DE4141051A1 - Brennkraftmaschine mit einer dampfturbinenanlage als leistungsgekoppelter zusatzeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kur­ beltrieb und einem Abgasleitsystem, das einen an die Auslässe der Brennräume angeschlossenen Sammelkrümmer, wenigstens ei­ nen Schalldämpfer und wenigstens ein Auspuffrohr aufweist.

Eine Brennkraftmaschine dieser Gattung ist allgemein bekannt. Durch Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen wird mechanische Energie gewonnen, die auf den Kurbeltrieb übertragen wird und sich zum Antrieb von Arbeits­ maschinen und Kraftfahrzeugen aller Art nutzen läßt.

Zentrales Kriterium für die Wirtschaftlichkeit einer Brenn­ kraftmaschine ist die Höhe des Energieanteils der zugeführten Brennstoffmenge, der in mechanische Nutzenergie umgewandelt wird. Bei allen bekannten Brennkraftmaschinen wird ein be­ trächtlicher Teil der bei der Verbrennung des Brennstoffes freiwerdenden Wärmemenge im Auspuff nutzlos abgeführt. Um den Energieverlust durch die von der Brennkraftmaschine ausge­ stoßenen Abgase zu verringern, wurde bisher nur versucht, mittels Abgasturbinen den schwachen Überdruck der Abgase zu nutzen. Wesentlich mehr Energie geht jedoch durch die hohe Abgastemperatur verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch Rückgewinnung eines Teils der durch die Abgase abgeführten Wärmeenergie den Nutzwir­ kungsgrad einer Brennkraftmaschine zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenig­ stens ein mit einem Teil des Sammelkrümmers und des Auspuff­ rohres in Wärmeaustauschkontakt stehendes Rohrleitungssystem vorgesehen ist, in dem ein durch die aufgenommene Wärme ver­ dampfbares Arbeitsfluid strömt, und daß eine durch das ver­ dampfte und unter Druck gesetzte Arbeitsfluid angetriebene Dampfturbine auf ihrer Abtriebsseite kraftschlüssig mit dem Kurbeltrieb gekoppelt ist.

Durch diese, mit der Brennkraftmaschine leistungsgekoppelte Dampfturbinenanlage ist es möglich, einen wesentlichen Teil der thermischen Energie der Abgase in mechanische Nutzenergie umzuformen. Diese zusätzliche mechanische Nutzenergie kann zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine oder zur Kraftstoffeinsparung verwendet werden. Die höhere Energieaus­ beute und der damit verbesserte Nutzwirkungsgrad stärkt so die Wirtschaftlichkeit der Brennkraftmaschine.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die mit der Brennkraftmaschine leistungsgekoppelte Dampfturbinen­ anlage als geschlossener Kreislauf ausgebildet, der aus einem Vorratsbehälter für das flüssige Arbeitsfluid, dem Rohrlei­ tungssystem, einer in Strömungsrichtung vor diese angeordne­ ten Pumpenvorrichtung und einer Kondensationseinrichtung be­ steht, in der das dampfförmige Arbeitsfluid nach dem Durch­ strömen der Dampfturbine verflüssigt wird.

Diese Ausbildung der Erfindung verhindert den Verlust des Arbeitsfluids aus dem Dampfkreislauf und ermöglicht so einen relativ wartungsfreien und damit vereinfachten Betrieb der mit der Brennkraftmaschine leistungsgekoppelten Dampfturbi­ nenanlage.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung läßt sich durch den Einsatz von Membranpumpen als Pumpvorrichtung im Dampfturbinenkreislauf erreichen, wenn die Brennkraft­ maschine eine Kolbenmaschine ist. Jeder Zylinder weist dabei mindestens eine Membranpumpe auf, deren Antriebsseite mit dem Innenraum des Zylinders durch eine schlitzförmige Öffnung in der Zylinderwand verbunden ist.

