CN113825896A - 带有涡轮系统的车辆 - Google Patents

带有涡轮系统的车辆 Download PDF

Info

Publication number
CN113825896A
CN113825896A CN202080018549.7A CN202080018549A CN113825896A CN 113825896 A CN113825896 A CN 113825896A CN 202080018549 A CN202080018549 A CN 202080018549A CN 113825896 A CN113825896 A CN 113825896A
Authority
CN
China
Prior art keywords
turbine
pressure
air
liquid
combustion chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080018549.7A
Other languages
English (en)
Inventor
蒂瓦达·蒙耶哈特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Di WadaMengyehate
Original Assignee
Di WadaMengyehate
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Di WadaMengyehate filed Critical Di WadaMengyehate
Publication of CN113825896A publication Critical patent/CN113825896A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/32—Cooling devices
    • B60H1/3202—Cooling devices using evaporation, i.e. not including a compressor, e.g. involving fuel or water evaporation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H3/00—Other air-treating devices
    • B60H3/02—Moistening ; Devices influencing humidity levels, i.e. humidity control
    • B60H3/022—Moistening ; Devices influencing humidity levels, i.e. humidity control for only humidifying the air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/02—Adaptations for driving vehicles, e.g. locomotives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/20—Adaptations of gas-turbine plants for driving vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/32—Cooling devices
    • B60H2001/3286—Constructional features
    • B60H2001/3289—Additional cooling source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)

Abstract

用于操作具有显着增加的压力比的内燃机的方法、装置和系统以及具有该系统的车辆。2.1内燃机具有技术上受限的压力比，这限制了热效率。迄今为止，燃气轮机的最大压力比为33:1，柴油发动机的压缩比高达23:1。2.2氧化剂在非常高的压力(1‑2)下以(冷)液化状态送入燃烧室。理想情况下，燃料也可以在高压下以液态形式供应。氧化剂泵的压比为200，500及以上为佳。在燃烧室(2‑3)中，氧化剂和燃料相互反应并膨胀到液体体积的一千倍以上。根据所使用的燃料，可以实施压力比约为π＝500或更高或等效膨胀比为ε＝85或更高的膨胀机(3‑4)。2.3该方法能够开发出具有显着提高的效率的紧凑的、具有成本效益的内燃机，其特别适合作为车辆推进系统。

