Siegfried Nagel Unterbach 1111 A- 6863 Egg
Beschreibung
Die Erfindung, und ebenso das Verfahren, betreffen eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem kontinuierlich betriebenen Brenner dem eine Abgasturbine nachgeschalten ist, welche den Gasdruck aus dem Brenner entspannt und in kinetische Energie der Abgasturbine wandelt und einem, dem Abgasstrom dieser Abgasturbine nachgeschaltetem rekuperativem Wärmetauscher, welcher einen Teil der Restwärme aus dem Abgas auf vorzugsweise alle, dem Brenner zuströmenden Medien überträgt. Die Verdichtung der zuvor im Wärmetauscher schon erwärmten Verbrennungsluft, erfolgt mit nur einer Dampfstrahlpumpe, ohne jede weite mechanische Verdichterstufe.
Dazu muss der Treibdampf während seiner isentrope[eta] Expansion in der Laval-Treibdüse durch Wärmezufuhr von aussen stetig aufgefrischt und überhitzt werden.
In Verbesserung der prioritätsbegründenden Einreichung A 412 / 2005 und der Anmeldung A 608 / 2005 wird der Treibdampf zusätzlich vor der Laval-Treibdüse in einem Dampfüberhitzer in technisch maximalem Mass überhitzt. Der Treibdampf erfährt dermassen eine weit stärkere Expansion und eine höhere Beschleunigung, als in konventionellen unbeheizten Laval-Treibdüsen. Der Treibdampf verlässt also erfindungsgemäss die Laval-Treibdüse, gegenüber herkömmlichen Laval-Treibdüsen, vorteilhaft mit erhöhter Geschwindigkeit, vergrössertem Volumen und erfindungsgemäss ohne Kondenströpfchen im Dampf.
Ebenso wird die Verbrennungsluft schon vor der Verdichtung durch die Dampfstrahlpumpe im technisch maximal möglichen Mass im Gegenstromwärmetauscher vorerwärmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs erwähnten Art bereitzustellen und den Wirkungsgrad der selben zu steigern, indem durch Zufuhr von Wärme aus dem Brenner eine maximale Beschleunigung des Treibdampfes in die Laval-Treibdüse erfolgt. Die Ausführungsbeispiele zeigen mehrere Varianten der Anwendung der Verbrennungskraftmaschinen bei der Verwendung unterschiedlichster Treibstoffe.
Anwendungen von Verbrennungskraftmaschinen, bei welchen zum Verdichten der Verbrennungsluft eine Dampfstrahlpumpe einsetzen wird, sind bekannt:
Aus der Anmeldung US 2 542 953 A ist bekannt, dass im Injektor mit zuvor verdampftem Treibstoff Verbrennungsluft ohne mechanische Teile verdichtet wird, der Ladedruck aber dermassen kein technisch verwertbares Mass erreicht.
In einer Ausführung nach US 5983640 A wird mit Hilfe einer Dampfstrahlpumpe Luft angesaugt und schlussendlich in einer Turbine expandiert.
Die Anmeldung EP 0462 458 A beschreibt ein Verfahren, wonach in einem Abhitzedampferzeuger einer Gasturbogruppe Treibdampf und Druckluft erzeugt und zur weiteren Verdichtung der Luft eine Dampfstrahlpumpe verwendet wird.
Aus GB 190927090 A ist bekannt, dass mittels Dampf, Brennstoff und Luft von einem Strahlapparat angesaugt wird.
Aus der Anmeldung DE 560 273 C geht hervor,
dass eine vorverdichtete Verbrennungs- und Mischluft durch die Injektorwirkung von Treibdampf auf einen höheren Druck gebracht wird.
Zum Verdichten der Verbrennungsluft in einer Wärmekraftmaschine können Dampftreibstrahlpumpen nur bedingt eingesetzt werden, da Strahlpumpen schlechte Wirkungsgrade erzielen. Dieser schlechte Wirkungsgrad resultiert zum Teil daraus, dass der Treibdampf bereits in der Laval-Treibdüse in Nassdampfes übergeht.
Die Vermischung mit der Ansaugluft aus der relativ kühlen Umgebung führt ausserdem dazu, dass der Dampf in der Injektorkammer sich höchst schädlich, vollständig verflüssigt,
In der prioritätsbegründenden Einreichung A 412 / 2005, und der A 605 / 2005 ist eine Erfindung und Verfahren beschrieben, welche den Wirkungsgrad der Dampftreibstrahlpumpe durch Vorerhitzen der Verbrennungsluft verbessert, indem die vorerwärmte Verbrennungsluft das Kondensat aus der Laval-Treibdüse im Mischrohr wieder verdampft und eine neuerliche Bildung von Kondensat verhindert wird.
Mit der gegenständlichen Erfindung wird der Wirkungsgrad der Hochdruck-Dampfstrahlpumpe weiter gesteigert, ebenso die Austrittsgeschwindigkeit des Treibdampfes.
Um Schadwirkungen zu vermeiden, wird der Treibdampf durch Wärme, direkt aus dem Brenner im vorgeschalteten Dampfüberhitzer und der Laval-Treibdüse aufgefrischt Die rekuperative Wärmerückführung aus dem Abgas wird dadurch verstärkt, dass die Verbrennungsluft schon vor der Dampfstrahlpumpe im Gegenstromwärmetauscher im technisch maximal möglichen Mass vorerwärmt wird. Diese Erwärmung, schon vor dem Verdichten, ist erst möglich geworden, dadurch, dass für die Verdichtung die Wirkung der Impulsübertragung des Treibmedium auf das Fördermedium angewandt wurde.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten und Ausführungsbeispielen der Erfindung erläutert.
Diese zeigen:
Fig. : Eine stark schematisierte Ansicht der Verbrennungskraftmaschine bei Verwendung eines verdampfbaren Treibstoffes und der nachträglichen Nutzung der Restwärme für Heizzwecke. Ebenso wird in dieser Ansicht eine Nutzung des Speisewassers in einem geschlossenen Kreislauf dargestellt.
Fig. 2: Eine stark schematisierte Ansicht der Verbrennungskraftmaschine bei Verwendung eines nicht verdampfbaren Treibstoffes, sowie bei Verwendung eines Festbrennstoffes.
