WO2012159817A1 - Kurbelschlaufenantrieb - Google Patents

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WO2012159817A1
WO2012159817A1 PCT/EP2012/056488 EP2012056488W WO2012159817A1 WO 2012159817 A1 WO2012159817 A1 WO 2012159817A1 EP 2012056488 W EP2012056488 W EP 2012056488W WO 2012159817 A1 WO2012159817 A1 WO 2012159817A1
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WO
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crank
sliding block
bearing
crank loop
internal combustion
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/056488
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nadja Eisenmenger
Hans-Christoph Magel
Andreas Wengert
Felix WIEDMANN
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • F01B7/00—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F01B7/02—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons
    • F01B7/04—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons acting on same main shaft
    • 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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H21/00—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/10—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane
    • F16H21/16—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane for interconverting rotary motion and reciprocating motion
    • F16H21/18—Crank gearings; Eccentric gearings
    • F16H21/36—Crank gearings; Eccentric gearings without swinging connecting-rod, e.g. with epicyclic parallel motion, slot-and-crank motion
    • 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
    • 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 crank loop drive and a piston machine with a crank loop drive.
  • Internal combustion engines convert energy stored in the fuel into chemical energy into mechanical energy used to drive machinery, such as automobiles.
  • a large part of the energy stored in the fuel in chemical form is released as unused waste heat, which is removed by a cooling system or in the warm exhaust gas from the internal combustion engine and released to the environment.
  • the energy efficiency of an internal combustion engine can be improved if it is possible to use this energy previously unused to the environment.
  • crank-pulley drive also known as the "scotch-yoke crank drive”.
  • crank-type drive in its typical form, there is a so-called sliding block between a crank pin connected to a rotating crankshaft and a crank loop moved in translation by the piston or pistons.
  • the sliding block slides in a translational movement over sliding surfaces which are formed in the crank loop, while the crank pin rotates in a bore formed in the sliding block.
  • Object of the present invention is to improve the efficiency of such a crank loop drive.
  • crank loop drive according to independent claim 1.
  • Advantageous embodiments of a crank strap drive according to the invention are defined in the dependent claims.
  • the sliding block is mounted on the crank pin via a sliding or roller bearing.
  • the sliding or roller bearing allows the sliding block to rotate around the crank pin with little friction.
  • the sliding block is designed such that it rolls during the translational movement of the crank pin in the crank loop on at least one running surface, which is formed on or in the crank loop.
  • the sliding block is preferably formed with a round circumference or roller-shaped.
  • An inventive crank loop drive is particularly suitable for water lubrication, as used in steam engines.
  • the invention also includes a piston engine with a crank-loop drive according to the invention. Such a piston machine has only low friction losses and therefore has a high energy efficiency.
  • the invention also includes a combination of an internal combustion engine and a piston engine according to the invention, wherein the internal combustion engine and the piston engine are designed and combined so that the piston engine can be driven by the waste heat of the internal combustion engine. Such a combination of an internal combustion engine and a piston engine makes it possible to use the waste heat of the internal combustion engine effectively.
  • the energy efficiency of the internal combustion engine can thereby be improved and the fuel consumption can be significantly reduced.
  • the sliding block and the running surfaces are designed such that the sliding block in the translation movement in each case with only one
  • Tread is in contact. This allows a particularly low-friction and wear-free operation of the crank-belt drive, since the sliding block friction on the tread, with which it is in contact, can roll without friction occurs between the sliding block and another, in particular livelyo-, running surface.
  • the bearing, by which the sliding block is mounted on the crank pin designed as a sliding bearing.
  • a low-friction bearing of the sliding block on the crank pin can be realized particularly cost-effectively.
  • the bearing, by which the sliding block is mounted on the crank pin designed as a rolling bearing, in particular as a ball bearing, needle roller bearings, roller bearings or roller bearings.
  • a roller bearing has a particularly low friction between the crank pin and the sliding block result and therefore allows a particularly low-friction and wear-free operation of the crank loop drive.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a piston engine with a crank loop drive according to the invention with a plain bearing.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of a piston engine with a crank-loop drive according to the invention with a roller bearing
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a combination of an internal combustion engine with a piston engine according to the invention.