Description

带有涡轮系统的车辆
技术领域
本发明描述了一种用于运行内燃机的方法，该内燃机特别适合作为车辆的驱动单元，具有非常低的燃料消耗并且可以满足未来废气的极限值。
背景技术
法律对车辆的废气值和二氧化碳排放量规定了越来越严格的环境要求。在不久的将来，传统的内燃机将不再能够满足要求。
公众对替代推进系统深恶痛绝。由于需要铂催化剂，燃料电池非常昂贵。可实现的效率最高为60％。所需的氢气只能以高能耗人工生产，并储存在昂贵的高压容器中。通常在壁厚为几厘米的碳纤维增强容器中，如今只能使用复杂的缠绕工艺生产。由于氢的体积能量密度极低，它们占用了大量空间。在700巴的压力下，一个160升的罐中只能储存大约5.5公斤的氢气。这相当于15.3公斤的能量，或20.4升汽油。
多年来，电动汽车一直被视为未来的技术，但尽管有国家资助，但仍无法确立自己的地位。充电时间长、基础设施不足、续航里程短，尤其是在室外温度较低的情况下，只会在日常使用中令人烦恼。通过快速充电产生的热量损失会降低整体油井到车轮的效率，或者通常不会提到静止时的自放电。重金属、稀土、酸类的大量使用所造成的环境污染非常令人担忧。欠发达国家的原材料开采往往在不稳定的情况下，生产中能源消耗的增加，完全磨损后的处理，可在4-5年后达到，仅举几例，导致蓄能器出现严重问题技术。总的来说，一个完整的汽车电池组重达几百公斤。一辆满载的电动半挂卡车至少需要8吨电池，在快速充电周期中至少需要1兆瓦的充电功率。首先必须扩大电网并为这种大规模充电容量提供能量。多年来，人们一直期待蓄能器技术的重大技术突破。
众所周知，内燃机的效率水平很差(η＝燃料热值/轴排放的能量)。通常，对于固定式(大型)柴油发动机，该值最多为40-50％。小型柴油机的最高效率为40％，压缩比最高为23:1。汽油机在最佳工作点的效率约为35％，压缩比最高为15:1。最佳(大型)燃气轮机的效率为42％，压力比最多为33:1。小型微型燃气轮机只能达到25-30％。
参考:Richard van Basshuysen,Fred
Figure BDA0003244945200000021
HandbuchVerbrennungsmotor.Grundlagen,Komponenten,Systeme,Perspektiven.3.
Figure BDA0003244945200000022
überarbeitete und erweiterte Auflage.Friedrich Vieweg&Sohn Verlag/GWVFachverlage GmbH,Wiesbaden 2005,ISBN 3-528-23933-6。
问题陈述
内燃机的热效率很大程度上取决于压缩比或膨胀比。膨胀比越大，热效率越高。这适用于柴油循环、奥托循环、塞利格循环、布雷顿循环和焦耳循环。由于这个原因，在所有提到的热力学循环中都以更高的压缩比或压力比为目标。
压缩比、膨胀比和压力比在技术上相互关联，不能轻易分开。更高的压缩导致更高的压缩机出口温度，进而导致更高的燃烧温度。但是，这是由机器的热稳定性决定的，不能任意选择高。在往复活塞发动机中，所用燃料的爆震极限限制了膨胀比。
根据目前的技术水平，非增压汽油机的压缩比约为15:1。如果柴油机不增压，这个值最大为23:1。增压活塞发动机只能在显着降低的情况下工作压缩比ε方程：ε＝1+Vh/Vk(其中：Vh...每搏输出量，Vk...压缩量)
根据目前的技术水平，(大型)燃气轮机的压缩压力比π高达33:1。在飞机燃气轮机中，巡航速度下的动压力包含在压缩压力比中，这就是为什么那里给出了更大的值。
方程：π＝p end/p suction
压力比和压缩比之间的关系可以用以下等式来描述：π＝ε^κ(其中：κ...等熵指数)。
本发明目的
本发明的目的是提供一种带有驱动单元的车辆，该车辆具有显着提高的热效率，从而降低了燃料消耗率并减少了污染物排放。燃料的热值应尽可能多地转化为机械能。此外，本发明应该在精确描述的机器中显示至少一个具体的解决方案，该机器可以廉价地制造且对环境友好，其特征在于设计紧凑且重量轻，并且可以由现有技术部件制成并且适合于移动使用。
为了解决这个问题，示出了根据专利要求1的车辆。权利要求2描述了车辆的另一个实施例。
最先进技术
借助冷液化空气来中间储存能量的系统是已知的。DE102013203044A1例如描述了一种吸气式、固定式燃气轮机单元，其在所有描述的单元中包括空气压缩机和燃气轮机。通过在压缩过程中添加液态空气来调节或增加涡轮机的输出。液态空气不是直接喷入燃烧室，而是喷入进气装置前部或直接喷入空气压缩机。在这两种情况下，液态空气与吸入的空气混合，原则上排除100％液态空气供应。在任何情况下，从能量的角度来看，让100％注入的液态空气在真空中蒸发或者在压缩机中蒸发是没有意义的，在这种情况下，当涡轮机运行时，以压缩它然后又是巨大的能量消耗。该措施主要使吸入的压缩空气冷却，从而增加质量流量或降低压缩机出口温度。液态空气的聚集状态在它到达燃烧室之前很久就变成了“气态”。较高的新鲜空气密度导致略高的压缩机压力比，这仅通过冷却新鲜空气来实现。可实现的效率提高相对温和。这里没有提到涡轮机出口侧的可变压力比——这对于显着更高程度的效率来说是必要的。
