WO2012013471A1 - Kolbenmaschine - Google Patents

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WO2012013471A1
WO2012013471A1 PCT/EP2011/061469 EP2011061469W WO2012013471A1 WO 2012013471 A1 WO2012013471 A1 WO 2012013471A1 EP 2011061469 W EP2011061469 W EP 2011061469W WO 2012013471 A1 WO2012013471 A1 WO 2012013471A1
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WO
WIPO (PCT)
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rod
piston
cylinder bore
sealing element
cylinder
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/061469
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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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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2012013471A1 publication Critical patent/WO2012013471A1/de

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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
    • 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
    • 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
    • F01B1/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
    • F01B1/08—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with cylinders arranged oppositely relative to main shaft and of "flat" type
    • 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
    • F01B17/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by use of uniflow principle
    • F01B17/02—Engines
    • F01B17/04—Steam engines
    • 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 piston engine, in particular for waste heat utilization of internal combustion engines. Specifically, the invention relates to a piston engine, the
  • Heat energy from the internal combustion engine used to generate steam which is then expanded in an expansion machine and thus provides additional mechanical energy.
  • This additional mechanical energy can then be used to drive the vehicle or otherwise, for example, to generate electrical auxiliary energy.
  • Particularly useful here is the combination of an internal combustion engine with a
  • the piston engine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an efficiency of the piston engine is improved.
  • a large part of the waste heat emitted by the internal combustion engine can be used in the form of mechanical energy.
  • the reciprocating engine can be used for waste heat utilization of internal combustion engines.
  • the piston engine can be designed in an advantageous manner as a reciprocating steam engine with optimized media separation. Especially in operation by the piston engine
  • Working space to be guided vaporous working fluid which is expanded in the working space and thus transmits mechanical energy through the cylinder piston and the rod.
  • the vaporous working fluid is preferably guided controlled over the working space.
  • inlet and outlet valves can be provided for the working space.
  • oil is provided in the crankcase during operation for lubrication.
  • the crank chamber can be connected in an advantageous manner to a lubricant circuit.
  • a diameter of the rod is significantly smaller than a diameter of the cylinder piston.
  • the diameter of the rod may not be greater than half the diameter of the cylinder piston.
  • Diameter of the rod smaller than half the diameter of the cylinder piston. In this way, on the one hand, a good efficiency with respect to the steam power process can be achieved, since there is a relatively large displacement at a relatively large diameter of the cylinder piston. On the other hand, the occurring friction between the rod and the sealing element can be limited, since the diameter of the rod is relatively small and thus the contact surface between the rod and the sealing element in
  • the cylinder piston limits on the one hand the working space and on the other hand a pressure-relieved space of the cylinder bore and that the sealing element forms a seal between the pressure-relieved space and the crank space.
  • the working space is not directly adjacent to the crank chamber, since the pressure-relieved space between the working space and the crank space in the
  • Cylinder bore is arranged. This reduces the problem of introducing gaseous or liquid pressurized fluid into the crankcase where it can mix with the lubricating oil. As a result, a load of the sealing element, which forms the seal between the pressure-relieved space and the crank chamber can be reduced. This results in an optimized separation of the working space from the crankcase. In this case, conversely, an entry of oil into the working fluid is prevented or at least considerably reduced.
  • crank shaft arranged in the crankshaft is provided, wherein the rod is connected by means of a crank-wheel drive with the crankshaft.
  • a Scotch-Yoke drive can be realized.
  • a piston engine designed as a steam engine can be realized with high efficiency, which can be mounted well on an internal combustion engine. This allows one
  • the rod is connected to a crank loop of the crank grinding wheel drive, wherein the rod is connected to the crankshaft via the crank grinding wheel drive. Further, it is advantageous that the rod which connects the cylinder piston with the crank loop, is guided so that the rod performs a purely translational movement during operation.
  • the crank-wheel drive it is achieved that the rod (connecting rod) performs a purely translatory movement between the cylinder piston serving as working piston and the crank-loop. Therefore, the realization of an optimized media separation is possible without greatly increasing the space. Therefore, in this combination, a steam engine with low friction losses and based on the space allows large displacement.
  • the piston engine converts a waste heat of the internal combustion engine via an ORC process into mechanical energy.
  • the working fluid (working medium) of the ORC (Organic Rankine Cycle) process can essentially consist of water consist.
  • the working fluid is in the liquid phase from a pump to the
  • Piston engine adiabat relaxes. In this case, mechanical energy is obtained and transmitted via the rod to the crankshaft or the like. The working fluid is then cooled in a condenser and returned to the pump in the liquid state. This closes the cycle of the ORC process.