  • Fig. 1 shows a piston engine 1 according to a first embodiment of the invention in a schematic representation.
  • the piston engine 1 is driven, for example, by a steam power process not shown in FIG.
  • the piston engine 1 may be e.g. be used in combination with an internal combustion engine of a motor vehicle to use the waste heat of the internal combustion engine.
  • the piston engine 1 then converts the waste heat into mechanical energy, which can be used as additional drive energy and / or for driving an auxiliary unit, for example an electric generator.
  • a piston engine 1 according to the invention is also suitable for other applications.
  • the piston engine 1 of the embodiment has a central housing part
  • a first cylinder bore 5 is formed, in which a first cylinder piston 6 is arranged.
  • the first cylinder bore 5 has a Longitudinal axis 7, along which the first cylinder piston 6 is displaceable.
  • the first cylinder piston 6 defines in the first cylinder bore 5, on the one hand, a first working space 8 and, on the other hand, a first pressure-relieved space 9.
  • a valve-controlled inlet 10 and a valve-controlled outlet 11 are provided for the first working space 8. Via the valve-controlled inlet 10 compressed, gaseous working fluid, in particular water vapor, can be guided into the first working space 8.
  • an actuating force is exerted on the first cylinder piston 6, which causes a displacement of the cylinder
  • Cylinder piston 6 in a direction parallel to the longitudinal axis 7 causes.
  • the volume of the first working space 8 increases while the volume of the first pressure-relieved space 9 decreases.
  • the first depressurized chamber 9 is connected via an outlet 13 to a low pressure region of the steam circuit, so that in the first pressure-relieved space 9 reaching working fluid is returned through the outlet 13 in the steam circuit.
  • the second cylinder 4 of the piston engine 1 has a second cylinder bore 5 ', in which a second cylinder piston 6' is arranged.
  • the second cylinder piston 6 ' is guided along the longitudinal axis 7 of the second cylinder bore 5'.
  • the longitudinal axis 7 serves as a common longitudinal axis 7 for the two cylinder bores 5, 5 'of the cylinder 3, 4th
  • a valve-controlled inlet 10 'and a valve-controlled outlet 1 1' are provided on the second cylinder 4 for the further working space 8 '.
  • an outlet 13 'for the second pressure-relieved space 9' is provided to return from the second working space 8 'in the second pressure-relieved space 9' reaching working fluid in the steam circuit.
  • gaseous working fluid can also be passed through the second working space 8 '.
  • the second cylinder piston 6' is actuated in the opposite direction.
  • a crankshaft space 15 is provided within the central housing part 2.
  • a crankshaft 16 is arranged with a crankshaft journal 17.
  • An axis of rotation of the crankshaft 16 is in this case oriented at a right angle both to the longitudinal axis 7 of the cylinder pistons 6, 6 'and to the plane of the drawing.
  • crank loop 18 In the crankshaft space 15, a crank loop 18 is arranged.
  • the crank loop 18 has a recess 19 formed in the form of an oblong hole into which a sliding block 20 is inserted.
  • the sliding block 20 is formed roller-shaped and arranged on the crankshaft journal 17 via a sliding bearing 40.
  • the crank loop 18 is connected on the one hand via a first rod 21 to the first cylinder piston 6 and on the other hand via a second rod 21 'to the second cylinder piston 6'.
  • the crank loop 18 translates in operation, the lifting movement of the cylinder piston 6, 6 'in a rotational movement of the crankshaft 16. This allows an alternate operation of the crank 18 parallel to the longitudinal axis 7 possible.
  • crank loop drive (Scotch-yoke drive) is realized in an advantageous manner.
  • the diameter of the sliding block 20 is preferably chosen so that it is slightly smaller than the distance between the two running surfaces 19, so that the sliding block 20 in each case only with one of the two running surfaces 19 in contact and with respect to the other tread 19, with he is not in contact, can rotate freely.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a piston engine according to the invention.
  • the structure of the reciprocating engine 1 according to the second embodiment substantially corresponds to the structure of the first embodiment described above, wherein the same technical elements are provided with the same reference numerals and will not be described again in detail.
  • the crank loop drive of the second embodiment differs from that of the first embodiment in that between the crankshaft journal 17 and the roller-shaped sliding block 20 instead of a sliding bearing 40, a rolling bearing is provided.
