DE102005039294A1

DE102005039294A1 - Nutzung der Abwärme bei Verbrennungsmotorantrieben

Info

Publication number: DE102005039294A1
Application number: DE102005039294A
Authority: DE
Inventors: Josef Gail
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2007-02-22

Abstract

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei Explosionsmotorantrieben (1) wird vorgeschlagen, dass die im Abgas befindliche Energie zur Erhitzung des Arbeitsgases in einem Heißluftmotor (14) verwendet wird. Der Heißluftmotor ist als Zusatzmotor unmittelbar an den Explosionsmotor (1) angebaut und dessen Kurbelwelle (15) kann vorteilhaft mit der Kurbelwelle (12) des Explosionsmotors (1) verbunden sein (16).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zusammenwirken von technischen Einrichtungen zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei Verbrennungsmotorantrieben, im besonderen bei dezentralen Stromerzeugungsanlagen mit Biogas als Antriebsenergie.

Dezentrale Stromerzeugungsanlagen, welche mit einem Explosionsmotor, der mit Biogas, das bei der Vergärung nachwachsender Rohstoffe entsteht, angetrieben werden, gewinnen wegen der CO 2 Problematik zunehmend an Bedeutung.

In einem für diesen Zweck besonders geeigneten Ausführungsbeispiel wird der Erfindungsgedanke mit Ausführungsmerkmalen aufgezeigt.

Wie bei anderen Brennkraftmaschinen ist auch bei der Verwendung von Biogas als Treibstoff ein relativ geringer Umwandlungswirkungsgrad von ca. 30 % der zugeführten Energie erzielbar. Der wirtschaftliche Nutzen derartiger Biogasanlagen ist dadurch begrenzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Erhöhung des Wirkungsgrades der aufzuwendenden thermischen Energie zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit. Gleichzeitig lässt sich dadurch der CO 2 – Ausstoß im Verhältnis zur Motorleistung verringern.

Der größte Energieverlust bei Brennkraftmaschinen erfolgt durch die Verbrennungsabgase, deren Temperatur bei in Betrieb befindlichen Biogasmotoren bei 600/700° liegt, welche mit dem Auspuff abgeleitet werden und ungenutzt verloren gehen.

Die vorstehende Erfindungsaufgabe wird dadurch gelöst, dass mit der Verlustwärme des Abgases und ggf. auch mit der Kühlwassermotorwärme einer Brennkraftmaschine der Erhitzer eines nachgeschalteten Heißluftmotors, welcher in der Ausführung als Stirlingmotor allgemein bekannt ist, zur Erzeugung von Antriebsdrehmoment beaufschlagt wird.

Heizluftmotorausführungen, von welchen im besonderen die Stirlingmotorausführung Bedeutung erlangt hat, sind seit vielen Jahren bekannt. Wesentlich ist in der vorgelegten Erfindung, dass als Motorantriebsenergie Verbrennungsmotorabgas mit einem Temperaturbereich von bis zu 700°C verwendet wird, wie es beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen weitgehendst kostenlos anfällt und zur Beaufschlagung eines Stirlingmotor-Erhitzers vorzüglich geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird das von einem herkömmlichen Explosionsmotor nach dem Arbeitstakt des Kolbens als Abgas ausgeschiedene Arbeitsgas über eine möglichst kurze Verbindungsleitung zum Zylinderkopf des Arbeitszylinders eines Heißluftmotors geleitet und in diesen über Heißluftführungskanäle der Arbeitszylinder eines Stirlingmotors erhitzt.

Da das Arbeitsprinzip Wechsel zwischen Erhitzen und Kühlen eines Arbeitsgases zur Erzeugung mechanischer Energie seit ca. 180 Jahren bekannt ist, erübrigen sich die Ausführungen zum Stand der Technik.

Für das Einsatzgebiet Explosionsmotor mit einem Zusatz-Biogasmotor für dezentrale Stromerzeugungsanlagen ist der Nachteil des erhöhten Raumbedarfes wegen des stationären Einsatzes je KW Motorleistung unbedeutend.

