DE2525585C2

DE2525585C2 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für den Unterwassereinsatz

Info

Publication number: DE2525585C2
Application number: DE2525585A
Authority: DE
Inventors: Guido Mailand/Milano Brunner
Original assignee: S.S.O.S. Sub Sea Oil Services S.p.A., Mailand/Milano
Priority date: 1974-06-11
Filing date: 1975-06-09
Publication date: 1987-01-08
Also published as: JPS518405A; NL7506797A; FR2274786A1; GB1513958A; NO752020L; FR2274786B1; CA1027818A; DE2525585A1; IT1020634B; JPS594536B2; SE7506596L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für den Unterwassereinsatz, bei dem der Maschine ein Kohlenwasserstoffkraftstoff zugeführt und das Abgas zum einen Teil nach dem Zumischen von einem Sauerstoff zur Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt und zum anderen Teil aus dem Rückführkreislauf ausgeschieden wird.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt (DE-OS 23 18 925). Dort wird der auszuscheidende Abgasteil aus dem Kreislauf abgezweigt, ohne sonstige Behandlung lediglich auf einen der Wassertiefe entsprechenden Druck verdichtet und dann über ein Ventil in das umgebende Meereswasser eingeleitet. Das restliche Abgas wird im Kreislauf durch eine Mischkammer geführt, in der reiner Sauerstoff zugemischt wird, worauf die Mischung zum Motor zurückgeführt wird, dem der Brennstoff direkt zugeführt wird.
Das bekannte Verfahren ist insoweit für den Unterwasserbetrieb bzw. in einem abgeschlossenen Raum ohne Energiezuführung von außen gut geeignet, weil als Betriebsmittel lediglich der Kohlenwasserstoffkraftstoff und reiner Sauerstoff benötigt werden, die kompakt ohne große Volumina in flüssiger Form bzw. in einem Druckbehälter bereitgestellt werden können. Nachteilig ist jedoch, daß aus dem Kreislauf ein Abgasanteil ausgeschieden wird, der nicht nur Kohlendioxid, sondern auch unvollständig verbranntes Kohlenmonoxid enthält, was den Wirkungsgrad verschlechtert und den Ausscheidungsvorgang belastet. Dabei sind Einrichtungen zur Verdichtung des auszuscheidenden Abgasteils erforderlich, die einen gewissen Raum beanspruchen. Ebenfalls muß die Verdichtungsenergie aufgebracht werden, um den abgezweigten Abgasteil auf den Abblasdruck zu verdichten.
Es ist auch bereits bekannt, eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgasrückführung so zu betreiben, daß ausschließlich Kohlendioxid aus dem Kreislauf ausgeschieden wird und durch ein entsprechendes Sauerstoffvolumen ersetzt wird (DE-PS 9 02 332). Dort wird der Abgasstrom des Motors in zwei zum Motor zurückgeführte Teilströme aufgeteilt, von denen der eine verdichtet, in einem Durchlaufkühler gekühlt und dann durch einen Abscheider geführt wird, um verflüssigtes Kohlendioxid auszuscheiden. Danach werden die beiden Teilströme wieder zusammengeführt und nach dem Zugeben von Sauerstoff wieder in den Motor eingeleitet, in den auch der Kraftstoff eingespritzt wird. Der Durchlaufkühler zur Verflüssigung des Kohlendioxids wird mit einem getrennten Kühlmedium betrieben, was zusätzlichen Aufwand bedeutet und auch für den Wirkungsgrad nachteilig ist. Im übrigen ist die bekannte Anlage nicht für den Unterwassereinsatz vorgesehen.
Es ist schließlich auch bekannt, Dieselmotoren im Kreislaufbetrieb bei gleichzeitiger Ausscheidung von Kohlendioxid mit einem hohen Verdichtungsverhältnis von beispielsweise 35 : 1 zu betreiben, um auf diese Weise zu einer Wirkungsgradverbesserung zu kommen (DE-Z-MTZ, Jahrgang 14, Nr.6, Juni 1953, S. 181 u. 182). Hier wird der Abgasstrom jedoch nicht in einen zu behandelnden und in einen ohne Behandlung zurückgeführten Teilstrom aufgeteilt. Ebensowenig wird das Kohlendioxid durch Verflüssigung ausgeschieden, vielmehr wird es in Wasser gelöst. Diese Art der Ausscheidung von Kohlendioxid erscheint für den Unterwasserbetrieb unter beengten Raumverhältnissen weniger geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren so durchzuführen, daß ein hoher thermodynamischer Wirkungsgrad erzielt wird und gleichzeitig die anfallenden Abfallprodukte so gering wie möglich gehalten werden, so daß sie gegebenenfalls unter Verzicht auf die Einleitung in die Umgebung zwischengespeichert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil des Abgases abgezweigt und in diesem Abgasteil befindliches Kohlendioxid durch Verdichten und Kühlen des Abgases im Wege der Absorptionskühlung verflüssigt wird, daß nur das verflüssigte Kohlendioxid aus dem Rückführkreislauf ausgeschieden wird, daß der Sauerstoff dem von Kohlendioxid befreiten Abgasteil zugemischt wird und daß das so erhaltene Gemisch wieder mit dem restlichen unbehandelten Abgasteil vereinigt und zurückgeführt wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren dient die Aufteilung des Abgasstroms dazu, Behandlungsaufwand für den gesamten Abgasstrom einzusparen und nur so viel Abgas zu behandeln, daß das daraus entfernte Kohlendioxid der erforderlichen Zusatzmenge an Sauerstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine entspricht. Wenn beispielsweise 20% Sauerstoff zugesetzt werden müssen, wird so gearbeitet, daß auch 20% Kohlendioxid entfernt werden, so daß nach dem Zumischen von Sauerstoff und nach der Vereinigung der beiden Abgasteilströme der Zustrom zur Verbrennungskraftmaschine wieder 100% beträgt, wie es dem Abgasaustritt entspricht.