  • the rolling bearing is e.g. as a ball or roller bearings with a number of balls or rollers 42 are formed, which in operation on oppositely arranged running surfaces 38, 39, which are formed on the crankshaft journal 17 and in the sliding block 20, roll.
  • a piston engine 1 according to the second embodiment is therefore particularly energy efficient and makes it possible to control the heat energy supplied, e.g. to use the waste heat of an internal combustion engine particularly efficiently.
  • a combination of an internal combustion engine and a piston engine 1 according to the invention can therefore be operated with high efficiency and low fuel consumption.
  • FIG. 3 shows schematically a combination of an internal combustion engine 44 with a piston engine 1 according to the invention.
  • the internal combustion engine 44 which is designed, for example, as a gasoline or diesel engine, outputs its mechanical power via an internal combustion engine crankshaft 46 to a drive train with a transmission, not shown in FIG. 3, during operation.
  • the (waste) heat generated during operation of the internal combustion engine 44 is dissipated by the internal combustion engine 44 via a circulating through cooling lines 52 fluid coolant, such as water.
  • the cooling circuit has a coolant pump 48, which ensures that the coolant 48 circulates in the cooling lines 52.
  • at least one cooler 50 is provided, which releases heat from the circulating in the cooling lines 52 coolant to the environment.
  • a piston engine 1 according to the invention, as described above, is provided, which is driven by means of the circulating in the cooling lines 52 and heated by the waste heat of the internal combustion engine 44 coolant and their mechanical power via a piston engine crankshaft 16 outputs.
  • the piston engine crankshaft 16 may be coupled to the engine crankshaft 46 via a suitable transmission, not shown in FIG. 3, to assist the engine 44 in its drive work and to reduce fuel consumption of the engine 44.
  • piston engine crankshaft 16 may be connected to and drive an electric generator 54 to generate electrical energy that may be used, for example, to power electrical loads and / or stored in a battery.
  • bypass lines 56 in each of which a bypass valve 58 is arranged, are provided.
  • the bypass lines 56 make it possible, if necessary, to lead the coolant flow completely or partially past the piston engine 1 or the radiator 50.
  • the bypass valve 58 when the bypass valve 58 is open, the coolant is conducted past the piston engine 1 via a bypass line 56 when operation of the piston engine 1 is not desired, for example because no additional energy is needed.
  • the coolant is passed via the bypass line 56 past the radiator 50 when the coolant in the piston engine 1 has already cooled sufficiently and further cooling of the coolant is not desired in order to maintain the temperature of the internal combustion engine 44 in the desired range.
  • the bypass valves 58 are controlled in such a way that the internal combustion engine 44 is at its optimum Operating temperature is operated and thus an efficient operation of the internal combustion engine 44 is ensured.

Landscapes

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Abstract

Ein Kurbelschlaufenantrieb mit einer translatorisch beweglichen Kurbelschlaufe (18), die eine längliche Öffnung (41) aufweist, die sich nicht parallel zur Bewegungsrichtung der Kurbelschlaufe (18) erstreckt und wenigstens zwei Laufflächen (19) hat; einem Kurbelzapfen (17), der zu einer translatorischen Bewegung entlang der Laufflächen (19) der Kurbelschlaufe (18) ausgebildet ist; und einem Kulissenstein, der um den Kurbelzapfen (17) angeordnet und jeweils im Kontakt mit einer der Laufflächen (19) ist, wobei zwischen dem Kulissenstein (20) und dem Kurbelzapfen (17) ein Lager (40; 42) ausgebildet ist, welches es dem Kulissenstein (20) ermöglicht, um den Kurbelzapfen (17) zu rotieren. Der Kulissenstein (20) ist so ausgebildet, dass er in der Lage ist, während der translatorischen Bewegung des Kurbelzapfens (17) auf einer Lauffläche (19) der Kurbelschlaufe (18) abzurollen.

Description

Beschreibung
Titel
Kurbelschlaufenantrieb
Die Erfindung betrifft einen Kurbelschlaufenantrieb und eine Kolbenmaschine mit einem Kurbelschlaufenantrieb.
Stand der Technik
Die Verbesserung der Energieeffizienz zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches hat bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren hohe Priorität.
