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 der Dampfmotor mit Wasserdampf oder dergleichen aus dem Dampfkraftprozess angetrieben ist, der keine Schmierfähigkeit aufweist, wodurch ein Verschleiß des Dampfmotors begünstigt wird.

Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein vorteilhafter Betrieb der Kolbenmaschine auch beim Einsatz von Wasser oder anderen, schlecht schmierenden Arbeitsfluiden möglich ist. Dies wirkt sich unter anderem in einem verbesserten Wirkungsgrad und einer längeren Lebensdauer der Kolbenmaschine aus.

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 eine große Wärmemenge zur Dampferzeugung zur Verfügung steht. Hierdurch kann der Brennstoffverbrauch reduziert werden.

Gerade für den Einsatz bei Nutzkraftwagen mit Dieselmotor oder Gasmotor ist dabei eine als Hubkolben-Dampfmotor ausgestaltete Kolbenmaschine mit Scotch-Yoke-Kurbeltrieb von besonderem Vorteil. Hierdurch kann in etwa der gleiche Drehzahlbereich für die

Kolbenmaschine wie für die Brennkraftmaschine erzielt werden und somit kann die von der Kolbenmaschine abgegebene mechanische Energie direkt an die Kurbelwelle des

Dieselmotors beziehungsweise Gasmotors abgegeben werden. Zudem kann solch eine Kolbenmaschine im begrenzten Bauraum an einer Brennkraftmaschine günstig angebracht werden.

In vorteilhafter Weise kann der Dampfprozess als ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle Process) ausgestaltet werden. Hierbei wird die thermische Energie der Abwärme über den ORC-Prozess in mechanische Energie umgesetzt. Hierbei kann in vorteilhafter Weise die Abwärme aus einem Abgas der Brennkraftmaschine oder einer Abgasrückführung über einen Wärmetauscher an das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses übertragen werden. Das Arbeitsfluid kann hierbei zumindest im Wesentlichen auf Wasser, Alkohol oder einer Mischung aus beiden 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 mit dem Zylinderkolben verbundene Stange in einen

Kurbelwellenraum geführt ist und dass die Lagerstelle zwischen der Zylinderbohrung und dem Kurbelwellenraum angeordnet ist. Der Kurbelwellenraum kann hierbei zumindest teilweise mit einem als Schmiermittel dienenden Öl gefüllt sein. Über das Öl aus dem Kurbelwellenraum ist eine gewisse Schmierung der Lagerstelle möglich. Hierbei grenzt die Lagerstelle in vorteilhafter Weise an den Kurbelwellenraum an. Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest ein Dichtelement vorgesehen ist, das an der Lagerstelle angeordnet ist, und dass das Dichtelement eine Abdichtung zwischen der Lagerstelle und der Zylinderbohrung bildet. Hierdurch kann eine Medientrennung zwischen dem Arbeitsfluid des Dampfkraftprozesses und dem Schmiermittel für die Lagerstelle gebildet sein. Speziell kann eine Abdichtung gegenüber dem Schmiermittel aus dem Kurbelwellenraum, das auch die Lagerstelle schmiert, gebildet sein. Somit ist eine vorteilhafte Trennung einerseits des Arbeitsfluids und andererseits des Schmiermittels möglich. Vorteilhaft ist es hierbei ferner, dass der Zylinderkolben einerseits den Arbeitsraum und andererseits einen druckentlasteten Raum begrenzt, dass sich die Stange durch den druckentlasteten Raum erstreckt und dass die Lagerstelle mit dem Schmieröl aus dem Kurbelwellenraum schmierbar ist. Durch den druckentlasteten Raum ist eine weitere Trennung des Arbeitsraums und somit des in dem Arbeitsraum vorgesehenen,

dampfförmigen Arbeitsfluids und dem Kurbelwellenraum und somit dem Schmieröl möglich. Speziell wird das unter einem gewissen Druck stehende, dampfförmige Arbeitsfluid nicht unmittelbar an die Lagerstelle beziehungsweise eine vor der Lagerstelle vorgesehene Abdichtung geführt, wenn es auf Grund einer Leckage oder dergleichen am Zylinderkolben aus dem Arbeitsraum entweicht. Somit kann die Medientrennung zwischen dem Arbeitsfluid und dem Schmieröl weiter verbessert werden. Hierbei wird auch ein Eindringen von

Wasserdampf an die Lagerstelle verhindert oder zumindest verringert. Andererseits wird auch ein Eindringen des Schmieröls in den Arbeitsraum verhindert oder zumindest vermieden. Vorteilhaft ist es auch, dass die Lagerstelle durch eine Lagerbuchse gebildet ist und dass die aus der Zylinderbohrung geführte Stange durch die Lagerbuchse geführt ist. Die Lagerbuchse kann hierbei aus einem geeigneten Material gebildet sein. Durch die

Lagerbuchse können in vorteilhafter Weise auftretende Querkräfte auf den Zylinderkolben reduziert werden. Somit kann eine verbesserte Lagerung und ein verminderter Verschleiß erreicht werden.