Die vorgesehene Absorptionskühlung des einen Abgasteilstroms läßt sich auf einfache Weise und mit geringem apparativen Aufwand durchführen, wobei im Gegensatz zur äußeren Kühlung mit einem Kühlmittel der benötigte Druck wesentlich niedriger liegt. Dementsprechend trägt die Absorptionskühlung zur Wirkungsgradverbesserung bei, der für den Unterwasserbetrieb eine erhöhte Bedeutung zukommt.
Wegen der vergleichsweise geringen Volumina von anfallendem verflüssigten Kohlendioxid, die im allgemeinen problemlos zwischengespeichert werden können, ist das Verfahren besonders für Verbrennungskraftmaschinen in einem nach außen abgeschlossenen Raum geeignet, bei dem keine Möglichkeit zur Abführung von Abgasen oder Verbrennungsprodukten nach außen besteht. Eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit besteht ferner bei Taucherglocken zur Durchführung von Unterwasserarbeiten. Dort läßt sich das verflüssigte Kohlendioxid mit relativ geringem Kostenaufwand abpumpen und an das unter hohem Druck stehende Wasser in der Umgebung abgeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung mit zwei Ausführungsbeispielen von Verbrennungskraftanlagen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus eines Verbrennungsmotors nach der Erfindung und
Fig. 2 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotors mit weiteren Einzelheiten.
In Fig. 1 ist nur ein Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors 2 der Kolbenbauart schematisch dargestellt. Zu dem Verbrennungsmotor 2 gehören eine Abgasleitung 3 und eine Ansaugleitung 4, die miteinander über eine Rückumwälzeinrichtung 5 in Verbindung stehen, zu der ein Kühler 6, ein Verdichter 7, ein weiterer Kühler 8, ein Abscheider 9, ein Regelventil 10 und eine Heizeinrichtung 11 gehören, die gemäß Fig. 1 sämtlich durch Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Die Richtung, in der die Einrichtung 5 von Fluiden durchströmt wird, ist durch einen Pfeil 12 angedeutet. Ferner ist eine Umgehungsleitung 13 vorhanden, die es ermöglicht, den Verdichter 7, den Kühler 8, den Abscheider 9 und das Regelventil 10 zu überbrücken. Die Fluide durchströmen diese Umgehungsleitung 13 in Richtung des Pfeils 14, und das Verhältnis zwischen den Durchsatzmengen der Umgehungsleitung 13 und des durch sie überbrückten Teils der Rückumwälzeinrichtung 5 läßt sich durch ein Ventil 15 regeln.
Der Abscheider 9 weist zwei Auslässe auf. Der erste Auslaß 16 steht in Verbindung mit der Rückumwälzeinrichtung 5 und dient auf eine noch zu erläuternde Weise dazu, Abgase, die von Kohlendioxid im wesentlichen frei sind, dem Verbrennungsmotor 2 zuzuführen. Der zweite Auslaß 17 des Abscheiders ermöglicht es, verflüssigtes Kohlendioxid über eine Leitung 18 mittels einer Pumpe 19 einem Behälter 20 zum Speichern von verflüssigtem Kohlendioxid zuzuführen. Der Speicherbehälter 20 kann als druckfester Behälter ausgebildet sein.
Ferner ist ein Vorratsbehälter 21 für flüssigen Sauerstoff vorhanden, der über eine Rohrleitung 22 in Verbindung mit der Rückumwälzeinrichtung 5 steht und über diese Einrichtung mit der Ansaugleitung 4 des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist.
