DE2329020A1

DE2329020A1 - Expansionsmotor

Info

Publication number: DE2329020A1
Application number: DE19732329020
Authority: DE
Inventors: Beantragt Nichtnennung
Original assignee: Mediphysico S A
Current assignee: Mediphysico S A
Priority date: 1973-06-07
Filing date: 1973-06-07
Publication date: 1975-01-30

Description

i.xpansionsmotor

Die Erfindung betrifft einen Expaniiommotor mit mindestens einem Zylinder, mit einem in diesem gleitenden Kolben, der in einem Ansaugtakt Luft ansaugt und diese in einem Kompressionstakt verdichtet, und mit einer ein weiteres Medium zuführenden Einspritzvorrichtung.

Ein nach dieser Art ausgeführter Motor ,ist s.B. als Dieselmotor bekannt. Nach dem Komprimieren der Luft im Zylinder wird mittels einer Einspritzpumpe zu einem bestimmten Zeitpunkt eine vorgegebene Menge Dieselöl eingespritzt. Ua sich die Luft beim Komprimieren sehr stark erhitzt hat, entzündet sich das Dieselöl. Der bei der Verbrennung des Dieselöls entstehende Druck leistet eine Arbeit, durch die der Kolben im Sinne einer Vergrößerung des Zylindervolumens bewegt wird. Es ist bekannt, diese Motoren als Zweitakt- oder Viertaktmotoren mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern auszuführen.

Dieser Motor hat ebenso wie auch die mit Benzin betriebenen Verbrennungsmotoren einige als störend empfundene Nachteile.

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Das als Brem*·toff dienend· Dieselöl let verhlltnisaftssig teuer und kann mur an bestiaaten Zapfstellen bezogen wtrdn, Auch wird di· Luft durch di· Abga·· der Mot «ran at ark verunreinigt, vas insbesondere la dichtem Stadtverkehr la einea Ausaase der Fall 1st, daaa sogar gesundheitliche Schldungen hervorgerufen werden können. Ia übrigen liest sich, bedingt durch den Verbrennungsvorgang, ein erschütterungsfreier Lauf des Metors nicht erztten.

Als Antriebsaaechin*«n aind ferner D sap faa a chin en bekannt, bei denen durch Erhitzung von Wasser Daapf erzeugt wird. Die Erhitzung des Wassers erfolgt in Kesseln, die la Bereich der eigentlichen Daapfaaschine errichtet werden nüssen. Wenn eine Daapfaaschine ala Antrieb für ein Fahrzeug verwendet werden soll, se ist diese Anwendung in technisch sinnvoller Weise nur bei Schiffen aöglich. Ia übrigen werden Daapfaaschlnen nur für stat!onIren Betrieb vorgesehen. In jede« Fall auss der in einer Kesselanlage erzeugte Daapf über besondere Dampfleitungen in einen Arbeitszylinder geführt werden, in dea er dusch Expansion Arbeit leisten kann.

Hlervan ausgehend lag der Erfindun-g die Aufgabe zugrunde, einen Expansiensaetor zu schaffen, der sich alt frei zur Verfügung stehenden Betriebsaltteln ohne die Entwicklung von Abgasen betreiben lässt, der geringere Betriebskosten erfordert und dabei einen wesentlich ruhigeren Lauf hat als z.B. ein Dieselaoter.

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Für einen Bxpansionsmotor der eingangs genannten Art mit einem Zylinder, mit einem luftansaugenden Kolben und mit einer ein weiteres Medium zuführenden Einspritzvorrichtung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass das weitere Medium Wasser ist.

Die Arbeitsweise des nach der Erfindung ausgebildeten Motors ist folgendet

Die angesaugte Luft wird beim Dieselmotor so stark verdichtet, dass eine hohe Temperatur erreicht wird. Beim Einspritzen tu Wasser verdampft dieses schlagartig, so dass ein Expansionsdruck entsteht, der Arbeit zu leisten vermag. Der Kolben wird durch den Expansionsdruck im Sinne einer Volumenvergrösserung angetrieben) diese Antriebskraft wird über eine Pleuelstange, an der der Kolben gelagert ist, abgenommen. Während dieses Arbeitstaktes behält der Dampf seinen dampfförmigen Zustand bei. Anachiiessend wird der entspannte Dampf durch Auslassöffnungen bekannter Art aus dem Zylinder herausgedrückt.

