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Dokumentenidentifikation DE19528900A1 24.07.1997
Titel Dampfmotor
Anmelder Kurpiers, Christian, 42651 Solingen, DE
Erfinder Kurpiers, Christian, 42651 Solingen, DE
Vertreter Patentanwälte Lippert, Stachow, Schmidt & Partner, 42651 Solingen
DE-Anmeldedatum 05.08.1995
DE-Aktenzeichen 19528900
Offenlegungstag 24.07.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.1997
IPC-Hauptklasse F01B 29/00
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Dampfmotor, der wie ein Hubkolbenmotor ausgeführt ist, in dessen Zylindern der infolge der Aggregatzustandsänderung (Verdampfung) des Wassers erzeugte Wasserdampf expandiert und im Zusammenwirken mit dem Kurbeltrieb Arbeit verrichtet, wobei sich der Dampfmotor für das 4-Takt- und das 2-Takt-Verfahren eignet.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Dampfmotor zu schaffen, der mit interner Dampferzeugung arbeitet, dessen Arbeitsraum (Zylinder) nicht unterteilt ist und bei dem ein Kondensator vorhanden ist, in welchen die Kondensation des entspannten Wasserdampfes und somit die Rückgewinnung des Wassers erfolgt.
Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die dem Dampfmotor mittels einer elektrischen Anlage, einer Brennkammer, oder eines Wärmetauschers zugeführte Energie rationell genutzt wird und daß die Rückgewinnung des Wassers im Kondensator die Wasserverluste auf Minimum reduziert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Dampfmotor, der wie ein Hubkolbenmotor ausgeführt ist, in dessen Zylindern der infolge der Aggregatzustandsänderung (Verdampfung) des Wassers erzeugte Wasserdampf expandiert und im Zusammenwirken mit dem Kurbeltrieb Arbeit verrichtet, wobei sich der Dampfmotor für das 4- Takt- und das 2-Takt-Verfahren eignet.

Stand der Technik

Derartige Dampfmotoren sind aus den DE-OS 24 16 964 und DE-OS 23 29 020 bekannt geworden. Der aus der DE-OS 24 16 964 bekannt gewordene Dampf-Schubkolbenmotor arbeitet mit externer Dampferzeugung, die zwangsläufig Wärme- und Expansionsverluste zu Folge hat. Darübe hinaus erfordert die externe Dampferzeugung zusätzliche Bauteile wie z. B. Kessel. Der aus der DE-OS 23 29 020 bekannt gewordene Expansionsmotor weist einen unterteilten Arbeitsraum (Zylinder und Einspritzraum) auf, dessen vergrößerte Oberfläche zu unnötigen Wärmeverlusten führt. Des weiteren ist beim Expansionsmotor keine Vorrichtung vorhanden, die für die Kondensation des entspannten Wasserdampfes, welcher den Arbeitsraum bereits verlassen hat, sorgt. Dies führt zu weiteren Wärme- und Wasserverlusten. Außerdem ist der Expansionsmotor mit Kühlsystem ausgestattet, obwohl in den Zylindern dieses Motors keine Verbrennung stattfindet.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Dampfmotor zu schaffen, der mit interner Dampferzeugung arbeitet, dessen Arbeitsraum (Zylinder) nicht unterteilt ist und bei dem ein Kondensator vorhanden ist, in welchen die Kondensation des entspannten Wasserdampfes und somit die Rückgewinnung des Wassers erfolgt.

Dadurch, daß der Wasserdampf intern d. h. im Zylinder erzeugt wird und den im Zylinder befindlichen Kolben im Sinne der Raumvergrößerung ohne Umwege in Bewegung versetzt, lassen sich Wärme-, Expansions- und Strömungsverluste vermeiden. Die für die interne Dampferzeugung erforderliche Direkteinspritzung erfolgt mit einer Einspritzdüse, welche das destillierte vorgewärmte Wasser zerstäubt in die im Kolbenboden angeordnete Kolbenmulde einspritzt. Dabei handelt sich um einen intermittierenden Einspritzvorgang, dessen Beginn bezogen auf die Kolbenstellung kurz vor dem oberen Totpunkt im Verdichtungstakt stattfindet. Der Einspritzvorgang wird im Arbeitstakt fortgesetzt, wobei die Einspritzmenge die Einspritzdauer beeinflußt. Die Einspritzmenge ist maßgebend für den Lastzustand des Dampfmotors.

