DE102007038073A1

DE102007038073A1 - Effiziente Energiewandlungsmaschine durch kombinierte Brennkraftmaschine mit Dampfprozess

Info

Publication number: DE102007038073A1
Application number: DE102007038073A
Authority: DE
Inventors: Alexander Gotter; Andreas Gotter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-12
Filing date: 2007-08-12
Publication date: 2009-02-19

Abstract

Kombinierte Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung eines Kraftstoffes, welche mechanische Energie dadurch erzeugt, dass die Wärmefreisetzung im geschlossenen Kreisprozess stattfindet und die endgültige Wärmesenke durch Kondensation eines sekundären Stoffkreislaufes, dadurch gekennzeichnet, dass
– mindestens ein Kolbentriebwerk (1) mit innerer Verbrennung verwendet wird
– mindestens ein im Abgassystem befindlicher Wärmetauscher (5) angetrieben wird
– mindestens einer Abgasturbine, welche unter Gewinn an mechanischer Energie das Abgas entspannt und welche hinter dem Wärmetauscher (5) angeordnet ist.

Description

Kombinierte Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung eines Kraftstoffes, welche mechanische Energie dadurch erzeugt, dass die Wärmefreisetzung im geschlossenen Kreisprozess stattfindet und die endgültige Wärmesenke durch Kondensation eines sekundären Stoffkreislaufes, dadurch gekennzeichnet, dass

– Mindestens ein Kolbentriebwerk zur inneren Verbrennung verwendet wird, welches durch direkt oder indirekt mit dem Kolbentriebwerk verbundene Bauteile aufgeladen ist und
– mindestens einer Abgasturbine, welche unter Gewinn an mechanischer Energie das Abgas entspannt.
– mindestens ein Rankineprozess durch einen im Abgassystem befindlichen Wärmetauscher angetrieben wird