  • At least one further cylinder bore, a further cylinder piston arranged in the further cylinder bore, which delimits a working space in the further cylinder bore, a rod connected at least indirectly to the further cylinder piston, which is guided from the further cylinder bore into the crank space, and at least one further sealing element are provided, that the further sealing element has a passage opening, that the further rod through the
  • Passage opening of the further sealing element extends that a crankshaft arranged in the crank chamber is provided and that the two rods are at least indirectly connected to the crankshaft. Specifically, the two rods can act against each other on the crankshaft.
  • the arrangement can in this case according to a
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a piston engine for converting waste heat from an internal combustion engine or the like into mechanical energy in a schematic representation.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a piston engine 1 in a schematic representation.
  • the piston engine 1 can be configured in particular as a reciprocating steam engine.
  • the piston engine 1 can be used specifically for the use of waste heat Internal combustion engines serve.
  • the piston engine 1 is particularly suitable for commercial vehicles with diesel engine or gas engine, as comparable in this case
  • Piston engine can thus be delivered directly to the crankshaft of the engine.
  • the piston engine 1 according to the invention is also suitable for other applications.
  • the piston engine 1 has a housing 2 which comprises housing parts 3, 4, 5.
  • a cylinder bore 6 is configured in the housing part 3.
  • a further cylinder bore 7 is configured in the housing part 4.
  • a cylinder piston 8 is arranged in the cylinder bore 6, a cylinder piston 8 is arranged in the cylinder bore 6, a cylinder piston 8 is arranged.
  • the cylinder piston 8 is connected to a rod 9.
  • the rod 9 is rigidly connected to the cylinder piston 8 in this embodiment.
  • the cylinder piston 8 limits on the one hand a working space 10 and on the other hand, a pressure-relieved space 1 1 of the cylinder bore 6.
  • the rod 9 extends through the pressure-relieved space 1 1 in a crank chamber 12 within the housing part. 5
  • the cylinder bore 6 are associated with an inlet 15 and an outlet 16.
  • the inlet 15 and the outlet 16 are preferably controllable via a respective valve.
  • Gaseous working fluid can be conducted into the working space 10 via the inlet 15. Via the outlet 16, the working fluid can be discharged from the working space 10. This results in an adjustment of the cylinder piston 8 and thus also the rod 9 in a direction 17 by pressing the cylinder piston 8 against the direction 17 can then relax the Working fluid are ejected from the working space 10.
  • the pressure-relieved space 11 is connected via an outlet 18 to a low-pressure region of the steam circuit.
  • Working fluid which due to leakage from the working space 10 in the pressure-relieved space 1 1 passes, can thus be performed via the outlet 18 back into the steam circuit.
  • the housing part 3 has an annular collar 19.
  • the collar 19 has a
  • annular sealing elements 21, 22 are inserted into the collar 19.
  • the sealing elements 21, 22 each have a passage opening 23, 24.
  • the rod 9 extends through the through holes 23, 24 of the sealing elements 21, 22.
  • the rod 9 has a sealing portion 25, in which the rod 9 to the
  • the rod 9 has a predetermined diameter 26 at least at its sealing portion 25. A diameter of
  • the piston engine 1 has a corresponding configuration.
  • a boxer arrangement is realized in the further cylinder bore 7, a cylinder piston 8 'is guided, which is connected to a rod 9'.
  • the rod 9 ' extends through the pressure-relieved space 1 1' in the crank chamber 12.
  • a controlled inlet 15 'and a controlled outlet 16' are provided for the working space 10 '.
  • Gas from the working space 10 via the outlet 16 allows. Conversely, during the expansion of the introduced into the working space 10 gaseous working fluid, an ejection of the gaseous working fluid from the working space 10 'through the outlet 16' allows.
  • an outlet 18 'for the pressure-relieved space 1 1' is provided, which is like the outlet 18 connected to a low pressure of the steam circuit.
  • a collar 19 ' is further provided, which has a through hole 20'.
  • the rod 9 is in this case through through holes 23 ', 24' of the sealing elements 21 ', 22' out. At the sealing portion 25 ', the rod 9' cooperates with the sealing elements 21 ', 22'.
  • the sealing portion 25 'in this case has a high surface quality or a coating with a high surface quality.
  • a diameter 26 'of the rod 9' in the sealing portion 25 ' is equal to the diameter of the through holes 23', 24 'of the sealing elements 21', 22 '.
  • the diameter 26 'of the rod 9' is chosen to be the same size as the diameter 26 of the rod.
  • the cylinder piston 8 has a diameter 30.
  • the diameter 30 is in this case equal to the bore diameter of the cylinder bore 6.
