DE2558919A1

DE2558919A1 - Fahrzeug-antriebssystem

Info

Publication number: DE2558919A1
Application number: DE19752558919
Authority: DE
Inventors: Stuart L Ridgway
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-07-24
Filing date: 1975-12-29
Publication date: 1977-02-10
Also published as: SE438710B; FR2326576B1; SE7608268L; JPS5215949A; JPS5925850B2; CA1122422A; FR2326576A1; IT1070356B; DE2558919C2; GB1554766A

Description

München, den 29. Dezember 1975

STUART L. HIDGWAY

537 Ninth Street

Santa Monica, Kalifornien 90402

V. St. A.

"Fahrzeug-Antriebssystem"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein gemischtes V er br ennungs- und Dampf-Mas chinen-Syst ein mit einem sehr wirtschaftlichen Treibstoffverbracuh im leistungs- und Umdrehungsbereich von Fahrzeugantrieben, wobei die Emission von Verunreinigungen und Schadstoffen minimal ist. Diese sich normalerweise gegenseitig ausschließenden Ziele eines hohen Wirkungsgrads und niedriger Verunreinigung können mit bekannten nicht gemischten Systemen nicht erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Hybrid-Antriebssystem wandelt die in den Verbrennungszylindern verlorene Energie in mechanische Energie um durch Verwendung einer den Rankin-Zyklus ausnutzenden Maschine, beispielsweise einer Dampfmaschine. Die Dampf-

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maschine arbeitet sowohl mit der Wärmemenge der Kühlflüssigkeit im bekannten Kühlsystem, das zur Entfernung eines Teils der Verbrennungswärme von den Verbrennungszylindern verwendet wird, als auch mit der Wärmemenge der Auspuffgase des Verbrennungsmotors.

Der Verbrennungsmotor im erfindungsgemäßen System arbeitet mit einem Luft-Treibstoff-Gemisch, das eine minimale Menge an unverbrennbaren Schadstoffen (NC) ) ergibt; ein Nachbrenner wird eingesetzt, um die chemische Energie in den Auspuffgasen wiederzugewinnen und um gleichzeitig praktisch alle verbrennbaren Schadstoffe zu entfernen. Der Nachbrenner dient als zweite Wärmequelle, mit der die Temperatur der Auspuffgase des Verbrennungsmotors erhöht wird. Diese Gase werden dann an einen Dampferzeuger geleitet, in dem sie dazu verwendet werden, die vorgeheizte Kühlflüssigkeit in einem Hochdruckkessel zum Kochen zu bringen und zu überhitzen, damit diese dann in einer Hochdruck-Entspannungsvorrichtung mechanische » Leistung erzeugen kann.

Die von der Hochdruck-Entspannungsvorrichtung ausfließende Flüssigkeit wird mit dem im Kühlsystem gebildeten Dampf vereinigt und durch Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen wieder aufgeheizt. Die vereinigten Flüssigkeiten werden dann zum Betrieb einer Niederdruck-Entspannungsvorrichtung verwendet, die zusätzliche Antriebsleistung erzeugt. Die von der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung abgehende Flüssigkeit wird einem Kondensator zugeführt, der einem bekannten Kondensationskühler ähnelt, ehe eine Rückführung an die die

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Zylinder des Motors umgebenden Kühlmantel und zur .Dampferzeugereinheit (Kessel) im Abgasstrom stattfindet.

Pigur 1 ist ein kombiniertes Blockdiagramm der Komponenten der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt schematisch den Gasregelungsmechanismus für· die in Figur 1 dargestellte Anordnung.

Figur 5 zeigt die NO_x-Erζeugung als Funktion des Luft-Treibstoff-Verhältnisses in einem Automotor.

Figur 4 ist schließlich eine graphische Darstellung des Leistungsverhaltens eines typischen Personenkraftwagens im Betrieb.

Eine vorzugsweise Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch als Blockdiagramm in Figur 1 dargestellt. Luft und Treibstoff werden einem bekannten Vergaser 10 mit einem Drosselventil 11 zugeführt, und die Mischung wird dann an Verbrennungsmotor abgegeben. Die von Vergaser 10 abgegebene Mischung wird absichtlich fetter gemacht, als es dem stöehiometrischen Verhältnis entspricht, wobei Treibstoff-Luft-Verhältnisse aWischen 0,075 und 0,120 und vorzugsweise von etwa 0,090 verwendet werden. Die Abgase des Verbrennungsmotors, die bei mittlerer bis starker Motorleistung eine Temperatur zwischen 500° 0 und 700° C haben und bei einem Treibstoff-Luft-Verhältnis von 0,090 am Eingang des Motors etwa 3,5$ Wasserstoff und 8<fo Kohlenmonoxyd enthalten, werden mit Luft von einer Quelle H (bei der es sich typischerweise um ein Gebläse handelt) -entweder in Auspuffleitung 16 oder in

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Nachbrenner 17 vermischt. Das brennbare Gemisch wird dann in Nachbrenner 17 verbrannt. Bei dieser Verbrennung wird genügend Wärme frei, um die Temperatur der Abgase auf etwa 1260° C zu erhöhen.