Beim Dampfmotor der eingangs genannten Art gibt es zwei Eingangsstoffe (destilliertes Wasser und Frischluft) und zwei Ausgangsstoffe (Wasserdampf und Altluft). Dabei bewegen sich das destillierte Wasser bzw. Kondenswasser und der Wasserdampf in einem geschlossenen Kreislauf, weil der Ausgangsstoff Wasserdampf durch Kondensation zu Eingangsstoff Kondenswasser umgewandelt wird. Bei der Luft handelt sich um offene Prozeßführung, weil die Altluft durch Frischluft ersetzt wird, wobei die Altluft keinesfalls schadstoffbelastet ist. Die Eingangsstoffe werden vorgewärmt, bevor sie in die Zylinder des Dampfmotors gelangen, wobei die Frischluft in zwei Stufen (Kondensator und Ansaugkrümmer) vorgewärmt. Da der Wasserdampf und die Altluft miteinander vermischt sind, wenn sie die Zylinder des Dampfmotors verlassen, müssen sie durch geeignete Vorrichtung voneinander getrennt werden.

Die Vorwärmung der Frischluft im Ansaugkrümmer kann auf drei verschiedene Weisen geschehen. Daraus ergeben sich drei Varianten vom Dampfmotor: Der Elektro-Dampfmotor, der Verbrennungsdampfmotor und der Wärmetauscher-Dampfmotor. Beim Elektro-Dampfmotor wird die Frischluft im Ansaugkrümmer mittels einer elektrischen Heizspirale vorgewärmt. Darüber hinaus wird das Wasser mit Hilfe von Glühstiftkerzen in den Einspritzdüsen erwärmt. Beim Elektro-Dampfmotor sind mehrere Batterien für die Energieversorgung vorgesehen. Beim Verbrennungsdampfmotor ist im Ansaugkrümmer die Brennkammer plaziert, in welcher flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, um die dabei gewonnene Wärme an die Frischluft abzuführen. Beim Wärmetauscher-Dampfmotor ist ein Wärmetauscher in Ansaugkrümmer integriert, wobei der Wärmetauscher von heißen Gasen (z. B. Abgase von Verbrennungsmotoren) durchströmt wird und die Wärme an die Frischluft abgibt.

Bei dem Verbrennungs- und dem Wärmetauscher-Dampfmotor wird für die Vorwärmung des Wassers, welches sich in den Einspritzdüsen befindet, erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Zylinderkopf so auszubilden, daß dieser von den bereits genannten Gasen durchströmt wird.

Bei allen drei Dampfmotor-Varianten erfolgt die erste Stufe der Frischluftvorwärmung durch den Kondensator. Im Kondensator, welcher aus zwei Kühlnetzen und einem Wasserkasten besteht, wird die Kondensation des Wasserdampfes und die Trennung der Altluft vom Kondenswasser vollzogen, wobei sich das Kondenswasser im Wasserkasten ansammelt. Das Kondenswasser, welches fortlaufend aus dem Wasserkasten für Einspritzungen entnommen wird, trennt die beiden Kühlnetze des Kondensatörs. Um die Kühlnetze des Kondensators ist ein Kondensatorgehäuse gebildet, welches im Zusammenwirken mit Leitblechen die Frischluft so leitet, daß diese die beiden Kühlnetze mehrmals von außen passiert. Von innen werden die Kühlnetze von Wasserdampf und Altluft durchströmt. Dabei geben der Wasserdampf und die Altluft ihre Wärme über die Wände der Kühlnetze an die Frischluft ab.

