DE102007019422B4

DE102007019422B4 - Expansion machine for a vehicle

Info

Publication number: DE102007019422B4
Application number: DE200710019422
Authority: DE
Inventors: Herbert Richter; Christian Bausch; Jens Grieser
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: SteamDrive GmbH
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: DE102007019422A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine für ein Fahrzeug, umfassend – 1 eine Abtriebswelle mit zugeordneten Mitteln zur Herstellung einer Wirkverbindung zum Antriebsstrang des Fahrzeugs; – wenigstens eine erste volumenvariable Komponente und wenigstens eine zweite volumenvariable Komponente, wobei diese in wenigstens mittelbarer Verbindung zur Abtriebswelle stehen und beim Betrieb der Expansionsmaschine ihr Volumen zeitlich asynchron zueinander verändern; – die Expansionsmaschine ist in einen geschlossenen Kreislauf für ein Arbeitsmedium aufgenommen und folgt einem Verdampfer für das Arbeitsmedium nach und geht einem Kondensator für das Arbeitsmedium voraus, wobei beim Betrieb der Expansionsmaschine der ersten volumenvariablen Komponente und der zweiten volumenvariablen Komponente dampfförmiges Arbeitsmedium zugeführt wird und Einlässe für die erste volumenvariable Komponente und die zweite volumenvariable Komponente so geöffnet und geschlossen werden, dass das dampfförmige Arbeitsmedium Expansionsarbeit verrichtet; Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens eine Bypass-Verbindung mit einem zugehörigen Steuerventil zur Herstellung einer Druckausgleichsverbindung zwischen der ersten volumenvariablen Komponente und der zweiten volumenvariablen Komponente für den Fall des Schleppbetriebs der Expansionsmaschine vorgesehen ist.The invention relates to an expansion machine for a vehicle, comprising - 1 an output shaft with associated means for producing an operative connection to the drive train of the vehicle; - At least one first variable-volume component and at least one second variable-volume component, these being in at least an indirect connection to the output shaft and changing their volume asynchronously with respect to one another during operation of the expansion machine; - The expansion machine is included in a closed circuit for a working medium and follows an evaporator for the working medium and precedes a condenser for the working medium, wherein when the expansion machine is operated, the first variable-volume component and the second variable-volume component are supplied with vaporous working medium and inlets for the first variable-volume component and the second variable-volume component are opened and closed in such a way that the vaporous working medium performs expansion work; The invention is characterized in that at least one bypass connection with an associated control valve is provided for establishing a pressure equalization connection between the first variable-volume component and the second variable-volume component in the event of the expansion machine being towed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Schienen- oder Straßenfahrzeug, für das die Expansionsmaschine als Dampfmotor zur Traktion verwendet wird und insbesondere in einer Hybridanordnung neben einer Verbrennungskraftmaschine als zusätzliches Antriebsaggregat dient.The invention relates to an expansion machine for a vehicle, in particular for a rail or road vehicle, for which the expansion machine is used as a steam engine for traction and serves in particular in a hybrid arrangement in addition to an internal combustion engine as an additional drive unit.

Bisher sind vielzählige Konzepte bekannt geworden, die auf ein mit einem Dampfmotor angetriebenes Fahrzeug zielen. Hierzu wird beispielsweise auf die Veröffentlichung „Der Dampfmotor – Entwicklungsstand und Marktschau”, MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001) 5 verwiesen. Vorgestellt wurde die Entwicklung eines Fahrzeugs mit einem Dampfmotor als einziges Antriebsaggregat, wobei der Dampfmotor in Form einer Hubkolben-Expansionsmaschine mit mehreren Zylindern ausgebildet wurde.So far, numerous concepts have become known, which are aimed at a vehicle powered by a steam engine vehicle. Reference is made, for example, to the publication "The steam engine - development status and market show", MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001) 5. The development of a vehicle with a steam engine as the only drive unit was presented, wherein the steam engine was designed in the form of a multi-cylinder reciprocating expansion machine.

Betrieben wird eine Expansionsmaschine mittels eines Dampfkreisprozesses, wobei ein geschlossener Kreislauf eines Arbeitsmediums Verwendung findet, in dem der Energieeintrag beispielsweise über eine separate Brennereinheit bewirkt wird, die einen Verdampfer für das Arbeitsmedium beaufschlagt. Im Verdampfer wird das Arbeitsmedium in den dampfförmigen Aggregatzustand überführt, wobei diese Dampfphase der Expansionsmaschine (Dampfmotor) eventuell nochmals überhitzt zugeführt wird, woraufhin das dampfförmige Arbeitsmedium unter Verrichtung von Arbeit expandiert und abkühlt. Der von der Expansionsmaschine abströmende Dampf wird an einen Kondensator weitergeleitet, in welchem eine weitere Abkühlung bis zur Verflüssigung des Arbeitsmediums erfolgt, das dann wiederum einem Reservoir zugeführt werden kann. Aus dem Reservoir erfolgt beispielsweise über eine Pumpe für das Arbeitsmedium eine Entnahme zur Zuführung des Blockheizkraftwerke (APU – Auxiliary Power Unit) verwendet.Operated is an expansion machine by means of a steam cycle process, wherein a closed circuit of a working medium is used, in which the energy input is effected for example via a separate burner unit, which acts on an evaporator for the working medium. In the evaporator, the working medium is transferred to the vaporous state of aggregation, this vapor phase of the expansion machine (steam engine) possibly being supercharged again, whereupon the vaporous working medium expands and cools while performing work. The effluent from the expansion machine steam is forwarded to a condenser, in which a further cooling to the liquefaction of the working medium takes place, which in turn can then be supplied to a reservoir. From the reservoir, for example, via a pump for the working medium, a removal for supplying the cogeneration plant (APU - Auxiliary Power Unit) used.