Verbrennungsmotoren wandeln im Kraftstoff in chemischer Form gespeicherte Energie in mechanische Energie um, die zum Antrieb von Maschinen, beispielsweise Kraftfahrzeugen, genutzt wird. Beim Betreiben eines Verbrennungsmotors wird ein großer Teil der im Kraftstoff in chemischer Form gespeicherten Energie als ungenutzte Abwärme freigesetzt, die durch ein Kühlsystem oder im warmen Abgas vom Verbrennungsmotor abgeführt und an die Umgebung abgegeben wird.
Die Energieeffizienz eines Verbrennungsmotors kann verbessert werden, wenn es gelingt, diese bisher ungenutzt an die Umgebung abgegebene Energie zu nutzen.
Es ist bekannt, einen Dampfkraftprozess mit dem Verbrennungsmotor zu koppeln, um die Abwärme des Verbrennungsmotors sinnvoll zu nutzen. Dabei wird die vom Verbrennungsmotor im Betrieb abgegebene Wärme verwendet, um Dampf zu erzeugen. Der Dampf wird in einer Expansionsmaschine entspannt und stellt dabei zusätzliche mechanische Energie bereit, die zum Antrieb des Fahrzeuges und/oder zum Antrieb von Hilfsaggregaten genutzt werden kann.
Besonders effizient ist die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem Dampfmotor zur Nutzung der Abwärme bei einem Nutzkraftwagen, da hier Verbrennungsmotoren mit großer Leistung verwendet werden, die eine große Wärmemenge zur Dampferzeugung zur Verfügung stellen. Als Dampfmotor kommen dabei insbesondere Hubkolbenmaschinen zum Einsatz. Eine Möglichkeit, um die translatorische Bewegung des Kolbens bzw. der Kolben einer Hubkolbenmaschine in eine rotatorische Bewegung umzuwandeln, ist ein so genannter Kurbelschlaufenantrieb, der auch als„Scotch-Yoke- Kurbeltrieb" bekannt ist.
Beim Kurbelschlaufenantrieb in seiner typischen Form befindet sich zwischen einem mit einer rotierenden Kurbelwelle verbundenen Kurbelzapfen und einer durch den bzw. die Kolben translatorisch bewegten Kurbelschlaufe ein so ge- nannter Kulissenstein. Im Betrieb gleitet der Kulissenstein in einer Translationsbewegung über Gleitflächen, die in der Kurbelschlaufe ausgebildet sind, während der Kurbelzapfen in einer in dem Kulissenstein ausgebildeten Bohrung rotiert.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines derartigen Kurbelschlaufenantriebs zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kurbelschlaufenantrieb nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kurbelschlaufenantriebs sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
In einem erfindungsgemäßen Kurbelschlaufenantrieb ist der Kulissenstein über ein Gleit- oder Rolllager auf dem Kurbelzapfen gelagert. Das Gleit- bzw. Rolllager ermöglicht es dem Kulissenstein, reibungsarm um den Kurbelzapfen zu rotieren. Zusätzlich ist der Kulissenstein so ausgebildet, dass er während der Translationsbewegung des Kurbelzapfens in der Kurbelschlaufe auf wenigstens einer Lauffläche, die an bzw. in der Kurbelschlaufe ausgebildet ist, abrollt. Dazu ist der Kulissenstein vorzugsweise mit einem runden Umfang bzw. rollenförmig ausgebildet.
Die bei einem herkömmlichen Kurbelschlaufenantrieb zwischen dem Kulissenstein und den Gleitflächen der Kurbelschlaufe übliche Gleitbewegung, die mit Gleitreibung verbunden ist, wird so erfindungsgemäß durch eine Rollbewegung ersetzt, die mit deutlich geringerer Reibung verbunden ist. Die Gleitreibung zwischen dem Kulissenstein und den Gleitflächen der Kurbelschlaufe ist bei einem herkömmlichen Kurbelschlaufenantrieb besonders hoch, da der Kulissenstein periodisch seine Bewegungsrichtung und damit seine Anlageseite ändert, so dass nach jedem Richtungs- bzw. Seitenwechsel zwischen dem Kulissenstein und der jeweiligen Gleitfläche zunächst ein neuer hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut werden muss, um die Reibung zu reduzieren.