Die Auspuffgase der Verbrennungsmaschine enthalten genügend Brennstoffe, sodaß nach Vermischen mit einer ausreichenden Luftmenge eine Verbrennungsreaktxon durch einen Funken eingeleitet werden kann. Die Verbrennung wird durch geeignete Konstruktion der Brennkammer aufrechterhalten. Ein ■Wiedervermischen der heißen verbrannten Auspuffgase mit der frischen Mischung durch an sich bekannte Verfahren wie Flammenhalter, gegenläufige Strahlen oder andere Umlaufverfahren eignet sich zur Verbrennung der Auspuffgase. Luft kann in die Auspuffgase jederzeit nach Abschluß des Arbeitstaktes oder Expansionshubs des Verbrennungsmotors eingeleitet werden, so beispielsweise als Spülluft in einem Zweitaktmotor, von Öffnungen aus, die von dem Auspuffventil in einem Viertaktmotor geöffnet werden, in Rohrleitungen zwischen dem Zylinder und dem Nachbrenner, oder im Nachbrenner selbst. Eine bekannte, vom Zündsystem des Verbrennungsmotors betriebene Zündkerze wird in ein Gebiet mit niedriger Durchflußgeschwindigkeit eingesetzt, um das Gas-.Luft-Gemisch des Auspuffs zu zünden. Es ist zweckmäßig ein Gebiet ohne Umlauf vorzusehen, nachdem der Hauptverbrennungsvorgang stattgefunden hat, um auf diese V/eise den Verbrennungsvorgang abschließen zu können. Normalerweise wird dies durch den Übergang vom Nachbrenner zu der zugeordneten

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Dampferzeugung einheit 10 gewährleistet, irine Brennkammer mit einem Volumen von 165 - 330 era"⁵ stellt die für den nachbrenner geeignete Größe dar. Die verbrannten Auspuffgase werden an DampferZeugungseinheit 18 geführt, die vorzugsweise aus etwa 50 m Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von etwa 6 mm und einem Außendurchmesser von 9 mm besteht und in einer passenden Umhüllung angeordnet ist.

In einer geeigneten Anordnung der Stahlrohren sind ζ v/ei benachbarte Spulen mit etwa 10 Lagen aufeinander angebracht. Die Spulen haben einen Innendurchmesser von etwa 7,5 cm und einen Außendurchmesser von 25 cm, wobei jede Spule eine Länge von 12,5 cm hat. Auspuffgase werden in den Raum um den Mittelpunkt der ersten Spule eingeleitet, fließen in Radialrichtung nach au'ßen über die Stahlrohren, treten von der ersten Spule aus, und v/erden dann in Radialrichtung nach innen durch die zweite Spule geführt. Die Auspuffgase treten in der Mitte der zweiten Spule gekühlt aus, da sie ihre Wärme an die Plüsoigkeit übertrugen, die in den Stahlröhren zirkuliert. Die Auspuffgase können, anschließend in die Atmosphäre abgelassen werden. V/asser wird von einer Kess elvers orgungs pumpe 20 in der Mitte der zweiten Spule in die Röhren eingeleitet, fließt in Spiralrichtung nach außen durch die zweite Spule und dann v/ieder in Spiralrichtung nach innen durch die erute Spule, bis es schließlich als Dampf durch Drosselventil 22 abgeht.

Die Auspuffgase werden auf etwa 260° C bei der übertragung ihrer Wärme an das V/asser in Dampfer ζ eugungs einheit Io gekühlt.

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Der Wärmeaustausch zwischen dem Wasser und den Auspuffgasen wird zweckmäßigerweise im Gegenstrombetrieb in der Dampferzeugungseinrichtung 18 durchgeführt. Zweckmäßige Betriebsbedingungen für die Dampferzeugungseinheit 18 sind wie folgt: Wasser wird bei 105 kg/cm und 83° 0 von Versorgungspumpe 20 zugeführt und Dampferzeugungseinheit 18 erzeugt überhitzten Dampf mit 480° C. Dampf er zeugungseinheit 18 kann im Prinzip in vier Abschnitte unterteilt v/erden, nämlich einen Dampfüberhitzer 18a, einen Kessel 18b, einen Speisewasservorwärmer oder Wärmeaustauscher 18c und den wahlweise verwendbaren lacherhitzer 18d. Normalerweise bildet die zweite Spule den Wärmeaustauscher 18c, während die erste Spule als Kessel 18b und Dampfüberhitzer 18a wirkt. Der wahlweise verwendete Nacherhitzer 18d besteht aus zusätzlichen Röhren, die in die Leitung zwischen der ersten und der zv/eiten Spule eingesetzt sind; auch kann der Nacherhitzer in das Gehäuse eingearbeitet werden.