Die Ausbildung der Pumpvorrichtung gemäß der Erfindung ermög­ licht es, daß die Membranpumpe ausschließlich durch das Ar­ beitsspiel des Kolbens und den im Zylinder wechselnden Druck betrieben wird. Dies hat den Vorteil, daß auf einen zusätz­ lichen externen Antrieb der Pumpvorrichtung verzichtet werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Schnittansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der Ausführungs­ form aus Fig. 1;

Fig. 3 und 4 Schnittansichten eines Zylinders mit einer Membranpumpe in verschiedenen Betriebszuständen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform einer Brennkraft­ maschine mit leistungsgekoppelter Dampfturbinenanlage sind die zentralen Elemente ein Maschinenkörper mit Brennkammern 10 und ein Kurbeltrieb 13, auf den die in der Brennkammer durch Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemisches erzeugte mechanische Energie übertragen wird. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden durch ein Abgasleitsystem 11, das an den Auslässen der Brennkammern sitzt und sich aus einem Sammelkrümmer 111, einem Auspuffrohr 112, einem Katalysator 113 sowie Schalldämpfern 114 zusammensetzt, abgeführt. Weitere Bestandteile der Brennkraftmaschine sind ein Kühl­ kreislauf 14, der für eine Kühlung der Brennkammern sorgt, und eine Einrichtung 15 zur Steuerung des Brennstoff-Luft- Gemisches und damit der Leistung der Brennkraftmaschine, be­ stehend aus einem Vergaser 151 und einem Gaspedal 152.

Mit diesen Elementen der Brennkraftmaschine sind die ver­ schiedenen Bestandteile einer Dampfturbinenanlage verkoppelt. Die Dampfturbinenanlage, in der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh­ rungsform, ist als geschlossener Kreislauf für das Arbeits­ fluid, z. B. destilliertes Wasser, ausgebildet. Die Dampf­ turbinenanlage arbeitet nur, wenn auch die Brennkraftmaschine sich im Betrieb befindet. Der Aufbau und die Funktionsweise der Dampfturbinenanlage zur Leistungsunterstützung der Brenn­ kraftmaschine sollen nun im folgenden näher beschrieben wer­ den.

Das Arbeitsfluid wird aus einem Vorratsbehälter 23 mittels einer Pumpvorrichtung 25, bestehend aus mehreren Membranpum­ pen, in ein Rohrleitungssystem 20 gepumpt. Das Rohrleitungs­ system 20 ist mit dem Abgasleitsystem 11 thermisch gekoppelt und bildet einen Dampferzeuger, in dem das Arbeitsfluid durch Wärmeaustauschkontakt mit den heißen Abgasen verdampft wird. Eine günstige Ausformung des Dampferzeugers ist in Fig. 1 gezeigt.

In dem Rohrleitungssystem 20 ist eine Rohrleitung, z. B. ein Kupferrohr, zunächst durch das Innere des Sammelkrümmers 111 und teilweise des Auspuffrohres 112 geführt. Diese Rohr­ führung trägt vorteilhaft zur Dämpfung der Abgasverwirbelung im Abgasleitsystem bei.

Im weiteren Verlauf ist das Auspuffrohr 112, das in diesem Abschnitt perforiert ist, mit der Rohrleitung von außen um­ wickelt, und die ganze Konstruktion ist mit einer Ummantelung 115 versehen. Durch die Perforation des Auspuffrohres 112 strömen die heißen Abgase in den Zwischenraum zwischen das perforierte Rohr und die Ummantelung 115 und erhitzen so optimal die Rohrleitung und damit das Arbeitsfluid.

Als weiterer Bereich des Abgasleitsystems 11 läßt sich der Katalysator 113 mit seiner hohen Betriebstemperatur zur Ver­ dampfung des Arbeitsfluids nutzen. Im Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Katalysatorkern spiralförmig mit der Rohrlei­ tung umwickelt. Darüber hinaus können auch die Schalldämpfer 114 durch geschickte Rohrführung, wie in Fig. 1 gezeigt, zum Verdampfen des Arbeitsfluid genutzt werden.

Ein zusätzlicher Vorteil der beschriebenen Verkoppelung zwi­ schen Rohrleitungssystem 20 und Abgasleitsystem 11 ist eine verbesserte Stabilisierung des Abgasleitsystems 11, was zu einer Verminderung der Vibration der Brennkraftmaschine bei­ trägt.

Das im Rohrleitungssystem 20 verdampfte und unter Druck ge­ setzte Arbeitsfluid treibt eine Dampfturbine 21 an. Die er­ zeugte mechanische Energie wird durch eine Getriebeeinrichtung 22 auf den Kurbeltrieb 13 der Brennkraftmaschine übertragen. Die Leistung der Brennkraftmaschine wird dadurch wesentlich verstärkt und ihr Nutzwirkungsgrad erhöht.

