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.