Fig. 3: Eine stark schematisierte Ansicht der Verbrennungskraftmaschine bei der Anwendung im Kfz, mit rekuperativer Zwischenspeicherung von Bremsenergie.
Fig. 4:
Eine stark schematisierte Ansicht der Verbrennungskraftmaschine bei eingeschränkter Anwendung, in der anstelle einer Abgasturbine, ein konventioneller Hubkolbenmotor eingesetzt wird, der durch die Dampfstrahlpumpe, analog eines Turboladers, geladen wird.
Fig. 5 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Querschnittes durch den Brenner und den Dampfüberhitzer, sowie durch die Mehrfach-Laval-Treibdüse in Plattenbauweise.
Fig. 6 bis 8: Schematisierte Ansichten und Querschnitte zu den konstruktiven Merkmalen der Vergrösserung der Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse
Fig. 9 und 10: Schematisierter Längs- und Querschnitt zu den konstruktiven Merkmalen der Ausführung Laval-Treibdüse mit einer Düsennadel.
Es zeigt die Fig. 1 , dass die Verdichtung in dieser Verbrennungskraftmaschine ohne jede mechanische Verdichterstufe, mit nur einer Dampfstrahlpumpe 24 erfolgt.
Diese Art der Verdichtung konnte bisher technisch sinnvoll nur zusätzlich zu mechanischen Verdichtern verwendet werden. Der herkömmliche Dampfstrahlverdichter als alleinige Verdichtungsstufe würde zu viel Dampf in die Verbrennungsluft eintragen. Es würde unverhältnismässig viel nicht rückgewinnbare Kondensationswärme verloren gehen und schlechte Wirkungsgrade erzielt. Wird umgekehrt die Menge des Treibdampfes auf ein annehmbares Mass reduzieren, sinkt der Verdichtungsdruck auf ein technisch nicht mehr verwertbares Mass. (US 2.542.953 A)
Erfindungsgemäss gelingt die Verdichtung der Verbrennungsluft mit ausreichendem Druck bei minimiertem Wassereintrag dennoch, indem der Dampf zunächst im Dampfüberhitzer 16 exorbitant überhitzt wird und danach auch in der Laval-Treibdüse 17, während der isentropen Entspannung beheizt wird.
Diese Beheizung erfolgt durch eine aus dem Brenner in die Laval-Treibdüse 17 und den Dampfüberhitzer 16 zugeführte zusätzliche satte Wärmemenge.
Durch die beiden benannten, erfindungsgemässen Massnahmen, gelingt gegenüber herkömmlicher Laval-Treibdüsen, in etwa eine Verdoppelung der Geschwindigkeit des Treibdampfes am Austritt 18 der Treibdüse. Es wird dermassen auch schadhafte Nassdampfbildung am Düsenaustritt 18 völlig vermieden. Diese Schadwirkung steigt bekanntlich im selben Mass, als sich Kondensatanteil (Wasser) im Treibdampf bildet.
Der zusätzliche Wärmeeintrag zur Beheizung des Dampfüberhitzers 16 und der Laval-Treibdüse 17, erfolgt durch Wärmeentnahme aus dem Brenner 3.
Zu diesem Zwecke ist der Dampfüberhitzer 16 und die Laval-Treibdüse 17 in technisch nächst möglicher Nähe mit einem ausreichenden thermischen Schluss an die Brennerwandungen 4 angebaut. **
In herkömmlichen unbeheizten Dampf-Laval-Treibdüsen fällt die Dampftemperatur bis zur Düsenaustritt während der isentropen Entspannung in der Laval-Düse auf ca. 100 [deg.]C (Kondensationstemperatur des Treibdampfes).
Im Gegensatz dazu, ist bei der erfindungsgemässen Laval-Treibdüse 17, durch die ständige Zufuhr von Wärme aus dem Brenner 3, bei beispielsweise einer Abbrandtemperatur von 1000[deg.]C bereits eine Dampf-Austrittstemperatur an der Austrittsdüse 18 von ca. 700 [deg.]C erreichbar.
Die dem Brenner 3 zur Erhöhung der Enthalpie des Dampfes in der Treibdüse 17 und des Dampfüberhitzers 16 - entzogen Wärme, mit folglicher Senkung der Entropie des Treibdampfes, mündet über die Mischrohre 27 + 29 und dem Krümmer 28 wieder im Brenner 3. Der Wärmeentzug aus dem Brenner 3 wird also in einem inneren Kreislauf dem Brenner 3 stets zu 100% wieder rückgeführt..
Mit anderen Worten: Enthalpie aus dem Brenner 3 wird benutzt um den Druck des Fördermedium zu erhöhen, die Enthalpie fliesst aber in einem motorinternen geschlossenen Kreislauf zu 100% zum Ausgangspunkt, dem Brenner 3, zurück.
Der Gegenstromwärmetauscher 8 weist entlang seiner Fliessachse eine langgestreckte und schlanke Bauform auf. Ein schadhaftes Fliessen von Wärme vom heissen Ende 10 des Wärmetauschers 8, zu dessen kalten Ende 11 wird dadurch und durch die konstruktiv minimierte Wandstärke des Wärmetauschers 8, bestmöglich unterbunden.
Der Gegenstromwärmetauscher 8 bietet bei der Wahl der durch den Wärmetauscher 8 geführten Medien und der dabei gewählten Drücke verschiedenste Varianten, die sich durch die spezifischen Eigenheiten des verwendeten Treibstoffes begründen.
Fig. 1 zeigt den auf den Wirkungsgrad bezogen bestmöglichen Fall.
Bei Verwendung von rückstandfrel verdampfbaren Treibstoffen (Alkohole, Benzine, etc.), kann das Speisewasser mit dem flüssigen Treibstoff schon vor der einzelnen Druckpumpe 30 vermischt werden und gemeinsam unter Höchstdruck durch den Gegenstromwärmetauscher 14 und durch den Dampfüberhitzer 16, sowie durch die beheizte LavalTreibdüse 17 geführt werden. Durch die Verwendung des Treibstoffs als Treibdampfanteil fällt der Bedarf an Speisewasser.
Mit weniger Speisewasser fällt weniger Kondensationswärme nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 12 an und der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erreicht erfindungsgemäss den höchst möglichen Wert aller gezeigten Varianten.
