DE2603379A1

DE2603379A1 - Dampfmaschine

Info

Publication number: DE2603379A1
Application number: DE19762603379
Authority: DE
Inventors: Hans Ingemar Reimertz Karlsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1976-01-29
Publication date: 1976-08-05
Also published as: SE388001B; SE7501076L; JPS51101604A; US4016724A; FR2299501B3; FR2299501A1

Description

PATENTANWÄLTE

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

D1PL.-PHYS. DIPL.-INC. 2603379

Hans Ingemar Reimertz Karlsson ox-ka-11

28.I.I976 Se/P

Dampfmasc nine

Vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfmaschine und hat insbesondere eine Einrichtung zur Vergrößerung der Dampfmaschinenleistung zum Gegenstand. Eine Dampfmaschine enthält einen Dampferzeuger, wenigstens einen Zylinder mit einem in dem Zylinder arbeitenden Glied, Leitungen und Ventile, um Dampf vom Dampferzeuger zu der im Zylinder ausgebildeten geschlossenen Kammer zuzuführen, und Leitungen und Ventile zum Auslassen des Dampfes aus der Zylinderkammer nach dem Arbeitshub.

Mit Dampf betriebene Maschinen sind vorbekannt. Solche Maschinen haben aber den Nachteil, daß sie groß und schwer sind, wenn sie für eine große AusgangsIeJSbung konstruiert sind. Zur Verbesserung der Leistung und der Arbeitsweise von Dampfmaschinen wurden Versuche unternommen, den Dampf mit anderen Stoffen zu mischen. Jedoch ergab dies nur einen begrenzten Leistungszuwachs und hat nicht die starken Nachteile beseitigt, die auf das verhältnismäßig hohe Gewicht und den großen Raumbedarf von dampfbetriebenen Maschinen zurückzuführen sind.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Zunahme der Ausgangsleistung von Dampfmaschinen zu erreichen, um dampfbetriebene Maschinen großer Ausgangsleistung trotz verhältnismäßig niedrigen Gewichts und kleiner Abmessungen zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird in erster Linie dadurch, gelöst, daß die Dampfmaschine gemäß vorliegender Erfindung nach den Merkmalen des Anspruches 1 ausgebildet ist.

Da das der Zylinderkammer zugeführte Zusatzmittel aus einem Stoff besteht, der sich bei der Temperatur des Dampfes rasch ausdehnt, und diese Ausdehnung in der Zylinderkammer stattfindet, wird eine wesentlich vergrößerte Leistung während jedes Arbeitshubes der Maschine erzielt. Diese Leistungszunahme hat den Vorteil, daß eine Maschine mit einer vorgegebenen Ausgangsleistung wesentlich kleiner und leichter ausgeführt werden kann, wenn das Erfindungsprinzip verwendet wird, als bei Ausbildung nach vorbekannten Konstruktionsprinzipien.

Gemäß der Erfindung kann ein brennbares Zusatzmittel verwendet werden, vorzugsweise eine Flüssigkeit, die bei Verdampfung ein verbrennbares Gas oder Gasgemisch ergibt. Dadurch, daß der ^; aus der Zylinderkammer ausgestoßene Dampf und das ausgestoßene Gasgemisch dem Wärmeerzeuger zugeleitet und dort das Gasgemisch verbrannt wird, wird eine sehr wirksame Ausnutzung des Zusatzmittels sowohl zum Antrieb des Arbeitsgliedes im Zylinder als auch zur Zuführung von Wärme zum Dampferzeuger erzielt. Außerdem werden aufgrund der Verbrennung des aus dem Zylinder strömenden Dampfes und Gasgemisches sehr wenig Auspuffgase von der Maschine erzeugt, was bedeutet, daß die Maschine sehr wenig schädlich für die Umwelt ist. Dies ist ein bedeutender Vorteil, insbesondere wenn die Maschine in Autos verwendet wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß viele Flüssigkeiten oder Gase, die keine Petroleumabkömmlinge sind, als Zusatzmittel verwendet werden können. Da das Zusatzmittel auch zu dem für das Starten der Maschine notwendigen Vorheizen des Dampferzeugers verwendbar ist, kann gemäß der Erfindung eine Maschine geschaffen werden,

