DE8522644U1 - Brennkraftaggregat - Google Patents

Description

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DIPL.-PHYS* DR. PETER PALGEN

ZUGELASSEN BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT DÜSSELDORF MULVANYSTRASSE 2 TELEFON 63 2727

TELEGRAMME: KUPAL KREISSPARKASSE DÜSSELDORF NR. 10&Idigr;4 463 DEUTSCHE BANK AG.. DÜSSELDORF 2 919 207 POSTSCHECK-KONTO: KÖLN 11521i^SO4

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Prennkraftaggregat

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennkraftaggregat der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.

Ein derartiges Brennkraftaggregat ist durch die DE-OS 26 18 584 bekannt. Die Brennkraftmaschine ist hierbei ein üblicher Verbrennungsmotor und der Wärmetauscher ein separates Element, welches durch Rohrleitungen sowohl mit der Abgasseite des Verbrennungsmotors als auch mit der weiteren Arbeitsmaschine verbunden ist, di? als Kolbendampfmaschine oder auch als Turbine ausgebildet sein kann. Das verdampfbare Medium ist Wasser, welches dem Kühlkreislauf oder einem separaten Vorrat j entnommen werden kann- |

Die separate Anordnung des Wärmetauschers führt | wegen der Rohrleitungen zu Wärmeverlusten und verursacht | außerdem auch einen größeren Platzbedarf des Aggregats. f

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Der Erfifidung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennkraftaggregat der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art so auszugestalten, daß Wärmeverluste und Platzbedarf so gering wie möglich gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Unterbringung des Wärmetauschers im Arbeitsraum der weiteren Arbeitsmaschine entsteht der Dampf in unmittelbarer Nachbarschaft seines Einsatzortes, so daß es keiner eigenen Dampfleitungen bedarf und die damit zusammenhängenden Verluste entfallen. Die Anordnung des Wärmetauschers im Arbeitsraum bedingt ferner zwar eine gewisse Vergrößerung desselben, führt aber insgesamt doch noch zu einem verringerten Platzbedarf gegenüber einer Ausführung mit eigenem Gehäuse.

Bei der in erster Linie, insbesondere bei als Kolbenmotoren ausgebildeten Brennkraftmaschinen, in Betracht kommenden Ausführung der weiteren Arbeitsmaschine als Kolbendampfmaschine wird der Wärmetauscher zweckmässig Anspruch 2 im Zylinderkopf derselben angeordnet.

Die gemäß Anspruch 3 vorzusehende Einspritzvorrichtung erübrigt eine Einlaßsteuerung des Dampfes, indem das Medium, im allgemeinen also das heiße Wasser, im richtigen Moment, also im Bereich der oberen Totpunktlage, eingespritzt wird und der schlagartig entstehende Dampf sogleich auf den Kolben wirken kann. Lediglich für das Ausschieben des Dampfes nach vollzogenem Arbeitshub bedarf es eines Ventils oder eines Schiebers.

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Die Maßnahme nach Anspruch 4 ermöglicht es, die Brennkraftmaschine und die weitere Arbeitsmaschine so weit wie möglich zu integrieren. Die Übertrittskanäle für die Verbrennungsgase können bei geeigneter Konstruktion sogar innerhalb des Blocks und somit weitgehend verlustarm verlaufen. Bei Kolbenmotoren kann die Aus-

^li bildung so sein, daß im vorhandenen Kolbenaggregat

lediglich ein oder mehrere Kolben hinzugefügt werden, die dann statt mit einem vergasten Flüssigkraftstoff mit Dampf arbeiten.

J In einer ersten Variante kann die Welle der

weiteren Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 5 mit der Ar-

■| beitswelle gekoppelt sein. Die Kopplung kann direkt

oder über ein Untersetzungsgetriebe erfolgen. Jedenfalls arbeitet die weitere Arbeitsmaschine hierbei auf die Arbeitswelle und erhöht die Antriebsleistung der Brennkraftmaschine ständig oder vorübergehend. Ermöglicht wird dies durch die erfindungsgemäß "kurzgeschlossene" Wärmetauscheranordnung und die daraus resultierenden niedrigen Wärme- und Ströinungsverluste.