Nach dem erfindungsgemässen Durchlauf des Abgases durch den Gegenstromwärmetauscher 12 weist dieses eine Temperatur von ca. 100 [deg.]C auf, welche der Kondensationstemperatur des Treibdampfes entspricht. Im Kondensat des Treibdampfes steckt aber noch der Grossteil der Kondensationswärme, welche für kinetische Umwandlung nicht mehr verwendet werden kann, sie ist irreversibel.
Diese Restwärme kann aber als Prozesswärme oder für Heizzwecke über einen Heizkörper 40 genutzt werden. Dazu wird das Abgas in einem zusätzlichen Wärmetauscher 39 unter die Kondensationstemperatur des Speisewassers abgekühlt.
Das Speisewasser wird nach dem Durchlauf durch den Wärmetauscher 39 in einen Wasserabscheider 48 vom Abgas getrennt um anschliessend in einem Filter 38 von Schadstoffen aus dem Treibstoffabbrand gereinigt zu werden.
Danach fliesst das wiedergewonnene Speisewasser zur neuerlichen Verwendung in einen Auffangtank 34. Da mit dem Speisewasser auch das Verbrennungswasser anfällt, ergibt sich eine Übermenge, die aus dem Tank 34 abgelassen wird.
Dem konischen Absaugrohr 26 der Dampfstrahlpumpe 24 ist ein gerades Mischrohr 27 gleichbleibenden Querschnittes nachgeschalten.
Dieses Rohr gerade stellt das Überschall-Mischrohr 27 dar, in dem das Treibmedium und das Fördermedium bei Überschallge-schwindigkeit vermischt werden.
Das Rohr mündet in einen Krümmer 28 der zum einen das Gasgemisch zum Brenner 3 zurücklenkt und zum anderen unmittelbar an dem Einlass einen Verdichtungsstoss erzeugt, der die Geschwindigkeit des Gasgemisches auf Unterschallgeschwindigkeit reduziert. Im entsprechenden Masse steigt der Druck durch diesen Verdichtungsstoss. Dem Krümmer 28 folgt ein Rückleitungsrohr 29 zum Brenner 3, welches in einer zweiten Funktion das Gasgemisch bei Unterschallgeschwindigkeit in der Durchmischung weiter homogenisiert.
Mit Eintritt des Gasgemisches in den Brennerdiffusor 6 wird dieses stark abgebremst. Die Fliessgeschwindigkeit des Treibstoff / Dampf / Verbrennungsluftgemisches wird unter dessen Brenngeschwindigkeit reduziert.
Umgekehrt steigt der Druck auf sein höchst mögliches Mass. Dermassen wird anfangs dieses Diffusors 6 das Gemisch, bei dieser spezifischen Ausführungsvariante, in welcher Treibstoff dem Treibdampf beigemischt ist, entzündet.
Das an sich brennbare Gemisch konnte sich zuvor weder im Saugrohr 26, noch in einem Mischrohr 27 + 29, oder im Krümmer 28 entzünden, da der Querschnitt dieser Bauteile immer so gewählt wird, dass die Fliessgeschwindigkeit des brennbaren Gasgemisches stets höher ist, als die Brenngeschwindigkeit des Selben.
Im Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine wird beschrieben, dass der Druck für das Speisewasser vorteilhaft auf einem technisch höchstmöglichen Niveau gewählt wird, um so die Voraussetzungen für eine höchstmögliche Austrittsgeschwindigkeit des Treibdampfes aus der Laval-Treibdüse 18 zu schaffen.
Fig.
2 zeigt ein erfindungsgemässes Beispiel, in dem ein Treibstoff eingesetzt wird, der zu Verkoksung oder Plastifizierung unter Einfluss von Wärme neigt. Dieser kann keinesfalls durch den Dampfüberhitzer 16 und die Laval-Triebdüse 17 geführt werden. Er kann also nicht als Treibmedium eingesetzt werden. Er kann aber anderseits - je nach zulässiger Temperatur bis zum Einsetzen von Verkoksung - durchaus Wärme aus dem Gegenstromwärmetauscher 13 aufnehmen. Durch die quaiifikative Ausprägung der Tauschfläche im Wärmetauscher 13 kann die aufzunehmende Wärmemenge für den spezifischen Treibstoff bestimmt werden.
Alle nicht mit dem Speisewasser vermischbaren Treibstoffe erfordern einen eigenen Wärmetauscherteil 13 im Gegenstromwärmetauscher 8. und eine eigene, separate Treibstoffpumpe 31.
Auch gasförmige Treibstoffe werden, wie in Fig. 2 dargestellt, durch den separaten Wärmetauscher 13 geführt. Gas wird aber bei geringst möglichem Druck in den Brennerdiffusor 6 eingebracht, da Gas, mit dessen unverhältnismässig grösserem Volumen, den höchsten Pumpaufwand erfordert. Hohe Gasdrücke würden hohe Verluste durch den hohen Pumpaufwand verursachen.
Die physikalische Form des Pumpen eines gasförmigen Fördermedium durch eine Dampfstrahlpumpe 24 unterscheidet sich in einer sehr markanten und entscheidenden Besonderheit von allen anderen Pumpen: Es kann ein gasförmiges Medium, unabhängig von dessen Temperatur, gleichbleibend verdichtet werden.
Dem gegenüber nimmt z.B. bei Kolbenverdichtern, Turboverdichtern, etc., der Aufwand zum Pumpen im Verhältnis zur steigenden Temperatur des Fördermedium zu.
Bei herkömmlichen Gasturbinen mit rekuperativen Wärmerückführung, wird der Wärmetauscher, in dem die Abwärme auf Verbrennungsluft übertragen wird, deswegen stets erst nach dem mechanischen Verdichter angebaut. Bei einem Verdichtungsdruck des mechanischen Verdichters von ca. 12 bar, ist die Verbrennungsluft aber soweit erhitzt, dass sie etwa gleich heiss, wie das Abgas ist. Es kann keine Wärme mehr aus dem Abgas aufgenommen werden.