Das Wasser gelangt zuerst in Wärmeaustauscher 18c, in dem es auf den Siedepunkt erhitzt wird, der 343° C bei einem Druck

von 105 kg/cm beträgt. Das erhitzte Wasser geht dann in den Kesselabschnitt 18b, in dem die übertragene Wärme das Wasser in Dampf überführt. Der Dampf geht aus dem Kessel ab und geht an Überhitzer 18a weiter, in dem zusätzliche Wärme zur Überhitzung des Dampfs abgegeben wird. Praktische Ausführungen der Dampferzeugungseinheiten basieren oft auf dem Prinzip des "einmaligen" Durchgangs, wobei das Wasser im Gegenstrom

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durch eine oder mehrere Röhren gepumpt wird, sodaß es den Flussigkeitsfluß der Wärmequelle entgegengesetzt fließt. In einer derartigen Dampferzeugungseinheit kann sich die Grenze zwischen dem Erhitzer des Versorgungswassers und dem Kessel und zwischen dem Kessel und dem Dampfüberhitzer je nach Betriebsbedingungen stark verschieben, ohne daß sich hierbei für den Betrieb der Dampferζeugungseinheit bedeutsame Folgerungen ergeben. Dampferzeugungüeinheit 13 besteht im wesentlichen aus einer verhältnismäßig kleinen Stahlrohranordnung für Hochdruck, durch die Wasser fließt; die Wassertemperatur steigt bis zum Siedepunkt an, das Wasser wird dann bei konstanter Temperatur beim Weiterfließen in Dampf überführt und nimmt nach völliger Überführung in Dampf bis zu seiner Abgabe von der Dampferζeugungseinheit 18 noch höhere Temperaturen an. Drosselventil 22 für den Dampf steuert die Abgabe von hochgespannten Dampf an Entspannungsvorrichtung 24, die aus einem Hochdruckabschnitt 24a und einem Niederdruckabschnitt 24b besteht.

Verbrennungsmotor 12 hat einen mit Kühlwasser oder einer vergleichbaren Flüssigkeit versorgten Kühlmantel 30, in dem der Druck normalerweise den atmosphärischen Druck übersteigt. Wasser wird dem Kühlmantel über eine Hiederdruck-Ausgangsverbindung an der als Zusatzeinrichtung betriebenen Versorgungspumpe 20 zugeführt oder mit einer nicht dargestellten getrennten Kesselversorgungspumpe. Die an die Zylinderwände abgegebene Wärme sowie die Erwärmung des Verbrennungsmotors

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verwandeln einen Teil des im Kühlmantel enthaltenen Wasser;; in Dampf, der vom Wasser in einen Dampfabscheider 32 getrennt wird. Dieser Dampf wird in einem Verbindungsstück 34 mit ■ Niederdruckdampf vereinigt, der aus einem Zylinder mit einem mittleren Druck stammt. Der Zylinder stellt die zweite Stufe des Hochdruckabschnitts 24a der Entspannungsvorrichtung 24 dar. Der Dampf geht durch den Hacherhitzer 18d der Dampferzeugungseinheit 18 und wird im Niederdruck-Sylinderabschnitt 24b der Entspannungsvorrichtung 24 entspannt. Ein Drosselventil 50 steuert die Zufuhr von Dampf vom Kühlmantel 30 des Verbrennungsmotors und vom Abscheider 32 an die jJiederdruckzylinder. Sin Absperrventil 52 ist in diese Leitung eingesetzt, um zu verhindern, dai3 Dampf vom Auspuff des Zwischenzylinders in den Dampfabscheider 32 und den Kühlmantel 30 des Verbrennungsmotors beim Aufheizen des Systems zurückfließt. Die Auspuffgase des Niederdruck-Zylinders gehen an einen Kondensator 36 und einen zugeordneten Heißwasserbehälter 38, in dem der Dampf kondensiert wird und die Kondensationswärme an die Atmosphäre mit Hilfe eines Kühlventilators 39 abgegeben wird.

Überhitzter Hochdruckdampf wird bei Drücken von etwti 105 kg/cm² und Temperaturen von 480° G an die Entspannungsvorrichtung 24 abgegeben, in der ein Teil der Wärmeenergie des Dampfes in Arbeit umgesetzt wird. Der Dampf wird zweckmäßigerweise in mehreren Stufen entspannt. In einer Ausführungsform hat die Entspannungsvorrichtung vier Zylinder, einen für Hochdruck, einen für Zwischendruck und zwei für

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Niederdruck. Konstruktionswerte für den Hochdruckzylinder sind 102 atü am Eingang und 27 atü am Ausgang; Werte für den Zwischenzylinder sind 27 atü am Eingang und 6,8 atü am Ausgang; für die beiden Niederdruckzylinder betragen die Werte 6,ä atü am Eingang und 1,4 atü am Ausgang.

