DE19912778A1

DE19912778A1 - Dampf-Zonen-Verfahren

Info

Publication number: DE19912778A1
Application number: DE19912778A
Authority: DE
Inventors: Struck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 1999-09-02

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungserhöhung und Wirkungsgradverbesserung von Verbrennungskraftmaschinen durch Zuführung von Wasser bzw. Wasserdampf.

Mit den bisher angewandten Methoden wurden seit Jahrzehnten hinsichtlich des Aufwand- Nutzen- Verhältnisses nur relativ geringe Vorteile zur Leistungserhöhung, Verringerung der Klopfneigung und Senkung der Schadstoffbelastung der Abgase erreicht.

Durch eine neue Verfahrensqualität sollen die Abwärmeverluste deutlich verringert- und gleichzeitig ein verbesserter Wärmeschutz thermisch hochbelasteter Brennraumteile erreicht werden, so daß die herkömmliche Wasserkühlung teilweise oder völlig ersetzt werden kann.

Der wesentliche Nachteil der bisher angewandten Verfahren besteht vor allem in der relativ schnellen und hochgradigen Homogenisierung des zugeführten Wassers bzw. Wasserdampfes mit den Brenngasen.

Erfindungsgemäß wird Wasser oder Wasserdampf dem Brennraum so zugeführt, daß der zugeführte Wasserdampf oder der durch das eingeleitete Wasser entstehende Wasserdampf die Brenngase räumlich und zeitlich zumindest teilweise von der Brennraumoberfläche abschirmt- bzw. so, daß er insbesondere nur bestimmte Zonen des Brennraumes füllt.

Die Wasser- oder Wasserdampfzuführung in den Brennraum erfolgt dergestalt, daß ein optimaler Kontakt zur Brennraumwandung gewährleistet wird und möglichst keine Verdampfung in zentralen Brennraumbereichen stattfindet.

Dies wird im folgenden an Hand von 3 Anwendungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1 Anwendung des Verfahrens beim 4-Takt Dieselmotor

Um das Verfahren optimal anwenden zu können, ist die Gestaltung der Brennraumform von großer Bedeutung. Günstig ist es, einen kompakten z. B. Kugelbrennraum mit einer umfangreichen Quetschzone zu kombinieren. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Kolbengestaltung realisiert werden:

Eine extreme Vergrößerung der Feuersteghöhe erzeugt eine solche Quetschzonenerweiterung. Der oberste Kompressionskolbenring befindet sich dann etwa in der Mitte des gegenüber der Normalform verlängerten Kolbens.

Um einen sicheren Kolbenlauf zu erhalten, können in Kolbennuten am oberen Ende des Kolbens Federn aus selbstschmierendem Material - z. B. Kunstkohle - in Schrägstellung angebracht werden.

In OT-Kolbenstellung besteht dann der gesamte Brennraum nur aus den Quetschzonen zwischen Kolben und Laufbuchse sowie Kolben und Zylinderkopf und dem Kugelbrennraum im Kolben.

Die Dampfzuführung erfolgt tangential in den Zylinder insbesondere genau über der Stellung des oberen Kompressionsringes bei OT- Kolbenlage.

Die Zufuhr kann z. B. über eine Ventilsteuerung vorgenommen werden, insbesondere so, daß der Dampfeintritt vor der Kraftstoffeinspritzung beginnt, während der Kraftstoffeinspritzung seinen Höhepunkt erreicht und zumindest während der Schlußphase des Ausstoßtaktes in gedrosselter Form fortgesetzt wird.

Für das Verfahren eignet sich besonders der geschlossene Wasserkreislauf: Durch eine entsprechende Kühlvorrichtung wird Wasser aus den Abgasen kondensiert und über eine Hochdruckpumpe in den Verdampfer gefördert, der zur Wasserverdampfung die Abgaswärme nutzt.

Da durch das Dampf-Zonen-Verfahren nicht nur Leistung und Wirkungsgrad erhöht werden sollen, sondern auch die maßeintensive konventionelle Wasserkühlung ersetzt werden soll, kann der Wassermengendurchsatz deutlich über der Masse des Kraftstoffdurchsatzes liegen.