Deswegen ist bei herkömmlichen Abgasturbinen eine rekuperativer ISO-Norm-Abgaswärme-Rückführung spätestens ab 12 bar Verdichtungsdruck nicht mehr möglich
Die Impulsübertragung zwischen Treib- auf Fördermedium, erlaubt ein Erwärmen der Förderluft schon vor dem Verdichten, ohne jede Schadwirkung. Dies heisst mit anderen Worten: Mittels dieser Pumpwirkung der Dampfstrahlpumpe 24 ist es möglich Verbrennungsluft weit über 12 bar, in beliebiger Höhe zu verdichten, da heisse Luft, ohne jede Schadwirkung, wie eine kalte Luft gepumpt wird. Es kann also erfindungsgemäss die Verbrennungsluft bei atmosphärischem Druck und bei Umgebungstemperatur in den Wärmetauscher 15 geführt werden, um sie erst danach, nachdem sie maximal Wärme aufgenommen hat, mittels Impulsübertragung zu verdichten.
Die erhöhte Temperatur des Medium spielt keinerlei wirkungsgradschädigende Rolle.
Bei allen herkömmlichen mechanischen Verdichtern entsteht mit erhöhtem Nutzdruck ein erhöhter Gegendruck auf den Verdichter. Ganz im Gegensatz dazu, kann auf den Treibdruck der Dampfstrahlpumpe 24 keine Rückwirkung durch beispielsweise einen Gegendruck eintreten. Der Treibdruck wird in der Laval-Treibdüse 17 vollständig und restlos in Geschwindigkeit des beschleunigten Treibmediums umgesetzt. Dieses verlässt völlig ungehindert und ungebremst die Treibdüse 18.
Die Moleküle des Treibstrahls setzen zu einem freien Flug ins Saugrohr 26 an, wo sie erst nach und nach, weit ab von ihrer Ursprungsdüse 18, mit Molekülen der Fördermedium kollidieren.
Ob nun ein dermassen getroffenes Molekül selbst in einer grossen, oder kleinen Brown' sehen Molekülbewegung befindlich ist - also ob das Fördermedium heiss oder halt ist - spielt nicht die geringste Rolle. Der Vorgang des Verdichten erfolgt vorteilhaft also nur in Form von Impulsübertragung.
Fig 2 zeigt eine 2. Variante der Erfindung, in der ein Festbrennstoff aus beispielsweise Kohle- oder H[alpha]lzstaub eingesetzt wird. Solcher Treibstoff kann nicht durch den Gegenstromwärmetauscher 13 und auch nicht durch den Dampfüberhitzer 16 und die Laval-Treibdüse 17 geführt werden. Der Festbrennstoff wird aus dem TreibstoffDepot 45 über eine Förderschnecke 44 in den Brenner 3 gefördert.
Dem festen Treibstoff und allen nicht durch die Laval-Treibdüse 17 führbaren Treibstoffen ist gemein: Sie werden direkt am Brennereinlass des Brennerdiffusors 6 beim geringst erforderlichen Druck eingebracht.
Fig.3 zeigt eine Sonderanwendung der gegenständlichen Erfindung: Es kann mit einer äusseren Energiequelle 36 der Bypass-Speicher 35 aus mineralischer Masse vorzugsweise elektrisch aufgeheizt werden. Durch diesen Bypass-Speicher 35 wird dann bei Bedarf, geregelt mehr oder weniger Teilgas, welches dem Brenner 3 zuströmt, geleitet.
Das Gasgemisch wird dabei erwärmt und spart im selben Mass, als es Wärme vom Bypass-Speicher 35 aufnehmen kann, Treibstoffbrennwert, also de facto Treibstoff.
Die äussere Energiequelle 36 stellt vorzugsweise die Bremskraft eines Kfzs dar, welche über den, mit den Rädern gekoppeltem Generator 37 elektrische Energie für die Aufheizung des Bypass-Speichers erzeugt.
Real kann ein ca. 50 kg schwerer, mineralischer Bypass-Speicher, welcher auf Temperaturen bis 2000[deg.]C erhitzt werden kann (z.b. Magnesit), die gesamte Bremsenergie eines 30-Tonner-Lkw, auf ein Höhengefälle von 500 m aufnehmen.
Diese gespeicherte Energie kann nach dem Passieren des Gefälles umgekehrt wieder für den Antrieb des Fahrzeuges genutzt werden.
Fig. 4 zeigt, dass die Funktion der Abgasturbine 1 auch durch einen konventionellen Verbrennungsmotor, beispielsweise einem Hubkolbenmotor 2, übernommen werden kann. Da diese Motoren 2 aber funktionell jedenfalls eine mechanische Verdichterstufe aufweisen, reduziert sich die Funktion der erfindungsgegenständlichen beheizten Dampfstrahlpumpe 24 auf das Vorverdichten der Verbrennungsluft.
Die Dampfstrahlpumpe 24 ersetzt dermassen also den herkömmlichen Turbolader, mit dem Vorteil, dass diese keine beweglichen Teile aufweist und höhere Vorverdichtungsdrücke erbringen kann.
Selbstverständlich steigt dadurch die Standzeit und es sinken die Kosten gegenüber herkömmliche[eta]Turbolader
Im gezeigten Beispiel wird in einem Gegenstromwärmetauscher 9 das Speiswasser vorerwärmt. Auf eine solche Einrichtung 9 kann erfindungskonform aber auch verzichtet werden, da im konventionellen Verbrennungsmotor 2 riesige Mengen an Abwärme anfallen, die dem konventionellen Hubkolbenmotor 2 nicht rückgeführt werden können, da ein Vorerwärmen der Verbrennungsluft nicht möglich ist. Der Motor 2 ist im Prinzip eine Kolbenpumpe, welche bei Vorerwärmung der Verbrennungsluft einen erhöhten Pumpaufwand erbringen müsste.
Ausserdem ginge der Gewinn des erhöhten Vorverdichtungsdruckes mittels Dampfstrahlverdichter 24, über die mindere Befüllbarkeit der Zylinder wieder verloren.
Fig. 5 zeigt, dass der Brenner 3 innen eine annähernd runde Rohrform aufweist und an stark zerklüftet 5 ist. Dies hat den Nutzen, dass die Strahlungswärme aus dem abbrennenden Gas verbessert auf die Brennerwandung 4 übertragbar wird. Diese Wärmeübertragung ist für die Beheizung des Dampfüberhitzers 16 und für die Beheizung der Laval-Treibdüse 17erforderlich.
