DE3234679A1

DE3234679A1 - Verbundtriebwerk aus prinzipiell unterschiedlichen waermekraftmaschinen

Info

Publication number: DE3234679A1
Application number: DE19823234679
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing.(FH) 7406 Mössingen Hutzenlaub
Original assignee: HUTZENLAUB HEINZ DIPL ING FH
Current assignee: HUTZENLAUB HEINZ DIPL ING FH
Priority date: 1982-09-18
Filing date: 1982-09-18
Publication date: 1983-06-16

Description

Verbund triebwerk
Die Erfindung betrifft ein Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, aus prinzipiell unterschiedlichen Wärmekraftmaschinen, bei dem die Abfallenertjie der einen Wärmekraftmaschinen-Kateforie zum Antrieb bzw. Betrieb der anderen Wärmekraftmaschinen-Kategorie benutzt wird. Das Verbundtriebwerk bzw. der PSV-Motor ist ebenfalls der Gattung Wärrnekraftmaschinen zuzuordnen.
Mit Wårmekraftmaschinen der unterschiedlichsten Bauart, wie z.B. Otto- oder Dieselmotoren, Gasturbinen, Wärmemotoren nach Prinzip Stirling, Dampfmaschinen usw. werden Antriebsaufgaben der unterschiedlichsten Art gelöst. Insbesondere werden Kraftfahrzeuge, Flugzeuge, Schienenfahrzeuge, Stromerzeuger, Pumpen, Kompressoren usw. damit angetrieben.
Die bisher bekannten Wärmekraftmaschinen gemäß vorgenannter Beispiele sind grundsätzlich bekannt und teilweise technisches Allgemeingut. Hinreichend bekannt sind auch ihre im Funktionsprinzip und der Bauart begründeten Vor- und Nachteile und die sich hieraus ergebenden Anwendungsmöglichkeiten.
Insbesondere Otto- und Dieselmotoren können prinzipbedingt nur ca. ein Drittel der ihnen mit dem Kraftstoff zugeführten Energie in nutzbare Antriebsenergie umsetzen. Dies, obwohl sie mittlerweile ca. hundert Jahre gebaut werden und über mehrere Konstrukteurgenerationen eine fortlaufende Weiterentwicklung erfuhren. Bis heute gehen aber bei diesen Notoren noch immer ca. zwei Drittel der zugeführten Kraftstoffenergie über die Notorkühlung und mit den sehr heißen Abgasen verloren.
3ir.e ungefähre durchschnittliche Energiebilanz ei:s Otto-Motors üblicher Bauart sieht wio folgt aus: Freie Antriebsenergie am Schwungrad eines Motors ...................... ca. 25 % Reibung im Triebwerk und der Ventilsteuerung sowie Antriebsenergie für Hilfsaggregäte ................ ca. 10 % Indizierte Energie ......................... ca. 35 ffi Im Kühlwasser abgeführte Energie .. ca. 23 % Abstrahlungswärmeenergie über die das Triebwerk begrenzende Oberflächen ........................... ca. 9 % Verlust durch Kühlungsenergie .............. ca. 32 % Energieverlust durch heiße Abgase .......... ca. 33 33 % Verbrennungsenergie des zugeführten Kraftstoffs ................................ 100 % Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eklatante Mißverhältnis zwischen Energieaufnahme und nutzbarer Energieabgabe der bisher bekannten Wärmekraftmaschinen zu verbessern, d.h. den Wirkungsgrad ganz entscheidend zu erhöhen.