In vorteilhafter Weise ist die Stange einerseits mit dem Zylinderkolben und andererseits zumindest mittelbar mit einer Kurbelwelle verbunden, wobei die Stange einen Kraftschluss zwischen dem Zylinderkolben und der Kurbelwelle bildet. Hierbei ist die Lagerstelle in vorteilhafter Weise derart ausgestaltet, dass diese von der Kurbelwelle auf die Stange übertragene Querkräfte zumindest im Wesentlichen aufnimmt. Insbesondere beim Einsatz eines Scotch-Yoke-Antriebs für die Kolbenmaschine kann somit eine vorteilhafte Lagerung einer Kurbelschleife des Scotch-Yoke-Antriebs erfolgen. Da der Zylinderkolben mit einem schlecht schmierenden Arbeitsfluid arbeitet, insbesondere mit Wasserdampf, der keine Schmierfähigkeit aufweist, ist eine Lagerung der Kurbelschleife über den Zylinderkolben kritisch, speziell in Bezug auf auftretende Reibungskräfte und den damit verbundenen Verschleiß, was sich ungünstig auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer auswirkt. Somit ist die Lagerung der Kurbelschleife an der Lagerstelle, insbesondere einer Lagerbuchse, und somit nicht direkt am Zylinderkolben von besonderem Vorteil. Hierbei erfolgt die Lagerung an der Stange vom Zylinderkolben zur Kurbelschleife. Durch diese Lagerung werden die Querkräfte auf den Zylinderkolben reduziert und somit die Lebensdauer erhöht. Bei der Lagerung an der Stange können zudem einfache Lagerbuchsen aus einem geeigneten Material eingesetzt werden, um damit eine verbesserte Lagerung und einen verminderten Verschleiß zu erreichen.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Lagerstelle mit Öl geschmiert wird, wie es auch für den restlichen Kurbeltrieb möglich ist. Besonders vorteilhaft ist diese ölgeschmierte

Lagerung an der als Übertragungsstange dienenden Stange in Kombination mit einer Medientrennung, die über die direkt an der Lagerstelle angeordnete Dichtung möglich ist. Damit kann bei solch einer Kolbenmaschine eine gute, ölgeschmierte Lagerung des Kurbelschleifenantriebs realisiert werden. Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest eine weitere Zylinderbohrung, ein weiterer in der Zylinderbohrung angeordneter Zylinderkolben, der in der Zylinderbohrung einen

Arbeitsraum begrenzt, eine weitere Stange, die zumindest mittelbar mit dem weiteren Zylinderkolben verbunden ist, und zumindest eine weitere Lagerstelle vorgesehen sind, wobei die weitere Stange aus der weiteren Zylinderbohrung geführt ist, wobei die aus der weiteren Zylinderbohrung geführte Stange an der weiteren Lagerstelle gelagert ist, wobei eine Kurbelwelle vorgesehen ist, wobei die Zylinderbohrung und die weitere

Zylinderbohrung bezüglich einer Drehachse der Kurbelwelle gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und wobei die Kurbelwelle einerseits zumindest mittelbar mit der Stange und andererseits zumindest mittelbar mit der weiteren Stange verbunden ist. Hierbei ist es auch von Vorteil, dass eine Kurbelschleife vorgesehen ist, dass ein an der Kurbelwelle angeordneter Kulissenstein vorgesehen ist, der in eine Langloch-förmige Ausnehmung der Kurbelschleife eingesetzt ist, dass einerseits die Stange den Zylinderkolben mit der Kurbelschleife verbindet und dass andererseits die weitere Stange den weiteren

Zylinderkolben mit der Kurbelschleife verbindet. Hierdurch kann eine vorteilhafte

Kraftübertragung auf die Kurbelwelle und eine wechselweise Betätigung der beiden Zylinderkolben erzielt werden. Außerdem kann bei einer kompakten Ausgestaltung der Kolbenmaschine eine vorteilhafte Energierückgewinnung ermöglicht werden. 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 und Fig. 2 eine 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 mit dem Gehäuseteil 2 verbundene Zylinder 3, 4 auf. Hierbei weist der Zylinder 3 eine Zylinderbohrung 5 auf, in der ein

Zylinderkolben 6 angeordnet ist. Der Zylinderkolben 6 begrenzt in der Zylinderbohrung 5 einerseits einen Arbeitsraum 7 und andererseits einen Raum 8. Der Raum 8 kann als Arbeitsraum oder als druckentlasteter Raum dienen.

