DE19610382C2 - Kombimotor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kombimotor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines
konventionellen Verbrennungsmotors (Viertakt-, Zweitakt-, Ben
zin-, Gas- oder Dieselmotor) zu erhöhen bzw. den Kraftstoffver
brauch zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patent
anspruchs 1
gelöst.
Erfindungsgemäß wird somit die Wärme, die zufolge der Motorge
häusekühlung abgeführt werden muß, sowie die Wärme, die durch
Abkühlung der Abgase auf Temperaturen von 30 bis 50°C über Umge
bungstemperatur gewonnen werden kann, zum Vorwärmen, Verdampfen
und Überhitzen von Wasser verwendet. Jedoch soll die Erfindung
unbeschadet der Tatsache, daß im Schutzbegehren immer nur auf
Wasser Bezug gewonnen wird, auch für andere Medien wie z. B.
Ammoniak oder ein Kühlmittel gelten.
Die Regelung erfolgt über Brennstoffzufuhrventile und über
Dampfeinlaß- und Dampfauslaßventile des bzw. der Dampfzylinder
des Dampfmotorteils, durch ein Dampfspeicherventil, einen
Dampfspeicher, ein Dampfablaßventil, ein Dampfzufuhrventil, einen
Speisewasserbehälter und eine Kondensat- und Speisewasserpumpe.
Durch die Druckschrift DE 25 58 919 C2 ist ein Antriebsaggregat zum Antrieb von
Fahrzeugen bekannt geworden, in dem ein Brennkraftmaschinen- und Dampfma
schinen System kombiniert wird und durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
- 1. Die Brennkraftmaschine arbeitet mit einem Brennstoff-Luftverhältnis zwischen
etwa 0,075 und 0,12 kg Brennstoff/kg Luft,
- - ein Dampferzeuger wird durch Wärmeaustausch mit den vollständig verbrannten Abgasen betrieben,
- - eine Dampfmaschine als zusätzliche Antriebsmaschine wandelt den erzeugten Dampf in mechanische Energie um,
- - eine Vorrichtung koppelt mechanisch die Brennkraftmaschine und die Dampfma schine,
- - die Brennkraftmaschine des Antriebsaggregates hat ein nur etwa halb so großes Hubvolumen wie ein reines Brennkraftmaschinenaggregat etwa gleicher Leistung wie das gesamte Antriebsaggregat,
- - die Brennkraftmaschine und die Dampfmaschine geben bei Dauerbetriebszu stand etwa gleiche Leistungen ab,
- - die Brennkraftmaschine arbeitet bei normaler Reisegeschwindigkeit des ange triebenen Fahrzeugs mit relativ hohem mittlerem Zylinderinnendruck nahe maxi maler Kraftstoffausnutzung.
Dabei wird aber die Leistung der Brennkraftmaschine auf 50% des gesamten An
triebsaggregates beschränkt, was zufolge der höheren Wirkungsgrade moderner
Brennkraftmaschinen unrealistisch ist. Ferner fehlen geeignete Einrichtungen wie z. B. Verbindungsleitungen zwischen Dampfspeicher und Kondensator zur Leistungs
regelung.
Durch den erfindungsgemäßen Kombimotor werden die dem Verbren
nungsmotor anhaftenden Nachteile verringert, nämlich der niedri
ge Wirkungsgrad sowie die hohen Schadstoffemissionen an unver
brannten Kohlenwasserstoffen (insbesondere beim Zweitaktmotor)
und NOx. Der niedrige Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors führt
zu sehr hohen Abgastemperaturen, die in den heute üblichen Kata
lysatoren nochmals ansteigen, insbesondere wenn der Gehalt an
unverbrannten Kohlenwasserstoffen hoch liegt. Zugleich wird
erfindungsgemäß aber auch der dem Dampfmotor anhaftende Nachteil
verringert, nämlich sein niedriger Wirkungsgrad, der unter ande
rem bedingt ist durch die infolge der verfügbaren Werkstoffe
begrenzten Dampftemperaturen und -drücke.
Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Kombimotors liegt wesent
lich höher, als der von konventionellen Verbrennungs- oder
Dampfmotoren. Die Schadstoffemissionskonzentrationen sind zu
mindest ebenso niedrig wie bei konventionellen Verbrennungsmoto
ren, während aufgrund des hohen Wirkungsgrades die Schadstoff
emissionen bezogen auf die abgegebene Leistung nennenswert nied
riger liegen.
Erfindungsgemäß kann es zweckmäßig sein, wenn die gemeinsame
Kurbelwelle zwischen den beiden Motorteilen getrennt und hier
durch ein Getriebe miteinander verbunden ist. Dabei kann es sich
um ein festes oder variables Getriebe handeln.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn in die zum Abgaswärmetau
scher führende Abgasleitung ein Katalysator geschaltet ist. Der
Katalysator sorgt dann für eine Verbrennung des noch unverbrann
ten Brennstoffes.
