DE69512662T2

DE69512662T2 - Maschinensatz bestehend aus brennkraftmaschine und dampfmotor

Info

Publication number: DE69512662T2
Application number: DE69512662T
Authority: DE
Inventors: Ove Platell
Original assignee: Ranotor Utvecklings AB
Current assignee: Ranotor Utvecklings AB
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1995-06-19
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2015-06-20
Also published as: WO1995035433A1; JP2904931B2; SE9402180D0; SE515966C2; EP0766779A1; ATE185401T1; US5896746A; DE69512662D1; JPH09512879A; AU2812495A; EP0766779B1; SE9402180L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Maschinensatz, mit einem Motor für innere Verbrennung und einer Dampfmaschine vom Verdrängertyp, die beide mit einer Antriebseinheit verbunden sind, beispielsweise einer gemeinsamen Antriebswelle, und einem Wärmetauscher, durch den die Wärmeverluste des Motors für innere Verbrennung aus den Abgasen und/oder dem Kühlwasser benutzt werden, um Dampf für die Dampfmaschine zu erzeugen, wobei zusätzlich hierzu Überschußdampf vom Wärmetauscher, der nicht für den Antrieb der Dampfmaschine benötigt wird, zu einem Dampfpuffer zugeführt wird, der so ausgelegt ist, daß er während kurzer Zeiträume die Dampfmaschine mit Dampf hoher Leistungsdichte versorgt.
Seit langem ist es bekannt, die Verbrennungsgase des Motors für innere Verbrennung auszunutzen, um den Wirkungsgrad zu verbessern, und Motor für innere Verbrennung bezieht sich hier auf Otto- und Dieselmotoren. Beispielsweise offenbart die DE-C-68 69 11 einen Maschinensatz mit einem Motor für innere Verbrennung und einer Dampfmaschine, bei welchem Maschinensatz die Abgase des Motors für innere Verbrennung einen Dampferzeuger beheizen, von dem der Dampf über einen Überhitzer zu einer Verdränger-Dampfmaschine des Verbundtyps zugeführt wird. Die zwei Antriebe werden mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad unabhängig voneinander aufgrund des Umstandes betrieben, daß die Dampfmaschine die Abwärme des Motors für innere Verbrennung nutzt und lediglich eine zusätzliche Erwärmung für den Zweck der Überhitzung benötigt. Der Maschinensatz reagiert jedoch bei erhöhtem Leistungsbedarf langsam und mit begrenzter Leistungsdichte. Die heute am meisten verbreitete Vorrichtung ist eine vom Abgas angetriebene Turbine, die einen Turbokompressor antreibt, um Verbrennungsluft aufzuladen, was eine Verbesserung bei hohen Wellendrehzahlen des Motors erbringt. Bei großen Schiffen ist es auch üblich, Dampfturbinen zu benutzen, um die Wärme aus den Abgasen von Dieselmotoren auszunutzen. Es wurde auch schon diskutiert, Abgaswärme von einem Motor für innere Verbrennung in einem Rankine-Kreisprozeß zu dem Zweck zu benutzen, den Motorwirkungsgrad zu erhöhen. Außerdem wird bei der üblichen Dampftechnologie die Dampfmaschine mit ihrem Hilfssystem zu sperrig und schwer. Daher wurde dies als realistische Alternative bei Fahrzeugen nicht in Betracht gezogen, wo Gewicht und Raumbedarf von großer Bedeutung sind.
Vom thermodynamischen Standpunkt aus wäre eine Kolbendampfmaschine eine mögliche Lösung, um die Wärmeverluste bei einem Motor für innere Verbrennung auszunutzen. Jedoch müssen in diesem Falle das Gewicht und der Raumbedarf wesentlich stärker verringert werden, verglichen mit der jetzigen Dampftechnologie.
Das Ziel der Erfindung ist es, einen Maschinensatz des eingangs erwähnten Typs mit wesentlich kleineren Abmessungen und Gewicht zu schaffen, der die Flexibilität optimiert, die in einem vernünftigen Dampfmaschinensystem eingebaut ist.
Gemäß der Erfindung wurde dies durch den Umstand erreicht, daß die Dampfmaschine vom Verdrängertyp eine eingebaute Bremsfähigkeit besitzt, daß der Motor für innere Verbrennung so ausgelegt ist, daß er mit Vollast oder annähernd Vollast bei normalen Antriebszyklen arbeitet, und daß die Dampfmaschine so ausgelegt ist, daß sie gleichzeitig mit niedriger Last arbeitet.
