DE3429727A1

DE3429727A1 - Brennkraft/dampf-verbundmotor mit nutzung der prozesswaerme

Info

Publication number: DE3429727A1
Application number: DE19843429727
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. 5401 Kobern-Gondorf Bongers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-13
Filing date: 1984-08-13
Publication date: 1986-02-13

Description

Bei dem "Brennkraft/Dampf-Verbundmotor mit Nutzung der Prozeßwärme" handelt es sich um eine Kraftmaschine, die als Antriebsquelle für Arbeitsmaschinen, Fahrzeuge, Schiffe, Stromaggregate etc. geeignet ist.

Dampfmaschinen und Verbrennungsmotore in Viertakt- oder Zweitaktausführung, die nach dem Diesel- oder Ottoverfahren arbeiten, sind bekannt. Verbrennungsmotore und Dampfmaschinen, bei denen die in den Auspuffgasen bzw. im Abdampf enthaltene Wärme zusätzlich genutzt wird, stellen keine Neuheit dar. Der Brennkraft/Dampf-Verbundmotor ist ebenfalls bekannt. Es handelt sich hierbei um einen Verbrennungsmotor, bei dem das Kühlwasser im Motorblock noch durch einen von den heißen Auspuffgasen beaufschlagten Wärmetauscher geführt und dadurch zum Sieden gebracht wird. Der dabei entstehende Dampf wird in einem unter Druck stehenden Kessel gespeichert und zum Antrieb einer zugeschalteten Dampfmaschine genutzt. Außer als Großgasmaschine in Hüttenwerken ist dieser Verbundmotor bis heute nicht über das Labormodell bzw. Prototypenstadium hinaus gekommen.

Der Nachteil der Dampfmaschine, der Brennkraftmaschine und aller sonstigen Wärmekraftmaschinen ist ihr schlechter Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine mit einem besseren Wirkungsgrad zu schaffen.

Beschreibung

Der "Brennkraft/Dampf-Verbundmotor mit Nutzung der Prozeßwärme" besteht aus einem konventionellen Viertakt- oder Zweitakt-Verbrennungsraotor 1 mit Diesel- oder Otto-Verfahren und einer konventionellen Kolbendampfmaschine 12.

Die beim Betrieb des Verbrennungsmotors entstehenden heißen Verbrennungs- oder Auspuffgase werden nach dem Austritt aus dem Verbrennungsmotor 1 durch einen von der Verbrennungsluft durchströmten Wärmetauscher 2 geführt. Die Verbrennungsluft wird dabei aufgeheizt und die Auspuffgase werden abgekühlt. Wegen der Erwärmung der Verbrennungsluft vor Eintritt in den Zylinder 7 steigt die Temperatur im Zylinder (7) beim Verdichtungs-Takt und während der Verbrennung auf ein höheres Niveau, als es bei dem vorgegebenen Verdichtungsverhältnis der Fall gewesen wäre. Der Zylinder 7 gibt einen Teil der Wärme an das Kühlwasser ab. Da das Kühlwasser keiner weiteren Kühlung unterzogen wird, kommt es zum Sieden.

Der durch das Sieden des Kühlwassers entstandene Dampf wird im Dampfkessel 13 unter Druck gespeichert. Mit diesem Dampf wird die Dampfmaschine 12 angetrieben. Die von der Dampfmaschine erzeugte mechanische Energie wird auf die Kurbelwelle 10 des Verbrennungsmotores 1 übertragen.

Im i-s-Diagramm verlaufen die Isothermen fast waagerecht; das bedeutet: je höher die Dampftemperatur, um so größer ist das nutzbare Wärmegefälle in der Dampfmaschine.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verbundmotor durch das Auf- oder Vorheizen der Verbrennungsluft eine höhere Dampftemperatur eintritt, steht auch ein größeres nutzbares Wärmegefälle in der Dampfmaschine 1 zur Verfügung als bei bekannten Konstruktionen. Es ist deshalb auch ein besserer Wirkungsgrad zu erwarten. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die heißen Verbrennungsgase nach dem Austritt aus dem Motor 1 zuerst durch einen Gas/Wasser-Wärmetauscher M, danach durch einen Dampfüberhitzer 5 und dann durch den Gas/Luft-Wärmetauscher geführt werden. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung

kann die Verbrennungsluft auch durch den Abdampf der Dampfmaschine 1 in einem Dampf/Luftwärmetauscher 6 erhitzt werden. Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verbundmotors kann die Entspannung des durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 erzeugten Dampfes in einer mehrstufigen Dampfmaschine 20 erfolgen. Dabei wird der Abdampf aus der ersten Stufe in einen Kessel 19 geleitet, der einen Wärmetauscher 4 enthält und unter einem minimal kleineren Druck steht als der Abdampf. Der in diesem Kessel 19 entwickelte Dampf treibt die zweite Stufe der Dampfmaschine 12. Der Abdampf aus der zweiten Stufe wird ebenfalls, wie bei der ersten Stufe aber mit entsprechend reduzierten Druck in einen Kessel 19 geleitet. Der Druck in diesem Kessel 19 treibt die dritte Stufe. Der Abdampf aus der dritten Stufe wird in den Abdampfinjektor 14 geführt, der als Kesselspeisepumpe für den Dampfkessel der dritte Stufe 19 fungiert. Erfolgt die Dampfentspannung in 4 Stufen, dann wird die Schaltung, Abdampf, Abdampfinjektor 14 letzter Kessel bei der vierten Stufe angewendet, bei einer zweistufigen Dampfexpansion wird diese Schaltung demnach in der zweiten Stufe realisiert. Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verbundmotors kann die Verbrennungsluft dem Motor unter Vorverdichtung mittels Lader 18 zugeführt werden. Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verbundmotors kann statt Wasser eine andere Flüssigkeit als Kühl- bzw. Verdampfungsmittel Anwendung finden. Nach Veröffentlichungen aus jüngster Zeit soll auf diesem Gebiet mit Toluol Fluorid und mit Ammoniak/Wasser-Mischungen experimentiert werden. Die Verwendung von Toluol sollte wegen der Bildung von giftigen Dämpfen nicht zufriedenstellend verlaufen sein, dagegen wurden die Versuche mit den Aramoniak/Wasser-Mischungen recht vielversprechend verlaufen.

Die rait dem erfindungsgemäßen Verbundmotor erzielbaren Vorteile sind :

sehr großer Wirkungsgrad und deshalb sparsamer Kraftstoffverbrauch,

umweltfreundlich, da wegen des besseren Wirkungsgrades weniger Wärme an die Umwelt abgegeben wird und sich weniger Abgase bilden als bei konventionellen Verbrennungsmotoren gleicher Leistungsstufe,

geräuscharmer Lauf, da die Wärmetauscher sowohl das Ansaugais auch das Auspuffgeräusch dämpfen.

Der erfindungsgemäße Verbundmotor wird anhand von drei schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 - ein Viertakt-Dieselmotor 1 mit nachgeschaltetem Gas/Luft-Wärmetauscher 2 und einstufiger Kolbendampfmaschine mit Schiebersteuerung (ein Beispiel nach Anspruch 1).

Fig. 2 - ein Viertakt-Dieselmotor 1 mit zwei nachgeschalteten Wärmetauschern 4 und 5, Abgas-Turbo-Aufladung und einstufiger Kolbendampfmaschine. Die Verbrennungsluft wird durch einen von dem Abdampf der Dampfmaschine 12 beaufschlagten Wärmetauscher 6 vorgewärmt.

Fig. 3 - ein Viertakt-Dieselmotor mit nachgeschaltetem Wärmetauscher/4 und dreistufiger Dampfmaschine 20 mit Abdampfinjektor 14.

Auf die Darstellung von Details, die für das Verständnis der Funktion nicht erforderlich sind, wurde aus Platzmangel verzichtet.

Verzeichnis der Bezugszahlen

1 - Verbrennungsmotor

2 - Gas/Luft-Wärmetauscher

3 - Gas/Speisewasser-Wärmetauscher

4 - Gas/Wasser-Wärmetauscher

5 - Gas/Dampf-Wärmetauscher

6 - Dampf/Luft-Wärmetauscher

7 - Zylinder )

8 - Auslaßventil )

9 - Einlaßventil ) ^vom Verbrennungsmotor

10 - Kurbelwelle )

