Verfahren zur Nutzung thermischer Energie in einer Zweitakt-Kolbenbrennkraft- maschinenanlage sowie Brennkraftmaschinenanlage zur Ausübung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung thermischer Energie in einer Zweitakt-Kolbenbrenn- kraftmaschinenanlage mit mehreren luftseitig und gasseitig zusammengeschalteten Turboladergruppen, wovon mindestens eine eine Stossgruppe und minde stens eine eine Staugruppe ist, die gegenseitig in Serie geschaltet sind,
wobei mindestens zwei gleichartige Gruppen unter sich parallel geschaltet sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass von mindestens einer Staugruppe Nutzenergie nach aussen abgeführt wird.
In Serie geschaltete Turboladergruppen einer auf geladenen Brennkraftmaschine der genannten Art ver arbeiten bekanntlich die in den Abgasen enthaltene Energie mit derart gutem Wirkungsgrad, dass sie fähig sind, mehr Luft der Brennkraftmaschine zu lie fern, als diese zur rauchfreien Verbrennung benötigt. Die Erfindung macht sich diesen Umstand zunutze, zur Schaffung eines Verfahrens zur Ausnutzung thermischer Energie in einer eine Brennkraftmaschine enthaltenden Anlage, und zwar mit besserem thermi schem Wirkungsgrad als dieser bisher möglich war.
Die Erfindung wir anhand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Skizze einer erfindungs gemässen Brennkraftmaschinenanlage, Fig. 2 bis 6 Diagramme zur Erläuterung der Er findung.
Die erfindungsgemässe Brennkraftmaschinenanlage enthält eine Brennkraftmaschine 1 mit einem an deren Welle 2 angeordneten elektrischen Generator 3. Der Generator 3 gibt den in ihm erzeugten Strom in eine elektrische Leitung 4 ab. Die Abgase der Brennkraft maschine gelangen durch Auspuffrohre 5, 5' in nach dem Stossverfahren arbeitende Abgasturbinen 6, 6' und aus diesen durch eine gemeinsame Auspuffleitung 7 in eine Stauturbine B. Aus der Abgasturbine 8 ge langen die Auspuffgase in einen Abhitzekessel 10 und aus diesem durch ein Abgasleitung 11 ins Freie.
Die Abgasturbine 8 ist durch die Welle 12 mit einem Turbokompressor 13 verbunden, welcher die angesaugte Luft über einen Luftkühler 14 in eine Luftleitung 15 fördert, an welche zwei Turbokompres soren 16, 16' angeschlossen sind. Die Turbokompres soren 16, 16' werden über Wellen 17, 1<B>7</B> von den Abgasturbinen 6, 6' angetrieben. Die Turbokompres soren 16, 16' liefern die von ihnen verdichtete Luft über Luftkühler 18, 18' in Luftleitungen 20, 20', von denen die Luft den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird.
Durch die Welle 12 der Abgasturbine 8 wird ausserdem ein hochtouriger Wechselstromgenerator 21 angetrieben, welcher die erzeugte elektrische Energie über einen Gleichrichter und Spannungsregler 22 in eine elektrische Leitung 23 liefert.
Bei der erfindungsgemässen Brennkraftmaschinen- anlage bildet die elektrische Energie in der Leitung 23 auslegungsmässig einen Teil der von der Maschine gelieferten Gesamtenergie. Die Brennkraftmaschine 1 kann somit um den Anteil dieser Energie entlastet werden. Dementsprechend müssen die Turbolader der art dimensioniert werden, dass weniger Luft durch die Brennkraftmaschine geschickt wird, als im Falle ohne äusserer Nutzleistungsabgabe durch den Generator 21.
