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Kurzbeschreibung
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Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Strömungsverdichter, einer Strömungsturbine und einer Hubkolbenmaschine, welche alle drei mechanisch oder elektrisch gekoppelt sind und bei der die Verbrennung eines Kraftstoffes in der Brennkammer der Hubkolbenmaschine stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine einen erheblichen Teil der Gesamtverdichtung und Expansion des Arbeitsmediums vollzieht.
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Stand der Technik
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Für die stationäre Stromerzeugung mit Einsatz von Gas- oder Ölbrennstoffen werden heute zwei Arten von Energiewandlungsmaschinen bevorzugt eingesetzt: Gasturbinen und Verbrennungsmotoren, z. B. in Blockheizkraftwerken (BHKWs). Gasturbinen stellen eine hohe Leistungsdichte und lange Wartungsintervalle zur Verfügung, während Verbrennungsmotoren mit einem höheren Wirkungsgrad operieren.
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Grundlegendes Ziel der hier beschriebenen Erfindung ist eine Maschine, die bei vergleichbaren Kosten einen höheren Wirkungsgrad als beide Maschinen einzeln betrachtet besitzt.
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Für die stationäre Stromerzeugung mit Einsatz von Gas- oder Ölbrennstoffen werden heute zwei Arten von Energiewandlungsmaschinen bevorzugt eingesetzt.
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Verbrennungsmotoren
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In kleineren dezentralen Energieerzeugungsanlagen, kommt vorzugsweise eine meist aufgeladene Hubkolbenmaschine zum Einsatz. Solche Anlagen werden z. B. mit Erdgas als Brennstoff nach dem ottomotorischen Prinzip betrieben und erreichen einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 42%, wobei ein Teil der Abgasenergie als Wärme genutzt werden kann. Diese Anlagen nennt man Blockheizkraftwerk (BHKW). Limitierend auf den Wirkungsgrad wirkt hier vor allem die Klopfneigung bei zu hoher Verdichtung. Um hier entgegenzuwirken, wird die Luft, welche von einem Turbolader vorverdichtet wird, gekühlt. Relevant für die Klopfneigung sind Temperatur und Druck am Ende des Verdichtungsvorgangs in der Hubkolbenmaschine. Dem Klopfen kann auch durch eine Spätverstellung des Zündzeitpunktes oder eine Absenkung der Verdichtung entgegengewirkt werden, jedoch beides zu Lasten des Wirkungsgrades. Grundlegende Nachteile dieser stationären gasbetriebenen Verbrennungsmotoren sind der große Bauraumbedarf und die kurzen Wartungsintervalle infolge vieler beweglicher Teile.
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Hyperbar-Verfahren
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Mit dem Hyperbar-Verfahren wird genau diese Steigerung der Leistungsdichte realisiert. Ziel dieses Verfahrens ist die Steigerung der Leistung durch die Anhebung der Kenngröße „effektiver mittlerer Verbrennungsdruck”. Eine Wirkungsgradsteigerung verwag dieses Verfahren jedoch zu bewirken.
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Gasturbinen
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Eine weitere Energiewandlungsmaschine nach Stand der Technik ist die Gasturbine. Hier können auf deutlich kleinerem Bauraum größere Leistungen (bis aktuell zu 300 MW) erzielt werden, was primär in der kontinuierlichen und somit schnelleren Strömung der Luft und Brenngase begründet ist. Allerdings ist der erreichbare elektrische Wirkungsgrad mit ca. 39–40% etwas schlechter. Dies ist begründet in dem geringeren Druckverhältnis von typischer Weise maximal 20. Aufgrund von Strömungs-, Reibungs- und Spaltverlusten in Kompressor und Turbine führt ein höheres Druckverhältnis auch nicht mehr zu weiteren Wirkungsgradsteigerungen, sondern nur noch zu höheren Bauteiltemperaturen. Die Verbrennungstemperaturen sind ebenfalls niedriger als im Ottomotor. Die Spitzentemperatur bei der Verbrennung ist hierbei durch Materialgrenztemperaturen technisch bedingt. Die Kühlung der Bauteile ist wesentlich aufwendiger als bei einem Hubkolbenmotor, so dass die Spitzentemperatur den Wirkungsgrad nach oben deutlich begrenzt. Trotz aufwendig gekühlter beschichteter Turbinenschaufeln ist eine Steigerung des Wirkungsgrades über 40% hinaus bisher nicht gelungen. Ein weiterer Nachteil der Gasturbine liegt in der Verbrennungstechnik bei kontinuierlicher Verbrennung. Hier kann beispielsweise Brennkammerbrummen auftreten.
