DE10206701A1 - Antriebsvorrichtung - Google Patents

Antriebsvorrichtung

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Antriebsvorrichtung mit einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Brennraum, einem ersten Sekundärspeicher (7.1) zur Aufnahme eines ersten Verbrennungsmediums (H¶2¶), wobei der erste Sekundärspeicher (7.1) ausgangsseitig mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist. Es wird vorgeschlagen, daß der erste Sekundärspeicher (7.1) eingangsseitig mit einem ersten Primärspeicher (8.1) verbunden ist, der das erste Verbrennungsmedium (H¶2¶) in chemisch gebundener Form enthält. Die Verbrennungswärme kann hierbei genutzt werden, um das Verbrennungsmedium in dem Primärspeicher freizusetzen, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Knallgasturbinen bekannt, bei denen ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff verbrannt wird und dadurch ein Turbinenrad antreibt. Das Knallgas wird hierbei üblicher­ weise aus Druckbehältern entnommen, die Sauerstoff und Was­ serstoff getrennt enthalten.
Nachteilig an diesen bekannten Knallgasturbinen ist die Tatsache, daß die maximale Betriebsdauer der Knallgasturbi­ ne durch das Fassungsvermögen der Druckbehälter beschränkt ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei der vorstehend beschriebenen bekannten Knallgasturbine die ma­ ximale Betriebsdauer zu verlängern.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von der vorstehend beschrie­ benen bekannten Knallgasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.
Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, zur Speicherung eines Verbrennungsmediums bei einer Brennkraft­ maschine einen Primärspeicher und einen Sekundärspeicher vorzusehen, wobei der Primärspeicher das Verbrennungsmedium in chemisch gebundener Form enthält, während der Sekundär­ speicher das Verbrennungsmedium in fertiger Form enthält.
Die Brennkraftmaschine wird hierbei also aus dem Sekundär­ speicher mit dem Verbrennungsmedium versorgt, während in dem Primärspeicher das Verbrennungsmedium freigesetzt und in den Sekundärspeicher überführt wird, um diesen aufzufül­ len.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Sekun­ därspeichers ist allgemein zu verstehen und umfaßt bei­ spielsweise Druckbehälter, in denen das jeweilige Verbren­ nungsmedium in komprimierter Form in einem gasförmigen oder flüssigen Aggregatzustand enthalten ist. Darüber hinaus um­ faßt der Begriff eines Sekundärspeichers auch Flüssigkeits­ behälter, in denen das jeweilige Verbrennungsmedium in flüssiger Form und bei Umgebungsdruck enthalten ist.
Die Erfindung ist nicht auf die eingangs erwähnten Knall­ gasturbinen beschränkt, sondern prinzipiell mit allen Typen von Brennkraftmaschinen realisierbar, wie beispielsweise Gasturbinen, Ottomotoren und Dieselmotoren.
Darüber hinaus ist die Erfindung auch nicht auf Wasserstoff bzw. Sauerstoff als Verbrennungsmedium beschränkt, sondern entsprechend dem Typ der jeweiligen Brennkraftmaschine auch mit anderen Verbrennungsmedien realisierbar, wie beispiels­ weise Erdgas.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Verbrennungsgemisch aus zwei Komponenten, die getrennt gespeichert und zugeführt werden. Vorzugsweise sind deshalb zwei Primärspeicher und zwei Sekundärspeicher vorgesehen, wobei die beiden Primärspeicher jeweils eine Komponente des Verbrennungsgemischs in chemisch gebundener Form enthalten, während die beiden Sekundärspeicher die jeweilige Komponen­ te des Verbrennungsgemischs in fertiger Form enthalten.
Vorzugsweise enthält ein Primärspeicher eine Lösung aus wasserstoffhaltigen Salzen, wie beispielsweise Magnesiumhy­ drid, das bei hohen Temperaturen zu Magnesium und Wasser­ stoff dissoziiert, wodurch gasförmiger Wasserstoff freige­ setzt wird.
Der andere Primärspeicher enthält dagegen vorzugsweise eine Lösung aus sauerstoffhaltigen Salzen, wie beispielsweise Natriumsuperoxid, die bei hohen Temperaturen ebenfalls dis­ soziieren und damit Sauerstoff freisetzen.