Ein erfindungsgemäßer Kurbelschlaufenantrieb ist insbesondere auch für Wasserschmierung geeignet, wie sie in Dampfmotoren angewandt wird.
Die Erfindung umfasst auch eine Kolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kurbelschlaufenantrieb. Eine derartige Kolbenmaschine weist nur geringe Reibungsverluste auf und hat daher eine hohe Energieeffizienz. Die Erfindung umfasst auch eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine, wobei der Verbrennungsmotor und die Kolbenmaschine so ausgebildet und miteinander kombiniert sind, dass die Kolbenmaschine durch die Abwärme des Verbrennungsmotors antreibbar ist. Eine derartige Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einer Kolbenma- schine ermöglicht es, die Abwärme des Verbrennungsmotors effektiv zu nutzen.
Die Energieeffizienz des Verbrennungsmotor kann dadurch verbessert und der Kraftstoffverbrauch merklich gesenkt werden.
In einer Ausführungsform sind der Kulissenstein und die Laufflächen so ausge- bildet, dass der Kulissenstein bei der Translationsbewegung jeweils nur mit einer
Lauffläche im Kontakt ist. Dies ermöglicht einen besonders reibungsarmen und verschleißfreien Betrieb des Kurbelschlaufenantriebs, da der Kulissenstein reibungsfrei auf der Lauffläche, mit der er im Kontakt ist, abrollen kann, ohne dass zwischen dem Kulissenstein und einer weiteren, insbesondere gegenüberliegen- den, Lauffläche Reibung auftritt.
In einer Ausführungsform ist das Lager, durch das der Kulissenstein auf dem Kurbelzapfen gelagert ist, als Gleitlager ausgebildet. Mit Hilfe eines Gleitlagers kann eine reibungsarme Lagerung des Kulissensteins auf dem Kurbelzapfen be- sonders kostengünstig realisiert werden. In einer Ausführungsform ist das Lager, durch das der Kulissenstein auf dem Kurbelzapfen gelagert ist, als Wälzlager, insbesondere als Kugellager, Nadellager, Rollenlager oder Tonnenlager ausgebildet. Ein Wälzlager hat eine besonders geringe Reibung zwischen dem Kurbelzapfen und dem Kulissenstein zur Folge und ermöglicht daher einen besonders reibungsarmen und verschleißfreien Betrieb des Kurbelschlaufenantriebs.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kurbelschlaufenantrieb mit einem Gleitlager; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kurbelschlaufenantrieb mit einem Wälzlager; und
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Kombination eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine.
Fig. 1 zeigt eine Kolbenmaschine 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Die Kolbenmaschine 1 wird beispielsweise durch einen in der Figur 1 nicht gezeigten Dampfkraftprozess ange- trieben.
Hierzu kann die Kolbenmaschine 1 z.B. in Kombination mit 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 als zusätzliche Antriebsenergie und/oder zum Antreiben eines Hilfsaggregats, beispielsweise eines elektrischen Generators, genutzt werden kann. Eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 ist jedoch auch für andere Anwendungen geeignet. Die Kolbenmaschine 1 des Ausführungsbeispiels weist ein zentrales Gehäuseteil
2 und zwei mit dem zentralen Gehäuseteil 2 verbundene Zylinder 3, 4 auf. In dem ersten Zylinder 3 ist eine erste Zylinderbohrung 5 ausgebildet, in der ein erster Zylinderkolben 6 angeordnet ist. Die erste Zylinderbohrung 5 weist eine Längsachse 7 auf, entlang der der erste Zylinderkolben 6 verschiebbar ist. Der erste Zylinderkolben 6 begrenzt in der ersten Zylinderbohrung 5 einerseits einen ersten Arbeitsraum 8 und andererseits einen ersten druckentlasteten Raum 9. An dem ersten Zylinder 3 sind ein ventilgesteuerter Einlass 10 und ein ventilgesteuerter Auslass 1 1 für den ersten Arbeitsraum 8 vorgesehen. Über den ventilgesteuerten Einlass 10 kann komprimiertes, gasförmiges Arbeitsfluid, insbesondere Wasserdampf, in den ersten Arbeitsraum 8 geführt werden. Beim Entspannen des gasförmigen Arbeitsfluids im ersten Arbeitsraum 8 wird eine Betäti- gungskraft auf den ersten Zylinderkolben 6 ausgeübt, die eine Verschiebung des
Zylinderkolbens 6 in einer Richtung parallel zur Längsachse 7 bewirkt. Hierbei vergrößert sich das Volumen des ersten Arbeitsraums 8, während das Volumen des ersten druckentlasteten Raums 9 abnimmt. Der erste druckentlastete Raum 9 ist über einen Auslass 13 mit einem Niederdruckbereich des Dampfkreises verbunden, so dass in den ersten druckentlasteten Raum 9 gelangendes Arbeitsfluid durch den Auslass 13 in den Dampfkreis zurückgeführt wird.
