DE19750360A1

DE19750360A1 - Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschine mit Einspritzung von Wasser in einen beheizten Arbeitsraum

Info

Publication number: DE19750360A1
Application number: DE1997150360
Authority: DE
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: Tea Technologiezentrum Emissionsfreie Antrieb GmbH
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1999-05-20
Also published as: WO1999025956A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschine mit Einspritzung von Wasser in einen beheizten Arbeitsraum gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Vorbekannt sind gattungsgemäße Dampfkraftmaschinen durch die Schriften DE-PS 8 28 988 und DE 27 43 584 A1 in deren Zylinderkolbeneinheit nach dosier ter Wassereinspritzung die Dampferzeugung unter Wärmezufuhr in einem beheizten Zylinderraum erfolgt.

Bei der Konstruktion gemäß der Schrift DE-PS 8 28 988 erfolgt die Wärmezufuhr zum Zylinder-Kolbenelement über Zylinderrippen mittels eines offenen Brenners am Zylinderkopf und am Zylinder im Hubbereich eines isolierten Wärmekopfes, der auf dem Kolben angeordnet und nach seiner Innenseite hin isoliert ist.

Bei der Maschine gemäß der Schrift DE 27 43 584 A1 erfolgt die Wärmezufuhr über eine geheizte Rohranordnung, die im Zylinderkopf angeordnet ist und deren Zwischenräume den Verdichtungsraum des Zylinderelementes bilden.

Bei beiden Dampfkraftmaschinenausführungen erfolgt eine Expansion der Dampf ladung unter Wärmezufuhr von dem Zylinderkopf und dem Zylinderelement. Den Auslaß für den expandierenden Wasserdampf bilden im Bereich des unteren Tot punktes durch den Kolben freigegebene Schlitze.

Nachteilig ist, daß die spezifisch hohe Verdampfungswärmemenge für das dosiert eingespritzte Wasser durch Wärmezufuhr über die beheizten Zylinderraumflächen bzw. Wärmetauscherflächen im Verdichtungsraum zugeführt werden muß.

Vorbekannt ist durch die Schrift DE 30 49 024 A1 ein Kolbenmotor, bei dem aus einem beheizten Drucksystem erhitztes Wasser unter einem solchen Druck in den Verdichtungsraum einspritzt wird, daß ein Ausdampfen vor dem Einspritzen in den Zylinderraum unterbleibt und erst eine Expansion und ein Verdampfen im Zylinder raum erfolgt.

Druck und Temperatur können so hoch sein, daß das Wasser in einem überkri tischen, quasi flüssigen Dampfzustand in den Zylinderraum eingespritzt wird. Beim Verdampfen des eingespritzten, quasi flüssigen Dampfes bei hoher Verdichtung im oberen Zylinderbereich wird auch die verdichtete Restladung des vorherigen Ar beitstaktes unter Druckerhöhung erhitzt.

Die Arbeitsabgabe an den Kolben erfolgt durch die Expansion der Ladung im Zylin der, die aus dem zu diesem Arbeitstakt eingespritzten und dann verdampften Wasser und der Restladung besteht.

Bei dieser Maschinenausführung wird zwar Dampf im quasi flüssigen Zustand mit mit hohem Wärme- und Druckniveau dem Zylinderraum zugeführt, jedoch die Flä chen des Arbeitsraumes werden nicht zur Wärmezuführung genutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Dampfkraftmaschine ein Arbeits verfahren mit sowohl hoher innerer und äußerer Prozeßwärmezuführung zu schaf fen, dessen Betriebsparameter maschinenbau- und materialtechnischen Gegeben heiten sowie schadstoffarmen Verbrennungsbedingungen für die Wärmeerzeugung angepaßt sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches ge nannten Verfahrensparameter gelöst. Die erfindungsgemäße Kombination der An wendung von Zuführung innerer Prozeßwärme durch Einspritzen von überkritischen Wasserdampf in seiner quasi flüssigen Form und äußerer Prozeßwärme durch die Wärmezuführung über den Zylinder und Zylinderkopf in den Arbeitszylinder gestat tet eine schnelle Leistungsmodulation von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel. Mit zeitlichem Verzug können die inneren und äußeren Leistungszuführungsraten für gleiche Lei stung verändert werden, um beispielsweise den Gesamtwirkungsgrad der Maschine zu optimieren.

Die in den Unteransprüchen genannten Einzelheiten zur Verfahrensdurchführung und -beeinflussung werden in der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird für Dampfkraftmaschinen eingesetzt, die mit Einspritzung von Wasser im Bereich des oberen Totpunktes in einen beheizten Zylinder- bzw. Arbeitsraum betrieben werden. Im Arbeitsraum erfolgt ein Verdampfen des Wassers und eine Entspannung des verdampften Wassers. Im Bereich um den unteren Totpunkt erfolgt eine Entlastung über Auslaßschlitze. Entsprechend der ein gestellten Last ist die eingespritzte Wassermenge variierbar.

