DE3148208A1

DE3148208A1 - Antriebseinrichtung aus verbrennungsmotor und dampfmotor

Info

Publication number: DE3148208A1
Application number: DE19813148208
Authority: DE
Inventors: Heinz 7410 Reutlingen Hafemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-12-05
Filing date: 1981-12-05
Publication date: 1983-06-09

Description

Antriebseinrichtung aus Verbrennungsmotor und
Damfmotor Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, bestehend aus einem wassergekühlten Verbrennungsmotor und einem durch die am Verbrennungsmotor anfallende Abwärme betriebenen Dampfmotor, mit einem Wärmetauscher im Abführkanal der Abgase des Verbrennungsmotors.
Es sind bereits verschiedene Vorschläge bekannt, die an einem Verbrennungsmotor anfallende Abwärme in einem als Zusatzantriebsaggregat verwendeten Dampfmotor auszunutzen, um den Wirkungsgrad von Kraftfahrzeugen zu erhöhen. Bei allen diesen Vorschlägen wird dabei das Kühlwasser, das in einem von den Abgasen des Verbrennungsmotors gespeisten Wärmetauscher verdampft wird, als Antriebsmittel für den Dampfmotor verwendet. Hierbei ergibt sich aber der Nachteil, daß das Kühlsystem für den Verbrennungsmotor nicht mehr allein nach der erforderlichen Kühlleistung bemessen werden kann und somit Kompromisse in bezug auf die Kuhlung des Verbrennungsmotors in seiner Aufwärmphase und in bezug auf die Kühlwassertemperatur allgemein eingegangen werden müssen, welche die Lebensdauer des Verbrennungsmotors nicht erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus Verbrennungsmotor und Dampfmotor kombinierte Antriebsvorrichtung zu schaffen, welche eine günstigere Auswertung der Abwärme des Verbrennungsmotors erlaubt, ohne daß hierbei die Kühlung des Verbrennungsmotors ungünstig beeinflußt wird.
Die gestellte Aufgabe wird mit einer Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dampfmotor in einem gesonderten, nur über einen Wärmetauscher mit dem Kuhlwassersystem des Verbrennungsmotors gekoppelten Wasser/Dampf-Kreislaufsystem angeordnet ist, das eine steuerbare Pumpe enthält und über den Abgas-Wärmetauscher als Verdampfer geführt ist.
Durch die Verwendung eines gesonderten Wasser/Dampf-Kreislauf systems für den Dampfmotor kann der Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors optimal im Hinblick auf eine ausreichende Wärmeabfuhr aus dem Motorblock ausgelegt werden.
Der Motorblock kann dann nach außen gut wärmeisoliert werden, ohne daß die Gefahr einer Uberhitzung von Motorbereichen befürchtet werden müßte.
Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebseinrichtung wird durch den gesonderten Wasser/Dampf-Kreislauf auch eine unabhängigere Steuerung des Einsatzes des Dampfmotors als bei bisher vorgeschlagenen Antriebseinrichtungen der einschlägigen Art erreicht. Vorteilhafterweise kann die Pumpe im Wasser/Dampf-Ereislaufsystem des Dampfmotors als Hochdruckpumpe ausgebildet sein, mit welcher - gesteuert in Abhängigkeit von an verschiedenen Stellen der Antriebseinrichtung und des zusätzlichen Kreislaufsystemes vorhandenen Temperat;ur- und Druckwerten und auch in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals eines mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebseinrichtung versehenen Kraftfahrzeuges - das in den Abgas-Wärmetauscher zum Verdampfen eingespritzte Wasser dosiert werden kann.
Um das in den Abgas-Wärmetauscher einzuspritzende Wasser immer auf einer möglichst hohen Temperatur zu halten oder eine relativ große, auf eine hohe Vorlauftemperatur bringbare Wasserumlaufmenge einsetzen zu können, kann der Kühlwasser-Wärmetauscher zweckmäßig mit Zusatzwärmetauschern kombiniert sein, über welche dem Kreislaufsystem des Dampfmotors die im Motoröl des Verbrennungsmotors und/oder in einem automatischen Getriebe eines die Antriebseinrichtung aufweisenden Kraftfahrzeugs gespeicherte Wärme zusätzlich zuführbar ist.
Die Einsatzmöglichkeiten des Dampfmotors der erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebseinrichtung können noch dadurch erweitert werden, daß der Abgas-Wärmetauscher erfindungsgemäß gleichzeitig als Wärmespeicher ausgebildet wird, was beispielsweise durch eine dickwandige Ausgestaltung seines Gehäuses und eine gute Wärmeisolierung dieses Gehäuses nach außen erreicht werden kann. Durch Einspritzen einer entsprechend dosierten Wassermenge in den als Wärme speicher ausgebildeten Abgas-Wärmetauscher kann der Verbrennungsmotor beispielsweise beim Halten an Verkehrsampeln ohne Zufuhr von Kraftstoff durch den Dampfmotor auf einer Leerlaufdrehzahl gehalten werden oder nach dem Abschalten des Motors ohne elektrisch betriebenen Anlasser wieder gestartet werden.