Die Freisetzung der chemisch gebundenen Verbrennungsmedien in dem Primärspeicher erfolgt üblicherweise erst oberhalb einer bestimmten Minimaltemperatur, die während des Start­ vorgangs der Brennkraftmaschine in der Regel noch nicht ge­ geben ist. Es ist deshalb vorzugsweise eine Heizvorrichtung vorgesehen, die den Inhalt des Primärspeichers erhitzt, um die Freisetzung der chemisch gebundenen Verbrennungsmedien in dem Primärspeicher einzuleiten bzw. zu beschleunigen. Eine derartige Heizvorrichtung kann beispielsweise eine Wärmetauscherleitung aufweisen, die durch die Brennkraftma­ schine und den Primärspeicher geführt wird. Das Wärmetau­ schermittel nimmt dann in der Brennkraftmaschine Wärmeener­ gie auf und gibt diese teilweise an den Primärspeicher ab, wodurch dieser erhitzt wird.
Vorzugsweise besteht das Wärmetauschermittel hierbei aus einer flüssigen Metallegierung, wie beispielsweise einer Gallium-Aluminium-Legierung.
Darüber hinaus ist zur Förderung des Wärmetauschermittels vorzugsweise eine Pumpe vorgesehen, wobei die Pumpe durch die Brennkraftmaschine oder durch einen separaten Elektro­ motor angetrieben werden kann.
Es ist jedoch theoretisch auch möglich, daß die Heizvor­ richtung ohne eine Pumpe nach dem sogenannten Thermo- Syphon-Prinzip arbeitet, bei dem das Wärmetauschermittel aufgrund der thermisch bedingten Dichteunterschiede selb­ ständig durch den Heizkreislauf fließt.
Darüber hinaus ist vorzugsweise eine Kühlvorrichtung vorge­ sehen, welche den Primärspeicher und/oder den Sekundärspei­ cher kühlt.
Vorzugsweise weist diese Kühlvorrichtung ein Gebläse auf, wobei das Gebläse von der Brennkraftmaschine oder durch ei­ nen separaten Elektromotor angetrieben werden kann.
Als Kühlmedium wird hierbei vorzugsweise Umgebungsluft ver­ wendet, die von dem Gebläse angesaugt und durch Kühlleitun­ gen zu dem Primärspeicher bzw. zu dem Sekundärspeicher be­ fördert wird. Die Kühlung für den Primärspeicher und für den Sekundärspeicher kann hierbei vorzugsweise durch Ven­ tilklappen getrennt eingestellt werden. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Kühlmediums nicht auf Umgebungsluft beschränkt, sondern beispielsweise auch mit Wasser als Kühlmedium realisierbar, was insbesondere bei Schiffen oder U-Booten vorteilhaft möglich ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei­ gen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsge­ mäßen Antriebsvorrichtung sowie
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Turbine der An­ triebsvorrichtung aus Fig. 1.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung kann beispielsweise zum Antrieb von Land- und Wasserfahrzeugen verwendet werden.
Hierzu weist die Antriebsvorrichtung eine weitgehend her­ kömmliche Knallgasturbine 1 auf, die detaillierter in Fig. 2 dargestellt ist und im folgenden kurz beschrieben wird. So weist die Knallgasturbine 1 ein Turbinengehäuse 2 in Form eines Rotationsparaboloids auf, in dem ein Turbi­ nenrad 3 drehbar gelagert ist. An die Wandung des Turbinen­ gehäuses 2 schließen drei Vorkammern 4.1-4.3 an, in die über jeweils zwei Einspritzdüsen 5.1, 5.2 Wasserstoff bzw. Sauerstoff eingespritzt wird. Zur Zündung des eingespritz­ ten Knallgasgemischs ist für jede Vorkammer 4.1-4.3 eine Zündvorrichtung 6.1-6.3 vorgesehen, die mehrere Laserimpul­ se radial in die Vorkammern 4.1-4.3 abgibt und dadurch den Zündvorgang auslöst. Die einzelnen Zündvorgänge sind hier­ bei mit der Stellung des Turbinenrades 3 synchronisiert, so daß das in den Vorkammern 4.1-4.3 explodierende Knallgasge­ misch ein Drehmoment auf das Turbinenrad 3 ausübt.