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die vollkommen auf der Grundlage eines Treibstoffes betrieben werden kann, der leichter erhältlich ist, als diejenigen, die zur Zeit hauptsächlich für Maschinen mit innerer Verbrennung in Autos und ähnlichen Fahrzeugen Verwendung finden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematiseh einen Teil einer Kolbenmaschine mit den notwendigen Mitteln für die Anwendung der Erfindung.

Fig. 2 und 3 zeigen schematiseh den Maschinenzylinder gemäß Fig. 1 mit dem Kolben in anderen Lagen.

Die in Fig.l gezeigte Maschine enthält einen aufrechten Kreiszylinder 10, indem ein hin- und hergehender Kolben 11 angeordnet ist. Der Zylinder ist an seinem oberen Ende durch einen Zylinderkopf 12 abgeschlossen, so daß eine geschlossene Zylinderkammer 13 im Zylinder zwischen dem beweglichen Kolben und dem Zylinderkopf geschaffen ist. Der bewegliche Kolben 11 ist in der üblichen Weise mit einem Pleuel 14 versehen, das mit einer Kurbel 15 an einer Kurbelwelle 16 verbunden ist, wobei letztere auch mit einem Schwungrad 17 für einen gleichmäßigen Lauf der Maschine versehen ist. Der Kolben soll mit Dampf angetrieben werden und zur Erzeugung dieses Dampfes ist ein Behälter 18 vorgesehen, der eine bestimmte Menge von Wasser 19 enthält. Unter dem Behälter 18 befindet sich ein Brenner 20, der das Wasser im Behälter 18 auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Wasser verdampft wird. Der Dampf wird durch eine Leitung der Zylinderkammer 13 zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf zugeführt. Die Leitung ist mit einem Regulierventil 21a zur Steuerung des Drucks des zugeführten Dampfes versehen. Die Zufuhr von Dampf zum Zylinder wird mittels eines Einlaßventils

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gesteuert, das sich im Zylinderkopf 12 befindet. Zum Ausstoßen des Dampfes aus der Zylinderkammer nach einem Arbeitshub des Kolbens dient eine Auspuffleitung 23. Die Ausstoßung des Dampfes durch diese Leitung wird mittels eines Auslaßventils 24 im Zylinderkopf 12 gesteuert. Das Ventil 24 wird durch eine Feder 24a geschlossen gehalten.

Die Maschine hat einen Treibstofftank 24q der mit dem Zylinder über eine Leitung 25 zur Zufuhr von Treibstoff zur Zylinderkammer 13 verbunden ist. In der Leitung 25 zwischen dem Treibstofftank und dem Zylinder liegen eine Pumpe 26, ein Steuerventil 27, und ein Umschaltventil 28. Im angenommenen Auiührungsbeispiel besteht der Treibstoff aus einer Flüssigkeit, die bei der Temperatur des Dampfes rasch verdampft, wenn sie dem Zylinder zugeführt wird, wobei sie den Arbeitsdruck des Dampfes vergrößert, und die im gasförmigen Zustand verbrennbar und leicht zündbar ist. Die Zufuhr von Treibstoff zum Zylinder wird durch das gleiche Einlaßventil gesteuert, das auch die Zufuhr von Dampf zum Zylinder steuert.

Das Umschaltventil 28 ist auch mit einer Leitung 29 verbunden, durch die Treibstoff vom Tank 240 zum Brenner 20 unter dem Behälter 18 zur Erhitzung des Wassers im Behälter zugeführt werden kann. Von dieser Leitung 29 zweigt auch eine Leitung 30 in das Innere des Behälters l8 ab, so daß Treibstoff in den Behälter zur Vermischung mit dem Wasser, das sich bereits dort befindet, eingeführt werden kann. Ein Abschließventil 3I ist in der Abzweigleitung angeordnet.

