DE2558919C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat zum Antrieb von Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Antriebsaggregat dieser Gattung ist bekannt aus der US-PS 38 77 229. Bei diesem bekannten Antriebsaggregat wird die durch die Wärme der verbrannten Abgase be­ triebene zusätzliche Antriebsmaschine von einem Kolben/ Zylinder-Aggregat gebildet, welches an die Kurbelwelle des Antriebsaggregates anschließbar ist und als Heißluft­ motor oder als Pumpe betreibbar ist. Bei Betrieb als Heißluftmotor wird die Abwärme der Abgas-Brennkammer genutzt. Das bekannte Antriebsaggregat, dessen Brennkraftmaschine mit einem überfetteten Brennstoff-Luftgemisch betrieben wird, um möglichst geringe Mengen an Stickoxiden entstehen zu lassen und einen hohen brennbaren Anteil der Auspuffgase an Kohlenwasserstoff und Kohlenmono­ xid zu erhalten, kann aufgrund der Verbrennung dieser Bestandteile unter Zuführung von Frischluft in der Brennkammer eines Nachbrenners bereits die Schadstoff­ emission kleinhalten. Dabei ergibt sich jedoch ein vergleichsweise hoher Treibstoffverbrauch, so daß der Wirkungsgrad des Antriebsaggregates noch zu wünschen übrig läßt. Da Luft nur eine sehr geringe Wärmekapazität besitzt, wird die von der Heißluft gelieferte Energie hauptsächlich zum Betreiben der Frischluftpumpe des Nachbrenners benötigt und kann nur noch einen sehr geringen Anteil der Gesamtleistung des Motors im Druck­ luftzylinder abgeben. Aufgrund der konstruktiven Gegeben­ heiten des auch als zusätzliche Antriebsmaschine arbeitenden Kolben/Zylinder-Aggregates kann dieses auch nicht sinnvoll mit Dampf betrieben werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebsaggregat zum Antrieb von Fahrzeugen der in Rede stehenden Gattung zu schaffen, welches es gestattet, im typischen Anwendungsbereich des Fahrzeuges nicht nur geringe Schadstoffemission zu erreichen, sondern gleichzeitig einen geringen Brennstoff-Verbrauch und damit hohen Wirkungsgrad.

Die Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren einzelnen Merkmalen der Auslegung der Brennkraftmaschine, der als zusätzliche Antriebsmaschine verwendeten Dampfmaschine und des Dampferzeugers im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 zusammengefaßt.

Zum Stande der Technik sei auch noch auf die DE-PS 3 10 184 sowie die US-PS 13 39 177 verwiesen, welche sich auch bereits auf die Kombination von Brennkraftmaschinen und dampfbetriebenen Aggregaten beziehen, jedoch auf die besondere Merkmalsvereinigung gemäß der vorliegenden Erfindung weder offenbart noch nahegelegt haben.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mit ihr ein kombiniertes Brennkraft- und Dampfmaschinen-System mit einem sehr wirtschaftlichen Treibstoff-Verbrauch von Fahrzeugantrieben geschaffen worden ist, wobei die Emission von Verunreinigungen und Schadstoffen minimal ist. Sie vereinigt somit die sich vielfach gegenseitig ausschließenden Ziele eines hohen Wirkungsgrades und niedriger Schadstoff-Emission.

Dabei ist im übrigen die Brennkraft-Maschine keineswegs auf die für normale Reisegeschwindigkeit erforderliche geringe Leistungsabgabe beschränkt, sondern sie kann auch höhere Leistung abgeben, wenn Voll-Leistung er­ forderlich ist.

Trotz Beschränkung der Leistung der Brennkraftmaschine auf etwa 50% der Leistung des gesamten Antriebsaggregates, kann das Gesamtaggregat einem damit ausgestatteten Personen­ kraftwagen bei Voll-Lastbetrieb durchaus eine Geschwindig­ keit von 160 km/h verleihen, wobei die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine dann höher als die Gesamt­ leistung des Antriebsaggregates bei normaler Reise­ geschwindigkeit ist.

Zweckmäßigerweise arbeitet die Dampfmaschine sowohl mit der Wärmemenge der Kühlflüssigkeit des Kühlsystems der Brennkraftmaschine als auch mit der Wärmemenge der Auspuffgase des Verbrennungsmotors (Anspruch 2).

Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand von Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein kombiniertes Blockdiagramm eines An­ triebssaggregates zum Antrieb von Fahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine und einer Dampfmaschine.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Steuereinheit als Treib­ stoff-Regelungsmechanismus für das in Fig. 1 dargestellte Antriebsaggregat.

Ein Antriebsaggregat zum Antrieb von Fahrzeugen ge­ mäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch als Blockdiagramm in Fig. 1 dargestellt.

Luft und Treib- bzw. Brennstoff werden einem bekannten Vergaser (10) mit einem Drosselventil (11) zugeführt, und die Mischung wird dann an Verbrennungsmotor bzw. Brenn­ kraftmaschine abgegeben. Die vom Vergaser (10) abge­ gebene Mischung wird absichtlich fetter gemacht, als es dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, wobei Treibstoff-Luft-Verhältnisse zwischen 0,075 und 0,120 und vorzugsweise von etwa 0,090 verwendet werden. Die Abgase des Verbrennungsmotors, die bei mittlerer bis starker Motorleistung eine Temperatur zwischen 500°C und 700°C haben und bei einem Treibstoff-Luft-Verhältnis von 0,090 am Eingang des Motors etwa 3,5% Wasserstoff und 8% Kohlenmonoxid enthalten, werden mit Luft von einer Luftquelle 14 (bei der es sich typischerweise um ein Gebläse handelt) entweder in der Auspuffleitung 16 oder in der Brennkammer eines Nachbrenners 17 vermischt. Das brennbare Gemisch wird dann im Nachbrenner 17 verbrannt. Bei dieser Verbrennung wird genü­ gend Wärme frei, um die Temperatur der Abgase auf etwa 1260°C zu erhöhen.

Die Auspuffgase (Abgas) der Verbrennungsmaschine enthalten genügend Brennstoffe, sodaß nach Vermischen mit einer ausreichenden Luftmenge eine Verbrennungsreaktion durch einen Funken einge­ leitet werden kann. Die Verbrennung wird durch geeignete Konstruktion der Brennkammer aufrechterhalten. Ein Wiederver­ mischen der heißen verbrannten Auspuffgase mit der frischen Mischung durch an sich bekannter Verfahren wie Flammenhalter, gegenläufige Strahlen oder andere Umlaufverfahren eignet sich zur Verbrennung der Auspuffgase. Luft kann in die Auspuffgase jederzeit nach Abschluß des Arbeitstaktes oder Expansionshubs des Verbrennungsmotors eingeleitet werden, so beispielsweise als Spülluft in einem Zweitaktmotor, von Öffnungen aus, die von dem Auspuffventil in einem Viertaktmotor geöffnet werden, in Rohrleitungen zwischen dem Zylinder und dem Nachbrenner, oder im Nachbrenner selbst. Eine bekannte, vom Zündsystem des Verbrennungsmotors betriebene Zündkerze wird in ein Gebiet mit niedriger Durchflußgeschwindigkeit eingesetzt, um das Gas-Luft-Gemisch des Auspuffs zu zünden. Es ist zweckmäßig ein Gebiet ohne Umlauf vorzusehen, nachdem der Hauptverbren­ nungsvorgang stattgefunden hat, um auf diese Weise den Ver­ brennungsvorgang abschließen zu können. Normalerweise wird dies durch den Übergang vom Nachbrenner zu der zugeordneten Dampferzeugungseinheit 18 gewährleistet. Eine Brennkammer mit einem Volumen von 165-330 cm³ stellt die für den Nachbrenner geeignete Größe dar. Die verbrannten Auspuffgase werden zur Dampferzeugungseinheit 18 geführt, die vorzugsweise aus etwa 50 m Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von etwa 6 mm und einem Außendurchmesser von 9 mm besteht und in einer passenden Umhüllung angeordnet ist.