In der in Anspruch 6 wiedergegebenen Alternative arbeitet die weitere Arbeitsmaschine auf Zusatzaggregate, zum Beispiel einen Kompressor, dessen komprimierte Luft in einem Speicher aufbewahrt und bedarfsweise zu den verschiedensten Zwecken eingesetzt werden kann, wie es für sich genommen aus der DE-OS 25 52 bekannt ist.

Es ist aber auch möglich, die weitere Arbeitsmaschine selbst wahlweise als Drückluftmaschine arbeiten zu lassen, und zwar sowohl im Kompressorbetrieb als auch im Motorbetrieb (Anspruch 7).

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Insgesaiht gesehen, vereint der erfindühgsgemäße Hybrid-Antrieb in sich folgende Vorteilei

a) Er verbraucht weniger Treibstoff.

b) Er emittiert weniger Abgase.

c) Die Eckwerte für die Schadstoffe können gegebenenfalls ohne Katalysator erreicht werden.

Fsiriisr, visnxi die weitere Arbeif-smaschine selbst oder ein von ihr angetriebenes Zusatzaggregat als Druckluftmaschine arbeiten können:

d) In dem Speicher gespeicherte Druckluft kann beim Auftreten von Leistungsspitzen die Funktion eines Turbo-Laders übernehmen.

o) In dem Speicher gespeicherte Druckluft kann ferner zum Starten der Brennkraftmaschine verwendet werden. Die Batterie und der elektrischer Anlassermotor können sich dadurch erübrigen.

f) Es besteht eine kurzzeitige Rangiermöglichkeit in Garagen oder Werkstätten ohne schädliche Abgase, wenn die weitere Arbeitsmaschine als Luftmotor arbeiten kann.

g) Der Bremsenverschleiß verringert sich, da Energie z.B. bei Talfahrt bei als Kompressor arbeitender weiterer Arbeitsmaschine zur Erzeugung von Preßluft verbraucht werden kann.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

Fig. 1 und 2 zeigen Längsschnitte durch die Oberen Teile eines Zylinders einer als Kolbendampfmaschine ausgebildeten zusätzlichen Arbeitsmaschine;

Fig, 3 zeigt eine Ansicht von oben eines erfindungsgemäßen Brennkraftaggregats, teilweise im Horizontalschnitt durch die von den Verbrennungsgasen durchströmten Kammern.

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Fig. 4 zeigt eine entsprechende Ansicht bei einem Brennkraftaggregat in Boxerausführung;

Fig. 5 zeigt eine Längsansicht eines Brennkraftaggregats in V-Ausführung.

In Fig. 1 ist der Kolben einer einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor zugeordneten Kolbendampfmaschine mit. 1 bezeichnet. Das Pleuel trägt die Bezugszahl 2. Der Kolben 1 läuft in der Laufbüchse 3 eines Zylinders 4. Der Zylinderkopf 5 und der Zylinderkopfdeckel 6 umschließen eine Kammer 7, die von den heißen Verbrennungsgasen des benachbarten Verbrennungsmotors durchspült ist und in deren Innerem der Zylinderkopf 5 mit mehreren großen Rippen 8 versehen ist, die eine wirksame Wärmeübertragung von den vorbeiströmenden Verbrennungsgasen in das Material des Zylinderkopfes 5 ermöglichen. Wenn die Verbrennungsgase die Kammer 7 durchströmt haben, gelangen sie in der üblichen Weise in die Auspuffanlage.

Dicht bei den Rippen 8 sind in dem Zylinderkopf 5 feine Kanäle 9 vorgesehen, die entweder als Bohrungen oder als einander dicht gegenüberstehende innere Oberflächen des Zylinderkopfs 5 ausgebildet sein können und in einen im Boden 10 des Zylinders umlaufenden Einlaßkanal 11 münden. Außen an den Kanälen 9 sind Einspritzdüsen 12 vorgesehen, die von einer nicht dargestellten Einspritzpumpe über Leitungen 13 taktweise mit Druckwasser versorgt werden. Das Wasser kann einem separaten Vorrat entstammen oder aber aus dem heißen Kühlwasser des Kolbenmotors entnommen sein.