Die mechanische Ausgangsleistung der Entspannungsvorrichtung 24 wird durch -Hauptwelle 40 über eine Freilaufkupplung 42 an die Welle 44 des Verbrennungsmotors abgegeben. Die Leistung der beiden Motore wird an Schaltgetriebe 46 abgegeben, das die Leistung an die Antriebsräder des !Fahrzeugs weitergibt.

Für ein amerikanisches Auto der mittleren Größenklasse mit einem Gewicht von etv/a 1600 kg sollte der Hubraum des Verbrennungsmotors 12 zwischen 1,3 Liter und 1,6 Liter betragen; die Entspannungsvorrichtung 24 sollte einen Hubraum von etwa 2,07 Liter aufweisen. Der gesamte Hubraum der Ents^annungsvorrichtung wird zweckmäßigerweise auf die Zylinder aufgeteilt, wobei 0,10 Liter auf den Hochä-L-uckzylinder, 0,32 Liter auf den Zwischenzylinder und 0,8 Liter auf jeden der Niederdruckzylinder entfallen. Die vier Zylinder können in einer Linie oder in einer anderen geeigneten mechanischen Konfiguration angeordnet werden. Jeder Zylinder ist mit bekannten nicht dargestellten Dampfeinlaß-Auslaß-Ventilen versehen, bei denen es sich zweckmäßigerweise um die üblicherweise in der Auto-Industrie verwendeten Tellerventile handelt. Leistungsregelung wird erzielt mit Hilfe einer Dampfunterbrechungsein-

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richtung 23 für den Hochdruckzylinder und Drosselventile 50 für den von Dampfabscheider 32 an den Miederdruckzylinder abgegebenen Dampf, wobei die Wiederdruckzylinder mit einem auf etwa 30$ des Hubs eingestellten Dampfzuführungsventil arbeiten sollten. Zum Anlassen der Dampfmaschine vom völligen Stillstand aus sind Einrichtungen vorgesehen, die die Abschaltung auf 70^c/o des Hubs erhöhen,und vom Hochdruck-Dampfvorrat können geringe Mengen abgezweigt werden, sodaß Dampf mit mittlerem Druck und niederem Druck beim Start verfügbar ist. Das Hochdruck-Drosselventil 22 für den Dampf hat auch zur Aufgabe, den Bereich der Leistungssteuerung auszudehnen, wenn die Abschaltung mit dem Einlaßventil auf ein Minimum reduziert worden ist, und den Dampfvorrat für den Motor bei Bedarf völlig abzuschalten. Die Länge des Zeitabschnitts, in dem Dampf vom Dampfvorrat an den Hochdruckzylinder abgegeben wird, kann mit den dem Fachmann bekannten Verfahren eingeregelt werden; beispielsweise kann das Einlaßventil mit einer dreidimensionalen, mit der Kurbelwelle zusammenarbeitenden Hocke betrieben werden, die verschoben wird, um die verschiedenen erwünschten Einlaßwinkel zu ergeben. Auch kann eine Reihe von Tellerventilen verwendet werden, von denen eines den Einlaß steuert, während das andere die Abschaltung vornimmt. Dampf wird nur dann in den Zylinder eingeleitet, wenn beide Ventile offen sind; die Phasenbeziehung zwischen den beiden Ventilen wird durch geeignete Differentialdrehungen der zugeordneten Nockenwellen erreicht, wie dies an sich bekannt ist.

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- ff -

Die normale Dampfeinleitung in den Hochdruck-Zylinder wird im Bereich von 20-30$ des Hubs bei voller Drehmomentleistung durchgeführt und beträgt 5-2O/S des Hubs bei verschiedenen Fahrbedingungen. Bei plötzlichen Leistungserhöhungen wird die Dampfeinleitung auf maximal 70-80% des Hubs erhöht. Der Dampfverbrauch und die sich daraus ergebende Leistung der ülnt s pannungG vor richtung 24 werden gesteuert durch den koordinierten Betrieb des Hochdruck-Drosselventils 22, des Hiederdruck-Drosselventils 50 und der nicht dargestellten Einlaßsteuerung für die Dampfzuführung zuir. Hochdruck-Zylinder. Wenn die Dampfmaschine mehr Leistung abgeben soll, werden die beiden Drosselventile weiter geöffnet und die Zeit, während der Dampf zugeführt wird, wird verlängert. Die Kurbelgetriebe der Hochdruck- und Zwischendr.uek-Zylinder des Abschnitts 24a können unter einem Winkel von 180° zueinander angeordnet v/erden, wobei dann das Auspuffventil des Hochdruck-Zylinders als Einlaßventil des Zwischendruck-Zylinders, d.h. als Überleitungsventil wirkt. Der vom Zwischendruck-Zylinder abgegebene Dampf wird in Verbindungsstück 34 mit dem Dampf des Dampfabscheiders 15 vermischt und durch Vfärmeaustauscher 18c der Dampferzeugungseinheit geleitet. Bei niedriger Leistungsabgabe kann der Auspuff des Zwischendruck-Zylinders einen niedrigeren Druck aufweisen als der vom Motormantel abgegebene Dampf; deshalb ist ein Absperrventil 33 zwischen die Auspufföffnung des Zwischendruck-Zylinders und das Verbindungsstück 34 der Dampfleitung eingesetzt.