Somit läßt sich mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebseinrichtung nicht nur eine Erhöhung des Wirkungsgrades sondern außerdem ein umweltfreundlicherer Einsatz eines Verbrennungsmotors erreichen. Dabei kann der Dampfmotor auch auf eine eigene Antriebsachse wirken, z. B. bei frontgetriebenen Kraftfahrzeugen auf die Hinterradachse.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebseinrichtung anhand der beiliegenden schematischen Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen: Fig. 1 ein Aufbauschema der Antriebseinrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 2 einen stark schematisierten Querschnitt durch einen Abgas-Wärmetauscher der Antriebseinrichtung zur Erläuterung seines Wirkungsprinzips.
In dem Aufbauschema der Fig. 1 sind in einfacher Blockdarstellung ein Verbrennungsmotor 10 mit Kurbelwelle 11 und Abgaskanälen 12, ein als Turbine ausgebildeter Dampfmotor 13, ein dem Verbrennungsmotor 10 nachgeschaltetes Flüssigkeitsgetriebe 14, ein Kühlwasser-Wärmetauscher 15, ein Luftkühler 16 und ein Abgaswärmetauscher 17 dargestellt.
Der Verbrennungsmotor 10 ist wassergekühlt. Der Kühlwasserkreislauf führt über eine Vorlaufleitung 18 in eine Wärmetauschkammer 19 des Kühlwasser-Wärmetauschers 15 und über eine Rücklaufleitung 20 zurück in den Motorblock des Verbrennungsmotors 10. In der Vorlaufleitung 18 ist eine ventilgesteuerte Abzweigung 21 angeordnet, die zum Luftkühler 16 führt. Sollte der Kühlwasser-Wärmetauscher 15 nicht mehr ausreichen, die am Motorblock anfallende Abwärme abzugeben, läßt sich automatisch der Luftkühler 16 zuschalten.
Der Dampfmotor 13 ist über eine nicht dargestellte, an sich bekannte, mit einem Freilauf verbundene Einwegkupplung mit der Kurbelwelle 11 des Verbrennungsmotors 10 gekoppelt.
Sobald der turbinenartige Dampfmotor 13 die vom Verbrennungsmotor 10 bestimmte Drehzahl der Kurbelwelle 11 erreicht hat, arbeitet er gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor auf diese Kurbelwelle 11. Der Dampfmotor 13 liegt in einem gesonderten geschlossenen Wasser/Dampf-Kreislauf. Er führt vom Ausgang des Dampfmotors 13, erforderlichenfalls über einen gesonderten Kondensator 22, über eine Leitung 23 in eine Wärmetauschkammer 24 des Kühlwasser-Wärmetauschers 15, von dort aus weiter über eine Leitung 25 und eine Hochdruckpumpe 26 zu mehreren Einspritzdüsen 27 am Eingang des Abgas-Wärmetauschers 17. Das durch die Düsen 27 in den Abgas-Wärmetauscher 17 eingespritzte, im Abgas-Wärmetauscher 15 vorerwärmte Wasser wird im Abgas-Wärmetauscher 17 verdampft, und der gebildete Dampf wird über einen Dampfauslaß 28 des Abgas-Wärmetauschers 17 und eine Dampfleitung 29 in den Dampfmotor 13 geführt. Der Dampfmotor 13 kann so bemessen und konstruiert sein, daß er gleichzeitig die Kondensation des Dampfes ohne zusätzlichen Kondensator 22 bewirkt. In dem vorstehend beschriebenen Wasser/Dampf-Kreislaufsystem für den Dampfmotor 13 sind die wasserführenden Abschnitte, wie die Leitungen 23 und 25 und die Wärmetauschkammer 24, mit einer Schrägschraffur versehen, während die dampfführenden Abschnitte, nämlich die Dampfleitung 29, punktiert sind.
Der Kühlwasser-Wärmetauscher 15 ist mit zwei im Wärmetauschraum 24 angeordneten Zusatzwärmetauschern 30 und 31 versehen. Durch den Zusatzwärmetauscher 30 wird das erwärmte Schmieröl des Verbrennungsmotors 10 und durch den Wärmetauscher 31 das erwärmte Getriebeöl des FlUssigkeitsgetriebes 14 hindurchgeleitet.
Der Prinzipaufbau des Abgas-Wärmetauschers ist in Fig. 2 dargestellt. Er weist ein dickwandiges, als Wärmespeicher dienendes metallisches Gehäuse 32 auf, das eine Verdampfungskammer 33 umschließt und das nach außen mit einem dicken Isolationsmantel 34 versehen ist. Im Verdampfungsraum 33 verlaufen mit Abstand voneinander korrosionsbeständige Rohre 35, durch welche die über die Abgaskanäle 12 des Verbrennungsmotors 10 ankommenden heiBen Abgase des Verbrennungsmotors 10 hindurchgeleitet werden. Durch die Einspritzdüsen 27 wird das im Kühlwasser-Wärmetauscher 15 vorgewärmte Wasser des gesonderten Wasser/Dampf-Kreislaufsystemes auf die durch die Abgase erhitzten Rohre 35 aufgespritzt und dadurch verdampft. Der Dampf wird durch den Dampfauslaß 28 zum Dampfmotor 13 geleitet. Die Druckpumpe 26 ist über eine schematisch in Fig. 1 angedeutete Regeleinrichtung 36 in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur, der Abgastemperatur, von der Drosselklappenstellung des Verbrennungsmotors und erforderlichenfalls auch noch von anderen Faktoren geregelt. Die durch die Einspritzdüsen 27 pro Zeiteinheit in den Abgas-Wärmetauscher 17 eingespritzte Wassermenge und damit auch die pro Zeiteinheit gebildete Dampfmenge läßt sich also genau dosieren.
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Claims