例如，描述了一种借助冷液化空气的车辆推进系统。如在US4,354,565种所描述的。储存的能量由液态空气或液态氮产生。氧化剂或不可燃的工作气体(氮气)在被引入第一工作腔之前通过一系列热交换器。在这里，液态空气/氮气被加热，吸收能量并在200bar的工艺压力下立即进入超临界状态。在到达工作室/燃烧室之前，即在热交换器中，聚集状态从“液体”变为“超临界”，并被蒸发或伪蒸发。虽然这里使用了来自环境的热能或来自车辆的废热，但换热器中的部分体积变化功损失了，或者换热器本身导致了相当大的压力下降。由于高过程压力和分支/连接——由于具有200bar系统压力的热交换器壁厚大，加上安全法规高压元件。问题来自热交换器的结冰、空气冷凝和低温热交换器中的富氧。此外，大的死体积具有极其缓慢的效果，因此在技术上很难在动态系统中表示，当驾驶员要求性能时应尽可能直接响应。一方面，热惯性和对环境热能的需求需要大型热交换器——尤其是在室外温度较低的情况下。另一方面，动力系统的载气量必须设计得尽可能紧凑且流动阻力低，类似于增压发动机的增压空气和排气路径。为了达到合理的范围，包括其内容物的液态空气罐或氮气罐将不成比例地重且大。
US 3736745 A描述了一种基于超临界CO2布雷顿循环的封闭系统，具有代表工作流体的燃烧产物的再循环。工作流体主要由液体/超临界CO2和水组成。工作流体也可以可选地被暂时储存并且以超临界状态，即在200巴的压力下以高密度的气态形式供给到燃烧室。氧化剂(纯氧)由瓶子提供，也是气态的。为确保工作流体在被泵送到注射压力之前液化，需要高效、耐压的热交换器以在100至200巴的工作压力下进行再冷却。工作流体与相对较少的氧化剂和燃料一起被吹入燃烧室。在燃烧过程中，流体仅加热约160K。然后它在单级涡轮机中以π＝2左右的非常低的压比松弛。在该文件中，规定了大约42％的整体热效率，现在也可以通过更小的柴油发动机来实现。具体的技术工作只有大约130kJ/公斤。该机器可以做得比蒸汽涡轮机更紧凑，这主要是由于流体密度高(约90-100kg/m3)。
从FR 2776018 A1已知类似的系统，其旨在用作潜艇驱动器或船舶驱动器。这也是一个部分开放的系统，冷凝水返回燃烧过程。冷凝水蒸气从废气中提取出来，并以液态水(250-300℃)的形式喷回燃烧室。在潜水模式下，系统会从机载罐中获得冷液化氧气或加压氧气。可选地，也可以在水面吸入环境空气。燃烧室压力约为15-20bar，因此动力涡轮机的压力比最多可以为π＝15。该系统的明显优势是它可以在没有空气通气管的情况下在水下运行，并且废热特征低，这在军事领域很重要，这是通过从燃烧产物中回收热量来实现的。在这里，效率也不太可能超过42％。必要的热交换器也使该系统变得复杂、成本高且笨重。
详细说明
在下文中，术语“氧化剂”主要用于所有能够氧化其他物质并能够释放氧原子的化合物或混合物。LAIR代表“液态空气”。LOX代表“液氧”。
在下文中，术语“低温”、“冷液化”、“冷液体”、“低温”适用于沸点远低于环境温度的气体。例如，液态空气的沸腾温度约为-190℃。
在下文中，术语“涡轮”用于具有转子的膨胀机，该膨胀机没有压缩机，使用(冷)液体氧化剂运行，并且压力比至少为π＝200。
在下文中，术语“涡轮电驱动”用于由驱动发电机的涡轮和车辆的电驱动马达组成的单元。
术语“燃气轮机”在下文中用于“经典意义上”的涡轮机，即带有压缩机且压力比高达约π＝35的空气呼吸机。
附图说明
图1将此处描述的循环显示为T-s图中的顺时针热力学循环。给出了一个理想的焦耳循环(虚线)作为比较。
图2显示了在p-V图中描述为顺时针热力学循环的循环。给出了理想的焦耳循环(虚线)作为比较。
图3示出了具有涡轮的涡轮电机的系统，其根据图1和图2的方法工作。
图4显示了由图3的涡轮电力驱动系统提供动力的车辆的示意性结构。
图5显示了具有雾化低温液态空气的乘客舱空调的一般结构。
图6显示了用于低温液态空气的蒸发容器的一般结构。
(图1和图2)空气的T-s图或p-V图中的示例。
状态变化的解释
1–2Isentropic compression等熵压缩
通过液泵将冷液氧化器的压力从p1＝1bar提高到p2＝500bar
温度从T1＝80K上升到T2＝91K
供给比压缩功wt12＝60kJ/kg
比熵保持不变
比容从V1＝1,15x 10ˉ3m3/kg减少到V2＝1,08x 10ˉ3m3/kg
2–3Isobaric combustion等压燃烧
燃烧在火焰区连续发生
无压力变化
温度从T2＝91K上升到T3＝2250K
供热量q23＝2750kJ/kg
比熵从s2＝2,8kJ/kg/K增加到s3＝7,3kJ/kg/K
比容从V2＝1,08x 10ˉ3m3/kg增加到V3＝1,35x 10ˉ2m3/kg
3–4Isentropic expansion等熵膨胀
涡轮机中的膨胀
压力从p3＝500bar松弛到p4＝1bar
温度从T3＝2250K下降到T4＝466K
汽轮机撤回功wt34＝-2208kJ/kg
比熵保持不变
比容从V3＝1,35x 10ˉ2m3/kg增加到V4＝1,38m3/kg
4–1Isobaric heat removal等压除热
气体被释放到环境中
去除比热q41＝-608kJ/kg
本发明提出顺时针循环(图1、图2)，其中以冷液化状态供应氧化剂(在该示例中为空气)。这消除了压缩循环。相反，液体氧化剂被带到低于其临界温度的喷射压力并喷射到燃烧室中。在实际工况下，喷射压力必须高于燃烧压力才能克服它。