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Kondensator 36 hat etwa die gleiche Größe wie ein normaler Autokühler und kann auch an der gleichen Stelle befestigt werden. Der Wärmeaustausch ist im vorliegenden Pail größer, liegt aber im Bereich des Wärmeaustauschs von normalen Autokühlern. Kondensator 36 wird vorzugsweise aus vertikalen Stahlröhren mit Außenrippen angefertigt. Die Stahlröhren werden dabei so gewählt, daß sie ausreichend stark sind, um den Innendruck auszuhalten; ihre geometrische Anordnung wird so gewählt, daß beim Gefrieren von Wasser keine Beschädigungen auftreten können. Die vertikalen Kondensatorröhren sind zwischen Rohrverbindern an der Oberseite und am Boden eingesetzt; die Seiten des Bodenraums sind biegsam ausgeführt, sodaß sie das sich beim Gefrieren ausdehnende Wasser aufnehmen können. Der Bodenraum ist so groß gemacht, daß er all das Wasser aufnehmen kann, das sich im Kondensator beim Abschalten ansammeln kann; der Wasserspiegel steigt dabei nicht in die vertikalen Röhren. Der Bodenraum des Kondensators kann als He ißv/ass er behälter 38 dienen oder es kann ein getrennter Behälter mit biegsamen Wanden vorgesehen v/erden. Wasser wird von dem Heißwasserbehälter 38 über die Kesselversorgungspumpe 20 an den Kühlmantel 30 des Verbrennungsmotors und an die Dampferzeugungseinheit 18 geführt. Eine Saugleitung 54 geht von Kondensator 36 und Heißwasserbehälter 38 über Absperrventil 56 an das Einlaßverteilerstück des Verbrennungsmotors, um nicht kondensierbare Stoffe aufzunehmen und abzuscheiden, die sich im Dampfsystem ansammeln können infolge Zersetzung des Schmieröls des Dampf-

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Zylinders und durch das Einströmen von Luft durch beschädigte Dichtungen. Der Durchfluß wird beschränkt, um zu verhindern, daß zuviel Dampf an den Verbrennungsmotor geleitet wird.· Absperrventil 56 kann mit einer Öffnung begrenzter Größe versehen v/erden, sodaß Durchfluß nur in einer .Richtung stattfinden kann, ohne daß hierbei die Mischung an der Einlaßöffnung des Verbrennungsmotors bei irgendwelchen Betriebsbedingungen unterbrochen wird.

Eine gemeinsame Steuerung der Leistung des Verbrennungsmotors 12 und der Entspannungsvorrichtung 24 läßt sich erzielen mit Hilfe einer Steuereinheit 60 der in Figur 2 dargestellten Art. In dieser Einheit ist Verbindungsstange 61 an das übliche Fußpedal angeschlossen, das vom Fahrer des Wagens betätigt wird. Mit Schlitzen versehene Arme 62 und 64, die miteinander durch Achsen 65a, 65b verbunden sind, drehen sich um die Achse der in Grundplatte 63 angebrachten V/elle 65b bei entsprechender Bewegung der Ve:. Dindungsstange 61. Die an die verschiedenen Drosselventile und an den in Figur mit "G" bezeichneten Abschaltpunkt angeschlossenen Steuerstangen 67 und 69 sind mit Stiften 66 bzw. 63 versehen, die in den in Armen 62 bzw. 64 angebrachten Schlitzen gleiten. Das aus den durch Verbindungsstück 71 verbundenen Gelenken 70 und 71 bestehende Gliederwerk wird mit Stange 73 betätigt, um die Belastungsanforderungen an den Verbrennungsmotor und die Dampfentspannungsvorrichtung zu steuern, sodaß diese die Leistung abgeben, die der Fahrer durch Drücken des Fußpedals und die damit verbundene