Patentansprüche: y Antriebseinrichtung, bestehend aus einem wassergekühlten Verbrennungsmotor und einem durch die am Verbrennungsmotor anfallende Abwärme betriebenen DampSmotor, mit einem Wärmetauscher im AbführkanaL der Abgase des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (13) in einem gesonderten, nur über einen Wärmetauscher (15) mit dem Kühiwassersystem des Verbrennungsmotors (10) gekoppelten Wasser/Dampf-Kreislaufsystem (23 - 29) angeordnet ist, das eine steuerbare Pumpe (26) enthält und über den Abgas-Wärmetauscher (17) als Verdampfer geführt ist.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (26) im Wasser/Dampf-Kreislaufsystem als Hochdruckpumpe ausgebildet und auf der Eingangsseite des Abgas-Wärmetauschers (17) angeordnet ist, dessen Eingang durch auf von den Abgasen erhitzte Flächen (Rohre 35) gerichtete Einspritzdüsen (27) gebildet ist.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser-Wärmetauscher (15) mit mindestens einem vom Motoröl des Verbrennungsmotors (10) und/oder vom Getriebeöl der Antriebseinrichtung durchflossenen Zusatzwärmetauscher (30, 31) kombiniert ist.
4, Antriebseinrichtung nach einem der AnsPrüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz der Hochdruckpumpe (26) im Wasser/Dampi-Kreislaufsyatem in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur und der Abgastemperatur gesteuert ist.
5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe (26) im Betrieb abhängig vom Dampfdruck im Kreislaufsystem und von der Drosselklappenstellung des Verbrennungsmotors (10) gesteuert ist.
6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (13) als Turbine ausgebildet und über eine Einwegkupplung mit Freilauf mit der Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors (10) gekoppelt ist.
7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, für frontgetriebene Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (13) als Turbine ausgebildet und mit der Hinterachse des Fahrzeuges gekoppelt ist.
8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Wärmetauscher (17) als Wärmespeicher ausgebildet ist.
9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Wärmetauscher (17) aus einem den Verdampfungsraum (33) umschließenden, als Wärme speicher wirkenden, dickwandigen, nach außen isolierten Gehäuse (32) besteht und der Verdampfungsraum (33) mehrere mit Abstand angeordnete, von den Abgasen durchströmte, korrosionsbeständige Rohre (35), Einspritzdüsen (27) für das im Kühlwasser-Wärmetauscher (15) vorgewärmte Wasser und einen zum Dampfmotor (13) führenden Auslaß (28) für den in ihm erzeugten Dampf aufweist.