Arbeitsraums 9 zu, während das Volumen des zweiten Arbeitsraums 10 abnimmt.
Umgekehrt nimmt bei einer Verstellung des Zylinderkolbens 5 entgegen der Richtung 1 1 das Volumen des ersten Arbeitsraums 9 ab, während das Volumen des zweiten
Arbeitsraums 10 zunimmt.
An dem Zylinder 3 sind ventilgesteuerte Einlässe 12, 13 vorgesehen. Ferner sind an dem Zylinder 3 ventilgesteuerte Auslässe 14, 15 vorgesehen. Der Einlass 12 und der Auslass 14 sind dem ersten Arbeitsraum 9 zugeordnet. Der Einlass 13 und der Auslass 15 sind dem zweiten Arbeitsraum 10 zugeordnet. Beispielsweise kann über den Einlass 12 unter hohem Druck stehendes, dampfförmiges Arbeitsfluid in den ersten Arbeitsraum 9 eingeführt werden. Über den Druck des gasförmigen Arbeitsfluids wird eine Betätigungskraft auf den Zylinderkolben 5 in der Richtung 1 1 ausgeübt. Hierdurch entspannt sich das gasförmige Arbeitsfluid im ersten Arbeitsraum 9. Dabei kann der Auslass 15 geöffnet sein, um das bereits entspannte, restliche Arbeitsfluid aus dem zweiten Arbeitsraum 10 auszustoßen. Nach dem erfolgten Hub des Zylinderkolbens 5 in der Richtung 1 1 kann eine umgekehrte Betätigung des Zylinderkolbens 5 entgegen der Richtung 1 1 erfolgen. Hierbei wird nun der ventilgesteuerte Einlass 13 geöffnet, um unter hohem Druck stehendes, gasförmiges Arbeitsfluid in den zweiten Arbeitsraum 10 einzuleiten. Der Einlass 1 1 für den ersten Arbeitsraum 9 ist hierbei geschlossen. Außerdem kann nun der Auslass 14 für den ersten Arbeitsraum 1 1 geöffnet werden, um bei der Betätigung des Zylinderkolbens 5 entgegen der Richtung 1 1 das entspannte, gasförmige Arbeitsfluid aus dem ersten Arbeitsraum 9 auszustoßen. Somit ist eine wechselweise Betätigung des Zylinderkolbens 5 möglich.
Die Kolbenmaschine 1 weist eine Stange 20 auf, die als Übertragungsstange 20 dient. Die Stange 20 ist einerseits an der zweiten Seitenfläche 8 mit dem Zylinderkolben 5 verbunden. Hierbei ist die Stange 20 starr mit dem Zylinderkolben 5 verbunden. Die Stange 20 ist hierbei an der Achse 6 ausgerichtet, so dass die Stange 20 senkrecht zu der zweiten Seitenfläche 8 orientiert ist. In dem Gehäuseteil 2 ist ein Kurbelwellenraum 21 vorgesehen, in dem eine Kurbelwelle 22 angeordnet ist. Die Stange 20 ist andererseits mit einer in dem Kurbelwellenraum 21 angeordneten Kurbelschleife 23 verbunden. Die Verbindung der Stange 20 mit der Kurbelschleife 23 ist hierbei ebenfalls starr ausgeführt. Somit erstreckt sich die Stange 20 durch den zweiten Arbeitsraum 10 und in den Kurbelwellenraum 21.
Die Zylinderbohrung 4 ist von dem Kurbelwellenraum 21 durch ein Gehäuseteil 24 getrennt. Hierbei ist an dem Gehäuseteil 24 eine Lagerfläche 25 ausgestaltet, die an den
Kurbelwellenraum 21 angrenzt. Die Lagerfläche 25 bildet ein Lager 25', an dem die aus der Zylinderbohrung 4 geführte Stange 20 gelagert ist. Im Kurbelwellenraum 21 befindet sich vorzugsweise Schmieröl. Dieses Schmieröl kann auch zum Schmieren der Lagerfläche 25 dienen. Somit ist eine vorteilhafte Lagerung der Stange 20 an der Lagerfläche 25 möglich. Um die Abdichtung zwischen dem Kurbelwellenraum 21 und dem zweiten Arbeitsraum 10 der Zylinderbohrung 4 zu verbessern, können ringförmige Dichtelemente 26, 27 vorgesehen sein, die hinter der Lagerfläche 25 angeordnet sind. Hierdurch wird ein Eintrag von
Schmieröl in den zweiten Arbeitsraum 10 und somit eine Vermischung einerseits des gasförmigen Arbeitsfluids und andererseits des Schmieröls verhindert.