Mit dem Verbrennungsmotor 2 ist ein Kraftstoffbehälter 23 durch eine Rohrleitung 24 verbunden. Da die Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Verbrennungsmotors 2 von bekannter Art ist, sind in Fig. 1 keine weiteren Einzelheiten dargestellt, und eine nähere Beschreibung dürfte sich erübrigen. In die Rohrleitung 24 ist eine Einrichtung 25 zum Messen des Kraftstoffdurchsatzes eingeschaltet, und diese Einrichtung erzeugt den Kraftstoffdurchsatz repräsentierende Signale, die einem Regler 26 über eine Signalleitung 27 zugeführt werden. Dem Regler 26 werden außerdem Signale zugeführt, welche den Sauerstoffgehalt des Gasgemisches repräsentieren, das sich aus dem die Umgehungsleitung 13 durchströmenden Gas und dem durch den Auslaß 16 strömende Gas zusammensetzt. Diese letzteren Signale werden durch eine Einrichtung 28 zum Messen des Sauerstoffgehalts erzeugt und dem Regler 26 durch eine Signalleitung 29 zugeführt. Der Regler 26 steuert das Regelventil 10 derart, daß die Menge des dem Verbrennungsmotor 2 aus dem Vorratsbehälter 21 zugeführten Sauerstoffs dem Kraftstoffbedarf des Motors entspricht, und daß hierbei der Prozentsatz von O₂ berücksichtigt wird, der in dem durch die Leitungen 13 und dem Auslaß 16 strömende Gemisch aus Kohlendioxid und O₂ bereits vorhanden ist.
Im folgenden ist die Wirkungsweise des Verbrennungsmotors nach Fig. 1 beschrieben.
Kraftstoff wird dem Verbrennungsmotor 2 von dem Kraftstoffbehälter 23 aus zugeführt, während reiner Sauerstoff von dem Vorratsbehälter 21 aus nach vorheriger Verdampfung über die Leitung 22 und einen Teil der Rückumwälzeinrichtung 5 der Ansaugleitung 4 des Verbrennungsmotors 2 zugeführt wird. Der Verbrennungsmotor wird in Betrieb gesetzt, woraufhin Abgase, die Kohlendioxid, Wasser und unverbrannten Sauerstoff O₂ sowie weitere Verbrennungsprodukte enthalten, über die Abgasleitung 3 an die Rückumwälzeinrichtung 5 abgegeben werden. Diese Abgase durchströmen einen wassergekühlten Wärmetauscher 6, in dem die Gase auch gereinigt werden, um dann durch das Ventil 15 in zwei Teilströme unterteilt zu werden. Derjenige Teil der Abgase, welcher den durch die Leitung 13 überbrückten Teil der Rückumwälzeinrichtung 5 durchströmt, tritt zuerst in den Verdichter 7 ein, mittels dessen der Druck so weit erhöht wird, daß eine Verflüssigung des Kohlendioxids in dem Kühler 8 möglich ist. Das Gemisch aus verflüssigtem Kohlendioxid und den nicht verflüssigten Abgasen wird dann dem Abscheider 9 zugeführt, in dem das verflüssigte Kohlendioxid von dem Gasstrom getrennt wird, um über den Auslaß 17 zu der Pumpe 19 zu gelangen, mittels welcher das verflüssigte Kohlendioxid durch die Leitung 18 zu dem Speicherbehälter 20 gefördert wird, in dem es unter Druck- und Temperaturbedingungen gespeichert wird, die es ermöglichen, das Kohlendioxid in seiner flüssigen Form zu halten.
Das mindestens teilweise von dem Kohlendioxid befreite Gas wird über den Auslaß 16 des Abscheiders 9 der Ansaugleitung 4 des Verbrennungsmotors 2 zugeführt. Auf seinem Wege zu der Ansaugleitung wird dieses Gas zuerst mit einem frischen Vorrat an reinem Sauerstoff gemischt, der durch Verdampfen eines entsprechenden Teils des in dem Vorratsbehälter 21 bereitgehaltenen flüssigen Sauerstoffs gewonnen wird. Nach dem Verdampfen strömt der gasförmige Sauerstoff durch die Leitung 22 zu der Rückumwälzeinrichtung 5, um mit dem von dem Abscheider 9 abgegebenen Gas gemischt zu werden und dann durch das Regelventil 10 zu strömen, woraufhin das Gasgemisch mit den Abgasen gemischt wird, die der Umgehungsleitung 13 der Rückumwälzeinrichtung zugeführt werden. Das so erhaltene Gasgemisch strömt dann durch die Einrichtung 28 zum Messen des Sauerstoffgehalts. Nach dem Messen und Überwachen des prozentualen Sauerstoffgehalts wird das Gasgemisch mit Hilfe der Heizeinrichtung 11 erwärmt, bevor es in die Ansaugleitung 4 des Verbrennungsmotors 2 eintritt. Nach dem Einströmen in die Zylinder des Verbrennungsmotors 2 wird dieses Gasgemisch dazu verwendet, den von dem Kraftstoffbehälter 23 aus zugeführten Kraftstoff zu verbrennen, woraufhin die entstehenden Abgase erneut in der beschriebenen Weise durch die Rückumwälzeinrichtung 5 geleitet werden.
