DE10221157A1 - Anordnung und Verfahren zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Anordnung und Verfahren zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors (12) mit einer Luftzuführungseinrichtung (24) zum Zu- und Einleiten von Umgebungsluft. Mit einem Kompressor (30) ist verdichtete Umgebungsluft erzeugbar. Die Antriebsenergie des Kompressors zur Aufladung wird aus einem dem Verbrennungsmotor (12) nachgeschalteten Prozesskreislauf gewonnen. Mit einer Luftleitung (32, 36) für verdichtete Umgebungsluft ist der Kompressor (30) mit der Luftzuführungseinrichtung (24) beziehungsweise mit dem Eintrittsbereich des Verbrennungsmotors (12) verbunden. Zudem ist eine Dampfturbine (42) vorhanden, durch welche der Kompressor (30) antreibbar ist, wobei die Abwärme zum Antrieb der Dampfturbine (42) aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (12) erzeugbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors (12).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors, mit einer Luftzuführungseinrichtung zum Zu- und Einleiten von Umgebungsluft in einen Eintrittsbereich des Verbrennungsmotors, mit einem Kompressor, der verdichtete Umgebungsluft bereitstellt, und mit einer Luftleitung, mittels der die verdichtete Umgebungsluft von dem Kompressor in die Luftzuführungseinrichtung beziehungsweise zum Eintrittsbereich des Verbrennungsmotor zuführbar ist, und mit einer Dampfturbine. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors mit einem Kompressor durch den Umgebungsluft angesaugt und verdichtet wird, wobei die verdichtete Umgebungsluft einer Luftzuführungseinrichtung beziehungsweise dem Verbrennungsmotor zugeleitet wird.
  • Verbrennungsmotoren werden insbesondere als einzelne Antriebskomponente im mobilen Bereich (Kraftfahrzeuge und Schiffe) und in kleinen Motorheizkraftwerken für Generatoren, im sogenannten offenen Prozeß eingesetzt. Es ist allgemein bekannt, dass in solchen Fällen eine Leistungserhöhung durch eine Aufladung mittels Abgasturbolader oder mechanischen Ladern erreichbar ist.
  • Bei einem anderen Anwendungsfall, nämlich im Kraftwerksbereich; werden häufig Gasturbinen in kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozessen, den sogenannten Kombiprozessen, oder in Kraft-Wärme-Kopplungsprozessen eingesetzt. Diese Kopplung der Prozesse ist auch mit Verbrennungsmotoren möglich. Beispielsweise kann bei einem dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Dampfturbinenprozeß mit einem Wirkungsgrad von ca. 15-20% der Abwärmeenergie die Wellenleistung des entsprechenden Verbrennungsmotors gesteigert werden. Die Integration einer Dampfturbine in einen Verbrennungsmotor gestaltet sich jedoch als recht schwierig. Meist sind die Dampfvolumenströme recht klein, jedoch die notwendigen Drehzahlen der Dampfturbine vergleichsweise hoch, so dass eine Kopplung des Dampfturbinenprozesses mittels eines Getriebes an einen Verbrennungsmotor zu beachtlichen Verlusten führt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine Anordnung sowie ein Verfahren zu schaffen, welche die Leistung eines Verbrennungsmotors mittels einer Dampfturbine steigert, wobei die vorstehend genannten Probleme vermieden werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anordnung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den in Anspruch 13 genannten Merkmalen gelöst.
  • Demnach ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch gekennzeichnet, daß durch die Dampfturbine der Kompressor antreibbar ist, und daß die Dampfturbine durch Dampf antreibbar ist, der aus der Abwärme eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors erzeugbar ist, dem Motor eine Dampfturbine zugeordnet ist, mittels welcher ein Kompressor antreibbar ist.
  • Der Kompressor ist durch eine Luftleitung für verdichtete Umgebungsluft mit der Luftzuführungseinrichtung beziehungsweise mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Des weiteren ist durch die Anordnung der Luftleitung beziehungsweise der Luftzuführungseinrichtung die verdichtete Umgebungsluft dem Eintrittsbereich des Verbrennungsmotors zugeführt. Auf diese Weise ist einem Verbrennungsmotor verdichtete Umgebungsluft, also ein entsprechend höherer Luftmassenstrom, zugeführt. Die Leistung des Verbrennungsmotors ist somit gesteigert, was insbesondere im Teillastbetrieb besonders vorteilhaft ist.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung sieht vor, daß der Kompressor mit einer Dampfturbine angetrieben ist, wobei die hierfür notwendige Energie dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors entnehmbar ist. Beispielsweise ist mittels eines Abhitzekessels, der mit mittels eines Wasser-Dampf-Kreislaufes mit der Dampfturbine verbunden ist, der Dampfturbine Dampf zuführbar, und derart die Energie aus der Abwärme des Aggregates zurückgewonnen.
  • Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, mit der von der Dampfturbine erzeugten mechanische Leistung, einen Kompressor anzutreiben, der einen erhöhten Massenstromes infolge eines erhöhten Aufladedruckes für den Verbrennungsmotor, z. B. einen Kolbenmotor, bereit stellt. Hierdurch steigt neben dessen mechanischer Leistung, zusätzlich die für den nachgeschalteten Dampfprozeß auskoppelbare Wärmemenge und der Wirkungsgrad der Anlage in vorteilhafter Weise.
  • Zudem ist die Dampfturbine drehmechanisch vollständig von dem Verbrennungsmotor entkoppelt. Somit ist eine entsprechende Abhängigkeit der Steuerung und Regelung der Dampfturbine von den Gegebenheiten des Verbrennungsmotors vorteilhaft vermieden. Die seither notwendigen Getriebe sind vermieden. Die Regelbarkeit der Dampfturbine steigt und mit dieser deren Wirkungsgrad, insbesondere im so genannten Teillastbereich. Auch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung steigt vorteilhaft.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftleitung zwischen dem Kompressor und dem Verbrennungsmotor ein Wärmetauscher angeordnet ist, mit dem die verdichtete Umgebungsluft kühlbar ist. Auf diese Weise wird der Massenstrom durch den Verbrennungsmotor weiter gesteigert, was mit einem weiteren Wirkungsgradanstieg verbunden ist. Erfindungsgemäß wird der Kompressor von einer Dampfturbine angetrieben. Die Dampfturbine erlaubt in besonders einfacher Weise durch einen nachgeschalteten Wasser-Dampf-Kreislauf die Energierückgewinnung aus der Abwärme der Maschine, und somit die Wirkungsgradsteigerung.
  • Eine besonders günstige Variante für den Wärmetauscher ist dessen Ausgestaltung als Verdampfungskühler, der einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist und zudem einen vergleichsweise verschleißarmen Betrieb gewährleistet.
  • Eine mögliche Ausgestaltung der Anordnung wird durch einen Kompressor erreicht, der drehzahlgeregelt ist. Ein derartiger Kompressor kann besonders einfach den Zustrom an Umgebungsluft zum Verbrennungsmotor regeln.
  • Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors, mit einer Luftzuführungseinrichtung zum Zu- und Einleiten von Umgebungsluft in die Maschine.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Kompressor Umgebungsluft angesaugt und verdichtet wird, daß die verdichtete Umgebungsluft der Luftzuführungseinrichtung zugeleitet wird, und daß die verdichtete Umgebungsluft dem Verbrennungsmotor zugeleitet wird. Dem Motor wird ein verdichteter Luftstrom und damit ein erhöhter Luftmassenstrom zugeführt, wodurch die Leistung vorteilhaft gesteigert wird.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die verdichtete Umgebungsluft gekühlt, bevor diese dem Verdichtereintrittsbereich zugeleitet wird. Damit kann der Luftmassenstrom in den Verbrennungsmotor weiter gesteigert, die Leistung des Motors also wiederum erhöht werden. Zudem wird die, für die Zündbedingungen eines Verbrennungsmotors wichtige, Prozeßtemperatur am Ende des Verdichtungstaktes, hierdurch direkt regelbar, was den Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses vorteilhaft steigert.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Anhand von dem der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sollen die Erfindung, eine vorteilhafte Ausgestaltung und Verbesserungen der Erfindung, sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Schema einer Anordnung zur Aufladung eines Verbrennungsmotors und
  • Fig. 2 ein Kennfeld für Leistung und Drehmoment über der Drehzahl eines Verbrennungsmotors mit und ohne Aufladung aus einem nachgeschalteten Wasser-Dampfkreislauf.