  • the diameter 26 of the rod 9 is set at most half as large as the diameter 30 of the cylinder piston 8. This can on the one hand, the available maximum volume of
  • the diameter 30 'of the cylinder piston 8' is the same size as the diameter 30 of the cylinder piston 8 is selected in this embodiment. Further, the diameter 26 'of the rod 9' is chosen to be the same size as the diameter 28 of the rod 9. In the area of the further cylinder bore 7, this results in the corresponding advantages.
  • the cylinder pistons 8, 8 ' are arranged opposite to each other, wherein they transmit their power via a crank-wheel drive to a crankshaft 31.
  • the cylinder pistons 8, 8 ' transmit their force to the same portion 32 of the crankshaft 31.
  • the inlet 15 for the working space 10 and the inlet 15 'for the working space 10' are activated alternately. Accordingly, the outlets 16, 16 'are controlled for the working spaces 10, 10'.
  • Crankshaft drive comprises a crank loop 33 and a sliding block 34 arranged on the section 32 of the crankshaft 31.
  • the sliding block 34 sits on the crankshaft 32 section 32 of the crankshaft 31.
  • crank mechanism As working fluid for the working spaces 10, 10 'can serve in particular water vapor.
  • the crank mechanism is preferably executed olgeschmiert.
  • the crank chamber 12 may in this case be filled with oil. Due to the trained seals an entry of oil is prevented in the working fluid, so that the efficiency of the heat exchanger of the
  • the piston engine 1 may be configured as a reciprocating steam engine with scotch-yoke drive.
  • very large diameters can be realized on the cylinder pistons 8, 8 'and thus on the cylinder bores 6, 7.
  • other embodiments can be realized.
  • a normal crank drive can be realized with connecting rods, the rods 9, 9 'then serving as connecting rods.
  • the media separation can be realized in a corresponding manner by sealing elements 21, 22 for the rod 9 and the sealing elements 21 ', 22' for the rod 9 '.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Eine Kolbenmaschine (1), die insbesondere zur Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen dient, umfasst zumindest eine Zylinderbohrung (6), einen in der Zylinderbohrung (6) angeordneten Zylinderkolben (8), der in der Zylinderbohrung (6) einen Arbeitsraum (10) begrenzt, und eine mit dem Zylinderkolben (8) verbundene Stange (9), die aus der Zylinderbohrung (6) in einen Kurbelraum (12) geführt ist. Außerdem sind Dichtelemente (21, 22) vorgesehen, die Durchgangsöffnungen (23, 24) aufweisen. Die Stange (9) erstreckt sich durch die Durchgangsöffnungen (23, 24) der Dichtelemente (21, 22). Dabei bilden die Dichtelemente (21, 22) eine Abdichtung zwischen der Zylinderbohrung (6) und dem Kurbelraum (12). Dadurch ist eine Trennung eines durch den Arbeitsraum (10) geführten gasförmigen Arbeitsfluids und eines im Kurbelraum (12) vorgesehenen Schmieröls gewährleistet.

Description

Beschreibung
Titel
Kolbenmaschine Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere zur Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung eine Kolbenmaschine, die zur
Umwandlung einer Abwärme einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs in zusätzliche mechanische Antriebsenergie dient.
Brennkraftmaschinen wandeln die Energie des Brennstoffs in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen um. Dabei wird jedoch ein erheblicher Teil als Abwärme freigesetzt, die durch das Kühlsystem oder im Abgas von der Brennkraftmaschine weggeleitet wird. Zum Nutzen dieser Wärmeenergie ist es denkbar, dass ein
Dampfkraftprozess mit der Brennkraftmaschine gekoppelt wird. Dabei wird die
Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Dampf verwendet, der dann in einer Expansionsmaschine entspannt wird und somit weitere mechanische Energie bereit stellt. Diese weitere mechanische Energie kann dann zum Antrieb des Fahrzeugs oder auf andere Weise, beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Hilfsenergie, genutzt werden. Besonders sinnvoll ist hierbei die Kombination einer Brennkraftmaschine mit einer
Kolbenmaschine zur Abwärmenutzung bei einem Nutzkraftwagen, da hier die
Brennkraftmaschine eine große Leistung abgibt und somit eine große Wärmemenge zur Dampferzeugung zur Verfügung steht.