与热力学的经典循环过程相比，废气温度低几百开尔文(4)。该图显示有用功(1-2-3-4-1内的区域)与散热量的关系非常大。理想的热效率在80％以上。具体的有用功大约是可比较的焦耳/布雷顿循环的4倍。方程：η＝W eff/Q upp(其中：η…效率；W eff…有效功；Q upp…提供的热量)
所有能够以冷液化状态或在标准温度下以液态储存的氧载体，甚至在压力增加的情况下，都适合作为氧化剂。例如，这包括液氧(LOX)或富含氧气的冷液化空气。含有天然氧气、氮气和氩气成分的冷液化空气(LAIR)特别合适，因为它无毒，如果以低剂量逸出，不会对环境造成直接风险。此外，它可以从环境空气中的任何地方获得，并且生产成本低廉。
氧化剂(11)可以储存在真空绝热容器(35)中。它们是双壁的——类似于保温瓶——并屏蔽辐射，以便储存的液体尽可能长时间保持低温。由于加热，每天1％的内容物蒸发率是不可避免的。少量的蒸发可以无危险地释放到环境中。通常，冷液化空气的储存温度约为-190℃(80K)最大罐压为5bar。加油可以通过绝缘良好的软管在没有压力的情况下完成。
使用液态空气代替液态氧的一个主要优点是使用涡轮机时的质量吞吐量更大。(方程式：Q＝Wt x m；其中：Q...热量；Wt...技术功；m...质量)。更高的质量吞吐量会产生更多有用的能量。1公斤汽油需要大约14.7公斤液态空气进行化学计量燃烧。当用纯氧(O2)燃烧汽油时，比例约为1kg汽油对3.5kg氧气。
涡轮机的另一个优点是不会因气体交换而产生推入和推出损失。也没有需要做的压缩工作。预计只有相对较小的损失，这是由喷射装置中的压力损失、氧化剂泵的效率、燃烧室效率和涡轮机效率造成的。
将(冷)液相中的氧化剂泵送到更高的压力水平所需的能量远少于在气相中压缩它所需的能量。与气体相反，液体几乎不可压缩并且几乎不会随着等熵压力的增加而升温。冷液化空气的等熵压力从1巴增加到500巴会导致温度升高约11开尔文。流体的密度增加约7％。喷射泵所需的驱动能量的比例非常小。在以化学计量比吸入空气并对其进行压缩的传统燃气轮机中，大约33％的机械轴能量作为压缩机的驱动能量损失。众所周知，燃气轮机必须吸入和压缩比化学计量所需更多的空气，以确保燃烧室和涡轮机的内部冷却。
不必执行在常规往复活塞式发动机或处于气态聚集状态的燃气轮机中发生的推入功和压缩功。进行压缩工作，例如在效率更高的固定式空气液化厂中。在发电厂中，电力主要可以在已经生产过剩的廉价电力阶段的夜间使用。产生的压力能储存在氧化剂中(例如冷液化空气)。在燃烧室中燃烧期间，该压力能的很大一部分再次释放。如果氧化剂在进入燃烧室之前保持液态，即低于临界温度，则流速保持低。因此，节气门和流量损失也保持在较低水平。由于比容低，注入燃烧室时所需的插入功极小，方程：W＝pxV(其中：W...工作；p...压力；V...体积)
氧化剂(11)在燃烧室(15)中点火后与燃料一起释放其能量。如果使用冷液化空气作为氧化剂，燃烧温度可以在2000-2400K左右，具体取决于所使用的燃料。如果使用氧气(O2)，燃烧温度会高得多。燃料可以液体或气体形式供应。然而，对于绝热压缩，气体比液体需要更多的能量，液体几乎不可压缩。由于相对于氧化剂而言需要相对较少的燃料，因此损失是可控的。燃烧压力至少为200巴，更好为500巴或更高。
冷液化氧化剂在高压燃烧室中的燃烧会产生两种影响燃烧温度的效应。一方面，冷液化氧化剂引起还原；另一方面，与标准条件下计算的绝热燃烧温度相比，高压会导致燃烧温度升高。这是由于分子在压力下具有更高的反应性。
(图3)燃烧室(15)的结构与液体火箭的燃烧室非常相似。火箭燃烧室的效率达到95％-99.5％。这是由于燃烧气体的良好分布、混合和湍流。注射板(15b)由几个相互连接的穿孔盘组成。同时，它代表了圆柱形燃烧室的盖板，并通过其整个表面上的许多小孔大面积喷射燃料和氧化剂。
(图3、图4)然后膨胀发生在涡轮机(16)中，压力比至少为π＝200，最好为π＝500或更高。这省去了压缩机，并且只需要优化处理低温液化氧化剂(11)和燃料(12)。无压缩机涡轮机通常被称为膨胀涡轮机或涡轮膨胀机。这些通常具有至多π＝25的总压力比。
上一代涡轮膨胀机具有单级，压力比为25或更高。为了以尽可能高的效率实现这样的比率，气流在进入涡轮机之前在喷嘴中被加速到声速的1.5到2.5倍。参见WO002014175765A1。串联π＝25的两级已经导致总压比为πtotal＝625。所需的总压比可以在只有两个涡轮级且效率高的紧凑型机器中实现。等式：π总计＝π1xπ2
这种涡轮机可以很容易地连接到电机(例如高频发电机)(图3)。比较机车和大型船舶中的“涡轮电力推进”。该发电机(31)的极性可以在启动操作期间或者如果需要的话在电动机操作状态中反转并且因此如果需要则驱动涡轮机。在电压/频率转换(32)之后，以这种方式产生的电流可以在电流传递到驱动机器之前暂时存储在蓄电池(33)或电容器中。在这种组合中，制动能量回收也是可能的。电流也可以直接发送到电驱动马达(34)。因此，涡轮机可以保持在优化的工作点，以获得最高的效率。
由于新鲜气体量和涡轮机速度彼此无关，就像单轴涡轮机的情况一样，动力非常高。机器达到所需负载点所需的时间更少。此外，连接的发电机可以在启动时或必要时(用于升压)极化为电动机。