Da Luft und Wasser überall zur Verfügung stehen, ist der nach der Erfindung ausgebildete Expaneionsmotor von der Veraorgung über bestimmte Zapfstellen unabhängig. Diese Unabhängigkeit erstreckt sich auch auf eventuelle Versorgungeschwierigkeiten, die durch eine Benzin- oder Rohölknappheit bedingt sind. Kin weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sich das eingespritzte Wasser aus dem expandierten Dampf zurückgewinnen lässt, ·ο dass es für spätere Einspritz-

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vorgänge zur Verfügung steht. Im übrigen entstehen keine Abgase, und der nach der Erfindung ausgebildete Expansionsmotor läuft wesentlich ruhiger, da Verbrennungsvorgänge nicht stattfinden. Darüber hinaus besteht nach wie vor die Möglichkeit, einen solchen Motor als Zweitakt- oder Viertaktmotor auszubilden und eine beliebige Anzahl von Zylindern vorzusehen.

Um Verunreinigungen des Motors vorzubeugen, kann vorteilhaft destilliertes Wasser zur Einspritzung verwendet werden. Günstig ist es auch, wenn das Wasser auf eine etwa zwischen SO und 90°C liegende Temperatur vorgewärmt ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Einspritzung des Wassers in einen die komprimierte Luft enthaltenden Einspritzraum erfolgt, der mit dem Kolbenraum durch einen Durchtritt verbunden ist, dessen Querschnitt wesentlich kleiner ist als der Kolbenquerschnitt. Während des Expansionsvorganges strömt der Dampf durch den Durchtritt hindurch in den Zylinderraum, wobei die durch den Durchtritt gebildete Querschnittraerengung dafür sorgt, dass infolge des Nachströmens des im Einspritzraum erzeugten Dampfes der Expansionsdruck nicht schlagartig und nur während einer sehr kurzen Zeit auf den Kolben einwirkt! vielmehr wird über einen etwas längeren Zeitraum auf den Kolben ein Arbeitsdruck ausgeübt.

Der Einspritzraum lässt sich gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorteilhaft im Zylinderkopf das Expansionsmotors

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anordnen, somit ist es möglich, bereits vorhandene Dieselmotoren nachträglich mit einem solchen Zylinderkopf auszurüsten.

Line besondere gute Verteilung des eingespritzten Wassers und ein günstiger Ablauf des uampferzeugungsvorganges werden durch einen kugelförmig ausgebildeten cinspritzraun erreicht.

Um einer zu starken erhitzung des dem oinspritzram zugeführten Wassers infolge der Ligenwärme des Motors und damit einer vorzeitigen üarapfbildung bereits in den binspritzleitungen vorzubeugen, wird eriindungsgeraäß weiterhin vorgeschlagen, daß die Linspritzleitungen durch das Kühlwassersystera des hotors geführt sind.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Zylinderkopf mit einer warmelsolationsschicht umgeben ist. Diese verhindert eine zu große bärir.eabstrahlung aus dem Zylinderkopf.

in weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die iienge des vor dem lieginn jedes Arbeitshubes eingespritzten Wassers in Abhängigkeit von der ih bxpansionaraum herrschenden Temperatur so gesteuert wird, daß bei Annäherung an einen vorgegebenen Temperaturwert eine vergrößerte Wasserujenge eingespritzt wird. Der vorgegebene Temperaturwert kann

ein

etwa bei 9OU C liegen; in jedem Fall muß Erreichen einer Temperatur von 950 C vermieden werden, da dann ein Zerfall der Wassermoleküle eintritt. Die kühlung des bxpansionstnotors beruht also darauf, daß beim Überschreiten einer für den Uetrieb ansich optimalen Wassermenge eine Verminderung der Temperatur erfolgen kann. Die optimale Wassermenge je Arbeitshub kann für mehrere aufeinanderfolgende Arbeitshube

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beibehalten werden, während eine vergrößerte hasaermenge am Ende einer solchen Folge eingespritzt wird, zum JJeiepxel jeweils nach drei Arbeitshuben. Jie vergrößerte »assermenge ist zweckmäßig doppelt so groß wie die optimale Wnesermenge.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Gründung anhand einer Zeichnung näher beschrieben, die einen scheoiatischen schnitt durch einen Expansioi ?n 'tor darstellt. Dieser ist hier als binzylinder-ZweitautAotor ausgebildet. Ine Erfindung läßt sich selbstverständlich auch tür Vi ertaktiuotore anwenden.