Der zweite Zylinder 4 der Kolbenmaschine 1 weist eine zweite Zylinderbohrung 5' auf, in der ein zweiter Zylinderkolben 6' angeordnet ist. Hierbei ist der zweite Zy- linderkolben 6' entlang der Längsachse 7 der zweiten Zylinderbohrung 5' geführt.
Die Längsachse 7 dient hierbei als gemeinsame Längsachse 7 für die beiden Zylinderbohrungen 5, 5' der Zylinder 3, 4.
Der zweite Zylinderkolben 6' begrenzt in der Zylinderbohrung 5' einen zweiten Arbeitsraum 8' sowie einen zweiten druckentlasteten Raum 9'. Hierbei sind an dem zweiten Zylinder 4 ein ventilgesteuerter Einlass 10' und ein ventilgesteuerter Auslass 1 1 ' für den weiteren Arbeitsraum 8' vorgesehen. Ferner ist ein Auslass 13' für den zweiten druckentlasteten Raum 9' vorgesehen, um aus dem zweiten Arbeitsraum 8' in den zweiten druckentlasteten Raum 9' gelangendes Arbeitsfluid in den Dampfkreis zurückzuführen.
Somit kann auch durch den zweiten Arbeitsraum 8' gasförmiges Arbeitsfluid geführt werden. Bei der Entspannung des gasförmigen Arbeitsfluids im zweiten Arbeitsraum 8' wird der zweite Zylinderkolben 6' in die entgegengesetzte Richtung betätigt. Innerhalb des zentralen Gehäuseteils 2 ist ein Kurbelwellenraum 15 vorgesehen. In dem Kurbelwellenraum 15 ist eine Kurbelwelle 16 mit einem Kurbelwellenzapfen 17 angeordnet. Eine Drehachse der Kurbelwelle 16 ist hierbei in einem rechten Winkel sowohl zur Längsachse 7 der Zylinderkolben 6, 6' als auch zur Zei- chenebene orientiert.
In dem Kurbelwellenraum 15 ist eine Kurbelschlaufe 18 angeordnet. Die Kurbelschlaufe 18 weist eine in Form eines Langlochs ausgebildete Ausnehmung 19 auf, in die ein Kulissenstein 20 eingesetzt ist. Der Kulissenstein 20 ist rollenför- mig ausgebildet und über ein Gleitlager 40 auf dem Kurbelwellenzapfen 17 angeordnet.
Die Kurbelschlaufe 18 ist einerseits über eine erste Stange 21 mit dem ersten Zylinderkolben 6 und andererseits über eine zweite Stange 21 ' mit dem zweiten Zy- linderkolben 6' verbunden. Die Kurbelschlaufe 18 übersetzt im Betrieb die Hubbewegung der Zylinderkolben 6, 6' in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 16. Hierdurch ist eine wechselweise Betätigung der Kurbelschlaufe 18 parallel zur Längsachse 7 möglich.
Somit wird in vorteilhafter Weise ein Kurbelschlaufenantrieb („Scotch-Yoke- Antrieb") realisiert.
Durch das zwischen dem Kurbelwellenzapfen 17 und dem Kulissenstein 20 angeordnete Gleitlager 40 kann der Kulissenstein 20 mit geringer Reibung um den Kurbelwellenzapfen 17 rotieren und auf der jeweiligen Lauffläche 19 abrollen.