In einer geeigneten Anordnung der Stahlröhren sind zwei benachbarte Spulen mit etwa 10 Lagen aufeinander angebracht. Die Spulen haben einen Innendurchmesser von etwa 7,5 cm und einen Außendurchmesser von 25 cm, wobei jede Spule eine Länge von 12,5 cm hat. Auspuffgase werden in den Raum um den Mittel­ punkt der ersten Spule eingeleitet, fließen in Radialrichtung nach außen über die Stahlröhren, treten von der ersten Spule aus, und werden dann in Radialrichtung nach innen durch die zweite Spule geführt. Die Auspuffgase treten in der Mitte der zweiten Spule gekühlt aus, da sie ihre Wärme an die Flüssig­ keit übertrugen, die in den Stahlröhren zirkuliert. Die Aus­ puffgase können anschließend in die Atmosphäre abgelassen werden. Wasser wird von einer Kesselversorgungspumpe 20 in der Mitte der zweiten Spule in die Röhren eingeleitet, fließt in Spiralrichtung nach außen durch die zweite Spule und dann wieder in Spiralrichtung nach innen durch die erste Spule, bis es schließlich als Dampf durch Drosselventil 22 abgeht.

Die Auspuffgase werden auf etwa 260°C bei der Übertragung ihrer Wärme an das Wasser in Dampferzeugungseinheit 18 gekühlt.

Der Wärmeaustausch zwischen dem Wasser und den Auspuffgasen wird zweckmäßigerweise im Gegenstrombetrieb in der Dampfer­ zeugungseinrichtung 18 durchgeführt. Zweckmäßige Betriebs­ bedingungen für die Dampferzeugungseinheit 18 sind wie folgt: Wasser wird bei 103 bar und 83°C von Versorungspumpe 20 zugeführt, und Dampferzeugungseinheit 18 erzeugt überhitzten Dampf mit 480°C. Dampferzeugungseinheit 18 kann im Prinzip in vier Abschnitte unterteilt werden, nämlich einen Dampfüber­ hitzer 18 a, einen Kessel 18 b, einen Speisewasservorwärmer oder Wärmeaustauscher 18 c und den wahlweise verwendbaren Nacherhitzer 18 d. Normalerweise bildet die zweite Spule den Wärmeaustauscher 18 c, während die erste Spule als Kessel 18 b und Dampfüberhitzer 18 a wirkt. Der wahlweise verwendete Nach­ erhitzer 18 d besteht aus zusätzlichen Röhren, die in die Leitung zwischen der ersten und der zweiten Spule eingesetzt sind; auch kann der Nacherhitzer in das Gehäuse eingearbeitet werden.

Das Wasser gelangt zuerst in Wärmeaustauscher 18 c, in dem es auf den Siedepunkt erhitzt wird, der 343°C bei einem Druck von 103 bar beträgt. Das erhitzte Wasser geht dann in den Kesselabschnitt 18 b, in dem die übertragene Wärme das Wasser in Dampf überführt. Der Dampf geht aus dem Kessel ab und geht an Überhitzer 18 a weiter, in dem zusätzliche Wärme zur Über­ hitzung des Dampfs abgegeben wird. Praktische Ausführungen der Dampferzeugungseinheiten basieren oft auf dem Prinzip des "einmaligen" Durchgangs, wobei das Wasser im Gegenstrom durch eine oder mehrere Röhren gepumpt wird, sodaß es den Flüssigkeitsfluß der Wärmequelle entgegengesetzt fließt. In einer derartigen Dampferzeugungseinheit kann sich die Grenze zwischen dem Erhitzer des Versorgungswassers und dem Kessel und zwischen dem Kessel und dem Dampfüberhitzer je nach Betriebsbedingungen stark verschieben, ohne daß sich hierbei für den Betrieb der Dampferzeugungseinheit bedeutsame Folge­ rungen ergeben. Dampferzeugungseinheit 18 besteht im wesent­ lichen aus einer verhältnismäßig kleinen Stahlrohranordnung für Hochdruck, durch die Wasser fließt; die Wassertemperatur steigt bis zum Siedepunkt an, das Wasser wird dann bei kon­ stanter Temperatur beim Weiterfließen in Dampf überführt und nimmt nach völliger Überführung in Dampf bis zu seiner Abgabe von der Dampferzeugungseinheit 18 noch höhere Temperaturen an. Drosselventil 22 für den Dampf steuert die Abgabe von hochge­ spannten Dampf an die Dampfmaschine 24, die aus einem Hochdruckabschnitt 24 a und einem Niederdruckabschnitt 24 b besteht.