Die Erfindung basiert auf der Verwendung eines Dampfpuffers solchen Typs, wie er im einzelnen in einer zusammen mit dieser Anmeldung eingereichten Anmeldung beschrieben ist, mit dem Titel "Steam buffer for a steam engine plant", worauf im Hinblick auf Einzelheiten über den Dampfpuffer Bezug genommen wird. Dieser Dampfpuffer ist mit einem Hochtemperaturanschluß für Dampf, vorzugsweise mit der Temperatur 500ºC und dem Druck 250 bar, sowie einem Niedertemperaturanschluß für Speisewasser und mit dazwischen befindlichem, festem Wärmetauschermaterial mit einer großen Anzahl druckfester Strömungskanäle ausgerüstet, mit einem hydraulischen Durchmesser von weniger als 0,5 mm für den Dampf und das Speisewasser zwischen den zwei Anschlüssen. Es wurde gezeigt, daß eine Energiedichte von nicht weniger als 500 kJ/kg und eine Leistungsdichte von 100 kW/kg bei dieser Bauweise möglich sind, vergleichbar mit einer Blei-Säurebatterie mit der Energiedichte von 100 kJ/kg und einer Leistungsdichte von lediglich 100 W/kg.
Fast sämtliche Fahrzeugmotoren werden bei sehr niedriger Ausgangsleistung benutzt, verglichen mit der maximalen Ausgangsleistung, die in manchen Situationen zur Verfügung stehen muß, und in solchem Falle meistens während kurzer Zeiträume. Der Treibstoffverbrauch eines Fahrzeuges bestimmt sich daher durch den Wirkungsgrad bei geringer Last. Die Erfindung basiert auch auf der Erkenntnis, daß ein Motor für innere Verbrennung seinen höchsten Wirkungsgrad bei hoher Last besitzt, während eine Dampfmaschine des Verdrängertyps ihren höchsten Wirkungsgrad bei schwacher Last besitzt. Ein Dieselmotor mit einem Wirkungsgrad von 45% bei diesen Bedingungen bekommt einen zusätzlichen Wirkungsgrad von 10-15 Prozenteinheiten von der Dampfmaschine, und der Gesamtwirkungsgrad kann somit auf ungefähr 55-60% erhöht werden. Der Dieselmotor soll so klein ausgelegt sein, daß er bei normalen Antriebszyklen mit Vollast arbeitet. Die Dampfmaschine wird so ausgelegt, daß sie mit sehr schwacher Last arbeitet, wenn sie die Energie aus den Dieselabgasen ausnutzt und das Gesamtantriebssystem in normalen Antriebszyklen arbeitet. Kurze Anforderungen an hohe Ausgangsleistungen können überschießend durch den Dampfpuffer befriedigt werden, der die Leistungsabgabe der Dampfmaschine unverzüglich beispielsweise von 30 kW bei 5% Last bei normalem Antrieb auf 600 kW bei 100% Last erhöhen kann.
Aufgrund des hohen Beitrages der Dampfmaschine zur Leistungsabgabe, jedoch kleinem Beitrag zum Gesamtgewicht und dem Raumbedarf, erreicht man eine sehr hohe Leistungsdichte des gesamten Maschinensatzes.
Einer der Gründe, warum die Dampfmaschine vom Verdrängertyp sein soll, besteht darin, daß eine solche Dampfmaschine so ausgebildet werden kann, daß sie eine wirksame Motorbremsfähigkeit ergibt, was bei manchen Fahrzeugen von großer Wichtigkeit ist. Die Bremsenergie kann auch im Dampfpuffer wiedergewonnen werden.
Die sehr hohe Bremsfähigkeit der Verdrängerdampfmaschine erspart oder ersetzt möglicherweise die üblichen Bremsen in Fällen, wo Überhitzungsprobleme existieren.
Der Maschinensatz gemäß der Erfindung ist speziell für den Antrieb von schweren Fahrzeugen geeignet, wie Lastkraftwagen, lange Güterzüge oder Boote, und speziell für Boote, die für kurze Zeiträume eine hohe Leistungsabgabe benötigen, um schnell die Gleitgeschwindigkeit zu erreichen.
Die Erfindung ist in näheren Einzelheiten nachstehend unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die schematisiert ein Beispiel einer Ausführungsform des Maschinensatzes für eine Schwerfahrzeuganwendung gemäß der Erfindung zeigt.