  • Fig. 3 ein Kennfeld für Wirkungsgrad und zur Verfügung stehender Abwärme über mechanischer Leistung eines Verbrennungsmotors mit Aufladung aus einem nachgeschalteten Wasser-Dampfkreislauf
  • Fig. 1 zeigt anhand eines Schemas ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung zur Leistungssteigerung eines BHKW-Modules 10 zur Stromerzeugung. Der Verbrennungsmotor 12 ist mechanisch mittels einer Welle 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Generator 22 zur Stromerzeugung gekoppelt. Der Stromerzeuger 10 ist in diesem Beispiel einem Wasser-Dampf-Kreislauf (80), wie er üblicherweise in einem Kombi-Kraftwerk verwendet wird, vorgeschaltet. Die verschiedenen Komponenten des Wasser-Dampf-Kreislaufs (80) sind im Schema nicht dargestellt.
  • Der Eintrittsbereich des Verbrennungsmotors 12 ist mit einem ersten Luftkanal 24 verbunden, der Umgebungsluft zum Verbrennungsmotor leitet. Häufig sind in dem ersten Luftkanal 24 Filterelemente zur Luftreinigung vorhanden, in dem gewählten Beispiel jedoch nicht dargestellt. Mit einem ersten Ventil 26, das im ersten Luftkanal 24 angeordnet ist, ist der direkte Luftpfad zum Verbrennungsmotor verschließbar, so daß in dessen geschlossenen Zustand keine Umgebungsluft über das erste Ventil zum Verbrennungsmotor 12 gelangen kann. Unmittelbar stromaufwärts zum ersten Ventil 26 ist ein zweiter Luftkanal 28 angeordnet, der den ersten Luftkanal 24 mit der Lufteintrittsseite eines Kompressors 30 verbindet. Die Luftaustrittsseite des Kompressors 30 ist mit einem dritten Luftkanal 32 mit der Lufteintrittsseite eines Verdampfungskühler 34 verbunden. An dessen Luftaustrittsseite schließt ein vierter Luftkanal 36 an, der mit dem ersten Luftkanal 24 im Nahbereich des Lufteintritts des Verbrennungsmotors 12 verbunden ist. Der Einsatz eines Verdunstungskühlers bietet sich an, wegen seines kostengünstigen kompakten Aufbaus und der Emissionsminderung der Abgase des Verbrennungsmotors durch die Aufsättigung der Verbrennungsluft.
  • Der Verdichter 30 ist mit einer Verbindungswelle 40 an eine Dampfturbine 42 angekoppelt. Kühlwasser wird über eine Leitung 70 zunächst dem Verbrennungsmotor 12 zugeführt. Das Wasser wird in einem Abhitzedampferzeuger 60 verdampft und einer Hochdruckdampfleitung 43 zugeführt. Die Hochdruckdampfleitung 43 verbindet ein Dampfregelventil 44 mit der Dampfturbine 42, deren Drehzahl beziehungsweise deren Leistung durch eine Druck- oder Dampfstromregelung regelbar ist. Die Abdampfleitung 50 ist an einer geeigneten Einleitestelle für den Abdampf mit dem Wasser- Dampf-Kreislauf des Verbrennungsmotors verbunden, der jedoch in dieser Figur nicht näher dargestellt ist.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung hat der Verbrennungsmotor eine Leistung von 58 kW und die Dampfturbine eine Leistung von 5,5 kW. Die wesentliche Randbedingung für diesen Kreislauf ist eine ausreichend hohe Abgastemperatur aus dem Verbrennungsmotor, die hier oberhalb von 350°C liegt, um den nachgeschalteten Dampfprozeß effektiv betreiben zu können. Schließlich wird im gewählten Beispiel ein Kühler, nämlich der Verdampfungskühler 34 im Luftstrom zwischen dem dritten Luftkanal 32 und dem vierten Luftkanal 36 angeordnet. Mit diesem Verdampfungskühler 34 kann die verdichtete Luft von hier 55°C auf ca. 20°C gesenkt werden. Die Motorenleistung kann derart in diesem Beispiel von 45 kW (ohne die Anordnung zur Leistungserhöhung) auf ca. 58 kW erhöht werden. Zudem steigt der Wirkungsgrad des exemplarisch gewählten Verbrennungsmotors 12 von 39,5% auf 49,7%.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wurde als Antrieb für den Kompressor 30 eine Dampfturbine 42 gewählt. Eine Hochdruckdampfleitung 43 zur Dampfturbine 42 ist mit einem Frischdampfsystem eines nicht näher dargestellten Wasser-Dampf- Kreislaufs 80 verbunden.
