DE2750549A1

DE2750549A1 - Kombinierter verbrennungs-dampfmotor

Info

Publication number: DE2750549A1
Application number: DE19772750549
Authority: DE
Inventors: Hans Forch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-11-11
Filing date: 1977-11-11
Publication date: 1979-05-17

Description

Kombinierter Verbrennungs - Dampfmotor
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Bewegungsenergie und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,die bei Verbrennungemotoren als Wärme abgeführte Verlustenergie überwiegend wieder dem Gewinn mechanischer Energie zuzuführen.
Es sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Bevegungsenergie aus flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen bekannt.
Die Entwicklung begann bei indirekten Verfahren,bei denen mit der Verbrennungewärme von außerhalb der Arbeitszylinder verbrennten Kohlenwasserstoffen Wasserdampf erzeugt wurde,von dessen Energieinhalt ein Teil in Arbeitszylindern in Bewegungsenergie umgewandelt wurde.
Ein deutlicher Portschritt war der Übergang auf die direkten Verfahren mit Verbrennung im Arbeitszylinder selbst.Von besonderer Bedeutung war dieser Schritt für die Anwendung in Fahrzeugmotoren,wegen der damit verbundenen Verringerung des Motorengewichtes und der Vereinfachung der Handhabung.
Trotz weiterer Verbesserungen der Verfahren und der technischen Vorrichtungen ist der bie heute erzielte Nutzeffekt im Hinblick auf die Ausnutzung der eingesetzten Wärmeenergie nicht mehr als 25 - 30 % Zur Kühlung der Verbrennungsräume müssen etwa 25 ß der freigesetzten Energie abgeführt werden Ein größerer betrag von etwa 30 - 35 % geht mit den Abgasen ungenutzt in die Atmosphäre.
#un sind Verfahren bekannt,mit denen ein kleiner Teil der in den Abgasen mitgeführten Energie zum Antrieb von Aufladegebläsen genutzt wird.Trotzdem gehen immer noch ca. 65 - 70 * der eingesetzten Energie für die Umsetzung in Bewegungsenergie verloren.
Bei Großmotoren wird mitunter in Abgaskesseln Wasserdampf erzeugt,mit dem in Turbogeneratoren elektrische Energie erzeugt wird.Durch Ausnutzung der großen,im entspannten Wasserdampf verbleibenden.Restenergie für Heizzwecke und Warmwasserversorgung,wird ein guter Gesamtwirkungsgrad erreicht Der Ausnutzung dieser Restenergie bei mittleren und kleineren Fahrzeugmotoren steht normalerweise ein viel zu geringer Bedarf an Wärme für die Fahrzeugheizung entgegen.Außerdem bleibt die Motorkühlwärme weitestgehend ungenutzt.
Erfindungsgemäß wird nun ein neues Verfahren vorgeschlagen, welches einen entscheidend höheren Anteil der beim Verbrennungsteil eines Motors anfallenden Abwärme nutzt und direkt die Antriebsenergie der Maschine vergrößert.
Dem Verfahren liegt ein zweistufiger Umwandlungsprozeß von Wärmesnergie in mechanische Energie zugrunde.
Die erste Stufe ist ein herkömmlicher gemischter Kreis-Prozeß,die zweite Stufe ist ein geschlossener Rankine -Prozeß.
Von Bedeutung ist dabei,daß die Abtriebsstränge beider zur Durchführung der Arbeitsprozeose erforderlicher Maschinen oder Einheiten von Maschinen starr oder durch eine gegebenenfalls lösbare Kupplung, z.B. Fliehkraftkupplung,miteinander verbunden eind.Dadurch wird eine besonders für Fahrzeugmotoren richtige Einfachheit und Kompaktheit rreicht,die für den Gebrauchewert bestimmend ist.
Besonders einfach wird der Aufbau deu kombinierten Verbrennungs - Dampfmotors,wenn beispielsweise die Grundausführung eines 6 - Zylinder - Motors so gestaltet wird, daß 4 Zylinder und Zubehör wie ein herkömmlicher Verbrennungsmotor, 2 Zylinder gleicher Abmessung wie ein Dampfmotor, und alle zusammen auf eine Kurbelwelle arbeiten.
Zur Umsetzung der mit dem Kraftstoff eingebrachten Energie im Primär - und/oder Sekundärprozeß kann Jede Ausführung einer an sich bekannten Hubkolbenmaschine,Drehkolbenmaschine oder Rotationsiaschine in einer für den speziellen Zweck erforderlichenfalls leicht abgewandelten Ausführung verwendet werden.