(图4)涡轮机的重量应远低于10公斤，总体积应小于10升，包括辅助设备。一般而言，尺寸和重量与当今汽车或卡车中的废气涡轮增压器相当，在制造成本方面也是如此。通过这种方式，涡轮机可以很容易地安装在今天传输隧道所在的汽车中。用于氧化剂的大型真空绝热容器(35)可放置在车辆前部。
根据目前的技术水平，2400K的涡轮机入口温度有点过高。所使用的材料不能长期承受如此高的温度。高达1900K在具有帘式或薄膜冷却的大型燃气轮机中很常见。因此，提出了四种可能的方法。
变体1：涡轮机使用过量的氧化剂运行，大约λ＝1.2至λ＝1.7。与燃气轮机中的气帘或薄膜冷却相比，额外的空气被供应到燃烧室壁和涡轮机定子/转子。与化学计量燃烧相比，消耗将相应增加。涡轮机入口温度较低的缺点大致被质量吞吐量增加的优点所抵消。因此，特定的有用功被大致保留。
变体2：为了冷却而将额外的水注入涡轮机(类似于变体1)。为此所需的水可以从废气中回收。每次燃烧时，无论如何都会产生不可忽视的水量。示例：以化学计量比计算的汽油-空气大约为废气中含有8％的水蒸气。由于与原理相关的低废气温度，冷凝水可以从废气管道中回收，可能需要借助热交换器。
变体3：涡轮机分两级运行，具有高压和低压部分。在高压部分等熵膨胀后，烟气通过燃烧室的外壁或进入热交换器并在那里被重新加热。热交换器可以从燃烧室或定子进料。这导致高压涡轮上游的涡轮入口温度较低，而低压涡轮上游的涡轮入口温度较高。由于再加热(比较克劳修斯-朗肯循环)，整体效率仅略有下降。热交换器中的压力损失和较长的气体路径具有负面影响。
变体4：具有极低热膨胀的耐高温复合材料已被用于火箭发动机的喷嘴颈部区域。对于下一代燃气轮机叶片，通过使用陶瓷基复合材料，在未来几年内可以实现高达2000K的疲劳强度。这些可用于特别暴露于高温的地方，例如燃烧室壁和第一级涡轮机。成本因素很小，因为受影响的部件要小得多。一台100千瓦涡轮机的涡轮转子直径估计只有几厘米。
高燃烧温度(3)被视为一个机会，因此可以实现几乎无焰燃烧。例如，可以在很大程度上抑制氮氧化物(NOX)的形成。燃烧更清洁、更彻底。
由于高压比，废气被冷却到大约400-500K的涡轮出口温度(4)，这对于内燃机来说是异常低的(图1)。热损失极低。在冬天，废气中的余热仍可用于部分或完全加热乘客舱。
由于效率高，天然气(主要由甲烷组成)、氢气或两者的混合物(乙炔)的燃烧可以与传统的汽油或柴油燃料一起使用。在所有情况下，相同范围需要明显更小的压力容器。到目前为止，燃料电池汽车还没有流行起来，主要是因为制造成本高。压力罐在制造成本中占有很大份额。与燃料电池相比，氢消耗量将减少至少30％。
将带有涡轮的涡轮电力推进系统的油耗与最新一代的涡轮汽油发动机(汽车)和涡轮柴油发动机(汽车)进行了比较。燃料消耗和二氧化碳排放量可以减少50-65％。这对应于运行重量为1500-1700kg的中档车辆的实际汽油消耗量约为1.85-2.1kg，液体空气消耗量为28-32kg。因此，车辆每公里大约排放57-66克二氧化碳。大型电厂生产1kg液态空气的能耗约为300Wh/kg。
进一步的优势：使用液态空气的空调
在车辆中的上述方法中使用冷液化空气作为氧化剂时的次要但并非微不足道的优点是可以毫不费力地对内部进行空调。
任务是展示一个用于冷却乘客舱的系统。应该可以通过很少的技术工作、轻量化和紧凑的尺寸来实现这一点。此外，它应该需要很少的驱动能量，在不使用制冷剂的情况下进行管理，并且应该能够在静止时运行。为了解决这个问题，示出了根据专利要求2的方法。
夏季需要在车辆中冷却，这通常由效率低下的冷凝空调系统提供。空调压缩机的典型驱动功率为4-6kW。然而，平均而言，一辆汽车只需要大约0.25千瓦的冷却能力。这种冷却是通过每小时2.5-3升冷液化空气来确保的。
用水操作的开放式或封闭式蒸发系统是已知的，例如来自DE10221191A1和DE19729077A1。然而，水远远不能提供冷液化空气的冷却能量。此外，开放式系统会增加冷却房间的湿度，从而使乘客的健康状况恶化。
在封闭回路中运行的封闭低温系统，尤其是充有氮气的封闭低温系统也是已知的，例如EP611934B1。然而，这样的系统很复杂，并且至少需要一个(制冷)压缩机的驱动能量。所有在逆兰金循环中运行的封闭系统都需要机械驱动能量，通常由内燃机提供。由于效率链较长(内燃机-机械传动-冷媒压缩机-蒸发器-热交换器)，整体效率相对较差。这意味着冷却需要高于平均水平的能量。额外的污染物排放/二氧化碳排放量很高。
KR102005020448A展示了夏季停放车辆中冷液化氮的雾化。在几乎封闭的乘客舱中使用纯氮气的缺点是，如果空气中富含氮气，它会导致缺氧，在最坏的情况下，会导致窒息死亡。因此，当乘客舱中没有人或动物时，这样的系统只能将更高量的冷却剂输送到内部。进入前必须提供通风。
(图5、图6)在夏季温度下，建议用从真空绝热容器(35)供应的冷液化空气(11)来丰富外部空气供应(41)或内部循环空气(42)。这可以通过雾化(43)或喷射液态空气来完成。或者，可以使用蒸发容器(44)中的目标蒸发、在被液态空气润湿的表面上或润湿的膜上进行冷却。作为液体供给的替代或补充，在真空绝缘容器中由于绝缘损失而无论如何产生的蒸发量可以以计量方式供给到乘客舱中(45)。在这两种情况下，以这种方式产生的气态空气在被送入内部之前，例如在(活性炭)过滤器(46)中进行过滤是有意义的。这种系统不需要任何高压压缩机或泵。在某些情况下，仅真空绝热容器的超压就足以输送和雾化所需的冷液化空气。小型输送泵可确保任何情况下的输送率。

