DE19528900A1 - Dampfmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampfmotor, der wie ein Hubkol­ benmotor ausgeführt ist, in dessen Zylindern der infolge der Aggregatzustandsänderung (Verdampfung) des Wassers erzeugte Wasserdampf expandiert und im Zusammenwirken mit dem Kurbel­ trieb Arbeit verrichtet, wobei sich der Dampfmotor für das 4- Takt- und das 2-Takt-Verfahren eignet.

Stand der Technik

Derartige Dampfmotoren sind aus den DE-OS 24 16 964 und DE-OS 23 29 020 bekannt geworden. Der aus der DE-OS 24 16 964 bekannt gewordene Dampf-Schubkolbenmotor arbeitet mit externer Dampferzeugung, die zwangsläufig Wärme- und Expansionsverluste zu Folge hat. Darübe hinaus erfordert die externe Dampferzeugung zusätzliche Bauteile wie z. B. Kessel. Der aus der DE-OS 23 29 020 bekannt gewordene Expansionsmotor weist einen unterteilten Ar­ beitsraum (Zylinder und Einspritzraum) auf, dessen vergrößerte Oberfläche zu unnötigen Wärmeverlusten führt. Des weiteren ist beim Expansionsmotor keine Vorrichtung vorhanden, die für die Kondensation des entspannten Wasserdampfes, welcher den Arbeits­ raum bereits verlassen hat, sorgt. Dies führt zu weiteren Wärme- und Wasserverlusten. Außerdem ist der Expansionsmotor mit Kühl­ system ausgestattet, obwohl in den Zylindern dieses Motors kei­ ne Verbrennung stattfindet.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Dampfmotor zu schaffen, der mit interner Dampferzeugung arbeitet, dessen Arbeitsraum (Zylinder) nicht unterteilt ist und bei dem ein Kondensator vorhanden ist, in welchen die Kondensa­ tion des entspannten Wasserdampfes und somit die Rückgewinnung des Wassers erfolgt.

Dadurch, daß der Wasserdampf intern d. h. im Zylinder erzeugt wird und den im Zylinder befindlichen Kolben im Sinne der Raum­ vergrößerung ohne Umwege in Bewegung versetzt, lassen sich Wär­ me-, Expansions- und Strömungsverluste vermeiden. Die für die in­ terne Dampferzeugung erforderliche Direkteinspritzung erfolgt mit einer Einspritzdüse, welche das destillierte vorgewärmte Wasser zerstäubt in die im Kolbenboden angeordnete Kolbenmulde einspritzt. Dabei handelt sich um einen intermittierenden Ein­ spritzvorgang, dessen Beginn bezogen auf die Kolbenstellung kurz vor dem oberen Totpunkt im Verdichtungstakt stattfindet. Der Einspritzvorgang wird im Arbeitstakt fortgesetzt, wobei die Ein­ spritzmenge die Einspritzdauer beeinflußt. Die Einspritzmenge ist maßgebend für den Lastzustand des Dampfmotors.

Beim Dampfmotor der eingangs genannten Art gibt es zwei Ein­ gangsstoffe (destilliertes Wasser und Frischluft) und zwei Aus­ gangsstoffe (Wasserdampf und Altluft). Dabei bewegen sich das destillierte Wasser bzw. Kondenswasser und der Wasserdampf in einem geschlossenen Kreislauf, weil der Ausgangsstoff Wasser­ dampf durch Kondensation zu Eingangsstoff Kondenswasser umge­ wandelt wird. Bei der Luft handelt sich um offene Prozeßführung, weil die Altluft durch Frischluft ersetzt wird, wobei die Alt­ luft keinesfalls schadstoffbelastet ist. Die Eingangsstoffe wer­ den vorgewärmt, bevor sie in die Zylinder des Dampfmotors gelan­ gen, wobei die Frischluft in zwei Stufen (Kondensator und An­ saugkrümmer) vorgewärmt. Da der Wasserdampf und die Altluft mit­ einander vermischt sind, wenn sie die Zylinder des Dampfmotors verlassen, müssen sie durch geeignete Vorrichtung voneinander getrennt werden.

Die Vorwärmung der Frischluft im Ansaugkrümmer kann auf drei verschiedene Weisen geschehen. Daraus ergeben sich drei Varian­ ten vom Dampfmotor: Der Elektro-Dampfmotor, der Verbrennungs­ dampfmotor und der Wärmetauscher-Dampfmotor. Beim Elektro-Dampf­ motor wird die Frischluft im Ansaugkrümmer mittels einer ele­ ktrischen Heizspirale vorgewärmt. Darüber hinaus wird das Wasser mit Hilfe von Glühstiftkerzen in den Einspritzdüsen erwärmt. Beim Elektro-Dampfmotor sind mehrere Batterien für die Energie­ versorgung vorgesehen. Beim Verbrennungsdampfmotor ist im An­ saugkrümmer die Brennkammer plaziert, in welcher flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, um die dabei gewonnene Wärme an die Frischluft abzuführen. Beim Wärmetauscher-Dampfmo­ tor ist ein Wärmetauscher in Ansaugkrümmer integriert, wobei der Wärmetauscher von heißen Gasen (z. B. Abgase von Verbrennungsmo­ toren) durchströmt wird und die Wärme an die Frischluft abgibt.