Der Kurbeltrieb der Kolbenmaschine 1 weist einen Kulissenstein 28 auf, der an einem Kurbelwellenzapfen 29 der Kurbelwelle 22 angeordnet ist. Der Kulissenstein 28 ist hierbei in eine Langloch-förmige Ausnehmung 30 der Kurbelschleife 23 eingesetzt. Hierdurch kann die Hubbewegung der Stange 20 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 22 umgesetzt werden. Die Schmierung des Kurbeltriebs erfolgt hierbei über das im Kurbelwellenraum 21 vorgesehene Schmieröl. In diesem Ausführungsbeispiel sind außerdem an einer Außenseite des Zylinderkolbens 5 Kolbenringe 31 , 32 angeordnet, die eine Abdichtung zwischen den Arbeitsräumen 9, 10 verbessern und gleichzeitig eine Reibung zwischen dem Zylinderkolben 5 und der Zylinderbohrung 4 verhindern. Hierdurch kann ein Reibverschleiß verringert werden und zugleich eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet werden.
Somit kann in vorteilhafter Weise eine als Hubkolben-Dampfmotor ausgestaltete
Kolbenmaschine 1 mit genau einem Zylinder 3 realisiert werden, die im Ein-Takt-Prinzip arbeitet. Hierbei leitet der Zylinderkolben 5 seine Kraft über die Stange 20 auf den
Kurbelschleifentrieb und somit die Kurbelwelle 22 ein. Alle Einlässe 12, 13 und Auslässe 14, 15 sind gesteuert. Durch den Kurbelschleifenantrieb mit der Kurbelschleife 23 und dem Kulissenstein 28, der auf dem Kurbelwellenzapfen 29 sitzt, wird die Hubkolbenbewegung des Zylinderkolbens 5 auf die Kurbelwelle 22 übertragen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kurbelschleife 23 über die Stange 20 an der durch die Lagerfläche 25 gebildeten Lagerstelle gelagert. Dieses Lager befindet sich im Ölbereich, da es an den Kurbelwellenraum 21 angrenzt.
In den Arbeitsräumen 9, 10 wird das Arbeitsfluid wechselweise entspannt. Somit tragen sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtsbewegungen des Zylinderkolbens 5 zur
Leistungserzeugung bei. Dadurch wird ein großes Expansionsvolumen bei einem kleinen Bauraum der Kolbenmaschine 1 erreicht. In Kombination mit dem Scotch-Yoke-Kurbeltrieb wird zudem eine geringe Baulänge von einer Kurbelachse 33 der Kurbelwelle 22 bis zu einem Ende 34 des Zylinders 3 erreicht. Dadurch kann die Kolbenmaschine 1 flexibel an einer Brennkraftmaschine oder dergleichen angeordnet werden.
Durch die kompakte und einseitig zur Kurbelachse 33 ausgebildete Bauform der
Einzylinder-Kolbenmaschine 1 kann insbesondere der vorne an einem typischen
Verbrennungsmotor zwischen den bereits vorhandenen Anbauaggregaten zur Verfügung stehende Bauraum genutzt werden, bei dem die Kurbelachse 33 der Kolbenmaschine 1 genau auf einer Kurbelachse des Verbrennungsmotors sitzt. Diese Anordnung ist anhand der Fig. 2 weiter beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung der in Fig. 1 dargestellten Kolbenmaschine 1 an einer
Brennkraftmaschine 35. Hierbei sind die einzelnen Komponenten schematisch dargestellt. Die Brennkraftmaschine 35 weist beispielsweise einen Zylinder 36 auf, der bezüglich einer Einbaulage senkrecht beziehungsweise vertikal ausgerichtet ist. Dies ist beispielsweise bei einer Ausgestaltung als Reihenzylinder möglich. An der Vorderseite der
Brennkraftmaschine 35 sind mehrere Nebenaggregate 37, 38, 39 angeordnet. Eine
Kurbelachse 33 der Brennkraftmaschine 35 ist in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zur Zeichenebene orientiert. Die Kolbenmaschine 1 kann nun in vorteilhafter Weise an der Vorderseite der Brennkraftmaschine 35 angeordnet werden, wobei der von den
Nebenaggregaten 37 bis 39 frei gelassene Bauraum genutzt werden kann. Hierbei wird die Kolbenmaschine 1 so an der Vorderseite der Brennkraftmaschine 35 angeordnet, dass die Kurbelachse 33 der Kolbenmaschine 1 mit der Kurbelachse 33 der Brennkraftmaschine 35 übereinstimmt. Dieser Anbau ist besonders vorteilhaft, da die Kraftübertragung von der Kolbenmaschine 1 auf die Brennkraftmaschine 35 ohne zusätzliche Zahnräder, Ketten und Riemen erfolgen kann. Vorteilhaft ist hierbei ein Anbau, bei dem die Achse 6 des Zylinders 4 waagrecht oder, wie es in dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist, nach unten gerichtet ist, da sich in diesem Bereich üblicherweise keines der
Nebenaggregate 37 bis 39 an der Brennkraftmaschine 35 befindet.
