DE1909007A1 - Verfahren und Einrichtung zum Betreiben einer Kolben-Waermekraftmaschine - Google Patents

Description

• Verfahren und Sinrichtung zum Betreiben einer Kolben-Wärmekraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die Einrichtung zum Betreiben einer Kolben-Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung.
• Bei der heute herrschenden Verkehrsdichte - insbesondere in den Zentren der Großstädte - wird die Umgebungsluft durch die Abgase der Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung, welche insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen, immer stärker mit für den menschlichen Organismus schädlichen Stoffen verunreinigt. Die zunehmende Gefahr für die Menschen zwingt zur Suche nach Abhilfemaßnahmen. So wurden bereits eine Reihe von Verfahren bekannt, welche die Abgase der mit innerer Verbrennung arbeitenden Motoren nach dem Verlassen der Maschine mehr oder weniger reinigen bzw.
• unschädlich machen. Wenn man jedoch die numerische Zunahme der Kraftfahrzeuge mit in Betracht zieht, so wird selbst bei einer wesentlichen Verbesserung der Abgasqualität die Summe der ausgestoßenen Abgase bzw. ihrer schädlichen Anteile auch in den nächsten Jahren wenigstens genau so groß sein wie heute. Mit einer Verbesserung der Umgebungsluft gegenüber heute kann jedenfalls nicht gerechnet werden. Die Verfahren zum Reinigen der Abgase sind außerdem nicht als besonders vorteilhaft anzusehen, weil sie nicht die Ursache, sondern die Erscheinungsform der Vergiftung der Umgebungsluft bekämpfen.
• Auf der Suche nach einer echten Abhilfe dieses Ubets wurde auch bereits vorgeschlagen, statt der heute üblichen Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung wieder solche mit äußerer Verbrennung, deren erster Vertreter bekanntlich die klassische Dampfmaschine' ist, einzusetzen. Da eine äußere Verbrennung unter normalem Druck erfolgt, sind die Abgase nahezu ohne jeden Giftanteil und gelten selbst nach sehr strengen Maßstäben als absolut sauber. Diese Tatsache ist heute allgemein bekannt. Perner ist bei einer äußeren Verbrennung die Möglichkeit gegeben, verschiedene flüssige, gasförmige oder sogar feste Brennstoffe zu verwenden.
• So wurde auch bereits vorgeschlagen, den an sich mit einem guten thermischen Wirkungsgrad arbeitenden Heißgasmotor neuer Prägung zum Antrieb von Eraftfahrzeugen zu verwenden.
• Der Nachteil dieses Motors besteht jedoch darin, daß er auf Last- und Drehzahländerungen nur sehr träge reagiert und allein schon deshalb für einen direkten mechanischen Antrieb ungeeignet ist. Der Aufwand für Zwischenglieder in Form von elektrischen Speichern und Elektromotoren mit Schaltanlagen ist su groß, mit schwerem Gewicht belastet und teuer. Außerdem benötigen diese Motoren in ihrer Normalauefuhrung für jeden Zylinder zwei phasenverschoben arbeitende Kolben mit einem verhältnismäßig komplizierten Triebwerk.
• Geht man also wieder von der mit äußerer Verbrennung arbeitenden Dampfmaschine aus, so ist es bekannt, das als Arbeitsmittel dienende Wasser in einem geschlossenen Kreis lauf-in einem Dampfkessel zu verdampfen, den Dampf durch Expansion in einer Kolben-Kraftmaschine Arbeit leisten au lassen und nach dem Ausströmen aus der Kraftmaohine in einem angeschlossenen Kondensator wieder zu verflüssigen und für einen nächsten Verdampfungsvorgang in einen Vorratsbehälter zu leiten.
• Das Verfahren hat mehrere große Nachteile, weshalb es auch durch die Motoren mit innerer Verbrennung verdrängt werden konnte. Zunächst einmal ist insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen der teuere, schwere, raumbeanspruchende und explosionsgefährliche Dampfkessel sehr unerwünscht.