Mit Hilfe des Ventils 15 ist es möglich, diejenige Menge der Abgase einzuregeln, welche nicht einer Behandlung zum Entfernen von Kohlendioxid unterzogen wird.
Die Sauerstoffmenge, die von dem Vorratsbehälter 21 aus zugeführt wird, um den Sauerstoffbedarf zum Verbrennen von Kraftstoff in dem Verbrennungsmotor 2 zu decken, wird mit Hilfe des Ventils 10 unter Berücksichtigung der Sauerstoffmenge geregelt, die in den der Ansaugleitung 4 zuzuführenden Gasen enthalten sein soll, wobei auch die dem Verbrennungsmotor 2 zugeführte Kraftstoffmenge berücksichtigt wird.
Das Kühlmittel zum Kühlen des den Kühler 6 passierenden Gasstroms kann einer beliebige Quelle entnommen werden, beispielsweise kann man Seewasser oder das Kühlmittel verwenden, das in dem Kühlkreis zum Verflüssigen des gasförmigen Kohlendioxids benutzt wird. Eine Anordnung der letzteren Art ist weiter unten anhand von Fig. 2 beschrieben.
Der Verdichter 7 kann von beliebiger, seinem Verwendungszweck angepaßter Konstruktion sein. Er kann entweder durch den Verbrennungsmotor 2 oder eine nicht dargestellte gesonderte Antriebseinrichtung angetrieben werden. Die Verdichtung der den Verdichter 7 passierenden Gase muß genügend hoch sein, damit der größte Teil des in dem Gasgemisch enthaltenen Kohlendioxids verflüssigt wird, wenn das Gasgemisch in dem Kühler 8 abgekühlt wird, der dem Verdichter 7 nachgeschaltet ist. Der Kühler 8 kann als Wärmetauscher beliebiger bekannter Art ausgebildet sein und bildet einen Bestandteil einer Kühleinrichtung, und zwar entweder einer Dampfverdichtungs- oder einer Absorptionskühleinrichtung.
Die Heizvorrichtung 11 hat die Aufgabe, die Temperatur der erneut umgewälzten abgekühlten Abgase und des durch Verdampfen von flüssigem Sauerstoff gewonnenen reinen gasförmigen Sauerstoffs auf denjenigen Wert zu steigern, der erforderlich ist, um eine wirtschaftliche Verbrennung des Kraftstoffs im Zylinder 1 des Verbrennungsmotors 2 zu gewährleisten. Man kann ein beliebiges Fluid verwenden, das geeignet ist, das Gasgemisch in der Heizeinrichtung 11 zu erwärmen. Bei diesem Fluid kann es sich um die aus der Abgasleitung 3 des Verbrennungsmotors 2 austretenden Abgase handeln. Ferner kann man Kühlwasser verwenden, das durch den Verbrennungsmotor 2 geleitet wird, um die Zylinderwände zu kühlen. Natürlich kann man eine Temperaturregeleinrichtung vorsehen, mittels welcher die Temperatur der von der Heizeinrichtung 11 abgegebenen Gase geregelt wird. Beispielsweise kann man die Temperatur des in dem Motor zirkulierenden Kühlwasses regeln, indem man mindestens einen Teil dieses Kühlwasses in Wärmeaustausch mit einem Fluid von relativ niedriger Temperatur bringt, z. B. mit der Umgebungsluft oder mit Wasser, d. h. im letzteren Fall mit Seewasser, wenn der Verbrennungsmotor 2 in einer Taucherglocke zum Durchführen von Arbeiten in großer Wassertiefe betrieben wird. Weiterhin kann man in die Heizeinrichtung 11 oder in eine gesonderte, in Fig. 1 nicht dargestellte Heizeinrichtung, die mit der Heizeinrichtung 11 in Reihe geschaltet ist, eine elektrische Heizeinrichtung einbauen.
Im folgenden ist anhand von Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer Verbrennungskraftmaschine bzw. eines Motors nach der Erfindung beschrieben.