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Betätigung der Verbindungsstange 61 verlangt. Bei zunehmend era, an Kolben 80 in Zylinder 02 gegen die federkraft 34 wirksam werdenden Dampfdruck in Leitung 81 wird Stange 73 nach oben bewegt. Diese nach oben gerichtete Bewegung verschiebt den Stift in der Steuerstange 69 der Entspannungsvorrichtung in den in Arm 64 angebrachten Schlitzen nach oben und den im Schlitz in Arm 62 gleitenden Stift an Steuerstange 67 für den Motor nach unten, sodaß bei der Zunahme des Dampfdrucks die Betätigung des G-liederv/erks bodeutot, daß mehr Leistung von der Dampfmaschine und weniger Leistung vom Verbrennungsmotor verlangt werden* Wenn der Dampfdruck den gewünschten vorgegebenen Viert übersteigt, wird Dampf vom Kessel und vom Kühlmantel mit größerer Geschwindigkeit abgenommen, und der Verbrennungsmotor verbraucht weniger Treibstoff und Luft, sodaß weniger Auspuffgase und weniger Wärme für die Dampferzeugungseinheit 18 und den Kühlmantel 30 des Motors zur Verfugung gestellt werden. Die beiden Effekte wirken so zusammen, daß der Dampfdruck auf den gewünschten vorgegebenen Wert gebracht wird. Wenn andrerseits der Dampfdruck unter dem gewünschten vorgegebenen Viert liegt, arbeitet der Mechanismus in umgekehrter Weise und erhöht den Durchsatz des Verbrennungsmotors und den Durchfluß von Auspuffgasen, während gleichzeitig der Dampfverbrauch der Ent&pannungsvorrichtung verringert wird.

Figur 3 zeigt für die beiden Städte Cincinnati und Los Angeles die allgemeine Entwicklung von Stickstoffoxyden in normalen amerikanischen Automotoren als Funktion des Treib-

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stoff-Luft-Verhältnisses in der dem Motor augeführten Mischung. Wenn erfindungsgemäß das Treibstoff-Luft-Verhältnis der dem Verbrennungsmotor zugeführten Benzin-Luft-Mischung vom Normalwert von Ö,07H auf den vorzugsweise verwendeten Wert von 0,090 verändert wird, ergibt sich eine Gesamtverminderung der NO - · Emission von 5,6 g/Fahrzeugkilometer auf etwa 0,7 g/Fahrzeugkilometer, wobei die von der Dampfmaschine abgegebene Antriebsleistung noch nicht in Rechnung gesetzt wurde; wenn diese Antriebsleistung in die Betrachtungen einbezogen wird, ergibt sich eine G-esamtverminderung der Stickstoffoxyd-Emi3sion um etwa das Sechzehnfache.

Figur 4 ist eine graphische Darstellung des Leistungsverhaltens des normalen, in einem durchschnittlichen amerikanischen Kraftfahrzeug eingebauten Verbrennungsmotors. Die gestrichelte Linie 90 bezieht sich auf die Leistung bei ebener Straße. Die Leistung ist offensichtlich weit vom Bereich des_t höchsten Wirkungsgrads entfernt. Der höchste Wirkungsgrad ergibt sich bei einem mittleren effektiven Bremsdruck von 7 kg/cm und einer Kolbengeschwindigkeit von 300 m/min (entspricht etwa dem Punkt 92). Im Falle eines bekannten Motors in einem normalen Auto entspricht in einem hohen Gang eine Reisegeschwindigkeit von SO km/h einer Kolbengeschwindigkeit von etwa 500 m/min; aus Figur 3 ist ersichtlich, daß der mittlere effektive Bremsdruck bei Straßenfahrt etwa 1,54 kg/cm² und der spezifische gebremste Treibstoffverbrauch 0,36 kg/PS·h.betragen. Wenn der bekannte Motor

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durch das neue, erfindungsgemäße Antriebssystem ersetzt v/ird, beträgt die Leistung de-· Verbrennungsmotors des neuen Systems unter vergleichbaren Bedingungen ρ kg/cur als mittlerer ■ effektiver Bremsdruck, während bei normaler Vergasung 0,27 kg/P8'h als spezifischer gebremster Treibstoffverbrauch erzielt v/erden. Bei der vorzugsweise verwendeten Vergasung wird 1,4 Mal mehr Treibstoff dem Verbrennungsmotor bei einem gesamten Treibstoffverbrauch von 0,36 kg/P3.h zugeführt. Da der Dampfmaschinenabschnitt des erfindungsgemäßen Systems eine Leistung liefert, die etwa der des Verbrennungsmotors im System entspricht, beträgt der gesamte spezifische gebremste Treibstoffverbrauch des Systems etwa die Hälfte des obigen Werts, nämlich 0,18 kg/PS»h. Dies entspricht etwa der Hälfte des Treibstoffverbrauchs des normalen Verbrennungsmotors.

Insgesamt gesehen hat der neue Motor bei Verwendung in Kraftfahrzeugen den doppelten Wirkungsgrad bekannter Verbrennungsmotor e. Die Emission verbrennbarer Schadstoffe ist im Nachbrenner auf äußerst geringe Werte reduziert worden, die weit unter den von Behörden für den Umweltschutz festgesetzten Werten liegen. Die Emission von Ν0_χ ist auf ein Zehntel bis auf ein Sechzehntel der V/er te reduziert, die bei den zur Zeit gebauten Motoren auftreten. Erreicht wurde dies ohne Einbußen der Wirtschaftlichkeit in Bezug auf Treibstoffverbrauch; vielmehr wurde eine bedeutende Verbesserung im Treibstoffverbrauch erzielt.