Für Fahrzeuge zeichnet sich ein Antrieb über eine dampfbetriebene Expansionsmaschine durch das hohe, bereits bei geringen Drehzahlen zur Verfügung stehende Drehmoment aus. Ferner führt der Betrieb des Dampfkreisprozesses zu einer geringeren Schadstoffemission im Vergleich zu Verbrennungsmotoren. Nachteilig ist jedoch, dass mit einem solchen Dampfantrieb die Wirkungsgrade klassischer, auf Verbrennungskraftmaschinen basierender Antriebskonzepte für Fahrzeuge nicht erreicht werden. Entsprechend wird daher bevorzugt der Weg beschritten, eine Verbrennungskraftmaschine in einer Hybridanordnung mit einer als Dampfmotor betriebenen Expansionsmaschine zu verbinden. Wird die Motorabwärme und insbesondere der Wärmeeintrag durch den Abgasstrom aus der Verbrennungskraftmaschine dem Verdampfer im Dampfkreis zugeführt, kann der Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht werden. Separate Brenner zur Befeuerung des Verdampfers sind dann nur zusätzliche Hilfsenergiequellen, welche bei besonderen Betriebssituationen, beispielsweise einem Fahrzeugstillstand, Verwendung finden.For vehicles, a drive via a steam-driven expansion machine is characterized by the high, even at low speeds available torque. Furthermore, the operation of the steam cycle process leads to a lower pollutant emission compared to internal combustion engines. The disadvantage, however, is that with such a steam drive the efficiencies of classic, based on internal combustion engines drive concepts for vehicles can not be achieved. Accordingly, therefore, the preferred way is to connect an internal combustion engine in a hybrid arrangement with an expansion machine operated as a steam engine. If the engine waste heat and in particular the heat input through the exhaust gas flow from the internal combustion engine are supplied to the evaporator in the steam circuit, the overall efficiency of the system can be increased. Separate burners for firing the evaporator are then only additional auxiliary energy sources, which find use in special operating situations, such as a vehicle standstill.

Eine Verbindung einer Verbrennungskraftmaschine in Wankelbauweise mit einem als Drehkolbenmotor ausgeführten Dampfantrieb ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 1 049 155 B und DE 1 074 912 B bekannt. Hierbei sind diese beiden Antriebsmaschinen baulich so miteinander verbunden, dass deren gemeinsame Außenläufer dieselbe Abtriebswelle antreiben. Anstatt einer starren Kopplung kann bevorzugt eine schaltbare Verbindung zwischen der Abtriebswelle der Expansionsmaschine und dem Antriebsstrang hergestellt werden. Hierbei kommen unterschiedliche Kupplungsvarianten, beispielsweise eine Lamellenkupplung, in Betracht. Des Weiteren beschreibt die US 4 843 821 A eine Kombination aus Expansions- und Kompressionsmaschine mit einem Bypass zwischen dem Auslass und dem Einlass des Expansionsteils.A compound of an internal combustion engine in Wankelbauweise with a designed as a rotary piston engine steam drive is for example from the publications DE 1 049 155 B and DE 1 074 912 B known. Here, these two drive machines are structurally connected to each other so that their common external rotor drive the same output shaft. Instead of a rigid coupling may preferably be made a switchable connection between the output shaft of the expansion machine and the drive train. Here are different coupling variants, such as a multi-plate clutch, into consideration. Furthermore, the describes US 4,843,821 A a combination of expansion and compression engine with a bypass between the outlet and the inlet of the expansion part.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Expansionsmaschine anzugeben, welche als Arbeitsmaschine in einem Dampfkreisprozess dazu verwendet wird, mechanische Leistung zur Einleitung in den Antriebsstrang eines Fahrzeugs zu erzeugen und insbesondere als Dampfmotor in einer Hybridkonfiguration in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine für die Traktion eingesetzt zu werden. Hierbei ist eine Expansionsmaschine anzugeben, welche konstruktiv so gestaltet ist, dass deren Abtriebswelle wenigstens mittelbar, schaltbar oder dauerhaft in Wirkverbindung zum Antriebsstrang eines Fahrzeugs treten kann.The invention has for its object to provide an expansion machine, which is used as a working machine in a steam cycle process to generate mechanical power for introduction into the drive train of a vehicle and used in particular as a steam engine in a hybrid configuration in conjunction with an internal combustion engine for traction , In this case, an expansion machine is specified, which is designed so that the output shaft can at least indirectly, switchable or permanently in operative connection with the drive train of a vehicle.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.This object is achieved by the features of the independent claim. In the dependent claims advantageous and particularly expedient embodiments of the invention are given.