Der Verbrennungsmotor 12 hat einen mit Kühlwasser oder einer vergleichbaren Flüssigkeit versorgten Kühlmantel 30, in dem der Druck normalerweise den atmosphärischen Druck übersteigt. Wasser wird dem Kühlmantel über eine Niederdruck-Ausgangsver­ bindung an der als Zusatzeinrichtung betriebenen Versorgungs­ pumpe 20 zugeführt oder mit einer nicht dargestellten getrenn­ ten Kesselversorgungspumpe. Die an die Zylinderwände abgege­ bene Wärme sowie die Erwärmung des Verbrennungsmotors verwandeln einen Teil des im Kühlmantel enthaltenen Wassers in Dampf, der vom Wasser in einem Dampfabscheider 32 getrennt wird. Dieser Dampf wird in einem Verbindungsstück 34 mit Niederdruckdampf vereinigt, der aus einem Zylinder mit einem mittleren Druck stammt. Der Zylinder stellt die zweite Stufe des Hochdruckabschnitts 24 a der Dampfmaschine 24 dar. Der Dampf geht durch den Nacherhitzer 18 d der Dampfer­ zeugungseinheit 18 und wird im Niederdruck-Zylinderabschnitt 24 b der Dampfmaschine 24 entspannt. Ein Drosselven­ til 50 steuert die Zufuhr von Dampf vom Kühlmantel 30 des Verbrennungsmotors und vom Abscheider 32 an die Niederdruck- Zylinder. Ein Absperrventil 52 ist in diese Leitung eingesetzt, um zu verhindern, daß Dampf vom Auspuff des Zwischenzylinders in den Dampfabscheider 32 und den Kühlmantel 30 des Verbren­ nungsmotors beim Aufheizen des Systems zurückfließt. Der Abdampf des Niederdruck-Zylinders geht an einen Kondensa­ tor 36 und einen zugeordneten Heißwasserbehälter 38, in dem der Dampf kondensiert wird und die Kondensationswärme an die Atmosphäre mit Hilfe eines Kühlventilators 39 abgegeben wird.

Überhitzter Hochdruckdampf wird bei Drücken von etwa 103 bar und Temperaturen von 480°C an die Dampf­ maschine 24 abgegeben, in der ein Teil der Wärmeenergie des Dampfes in Arbeit umgesetzt wird. Der Dampf wird zweck­ mäßigerweise in mehreren Stufen entspannt. In einer Ausfüh­ rungsform hat die Enspannungsvorrichtung vier Zylinder, einen für Hochdruck, einen für Zwischendruck und zwei für Niederdruck. Konstruktionswerte für den Hochdruckzylinder sind 100 bar am Eingang und 27 bar am Ausgang; Werte für den Zwischenzylinder sind 27 bar am Eingang und 7 bar am Ausgang; für die beiden Niederdruckzylinder betragen die Werte 7 bar am Eingang und 1,4 bar am Ausgang, jeweils Überdruck gegenüber der Atmosphäre.

Die mechanische Ausgangsleistung der Entspannungsvor­ richtung 24 wird durch Hauptwelle 40 über eine Freilaufkupp­ lung 42 an die Welle 44 des Verbrennungsmotors abgegeben. Die Leistung der beiden Motore wird an Schaltgetriebe 46 abgegeben, das die Leistung an die Antriebsräder des Fahrzeugs weiter­ gibt.