• Weiter sind die erforderlichen komplizierten Steuerorgane und insbesondere der bekannt schlechte Wirkungsgrad von etwa 14 bis max. 18 sehr nachteilig. Pür den relativ schlechten Wirkungsgrad wesentlich verantwortlich ist das als Arbeitsmittel verwendete Wasser, weil es eine hohe Verdampfungswärme aufweist. Nach dem Verdampfen werden dabei durch die Expansion nur wenige Kalorien in Nutzarbeit umgewandelt, während bei der anschließenden Kondensation mit nur mäßigem Vacuum im Kondensator allein eine Wärmemenge von rd. 500 kal/kg ungenutzt zu vernichten ist.
• Um den Wirkungsgrad einer solchen Maschine zu erhöhen, ist es bereits bekanntgeworden, statt Wasser eine Flüssigkeit mit niedrigerer Verdampfungs- und Kondensationswärme als Arbeitsmittel zu verwenden, jedoch sind auch hier der gefährliche Dampfspeicher und die die Dampfzufuhr zur Kraftmaschine regelnden, komplizierten Steuerorgane erforderlich. Schließlich tritt auch immer noch der Nachteil auf, daß sich die Dampfbildung nur sehr schwer zeitlich so steuern läßt, daß die jeweils benötigte, bei Fahrzeugen stark schwankende Dampfmenge immer zur Verfügung steht, ohne daß entsprechend große Dampfspeicher vorgesehen werden.
• Auf Grund des genannten Standes der Technik bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und die Einrichtung zum Betreiben einer Kolben-Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung, bei dem als Arbeitsmittel eine Flüssigkeit dient, die eine geringere Verdampfungswärme als Wasser besitzt und bei dem im geschlossenen Kreislauf die Flüssigkeit in einem Dampferzeuger verdampft wird, der erzeugte Dampf durch Expansion Arbeit auf den Kolben der Kraftmaschine überträgt, und bei dem der Dampf nach dem Ausströmen aus dem Zylinder der Kraftmaschine in einem angeschlossenen Kondensator. wieder verflüssigt wird.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Verfahren und die dazu erforderliche Einrichtung dahingehend zu verbessern, daß es insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet ist, d.h. daß die vorstehend genannten Nachteile, wie großer,, teurer,' raumbeanspruchender und auch gefährlicher Dampfkessel, schlechter Wirkungsgrad, aufwendige Steuerorgane und vor allem die Trägheit gegenüber Last-und Drehzahländerungen vermieden werden.
• Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der durch in an sich bekannter Weise erzeugte Heizgase beliebiger Art beaufschlagte, als Verdampfer wirkende Wärmetauscher unmittelbar, d .h. ohne Zwischenschaltung von Steuerungselementen, individuell mit dem Expansionsraum eines jeden Arbeitszylinders verbunden ist, und daß während einer Teilzeit eines jeden Arbeitsspieles das flüssige Arbeitsmittel durch eine Hochdruckpumpe direkt oder indirekt in den Wärmetauscher eingespritzt und in diesem sofort verdampft wird.
• Die Hochdruckpumpe wird dabei im Falle der direkten Einspritzung synchron im Verhältnis 1:1 von der Kurbelwelle der Kolbenkraftmaschine angetrieben, ist in an sich bekannter Weise mengenregelbar ausgebildet und spritzt Jeweils nur die für die je Arbeitsspiel zu leistende Arbeit erforderliche Menge des Arbeitsmittels direkt in den Wärmetauscher ein.