Der Verbrennungsmotor 30 ist als Kolbenmotor ausgebildet und mit einer Abgasleitung 31 versehen, die in Verbindung mit den Auslässen der in Fig. 2 nicht dargestellten einzelnen Zylinder steht. Ferner ist eine Rohrleitung 32 vorhanden, die zu einem Kessel 33 einer noch näher zu beschreibenden Absorptionskühleinrichtung führt. Die Rohrleitung 32 steht über einen in dem Kessel 33 untergebrachten Wärmetauscher in Verbindung mit einer weiteren Rohrleitung 34, die zu einem Gaswäscher 35 führt, in dem sich die Gase in innigen Berührung mit über eine Speiseleitung 36 zugeführtem Wasser bringen lassen. Nach dem Waschen der Gase, das dazu dient, die Temperatur der Gase herabzusetzen und alle festen und flüssigen Verunreinigungen zu beseitigen, wird das Waschwasser über eine Entleerungsleitung 37 abgeführt. Der Innenraum des Gaswäschers 35 steht über eine Rohrleitung 38 in Verbindung mit einem Ventil 39, das es ermöglicht, den durch die Rohrleitung 38 strömenden Gasstrom auf zwei Rohrleitungen 40 und 41 aufzuteilen. Das durch die Rohrleitung 40 strömende Gas tritt in einen Trockner 42 ein, der von beliebiger bekannter Konstruktion sein kann, und von dem aus der Gasstrom durch einen Kühler 43 geleitet wird. Dem Kühler 43 wird ein Kühlmittel über eine Leitung 44 zugeführt, und dieses Kühlmittel verläßt den Kühler wieder über eine Rohrleitung 45. Für den Betrieb des Kühlers 43 kann man jede beliebige verfügbare Kühlmittelquelle benutzen.
Nach dem Kühlen werden die Abgase durch eine Leitung 46 einem Verdichter 47 zugeführt, der den Druck der Abgase auf einen so hohen Wert bringt, daß mindestens der größere Teil des vorhandenen Kohlendioxids verflüssigt wird, wenn das Gas zwei weitere Kühler 48 und 49 durchströmt. Bei dem Kühler 48 handelt es sich um einen Vorkühler, durch den ein Fluid geleitet wird, das sich auf einer relativ niedrigen Temperatur befindet. Zu diesem Zweck sind ein Kühlmitteleinlaß 50 und ein Kühlmittelauslaß 51 vorhanden. Der Kühler 49 bildet dagegen einen Bestandteil der schon genannten Absorptionskühleinrichtung und dient dazu, den hindurchgeleiteten Gasstrom auf eine so niedrige Temperatur abzukühlen, daß ein großer Teil des in den Abgasen des Verbrennungsmotors 30 enthaltenen gasförmigen Kohlendioxid verflüssigt wird. Jenseits des Kühlers 49 strömen das verflüssigte Kohlendioxid und der gasförmige Sauerstoff durch eine Rohrleitung 52 zu einem Abscheider 53, in dem das flüssige Kohlendioxid von dem Gasstrom getrennt wird, um dann durch eine Pumpe 54, die in eine Rohrleitung 55 eingeschaltet ist, einem Behälter 56 zum Speichern von flüssigem Kohlendioxid zugeführt zu werden.
Das verbleibende, aus Kohlendioxid und Sauerstoff bestehende gasförmige Gemisch verläßt den Abscheider 53 über eine Rohrleitung 57, die zu einem Behälter 58 führt, in welchem das behandelte Abgas mit gasförmigem Sauerstoff angereichert wird, welcher diesem Behälter über eine Rohrleitung 59 von einem mit flüssigem Sauerstoff gefüllten Vorratsbehälter bzw. einer Quelle 60 aus zugeführt wird. Das fertige Gasgemisch wird einer Rohrleitung 62 zugeführt, in die ein Ventil 61 eingeschaltet ist, das die Zufuhr des Gasgemisches zu dem Hauptabgasstrom in der Rohrleitung 41 regelt, um zu gewährleisten, daß am Einlaß 72 des Verbrennungsmotors 30 ein ausreichender Gasdruck vorhanden ist. Dieser Hauptabgasstrom wird um die Gasbehandlungseinrichtung herumgeleitet, zu welcher der Trockner 42, der Kühler 43, der Verdichter 47, die Kühler 48, 49 und der Abscheider 33 gehören, und er wird durch die Rohrleitung 41 einer Mischeinrichtung 63 zugeführt. Nach Abschluß des Mischvorgangs wird das entstandene Gasgemisch durch eine Rohrleitung 64 einer Einrichtung 65 zum Messen des Sauerstoffgehalts des Gemisches zugeführt, an die sich eine Rohrleitung 66 anschließt, in die eine Heizeinrichtung 67 eingeschaltet ist, mittels welcher das Gemisch auf die gewünschte Temperatur gebracht wird. Um die Heizeinrichtung 67 zu betreiben, wird durch sie ein Fluid geleitet, das sich auf einer relativ hohen Temperatur befindet. Dieses Fluid wird der Heizeinrichtung über eine Leitung 68 zugeführt und über eine Austrittsleitung 69 wieder abgegeben.
In eine sich an die Heizeinrichtung 68 anschließende Rohrleitung 71 ist eine elektrische Hilfsheizeinrichtung 70 eingeschaltet, die sich anstelle der Heizeinrichtung 67 oder zur Unterstützung der Heizwirkung der Heizeinrichtung 67 benutzen läßt.