Für ein amerikanisches Auto der mittleren Größenklasse mit einer Masse von etwa 1600 kg sollte der Hubraum des Verbrennungsmotors 12 zwischen 1,3 Liter und 1,6 Liter betra­ gen; die Dampfmaschine 24 sollte einen Hubraum von etwa 2,07 Liter aufweisen. Der gesamte Hubraum der Entspan­ nungsvorrichtung wird zweckmäßigerweise auf die Zylinder aufge­ teilt, wobei 0,10 Liter auf den Hochdruckzylinder, 0,32 Liter auf den Zwischenzylinder und 0,8 Liter auf jeden der Nieder­ druckzylinder entfallen. Die vier Zylinder können in einer Linie oder in einer anderen geeigneten mechanischen Konfi­ guration angeordnet werden. Jeder Zylinder ist mit bekannten nicht dargestellten Dampfeinlaß-Auslaß-Ventilen versehen, bei denen es sich zweckmäßigerweise um die üblicherweise in der Auto-Industrie verwendeten Tellerventile handelt. Leistungs­ regelung wird erzielt mit Hilfe einer Dampfunterbrechungsein­ richtung 23 für den Hochdruckzylinder und Drosselventile 50 für den von Dampfabscheider 32 an den Niederdruckzylinder abgegebenen Dampf, wobei die Niederdruckzylinder mit einem auf etwa 30% des Hubs eingestellten Dampfzuführungsventil arbeiten sollten. Zum Anlassen der Dampfmaschine vom völligen Stillstand aus sind Einrichtungen vorgesehen, die die Abschal­ tung auf 70% des Hubs erhöhen, und vom Hochdruck-Dampfvorrat können geringe Mengen abgezweigt werden, sodaß Dampf mit mittlerem Druck und niederem Druck beim Start verfügbar ist. Das Hochdruck-Drosselventil 22 für den Dampf hat auch zur Auf­ gabe, den Bereich der Leistungssteuerung auszudehnen, wenn die Abschaltung mit dem Einlaßventil auf ein Minimum reduziert worden ist, und den Dampfvorrat für den Motor bei Bedarf völlig abzuschalten. Die Länge des Zeitabschnitts, in dem Dampf vom Dampfvorrat an den Hochdruckzylinder abgegeben wird, kann mit den dem Fachmann bekannten Verfahren eingeregelt werden; beispielsweise kann das Einlaßventil mit einer dreidimensiona­ len, mit der Kurbelwelle zusammenarbeitenden Nocke betrieben werden, die verschoben wird, um die verschiedenen erwünschten Einlaßwinkel zu ergeben. Auch kann eine Reihe von Tellerven­ tilen verwendet werden, von denen eines den Einlaß steuert, während das andere die Abschaltung vornimmt. Dampf wird nur dann in den Zylinder eingeleitet, wenn beide Ventile offen sind; die Phasenbeziehung zwischen den beiden Ventilen wird durch geeignete Differentialdrehungen der zugeordneten Nocken­ wellen erreicht, wie dies an sich bekannt ist.

Die normale Dampfeinleitung in den Hochdruck-Zylinder wird im Bereich von 20-30% des Hubs bei voller Drehmoment­ leistung durchgeführt und beträgt 5-20% des Hubs bei verschie­ denen Fahrbedingungen. Bei plötzlichen Leistungserhöhungen wird die Dampfeinleitung auf maximal 70-80% des Hubs erhöht. Der Dampfverbrauch und die sich daraus ergebende Leistung der Dampfmaschine 24 werden gesteuert durch den koordi­ nierten Betrieb des Hochdruck-Drosselventils 22, des Nieder­ druck-Drosselventils 50 und der nicht dargestellten Einlaß­ steuerung für die Dampfzuführung zum Hochdruck-Zylinder. Wenn die Dampfmaschine mehr Leistung abgeben soll, werden die beiden Drosselventile weiter geöffnet und die Zeit, während der Dampf zugeführt wird, wird verlängert. Die Kurbelgetriebe der Hoch­ druck- und Zwischendruck-Zylinder des Abschnitts 24 a können unter einem Winkel von 180° zueinander angeordnet werden, wobei dann das Auspuffventil des Hochdruck-Zylinders als Einlaßventil des Zwischendruck-Zylinders, d. h. als Überlei­ tungsventil wirkt. Der vom Zwischendruck-Zylinder abgegebene Dampf wird in Verbindungsstück 34 mit dem Dampf des Dampfab­ scheiders 15 vermischt und durch Wärmeaustauscher 18 c der Dampferzeugungseinheit geleitet. Bei niedriger Leistungsab­ gabe kann der Auspuff des Zwischendruck-Zylinders einen niedrigeren Druck aufweisen als der vom Motormantel abgegebene Dampf; deshalb ist ein Absperrventil 33 zwischen die Auspuff­ öffnung des Zwischendruck-Zylinders und das Verbindungsstück 34 der Dampfleitung eingesetzt.