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Turbo-Compound
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Eine Abwandlung des Verbrennungsmotors wird vorzugsweise bei Großdieselmotoren angewandt. Hier wird neben der Abgasturbine, welche als Teil des Turboladers den Verdichter antreibt, noch eine weitere Arbeitsturbine vom Abgas angetrieben, welche direkt mechanisch oder elektrisch nutzbare Leistung erzeugt. Diese Konfiguration ist als Turbo-Compound-Verfahren bekannt.
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Gas- und Dampfkraftwerke
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Eine Kopplung aus Gasturbine und einem weiteren Prozess wird durch die weit verbreiteten Gas- und Dampfkraftwerke realisiert. Der bei diesem Verfahren nachgeschaltete Dampfprozess stellt eine effiziente Form der Abwärmenutzung einer Gasturbine dar. Gesamtwirkungsgrade von GuD-Kraftwerken erreichen bis zu 60%.
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Allerdings vermag dies nicht die obere Prozesstemperatur zu steigern, was bei der vorliegenden Erfindung gegenüber einer normalen Gasturbine erzielt wird.
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Nahe liegender technischer Schritt
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Der naheliegende Schritt, die Vorteile des Hubkolbenmotors weiter zu entwickeln, wäre eine weitere Steigerung seines Aufladegrades, um durch das höhere Druckniveau den nötigen Bauraum zu reduzieren und somit die Leistungsdichte zu steigern. Dieser Ansatz wird in einigen Detailverbesserungen zum Hubkolbenmotor verfolgt. Für die industrielle Energieerzeugung im Stationärbetrieb bringen diese Maßnahmen jedoch fast keinen Wirkungsgradgewinn.
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Ein nahe liegender Entwicklungsschritt an der Gasturbine zielt auf die direkte Erhöhung der Parameter Druck und Temperatur ab. Die Maximaltemperatur ist durch Bauteiltemperaturen begrenzt. Aufgrund der hohen Strömung um die Elementarbauteile einer Gasturbine nehmen diese Bauteile trotz aufwendiger Kühlung fast das Niveau des Arbeitsgases an. Es ist daher nahe liegend, durch Bauteil- und Materialverbesserungen diese Grenze hinauszustrecken.
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Aufgabenstellung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist die Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung einer Brennkraftmaschine unter Vereinbarung der Vorteile von Hubkolbenmaschine und Strömungsmaschine
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Beschreibung der Erfindung
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Der vorliegende erfinderische Ansatz stellt eine kombinierte Kraftmaschine dar, bei der der Niederdruckteil durch eine Strömungsmaschine (1 bis 11) realisiert ist und der Hochdruckteil durch eine Kolbenmaschine (12) dargestellt wird. Die Temperaturen im Niederdruckteil sind dabei niedrig genug, damit sie keine kritischen Bauteilgrenzwerte mehr übersteigen können. In der Hubkolbenmaschine (12) findet nur der Hochdruckteil der Kompression und Expansion statt, dadurch ist es möglich, mittels eines niedrigen Verdichtungsverhältnisses diesen Hubkolbenmotor sehr kompakt zu gestalten, was eine hohe Leistungsdichte ermöglicht.
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Die Hubkolbenmaschine ist mechanisch mit der äußeren Gasturbine gekoppelt und über ein Übersetzungsgetriebe (13) fest verbunden. Die äußere Turbine, bestehend aus Kompressor (3) und Turbinenstufen (10), erzeugt einen erheblichen Leistungsüberschuss, der auf die Welle geschaltet wird. In dieser Konstellation ist die Hubkolbenmaschine als Hilfsaggregat zu sehen. Auf diese Weise wird es ermöglicht, bereits bestehende Gasturbinen nur anzupassen statt neu entwickeln zu müssen. Die Aufteilung der an den beiden Teilaggregaten Strömungsmaschine und Kolbenmaschine geleistete Arbeit liegt bei ca. 1:1, wobei je nach Ausführung die Aufteilung von 1:3 bis 3:1 variieren kann. Alternativ kann die Kopplung beider Teilmaschinen auch über ein elektrisches Getriebe erfolgen oder über zwei unabhängige Generatoren.