Die Erfinder haben erkannt, dass eine Expansionsmaschine dann besonders geeignet zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen deren Abtriebswelle und dem Antriebsstrang eines Fahrzeugs ist, wenn für den Fall einer Umkehr der Kraftflussrichtung, das heißt dem Mitschleppen der Expansionsmaschine, Vorkehrungen zum Druckausgleich in der Expansionsmaschine getroffen werden und dies durch eine Vorrichtung mit mehreren Arbeitskammern gelingt, zwischen denen Bypassleitungen vorgesehen sind. Diese Bypassleitungen sind mit Steuerventilen versehen, welche im Fall des Schleppens der Expansionsmaschine geöffnet werden.The inventors have recognized that an expansion machine is then particularly suitable for establishing an operative connection between the output shaft and the drive train of a vehicle, if in the case of a reversal of the power flow direction, that is the entrainment of the expansion machine, provisions for pressure equalization in the expansion machine are taken and this is achieved by a device having a plurality of working chambers, between which bypass lines are provided. These bypass lines are provided with control valves, which are opened in the case of dragging the expansion machine.

Wird eine Expansionsmaschine im Sinne der voranstehend beschriebenen Hybridanordnung von außen angeschoben, anstatt selbst mechanische Leistung abzugeben, so tritt das Problem auf, dass für den Fall geschlossener Zufuhr- und Abfuhrkanäle für das Betriebsmedium Überdruck- und Unterdruckkräfte in der Expansionsmaschine entstehen, die stark bremsend auf den Antriebsstrang zurückwirken. Zu beachten ist, dass auch für eine schaltbare Verbindung zwischen der Expansionsmaschine und dem Antriebsstrang des Fahrzeugs wenigstens im Rahmen der Schaltzeiten gewisse Schleppmomente zur Expansionsmaschine übertragen werden, so dass es notwendig ist, insbesondere für den Fall, dass große Expansionsverhältnisse in der Expansionsmaschine vorliegen, die sich aufbauenden Über- und Unterdruckkräfte zu minimieren. If an expansion machine in the sense of the above-described hybrid arrangement pushed from the outside, rather than deliver even mechanical power, so the problem arises that in the case of closed supply and discharge channels for the operating medium overpressure and negative pressure forces in the expansion machine, the strong braking on to react back the drive train. It should be noted that even for a switchable connection between the expansion engine and the drive train of the vehicle, at least during the switching times certain drag torques are transmitted to the expansion machine, so that it is necessary, especially in the event that there are large expansion ratios in the expansion machine, the to minimize the build-up of positive and negative pressure forces.

Die erfindungsgemäße Lösung verwendet einen solchen Aufbau der Expansionsmaschine, bei dem wenigstens eine erste volumenvariable Komponente und wenigstens eine zweite volumenvariable Komponente vorliegen, die asynchron zueinander betrieben werden. Im Falle einer Expansionsmaschine in Hubkolbenbauweise bedeutet dies, dass wenigstens zwei Kolben verwendet werden, die reziprok zueinander bewegt werden. Dies bedeutet, dass die nach dem Zweitaktprinzip angesteuerten Arbeitsräume jeweils um einen Takt versetzt sind. Wird nun erfindungsgemäß ein Bypass vorgesehen, findet zwischen den beiden volumenvariablen Komponenten durch ein Überleiten eines Volumenstroms vom einfahrenden Kolben aus den ausfahrenden Kolben ein Druckausgleich statt.The solution according to the invention uses such a construction of the expansion machine in which at least one first volume-variable component and at least one second volume-variable component are present, which are operated asynchronously with one another. In the case of a piston-type expansion machine, this means that at least two pistons are used which are reciprocally moved relative to one another. This means that the workrooms controlled according to the two-stroke principle are each offset by one clock. If a bypass is now provided according to the invention, pressure equalization takes place between the two volume-variable components by passing a volume flow from the retracting piston out of the extending pistons.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass beim Eintritt des Schleppbetriebs lediglich das Steuerventil in der Bypassleitung auslösen muss. Hierfür ist es denkbar, eine aktive Steuerung zu verwenden. Alternativ kann ein bidirektional wirkendes Überdruckventil verwendet werden, das auf übermäßige Über- und Unterdrücke während des Schleppbetriebs durch Öffnen reagiert, wobei Mittel vorgesehen sein können, die das Ventil solange offen halten, wie der Schleppbetrieb anhält. Durch die konstruktive einfache Maßnahme einer Bypass-Verbindung ist es nun möglich, die Einlasssteuerung und/oder Auslasssteuerung der Expansionsmaschine zu vereinfachen und insbesondere Injektionsventile am Einlass für das dampfförmige Arbeitsmedium zu verwenden, welche beim Nichtbetrieb der Expansionsmaschine, für welche die Problematik eines Mitschleppens besteht, ein nicht aktiviertes und geschlossenes Einlassventil vorliegen kann, ohne dass die nachteilige Unterdruckkräfte in der Expansionsmaschine auftreten.The advantage of the solution according to the invention is that only the control valve in the bypass line must trigger when the towing operation occurs. For this purpose, it is conceivable to use an active control. Alternatively, a bi-directional pressure relief valve may be used that responds to excessive positive and negative pressures during towing by opening, with means being provided to keep the valve open as long as the trailing operation continues. By the constructive simple measure of a bypass connection, it is now possible to simplify the inlet control and / or outlet control of the expansion machine and in particular to use injection valves at the inlet for the vaporous working medium, which in non-operation of the expansion machine, which has the problem of entrainment, a non-activated and closed inlet valve may be present without the adverse negative pressure forces in the expansion machine occur.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen gesteuerten Bypass zwischen der ersten volumenvariablen Komponente und der zweiten volumenvariablen Komponente, die zueinander reziprok betrieben werden, ist es möglich, die Expansionsmaschine ohne negative Rückwirkung auf den Dampfkreislauf im Leerlauf zu betreiben, das heißt diese für eine längere Zeitdauer im Schleppbetrieb anzutreiben. Somit ist es möglich, eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine ohne Zwischenschaltung von Kupplungselementen dauerhaft mit dem Antriebsstrang zu verbinden. Neben der Vereinfachung des Antriebsstrangs und der zugeordneten Steuerung besteht ein Vorteil darin, dass die Aufschaltung der Expansionsmaschine sehr schnell erfolgen kann, ohne dass zunächst eine Synchronisation durchgeführt werden muss und Schaltzeiten für das Öffnen beziehungsweise Schließen von Kupplungselementen beachtet werden müssen.The inventively provided controlled bypass between the first variable volume component and the second volume variable component, which are reciprocally operated, it is possible to operate the expansion machine without negative feedback on the steam cycle at idle, that is to drive this for a longer period of time in towing mode , Thus, it is possible to permanently connect an expansion machine according to the invention without the interposition of coupling elements with the drive train. In addition to the simplification of the drive train and the associated control, there is an advantage in that the expansion of the expansion machine can be done very quickly, without first a synchronization must be performed and switching times for the opening or closing of coupling elements must be considered.

