DE2933369A1

DE2933369A1 - Kombiniertes kraftfahrzeug-antriebs-aggregat

Info

Publication number: DE2933369A1
Application number: DE2933369A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Kurt Hermann Ing.(grad.) 5860 Iserlohn Wuttke
Original assignee: Individual
Current assignee: Wuttke Rudolf Kurt Hermann Ing(grad) 5860 Ise
Priority date: 1979-08-17
Filing date: 1979-08-17
Publication date: 1981-03-26

Description

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Kombiniertes Kraftfahrzeug-Antriebs-Aggregat

Es ist bekannt, daß Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren einen sehr schlechten Gesamtwirkungsgrac¹ haben, der nur etwa 30 % der eingesetzten flüssigen oder gasförmigen chemischen Energiemenge entspricht. Etwa 70 % gehen, systembedingt, mit den Verbrennungsabgasen und durch die erforderliche Kühlung sowie durch Wärmestrahlung verloren, wobei die Abgase neben ihrem beträchtlichen Wärmeinhalt auch noch erhebliche Mengen umweltschädigender Stoffe in die Atmosphäre absondern. Die Wärmeverluste von ca. 70 % lassen sich, bis auf die Abstrahlung, zu etwa 65 % der eingesetzten chemischen Energie theoretisch nutzbar machen.

Davon kann der Wärmeverlust, durch die unerläßliche Kühlung des Verbrennungsmotors, mit etwa 30 % und der Wärmeverlust durch die Abführung der Verbrennungs-Abgase über den Auspuff in's Freie mit

ca. 35 % angenommen werden.

Die bei flussigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren im Kühlmantel des Motorblocks aufgenommene Wärme wurde bisher in einem meist frontal angeordneten Kühlsystem an den auftreffenden Luftstran übertragen und ging,abgesehen von der gelegentlichen Raumheizung des Fahrzeuginneren, nutzlos verloren.

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Ein flüssigkeitsgekühlter Verbrennungsmotor gibt also systembedingt heiße Flüssigkeit bzw. Wasser mit beträchlichem Wärmeinhalt ab.

Die ebenfalls systembedingt anfallenden Verbrennungs-Abgase wurden mit einem noch höheren Wärmeinhalt über den Auspuff nuczlos ins

Freie geführt. Mit dem Wärmeverlust des Motors eines Mittelklasse-Wagens könnte z. B. eine Wohnfläche von e*-.wa 100 m 750 Std. im s| Jahr beheizt werden.

Der Erfindungs-Gedanke verfolgt das Ziel diese beträchtlichen Energiemengen für den Antrieb der Kraftfahrzeuge praktisch nutzbar zu machen. Im Verbrennungsmotor sind also zwei beachtliche Wärme-Energiequellen vorhanden, die sich dann ideal ergänzen, wenn sie folgerichtig z. B. für die Erzeugung von Dampf erfaßt werden, der sich dann mit einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 60 % durch einen schnellaufenden Dampfmotor in mechanische Leistung umsetzen läßt.

Eine Dampfmaschine hat zudem für den Fahrzeugantrieb vorteilhafte Eigenschaften, weil sie, im Gegensatz zum Verbrennungsmotor, bereits aus dem Stand das höchste Drehmoment entwickelt.

In der Kombination eines Antriebsaggregates aus Verbrennungsmotor und Dampfmotor kann zumindest ein Teil dieser vorteilhaften Eigenschaft zu einer kostensparenden Vereinfachung des bisher erforderlichen mehrstufigen Schalt-Getriebes sowie evtl. dem Fortfall eines automatischen Getriebes führen.

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Wach dem Erfindungs-Gedanken wird vorgeschlagen, das aus dem Kühlmantel des Verbrennungsmotors (1) anfallende heiße Wasser über eine Kessel-Speisewasserpumpe (9) auf kürzestem Wege einem Dampferzeuger (3) zuzuführen, um es darin mit Hilfe der heißen Verbrennungs-Abgase zu verdampfen. Der so entstehende Dampf wird mit geeignetem Druck über einen gesteuerten Dampfschieber (11) einem sehne11aufenden mehrzylinderigem Dampfmotor (2) zugeführt und setzt darin seinen Energieinhalt zu einem wesentlichen Teil in mechanische Leistung um, die in der üblichen Weise an das Triebwerk (17) übertragen wird.

Wegen der unterschiedlichen Drehzahlbereiche zwischen Verbrennungsmotor (1) (z. B. 4800 U/min) und Dampfmotor (2) (z. B. 1500 U/min) ist die Zwischenschaltung eines Getriebes (17) mit Kupplung erforderlich.