Bei dieser vorzugsweisen Verwendung des erfindungsgemäßen

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η -

Motors als Antriebseinheit ist die vom bystem abgegebene ständige Spitzenleistung geringer als die bekannter Verbrennungsmotore. \ierm man jedoch die Tatsache ausnutzt, daß die im heißen Wasser und im heißen Metall der Dampferζeugungseinheit 13 gespeicherte Energie ein Reservoir darstellt, von dem Energie für Leistungsspitzen abgezweigt v/erden kann, ergibt der erfindungsgemäße Motor ausreichende Beschleunigung beim Stadtverkehr, bei der Einfahrt in Autobahnen, und beim Überholen auf Autobahnstrecken. Bei der oben angegebenen Bemessung des Motorsystems ergibt sich im Leistungsverhalten als Nachteil, daß es nicht möglich ist, mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 km/h schwere Lasten eine 10$?ό Steigung hinaufzuziehen oder das Fahrzeug auf ebenen Bahnen mit Geschwindigkeiten von mehr als 160 'km/h laufen zu lassen. Falls derartige Loistungswerte in Sonderfällen notwendig sind, so beispielsweise bei Polizeifahrzeugen, braucht nur der Hubraum des Verbrennungsmotors und der Dampfmaschine im System erhöht werden, wobei sich die Wirtschaftlichkeit im Treibstoffverbrauch etwas verschlechtert.

Das in Figur 1 dargestellte und unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebene Antriebssystem stellt nur eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung dar. Verschiedene Abänderungen können an der Konstruktion vorgenommen werden. Beispielsweise können Zubehörgeräte des Motors wie Pumpen, Ventilatoren, Gebläse und dergleichen von der Welle der Entspannungsvorrichtung oder dem Verbrennungsmotor betrieben werden, oder sie

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können auch von dem elektrischen Uy... i.eiu der Anlage angeschlossenen Motoren angetrieben v/erden. Anordnungen, die von der in Pigur 2 dargestellten abweichen, können zur koordinierten Betätigung der Drosselventile und anderer Steuervorrichtungen der Dampfmaschine und des Verbrennungsmotors verwendet werden.

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Claims

P A I ]j H I A H a Ϊ Ii ü Ü H ül

1. Verfahren zur Verringerung der Schadstoff -.Emission bei gleichzeitiger Verbesserung der Wirtschaftlichkeit eines Eahrzeug-Antriebssystems bestehend aus einem Verbrennungsmotor. und einer Dampfmaschine, wobei die Wärme der verbrannten Auspuffgase des Verbrennungsmotors zur Dampferzeugung verwendet wird und üor Dampf zur Erzeugung mechanischer Arbeit an eine Dampfentspannungsvorrichtung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer eines Verbrennungsmotors eine brennbare Mischung mit einem Treibstoff-Luft-Verhältnis, das größer als das stöchiometrische Verhältnis ist, zugeführt wird, daß die Auspuffgase des Verbrennungsmotors, die einen geringen Gehalt an Stickstoffoxyden und einen hohen Gehalt an verbrennbaren Substanzen aufweisen, mit Luft vermischt werden, und daß die Verbrennung der Mischung aus Auspuffgasen und Luft zur Erzeugung von Dampf zu Ende geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibstoff-Luft-Verhältnis in der Mischung auf V/er te zwischen 0,075 und 0,12Jj eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Treibstoff und Luft in einem Verhältnis von etwa 0,090 vermischt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrannten Auspuffgase einem Dampfüberhitzer, dann einem Kessel und dann einem Wärmeaustauscher zugeführt werden, wobei der Dampfüberhitzer, der Kessel und

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der Wärmeaustauscher in Bezug auf den Durchfluß einer verdampfbaren Flüssigkeit hintereinander angeordnet sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf mit der Wärme des Verbrennungsmotors erzeugt wird und dann zur Abgabe an die Entspannungsvorrichtung weiter erhitzt wird.

6. System zum Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor in Kombination mit einer Dampfmaschine und mit Vorrichtungen zur Leitung der Auspuffgase des Verbrennungsmotors an einen Dampferzeuger, der seinerseits an eine DampfentSpannungsvorrichtung Dampf liefert, mit einer Kupplung und einem Getriebe zur mechanischen Ankopplung des Verbrennungsmotors und der Dampfentspannungsvorrichtung zwecks Antrieb des Fahrzeugs, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Versorgung der Brennkammer des Verbrennungsmotors mit einem Treibstoff-Luft-G-eiiiisch, in dem das Treibstoff-Luft-Verhältnis das stochiometrische Treibstoff-Luft-Verhältnis beträchtlich übersteigt, um aus dem Verbrennungsmotor stammende, verbrannte Auspuffgase zu erzeugen, die geringe Mengen von Stickstoffoxyden und große Mengen von verbrennbaren Bestandteilen enthalten, und durch eine Verbrennungsvorrichtung, die für die Aufnahme der Auspuffgase ausgebildet ist und deren Verbrennung zu Ende führt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die Verbrennungsvorrichtung gekennzeichnet ist durch eine Lufteinlaßeinrichtung, die den Auspuffgasen Luft zufügt, um deren Verbrennung __

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zu beenden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung ein nachbrenner (17) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein DampfÜberhitzer (13a) mit einem Kessel (16b) in Reihe geschalte ι ist und die Auspuffgase von der Verbrennungsvorrichtung vom Kessel aus gesehen stromaufwarte auf nimmt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-9, mit einem am Verbrennungsmotor angebrachten Kühlmantel, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Abnahme von Darapi aus dem Kühlmantel (30) und überführung des Dampfes an die Dampfentspannungövorrichtung (24).