Dabei weist die Kolbenmaschine getrennte Abgaszüge auf, von denen einer auf eine Abgasturbine wirkt und der andere diese umgeht. Die Abgaszüge werden dabei unterschiedlich angesteuert.
Stand der Technik
Die Nutzung der Abgasenergie eines Verbrennungsmotors ist heute Stand der Technik. In Einzelerfindungen wurde dabei die Verwendung eines Abgasturboladers ( DE855639 ) vorgesehen. Dies hat den Nachteil, dass ein Teil der aus dem Abgas gewonnen Arbeit von der Kolbenmaschine durch Ausschiebearbeit aufgebracht werden muss. Die Nutzung der Abgasenergie ist hier also in nicht optimaler Weise gelöst. Zudem wird die Abgasenergie nur insoweit verwendet, als dass die gewonnene mechanische Arbeit zum Antrieb eines Verdichters verwendet wird, überschüssige Energie wird durch ein Waste-Gate vernichtet.
Eine Erweiterung dieses Verfahrens ist das Turbo-Compound-Prinzip. Hier wird die Arbeit, welche an der Turbine gewonnen wird, über ein Getriebe auf die Kurbelwelle der Kolbenmaschine übertragen, wodurch sich eine reale Wirkungssteigerung dieser Kombimaschine ergibt. Nachteilig ist hier allerdings immer noch der relativ geringe Ausnutzungsgrad der Abgasenthalpie und der hohe Abgasgegendruck.
Zur Erhöhung der Klopffestigkeit eines Ottomotors wurde von FEV ( DE19955090 ) ein Verfahren entwickelt, welches die getrennte Führung der Abgasmasse eines aufgeladenen Motors ermöglicht. Die Anordnung hat hierbei einen leichten Versatz der Steuerzeiten beider Motoren vorgesehen, so dass während des Ladungswechsels ein niedrigerer Druck im Zylinder als im Saugrohr vorherrscht. Dadurch wurde ein vollständiges Ausspülen des Restgases und somit eine Reduktion der Klopfneigung erreicht. Unerkannt blieb hier allerdings das weitere Potential einer ähnlich gearteten Anordnung und des Betriebsverfahrens
Verschiedene Erfindungen ( DE 19839396A1 , DE 10259488A1 , DE 19735909A1 , DE 10221157A1 , DE 3333069A1 ) nutzen die Abgasenergie, um die Aufheizung des Dampfes in einem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Dampfprozess zu vollziehen. Diesen Erfindungen ist gemeinsam, dass sie über einen Wärmetauscher aus dem Speisewasser zunächst Dampf erzeugen und diesen dann Überhitzen. Bei den Verfahren kommt keine Speisewasservorwärmung zum Einsatz, wodurch der Prozesswirkungsgrad des Dampfprozesses selbst auf maximal 35% begrenzt ist, da hierbei die Aufheizung des nicht vorgewärmten Speisewassers durch die höherwertige Abgasenergie erfolgen muss, wodurch relativ viel Exergieverlust produziert wird.
In DE 10259488A1 und DE 3333069A1 werden Verfahren beschrieben, die auch die bei einer Kolbenmaschine anfallende Kühlwassererwärmung nutzen, um einen zweiten Dampfprozess mit Niedertemperaturwärme zu betreiben. Dieser Niedertemperaturdampfprozess ist dabei entweder auf Sattdampftemperaturen unter 100°C beschränkt oder es handelt sich um eine Vorwärmstufe für den Hauptdampfkreislaus.
Aufgabenstellung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein optimierter Energiewandlungsprozess mit größtmöglichem thermischen Wirkungsgrad. Grundlage dabei ist die Betrachtung der Exergievernichtung bei thermodynamischen Prozessen, aus der folgt, dass die optimale Maschine für die Wärmequelle eine Kolbenmaschine und die optimale Senke ein Kondensator eines Rankine-Prozesses ist. Basierend auf diesen Grundannahmen wurden einige Maßnahmen zur Reduzierung der Exergieverluste getroffen, die in die beschriebene Energiewandlungsmaschine eingearbeitet wurden.
Die Erfindung/Beschreibung
Die Erfindung gliedert sich in drei Haupterfindungsmerkmale.
E1:
Eine Brennkraftmaschine, welcher mit innerer Verbrennung des Kraftstoffes arbeitet und welche vorzugsweise als Kolbenmaschine, im nachfolgenden Kolbenmotor genannt, ausgeführt ist, weist am Ende eines Verbrennungs- bzw. Arbeitszyklus einen höheren Druck im Zylinder auf, als zu Beginn der Kompression des Arbeitszyklus. Am Ausführungsbeispiel des Kolbenmotors bedeutet dies, dass der Druck nach Einlassschluss stets niedriger ist als der Druck bei Auslassbeginn. Dies ist dadurch bedingt, dass bei gleichem Zylindervolumen und gleicher Zylinderfüllungsmasse das heiße Verbrennungsgas einen höheren Druck erzeugt als die kalte Frischladung, obwohl die eigentliche Entspannung des Kolbenmotors bereits vollständig stattgefunden hat.
In diesem Druckzustand besteht noch ein erheblicher ungenutzter Energieanteil. Bei ausgeführten Verfahren nach Stand der Technik wird diese Druckenergie nicht oder nur mit großen Verlusten genutzt. Ein Verfahren nach Stand der Technik ist die Verwendung eines Abgasturboladers, welcher die Entspannung des Abgases nutzt. Bei diesem Verfahren wird der Großteil der an der Turbine gewonnenen Arbeit jedoch durch den Gegendruck der Kolbenmaschine erzeugt, wodurch das Verfahren im Vergleich zu hiesiger Erfindung relativ ineffizient ist. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist der durch den Gegendruck bedingte hohe Restgasanteil im Zylinder des Kolbenmotors. Dieser erhöht im ottomotorischen Betrieb die Klopfneigung, wodurch ein Wirkungsgradverlust des Kolbenmotors in Kauf genommen werden muss. Die in DE19955090 beschriebene Vorrichtung erlaubt den Betrieb eines Kolbenmotors derart, dass der Restgasanteil während des Ladungswechsels reduziert werden kann.