Vorzugsweise wird erfindungsgemäss diese Zerklüftung als Längsrillen 5 zur Fliessachse des Gases ausgebildet, dies schliesst aber nicht aus, dass beispielsweise eine Querrippung oder eine ungeordnete Zerklüftung gewählt wird.
Fig. 5 zeigt ausserdem in der Querschnittdarstellung des Brenners 3, dass sich aussen an den Brennerwandungen 4, 180[deg.] gegenüberliegenden, flache Sättel befinden, auf welchen auf der einen Seite der Dampfüberhitzer 16 thermisch schlüssig angebaut ist und auf der anderen Seite gleichermassen die Laval-Treibdüse 17. Fig. 6 bis 8 zeigt wie die Tauschfläche erfindungsgemäss gegenüber einer herkömmlichen Laval-Treibdüsen-Innenseite vergrössert wird. Zur Übertragung der erforderlichen Wärmemengen für die Dampfauffrischung in der Laval-Treibdüse 17, wäre die Oberfläche in einer herkömmlichen Laval-Treibdüse um ein Vielfaches zu klein.
Es werden nachfolgend drei Massnahmen gezeigt um die Tauschfläche der Treibdüsen 17 erfindungsgemäss zu vergrössern.
Fig. 6: Durch das Verflachen des Öffnungswinkels von insbesondere des divergenten Düsenteils 19 der Laval-Treibdüse 17 auf beispielsweise < 2[deg.] lässt sich die Düse um ein Vielfaches verlängern und sich die Tauschfläche gleichermassen vergrössern.
Fig. 7: Durch das Aufteilen des Gesamttreibstromes des Treibgases aus mehrere entsprechend verkleinerte Laval-Treibdüsen 17 steigt die Gesamttauschfläche ebenfalls. Je mehr kleine Treibdüsen 17 dabei eingesetzt werden, je grösser der Effekt der Tauschflächenvergrösserung.
Fig 8: Durch Verflachen konventionell runder Düsen-Durchlassquerschnitte 23 auf einen breiten, aber umgekehrt in der Höhe verkleinerten Durchlassquerschnitt 23, steigt die Tauschfläche im erheblichen Mass.
Solch schmale und flache Düsenquerschnitte 23 können beispielsweise zwischen mindestens zwei Metallplatten 22, vorzugsweise aber mehreren Platten 22, gebildet werden, wovon mindestens eine mit dem Brenner 3 thermisch ausreichend verbunden ist und gleichermassen zu den weiteren Platten 22 eine ausreichende thermische Verbindung besteht.
Fig. 9 und 10: Diese erfindungsgemässe Grundkonstruktion nach Fig. 8 kann auch in einen Werkteil, welcher ursprünglich als Rundstab 21 mit gleichbleibendem Durchmesser ausgebildet war, in mehreren Teilsegmenten umfänglich eingearbeitet werde. Die nicht bearbeiteten Zwischenstege zwischen den Ausnehmungen bilden die thermische Brücke zum äusseren Düsenkörper 43. Dieser Düsenkörper 43 weist eine Bohrung mit gleichbleibendem Querschnittfläche auf.
Der Düsenkörper 43 besitzt wiederum eine ausreichende thermische Verbindung zum Brenner 3.
Egg, am 11. Oktober 2005 Siegfried Nagel Siegfried Nagel Unterbach 1111 A- 6863 Egg
Legende:
1 = Abgasturbine
2 = Konventionell. Verbrennungsmotor
3 = Brenner
4 = Brennerwandungen
5 = Rillen an der Brennerinnenseite
6 = Brennerdiffusor
7 = Wärmetauscher allgemein
8 = Gegenstromwärmetauscher
9 = Speiswasser-Wärmetauscher
10 = Heiss-Ende des Wärmetauschers 11 = Kalt-Ende des Wärmetauschers 12 = Abgas-Wärmetauscherteil
13.
= Treibstoff-Wärmetauscherteil
14 = Speisewasser/ TreibstoffgemischWärmetauschertei I
15 = Luft-Wärmetauscherteil
16 = Dampfüberhitzer
17 = Laval-Treibdüsen
18 = Laval-Düsenauslass
19 = Divergente Düsenteile
20 = Öffnungswinkel
21 = Düsennadel
22 = Flache Metallplatten
23 = Durchlassquerschnitt
24 = Dampfstrahlpumpe allgemein
25 = Ansaugstutzen
26 = konisches Saugrohr
27 = Überschall-Mischrohr
Egg, am 11.
Oktober 2005
28 = Krümmer
29 = Unterschall-Mischrohr ( = Rückleitung)
30 = Pumpe für WasserfTreibstoffgemisch
31 = Treibstoffpumpe
32 = Speisewasserpumpe
33 = Treibstofftank
34 = Speisewasser-Depotbehälter
35 = Bypass-Speicher
( = mineralischer Speicherblock)
36 = Externe Energiequelle (Kfz - Rad)
37 = Generator
38 = Speisewasser-Filter
39 = Wärmetauscher für Heizzwecke
40 = Heizkörper
41 = Überleitung von der Turbine in den Gegenstromwärmetauscher
42 = Welle der Turbine
43 = Düsenkörper
44 = Feststoff-BrennstoffFörderschnecke
45 = Feststoff- Treibstoffdepot
46 = Auspuff des konventionellen Verbrennungsmotors
47 = Allseitige Wärmeisolierung (nur in Fig. 1 darstellt ! )
48 = Wasserabscheider nach dem Wärmetauscher
Siefried Nagel
Siegfried Nagel Unterbach 1111 A- 6863 Egg
description
The invention, and also the method, relate to an internal combustion engine, with a continuously operated burner which is followed by an exhaust gas turbine, which relaxes the gas pressure from the burner and converts into kinetic energy of the exhaust gas turbine and a downstream of the exhaust gas flow of this exhaust gas recuperative heat exchanger, which Part of the residual heat from the exhaust gas on preferably all, the burner inflowing media transmits. The compression of the previously heated in the heat exchanger combustion air is done with only one steam jet pump, without any long mechanical compressor stage.
For this purpose, the motive steam must be continuously refreshed and overheated during its isentropic [eta] expansion in the Laval nozzle by supplying heat from outside.