Claims (2)

1.带有涡轮系统的车辆，其特征在于：
1.1)涡轮系统是车辆推进装置的一部分，
1.2)只有液体氧化剂(11)在涡轮机系统中用作燃烧过程的氧化剂，其以液体形式通过喷射器板(15b)直接进入涡轮机的燃烧室(15)，
1.3)代替压缩阶段，氧化剂在泵(13)中以液体形式加压，
1.4)氧化剂(11)先在燃烧室(15)中蒸发，然后与燃料一起燃烧，氧化剂被带到低于其临界温度的喷射压力并被喷射到燃烧室中，
1.5)膨胀发生在涡轮机(16)中，涡轮机(16)总压力比为200或更高(π>>200)，
1.6)涡轮系统(30)驱动发电机(31)，该发电机也可以切换到电动机模式，
1.7)来自发电机的电流根据需要被转换(32)，
1.8)有或没有中间缓冲(33)的电流被传递到车辆的电动马达(34)，
1.9)氧化剂储存在真空绝缘容器(35)中，并且
1.10)燃料储存在合适的容器(36)中，该容器可以是真空绝热容器、压力容器或液体罐。
2.根据专利要求1所述的用于冷却车辆乘客舱的装置，其特征在于：
2.1)从真空绝热容器(35)中取出少量冷液化空气(11)以冷却乘客舱(40)和
2.2)与新鲜空气(41)或循环空气(42)的混合可通过雾化器(43)、蒸发盘(44)、雾化器、液体润湿表面或膜进行。
CN202080018549.7A 2019-03-15 2020-03-06 带有涡轮系统的车辆 Pending CN113825896A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019001876.1A DE102019001876B3 (de) 2019-03-15 2019-03-15 Verfahren, Vorrichtung und System zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen mit erheblich gesteigertem Druckverhältnis und Fahrzeug mit diesem System
DE102019001876.1 2019-03-15
PCT/DE2020/000048 WO2020187344A1 (de) 2019-03-15 2020-03-06 Fahrzeug mit turbinensystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113825896A true CN113825896A (zh) 2021-12-21