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Bei dem Durchgang durch die in unmittelbarer Nachbarschaft der Wärmetauscherrippen 8 gelegenen und an ihren Wandungen entsprechend heißen Kanäle 9 verdampft das eingespritzte Wasser schlagartig und tritt durch den Einlaßkanal 11 als Dampf entsprechenden Drucks unmittelbar in den Zylinderraum 14 über, wo der Dampf auf den Kolben 1 wirkt. Wenn der Kolben 1 seinen Arbeitshub beendet hat und wieder nach oben kommt, öffnet das Ventil 15 und läßt den Dampf als Abdampf im Sinne der gestrichelten Pfeile 16 ausströmen. Der Dampf kann dann beispielsweise in die Auspuffanlage abgeblasen aber auch kondensiert und in den Wasserkreislauf zurückgeführt werden.

Der Zylinderkopf 5 bildet mit dem Deckel 6 und den Rippen 8 einen Wärmetauscher derart, daß die durch die Kammer 7 hindurchströmenden heißen Verbrennungsgase nicht in den Zylinderraum 14 gelangen und von dem Dampfkreislauf völlig getrennt bleiben. Die Dampfkanäle münden über den Einlaßkanal 11, der das Ventil 15 um- f

I gibt, unmittelbar in den Zylinderraum 14.

Soweit in Fig. 2 die Teile mit denen der Fig. übereinstimmen, sind die Bezugszahlen gleich. Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich lediglich hinsichtlich der Ausbildung des Wärmetauschers. Der Zylinderkopf 25 weist eingegossene innere Kammern auf, durch welche die heißen Verbrennungsgase hindurchleitbar sind. Die Kammern 17 sind von einer Vielzahl von dünnen, bei den Temperaturen der heißen Verbrennungsgase beständigen Röhrchen 18 durchsetzt, die nach unten offen in die Zylinderkainmer 14 ausmünden. Die Röhrchen 18 entsprechen den Rippen 8 der Fig. 1 und bilden die

Wärmeübertragungsflächen, an denen die Wärme aus den heißen Verbrennungsgasen auf das an den Einspritzdüsen 12 eingespritzte Wasser übergeht und dieses schlagartig verdampft.

In Fig. 3 ist ein komplettes Brennkraftaggregat 50 dargestellt, vei welchem die Brennkraftmaschine

flurch einen herkömmlichen Kolbenmotor mit zwei Zylindem 20 in Reihenbauweise und die weitere Arbeitsmaschine als Kolbendampfmaschine mit zwei Zylindern 30, 40 im gleichen Block ausgebildet ist. Die Zylinder 20 arbeiten auf ihre Kurbelwelle, d.h. die Arbeitswelle

21. Die heißen Verbrennungsgase treten an den Auspuffrohren 22 aus und werden an den Einlassen 23,24 in die Zylinder 30,40 der Kolbendampfmaschine eingeleitet. Der an dei Einlaß 23 eintretende Dampf durchsetzt die Kammer 7 des Zylinders 30, die mit Wärmetauscherrippen 8 entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 1 versehen ist. Die an dem Einlaß 24 eintretenden Verbrennungsgase durchsetzen eine Kammer 17 mit Wärmetauscherröhrchen 18 entsprechend Fig. 2. Tm Normalfall werden allerdings die Zylinder 30,40 der Kolbendampfmaschine, wenn überhaupt zwei vorhanden sind, untereinander gleich ausgebildet sein. Auch ist es nicht zwingend, daß der Kolbenmotor nur zweizylindrig ist. Im allgemeinen werden mehr Zylinder vorhanden sein.