Wird das Mittel zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle der Expansionsmaschine und dem Antriebsstrang des Fahrzeugs so ausgestaltet, dass ein Schaltelement, insbesondere eine Kupplung, vorliegt, wird der Betriebsfall des Schleppbetriebs der Expansionsmaschine nicht dauerhaft vorliegen, gleichwohl erlaubt die erfindungsgemäß schaltbare Bypass-Verbindung zum Druckausgleich innerhalb der Expansionsmaschine die Vereinfachung einer Umschaltung zwischen Traktionsbetrieb und Leerlauf des Dampfantriebs.If the means for producing an operative connection between the output shaft of the expansion engine and the drive train of the vehicle designed so that a switching element, in particular a clutch, is present, the operating case of the towing operation of the expansion machine is not permanent, nevertheless allows the invention switchable bypass connection to Pressure equalization within the expansion engine, the simplification of switching between traction and idle steam drive.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Expansionsmaschine in Wankelbauweise auszubilden und entsprechend der Symmetrie des Gehäuseinnenraums zwei während des Betriebs reziprok arbeitende Arbeitsräume vorzusehen, wobei als erfindungsgemäße Bypass-Verbindung jeweils der Bereich des Ausgangs des einen Arbeitsraums mit dem Expansionsbereich des anderen Arbeitsraums verbunden ist und so zwei zueinander symmetrisch angeordnete Bypass-Verbindungen entstehen. Besonders vorteilhaft ist eine solche Anordnung in Verbindung mit Düsensystemen am Einlass, durch die beim Betrieb der Expansionsmaschine das dampfförmige Arbeitsmedium in die Arbeitsräume injiziert wird. Ein solcher Einlass kann dann mit den erfindungsgemäßen Bypass-Verbindungen auch im Fall des Mitschleppens der Expansionsmaschine nach Wankelbauweise geschlossen bleiben, ohne dass sich in dem sich aufweitenden Arbeitsbereich zwischen dem Läufer des Wankelexpanders und der Gehäuseinnenwandung durch das Mitdrehen der Expansionsmaschine Unterdruckkräfte mit starker Bremswirkung entstehen.A preferred embodiment of the invention is to design the expansion machine in Wankelbauweise and provide according to the symmetry of the housing interior two reciprocally operating working spaces during operation, wherein as bypass connection according to the invention in each case the area of the output of one working space is connected to the expansion area of the other working space and so arise two mutually symmetrically arranged bypass connections. Such an arrangement is particularly advantageous in connection with nozzle systems at the inlet, through which the vaporous working medium is injected into the work spaces during operation of the expansion machine. Such an inlet can then be closed with the bypass connections according to the invention also in the case of entrainment of Wankelbau expansion machine, without resulting in the expanding work area between the rotor of the Wankelexpanders and the Gehäuseinnenwandung by the co-rotation of the expansion machine vacuum forces with strong braking effect.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren genauer beschrieben. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:The invention will be described in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the figures. These details show:

1 zeigt eine erfindungsgemäße Expansionsmaschine in Wankelbauweise als Schnittansicht durch den Arbeitsraum, wobei für die beiden symmetrisch angeordneten Arbeitsbereiche erfindungsgemäß Bypass-Verbindungen vorgesehen sind. 1 shows a Wankelbauweise expansion machine according to the invention as a sectional view through the working space, wherein for the two symmetrically arranged working areas according to the invention bypass connections are provided.

2 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Expansionsmaschine in Hubkolbenbauweise mit einer erfindungsgemäßen Bypass-Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Kolben. 2 shows a schematically simplified representation of a piston engine expansion machine with a bypass connection according to the invention between a first and a second piston.

3 zeigt schematisch vereinfacht die Verbindung eines Dampfantriebs mit einem Antriebsstrang für ein Fahrzeug, der in einer Hybridanordnung mit einem weiteren Antrieb verbunden ist. 3 shows schematically simplified the connection of a steam drive with a drive train for a vehicle that is connected in a hybrid arrangement with another drive.