Jenseits der Hilfsheizeinrichtung 70 wird das Gas durch eine Rohrleitung 73 der Ansaugleitung 72 des Verbrennungsmotors 30zugeführt.
Der Kraftstoff wird dem Verbrennungsmotor 30 durch eine Rohrleitung 74 von einem Kraftstoffbehälter 75 aus zugeführt, und zwar einer Einrichtung des Motors, mittels welcher der Kraftstoffstrom auf die in Fig. 2 nicht dargestellten einzelnen Zylinder des Motors verteilt wird. Der Kraftstoffdurchsatz wird mit Hilfe einer Meßeinrichtung 76 gemessen, die ein entsprechendes Signal erzeugt, das einem Regler 78 über eine Leitung 77 zugeführt wird. Dem Regler 78 wird über eine Leitung 79 ein weiteres Signal von der Einrichtung 65 zum Messen des Sauerstoffgehalts zugeführt, und der Regler steuert über eine Leitung 80 das Regelventil 61 derart, daß die Zufuhr des Gasgemisches, das sich aus behandeltem Abgas und dem zugesetzten reinen Sauerstoff zusammensetzt, so eingestellt wird, daß das Gasgemisch in der Leitung 66 einen sich nach dem Kraftstoffdurchsatz richtenden Sauerstoffgehalt aufweist.
Die Abgasrückumwälzungseinrichtung nach Fig. 2 weist eine Heizeinrichtung 33 und einen Kühler 49 auf, die Bestandteile einer Absorptionskühleinrichtung bilden. Der Kessel 33 dieser Einrichtung steht über Rohrleitungen 81 und 82 in Verbindung mit einem Absorber 83. Die Strömungsrichtung des Fluides innerhalb dieser Kühleinrichtung ist in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet. Nach dem Verlassen des Kessels 33 über die Leitung 84 strömt das Kühlmittel durch eine Rektifikationseinrichtung 85, eine Rohrleitung 86, einen Kühler 87, eine weitere Rohrleitung 88 und dann durch Kühler bzw. Verdampfer 49, von dem aus es durch eine Rohrleitung 89 zu dem Absorber 83 zurückkehrt. Zu dem Kühler 87 gehören ein Einlaß 90 und ein Auslaß 91 für die Kühlflüssigkeit, und dieser Kühler kann auf beliebige bekannte Weise ausgebildet sein. Da Absorptionskühleinrichtungen bekannt sind, dürfte sich eine nähere Erläuterung dieser bei der Anordnung nach Fig. 2 verwendeten Einrichtung erübrigen.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 30 mit der Abgasrückumwälzeinrichtung nach Fig. 2 kann man das Ventil 39 einstellen, um das Verhältnis zwischen dem durch die Rohrleitung 40 strömenden, zur Beseitigung des Kohlendioxids zu behandelnden Teil der Abgase und dem Teil der Abgase einzustellen, der dem Verbrennungsmotor 30 erneut zugeführt wird, ohne der beschriebenen Behandlung, jedoch mit Ausnahme der Erwärmung in den Heizeinrichtungen 67 und 70, unterzogen zu werden. Das Ventil 39 kann so eingerichtet sein, daß es dieses Verhältnis automatisch so einregelt, daß der absolute Druck in der der Rückumwälzung dienenden Rohrleitung 41 konstant gehalten wird.
Es ist zu bemerken, daß man das Regelventil 15 bei der Anordnung nach Fig. 1 in der gleichen Weise betätigen kann wie das Regelventil 39.
Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor läßt sich besonders vorteilhaft in Unterwasserfahrzeugen oder Taucherglocken verwenden. Hierzu ist zu bemerken, daß keine der in den eigentlichen Verbrennungsmotoren 2 und 30 verwendeten flüssigen Stoffe aus den verschiedenen Leitungskreisen abgeführt werden, und daß sich daher das Gesamtgewicht der Anlage nicht ändert. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil es hierbei nicht erforderlich ist, bei dem Unterwasserfahrzeug bzw. der Taucherglocke eine gesonderte Ballastregelung vorzusehen. Erscheint dagegen die Benutzung einer solchen gesonderten Ballastregelung als unproblematisch, braucht man das verflüssigte Kohlendioxid nicht in der verflüssigten Form zu speichern, sondern man kann es dadurch aus der Abgasrückumwälzeinrichtung entfernen, daß man es in das Wasser in der Umgebung abpumpt. Da die Verbrennungsprodukte des Verbrennungsmotors, soweit sie mit Sauerstoff reagiert haben, um Kohlendioxid zu bilden, in flüssiger Form vorhanden sind, nehmen sie im Vergleich zu dem Raumbedarf des Kohlendioxids in den Abgasen nach dem Verlassen des Motors einen relativ kleinen Raum ein, und wenn das Unterwasserfahrzeug bzw. die Taucherglocke in großer Wassertiefe betrieben wird, ist die Pumpleistung, die benötigt wird, um das Kohlendioxid aus dem Fahrzeug bzw. der Taucherglocke zu entfernen, bei verflüssigtem Kohlendioxid erheblich kleiner, als wenn große Raummengen von gasförmigem Kohlendioxid entgegen dem hohen Außendruck abgepumpt werden müßten, der außerhalb des getauchten Fahrzeugs bzw. der Taucherglocke vorhanden ist.