In an improvement of the priority submission A 412/2005 and the application A 608/2005, the motive steam is additionally superheated in a steam superheater to the maximum technical extent before the Laval nozzle. The motive steam thus experiences much greater expansion and acceleration than in conventional unheated Laval propulsion nozzles. Thus, according to the invention, the motive steam leaves the Laval propulsion nozzle, compared to conventional Laval propulsion nozzles, advantageously with increased speed, increased volume and, according to the invention, without condensate droplets in the vapor.
Likewise, the combustion air is pre-heated in the countercurrent heat exchanger even before compression by the steam jet pump to the maximum extent technically possible.
The object of the invention is to provide an internal combustion engine of the type mentioned and to increase the efficiency of the same by a maximum acceleration of the motive steam is carried out in the Laval nozzle by supplying heat from the burner. The embodiments show several variants of the application of internal combustion engines in the use of different fuels.
Applications of internal combustion engines in which a steam jet pump will be used to compress the combustion air are known:
From the application US Pat. No. 2,542,953 A it is known that in the injector with previously vaporized fuel combustion air is compressed without mechanical parts, but the boost pressure does not reach a technically utilizable mass.
In an embodiment according to US 5983640 A, air is sucked in with the aid of a steam jet pump and finally expanded in a turbine.
The application EP 0462 458 A describes a method according to which motive steam and compressed air are generated in a heat-recovery steam generator of a gas turbine group and a steam jet pump is used for further compression of the air.
From GB 190927090 A is known that is sucked by means of steam, fuel and air from a jet apparatus.
It is apparent from the application DE 560 273 C
that a pre-compressed combustion and mixing air is brought to a higher pressure by the injector effect of motive steam.
For compressing the combustion air in a heat engine Dampfreibstrahlpumpen can be used only conditionally, since jet pumps achieve poor efficiencies. This poor efficiency results in part from the fact that the motive steam already passes into wet steam in the Laval nozzle.
The mixing with the intake air from the relatively cool environment also leads to the fact that the steam in the injector is extremely harmful, completely liquefied,
Priority filing A 412/2005 and A 605/2005 describe an invention and method which improves the efficiency of the steam grate pump by preheating the combustion air by re-evaporating the condensate from the Laval motive nozzle in the mixing tube and injecting it renewed formation of condensate is prevented.
With the subject invention, the efficiency of the high pressure steam jet pump is further increased, as is the exit velocity of the motive steam.
In order to avoid harmful effects, the motive steam is refreshed by heat directly from the burner in the upstream steam superheater and the Laval-Treibdüse The recuperative heat recovery from the exhaust gas is reinforced by the fact that the combustion air is preheated before the steam jet pump in the countercurrent heat exchanger in the maximum technically possible , This heating, even before compression, has become possible only because the effect of the momentum transfer of the driving medium was applied to the pumped medium for the compression.
Further advantages and details of the invention are explained below with reference to the illustrated in the drawings and embodiments of the invention.
These show:
Fig.: A highly schematic view of the internal combustion engine when using a vaporizable fuel and the subsequent use of residual heat for heating purposes. Similarly, in this view, a use of the feedwater is shown in a closed circuit.
Fig. 2: A highly schematic view of the internal combustion engine when using a non-evaporable fuel, and when using a solid fuel.
Fig. 3: A highly schematic view of the internal combustion engine when used in a motor vehicle, with recuperative intermediate storage of braking energy.
4:
A highly schematized view of the internal combustion engine with limited application, in which instead of an exhaust gas turbine, a conventional reciprocating engine is used, which is loaded by the steam jet pump, analogous to a turbocharger.
Fig. 5 shows a schematic view of a cross section through the burner and the steam superheater, as well as through the multi-Laval nozzle in the plate type.
6 to 8: Schematisierte views and cross sections of the structural features of the enlargement of the heat exchange surface in the Laval nozzle
Fig. 9 and 10: Schematized longitudinal and cross-section of the structural features of the design Laval nozzle with a nozzle needle.
FIG. 1 shows that the compression in this internal combustion engine takes place without any mechanical compressor stage, with only one steam jet pump 24.
This type of compression could hitherto be used technically only in addition to mechanical compressors. The conventional steam jet compressor as the sole compression stage would introduce too much steam into the combustion air. It would disproportionately lost a lot of non-recoverable heat of condensation and achieved poor efficiencies. Conversely, if the amount of motive steam is reduced to an acceptable level, the compaction pressure drops to a technically un-usable level. (US 2,542,953 A)
According to the invention, the compression of the combustion air with sufficient pressure with minimized introduction of water nevertheless succeeds by exorbitantly overheating the steam initially in the steam superheater 16 and then also heating it in the Laval drive nozzle 17 during isentropic expansion.
This heating is carried out by an additional rich amount of heat supplied from the burner in the Laval nozzle 17 and the steam superheater 16.
As a result of the two named measures according to the invention, the speed of the motive steam at the outlet 18 of the motive nozzle can be approximately doubled compared to conventional Laval motive nozzles. It is also completely avoided harmful wet steam formation at the nozzle outlet 18. This harmful effect is known to increase to the same extent, as condensate (water) forms in the motive steam.
The additional heat input for heating the steam superheater 16 and the Laval-Treibdüse 17, takes place by heat removal from the burner. 3
For this purpose, the steam superheater 16 and the Laval-driving nozzle 17 is grown in technically closest possible proximity to the burner walls 4 with a sufficient thermal finish. **
In conventional unheated steam-Laval-Treibdüsen the steam temperature falls to the nozzle exit during the isentropic relaxation in the Laval nozzle to about 100 ° C (condensation temperature of the motive steam).
In contrast, in the inventive Laval nozzle 17, by the constant supply of heat from the burner 3, for example, a combustion temperature of 1000 ° C already a steam outlet temperature at the outlet nozzle 18 of about 700 ° .] C reachable.
The burner 3 to increase the enthalpy of the steam in the motive nozzle 17 and the steam superheater 16 - extracted heat, with consequent reduction of the entropy of the motive steam, flows through the mixing tubes 27 + 29 and the manifold 28 back in the burner 3. The heat extraction from the Burner 3 is thus always recirculated to the burner 3 in an internal circuit 100% again.
In other words: Enthalpy from the burner 3 is used to increase the pressure of the fluid to be pumped, but the enthalpy flows back in an internal closed-loop motor to 100% to the starting point, the burner 3.