Es kann zweckmäßig sein,den dampfgetriebenen Motorteil mit anderer Drehzahl als den Verbrennungemotorteil laufen zu lassen. mit Hilfe eines zwischengeschalteten mechanischen oder hydraulischen Getriebe ist die Anpassung der Drehzahlen zu bewerkstelligen.
Da ein Verbrennungsmotor nur ab einer konstruktiv bedingten, bestimmten Drehzahl Energie abgeben kann - im Gegensatz zu einem Dampfmotor - kann es vorteilhaft sein,den Verbrennungemotorteil über eine Strömungskupplung,einen Wandler oder ein automatisches Getriebe auf das Fahrzeug oder anzutreibende Aggregat arbeiten zu lassen.
Der Dampfmotorteil des erfindungsgemäßen Verbrennungs -Dampfmotors arbeitet dann über eine ausrückbare Kupplung gegebenenfalls mit mechaniecher Vber- oder Untersetzung auf die Abtriebswelle des Wandlere oder des automatischen Getriebes.
Diese Anordnung hat den Vorteil,daß beim Anlaseen des Motors der Dampfmotorteil nicht mit bewegt werden muß.
Zur Ausnutzung der vom Motor abzuführenden Wärme nach dem Rankine - Prozeß sind organische oder anorganische Flüssig keiten mit einer spezifischen Wärme unter 3,3 kJ/kg einem Siedepunkt bei 20bar von im wesentlichen unter 1300C und deren Verdampfungswärme bei Atmosphärendruck kleiner als 1300 kJ/kg ist,besonder vorteilhaft Durch Mischung verschiedener Flüssigkeiten und gegebenenfalls Zusatz von Schmiermitteln kann das erforderliche Eigenschafts bild erreicht werden.
In Fig. I ist das Prinzipbild des Verfahrens des erfindungsgemäßen kombinierten Verbreniiungs - Dampfmotora dargestellt.
Mit A bezeichnet ist der Primärenergie - Strang vom Kraftstofftank 1 über den Vergaser 2 ,oder das Elneprltssystem, zum rotor 3 , von wo der dort nicht genutzte in den Abgasen streckende Teil über den mit 4 bezeichneten Wärmetauscher geht.
Im Sekundärkreis B wird das flüssige Arbeitsmedium von der Pumpe 5 auf den Arbeitsdruck gebracht und durch den druckfesten Wärmetauscher 6 und/oder durch den Motor 3 gepumpt.Dabei verdampft das Medium teilweise oder ganz, geht anschließend durch den abgasbeheizten Wärmetauscher 4 und wird dort vollkommen verdampft und überhitzt.
Im Dampfmotor 7 gibt der Dampf einen großen Teil seines Energie inhalts als mechanische Bewegungsenergie ab. Der expandierte Dampf gelangt dann in den Kondensator 8 , der entweder direkt durch Luft und/oder gegebenenfalls durch die Flüssigkeit eines besonderen Kühlaggregates 9 gekühlt wird. Von dort fließt das kondensierte Arbeitsmedium der Pumpe 5 su,womit der Kreislauf geschlossen ist.
Selbstverständlich können die Abgase auf ihrem Weg vom Verbrennungemotor 3 zum Wärmetauscher 4 beispielsweise einen Abgasturbolader durchströmen und dabei einen Teil ihrer Energie abgeben,oder bei katalytischer Nachverbrennung ihren Energieinhalt vergrößern.
Um Leckverluste des Arbeitsmediums kontinuierlich au ersetzen und um einer schädlichen Alterung deeeelben vorzubeugen'ist es zweckmäßig den Kraftstoff des Verbrennungsmotors , dessen leicht siedende Bestandteile und/oder Zusätze als Arbeitsmedium des Damprmotore dienen können, auf dem Weg vom Tank 1 zu Vergaser - oder Einspritzsystem 2 in einem Gerät 10 zu erhitzen und den entstehenden Dampfanteil in den Dampfkreislauf,beispielsweise in den Kondensator 8 zu leiten,wo er kondensiert.Die dort nach Absug der Leckverluste anfallende überschüssige Menge wird - an anderer Stelle entnommen - wieder der Kraftstoffleitung des Verbrennungsmotors zugeführt.Im Kleinkühler 11 wird der bei 10 erhitzte Kraftstoff wieder auf Gebrauchstemperatur abgekühlt.