Der Durchmesser des Kulissensteins 20 ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass er etwas kleiner als der Abstand der beiden Laufflächen 19 ist, so dass der Kulissenstein 20 jeweils nur mit einer der beiden Laufflächen 19 im Kontakt ist und in Bezug auf die andere Lauffläche 19, mit der er jeweils nicht im Kontakt ist, frei rotieren kann.
Durch die Rotations- bzw. Rollbewegung des Kulissensteins 20 wird die mit der Bewegung des Kulissensteins 20 herkömmlicherweise verbundene Gleitreibung durch Rollreibung ersetzt und so erheblich reduziert. Verschleiß und Energieverlust, die mit dieser Bewegung verbunden sind, werden minimiert. Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine.
Der Aufbau der Kolbenmaschine 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels, wobei die gleichen technischen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht erneut im Einzelnen beschrieben werden.
Der Kurbelschlaufenantrieb des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass zwischen dem Kurbelwellenzapfen 17 und dem rollenförmigen Kulissenstein 20 anstelle eines Gleitlagers 40 ein Wälzlager vorgesehen ist. Das Wälzlager ist z.B. als Kugel- oder Rollenlager mit einer Anzahl an Kugeln bzw. Rollen 42 ausgebildet, die im Betrieb auf einander gegenüber liegend angeordneten Laufflächen 38, 39, die auf dem Kurbelwellenzapfen 17 bzw. in dem Kulissenstein 20 ausgebildet sind, abrollen.
Durch eine derartiges Wälzlager wird die Reibung, die bei der Rotation des Kulissensteins 20 um den Kurbelwellenzapfen 17 auftritt, weiter reduziert, so dass die Reibungsverluste, die beim Betrieb der Kolbenmaschine 1 auftreten, noch weiter minimiert werden.
Eine Kolbenmaschine 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist daher besonders energieeffizient und ermöglicht es, die zugeführte Wärmeenergie, z.B. die Abwärme eines Verbrennungsmotors, besonders effizient zu nutzen. Eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 1 kann daher mit hoher Effizienz und niedrigem Kraftstoffverbrauch betrieben werden.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Kombination eines Verbrennungsmotors 44 mit ei- ner erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 1 .
Der Verbrennungsmotor 44, der beispielsweise als Otto- oder Dieselmotor ausgebildet ist, gibt im Betrieb seine mechanische Leistung über eine Verbrennungsmotor-Kurbelwelle 46 an einen Antriebsstrang mit einem in der Fig. 3 nicht gezeigten Getriebe ab. Die beim Betrieb des Verbrennungsmotors 44 erzeugte (Ab-)Wärme wird über ein durch Kühlleitungen 52 zirkulierendes fluides Kühlmittel, beispielsweise Wasser, vom Verbrennungsmotor 44 abgeführt. Der Kühlkreislauf weist eine Kühlmittelpumpe 48 auf, die sicherstellt, dass das Kühlmittel 48 in den Kühlleitungen 52 zirkuliert. Zusätzlich ist wenigstens ein Kühler 50 vorgesehen, der Wärme von dem in den Kühlleitungen 52 zirkulierenden Kühlmittel an die Umgebung abgibt.
In dem in der Fig. 3 gezeigten Kühlkreislauf ist stromabwärts des Verbrennungsmotors 44 eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 , wie sie zuvor beschrieben worden ist, vorgesehen, die mit Hilfe des in den Kühlleitungen 52 zirkulierenden und durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 44 erwärmten Kühlmittels angetrieben wird und ihre mechanische Leistung über eine Kolbenmaschinen-Kurbelwelle 16 abgibt.
Die Kolbenmaschinen-Kurbelwelle 16 kann über ein geeignetes, in der Fig. 3 nicht gezeigtes Getriebe mit der Verbrennungsmotor-Kurbelwelle 46 gekoppelt sein, um den Verbrennungsmotor 44 bei seiner Antriebsarbeit zu unterstützen und den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 44 zu reduzieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Kolbenmaschinen-Kurbelwelle 16 mit einem elektrischen Generator 54 verbunden sein und diesen antreiben, um elektrische Energie, die beispielsweise zum Betrieb elektrischer Verbraucher genutzt und/oder in einer Batterie gespeichert werden kann, zu erzeugen.