Um den Verlauf der Kondensation und der sich anschließenden Verdampfung zu optimieren, sollte die Abgasführung konstruktiv insbesondere so gestaltet sein, daß im Hochtemperaturbereich, in welchem sich der Verdampfer befindet, ein relativ hoher Abgasdruck besteht. Über eine Drossel bzw. Düse sollten die Abgase beim Überströmen in den luftgekühlten Kondensationsbereich weitgehend entspannt werden insbesondere bei stationären Anlagen ist eine Wasserkühlung des Kondensationsbereiches zweckmäßig.

Es liegt im Interesse der Minimierung der Abgas-Schadstoffbelastung, die Wasserkondensation mit einer entsprechenden Säureneutralisation zu kombinieren.

Für das Verfahren braucht kein zusätzliches Wasser von außen zugeführt werden, da durch die Kraftstoffverbrennung mehr Wasser zusätzlich erzeugt wird, als normale Verluste im luftgekühlten Kondensationsteil auftreten.

Als Ausnahme kann für den Kaltstart eine relativ geringfügige Menge enthärteten Wassers z. B. durch elektrische Beheizung verdampft werden und nach Überschreitung einer entsprechenden Zylindertemperatur dem Brennraum zugeführt werden, bis im Verdampfer des Kreislaufes ein ausreichender Dampfdruck erreicht ist.

Wird das Wasser dem Zylinder insbesondere in flüssiger Form zugeführt, sollte ihm ein Korrosionsinhibitor zugesetzt werden.

Beispiel 2 Anwendung des Verfahrens beim 4-Takt-Ottomotor

Die Anwendung kann analog den Ausführungen in Beispiel 1 erfolgen.

Insbesondere bei kleineren Motoren kann das Wasser auch in flüssigem Zustand zugeführt werden, um den Verfahrensaufwand zu verringern.

Hierzu kann die Abgasführung so erfolgen, daß sich der als Hochdruckbehälter gefertigte Kondensatsammelraum oberhalb des Verbrennungsraumes befindet.

Über ein federbelastetes Rückschlagventil im Zylinderkopf und eine entsprechende Zuleitung wird der Sammelraum mit dem notwendigen Arbeitsdruck versorgt. Hierdurch werden gleichzeitig extreme Druckspitzen im Arbeitstakt abgepuffert. In der Warmlaufphase wird die ventilgesteuerte Wasserzufuhr erst nach Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur freigegeben. Die gesamte Brennraumoberfläche sollte hochkorrosionsfest sein.

Beispiel 3 Anwendung des Verfahrens bei der Gasturbine

In Brennkammern von Gasturbinen kann die Brennraumwandung erfindungsgemäß durch Wasser bzw. Wasserdampf von den Brenngasen abgeschirmt werden.

Um hohe Turbineneintrittstemperaturen zu ermöglichen, findet bei herkömmlichen Verfahren eine Kühlung der Turbinenschaufeln mit vom Verdichter abgezweigter Luft statt. Die Luft durchströmt in Kühlkanälen die Schaufeln und kann neben der Konvektionskühlung zusätzlich zur Film- und Schwitzkühlung verwendet werden, indem sie sich nach dem Austritt aus den Bohrungen in der Schaufeloberfläche als schützender Film um das Schaufelprofil legt. Verwendet man jetzt an Stelle der Kühlluft Wasserdampf, der zweckmäßigerweise - wie beim Anwendungsbeispiel 1 beschrieben - aus den Abgasen gewonnen wird, geschieht dies im Sinne des Dampf- Zonen-Verfahrens. Auch der von modernen Triebwerken her bekannte Turbinen-Mantel-Luftstrom sollte bei stationären Anlagen durch einen Wasserdampf-Mantelstrom ersetzt werden.

Claims

1. Dampf-Zonen-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser oder Wasserdampf so in den Verbrennungsraum bzw. Arbeitsraum von Verbrennungskraftmaschinen geführt wird, daß die Hauptmenge des entstehenden bzw. zugeführten Wasserdampfes die den Brennraum bzw. Arbeitsraum umschließenden Oberflächen zumindest zeitweise von den Brenngasen abschirmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser- oder Wasserdampfzuführung in den Brennraum insbesondere annähernd tangential gerichtet erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser- oder Wasserdampf insbesondere in Quetschzonen eingeführt wird.