Erfindungsgemäß wird Wasser als Wasserdampf im quasi flüssigen, überkritischen Zustand bei hohem Vordruck und hoher Temperatur in den Zylinderraum bei einer Stellung des Kolbens im Bereich des oberen Totpunktes gegen den Druck im Zylin derraum eingespritzt. Zusätzlich erfolgt jedoch noch die äußere Wärmezuführung zur Zylinderkolbeneinheit und damit zum Arbeitsraum und dessen Ladung. Die Tem peratur ist hierdurch im Verdichtungsraum beim Durchlaufen des Bereiches um den oberen Totpunkt und im Arbeitsraum beim Beginnen des Entspannens höher als die Temperatur des im quasi flüssigen Zustand eingespritzten Dampfes.

Restfüllung und Verdichtung sowie damit der Zylinderdruck in OT-Stellung des Kol bens und die Verdichtungstemperatur können zum Zwecke einer Leistungsregelung der Maschine mittels einer variablen Auslaßsteuerung eingestellt werden.

Im beheizten Verdichtungs- und Arbeitsraum der Zylinder-Kolbeneinheit ist bei OT- Stellung des Kolbens eine Temperatur bis 1000°C einstellbar. Dies ist bei vorzugs weiser Verwendung von keramischen bzw. kohlenstoffhaltigen Materialien für den Verdränger auf den Kolben möglich.

Temperaturen von 1000°C können wirtschaftlich mit fast schadstofffreien Brennver fahren erreicht werden.

Vorgewärmtes Wasser wird im flüssigen Zustand lastabhängig mengenbemessen in einen beheizten Druckspeicherkreis mit so hoher Temperatur und hohem Vordruck gefördert, daß es in diesem auf einen quasi flüssigen, überkritischen Dampfzustand erwärmt wird.

Aus diesem Druckspeicherkreis erfolgt vor bzw. bei Beginn eines Arbeitstaktes eine Einspritzung des quasi flüssigen Dampfes in den Zylinderraum und daraus Ladung, die nachfolgend erwärmt und expandiert wird.

Der im überkritischen flüssigen Zustand eingespritzte Dampf ist im Bereich von über 220,4 bar Druck und mit Temperaturen oberhalb von 374°C zu konditionieren. In diesen Bereichen von Druck und Temperatur sind übliche metallische Werkstoffe für den notwendigen Druckspeicher bzw. den Hochdruckerzeuger einsetzbar.

Vordruck und Temperatur im beheizten Druckspeicherkreis für den im quasi flüssigen Zustand eingespritzten Dampf können in Abhängigkeit

- der eingestellten Leistung,
- des Temperaturzustandes der Zylinder-Kolbeneinheit,
- des Zylinderdruckes vor OT

geregelt werden. Damit ist geringerer Leistungsaufwand für die Wärmezufuhr und die Druckerzeugung im Betriebsbereich von Teillast erzielbar.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Dampfkraftmaschine mit Einspritzung von Wasser in einen beheizten Arbeitsraum im Bereich des oberen Totpunktes und nachfol gender Entspannung und Ladungsentlastung im Bereich um den unteren Tot punkt, wobei entsprechend der Laststellung die eingespritzte Wassermenge variierbar ist, dadurch gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- Wasser wird im überhitzten quasi flüssigen Zustand unter hohem Vordruck und hoher Temperatur in den Zylinderraum bei einer Stellung des Kolbens um den oberen Totpunkt mit Überdruck gegenüber dem Zylinderraum eingespritzt, (die Temperatur der Zylinderkolbeneinheit ist im Bereich des oberen Totpunktes und beim Beginnen des Entspannens höher als die des Wassers im überhitzten quasi flüssigen Zustand.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorgewärmtes Wasser im flüssigen Zustand lastabhängig bemessen in einen beheizten Druckspeicherkreis mit hoher Temperatur und hohem Vordruck gefördert wird und aus diesem für jeden Zylinderarbeitstakt in den Zylinderraum eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im beheizten Druckspeicherkreis Vordruck und Temperatur für das im quasi flüssigen Zustand einzuspritzende Wasser einstellbar sind.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Vordruck und Temperatur im beheizten Druckspeicherkreis für das im flüssigen Zustand einzuspritzende Wasser in Abhängigkeit der Zylindertempe ratur einstellbar sind.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer variablen Auslaßsteuerung der Zylinderdruck vor OT ein stellbar ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Vordruck und Temperatur im beheizten Druckspeicherkreis für das im flüssigen Zustand einzuspritzende Wasser in Abhängigkeit des Zylinder druckes vor OT einstellbar sind.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das im quasi flüssigen Zustand einzuspritzende Wasser mit einem Druck im Bereich über 220,4 bar Druck und mit Temperaturen im Bereich oberhalb 374°C konditionierbar ist

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, im beheizten Arbeitsraum im Bereich des oberen Totpunktes eine Temperatur bis 1000°C einstellbar ist.