Das von der Abtriebswelle des Stirlingmotors zur Verfügung gestellte Drehmoment kann je nach Einsatzart mit einem Zahnriemen oder einem anderen Übertragungsglied auf die Kurbelwelle eines Explosionsmotors, welcher einen Stromerzeugungsgenerator antreibt, übertragen werden. Da ein Stirlingmotor sehr Drehmoment flexibel ist und ein Stromgenerator für die Einspeisung von Strom eine konstante Drehzahl erfordert, erübrigt sich eine Drehzahlregelung für einen Stirlingmotor als Zusatzmotor.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Abgaskatalysator des Abgas erzeugenden Verbrennungsmotors durch eine Wärmezufuhr der vom Katalysator abgestrahlten Wärme an den sog. Regenerator einbezogen sein. Dabei kann ein Teilbereich des Katalysators für diesen Zweck ausgebildet sein oder der Regenerator ist für zwei unterschiedliche Temperaturbereiche zweiteilig ausgeführt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Gasführungskanäle für die Erhitzung des Arbeitszylinderkopfes des Regenerators und für den Arbeitsgaskühler. Bedingt durch die unterschiedlichen Temperaturströme müssen die unterschiedlichen Fließbereiche des Arbeitsgases einerseits gasdicht voneinander getrennt sein und andererseits müssen diese eine große Oberfläche zur Temperaturaufnahme aufweisen. Für diese Aufgabe wird weitgehendst eine Anordnung von zahlreichen Rohrstücken mit einem kleinen Innendurchmesser verwendet, welche die Wärmetauscherfläche bilden.

Für die Herstellung derartiger Wärmetauscher ist ein hoher Handarbeitsaufwand erforderlich. Um diesen zu vermeiden, werden bei der vorliegenden Erfindung Rohre oder Bohrungen mit einem relativ großen Innendurchmesser verwendet, deren Innenraum mit einem Einsatz aus hoch porösem Material mit hoher Wärmetauschkapazität gefüllt ist oder der Rohrinnenraum ist mit einem Einsatz ausgefüllt, welcher aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, in welchem eine Vielzahl (etwa 85 je cm²) parallel zueinander verlaufende kleine Kanäle mit etwa 0,8 mm Durchmesser ausgebildet sind. Durch diese Einsätze wird mit wesentlich weniger Rohrstücke oder Bohrungen der Herstellungsaufwand vermindert und gleichzeitig die Wärmetauschkapazität erhöht.

Die in der Erfindung aufgezeigten Merkmale sind nicht auf das Ausführungsbeispiel eingeschränkt, sondern können bei Zweckmäßigkeit auch bei anderen Verbrennungsmotorantrieben eingesetzt werden. Im folgenden wird der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung eines Explosionsmotors mit einem Heissluftmotor als Zusatzmotor
2 einen Verbrennungsmotorantrieb für einen Generator mit einem Stirlingmotor und mit Darstellung der Erhitzungs- und Kühlungseinrichtung für das Arbeitsgas
3 die Darstellung eines Arbeitsgas-Führungskanals mit einem porösen Einsatz
4 eine Alternativausführung der 3
In der 1 ist der Motorbereich eines herkömmlichen Explosionsmotors mit 1 bezeichnet. Der Arbeitszylinder mit einem Kolben ist mit 2 und eine Ver bindungsleitung mit 3 bezeichnet, welche zum Erhitzungszylinderkopf 4 eines Stirlingmotor-Arbeitszylinders 5 führt.
Anhand der 2 werden weitere erfindungsgemäße Merkmale aufgezeigt. In dieser ist der Arbeitsgasweg vom Arbeitszylinder 5 über die Verbindungsleitung 6 über einen ersten Heizungsregenerator 7, eine Verbindungsleitung 8 mit einem zweiten Heizungsregenerator 9 über eine weitere Verbindungsleitung 10 über den Kühler 11 und eine Verbindungsleitung 12 mit dem Komprimierungszylinder 13 eines Stirlingmotors 14 verbunden.
Der Stirlingmotor nutzt durch ein Hin- und Zurückverschieben des Arbeitsgases zwischen dem Arbeitszylinder 5 und dem Komprimierungszylinder 13 in der vorstehenden Anordnung die Abgasenergie des Explosionsmotors zur Erzeugung eines Drehmomentes.
Vorteilhaft wird das von der Kurbelwelle 15 des Zusatzmotors zur Verfügung gestellte Drehmoment über eine mechanische Verbindung beispielsweise über einen Zahnriemen oder eine Rollenkette 16 auf die Kurbelwelle 17 des Explosionsmotors 1 übertragen.
Das Heizungsabgas des Explosionsmotors, dessen Weg vorstehend schon teilweise aufgezeigt wurde, erhitzt den Zylinderkopf 4 des Arbeitszylinders 5 und strömt nach der Erfindung, nachdem es einen Teil seiner Wärme im Zylinderkopf 4 schon abgegeben hat, über eine Leitungsverbindung 18 in den ersten Heizungsregenerator 7, in welchem es in einer Querströmung zu den senkrecht verlaufenden Arbeitsgas-Führungskanälen 19 an diese Wärme abgegeben hat. Zur Abgabe von Restwärme wird das Heizungsabgas über eine Leitungsverbindung 20 in den zweiten Heizungsregenerator 9 für ein niedriges Temperaturniveau geleitet und bei 21 ausgeschoben.
Die Heizungsregeneratoren 7 und 9 nach der Erfindung erfüllen nicht nur, wie bekannt, die Aufgabe eines Wärmetausches zwischen dem hin- und zurückströmenden Arbeitsgasstrom, sondern bewirken eine zusätzliche Vorerwärmung des Arbeitsgases vor dem Eintritt in den Zylinderkopf 4 des Arbeitszylinders 5 und tragen damit zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei.
Die zweiteilige Ausführung der Heizungsregeneratoren 7 und 9 kann für unterschiedliche Erwärmungsstufen des Arbeitsgases vorteilhaft sein. Bei den erfindungsgemäßen Heizungsregeneratoren 7, 9 und dem Kühler 11 werden zur Verminderung des Herstellungsaufwandes relativ wenige Rohrstücke 22 mit einem runden oder eckigen Querschnitt und mit einem relativ großen Innendurchmesser als Arbeitsgas-Führungskanäle 19 verwendet, in deren Innenraum, wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, ein Einsatz 23, welcher aus einem wärmefesten und hochporösen Material besteht, eingesetzt ist oder der Einsatz 24 besteht aus einem wärmefesten Material, in welchem zahlreiche Abgasführungskanäle 24 mit einem kleinen Durchmesser ausgebildet sind. Die Einsätze 23 und 24 in den Rohrstücken 22 bilden große Kontaktflächen zur Temperaturübertragung im Innern der Rohrstücke.
Zur Erhöhung der Temperaturtauschfläche an den Arbeitsgas führenden Außenwänden der Rohrstücke 22 werden Rohre mit an der Außenwand angebrachten Rippen 25 verwendet.