Family

ID=70776926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080018549.7A Pending CN113825896A (zh) 2019-03-15 2020-03-06 带有涡轮系统的车辆

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11773774B2 (zh)
EP (1) EP3938636B1 (zh)
JP (1) JP2022523948A (zh)
CN (1) CN113825896A (zh)
CA (1) CA3129483A1 (zh)
DE (1) DE102019001876B3 (zh)
WO (1) WO2020187344A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7453717B1 (ja) 2023-07-07 2024-03-21 ＥＳＲＥＥ Ｅｎｅｒｇｙ株式会社 エネルギー貯蔵プラント

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9622403D0 (en) * 1995-11-17 1997-01-08 Stankovic Branko Closed combined cycle with high-temperature exhaust gas
CN102597459A (zh) * 2010-06-03 2012-07-18 松下电器产业株式会社 燃气轮机系统
US20140069090A1 (en) * 2012-01-20 2014-03-13 Jay Stephen Kaufman Prime mover with recovered energy driven compression of the working fluid
CN106224088A (zh) * 2016-08-23 2016-12-14 石家庄新华能源环保科技股份有限公司 一种利用高压氢混合燃料驱动汽车的方法和动力系统
CN107035529A (zh) * 2016-02-04 2017-08-11 松下电器产业株式会社 微型燃气轮机系统

