DE102008016012B3

DE102008016012B3 - Kraftmaschine und korrespondierendes Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102008016012B3
Application number: DE200810016012
Authority: DE
Inventors: Ingo Kolsch
Original assignee: Kolsch Ingo Dr-Ing
Current assignee: Kolsch Ingo Dr-Ing
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft Kraftmaschinen und korrespondierende Betriebsverfahren, bei denen Verlustwärmemengen, wie z. B. die Verlustwärme aus dem Verbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren, für die Überhitzung eines geeigneten Fluids verwendet werden, das mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck dirket in einen Expansionsraum eingespritzt wird. Der Einspritzzeitpunkt ist so gewählt, dass er am bzw. nach dem Ende eines Verdichtungshubes liegt und die durch die Kompression der gasförmigen Restfluidmenge des vorangegangenen Taktes geschaffenen Bedingungen so sind, dass die spontane Verdampfung des eingespritzten Fluids die Energie hierfür sich selbst und nicht dem Expansionsraum bzw. der gasförmigen Restfluidmenge entnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art und ein korrespondierendes Betriebsverfahren für eine Kraftmaschine.
Aus dem Stand der Technik sind Verbrennungsmotoren und Dampfmaschinen als eigenständige Kraftmaschinen in vielen Ausführungen seit langem bekannt. In den allgemein bekannten Verbrennungsmotoren wird beispielsweise durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit dem Sauerstoff der Luft Reaktionswärme freigesetzt, die durch den Motor in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Nicht in Bewegungsenergie umgesetzte Energie wird als an die Abgase gebundene Wärme bzw. über das die Motor struktur kühlende Kühlsystem an die Umwelt abgegeben. Die Kopplung eines Verbrennungsmotors und einer Dampfmaschine in einem Aggregat wird beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 34 29 727 A1 und DE 100 54 022 A1 beschrieben.
In der Offenlegungsschrift DE 34 29 727 A1 wird ein Brennkraft/Dampf-Verbundmotor beschrieben, welcher die Prozesswärme aus dem Verbrennungsprozess durch eine „nachgeschaltete” Dampfmaschine zur Verminderung des Kraftstoffverbrauches einsetzt. Der verminderte Kraftstoffverbrauch wird dadurch erreicht, dass die vom Verbrennungsmotor angesaugte bzw. die bei einer aufgeladenen Ausführung zugeführte Verbrennungsluft vorgewärmt in den Brennraum des Verbrennungsmotors strömt. Die Luftvorwärmung kann durch den Wärmetausch mit den heißen Abgasen und/oder mit dem Abdampf der Dampfmaschine erfolgen. Hierdurch wird das Temperaturniveau des Verbrennungsprozesses angehoben und der durch das Sieden der Kühlflüssigkeit entstehende Dampf und der in einem Gas/Flüssigkeitswärmetauscher entstehende Dampf erfahren einen größeren Wärmeinhalt, wodurch der dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Dampfmaschine ein größeres nutzbares Wärmegefälle zur Verfügung steht.
In der Offenlegungsschrift DE 100 54 022 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine beschrieben, bei welcher Heißdampf eines Arbeitsmediums mittels einer Entspannungseinrichtung in Bewegungsenergie umgewandelt wird, wobei das Arbeitsmedium in einem Siedebehälter auf eine niedrige Temperatur von bevorzugt Siedetemperatur bei einem niedrigen Druck erwärmt wird, Dampf aus dem Siedebehälter einem Druckkessel zugeführt wird, in welchem Dampf auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, wobei flüssiges Arbeitsmedium aus dem Siedebehälter in den Druckkessel eingespritzt wird, wobei das Arbeitsmedium augenblicklich verdampft wird, so dass der Druck im Druckkessel stark ansteigt, und wobei der Heißdampf aus dem Druckkessel der Entspannungsvorrichtung zugeführt wird.
Im US-Patent 4,747,271 wird ein Dampfmotor als Teil einer Kraft-Wärme-Kopplung beschrieben, welcher ebenfalls die „Abwärme” nutzt. Hier erfolgt die Dampfbildung nicht in einem Dampfkessel, sondern das flüssige Arbeitsmedium wird mengengenau und bei Kolbenmaschinen taktweise in den Expansionsraum, d. h. auf die durch den Verbrennungstakt sehr heißen Wände aufgespritzt. Der „Dichtesprung” und die damit verbundene Druckerhöhung beim Phasenübergang werden zur Gewinnung mechanischer Energie ausgenutzt. Der am Ende des Arbeitstaktes ausgestoßene entspannte Dampf wird einem Kondensator zugeführt. Die für den Phasenübergang erforderliche Wärme wird dabei dem Expansionsraum, d. h. den Verbrennungsgasen und den Wänden, entzogen.
Daneben ist in der deutschen Patentschrift Nr. 689 961 eine Kraftmaschine offenbart, bei welcher die Wärmeenergie dem Arbeitsmittel unmittelbar im Arbeitszylinder der Maschine zugeführt wird. Mit anderen Worten wäre nach der genannten Patentschrift dem Arbeitszylinder die zur Verdampfung des Arbeitsmittels notwendige Wärmemenge unmittelbar entzogen.