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Die Hubkolbenmaschine kann dabei sowohl in 4-Takt-Ausführung realisiert werden als auch als 2-Takt-Variante. Bei der Ausführung in 4-Takt-Verfahren ist kein Spülgefälle erforderlich und eine Ansteuerung der Ladungswechselorgane gemäß
DE19955090A1 sinnvoll. Die Maschine kann auch im 2-Takt-Verfahren betrieben werden, dann ist zum Zeitpunkt des Ladungswechsels ein Spülgefälle erforderlich.
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– Vorteile
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Der Vorteil dieser Anordnung ist zum einen, dass die Leistungsdichte der Hubkolbenmaschine aufgrund der komprimierten Ansaugluft erheblich gesteigert wird. Das benötigte Bauvolumen bleibt somit im wirtschaftlich sinnvollen Rahmen. Durch die geringe Verdichtung der Hubkolbenmaschine wird eine klopfende Verbrennung vermieden, während aufgrund des abgeschlossenen Brennraumes die Verbrennung auf jeden Fall vollständig ist.
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Wird die Hubkolbenmaschine selbst betrachtet, so arbeitet sie mit einem schlechten Teilwirkungsgrad, ebenso wie die äußere Gasturbine einzeln betrachtet. Der Gesamtwirkungsgrad ist jedoch deutlich höher und im Bereich von 44–48% zu erwarten.
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Wesentliches Merkmal ist dabei die Reduzierung der Kühlleistung der beiden Teilmaschinen sowie der Wegfall der Zwischenkühlung. Dies hat gerade für einen kombinierten Zyklus mit nachgeschaltetem Dampfprozess entscheidende Vorteile: Durch Kühlung wird dem Prozess Exergie entzogen, die im Dampfprozess nicht mehr genutzt werden kann. Durch die Reduktion dieses Exergieentzuges und durch den höheren Wirkungsgrad der Kombimaschine kann der Gesamtwirkungsgrad im kombinierten Zyklus, also mit nachgeschaltetem Dampfprozess auf etwa 55 bis 65% gesteigert werden.
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Mit der vorgeschlagenen Anordnung ergeben sich folgende Vorteile:
- – Die maximale Prozesstemperatur kann bis zu 2300 K betragen. Eine freiwillige Reduktion auf ca. 2000 K wird aus Gründen der NOx-Emissionen angestrebt und durch Magergemisch und Abgasrückführung bewirkt.
- – Der Prozesswirkungsgrad der Kombimaschine ist deutlich höher als der konventioneller Gasturbinen und Verbrennungsmotoren.
- – Aufgrund der teilweisen Expansion des Verbrennungsgases in der Hubkolbenmaschine ist die Austrittstemperatur aus dieser erheblich niedriger als die Brennkammeraustrittstemperatur einer Gasturbine. Dies hat zur Folge, dass die Beschaufelung der Turbine ohne oder mit weniger aufwändigen Kühlluftbohrungen auskommt. Dies steigert zum einen den isentropen Wirkungsgrad der Turbinenschaufeln und zum anderen den Prozesswirkungsgrad durch geringere Exergieverluste.
- – Die Hubkolbenmaschine hat durch die hohe Dichte der Ansaugluft eine sehr hohe Leistungsdichte, was sich positiv auf ihren Bauraum auswirkt. Durch die hohe Ansauglufttemperatur im Bereich von 250–400°C steigt die Schallgeschwindigkeit der Ansaugluft und damit ist weiterhin eine höhere mittlere Kolbengeschwindigkeit als bei konventioneller Auslegung möglich, was ebenfalls die Leistungsdichte verbessert.
- – Aufgrund der sehr geringen Verdichtung ist der auftretende Spitzendruck in der Hubkolbenmaschine begrenzt und liegt trotz des hohen Ansaugluftdruckes unter 200 bar. Die Bauteilbelastung ist damit trotz höherer Leistungsdichte nicht höher als bei konventionellen Hubkolbenmaschinen.