Die der Maschine zugeführte Brennstoffmenge wird aber ebenfalls vermindert, und zwar entsprechend der Reduktion des auf die Gesamtleistung bezogenen spe zifischen Brennstoffverbrauches. Wird nun gleichzei tig noch die Auslegung der Steuerung der Brennkraft- maschine so getroffen, dass der Vorauslasswinkel grö sser ist als im Falle ohne äussere Nutzleistungsabgabe der Turboladergruppe, so gelingt es,
die thermische Belastung der Brennkraftmaschine auf dem ursprüng lichen Wert ohne Leistungsabgabe der Turbolader gruppe zu halten. Untersuchungen haben nämlich ge zeigt, dass diese Vergrösserung des Vorauslasswinkels, das heisst die relativ frühere Öffnung der Auslassorgane vor den Einlassorganen, welche eine Erhöhung des den Turboladergruppen zur Verfügung gestellten Auspuff energiepotentials darstellt, und die äussere Nutzener- gieabgabe von einer der Turboladergruppen es er möglicht,
gleichzeitig die Brennkraftmaschine so stark zu entlasten, dass auf diese Weise trotz der unver meidlichen Reduktion des Luftdurchsatzes, ein Anstei gen der globalen thermischen Belastung des Motors verhindert werden kann.
Es hat sich ausserdem gezeigt, dass bei der erfindungsgemässen Maschinenanlage der thermische Wirkungsgrad umso höher ist, je grösser der An teil der vom Generator 21 gelieferten Leistung an der Gesamtleistung der Anlage ist. Eine Vergrösserung dieser Leistung erfordert Dank der Vergrösserung des Vorauspuffwinkels nur eine re lativ geringfügige Verminderung der Luftmenge pro PS und Stunde. Beide Massnahmen führen aber zu einer Erhöhung der Temperatur der Abgase. Eine Grenze dieser Erhöhung ist dabei ge geben durch die Rücksichtnahme auf die thermische Belastung der Auspufforgane, z. B. der Auspuffventile und der Stossturbinen.
Anderseits gestattet aber gerade dieser Umstand eine vermehrte Nutzung der Wärme der Abgase im Abhitzekessel 10. Da bekanntlich z. B. aus Gründen von Korrosion die Abgase unter eine bestimmte Temperatur, z. B. 200 C, nicht abgekühlt werden dürfen, vergrössert sich bei einem relativ klei nen Anstieg der Abgastemperatur die ausnützbare Wärmeenergie viel stärker, als es dem Verhältnis der Erhöhung der absoluten Temperaturen entspricht.
Die Diagramme Fig. 2 bis 8 zeigen die Einflüsse der erfindungsgemässen Massnahmen auf die einzelnen Betriebsgrössen der Anlage. Alle Diagramme weisen die gleiche Abszisse auf, nämlich die auf die gesamte Leistung bezogene spezifische Luftmenge gLg". Diese hat am linken Rand des Diagrammes den niedrigsten Wert (nicht den Wert Null) und steigt in Richtung auf den rechten Rand des Diagrammes an.
Die am Generator 21 abgenommene Leistung No weist am rechten Ende des Diagrammes den Wert Null auf und steigt, wie durch Pfeile angedeutet, in Richtung auf das linke Ende des Diagrammes an. Die Ordinaten der einzelnen Diagramme sind dann jeweils durch eine bestimmte angegebene Betriebsgrösse gebildet, wobei diese in keinem Fall mit Null beginnen, und deren Wert von der Abszissenachse gesehen ansteigt.
So zeigt die Fig. 2 die globale thermische Bela- stung des Motors, bzw. die thermische Belastung von dessen Zylinderräumen. Diese thermische Belastung q$ (spezifischer Kühlwärmefluss) wird unter anderem durch das relative Verhältnis der Luft- und der Brenn stoffmenge sowie durch die Steuerungsdaten am Motor beeinflusst. Wie das Diagramm Fig.2 zeigt, sind diese Einflüsse erfindungsgemäss derart gegen einander abgewogen worden, dass die thermische Be lastung des Motors, bzw. der spezifische Kühlwärme fluss, unverändert bleibt.
Gleichzeitig sind dabei weder die Spitzen- noch die Aufladedrücke erhöht worden.
Es ist also damit gelungen,, eine Anlage zu erhal ten, die ohne Verringerung der Leistung und der Zu verlässigkeit der Brennkraftmaschine oder deren Le bensdauer, gegeben durch die Abnützung der mass gebenden Verschleissteile, wie Kolben und Kolben ringe sowie Zylinder, eine verbesserte Energieausbeute gestattet.
