DE2450077A1

DE2450077A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2450077A1
Application number: DE19742450077
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Wieser
Original assignee: WIESER DR RUDOLF
Current assignee: WIESER DR RUDOLF
Priority date: 1974-10-22
Filing date: 1974-10-22
Publication date: 1976-04-29

Description

Brennkraftmaschine

Der steigende Bedarf an flüssigen und gasförmigen Brennstoffen führt bereits jetzt zu Mangelerscheinungen in der Versorgung mit diesen Stoffen. Dabei ist zu erwarten, daß die Engpässe auf dem G-eMet der Treibstoffversorgung in Zukunft noch einschneidender sein werden.

Eine Möglichkeit, dem Mangel an flüssigen und gasförmigen Treibstoffen zu begegnen besteht darin, die Wirkungsgrade der Verbrennungskraftmawchinen anzuheben, d.h. die Umwandlungsrate der kalorischen Treibstoffenergie in mechanische Energie zu verbessern.

Der wirtschaftliche Wirkungsgrad eines Motors ist bekanntlich das Verhältnis der effektiven Motorleistung zu der im Brennstoff zugeführten kalorischen Energie:

{V - wirschaftlicher Wirkungsgrad; 632 kcal = 1 PSh; Ta β stündlicher Brennstoffverbrauch je abgegebener ES; h β unterer Heizwert des Brennstoffes)

Dieser wirtschaftliche Wirkungsgrad beträgt bei Verpuff ungsmot or en (Ottomotoren) ca. 28 °/o und bei Dieselmotoren etwa 4-0 $>.

Zur Steigerung des wiiteehaftlichen Wirkungsgrades auf 50 bis 55 $y wird nun erfindungsgemäß eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die mit mehrstufiger Verdichtung mit Zwischenkühlung, mit hoher Regener at iworwärmung (auf ca. 75O⁰G), und mit intermittierender Verbrennung und Entspannung in einem oder mehreren Arbeitszylindern (Kolbenhubzylindern) arbeitet.

Dabei besteht diese Brennkraftmaschine aus einem mehrstufigem Kompressoraggregat mit Zwischenkühlern, dem Regenerativ vorwärmer/i und einem aller mehreren Arbeitszylindern (Kolbenhubzylindern), in denen die intermittierende Verbrennung des Treibstoffes und die Entspannung des Arbeitsgases erfolgen.

Das mehrstufige Kompressoraggregat kann dabei aus 60981 8/0125

Stufenverdichtern unterschiedlicher Bauart bestehen (Turboverdichter, Kolbenverdichter, Schraubenverdichter, rotierenden Vielzellenverdichtern oder anderen.)

Die aus der letzten Verdichterstufe mit einem Druck von 25 - 40 (50) bar austretende luft wird im Regenerativvorwärmer durch die Abgase aus den Arbeitszylindern auf etwa 75O⁰G vorgewärmt. Dadurch kann die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine auf 200 - 25O⁰G gesenkt werden.

Während der Bewegung des Kolbens vom Zylinderkopf zum Kurbelgehäuse hin (Hingang) wird im ersten Teil des Hubes (über 5 - 10 ^ü/o des Gesamthubes) durch das Einlaßventil komprimierte und Torgewärmte Luft in den Zylinder eingelassen; dann das Einlaßventil geschlossen. Unmittelbar anschließend erfolgen dann die Einbringung, Zündung und Verbrennung des Treibstoffes, der durch die Einspritzdüse eingespritzt wird. (Eventuell auch Einblasung eines außerhalb des Zylinders verdampften Treibstoffes durch eine Einblasedüse). Erforderlichenfalls kann die Treibstoffeinbringung auch schon, kurz vor dem Sehließen des Einlaßventils beginnen. Die Verbrennung erfolgt dann annähernd bei konstantem Druck (25-40-50 bar) und ist bei 15 - 20 ^a/> des Kolbenhubes beendet. Über dem restlichen Teil dieses Kolbenhubes (Hinganges) erfolgt dann die Expansion der Plammengase auf 1,5 - 2,6 bar (absolut) und eine Austrittstemperatur von ca. 800 G.

Im kurbelsextigem Totpunkt (oder knapp vor diesem) öffnet das Auspuffventil. Während der Kolbenbewegung von der Kurbelseite zur Zylinderkopfseite (Rückgang des Kolbens) werden die Verbrennungsgase aus dem Zylinder ausgeschoben.

Bei dieser Art des Arbeitsablaufes gibt es also bei jeder Kurbelumdrehung einen Arbeitstakt (wie bei einem herkömmlichen Zweitaktmotor).

Die Verbrennungsendtemperatur im Zylinder beträgt ca. 2000°0, eventuell auch mehr.