Fig. 3 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Kolbenmaschine 1 in einer schematischen
Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem
Ausführungsbeispiel weist die Kolbenmaschine 1 einen weiteren Zylinder 3' auf. In dem weiteren Zylinder 3' ist eine weitere Zylinderbohrung 4' ausgestaltet, in der ein weiterer Zylinderkolben 5' angeordnet ist. Der weitere Zylinderkolben 5' ist hierbei ebenfalls entlang der Achse 6 betätigbar. Der Zylinderkolben 5' weist eine erste Seitenfläche T und eine zweite Seitenfläche 8' auf. An der ersten Seitenfläche 7' begrenzt der Zylinderkolben 5' einen dritten Arbeitsraum 40. An der zweiten Seitenfläche 8' begrenzt der Zylinderkolben 5' einen vierten Arbeitsraum 41. Der Zylinderkolben 5' ist zusammen mit dem Zylinderkolben 5 betätigbar, so dass beide Zylinderkolben 5 entweder in der Richtung 1 1 oder entgegen der Richtung 1 1 verstellt werden.
An dem weiteren Zylinder 3' sind Einlässe 12', 13' vorgesehen. Ferner sind an dem weiteren Zylinder 3' Auslässe 14', 15' vorgesehen. Der Einlass 12' und der Auslass 14' sind hierbei dem dritten Arbeitsraum 40 zugeordnet. Der Einlass 13' und der Auslass 15' sind dem vierten Arbeitsraum 41 zugeordnet. Ferner ist eine Stange 20' vorgesehen, über die der Zylinderkolben 5' mit der Kurbelschleife 23 verbunden ist. Die Stange 20' ist hierbei an der zweiten Seitenfläche 8' starr mit dem Zylinderkolben 5' verbunden. Somit kann über die Stange 20' die auf den Zylinderkolben 5 wirkende Verstellkraft an die Kurbelschleife 23 übertragen werden. Die Stange 20' ist hierbei an einem Lager 25' gelagert. Zur Betätigung des Zylinderkolbens 5' wird wechselweise in den dritten Arbeitsraum 40 und den vierten Arbeitsraum 41 unter hohem Druck stehendes, gasförmiges Arbeitsfluid eingeleitet. Hierfür werden die Einlässe 12', 13' wechselweise geöffnet. Die Betätigung der Einlässe 12, 13 sowie der Einlässe 12', 13' für die beiden Zylinder 3, 3' kann aufeinander abgestimmt erfolgen. Entsprechend kann auch die Betätigung der Auslässe 14, 15 für den Zylinder 3 und der Auslässe 14', 15' für den Zylinder 3' aufeinander abgestimmt erfolgen. Somit kann eine Kolbenmaschine 1 mit einander gegenüberliegenden Zylindern 3, 3' und somit einander gegenüberliegenden Zylinderkolben 5, 5' realisiert werden, wobei die Zylinderkolben 5, 5' ihre Kräfte über den Kurbelschleifentrieb auf die Kurbelwelle 22 einleiten. Hierbei wird die Hubkolbenbewegung der beiden Zylinderkolben 5, 5' auf die Kurbelwelle 22 übertragen. Die Kurbelschleife 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel in vorteilhafter Weise an den beiden Lagerstellen 25, 25' gelagert, die beidseitig der
Kurbelachse 33 angeordnet sind. Die Abdichtung des mit Schmieröl gefüllten
Kurbelwellenraums 21 gegenüber den Zylinderbohrungen 4, 4' erfolgt in diesem
Ausführungsbeispiel über die Lager 25, 25'. Gegebenenfalls kann auch eine zusätzliche Abdichtung mittels Dichtelementen vorgesehen sein.