Allerdings ergibt sich bei der Nutzung der Abwärme das Problem, dass der Wirkungsgrad bei der Abwärmenutzung unter anderem durch die auftretende Reibung erheblich reduziert ist. Um in Bezug auf den Dampfkraftprozess einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, ist ein großes Hubvolumen des Dampfmotors und damit ein großer Kolbendurchmesser eines Hubkolbens des Dampfmotors notwendig. Dies bedeutet allerdings auch entsprechend große Reibverluste, die den gesamten Wirkungsgrad wiederum reduzieren.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Wirkungsgrad der Kolbenmaschine verbessert ist. Insbesondere kann ein großer Teil der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abwärme in Form von mechanischer Energie genutzt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Kolbenmaschine möglich. Speziell kann die Kolbenmaschine zur Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen dienen. Hierbei kann die Kolbenmaschine in vorteilhafter Weise als Hubkolben-Dampfmotor mit optimierter Medientrennung ausgestaltet sein. Speziell kann im Betrieb durch den
Arbeitsraum dampfförmiges Arbeitsfluid geführt werden, das im Arbeitsraum entspannt wird und somit mechanische Energie über den Zylinderkolben und die Stange überträgt. Das dampfförmige Arbeitsfluid wird hierbei vorzugsweise gesteuert über den Arbeitsraum geführt. Hierbei können Ein- und Auslassventile für den Arbeitsraum vorgesehen sein. Ferner ist es vorteilhaft, dass im Betrieb zur Schmierung Öl im Kurbelraum vorgesehen ist. Hierbei kann der Kurbelraum in vorteilhafter Weise an einen Schmiermittelkreislauf angeschlossen sein. Durch das Dichtelement wird dann eine Medientrennung zwischen dem dampfförmigen Arbeitsfluid und dem Öl im Kurbelraum gewährleistet. Hierbei können auch mehrere Dichtelemente vorgesehen sein, die vorzugsweise hintereinander angeordnet sind.
Vorteilhaft ist es, dass ein Durchmesser der Stange deutlich kleiner ist als ein Durchmesser des Zylinderkolbens. Beispielsweise kann der Durchmesser der Stange nicht größer als die Hälfte des Durchmessers des Zylinderkolbens gewählt sein. Vorzugsweise ist der
Durchmesser der Stange kleiner als die Hälfte des Durchmessers des Zylinderkolbens. Hierdurch kann zum einen ein guter Wirkungsgrad in Bezug auf den Dampfkraftprozess erzielt werden, da ein relativ großes Hubvolumen bei einem relativ großen Durchmesser des Zylinderkolbens besteht. Zum anderen kann auch die auftretende Reibung zwischen der Stange und dem Dichtelement begrenzt werden, da der Durchmesser der Stange relativ klein ist und somit die Kontaktfläche zwischen der Stange und dem Dichtelement im
Bereich der Durchgangsöffnung des Dichtelements, an der die Reibung auftritt, klein ist. Somit ergibt sich insgesamt ein optimierter Wirkungsgrad der Kolbenmaschine.
Vorteilhaft ist es, dass der Zylinderkolben einerseits den Arbeitsraum und andererseits einen druckentlasteten Raum der Zylinderbohrung begrenzt und dass das Dichtelement eine Abdichtung zwischen dem druckentlasteten Raum und dem Kurbelraum bildet. Hierdurch grenzt der Arbeitsraum nicht unmittelbar an den Kurbelraum an, da der druckentlastete Raum zwischen dem Arbeitsraum und dem Kurbelraum in der
Zylinderbohrung angeordnet ist. Hierdurch wird das Problem einer Einleitung von gasförmigem oder flüssigem Druckfluid in den Kurbelraum, wo es sich mit dem Schmieröl mischen kann, verringert. Dadurch kann auch eine Belastung des Dichtelements, das die Abdichtung zwischen dem druckentlasteten Raum und dem Kurbelraum bildet, verringert werden. Somit ergibt sich eine optimierte Trennung des Arbeitsraums von dem Kurbelraum. Hierbei wird umgekehrt auch ein Eintrag von Öl in das Arbeitsfluid verhindert oder zumindest erheblich reduziert.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Stange zumindest in einem Dichtabschnitt, in dem die Stange an der Durchgangsöffnung des Dichtelements mit dem Dichtelement
zusammenwirkt, eine hohe Oberflächengüte und/oder eine Beschichtung mit einer hohen Oberflächengüte aufweist. Hierdurch können auftretende Reibverluste zwischen der Stange und dem Dichtelement weiter verringert werden.