In dem in der Fig. 3 gezeigten Kühlkreislauf sind auch Bypassleitungen 56, in denen jeweils ein Bypassventil 58 angeordnet ist, vorgesehen. Die Bypassleitungen 56 ermöglichen es, den Kühlmittelstrom bei Bedarf vollständig oder teilweise an der Kolbenmaschine 1 bzw. dem Kühler 50 vorbei zu leiten. Insbesondere wird das Kühlmittel bei geöffnetem Bypassventil 58 über eine Bypassleitung 56 an der Kolbenmaschine 1 vorbei geleitet, wenn ein Betrieb der Kolbenmaschine 1 nicht erwünscht ist, z.B. weil keine zusätzliche Energie benötigt wird. Das Kühlmittel wird über die Bypassleitung 56 am Kühler 50 vorbei geleitet, wenn das Kühlmittel in der Kolbenmaschine 1 bereits hinreichend abgekühlt ist und eine weitere Abkühlung des Kühlmittels nicht gewünscht ist, um die Temperatur des Verbrennungsmotors 44 im gewünschten Bereich zu halten. Die Bypassventile 58 werden unter Berücksichtigung der Temperatur des Kühlmittels in den Kühlleitungen 52, die von wenigstens einem in der Fig. 3 nicht gezeigten Temperatursensoren gemessen wird, und dem jeweiligen Betriebszu- stand des Verbrennungsmotors 44 derart angesteuert, dass der Verbrennungsmotor 44 möglichst bei seiner optimalen Betriebstemperatur betrieben wird und somit ein effizienter Betrieb des Verbrennungsmotors 44 gewährleistet ist.

Claims

Patentansprüche
1 . Kurbelschlaufenantrieb mit
einer translatorisch beweglichen Kurbelschlaufe (18), die eine längliche Öffnung (41 ) aufweist, deren Längserstreckung nicht parallel zur Bewegungsrichtung der
Kurbelschlaufe (18) ausgerichtet ist und die wenigstens zwei Laufflächen (19) hat, welche die Öffnung (41 ) begrenzen;
einem in der Öffnung (41 ) angeordneten Kurbelzapfen (17), der zu einer translatorischen Bewegung in Richtung der Längserstreckung der Öffnung (41 ) der Kurbelschlaufe (18) ausgebildet ist; und
einem Kulissenstein, der um den Kurbelzapfen (17) rotierbar in der Öffnung (41 ) angeordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Kulissenstein (20) und dem Kurbelzapfen (17) ein Lager (40; 42) ausgebildet ist, das es dem Kulissenstein (20) ermöglicht, reibungsarm um den
Kurbelzapfen (17) zu rotieren und
der Kulissenstein (20) so ausgebildet ist, dass er in der Lage ist, während der translatorischen Bewegung des Kurbelzapfens (17) auf wenigstens einer der Laufflächen (19) der Kurbelschlaufe (18) abzurollen.
2. Kurbelschlaufenantrieb nach Anspruch 1 , wobei der Kulissenstein (20) und das Langloch (41 ) so ausgebildet sind, dass der Kulissenstein (20) jeweils nur mit einer der Laufflächen (19) im Kontakt ist.
3. Kurbelschlaufenantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lager (40;
42) ein Gleitlager ist.
4. Kurbelschlaufenantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lager (40; 42) ein Wälzlager (42) ist.
5. Kurbelschlaufenantrieb nach Anspruch 4, wobei das Wälzlager (42) als Kugellager ausgebildet ist.
6. Kurbelschlaufenantrieb nach Anspruch 4, wobei das Wälzlager (42) als Nadellager ausgebildet ist.
7. Kurbelschlaufenantrieb nach Anspruch 4, wobei das Wälzlager (42) als Tonnenlager ausgebildet ist.
8. Kurbelschlaufenantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kulissenstein (20) wassergeschmiert gelagert ist.
9. Kolbenmaschine (1 ) mit einem Kurbelschlaufenantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche.
10. Kombination aus einem Verbrennungsmotor (44) und einer Kolbenmaschine (1 ) nach Anspruch 9, wobei die Kolbenmaschine (1 ) so mit dem Verbren- nungsmotor (44) verbunden ist, dass sie durch die Abwärme des Verbrennungsmotors (44) antreibbar ist.
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