Brennkraftdampferzeuger

“Verfahren zur restlosen Ausnützung der Abwärme von Brennkraftmotoren”

In dieser und weiteren Erfindungen beschäftigt sich Fritz Gockerell mit der optimalen Ausnützung der Abwärme von Brennkraftmaschinen. Er sieht verschiedene Nutzungsmöglichkeiten vor.

Die grundlegende Nutzung ist die Produktion von Heißwasserdampf. Dieser energiereiche Dampf hat mehrere Anwendungsmöglichkeiten. Er kann in mechanische Rotationsenergie mittels eines Turbinenrades umgesetzt werden. Fritz Gockerell hatte vor, diesen Dampfgenerator in Fahrzeuge als Antriebseinheit mit einer Turbine zu installieren.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, Heizungsanlagen zu betreiben und eventuell an der Kurbelwelle des Brennkraftmotors einen Elektrogenerator zu koppeln. Heute erkennen wir in dieser Erfindung das Grundprinzip des Blockheizkraftwerkes.

In dem Exposé erklärt er die Wirkungsweise:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei welchem die bei Brennkraftmotoren im Kühlwasser und den Auspuffgasen enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet und innerhalb der Anlage sofort in Leistung umgesetzt wird. Die Lösung dieser an sich bekannten Aufgabe liegt zunächst in der idealen Vereinigung von Brennkraftmaschine und der Dampfmaschine zu einer Einheit, und weiter in der Einschaltung aller, die Dampferzeugung betreffenden Mengenförderung von Wasser und Wärme nach dem Kreisprozess. Der bei Brennkraftmaschinen enorme Wärme-Umsatz und die hohe Drehzahl derselben macht sie für Schnellverdampfung von Wasser bestens geeignet, wenn die hierzu gestellten Bedingungen gemäß dem vorliegenden Verfahren erfüllt werden. Den größten Wärmeumsatz auf kleinster Fläche hat der Zweittaktmotor, insbesondere Fahrzeugmotor, bei welchem die für die Dampferzeugung verbleibende Abwärme reichlich vorhanden ist.

Es sind verschiedene Vorschläge bekannt geworden, bei denen die Abwärme von Brennkraftmaschinen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit in verschiedenster Form verwertet wird. Bei ortsfesten Anlagen bezieht sich die Abwärmeverwertung hauptsächlich auf die Auspuffanlage, die zur Dampferzeugung herangezogen werden. Es sind aber auch neuere Anlagen bekannt, bei welchen die Dampferzeuger das Verpuffungsverfahren der Brennkraftmaschinen zum Vorbild haben. Solche Anlagen erhalten schon erheblich kleinere Abmessungen und nutzen die hohen Strömungs-Geschwindigkeiten der Brenngase aus. Diese Anlagen sind hauptsächlich für große Leistungen ortsfester Anlagen bestimmt, während die Erfindung sich mehr auf die Anwendung von kleineren, insbesondere für Fahrzeuge bestimmten Anlagen bezieht. Eine solche Anlage besteht in der Vereinigung von Brennkraftmaschine mit der Dampfmaschine, deren Dampf aus der gesamten Abwärme der Brennkraftmaschine erzeugt wird. Es wird also nicht nur die in den Auspuffgasen enthaltene Wärme, sondern auch die im Kühlwasser enthaltene Wärme zur Dampferzeugung benutzt. Bei Fahrzeugmotoren, die mit hoher Drehzahl arbeiten, liegt der wirtschaftliche Wirkungsgrad nicht sehr hoch. Beispielsweise erreicht derselbe bei Personenkraftwagenmotoren 18 – 20 %, sodass für die Dampferzeugung rund 80% der Verlustwärme zur Verfügung stehen. Dies allein würde aber nicht genügen, den Bauaufwand dieser neuartigen Anlage zu rechtfertigen, wenn nicht die Vereinigung von Brennkraft- und Dampfmotor in idealer Weise gelöst wäre und weiter unter Berücksichtigung einer Reihe von Bedingungen zuletzt der Dampferzeuger in den Kreisprozess der beiden vereinigten Kraftmaschinen geschaltet wäre. In der Erkenntnis, dass ein größter Wärmeumsatz auf kleinsten Raum für schnellste Dampferzeugung Grundbedingung ist, wurde für die Abwärmeverwertung ein Zweitaktmotor gewählt, der bekanntlich das 1,5 – 1,6 fache gegenüber den Viertaktmotoren umsetzt. Weiter wird die bauliche Vereinigung der beiden Maschinen in denkbar einfacher Weise durchgeführt und zwar so, dass der Zylinder der Brennkraftmaschine eine unmittelbar daneben befindliche weiterem, für den Dampfteil bestimmte Zylinderbohrung erhält, die der zu erwartenden Leistung entsprechend, kleiner bemessen ist. Der Antrieb und die Vereinigung der beiden auf einer Kurbelwelle arbeitenden Kolben wird in an sich bekannter Weise bei Zweitaktmotoren durch Anlenkung einer Nebenpleuelstange an der Hauptpleuelstange erreicht.