Neu ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kolbenmotors, so dass die im Zylinder des Kolbenmotors zum Zeitpunkt des maximalen Zylindervolumens nach der Verbrennung vorherrschende unter hohem Druck stehende Gasladung zunächst über eine Entspannungsvorrichtung, vorzugsweise als Turbine ausgeführt, geleitet wird. Zur bestmöglichen Entleerung des Zylinders ist optional zusätzlich ein Resonanzrohr vorzusehen. Die Entleerung erfolgt dabei während eines kurzen zeitlichen Rahmens, in dem sich das Zylindervolumen des Kolbenmotors nur minimal ändert. Nach der Entleerung auf das Druckniveau der Entspannungsturbine wird über einen anderen Pfad das im Zylinder verbliebene Abgas ohne Gegendruck ausgeschoben. Die beiden Abgaszüge werden hinter der Entspannungsturbine wieder vereinigt. Vorteil dieses Verfahrens ist das gegendruckfreie und somit für den Kolbenmotor verlustfreie Ausschieben des Zylindergases. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, eine kleine Abgasturbine zu verwenden, welche durch einen hohen Gegendruck einen sehr großen Anteil der Abgasenergie zu nutzen vermag. Zusätzlich besteht der Vorteil, dass durch eine zeitlich verschobene Ansteuerung die Leistung der Abgasturbine regelbar ist. Hierdurch können gegenüber anderen Verfahren nach Stand der Technik kosten eingespart werden, ebenso wird der Teillastwirkungsgrad positiv beeinflusst. Ein für andere Anwendungsfälle weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die durch die kleinere Turbine resultierende geringere Massenträgheit der Turbine und das damit verbundene bessere dynamische Ansprechverhalten.
Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht in der Anordnung des Katalysators (14) nach der Zusammenführung (14) des Abgasmassenstromes aus Entspannungsturbine und Niederdruck-Auslassventil. Hierdurch kann zum einen ein schnelles Aufheizen des Katalysators bewirkt werden, zum anderen ist durch die relativ motornahe Anordnung eine hohe Betriebstemperatur des Katalysator auch bei Großgasmotoren möglich, die für einen hohen Wirkungsgrad des Katalysators erforderlich sind. Bei Verwendung von Gasbrennstoffen liegt die erforderliche Temperatur bei über 450°C, welche von Motoren nach Stand der Technik mit nur einem Katalysator nach einer großen Entspannungsturbine nur knapp erreicht werden.
E2:
Ein Verbrennungsmotor, welcher im Abgassystem einen Wärmetauscher aufweist, ist Stand der Technik. Das hier beschriebene Verfahren weist eine zusätzlich zum Wärmetauscher vorhandene Entspannungsturbine im Abgassystem auf, welche so angeordnet ist, dass sie in strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher platziert ist. Dies hat den Vorteil, dass das Temperaturniveau an dem Wärmetauscher möglich hoch ist. Das niedrige Niveau der Abgastemperatur hinter dem Wärmetauscher bedeutet zwar einen Nachteil für Energieausnutzung an der Entspannungsturbine, dieser ist aber für den Gesamtprozess nicht so schwerwiegend wie der erreichte Vorteil. Weiterer Vorteil ist die kleinere erforderliche Oberfläche des Wärmetauschers, da die Wärmeübertragung unter höherem Druck höher ist. Insbesondere beim Antrieb eines Dampfprozesses durch den Abgaswärmetauscher erweist sich diese Anordnung als vorteilhaft, da der Wirkungsgrad des Dampfprozesses bei höheren Abgastemperaturen zunimmt. Die Abgastemperatur am Wärmetauscheraustritt kann bei einem Dampfprozess mit Speisewasservorwärmung auch eine Untergrenze nicht unterschreiten, so dass die Nutzung der restlichen thermischen Energie im Abgas nicht ohne weiteres möglich ist. Durch die nachrangig angeordnete Entspannungsturbine wird die verbleibende thermische Energie jedoch erschlossen. Ein im Abgassystem installierte Katalysator sollte hierbei so angeordnet sein, dass er in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher liegt, da hier die dort freigesetzte Exothermie vorteilhaft für die Energieausbeute des Wärmetauschers ist. Ebenfalls ist durch den höheren Betriebsdruck und die dadurch auch verbundene höhere Temperatur vor dem Wärmetauscher ein kleinerer Katalysator realisierbar, der trotzdem einen höheren Konvertierungswirkungsgrad aufweisen kann. Der Wärmetauscher ist dabei vorzugsweise in Gegenstrombauweise ausgeführt. Es können auch mehrere Wärmetauscher in Reihe ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ergibt sich aus der Tatsache, dass die Austrittstemperatur des Abgases aus Wärmetauscher noch genügend hoch ist, so dass kein Wasser aus dem Abgas auskondensieren kann. Hierdurch wird gleichzeitig Korrosion vermieden und eine größtmögliche Wärmenutzung erzielt.
E3
Bei einer kombinierten Wärmekraftmaschine, bestehend aus Kolbenmotor und Rankine-Prozess, bei welcher mindestens ein Rankine-Prozess über einen Wärmetauscher durch die im Abgas des Kolbenmotors enthaltene thermische Energie angetrieben wird, ist der Rankine-Prozess mit Zwischenüberhitzung versehen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Temperaturgefälle während der Wärmeübertragung vom heißen Abgas an das Arbeitsmedium des Rankine-Prozesses im Gegenstromverfahren möglichst gering ist. Hohe Abgastemperatur bedeutet auch einen höheren Wirkungsgrad, durch die Zwischenüberhitzung wird erreicht, dass der Rankine-Prozess mit durchschnittlich höheren Temperaturen betrieben wird. Der Rankine-Prozess ist vorzugsweise als Dampfprozess ausgeführt, prinzipiell ist auch die Verwendung eines ORC-Prozess möglich. Im Großkraftwerkbau ist Zwischenüberhitzung Stand der Technik, erfinderisch und neu ist hingegen die Nutzung der Abgasenergie durch die Abwärme eines Kolbenmotors. Hier wird durch die Zwischenüberhitzung zusätzlich eine höhere thermische Energieausbeute des Abgases erreicht. Der Abgasdampfprozess wird durch eine mindestens einstufige Speisewasservorwärmung ergänzt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Wirkungsgrad des Dampfprozesses gesteigert wird.