In 3 ist ein schematisch vereinfacht dargestellter Dampfantrieb 2 gezeigt, der über einen Dampfkreisprozess realisiert wird. Hierbei wird eine Expansionsmaschine 1 durch den Zustrom dampfförmigen Arbeitsmediums aus einem Verdampfer 5 angetrieben. In der Expansionsmaschine dehnt sich das dampfförmige Arbeitsmedium unter Verrichtung von Arbeit und gleichzeitiger Abkühlung aus und wird solchermaßen entspannt einem Kondensator 7 zur weiteren Abkühlung und Verflüssigung zugeführt. Das kondensierte Arbeitsmedium gelangt sodann in ein Reservoir 8, aus dem über eine Pumpe 9 das flüssige Arbeitsmedium zur erneuten Verdampfung dem Verdampfer 6 zugeführt wird. Als Wärmequelle zum Antrieb des Dampfkreisprozesses kann eine separate Brennereinheit 10 dienen. Bevorzugt wird jedoch gemäß der vorliegenden Hybridanordnung die Abwärme der weiteren Antriebsmaschine, insbesondere die eines Verbrennungsmotors 3, dem Verdampfer 6 zugeführt. Wird eine Verbrennungskraftmaschine 3 verwendet, so bietet sich hierfür die Zuleitung des Abgasstroms 11 zum Verdampfer 6 an, wobei bevorzugt Katalysatoren und Filter zwischengeschaltet werden.In 3 is a schematically simplified steam drive 2 shown, which is realized via a steam cycle process. This is an expansion machine 1 by the influx of vaporous working medium from an evaporator 5 driven. In the expansion machine, the vaporous working medium expands by performing work and simultaneous cooling and is thus relaxed a condenser 7 for further cooling and liquefaction supplied. The condensed working medium then enters a reservoir 8th from which via a pump 9 the liquid working medium for re-evaporation of the evaporator 6 is supplied. As a heat source for driving the steam cycle process, a separate burner unit 10 serve. However, according to the present hybrid arrangement, the waste heat of the further drive machine, in particular that of an internal combustion engine, is preferred 3 , the evaporator 6 fed. Will an internal combustion engine 3 used, so this provides the supply of the exhaust stream 11 to the evaporator 6 at, wherein preferably catalysts and filters are interposed.

Die in 3 vereinfacht dargestellten Komponenten eines Antriebsstranges 13 verbinden die weitere Antriebsmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine 3, mit den Antriebsrädern 5 des Fahrzeugs. Über Mittel zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen der Abtriebswelle 12 der Expansionsmaschine 1 und dem Antriebsstrang 13 erfolgt die Einleitung mechanischer Leistung von der Expansionsmaschine 1 vom Traktionsbetrieb auf den Antriebsstrang 13. Im einfachsten Fall besteht eine dauerhafte Kopplung. In einer alternativen Gestaltung ist diese Verbindung schaltbar, beispielsweise durch die Verwendung von Schaltkupplungen. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung umfasst der Antriebsstrang 13 ein leistungsverzweigtes Getriebe und der Leistungsfluss von der Expansionsmaschine 1 zum Antriebsstrang 13 erfolgt über einen Nebenzweig des leistungsverzweigten Getriebes, wobei die Aufteilung beziehungsweise Verbindung der einzelnen Leistungszweige beispielsweise durch einen Planetenradsatz erfolgen kann.In the 3 simplified illustrated components of a drive train 13 connect the further drive machine, in particular an internal combustion engine 3 , with the drive wheels 5 of the vehicle. About means for establishing an operative connection between the output shaft 12 the expansion machine 1 and the powertrain 13 the introduction of mechanical power takes place from the expansion machine 1 from traction to the powertrain 13 , In the simplest case there is a permanent coupling. In an alternative design, this connection is switchable, for example by the use of clutches. According to an alternative embodiment, the drive train comprises 13 a power split transmission and the power flow from the expansion machine 1 to the drive train 13 takes place via a secondary branch of the power-split transmission, wherein the division or connection of the individual power branches can be done for example by a planetary gear.

Für die bekannte Hybridanordnung gemäß 3 umfassend einen Dampfantrieb und eine weitere Antriebsmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine 3, kann aus unterschiedlichen Gründen ein Betriebszustand eintreten, bei dem die Expansionsmaschine 1 im Leerlauf betrieben wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn keine hinreichende Menge dampfförmigen Arbeitsmediums zum Betrieb der Expansionsmaschine vorhanden ist, etwa bei der Inbetriebnahme des Dampfantriebs bis die Betriebstemperatur im Verdampfer erreicht wird. Wird die Traktion während dieser Zeit ausschließlich über die weitere Antriebsmaschine, insbesondere die Verbrennungskraftmaschine 3, realisiert, erfolgt ein Mitschleppen der Expansionsmaschine im Leerlauf, falls eine dauerhafte Verbindung zwischen Abtriebswelle 12 der Expansionsmaschine 1 und dem Antriebsstrang 13 besteht. Im Falle einer schaltbaren Wirkverbindung wird ein Mitschleppen der Expansionsmaschine 1 zwar zeitlich begrenzt sein, es kann jedoch in bestimmten Betriebssituationen beim Zu- und Abschalten der Kopplung zum Antriebsstrang 13 wenigstens kurzzeitig vorliegen.For the known hybrid arrangement according to 3 comprising a steam drive and a further drive machine, in particular an internal combustion engine 3 , For various reasons, an operating condition may occur in which the expansion machine 1 is operated at idle. This may be the case, for example, if there is no sufficient amount of vaporous working medium for operating the expansion machine, for example when the steam drive is put into operation until the operating temperature in the evaporator is reached. If the traction during this time exclusively on the other prime mover, in particular the internal combustion engine 3 , Realized, there is a carry-along of the expansion engine in idle, if a permanent connection between the output shaft 12 the expansion machine 1 and the powertrain 13 consists. In the case of a switchable active connection is entrainment of the expansion machine 1 Although limited in time, it can in certain operating situations when switching on and off of the coupling to the drive train 13 at least for a short time.