In der Offenlegungsschrift DE 100 55 524 A1 werden ein Dampfmotor und ein Verfahren zum Betreiben von Dampfmotoren, insbesondere zur Anwendung für eine Kraft-Wärme-Kopplung und für nachwachsende Brennstoffe beschrieben. Bei dem beschriebenen Dampfmotor und dem beschriebenen Betriebsverfahren erfolgen der Verdampfungs- und gegebenenfalls der Überhitzungsvorgang im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine oder einem mit diesem unmittelbar verbundenen Raum, wobei die notwendige Menge des Arbeitsmediums wenigstens zum Teil in flüssigem Zustand eingebracht wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftmaschine und ein korrespondierendes Betriebsverfahren für eine Kraftmaschine mit einem verbesserten Wirkungsgrad zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kraftmaschine mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine mit den in Anspruch 9 genannten Merkmalen gelöst.
Die erfindungsgemäße Kraftmaschine umfasst mindestens einen Wärmetauscher mit einem abgeschlossenen Erhitzungsraum, welcher so ausgeführt ist, dass in dem abgeschlossenen Erhitzungsraum ein flüssiges Fluid vor dem Einspritzen in einen Expansionsraum überhitzt wird, wobei der Wärmetauscher die zur Überhitzung des flüssigen Fluids erforderliche Wärmemenge in vorteil hafter Weise aus einer Verlustwärmemenge gewinnt, die während einer Verbrennung eines Arbeitsfluids in mindestens einem Brennraum entsteht. Das in den mindestens einen Expansionsraum eingespritzte, überhitzte und flüssige Fluid wird im Expansionsraum expandiert, wodurch mechanische Bewegungsenergie gewonnen und durch geeignete erste Übertragungsmittel freigesetzt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausführung wird der Wirkungsgrad der Kraftmaschine in vorteilhafter Weise verbessert, da die zur Überhitzung des flüssigen Fluids erforderliche Wärmemenge aus der Verlustwärmemenge eines Verbrennungsvorgangs gewonnen wird.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftmaschine ist der mindestens eine Brennraum in einem Verbrennungsmotor integriert, welcher die bei der Verbrennung des Arbeitsfluids entstehende Energie über geeignete zweite Übertragungsmittel in mechanische Bewegungsenergie umsetzt und die bei der Verbrennung des Arbeitsfluids entstehende Verlustwärmemenge an ein Kühlmittel eines Kühlsystems und an ein ausgestoßenes Abgas des Verbrennungsprozesses abgibt. Die an das ausgestoßene Abgas des Verbrennungsprozesses abgegebene Verlustwärmemenge wird beispielsweise durch einen Wärmetauscher zumindest teilweise an das flüssige Fluid übertragen.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftmaschine überhitzt der Wärmetauscher das Arbeitsfluid als flüssiges Fluid im abgeschlossenen Erhitzungsraum, wobei eine Einspritzanlage das überhitzte flüssige Fluid in den mindestens einen Expansionsraum einspritzt, welcher entsprechend als Brennraum des Verbrennungsmotors ausgeführt ist. Dabei handelt es sich bei dem Arbeitsfluid um den zum Betrieb des Verbrennungsmotors verwendeten Kraftstoff, also beispielsweise Diesel oder Benzin. Das eingespritzte, überhitzte und flüssige Fluid führt vor seiner Verbrennung spontan einen Phasenübergang vom flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand aus. Die für den Phasenübergang des eingespritzten Fluids erforderliche Wärmemenge wird nicht dem als Brennraum ausgeführten Expansionsraum entzogen, sondern in vorteilhafter Weise dem überhitzten Fluid selbst entnommen, so dass keine Reduzierung der Temperatur und des Verdichtungsdruckes, sondern eine Druckerhöhung und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmaschine wird das überhitzte flüssige Fluid – beispielsweise Wasser – in mindestens einen als zusätzlichen Zylinder des Verbrennungsmotors ausgeführten Expansionsraum eingespritzt, wobei das eingespritzte, überhitzte und flüssige Fluid in dem zunehmend zur Verfügung stehenden Raum einen vollständige Phasenübergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand ausführt, ohne dem als Zylinder ausgeführten mindestens einen Expansionsraum Wärme zu ent ziehen. Der als zusätzlicher Zylinder ausgeführte mindestens eine Expansionsraum und die korrespondierenden Übertragungsmittel weisen eine ähnliche Bauart wie die Brennräume des Verbrennungsmotors und die als Kolben ausgeführte Übertragungsmittel auf, wobei der Phasenübergang im zusätzlichen Zylinder auf die Verbrennung abgestimmt ist und der mindestens eine zusätzliche Zylinder auf geeignete Weise am Verbrennungsmotor angebracht bzw. in den Verbrennungsmotor integriert ist. Auch diese alternative Ausführungsform der Erfindung verbessert den Wirkungsgrad der Kraftmaschine, wobei die zur Überhitzung des Fluids erforderliche Wärmemenge aus der Verlustwärmemenge des Verbrennungsmotors gewonnen wird.