Ein weiterer Vorteil der Abgasrückumwälzungseinrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß sich ein mit dieser Einrichtung versehener Verbrennungsmotor mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis betreiben läßt, um den thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen.
Es sei bemerkt, daß man bei dem Verbrennungsmotor ein Verdichtungsverhältnis vorsehen kann, das erheblich höher ist als dasjenige Verdichtungsverhältnis, welches normalerweise bei einem Verbrennungsmotor zulässig ist, bei dem Luft als Arbeitsgas und Träger für brennbare Stoffe verwendet wird.
Die Tatsache, daß ein höheres Verdichtungsverhältnis zulässig ist, ergibt sich aus den unterschiedlichen thermodynamischen Eigenschaften von Luft einerseits und Gemischen aus Kohlendioxid und Sauerstoff andererseits sowie insbesondere aus den unterschiedlichen Werten von c _p/c _v für Stickstoff, d. h. den gasförmigen Hauptbestandteil von Luft im Vergleich zu Kohlendioxid.
Wird ein Verbrennungsmotor verwendet, der sich sowohl mit im geschlossenen Kreislauf geführtem Gas als auch mit Frischluft betreiben läßt, ist es erforderlich, auch einen Betrieb mit niedrigen Verdichtungsverhältnissen zu ermöglichen, um eine Überbeanspruchung der arbeitenden Teile des Motors für den Fall zu vermeiden, daß der Motor mit einem Kraftstoff betrieben wird, der ihm unter Verwendung von Frischluft zugeführt wird. Die Benutzung eines solchen Verbrennungsmotors mit einem so niedrigen Verdichtungsverhältnis in Verbindung mit einer Abgasrückleitungseinrichtung würde jedoch zu einem sehr niedrigen Betriebswirkungsgrad führen, da hierbei am oberen Totpunkt jedes Kolbens nur eine niedrige Temperatur erreicht wird.
Wird der Verbrennungsmotor dagegen ausschließlich für den Betrieb mit Kohlendioxid und Sauerstoff als Kraftstoffträger ausgelegt, und sieht man ein hohes Verdichtungsverhältnis vor, das über 18 : 1 liegt und z. B. 28 : 1 bis 55 : 1 beträgt, reichen die am oberen Totpunkt auftretenden Temperaturen für eine Verbrennung aus, wenn man als Arbeitsgas und Kraftstoffträger ein Gemisch aus Kohlendioxid und Sauerstoff verwendet, und hierbei wird die Belastung der arbeitenden Teile, z. B. der Kurbelwelle, der Lager, der Kolben und der Pleuelstangen, nicht übermäßig erhöht.
Es wurde festgestellt, daß bei einer 55fachen Verdichtung eines Gemisches aus Kohlendioxid und Sauerstoff am oberen Totpunkt die gleiche Temperatur erreicht wurde wie bei einer 17,5fachen Verdichtung von Luft. Der maximale Druck war in diesem Fall um 100% höher.
Untersuchungen an einem bestimmten Motor zeigten, daß ein Verdichtungsverhältnis von 30 : 1 einen optimalen Kompromiß darstellt.
Die Anwendbarkeit der Erfindung beschränkt sich nicht auf eine bestimmte Bauart von Verbrennungsmotoren. Der Motor kann als Hubkolbenmotor ausgebildet sein, z. B. als handelsüblicher Diesel- oder Fremdzündungsmotor. Gegebenenfalls ist es jedoch auch möglich, einen Drehkolbenmotor, z. B. einen Wankelmotor zu verwenden.
Ferner beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Anwendung eines bestimmten Kühlverfahrens bzw. einer bestimmten Kühleinrichtung zum Abkühlen der Abgase nach der Verdichtung auf eine Temperatur, die hinreichend niedrig ist, um eine Verflüssigung mindestens eines Teils des in den Abgasen enthaltenen Kohlendioxids herbeizuführen. Die Kühleinrichtung kann auf beliebige bekannte Weise als mit Dampfverdichtung oder mit Absorption arbeitende Kühleinrichtung ausgebildet sein. Sämtliche übrigen Einrichtungen für den Wärmeaustausch (mit Ausnahme der Kühleinrichtung zum Verflüssigen von Kohlendioxid), die zum Behandeln des erneut umgewälzten Abgases und des reinen Sauerstoffs dienen, können von bekannter Konstruktion sein, und es ist möglich, beliebige, dem betreffenden Zweck entsprechende Kühl- und Heizmittel zu verwenden. Natürlich ist es naheliegend, das relativ kalte Seewasser zu Kühlzwecken zu verwenden, wenn ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor in einem Unterwasserfahrzeug oder einer Taucherglocke betrieben wird, denn dieses Kühlmittel steht in unbegrenzten Mengen zur Verfügung. Erforderlichenfalls kann man in die Kühlwasserzuführungsleitungen Filter einschalten.