Wird ein kombinierter Kolbendampfmotor verwendet,können die im gemeinsamen Kurbelgehäuse anfallenden Gaee über die Rurbelgehäuseentlüttung wie üblich dem Verbrennungaprozeß zugeführt werden.Damit ist dann die dem Verbrennungsmotor in der Summe zugeführte Kraftstoffzusammensetzung sehr ähnlich der des getankten Kraftstoffs.
Bei getrennten Kurbelgehäusen,wie auch getrennten Gehäusen allgemenin, wird der faßbare Leckdampf zweckmäßigerweise direkt dem Kondensator 8 wieder zugeführt.
Die Steuerung der Menge des Arbeitsmediums im Kreislauf B, das von der Pumpe 5 auf Druck gebracht und befördert wird, kann thermootatioch und/oder druckabhängig geregelt erfolgen.Die Leistungsentnahme wird entweder über ein Servoventil vor dem Dampfmotorteil 7 ,oder über eine ebenfalls vom Gaspedal geeteuerte Einriohtung zur Veränderung des Öffnungswinkels des oder der Einlaßventile zwischen 0° und 450 Kurbelwinkel geregelt.
Die Fig. II stellt in verkleinertem maßstab eine vereinfachte Draufsicht sui einen erfindungugemäßen 4 - Zylinder Motor dar.Die beispielhafte Ausführung wird im folgenden beschrieben.
Mit 3a , 3b ,3c sind die Zylinder des Verbrennungsmotor -Teile des kombinierten motors,mit 7 ist der Zylinder des Dampfmotors bezeichnet Alle Zylinder arbeiten mit ihren Kraftübertragungsteilen auf die gemeinsame Kurbelwelle.
Bis auf die Ventilsteuerung und die Form des Kompreesions raume können die mechanischen Teile beider Motorpartien gleich sein.
Die Wärmeübertragung vom Verbrennungemotor auf das Arbeitsmedium kann auf verschiedene Arten erfolgen: direkt, indem das Arbeitsmedium von der Pumpe 5 durch Kanäle oder Rohre 12 in der Ölwanne,im Motorblock und im Zylinderkopf gedrückt wird, indirekt,indem die abzuführende Wärme von einer Flüssigkeit in einen Wärmetauscher transportiert und dort auf das Arbeitsmedium übertragen wird.
Auch partielle Anwendung und teilweise Ausnutzung der beiden Möglichkeiten kann vorgesehen werden.
Das Arbeitemedium durchetrömt dann den Abgae - Wärmetauscher 4, der zweckmäßigerweise gleichzeitig als Abgae - Schalldämpfer ausgeführt ist.Die Isolation 13 umgibt ganz oder teilweise den Motor samt Wärmetauscher 4 , um Wärmeverluste weitgehend zu vermeiden. Anschließend gibt der Arbeitsdampf durch Verdrängung und Expansion einen wesentlichen Anteil seiner Energie on den bewegten Kolben in Zylinder 7 ab.Die Steuerung von Dampf- Zu- und Abgang geschieht beispielsweise durch blockenwelle und Ventile.
Der entspannte Dampf wird vom Kolben zum Kondensator 8 gedrückt,wo er durch Abkühlen verflüssigt wird Von dort pumpt die Verdrängerpumpe 5 das Arbeitsmedium wieder in den Teil des Kreislaufs mit dem höheren Druckniveau.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: Verfahren zur Erzeugung von B.wegungsenergie aus einen niedrig siedenden Arbeitsmedium unter Verwendung eines Verbrennungsmotors,dadurch gekennzeichnet,daß die Abwärme des Verbrennungsmotors zum Verdampfen des Arbeitsmediums verwendet wird'daß der gebildete Dampf eine Expansionsmaschine antreibt,und daß die beiden Abtriebsstränge starr oder durch eine gegebenenfalls lösbare Kupplung untereinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet'daß das Arbeitsmedium in einem in sich geschlossenen Dampfstrang der Vorrichtung verdampft,expandiert,kondensiert und gefordert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 , dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium eine organische oder eine anorganische Flüssigkeit verwendet wird'deren spezifische Wärme unter 3,3 kJ/kg liegt,mit einem Siedepunkt bei 20 bar von im wesentlichen unter 1300C und einem Gefrierpunkt unter -20°C , und deren Verdampfungswärme bei Atmosphärendruck kleiner als 1300 kJ/kg ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet,daß als Abeitsmedien Aceton, SO3, N2O4, Benzin, Tetrachlorkohlenstoff , Cyanidwasserstoff und/oder Pentan oder Mischungen aus Pentan mit Benzol,Aceton mit Benzol,Methanol ait beton, 802 mit SO, , N2O4 itt 1102 oder Hexan mit Pentan,des weiteren halogenierte Kohlenwasserstoffe und Gemische davon mit Kohlenwasserstoffen,verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,daß als Arbeitsmedium der Kraftstoff des Verbrennungsmotore verwendet wird,und daß zumindest ein Teil davon ständig gegen frischen Kraftstoff ausgetauscht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet'daß der Kraftstoff des Verbrennungsmotors auf dem Weg vom Tank zu Vergaser oder Einspritzsystem des Verbrennungmotors erhitzt wird,um die leicht siedenden Anteile des Kraftstoffs und/oder bestimmte Zusätze,die für den betrieb des Dampfmotors vorteilhaft sind,zu verdampfen und dem Kreislauf beispielsweise im Kondensator zuzuführen.