Dies steht im ausgesprochenen Gegensatz zu allen bisher bekannt gewordenen Massnahmen zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades, die alle entweder eine Vergrösserung der mechanischen Be lastung der Brennkraftmaschine (Vergrösserung der Zylinderdrücke, Erhöhung der spezifischen Leistung) oder der thermischen Belastung (Heisskühlung mit er höhtem Temperaturniveau im Zylinder) zur Folge hatten.
Die erzielte Verbesserung<B>Ab,</B> im spezifischen Brennstoffverbrauch der gesamten Anlage, bezogen auf die Gesamtleistung vom Motor und Generator 21, zeigt Fig. 3. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass der spezifische Brennstoffverbrauch in Grammbrenn stoff pro PS und Stunde mit zunehmender Generator leistung und abnehmender Gesamtluftmenge ab nimmt.
Das Diagramm in Fig. 4 zeigt die Verteilung der Leistungen des Motors und des Generators, und zwar ausgedrückt als mittleren effektiven Druck bezogen auf die Brennkraftmaschine. Die waagrechte Linie (gestrichelt) ist die auslegungsgemäss gleichbleibende Leistung der ganzen Anlage, die untere schräge Linie die Motorleistung, und die Differenz dieser beiden Werte die mit abnehmender Luftmenge zunehmende Generatorleistung.
Die Fig.5 zeigt die gleichzeitig durchgeführte Veränderung des Vorauslasswinkels, das heisst des Winkels, welcher zwischen dem Augenblick der öff- nung der Auslassorgane und dem der Einlassorgane liegt. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, steigt der Vorauslasswinkel mit zunehmender Generatorleistung, respektive abnehmender Gesamtluftmenge, an.
In Fig. 6 ist der Verlauf der Temperatur der Aus puffgase beim Austritt aus dem Motorzylinder enthal ten. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass bei der an meldungsgemässen Massnahme die Auspuffgastempe- ratur mit zunehmender Leistung des Generators 21 ansteigt.
Fig. 7 zeigt den thermischen Wirkungsgrad der Anlage, und zwar des Motors für sich allein, wie auch der gesamten Anlage. Die untere volle Linie 77th xot zeigt den thermischen Wirkungsgrad der Anlage ohne Abhitzekessel. Bereits dieser Wirkungsgrad steigt mit zunehmender Generatorleistung und abnehmender Luftmenge an.
Wird jedoch zusätzlich noch die im Ab hitzekessel 10 gewonnene Wärmeleistung berücksich tigt, so gewinnt man einen Verlauf des Wirkungsgra des nach der oberen Linie ?ithg". Diese verläuft steiler als die untere Linie, da aus den bereits erwähnten Gründen durch einen geringen Anstieg der Tempera tur der Auspuffgase die ausnutzbare Wärmeenergie relativ stärker wächst. Zum Vergleich ist eine mit dem thermischen Wirkungsgrad des Motors parallel ver laufende Linie gestrichelt eingezeichnet worden. Aus diesem Diagramm geht hervor, dass sich die erfin dungsgemässe Anordnung ganz besonders für jene Fälle eignet, die eine Ausnützung von Abwärme er lauben, da sich dann die grössten relativen Gewinne realisieren lassen.
In Fig. 8 ist schliesslich die spezifische Luftmenge, bezogen auf die Leistung des Motors allein im Ver gleich zur spezifischen Luftmenge, bezogen auf die Leistung der gesamten Anlage, eingetragen. Zum Ver gleich ist gestrichelt noch eine Linie eingezeichnet worden, welche in den verwendeten Massstäben die Werte gLges über gLges angibt. Wie aus dem Vergleich beider Linien hervorgeht, nimmt die spezifische Luft menge, bezogen auf die reine Motorleistung, wesent lich weniger stark ab, als gLges.
Diese Feststellung erläutert einerseits, wieso es in diesem Falle möglich ist, die thermische Belastung des Motors zusammen mit dem verringerten effektiven Mitteldruck bezogen auf die Brennkraftmaschine allein, konstant zu halten, und illustriert anderseits, dass es mit Hilfe der erfindungsgemässen Anordnung möglich ist, mit weniger Luftgewicht pro erzeugtes PS auszukommen, als bei konventionellen Anlagen; was für bestimmte Anwendungsfälle, wie z. B. bei Schnorchel- oder Stollenbetrieb, einen nicht zu unter schätzenden praktischen Vorteil bedeutet.
