DE102016010642B4

DE102016010642B4 - Antriebsvorrichtung mit Verbrennungsmotor und Fahrzeug enthaltend die Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016010642B4
Application number: DE102016010642.5A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2036-09-03
Also published as: DE102016010642A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Antriebsvorrichtung, welche einen Verbrennungsmotor (10) enthält, insbesondere Fahrantriebsvorrichtung enthaltend einen Verbrennungsmotor (10) in einem Kraftfahrzeug oder in einem Schiff oder einem Boot, wobei die Flüssigkeit (42) in Form von Wasser oder in Form einer überwiegend aus Wasser bestehenden Flüssigkeit dem Abgasstrom (27) des Verbrennungsmotors (10) so nahe stromaufwärts bei dem mindestens einen Gasauslass (18) des Verbrennungsmotors (10) zugeführt wird und im Abgasstrom (27) verteilt wird, dass die Flüssigkeit (42) durch die hohe Temperatur des Abgasstromes (27) bei Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors (10) verdampft wird und ein heißer dampfförmiger Abgas- und Flüssigkeit-Gemischstrom (44) gebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass der dampfförmige Gemischstrom (44) durch mindestens eine Dampfturbine (50) geleitet wird und diese dadurch angetrieben wird; und dass das von der Dampfturbine (50) mittels des Gemischstromes (44) erzeugbare Drehmoment auf die Kurbelwelle (20) des Verbrennungsmotors (10) übertragen wird zur Unterstützung der Motorleistung.

Description

Antriebsvorrichtung mit Verbrennungsmotor und Fahrzeug enthaltend die Antriebsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebssvorrichtung, enthaltend einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Fahrzeug gemäß den Patentansprüchen.
Die Erfindung betrifft insbesondere Kraftfahrzeuge, Schiffe und Boote, welche eine Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor als Fahrantriebsvorrichtung gemäß den Patenansprüchen enthalten.
Die Patentansprüche der neuen Erfindung sind gegenüber dem Stand der Technik abgegrenzt, welcher aus der US 2009 / 0 084 083 A1 bekannt ist. Diese zeigt ein Abgassystem, bei welchem einem Abgasstrom Feuchtigkeit entnommen wird und nach dem Kondensieren als Wasser wieder dem Abgasstrom zugeführt und von diesem ausgetragen wird.
Ferner ist aus der DE 10 2009 045 380 A1 eine Antriebsvorrichtung bekannt, wobei innerhalb eines thermodynamischen Kreisprozesses Dampf aus einem Speicher 20 zusammen mit Abgas einer Brennkraftmaschine einer Turbine zugeführt wird. Im Unterschied zu den Patentansprüchen 1 und 5 der neuen Erfindung wird dem Abgas keine Flüssigkeit zugeführt und die mechanische Energie der Turbine wird nicht auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine übertragen.
Aus der US 8 689 554 B2 ist eine der vorgenannten DE 10 2009 045 380 A1 ähnliche Antriebsvorrichtung bekannt, wobei der Dampferzeuger an einer AGR-Leitung angeordnet ist.
Aus der US 2013 / 0 139 766 A1 ist bekannt, einen Teil des Fluids aus dem Abgaswärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine in deren Abgasleitung an einer bestimmten Stelle einzuleiten. Das Fluid ist nach Durchlaufen des Verdampfers hier ebenfalls nicht mehr flüssig. Mechanische Energie wird von der Turbine direkt auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine übertragen.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, den Wirkungsgrad von Antriebsvorrichtungen, die einen Verbrennungsmotor enthalten, insbesondere den Wirkungsgrad von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Booten wesentlich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und durch die Antriebsvorrichtung gemäß dem Anspruch 5 gelöst.
Der Verbrennungsmotor kann ein Benzinmotor oder Dieselmotor mit einem oder mit mehreren Zylindern sein. Bei zwei oder mehr Zylindern können die Abgasströme der einzelnen Zylinder entweder einzeln oder in Gruppen oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung insgesamt einen Abgasstrom bilden, in welchen Flüssigkeit eingebracht und verdampft wird und auf diese Art ein dampfförmiger Gemischstrom gebildet wird, mit welchem eine Dampfturbine antreibbar ist, deren Drehmoment auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen wird.
Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors kann dadurch erreicht werden, dass die Restwärme des Gemischstromes am oder nach dem Ausgang der Dampfturbine durch einen Wärmetauscher auf die Flüssigkeit übertragen und dadurch die Flüssigkeit vorgewärmt wird, bevor die Flüssigkeit in den heißen Dampfstrom gelangt.