Beim Dampfmotor der eingangs genannten Art wird vorgeschlagen die Zylinder doppelwändig auszuführen, wodurch ein Zwischenraum gebildet wird, welcher Erwärmmantel genannt wird. Am Ende des Arbeitsspiels (Ausstoßen beim 4-Takter bzw. Spülvorgang beim 2-Takter) treten der Wasserdampf und die Altluft aus den Zylindern aus und gelangen in den Erwärmmantel, wo sie die Zylinder von außen erwärmen. Anschließend verlassen der Wasserdampf und die Altluft den Erwärmmantel und strömen zur Turbine, welche entweder einen Kreisellader oder einen Stromgenerator antreibt. Die Turbine baut den Druck, der beim Öffnen des Auslaßventils bzw. beim Freigeben der Auslaßschlitze durch den Kolben im Zylinder herrscht, ab.

Nachfolgend werden der geschlossene Wasser-/Wasserdampfkreislauf und die offene Prozeßführung der Luft anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert:

Das Wasser wird mittels einer Einspritzdüse 1 in die im Kolben 4 angeordnete Kolbenmulde eingespritzt. Das Wasser vermengt sich mit der heißen Frischluft, verdampft und expandiert, wobei der Kolben 4 im Zylinder 3 abwärts bewegt wird (Fig. 4). Danach wird der Wasserdampf mit Altluft beim Aufwärtsgehen des Kolbens 4 durch das offene Auslaßventil 6 aus dem Zylinder 3 in den Erwärmmantel ausgeschoben (Fig. 5) . Anschließend strömen der Wasserdampf und die Altluft zur Turbine 2v und von dort aus in den Kühlnetz 8v des Kondensators 4v, wo der Wasserdampf kondensiert (Fig. 6). Das entstandene Kondenswasser sammelt sich im Wasserkasten 5v des Kondensators 4v an. Von dort wird das Kondenswasser entnommen, gefiltert und wieder in die Zylinder 3 des Dampfmotors 1v eingespritzt. Somit schließt sich der Wasser-/Wasserdampfkreislauf.

Die offene Prozeßführung der Luft:

Die aus der Atmosphäre aufgenommene Frischluft wird zuerst im Luftfilter 6v gefiltert, dann durch das Kondensatorgehäuse 3v und die Leitbleche dazu gezwungen, die Kühlnetze 8v des Kondensators 4v mehrmals von außen zu passieren. Dabei entzieht die Frischluft den Kühlnetzen 8v Wärme. Die auf diese Weise vorgewärmte Frischluft gelangt danach in den Ansaugkrümmer 7v des Dampfmotors 1v, wo eine weitere Erwärmung der Frischluft stattfindet (Fig. 6). Der abwärtsgehende Kolben 4 saugt die erwärmte Frischluft durch das offene Einlaßventil 2 in den Zylinder 3 an (Fig. 1). Der aufwärtsgehende Kolben 4 schiebt die überschüssige Frischluft durch das noch offene Einlaßventil 2 in den Ansaugkrümmer 7v zurück (Fig. 2). Dann schließt das Einlaßventil 2 (Schließzeitpunkt liegt zwischen 80 und 120 Grad Kurbelwinkel nach unterem Totpunkt) und der Kolben 4 komprimiert die im Zylinder vorhandene Frischluft (Fig. 3). Gegen Ende des Verdichtungstaktes (Fig. 3) und am Anfang des Arbeitstaktes (Fig. 4) erfolgt die Wassereinspritzung. Die komprimierte heiße Frischluft liefert dem eingespritzten Wasser Wärme, so daß dieses verdampft und Expansionsarbeit leistet. Während des Arbeitstaktes (Fig. 4) behält der Wasserdampf seinen gasförmigen Zustand bei und aus der Frischluft wird Altluft. Wie bereits im oberen Abschnitt beschrieben, verlassen die Altluft und der Wasserdampf den Zylinder 3 (Fig. 5), passieren den Erwärmmantel, dann die Turbine 2v und strömen zuletzt in das erste Kühlnetz 8v des Kondensators 4v hinein. Die Altluft durchströmt das erste Kühlnetz, dessen dünnwändige Röhren im mit Kondenswasser gefüllten Wasserkasten 5v enden, so daß die aus diesen Röhren austretende Altluft durch das Kondenswasser (infolge des Auftriebs) strömt. So kommt die Altluft in das zweite Kühlnetz 8v, durchströmt es und entweicht anschließend ins Freie (Fig. 6).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, beim Dampfmotor zwei unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse einzuführen. Es handelt sich um das theoretische und das tatsächliche Verdichtungsverhältnis. Das theoretische Verdichtungsverhältnis ist ein Volumenverhältnis vom Gesamtraum (Hubraum und Verdichtung→aum) zum Verdichtungsraum und beträgt 30 : 1 bis 60 : 1. Das theoretische Verdichtungsverhältnis ist konstant und übersteigt das Verdichtungsverhältnis des Dieselmotors. Das tatsächliche Verdichtungsverhältnis hängt vom Schließzeitpunkt des Einlaßventils (etwa 80 bis 120 Grad Kurbelwinkel nach unterem Totpunkt) ab und beträgt 15 : 1 bis 30 : 1. Durch das späte Schließen des Einlaßventils ergibt sich die große Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis Der Schließzeitpunkt des Einlaßventils ist nicht auf einen bestimmten Wert (Kurbelwinkelgrad) festgelegt, sondern kann verändert werden. Demzufolge ist das tatsächliche Verdichtungsverhältnis variabel. Die Verstellung des Schließzeitpunktes vom Einlaßventil (variable Einlaßsteuerzeiten) geschieht durch einen Nockenwellenversteller, der die Einlaßnockenwelle abhängig vom Lastbereich des Dampfmotors in die Früh- bzw. Spätstellung verstellt.

Durch die zwei unterschiedlich hohen Verdichtungsverhältnisse lassen sich beim Dampfmotor volumetrisch sehr kleine Verdichtungsräume realisieren, ohne daß die Frischluft im Verdichtungstakt zu stark komprimiert wird. Ein sehr kleiner Verdichtungsraum hat erstens eine sehr kleine Oberfläche (geringe Wärmeabgabe) und bewirkt zweitens eine enorme Raumvergrößerung im Zylinder während des Arbeitstaktes, wodurch ein großer Teil der Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgesetzt wird.

Der Dampfmotor ist wie ein Hubkolbenmotor ausgeführt und eignet sich für das 4-Takt- und das 2-Takt-Verfahren. Der 4-Takt- Dampfmotor ähnelt stark dem Diesel-Direkteinspritzer, wobei der Dampfmotor im Gegensatz zum Dieselmotor ohne Kühl- und Abgassystem ist. Statt dessen ist beim 4-Takt-Dampfmotor eine Energieversorgungsanlage und Kondensator vorhanden. Der 2-Takt-Dampfmotor ist im Prinzip gleich aufgebaut wie der 4-Takt-Dampfmotor. Der Zweitakter ist wie der Viertakter mit Einlaßventilen versehen. Damit lassen sich auch beim Zweitakter die zwei unterschiedlich hohen Verdichtungsverhältnisse realisieren. Die Rolle der Auslaßventile übernehmen beim Zweitakter die in den Zylinderwänden angeordneten Auslaßschlitze, welche von den Kolben geschlossen bzw. freigegeben werden. Zur Durchführung des Spülvorgangs ist eine Spülpumpe erforderlich. Als solche fungiert ein vom Motor angetriebener Lader.