Für den Betrieb der Expansionsmaschine 10 im Leerlauf ist erfindungsgemäß eine solche Ausgestaltung vorgesehen, welche wenigstens eine erste volumenvariable Komponente und wenigstens eine zweite volumenvariable Komponente umfasst, welche als Arbeitsräume zur Expansion des dampfförmigen Arbeitsmediums verwendet werden. Diese werden reziprok betrieben, das heißt vergrößert sich das Volumen der einen Komponente, verringert sich gleichzeitig das Volumen der anderen. Zwischen der ersten volumenvariablen Komponente und der zweiten volumenvariablen Komponente ist erfindungsgemäß eine Bypass-Verbindung vorgesehen, welche sich im Betriebszustand des Leerlaufs der Expansionsmaschine 10 öffnet. Am einfachsten ist dies in der Prinzipskizze aus 2 dargestellt, welche eine Expansionsmaschine 10 in Hubkolbenausführung darstellt. Hierbei ist als erste volumenvariable Komponente ein erster Kolben 20 und als zweite volumenvariable Komponente ein zweiter Kolben 21 vorgesehen. Im dargestellten Fall treibt der erste Kolben 20 und der zweite Kolben 21 eine Kurbelwelle 90 an, wobei die beiden Kolben jeweils um einen Arbeitstakt versetzt angesteuert werden, das heißt bei der in 2 gezeigten Stellung des ersten Kolbens 20 am oberen Todpunkt befindet sich der zweite Kolben 21 am unteren Todpunkt. Erfindungsgemäß ist zwischen den Arbeitsräumen des ersten Kolbens 20 und des zweiten Kolbens 21 eine Bypass-Verbindung 30 vorgesehen, der ein Steuerventil 31 zugeordnet ist, das für den Leerlaufbetrieb der Expansionsmaschine geöffnet wird. Das Steuerventil 31 in der Bypass-Verbindung 30 kann aktiv gesteuert ausgelegt werden. Alternativ ist das Steuerventil 31 eine passive Komponente, welche als bidirektionales Überdruckventil wirkt, um im Leerlauffall den Druckausgleich zwischen dem ersten Kolben 20 und dem zweiten Kolben 21 zu ermöglichen.For the operation of the expansion machine 10 idle according to the invention, such a configuration is provided which comprises at least a first variable volume component and at least one second variable volume component, which are used as work spaces for expansion of the vaporous working medium. These are operated reciprocally, that is, the volume of one component increases, while reducing the volume of the other. Between the first volume-variable component and the second volume-variable component, a bypass connection is provided according to the invention, which is in the operating state of the idling of the expansion machine 10 opens. The simplest way to do this is in the schematic diagram 2 which is an expansion machine 10 represents in Hubkolbenausführung. In this case, the first volume-variable component is a first piston 20 and as a second volume variable component, a second piston 21 intended. In the case shown drives the first piston 20 and the second piston 21 a crankshaft 90 , wherein the two pistons are each driven offset by one stroke, that is at the in 2 shown position of the first piston 20 At the top dead center is the second piston 21 at the bottom dead center. According to the invention is between the working spaces of the first piston 20 and the second piston 21 a bypass connection 30 provided, which is a control valve 31 which is opened for the idling operation of the expansion machine. The control valve 31 in the bypass connection 30 can be designed to be actively controlled. Alternatively, the control valve 31 a passive component, which acts as a bidirectional pressure relief valve to idle the pressure equalization between the first piston 20 and the second piston 21 to enable.

Im Falle des Leerlaufs der Expansionsmaschine 10 bei einem geöffneten Steuerventil 31 in der Bypass-Verbindung 30 ist es möglich, die Einlassventile 26.1, 26.3 im ersten Einlass 22, für den ersten Kolben 20 und im zweiten Einlass 23 für den zweiten Kolben 21 beziehungsweise die Auslassventile 26.2, 26.4 im ersten Auslass 24 und im zweiten Auslass 25 entweder nicht anzusteuern, was zu einer steuerungstechnischen Vereinfachung führt oder so zu stellen, dass die geschleppte Expansionsmaschine 10 im Wesentlichen zu keiner Rückwirkung auf den Dampfkreis führt. Darüber hinaus ist es möglich, das dampfförmige Arbeitsmedium über Injektionsdüsensysteme zuzuführen, die im Leerlauffall geschlossen bleiben können. Eine solche Anordnung wird im Zusammenhang mit einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Expansionsmaschine in 1 dargestellt. Hierbei ist die Expansionsmaschine 10 als eine Rotationskolbenmaschine in Wankelbauart ausgebildet.In case of idling the expander 10 with an open control valve 31 in the bypass connection 30 is it possible to use the inlet valves 26.1 . 26.3 in the first inlet 22 , for the first piston 20 and in the second inlet 23 for the second piston 21 or the exhaust valves 26.2 . 26.4 in the first outlet 24 and in the second outlet 25 either not to drive, which leads to a control-technical simplification or to make so that the towed expansion machine 10 essentially leads to no reaction on the steam circuit. In addition, it is possible to supply the vaporous working medium via injection nozzle systems which can remain closed during idling. Such an arrangement is in connection with a further, preferred embodiment of the expansion machine according to the invention in 1 shown. Here is the expansion machine 10 designed as a rotary piston engine in Wankelbauart.