Der Kondensator 36 hat etwa die gleiche Größe wie ein normaler Autokühler und kann auch an der gleichen Stelle befestigt werden. Der Wärmeaustausch ist im vorliegenden Fall größer, liegt aber im Bereich des Wärmeaustauschs von normalen Auto­ kühlern. Kondensator 36 wird vorzugsweise aus vertikalen Stahl­ röhren mit Außenrippen angefertigt. Die Stahlröhren werden dabei so gewählt, daß sie aureichend stark sind, um den Innen­ druck auszuhalten; ihre geometrische Anordnung wird so gewählt, daß beim Gefrieren von Wasser keine Beschädigungen auftreten können. Die vertikalen Kondensatorröhren sind zwischen Rohrver­ bindern an der Oberseite und am Boden eingesetzt; die Seiten des Bodenraums sind biegsam ausgeführt, sodaß sie das sich beim Gefrieren ausdehnende Wasser aufnehmen können. Der Boden­ raum ist so groß gemacht, daß er all das Wasser aufnehmen kann, das sich im Kondensator beim Abschalten ansammeln kann; der Wasserspiegel steigt dabei nicht in die vertikalen Röhren. Der Bodenraum des Kondensators kann als Heißwasserbehälter 38 dienen oder es kann ein getrennter Behälter mit biegsamen Wänden vorgesehen werden. Wasser wird von dem Heißwasserbe­ hälter 38 über die Kesselversorgungspumpe 20 an den Kühlmantel 30 des Verbrennungsmotors und an die Dampferzeugungseinheit 18 geführt. Eine Saugleitung 54 geht von Kondensator 36 und Heißwasserbehälter 38 über Absperrventil 56 an das Einlaßver­ teilerstück des Verbrennungsmotors, um nicht kondensierbare Stoffe aufzunehmen und abzuscheiden, die sich im Dampfsystem ansammeln können infolge Zersetzung des Schmieröls des Dampf­ Zylinders und durch das Einströmen von Luft durch beschädigte Dichtungen. Der Durchfluß wird beschränkt, um zu verhindern, daß zuviel Dampf an den Verbrennungsmotor geleitet wird. Absperrventil 56 kann mit einer Öffnung begrenzter Größe versehen werden, sodaß Durchfluß nur in einer Richtung statt­ finden kann, ohne daß hierbei die Mischung an der Einlaßöffnung des Verbrennungsmotors bei irgendwelchen Betriebsbedingungen unterbrochen wird.

Eine gemeinsame Steuerung der Leistung des Verbrennungs­ motors 12 und der Dampfmaschine 24 läßt sich erzielen mit Hilfe einer Steuereinheit der in Fig. 2 dargestellten Art. In dieser Einheit ist Verbindungsstange 61 an das übliche Fußpedal angeschlossen, das vom Fahrer des Wagens betätigt wird. Mit Schlitzen versehene Arme 62 und 64, die miteinander durch Achsen 65 a, 65 b verbunden sind, drehen sich um die Achse der in Grundplatte 63 angebrachten Welle 65 b bei entsprechender Bewegung der Verbindungsstange 61. Die an die verschiedenen Drosselventile und an den in Fig. 1 mit "C" bezeichneten Punkten angeschlossenen Steuerstangen 67 und 69 sind mit Stiften 66 bzw. 68 versehen, die in den in Armen 62 bzw. 64 angebrachten Schlitzen gleiten. Das aus den durch Verbin­ dungsstück 71 verbundenen Gelenken 70 und 72 bestehende Gliederwerk wird mit Stange 73 betätigt, um die relativen Belastungsan­ forderungen an den Verbrennungsmotor und die Dampfentspannungs­ vorrichtung zu steuern, sodaß diese die Leistung abgeben, die der Fahrer durch Drücken des Fußpedals und die damit verbundene Betätigung der Verbindungsstange 61 verlangt. Bei zunehmendem, an Kolben 80 in Zylinder 82 gegen die Federkraft 84 wirksam werdenden Dampfdruck in Leitung 81 wird Stange 73 nach oben bewegt. Diese nach oben gerichtete Bewegung verschiebt den Stift in der Steuerstange 69 der Entspannungsvorrichtung in dem in Arm 64 angebrachten Schlitz nach oben und den im Schlitz in Arm 62 gleitenden Stift an Steuerstange 67 für den Motor nach unten, sodaß bei der Zunahme des Dampfdrucks die Betätigung des Gliederwerks bedeutet, daß mehr Leistung von der Dampfmaschine und weniger Leistung vom Verbrennungsmotor verlangt werden. Wenn der Dampfdruck den gewünschten vorgege­ benen Wert übersteigt, wird Dampf vom Kessel und vom Kühlmantel mit größerer Geschwindigkeit abgenommen, und der Verbrennungs­ motor verbraucht weniger Treibstoff und Luft, sodaß weniger Auspuffgase und weniger Wärme für die Dampferzeugungseinheit 18 und den Kühlmantel 30 des Motors zur Verfügung gestellt werden. Die beiden Effekte wirken so zusammen, daß der Dampf­ druck auf den gewünschten vorgegebenen Wert gebracht wird. Wenn andrerseits der Dampfdruck unter dem gewünschten vorge­ gebenen Wert liegt, arbeitet der Mechanismus in umgekehrter Weise und erhöht den Durchsatz des Verbrennungsmotors und den Durchfluß von Auspuffgasen, während gleichzeitig der Dampfverbrauch der Entspannungsvorrichtung verringert wird.