^/^ Durch die mehrstufige Kompression mit Zwischenkühlung und die Regeneratiworwärmung läßt sich der Wirkungsgrad dieser neuen Brennkraftmaschine beachtlich steigern. Die Durchrechnung des idealen Prozesses (ohne Kühl-, Wirbel- und Drosselverluste und bei rein adiat^:-tischen Zustandsänderungen bei

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Kompression und Expansion) ergibt einen thermischen Wirkungsgrad von ca. 80 $, was einen wirtschaftlichen Wirkungsgrad von 50 55 1o erwarten läßt. (Vergleichsweise liegen die thermischen Wirkungsgrade von Verpuffungs- und Dieselmotoren zwischen 43 und 65 %)

Dabei ist bei der neuen Brennkraftmaschine die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Größe des Kompressionsenddruckes gering, d.h. daß z.B. bei einem Verdichtungsenddruck von 25 bar ebenfalls hohe thermische und wirtschaftliche Wirkungsgrade erzielbar sind. Diese Eigenschaft ermöglicht die Ausführung leichter und billiger Kurbelwellen und Lager.

Andererseits sind die erreichbaren mittleren effektiven Kolbendrücke verhältnismäßig hoch (5,5 - 7,5 bar).

Um bei Teillast der neuen Brennkraftmaschine ebenfalls eine hohe Regenerativvorwärmung zu erzielen und mit hohen Verbrennungstemperaturen zu arbeiten wird nach einem anderen Merkmal der Erfindung bei Teillast eine verringerte Arbeitsluftmenge (Luftgewicht) bei verringertem Kompressionsenddruck in die Arbeitszylinder gefördert. Hiedurch sind auch bei Teillast hohe Wirkungsgrade erzielbar.

Bei kleineren Motoren kann dies nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung in zweckmäßiger Weise in der Art geschehen, daß das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbelwelle der Arbeitszylinder und der Welle des Kompressoraggregates z.B. durch ein Regelgetriebe verändert wird.

Bei BrennkEaftmaschinen großer Leistung wird das Kornpres s or aggregat nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch besondere Gruppe von Arbeitszylindern angetrieben, während die eigentliche Arbeitsmaschine (z.B. elektrischer Generator, Schiffs schraube u.a.) durch eine andere Gruppe von Arbeitezylindern angetrieben wird. Die Versorgung beider Gruppen von Arbeitszylindern mit Verbrennungsluft erfolgt dabei durch das Kompressoraggregat. Durch diese Art des Antriebes des Kompressoraggregates kann auch die obere Grenzleistung der neuen Brennkraftmaschine gesteigert werden.

Um während der Verbrennung und der Expansion in den Zylindern dem Arbeitsgas möfLiehst wenig Wärme zu entziehen sind nach einem anderen Merkmal der Erfindung die Stirnflächen der

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Kolben, die Innenflächen der Zylinderköpfe und die Zylinderinnenflächen selbst mit Isolierungen aus hochfesten und hochschmelzenden Quarzglas (welches einen sehr niederen Wärmeausdehnungskoeffitienten besitzt), abgekleidet.

Hiedurch wird die mittlere Innenwandtemperatur auf über 1000 0 angehoben und die Zündung und Verbrennung des Treibstoffes erfolgen unter sehr günstigen Bedingungen.

Die Kolbenringe sind in einem Bereich der metallischen Zylinderlaufbüchse angeordnet, der ausreichend gekühlt und mit Schmieröl genügend benetzt ist. Die Kolben werden zweckmäßig aus Invarstahl gefertigt oder mit eingelegten Invarringen versehen. -

In den Zeichnungen sind einige beispielsweise Ausführungen des Erfindungsgegenstandes, sowie ein Temperatur- Entropie-Diagramm und zwei Druck-Volumen-Diagramme dargestellt.

Fig. 1 zeigt das Schaltschema der neuen Brennkraftmaschine. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Arbeitszylinder nach der linie A-B mit Steuerdiagramm. Fig. 3 zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm des thermodynamischen Prozesses. Fig. 4 zeigt das Druck-Volumen-Diagramm der mehrstufigen Kompression. Fig. 5 zeigt das theoretische Indikatordiagramm eines Arbeitszylinders. Fig. 6 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Arbeitszylinder mit innerer Isolierung. Und Fig. 7 zeigt schließlich das Schema einer großen Brennkraftmaschine, bei der das Kompressoraggregat durch eine Gruppe von Arbeitszylindern und die Arbeitsmasdhine (hier Schiffsschraube) durch eine andere Gruppe von Arbeitszylindern angetrieben werden.