In vorteilhafter Weise ist eine in dem Kurbelraum angeordnete Kurbelwelle vorgesehen, wobei die Stange mittels eines Kurbelschleifenantriebs mit der Kurbelwelle verbunden ist. Speziell kann ein Scotch-Yoke-Antrieb realisiert sein. Hierdurch kann insbesondere eine als Dampfmotor ausgestaltete Kolbenmaschine mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden, die gut an einer Brennkraftmaschine angebracht werden kann. Dies ermöglicht einen
Kombinationsmotor aus einer Brennkraftmaschine und einem Dampfmotor mit einem im Ergebnis sehr geringen Kraftstoffverbrauch. Vorteilhaft ist es, dass die Stange mit einer Kurbelschleife des Kurbelschleifenantriebs verbunden ist, wobei die Stange über den Kurbelschleifenantrieb mit der Kurbelwelle verbunden ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Stange, die den Zylinderkolben mit der Kurbelschleife verbindet, so geführt ist, dass die Stange im Betrieb eine rein translatorische Bewegung ausführt. Durch den Kurbelschleifenantrieb wird erreicht, dass die Stange (Verbindungsstange) zwischen dem als Arbeitskolben dienenden Zylinderkolben und der Kurbelschleife eine rein translatorische Bewegung durchführt. Daher ist die Realisierung einer optimierten Medientrennung möglich, ohne den Bauraum stark zu vergrößern. Daher wird in dieser Kombination ein Dampfmotor mit geringen Reibungsverlusten und bezogen auf den Bauraum großem Hubvolumen ermöglicht.
In vorteilhafter Weise wandelt die Kolbenmaschine eine Abwärme der Brennkraftmaschine über einen ORC-Prozess in mechanische Energie um. Das Arbeitsfluid (Arbeitsmedium) des ORC-Prozesses (Organic Rankine Cycle) kann hierbei im Wesentlichen aus Wasser bestehen. Das Arbeitsfluid wird in der flüssigen Phase von einer Pumpe auf das
Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases, der Abgasrückführung und dergleichen über einen Wärmetauscher an das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses übertragen. Hierbei wird das Arbeitsfluid isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in dem Arbeitsraum der
Kolbenmaschine adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und über die Stange auf die Kurbelwelle oder dergleichen übertragen. Das Arbeitsfluid wird nun in einem Kondensator abgekühlt und im flüssigen Zustand wieder der Pumpe zugeführt. Hierdurch ist der Kreislauf des ORC-Prozesses geschlossen.
Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest eine weitere Zylinderbohrung, ein in der weiteren Zylinderbohrung angeordneter weiterer Zylinderkolben, der in der weiteren Zylinderbohrung einen Arbeitsraum begrenzt, eine zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben verbundene Stange, die aus der weiteren Zylinderbohrung in den Kurbelraum geführt ist, und zumindest ein weiteres Dichtelement vorgesehen sind, dass das weitere Dichtelement eine Durchgangsöffnung aufweist, dass sich die weitere Stange durch die
Durchgangsöffnung des weiteren Dichtelements erstreckt, dass eine in dem Kurbelraum angeordnete Kurbelwelle vorgesehen ist und dass die beiden Stangen zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle verbunden sind. Speziell können die beiden Stangen gegeneinander auf die Kurbelwelle einwirken. Die Anordnung kann hierbei entsprechend einer
Boxeranordnung erfolgen. Dadurch wird ein vorteilhaftes Laufverhalten der
Kolbenmaschine und somit eine relativ gleichmäßige Abgabe der mechanischen Energie erzielt. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kolbenmaschine zur Umwandlung von Abwärme einer Brennkraftmaschine oder dergleichen in mechanische Energie in einer schematischen Darstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolbenmaschine 1 in einer schematischen Darstellung. Die Kolbenmaschine 1 kann insbesondere als Hubkolben-Dampfmotor ausgestaltet sein. Die Kolbenmaschine 1 kann speziell zur Nutzung der Abwärme von Brennkraftmaschinen dienen. Dabei eignet sich die Kolbenmaschine 1 besonders für Nutzkraftwagen mit Dieselmotor oder Gasmotor, da in diesem Fall vergleichbare
Drehzahlbereiche realisiert werden können und die mechanische Energie aus der
Kolbenmaschine somit direkt an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgegeben werden kann. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Die Kolbenmaschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das Gehäuseteile 3, 4, 5 umfasst. In dem Gehäuseteil 3 ist eine Zylinderbohrung 6 ausgestaltet. Ferner ist in dem Gehäuseteil 4 eine weitere Zylinderbohrung 7 ausgestaltet. In der Zylinderbohrung 6 ist ein Zylinderkolben 8 angeordnet. Der Zylinderkolben 8 ist mit einer Stange 9 verbunden. Die Stange 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel starr mit dem Zylinderkolben 8 verbunden. Der Zylinderkolben 8 begrenzt einerseits einen Arbeitsraum 10 und andererseits einen druckentlasteten Raum 1 1 der Zylinderbohrung 6. Die Stange 9 erstreckt sich durch den druckentlasteten Raum 1 1 in einen Kurbelraum 12 innerhalb des Gehäuseteils 5.