  • In der hier beispielhaft vorgestellten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Umgebungsluft durch den ersten Luftkanal 24 über den zweiten Luftkanal 28 vom Kompressor 30 angesaugt. Das erste Ventil 26 ist dabei geschlossen und ein direktes Ansaugen von Umgebungsluft den Verbrennungsmotors 12 wird dadurch verhindert. Der Kompressor 30 verdichtet die angesaugte Umgebungsluft auf einen bestimmten Enddruck. Dieser kann über eine Drehzahlregelung des Kompressors 30 eingestellt werden. In diesem Beispiel wird die Drehzahl über die Dampfturbine 42 vorgegeben beziehungsweise geregelt. Das ist besonders vorteilhaft, weil die Dampfturbine 42 durch das hier gewählte Dampfregelventil 44 mittels einer Drosselregelung auf einfache Weise geregelt werden kann.
  • Die auf den Enddruck verdichtete Umgebungsluft wird durch den dritten Luftkanal 32 zu dem Verdampfungskühler 34 geleitet, der die durch die Verdichtung im Kompressor 30 erwärmte Luft kühlt. Je tiefer die Temperatur der verdichteten Luft gekühlt wird oder werden kann, desto bessere Wirkungsgrade wird der Verbrennungsmotor 12 erreichen können. Die gekühlte verdichtete Umgebungsluft wird durch den vierten Luftkanal 36 von dem Verdampfungskühler 34 zum Eintrittsbereich des Verbrennungsmotors 12 geleitet. Dabei wird in diesem Ausführungsfall die gekühlte verdichtete Umgebungsluft zunächst stromabwärts vom geschlossenen ersten Ventil 26 in den ersten Luftkanal 24 eingeleitet.
  • Damit erhält der Verbrennungsmotor 12 einen vergleichsweise höheren Luftmassenstrom zugeführt, als das durch direktes Ansaugen von Umgebungsluft möglich ist. Mit dem erhöhten Luftmassenstrom steigt die Leistung des Verbrennungsmotors vorteilhaft an.
  • Fig. 2 zeigt das Beispiel der Kennlinien des exemplarisch gewählten Verbrennungsmotors 12, der mit einer erfindungsgemäßen Anordnung aufgeladen ist. Die Kennlinien sind in ein kartesisches Koordinatensystem eingetragen, wobei auf einer x- Achse 89 die Drehzahl n und auf einer ersten y-Achse 87 das Drehmoment sowie auf einer zweiten y-Achse 88 die Leistung des mit einer erfindungsgemäß aufgeladenen Verbrennungsmotors 12 aufgetragen ist.
  • Der erste Linie 84 zeigt das Drehmoment des Verbrennungsmotors 12 auf herkömmliche Art, also ohne Aufladung. Die zweite Kennfeldlinie 83 zeigt bei 3000 U/min Werte von 180 Nm im Vergleich zur ersten Linie 84 höhere Werte als 120 Nm, so daß hier die Erweiterung eines Gesamtkennfeldes deutlich erkennbar ist, wenn die erfindungsgemäße Aufladung des Verbrennungsmotors 12 genutzt wird.
  • Der erste Linie 86 zeigt die Leistung des Verbrennungsmotors 12 auf herkömmliche Art, also ohne Aufladung. Die zweite Kennfeldlinie 85 endet bei maximaler Motordrehzahl von 4000 U/min bei 58 kW im Vergleich zur ersten Linie 86 höhere Werte als 45 kW, was die Erweiterung eines Gesamtkennfeldes um etwa 28%, wenn die erfindungsgemäße Aufladung des Verbrennungsmotors 10 genutzt wird, verdeutlicht.
  • Fig. 3 zeigt das Beispiel der Kennlinien des exemplarisch gewählten Verbrennungsmotors 12, der mit einer erfindungsgemäßen Anordnung aufgeladen ist. Die Kennlinien sind in ein kartesisches Koordinatensystem eingetragen, wobei auf einer x- Achse 99 die Leistung und auf einer y-Achse 97 der mechanische Wirkungsgrad sowie auf einer y-Achse 98 die für den nachgeschalteten Wasser-Dampfkreislauf zur Verfügung stehende thermische Leistung des mit einer erfindungsgemäß aufgeladenen Verbrennungsmotors aufgetragen ist.