Diee Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß prinzipiell unterschiedliche Wärmekraftmaschinen derart miteinander im Verbund betrieben werden, daß die Abfallwärme der einen Kategorie zum Betrieb der anderen Kategorie benutzt wird. Der Gesamtwirkungsgrad wird dabei zwangsläufig wesentlich höher als bei Monobetriebsweise der jeweils beteiligten Kornponenten-Wärmekraftmaschinen.
Es muß anerkannt werden, daß mit dieser Erfindung nur eine Problemlösung im Prinzip angeboten wird und bis zum Bau eines ersten Verbundtriebwerks noch viel Konstruktions- und Versuchsarbeit zu leisten ist. Demgemäß kann hier auch keine präzise Aussage über die Größenordnung des Gesamtwirkungsgrads gemacht werden.
Nachfolgend einige Beispiele für Verbundbetrieb gemäß Erfindungszweck geeignete Komponenterltriebwerke/-Motoren und Definitionen: In ihre Innern Kraftstoff verbrennende und dabei Abfallwärme, d.h. Kühl-Verlustenergie und Abgas-Verlustenergie abgebende Motoren sollen in diesem Zusammenhang als Primarenergiemotoren, kurz als PE-Motoren, bezeichnet werden.
Von außen zugeführte Wärmeenergie nutzende Motoren sollen als Sekundärenergiemotoren, kurz als Motoren, bezeichnet werden. - Sie erzeugen selbst keinerlei Abgase.
Der Verbund eines Primärenenergiemotors mit einem Sekundarenergiemotor soll die Bezeichnung PS-Verbundmotor erhalten kurz PSV-Motor.
PE-Motoren - Beispiele: - Brennkraft-Kolbenmaschine System Otto - Brennkraft-olbenmaschine System Diesel - Rotationskolben-Motor System Wankel - Beliebiger Kolbenmotor mit innerer Verbrennung - Turbinenmotor, Gasturbine - Dusenstrahlmotor, Strahltriebwerk SE-M.otoren - Beispiele; - Wärmekraftmotor, Stirling-Motor = Ausnutzung des Ausdehnungs-und Schrumpfungseffekts eines abwechselnd erwärmten und abgekühlten Gasvolumen in einer abgeschlossenen zylindrischen Kammer, haGftig durch einen achsial beweglichen Kolben unterteilt, der sich bei einseitiger Volumenvergrößerung durch Erwärmung der einen Kammerhälfte und bei gleichzeitiger Volumenverkleinerung durch Abkühlung der anderen Kammerhälfte in Richtung dieser bewegt und nach Umkehrung des Erwämungs- und Abkühlvorgangs in umgekehrter Richtung, im gleichen Zyklus wie die Temperaturbeaufschlagung der Kammerhälfen wechselt. Seine Achsialbewegung wird mittels einer Kurbelwelle in Drehbewegung umgewandelt.
- Wärme-Dehnkraftmootor allgemeinder Bauart = Ausnutzung der zyklischen Wärmedehnung und Abkühlungsschrumpfung von gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen, auch im Stoffverbund - z.B. Bimetall - und womöglich unter Einbeziehung von Zustandsänderungen - gäsförmig/flüssig oder flüssig/ fest - zu direkten Antrieb oder aber Umlenkung in andere Bewegungsabläufe durch geeignete Getriebe, z.B. in Drehbewegungsenergie.
Hier wie auch beim Stirjing-Notor kann e nach Zweckmäßigkeit und Auslegung der Konstruktion mit einem einzelnen Energieumsetzelement oder mit ganzen Gruppen von Elementen bearbeitet werden.