Wenn erfindungsgemäß das Treibstoff-Luft-Verhältnis der dem Verbrennungsmotor zugeführten Benzin-Luft-Mischung vom Normal­ wert von 0,0714 auf den vorzugsweise verwendeten Wert von 0,090 verändert wird, ergibt sich eine Gesamtverminderung der NO_x- Emission von 5,6 g/Fahrzeugkilometer auf etwa 0,7 g/Fahrzeug­ kilometer, wobei die von der Dampfmaschine abgegebene Antriebs­ leistung noch nicht in Rechnung gesetzt wurde; wenn diese Antriebsleistung in die Betrachtungen einbezogen wird, ergibt sich eine Gesamtverminderung der Stickstoffoxyd-Emission um etwa das Sechzehnfache.

Der höchste Wirkungsgrad eines normalen Verbrennungsmotors ergibt sich bei einem mittleren Zylinderinnendruck von 7 bar und einer Kolbengeschwindigkeit von 300 m/min. Im Falle eines bekannten Motors in einem normalen Auto entspricht in einem hohen Gang eine Reisegeschwindigkeit von 80 km/h einer Kolbenge­ schwindigkeit von etwa 500 m/min. Der mittlere Zylinderinnendruck bei Straßenfahrt beträgt etwa 1,5 bar und der spezifische effektiven Treibstoff­ verbrauch ß.40 kg/kW · h. Wenn der bekannte Motor durch das neue, erfindungsgemäße Antriebsaggregat ersetzt wird, arbeitet der Verbrennungsmotors des neuen Systems unter vergleichbaren Bedingungen mit 3 bar als mittlerem Zylinderinnendruck, während bei normaler Vergasung 0,37 kg/kW · h als spezifischer effektiver Treibstoffverbrauch erzielt werden. Bei der vorzugsweise verwendeten Vergasung wird 1,4 mal mehr Treibstoff dem Verbrennungsmotor bei einem gesamten Treibstoffverbrauch von 0,49 kg/kW · h zugeführt. Da der Dampfmaschinenabschnitt des erfindungsgemäßen Systems eine Leistung liefert, die etwa der des Verbrennungsmotors im System entspricht, beträgt der gesamte spezifische effektive Treibstoffverbrauch des Systems etwa die Hälfte des obigen Werts, nämlich 0,24 kg/kW · h. Dies entspricht etwa der Hälfte des Treibstoffverbrauchs des normalen Verbrennungsmotors.

Die Emission verbrennbarer Schadstoffe ist im Nachbrenner auf äußerst geringe Werte reduziert worden, die weit unter den von Behörden für den Umweltschutz festgesetzten Werten liegen. Die Emission von NO_x ist auf ein Zehntel bis auf ein Sechzehntel der Werte reduziert, die bei den zur Zeit gebauten Motoren auftreten. Erreicht wurde dies ohne Einbußen der Wirtschaftlichkeit in Bezug auf Treibstoffverbrauch; vielmehr wurde eine beutende Verbesserung im Treibstoff­ verbrauch erzielt.