Die Zeichnung zeigt einen Motor 1 für innere Verbrennung vom Dieseltyp (es kann auch ein Ottotyp sein, der größere Abgaswärmeverluste zur Wiedergewinnung besitzt) mit einem Abgasrohr 2, das mit dem Abgasrohr 3 über einen Wärmetauscher 4 verbunden ist. Die Wärme des Kühlwassers kann ebenfalls benutzt werden, insbesondere wenn das Wasser unter Druck steht. Für eine Schiffsanwendung, wo das Speisewasser aus etwa 20ºC aufzuheizen ist, kann das Kühlwasser benutzt werden, um das Speisewasser auf etwa 80-100ºC vorzuheizen, und danach können die Abgase benutzt werden. Der dargestellte Wärmetauscher weist einen wärmeabsorbierenden Teil 5 auf, der Teil eines Rohres 6 für Dampf bildet, das für einen hohen Druck, etwa 250 bar, und eine Dampftemperatur von 500ºC ausgelegt ist und zu einer Dampfmaschine 7 des Axialkolbentyps führt. Vom Auslaß der Dampfmaschine führt ein Rohr 8 zu einem Kondensator 9, der durch Rohre 11 mit einem Kühler 10 verbunden ist. Vom Kondensator 9 führt ein Rohr 12 zu einer Speisewasserpumpe 13, die das Wasser in einem Rohr 14 auf 250 bar bringt, das zu einer Umwälzpumpe 15 führt, von der ein Rohr 16 das Speisewasser zum wärmeabsorbierenden Teil 5 des Wärmetauschers 4 zuleitet, wo das Speisewasser verdampft und auf 500ºC durch die Wärme der Abgase aus dem Rohr 2 erhitzt wird. Zwischen dem Rohr 6 mit der Dampftemperatur 500ºC und dem Rohr 14 mit der Speisewassertemperatur von etwa 80ºC ist der oben erwähnte Dampfpuffer 20 angeschlossen, und mit dem Rohr 14 ist ferner ein Druckkessel 21 verbunden, der Speisewasser und ein Gaspolster enthält. Die Dampfmaschine 7 ist über ein Übertragungsgestänge mit einer Antriebswelle 23 verbunden, die mit der Kurvenwelle des Motors 1 verbunden ist.
Der Dieselmotor 1 ist so bemessen, daß er bei normalen Antriebszyklen mit Vollast arbeitet und die Antriebswelle 23 antreibt, mit der auch die Dampfmaschine 7 verbunden ist. Die Dampfmaschine ist so dimensioniert, daß sie bei normalen Antriebszyklen mit niedriger Last arbeitet. Beide Antriebe arbeiten dann mit nahezu ihrem optimalen Wirkungsgrad. Der Dampf für die Dampfmaschine 7 wird im Wärmetauscher 4 in einer Menge erzeugt, die etwas größer ist als sie bei normalen Antriebszyklen gebraucht wird. Der überschüssige Dampf wird dem Dampfpuffer 20 zugeführt, und das Speisewasser im Dampfpuffer wird in das Rohr 14 zurückgepreßt und dann weiter zum Druckkessel 21, wo das Gaspolster zusammengedrückt wird. Wenn eine hohe Ausgangsleistung benötigt wird, beispielsweise zum Überholen oder an einer starken Steigung, wird ein Steuerventil 24 in dem zur Dampfmaschine 7 führenden Rohr 6 aus einer Stellung, die schwacher Last entspricht, zu einer Stellung geöffnet, die der Vollast entspricht. Dampf strömt nun vom Dampfpuffer 20 zur Dampfmaschine mit der höchsten oder der erforderlichen Leistungskapazität. Für eine Anwendung als Schwerlastkraftwagen, wo die Durchschnittsleistung bei normalem Fahren ungefähr 80 kW beträgt, würde beispielsweise der Dieselmotor so ausgelegt, daß er 70 kW bei 100% Last abgibt, und die Dampfmaschine so, daß sie 30 kW bei 5 % Last abgibt. Bei normalem Fahren - 80 kW - arbeiten beide Antriebe nahezu mit optimalen Wirkungsgrad, und gleichzeitig findet ein kontinuierliches Laden des Dampfpuffers statt, falls er nicht vollständig geladen ist. Da die Dampfmaschine eine maximale Leistungsabgabe von 600 kW hat, kann der Maschinensatz, wenn der Dampfpuffer geladen ist, 670 kW augenblicklich abgeben. Für wie lange Zeit diese Leistung erhalten werden kann, hängt natürlich von der Größe des Dampfpuffers ab, der, wie erwähnt, eine Energiedichte von 500 kJ/kg haben kann.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf dieses gezeigte und beschriebene Beispiel beschränkt, sondern kann in vielerlei Arten innerhalb des Bereiches der erfindungsgemäßen Idee abgewandelt werden, wie er durch die Ansprüche definiert ist. Die zwei Antriebe können beispielsweise mit verschiedenen Antriebswellen irgendeiner Art einer Antriebseinheit verbunden sein. Ferner kann natürlich ein kleiner Dampferzeuger mit dem Rohr 6 verbunden sein, um Dampf als Ergänzung zum Wärmetauscher 4 zu erzeugen, wenn dies erforderlich ist, beispielsweise um das Dampfsystem warm zu halten, wenn Frostgefahr besteht. Wie bereits erwähnt, hat der Dampfpuffer eine sehr hohe Energiedichte von 500 kJ/kg, und bei einer geeigneten Wärmeisolation besteht die Möglichkeit, Wärmeenergie für lange Zeiträume zu speichern. Somit ergibt sich die Möglichkeit, den Maschinensatz für einen begrenzten Zeitraum zu betreiben, ohne den Motor für innere Verbrennung in Betrieb zu setzen, d. h. ohne eine Abgabe von Abgasen.