Das Verfahren wird durch einen sekundären Niedertemperatur-Rankineprozess ergänzt. Dieser ist ebenfalls vorzugsweise als Dampfprozess ausgeführt und wird im folgendem mit Niedertemperatur-Dampfprozess bezeichnet. Dieser Niedertemperatur-Dampfprozess verfügt über einen Dampferzeuger, welcher mit dem Kühlmittelkreislauf des Kolbenmotors über einen Wärmetauscher verbunden ist. Zusätzlich wird ein gegebenenfalls vorhandener Schmierölkreislauf des Kolbenmotors ebenfalls zur Dampferzeugung mittels Wärmetauscher verwendet. Die im Betrieb verwendete Kühlmitteltemperatur des Kolbenmotors ist dabei so hoch gewählt, dass ein sicherer Betrieb ohne thermische Überlastung gerade noch möglich ist. Der sekundäre Dampfprozess ist so ausgelegt, dass die Verdampfungstemperatur des hier verwendeten Mediums maximal 80°C unter der Kühlmitteltemperatur des Kolbenmotors liegt. Optional kann der erzeugte Heißdampf durch einen Abzweig aus dem Abgas der Kolbenmaschine überhitzt werden. Dabei können mehrere, mindestens jedoch eine Kolbenmaschine mindestens einen gemeinsamen Dampfprozess antreiben.
Ausführungsbeispiel
Elementarer Baustein der Energiewandlungsmaschine sind die Kolbenmaschine (1) und der Clausius-Rankine-Prozess im Abgassystem (7–12), welche die beiden Basisverfahren abbilden. Bei der Übertragung der Prozessgasenthalpie der Kolbenmaschine an den Rankineprozess, ausgeführt als Dampfprozess, ist dabei eine möglichst geringe Temperaturdifferenz in den Wärmetauschern (5) und (5') beizubehalten, da mit hohen Temperaturdifferenzen auch eine hohe Entropieerzeugung einhergeht. Dies ist aufgrund der Verdampfungskurve eines typischen Arbeitsmediums im Dampfprozess nur mit hohen Prozessparametern und/oder Zwischenüberhitzung möglich, siehe 7.
In den Gegenstrom-Wärmetauschern (5) und (5') ist ein stetes Temperaturgefälle von Motorabgas zum Arbeitsmedium, hier Dampf, erforderlich, um den Prozess betreiben zu können. Die Höhe des Temperaturgefälles ist dabei primär von den Stoffparametern und den Massenströmen abhängig. Entscheidend ist also eine geschickte Wahl der Massenströme und die Anordnung der Wärmetauscher, so dass Temperaturgefälle über den gesamten Prozess zwar positiv aber relativ klein ausfällt.
Die Nutzung der Druckenergie im Abgas erfolgt bei nach Stand der Technik ausgeführten Kolbenmaschinen sehr ineffizient, so dass eine Anordnung der Abgaskanalgeometrie gemäß 4 verwendet wird. Gegenüber dem Verfahren nach DE19955090 ist neu, dass das weitere Potential, welches im Idealfall die vollständige Vermeidung des negativ auf die Kolbenmaschine wirkenden Abgasgegendrucks ermöglicht durch geschickt gewählte Steuerzeiten der beiden Auslassventile genutzt wird. Neu ist also eine Anordnung, bei der durch stark veränderte Steuerzeiten, bei denen zuerst ein Auslassventil (23) in den Abgaszug vor der Hochdruckturbine (3) öffnet, dann schließt, während mit wenig Ventilüberschneidung das zweite Auslassventil (24) öffnet, welches das verbleibende Abgas in den Niederdruckabgaszug leitet, der durch die Turbine verursachte störende Abgasstaudruck auf die Phase begrenzt werden kann, in der der Kolben noch in der Nähe des unteren Totpunktes (UT) ist (5). Dabei ist die Wahl der Steuerdiagramme so treffen, dass das Hochdruckauslassventil (23) durch einen kurzen Öffnungsimpuls (23') um den UT herum angesteuert wird, während das Niederdruckauslassventil (24) erst nach UT (24') öffnet und in der Nähe des Ladungswechsel-OT schließt.
Hiermit wird erreicht, dass der Druckimpuls der Abgasenergie in der Entspannungsvorrichtung (3), vorzugsweise als Turbine ausgeführt, ausgenutzt wird, ohne dass es zu einem Gegendruck kommt, durch welchen die nutzbare Arbeit der Kolbenmaschine (1) reduziert wird. Durch Verschieben der beiden Steuerzeiten gegeneinander kann überdies der Massenanteil des Abgas, welcher die Turbine (3) durchströmt, geregelt werden. Durch eine Regelung mit dieser Stellgröße lässt sich z. B. der Aufladegrad und damit die Leistung der Kolbenmaschine drosselfrei und somit verlustfrei regeln. Bei Stationärmotoren kann diese Ausführung durch auf Nockenwellen fest vorgegebene Steuerzeiten erfolgen, wobei zur Regelung des Aufladegrades die Nockenwellen gegeneinander durch einen Phasensteller verdrehbar angeordnet sei können.
Zur Steigerung des Massenstroms durch die Entspannungsvorrichtung (3) wird überdies ein Resonanzrohr (22) zwischen Hochdruckauslassventil (23) und Turbine (3) vorgesehen, welches den bei Öffnen des Auslassventils auftretenden Druckimpuls und somit durch Reflexion am Rohrende einen negativen Druckimpuls am Auslassventil (23) erzeugt. Dadurch stellt sich ein Druckverlauf im Rohr (22) nahe des Auslassventils (23) ein, welcher schematisch durch (23'') und (5) beschrieben wird.
Die Rohrlänge und die Dauer des Öffnungsevents (23') sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Massenstrom durch die Turbine (3) maximiert wird.
Den Ausführungen von Kombiprozessen nach Stand der Technik ist gemeinsam, dass sie die Abgasenergie der Kolbenmaschine zur Aufheizung des Dampfes in einem nachgeschalteten Clausius-Rankine-Dampfprozess verwenden. Weiter ist Stand der Technik, dass über einen Wärmetauscher aus dem Speisewasser zunächst Dampf erzeugt und dieser dann überhitz wird. Bei den Verfahren kommt keine Speisewasservorwärmung zum Einsatz, wodurch der Prozesswirkungsgrad des Dampfprozesses selbst auf maximal 35% begrenzt ist, da hierbei die Aufheizung des nicht vorgewärmten Speisewassers durch die höherwertige Abgasenergie erfolgen muss, wodurch relativ viel Exergieverlust produziert wird. Ein entscheidender erfinderischer Schritt ist folglich die Verwendung eines Dampfprozesses mit Speisewasservorwärmung aus dem bereits teilweise entspanntem Heißdampf, da dies den Dampfprozesswirkungsgrad und somit den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses deutlich steigert.
Ein verbleibender Nachteil ist die Tatsache, dass das Motorabgas in dem Wärmetauscher (5) nicht bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, wodurch noch ein Teil der im Abgas vorhandenen Exergie ungenutzt bleibt. Typischerweise beträgt die Abgastemperatur noch etwa 140°–160°C. Neu im erfinderischen Sinne ist die Anordnung einer weiteren Entspannungsvorrichtung (6), ebenfalls vorzugsweise als Abgasturbine ausgeführt, nach diesem Wärmetauscher. Trotz des in Kauf zunehmenden Gegendruckes, welcher durch die Turbine (6) verursacht wird und den Wirkungsgrad der Kolbenmaschine (1) schmälert, resultiert ein höherer Gesamtwirkungsgrad durch die Tatsache, dass die im Abgas enthaltene Energie vollständiger genutzt wird. Die Entspannung des Abgases kann bis auf ca. 60–70°C erfolgen. Durch den induzierten Gegendruck an der Kolbenmaschine (1) wird das Temperaturniveau des aus dieser strömenden Abgases leicht angehoben. Hieraus resultiert, dass ein größerer Energieanteil für den Dampfprozess zur Verfügung steht, die Arbeitsverluste der Kolbenmaschine werden also durch den Gewinn an Turbine (6) und Dampfprozess (7–12) mehr als kompensiert.
Neu ist auch die Nutzung der in einer solchen Anlage verbleibenden Abgasenergie nach der Entspannungsvorrichtung (6), vorzugsweise als Turbine ausgeführt, oder auch nach dem Wärmetauscher (5) für Niedertemperaturwärme, z. B. Raumheizung. Neben der relativ geringen verbleibenden Wärme wird vor allem der hohe Anteil dampfförmigen Wassers im Abgas genutzt, welches bei weiterer Temperaturabsenkung auskondensiert. Diese Kondensationswärme stellt einen deutlichen Energiegewinn dar, der in KWK-Anlagen nach Stand der Technik ungenutzt bleibt (Brennwerttechnik). Der Kondensator (12) des Abgasdampfprozesses kann ebenfalls durch einen Wärmetauscher ersetzt werden, welcher für Niedertemperaturwärme und Kraft-Wärme-Kopplung zum Einsatz kommt.
Ebenfalls neu ist die Verwendung eines eigenen primär durch das Kühlwasser angetriebenen Niedertemperatur-Dampfprozesses, welcher über eine oder mehrere Vorwärmstufen verfügt, so dass die Kühlwasser- und Öltemperatur nur minimal über der Verdampfungstemperatur des Dampfprozesses liegen und nur die eigentliche Verdampfung bei konstanter Temperatur am Kühlwasserwärmetauscher (15) stattfinden, so dass die Entropieerzeugung in diesem aufgrund des sehr geringen Temperaturgradienten äußerst gering ist. Die Überhitzung des Dampfes erfolgt dabei durch einen kleinen abgezweigten Anteil aus der Abgasenergie an einer Stelle, an der die Abgastemperatur bereits unter 180°C beträgt (16).
Die Entspannungsvorrichtungen (3) und (6) werden vorzugsweise als Strömungsturbinen ausgeführt, eine Realisierung als ein- oder mehrstufige Kolbenmaschine ist ebenfalls möglich. Arbeitsmedium der Clausius-Rankine-Prozesse (7–12) und (17–20) ist vorzugsweise Wasserdampf, es ist jedoch auch möglich, andere Arbeitsmittel zu verwenden, insbesondere ist auch die Ausführung als Organic-Rankine-Zyklus (ORC) möglich.
Besonderes Merkmal der Erfindung ist die ganzheitliche Betrachtung des Energiewandlungsprozesses in Bezug auf Exergieverluste. Aus dieser Betrachtungsweise folgt, zum einen, dass die Wärmefreisetzung in der Kolbenmaschine bei hohen Temperaturen den höchsten Carnot-Wirkungsgrad aller bekannten Prozesse besitzt (7), und zum anderen, dass die Wandwärmeübertragung an den Brennraumwänden der Kolbenmaschine einen erheblichen Anteil an der gesamten Exergievernichtung in der hier beschriebenen Anlage ausmacht. Die Reduktion dieser Exergievernichtung geschieht zum einen dadurch, dass der Anteil der Wärmeübertragung möglichst klein sein sollte und zum anderen dadurch, dass die Temperatur des Kühlmediums möglich hoch sein sollte, da hierin ein höherer Exergieanteil verbleibt als in einem kälteren Kühlmedium. Erfinderisch und neu ist ein Kühlkreislauf, der einen höheren Volumenstrom durch die Kolbenmaschine (1) realisiert bei einer Kühlmitteltemperatur um ca. 110–160°C.
Stand der Technik ist die Auslegung einer Kolbenmaschine mit den Parametern Verdichtung und Zündwinkel derart, dass der ottomotorische Kreisprozess selbst optimal ist. Dieser ist in der Regel durch an der Volllast auftretendes Klopfen begrenzt, in der Teillast wird die Auslegung des Zündwinkels dann verbrauchsoptimal angesteuert, wenn der maximale Spitzendruck etwa 12° nach OT des betreffenden Zylinders anliegt. Neu ist eine auf die Betrachtungsweise der Exergievernichtung angepasste Strategie zur Auslegung des Verdichtungsverhältnisses und des Zündwinkels, so dass bei geringeren und später auftretendem Spitzendruck der Wandwärmeübergang geringer ist als bei rein auf die Kolbenmaschine selbst optimierter Auslegung. Aus dieser Betrachtungsweise resultiert die beschriebene Prozessführung mit einem schematischen Verlauf des Kreisprozesses der Kolbenmaschine gemäß Linie 25 und des Dampfprozesses gemäß Linie 26 in 7, wobei kennzeichnend vor allem der verlustarme Übergang beider Kreisprozesse durch einen Wärmetauscher ist.
Figurenbeschreibung/Bezugszeichenliste
1 Überblick Dampfsystem im Abgas und Kolbenmaschine
2 weitere Komponenten im Abgassystem der Kolbenmaschine
3 zusätzliche Nutzung der Kühlwasser- und Ölenergie durch Sekundärdampfprozess sowie Wärmetausche für Kraft-Wärme-Kopplung
4 Prinzip der unterschiedlich angesteuerten Auslassventile
5 schematischer zeitlicher Verlauf des Zylinderdrucks
6 schematischer zeitlicher Verlauf der Ventilansteuerung und der Drücke in Zylinder, Saugrohr und Druckleitung vor Hochdruckauslassventil.
7 T/s-Diagramm des Gesamtprozesses, schematisch

1: Kolbenmaschine
2: Verdichter, Kompressor der Ansaugluft von (1)
3: Erste Abgasturbine nach Hochdruckauslassventil
4: Abgaszusammenführung
5: Wärmetauscher heißes Abgas an Dampfprozess – Überhitzer & Zwischenüberhitzer
5': Wärmetauscher heißes Abgas an Dampfprozess – Verdampfer
6: letzte Abgasturbine, Niedertemperaturentspannungsturbine
7, 8 und 8': Speisewasserpumpen des Abgas-Dampfprozesses
9 und 9': Speisewasservorwärmeinrichtungen Abgas-Dampfprozess
10: Hochdruckturbine des Abgasdampfprozesses
11, 11' und 11'': Mitteldruck und Niederdruckturbinen des Abgasdampfprozesses
12: Kondensator des Abgasdampfprozesses, wahlweise auch ausgeführt als Wärmetauscher für Kraft-Wärme-Kopplung
13: Ladeluftleitung (isoliert) und Einlassventile der Kolbenmaschine
13': schematisches Steuerdiagramm für die Einlassventile (13)
14: Katalysator, Oxidationskat
15: Wärmetauscher Kühlmittelkreislauf, ausgeführt als Niedertemperatur-Verdampfer, optional als Wärmetauscher für Kraft-Wärme-Kopplung
16: Wärmetauscher Niedertemperaturkreislauf, Überhitzer
17,17' und 17'': Dampfturbinen im Niedertemperaturkreislauf
18: Kondensator im Niedertemperaturkreislauf, optional als Wärmetauscher für Kraft-Wärme-Kopplung
19, 19': Speisewasservorwärmeinrichtungen Niedertemperaturkreislauf
20, 20', 20'': Speisewasserpumpen im Niedertemperaturkreislauf
21: zusätzlicher Wärmetauscher für Kraft-Wärme-Kopplung, korrosionsbeständig und mit Ausnutzung der Dampfenthalpie im Abgas
22: Abgasdruckleitung für heißes Abgas nach Hochdruckauslassventil, ausgeführt als Resonanzleitung mit Sammelbehälter zur maximalen Nutzung des Strömungsimpulses
23: Hochdruck-Auslassventil der Kolbenmaschine
23': schematisches Steuerdiagramm für das Hochdruck-Auslassventil (23)
23'': Beispielhafter Druckverlauf für den Druck in der Hochdruck-Abgasleitung (22) zwischen Ventil (23) und Turbine (3)
24: Niederdruck-Auslassventil der Kolbenmaschine
24': schematisches Steuerdiagramm für das Niederdruck-Auslassventil (24)

Patent-Literatur:

Relevante Patentklassen

F02G5/04 .. kombiniert mit der Ausnützung anderer Abwärme von Brennkraftmaschinen
F01K23/10 Anlagen mit mindestens zwei durch unterschiedliche Arbeitsfluide angetriebenen Maschinen zur Energieabgabe ... durch das Abgas des anderen Kreislaufes
F22B1/18 Verfahren der Dampferzeugung, gekennzeichnet durch die Art der Beheizung . durch Ausnutzen des Wärmeinhalts von heißen Wärmeträgern .. mit heißem Gas als Wärmeträger, z. B. Abgas von Brennkraftmaschinen (Verwendung der Abwärme von Brennkraftmaschinen allgemein F02)
F02G5/02 . Ausnützung der Abwärme von Abgasen
F02D13/02 Steuerung oder Regelung der Leistung der Brennkraftmaschine durch Verändern des Einlassventil- oder Auslassventil-Arbeitsdiagramms, z. B. der Steuerzeiten (Verändern von Ventilsteuerungsgliedern F01L). während des Betriebs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 855639 [0003, 0036]
- DE 19955090 [0005, 0011, 0019]
- DE 19839396 A1 [0006, 0036]
- DE 10259488 A1 [0006, 0007, 0036]
- DE 19735909 A1 [0006, 0036]
- DE 10221157 A1 [0006, 0036]
- DE 3333069 A1 [0006, 0007, 0036]
- WO 02/31320 A1 [0036]
- DE 271398 [0036]
- DE 310184 [0036]
- DE 3039392 [0036]
- DE 3234679 [0036, 0036]
- DE 2852076 [0036]
- DE 2908088 A1 [0036]
- DE 3148208 A1 [0036]
- DE 19949017 A1 [0036]
- DE 19955090 A1 [0036]