Zur Leistungserhöhung und Leistungsregelung des Dampfmotorteils
ist es zweckmäßig, wenn vor dem Katalysator in die Abgasleitung
eine Brennstoffzufuhrleitung mündet. Dieser zusätzliche Brenn
stoff kann eingespritzt oder eingedüst werden.
In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform
der Erfindung als Blockdiagramm dargestellt.
Über zumindest ein Ventil (7) und ein Ventil (8) treten je nach
Takt der Brennstoff (Benzin, Diesel, Gas) und die Luft (getrennt
bzw. gemeinsam (in diesem Fall genügt ein Ventil (7) oder Ventil
(8)) in zumindest einen Zylinder (1) eines konventionellen Ver
brennungsmotorteils ein, es erfolgt gegebenenfalls eine Zündung
durch eine Zündkerze (30), und das Abgas wird über zumindest ein
Ventil (9) über eine Abgasleitung (25) in Richtung eines Abgas
wärmetauschers (12) ausgestoßen. Erst nach dem Abgaswärmetauscher
(12) erfolgt wie üblich die Abgabe des Abgases über einen Schall
dämpfer (21) an die Umgebung. Gegebenenfalls kann auf einen
Schalldämpfer (21) verzichtet werden, wenn der Abgaswärmetauscher
(12) entsprechend ausgelegt ist.
Aus einem vorzugsweise luftgekühlten Kondensator (14) wird das
Kondensat mittels einer Kondensatpumpe (15) in einen Speisewas
serbehälter (16) gefördert, der gleichzeitig als Wasserspeicher
des geschlossenen Wasser-Dampfkreislaufes dient. Druckänderungen
im Speisewasserbehälter (16) zufolge Ein- oder Ausspeicherung von
Wasser können über ein Ventil (17) (Dampfablaß zum Kondensator
(14)) bzw. ein Ventil (23) (Dampfzufuhr aus einem Dampfspeicher
(13)) ausgeglichen werden. Aus dem Speisewasserbehälter (16) wird
das Kondensat als Speisewasser mittels einer Speisewasserpumpe
(18) angesaugt, auf unter- oder überkritischen Druck gebracht und
durch den Motorblockmantel (6) zwecks Kühlung gedrückt. Dabei
wird das Speisewasser erwärmt und eventuell teilweise verdampft.
Anschließend fließt es zum Abgaswärmetauscher (12), wo es voll
ständig verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Vom Abgaswär
metauscher (12) strömt der Wasserdampf je nach Takt ganz oder
größtenteils zu mindest einem Dampfzylinder (3) dessen Zustrom
über zumindest ein Ventil (10) geregelt wird oder über ein Dampf
speicherventil (24) zu einem Dampfspeicher (13). Aus dem bzw.
den Dampfzylinder(n) (3) wird der Dampf über zumindest ein Ventil
(11) zum Kondensator (14) abgesaugt. Neben der Zwischenspeiche
rung des Dampfes während des Absaugens des Dampfes zum Kondensa
tor kann auch über mehrere Takte überschüssiger Dampf aus dem
Abgaswärmetauscher (12) über das Dampfspeicherventil (24) im
Dampfspeicher (13) zwischengespeichert werden bzw. bei vermehrtem
Verbrauch aus diesem entnommen und über das Dampfspeicherventil
(24) und das bzw. die Ventile (10) dem bzw. den Dampfzylinder(n)
(3) zugeführt werden.
Dampfspeicher (13) und Dampfspeicherventil (24), Speisewasserbe
hälter (16), Dampfablaßventil (17) und Dampfzufuhrventil (23)
dienen dazu, den Druck im Wasser-Dampfsystem und die Leistung des
Dampfmotorteils flexibel regeln zu können. Eine Regelung (22)
verarbeitet dabei neben der Leistungsanforderung P verschiedene
Meßsignale wie Drehzahl n, Winkel ϕ, Temperaturen, Drücke und
Massenströme, die im Bild nicht alle eingetragen sind. Neben den
Ventilen (7), (8), (9), (17), (23), (24) und (29) sind auch die
Kondensatpumpe (15), Speisewasserpumpe (18), Dampfeinlaßventil(e)
(10), Dampfauslaßventil(e) (11) Stellorgane gier Regelung.
Der bzw. die Kolben (2) des konventionellen Verbrennungsmotor
teils wirken genauso wie der oder die Kolben (4) des Dampfmotor
teils über Pleuelstangen auf eine gemeinsame Kurbelwelle (5).
Zwischen der Kurbelwelle des konventionellen Verbrennungsmotor
teils und des Dampfmotorteils kann auch ein Getriebe (28)
angeordnet sein. Vorzugsweise kann ein Getriebe mit konstantem
Übersetzungsverhältnis verwendet werden. Ein variables Getriebe
bietet eine zusätzliche Möglichkeit für einen Reglereingriff zur
Leistungsanpassung.
