DE19546301A1 - Kraftmaschinen-Aggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftmaschinen-Aggregat, das insbe­ sondere als Antriebsaggregat, d. h. Motor zu nutzen ist, jedoch eine Anwendung als Wärmekraftmaschine nicht ausschließt.

Die Erfindung geht davon aus, daß bei den üblichen Maschinen bzw. Motoren mit innerer Verbrennung (Verdrängungs- oder Ver­ dichtermaschinen in Form von z. B. Hubkolben-, Wankelmaschinen, Otto- und Dieselmotoren) ein beträchtlicher Teil von im allge­ meinen über 70% der dem Motor bzw. der Maschine im Kraftstoff zugeführten Energie als ungenutzte Wärmeenergie verlorengeht, und zwar hauptsächlich als Abgaswärme auftritt sowie von den Auspuffgasen an die Kühlflüssigkeit abgegeben wird. Der eben­ falls auftretende Wärmestrahlungsverlust ist deutlich geringer.

In Abgasturboladern wird eine Turbine mit Lader von den Abgasen beaufschlagt und durch eine Vorverdichtung die Zylinderfüllung verbessert. Mit anderen Worten wird die kinetische bzw. Druck­ energie der Abgase genutzt, um die Leistungsdichte zu steigern. Der Wirkungsgrad wird jedoch hierbei nicht erhöht.

Auch eine teilweise Nutzung der Wärmeenergie der Kühlflüssig­ keit zur Fremdheizung ändert den Wärmehaushalt der Maschine selbst nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftmaschinen-Aggregat zu schaffen, in dem der Wärmehaushalt und damit auch der Wirkungsgrad deutlich verbessert sind.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im erfindungsgemäßen Kraftmaschinen-Aggregat sind eine Verbren­ nungsmaschine mit innerer Verbrennung und eine mit äußerer Ver­ brennung, d. h. eine Stirlingmaschine, miteinander gekoppelt. Hierdurch gelingt es, die ungenutzte Abwärme und dabei insbe­ sondere die Abgaswärme aus der inneren Verbrennung zu einem we­ sentlichen Teil in nützbare kinetische Energie, z. B. Bewegungs­ arbeit, des gesamten Aggregats umzusetzen und so den Wirkungs­ grad deutlich zu steigern.

Für die Kopplung wird ein Wärmeaustauscher verwendet, der vor­ zugsweise direkt im heißen Raum der Stirlingmaschine angeordnet ist und so als Erhitzer oder Wärmequelle für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine wirkt. Der Wärmeaustauscher besteht dabei vor­ zugsweise aus mehreren Mikrowärmeaustauschern z. B. in Form von Mikroaustauschern, wie sie gemäß der DE 37 09 278 A1 hergestellt sind.

Zusätzlich zu der Abgaswärme kann auch deren an die Kühlflüs­ sigkeit abgegebene Wärme auf diese Weise nutzbar gemacht wer­ den, indem weitere Wärmeaustauscher mit dem Kühlflüssigkeitssy­ stem, z. B. einer abgezweigten Bypass-Leitung der Kraftmaschine innerer Verbrennung gekoppelt werden. Prinzipiell ist es sogar möglich, auch die Strahlungswärme des Motors innerer Verbren­ nung für den Stirlingmotor nach dem erfindungsgemäßen Prinzip nutzbar zu machen, indem hierzu eine Kapselung des Motors inne­ rer Verbrennung vorgesehen wird und die Kopplung über Abluft­ wärmeaustauscher vorgenommen wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden erfindungsgemäß statt Zylinderkolbenkonstruktionen für die Stirlingkraftma­ schine und vorteilhafterweise auch für die Maschine mit innerer Verbrennung leichtere Verdrängungsmaschinen ohne Pleuelstange, Kurbelwelle und Ausgleichsgewichte eingesetzt, wie sie in der EP 0334302 beschrieben sind. Diese Art vom Maschinen wird im folgenden als Quadrorhombmaschine bezeichnet.

Ferner wird vorzugsweise als Stirlingmaschine eine Maschine mit Verdrängungsmaschinen dieser Art verwendet, bei denen hin- und herfließende Gasströme getrennte Röhren aufweisen, die mit einem Gegenstromwärmeaustauscher verbunden sind nach der DE 44 18 895 A1. In diesem Fall ist der erfindungsgemäße Wärmeaustau­ scher mit dem heißen in eine der Verdrängungsmaschinen münden­ den Rohr als Gegenstromwärmeaustauscher gekoppelt. Diese Art Stirlingmaschine hat den Vorteil, daß nicht ein und dasselbe Gas erhitzt und abgekühlt werden muß und so die erfindungsge­ mäße Verbindung über den Wärmeaustauscher zur Maschine mit innerer Verbrennung besonders einfach ausgelegt werden kann. Ferner ist diese Stirlingmaschine in der Bauweise sehr viel weniger aufwendig und schwer.

Erfindungsgemäß wird ferner vorzugsweise eine Differential- oder Ausgleichsgetriebe zwischen die Maschinen mit innerer und äußerer Verbrennung zwischengeschaltet. Auf diese Weise können deren unterschiedliche Drehzahlen und die damit zusammenhängen­ den Leitungen effektiver nutzbar gemacht werden. Das Aus­ gleichsgetriebe wird dabei nicht in üblicher Weise genutzt, sondern in einer Weise, bei der das sonstige Antriebselement (z. B. Antriebskegelrad), das mit dem kraftübertragenden Motor gekoppelt ist, nun ein Abtriebselement z. B. zu einem Generator ist und die beiden Kraftmaschinen auf die Achswellenelemente (z. B. Achswellenräder) wirken, die in Eingriff mit den Aus­ gleichselementen (z. B. Ausgleichskegelrädern) sind. Die Berech­ nungsgrundlagen für das Ausgleichsgetriebe bleiben jedoch gleich. Das erfindungsgemäße Ausgleichsgetriebe vereinfacht die Lastregelung insbesondere im Hinblick auf die bekanntermaßen mit hohem Lastregelaufwand behaftete Stirlingmaschine.

Zusätzlich zum Ausgleichsgetriebe kann auch zur besseren Last­ regelung und Kupplung eine Schwungscheibe als Energiespeicher vorgesehen werden, die mit der Abtriebsseite der Stirlingma­ schine gekoppelt ist. Benötigt der Verbraucher z. B. nur eine Teillast oder keine (beispielsweise beim Motorlauf im Still­ stand eines Autos), so kann die Stirlingsmaschine vom Aus­ gleichsgetriebe abgekoppelt werden, wobei der entsprechende Wellenstumpf am Ausgleichsgetriebe abgebremst wird und dem Abtriebselement (Verbraucher) nur noch Energie bzw. Bewegungs­ arbeit von der anderen Maschine zugeführt wird. Hingegen wird die Abwärmeenergie dieser Verbrennungsmaschine weiterhin zur Stirlingmaschine übertragen und über diesen auf die Schwungscheibe übertragen und dort kurzzeitig gespeichert (z. B. für eine Beschleunigung).

Das erfindungsgemäße Kraftmaschinen-Aggregat eignet sich sowohl für den stationären als auch mobilen Einsatz z. B. für den Schiffbau, Flugzeuge und Eisenbahnen und prinzipiell auch für den Einsatz im Automobilbau.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels erläutert, das in der Figur schematisch dargestellt ist.

Eine Quadrorhombmaschine 1 nach der EP 0334302 mit innerer Ver­ brennung und der in dieser EP-Patentschrift dargelegten Ver­ drängungsmechanismus weist eine Zufuhrleitung 1a auf, der ein Kraftstoff-Luftgemisch und im Fall von selbstzündenden Motoren Luft zugeführt wird. Diese erste Maschine 1 kann auch wahlweise mit einem Turbolader oder ähnlichem ausgestattet sein.

Die Abgasleitung 1b dieser Maschine 1 ist zu einem ersten Mikrowärmeaustauscher 2 geführt, in dem nach dem Gegenstrom­ prinzip ein Arbeitsgas eines Stirlingverbunds 3 auf dessen hei­ ßer Seite erwärmt wird. Dieser Wärmeaustauscher wird zweckmäßi­ gerweise direkt in die Abgasleitung 1b der Quadrorhombmaschine 1 mit innerer Verbrennung und möglichst nah an letzterer, um Wärmeverluste zu vermeiden, installiert, so daß prinzipiell der skizzierte Wärmeaustausch mit dem in die Maschine 3b mündenden Rohr erzielt wird.

Die linke Quadrorhombmaschine 3a dieses Verbundes ist ansonsten genau so mit der rechten Maschine 3b zu einer Stirlingsmaschine kombiniert, wie in der DE 44 18 895 A1 beschrieben, gemäß der ein Wärmeaustauscher zwischen den Maschinen 3a und 3b die Funk­ tion erfüllt, die beim herkömmlichen Hubkolbenstirlingmotor der Regenerator übernimmt, und im Gegensatz zum Hubkolbenstirling­ motor mit zwei getrennten Gasströmen gearbeitet wird. Erfin­ dungsgemäß werden auch hier vorzugsweise die obigen Mikrowärme­ austauscher 2 als Wärmeaustauscher eingesetzt.

Die Wellenstümpfe der Quadrorhombmaschinen 3b und 1 sind über ein Ausgleichsgetriebe 4 verbunden, wie bereits weiter oben dargelegt wurde. An die Abtriebseite (z. B. Kegelrad) des auf diese Weise verwendeten Getriebes kann z. B. ein Generator ange­ schlossen sein.

Im stationären Betrieb des dargestellten Kraftmaschinen-Aggre­ gats bietet sich zusätzlich zu den bereits weiter oben darge­ legten Nutzungen die Möglichkeit, die abtreibende Seite abzu­ bremsen, so daß durch diese Maßnahme die Stirlingmaschine 3 rückwärts läuft. Wenn dann die Wärmezufuhr von der Verbren­ nungsmaschine 1 abgetrennt wird, arbeitet die Stirlingmaschine, da sie rückwärts läuft, als Kühlaggregat und kann Kaltluft zur Raumklimatisierung liefern. Die Abgaswärme würde in diesem Fall über eine zweite Stirlingkraftmaschine in Elektroenergie umge­ wandelt.

Claims (7)

1. Kraftmaschinen-Aggregat, bestehend aus einer Verbrennungsma­ schine (1), in der ein Teil der der Maschine zugeführten Ener­ gie in ungenutzte Abwärme, insbesondere Energie der Abgase einer inneren Verbrennung umgesetzt wird, in Kombination mit einer Stirling-Maschine (3) und einem oder mehreren Wärmeaus­ tauschern (2), die mit einer Abwärmeleitung (1b), insbesondere Abgasleitung, der ersten Verbrennungsmaschine gekoppelt sind und in denen die Abwärme das Arbeitsgas des Stirlingmotors er­ hitzt.

2. Kraftmaschinen-Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärmeleitung zusätzlich zur Abgasleitung (1b) eine vom Kühlflüssigkeitssystem abgezweigte Leitung umfaßt.

3. Kraftmaschinen-Aggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Wärmeaustauscher (2) Mikrowärmeaustauscher sind.

4. Kraftmaschinen-Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirlingsmaschine (3) und wahlweise auch die Maschine (1) mit innerer Verbrennung Verdrängungsmaschinen gemäß der EP 0334302 sind.

5. Kraftmaschinen-Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirlingsmaschine (3) eine nach dem in der DE 44 18 895 A1 beschriebenen Prinzip aufgebaute Maschine ist.

6. Kraftmaschinen-Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Stirlingsmaschine (3) und die Maschine (1) mit innerer Verbrennung ein Ausgleichsgetriebe (4) geschaltet ist.

7. Kraftmaschinen-Aggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Ausgleichsgetriebe (4) eine Schwungscheibe als Energiespeicher vorgesehen ist, die zwischen die Abtriebs­ seite der Stirlingmaschine (3) und das Ausgleichsgetriebe geschaltet ist.