Die Getriebeeinrichtung 22, die die Dampfturbine auf ihrer Abtriebsseite kraftschlüssig mit dem Kurbeltrieb 13 verbindet, weist ein Freilaufrad 221 auf, das die Dampfturbine 21 von dem Kurbeltrieb 13 entkoppelt, solange die Dampfturbine 21 noch nicht betriebsbereit ist und ihre Drehzahl deswegen die des Kurbeltriebs 13 unterschreitet.

Die in Ausführungsform nach Fig. 1 verwendete Dampfturbi­ ne 21 besteht aus zwei Radialturbinenstufen 211, 212, die durch einen in der Turbinenwelle befindlichen Kanal mit hei­ ßem Dampf versorgt werden. Die Turbinenstufen 211, 212 sind auf unterschiedliche Drehzahlenbereiche ausgelegt und können mit Hilfe der Steuerhülse 26 dem Dampfkreislauf getrennt zu­ geschaltet werden. Durch die Verbindung mehrerer Turbinen­ stufen ist es möglich, für die verschiedenen Drehzahlen des Kurbeltriebs 13 die maximale Kraftunterstützung durch die Dampfturbine 21 bereitzustellen, da durch Verschiebung der Steuerhülse 26 nur die Turbinenstufe mit der optimalen Dreh­ zahlauslegung in den Dampfkreislauf zugeschaltet ist. Die andere Turbinenstufe der Dampfturbine 21 wird passiv mitge­ dreht, um ein schnelles Umschalten zwischen den Turbinen­ stufen zu ermöglichen.

Die Abstimmung der Steuerhülsenstellung auf die Drehzahl der Dampfturbine 21 erfolgt durch an die Steuerhülse 26 gekoppel­ te Gewichte 261, die so angebracht sind, daß ihre Fliehkräfte die Steuerhülse 26 bei unterschiedlichen Turbinendrehzahlen im Kanal verschieben.

Die Menge des zur Dampfturbine 21 strömenden Dampfes und da­ mit die Leistung der Dampfturbinenanlage wird mit dem Drossel­ ventil 27 am Dampfeinlaß der Dampfturbine 21 reguliert. Um die Leistungsunterstützung durch die Dampfturbinenanlage optimal auf die verschiedenen Betriebsbedingungen der Brenn­ stoffkraftmaschine abzustimmen, ist die Einstelleinrichtung für das Drosselventil 27 mit der Einrichtung 15 zur Steuerung des Brennstoff-Luft-Gemisches gekoppelt. In der Ausführungs­ form nach Fig. 1 ist die Einstelleinrichtung des Drossel­ ventiles über einen Seilzug mit dem Gaspedal 152 und dem Vergaser 151 der Brennkraftmaschine verbunden. Beim Nieder­ drücken des Gaspedales kann so gleichzeitig mit der Leistung der Brennkraftmaschine durch Steuerung des Vergasers auch die Leistung der Dampfturbinenanlage durch Steuerung des Drossel­ ventiles 27 erhöht werden.

Zusätzlich kann auch durch eine Verkoppelung der Steuerein­ richtung für die Steuerhülse 26 mit der Einrichtung 15 zur Steuerung des Brennstoff-Luft-Gemisches die Einstellung der Dampfturbine 27 auf die verschiedenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine optimiert werden. Im Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Steuerhülse 26 deswegen über einen zweiten Seilzug mit dem Gashebel des Vergasers 151 und dem Gaspedal 152 verbunden.

Der Abdampf aus der Dampfturbine 21 wird in einer Kondensa­ tionsanlage 24 wieder verflüssigt. Die Kondensationsanlage 24 ist an den Kühlkreislauf 14 der Brennkraftmaschine ange­ schlossen. Dies hat den Vorteil, daß nur ein Kreislauf mit Kühlmittel notwendig ist.

Aus der Kondensationsanlage 24 wird das flüssige Arbeitsfluid in den Vorratsbehälter 23 zurückgeführt. In der Ausführungs­ form nach Fig. 1 ist so ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsfluid in der Dampfturbinenanlage hergestellt. Dies ermöglicht einen relativ wartungsfreien Betrieb.

In Fig. 2 ist die Brennkraftmaschine mit einigen Teilen der damit leistungsgekoppelten Dampfturbinenanlage perspektivisch dargestellt.

