DE19546301A1 - Kraftmaschinen-Aggregat - Google Patents
Kraftmaschinen-AggregatInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftmaschinen-Aggregat, das insbe
sondere als Antriebsaggregat, d. h. Motor zu nutzen ist, jedoch
eine Anwendung als Wärmekraftmaschine nicht ausschließt.
Die Erfindung geht davon aus, daß bei den üblichen Maschinen
bzw. Motoren mit innerer Verbrennung (Verdrängungs- oder Ver
dichtermaschinen in Form von z. B. Hubkolben-, Wankelmaschinen,
Otto- und Dieselmotoren) ein beträchtlicher Teil von im allge
meinen über 70% der dem Motor bzw. der Maschine im Kraftstoff
zugeführten Energie als ungenutzte Wärmeenergie verlorengeht,
und zwar hauptsächlich als Abgaswärme auftritt sowie von den
Auspuffgasen an die Kühlflüssigkeit abgegeben wird. Der eben
falls auftretende Wärmestrahlungsverlust ist deutlich geringer.
In Abgasturboladern wird eine Turbine mit Lader von den Abgasen
beaufschlagt und durch eine Vorverdichtung die Zylinderfüllung
verbessert. Mit anderen Worten wird die kinetische bzw. Druck
energie der Abgase genutzt, um die Leistungsdichte zu steigern.
Der Wirkungsgrad wird jedoch hierbei nicht erhöht.
Auch eine teilweise Nutzung der Wärmeenergie der Kühlflüssig
keit zur Fremdheizung ändert den Wärmehaushalt der Maschine
selbst nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Kraftmaschinen-Aggregat zu schaffen, in dem der Wärmehaushalt und damit auch
der Wirkungsgrad deutlich verbessert sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Im erfindungsgemäßen Kraftmaschinen-Aggregat sind eine Verbren
nungsmaschine mit innerer Verbrennung und eine mit äußerer Ver
brennung, d. h. eine Stirlingmaschine, miteinander gekoppelt.
Hierdurch gelingt es, die ungenutzte Abwärme und dabei insbe
sondere die Abgaswärme aus der inneren Verbrennung zu einem we
sentlichen Teil in nützbare kinetische Energie, z. B. Bewegungs
arbeit, des gesamten Aggregats umzusetzen und so den Wirkungs
grad deutlich zu steigern.
Für die Kopplung wird ein Wärmeaustauscher verwendet, der vor
zugsweise direkt im heißen Raum der Stirlingmaschine angeordnet
ist und so als Erhitzer oder Wärmequelle für das Arbeitsgas der
Stirlingmaschine wirkt. Der Wärmeaustauscher besteht dabei vor
zugsweise aus mehreren Mikrowärmeaustauschern z. B. in Form von
Mikroaustauschern, wie sie gemäß der DE 37 09 278 A1
hergestellt sind.
Zusätzlich zu der Abgaswärme kann auch deren an die Kühlflüs
sigkeit abgegebene Wärme auf diese Weise nutzbar gemacht wer
den, indem weitere Wärmeaustauscher mit dem Kühlflüssigkeitssy
stem, z. B. einer abgezweigten Bypass-Leitung der Kraftmaschine
innerer Verbrennung gekoppelt werden. Prinzipiell ist es sogar
möglich, auch die Strahlungswärme des Motors innerer Verbren
nung für den Stirlingmotor nach dem erfindungsgemäßen Prinzip
nutzbar zu machen, indem hierzu eine Kapselung des Motors inne
rer Verbrennung vorgesehen wird und die Kopplung über Abluft
wärmeaustauscher vorgenommen wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden erfindungsgemäß
statt Zylinderkolbenkonstruktionen für die Stirlingkraftma
schine und vorteilhafterweise auch für die Maschine mit innerer
Verbrennung leichtere Verdrängungsmaschinen ohne Pleuelstange,
Kurbelwelle und Ausgleichsgewichte eingesetzt, wie sie in der
EP 0334302 beschrieben sind. Diese Art vom Maschinen wird im
folgenden als Quadrorhombmaschine bezeichnet.