- Dampfmotor und Dampfturbine PSV-Motoren: - Jede beliebige Kombination von PE-Motoren mit SE-Motoren Bei der Erfindung können praktisch alle Erkenntnisse, die bei der zurückliegenden Entwicklung der bisher bekannten Wärmekraftmaschinen gewonnen wurden, eingebracht werden, d.h.
das augenblicklich bestehende Entwicklungsoptimum bei PE- und SE-Motoren kommt auch dem Verbundtriebwerk, dem PSV-Motor weitgehendst zugute. Dies gilt natürlich auch für künftige Optimierungsbemühungen an den bisher bekannten Wärmekraftmaschinen, den künftigen Komponenten aes PSV-Motors.
Die neuen Entwicklungsaufgaben können auf relativ hohen technischen Stand bei FE- und SE-Motoren zurückgreifen und sich auf die besonderen Details des Verbundbetriebs und der Verbundbauweise beschränken, wenigsten vorlaufig.
Im Prinzip der Erfindung liegt ferner begründet, daß Verbundtriebwerke in den vielfaltigsten Ausführungen grundsätzlich möglich sind. - Dies ist auß den eingangs aufgeführten Unteransprüchen bzw. deren kennzeichnenden Teile sowie au den o. a. Beispielen ersichtlich. - Diese Vielfalt ist trotz der dadurch zwangsläufig bestehenden Umfangreichen Untersuchungsarbeit gleichzeitig weitgehendst Garantie für optimale praktische Lösungen.
Anwendungsbeispiele: Die wirtschaftlichste Ausführung eines PSV-Motors wird für einen Antrieb mit konstanter last und Drehzahl möglich sein, z.B. für Grundlast-Stromerzeuger, weil hier nach einmaliger Zuordnung und Abstimmung beide Verbundkomponenten-Motoren PE und SE bei optimal eingestellten Betriebsbedingungen laufen können.
Bei zunehmend intermittierendem Betrieb wird der Regelaufwand für die optimale Zuordnung und Betriebsweise größer.
Trotzdem dürften noch sehr gute Ergebnisse bei z.B. normale Stromerzeugern, Lokomotivantrieben, Schiffsantrieben, Fernverkehrs-lKW, Baumaschinen, Benzin- oder Diesel-elektrischen Antrieben, Hybridantriebsbussen, Straßenkehrmaschinen - auch Trennung nach Fahr- und Arbeitsmotor mögiich - usw.
erzielt werden.
Bei stark intermittierendem Betrieb, wie z.B. bei PKW- und Nahverkehrs-lKW-Motoren muß eine künftige Entwicklung zeigen, welcher Regelaufwand für einen koordinierten Betrieb der beiden Verbundkomponenten PE und SE über den gesamten Drehzahl- und Leistungsbereich des PE-Motors erforderlich ist.
Schlimmstenfalls "zieht" man die weniger leistungsfähige Komponente mit vergleichsweise geringem Koordinierungs-bzw. Regelaufwand so weit mit, wie z.B. zlir Leistunbsbedarfabdeckung der Nebenantriebe erforderlich ist, und läßt sie dann unter bewußter Preisgabe von mehr Wirtschaftlichkeit an einem bestimmten Betriebspunkt zurückhängen".
Aus der Schemaskizze auf Blatt 10 ist die prinzipielle Anordnung eines Verbundtriebwerks bzw. PSV-Motors samt einer Anzahl von anzutreibenden Nebenaggregaten ersichtlich.
Leerseite