Infolge der bei Fahrzeugmotoren bekannten hohen Drehzahlen sind alle, die Dampferzeugung betreffenden sekündliche Mengen an Wärme und Wasser sehr klein und müssen daher um mit der, mit gleicher Geschwindigkeit arbeitenden Dampfmaschine in den Kreisprozess der Brennkraftmaschine mit eingeschaltet werden. Das Verfahren geht so weit, dass gleichzeitig mit der im Brennkraftmotor pro Hub anfallende Wärme eine dieser Wärmemenge entsprechende Wassermenge dosiert und verdampft wird. Bei einem Einspritz-Brennkraftmotor kommt dies am deutlichsten zum Ausdruck, weil die Kesselspeisewasserpumpe gleichzeitig mit der Brennstoff-Einspritzpumpe die entsprechende Menge – jeweils der Belastung entsprechend, fördert. Die Zeichnung zeigt den neuen Wärmemotor.

Der Zylinder 1 besitzt die Kolben 2 und 3, wovon der größere für den Brennkraftmotor, der kleinere für die Dampfmaschine bestimmt ist, welche durch den Drehschieber 4 gesteuert wird. Der Brennkraftmotor arbeitet im Zweitakt und die Steuerung erfolgt in bekannter Weise durch Schlitze. Die beiden Kolben arbeiten über die Hauptpleuelstange 5 und Nebenpleuelstange 6 auf die Kurbelwelle 7. Der Zylinderdeckel 8 ist als Verdampfer ausgeführt und erhält sein Wasser infolge direkt offener Verbindung aus dem Kühlmantel 9 des Brennkraftmaschinenzylinders 1.

Der in Kessel oder Verdampfer 8 sich bindende Dampf wird im Gegenstrom der Abgase im Rohr 10 zum Über­hitzer 11 geleitet und nimmt dort den Großteil der verfügbaren Wärme auf. Nachdem die Auspuffanlage auch den Kessel 8 passiert hat, strömen sie noch in den Vorwärmer 12, um dann ins Freie zu treten. Der Kreislauf der Verdampfung beginnt damit, dass der von der Kurbelwelle aus angetriebenen Wasserpumpe 13 das Wasser aus dem Kondensator zufließt und von dort wird es am tiefsten Punkt des Kühlwassermantels 9 eingepresst, um zunächst die Zylinderwand auf die Laufbahnlänge des Kolbens entsprechend zu kühlen, um dann schließlich beim Eintritt in den Zylinderkopf und Verdampfer völlig zu verdampfen.

Die Schnellverdampfung und der sich mehrere Hundertmal wiederholende Kreislauf des Kessel-Speisewassers machen mit Rücksicht auf die absolut notwendige Sicherheit dieser Anlage zur Bedingung, dass die zur Verdampfung kommende Wassermenge gleichzeitig mit der pro Hub zur Verbrennung kommenden Brennstoffmenge gefördert wird. Zulässig ist noch, dass die Wassermenge in einem zur Kurbelwellendrehzahl geringeren Geschwindigkeitsverhältnis gefördert wird, grundsätzlich notwendig aber ist, dass die Förderung in den Kreisprozess des Motors eingeschaltet wird. Die einzuspritzende Brennstoffmenge wird bei geringer Belastung durch Verschiebung der Reglerstange der Brennstoffpumpe 13 verringert. Dadurch dass die Reglerstange der Brennstoffpumpe 13 mit der Reglerstange der Einspritzpumpe 14 gekuppelt ist, wird gleichzeitig auch die zu fördernde Wassermenge augenblicklich und im richtigen Verhältnis verringert. Es besteht also eine ständige steuerliche, in dem Kreisprozess des Brennkraftmotors eingeschaltete Förderung von Brennstoff und Kesselspeisewasser. Dasselbe gilt für den erzeugten Dampf und seine augenblickliche Entnahme durch die ebenfalls mit im selben Kreisprozess arbeitender Dampfmaschine. Mit diesem Verfahren werden die Sicherheit solcher Anlagen und die Schnelligkeit der Dampfbildung bei günstigstem Wirkungsgrad erreicht. Eine Übersicht über Letzterer zeigen folgende Zahlen. Wird die Leistung des Brennkraftmotors mit 20 PS bei dem, bei Kraftwagenmotoren in der Praxis tatsächlichen Verbrauch von 350 Gramm Brennstoff für die PS/h in Rechnung gesetzt, so ergibt sich eine Brennstoffausnutzung von 18%, wenn 1 Kg Brennstoff 10000 Watteinheiten enthält. Von den verbleibenden 82% der gesamten Wärme treffen 2 % als Strahlungsverluste, sodass für die Dampferzeugung 80% zur Verfügung stehen, die sich auf 50% in den Abgasen und 30% im Kühlwasser verteilen. Mit einem, bei dieser Anlage erreichbaren Kesselwirkungsgrad von 0,93 kann eine erstaunliche Menge Dampf stündlich erzeugt werden.

Fritz Gockerell hatte mehrere Brennkraftdampferzeuger konstruiert. In seinen Unterlagen sind patentreife Zeichnungen und Beschreibungen, jedoch hatte er diese nie beim Patentamt eingereicht.

 „Schnell-Heißwasser- und Dampferzeuger durch die Verbrennungsgase eines speziellen Motors“