• Zur Durehfuhrung dieses Verfahrens kommt als Kolben Kraftmaschine eine an sich bekannte, einfachwirkende Gleichstrom-Dampfmaschine in Frage, welche jedoch keinerlei Steuerorgane für die Dampfzufuhr aufweist. Der als Verdampfer wirkende Wärmetauscher ist zweckmäßigerweise direkt im Zylinderkopf eingebaut bzw. bildet diesen selbst und hat eine möglichst große Verdampfungsoberfläche, aber ein geringes inneres Volumen. Die wärmetauschende Oberfläche wird durch ein die Zufuhr der Heizgase beeinflussendes Thermostat auf einer konstanten, das Arbeitsmittel momentan verdämpfenden Temperatur gehalten.
• So wird der gefährliche Dampfkessel vollkommen vermieden und der Wirkungsgrad erhöht. Da jeweils nur die für einen Arbeitstakt erforderliche Menge des flüssigen Arbeitemittels verdampft und sofort zur Arbeitsleistung durch Expansion im Arbeitszylinder herangezogen wird, ist auch die Forderung erfüllt, daß sich bei einer Laständerung der Motor sofort auf den neuen Zustand einspielt.
• Als Arbeitsmittel bietet sich ein geeignetes, aus der Kältetechnik bekanntes Frigen, beispielsweise Frigen 17 oder Frigen 113 an, dessen Verdampfungswärme nur etwa 43 kal/kg beträgt und das nahezu verzögerungsfrei in einen Flüssige keitsnebel hoher Spannung bei geeignet gewählter Temperatur der arbeitsraumseitigen Oberfläche des Verdampfers verdampft. Durch Verwendung eines solchen Arbeitsmittels wird, wie bereits erwähnt, eine entscheidende Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht. Dies geht allein schon aus der geringen, durch den Kondensator vom Arbeitsmittel noch abzuführenden Wärmemenge hervor, welche mit dem in einer Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung im Auspuff und vom Kühlwasser zu vernichtenden Wärmeverlust, der ca. 60 der Brennstoffwärme beträgt, gar nicht zu vergleichen ist.
• Zur Erhöhung der Wärmeökonomie wird schließlich die den Brennern zuzuführende Verbrennungsluft durch einen von den Abgasen beheizten Luftvorwärmer geführt, wodurch die aus der Maschine austretenden Abgase auf eine nur knapp über dem Taupunkt liegende Temperatur absinken. Ferner soll zur Verwertung der Abgaswärme das Arbeitsmittel vor Eintritt in den Verdampfer durch diese hindurchgeführt und bereits bis nahe an die Verdampfungstemperatur vorgewärmt werden.
• Um bei höheren Drehzahlen evtl. eine Voreinspritzung und damit eine Vorverdampfung zu bewerkstelligen, kanu noch ein zusätzlicher automatisch arbeitender Spritzversteller vorgesehen werden.
• Als Variante zu der beschriebenen direkten Einspritzung des Arbeitsmittels durch die synchron mit der Kurbelwelle laufende Hochdruckpumpe in den Verdampfer soll schließlich noch die Möglichkeit der indirekten Einspritzung genannt werden, der der gleiche Erfindungsgedanke zugrunde liegt.
• Hierbei fördert die Hochdruckpumpe das flüssige Arbeitsmittel erst in einen mechanischen Akkumulator, in dem ein dem Einspritzdruck entsprechender Druck herrscht. Die je Arbeitsspiel in den Wärmetauscher einzuspritzende, ebenfalls bis nahe auf die Verdampfungstemperatur vorgewärmte Menge des flüssigen Arbeitsmittels wird über einemechanisch von der Kolben-Kraftmaschine angetriebene Nockenwelle oder bei elektronischer Steuerung durch einen an Stelle der Nockenwelle vorgesehenen Schleifkontakt mit willkürlich zu verändernder Füllung geregelt. Durch -diese Anordnung wird erreicht, daß sich die Kraftmaschine in ihrem Arteitsverhalten dem wHauptstromcharakter" eines Elektromotors nähert, indem bei gleichbleibender Stellung der Steuerorgane mit dem Absinken der Drehzahl, verursacht durch eine Zunahme der Nutzlast, zwar der Winkelweg der Kurbelwelle- während dessen die Einspritzung des hrbeitsmltt erfolgt, konstant bleibt, aber die Zeitspanne, während der die EinBpritzung erfolgt, zunimmt, so daß bei Einspritzung unter konstantem Druck mehr Arbeitsmittel je Arbeitstakt in den Verdampfer gelangt.
• Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen hervor. Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Anlage, Fig. 2 eine Variante zu der in Fig. 1 dargestellten Anlage, ebenfalls schematisch, Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2, jedoch mit elektronischer Steuerung der Einspritzdüse.
• In Fig. 1 ist ein Vorratsbehälter für das Arbeitsmittel mit 1 bezeichnet. tber eine Pörderpumpe 2 und eine Leitung 3 steht der Vorratsbehälter 1 mit einer Hochdruckpumpe 4 in Verbindung, von der über eine Hochdruckleitung 5 eine zweckmäßig nach außen öffnende Einspritzdüse 6 gespeist wird. Die Einspritzdüse 6 ist fest mit einem als Verdampfer wirkenden, eine möglichst große Oberfläche und kleines Volumen aufweisenden Wärmetauscher 7 verbunden, der im Zylinderkopf einer Kolbenkraftmaschine 8 angeordnet ist. Die Kraftmaschine 8 besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 8a, einem Kolben 8b und einem Kurbeltrieb 8c. Im Zylinder 8a sind vom Kolben 8b gesteuerte Auslaßschlitze 8d vorgesehen, von denen aus eine Leitung 9 über einen geschlossenen, mit einem Kühlluftgebläse 10 versehenen Kondensator 11 wieder zurück in den Vorratsbehälter 1 führt.
• Der Wärmetauscher 7 wird durch äußere Verbrennung flüssiger oder gasförmiger, ja sogar fester Brennstoffe aufgeheizt.
• In Fig. 1 ist für diese äußere Verbrennung ein Gebläse 12 vorgesehen, welches Prischluft über einen von Abgasen gespeisten Luftvorwärmer 13 und eine Leitung 14 den Brennern 15 zuführt. Nach Beheizung des Wärmetauschers 7 und des Luftvorwärmers 13 sowie eines Arbeitsmittel-Vorwärmers 5a werden die Abgase durch die Abgasleitung 16 ins Preie geführt. Die Temperatur des Wärmetauschers 7 wird durch ein hier nur angedeutetes, die Brenner 15 und das Frischluftgebläse 12 in bekannter Weise beeinflussendes Thermostat 17 konstant gehalten. Zur Sicherung des Wechselbetriebes kann die Brenneranlage 15 mit einer Dauerflamme (Zündflamme) kleiner Leistung versehen sein.
• Die Hochdruckpumpe 4 wird durch eine in Fig. 1 strichliert dargestellte Welle 18 von der Kurbelwelle der Kraftmaschine 8 im Verhältnis 1:1 angetrieben und ist über ein Pedal 19 und ein Zwischengestänge 20 mengenregelbar.
• Wirkungsweise: Die Förderpumpe 2 liefert aus dem Vorratsbehälter 1 das flüssige Arbeitsmittel über die Leitung 3 der Hochdruckpumpe 4 an, durch die über die Hochdruckleitung 5 und die zweckmäßig nach außen öffnende Einspritzdüse 6 die je Arbeitsspiel erforderliche Menge des Arbeitamittels in den Wärmetauscher 7 eingespritzt wird. Da die Hochdruckleitung 5 über den in der Abgasleitung 16 angeordneten Vorwärmer 5a führt, erfolgt bereits eine Vorwärmung des Arbeitsmittels bis nahe an seine Verdampfungstemperatur.
