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.