"11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Abscheidung von Dampf vom rfasaer iiu Kühlmantel (30) und durch Einrichtungen zum Vermischen dieses Dampfes mit Dampf vom Dampferzeuger (ic), um diesen Dampf dann der Entspannungsvorrichtung (24) zuzuführen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung eines ΐ r e i bs to ff-Luft -G emis chs ein ϊΐ· e ibs t ο f f -Luft -V er hai t nis zwischen 0,075 und 0,125 einstellen.

1o. Vorrichtung nach Anbruch 12, dadurch gekennzeichnet, daia die Einrichtungen zur Erzeugung eines Treibstoff-Luft-G emis ctLS ein Treibstoff-Luft-Verhältnis von 0,090 einstellen.

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14. Vorrichtung nach einem der Anspräche 6-1 'j, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfentspannungsvorrichtung (24) einen Hochdruckabschnitt (24a) und einen Niederdruckabuchnitt (24b) enthält, und daß ein lacherhitser (18d) zur Aufnahme des vom Hochdruckabschnitt (24a)kommenden entspannten Dampfes vorgesehen ist, der nach erneutem Erwärmen im Macherhitzer dem Niederdruckabechnitt (24β) zugeführt v/ird.

15. Vorrichtung nach Anspruch I4, dadurch gekennzeichnet, daß der Itfacherhitzer (idd) 00 angeordnet ist, daß er Wärme vom Auspuffgasstrom abwärts vom Kessel (18b) des Dampferzeugers (18) absorbiert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorerwärmer (18c) im Wärmeaus tausch mit den Auspuffgasen stromabwärts vom Kessel (10b) angebracht ist, um das Wasser mit den Auspuffgasen entnommener Wärme vor seiner Einleitung in den Kessel (18b) zu erwärmen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Leistungssteuervorrichtung, mit der die Zugabe des Treibstoff-Luft-G-emischs an den Verbrennungsmotor (12) und der Einlaß von Dampf in die Dampfentspannungsvorrichtung (24) geregelt werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die den Betrieb der Leistungssteuerungsvorrichtung entsprechend dem vom Dampferzeuger (18) zur Verfügung gestellten Dampf koordiniert.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

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daß die koordinierende Vorrichtung ein Gliederwerk umfaßt, das die Leistungssteuerung entsprechend dem von der Bedienungsperson ausgeübten Regelvorgang einstellt, wobei das Treibstoff-Luft-Gemisch gegenüber dem in die Entspannungsvorrichtung eingeleiteten Dampf eingeregelt wird je nach der vom Dampferzeuger (18) verfügbar gemachten Dampfmenge.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den Druck des Dampferzeugers ansprechende Vorrichtung vorgesehen ist, die das Treibstoff-Luft-Gemisch in Bezug auf den in die Entspannungsvorrichtung eingeleiteten Dampf entsprechend der von der Bedienungsperson ausgeübten Regelung einregelt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-20, gekennzeichnet durch einen .Kondensator (36) zur Kondensation des von der Entspannungsvorrichtung (24) abgehenden Dampfes.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Entfernung nicht kondensierbarer Stoffe vom Kondensator und Rückführung derselben zum Eingang des Verbrennungsmotors (12) zur Verbrennung in ihm.

23. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Entfernung nicht kondensierbarer Stoffe ein Absperrventil (56) mit einer begrenzten Öffnung für den Durchlaß der nicht kondensierbaren Stoffe vom Kondensator (36) an den Verbrennungsmotor (12) umfassen, ohne daß hierbei der Betrieb des Verbrennungsmotors unterbrochen wird.

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24. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckabschnitt (24a) der Dampferaeugungsvorrichtung (24) einen ersten Hochdruck-Zylinder und einen aweiten Zwischendruck-Zylinder enthält, und daß der iiiederdruekabschnitt (24b) der Entspannung?;vorrichtung (24) zwei Niederdruck-Zylinder von etwa gleichem Hubraum umfaßt.

25. Vorrichtung nacli Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruck-Zylinder einen Hubraum von 0,10 Liter, der Zwischendruck-Zylinder einen Hubraum von 0,32 Liter und die Niederdruck-Zylinder einen Hubraum von jeweils 0,0 Liter haben.

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