11 - Wasserbehälter

12 - Dampfmaschine

13 - Dampfkessel

14 - Abdampfinjektor

15 - Speisewasserpumpe

16 - Kupplung

17 - Gasturbine

18 - Lader

19 - Kessel für mehrstufige Dampfmaschine

20 - Mehrstufige Dampfmaschine

AO

Leerseite -

Claims

Dipl.-Ing. 5401 Kobern-Gondorf, 3429727

Hermann Bongers Im Vogelsang 19

Telefon: 02607/6305

Patent- und Gebrauchsrauster-Hilfsanmeldung

Brennkraft/Dampf-Verbundmotor mit Nutzung der Prozeßwärme

Patentansprüche

Brennkraft/Dampf-Verbundmotor mit Nutzung der Prozeßwärme, bestehend aus:

Verbrennungsmotor (1), Gas/Luft-Wärmetauscher (2), Dampfkessel (13), Dampfmaschine (12), dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Zylinder (7) des Verbrennungsmotors (1) entstandenen heißen Verbrennungs- oder Auspuffgase nach dem Ausströmen durch das Auslaßventil (8) des Verbrennungsmotors (1) durch den Wärmetauscher (2) geführt, daß die Verbrennungsluft, bevor sie in den Zylinder (7) strömt, ebenfalls durch den Wärmetauscher (2) geführt und dabei von den Verbrennungsgasen erhitzt wird, daß dadurch die Verbrennung des Kraftstoffes im Zylinder (7) bei erhöhtem Temperaturniveau abläuft, daß das Kühlwasser im Motor (1) keiner Kühlung unterzogen und dadurch zum Sieden gebracht wird, daß der durch das Sieden des Kühlwassers entstandene Dampf in dem Dampfkessel (13) unter Druck gespeichert und in der Dampfmaschine (12) unter Abgabe von mechanischer Energie entspannt wird.
2. Verbundmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Wärmetauscher (2) strömenden Verbrennungsgase durch einen zweiten Wärmetauscher (3) geführt werden und dabei das Speisewasser vorwärmen, bevor dieses dem Motor (1) zugeführt wird.
3. Verbundmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Wärmetauscher (2) ausströmenden Verbrennungsgase durch einen zweiten mit Wasser gefüllten Wärmetauscher (4) geführt werden.
4« Verbundmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Wärmetauscher (4) ausströmenden Verbrennungsgase anschließend durch einen vom Frischdampf durchströmten Wärmetauscher (5) geführt werden.
5. Verbundmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Auslaßventil (8) ausströmenden Verbrennungsgase zuerst durch den Wärmetauscher (4), dann durch den Wärmetauscher (5) und danach durch den Wärmetauscher (2) geführt werden.
6. Verbundmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase zuerst durch den Wärmetauscher (5), dann durch den Wärmetauscher (4) und danach durch den Wärmetauscher (2) geführt werden.
7. Verbundmotor nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Wärmetauscher (2) ausströmenden Verbrennungsgase anschließend durch den Wärmetauscher (3) geführt werden,
Verbundmotor nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) nicht vorhanden ist, daß die Verbrennungsluft durch den vom Abdampf der Dampfmaschine (12) beaufschlagten Wärmetauscher (6) geführt und dort vorgewärmt wird, bevor sie durch das Einlaßventil (8) in den Zylinder (7) strömt.
9. Verbundmotor nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des Frischdampfes in einer mehrstufigen Dampfmaschine (20) erfolgt.
10. Verbundmotor nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischdampf in einer mehrstufigen Dampfmaschine

(20) entspannt wird, daß der Abdampf der ersten Stufe in einen Kessel (19) geführt, der unter einem geringfügig niedrigen Druck steht, als dieser Abdampf und mit einem Wärmetauscher (4) ausgestattet ist, daß dieser Kessel (19) als Frischdampfreservoir der folgenden Stufe der Dampfmaschine (12) dient, daß der Abdampf der letzten Stufe in einen Abdampfinjektor (1²I) geführt wird, der gegen den Dampfkessel der letzten Stufe geschaltet ist und somit als Speisewasserpumpe (15) für den Kessel (19) fungiert.
11. Verbundmotor nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase, bevor diese ins Freie austreten, durch eine Gasturbine (17) geführt werden.
12. Verbundmotor nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft von einem Lader (18) vorverdichtet wird, bevor sie in den Zylinder (7) des Verbrennungsmotors (1) strömt.

13· Verbundmotor nach Anspruch 1-9, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein Kohlenwasserstoff, z. B. Toluol, Fluorid etc. oder ein Ammoniak/ Wasser-Gemisch statt Wasser verwendet wird.