DE2614956B1

DE2614956B1 - Zweitakt-kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2614956B1
Application number: DE19762614956
Authority: DE
Inventors: Anton Steiger
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1976-04-02
Filing date: 1976-04-07
Publication date: 1977-10-06
Also published as: CH611979A5; DE2614956C2; DK131777A; JPS52121117A

Description

Trifluoräthanol, gegebenenfalls mit Wasser gemische besteht Darüber hinaus kann mit diesen organischen Arbeitsmitteln die Entspannung in der Turbine vollstSndig im Bereich überhitzten Dampfes erfolgen, wodurch die Gefahr von Erosionen in der Turbine vermieden ist Bei der Verwendung überhitzter organischer Arbeit
mittel in dem Dampfkreislauf lassen sich im Abhitzekessel Korrosionen aufgrund des Schwefelgehaltes der Maschinenabgase vermindern, wenn in dem Dampfkreislauf vor dem Abhitzekessel ein Vorwärmer vorgesehen ist, der vom Abdampf der Dampfturbine beheizt ist. Weiterhin ist es möglich, in dem Abhitzekessel eine Zusatzheizeinrichtung vorzusehen. mit deren Hilfe dann beim Start der Maschine das zunächst von der Dampfturbine allein angetriebene Ladegebläse als Anfahrgebläse dienen kann. Darüber hinaus kann man mit einer derartigen Zusatzheizeinrichtung für jede Drehzahl der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der zu dieser Drehzahl gehörigen Brennstoffmenge einen Ladeluftdruck zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert sicherstellen, der den genannten jeweiligen Wertepaaren von Drehzahl und zugeführter Brennstoffmenge zugeordnet ist. Zu diesem Zweck kann ein Steuergerät vorgesehen sein, das den Druck der aufgeladenen Luft in den genannten Wertepaaren von Drehzahl und zur Brennkraftmaschine zugeführter Brennstoffmenge zuordnet und dabei diesen Druck durch Regulierung der der Zusatzheizeinrichtung zugeführten Brennstoffmenge zwischen den genannten Grenzwerten hält.
Schließlich lassen sich die in dem Dampfkreislauf benutzten, organischen Substanzen vor Überhitzungen und thermischem Zerfall schützen, wenn in dem Abhitzekessel Mittel vorgesehen sind, die während des Betriebes der Zusatzheizeinrichtung die Temperatur in dem Arbeitsmittelverdampfer und -überhitzer des Abhitzekessels auf einen vorgegebenen Wert begrenzen; diese Mittel können beispielsweise in einer von einem Thermostaten gesteuerten Einrichtung zur Beimischung von Sekundärluft zu den Verbrennungsgasen der Zusatzheizeinrichtung bestehen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert: F i g. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; F i g. 2 gibt in einem zweiten Beispiel eine Maschine wieder, bei der Dampfkreislauf durch einen Vorwärmer erweitert ist, während F i g. 3 schließlich eine Anordnung darstellt, bei der die Erhitzung des Arbeitsmittels im Dampfkreislauf durch die Zusatzheizeinrichtung mit Hilfe von durch einen Thermostaten gesteuerten Mitteln begrenzt ist.
Der nur schematisch dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist eine Aufladegruppe 2 zugeordnet, deren Ladeluftgebläse 3 aus der Atmosphäre Luft über eine Leitung 4 und einen Filter 5 ansaugt und in einer Leitung 6 in die Maschine oder den Motor 1 fördert. In der Leitung 6 ist ein von einem Kühlmittel durchsetzter Kühler 7 für die komprimierte Luft vorgesehen.
Weiterhin enthält die Leitung 6 vor ihrer Einmündung in den Motor 1 einen Druckmeßfühler 8, der über eine Signalleitung 9 mit einem zentralen Steuergerät oder Rechner 33 verbunden ist Das Ladegebläse 3 wird von einer Abgasturbine 10 über eine Welle 11 angetrieben, wobei die heißen und komprimierten Abgase der Turbine 10 über eine Leitung 12 zufließen und nach der Entspannung durch die Leitung 13 abgeführt werden, in der ein Abhitzekessel 14 angeordnet ist Erfindungsgemäß ist das Ladegebläse 3 über die Welle 11 darüber hinaus direkt mit einer Dampfturbine 15 verbunden; die Turbine 15 dient ebenfalls als Antriebsaggregat für das Ladegebläse 3, das daher so ausgelegt ist, daß es die Summe der Antriebsenergien beider Turbinen 10 und 15 aufnehmen kann.
Die Dampfturbine 15 ist Teil eines Dampfkreislaufs 16, in dem der in der Turbine 15 entspannte Dampf in einem Kondensator 17 verflüssigt, mittels einer von einem Elektromotor 19 angetriebenen Speisepumpe 18 in einen im Abhitzekessel 14 gelegenen und durch die entspannten Abgase der Maschine 1 beheizten Verdampfer und Überhitzer 20 gefördert und als überhitzter Dampf zur Umsetzung der im Kessel 14 zurückgewonnenen Abwärme in mechanische Energie der Turbine 15 zugeführt wird.