Der Behälter 18 ist auch mit einem Wasservorratstank y^> mittels einer Verbindungsleitung 32 zur gelegentlich erforderlichen Nachfüllung von Wasser in den Behälter verbunden. In dieser Leitung befinden sich eine Pumpe 34 und ein Regulierventil 35 zum über-

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leiten des Wassers aus dem Vorratstank in den Behälter.

Die im Zylinderkopf 12 zur Steuerung des Einlasses von Dampf und Treibstoffgas und des Auslasses von Dampf-Gas-Gemisch gelegenen Ventile 22 und 24 werden mittels eines Stößels 36 und eines am oberen Ende desselben befestigten Betätigungsarmes 37 gesteuert, wobei der Betätigungsarm der Höhe nach einstellbar und zur Steuerung des Einlaß- und des Auslaßventiles angeordnet ist, wie weiter unten näher erläutert wird. Der Stößel 36 liegt mit seinem unteren Ende an einer Nooke 38 an, die mit der Kurbelwelle 16 fest verbunden ist. Die Maschine arbeitet auf folgende Weise. Wenn die Maschine gestartet werden soll, wird das Umschaltventil 28 auf die Startposition A gestellt, in der die Leitung 25 vom Treibstofftank mit der Leitung 29 zum Brenner unter dem Behälter verbunden ist, worauf der dem Brenner zugeführte Treibstoff in geeigneter Weise gezündet wird. Wenn sich ein ausreichender Dampfdruck im Behälter gebildet ^: hat, wird das Umschaltventil 28 in die Betriebslage B umgestellt, so daß Treibstoff durch die Leitung 25 zum Zylinder, wie in Fig. 1 gezeigt, zugeführt wird. Die Kurbelwelle wird nun von Hand oder mittels eines Anlassers gedreht, so daß der Kolben in die Lage der Fig.2 gelangt. In dieser Lage hat die an der Kurbelwelle angebrachte Nockenwelle 38 den Stößel 36 in seine obere Lage angehoben, in der er den Einlaßventil-Schieber 22 in eine Lage anhebt, in der der Schieber die öffnungen der Zufuhrleitungen 21, 25 für den Dampf aus dem Behälter und für den Treibstoff aus dem Treibstofftank freigibt. Darauf strömt Dampf in die Zylinderkammer 13 zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf und dehnt sich aus, so daß der Kolben nach unten gestoßen wird. Im wesentlichen gleichzeitig mit dem Dampf strömt auch Treibstoff ein und dieser wird wegen der aufgrund der Temperatur des einströmenden Dampfes hohen Temperatur in

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der Zylinderkamraer verdampft. Der sich ausdehnende Dampf vermittelt in Verbindung mit dem verdampften Treibstoff, der sich aufgrund seiner Verdampfung stark ausdehnt, einen kraftvollen nach unten gerichteten Schub auf den Kolben im Zylinder, um den Arbeitshub des Kolbens auszuführen. Während dieses Arbeitshubes wird der Kolben in seine untere Lage gemäß Fig.l geschoben. Aufgrund der während des Arbeitshubs in dem Schwungrad und der Kurbel gespeicherten kinetischen Energie setzt der Kolben seine Bewegung fort, und zwar von seiner untersten Lage nach oben in Richtung auf die obere Lage. Während dieser nach oben gerichteten Bewegung des Kolbens ist der Stößel 36 in Eingriff mit der Nooke 38, die aufgrund ihrer Ausbildung dem Stößel eine Absenkung in seine unter Lage

gestattet, in der der Betätigungsarm 37 mit dem Ventilschaft des Auslaßventiles 24 in Eingriff gelangt, so daß dieser Ventilschaft nach unten gedrückt wird, um , wie in Fig.3 gezeigt, die öffnung der Auspuffleitung 23 freizugeben, worauf das Dampf- und Gasgemisch in der Zylinderkammer durch die Leitung 23 ausgestoßen wird.