• Im Wärmetauscher 7 erfolgt dann eine plötzliche Verdampfung, der erzeugte Dampf überträgt durch Expansion im Zylinder 8a Arbeit auf den Kolben 8b, der nach unten geschoben wird, bis er die Auslaßschlitze 8d freigibt und die expandierte Zylinderfüllung durch das im Kondensator 11 herrschende Vakuum abgesaugt werden kann. Nach Entzug der Restwärme im Kondensator 11 gelangt das Arbeitsmittel in flüssigem Zustand wieder in den Vorratsbehälter 1 und steht einem erneuten Verdampfungsvorgang sur Verfügung. Durch Niederdriicken des Pedals 19 kann die je Arbeitsspiel von der Hochdruckpumpe 4 einzuspritzende Menge des Arbeitsmittels nach Belieben vergrößert werden.
• Um bei höheren Drehzahlen evtl. eine Voreinspritzung und damit eine Vorverdampfung zu ermöglichen, kann auf der Pumpenantriebswelle 18 ein schematisch angedeuteter, mechanischer oder hydraulischer Spritzversteller 21 vorgesehen werden0 In Fig. 2 sind der Vorratsbehälter 1, die Pumpe 2, die Leitung 3, die Hochdruckpumpe 4, die Hochdruckleitung 5, die Einspritzdüse 6, der Wärmetauscher 7, die Kraftmaschine 8, die Leitung 9 und der Kondensator 10 aus Fig. 1 noch einmal dargestellt.
• Die Hochdruckpumpe 4 ist jedoch hier nicht mengenregelbar und grundsätzlich ohne Spritzversteller. Zwischen der Hochdruckpumpe 4 und der Einspritzdüse 6 ist ein mechanischer Akkumulator 22 vorgesehen, in dem ein konstanter, dem Einspritzdruck entsprechender Druck herrscht. Die Hochdruckpumpe 4 fördert regelmäßig eine bestimmte, über dem maximalen Bedarf für die Verdampfung liegende Menge des Arbeitsmittels in den Akkumulator 22, der mit einem Druckregelventil 23 versehen ist, welches das zuviel geförderte Arbeitsmittel (Verdampfungsflüssigkeit) über eine Uberströmleitung 24 wieder in den Vorratsbehälter 1 zurückströmen läßt. Die Steuerung der je Arbeitsspiel in den Wärmetauscher 7 einzuspritzenden Menge des Arbeitamittels wird hier durch die vom Motor synchron gesteuerte Einspritzdüse 6 durchgeführt. Die rein schematisch dargestellte Steuerung der Düse 6 erfolgt durch eine von der Kraftmaschine im Drehzahlverhältnis 1:1 angetriebene Nockenwelle 25, auf der ein durch ein Pedal 26 axial verschiebbarer, jedoch nicht verdrehbarer Nocken 27 angeordnet ist. Der Nocken 27 wirkt auf ein Gestänge 28, durch das die Ddse 6 während eines jeden Arbeitsspieles eine gewisse Zeit geöffnet wird. Durch Verschieben des tiockens 27 über das Pedal 26 wird die Düse 6 je nach dem Willen des Bedienenden über längere oder kürzere Winkel der Nockenwellendrehbewegung gegen den Druck einer Schließfeder 29 geöffnet und dadurch die Einspritzmenge bei konstantem Druck dem jeweiligen Bedarf angepaßt. Ein für großen Drehzahlbereich evtl. notwendiger Spritzversteller 21 wird auf der Nockenwelle 25 vorgesehen.
• Die zwangsweise Öffnung bzw. die Steuerung der Einspritzdüse 6 kann je nach ihrer Ausbildung auch durch einfache elektronische Mittel erfolgen, indem, wie Fig. 3 zeigt, lediglich an Stelle des Nockens 27 ein aus Isolierstoff bestehender, mit einer kontaktgebenden Fläche 30 versehener Schleifkontakt 31 und an Stelle des Gestänges 28 eine elektrische Leitung 32 vorzusehen ist. Die kontaktgebende Pläche 30 des Schleifkoniaktes 31 ist dabei wie der Nocken 27 verschieden breit, um je nach Stellung des Pedals 26 die Einspritzdüse 6 mehr oder weniger lange zu öffnen.