The counterflow heat exchanger 8 has along its axis of flow on an elongated and slim design. A defective flow of heat from the hot end 10 of the heat exchanger 8, to its cold end 11 is thereby prevented by the constructively minimized wall thickness of the heat exchanger 8, the best possible.
The countercurrent heat exchanger 8 offers in the choice of guided through the heat exchanger 8 media and the pressures chosen here a variety of variants, which are due to the specific characteristics of the fuel used.
Fig. 1 shows the best case related to the efficiency.
When using residual fuel vaporizable fuels (alcohols, gasolines, etc.), the feed water can be mixed with the liquid fuel even before the individual pressure pump 30 and together under maximum pressure through the countercurrent heat exchanger 14 and the steam superheater 16, and by the heated LavalTreibdüse 17th be guided. By using the fuel as a motive steam content of the need for feed water falls.
With less feed water less heat of condensation falls after exiting the heat exchanger 12 and the efficiency of the internal combustion engine reaches according to the invention the highest possible value of all variants shown.
After the inventive passage of the exhaust gas through the counterflow heat exchanger 12, this has a temperature of about 100 ° C., which corresponds to the condensation temperature of the motive steam. In the condensate of the motive steam is still the bulk of the heat of condensation, which can no longer be used for kinetic conversion, it is irreversible.
However, this residual heat can be used as process heat or for heating purposes via a radiator 40. For this purpose, the exhaust gas is cooled in an additional heat exchanger 39 below the condensation temperature of the feedwater.
The feed water is separated after passing through the heat exchanger 39 in a water separator 48 from the exhaust gas to be subsequently cleaned in a filter 38 of pollutants from the fuel burn-off.
Thereafter, the recycled feedwater flows into a catch tank 34 for reuse. Since the combustion water also accumulates with the feed water, there is an excess amount discharged from the tank 34.
The conical suction pipe 26 of the steam jet pump 24 is followed by a straight mixing tube 27 of constant cross-section.
This tube just represents the supersonic mixing tube 27, in which the propellant and the medium to be mixed at supersonic speed.
The tube opens into a manifold 28 which, on the one hand, deflects the gas mixture back to the burner 3 and, on the other hand, produces a compression shock directly at the inlet, which reduces the velocity of the gas mixture to subsonic speed. In the corresponding mass, the pressure increases due to this compression impact. The manifold 28 is followed by a return pipe 29 to the burner 3, which further homogenizes in a second function, the gas mixture at subsonic speed in the mixing.
With entry of the gas mixture in the burner diffuser 6 this is braked strongly. The flow rate of the fuel / steam / combustion air mixture is reduced below its burning rate.
Conversely, the pressure rises to its highest possible level. In essence, at the beginning of this diffuser 6, the mixture is ignited, in this specific embodiment, in which fuel is added to the motive steam.
The per se combustible mixture could ignite beforehand neither in the intake manifold 26, nor in a mixing tube 27 + 29, or in the manifold 28, since the cross section of these components is always chosen so that the flow rate of the combustible gas mixture is always higher than the burning rate of the same.
In the method for operating the internal combustion engine is described that the pressure for the feed water is advantageously selected at a technically highest possible level, so as to create the conditions for a maximum discharge speed of the motive steam from the Laval nozzle 18.
FIG.
2 shows an example according to the invention in which a fuel is used which tends to cokote or plasticize under the influence of heat. This can not be performed by the steam superheater 16 and the Laval engine 17. So it can not be used as a driving medium. On the other hand, depending on the permissible temperature up to the onset of coking, it can certainly absorb heat from the countercurrent heat exchanger 13. Due to the quaificative expression of the exchange surface in the heat exchanger 13, the amount of heat to be absorbed for the specific fuel can be determined.
All fuels that can not be mixed with the feed water require a separate heat exchanger part 13 in the countercurrent heat exchanger 8 and have their own, separate fuel pump 31.
Also, gaseous fuels are, as shown in Fig. 2, passed through the separate heat exchanger 13. Gas is introduced at the lowest possible pressure in the burner diffuser 6, since gas, with its disproportionately larger volume, requires the highest pumping effort. High gas pressures would cause high losses due to the high pumping costs.
The physical form of pumping a gaseous medium through a steam jet pump 24 differs in a very distinctive and crucial feature of all other pumps: It can be a gaseous medium, regardless of its temperature, consistently compressed.
On the other hand, e.g. in piston compressors, turbo compressors, etc., the cost of pumping in relation to the rising temperature of the fluid to.
In conventional gas turbines with recuperative heat recovery, the heat exchanger, in which the waste heat is transferred to combustion air, therefore always mounted after the mechanical compressor. At a compression pressure of the mechanical compressor of about 12 bar, but the combustion air is so far heated that it is about as hot as the exhaust gas. There is no heat from the exhaust gas can be absorbed.
For this reason, conventional recuperative exhaust gas recuperative ISO standard exhaust heat recovery is no longer possible at the latest from 12 bar compression pressure
The momentum transfer between the propellant and the pumped medium allows heating of the conveying air even before compression, without any harmful effects. This means in other words: By means of this pumping action of the steam jet pump 24, it is possible to compress combustion air well above 12 bar, in any amount, since hot air, without any harmful effect, is pumped like a cold air. Thus, according to the invention, according to the invention, the combustion air can be conducted into the heat exchanger 15 at atmospheric pressure and at ambient temperature in order to compact it by means of momentum transfer only after it has absorbed a maximum of heat.
The elevated temperature of the medium does not play any detrimental role.
With all conventional mechanical compressors increased pressure builds up an increased back pressure on the compressor. In contrast to this, the driving pressure of the steam jet pump 24 can not be affected by, for example, a back pressure. The motive pressure is completely and completely converted into the velocity of the accelerated propellant in the Laval propellant nozzle 17. This leaves completely unhindered and unrestrained the motive nozzle 18th
The molecules of the propulsion jet set to a free flight into the intake manifold 26, where they only gradually, far from their original nozzle 18, collide with molecules of the fluid.
Whether a molecule hit in such a way, even in a large, or small Brown's molecular motion is - whether the medium is hot or halted - does not play the slightest role. The process of compacting is thus advantageous only in the form of momentum transfer.