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US707634A (en) * 1902-02-10 1902-08-26 James F Place Vessel for holding and shipping liquid air or other liquid gases.
US3736745A (en) 1971-06-09 1973-06-05 H Karig Supercritical thermal power system using combustion gases for working fluid
US3898794A (en) 1972-04-01 1975-08-12 Nissan Motor Power plant
JPS506904A (zh) * 1973-05-24 1975-01-24
US4354565A (en) 1978-11-06 1982-10-19 R & D Associates Engine system using liquid air and combustible fuel
JPS58152535U (ja) * 1982-04-08 1983-10-12 日本酸素株式会社 ガスタ−ビン発電装置
US5287705A (en) 1993-02-16 1994-02-22 Thermo King Corporation Air conditioning and refrigeration systems utilizing a cryogen
FR2718902B1 (fr) * 1994-04-13 1996-05-24 Europ Gas Turbines Sa Ensemble turbine-générateur sans réducteur.
JP3696945B2 (ja) * 1995-09-08 2005-09-21 三菱重工業株式会社 液化ガスを利用した動力発生装置
GB9705399D0 (en) * 1997-03-14 1997-04-30 Boc Group Plc Air pollution reduction in vehicles
DE19729077A1 (de) 1997-07-08 1999-01-14 Behr Gmbh & Co Einrichtung zum Kühlen einer Kabine
FR2776018B1 (fr) 1998-03-12 2000-04-14 Daniel Louis Chaplain Turbo-propulsion pour navires de surface et sous-marins
HRP20020114B1 (en) * 1999-07-07 2006-12-31 Borić Miroslav High-pressure gas-turbine plant using high-pressure piston-type compressor
DE10221191A1 (de) 2002-02-08 2003-08-21 Webasto Thermosysteme Gmbh Klimatisierungssystem für einen Innenraum, insbesondere einen Kraftfahrzeuginnenraum
KR20050020448A (ko) 2003-08-22 2005-03-04 구성태 차량의 실내 냉각장치
PL1989400T5 (pl) * 2006-02-27 2023-10-09 Highview Enterprises Limited Sposób magazynowania energii i układ magazynowania energii kriogenicznej
JP2011132877A (ja) * 2009-12-24 2011-07-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 多段ラジアルタービン
JP5113230B2 (ja) * 2010-01-04 2013-01-09 貴之 伊東 ロケット発電エンジン及びロケット発電ファンエンジン
DE102013203044A1 (de) 2013-02-25 2014-08-28 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Regelung der Leistung einer Gasturbineneinheit
WO2014175765A1 (en) 2013-04-25 2014-10-30 Siemens Aktiengesellschaft Set of channel nozzles for a centripetal turboexpander

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9622403D0 (en) * 1995-11-17 1997-01-08 Stankovic Branko Closed combined cycle with high-temperature exhaust gas
CN102597459A (zh) * 2010-06-03 2012-07-18 松下电器产业株式会社 燃气轮机系统
US20140069090A1 (en) * 2012-01-20 2014-03-13 Jay Stephen Kaufman Prime mover with recovered energy driven compression of the working fluid
CN107035529A (zh) * 2016-02-04 2017-08-11 松下电器产业株式会社 微型燃气轮机系统
CN106224088A (zh) * 2016-08-23 2016-12-14 石家庄新华能源环保科技股份有限公司 一种利用高压氢混合燃料驱动汽车的方法和动力系统

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020187344A1 (de) 2020-09-24
DE102019001876B3 (de) 2020-06-10
CA3129483A1 (en) 2020-09-24
US11773774B2 (en) 2023-10-03
EP3938636A1 (de) 2022-01-19
JP2022523948A (ja) 2022-04-27
EP3938636B1 (de) 2022-09-28
US20220145795A1 (en) 2022-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU657189B2 (en) Internal combustion engine with cooling of intake air using refrigeration of liquefied fuel gas
US5680764A (en) Clean air engines transportation and other power applications
US7854278B2 (en) Motor vehicle energy converter
US8141360B1 (en) Hybrid gas turbine and internal combustion engine
Ordonez Liquid nitrogen fueled, closed Brayton cycle cryogenic heat engine
US20060037337A1 (en) Combined cooling and power plant with water extraction
US20020002827A1 (en) Clean air engines for transportation and other power applications
US20120096869A1 (en) Utilizing heat discarded from a gas turbine engine
US20160333747A1 (en) Prime Mover with Recovered Energy Induced Source and Sink Temperature
CN201635781U (zh) 液氮引擎装置
US7870735B2 (en) Closed loop expandable gas circuit for power generation
JP2016508912A (ja) Ｌｎｇボイルオフを管理する方法及びｌｎｇボイルオフの管理組立体
Plummer et al. Cryogenic heat engine experiment
US2718753A (en) Improved operation of internal combustion engine operating on liquid petroleum gas fuel
US8453444B2 (en) Power plant using compressed or liquefied air for energy storage
US20170009607A1 (en) Cryogenic power extraction
CN113825896A (zh) 带有涡轮系统的车辆
CA2304046C (en) Clean air engines for transportation and other power applications
RU2463463C2 (ru) Комбинированная энергетическая система
CA2987343A1 (en) Natural gas engine
US11912423B2 (en) Hydrogen steam and inter-cooled turbine engine
GB2295858A (en) Liquid hydrogen fuelled powerplant
US20080282700A1 (en) Compressed working fluid supply system for an expansion engine
RU2290521C2 (ru) Газотурбинный двигатель
Peschka Liquid hydrogen technology present state and future fuel application

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20211221