Der Zylinderbohrung 6 sind ein Einlass 15 und ein Auslass 16 zugeordnet. Hierbei sind der Einlass 15 und der Auslass 16 vorzugsweise über je ein Ventil steuerbar. Über den Einlass 15 kann gasförmiges Arbeitsfluid in den Arbeitsraum 10 geführt werden. Über den Auslass 16 kann das Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum 10 ausgelassen werden. Hierbei entspannt sich das in den Arbeitsraum 10 über den Einlass 15 zugeführte Arbeitsfluid im Arbeitsraum 10. Dies führt zu einer Verstellung des Zylinderkolbens 8 und somit auch der Stange 9 in einer Richtung 17. Durch Betätigen des Zylinderkolbens 8 entgegen der Richtung 17 kann anschließend das entspannte Arbeitsfluid aus dem Arbeitsraum 10 ausgestoßen werden.
Der druckentlastete Raum 1 1 ist über einen Auslass 18 mit einem Niederdruckbereich des Dampfkreises verbunden. Arbeitsfluid, das auf Grund einer Leckage aus dem Arbeitsraum 10 in den druckentlasteten Raum 1 1 gelangt, kann somit über den Auslass 18 wieder in den Dampfkreis geführt werden.
Das Gehäuseteil 3 weist einen ringförmigen Bund 19 auf. Der Bund 19 weist eine
Durchgangsbohrung 20 auf. Im Bereich der Durchgangsbohrung 20 sind ringförmige Dichtelemente 21 , 22 in den Bund 19 eingesetzt. Die Dichtelemente 21 , 22 weisen jeweils eine Durchgangsöffnung 23, 24 auf.
Die Stange 9 erstreckt sich durch die Durchgangsöffnungen 23, 24 der Dichtelemente 21 , 22. Die Stange 9 weist einen Dichtabschnitt 25 auf, in dem die Stange 9 an den
Durchgangsöffnungen 23, 24 der Dichtelemente 21 , 22 mit den Dichtelementen 21 , 22 zusammenwirkt. Zumindest an dem Dichtabschnitt 25 weist die Stange 9 eine hohe
Oberflächengüte oder eine Beschichtung mit einer hohen Oberflächengüte auf, um eine Reibung zwischen der Stange 9 und den Dichtelementen 21 , 22 im Bereich der
Durchgangsöffnung 23, 24 weiter zu reduzieren. Die Stange 9 weist zumindest an ihrem Dichtabschnitt 25 einen vorgegebenen Durchmesser 26 auf. Ein Durchmesser der
Durchgangsöffnungen 23, 24 der Dichtelemente 21 , 22 ist hierbei gleich große vorgegeben wie der Durchmesser 26 der Stange 9. Somit bilden die Dichtelemente 21 , 22 eine
Abdichtung zwischen dem Kurbelraum 12 und dem druckentlasteten Raum 1 1 der
Zylinderbohrung 6.
Im Bereich der weiteren Zylinderbohrung 7 weist die Kolbenmaschine 1 eine entsprechende Ausgestaltung auf. Hierbei ist in Bezug auf die Zylinderbohrung 6 eine Boxeranordnung realisiert. In der weiteren Zylinderbohrung 7 ist ein Zylinderkolben 8' geführt, der mit einer Stange 9' verbunden ist. Der Zylinderkolben 8' begrenzt in der weiteren Zylinderbohrung 7 einerseits einen Arbeitsraum 10' und andererseits einen druckentlasteten Raum 1 1 '. Die Stange 9' erstreckt sich durch den druckentlasteten Raum 1 1 ' in den Kurbelraum 12. Ferner sind ein gesteuerter Einlass 15' und ein gesteuerter Auslass 16' für den Arbeitsraum 10' vorgesehen. Beim Expandieren des in den Arbeitsraum 10' eingeführten gasförmigen Arbeitsfluids wird der Zylinderkolben 8' mit der Stange 9' entgegen der Richtung 17 betätigt. Hierdurch wird eine Rückstellung des Zylinderkolbens 8 und somit ein Ausstoßen des
Gases aus dem Arbeitsraum 10 über den Auslass 16 ermöglicht. Umgekehrt wird während des Expandierens des in den Arbeitsraum 10 eingeführten gasförmigen Arbeitsfluids ein Ausstoß des gasförmigen Arbeitsfluids aus dem Arbeitsraum 10' über den Auslass 16' ermöglicht.