Das aus dem Dampfmotor (2) anfallende Kondensat wird im Front-Kühler (5) auf mindestens 95 ° C reduziert und danach mit einer Umlauf-Pumpe (6) wieder dem Kühlmantel des Verbrennungsmotors (1) zugeführt, so daß annähernd ein Medien-Kreislauf gesichert ist.

Die vorgeschlagenen Maßnahmen bedingen allerdings Kostenerhöhungen bei der Fertigung des kombinierten Antriebs-Aggregates, die sicher nur dann zu amortisieren sind, wenn dadurch im Betrieb merkliche Verringerungen des Treibstoff-Verbrauches erzielt werden.

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Eine überschlägliche Wärmebilanz läßt jedoch schon vorab den Schluß zu, daß, bei Zugrundelegung einer beliebigen Antriebsleistung,der Anteil des Verbrennungsmotors (1) auf mindestens die Hälfte verringert werden kann, weil aus dem weit höheren Energieinhalt der bisherigen Wärmeverluste, auch unter Berücksichtigung des thermischmechanischen Wirkungsgrades einer Dampfmaschine, mehr mechanische Leistung herauszuholen ist.

Wenn also der apparative Teil des Verbrennungsmotors (1) auf mindestens die Hälfte reduziert wird, können damit schon die höheren Herstellungskosten des kombinierten Antriebs-Aggregates zum Teil ausgeglichen werden.

Dies und die Wirtschaftlichkeit der vorgeschlagenen Konzeption soll nachstehend an einem Beispiel dargestellt werden.

Wählt man z. B. eine Gesamtleistung des kominierten Antriebs-Aggregates von etwa 60 PS bzw. 44,2 kwh, so kann die Teilleistung des Verbrennungsmotors (1) mit 30 PS bzw. 22,1 kwh angesetzt werden.

30 PS = 19000 kcal/h (1 PS = 632 kcal/h) entsprechen bei einem thermisch-mechanischen Wirkungsgrad von 30 % einem Benzin-Verbrauch von 5,35 kg/h - 58.500 kcal/h.

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Von diesem Wärmeinhalt der genannten Treibstoffmenge kann theoretisch ein Anteil von 65 % mit 37.700 kcal/h für die Erzeugung von Dampf eingesetzt werden. Bei einem angenommenen thermischmechanischen Wirkungsgrad im Dampfsystem von etwa 60 %, wären dies ca. 22.600 kcal/h, also umgerechnet 35,8 PS bzw. 26,4 kwh.

Die Leistung des Verbrennungsmotors (1) von 30 PS ergibt also zusammen mit der Leistung des Dampfmotors (2) von 35,8 PS eine Gesamtleistung von 65,8 PS bzw. 48,4 kwh und liegt somit »am ca. 8 % höher als die angenommene Ausgangsleistung. Diese Mehrleistung von 8 % kompensiert mehr als ausreichend das um ca. 50 kg höhere Transport-Gewicht eines kombinierten Antriebs-Aggregates mit schätzungsweise 4 - 5 % des Fahrzeug-Leergewichtes, so daß eine echte Mehrleistung von ca. 3 % verbleibt. Ein reiner Verbrennungsmotor von 65,8 PS hätte vergleichsweise einen Treibstoffverbrauch von ca. 13,86 kg/h, während ein kombiniertes Antrids-Aggregat nur einen Treibstoffverbrauch von ca. 6,36 kg/h benötigt, also nur ca. 46 % des bisherigen Verbrauchs.

Um einen Begriff von der Bedeutung dieser beachtlichen Rationalisierung zu bekommen, kann z. B. eine Fahrzeugleistung von ca. 30.000 km/Jahr betrachtet werden. Dabei werden bei heutigen Treibstoffpreisen statt bisher ca. DM 3.640,— nur noch ca. DM 1.590,— für Treibstoff benötigt, mithin pro Jahr ca. DM 2.050,— gespart.

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Nimmt man weiter an, daß ein kombiniertes Antriebs-Aggregat etwa 30 % mehr als ein reiner Verbrennungsmotor mit einem angenommenen Preis von ca. DM 3.000,— kostet, so sind dies DM 900,— bis 1.000,—, also beim Neuwert eines Fahrzeuges von DM 15.000,— etwa 7 %.