Ferner wird vorzugsweise als Stirlingmaschine eine Maschine mit
Verdrängungsmaschinen dieser Art verwendet, bei denen hin- und
herfließende Gasströme getrennte Röhren aufweisen, die mit
einem Gegenstromwärmeaustauscher verbunden sind nach der DE 44
18 895 A1. In diesem Fall ist der erfindungsgemäße Wärmeaustau
scher mit dem heißen in eine der Verdrängungsmaschinen münden
den Rohr als Gegenstromwärmeaustauscher gekoppelt. Diese Art
Stirlingmaschine hat den Vorteil, daß nicht ein und dasselbe
Gas erhitzt und abgekühlt werden muß und so die erfindungsge
mäße Verbindung über den Wärmeaustauscher zur Maschine mit
innerer Verbrennung besonders einfach ausgelegt werden kann.
Ferner ist diese Stirlingmaschine in der Bauweise sehr viel
weniger aufwendig und schwer.
Erfindungsgemäß wird ferner vorzugsweise eine Differential-
oder Ausgleichsgetriebe zwischen die Maschinen mit innerer und
äußerer Verbrennung zwischengeschaltet. Auf diese Weise können
deren unterschiedliche Drehzahlen und die damit zusammenhängen
den Leitungen effektiver nutzbar gemacht werden. Das Aus
gleichsgetriebe wird dabei nicht in üblicher Weise genutzt,
sondern in einer Weise, bei der das sonstige Antriebselement
(z. B. Antriebskegelrad), das mit dem kraftübertragenden Motor
gekoppelt ist, nun ein Abtriebselement z. B. zu einem Generator
ist und die beiden Kraftmaschinen auf die Achswellenelemente
(z. B. Achswellenräder) wirken, die in Eingriff mit den Aus
gleichselementen (z. B. Ausgleichskegelrädern) sind. Die Berech
nungsgrundlagen für das Ausgleichsgetriebe bleiben jedoch
gleich. Das erfindungsgemäße Ausgleichsgetriebe vereinfacht die
Lastregelung insbesondere im Hinblick auf die bekanntermaßen
mit hohem Lastregelaufwand behaftete Stirlingmaschine.
Zusätzlich zum Ausgleichsgetriebe kann auch zur besseren Last
regelung und Kupplung eine Schwungscheibe als Energiespeicher
vorgesehen werden, die mit der Abtriebsseite der Stirlingma
schine gekoppelt ist. Benötigt der Verbraucher z. B. nur eine
Teillast oder keine (beispielsweise beim Motorlauf im Still
stand eines Autos), so kann die Stirlingsmaschine vom Aus
gleichsgetriebe abgekoppelt werden, wobei der entsprechende
Wellenstumpf am Ausgleichsgetriebe abgebremst wird und dem
Abtriebselement (Verbraucher) nur noch Energie bzw. Bewegungs
arbeit von der anderen Maschine zugeführt wird. Hingegen wird
die Abwärmeenergie dieser Verbrennungsmaschine weiterhin zur
Stirlingmaschine übertragen und über diesen auf die
Schwungscheibe übertragen und dort kurzzeitig gespeichert (z. B.
für eine Beschleunigung).
Das erfindungsgemäße Kraftmaschinen-Aggregat eignet sich sowohl
für den stationären als auch mobilen Einsatz z. B. für den
Schiffbau, Flugzeuge und Eisenbahnen und prinzipiell auch für
den Einsatz im Automobilbau.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels erläutert, das in der Figur schematisch dargestellt ist.
Eine Quadrorhombmaschine 1 nach der EP 0334302 mit innerer Ver
brennung und der in dieser EP-Patentschrift dargelegten Ver
drängungsmechanismus weist eine Zufuhrleitung 1a auf, der ein
Kraftstoff-Luftgemisch und im Fall von selbstzündenden Motoren
Luft zugeführt wird. Diese erste Maschine 1 kann auch wahlweise
mit einem Turbolader oder ähnlichem ausgestattet sein.
Die Abgasleitung 1b dieser Maschine 1 ist zu einem ersten
Mikrowärmeaustauscher 2 geführt, in dem nach dem Gegenstrom
prinzip ein Arbeitsgas eines Stirlingverbunds 3 auf dessen hei
ßer Seite erwärmt wird. Dieser Wärmeaustauscher wird zweckmäßi
gerweise direkt in die Abgasleitung 1b der Quadrorhombmaschine
1 mit innerer Verbrennung und möglichst nah an letzterer, um
Wärmeverluste zu vermeiden, installiert, so daß prinzipiell der
skizzierte Wärmeaustausch mit dem in die Maschine 3b mündenden
Rohr erzielt wird.