Die Zylinder 20, 20,30,40 bilden in Fig. 3 einen einheitlichen Reihenblock, und es können auch die Zylinder 30,40 auf die Arbeitswelle 21 arbeiten. Es kann aber auch die Kolbendampfmaschine 30,40 an der Grenze zwischen den Zylindern 20 und 30 abgeteilt sein und eine eigene Welle 31 aufweisen, die in Fig*3 gestrichelt dargestellt ist und zum Antrieb von Zusatzaggre-

a gaten dient,

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Bei dem Brennkraftaggregat 60 der Fig. 4 sind zwei Zylinder 20 eines Boxermotors 40 vorhanden, aus denen die jeweiligen Verbrennungsgase im Sinne der Pfeile 19 in die Zylinder 30 bzw. 40 einer unmittelbar daneben im gleichen Block vorgesehenen Kolbendampfma. schine in Boxerausführung übergehen. Die entsprechenden Kanäle können in der Praxis im Block vorh?nden sein.

Auch bei dem Brennkraftaggregat 60 können die Zylinder 30,40 auf die Kurbelwelle 21 arbeiten, wie es dargestellt ist, oder es kann die Kurbelwelle der "Zylinder 30,40 von der Kurbelwelle 21 getrennt sein.

Bei dem Brennkraftaggregat 70 der Fig. 5 bildet der Zylinder 20 einen Verbrennungsmotor, und es werden seine heißen Verbrennungsgase durch die Leitung 32 unmittelbar in den den jeweils anderen Schenkel des "V" bildenden Zylinder 30,40 hinübergeleitet, der entsprechend den Fig. 1 bzw. 2 als Kolbendampfmaschine auf die Kurbelwelle 21 arbeitet. Es können mehrere derartiger Zylinderpaare gemäß Fig. 5 senkrecht zur Zeichenebene hintereinander angeordnet sein.

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   § ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

   4000 DÜSSELDORF

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   TELEGRAMME: KUPAL

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   mit. einer durch expandierende Verbrennungsgase angetriebenen Brennkraftmaschine,

   mit einem Wärmetauscher, in welchem die Wärme der nach Leistung der Arbeit ausgestoßenen Verbrennungsgase auf ein in Dampf verwandelbares Medium übertragbar ist,

   und mit einer weiteren Arbeitsmaschine, in welcher die Wärmeenergie des erzeugten Dampfes in zusätzliche mechanische Arbeit umsetzbar ist und die eine umlaufende Welle und mit der Welle verbundene, in einer Arbeitskammer von dem Dampf beaufschlagte und die Drehung der Welle bewirkende Arbeitselemente umfaßt,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Wärmetauscher (5,6 ,8;25,18) im Arbeitsraum (14) der weiteren Arbeitsmaschine (30,40) oder in unmittelbarer Nachbarschaft des Arbeitsraums (14) angeordnet und die Kanäle (7,17) für die Verbrennungsgase gegen den Arbeitsraum (14) geschlossen, die Kanäle (9,18) für das in Dampf verwandelbare Medium gegen den Arbeitsraum (14) offen sind*

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2. 2. Brennkraftaggregat nach Anspruch 1

   mit einer als Kolbendampfmaschine ausgebildeten weiteren Arbeitsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5,6,8;25,18) im Zylinderkopf (5,25) der Kolbendampfmaschine angeordnet ist.
3. 3. Brennkraftaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine taktweise arbeitende Einspritzvorrichtung (12,13) vorgesehen ist, mittels deren das Medium entsprechend der Hubstellung des Kolbens (1) phasenrichtig gegen die Wärmeübertragungsflächen (8,18) des Wärmetauschers (5,6,8;25,18) spritzbar ist.
4. 4. Brennkraftaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Arbeitsmaschine (30,40) mit der Brennkraftmaschine (20,20,...) in einem gemeinsamen Block vereinigt ist.
5. 5. Brennkraftaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle der weiteren Arbeitsmaschine (30,40) mit der Arbeitswelle (2*l) gekoppelt ist.
6. 6. Brennkraftaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (31) der weiteren Arbeitsmaschine (30,40) unabhängig von der Arbeitswelle (21) ist.
7. 7. Brennkraftaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Arbeitsmaschine (30,40) von Dampf- auf LUf tbetrieb umschaltbar ist.

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