Dem geringeren Treibstoffverbrauch entspricht ein geringerer Schadstoff-Auswurf sowie eine entsprechende Senkung des Geräuschpegels. Es ist ferner die höhere Lebensdauer einer Dampfmaschine zu berücksichtigen. Schließlich ist noch zu bemerken, daß der Treibstoff tank kleiner werden kann oder sich, bei gleicher Tankfüllung wie bisher, die mögliche Fahrstrecke mehr als verdoppelt.

Volkswirtschaftlich gesehen läßt sich mit der vorgeschlagenen Konzeption die künftige Energie-Situation nachhaltig entschärfen.

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Claims

■ · till I > · I I I I I I III 1 I It 1 > I· I · · · Patent-Ansprüche:

1. Kombiniertes Kraftfahrzeug-Antriebs-Aggregat, bestehend aus einem konventionellen Kolben-Verbrennungsmotor und einem schneilaufenden Kolben-Dampfmotor, der über einen relativ klein bemessenen Dampfkessel mit Dampf erforderlichen Druckes aus den Wärmeinhalten der Kühlflüssigkeit sowie der Verbrennungsabgase des Verbrennungsmotors gespeist wird.

2. Wie 1, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsanteil des Kolben-Dampfmotors mehr als 50 % der Gesamtantriebsleistung des kombinierten Antriebs-Aggregates betrage«

3. Wie 1 und 2, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwirkungsgrad ies kombinierten Antriebs-Aggregates mehr als doppelt so hoch wie ein konventioneller Kolben-Verbrennungsmotor g.ieicher Leistung liegt, während die aus dem Verbrennungsmotor-Teil anfallenden Verbrennungsabgase weniger als die Hälfte ausmachen.

4. Wie 1, 2 und 3, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserinhalt des Dampfteils durch Kühlen des, aus dem Kolben-Dampfmotor anfallenden, Kondensats in einem frontal angeordneten Kühler in der Grundmenge erhalten bleibt und somit im Wesentlichen ein Medienkreislauf entsteht.

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Der Kreislauf schließt ζ. B. den Kühler, die übliche Wasserpumpe, den Wassermantel des Kolben-Verbrennungsmotors, die Dampfkessel-Speisewasserpumpe, den Dampfkessel, den Dampfschieber, den Kolben-Dampfmotor sowie die Kondensat-Leitung zum Kühler ein.

5. Wie 1, 2, 3 und 4, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben-Dampfmotor, insbesondere bei hinterachsgetriebenen Kraftfahrzeugen, in Fahrtrichtung betrachtet, vorn direkt hinter dem Kühler angeordnet ist und die eigentliche Antriebswelle vom dahinterliegenden Kolben-Verbrennungsmotor zur Hauptkupplung und über das Gang-Schaltgetriebe zur Hinterachse geführt wird.

Bei vorderachsgetriebenen Kraftfahrzeugen kann die Reihenfolge, je nach den baulichen Möglichkeiten, umgekehrt oder anders sein.

6. Wie 1, 2, 3, 4 und 5, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß das Gang-Schaltgetriebe,nach Einsetzen der Leistungsabgabe des Kolben-Dampfmotors, nicht mehr, oder nur noch zum Teil, stufen weise bedient zu werden braucht.

7. Wie 1, 2, 3, 4, 5 und 6, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß

das Zusammenwirken des Kolben-Verbrennungsmotors mit dem Kolben-Dampfmotor wegen der unterschiedlichen Drehzahlbereiche über ein Ausgleichs-Getriebe mit Kupplung erfolgt.

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8. Wie 1, 2, 3 und 4, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Kolben-Verbrennungsmotors eine Verbrennungs-Gasturbine eingesetzt wird.

9. Wie 1, 2, 3 und 4, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Kolben-Dampfmotors eine Dampfturbine eingesetzt wird.

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Legende zum Systemschema

1 Kolben-Verbrennungsmotor

2 Kolben-Dampfmotor

3 Dampferzeuger

4 Kondensatleitung

5 Kondensatkühler

6 Kühlwasserpumpe

7 Verbindungsleitung zum Kolben-Verbrennungsmotor

8 Verbinaungsleitung Verbrennungsmotor-Dampferzeu^r

9 Dampferzeuger-Speisewasserpumpe

10 Dampferzeuger-Überdruckventil

11 Dampfschieber

12 Verbindungsleitung Dampferzeuger-Dampfmotor

13 Abgasleitung Verbrennungsmotor-Daiapferzeuger

14 Abgasleitung Dampferzeuger-Auspuff

15 Auspuff-Leitung

16 Auspufftopf

17 Ausgleichs-Getriebe mit Kupplung

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18 Hauptkupplung

19 Gang-Schaltgetriebe

20 Antriebswelle zur Treibachse

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