Um den Leistungsanteil des Dampfmotors zu erhöhen, kann zeitweise
oder ständig geregelt Brennstoff in einer Eindüsestelle (19) vor
einem Katalysator (20) in der Abgasleitung (25) vor dem Wärmetau
scher (12) eingedüst werden. Im Katalysator wird dieser Brenn
stoff zusammen mit unverbranntem Brennstoff aus dem konventionel
len Verbrennungsmotorteil verbrannt.
1
Zylinder des konventionellen Verbrennungsmotorteils
2
Kolben dto.
3
Zylinder des Dampfmotorteils
4
Kolben dto.
5
Kurbelwelle
6
Motorkühlmantel
7
Brennstoffeinlaßventil bzw. Einlaßventile für Luft-Brenn
stoff-Gemisch
8
Lufteinlaßventil bzw. Einlaßventile für Luft-Brenn
stoff-Gemisch
9
Abgasauslaßventil
10
Dampfeinlaßventil
11
Dampfauslaßventil
12
Abgaswärmetauscher
13
Dampfspeicher
14
luftgekühlter Kondensator
15
Kondensatpumpe
16
Speisewasserbehälter
17
Dampfablaßventil
18
Speisewasserpumpe
19
zusätzliche Brennstoffeindüsung
20
Oxidationskatalysator
21
Schalldämpfer
22
Regelung
23
Dampfzufuhrventil
24
Dampfspeicherventil
25
Abgasleitung
26
Kondensatleitung
27
Kühlwasserleitung
28
Getriebe
29
Ventil für zusätzliche Brennstoffzufuhr
30
Zündkerze
Claims (5)
1. Kombimotor, bei dem
- 1. ein Verbrennungsmotorteil (1, 2, 7, 8, 9) mit einem
Dampfmotorteil (3, 4, 10, 11) kombiniert ist;
- - beide Motorteile auf eine gemeinsame Kurbelwelle (5) arbeiten;
- - ein Abgaswärmetauscher (12) einerseits an die Abgas leitung (25) der Abgas-Auslaßventile (9) des Verbren nungsmotorteils angeschlossen ist;
- - das im Abgaswärmetauscher (12) verdampfte und über hitzte Speisewasser über zumindest ein Dampfeinlaßven til (10) zu zumindest einem Dampfzylinder (3) geleitet wird;
- - an ein Dampfauslaßventil (11) des zumindest einen Dampfzylinders (3) ein vorzugsweise luftgekühlter Kon densator (14) angeschlossen ist;
- - an den Kondensator (14) eine Kondensatleitung (26) angeschlossen ist, die das Kondensat in einen Speise wasserbehälter (16) fördert, der zugleich einen Was serspeicher eines geschlossenen Wasser-Dampf-Kreislau fes bildet;
- - an den Speisewasserbehälter (16) eine Kühlwasserlei tung (27) angeschlossen ist, über die das Kondensat als Speisewasser durch eine Speisewasserpumpe (18) in unter- oder überkritischem Druck in den Motorblockman tel (6) gedrückt wird;
- a) der Abgaswärmetauscher (12) ist andererseits an eine vom Motorblockmantel (6) kommende Speisewasserleitung (27) angeschlossen;
- b) eine Kondensatpumpe (15) fördert das Kondensat des Kondensators (14) in den Speisewasserbehälter (16);
- c) bei geschlossenem Dampfeinlaßventil (10) bzw. ge schlossenen Dampfeinlaßventilen (10) oder zu geringem Dampfverbrauch und zum Anfahren wird der überschüssige Dampf über ein Ventil (24) einem Dampfspeicher (13) zugeführt, der über eine Leitung mit einem Ventil (23) mit dem Speisewasserbehälter (16) verbunden ist, der seinerseits wiederum über eine Leitung mit einem Ven til (17) mit dem Kondensator (14) verbunden ist, so daß der Druck im Wasser-Dampfsystem und die Leistung des Dampfmotorteils auch über Ein- und Ausspeicherung von Wasser und Dampf und Kondensation von Dampf regel bar sind.
2. Kombimotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die gemeinsame Kurbelwelle (5) zwischen den beiden Motor
teilen getrennt und hier durch ein Getriebe (28) miteinander
verbunden ist.
3. Kombimotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß in die zum Abgaswärmetauscher (12) führende
Abgasleitung (25) ein Katalysator (20) geschaltet ist.
4. Kombimotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor
dem Katalysator (20), in die Abgasleitung (25) eine Brenn
stoffzufuhrleitung (19) mit Ventil (29) mündet.
5. Kombimotor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß statt Wasser ein anderes Medium wie z. B. Ammoniak,
Toluol oder ein Kühlmittel verwendet wird.
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