Die Versorgung der Knallgasturbine 1 mit Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt durch zwei sogenannte Sekundärspeicher 7.1, 7.2, wobei der Sekundärspeicher 7.1 Wasserstoff in komprimierter Form enthält, während der Sekundärspeicher 7.2 komprimierten Sauerstoff enthält.
Ausgangsseitig sind die beiden Sekundärspeicher mit den Einspritzdüsen 5.1 bzw. 5.2 der Knallgasturbine 1 verbun­ den, um den gespeicherten Wasserstoff bzw. Sauerstoff in die Vorkammern 4.1-4.3 der Knallgasturbine einspritzen zu können.
Während des Betriebs der Knallgasturbine 1 wird den Sekun­ därspeichern 7.1, 7.2 also laufend Sauerstoff bzw. Wasser­ stoff entnommen, so daß die Sekundärspeicher 7.1, 7.2 wie­ der aufgefüllt werden müssen. Diese Nachfüllung erfolgt je­ doch nicht durch Zuführung von gasförmigem Sauerstoff bzw. Wasserstoff, sondern durch jeweils einen Primärspeicher 8.1, 8.2.
Der Primärspeicher 8.1 dient hierbei zur Nachfüllung des Sekundärspeichers 7.1 mit Wasserstoff. Hierzu enthält der Primärspeicher 8.1 Magnesiumdihydrid in fester, kristalli­ ner Form, das bei relativ hohen Temperaturen von T = 300°C entsprechend der chemischen Formel
MgH2 ↔ Mg + H2
dissoziiert und dabei gasförmigen Wasserstoff freisetzt. Vorteilhaft an der Speicherung des Wasserstoffs in chemisch gebundener Form ist die wesentlich höhere Energiedichte als bei einer Speicherung in gasförmiger Form. Der in dem Pri­ märspeicher 8.1 freigesetzte Wasserstoff wird dann während des laufenden Betriebs in den Sekundärspeicher 7.1 über­ führt, so daß der Druck in dem Sekundärspeicher 7.1 auf­ recht erhalten bleibt.
Der Primärspeicher 8.2 dient dagegen zur Nachfüllung des Sekundärspeichers 7.2 mit Sauerstoff und enthält hierzu Na­ triumhyperoxid in fester Form, das bei hohen Temperaturen von ungefähr T = 675°C entsprechend der chemischen Formel
4 NaO2 ↔ 2 Na2O + 3 O2
dissoziiert und dabei gasförmigen Sauerstoff freigibt. Vor­ teilhaft an der Speicherung des Sauerstoffs in chemisch ge­ bundener Form ist hierbei wiederum die wesentlich höhere Energiedichte als bei einer Speicherung des Sauerstoffs in gasförmiger Form. Der in dem Primärspeicher 8.2 freigesetz­ te Sauerstoff wird dann ebenfalls in den Sekundärspeicher 7.2 überführt, so daß der Druck in dem Sekundärspeicher 7.2 während des laufenden Betriebs trotz des Sauerstoffver­ brauchs durch die Knallgasturbine 1 im wesentlichen auf­ recht erhalten wird.
Zwischen den Primärspeichern 8.1, 8.2 und den Sekundärspei­ chern 7.1, 7.2 ist jeweils eine elektrische Pumpe angeord­ net, die zur Vereinfachung nicht dargestellt ist und den Gastransport verbessert.
Die Primärspeicher 8.1, 8.2 weisen jeweils technisch hand­ habbare Röhren auf, die aus den stationär verbauten Pri­ mäspeicherröhren entnommen werden und so als komplette Bau­ einheit regenerierbar sind. Die zu entnehmenden Röhren be­ inhalten jeweils die Oxide und Hydride und sind beispiels­ weise mit gitter- oder wabenförmigen, hauchdünnen Edelme­ tallkatalysatoren ausgestattet, wodurch die O2- bzw. H2- Freisetzung verbessert wird. Vorteilhaft daran ist, daß die Röhren direkt im heißen Gasstrom beim Gas-/Energieerzeuger regenerierbar sind und durch bloßes Einschieben wieder ein­ gesetzt werden können.