Ferner ist ein Auslass 18' für den druckentlasteten Raum 1 1 ' vorgesehen, der wie der Auslass 18 mit einem Niederdruck des Dampfkreises verbunden ist. An dem Gehäuseteil 4 ist ferner ein Bund 19' vorgesehen, der eine Durchgangsbohrung 20' aufweist. Im Bereich der Durchgangsbohrung 20' sind weitere Dichtelemente 21 ', 22' in den Bund 19 eingesetzt, so dass eine Abdichtung zwischen dem druckentlasteten Raum 1 1 ' und dem Kurbelraum 12 gebildet ist. Die Stange 9 ist hierbei durch Durchgangsöffnungen 23', 24' der Dichtelemente 21 ', 22' geführt. An dem Dichtabschnitt 25' wirkt die Stange 9' mit den Dichtelementen 21 ', 22' zusammen. Der Dichtabschnitt 25' weist hierbei eine hohe Oberflächengüte oder eine Beschichtung mit einer hohen Oberflächengüte auf. Ein Durchmesser 26' der Stange 9' im Dichtabschnitt 25' ist gleich groß wie der Durchmesser der Durchgangsöffnungen 23', 24' der Dichtelemente 21 ', 22'. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser 26' der Stange 9' gleich groß gewählt wie der Durchmesser 26 der Stange 9. Der Zylinderkolben 8 weist einen Durchmesser 30 auf. Der Durchmesser 30 ist hierbei gleich dem Bohrungsdurchmesser der Zylinderbohrung 6. Der Durchmesser 26 der Stange 9 ist höchstens halb so groß vorgegeben wie der Durchmesser 30 des Zylinderkolbens 8. Hierdurch kann zum einen das zur Verfügung stehende, maximale Volumen des
Arbeitsraums 10 relativ groß sein. Zum anderen kann die Reibung zwischen der Stange 9 und den Dichtelementen 21 , 22 auf Grund der reduzierten Reibfläche relativ klein sein.
Der Durchmesser 30' des Zylinderkolbens 8' ist in diesem Ausführungsbeispiel gleich groß wie der Durchmesser 30 des Zylinderkolbens 8 gewählt. Ferner ist auch der Durchmesser 26' der Stange 9' gleich groß gewählt wie der Durchmesser 28 der Stange 9. Im Bereich der weiteren Zylinderbohrung 7 ergeben sich dadurch die entsprechenden Vorteile.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zylinderkolben 8, 8' gegenüberliegend zueinander angeordnet, wobei sie ihre Kraft über einen Kurbelschleifenantrieb auf eine Kurbelwelle 31 übertragen. In diesem Ausführungsbeispiel übertragen die Zylinderkolben 8, 8' ihre Kraft auf den gleichen Abschnitt 32 der Kurbelwelle 31 . Der Einlass 15 für den Arbeitsraum 10 und der Einlass 15' für den Arbeitsraum 10' werden wechselweise angesteuert. Entsprechend werden auch die Auslässe 16, 16' für die Arbeitsräume 10, 10' angesteuert. Der
Kurbelschleifenantrieb umfasst eine Kurbelschleife 33 und einen an dem Abschnitt 32 der Kurbelwelle 31 angeordneten Kulissenstein 34. Der Kulissenstein 34 sitzt auf dem als Kurbelwellenzapfen 32 ausgestalteten Abschnitt 32 der Kurbelwelle 31 . Somit wird die Hubkolbenbewegung der Zylinderkolben 8, 8' auf die Kurbelwelle 31 übertragen.
Die Übertragung der Druckkräfte von den Arbeitsräumen 10, 10' über die Zylinderkolben 8, 8' zur Kurbelwelle 31 erfolgt über die Stangen 9, 9'. Die Dichtelemente 21 , 22 an der Stange 9 sowie die Dichtelemente 21 ', 22' an der Stange 9' dienen hierbei zur Trennung des Arbeitsfluids von dem Öl im Kurbelraum 12.
Als Arbeitsfluid für die Arbeitsräume 10, 10' kann insbesondere Wasserdampf dienen. Um eine geringe Reibleistung und eine hohe Lebensdauer des Kurbeltriebs zu erzielen, wird der Kurbeltrieb vorzugsweise olgeschmiert ausgeführt. Der Kurbelraum 12 kann hierbei mit Öl gefüllt sein. Durch die ausgebildeten Abdichtungen wird ein Eintrag von Öl in das Arbeitsfluid verhindert, so dass der Wirkungsgrad des Wärmetauschers des
Dampfprozesses, insbesondere des ORC-Prozesses, nicht durch den Eintritt von Öl reduziert wird. Ferner wird ein Eintrag von Arbeitsfluid in das Öl im Kurbelraum 12 verhindert, so dass die Schmiereigenschaften des Öls nicht beeinträchtigt werden. Somit kann die Kolbenmaschine 1 als Hubkolben-Dampfmotor mit Scotch-Yoke-Antrieb ausgestaltet sein. Hierbei können sehr große Durchmesser an den Zylinderkolben 8, 8' und somit den Zylinderbohrungen 6, 7 realisiert werden. Allerdings können auch andere Ausgestaltungen realisiert werden. Beispielsweise kann an Stelle des Scotch-Yoke-Antriebs auch ein normaler Kurbelantrieb mit Pleuel realisiert werden, wobei die Stangen 9, 9' dann als Pleuelstangen dienen. Die Medientrennung kann hierbei in entsprechender Weise durch Dichtelemente 21 , 22 für die Stange 9 und die Dichtelemente 21 ', 22' für die Stange 9' realisiert werden.