Somit können beispielsweise gleichzeitig der erste Arbeitsraum 9 und der vierte
Arbeitsraum 41 mit gasförmigem Arbeitsfluid gefüllt werden, so dass während der
Expansion des Arbeitsfluids eine Betätigung der Kurbelschleife 23 in der Richtung 1 1 erfolgt. Anschließend kann eine entgegengesetzte Betätigung durch Einleiten des gasförmigen Arbeitsfluids einerseits in den zweiten Arbeitsraum 10 und andererseits in den dritten Arbeitsraum 40 erfolgen. Hierdurch wird jeder der Zylinderkolben 5, 5' beidseitig beaufschlagt. Dadurch ist eine kompakte Ausgestaltung der Kolbenmaschine 1 bei einem gleichzeitig großen realisierten Expansionsvolumen möglich.
Die Kolbenmaschine 1 des zweiten Ausführungsbeispiels, die in der Fig. 3 dargestellt ist, kann an einer Brennkraftmaschine 35 angebracht werden. Beispielsweise kann eine Anordnung der Kolbenmaschine 1 des zweiten Ausführungsbeispiels an der in Fig. 2 dargestellten Brennkraftmaschine 35 erfolgen, indem eine waagrechte Einbaulage bezüglich der Achse 6 der Kolbenmaschine 1 und eine Versetzung einerseits des
Nebenaggregats 37 nach oben und andererseits gegebenenfalls des Nebenaggregats 39 nach oben erfolgt. Bei dieser Ausgestaltung stimmt die Kurbelachse 33 der Kurbelwelle 22 der Kolbenmaschine 1 dann mit der Kurbelachse 33 der Brennkraftmaschine 35 überein. Die Kolbenmaschine 1 bildet mit der Brennkraftmaschine 35 dann einen Kombinationsmotor 1 , 35. Die Kolbenmaschine 1 steht hierbei mit einem Antriebsstrang 33 eines Fahrzeugs in mechanischer Wirkverbindung. Wenn die Kolbenmaschine 1 an die Brennkraftmaschine 35 angebaut ist, dann kann die Kolbenmaschine 1 vorne an die Brennkraftmaschine 35 angebaut sein oder die Kolbenmaschine 1 kann seitlich an die Brennkraftmaschine angebaut sein. Hierbei ist die Zylinderbohrung 4 vorzugsweise zumindest näherungsweise parallel zu dem Zylinder 36 der Brennkraftmaschine 35 orientiert ist. Besonders vorteilhaft ist der Anbau, wenn genau eine Zylinderbohrung 4 vorgesehen ist. Hierdurch ergeben sich aufgrund des kompakten Aufbaus günstige Anbaupositionen an der Brennkraftmaschine 35. Somit ist es vorteilhaft, dass der Zylinderkolben 5 einerseits eine erste Seitenfläche 7 und andererseits eine zweite Seitenfläche 8 aufweist, dass die erste Seitenfläche 7 und die zweiten Seitenfläche 8 voneinander abgewandt sind, dass die erste Seitenfläche 7 des Zylinderkolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 den ersten Arbeitsraum 9 begrenzt und dass die zweite Seitenfläche 8 des Zylinderkolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 den zweiten
Arbeitsraum 10 begrenzt. Somit ist es hierbei auch vorteilhaft, dass die Stange 20 an der zweiten Seitenfläche 8 des Zylinderkolbens 5 mit dem Zylinderkolben 5 verbunden ist und dass sich die Stange 20 zumindest näherungsweise senkrecht zu der zweiten Seitenfläche 8 durch den zweiten Arbeitsraum 10 erstreckt.
Somit ist es vorteilhaft, dass ein Einlass 12 für den ersten Arbeitsraum 9 und ein Einlass 13 für den zweiten Arbeitstraum 10 vorgesehen sind und dass über den Einlass 12 für den ersten Arbeitsraum 9 und über den Einlass 13 für den zweiten Arbeitsraum 10
wechselweise dampfförmiges Arbeitsfluid in den ersten Arbeitsraum 9 und den zweiten Arbeitsraum 10 führbar ist
und/oder
dass ein Auslass 14 für den ersten Arbeitsraum 9 und ein Auslass 15 für den zweiten Arbeitsraum 10 vorgesehen sind und dass über den Auslass 14 für den ersten Arbeitsraum 9 und über den Auslass 15 für den zweiten Arbeitsraum 10 wechselweise zumindest teilweise entspanntes dampfförmiges Arbeitsfluid aus dem ersten Arbeitsraum 9 und dem zweiten Arbeitsraum 10 ausstossbar ist.