i.n einem Zylinder IG ist ein Kolben 11 leitend angeordnet. Jieser ist über eine Kolbenstange 12 und eine Pleuelstange 13 mit einer Kurbelwelle l'l verbunden. Die Innenwand des Zylinders IU wird durch eine Laufbuchse 15 gebildet. Zwischen dieser und der äußeren Wandung des Zylinders 1Ü befindet sich ein Kingraum 16, der bestandteil eines hier nicht im einzelnen dargestellten Kühlsystems des Expansionsmotors ist. L/er Zylinder 10 wird an seiner Uberseite durch einen Zylinderkopf 17 abgeschlossen.

In dem Zylinderkopf 17 befindet sich ein kugelförmiger Einspritzraum 18, der die Funktion eines i^xparisionsraumes hat und mit dem iimcnraum des Zylinders 10 Über einen Jurchtritt in Verbindung steht. In den Linspritzraum 18 mündet eine Zuführungeleitung 20, die mit einer Einspritzpumpe 21 verbunden ist. Die Zuführungsleitung 20 ist durch den mit hühlwnsser gefüllten kingraum 16 geführt, so daß das in der Zuführungsleitung 20 befindliche Wasser vorgewärmt wird, üer tiiiepritz-

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pumpe 21 »lrd destillii:) tea Wasser über eine Leitung 22 aus einem Tank 23 zugelulirt.

uie Kurbelwelle lh ist mit der einspritzpumpe 21 mechanisch gekuppelt, was hlor nur durch eine gestrichelte Linie schein.it ι sdi angedeutet ist. Zum Starten des Lxpansionsmotors dient ein Anlasser 2Ί , der sowohl mit der Kurbelwelle und «lein Kolben 11 als auch mit der t,inepri tzpumpc 21 gekuppelt ist. uur Anlasset "Lh wird aus einer batterie 25 versorgt.

Im Zylinder 10 bedindet sich eine schlitznrtigo Öffnung 20, lie nut cLiiui leitung 27 verbunden ist. wurch diese kann die l.ui tansaugung erfolgen, wobei zur Koinigung der angesaugten Luft ein Luftfilter 3^l> vorgeschaltet ist. Im Zylinder ist lerner eine weitere schlitzförmige Öffnung 29 vorgesehen, übel die der iJruckausgleich ira Kurbelvvel lenraum XO erfolgen kann und die gleichzeitig zum Auestoßen des Abdampfes dient.

wer Zylinderkopf 1? ist mit einer wärmedämmenden Isolierung umgeben.

Lin Versuchsraodel des hier dargestellten txpansionsmotors

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hat ein Hubvolumen von #9 cm , wobei der üui chmesecr des Kolbens 11 im bereich zwischen 6 und δ cm liegt, uos Volumen des als txpanilonskammer wirkenden Linspritzraumes 18 beträgt 1,3^ era . Ale Einspritzpumpe 21 wird ein handelsübliches ;»odel mit einem Einepritzdruck von I70 atü verwendet. .J«.-r uurchtritt 19 hat einen Durchniesaer von ü mn. uer Lxpansionsmotor läuft mit einer Drehzahl von etwa 3000 U/min. Die vor u ein ersten bis dritten Arbeitshub eingespritzte Wassermenge

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beträgt etwa 1 mm , während zur Verstärkung der Kühlung voi jedem vierten üub eine doppelt so große fcaesermenge eingespritzt wird.

Jcr hier dargestellte bxparisionsmotor arbeitet gründentzlich mit den selben Arbeitstakten wie ean Zweitaktmotor. In der hier dargestellten Arbeitsetell ng steht der Kolben 11 ein kleines btück vor seinem oberen Totpunkt, im Verlauf seiner Aulwärtsbewegung drückt der Kolben 10 die in seinem Hubvolumen befindliche Luft in den liinepritzrnum 18, wobei diese so stark komprimiert wird, daß spätestens beim dritten Arbeitshub noch dein Anlassen eine Temperatur zwischen 7^0 und you ο enststeht. Jer Lxpansionsmotor arbeitet jedoch nucii einwandfrei, wenn nui eine Temperatur von 6OO C erreicht wird. Menn die konipjiression der Luft im Linspritzrnum 18 erfolgt ist, wird durch die Linspritzpumpe 21 über die Zuführung el ei tung 22 Uasser in den i.inspritzraum lö eingespritzt. Das m dem uingrnum lü befindliche Kühlwasser sorgt dafür, daß nicht bereits eine Verdampfung des Massers vor dein Erreichen des binapr ι tzraumes lü eintritt. Jas eingespritzte Kasser hat also eine unter K)O C liegende Temperatur; es verdampft innerhalb des diispritzraumes 18 schlagartig, so Haß der sich hierbei bildende Dampf durch den Durchtritt 19 hindurch in das Innere des Zylinders lü eindringt und hierbei den Kolben 10 nach unten drückt. Hierbei wird die Kurbelwelle 1*» in Drehung versetzt. Sobald der Kolben eine Stellung erreicht hat, bei der sich seine Arbeitsfläche unterhalb der öffnung 29 befindet, kann der im Zylinder 1L¹ befindliche Dampf entweichen, hierbei hat der Dampf iinn.er noch