The invention relates to a method for using thermal energy in a two-stroke piston internal combustion engine system with several turbocharger groups interconnected on the air side and gas side, of which at least one is a shock group and at least one one is a storage group that are mutually connected in series,
at least two groups of the same type are connected in parallel.
The method according to the invention is characterized in that useful energy is dissipated to the outside from at least one storage group.
Turbocharger groups connected in series to a charged internal combustion engine of the type mentioned are known to work the energy contained in the exhaust gases with such good efficiency that they are able to deliver more air to the internal combustion engine than it needs for smoke-free combustion. The invention makes use of this fact to create a method for utilizing thermal energy in a system containing an internal combustion engine, with a better thermal efficiency than was previously possible.
The invention is explained using an embodiment shown schematically in the drawing. 1 shows a schematic sketch of an internal combustion engine system according to the invention, FIGS. 2 to 6 show diagrams to explain the invention.
The internal combustion engine system according to the invention contains an internal combustion engine 1 with an electrical generator 3 arranged on its shaft 2. The generator 3 outputs the current generated in it into an electrical line 4. The exhaust gases from the internal combustion engine pass through exhaust pipes 5, 5 'into exhaust gas turbines 6, 6' operating according to the surge process and from these through a common exhaust line 7 into a dam turbine B. From the exhaust gas turbine 8, the exhaust gases ge long into a waste heat boiler 10 and from this through an exhaust pipe 11 to the outside.
The exhaust gas turbine 8 is connected by the shaft 12 to a turbo compressor 13, which conveys the sucked air via an air cooler 14 into an air line 15 to which two turbo compressors 16, 16 'are connected. The turbo compressors 16, 16 'are driven by the exhaust gas turbines 6, 6' via shafts 17, 1 7. The turbo compressors 16, 16 'deliver the air they have compressed via air coolers 18, 18' in air lines 20, 20 ', from which the air is supplied to the cylinders of the internal combustion engine 1.
The shaft 12 of the exhaust gas turbine 8 also drives a high-speed alternating current generator 21, which supplies the generated electrical energy via a rectifier and voltage regulator 22 to an electrical line 23.
In the internal combustion engine system according to the invention, the electrical energy in the line 23 forms part of the total energy supplied by the machine in terms of design. The internal combustion engine 1 can thus be relieved of the proportion of this energy. Accordingly, the turbochargers must be dimensioned in such a way that less air is sent through the internal combustion engine than in the case of no external useful power output by the generator 21.
However, the amount of fuel supplied to the machine is also reduced, in accordance with the reduction in the specific fuel consumption based on the total output. If at the same time the control of the internal combustion engine is designed in such a way that the discharge angle is larger than in the case of no external useful power output from the turbocharger group, it is possible to
to keep the thermal load on the internal combustion engine at the original value without output of the turbocharger group. Investigations have shown that this enlargement of the discharge angle, i.e. the relatively earlier opening of the outlet organs in front of the inlet organs, which represents an increase in the exhaust energy potential made available to the turbocharger groups, and the external useful energy output from one of the turbocharger groups makes it possible ,
at the same time relieving the internal combustion engine so much that in this way, despite the inevitable reduction in the air flow, an increase in the global thermal load on the engine can be prevented.
It has also been shown that in the machine system according to the invention, the higher the thermal efficiency, the greater the proportion of the power supplied by the generator 21 in the total power of the system. An increase in this performance requires, thanks to the enlargement of the pre-exhaust angle, only a relatively slight reduction in the amount of air per horsepower and hour. However, both measures lead to an increase in the temperature of the exhaust gases. A limit to this increase is ge given by taking into account the thermal load on the exhaust system, eg. B. the exhaust valves and the shock turbines.