Somit ist es vorteilhaft, dass eine in einem Kurbelwellenraum 21 angeordnete Kurbelwelle 22 vorgesehen ist, dass die Kurbelwelle 22 einen Kurbelwellenzapfen 29 aufweist, an dem ein Kulissenstein 28 angeordnet ist, dass die Stange 20 mit einer in dem Kurbelwellenraum 21 angeordneten Kurbelschleife 23 verbunden ist und dass die Kurbelschleife 23 eine Langloch-förmige Ausnehmung 30 aufweist, in die der Kulissenstein 28 eingesetzt ist. Somit ist es dabei auch vorteilhaft, dass eine Kurbelachse 33 der Kurbelwelle 22 auf einer Kurbelachse 33 der Brennkraftmaschine 35 sitzt. Somit ist es dabei auch vorteilhaft, dass die Zylinderbohrung 4 von der Kurbelachse 33 aus in Bezug auf eine Einbaulage der Brennkraftmaschine 35 waagrecht oder nach unten ausgerichtet ist. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Ansprüche
1 . Kolbenmaschine (1 ), die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist, insbesondere zur Nutzung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einer Zylinderbohrung (4), einem in der Zylinderbohrung (4) angeordneten Zylinderkolben (5) und einer zumindest mittelbar mit dem Zylinderkolben (5) verbundenen Stange (20), die aus der Zylinderbohrung (4) geführt ist, wobei der Zylinderkolben (5) in der Zylinderbohrung (4) einerseits einen ersten Arbeitsraum (9) und andererseits einen zweiten Arbeitsraum (10) begrenzt, wobei eine in einem Kurbelwellen räum (21 ) angeordnete Kurbelwelle (22) vorgesehen ist, wobei die Stange (20) mit einer in dem Kurbelwellenraum (21 ) angeordneten Kurbelschleife (23) verbunden ist und wobei die Stange (20) über die Kurbelschleife (23) mit der Kurbelwelle (22) in Wirkverbindung steht.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stange (20) einerseits starr mit dem Zylinderkolben (5) und andererseits starr mit der Kurbelschleife (23) verbunden ist.
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Lager (25') vorgesehen ist, an dem die aus der Zylinderbohrung (4) geführte Stange (20) gelagert ist.
4. Kolbenmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lager (25') durch ein Schmiermittel aus dem Kurbelwellenraum (21 ) schmierbar ist.
5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass genau eine Zylinderbohrung (4) vorgesehen ist.
6. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkraftmaschine (35) vorgesehen ist und dass die Kolbenmaschine (1 ) mit der Brennkraftmaschine (35) einen Kombinationsmotor (1 , 35) bildet.
7. Kolbenmaschine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kolbenmaschine (1 ) mit einem Antriebsstrang (33) eines Fahrzeugs in mechanischer Wirkverbindung steht.
8. Kolbenmaschine nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kolbenmaschine (1 ) an eine Brennkraftmaschine (35) angebaut ist.
9. Kolbenmaschine nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Kolbenmaschine (1 ) vorne an die Brennkraftmaschine (35) angebaut ist oder
b) dass die Kolbenmaschine (1 ) seitlich an die Brennkraftmaschine angebaut ist und/oder
c) dass die Zylinderbohrung (4) zumindest näherungsweise parallel zu einem Zylinder (36) der Brennkraftmaschine (35) orientiert ist.
10. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine weitere Zylinderbohrung (4'), ein in der weiteren Zylinderbohrung (4') angeordneter weiterer Zylinderkolben (5') und eine zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben (5') verbundene weitere Stange (20') vorgesehen sind, dass die weitere Stange (20') aus der weiteren Zylinderbohrung (4') geführt ist, dass der weitere
Zylinderkolben (5') in der weiteren Zylinderbohrung (4') einerseits einen dritten Arbeitsraum (40) und andererseits einen vierten Arbeitsraum (41 ) begrenzt und dass die Stange (20) und die weitere Stange (20') zumindest mittelbar miteinander verbunden sind.
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