  • Der erste Linie 96 zeigt die für den nachgeschalteten Wasser-Dampfkreislauf zur Verfügung stehende thermische Leistung des Verbrennungsmotors 12 auf herkömmliche Art, also ohne Aufladung. Die zweite Kennfeldlinie 96 verdeutlicht die Erweiterung eines Gesamtkennfeldes von einer maximalen thermischer Leistung von 85 kWfth bei einer maximalen mechanischen Leistung von 40 kWmech auf 130 kWfth bei 55 kWmech auf Linie 95, wenn die erfindungsgemäße Aufladung des Verbrennungsmotors 10 genutzt wird.
  • Der erste Linie 94 zeigt den Wirkungsgrad η des Verbrennungsmotors 12 auf herkömmliche Art, also ohne Aufladung. Die zweite Kennfeldlinie 93 zeigt bei etwa 35 kW mit Werten von 49,7% im Vergleich zur ersten Linie 94 höhere Werte als 40%, was die Wirkungsgradsteigerung um etwa 20% über das Gesamtkennfeld, wenn die erfindungsgemäße Aufladung des Verbrennungsmotors 12 genutzt wird, verdeutlicht.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung beziehungsweise aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Gesamtwirkungsgrad in diesem Beispiel bei ca. 82% zwar nicht gesteigert, jedoch der elektrische Wirkungsgrad von ca. 39,5% auf ca. 49,7% gesteigert werden, was einer Brennstoffeinsparung von etwa 25% entspricht.
  • Die Optimierung der Betriebsparameter, wie z. B. Aufladedruck und zusätzliche Luftmenge wird unter Beachtung der zulässigen konstruktiven und werkstoffbezogenen Werte für den Verbrennungsmotor 12 vorgenommen.

Claims (21)

1. Anordnung zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors (12), mit einer Luftzuführungseinrichtung (24) zum Zu- und Einleiten von Umgebungsluft in einen Eintrittsbereich des Verbrennungsmotors (12), mit einem Kompressor (30), der verdichtete Umgebungsluft bereitstellt, und mit einer Luftleitung (32, 36), mittels der die verdichtete Umgebungsluft von dem Kompressor (30) in die Luftzuführungseinrichtung beziehungsweise zum Eintrittsbereich des Verbrennungsmotor (12) zuführbar ist, und mit einer Dampfturbine (42) dadurch gekennzeichnet, daß durch die Dampfturbine (42) der Kompressor (30) antreibbar, und daß die Dampfturbine (42) durch Dampf antreibbar ist, der aus der Abwärme eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (12) erzeugbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftleitung (32, 36) ein Wärmetauscher (34) zwischengefügt ist, mit dem die verdichtete Umgebungsluft kühlbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (34) ein Verdampfungskühler (34) ist.
4. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (30) drehzahlgeregelt ist.
5. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftzuführungseinrichtung (24) eine Beipasseinrichtung (26, 28) vorgeschaltet ist, durch welche die Umgebungsluft wahlweise zur Luftzuführungseinrichtung (24) oder zum Kompressor (30) zuleitbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Beipasseinrichtung (26) ein wählbarer Teilstrom von Umgebungsluft dem Kompressor (30) zuleitbar ist.
7. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführungseinrichtung (24) und gegebenenfalls die Luftleitung (36) Absperrmittel (26) aufweisen, durch welche die Zuleitung von Umgebungsluft oder/und verdichteter Luft absperrbar ist.
8. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgaswärmetauscher (60) vorhanden ist, durch den die Abgase des Verbrennungsmotors (12) leitbar sind.
9. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wasser-Dampf-Kreislauf (80) vorhanden ist, der den Abgaswärmetauscher (60) mit der Dampfturbine (42) in einen geschlossenen Kreislauf verbindet.
10. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorwärmeinrichtung (70) vorhanden ist, die Wasser des Wasser- Dampf-Kreislaufs (80) mit Abwärme des Verbrennungsmotors (12) vorwärmt, und daß mittels einer Vorwärmleitung (71) das vorgewärmte Wasser zu einer Speisepumpe (72) des zuleitbar ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorwärmer (73) der Vorwärmleitung (71) zwischengefügt ist, und daß der Vorwärmer (73) mit den Abgasen des Verbrennungsmotors (12) betreibbar ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmer (73) als Bauelement des Abgaswärmetauschers (60) ausgestaltet ist.