Bei dem Verbrennungs- und dem Wärmetauscher-Dampfmotor wird für die Vorwärmung des Wassers, welches sich in den Einspritzdüsen befindet, erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Zylinderkopf so aus­ zubilden, daß dieser von den bereits genannten Gasen durchströmt wird.

Bei allen drei Dampfmotor-Varianten erfolgt die erste Stufe der Frischluftvorwärmung durch den Kondensator. Im Kondensator, welcher aus zwei Kühlnetzen und einem Wasserkasten besteht, wird die Kondensation des Wasserdampfes und die Trennung der Altluft vom Kondenswasser vollzogen, wobei sich das Kondenswasser im Was­ serkasten ansammelt. Das Kondenswasser, welches fortlaufend aus dem Wasserkasten für Einspritzungen entnommen wird, trennt die beiden Kühlnetze des Kondensatörs. Um die Kühlnetze des Konden­ sators ist ein Kondensatorgehäuse gebildet, welches im Zusammen­ wirken mit Leitblechen die Frischluft so leitet, daß diese die beiden Kühlnetze mehrmals von außen passiert. Von innen werden die Kühlnetze von Wasserdampf und Altluft durchströmt. Dabei ge­ ben der Wasserdampf und die Altluft ihre Wärme über die Wände der Kühlnetze an die Frischluft ab.

Beim Dampfmotor der eingangs genannten Art wird vorgeschla­ gen die Zylinder doppelwändig auszuführen, wodurch ein Zwischen­ raum gebildet wird, welcher Erwärmmantel genannt wird. Am Ende des Arbeitsspiels (Ausstoßen beim 4-Takter bzw. Spülvorgang beim 2-Takter) treten der Wasserdampf und die Altluft aus den Zylin­ dern aus und gelangen in den Erwärmmantel, wo sie die Zylinder von außen erwärmen. Anschließend verlassen der Wasserdampf und die Altluft den Erwärmmantel und strömen zur Turbine, welche entweder einen Kreisellader oder einen Stromgenerator antreibt. Die Turbine baut den Druck, der beim Öffnen des Auslaßventils bzw. beim Freigeben der Auslaßschlitze durch den Kolben im Zy­ linder herrscht, ab.

Nachfolgend werden der geschlossene Wasser-/Wasserdampfkreis­ lauf und die offene Prozeßführung der Luft anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert:
Das Wasser wird mittels einer Einspritzdüse 1 in die im Kolben 4 angeordnete Kolbenmulde eingespritzt. Das Wasser vermengt sich mit der heißen Frischluft, verdampft und expandiert, wobei der Kolben 4 im Zylinder 3 abwärts bewegt wird (Fig. 4). Danach wird der Wasserdampf mit Altluft beim Aufwärtsgehen des Kolbens 4 durch das offene Auslaßventil 6 aus dem Zylinder 3 in den Er­ wärmmantel ausgeschoben (Fig. 5) . Anschließend strömen der Was­ serdampf und die Altluft zur Turbine 2v und von dort aus in den Kühlnetz 8v des Kondensators 4v, wo der Wasserdampf kondensiert (Fig. 6). Das entstandene Kondenswasser sammelt sich im Wasser­ kasten 5v des Kondensators 4v an. Von dort wird das Kondenswas­ ser entnommen, gefiltert und wieder in die Zylinder 3 des Dampf­ motors 1v eingespritzt. Somit schließt sich der Wasser-/Wasser­ dampfkreislauf.

Die offene Prozeßführung der Luft:
Die aus der Atmosphäre aufgenommene Frischluft wird zuerst im Luftfilter 6v gefiltert, dann durch das Kondensatorgehäuse 3v und die Leitbleche dazu gezwungen, die Kühlnetze 8v des Konden­ sators 4v mehrmals von außen zu passieren. Dabei entzieht die Frischluft den Kühlnetzen 8v Wärme. Die auf diese Weise vorge­ wärmte Frischluft gelangt danach in den Ansaugkrümmer 7v des Dampfmotors 1v, wo eine weitere Erwärmung der Frischluft statt­ findet (Fig. 6). Der abwärtsgehende Kolben 4 saugt die erwärmte Frischluft durch das offene Einlaßventil 2 in den Zylinder 3 an (Fig. 1). Der aufwärtsgehende Kolben 4 schiebt die überschüssige Frischluft durch das noch offene Einlaßventil 2 in den Ansaug­ krümmer 7v zurück (Fig. 2). Dann schließt das Einlaßventil 2 (Schließzeitpunkt liegt zwischen 80 und 120 Grad Kurbelwinkel nach unterem Totpunkt) und der Kolben 4 komprimiert die im Zy­ linder vorhandene Frischluft (Fig. 3). Gegen Ende des Verdich­ tungstaktes (Fig. 3) und am Anfang des Arbeitstaktes (Fig. 4) er­ folgt die Wassereinspritzung. Die komprimierte heiße Frischluft liefert dem eingespritzten Wasser Wärme, so daß dieses verdampft und Expansionsarbeit leistet. Während des Arbeitstaktes (Fig. 4) behält der Wasserdampf seinen gasförmigen Zustand bei und aus der Frischluft wird Altluft. Wie bereits im oberen Abschnitt be­ schrieben, verlassen die Altluft und der Wasserdampf den Zylin­ der 3 (Fig. 5), passieren den Erwärmmantel, dann die Turbine 2v und strömen zuletzt in das erste Kühlnetz 8v des Kondensators 4v hinein. Die Altluft durchströmt das erste Kühlnetz, dessen dünnwändige Röhren im mit Kondenswasser gefüllten Wasserkasten 5v enden, so daß die aus diesen Röhren austretende Altluft durch das Kondenswasser (infolge des Auftriebs) strömt. So kommt die Altluft in das zweite Kühlnetz 8v, durchströmt es und entweicht anschließend ins Freie (Fig. 6).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, beim Dampfmotor zwei unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse einzuführen. Es handelt sich um das theoretische und das tatsä­ chliche Verdichtungsverhältnis. Das theoretische Verdichtungs­ verhältnis ist ein Volumenverhältnis vom Gesamtraum (Hubraum und Verdichtung→aum) zum Verdichtungsraum und beträgt 30 : 1 bis 60 : 1. Das theoretische Verdichtungsverhältnis ist konstant und übersteigt das Verdichtungsverhältnis des Dieselmotors. Das tat­ sächliche Verdichtungsverhältnis hängt vom Schließzeitpunkt des Einlaßventils (etwa 80 bis 120 Grad Kurbelwinkel nach unterem Totpunkt) ab und beträgt 15 : 1 bis 30 : 1. Durch das späte Schlie­ ßen des Einlaßventils ergibt sich die große Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis Der Schließzeitpunkt des Einlaßventils ist nicht auf einen be­ stimmten Wert (Kurbelwinkelgrad) festgelegt, sondern kann verän­ dert werden. Demzufolge ist das tatsächliche Verdichtungsver­ hältnis variabel. Die Verstellung des Schließzeitpunktes vom Ein­ laßventil (variable Einlaßsteuerzeiten) geschieht durch einen Nockenwellenversteller, der die Einlaßnockenwelle abhängig vom Lastbereich des Dampfmotors in die Früh- bzw. Spätstellung ver­ stellt.

Durch die zwei unterschiedlich hohen Verdichtungsverhältnisse lassen sich beim Dampfmotor volumetrisch sehr kleine Verdich­ tungsräume realisieren, ohne daß die Frischluft im Verdichtungs­ takt zu stark komprimiert wird. Ein sehr kleiner Verdichtungs­ raum hat erstens eine sehr kleine Oberfläche (geringe Wärmeab­ gabe) und bewirkt zweitens eine enorme Raumvergrößerung im Zy­ linder während des Arbeitstaktes, wodurch ein großer Teil der Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgesetzt wird.

Der Dampfmotor ist wie ein Hubkolbenmotor ausgeführt und eig­ net sich für das 4-Takt- und das 2-Takt-Verfahren. Der 4-Takt- Dampfmotor ähnelt stark dem Diesel-Direkteinspritzer, wobei der Dampfmotor im Gegensatz zum Dieselmotor ohne Kühl- und Abgassy­ stem ist. Statt dessen ist beim 4-Takt-Dampfmotor eine Energie­ versorgungsanlage und Kondensator vorhanden. Der 2-Takt-Dampfmo­ tor ist im Prinzip gleich aufgebaut wie der 4-Takt-Dampfmotor. Der Zweitakter ist wie der Viertakter mit Einlaßventilen verse­ hen. Damit lassen sich auch beim Zweitakter die zwei unterschied­ lich hohen Verdichtungsverhältnisse realisieren. Die Rolle der Auslaßventile übernehmen beim Zweitakter die in den Zylinderwän­ den angeordneten Auslaßschlitze, welche von den Kolben geschlos­ sen bzw. freigegeben werden. Zur Durchführung des Spülvorgangs ist eine Spülpumpe erforderlich. Als solche fungiert ein vom Mo­ tor angetriebener Lader.

Zeichnung

Fig. 1 bis 5 gehören zur Funktionsdarstellung des Arbeits­ spiels vom 4-Takt-Dampfmotor, wobei

Fig. 1 den 1. Takt (Ansaugen der Frischluft),

Fig. 2 den 2. Takt (Ausstoßen überschüssiger Frischluft),

Fig. 3 den 2. Takt (Verdichten der Frischluft),

Fig. 4 den 3. Takt (Arbeiten des Wasserdampfes), und

Fig. 5 den 4. Takt (Ausstoßen des Wasserdampfes u. der Altluft) zeigen. Fig. 6 ist eine vereinfachte Darstellung des Dampfmo­ tors mit Nebenaggregaten.

Bezugszeichenliste

OT Oberer Totpunkt
UT Unterer Totpunkt
E Einspritzbeginn
1 Einspritzdüse
2 Einlaßventil
3 Zylinder
4 Kolben
5 Kurbelkreis
6 Auslaßventil
7 Pleuelstange
F Frischluft
W Wasserdampf
A Altluft
1v Dampfmotor
2v Turbine
3v Kondensatorgehäuse
4v Kondensator
5v Wasserkasten
6v Luftfilter
7v Ansaugkrümmer
8v Kühlnetze

Claims (11)

1. Verfahren zum Betrieb eines als Hubkolbenmotor ausgebilde­ ten Dampfmotors mit einem Motorgehäuse, welches mindestens einen Zylinder und einen in dem Zylinder geführten Kolben aufweist, so daß zwischen der Zylinderinnenwand und dem Kolben ein Kompressionsraum gebildet ist, dessen Volumen sich durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens verändert, einem mindestens eine Einspritzdüse aufweisenden Ein­ spritzsystem zum Einspritzen eines Arbeitsmediums in den Kompressionsraum und einer Energieversorgungsanlage zur Erwärmung einer dem Kompressionsraum zugeführter Frisch­ luft, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium vorgeheiztes Wasser mit der Einspritzdüse (1) in den maximal komprimierten Kompressionsraum einge­ spritzt wird, welches beim Einspritzen verdampft, so daß der erzeugte Wasserdampf Druck auf den Kolben (4) ausübt.

2. Verfahren zum Betrieb eines Dampfmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Was­ ser in der Einspritzdüse (1) vorgewärmt wird und in eine in dem Kolben (4) ausgebildete Kolbenmulde eingespritzt wird.

3. Verfahren zum Betrieb eines Dampfmotors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Kompressionsraum angesaugten Frischluft in einem vor dem Kompressionsraum angeordneten Ansaugkrümmer (7v) durch eine elektrische Heizspirale oder eine Brenn­ kammer oder einem Wärmetauscher Wärme zugeführt wird.

4. Verfahren zum Betrieb eines Dampfmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß dieses als Viertakt- oder als Zweitaktverfahren ausgeführt werden kann.

5. Verfahren zum Betrieb eines Dampfmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leistungsregelung durch die Änderung der eingespritzten Wassermenge erfolgt.

6. Dampfmotor zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß dieser einen durch die angesaugte Frischluft gekühlten Kondensator (4v) aufweist.

7. Dampfmotor gemäß Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser als Zweitaktmotor ausgebildet ist, der in dem Zylinderkopf angeordnete Einlaßventile (2) und in der Zylinderwand auf der Höhe des unteren Tot­ punktes angeordnete Auslaßschlitze aufweist, und mit einem vom Motor angetriebenen Lader versehen ist, der als Spül­ pumpe fungiert.

8. Dampfmotor gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis in dem Kompressionsraum in Abhängigkeit von dem Lastbereich des Dampfmotors durch einen Nockenwellenversteller varia­ bel steuerbar ist.

9. Dampfmotor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, ge­ kennzeichnet durch einen Kondensator (4v), in dem eine Kondensation des entspannten Wasser­ dampfes und eine Trennung der aus dem Kompressionsraum aus strömenden Altluft von dem darin enthaltenen Kondens­ wasser vollzogen werden, so daß ein geschlossener Wasser- /Wasserdampfkreislauf zustandekommt.

10. Dampfmotor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zylinder an der Außenwand einen Raum aufweist, den Medien zur Er­ wärmung des Zylinders durchströmen können.

11. Dampfmotor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß dieser eine Turbine aufweist, die durch das aus dem Kompressionsraum ausströmende Medium antreibbar ist.