An dem Zylinder 3 sind ein ventilgesteuerter Einlass 9 und ein ventilgesteuerter Auslass 10 für den Arbeitsraum 7 vorgesehen. Über den Einlass 9 kann komprimiertes, gasförmiges Arbeitsfluid, insbesondere Wasserdampf, in den Arbeitsraum 7 geführt werden. Beim Entspannen des gasförmigen Arbeitsfluids im Arbeitsraum 7 wird eine Betätigungskraft auf den Zylinderkolben 6 ausgeübt, die in einer Richtung 1 1 wirkt. Der Zylinderkolben 6 ist über eine Stange 12 mittelbar mit einem Kurbelwellenzapfen 13 einer Kurbelwelle 14 verbunden. Hierdurch kann die Kraft von dem Zylinderkolben 6 auf den Kurbelwellenzapfen 13 übertragen werden. Außerdem können ein ventilgesteuerter Einlass 15 und ein ventilgesteuerter Auslass 16 für den Raum 8 vorgesehen sein. Bei dieser Ausgestaltung kann auch in den Raum 8 komprimiertes, gasförmiges Arbeitsfluid eingeleitet werden, um dieses zu entspannen und hierbei den Zylinderkolben 6 entgegen der Richtung 1 1 zu betätigen. Die Ansteuerung der Einlassventile 9, 15 sowie der Auslassventile 10, 16 kann hierbei auf geeignete Weise erfolgen, um eine wechselweise Betätigung des Zylinderkolbens 6 zu erzielen.

Die Stange 12 ist an einer Lagerstelle 17 gelagert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Lagerstelle 17 durch eine Lagerbuchse 18 gebildet, die in ein Gehäuseteil 19 eingesetzt und mit diesem verbunden ist. Die Stange 12 erstreckt sich sowohl durch den Raum 8 als auch durch die Lagerbuchse 18 an der Lagerstelle 17. Hierbei erstreckt sich die Stange 12 in einen Kurbelwellenraum 20 im Gehäuseteil 2, in dem die Kurbelwelle 14 angeordnet ist. Im Betrieb befindet sich im Kurbelwellenraum 20 ein Schmiermittel, insbesondere ein Öl. Hierbei kann der Kurbelwellenraum 20 an einen Schmiermittelkreislauf angeschlossen sein. Von dem Kurbelwellenraum 20 her ist eine gewisse Schmierung der Lagerbuchse 18 möglich, um die Lagerung der Stange 12 in der Lagerbuchse 18 mit dem Öl zu versorgen. Hierdurch sind Reibungskräfte zwischen der Lagerbuchse 18 und der Stange 12 verringert. In dem Kurbelwellenraum 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kurbelschleife 21 angeordnet, die eine Langloch-förmige Ausnehmung 22 aufweist. In diese Ausnehmung 22 ist ein Kulissenstein 23 eingefügt, der in der Ausnehmung 22 verschiebbar gelagert ist. Der Kulissenstein 23 ist hierbei an dem Kurbelwellenzapfen 13 der Kurbelwelle 14 angeordnet, um eine Wirkverbindung zwischen dem Kurbelwellenzapfen 13 und der Kurbelschleife 21 zu ermöglichen. Dadurch ist eine Verbindung der Stange 12 über die Kurbelschleife 21 und den Kulissenstein 23 mit dem Kurbelwellenzapfen 13 gebildet.

Der weitere Zylinder 4 ist entsprechend dem Zylinder 3 ausgestaltet. Hierbei weist der weitere Zylinder 4 eine weitere Zylinderbohrung 5', einen in der Zylinderbohrung 5' angeordneten weiteren Zylinderkolben 6', einen von dem Zylinderkolben 6 begrenzten weiteren Arbeitsraum 7' und einen von dem Zylinderkolben 6 begrenzten weiteren Raum 8' auf. Ferner sind für den weiteren Arbeitsraum T ein ventilgesteuerter Einlass 9' und ein ventilgesteuerter Auslass 10' vorgesehen. Beim Entspannen eines in den weiteren

Arbeitsraum T eingeführten komprimierten, gasförmigen Druckfluids erfolgt eine Betätigung des Zylinderkolbens 6' entgegen der Richtung 1 1 '. Da der Zylinderkolben 6' über eine weitere Stange 12' ebenfalls mit der Kurbelschleife 21 verbunden ist, arbeiten die

Zylinderkolben 6, 6' dadurch gegeneinander. Ferner sind auch ein ventilgesteuerter Einlass 15' und ein ventilgesteuerter Auslass 16' für den Raum 8' vorgesehen. Die Stange 12' ist an einer Lagerstelle 17' in einer weiteren Lagerbuchse 18' gelagert. Die Lagerbuchse 18' ist hierbei in ein Gehäuseteil 19' eingesetzt und mit diesem verbunden. Somit kann eine Kolbenmaschine 1 mit einem Scotch-Yoke-Kurbeltrieb realisiert werden, bei der die als Übertragungsstangen dienenden Stangen 12, 12' an den Lagerstellen 17, 17' gelagert sind. Hierbei sind die Zylinderkolben 6, 6' einander gegenüberliegend angeordnet und leiten ihre Kraft über den Kurbelschleifentrieb auf die Kurbelwelle 14 ein. Durch den Kurbelschleifenantrieb mit der Kurbelschleife 21 und dem Kulissenstein 23, der auf dem Kurbelwellenzapfen 13 sitzt, wird die Hubkolbenbewegung der Zylinderkolben 6, 6' auf die Kurbelwelle 14 übertragen.