Claims

Kombinierte Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung eines Kraftstoffes, welche mechanische Energie dadurch erzeugt, dass die Wärmefreisetzung im geschlossenen Kreisprozess stattfindet und die endgültige Wärmesenke durch Kondensation eines sekundären Stoffkreislaufes, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Kolbentriebwerk (1) mit innerer Verbrennung verwendet wird – mindestens ein im Abgassystem befindlicher Wärmetauscher (5) angetrieben wird – mindestens einer Abgasturbine, welche unter Gewinn an mechanischer Energie das Abgas entspannt und welche hinter dem Wärmetauscher (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verdichter die Frischluft des Kolbenmotors komprimiert
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladevorrichtung des Kolbentriebwerks (1) mindestens eine Abgasturbine (6) vorsieht, welche nach dem Wärmetauscher (5) zum Antrieb des Dampfprozesses (7–12) dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (5) mindestens ein Dampfprozess (7–12) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Wärmetauscher (5) mindestens ein Vorkatalysator (14) vorhanden ist (der aufgrund der Exothermie die Abgasenthalpie erhöht) und nach dem Wärmetauscher (5) optional ein weiterer Katalysator vorhanden sein kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolbenmaschine (1) und Aufladevorrichtung (2) auf eine Kühlung der zugeführten Frischluft verzichtet wird und/oder die luftführenden Rohre wärmeisoliert sind (13) (zur Exergieerhaltung).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Wärmetauscher (5) geheizte Dampfprozess (7–12) über eine mehrstufige Speisewasservorwärmung (9, 9') verfügt
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Wärmetauscher (5) geheizte Dampfprozess (7–12) über eine mindestens einfache Zwischenüberhitzung verfügt
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Wärmetauscher (5) geheizte Dampfprozess (7–12) anstelle des Kondensators (12) einen weiteren Wärmetauscher aufweisen kann, der die ausgekoppelte Wärmeenergie für Niedertemperatur-Heizzwecke, z. B. Raumheizung oder Holztrocknung, verwenden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine (1) über eine Heißkühlung verfügt, welche deutlich über den üblichen 90°C liegt, z. B. 120°C.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Öltemperatur auf eine höhere Temperatur gekühlt wird,
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Dampfprozess (17–20) durch Verwendung der Kühlwasserwärme und/oder mittels Wärmetauscher (15) Ölwärme angetrieben wird, dessen Sattdampftemperatur höchstens 80°C unter der Kühlwassertemperatur liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zweite Dampfprozess über eine mindestens einstufige Speisewasservorwärmung (19, 19') verfügt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abgasenergie nach dem Wärmetauscher (5, 5') in einem weiteren Wärmetauscher (16) zur Überhitzung des Dampfes des zweiten Dampfkreislaufes verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach der letzten Abgaskomponente (6) ein weiterer Wärmetauscher (21) vorhanden sein kann, welcher die ausgekoppelte Wärmeenergie für Niedertemperatur-Heizzwecke, z. B. Raumheizung oder Holztrocknung, unter Ausnutzung der Kondensationsenthalpie des im Abgas befindlichen Wassers verwenden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung von Abgas hinter dem Wärmetauscher (5, 5') oder der Turbine (6) vor die Kolbenmaschine (1) oder die Aufladevorrichtung (2) geleitet wird. (wg. Klopfreduktion und/oder Lambda 1,0-Betrieb)
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung von Verdichtung und Zünd-/Brennbeginn der Kolbenmaschine (1) nicht auf ein Verbrauchsoptimum der selben ausgelegt sind, sondern auf ein Optimum des Gesamtprozesses. (niedrigere Verdichtung, spätere Zündung)
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auch mehrere Kolbenmaschinen (1) parallel mit mindestens einem gemeinsamen Dampfprozess (7–12) verschaltet werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kolbenmaschine (1) zwei verschiedene Brennstoffe zum Einsatz kommen können.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kraftstoff kurz vor OT direkt in den Zylinder eingespritzt wird und aufgrund seiner Selbstzündeigenschaften die Fremdzündung des anderen Kraftstoffes einleitet. (Zündstrahlverfahren)
Vorrichtung nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auch anstelle des Kondensators (18) im Niedertemperaturkreislauf eine weiterer Wärmetauscher vorhanden sein kann, der die ausgekoppelte Wärmeenergie für Niedertemperatur-Heizzwecke, z. B. Raumheizung oder Holztrocknung, verwenden kann.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage für den Stationärbetrieb mit einer typischerweise minimalen elektrischen Leistung von 500 kW ausgelegt ist.
Verfahren zur Regelung der Kühlwassertemperatur der Kolbenmaschine (1) durch Verstellung des Massenstroms des Niederdruckdampfprozesses (17–20) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit geschlossener Verbrennung mit zwei Abgaszügen, wovon mindestens ein Abgaszug wenigstens eine Abgasturbine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom durch mindestens ein Steuerorgan je Abgaszug mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerorgane Gaswechselventile des Verbrennungsmotors sind.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselventile durch eine Nockenwelle angetrieben werden.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (1) mit geschlossener Verbrennung mit zwei Abgaszügen, wovon mindestens ein Abgaszug wenigstens eine Abgasturbine (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas so entnommen wird, dass sich ein Druckverlauf ergibt, bei dem die Entspannung in den Abgaszug (23) während bei nahezu konstanten Zylindervolumen erfolgt, schematisch gemäß 5
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventilsteuerzeiten (23', 24') des Kolbentriebwerks (1) unterschiedliche Steuerzeiten haben und zwei getrennte Abgaszüge je Auslassventil existieren, wovon eines Niederdruck-Abgas (24) und das andere Hochdruckabgas (23) kennzeichnet.
Allgemeine Kolbenmaschine, insbesondere jedoch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29 dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasssteuerzeiten (23' und 24') der Kolbenmaschine durch zwei verschiedene Nockenkonturen festgelegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Steuernocken auf der Auslassnockenwelle in einer solchen Weise gegeneinander verdrehbar angeordnet sind, dass dadurch der durch die Turbine (3) strömende Abgasanteil geregelt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung zwischen dem Hochdruckauslassventil und der Turbine (3) ein Resonanzrohr (22) installiert ist, welches den beim Öffnen des Auslassventils (23) auftretenden Strömungsimpuls derart reflektiert, dass im Zylinder der Kolbenmaschine (1) beim Schließen des Auslassventils (23) ein deutlich niedrigerer Druck vorherrscht, als er zeitlich gemittelt vor der Turbine (3) herrscht.
Numerisches Rechenmodell, welches eines der Ansprüche 1 bis 32 modellhaft dazu verwendet, eine thermodynamische Abbildung oder Optimierung durchzuführen.