Claims

Nutzung der Abwärme bei Verbrennungsmotorantrieben, umfassend einen Explosionsmotor und einen Heißluftmotor, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Verlustwärme des Abgases und ggf. auch mit der Kühlwassermotorwärme einer Brennkraftmaschine (1) der Arbeitsgaserhitzer (4) eines Heißluftmotors zur Erzeugung von Drehmoment beaufschlagt wird.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißluftmotor (1) im Stirlingmotorprinzip arbeitet.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungsmotor (1) als Zusatzmotor der Brennkraftmaschine eine Baueinheit bildet.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von einem Explosionsmotor ausgeschiedene Abgas über eine möglichst kurze Verbindungsleitung (3) zum Zylinderkopf (4) eines Heißluftmotors geleitet wird und diesen erhitzt.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlungswärme eines Abgaskatalysators in der Erhitzung des Arbeitszylinders (5) des Stirlingmotors einbezogen ist.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Abtriebswelle des Zusatzmotors zur Verfügung gestellte Drehmoment über einen Zahnriemen oder eine Rollenkette (16) auf die Kurbelwelle des Explosionsmotors übertragen wird.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungsabgas des Explosionsmotors, nachdem es einen Teil seiner Wärme im Zylinderkopf (4) abgegeben hat, in einem ersten Heizungsregenerator (7) bei einer Querströmung an senkrecht verlaufende Arbeitsgas-Führungskanäle (19) Wärme abgibt.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungsabgas zur Abgabe von Restwärme in einen zweiten Heizungsregenerator (9) für ein niedriges Temperaturniveau geleitet wird.
Nutzung der Abwärme nach den Ansprüchen 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsregeneratoren (7) und (9) nicht nur, wie bekannt die Aufgabe des Wärmetausches zwischen dem hin- und zurückströmenden Arbeitsgases erfüllen, sondern auch eine zusätzliche Vorwärmung des Arbeitsgases vor dem Eintritt in den Zylinderkopf (4) des Arbeitszylinders (5) erreicht wird.
Nutzung der Abwärme nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungsregenerator zweiteilig (7) und (9) ausgeführt ist.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsregeneratoren (7) und (9) und der Arbeitsgaskühler (11) Rohrstücke (22) mit einem runden oder eckigem Querschnitt aufweisen, in welchen zur Arbeitsgasführung Einsätze (23) aus einem wärmefesten und hochporösen Material eingesetzt sind.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze aus einem wärmefesten Material bestehen, in welchem zur Arbeitsgasführung zahlreiche kleine in Rohrlängsrichtung ausgebildete Kanäle (24) angebracht sind.
Nutzung der Abwärme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rohrstücke (22) mit an der Außenwand angebrachten Rippen verwendet werden.