2 shows a second variant of the invention in which a solid fuel of, for example, carbon or H [alpha] lzstaub is used. Such fuel can not be passed through the countercurrent heat exchanger 13, nor through the steam superheater 16 and the Laval driving nozzle 17. The solid fuel is conveyed from the fuel depot 45 via a screw conveyor 44 in the burner 3.
The solid fuel and all not through the Laval nozzle 17 fuelable fuels is common: they are introduced directly at the burner inlet of the burner diffuser 6 at the lowest required pressure.
3 shows a special application of the subject invention: It can be preferably electrically heated with an external energy source 36 of the bypass memory 35 of mineral mass. By this bypass memory 35 is then regulated, if necessary, regulated more or less partial gas, which flows to the burner 3, passed.
The gas mixture is heated and saves the same amount as it can absorb heat from the bypass memory 35, fuel fuel value, so de facto fuel.
The external energy source 36 preferably represents the braking force of a motor vehicle which generates electrical energy for the heating of the bypass memory via the generator 37 coupled to the wheels.
In reality, a 50 kg mineral bypass storage, which can be heated to temperatures up to 2000 ° C (eg magnesite), can absorb the total braking energy of a 30-tonne truck at an altitude gradient of 500 m.
In turn, this stored energy can be used again for driving the vehicle after passing the gradient.
FIG. 4 shows that the function of the exhaust gas turbine 1 can also be assumed by a conventional internal combustion engine, for example a reciprocating piston engine 2. Since these motors 2 but functional in any case have a mechanical compressor stage, the function of the subject invention heated steam jet pump 24 is reduced to the pre-compression of the combustion air.
The steam jet pump 24 thus replaces the conventional turbocharger, with the advantage that it has no moving parts and can provide higher precompression pressures.
Of course, this increases the service life and lower costs compared to conventional [eta] turbochargers
In the example shown, the feed water is preheated in a countercurrent heat exchanger 9. However, such a device 9 can also be dispensed with according to the invention, since in the conventional internal combustion engine 2 enormous amounts of waste heat are generated, which can not be returned to the conventional reciprocating engine 2, since preheating of the combustion air is not possible. The engine 2 is in principle a piston pump, which would have to provide an increased pumping effort when preheating the combustion air.
In addition, the gain of the increased precompression pressure would be lost by means of steam jet compressor 24, via the inferior fillability of the cylinders.
Fig. 5 shows that the burner 3 inside has an approximately round tube shape and is strongly rugged 5. This has the advantage that the radiant heat improved from the burning gas is transferred to the burner wall 4 transferable. This heat transfer is required for heating the steam superheater 16 and for heating the Laval driving nozzle 17.
Preferably, according to the invention, this fracture is formed as a longitudinal groove 5 to the flow axis of the gas, but this does not exclude that, for example, a transverse ribbing or a disordered fracture is selected.
Fig. 5 also shows in the cross-sectional view of the burner 3 that are outside on the burner walls 4, 180 °, flat saddles are opposite, on which on one side of the steam superheater 16 is mounted thermally conclusive and equal on the other side Fig. 6 to 8 shows how the exchange surface according to the invention over a conventional Laval-Treibdüsen inside enlarged. To transfer the required amounts of heat for the steam boost in the Laval nozzle 17, the surface would be many times too small in a conventional Laval nozzle.
Three measures are shown below in order to increase the exchange area of the drive nozzles 17 according to the invention.
6: By flattening the opening angle of, in particular, the divergent nozzle part 19 of the Laval driving nozzle 17 to, for example, <2 °, the nozzle can be extended many times and the exchange surface can be increased equally.
Fig. 7: By dividing the total driving current of the propellant gas from a plurality of correspondingly reduced Laval-driving nozzles 17, the total exchange area also increases. The more small nozzles 17 are used, the greater the effect of Tauschflächenvergrösserung.
FIG. 8: By flattening conventionally round nozzle passage cross sections 23 to a broad, but inversely reduced in height passage cross section 23, the exchange surface increases to a considerable extent.
Such narrow and flat nozzle cross sections 23 may be formed, for example, between at least two metal plates 22, but preferably a plurality of plates 22, of which at least one thermally sufficiently connected to the burner 3 and equally to the other plates 22 there is a sufficient thermal connection.
9 and 10: This inventive basic construction according to FIG. 8 can also be incorporated in a part of the work piece, which was originally designed as a round rod 21 with a constant diameter, in several sub-segments. The non-machined intermediate webs between the recesses form the thermal bridge to the outer nozzle body 43. This nozzle body 43 has a bore with a constant cross-sectional area.
The nozzle body 43 in turn has sufficient thermal connection to the burner 3.
Egg, on October 11, 2005 Siegfried Nagel Siegfried Nagel Unterbach 1111 A- 6863 Egg
Legend:
1 = exhaust gas turbine
2 = Conventional. internal combustion engine
3 = burner
4 = burner walls
5 = grooves on the burner inside
6 = burner diffuser
7 = heat exchanger in general
8 = countercurrent heat exchanger
9 = feedwater heat exchanger
10 = hot end of the heat exchanger 11 = cold end of the heat exchanger 12 = exhaust heat exchanger section
13th
= Fuel heat exchanger part
14 = feedwater / fuel mixtureheat exchanger Ii
15 = air heat exchanger part
16 = steam superheater
17 = Laval motive nozzles
18 = Laval nozzle outlet
19 = divergent nozzle parts
20 = opening angle
21 = nozzle needle
22 = flat metal plates
23 = passage cross-section
24 = steam jet pump in general
25 = intake manifold
26 = conical intake manifold
27 = supersonic mixing tube
Egg, on the 11th
October 2005
28 = manifold
29 = subsonic mixing tube (= return line)
30 = pump for hydrogen fuel mixture
31 = fuel pump
32 = Feedwater pump
33 = fuel tank
34 = Feedwater storage tank
35 = Bypass memory
(= mineral memory block)
36 = external energy source (car wheel)
37 = generator
38 = Feedwater filter
39 = heat exchanger for heating purposes
40 = radiator
41 = transfer from the turbine to the countercurrent heat exchanger
42 = shaft of the turbine
43 = nozzle body
44 = solid fuel auger
45 = solid fuel depot
46 = exhaust of the conventional internal combustion engine
47 = all-round thermal insulation (only in Fig. 1 represents!)
48 = water separator after the heat exchanger
Siefried Nagel