In Ausgestaltung der Kraftmaschine wird das gasförmige Fluid aus dem Expansionsraum ausgestoßen und einem weiteren Wärmetauscher zugeführt, der beispielsweise als Kondensator ausgeführt ist. Das ausgestoßene gasförmige Fluid führt in dem als Kondensator ausgeführten Wärmetauscher unter Abgabe von Wärmeenergie einen Phasenübergang vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand aus und wird wieder in den damit hergestellten geschlossenen Kreislauf zurückgeführt.
Der Erhitzungsraum des mindestens einen Wärmetauschers kann beispielsweise von einem ersten einstellbaren Absperrventil, das strömungstechnisch vor dem Erhitzungsraum angeordnet ist, und von einem zweiten ein stellbaren Absperrventil abgeschlossen ist, das strömungstechnisch nach dem Erhitzungsraum angeordnet ist, so dass durch die zugeführte Wärme ein entsprechend hoher Druck aufgebaut werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Dabei zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine,
2 ein schematisches Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine,
3 ein schematisches Blockdiagramm eines geschlossenen Fluidkreislaufs im zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftmaschine gemäß 2,
4A bis 4D eine schematische Darstellung der Takte eines zusätzlichen Zylinders im geschlossenen Fluidkreislauf,
5 ein prinzipielles P-V-Diagramm am Beispiel des zusätzlichen Zylinders eines Viertakt-Ottomotors im geschlossenen Fluidkreislauf mit Einspritzung eines überhitzten flüssigen Fluids, und
6 ein zugehöriges T-V-Diagramm des zusätzlichen Zylinders eines Viertakt-Ottomotors im geschlossenen Fluidkreislauf mit Einspritzung des überhitzten flüssigen Fluids.

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit werden die Elemente der Erfindung am Beispiel eines Viertakt-Ottomotors erläutert. Idealisiert können dafür die hinlänglich bekannten Arbeitstakte eines herkömmlichen Viertakt-Ottomotors je Zylinder wie in Tabelle 1 dargestellt beschrieben werden. Tabelle 1

	Takt	Volumen	Druck	Temperatur
1	Ansaugen	Vmin → Vmax	≈ P_U	≈ T_U
2	Verdichten	Vmax → Vmin	P_Vd >> P_U	T_Vd > T_U
3	Verbrennen & Expandieren	Vmin → Vmax	P_Vb >> P_Vd	T_Vb >> T_Vd
4	Ausstoßen	Vmax → Vmin	P_Rest > P_U	T_Rest >> T_U

In Tabelle 1 entspricht P_U dem Umgebungsdruck, P_Vd dem Verdichtungsdruck und P_Vb dem Verbrennungsdruck. Analog entspricht T_U der Umgebungstemperatur, T_Vd der Verdichtungstemperatur und T_Vb der Verbrennungstemperatur.
Die in geringerem Ausmaß Arbeit benötigenden Gasaustauschtakte 1 und 4 werden hier zunächst nicht betrachtet, sondern die in großem Ausmaße mechanische Arbeit freisetzenden Takte 2 (Arbeit erfordernd) und 3 (Arbeit abgebend). Nach der üblichen einfachen idealisierten Betrachtungsweise wird das Verdichten als isentrop betrachtet, wobei sich der Druck im korrespondierenden Zylinder bzw. Brennraum umgekehrt proportional zur Verkleinerung des Volumens mit einer entsprechenden Temperaturerhöhung erhöht. Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, welches idealerweise in einem stöchiometrischen Verhältnis vorliegt, erfolgt in der Nähe des oberen Totpunktes und führt zu einer im Wesentlichen der Enthalpiedifferenz entsprechenden Freisetzung der Reaktionswärme, was idealisiert als isochorer Vorgang betrachtet werden kann, und führt damit zu einer weiteren erheblichen Temperaturerhöhung, welche ihrerseits zu einer erheblichen Erhöhung des Druckes führt. Die nachfolgende Expansion führt das Volumen auf sein Maximum zurück, wobei der Druck im Zylinder vor dem Ausstoßen wegen des festliegenden Verdichtungsverhältnisses über dem Umgebungsdruck liegt. Wird der Expansionsprozess wiederum als isentrop betrachtet, verbleibt zudem eine Temperatur der Verbrennungsgase, die zwar unter der Verbrennungstemperatur, aber erheblich über der Umgebungstemperatur liegt. Diese Restwärme soll erfindungsgemäß weiter in mechanische Arbeit umgesetzt werden, indem Phasenübergänge von geeigneten Fluiden von einem flüssigen zu einem gasförmigen Zustand ausgenutzt werden. Die für einen solchen Phasenübergang erforderliche Wärmemenge ergibt sich aus der Verdampfungsenthalpie, wobei beispielsweise die Dichteabnahme bzw. die Volumenzunahme beim Phasenübergang von Wasser zu Dampf in etwa der Temperaturausdehnung der Verbrennungsgase entspricht. Daher würde ohne die hier nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen bei direkter Einspritzung von Wasser in den Verbrennungsraum bzw. bei Beimischung von Wasser in den Kraftstoff die zusätzliche Volumen- und damit Druckzunahme durch die Volumen- und damit Druckabnahme der Verbrennungsgase im Wesentlichen kompensiert werden, so dass ein Ertrag an zusätzlicher mechanischer Arbeit gering oder gar nicht vorhanden wäre.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine 1 einen beispielsweise als Viertakt-Ottomotor ausgeführten Verbrennungsmotor 2, von welchem beispielhaft ein als Brennraum 10 ausgeführter Expansionsraum dargestellt ist sowie einen Wärmetauscher 40. Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel setzt der Verbrennungsmotor 2 die bei einem Verbrennungsvorgang eines Arbeitsfluids 5.3 im Brennraum 10 entstehende Reaktionsenergie über geeignete als Kolben ausgeführte Übertragungsmittel 30 in mechanische Bewegungsenergie 6.1 um. Bei dem Arbeitsfluid kann es sich beispielsweise um eine üblichen Kraftstoff wie Benzin oder Diesel handeln.