13. Verfahren zur Leistungserhöhung eines Verbrennungsmotors (12) mit einem Kompressor (30) durch den Umgebungsluft angesaugt und verdichtet wird, wobei die verdichtete Umgebungsluft einer Luftzuführungseinrichtung (24) beziehungsweise dem Verbrennungsmotor (12) zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor durch eine Dampfturbine (42) angetrieben wird, und daß die zur Verdichtung der Umgebungsluft notwendige Energie aus der Abwärme des Abgases des Verbrennungsmotors (12) gewonnen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Umgebungsluft gekühlt wird, bevor diese in den Eintrittsbereich des Motors (12) eingeleitet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckwert für die verdichteten Umgebungsluft stromabwärts des Kompressors (30) durch eine Drehzahlregelung des Kompressors (30) eingestellt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (30) durch eine Dampfturbine (42) angetrieben wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit überhitztem Dampf eines Wasser-Dampf-Kreislaufs die Dampfturbine (42) betrieben wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdampf der Dampfturbine (42) an einer dafür geeigneten Stelle wieder in den Wasser-Dampf-Kreislauf (80) eingeleitet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Beipasseinrichtung (26) der Zustrom von Umgebungsluft zum Kompressor (30) beziehungsweise zum Verbrennungsmotor (12) gesteuert wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase des Verbrennungsmotors (12) über den Abgaswärmetauscher (60) geleitet werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die nutzbare Abwärme des Abgases durch den Abgaswärmetauscher (60) in den Wasser-Dampf-Kreislauf (80) eingebracht wird.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008068060A1 (de) * 2006-12-05 2008-06-12 Robert Bosch Gmbh Aufladeeinrichtung
WO2008095599A1 (de) * 2007-02-05 2008-08-14 Voith Patent Gmbh Kraftfahrzeugantriebsstrang eines kraftfahrzeugs mit einem druckluftsystem
DE102007038073A1 (de) 2007-08-12 2009-02-19 Alexander Gotter Effiziente Energiewandlungsmaschine durch kombinierte Brennkraftmaschine mit Dampfprozess
DE102009039551A1 (de) 2009-09-01 2011-03-03 Andreas Gotter Brennkraftmaschine mit abgasgetriebenem Alkohol-Reformer und Bottoming-Cycle-Kombiprozess
US9719413B2 (en) 2012-10-08 2017-08-01 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Charging device for internal combustion engines
CN114382562A (zh) * 2022-01-24 2022-04-22 清华大学 分流再压缩纯氧燃烧循环系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3021691A1 (de) * 1979-10-05 1981-04-30 Wallace Murray Corp., New York, N.Y. Verbundmaschine mit einer vorverdichtung

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3021691A1 (de) * 1979-10-05 1981-04-30 Wallace Murray Corp., New York, N.Y. Verbundmaschine mit einer vorverdichtung

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008068060A1 (de) * 2006-12-05 2008-06-12 Robert Bosch Gmbh Aufladeeinrichtung
WO2008095599A1 (de) * 2007-02-05 2008-08-14 Voith Patent Gmbh Kraftfahrzeugantriebsstrang eines kraftfahrzeugs mit einem druckluftsystem
US8359860B2 (en) 2007-02-05 2013-01-29 Voith Patent Gmbh Drive train of a motor vehicle with a compressed-air system
US8857181B2 (en) 2007-02-05 2014-10-14 Steamdrive Gmbh Drive train, in particular vehicle drive train
DE102007038073A1 (de) 2007-08-12 2009-02-19 Alexander Gotter Effiziente Energiewandlungsmaschine durch kombinierte Brennkraftmaschine mit Dampfprozess
DE102009039551A1 (de) 2009-09-01 2011-03-03 Andreas Gotter Brennkraftmaschine mit abgasgetriebenem Alkohol-Reformer und Bottoming-Cycle-Kombiprozess
US9719413B2 (en) 2012-10-08 2017-08-01 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Charging device for internal combustion engines
CN114382562A (zh) * 2022-01-24 2022-04-22 清华大学 分流再压缩纯氧燃烧循环系统

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