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor direkt und/oder indirekt durch das Arbeitsmedium gekühlt wird,daß dabei ein Teil verdampft und im Überhitzer das Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf vollständig verdampft und überhitzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet,daß eine indirekte Kühlung des Verbrennungemotore durch die Kühlung des Schmieröle und/oder des Kühlwassers oder eines Wärmeträgeröles mit Hilfe des Arbeitmediume vorgenommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet,daß eine Kühlung des Verbrennungsmotor durch eine direkte Kühlung des Zylinderkopfes und/oder der den Brennraum umgebenden Seitenwände angewendet wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet,daß der Verbrennungsmotor und die Expanionsmaochine von Jeweils mindestens einer Einheit einer Hubkolben - oder Drehkolbenmaschine oder einer Turbine gebildet werden, daß die beiden Abtriebsstränge starr oder durch eine gegebenenfalls ausrüokbare Kupplung verbunden sind, und daß Einrichtungen zur kontinuierlichen Verdampfung, Kondensation und Förderung des flüssigen Arbeitsmediums torgesohen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verdampfung des Arbeitsmediums aus direkten und/oder indirekten Kühleinrichtungen des Motors und einem Überhitzer bestehen,der von den heißen Abgasen und dem Arbeitsmedium durchströmt iet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfstrang zur Kühlung des Verbrennungsmotors bei einem Kolbenmotor aue einem von dem Arbeitsmedium durchströmten Kanalsystem in dem Zylinderkopf und/oder aus einem die Verbrennungsräume umgebenden Kanalsystem besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf strang zur Kühlung des Schmieröle bei einem Kolbenmotor aus einem in der Ölwanne angeordneten Kanalsystem besteht,das von dem Arbeitsmedium durchströmt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13 , dadurch gekennzeichnet,daß der Dampf strang zur Kühlung des Motors und/oder des Schmieröle au einem Rohrsystem aus einer oder mehreren Leitungen besteht,deren Auslaß in den überhitzer mündet.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 14 , dadurch gekennzeichnet,daß der Überhitzer auch als Schalldämpfer für die Abgase ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 15 , dadurch gekennzeichnet,daß die Einrichtung zur Kondensation des Arbeitsmediums hinter dem Auslaß der Expansionsmaschine angeordnet ist,und daß eie aus einem Wärmetauscher besteht,der von dem Arbeitsmedium und von einem sekundären Kühlmittel durchströat ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel flüssig oder gasförmig int,und daß gegebenenfalls eine Kühlvorrichtung,die eine an eich bekannte Kälteinaschine sein kann,zu Einstellen der Temperatur des Kühlrnittels vorgeeehen ist
18. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 17 , dadurch gekennzeichnet,daß die Einrichtung zur Förderung des flüssigen Arbeitsmediums eine Verdrängerpumpe ist,vorsugeweise eine Zahnradpumpe.
19. Vorrichtung nach Anspruch 10 bis 18 , bestehend aus einer vier reihenförmig angeordnete ,gleichgroße Zylinder aufweisenden Antriebeeinheit,von der drei Zylinder den Verbrennungsmotor bilden und ein Zylinder die Expansionsmaschine,mit unmittelbar angeflanschten Einrichtungen zur kontinuierlichen Verdampfung, Kondensation und Förderung des flüssigen Arbeitsmediums,
20. Vorrichtung nach Anspruch 19 , gekennzeichnet durch eine vollständig oder teilweise geschlossene Kapselung aus einem wärme - oder/und schallisolierenden Werkstoff.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 20 , dadurch gekennzeichnet,daß die den Dampfstrang bildenden Teile zum Kraftstoffsystem des Verbrennungsmotors gehören oder eien Bypass bilden.