On the other hand, however, precisely this circumstance allows increased use of the heat of the exhaust gases in the waste heat boiler 10. B. for reasons of corrosion, the exhaust gases below a certain temperature, z. B. 200 C, must not be cooled, increases in a relatively small NEN increase in exhaust gas temperature, the usable thermal energy much more than it corresponds to the ratio of the increase in absolute temperatures.
The diagrams in FIGS. 2 to 8 show the influences of the measures according to the invention on the individual operating parameters of the plant. All diagrams have the same abscissa, namely the specific air volume related to the total output gLg ". This has the lowest value on the left edge of the diagram (not the value zero) and increases towards the right edge of the diagram.
The power No taken from the generator 21 has the value zero at the right end of the diagram and increases, as indicated by arrows, in the direction of the left end of the diagram. The ordinates of the individual diagrams are then each formed by a specific specified operating variable, whereby these in no case begin with zero and the value of which increases when viewed from the abscissa axis.
Thus, FIG. 2 shows the global thermal load on the engine or the thermal load on its cylinder spaces. This thermal load q $ (specific cooling heat flow) is influenced, among other things, by the relative ratio of the air and fuel quantities as well as by the control data on the engine. As the diagram in FIG. 2 shows, according to the invention, these influences have been weighed against one another in such a way that the thermal load on the motor or the specific cooling heat flow remains unchanged.
At the same time, neither the peak nor the charging pressures have been increased.
It has thus been possible to obtain a system that allows an improved energy yield without reducing the performance and reliability of the internal combustion engine or its service life, given by the wear and tear of the relevant wear parts such as piston and piston rings and cylinders .
This is in marked contrast to all previously known measures to improve thermal efficiency, all of which either increase the mechanical load on the internal combustion engine (increase the cylinder pressures, increase the specific power) or the thermal load (hot cooling with a higher temperature level in the cylinder ).
The improvement achieved <B> Ab, </B> in the specific fuel consumption of the entire system, based on the total output of the motor and generator 21, is shown in FIG. 3. From this diagram it can be seen that the specific fuel consumption in grams of fuel per HP and Hour decreases with increasing generator power and decreasing total air volume.
The diagram in FIG. 4 shows the distribution of the powers of the motor and the generator, expressed as the mean effective pressure in relation to the internal combustion engine. The horizontal line (dashed) is the constant power of the entire system according to the design, the lower inclined line is the engine power, and the difference between these two values is the generator power, which increases with decreasing air volume.
FIG. 5 shows the simultaneous change in the outlet angle, that is to say the angle which lies between the moment the outlet organs open and that of the inlet organs. As can be seen from this figure, the discharge angle increases with increasing generator output or decreasing total air volume.
6 shows the profile of the temperature of the exhaust gases as they exit the engine cylinder. It can be seen from this figure that the exhaust gas temperature rises as the output of the generator 21 increases with the measure according to the report.
Fig. 7 shows the thermal efficiency of the system, namely the motor alone, as well as the entire system. The lower full line 77th xot shows the thermal efficiency of the system without a waste heat boiler. This efficiency already increases with increasing generator power and decreasing air volume.
If, however, the heat output obtained in the waste heat boiler 10 is also taken into account, a curve of the degree of effectiveness is obtained according to the upper line "ithg". This runs steeper than the lower line, because for the reasons already mentioned, due to a slight rise in temperature For comparison, a line running parallel to the thermal efficiency of the engine has been drawn in dashed lines. This diagram shows that the arrangement according to the invention is particularly suitable for those cases that require utilization of waste heat, as the greatest relative profits can then be realized.
Finally, in FIG. 8, the specific amount of air, based on the power of the motor alone, is entered in comparison to the specific amount of air, based on the power of the entire system. For comparison, a dashed line has also been drawn in, which indicates the values gLges over gLges in the scales used. As can be seen from a comparison of the two lines, the specific air volume, based on the pure engine output, decreases significantly less than the total.
This finding explains on the one hand why it is possible in this case to keep the thermal load of the engine together with the reduced effective mean pressure based on the internal combustion engine alone, and on the other hand illustrates that it is possible with the aid of the arrangement according to the invention, with less Air weight per generated horsepower than with conventional systems; what for certain applications, such as B. when snorkeling or tunnel operation, means a practical advantage that should not be underestimated.