Das Kompressoraggregat 1, bestehend aus den vier Kompressoren 1a, 1b, 1c und 1d (hier als Rotationskompressoren skizziert) und dem Zwischengetriebe 2 ist mit 3 Zwischenkühlern 3a, 3b und 3c ausgerüstet. Die aus dem Endkompressor 1d austretende verdichtete Verbrennungsluft wird über die Verbindungsleitung 4 zum Regenerativvorwärmer 5 geleitet, wo ihre Aufwärmung durch die Abgase des Arbeitszylinders 6 erfolgt. Vom Regenerativvorwärmer 5 wird die Verbrennungsluft dann durchdie Leitung 4a zum Einlaßventil 7 des Arbeitszylinders 6 geleitet. Das Einlaßventil 7 und das Auslaßventil 8 steuern die Gaswechselvorgänge. Die Brennstoffeinspritzung erfolgt durch die Brennstoffdüse 8a.

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Über den Kol"ben 9 ur.d die Pleuelstange 10 wird die Expansionsarbeit der Gase auf die Kurbelwelle 11 übertragen. Von der Kurbelwelle 11 erfolgt der Antrieb des Kompressoraggregates 1 über ein Regelgetriebe 12 (hier ils PIV-Getriebe gezeichnet).

In Pig. 2 sind die Steuerpunkte für die Ventilsteuerung enthalten. Während des Hinganges ist über dem Kurbelwinkel oC das Einlaßventil 7 geöffnet.. Über dem Kurbelwiiikel /5 erfolgt die Einbringung und Verbrennung des Treibstoffes. Über dem Kurbelwinkel S^ geschieht die Expansion des Arbeitsgases. Während des Rückganges des Kolbens erfolgt bei geöffnetem Auslaßventil 8 der Ausschub der Verbrennungsgase über dem Kurbelwinkel cT .

Fig. 4 zeigt das Druck-Volumen-Diagramm der mehrstufigen Verdichtung jener Luftmenge, die in einem Arbeitszylinder bei einem Entspannungshub arbeitet. U. zw. zeigt Linie 13 die Verhältnisse bei Vollast und Linie 14 die Verhältnisse bei Teillast. Bei Teillast ist der Kompressionsenddruck kleiner äLs bei Vollast.

Fig. 5 zeigt das ideale Indikatordiagramm des Arbeitszylinders. Über der Strecke a des Kolbenhubes H erfolgt das Einströmen der komprimierten und vorgewärmten Luft, über der Strecke "b die Brennstoffeinbringung und Verbrennung. Die Volumsvergrößerung c rührt von der Aufwärmung im Regeneratiworwärmer 5 her. Die Linie 15 zeigt die Expansion bei Vollast, die Linie 16 die Expansion bei Teillast. Die Steuerpunkte der Ventile und die Dauer der Brennstoff einbringung bleiben auch bei Teillast gleich.

Fig. 6 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Arbeitszylinder mit innerer Y/ärmeisolierung. Der Kolben 9 trägt an seiner Stirnfläche eine Isolierplatte 17 aus Quarzglas. Der Zylinderkopf 18 trägt an seiner Innenfläche ebenfalls eine Isolierplatte 19 aus Quarzglas. In die metallische Zylinderbüchse 20, die außen vom Kühlwasserkanal 21 umgeben ist, ist eine (geteilte) zylindrische Buchse 22 aus Quarzglas eingepreßst.

Der schädliche Raum d des Zylinders ist so klein wie mög- ^_n lieh auszuführen. ^J

Fig. 7 zeigt das Schema einer großen Brennkraftmaschine. -^ Das Kompressoraggregat 1 mit Zwischengetriebe 2 und Zwisehenküh- ^ lern 3a, 3b und 3c wird von einer Gruppe 23 von Arbeitszylindern °° über ein Getriebe 24 angetrieben. Diese Gruppe 23 von Arbeitszy- ο

co lindern besitzt einen eigenea Regeneratiworwärmer 5§c-

Das Kompressoraggre^ it 1 versorgt auch die Gruppe 25 von

Arbeitszylinder]!, die 3ine Schiffsschraube 26 antreiben. Diese Gruppe 25 von Arbe its zylindern hat einen eigenen Regener at iworwärmer 5t».

Für das Anfahren der Gruppen 23 und 25 von Arbeitszylindern ist je ein elektrisch beheizter YiTindkessel 27a, 27b vorgesehen, die die Arbeitszylinder mit heißer Luft versorgen. Diese Windkessel 27a, 27b speisen während des Anfahrens über Absperrventile 28a, 28b in die Verbindungsleitungen 4a, 4b zwischen den Regeneratiworwärmern 5a, 5b und den Gruppen 23, 25 von Arbeitszjclindern ein. —

Da die neue Brennkraftmaschine einen geringen spezifischen Treibstoffverbrauch besitzt und daher weniger Abgase erzeugt, stellt sie auch einen beachtenswerten Beitrag gegen die Umweltverschmutzung dar. Auch die an die Umgebung abgegebene Verlustwärmemenge ist bei ihr geringer.