Die Venturi-Vorrichtung kann ein Venturirohr oder eine Venturidüse sein, welche nach dem Entdecker G. B. Venturi benannt ist und eine Querschnittsverengung aufweist, an welcher durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ein Unterdruck entsteht. Nach dem Bernoullischen Gesetz, benannt nach dem Mathematiker Bernoulli, ist der statische Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases, gemessen senkrecht zur Strömung des Gases oder der Flüssigkeit, umso kleiner, je größer die Strömungsgeschwindigkeit dieses Gases oder der Flüssigkeit ist..Dies gilt nicht nur, wenn die Flüssigkeit oder das Gas durch Rohre strömt, sondern auch dann, wenn sich ein Körper, zum Beispiel ein Rohr, eine Düse, ein Schiff oder ein Flugzeug, gegenüber dem umgebenden Medium Wasser oder Luft bewegt. Entscheidend ist immer die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Körper und der Flüssigkeit oder dem Gas.
Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, ohne dass sie auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. In den Zeichnungen zeigen:

1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung,
2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung,
3 eine nochmals weitere bevorzugte Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung.

1 zeigt schematisch wesentliche Teile einer bevorzugten Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor 10 gemäß der Erfindung. Der Verbrennungsmotor 10 kann einen oder mehrere Zylinder aufweisen. Als Beispiel sind zwei Zylinder 12 und 14 schematisch dargestellt. Jeder Zylinder enthält einen Brennstoffeingang 16 und einen Abgasausgang 18. Eine Kurbelwelle 20 wird über jeweils eine Pleuelstange 22 von dem Kolben 24 der Zylinder 12 und 14 angetrieben.
Die Abgasausgänge 18 der Zylinder 12 und 14 sind über eine gemeinsame Abgasleitung 26 mit dem Abgaseinlass 30 einer nach dem Venturi-Prinzip ausgebildeten Venturi-Vorrichtung 32 einer Flüssigkeitszufuhrvorrichtung 33 strömungsmäßig verbunden. Eine Flüssigkeitszufuhrleitung 34 ist zur Zufuhr von Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter 36 an einen Flüssigkeitseinlass 38 des Unterdruckbereiches 40 der Venturi-Vorrichtung 32 strömungsmäßig angeschlossen oder anschließbar. Dadurch kann der Abgasstrom 27, welcher durch die Venturi-Vorrichtung 32 hindurchgeleitet wird, im Unterdruckbereich 40 einen so hohen Unterdruck oder Sog erzeugen, dass Flüssigkeit 42 aus dem Vorratsbehälter 36 in den Unterdruckbereich 40 gesaugt und mit dem Abgasstrom 27 vermischt wird.
Die Venturi-Vorrichtung 32 befindet sich strömungsmäßig vorzugsweise direkt, oder mindestens so nahe, durch eine entsprechend kurze Abgasleitung 26, bei den Abgasauslässen 18, dass die Abgastemperatur des Abgasstromes 27 in der Venturi-Vorrichtung 32 bei Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors so hoch ist, vorzugsweise immer noch die heiße Temperatur wie an den Abgasauslässen 18 hat, dass das in die Venturi-Vorrichtung 32 gesaugte Wasser verdampft wird. Dadurch entsteht ein heißer Abgas- und Flüssigkeit-Gemischstrom 44, der durch eine Gemischstromleitung 46 von einem Gemischstromauslass 48 der Venturi-Vorrichtung 32 auf möglichst kurzem Strömungsweg einer Dampfturbine 50 zum Antrieb einer Turbinenwelle 52 eines Turbinenrades 54 zuführbar ist.
Das von dem heißen dampfförmigen Gemischstrom 44 an der Turbinenwelle 52 erzeugte Drehmoment ist über eine Drehantriebsverbindung 60 auf die Kurbelwelle 20 übertragbar und kann dadurch die Leistung des Verbrennungsmotors erhöhen. Mit anderen Worten, der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors wird hiermit wesentlich verbessert. Die Drehantriebsverbindung 60 kann zum Beispiel ein Getriebe oder einen Riemenantrieb enthalten.
1 zeigt schematisch die Venturi-Vorrichtung 32 in Form eines klassischen Venturirohres, zum Beispiel nach DIN EN ISO 5167-4. Das gezeigte Venturirohr kann beispielsweise einen Einlaufzylinder 62, einen Einlaufkonus 64, einen den Unterdruckbereich 40 definierenden Halsteil 66 und vorzugsweise einen Diffusor 68 aufweisen.
Mit einem Temperaturfühler 70 am Gemischauslaß 48 der Venturi-Vorrichtung 32 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Temperatur des Gemischstromes 44 messbar. In Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur kann die Flüssigkeitszufuhrmenge eingestellt werden, die durch den Flüssigkeitseinlaß 38 in den Unterdruckbereich 40 zuführbar ist, zum Beispiel durch ein in der Flüssigkeitszufuhrleitung 34 angeordnetes Ventil 72. Diese Einstellung kann manuell vorgenommen werden oder es kann hierfür eine automatische Einrichtung verwendet werden.