Das aus dem Zylinder ausgestoßene Dampf- und Gasgemisch wird über die Leitung 23 dem Brenner 22 unter dem Behälter 18 zugeführt, gezündet, und darauf verbrannt. Die dem Zylinder zugeführte Gasmenge sollte so groß sein, daß die Verbrennung des aus dem Zylinder ausgestoßenen Gases ausreichend zur Zufuhr der notwendigen Wärmemenge zur Aufrechterhaltung des Dampfdruckes im Behälter 18 ist. Dies wird durch eine geeignete Ausbildung der Mündung oder Düse der Leitung 25 im Verhältnis zu dem in der Treibstoffzufuhrleitung erzielbaren Druck und der Öffnungszeit des Einlaßventils 22 erreicht.

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Es empfiehlt sich, bei Betriebsbeginn das Ventil 31 in der Zweigleitung J5O zu öffnen, so daß Treibstoff in flüssiger Form dem Behälter 18 zugeführt und dort mit Wasser vermischt werden kann. Da der Treibstoff bei einer niedrigeren Temperatur als das Wasser verdampft, wird die zur Erzielung eines ausreichenden Dampfdruckes erforderliche Zeit verkürzt, so daß die Maschine schneller gestartet werden kann.

In geeigneter Weise kann als Treibstoff für die oben beschriebene Maschine ein einwertiger primärer Alkohol z.B. Methylalkohol verwendet werden. Diese Flüssigkeit hat den Vorteil rascher Verdampfung bei der Temperatur des Wasserdampfes, ist leicht mit Wasser mischbar,gleichzeitig billig und, im Gegensatz zu Benzin und Dieselöl, kein Abkömmling von Erdöl.

Obwohl nur ein AusfUhrungsbeispiel gemäß der Erfindung oben beschrieben wurde, ist es klar, daß mehrere Abänderungen und andere Ausführungen innerhalb des durch den Erfindungsgedankens abgesteckten Rahmens möglich sind. Z.B. ist es nicht notwendig, das aus dem Zylinder ausgestoßene Dampf-Gas-Geraisch zur Zufuhr von Wärme an den Dampferzeuger zu benützen. In so einem Fall besteht eine große Freizügigkeit bezüglich der Wahl der für Jeden Arbeitshub zugeführten Treibstoffmenge, da nicht berücksichtigt werden muß, den Brenner aus dem vom Zylinder stammenden Gas in Betrieb zu halten. Es ist außerdem möglich, Treibstoff zum Brenner unter dem Behälter sowohl aus dem Zylinder als auch aus dem Treibstofftank zuzuführen, jedoch muß dann das Umschaltventil eine etwas andere Ausbildung erhalten, so daß eine bestimmte, aber verringerte Menge von Treibstoff dem Brenner während des normalen Laufs der Maschine fortlaufend zugeführt wird. Es ist außerdem möglich, die Maschine mit einem Kondensator zu versehen, der den aus den Zylinder ausgestoßenen Dampf

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verflüssigt, so daß der Wasserverbrauch vermindert wird. Das System kann dadurch auch mehr oder weniger geschlossen werden. Wenn das System vollkommen geschlossen ausgeführt wird, wird kein besonderer Wassertank benötigt und die im Behälter befindliche Wassermenge ist zum fortlaufenden Betrieb der Maschine ausreichend. Wenn ein geschlossenes System benützt wird, können andere Medien als Wasser im Dampferzeuger verwendet werden, die in gewissen Anwendungsfällen vorteilhaft sein können. Der gezeigte Treibstofftank muß nicht flüssigen Treibstoff enthalten, sondern kann durch einen Gasbehälter ersetzt werden, vorausgesetzt^ daß das verwendete Gas nach Einführung in den Zylinder genügend stark expandiert, um einen wesentlichen Beitrag zu der zum Antrieb des Arbeitsglieds im Zylinder erforderlichen Kraft zu leisten.