Im Einzelnen ist in der schematischen Schnittdarstellung von 1 Folgendes dargestellt: Das statische Gehäuse 50 des Wankelexpanders weist einen Innenraum mit einer solchen Kontur auf, welche für eine Projektion auf eine Schnittfläche mit der Gehäuseachse 51 als Flächennormale eine Epitrochoide bildet. Im Gehäuseinnenraum ist ein dreiecksförmiger, eine Hypotrochoide bildender Läufer 80 exzentrisch gelagert, so dass sich zu beiden Seiten einer Symmetrieachse 52 zwei Expansionsräume bilden, die für die vorliegende Ausgestaltung die erste volumenvariable Komponente und die zweite volumenvariable Komponente der Expansionsmaschine darstellen.In detail, in the schematic sectional view of 1 The following is shown: The static housing 50 of the Wankelexpanders has an interior with such a contour, which is for a projection on a cutting surface with the housing axis 51 forms as surface normal an epitrochoid. In the housing interior is a triangular, a hypotrochoide forming runners 80 mounted eccentrically, so that on both sides of a symmetry axis 52 form two expansion spaces, which represent the first variable volume component and the second volume variable component of the expansion machine for the present embodiment.

Durch den Umlauf des Läufers 80 wird auf der einen Gehäuseseite der Auslasstakt dann vorliegen, wenn sich durch die Läuferbewegung auf der anderen Seite der Arbeitsraum zur Expansion aufweitet. Für den Druckausgleich beim Leerlauf zwischen diesen beiden im Zweitakt und reziprok betriebenen Arbeitsbereichen ist erfindungsgemäß eine Bypass-Verbindung vorgesehen, welche einen ersten Bypass 71 mit einem zugeordneten Steuerventil 71.1 und einen zweiten Bypass 70 mit einem entsprechend zugeordneten Steuerventil 70.1 umfasst. Hierbei ist der zweite Bypass 70 zwischen dem Bereich des zweiten Auslasses 63 und dem Bereich der Expansion für die erste volumenvariable Komponente vorgesehen und entsprechend wird ein erster Bypass 71 zwischen dem ersten Auslass 62 und dem gegenüberliegenden Expansionsbereich für die zweite volumenvariable Komponente ausgebildet.Through the circulation of the runner 80 On the one side of the housing, the exhaust stroke will then be present when, as a result of the rotor movement on the other side, the working space expands to expand. For pressure equalization at idle between these two in two-stroke and reciprocally operated work areas a bypass connection according to the invention is provided, which a first bypass 71 with an associated control valve 71.1 and a second bypass 70 with a correspondingly associated control valve 70.1 includes. Here is the second bypass 70 between the region of the second outlet 63 and the range of expansion for the first variable volume component, and accordingly, a first bypass 71 between the first outlet 62 and the opposite expansion area for the second variable volume component.

Wird der Gehäuseinnenraumbereich in vier Quadranten unterteilt, deren Anordnung sich aus der Lage der ersten Symmetrieachse 52 und der zweiten Symmetrieachse 53 ergeben, lässt sich die Anordnung des ersten Bypasses 70 und des zweiten Bypasses 71 allgemeiner darstellen. Im ersten Quadrant 53 ist der Einlass 60 für den rechten Arbeitsraum vorgesehen. Im Uhrzeigersinn erfolgt dann ein zweiter Quadrant 54, in dem der erste Auslass 62 liegt, gefolgt von einem dritten Quadrant 55, in dem der zweite Einlass 61 für den linken Arbeitsraum vorgesehen ist, und einem vierten Quadrant 56, in dem wiederum der zweite Auslass 63 liegt, nachfolgt. Erfindungsgemäß muss nun für den Druckausgleich eine Bypass-Verbindung zwischen den Bereichen, in denen eine Kompression stattfindet, und/oder dem Auslassbereich zum einen und den Expansionsbereichen zum anderen vorgesehen sein. Vorliegend gelingt dies durch die Anordnung eines ersten Bypasses 70 zwischen dem zweiten Auslass 63 und dem dem ersten Quadrant 53 zugeordneten Gehäuseinnenraumbereich und einem zweiten Bypass 71 zwischen dem ersten Auslass 62 und dem dem dritten Quadrant 55 zugeordneten Gehäuseinnenraumbereich.If the housing interior area is divided into four quadrants whose arrangement is the position of the first axis of symmetry 52 and the second axis of symmetry 53 revealed, the arrangement of the first bypass can be 70 and the second bypass 71 represent more generally. In the first quadrant 53 is the inlet 60 intended for the right working space. Clockwise, a second quadrant then takes place 54 in which the first outlet 62 is followed by a third quadrant 55 in which the second inlet 61 is provided for the left working space, and a fourth quadrant 56 in which again the second outlet 63 lies, follows. According to the invention, a bypass connection between the areas in which compression takes place and / or the outlet area on the one hand and the expansion areas on the other must now be provided for pressure equalization. In the present case, this is achieved by the arrangement of a first bypass 70 between the second outlet 63 and the first quadrant 53 associated housing interior space and a second bypass 71 between the first outlet 62 and the third quadrant 55 associated housing interior space.