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iine βο hohe Temperatur, daß eine Kondensation des Wassers nicht eintritt.

Bei einem nachfolgenden hompreseionetakt wird die über die tffnung 26 angesaugte Luit im Zylinder 10 verdichtet, so daß ein neuer Arbeitstekt stattfinden kann. Wenn der Expansionsmotor kalt ist, genügen zum Starten etwa drei Kolbenhube. Liann hot sich der Lxpansionsmotor so weit erwärmt, daß im h-inspritzrauui eine Temperatur von über 6UG C herrscht.

üie Kurbelwelle des bxpansioneraotors ist mit einer hier nicht dargestellten Schwungmasse verbunden. Alle weiteren konstruktiven .Merkmale können entsprechend der Konstruktion eines Dieselmotors ausgebildet sein. Ls können deshalb euch bereits vorhandene Dieselmotoren verwendet werden, bei denen nur anstelle des üblichen Zylinderkopfes ein Zylinderkopf wie der Zylinderkopf 17 aufgesetzt wird.

Claims

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- IO -Ansprüche t

1. Expansionsfflotor mit mindestens einem Zylinder, mit einem in diesem gleitenden Kolben« der in einem Ansaugtakt Luft ansaugt und diese in einem Kompressionstakt verdichtet, und mit einer ein weiteres Medium zuführenden Einspritzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Medium Wasser ist.

2. Expansionen^ tor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eingespritzte Wasser destilliertes Wasser ist.

3· Expansionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dae Wasser vorgewärmt ist.

4. Expansionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen des Wassers in einem die komprimierte Luft enthaltenden Einspritzraum (18) erfolgt, der mit dem Kolbenraum durch einen Durchtritt (19) verbunden ist, dessen Querschnitt wesentlich kleiner ist als der Kolbenquerschnitt.

5# Expansionsmotor nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzraum (18) im Zylinderkopf (17) des Expansionsmotore angeordnet ist.

6. Expansionsmotor nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzraum (18) kugelförmig ist.

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7· bxpnneiniismotor iincli Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, c!,-iß die oiiispritzleitungen (20) durcli dos Lühlwasserjsystcifi Jt-'B ;· otora geführt sind.

t. cxponsioiisniotor nach AüHpruch 1, dndui ch gekennzeichnet, d.iL dei Zy] i tiflerkopi" (17) mit einer Wärineisola t ionsschi cht ( 31 ) unlieben ist.

oxponei oiisino toi noch Anspruch 1, dadurch geKeniizcichuet, daß die ^enge des vor dem beginn jedes Arbeitshubes eingespritzten Kaisers in Abhängigkeit von der im Lxpaiisionsrnutn herrschenden Temperatur so gesteuert wird, daß bei Annäherung an einen vorgegebenen Terapci aturwert eine vergrößerte Viassermeiige eingespritzt vird.

li>. ivxpansi onsmotor noch Anspruch 9« dadurch gekennzeichnet, daß vor mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitshuben jeweils eine gl eichbleiben<1e Wasserraengc eingespritzt wird und daß voi einem eine solche Folge beendenden weiteren Arbeitshub eine vergrößerte waesermenge eingeepritzt wird.

11. bxpaneionsmotor nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die vergrößerte Wassermcnge etwa doppelt so groß ist wie die vor den übrigen Arbeitshubcm jeweils eingespritzte hassertneng e.

12. tinepritzmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Wassermenge tür den jeweils hierzu vorgesehonen Arbeitshub mittels <ler binspritz- ;.Mjinpt» (VA) «rlolit. 4Ü9885/1329

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