Eine wesentliche Vereinfachung der Pumpvorrichtung für die Dampfturbinenanlage läßt sich durch eine Membranpumpe 251 er­ zielen, wenn die Brennkraftmaschine, wie in Fig. 3 und 4 dar­ gestellt, eine Kolbenmaschine ist. Die Membranpumpe 251 ist hierbei auf ihrer Antriebsseite mit dem Innenraum des Zylin­ ders 101 durch eine schlitzförmige Öffnung 103 in der Zylin­ derwand verbunden. Diese Verbindung zwischen Membranpumpe 251 und Zylinder 101 ermöglicht es, daß die Membranpumpe 24 ohne zusätzliche Antriebseinrichtung allein durch das Arbeitsspiel des Kolbens 102 und den im Zylinder 101 wechselnden Druck betrieben wird.

In Fig. 3 und 4 ist der Arbeitszyklus der Membranpumpe 251 in einem Viertaktverfahren gezeigt. Während des Ansaugens des Brennstoff-Luft-Gemisches (Fig. 3) entsteht Unterdruck in der Membranpumpe 251, die Membran wölbt sich nach innen, und das Arbeitsfluid wird aus dem Vorratsbehälter 23 angesaugt. Beim Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemisches (Fig. 4) herrscht hoher Überdruck im Zylinder 101, der Kolben 102 wird in den Zylinder 101 geschoben, und dabei Gas in die Membranpumpe 251 gepreßt, die Membran wölbt sich nach außen, und das Arbeits­ fluid wird in das Rohrleitungssystem 20 verdrängt.

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb (13) und einem Abgasleitsystem (11), das einen an die Auslässe der Brenn­ räume angeschlossenen Sammelkrümmer (111), wenigstens einen Schalldämpfer (114) und wenigstens ein Auspuffrohr (112) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens mit einem Teil des Sammelkrümmers (111) und des Auspuffrohres (112) in Wärmeaustauschkontakt stehendes Rohrleitungssystem (20) vor­ gesehen ist, in dem ein durch die aufgenommene Wärme ver­ dampfbares Arbeitsfluid strömt, und daß eine durch das ver­ dampfte und unter Druck gesetzte Arbeitsfluid angetriebene Dampfturbine (21) auf ihrer Abtriebsseite kraftschlüssig mit dem Kurbeltrieb (13) gekoppelt ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dampfturbine (21) auf ihrer Abtriebsseite durch eine Getriebeeinrichtung (22) mit dem Kurbeltrieb (13) ge­ koppelt ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die Getriebeeinrichtung (22) ein Freilaufrad (221) aufweist, das die Dampfturbine (21) von dem Kurbeltrieb (13) entkoppelt, wenn ihre Drehzahl die des Kurbeltriebs un­ terschreitet.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine (21) aus mehreren Turbinenstufen besteht, die für unterschiedliche Drehzahl­ bereiche ausgelegt sind und mittels einer Steuereinrichtung (26) getrennt zuschaltbar sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinrichtung (26) zur Zuschaltung der Tur­ binenstufen mit der Einrichtung (15) zur Steuerung des Brenn­ stoff-Luft-Gemisches für die Brennkraftmaschine gekoppelt ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Dampfeinlaß der Dampfturbine ein Drosselventil (27) zur Regulierung des Dampfdurchsatzes vorgeschaltet ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Einstelleinrichtung für das Drosselventil (27) mit der Einrichtung (15) zur Steuerung des Brennstoff-Luft- Gemisches der Brennkraftmaschine gekoppelt ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine in einem geschlos­ senen Kreislauf angeordnet ist, der aus einem Vorratsbehälter (23) für das flüssige Arbeitsfluid, dem Rohrleitungssystem (20), einer in Strömungsrichtung vor diesem angeordneten Pumpvorrichtung (25) und einer Kondensationseinrichtung (24) besteht, in der das dampfförmige Arbeitsfluid nach dem Durch­ strömen der Dampfturbine (21) verflüssigt wird.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennkraftmaschine eine Kolbenmaschine ist und daß die Pumpvorrichtung für jeden Zylinder (101) mindestens eine Membranpumpe (251) aufweist, deren Antriebsseite mit dem Innenraum des Zylinders durch eine schlitzförmige Öffnung (103) in der Zylinderwand verbunden ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kondensationseinrichtung (24) an den Kühlkreislauf (14) der Brennkraftmaschine angeschlossen ist.