Bei dieser vorzugsweisen Verwendung des erfindungsgemäßen Motors als Antriebseinheit ist die vom System abgegebene ständige Spitzenleistung geringer als die bekannter Verbren­ nungsmotore. Wenn man jedoch die Tatsache ausnutzt, daß die im heißen Wasser und im heißen Metall der Dampferzeugungsein­ heit 18 gespeicherte Energie ein Reservoir darstellt, von dem Energie für Leistungsspitzen abgezweigt werden kann, ergibt der erfindungsgemäße Motor ausreichende Beschleunigung beim Stadtverkehr, bei der Einfahrt in Autobahnen, und beim Über­ holen auf Autobahnstrecken. Bei der oben angegebenen Bemessung des Motorsystems ergibt sich im Leistungsverhalten als Nachteil, daß es nicht möglich ist, mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 km/h schwere Lasten eine 10% Steigung hinaufzuziehen oder das Fahrzeug auf ebenen Bahnen mit Geschwindigkeiten von mehr als 160 km/h laufen zu lassen. Falls derartige Leistungswerte in Sonderfällen notwendig sind, so beispielsweise bei Polizei­ fahrzeugen, braucht nur der Hubraum des Verbrennungsmotors und der Dampfmaschine im System erhöht werden, wobei sich die Wirtschaftlichkeit im Treibstoffverbrauch etwas verschlech­ tert.

Claims (8)

1. Antriebsaggregat zum Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, mit einer Brennkraftmaschine, die mit überfettetem Brennstoff-Luftgemisch betrieben wird, mit einer Luftquelle, die Luft zum Vermischen mit den Abgasen in mindestens der stöchiometrisch zur Ver­ brennung der brennbaren Anteile notwendigen Menge liefert, mit einer Brenn­ kammer zum vollständigen Verbrennen dieses Gemisches und mit einer durch die Wärme der verbrannten Abgase betriebenen zusätzlichen An­ triebsmaschine, gekennzeichnet, durch folgende Merkmale:

• - Die Brennkraftmaschine arbeitet mit einem Brennstoff-Luftverhältnis zwischen etwa 0,075 und 0,12 kg Brennstoff/kg Luft,
• - ein Dampferzeuger (18) wird durch Wärmeaustausch mit den vollständig verbrannter Abgasen betrieben,
• - eine Dampfmaschine (24) als zusätzliche Antriebsmaschine wandelt den erzeugten Dampf in mechanische Energie um,
• - eine Vorrichtung (42) koppelt mechanisch die Brennkraftmaschine (12) und die Dampfmaschine (24),
• - die Brennkraftmaschine des Antriebsaggregates hat ein nur etwa halb so großes Huvolumen wie ein reines Brennkraftmaschinenaggregat etwa gleicher Leistung wie das gesamte Antriebsaggregat,
• - die Brennkraftmaschine und die Dampfmaschine geben bei Dauerbetriebs­ zustand etwa gleiche Leistungen ab,
• - die Brennkraftmaschine arbeitet bei normaler Reisegeschwindigkeit des angetriebenen Fahrzeugs mit relativ hohem mittleren Zylinderinnendruck nahe maximaler Kraftstoffausnutzung.

2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dampfmaschine sowohl mit der Wärme­ menge der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine als auch mit der Wärmemenge des Abgases der Brennkraftmaschine arbeitet.

3. Antriebsaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine mit einem Brennstoff-Luftverhältnis von etwa 0,090 arbeitet.

4. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verbrannten Abgase einem Überhitzer (18 A), dann einem Kessel (18 B) und dann einem Wärmeaustauscher (18 C) zugeführt werden, die bezogen auf den Durchfluß einer verdampfbaren Flüssig­ keit hintereinander geschaltet sind.

5. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfmaschine einen Hochdruckabschnitt (24 a) und einen Niederdruckabschnitt (24 b) enthält und daß ein Nacherhitzer (18 d) zur Aufnahme des vom Hochdruckabschnitt (24 a) kommenden entspannten Dampfes vorgesehen ist, der nach erneutem Erwärmen im Nacherhitzer dem Niederdruckabschnitt (24 b) zugeführt wird.

6. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Leistungs-Steuereinheit (60), die mit einer Verbindungsstange (61) an das Fußpedal des Fahrers angeschlossenen ist und zusätzlich unter Einwirkung einer auf den Druck des Dampferzeugers (18) ansprechenden Einrichtung (80) steht.

7. Antriebsaggregat nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochdruckzylinder der Dampfmaschine (24) einen Hubraum von 0,1 l, ein Zwischendruckzylinder einen Hubraum von 0,32 und zwei Nieder­ druckzylinder einen Hubraum von jeweils 0,8 l haben.

8. Antriebsaggregat nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (18) einen ausreichenden Energie­ speicher zur Abzweigung von Energie für Leistungs­ spitzen bildet.