Wo erforderlich, kann man Ventile zum Absperren der verschiedenen Rohrleitungen der Abgasrückleitungseinrichtung einschalten, und die Umgehungsleitung kann bei der Einrichtung an jeder beliebigen geeigneten Stelle angeordnet werden. Das Gleiche gilt für Sicherheitseinrichtungen, die vorgesehen sein können, um eine Überhitzung, eine zu geringe Kühlung und die Erzeugung eines zu hohen Drucks zu verhindern. Weiterthin sind in die betreffenden Leitungen Druckminderer und Rückschlagventile eingeschaltet, um sicherzustellen, daß die Fluide die betreffenden Leitungen in der gewünschten Richtung durchströmen. Beispielsweise ist es zweckmäßig, bei der Einrichtung nach Fig. 2 einen Druckminderer in die Rohrleitung 62 einzuschalten.
Zum Bereithalten bzw. Speichern flüssigen Kraftstoffs, flüssigen Sauerstoffs und verflüssigten Kohlendioxids kann man Behälter beliebiger Art vorsehen. Zum Speichern von verflüssigtem Gas bei der erforderlichen niedrigen Temperatur und dem nötigen hohen Druck sind doppelwandige torusförmige Behälter besonders geeignet. Die Räume zwischen den Wänden können evakuiert sein, um die Wärmeisolierungseigenschaften dieser Speicherbehälter zu verbessern.
Ferner ist zu bemerken, daß die anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Regler zum Regeln des Zusetzens von Sauerstoff zu dem noch nicht behandelten, erneut umgewälzten Abgas von beliebiger Bauart sein können. Die Regelung kann mit Hilfe eines Rechners durchgeführt werden, der entweder eigens zu diesem Zweck konstruiert ist oder einen Bestandteil eines Rechenzentrums bildet, das an Bord des Fahrzeugs bzw. der Taucherglocke mit dem Verbrennungsmotor nach der Erfindung verschiedene weitere Aufgaben zu erfüllen hat.
Die Meßeinrichtung kann ebenfalls von beliebiger bekannter Art sein. Bei den Einrichtungen zum Messen des Kraftstoffdurchsatzes, d. h. der Einrichtung 25 nach Fig. 1 bzw. der Einrichtung 76 nach Fig. 2, kann es sich jeweils um eine Kraftstoffeinspritzpumpe handeln. Zu den Einrichtungen zum Messen des Sauerstoffgehalts, d. h. der Einrichtung 28 nach Fig. 1 und der Einrichtung 65 nach Fig. 2, können außerdem Einrichtungen zum Messen des Kohlendioxidgehalts der hindurchströmenden Gase gehören.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß man für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung nur Sauerstoff und einen Kohlenwasserstoffkraftstoff benötigt. Da keine Luft verbraucht wird, kann man die Maschine in nach außen vollständig abgeschlossenen Räumen anordnen, insbesondere im Hinblick darauf, daß sich die Abgase der Maschine vollständig verflüssigen und innerhalb der Umschließung speichern lassen. Unter bestimmten Umständen ist es möglich, die verflüssigten Verbrennungsprodukte der Maschine aus der abgedichteten Umschließung selbst dann unter Aufwand nur einer kleinen Energiemenge zu entfernen, wenn sich die Umschließung in einer Zone, z. B. am Boden eines Ozeans oder eines anderen Gewässes befindet, in der außerhalb der Umschließung ein hoher Druck herrscht.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für den Unterwassereinsatz, bei dem der Maschine ein Kohlenwasserstoffkraftstoff zugeführt und das Abgas zum einen Teil nach dem Zumischen von einem Sauerstoff zur Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt und zum anderen Teil aus dem Rückführkreislauf ausgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Abgases abgezweigt und in diesem Abgasteil befindliches Kohlendioxid durch Verdichten und Kühlen des Abgases im Wege der Absorptionskühlung verflüssigt wird, daß nur das verflüssigte Kohlendioxid aus dem Rückführkreislauf ausgeschieden wird, daß der Sauerstoff dem von Kohlendioxid befreiten Abgasteil zugemischt wird und daß das so erhaltene Gemisch wieder mit dem restlichen unbehandelten Abgasteil vereinigt und zurückgeführt wird.