Wie weiterhin in 1 skizziert, ist am ersten Einlass 60 sowie am zweiten Einlass 61 jeweils eine Injektionsdüse für die Zuführung des dampfförmigen Arbeitsmediums im Betriebsfall vorgesehen. Beim Leerlaufbetrieb und durchgängig geschalteten Bypass-Verbindungen ist der Öffnungszustand dieser Injektionseinrichtungen nicht durch zusätzliche Maßnahmen offen zu halten, da aufgrund der erfindungsgemäßen Konfiguration und den Bypass-Verbindungen eine Druckausgleichsverbindung zwischen den beiden symmetrischen Arbeitsräumen des Wankelexpanders geschaffen wird.As continues in 1 sketched, is at the first inlet 60 as well as at the second inlet 61 each provided an injection nozzle for the supply of the vaporous working medium in the case of operation. During idling operation and through-connected bypass connections, the opening state of these injection devices can not be kept open by additional measures, since due to the configuration according to the invention and the bypass connections, a pressure equalization connection is created between the two symmetrical working spaces of the Wankelexpanders.

Claims

An expansion machine device for a vehicle having a hybrid arrangement of internal combustion engine and steam engine, comprising 1.1 an output shaft ( 12 ), which in operative connection with a drive train ( 13 ) of the vehicle is or can be switched to such; 1.2 an expansion machine comprising at least a first volume-variable component with a first inlet ( 22 . 60 ) and a first outlet ( 24 . 62 ) and at least one second variable volume component having a second inlet ( 23 . 61 ) and a second outlet ( 25 . 63 ), wherein the variable volume components are designed to relax a vaporous working medium while performing mechanical work for reciprocal operation according to the two-stroke principle with a power stroke and an emptying stroke; and 1.3 wherein the first variable volume component and the second variable volume component are in communication with the output shaft; characterized in that 1.4 at least one bypass connection ( 30 ) between the first outlet ( 24 . 62 ) of the first volume variable component and the second inlet ( 23 . 61 ) of the second variable volume component and between the second outlet ( 25 . 63 ) of the second volume variable component and first inlet ( 22 . 60 ) of the first volume-variable component is provided and a control valve ( 31 ) in the bypass connection ( 30 ), the control valve ( 31 ) is automatically switched or this is associated with a control device to the control valve ( 31 ) open during towing operation of the expansion machine and close during traction operation of the expansion machine.

Expansion machine device according to claim 1, characterized in that the expansion machine is designed as a reciprocating piston engine and at least one first piston ( 20 ), which forms the first volume-variable component, and at least one second piston ( 21 ) forming the second volume variable component.

Expansionsmaschinenvorrrichtung according to claim 1, characterized in that the expansion machine is designed as a rotary piston machine.

Expansion machine device according to claim 3, characterized in that the rotary piston machine is designed in Wankelbauart and a symmetrically shaped housing ( 50 ), which from an associated symmetry axis ( 52 ) is subdivided into two partial areas and a first partial area forms the first volume-variable component and a second partial area forms the second volume-variable component.

An expansion machine apparatus according to claim 4, characterized in that the rotary piston engine of Wankel type comprises: 5.1 a housing ( 50 ) with a housing interior, which has a housing axis ( 51 ), wherein the housing interior for a projection in the direction of the housing axis ( 51 ) has the contour of an epitrochoid whose perpendicular symmetry axes ( 52 . 72 ) a first quadrant ( 53 ), a second quadrant ( 54 ), a third quadrant ( 55 ) and a fourth quadrant ( 56 ) for the area enclosed by the epitrochoid, to which housing interior areas projected thereon are assigned; 5.2 in the first quadrant ( 53 ) associated with the housing interior space opens at least a first inlet ( 60 ), from the second quadrant ( 54 At least one first outlet opens (FIG. 62 ), in the third quadrant ( 55 ), at least one second inlet ( 61 ) and of the fourth quadrant ( 56 At least one second outlet opens (FIG. 63 ); 5.3 an eccentric to the housing ( 50 ), to the housing interior a Hyptrochoide forming runners ( 80 ); 5.4 at least one first bypass ( 71 ) and at least one second bypass ( 70 ), which form the bypass connection, whereby the first bypass ( 71 ) is arranged so that this a pressure equalization connection in the case of an open control valve ( 71.1 ) between the first outlet ( 62 ) and the third quadrant ( 55 ) and the second bypass ( 70 ) in the case of an open control valve ( 70.1 ) a pressure equalization connection between the second outlet ( 63 ) and the first quadrant ( 53 ) produces associated housing interior space.

Method for operating an expansion machine arrangement having the features according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control valve ( 31 ) in the bypass connection ( 30 ) is closed during traction operation of the expansion machine and in the case of towing operation of the expansion machine for establishing a pressure equalization connection between the first variable volume component and the second variable volume component is opened.