- – Aufgrund der hohen Ansaugluftdichte ist der effektive Mitteldruck der Hubkolbenmaschine sehr hoch. Der primär durch den Spitzendruck verursachte Reibmitteldruck ist aber vergleichbar mit konventionellen Hubkolbenmaschinen, so dass der mechanische Wirkungsgrad der Hubkolbenmaschine sehr hoch (voraussichtlich > 95%) sein wird.
- – In einer Kolbenmaschine treten praktisch keine Strömungs- und Spaltverluste auf. Der im Vergleich zu einer Strömungsmaschine herangezogene isentrope Wirkungsgrad ist daher nahezu 100%.
- – die thermischen Verluste in der Hubkolbenmaschine werden u. a. von Dichte und Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, wobei letztere um eine Zehnerpotenz geringer ist als bei Strömungsmaschinen. Die Wandwärmeverluste sind dadurch geringer als in einer vergleichbaren Strömungsmaschine
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Ausführungsbeispiel
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Die Realisierung des hier beschriebenen Verfahrens und der hier beschriebenen Vorrichtung ist in der für die stationäre Energieerzeugung relevanten Ausführung in der Leistungsklasse von ca. 20 bis 400 MW angedacht. Für dezentrale Energieerzeugung ist auch eine kleine Größenklasse sinnvoll. Eine Anlage mit 200 MW Gesamtleistung, die sich zu etwa 50% auf die Hubkolbenmaschine (1) und 50% auf die Gasturbine aufteilen, hat beispielsweise nach erster Auslegung einen Hubraum von ca. 2,8 m3. Dies kann zum Beispiel durch eine Ausführung mit 48 Zylindern von je 400 mm Bohrung und 475 mm Hub realisiert werden. Aufgeteilt in zwei Teilaggregate mit jeweiliger Zylinderanordnung in W-Form (3 × 8 Zylinder), gemäß ist diese Maschine gut in das Packaging-Konzept einer Gasturbine (3 und 10) integrierbar.
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Variationen
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- a) Zur Nutzung der Impulsenergie (Stoßaufladung) werden die Auslassorgane der Hubkolbenmaschine unterschiedlich angesteuert. Dabei wird ein Teil der Abgasmasse durch ein Auslassventil ausgeschoben, während die restliche Abgasmasse durch ein zweites Auslassventil geschoben wird. Die Zusammenführung beider Teilströme erfolgt dann nach der 1. Turbinenstufe. Die Anordnung dieses Details entspricht der DE19955090A1 der Firma FEV.
- b) In einer weiteren Ausführung ist das Verdichtungsverhältnis etwas höher, das Brennverfahren ähnelt in diesem Fall dem Brennverfahren, welches in der Literatur als CAI oder HCCI bekannt ist. Hierbei findet eine Selbstzündung eines homogenen Gemisches statt. Besonderer Vorteil gegenüber dem dieselmotorischen Verfahren ist die gleichmäßige Temperaturverteilung während der Verbrennung und die damit sehr niedrigen Schadstoffemissionen. Gegenüber dem ottomotorischen Verfahren sind die Vorteile die höhere mögliche Kompression sowie die vollständige Verbrennung eines homogen mageren Gemisches. CAI oder HCCI-Verfahren haben bei bisherigen Untersuchungen stets Betriebsgrenzen bei hoher Last, d. h. die in einem Motor realisierbare Leistung mit dem Brennverfahren ist limitiert aufgrund z. B. zu hoher nötiger Abgasrückführraten. Durch das hier beschriebene Systemkonzept wird dieser Nachteil aufgehoben. Die Temperatur aufgrund der hohen Verdichtung der Ansaugluft ist ausreichend warm, so dass keine oder nur sehr wenig zusätzliche Abgasrückführung von Nöten ist. Das CAI/HCCI-Brennverfahren kann also unter Volllast betrieben werden.
- c) In einer anderen Ausführung kann die Vorrichtung als hocheffizienter Antrieb von Fluggeräten verwendet werden. Hierfür wird zusätzlich zu der oben beschriebenen Vorrichtung ein großes Gebläse (2) an das vordere Ende der Maschine hinzugefügt. Diese sorgt wie ein „Fan” als Hauptschuberzeuger. Der erzeugte Luftstrom wird hierbei außen an der Vorrichtung vorbeigeleitet, wie in durch Pfeile gekennzeichnet.
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Des Weiteren wird das Abgas nach der Hubkolbenmaschine bei dieser Vorrichtung mit dem Luftstrom des Gebläses vermischt, um einen höheren Volumenstrom zu erzeugen. Der Kühlluftstrom nach Austritt aus dem Kreislauf der Hubkolbenmaschine wird wahlweise nicht in die Strömungsturbine geleitet, sondern direkt mit dem Luftstrom von dem Gebläse vermischt (8), ebenfalls mit dem Ziel, durch Temperaturerhöhung den Volumenstrom zu erhöhen. Der Strömungsverdichter (3) dieser Anlage kann hierbei wahlweise mit verstellbaren Kompressorleitschaufeln ausgestattet sein, um einen variablen Startschub erzeugen zu können. Das Temperaturniveau nach Kompressoraustritt liegt bei dieser Ausführung etwas niedriger als bei der Stationärausführung, insbesondere bei Betrieb der Anlage in großer Höhe, wo sehr kalte Ansauglufttemperaturen vorherrschen. Aufgrund der Verbrennung flüssiger Kraftstoffe ist auch das Verdichtungsverhältnis höher als bei der Stationärausführung, jedoch immer noch klein gegenüber Dieselverfahren nach Stand der Technik. Hier kann wahlweise anstelle des Ottoverfahrens das Dieselmotorische Brennverfahren zum Einsatz kommen.
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Differenzierungsmerkmale gegenüber dem Stand der Technik
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Gegenüber einem hochaufgeladenen Hubkolbentriebwerk nach Stand der Technik bestehen einige Differenzierungsmerkmale:
Beim Verbrennungsmotor mit Turbolader findet kein Leistungsüberschuß statt, die Turbine leistet nur so viel Leistung wie der Verdichter des Turboladers benötigt. Bei dem Konzept hier wird ein sehr großer Leistungsüberschuß erzeugt, der über das Getriebe eingekoppelt und genutzt wird. Bei der Variante Turbo-Compound, welche bei großen Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, wird ein Teil der Turboladerleistung hydraulisch auf die Kurbelwelle eingekoppelt. Allerdings ist dies nur ein sehr geringer Anteil der Gesamtleistung, etwa im Verhältnis 1:10 bis 1:20 zur Kolbenmaschinenleistung.
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Die Druckverhältnisse an Verdichter und Turbine betragen bei normalen Turboladern typischerweise 2 bis maximal 4, bei hiesiger Erfindung liegt das Druckverhältnis zwischen 5 und 15.
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Bei hoch aufgeladenen Verbrennungsmotoren im 4-Taktverfahren wird ein positives Spülgefälle (Differenz aus Saugrohrdruck und Abgasstaudruck) angestrebt, so dass das im Zylinder verbleibende Restgas durch den Überdruck im Saugrohr möglichst vollständig ausgespült wird. Dies ist bei der hier vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, wenngleich trotzdem möglich.
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Im Gegensatz zu aufgeladenen Verbrennungsmotoren wird die Verdichterluft nicht gekühlt, sondern direkt mit dem hohem Kompressorausgangsdruck (z. B. 5–20 bar) und hoher Temperatur (z. B. 300–500°C) der Hubkolbenmaschine zugeführt. Bei Verbrennungsmotoren nach Stand der Technik würde dies aufgrund der sehr hohen Kompressionsendtemperaturen zu starken Klopfen und hohen Wandwärmeverlusten führen, was technisch zunächst sinnlos erscheint.
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Die dieser Erfindung zu Grunde liegende Hubkolbenmaschine ist weiterhin durch ein Kühlsystem gekühlt, welches nicht dem Stand der Technik entspricht. Nach Stand der Technik werden für die Hubkolbenmaschine Wasser und Öl als Kühlmittel angewandt, wobei die Kühlmitteltemperatur üblicherweise bei 90°C eingeregelt wird.
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Ein wesentliches erfinderisches Element ist, dass die Hubkolbenmaschine durch ihre eigene Ansaugluft gekühlt wird. Die hierfür verwendete Kühlluft wird aus einer der Hochdruckstufen entnommen und hat bereits eine hohe Eintrittstemperatur zwischen 150 und 450°C.
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Die Kühlluft für die Hubkolbenmaschine wird dabei vor der letzten oder vorletzten Verdichterstufe des Kompressors abgezweigt und nach dem Durchlauf der Hubkolbenmaschine dem Abgasstrom in einer Turbinenstufe wieder zugefügt. Durch diese Konfiguration bleibt die Kühlluftenthalpie für einen möglichen nachgeschalteten Prozess, z. B. Dampfprozess erhalten.
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Die Hubkolbenmaschine hat weiterhin in einer typischen Ausführung ein für ottomotorische Verhältnisse sehr niedriges Verdichtungsverhältnis im Bereich zwischen 1:2,5 und 1:8.
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Unterscheidungsmerkmale gegenüber einem Verbrennungsmotor mit „Turbo-Compound”
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- 1.) Die Wellen von Verdichter, Turbine und Kurbelwelle sind über ein festes Übersetzungsverhältnis miteinander verbunden, welches im Bereich zwischen 1:1 bis 1:5 liegt. Im Gegensatz hierzu wird bei einem „Turbo-Compound” die Wellenleistung über ein variables hydraulisches Getriebe eingekoppelt, welches variable Übersetzungsverhältnisse erlaubt, aber mit Effizienzverlust verbunden ist. Beim hier verwendeten Stationärbetrieb ist eine feste Übersetzung günstiger, da kein Effizienzverlust auftritt.
- 2.) Eine „Turbo-Compound”-Turbine besteht aus einem einstufigen Radialverdichter und einer einstufigen Radial- oder Axialturbine. Das hier vorliegende Konzept verwendet vorzugsweise mehrstufige Axialverdichter (ca. 3–10 Stufen), wie sie baugleich oder ähnlich in Gasturbinen verwendet werden. Ebenfalls die Turbine ist vorzugsweise mehrstufig (2–4 Stufen) und in axialer Bauweise ausgeführt.
- 3.) Die Leistungsverteilung von Turbine zu Kolbenmaschine unterscheidet sich erheblich. Bei einer „Turbo-Compound”-Anlage beträgt der Anteil der überschüssigen Turboladerleistung maximal 5 bis 10% der Gesamtleistung. Bei dem hier vorgestellten integrierten Konzept liegt der Anteil Leistungsüberschuss von Turbine und Verdichter bei 20 bis 70% der Gesamtleistung.
- 4.) Das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors ist extrem niedrig. Das Verdichtungsverhältnis beträgt zwischen 2,5 und 8. Eine Auslegung eines normalen Motors, v. a. eines Motors mit „Turbo-Compound” würde keinen Sinn machen, da der Wirkungsgrad zu schlecht wäre. Zur Erzielung hoher Abgasenergie und damit hoher Turbinenleistung und gleichzeitiger Einhaltung praktikabler Spitzendrücke ist ein solch niedriges Verdichtungsverhältnis jedoch sinnvoll und erforderlich.
- 5.) Auf eine Ladeluftkühlung wird vollständig verzichtet. Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, wozu auch ein „Turbo-Compound”-Motor zählt, wird zur Steigerung der Effizienz üblicherweise die verdichtete Luft abgekühlt. Dies wird deswegen gemacht, um Wandwärmeverluste innerhalb der Hubkolbenmaschine zu reduzieren. Bei der hiesigen Anwendung überwiegt jedoch die Turbinenleistung.
- 6.) Die Hubkolbenmaschine wird warm und mit Luft gekühlt. Im Gegensatz zu anderen Verbrennungsmotoren, und zum „Turbo-Compound”-Motor wird die Hubkolbenmaschine durch verdichtete, warme Luft gekühlt. Dies bedeutet für das Hubkolbentriebwerk höhere Temperaturen und Bauteilbelastungen, durch das beschriebene Kühlluft-Konzept kann die im Kühlmittel enthaltene Energie noch sinnvoll verwendet werden, was den Wirkungsgrad der Gesamtanlage weiter steigert.
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Unterscheidungsmerkmale gegenüber einer stationären Gasturbine
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- 1.) Das beschriebene Konzept kommt ohne Brennkammer aus. Schwachpunkt vieler Gasturbinen ist die Brennkammer, in der die störenden Effekte Brummen und Flammenerlöschen auftreten können. Anstelle der Brennkammer ist in dem Konzept eine Hubkolbenmaschine vorgesehen. Dadurch werden die Nachteile der Brennkammer vermieden und gleichzeitig ein höheres Gesamtdruckverhältnis ermöglicht, welches eines der wichtigsten Kriterien zur Erzielung eines hohen Maschinenwirkungsgrades ist. Der Spitzendruck beträgt ja nach Ausführung bis zu 250 bar, der von Gasturbinen liegt im Bereich bis 20 bar.
- 2.) Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln in einer Gasturbine werden üblicherweise extrem hohen Temperaturen von bis zu 1500°C ausgesetzt, so dass diese durch aufwendige Kühlluftführungen gekühlt werden müssen. Hierdurch bedingt verschlechtert sich auch der Wirkungsgrad, da die Zuführung von Kühlluft die zur Verfügung stehende Abgasenergie reduziert. Im hier dargelegten Konzept beträgt die Turbineneintrittstemperatur maximal 1100°C. Hierdurch bedingt kann auf eine Kühlung der Schaufeln weitgehend verzichtet werden. Eine Auslegung mit geringerem Spaltmaß ist ebenfalls möglich, dies erhöht den Wirkungsgrad der Turbine erheblich.
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Unterscheidungsmerkmale der Variationen
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- – Die beschriebene bauliche Ausführung ermöglicht die Realisierung sogenannter Homogen-Kompressionszündverfahren. In der Motorenentwicklung werden solche Verfahren vielfach als HCCI beschrieben, sind aber nur in einem kleinem Teillastbereich stabil darstellbar. Vorteile der HCCI-Verfahren sind extrem niedrige NOx-Emission mit < 5 ppm (gegenüber mehr als 1000 ppm bei Verbrennungsmotoren mit stöchiometrischem Betrieb) sowie ein hoher Wirkungsgrad. Erforderlich für die erfolgreiche Realisierung eines HCCI-Verfahrens ist eine Kompressionsendtemperatur von ca. 900°C. Hierfür müssen bei normalen Verbrennungsmotoren große Mengen Abgas zurückgeführt werden. Durch die hohe Gesamtkompression ist das Verfahren bei der hier beschriebenen Vorrichtung ohne nennenswerten Aufwand auch an der Vollast betreibbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Außengehäuse
- 2
- Bypassgebläse (Fan)
- 3
- Verdichter (Beispielhaft Axialverdichter)
- 4
- Rohrverbindung Kühlluft-Zuführung Hubkolbenmaschine
- 5
- Rohrverbindung für verdichtete Luft zur Hubkolbenmaschine
- 6
- Rohrverbindung Abgas der Hubkolbenmaschine zur Turbine
- 7
- Rohrverbindung Kühlluft Austritt aus Hubkolbenmaschine
- 8
- Ringverteiler Kühlluft Austritt in Bypassstrom
- 9
- Ringverteiler Abgas in Entspannungsturbine
- 10
- Turbine
- 11
- Hauptwelle
- 12
- Hubkolbenmaschine
- 13
- Getriebe
- 14
- Zuströmung Kühlluft in Turbinenzwischenstufe
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Abbildungen
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) Übersichtsdiagramm Gesamtsystem, schmatisch
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) Darstellung der Gastemperatur am Auslassventil bzw. Turbineneintritt in Abhängigkeit des Druckverhältnisses der Rumpfturbine
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) Darstellung der Turbinenaustrittstemperatur in Abhängigkeit des Druckverhältnisses der Rumpfturbine, relevant für eventuell nach zu schaltenden Dampfprozess
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) Ausführungsbeispiel, Anwendung als Antrieb für Fluggeräte
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) Ausführungsbeispiel, Anwendung als stationäre Energiewandlungsmaschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19955090 A1 [0016, 0021]