Claims

Verbundtriebwerk aus prinzipiell unterschiedlichen Wärmekraftmaschinen Patentansprüche 1. Verbundtriebwerk, insbesondere bestehend aus einem Wärmekraftmotor mit innerer Verbrennung, vorzugsweise einem Hubkolben-Otto- oder Dieselmotor, hier als Primärenergie-, kurz PE-otor bezeichnet, und einem Wärmekraftmotor mit äußerer Verbrennung, vorzugsweise einem Stirlingmotor, hier als Sekundärenergie-, kurz SE-Motor bezeichnet, beide direkt oder indirekt zusammenwirkend in einem Primär-Sekundärverbund als Primär-Sekundärverbundmotor, kurz PSV-hotor bezeichnet, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Verlustwärmeenergie, insbesondere Kühl- und Abgaswarmeenergie der PE-Motor-komponente zum Betrieb der SE-Motorkomponente benutzt wird.
2. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die PE-Notorkomponente eine beliebige Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung sein kann.
3. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nuch Anspruch 1. oder 2., dadurch gekennzeichnet, daß die PS-Motorkomponente eine beliebige Wärmekraftmaschine mit direkter oder indirekter äußerer Verbrennung sein kann.
4. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. oder 2.

dadurch gekennzeichnet, daß die PS-Motorkomponente eine beliebige, außere Warmezufuhr zu beliebiger Energieumsetzung und zu beliebiger Energieabgabe nutzende Einrichtung sein kann.
5. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. - 4., dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nur Kühlenergie oder nur Abgaswärmeenergie der PE-Motorkomponente zum Betrieb der SE-Motorkomponente benutzt wird.
6. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. - 5., dadurch gekennzeichnet, daß nach beliebiger Wahl und in beliebiger Weise der Kr&ftstoffatrom, Ansaugluftstrom, Brenngasstrom und Ansauggemischstrom für die Verbrennung in der PE-Motorkomponente, zur zyklischen oder kontinuierlichen Kühlung beliebiger Teile der PS-Motorkomponente herangezogen wird.
7. Verbundtriebwerk, kurz PSV-M.otor, nach Anspruch 1. - 6., dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Komponenten, PE-Motor und SE-Motor, räumlich mehr oder weniger weit voneinander getrennt angeordnet sein können.
8. Verbundtriebwerk, kurz loV-Motor, nach Anspruch 1. - 6., dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Komponenten, PE-Motor und SE-Motor, bereits konstruktiv in einem gemeinsamen ein- oder mehrteiligen Motorgehäuse integriert sind.
9. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. - 7., dadurch gekennzeichnet, daß einer PE-Motorkomponente mehrere PS-Motorkomponenten im Verbund zugeordnet sein können.
10. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. - 7., dadurch gekennzeichnet, daß mehreren PE-Motorkomponenten nur eine PS-Motorkomponente im Verbund zugeordnet ist.
11. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. -dadurch gekennzeichnet1 daß jeweils beliebig viele und auch in jeweils unterschiedlicher Anzahl vorhandene PE-und SE-Motorkomponente im Verbund zusammenwirken können
12. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1, -11,, dadurch gekennzeicnnet, daß die Komponenten PE-Motor und SE-Motor ihre jeweilige Abtrieboleistung getrennt und auf beliebige Weise abgeben.
13. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. -11., dadurch gekennzeichnet, daß bei jeweils mehreren Komponenten PE- oder SE-Motoren die jeweils gleichartigen Komponenten zu einem jeweils beliebigen Sammelabtrieb zusammengefaßt sind.
14. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. -11., dadurch gekennzeichnet, daß die Binzel- oder Sammelab triebe der PE- und SE-Motorkomponenten zu einem beliebigen Jemeinschaftsabtrieb auf beliebige Weise zusammengefaßt sind.
15. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. -14., dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten WE- und SE-Motor in beliebiger Weise durch Regelungs- und Steuerungseinrichtungen sowie anderen Maßnahmen so miteinander abgestimmt sind, da3 mit einem Regulierhebel die Betriebszustände der Komponenten und der beliebige Gesamtabtrieb reguliert werden kann.
16. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. -15.

dadurch gekennzeichnet, daß die PE-Motorkomponente in teliebiger Weise von der PS-Motorkomponente, auch während des Betriebs, funktionell getrennt und wieder mit ihr verbunden werden kann und dadurch vorübergehend Teilbetrieb mit der PE-Motorkomponente allein möglich ist, während die SE-Motorkomponente auch abgeschaltet sein kann.
17. Verbundtriebwerk, kurz I£V-Notor, nach Anspruch 1. -13., dadurch gekennzeichnet, daß auf beliebige Weise die Komponentenabtriebe unterschiedliche, beliebige Antriebsaufgaben übernehmen.
18. Verbundtriebwerk, kurz PSV-Motor, nach Anspruch 1. -13.

und 17., dadurch gekennzeichnet, daß die PE-Motorkomponente und die SE-Motorkomponente jeweils für sich getrennt und weitgehend unabhängig voneinander bezüglich ihrer Betriebszustände und Abtriebe reguliert werden können.