Es wurde bereits vorstehend erläutert, daß die Dissoziie­ rungsreaktion in den Primärspeichern 8.1, 8.2 eine relativ hohe Temperatur benötigt, die weit über Raumtemperatur liegt und beim Start der Knallgasturbine 1 nicht sofort er­ reicht wird. Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung weist deshalb eine Heizvorrichtung auf, um die Primärspeicher 8.1, 8.2 auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, die für die Dissoziierungsreaktion erforderlich ist. Hierzu weist die Heizvorrichtung eine Wärmetauscherleitung 9 auf, die als Wärmetauschermittel eine flüssige Gallium-Aluminium- Legierung enthält und durch die Knallgasturbine 1 sowie die beiden Primärspeicher 8.1, 8.2 hindurchgeführt ist, wobei das Wärmetauschermittel durch eine Pumpe 10 zwangsgefördert wird. Vorteilhaft an der Verwendung einer Gallium- Aluminium-Legierung als Wärmetauschermittel ist die hohe spezifische Wärmekapazität dieses Materials, was einen ef­ fektiven Wärmetransport ermöglicht. Darüber hinaus weist die Heizvorrichtung einen Reservoirspeicher 11 mit Gallium- Aluminium-Legierung auf, um die Wärmetauscherleitung 9 stets gefüllt zu halten. Das Wärmetauschermittel wird also beim Durchströmen der Knallgasturbine 1 stark erhitzt und gibt die aufgenommene Wärmeenergie anschließend beim Durch­ strömen der Primärspeicher 8.1, 8.2 wieder, so daß die Pri­ märspeicher 8.1, 8.2 nach dem Start der Knallgasturbine 1 schnell die erforderliche Betriebstemperatur erreichen.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Antriebsvorrich­ tung auch eine Kühlvorrichtung auf, um die Betriebstempera­ turen der Primärspeicher 8.1, 8.2 und der Sekundärspeicher 7.1, 7.2 zu begrenzen. Hierzu weist die Kühlvorrichtung ein Gebläse 12 auf, das von der Knallgasturbine 1 oder von ei­ nem separaten Elektromotor angetrieben wird. Das Gebläse 11 saugt relativ kalte Umgebungsluft an und führt diese in vier Lüftungskanäle 13.1-13.4, wobei der Lüftungskanal 13.1 zur Kühlung des Sekundärspeichers 7.1 dient, während der Lüftungskanal 13.2 den Primärspeicher 8.1 kühlt. Der Lüf­ tungskanal 13.3 dient dagegen zur Kühlung des Primärspei­ chers 8.2, während der Lüftungskanal 13.4 zur Kühlung des Sekundärspeichers 7.2 dient.
In den Lüftungskanälen 13.2, 13.3 ist deshalb jeweils eine Abzweigung 14.1, 14.2 angeordnet, die die angesaugte Umge­ bungsluft zur Kühlung des Primärspeichers 8.1 bzw. 8.2 aus dem Lüftungskanal 13.2 bzw. 13.3 abzweigt. In der Abzwei­ gung ist hierbei eine nicht dargestellte Ventilklappe ange­ ordnet, um den Kühlluftstrom für den Primärspeicher 8.1 bzw. 8.2 steuern zu können. Anschließend wird der Kühlluft­ strom dann durch eine Rückführung 15.1, 15.2 wieder in den Lüftungskanal 13.2 bzw. 13.3 zurückgeführt.
Weiterhin ist in den Lüftungskanälen 13.1, 13.4 jeweils ei­ ne Abzweigung 16.1, 16.2 angeordnet, die einen Kühlluft­ strom zur Kühlung der Sekundärspeicher 7.1, 7.2 abzweigt. In den beiden Abzweigungen 16.1, 16.2 ist wiederum jeweils eine nicht dargestellte Ventilklappe angeordnet, um den Kühlluftstrom individuell steuern zu können. Der Kühlluft­ strom wird dann anschließend durch jeweils eine Rückführung 17.1, 17.2 wieder in die Lüftungskanäle 13.1, 13.4 zurück­ geführt, so daß die Lüftungskanäle 13.1, 13.4 erwärmte Um­ gebungsluft abgeben.