Die linke Quadrorhombmaschine 3a dieses Verbundes ist ansonsten
genau so mit der rechten Maschine 3b zu einer Stirlingsmaschine
kombiniert, wie in der DE 44 18 895 A1 beschrieben, gemäß der
ein Wärmeaustauscher zwischen den Maschinen 3a und 3b die Funk
tion erfüllt, die beim herkömmlichen Hubkolbenstirlingmotor der
Regenerator übernimmt, und im Gegensatz zum Hubkolbenstirling
motor mit zwei getrennten Gasströmen gearbeitet wird. Erfin
dungsgemäß werden auch hier vorzugsweise die obigen Mikrowärme
austauscher 2 als Wärmeaustauscher eingesetzt.
Die Wellenstümpfe der Quadrorhombmaschinen 3b und 1 sind über
ein Ausgleichsgetriebe 4 verbunden, wie bereits weiter oben
dargelegt wurde. An die Abtriebseite (z. B. Kegelrad) des auf
diese Weise verwendeten Getriebes kann z. B. ein Generator ange
schlossen sein.
Im stationären Betrieb des dargestellten Kraftmaschinen-Aggre
gats bietet sich zusätzlich zu den bereits weiter oben darge
legten Nutzungen die Möglichkeit, die abtreibende Seite abzu
bremsen, so daß durch diese Maßnahme die Stirlingmaschine 3
rückwärts läuft. Wenn dann die Wärmezufuhr von der Verbren
nungsmaschine 1 abgetrennt wird, arbeitet die Stirlingmaschine,
da sie rückwärts läuft, als Kühlaggregat und kann Kaltluft zur
Raumklimatisierung liefern. Die Abgaswärme würde in diesem Fall
über eine zweite Stirlingkraftmaschine in Elektroenergie umge
wandelt.
Claims (7)
1. Kraftmaschinen-Aggregat, bestehend aus einer Verbrennungsma
schine (1), in der ein Teil der der Maschine zugeführten Ener
gie in ungenutzte Abwärme, insbesondere Energie der Abgase
einer inneren Verbrennung umgesetzt wird, in Kombination mit
einer Stirling-Maschine (3) und einem oder mehreren Wärmeaus
tauschern (2), die mit einer Abwärmeleitung (1b), insbesondere
Abgasleitung, der ersten Verbrennungsmaschine gekoppelt sind
und in denen die Abwärme das Arbeitsgas des Stirlingmotors er
hitzt.
2. Kraftmaschinen-Aggregat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abwärmeleitung zusätzlich zur Abgasleitung (1b) eine
vom Kühlflüssigkeitssystem abgezweigte Leitung umfaßt.
3. Kraftmaschinen-Aggregat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die Wärmeaustauscher (2) Mikrowärmeaustauscher
sind.
4. Kraftmaschinen-Aggregat nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirlingsmaschine (3) und wahlweise auch die Maschine
(1) mit innerer Verbrennung Verdrängungsmaschinen gemäß der EP
0334302 sind.
5. Kraftmaschinen-Aggregat nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirlingsmaschine (3) eine nach dem in der DE 44 18 895
A1 beschriebenen Prinzip aufgebaute Maschine ist.
6. Kraftmaschinen-Aggregat nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die Stirlingsmaschine (3) und die Maschine (1) mit
innerer Verbrennung ein Ausgleichsgetriebe (4) geschaltet ist.
7. Kraftmaschinen-Aggregat nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zum Ausgleichsgetriebe (4) eine Schwungscheibe
als Energiespeicher vorgesehen ist, die zwischen die Abtriebs
seite der Stirlingmaschine (3) und das Ausgleichsgetriebe
geschaltet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19546301A DE19546301A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Kraftmaschinen-Aggregat |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19546301A DE19546301A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Kraftmaschinen-Aggregat |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19546301A1 true DE19546301A1 (de) | 1997-06-19 |
Family
ID=7779866
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19546301A Withdrawn DE19546301A1 (de) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | Kraftmaschinen-Aggregat |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19546301A1 (de) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19930659A1 (de) * | 1999-07-02 | 2001-01-18 | Manfred Luebbe | Kreiskolben-Verbundmotor |
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-
1995
- 1995-12-12 DE DE19546301A patent/DE19546301A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |