DE19847742C1 - Dampfmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Dampfmaschine umfaßt eine Einrichtung zur Erzeugung von Dampf und eine Kolben-Zylinder-Einheit zur Erzeugung eines Drehmoments mit Hilfe des Dampfes. Die Kolben-Zylinder-Einheit wird durch den Motorblock eines Mehrzylinder-Dieselmotors gebildet, der in den folgenden technischen Einzelheiten verändert ist: DOLLAR A - Einlaß- und Auslaßseite mit Einlaß- und Auslaßkrümmern sowie Einlaß und Auslaßventilen (74, 76) sind vertauscht; DOLLAR A - das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle und der Nockenwelle beträgt 1 : 1; DOLLAR A - die Ventilsteuerung ist so ausgelegt, daß die Einlaßventile (74) etwa bei OT öffnen und bei 90 DEG KW schließen und die Auslaßventile etwa bei UT öffnen und bei OT schließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfmaschine mit einer Einrichtung zur Erzeu­ gung von Dampf und einer Kolben-Zylinder-Einheit zur Erzeugung eines Drehmoments mit Hilfe des Dampfes.

Die DE 195 28 900 A1 beschreibt einen Dampfmotor, der wie ein Hubkolben­ motor ausgeführt ist. Es soll ein Dampfmotor geschaffen werden, der mit in­ terner Dampferzeugung arbeitet. Wasserdampf soll im Zylinder erzeugt wer­ den und den Kolben in Bewegung setzen. Die benötigte Wärme soll offenbar auf elektrischem Wege oder durch Verbrennen eines Kraftstoffs im Ansaug­ krümmer beigebracht werden.

In vielen Ländern der Erde, insbesondere in Ländern der sogenannten Drit­ ten Welt werden einfache und robuste Antriebsquellen für Generatoren, Pum­ pen und Maschinen verschiedener Art benötigt. In den genannten Ländern würde oft die Möglichkeit bestehen, mit Hilfe von Sonnenenergie in preis­ werter und umweltfreundlicher Weise Dampf zu erzeugen, jedoch sind die üblichen Dampfturbinen kompliziert und teuer. Das gilt ebenso für die her­ kömmlichen Dampfmaschinen mit Kolben-Zylinder-Einheit und Schieber­ steuerung. Ihr Einsatz unter den genannten extremen Bedingungen kommt daher in der Regel nicht in Frage.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dampfmaschine der obigen Art zu schaffen, die robust und dauerhaft ist und mit verhältnismäßig sehr geringen Kosten hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Dampfmaschine der obigen Art dadurch gelöst, daß die Kolben-Zylinder-Einheit durch den Motorblock eines Mehrzylinder- Dieselmotors gebildet wird, der in den folgenden technischen Einzelheiten verändert ist:

• - Einlaß- und Auslaßseite mit Einlaß- und Auslaßkrümmern sowie Einlaß und Auslaßventilen sind vertauscht;
• - das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle und der Nockenwelle beträgt 1 : 1;
• - die Ventilsteuerung ist so ausgelegt, daß die Einlaßventile etwa bei OT öffnen und bei 90° KW schließen und die Auslaßventile etwa bei UT öff­ nen und bei OT schließen.

Dieselmotoren, die aufgrund ihres Verschleißbildes nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können, sind geeignet zur konstruktiven Umgestaltung zum ventilgesteuerten Dampfmotor im Sinne der vorliegenden Erfindung.

Ausgediente Dieselmotoren können sehr preisgünstig beschafft werden. Sie eignen sich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vor allem deshalb, weil sie für den Betrieb als Dieselmotor auf einen Mitteldruck von ca. 20 bar ausgelegt sind, so daß sie die Drücke, die beim Betrieb als Dampfmotor auf­ treten, ohne weiteres aufnehmen können. Da der Auslaßkrümmer eines Die­ selmotors im allgemeinen noch stabiler ist als der Einlaßkrümmer, und da im übrigen die Ventilöffnungen der Einlaßventile bei Dieselmaschinen größer sind als diejenigen der Auslaßventile, werden Einlaßseite und Auslaßseite für die Nutzung als Dampfmotor gemäß der vorliegenden Erfindung vertauscht. Auf diese Weise wird der unter einem Druck von beispielsweise 8 bis 10 bar bei 180°C zugeführte Heißdampf durch den ursprünglichen Auslaßkrümmer und die Auslaßöffnungen des Zylinderkopfs zugeführt. Nach der Expansion des Dampfes, die zur Abgabe von Arbeit führt, hat sich das Volumen des Dampfes vergrößert, so daß die größere Öffnung der Einlaßventile des Diesel­ motors, die erfindungsgemäß als Auslaßventile genutzt werden, vorteilhaft ist.

Neben dieser Umkehr der Durchlaufrichtung des Dampfes durch den Motor ist es erforderlich, die Ventilsteuerung anzupassen. Der erfindungsgemäße Dampfmotor läuft nicht im Viertaktbetrieb, sondern gewissermaßen als Zweitakter, d. h., daß bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle in jedem Zylinder des Motorblocks ein Arbeitstakt stattfindet. Das bedeutet zunächst, daß die Nockenwelle die selbe Drehzahl haben muß wie die Kurbelwelle. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß in dem Kettentrieb, durch den die Nockenwelle von der Kurbelwelle angetrieben wird, auf beiden Seiten Zahn­ räder mit gleicher Zähnezahl vorgesehen sind.

Der Dampf verläßt den erfindungsgemäßen Dampfmotor nach der Expansion auf 1 bar mit einer Temperatur von etwa 110°. Die Restwärme des Dampfes kann daher über einen Wärmetauscher zurückgewonnen werden, der zu­ gleich Kondensator für den Dampf ist. Mit der Restwärme kann beispielswei­ se eine Heizungsanlage betrieben werden. Das Kondensat kann erneut zur Aufbereitung von Dampf verwendet werden.

Im Zuge der Umrüstung des Dieselmotors werden die Federn der Einlaßven­ tile, d. h., der vormaligen Auslaßventile, durch stärkere Federn ersetzt, die beispielsweise eine Federkraft von 800 N bei 10 mm Hub für maximal 10 bar Eingangsdruck des Dampfes aufbringen. Da der Dampf mit diesem Druck vor den Einlaßventilen ansteht, könnten die Ventile andernfalls durch den Dampfdruck unkontrolliert geöffnet werden.

Ein erfindungsgemäßer Dampfmotor erreicht beispielsweise eine Betriebs­ drehzahl von 500 l/min. Da die vorhandene Schmierölpumpe naturgemäß auf die üblicherweise höhere Drehzahl von Dieselmotoren ausgelegt ist, muß das Übersetzungsverhältnis im Antriebszug zwischen Kurbelwelle und Schmieröl­ pumpe entsprechend angepaßt werden.

Durch Zusammenlegen der Arbeitsschritte "Volldruck" und "Expansion" in Verbindung mit der Ventilsteuerung läßt sich ein wesentlich verbesserter Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Dampfmaschinen erreichen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Gesamtanord­ nung aus Dampfkessel, Dampfmotor, Kondensator etc.;

Fig. 2A bis 2D veranschaulichen einen Arbeitszyklus einer Kolben-Zy­ linder-Einheit;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Vier-Zylinder- Dampfmotors.

Fig. 1 zeigt auf der linken Seite einen Dampfkessel 10 mit einem unteren Feuerraum 12 und einem oberen Dampfdom 14. Mit 16 ist ein Rauchabzug bezeichnet. Der gebildete Dampf wird mit einem Druck von beispielsweise 8 bis 10 bar und einer Temperatur von 180°C einem Dampfmotor 20 zugeleitet. Der Dampfmotor 20 ist hier nur schematisch dargestellt. Er besitzt die übli­ chen Aggregate und Bestandteile eines Dieselmotors, also eine Anzahl von Zy­ lindern mit beweglichen Kolben, eine Kurbelwelle, Einlaß- und Auslaßventile, eine Nockenwelle und einen Ölsumpf mit Ölpumpe. Diese Elemente sind all­ gemein bekannt und müssen daher nicht näher erläutert oder zeichnerisch dargestellt werden.

Die Druckleitung 18 wird mit einem nicht gezeigten Einlaßkrümmer verbun­ den. Dieser Einlaßkrümmer wird gebildet durch den ursprünglichen Auslaß­ krümmer des Dieselmotors. Ebenso sind die Einlaß- und die Auslaßventile bei der Nutzung als Dampfmotor vertauscht. In der weiteren Beschreibung sollen die Ventile jedoch stets entsprechend der Nutzung innerhalb des Dampfmo­ tors bezeichnet werden.

Nach der Expansion verläßt der Dampf mit einem Druck von etwa 1 bar und einer Temperatur von etwa 110°C den Dampfmotor über die Auslaßventile und den Auslaßkrümmer sowie eine Rückleitung 22. Diese Rückleitung 22 mündet im unteren Bereich in einen Wärmetauscher 24 ein. Hier steigt der Dampf an einer Kühlschlange 26 nach oben auf, bis er im oberen Bereich des Wärmetauschers auf eine Dampfprallplatte trifft. Das auf diese Weise gebildete Kondensat läuft über eine Leitung 28 in einen Wasser-Sammler 30.

Im Zuge der Kondensation des Dampfes erwärmt sich die in der Kühlschlan­ ge 26 enthaltene Flüssigkeit, die ebenfalls durch Wasser gebildet sein kann. Diese erwärmte Flüssigkeit tritt im oberen Bereich des Wärmetauschers 24 aus der Kühlschlange und dem Wärmetauscher über eine Leitung 32 aus. Die Leitung 32 mündet in einen weiteren Wärmetauscher 34, in dem sich eine Heizschlange 36 befindet, die das Wasser weiter erwärmt. Diese Heizschlange 36 dient zum Kühlen des Schmieröls, das über Leitungen 38 und 40 vom Öl­ sumpf 42 des Dampfmotors aus umgewälzt wird. Das aus dem Wärmetauscher 34 austretende, weiter erwärmte Wasser kann über eine Leitung 44 als Vor­ lauf einem nicht dargestellten Heizungssystem zugeführt werden.

Eine weitere Leitung 46 bildet den Rücklauf des Heizungssystems und tritt von unten in die Kühlschlange des Wärmetauschers 24 ein. Der Vollständig­ keit halber sind ein Mischer 48 und eine Verbindungsleitung 50 zwischen Vorlauf und Rücklauf dargestellt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dem Vorlauf nach Bedarf Rücklauf-Wasser beizumischen.

In dem dargestellten Beispiel treibt der Dampfmotor 20 über ein Planetenge­ triebe 52 mit Anlaufkupplung einen Generator 54 an.

In dem bereits erwähnten Sammler 30 wird das aus der Leitung 28 zuströ­ mende Kondensat gesammelt. In den Sammler 30 tritt zugleich eine Speise­ wasser-Leitung 56 ein, durch die bei Bedarf fehlendes Wasser ergänzt werden kann. Vom Sammler 30 aus wird das Wasser über eine Leitung 58 mit Hilfe einer Pumpe 60 in den Dampfkessel 10 eingeleitet. Auf diese Weise kann das Wasser in einem geschlossenen Kreislaufsystem genutzt werden, so daß nur geringer Bedarf an zusätzlichem Speisewasser während des Betriebs besteht.

Im linken unteren Bereich der Fig. 1 ist im übrigen eine Steuereinheit 62 dargestellt. Diese Steuereinheit 62 steuert und regelt über nicht im einzel­ nen bezeichneten Steuerleitungen den Feuerraum 12, den Generator 54, den Motor 64 der Pumpe 60, Wasserstand, Betriebsdruck, Temperatur des Dampfkessels 10 und den Mischer 48 der Heizung.

Fig. 2A bis 2D veranschaulichen schematisch einen Arbeitszyklus eines Zylin­ ders. Gezeigt sind jeweils ein Zylinder 66, ein in diesem laufender Kolben 68, eine Pleuelstange 70 und eine Kurbelwelle 72 sowie ein Einlaßventil 74 und ein Auslaßventil 76. In Fig. 2A befindet sich der Kolben 68 in einer Position kurz nach Durchlaufen des oberen Totpunkts, nämlich etwa bei 8° nach OT. Bei OT wird das Einlaßventil 74 geöffnet, wenn das Auslaßventil 76 geschlos­ sen ist.

Fig. 2B bezieht sich auf die Stellung des Kolbens bei 80° nach OT. Das Einlaß­ ventil 74 ist hier noch geöffnet, wird aber bei etwa 90° nach OT geschlossen. Das Auslaßventil 76 ist weiterhin geschlossen. In dieser Phase expandiert der im Zylinderraum enthaltene Dampf unter gleichzeitiger Abkühlung von 180° auf etwa 110°C. In dieser Phase bis hin zum unteren Totpunkt sind beide Ventile 74,76 geschlossen. Erst im Bereich des unteren Totpunkts wird das Auslaßventil 76 geöffnet und der abgekühlte Dampf ausgestoßen.

Fig. 3 veranschaulicht schematisch einen Vier-Zylinder-Dieselmotor. Es ist erkennbar, daß das kleinere Ventil als Einlaßventil 74 und das größere als Auslaßventil 76 verwendet wird, da der Dampf nach dem Expandieren ein er­ heblich größeres Volumen aufweist als zuvor in der Heißdampfphase.

An den beiden Enden der Kurbelwelle 72 sind eine Riemenscheibe 78 und eine Kupplungsscheibe 80 gezeigt. Wie üblich, weist die Vierzylindermaschi­ ne fünf in Fig. 3 nicht bezeichnete Wellenlager auf. Hinsichtlich dieser Teile sind Veränderungen des verwendeten gebrauchten Dieselmotors nicht erfor­ derlich.

Claims (7)

1. Dampfmaschine mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Dampf und ei­ ner Kolben-Zylinder-Einheit zur Erzeugung eines Drehmoments mit Hilfe des Dampfes, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheit durch den Motorblock eines Mehrzylinder-Dieselmotors gebildet wird, der in den folgenden technischen Einzelheiten verändert ist:

• 1. Einlaß- und Auslaßseite mit Einlaß- und Auslaßkrümmern sowie Einlaß und Auslaßventilen (74, 76) sind vertauscht;
• 2. das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle und der Nockenwelle beträgt 1 : 1;
• 3. die Ventilsteuerung ist so ausgelegt, daß die Einlaßventile (74) etwa bei OT öffnen und bei 90°KW schließen und die Auslaßventile etwa bei UT öffnen und bei OT schließen.

2. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fe­ dern der Einlaßventile (74) gegenüber den bei Dieselmotoren üblichen Fe­ dern verstärkt sind.

3. Dampfmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderkopfdichtung des Dieselmotors entfernt und die Dichtungsober­ fläche feinstbearbeitet ist.

4. Dampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenwelle eine Fliehkraft-Winkelverstellung zur drehzahlabhängigen Verschiebung der Öffnungs- und Schließzeiten der Ven­ tile zugeordnet ist.

5. Dampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle und die Nockenwelle über einen Ket­ tentrieb mit Zahnrädern gleicher Zähnezahl verbunden sind.

6. Dampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der über die Kurbelwelle angetriebenen Schmierölpumpe durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses erhöht ist.

7. Dampfmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlerhöhung wenigstens auf das Vierfache erfolgt ist.