Claims

1. Maschinensatz mit einem Motor (1) für innere Verbrennung und einer Dampfmaschine (7) vom Verdrängertyp mit eingebauter Bremsfähigkeit, die mit einer Antriebseinheit (23) verbunden sind, beispielsweise einer gemeinsamen Antriebswelle, und mit einem Wärmetauscher (4), durch den die Wärmeverluste des Motors für innere Verbrennung aus den Abgasen und/oder dem Kühlwasser benutzt werden, um Dampf für die Dampfmaschine zu erzeugen, wobei zusätzlich hierzu aus dem Wärmetauscher (4) überschüssiger Dampf, der nicht für den Betrieb der Dampfmaschine gebraucht wird, zu einem Dampfpuffer (20) zugeführt wird, der dazu ausgelegt ist, um die Dampfmaschine mit Dampf hoher Leistungsdichte während kurzer Zeiträume zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor für innere Verbrennung (1) so ausgelegt ist, daß er mit Voll- oder annähernd Vollast bei normalen Antriebszyklen arbeitet, und daß die Dampfmaschine (7) so ausgelegt ist, daß sie gleichzeitig mit niedriger Last arbeitet.

2. Maschinensatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) für innere Verbrennung ein Dieselmotor ist und daß die Dampfmaschine (7) eine mehrzylindrige Axialkolbenmaschine ist, die für einen Dampfdruck von 250 bar und eine Dampftemperatur von 500ºC ausgelegt ist.

3. Maschinensatz nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere für den Antrieb von schweren Fahrzeugen wie Lastkraftwagen, Güterzügen oder Booten, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (1) für innere Verbrennung so ausgelegt ist, daß er mit Vollast arbeitet, wenn die Dampfmaschine (7) mit 5% Last arbeitet.