Zeichnung

Fig. 1 bis 5 gehören zur Funktionsdarstellung des Arbeitsspiels vom 4-Takt-Dampfmotor, wobei

Fig. 1 den 1. Takt (Ansaugen der Frischluft),

Fig. 2 den 2. Takt (Ausstoßen überschüssiger Frischluft),

Fig. 3 den 2. Takt (Verdichten der Frischluft),

Fig. 4 den 3. Takt (Arbeiten des Wasserdampfes), und

Fig. 5 den 4. Takt (Ausstoßen des Wasserdampfes u. der Altluft) zeigen. Fig. 6 ist eine vereinfachte Darstellung des Dampfmotors mit Nebenaggregaten.

Bezugszeichenliste

OT Oberer Totpunkt

UT Unterer Totpunkt

E Einspritzbeginn

1 Einspritzdüse

2 Einlaßventil

3 Zylinder

4 Kolben

5 Kurbelkreis

6 Auslaßventil

7 Pleuelstange

F Frischluft

W Wasserdampf

A Altluft

1v Dampfmotor

2v Turbine

3v Kondensatorgehäuse

4v Kondensator

5v Wasserkasten

6v Luftfilter

7v Ansaugkrümmer

8v Kühlnetze


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betrieb eines als Hubkolbenmotor ausgebildeten Dampfmotors mit einem Motorgehäuse, welches mindestens einen Zylinder und einen in dem Zylinder geführten Kolben aufweist, so daß zwischen der Zylinderinnenwand und dem Kolben ein Kompressionsraum gebildet ist, dessen Volumen sich durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens verändert, einem mindestens eine Einspritzdüse aufweisenden Einspritzsystem zum Einspritzen eines Arbeitsmediums in den Kompressionsraum und einer Energieversorgungsanlage zur Erwärmung einer dem Kompressionsraum zugeführter Frischluft, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium vorgeheiztes Wasser mit der Einspritzdüse (1) in den maximal komprimierten Kompressionsraum eingespritzt wird, welches beim Einspritzen verdampft, so daß der erzeugte Wasserdampf Druck auf den Kolben (4) ausübt.
  2. 2. Verfahren zum Betrieb eines Dampfmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in der Einspritzdüse (1) vorgewärmt wird und in eine in dem Kolben (4) ausgebildete Kolbenmulde eingespritzt wird.
  3. 3. Verfahren zum Betrieb eines Dampfmotors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Kompressionsraum angesaugten Frischluft in einem vor dem Kompressionsraum angeordneten Ansaugkrümmer (7v) durch eine elektrische Heizspirale oder eine Brennkammer oder einem Wärmetauscher Wärme zugeführt wird.
  4. 4. Verfahren zum Betrieb eines Dampfmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses als Viertakt- oder als Zweitaktverfahren ausgeführt werden kann.
  5. 5. Verfahren zum Betrieb eines Dampfmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsregelung durch die Änderung der eingespritzten Wassermenge erfolgt.
  6. 6. Dampfmotor zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen durch die angesaugte Frischluft gekühlten Kondensator (4v) aufweist.
  7. 7. Dampfmotor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Zweitaktmotor ausgebildet ist, der in dem Zylinderkopf angeordnete Einlaßventile (2) und in der Zylinderwand auf der Höhe des unteren Totpunktes angeordnete Auslaßschlitze aufweist, und mit einem vom Motor angetriebenen Lader versehen ist, der als Spülpumpe fungiert.
  8. 8. Dampfmotor gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis in dem Kompressionsraum in Abhängigkeit von dem Lastbereich des Dampfmotors durch einen Nockenwellenversteller variabel steuerbar ist.
  9. 9. Dampfmotor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen Kondensator (4v), in dem eine Kondensation des entspannten Wasserdampfes und eine Trennung der aus dem Kompressionsraum aus strömenden Altluft von dem darin enthaltenen Kondenswasser vollzogen werden, so daß ein geschlossener Wasser- /Wasserdampfkreislauf zustandekommt.
  10. 10. Dampfmotor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder an der Außenwand einen Raum aufweist, den Medien zur Erwärmung des Zylinders durchströmen können.
  11. 11. Dampfmotor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine Turbine aufweist, die durch das aus dem Kompressionsraum ausströmende Medium antreibbar ist.






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