Eine weitere Wirkungsgradverbesserung des Verbrennungsmotors kann erreicht werden, wenn die Restwärme des Gemischstromes 44 auf der Ausgangsseite 74 der Dampfturbine 50 durch einen Wärmetauscher 76 auf die Flüssigkeit 42 übertragen wird, vorzugsweise bei der Flüssigkeitszufuhrleitung 34 nahe bei dem Flüssigkeitseinlass 38.
Die Flüssigkeit 42 ist vorzugsweise Wasser oder eine im wesentlichen aus Wasser bestehende Flüssigkeit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung nach der Erfindung kann anstatt eines Venturirohres der Venturi-Vorrichtung 32 von 1 eine Venturidüse verwendet wird. 2 zeigt eine solche Möglichkeit anhand einer Flüssigkeitszufuhrvorrichtung 133. Die Venturidüse 132 in 2 ist von einem Gehäuse 134 umgeben, welches einen Ringraum 136 um die Venturidüse 132 definiert und ein Teil der Flüssigkeitszufuhrleitung 34 bildet. Das Gehäuse 134 bildet am Düsenende 138 einen Unterdruckbereich 140, in welchem der von der Abgasleitung 26 her durch die Venturidüse 132 strömende Abgasstrom 27 aus der Düsenspitze 38 austritt und einen Unterdruck bzw. Sog erzeugt, durch welchen die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 36 heraus und in den Unterdruckbereich 140 und darin in den Abgasstrom 27 gesaugt wird. Durch die hohe Temperatur des Abgasstromes 27 wird die angesaugte Flüssigkeit verdampft. Der dadurch entstehende Abgas- und Flüssigkeit-Gemischstrom 44 strömt dann über die Gemischstromleitung 46 in eine Dampfturbine 50, ähnlich wie dies auch in 1 dargestellt ist und mit Bezug darauf beschrieben wurde. Außer den in 2 dargestellten und beschriebenen Änderungen ist die Ausführungsform von 2 identisch mit den in 1 dargestellten und dort beschriebenen Details.
Details einer weiteren Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung nach der Erfindung sind in 3 schematisch dargestellt, soweit sie sich von 1 unterscheiden. Eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung 233 enthält anstelle der in 1 dargestellten Venturi-Vorrichtung 32 und des Vorratsbehälters 36 einen druckfesten Flüssigkeits-Vorratsbehälter 236. Der druckfeste Flüssigkeits-Vorratsbehälter 236 ist über eine druckfeste Flüssigkeitszufuhrleitung 234 an einen Verbindungskanal 240 angeschlossen, an welchen auch die Abgasleitung 26 und die Gemischstromleitung 46 angeschlossen sind. Der Verbindungskanal 240 ist als Mischkammer ausgebildet, in welcher mittels Überdruck im druckfesten Flüssigkeits-Vorratsbehälter 236 Flüssigkeit 42 in den Abgasstrom 27 injiziert und verdampft wird und dadurch ein dampfförmiger Gemischstrom 44 gebildet wird. Der dampfförmige Gemischstrom 44 ist durch eine Gemischstromleitung 46 in die Dampfturbine 50 leitbar. Der Überdruck kann vorzugsweise durch Druckluft im Flüssigkeit-Vorratsbehälter 236 erzeugt werden. Für einen Dauerbetrieb kann es zweckmäßig sein, eine Druckgasquelle 242 vorzusehen, durch welche Druckluft bedarfsweise dem Flüssigkeits-Vorratsbehälter 236 zuführbar ist. Zusätzlich zu diesen Änderungen kann die Ausführungsform von 3 alle weiteren Merkmale der Ausführungsform von 1 enthalten.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Antriebsvorrichtung, welche einen Verbrennungsmotor (10) enthält, insbesondere Fahrantriebsvorrichtung enthaltend einen Verbrennungsmotor (10) in einem Kraftfahrzeug oder in einem Schiff oder einem Boot, wobei die Flüssigkeit (42) in Form von Wasser oder in Form einer überwiegend aus Wasser bestehenden Flüssigkeit dem Abgasstrom (27) des Verbrennungsmotors (10) so nahe stromaufwärts bei dem mindestens einen Gasauslass (18) des Verbrennungsmotors (10) zugeführt wird und im Abgasstrom (27) verteilt wird, dass die Flüssigkeit (42) durch die hohe Temperatur des Abgasstromes (27) bei Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors (10) verdampft wird und ein heißer dampfförmiger Abgas- und Flüssigkeit-Gemischstrom (44) gebildet wird; dadurch gekennzeichnet, dass der dampfförmige Gemischstrom (44) durch mindestens eine Dampfturbine (50) geleitet wird und diese dadurch angetrieben wird; und dass das von der Dampfturbine (50) mittels des Gemischstromes (44) erzeugbare Drehmoment auf die Kurbelwelle (20) des Verbrennungsmotors (10) übertragen wird zur Unterstützung der Motorleistung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des heißen Abgasstromes (27) ein Unterdruck nach dem Venturi-Prinzip erzeugt und mittels dieses Unterdruckes die Flüssigkeit (42) in den Abgasstrom (27) hinein gesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (42) im Abgasstrom (27) zerstäubt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Flüssigkeit (42) in den Abgasstrom (27) bezüglich der Strömungsmenge pro Zeiteinheit der Flüssigkeit einstellbar ist bzw. eingestellt wird.