Der Wärmetauscher 40 ist im vorliegenden Beispiel in das Abgassystem des Verbrennungsmotors 2 integriert, so dass die an das ausgestoßene Abgas 5.5 des Verbrennungsprozesses abgegebene Verlustwärmemenge des Verbrennungsmotors 2 zumindest teilweise an das flüssige Arbeitsfluid 5.3 übertragen wird. Es ist ebenso denkbar, den Wärmetauscher 40 oder zusätzliche, in 1 nicht dargestellte Wärmetauscher in die den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 2 umgebende Struktur oder auch in den ebenfalls nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors 2 zu integrieren. Zur Übertragung der Verlustwärmemenge auf das flüssige Arbeitsfluid 5.3 weist der Wärmetauscher 40 einen abgeschlossenen Erhitzungsraum 42 auf, welcher zum Wärmeaustausch von geeigneten Abgasströmungskanälen 47 umgeben ist, durch welche das ausgestoßene Abgas 5.5 des Verbrennungsprozesses geleitet wird. Der Erhitzungsraum 42 ist von einem ersten einstellbaren Absperrventil 44, das strömungstechnisch vor dem Erhitzungsraum 42 angeordnet ist, und von einem zweiten einstellbaren Absperrventil 46 abgeschlossen, das strömungstechnisch nach dem Erhitzungsraum 42 angeordnet ist. Im Erhitzungsraum 42 wird das eingeschlossene Arbeitsfluid 5.3 bei gleich bleibendem Volumen überhitzt. Anschließend wird das überhitzte flüssige Arbeitsfluid 5.3 über eine nicht dargestellte Einspritzanlage zu einem Zeitpunkt in den als Brennraum ausführten Expansionsraum 10 eingespritzt, an dem sich der Kolben 30 in der Nähe des oberen Totpunktes befindet. Das eingespritzte, überhitzte und flüssige Arbeitsfluid 5.3 führt vor seiner Verbrennung spontan einen Phasenübergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand aus, ohne dem als Brennraum ausgeführten Expansionsraum 10 Wärme zu entziehen. Somit erfolgt im als Brennraum ausgeführten Expansionsraum 10 keine Reduzierung der Temperatur und des Verdichtungsdrucks, sondern eine Druckerhöhung, so dass der Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses in vorteilhafter Weise verbessert werden kann.
Das vom Wärmetauscher 40 abgekühlte ausgestoßene Abgas 5.5 wird anschließend einem nicht dargestellten Abgassystem zugeleitet.
Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine 1' einen beispielsweise als Viertakt-Ottomotor ausgeführten Verbrennungsmotor 2', von welchem beispielhaft ein Brennraum 10' dargestellt ist, einen als zusätzlichen Zylinder des Verbrennungsmotors 2' ausge führten Expansionsraum 20, einen ersten Wärmetauscher 40', einen zweiten Wärmetauscher 43' und eine Hochdruckpumpe 50, die den Fluidtransport und Druckaufbau innerhalb des nachfolgend näher beschriebenen geschlossenen Systems unterstützt. Bei einer entsprechenden Auslegung des Systems ist es auch denkbar, auf die Verwendung der Hochdruckpumpe 50 zu verzichten.
Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel wird ein geschlossener Fluidkreislauf, beispielsweise ein Wasser-Dampf-Kreislauf, eingerichtet, so dass sich das gasförmige Fluid bzw. der Dampf nicht mit den Verbrennungsgasen vermischt. Durch den eingerichteten geschlossenen Fluidkreislauf wird den Abgasen und der Motorstruktur die Verlustwärme entzogen und dem Fluid zugeführt. So kann ein herkömmlicher 4-Zylinder-Motor beispielsweise um mindestens einen weiteren Zylinder ergänzt werden, welcher den erforderlichen Expansionsraum 20 zur Verfügung stellt.
Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel setzt der Verbrennungsmotor 2', analog zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1, die bei einem Verbrennungsvorgang eines Arbeitsfluids 5.3 im Brennraum 10' entstehende Reaktionsenergie über geeignete als Kolben ausgeführte Übertragungsmittel 30' in mechanische Bewegungsenergie 6.1' um. Die bei der Verbrennung des Arbeitsfluids 5.3 entstehende Verlustwärmemenge wird an ein ähnlich einem Kühlmittel geführten Fluid 5.4 und an ein ausgestoßenes Abgas 5.5 des Verbrennungsprozesses abgegeben. Der Verbrennungsmotor 2' weist mehrere Fluidströmungskanäle 12' auf, durch die das Fluid 5.4 strömt, um den Brennraum 10' abzukühlen.
Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, wird das von der Verlustwärme erhitzte Fluid 5.4 von der Hochdruckpumpe 50 transportiert, verdichtet und dem Wärmetauscher 40' zugeführt. Der Wärmetauscher 40' überträgt die an das ausgestoßene Abgas 5.5 des Verbrennungsprozesses abgegebene Verlustwärmemenge zumindest teilweise an das erhitzte flüssige Fluid 5.4. Zur Übertragung der Verlustwärmemenge auf das erhitzte flüssige Fluid 5.4 weist der Wärmetauscher 40' einen abgeschlossenen Erhitzungsraum 42' auf, welcher zum Wärmeaustausch von geeigneten Abgasströmungskanälen 47' umgeben ist, durch welche das ausgestoßene Abgas 5.5 des Verbrennungsprozesses geleitet wird. Der Erhitzungsraum 42' ist von einem ersten einstellbaren Absperrventil 44', das strömungstechnisch vor dem Erhitzungsraum 42' angeordnet ist, und von einem zweiten einstellbaren Absperrventil 46' abgeschlossen, das strömungstechnisch nach dem Erhitzungsraum 42' angeordnet ist.
Im Erhitzungsraum 42' ist so gestaltet, dass in ihm das eingeschlossene erhitzte flüssige Fluid 5.4 bei gleichbleibendem Volumen in der Weise überhitzt wird, dass keine Verdampfung bzw. kein Phasenübergang eintritt. Anschließend wird das überhitzte flüssige Fluid 5.4 über ein Einspritzventil 21, siehe 4A bis 4D, zu einem Zeitpunkt in den als Zylinder ausführten Expansionsraum 20 eingespritzt, an dem sich ein als Kolben ausgeführtes Übertragungsmittel 32 in der Nähe des oberen Totpunktes befindet. In dem zunehmend zur Verfügung stehenden Raum führt das eingespritzte, überhitzte und flüssige Fluid 5.4 spontan einen vollständigen Phasenübergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand aus, ohne dem als Zylinder ausgeführten Expansionsraum 20 Wärme zu entziehen. Durch die Expansion des eingespritzten Fluids 5.4 im Expansionsraum 20 wird mechanische Bewegungsenergie 6.2 gewonnen und durch die als Kolben ausgeführte Übertragungsmittel 32 freigesetzt. Die für den Phasenübergang des eingespritzten überhitzten flüssigen Fluids 5.4 erforderliche Wärmemenge wird damit nicht der Verbrennungswärme bzw. den Verbrennungsgasen 5.5 des aktuellen Taktes des Brennraums 10' entzogen, in den das Arbeitsfluid 5.3 eingespritzt wird, sondern wird im Wesentlichen vorangegangenen Verbrennungsvorgängen entnommen und im überhitzten flüssigen Fluid 5.4 „gespeichert”.
Das nunmehr gasförmige Fluid 5.4 wird aus dem Expansionsraum 20 ausgestoßen und dem zweiten Wärmetauscher 43' zugeführt, der beispielsweise als Kondensator ausgeführt ist. Das ausgestoßene gasförmige Fluid 5.4 führt in dem als Kondensator ausgeführten Wärmetauscher 43' unter Abgabe von Wärmeenergie 6.5' einen Phasenübergang vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand aus, wodurch das flüssige Fluid 5.4 als Kondensat in den geschlossenen Fluid- bzw. Wasser-Dampf-Kreislauf zurückgeführt wird. Dieser Kreislauf kann insbesondere unabhängig von dem üblichen Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors 2' ausgeführt sein. In einer in der Zeichnung nicht dargestellten Alternative ist es auch denkbar, ein entsprechend modifiziertes Kühlsystem für den Fluid- bzw. Wasser-Dampf-Kreislauf zu verwenden. Das vom ersten Wärmetauscher 40' abgekühlte ausgestoßene Abgas 5.5 wird anschließend einem nicht dargestellten Abgassystem zugeleitet.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 bis 4D und auf das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kraftmaschine 1' gemäß 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine beschrieben:
Wie aus 3 ersichtlich ist, wird das einzuspritzende flüssige Fluid im Block S1 bei hohem Druck unter Verwendung der Verlustwärme 6.6 des Verbrennungsmotors 2' auf eine hohe Temperatur erhitzt. Durch den hohen Druck wird sichergestellt, dass das flüssige Fluid 5.4 eine sehr hohe Temperatur erreicht und dennoch flüssig bleibt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Hochdruckpumpe 50 und durch eine isochore Erhitzung in der durch die Absperrventile 44' und 46' abgeschlossenen Erhitzungskammer 42' des ersten Wärmetauschers 40' sowie deren geeigneter Gestaltung erreicht werden. Anschließend wird das überhitzte flüssige Fluid 5.4 im Block S2 in den als zusätzlichen Zylinder 20 ausgeführten Expansionsraum eingespritzt, expandiert und in ein gasförmiges Fluid 5.4 umgewandelt, wobei mechanische Bewegungsenergie 6.2 über den Kolben 32 an eine nicht dargestellte Kurbelwelle abgegeben wird.
Bei dem in 4A dargestellten Einspritzvorgang des überhitzten flüssigen Fluids 5.4 in den als Zylinder 20 ausgeführten Expansionsraum kommt es nicht sofort zu einem vollständigen Phasenübergang, sondern erst bei der beginnender Expansion bzw. Volumenvergrößerung durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 32, die in 4B dargestellt ist. Daher führt das eingespritzte überhitzte flüssige Fluid 5.4 den Phasenübergang beim Rücklaufen des Kolbens 32 während des Expansionstaktes aus und das eingespritzte Fluid 5.4 nimmt einen gasförmigen Zustand an. Bei zunächst gleichbleibendem Druck fällt die Temperatur ab, aber das Volumen vergrößert sich. Das bedeutet, dass zum Einspritzen und Verdampfen des überhitzten flüssigen Fluids 5.4 der Druck in dem als Zylinder 20 ausgeführten Expansionsraum unter dem im Erhitzungsraum 42' sein sollte. Die Temperatur im als Zylinder 20 ausgeführten Expansionsraum und im Erhitzungsraum 42' sollte hingegen etwa gleich sein. Auf diese Weise wird die zur Verdampfung nötige Wärmemenge nicht den bereits im als Zylinder 20 ausgeführten Expansionsraum vorhandenen Gasen, sondern dem überhitzten flüssigen Fluid 5.4 entzogen.
Ausgehend von dem in 4C dargestellten Ausgangszustand, bei dem der als Zylinder 20 ausgeführte Expansionsraum ein maximales Volumen aufweist und mit dem gasförmigen Fluid 5.4 des letzten Expansionstakt gefüllt ist, wird die Füllung des als Zylinder 20 ausgeführten Expansionsraums im Block S3 unter Zuführung mechanischer Energie 6.4, wie in 4D dargestellt ist, so verdichtet, dass Druck und Temperatur deutlich unter dem kritischen Punkt bleiben. Somit bleibt der Druck unterhalb des Einspritzdruckes, wobei ein höherer Druck über ein Auslassventil 22 abgebaut und für die Unterstützung der Druckbeaufschlagung des geschlossenen Systems benutzt wird bzw. überschüssiges gasförmiges Fluid 5.4 wird dem als Kondensator ausgeführten zweiten Wärmetauscher 43' zugeführt.
Im Block S4 erfolgt die Rückgewinnung des flüssigen Fluids 5.4 als Kondensat aus dem gasförmigen Fluid 5.4 unter Abgabe von Wärmenergie 6.5', das dem geschlossenen Fluid-Dampf-Kreislauf wieder zugeführt wird. Die Temperatur des komprimierten gasförmigen Fluids, d. h. die Restmenge aus dem vorigen Takt, entspricht etwa der Temperatur des einzuspritzenden überhitzten flüssigen Fluids 5.4, so dass dem gasförmigen Fluid im Expansionsraum 42' durch den Phasenübergang keine Wärme entzogen werden kann. Dies kann bei Bedarf durch das Einspritzen eines kalten flüssigen Fluids zu geeigneten Zeitpunkten in geeigneten Mengen unterstützt werden.
Nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens 32 wird das geeignete flüssige Fluid 5.4, beispielsweise Wasser, in den als Zylinder 20 ausgeführten Expansionsraum eingespritzt. Der Einspritzdruck ist einerseits höher als der Verdichtungsdruck, andererseits so hoch, dass die einzuspritzende Wassermenge im ersten Wärmetauscher 40' auf eine so hohe Temperatur gebracht werden kann, dass die aufgenommene Wärmemenge größer als die Verdampfungsenthalpie ist. Das in den Expansionsraum eingespritzte Wasser verdampft also entsprechend dem wechselseitigen physikalischen Zusammenhang zwischen Dichte, Temperatur und Druck. Daher sind bei der Volumenvergrößerung durch die Kolbenbewegung die Prozesse zu optimieren, d. h. das Fluid sollte während des Expansionstaktes nicht kondensieren, wenn eine möglichst große Ausbeute an zusätzlicher mechanischer Bewegungsenergie erzielt werden soll.
Der überschüssige expandierte Wasserdampf 5.4 wird im mit dem Verdichtungstakt zusammenfallenden Ausstoßtakt in den als Kondensator ausgeführten Wärmetauscher 43' transportiert. Somit kann bei den zusätzlichen als Zylinder 20 ausgeführten Expansionsräumen ein Expansionstakt und somit ein Arbeitstakt je 360° Kurbelwel lendrehung erfolgen. Als sinnvolle Realisierung wird die Synchronisation zwischen Verdampfung und Verbrennung derart betrachtet, dass der Expansionstakt infolge der Verdampfung einen Verdichtungstakt der Verbrennung unterstützt und umgekehrt.
5 zeigt ein prinzipielles P-V-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) des zusätzlichen Zylinders eines Viertakt-Ottomotors im geschlossenen Fluidkreislauf mit Einspritzung eines überhitzten flüssigen Fluids korrespondierend mit dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2, und 6 zeigt ein zugehöriges T-V-Diagramm (Temperatur-Volumen-Diagramm).
Zur besseren Veranschaulichung des Prinzips hat sich die bisherige Beschreibung auf einen quasi-stationären Betriebszustand der Kraftmaschine beschränkt. Nicht stationäre Vorgänge wie beispielsweise bei einem Kaltstart und/oder bei einer Abschaltung sind entsprechend zu berücksichtigen.
Die Regelung der Abgasreinigung kann beispielsweise durch bekannte Katalysatoren und Sensoreinheiten nach wie vor an geeigneter Stelle erfolgen, d. h. vor einer zu großen Temperaturabsenkung des Abgases.
Für Verbrennungsmotoren mit einer anderen Zylinderzahl oder einem anderen Prinzip, beispielsweise für einen Dieselmotor statt Ottomotor, bzw. einem Zweitaktmotor statt Viertaktmotor, einem Kreiskolbenmotor oder einer Gasturbine usw. sind die hier beschriebenen Verfahren analog anzuwenden.
Die erfindungsgemäßen Kraftmaschinen weisen den Vorteil auf, dass Verlustwärmemengen, wie z. B. die Verlustwärme aus dem Verbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren, für die Überhitzung eines geeigneten Fluids verwendet werden, das mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck direkt in einen Expansionsraum eingespritzt wird. Der Einspritzzeitpunkt ist so gewählt, dass er am bzw. nach dem Ende eines Verdichtungshubes liegt und die durch die Kompression der gasförmigen Restfluidmenge des vorangegangenen Taktes geschaffenen Bedingungen so sind, dass die spontane Verdampfung des eingespritzten Fluids die Energie hierfür sich selbst und nicht dem Expansionsraum bzw. der gasförmigen Restfluidmenge entnimmt. Die mechanische Energie wird somit aus dem Dichtesprung beim Phasenübergang des Fluids bei sich vergrößerndem Expansionsraum gewonnen. Nach erfolgter Expansion wird das entspannte gasförmige Fluid ausgestoßen und für den nächsten Kreislauf kondensiert.
Zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades von Verbrennungsmaschinen sind die zusätzlichen Expansionsräume den Zylindern und Hubkolben der Verbrennungsmaschine ähnlich, folgen deren Takt und sind beispielsweise direkt an die Kurbelwelle angeflanscht.

Claims

Kraftmaschine mit mindestens einem Expansionsraum (10, 20), in den flüssiges Fluid (5.3, 5.4) eingespritzt und expandiert wird, wobei durch die Expansion des eingespritzten Fluids (5.3, 5.4) in dem mindestens einen Expansionsraum (10, 20) mechanische Bewegungsenergie (6.1, 6.2) gewonnen und durch geeignete erste Übertragungsmittel (30, 32) freigesetzt ist, gekennzeichnet durch mindestens einen Wärmetauscher (40, 40') mit einem abgeschlossenen Erhitzungsraum (42, 42'), wobei der Wärmetauscher (40, 40') so ausgeführt ist, dass der abgeschlossene Erhitzungsraum (42, 42') das flüssige Fluid (5.3, 5.4) vor dem Einspritzen in den Expansionsraum (10, 20) überhitzt, wobei der Wärmetauscher (40, 40') die zur Überhitzung des flüssigen Fluids (5.3, 5.4) erforderliche Wärmemenge aus einer Verlustwärmemenge gewinnt, die während einer Verbrennung eines Arbeitsfluids (5.3) in mindestens einem Brennraum (10, 10') entsteht, wobei das eingespritzte Fluid (5.3, 5.4) einen vollständigen Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand ausführt.
Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Brennraum (10, 10') in einem Verbrennungsmotor (2, 2') integriert ist, welcher die bei der Verbrennung des Arbeitsfluids (5.3) entstehende Energie über geeignete zweite Übertragungsmittel (30, 30') in mechanische Bewegungsenergie (6.1, 6.1') umsetzt und die bei der Verbrennung des Arbeitsfluids (5.3) entstehende Verlustwärmemenge an ein Fluid (5.4) und an ein ausgestoßenes Abgas (5.5) des Verbrennungsprozesses abgibt.
Kraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (40, 40') die an das ausgestoßene Abgas (5.5) des Verbrennungsprozesses abgegebene Verlustwärmemenge zumindest teilweise an das flüssige Fluid (5.3, 5.4) überträgt.
Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmetauscher (40) das Arbeitsfluid (5.3) als flüssiges Fluid im abgeschlossenen Erhitzungsraum (42) überhitzt, wobei eine Einspritzanlage das überhitzte flüssige Fluid (5.3) in den mindestens einen Expansionsraum (10) einspritzt, welcher entsprechend als Brennraum des Verbrennungsmotors (2) ausgeführt ist, wobei das eingespritzte, überhitzte und flüssige Fluid (5.3) vor seiner Verbrennung spontan einen Phasenübergang vom flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand ausführt, ohne dem als Brennraum ausgeführten Expansionsraum (10) Wärme zu entziehen.
Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das überhitzte flüssige Fluid (5.4) in einen als zusätzlichen Zylinder des Verbrennungsmotors (2') ausgeführten Expansionsraum (20) einspritzbar ist, wobei das eingespritzte, überhitzte und flüssige Fluid (5.4) in dem zunehmend zur Verfügung stehenden Raum spontan einen vollständige Phasenübergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand ausführt, ohne dem als Zylinder ausgeführten Expansionsraum (20) Wärme zu entziehen.
Kraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Fluid (5.4) aus dem Expansionsraum (20) ausgestoßen und einem weiteren Wärmetauscher (43') zugeführt wird, der als Kondensator ausgeführt ist, wobei das ausgestoßene gasförmige Fluid (5.4) in dem als Kondensator ausgeführten Wärmetauscher (43) unter Abgabe von Wärmeenergie (6.5') einen Phasenübergang vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand ausführt, wobei das flüssige Fluid (5.4) als Kondensat in einen geschlossenen Fluidkreislauf zurückführbar ist.
Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Übertragungsmittel (30, 30', 32) zur Freisetzung der mechanischen Energie (6.1, 6.1', 6.2) jeweils als Kolben ausgeführt sind, welche mit einer Kurbelwelle gekoppelt sind.
Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzungsraum (42, 42') von einem ersten einstellbaren Absperrventil (44, 44'), das strömungstechnisch vor dem Erhitzungsraum (42, 42') angeordnet ist, und von einem zweiten einstellbaren Absperrventil (46, 46') abgeschlossen ist, das strömungstechnisch nach dem Erhitzungsraum (42, 42') angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschine, insbesondere einer Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kraftmaschine (1) mindestens einen Expansionsraum (10, 20) umfasst, in den flüssiges Fluid (5.3, 5.4) eingespritzt und expandiert wird, wobei durch die Expansion des Fluids (5.3, 5.4) in dem mindestens einen Expansionsraum (10, 20) mechanische Bewegungsenergie (6.1, 6.2) gewonnen und über erste Übertragungsmittel (30, 32) freigesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Fluid (5.3, 5.4) vor dem Einspritzen in den mindestens einen Expansionsraum (10, 20) in mindestens einem abgeschlossenen Erhitzungsraum (42, 42') überhitzt wird, wobei die zur Überhitzung des flüssigen Fluids (5.3, 5.4) erforderliche Wärmemenge (6.6) aus einer Verlustwärmemenge gewonnen wird, die während einer Verbrennung eines Arbeitsfluids (5.3) entsteht, wobei das eingespritzte Fluid (5.3, 5.4) einen vollständigen Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand ausführt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid (5.3) in einem Verbrennungsmotor (2, 2') verbrannt wird, wobei die bei der Verbrennung des Arbeitsfluids (5.3) entstehende Energie über geeignete Übertragungsmittel (30, 30') in me chanische Bewegungsenergie (6.1, 6.1') umgesetzt wird, und wobei die bei der Verbrennung des Arbeitsfluids (5.3) entstehende Verlustwärmemenge an ein Fluid (5.4) und an ein ausgestoßenes Abgas (5.5) des Verbrennungsprozesses abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid (5.3) als flüssiges Fluid (5.3) in dem abgeschlossenen mindestens einen Erhitzungsraum (42) durch die Verlustwärmemenge überhitzt und in den mindestens einen Expansionsraum (10) eingespritzt wird, welcher entsprechend als Brennraum des Verbrennungsmotors (2) ausgeführt ist, wobei mit dem eingespritzten, überhitzten und flüssigen Arbeitsfluid (5.3) vor seiner Verbrennung spontan ein Phasenübergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand ausgeführt wird, ohne dem als Brennraum ausgeführten Expansionsraum (10) Wärme zu entziehen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das überhitzte flüssige Fluid (5.4) in einen als zusätzlicher Zylinder des Verbrennungsmotors (2') ausgeführten Expansionsraum (20) eingespritzt wird, wobei mit dem eingespritzten, überhitzten und flüssigen Fluid (5.4) in dem zunehmend zur Verfügung stehenden Raum spontan ein vollständiger Phasenübergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand ausgeführt wird, ohne dem Expansionsraum (20) Wärme zu entziehen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Fluid (5.4) aus dem Expansionsraum (20) ausgestoßen und einem weiteren Wärmetauscher (43') zugeführt wird, wobei das ausgestoßene gasförmige Fluid (5.4) in dem weiteren Wärmetauscher (43') unter Abgabe von Wärmeenergie (6.5') in den flüssigen Zustand überführt wird, und wobei das flüssige Fluid (5.4) als Kondensat (5.4) in einen geschlossenen Kreislauf zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Erhitzungsraum (42, 42') von einem ersten einstellbaren Absperrventil (44, 44'), das strömungstechnisch vor dem Erhitzungsraum (42, 42') angeordnet ist, und von einem zweiten einstellbaren Absperrventil (46, 46') abgeschlossen wird, das strömungstechnisch nach dem Erhitzungsraum (42, 42') angeordnet ist.