DE19610382C2 - Kombimotor - Google Patents

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 NO_x. 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.

Bezugszeichenliste

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;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• 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.