Überdies erfolgt die Verbrennung des Treibstoffes bei hohem Luftüberschuß (Luftüberschußzahl ca. 1,5), sodaß Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxyd und Ruß in den Abgasen nur in sehr geringem Maße vorkommen weräen. Gegen Stickoxyde wird man zweckmäßig ein Abgasfilter einsetzen oder mit teilweiser Abgasrückführung arbeiten.

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Claims

P at ent on3pr üche.

1.) Brennkraftmaschine iür die Verbrennung flüssiger, dampf- oder gasförmiger Treibstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem mehrstufigen Kompressoraggregat (1) mit Zwischenkühlern (3a, 3b, 3c), mindestens einem Regenerativwärmetauscher (5) und einem oder mehreren Arbeitszylindern (6) für interne Verbrennung des Treibstoffes besteht.

2.) Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsleitung (4) der Kompressorenendstufe (1d) zum wärmeaufnehmenden Teil des Regenerativwärmetauschers (5) und die νerbrennungsluftführende Verbindungsleitung (4a) vom Regenerativwärmetauscher (5) weiter zu den Einlaßventilen (7) der Arbeitszylinder (6) führen, während die Abgasleitungen (4c) der Arbeitszylinder (6) von deren Auslaßventilen (8) zum wärmeabgebenden Teil des Regenerativwärmetauschers (5) leiten.

3·) Arbeitsverfahren einer Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression der Verbrennungsluft zur Gänze im mehrstufigen Kompressoraggregat (1) erfolgt, im Regenerativwärmetauscher (5) die Vorwärmung der Verbrennungsluft durch Abgase der Arbeitszylinder (6) geschieht und die Verbrennung des Treibstoffes intermittierend in den Arbeitszylindern (6) stattfindet.

4.) Arbeitsverfahren in den Arbeitszylindern (6) einer BrennXE&EE-kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß beim Hingang des Kolbens (9) zuerst die Füllung -mit komprimierter und vorgewärmter Verbrennungsluft (über den Kurbelwinkel cL ), dann die Treibstoffeinbringung und Treibstoffverbrennung (über den Kurbelwinkel β ) und schließlich die Expansion des Arbeitsgases (über den Kurbelwinkel £" ) erfolgt und daß beim Rückgang des Kolbens die Ausschiebung der Verbrennungsgase (über den Kurbelwinkel c>~ ) geschieht.

5.) Verfahren zur Teillastregelung einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast der Kompressionsenddruck wesentlich kleiner als bei Vollast ist, wobei vorzugsweise die Anteile (a) des Kolbenhubes (H) für die Füllung mit Verbrennungsluft bei Teillast und Vollast etwa gleich groß sind.

6.) Brennkraftmaschine nach einem der Anspräche } bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kurbelwelle (11) der Arbeits-

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zylinder (6) und der Welle des Kompressoraggregates (1) ein Regelgetriebe (12) angeordnet Lsi;.

7.) Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis $, dadurch gekennzeichnet, daß zur inneren Wärmeisolierung der Verbrennungsräume die Stirnflächen der Kolben (9) mit Isolierplatten $17) abgekleidet sind.

8.) Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur ,inneren Wärmeisolierung der Verbrennungsräume die Innenflächen der Zylinderköpfe (18) mit Isolierplatten (19) abgekleidet sind.

9.) Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur inneren Wärmeisolierung der Verbrennungsräume die metallischen laufbüchsen (20) innen eingepreßte Büchsen. (22) aus Isolierstoff besitzen.

10.) Brennkraftmaschine für große Leistungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressoraggregat (1) von einer Gruppe (23) von Arbeitszylindern und die Arbeitsmaschine (z.B. Schiffsschraube 26) durch eine andere Gruppe ^25) von Arbeitszylindern angetrieben werden, wobei beide Gruppen von Arbeitszylindern (23> 25) durch das Kompressoraggreggct (1) mit Verbrennungsluft versorgt werden.

11.) Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gruppe von Arbeitszylindern (23, 25) ein Regenerativwärmetauscher (5a, 5b) zugeordnet ist.

12.) Brennk^raftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dardurch gekennzeichnet, daß sie für das Anfahren mit wenigstens einem elektrisch beheiztem Windkessel (27a) ausgerüstet ist, der über ein Absperrventil (28a) mit der durch Verbrennungsluft beaufschlagten Verbindungsleitung (4a) zwischen Regenerativwärmetauscher (5) und Arbeitszylindern (6) verbunden ist.

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