Die geschlossene Kammer, in der die Ausdehnung des Dampfes und des Zusatzmittels stattfindet, muß nicht von zylindrischer Form sein, sondern kann z.B. die im Wankelmotor verwendete Form haben, bei der der Kolben durch einen Rotor ersetzt wird.

Viele andere Treibstoffe können anstelle des oben erwähnten einwertigen primären Alkohols verwendet werden, z.B. andere einwertige primäre Alkohole, Ketone, Aldehyde, verschiedene Äther, Methan, Butan und Erdölerzeugnisse wie Benzin (Motorbenzin

Viele der obengenannten Treibstoffe können vorteilhafter Weise mit dem Wasser im Dampferzeuger und den Vorratsbehältern, sofern vorhanden, gemischt werden, um das Gefrieren des Wassers zu verhindern.

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Wenn ein geschlossenes System für das verdampfbare Medium in dem Dampferzeuger verwendet wird, wird zweckmäßigerweise als Kondensator ein gekühlter Zylinder mit einem Kolben verwendet, wobei der während der Verflüssigung auftretende Unterdruck zum Antrieb des Kolbens in dem gekühlten Zylinder verwendet wird, wobei die Bewegung des Kolbens wiederum in an sich bekannter Weise zum Antrieb von z.B. Pumpen Verwendung finden kann.

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Claims

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Patentansprüche

I./ Dampfmaschine mit einem Dampferzeuger, wenigstens einem Zylinder mit einem Arbeitsglied im Zylinder, Leitungen und Ventilen zur Zuführung von Dampf vom Dampferzeuger zu einer geschlossenen Kammer im Zylinder und Leitungen und Ventilen zum Ausstoßen von Dampf aus der Zylinderkammer nach einem Arbeitshub, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (240, 25, 26), zur Zuführung eines Zusatzmittels, das bei der Temperatur des Dampfes sich rasch ausdehnt, zur Zylinderkammer (13) im wesentlichen gleichzeitig mit dem Dampf.
2. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein verbrennbares Zusatzmittel.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmittel aus einer verdampfbaren Flüssigkeit besteht.
4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3* dadurch gekennzeichnet, daß die von der Zylinderkammer (13) wegführende Leitung (23) zum Dampferzeuger führt und dort mit einem Brenner (20) zur Verbrennung des Zusatzmittels verbunden ist, um dem Dampferzeuger Wärme zuzuführen.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 2-4, gekennzeichnet durch eine Leitung 29 zur Zufuhr des verbrennbaren Zusatzmittels direkt zum Dampferzeuger (18, 20) zur Verbrennung, um dem Dampferzeuger Wärme zuzuführen.

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6. Maschine nach einem der Ansprüche 3-5 » gekennzeichnet durch eine Leitung 30 zur Zuführung des verbrennbaren Stoffes in flüssiger Form zum Verdampfer, um es mit dem verdampfenden Medium (19) im Verdampfer zu mischen, so daß die Maschine schneller startbereit ist.
7. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im Verdampfer verdampfte Medium Wasser ist.
8. Maschine nach den Ansprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß das verbrennbare flüssige Zusatzmittel mit Wasser leicht mischbar ist.
9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmittel aus einem einwertigen primären Alkohol besteht. '
10. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ventil (22) zur Steuerung der Zufuhr sowohl von Dampf als auch Zusatzmittel zur Zylinderkammer (13)·
11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem geschlossenen Dampfsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Zylinderkammer (13) wegführende Leitung (23) mit einem gekühlten Zylinder, der mit einem Kolben versehen ist, verbunden ist, in dem der Dampf verflüssigt wird, wobei der entstehende Unterdruck zum Antrieb des Kolbens im gekühlten Zylinder verwendet wird.

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