Antriebsvorrichtung enthaltend einen Verbrennungsmotor (10), insbesondere als Fahrantriebsvorrichtung in einem Fahrzeug, insbesondere in Form eines Kraftfahrzeuges oder Schiffes oder Bootes, wobei eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung (33; 133; 233) derart vorgesehen ist, dass mit ihr Flüssigkeit (42) in Form von Wasser oder in Form einer im wesentlichen aus Wasser bestehenden Flüssigkeit dem Abgasstrom (27) des Verbrennungsmotors(10) an einer Stelle zuführbar ist, wo die Temperatur des Abgasstromes (27) des Verbrennungsmotors (10) bei dessen Betriebstemperatur so hoch ist oder so hoch wird, dass die Flüssigkeit (42) im Abgasstrom (27) verdampft und ein dampfförmiger Abgas- und Flüssigkeit-Gemischstrom (44) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dampfturbine (50) vorgesehen ist, welche von dem durch sie hindurch geleiteten Gemischstrom (44) antreibbar ist, und dass eine Antriebsverbindung (60) zur Übertragung des Drehmoments der Turbine (50) auf die Kurbelwelle (20) des Verbrennungsmotors (10) vorgesehen ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszufuhrvorrichtung (33; 133) eine nach dem Venturi-Prinzip ausgebildete Venturi-Vorrichtung (32; 132, 134) enthält, durch welche der heiße Abgasstrom (27) hindurchleitbar ist und dabei ein Unterdruck oder Sog erzeugbar ist, durch welchen die Flüssigkeit (42) in den heißen Abgasstrom hineinsaugbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszufuhrvorrichtung (33;133; 233) zur Zerstäubung der Flüssigkeit (42) ausgebildet ist, so dass die Flüssigkeit (42) in zerstäubter Form in den Abgasstrom (27) eintritt oder nach dem Eintritt in den Abgasstrom (27) in diesem Abgasstrom (27) zerstäubt wird.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flüssigkeitszufuhrweg (34; 234) der Flüssigkeitszufuhrvorrichtung (33; 133; 233) ein Ventil (72) angeordnet ist, mittels welchem die Strömungsmenge pro Zeiteinheit der Flüssigkeit (42) einstellbar ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Temperatur des Abgasstromes (27) messender Temperaturfühler(70) vorgesehen ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkeitsvorratsbehälter(36; 236) mit der Flüssigkeitszufuhrvorrichtung (33; 133; 233) strömungsmäßig verbunden oder verbindbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsvorratsbehälter(36; 236) maximal gleich hoch oder tiefer als die Stelle (40: 140; 240) der Flüssigkeitszufuhrvorrichtung (33; 133; 233) angeordnet ist, wo die Flüssigkeit (42) in den heißen Abgasstrom (27) einleitbar ist, so dass ein Nachtropfen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsvorratsbehälter (36; 236) in den Strömungsweg des Abgasstromes (27) vermieden wird.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (76) zur Wärmeübertragung von dem heißen Gemischstrom (44) auf die Flüssigkeit (42) vor der Einleitung der Flüssigkeit in den Abgasstrom vorgesehen ist, vorzugsweise von dem Geschmischstrom (44) auf der stromabwärtigen Seite (70) der Dampfturbine (50) zu der Flüssigkeit (42) stromaufwärts von der Stelle (38, 40; 134, 140), wo die Flüssigkeit (42) in den heißen Abgasstrom (27) einleitbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (42) in einem unter Überdruck stehenden Druckbehälter (236) gespeichert ist, aus welchem sie durch diesen Überdruck in den heißen Abgasstrom(27) treibbar ist.
Verwendung einer Antriebsvorrichtung enthaltend einen Verbrennungsmotor (10) nach mindestens einem der Vorrichtungsansprüche 5 bis 13 als Fahrantriebsvorrichtung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, in einem Schiff oder in einem Boot.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, Schiff oder Boot, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Antriebsvorrichtung als Fahrantriebsvorrichtung nach mindestens einem der Vorrichtungsansprüche 5 bis 13 enthält.