Die Kurbelschleife 21 ist über die Stangen 12, 12' an den Lagerstellen 17, 17' gelagert. Hierbei werden in diesem Ausführungsbeispiel Lagerbuchsen 18, 18' verwendet. Es können auch jeweils mehrere Lagerbuchsen vorgesehen sein. Durch diese Lagerung werden die Querkräfte an den Zylinderkolben 6, 6' reduziert. Damit erhöht sich die Lebensdauer der Zylinderkolben 6, 6'. Diese Lagerung der Kurbelschleife 21 ist besonders bei einer als Zwei- Zylinder-Dampfmotor ausgestalteten Kolbenmaschine 1 mit gegenüberliegenden

Zylinderkolben 6, 6' von Vorteil, da die hierbei auftretenden Drehmomente der

Kurbelschleife 21 gut abgestützt werden können.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Kolbenmaschine 1 entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Lagerstellen 17, 17' zum Lagern der Stangen 12, 12' direkt an den Gehäuseteilen 19, 19' ausgebildet. Separate Lagerbuchsen, wie sie bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, können hierdurch entfallen. Ferner sind von dem Kurbelwellenraum 20 aus gesehen hinter den Lagerstellen 17, 17' jeweils zwei Dichtelemente 24, 25 beziehungsweise 24', 25' angeordnet. Die Dichtelemente 24, 25 sowie die Dichtelemente 24', 25' sind ringförmig ausgestaltet, wobei diese einerseits die Stange 12 und andererseits die Stange 12' an ihrer Außenseite umschließen. Die Dichtelemente 24, 25 bilden eine Abdichtung zwischen dem Raum 8 und der Lagerstelle 17. Entsprechend bilden die Dichtelemente 24', 25' eine Abdichtung zwischen dem Raum 8' und der Lagerstelle 17'. Hierdurch ist eine

Medientrennung zwischen dem Schmieröl aus dem Kurbelwellenraum 20 und dem

Arbeitsfluid, das gegebenenfalls in den Räumen 8, 8' vorgesehen ist, verbessert.

Außerdem sind die Räume 8, 8' in diesem Ausführungsbeispiel als druckentlastete Räume ausgestaltet. Einlässe für die Räume 8, 8', wie sie in der Fig. 1 durch Einlässe 15, 15' gebildet sind, entfallen hierbei. Die Auslässe 16, 16' sind hierbei mit einem Niederdruckbereich des Dampfkreises verbunden, um auf Grund von Leckagen aus den Arbeitsräumen 7, 7' in die Räume 8, 8' gelangendes Arbeitsfluid in den Dampfkreis zurückzuführen. Durch die druckentlasteten Räume 8, 8' ist die Medientrennung weiter verbessert. Denn zwischen den Arbeitsräumen 7, 7', durch die das dampfförmige

Arbeitsfluid geführt wird, und dem Kurbelwellenraum 20 ist hierdurch eine mehrstufige Trennung gebildet, die die Lagerstellen 17, 17', die Dichtelemente 24, 25, 24', 25' und die Räume 8, 8' als Trennungsstufen aufweist.

Somit können sich die Lagerstellen 17, 17' speziell in diesem Ausführungsbeispiel im Ölbereich befinden und es kann eine besonders gute Schmierung mit Öl erfolgen. Durch die direkt an die Lagerstellen 17, 17' anschließenden Dichtelemente 24, 25, 24', 25' wird eine vorteilhafte Abdichtung des Ölbereichs ermöglicht. Damit kann eine gute und

verschleißarme Lagerung der Kurbelschleife 21 gewährleistet werden. Die Dichtelemente 24, 25, 24', 25' zur Trennung des Schmieröls vom Arbeitsfluid in den Räumen 8, 8' sind vorzugsweise direkt nach den Lagerstellen 17, 17' an den Stangen 12, 12' angeordnet und weisen einen geringeren Innendurchmesser als die Zylinderkolben 6, 6' auf. Damit werden die Reibverluste an den Dichtelementen 24, 25, 24', 25' verringert.

Hierbei können jeweils ein oder mehrere Dichtelemente 24, 25, 24', 25' vorgesehen sein.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.