Die Steuerung der Ventilklappen in den Abzweigungen 14.1, 14.2, 16.1, 16.2 erfolgt hierbei so, daß die Temperatur in den Primärspeichern 8.1, 8.2 wesentlich höher ist als die Temperatur in den Sekundärspeichern 7.1, 7.2, damit der in den Primärspeichern 8.1, 8.2 freigesetzte Wasserstoff bzw. Sauerstoff in die Sekundärspeicher 7.1 bzw. 7.2 übergeht.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispie­ le. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders geärteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (17)

1. Antriebsvorrichtung, mit
einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Brenn­ raum,
einem ersten Sekundärspeicher (7.1) zur Aufnahme eines er­ sten Verbrennungsmediums (H2),
wobei der erste Sekundärspeicher (7.1) ausgangsseitig mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Sekundärspeicher (7.1) eingangsseitig mit ei­ nem ersten Primärspeicher (8.1) verbunden ist, der das er­ ste Verbrennungsmedium (H2) in chemisch gebundener Form enthält.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich ein zweiter Sekundärspeicher (7.2) zur Aufnahme eines zweiten Verbrennungsmediums (O2) vorge­ sehen ist, wobei der zweite Sekundärspeicher (7.2) aus­ gangsseitig mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine (1) und eingangsseitig mit einem zweiten Primärspeicher (8.2) verbunden ist, der das zweite Verbrennungsmedium (O2) in chemisch gebundener Form enthält.
3. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Primärspeicher (8.1) und/oder der zweite Primärspeicher (8.2) mit einer Heizvorrichtung (9-11) verbunden ist.
4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizvorrichtung (9-11) eine Wärmetau­ scherleitung (9) umfaßt, die ein flüssiges Wärmetauscher­ mittel durch die Brennkraftmaschine (1) und den ersten Pri­ märspeicher (8.1) und/oder den zweiten Primärspeicher (8.2) leitet.
5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wärmetauschermittel im wesentlichen aus einer flüssigen Metallegierung besteht oder halogenierte Kohlenwasserstoffe, FCKW, FKW, Schweröl und/oder eine CO2- Mischung mit organischen Lösungsmitteln enthält.
6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wärmetauschermittel im wesentlichen aus einer Gallium-Aluminium-Legierung besteht.
7. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprü­ che 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrich­ tung (9-11) eine Pumpe (10) zur Förderung des Wärmetau­ schermittels aufweist.
8. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des ersten Primärspeichers (8.1) und/oder des zweiten Pri­ mäspeichers (8.2) und/oder des ersten Sekundärspeichers (7.1) und/oder des zweiten Sekundärspeichers (7.2) eine Kühlvorrichtung (12-17) vorgesehen ist.
9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühlvorrichtung (12-17) ein Gebläse (12) aufweist.
10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 und/oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (12-17) Ven­ tilklappen aufweist, um den ersten Primärspeicher (8.1) und/oder den zweiten Primärspeicher (8.2) und/oder den er­ sten Sekundärspeicher (7.1) und/oder den zweiten Sekundär­ speicher (7.2) individuell kühlen zu können.
11. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Primärspeicher (8.1) eine wesentlich größere Temperatur aufweist als der erste Sekundärspeicher (7.1) und/oder daß der zweite Primärspeicher (8.2) eine wesentlich größere Temperatur aufweist als der zweite Sekundärspeicher (7.2).
12. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Verbrennungsmedium Wasserstoff und das zweite Verbrennungs­ medium Sauerstoff ist.
13. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Primärspeicher (8.1) wasserstoffhaltiges Salz in gelöster oder in fester Form enthält.
14. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Primärspeicher (8.1) Magnesiumhy­ drid, Lanthanid, Actinid und/oder Metallhydrid in gelöster oder in fester Form enthält.
15. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Primärspeicher (8.2) eine Lösung eines sauerstoffhaltigen Salzes enthält.
16. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Primärspeicher (8.2) Natrimoxid oder Bariumoxid enthält.
17. Antriebsvorrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Primärspeicher (8.2) im entleerten Zustand Alkalioxide bzw. Erdalkalioxide und im befüllten Zustand Peroxide und/oder Hyperoxide enthält.
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