• Es sei noch bemerkt, daß die in den Figuren angedeuteten Steuergestänge keineswegs als bindende Ausführung zu bewerten sind. Maßgebend ist lediglich der durch die Gestänge erzielte Effekt.

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zum Betreiben einer Kolben-Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung, bei der als Arbeitsmittel eine Flüssigkeit dient, die eine geringere Verdampfungswärme als Wasser besitzt, und bei dem in geschlossenem Ereislauf die Flüssigkeit in einem Dampferzeuger verdampft wird, der erzeugte Dampf durch Expansion Arbeit auf den Kolben der Kraftmaschine überträgt, und bei dem der Dampf nach dem Ausströmen aus dem Zylinder der Kraftmaschine in einem angeschlossenen Kondensator wieder verflüssigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der durch in an sich bekannter Weise erzeugte Heizgase beliebiger Art beaufschlagte, als Verdampfer wirkende Wärmetauscher (7) unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung von Steuerungselementen, mit dem Expansionsraum eines jeden Arbeitszylinders (8a) verbunden ist, und daß während einer Teilzeit eines jeden Arbeitsspieles das flüssige Arbeitsmittel durch eine Hochdruckpumpe (4) direkt oder indirekt in den Wärmetauscher (7) eingespritzt und in diesem sofort verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe (4) synchron im Verhältnis 1:1 von der Kurbelwelle der Kolbenkraftmaschine (8) angetrieben und in an sich bekannter Weise mengenregelbar ausgebildet ist, und daß sie jeweils nur die für die je Arbeitsspiel zu leistende Arbeit erforderliche Menge des Arbeitsmittels direkt in den Wärmetauscher (7) einspritzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe (4) das flüssige Arbeitsmittel in einen mechanischen Akkumulator (22) mit konstantem, dem Einspritzdruck angepaßten Druck fördert, und daß die je Arbeitsspiel in den Wärmetauscher (7) einzuspritzende Menge des flüssigen Arbeitsmittels durch eine von einer mechanisch von der Kolbenkraftmaschine (8) im Drehzahlverhältnis 1:1 angetriebenen Nockenwelle (25, 27) über Gestänge (28) gesteuerte Düse (6) geregelt wird0

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmetauschende Oberfläche des Wärmetauschers (7) durch ein an sich bekanntes, die Zufuhr der Heizwärme beeinflussendes Thermostat (17) bei konstanter Temperatur gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel durch Verwertung von Abgaswärme zwischen der Hochdruckpumpe (4) und der Einspritzdüse (6) durch einen von den Abgasen beheizten Vorwärmer (5a) bis nahe unter die Verdampfungstemperatur vorgewärmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die zur Erzeugung der Heizgase erforderliche Verbrennungsluft in an sich bekannter Weise durch einen Abgas-Luftvorwärmer (13) vorgewärmt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei höheren Drehzahlen zum Erreichen einer Voreinspritzung bzw. einer Vorverdampfung des Arbeitsmittels auf der Pumpenantriebswelle (18) bzw. auf der Nockenwelle (25) zusätzlich ein an sich bekannter Spritzversteller (21) angeordnet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (6) elektronisch steuerbar ausgebildet ist, wobei an Stelle des Nockens (27) ein aus Isolierstoff bestehender, mit einer Kontaktfläche (30) unterschiedlicher Breite versehener Schleifkontakt (31) Anwendung findet.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben kraftmaschine (8) als an sich bekannte einfach wirkende Gleichstrom-Dampfmaschine ausgeführt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (7) im Zylinderkopf der Kolben-Kraftmaschine (8) vorgesehen ist bzw. diesen bildet und in an sich bekannter Weise eine möglichst große Oberfläche und ein kleines Volumen aufweist.