Somit kann eine Reduzierung des Brennstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine oder eine optimierte Ausnutzung des verbrauchten Brennstoffs erzielt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Ansprüche
1 . Kolbenmaschine (1 ), die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist, insbesondere zur Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen, mit zumindest einer Zylinderbohrung (6), einem in der Zylinderbohrung (6) angeordneten Zylinderkolben (8), der in der
Zylinderbohrung (6) einen Arbeitsraum (10) begrenzt, einer zumindest mittelbar mit dem Zylinderkolben (8) verbundenen Stange (9), die aus der Zylinderbohrung (6) in einen Kurbelraum (12) geführt ist, und zumindest einem Dichtelement (21 , 22), wobei das Dichtelement (21 , 22) eine Durchgangsöffnung (23, 24) aufweist, wobei sich die Stange (9) durch die Durchgangsöffnung (23, 24) des Dichtelements (21 , 22) erstreckt und wobei das Dichtelement (21 , 22) eine Abdichtung zwischen der Zylinderbohrung (6) und dem
Kurbelraum (12) bildet.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Betrieb durch den Arbeitsraum (10) gesteuert dampfförmiges Arbeitsfluid geführt ist und/oder dass im Betrieb zur Schmierung Öl im Kurbelraum (12) vorgesehen ist.
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Durchmesser (26) der Stange (9) deutlich kleiner ist als ein Durchmesser (30) des Zylinderkolbens (8).
4. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zylinderkolben (8) einerseits den Arbeitsraum (10) und andererseits einen druckentlasteten Raum (1 1 ) der Zylinderbohrung (6) begrenzt und dass das Dichtelement (21 , 22) eine Abdichtung zwischen dem druckentlasteten Raum (1 1 ) und dem Kurbelraum (12) bildet.
5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stange (9) zumindest in einem Dichtabschnitt (25), in dem die Stange (9) an der Durchgangsöffnung (23, 24) des Dichtelements (21 , 22) mit dem Dichtelement (21 , 22) zusammenwirkt, eine hohe Oberflächengüte und/oder eine Beschichtung mit einer hohen Oberflächengüte aufweist.
6. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kurbelraum (12) an einen Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine anschließbar ist.
7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine in dem Kurbelraum (12) angeordnete Kurbelwelle (31 ) vorgesehen ist und dass die Stange (9) mit einer Kurbelschleife (33) eines Kurbelschleifenantriebs verbunden ist, wobei die Stange (9) über den Kurbelschleifenantrieb mit der Kurbelwelle (31 ) verbunden ist.
8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stange (9), die den Zylinderkolben (8) mit der Kurbelschleife (33) verbindet, so geführt ist, dass die Stange (9) im Betrieb eine rein translatorische Bewegung ausführt.
9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kolbenmaschine eine Abwärme einer Brennkraftmaschine über einen als ORC- Prozess ausgestalteten Dampfkraftprozess in mechanische Energie umwandelt.
10. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine weitere Zylinderbohrung (7), ein in der weiteren Zylinderbohrung (7) angeordneter weiterer Zylinderkolben (8'), der in der weiteren Zylinderbohrung (7) einen Arbeitsraum (10') begrenzt, eine zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben (8') verbundene Stange (9'), die aus der weiteren Zylinderbohrung (7) in den Kurbelraum (12) geführt ist, und zumindest ein weiteres Dichtelement (21 ', 22') vorgesehen sind, dass das weitere Dichtelement (21 ', 22') eine Durchgangsöffnung (23', 24') aufweist, dass sich die weitere Stange (9') durch die Durchgangsöffnung (23', 24') des weiteren Dichtelements (21 ', 22') erstreckt, dass eine in dem Kurbelraum (12) angeordnete Kurbelwelle (31 ) vorgesehen ist, dass die Stange (9) zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle (31 ') verbunden ist und dass die weitere Stange (9') zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle (31 ) verbunden ist.
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