Wie bereits erwähnt, lassen sich im Dampfkreislauf 16 vorteilhafterweise organische Substanzen als Arbeitsmittel benutzen, wodurch - gegebenenfalls durch die Auswahl eines anderen, geeigneten Arbeitsmittels -die Anpassung der Dampfturbine 15 an die durch eine möglichst optimale Nutzung der Abgase in der Gasturbine 10 vorgegebenen Kenndaten der Aufladegruppe 2 erleichtert und optimiert werden kann. Neben anderen Fluorkohlenwasserstoffen - wie z. B. den bekannten Freonen - hat sich dabei besonders Trifluoräthanol (CF3CH20H), gemischt mit 15% Wasser, bewährt Im Abhitzekessel 14 ist darüber hinaus eine Zusatzheizeinrichtung 21 vorgesehen, die mit dem gleichen Brennstoff wie der Motor 1 über eine Leitung 22 und ein Regelorgan 23 beschickt wird.
Die Förderung des Brennstoffes - sowohl zur Zusatzheizeinrichtung 21 als auch über eine Leitung 25 und ein Regelorgan 24 zur Brennkraftmaschine -erfolgt durch eine Brennstoffpumpe 26, die von einem Elektromotor 27 angetrieben ist Über eine aus der Leitung 4 in Strömungsrichtung nach dem Filter 5 abzweigende Leitung 28 fördert ein Hilfsgebläse 29, angetrieben von einem weiteren Elektromotor 30, die für die Verbrennung des Brennstoffes benötigte Luft in die Heizeinrichtung 21.
Neben dem Ladedruck-lstwertsignal a des Fühlers 8 wird dem zentralen Steuergerät 33 über eine Signalleitung 32 ein Drehzahl-Istwertsignal b zugeführt, das durch einen Drehzahl-Meßfühler 34 gemessen wird. In dem Gerät 33 erfolgt zunächst einmal in bekannter Weise eine Drehzahlregelung des Motors 1, wobei der Drehzahl-Istwert dem Sollwert durch Variation der zugeführten Brennstoffmenge angepaßt wird, die durch ein Ausgangssignal c über eine Leitung 35 mittels des Regelorgans 24 verändert wird. Weiterhin wird in dem Rechner 33 das Drehzahlsignal b zusammen mit dem Brennstoffsignal czu einem Wertepaar verarbeitet, dem ein bestimmter Ladedruck zugeordnet wird, wobei für jedes Wertepaar bc ein oberer und ein unterer Grenzwert für den Ladeluftdruck im Rechner 33 gespeichert sind. Über- oder unterschreitet das Istwertsignal a des Fühlers 8 diese Grenzwerte, so veranlaßt der Rechner 33 die Ausgabe zweier weiterer Signale d und e über Leitungen 36 und 37, von denen das Signal d, das zum Motor 30 für den Antrieb des Hilfsverdichters 29 führt, ein einfaches Ein/Aus-Signal für diesen Motor 30 ist, während das Signal e als Stellsignal auf das Regelorgan 23 geführt ist und die Regulierung der der Zusatzheizeinrichtung zugeführten Brennstoffmenge bewirkt Diese Regulierung erfolgt dabei so, daß bei zu hohem Ladedruck die Brennstoffzufuhr gedrosselt bzw.
abgesperrt und bei zu niedrigem Ladedruck eingeschaltet bzw. erhöht wird, wobei beim Ein- und Ausschalten selbstverständlich parallel dazu durch das Signal d das Hilfsgebläse 29 in Betrieb gesetzt oder abgeschaltet wird.
Für den Start des Motors 1 wird durch den Rechner 33 - wegen der Abweichung zwischen Soll- und Istwert des Ladeluftdruckes - im Rahmen der gezeigten Anordnung zunächst der Dampfkreislauf 16 durch Einschalten der Heizeinrichtung 21 und der Pumpe 18 aktiviert, so daß die Dampfturbine 15, zunächst allein, das Ladeluftgebläse 3 als Anfahrgebläse in Betrieb setzen kann. Sobald genügend Ladedruck vorhanden ist, trägt auch die Turbine 10 zum Antrieb des Gebläses 3 bei; nach dem - in bekannter Weise durch eine übliche Anlaßvorrichtung und -schaltung erfolgenden - Anlaufen des Motors 1 wird die Brennstoffzufuhr zum Brenner 21 nach und nach vermindert und dieser Brenner abgeschaltet, sobald der Ladedruck zwischen den erwähnten Grenzwerten liegt. Während des Betriebs wird der Dampfkreislauf dann weitestgehend durch die Abhitze des Motors 1 aufrechterhalten.
Die Anordnung nach F i g. 2 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur durch einen im Dampfkreislauf 16 zusätzlich vorhandenen Vorwärmer 41, in dem das von der Speisepumpe 18 geförderte, flüssige Arbeitsmittel des Kreislaufes 16 von entspannten Dampf, der die Turbine 15 verläßt, erwärmt wird, ehe es zur Verdampfung und Überhitzung dem Kessel 14 zuströmt. Dieser Vorwärmer 41 hat in erster Linie die Aufgabe, die Verdampfer- und Überhitzerrohre 20, besonders an ihrem kalten Ende, vor Korrosionen durch die schwefelhaltigen Abgase des Motors 1 zu schütze.
Während die Abgase des Motors 1 die Temperaturen, die für eine thermische Zersetzung der erwähnten, organischen Arbeitsmittel im Dampfkreislauf 16 nötig sind, mit großer Sicherheit nicht erreichen, besteht Zersetzungsgefahr bei der Beheizung des Kessels 14 durch die Zusatzheizeinrichtung 21. In F i g. 3 sind dahur Mittel vorgesehen, um - gesteuert von einem Thermostaten 40 dessen Signal f über eine Leitung 38 ebenfalls zum Rechner 33 gelangt - in den Brenner 21 Sekundärluft einzuspeisen - über einen Ejektor 42 entweder aus der umgebenden Atmosphäre oder, us nicht dargestellt ist, aus der Brennluftleitung zwischen dem Gebläse 29 und dem Brenner 21 -seine Verbrennungsgase entsprechend zu kühlen.
Aufgrund des Eingangssignals f veranlaßt dtrK Rechner 33 dazu ein Ausgangssignal g, das über die Leitung 39 einem Stellmotor 44 zufließt Dieser Motor 44 beeinflußt über eine Schraubenspindel 45 und ein im Punkt 47 fixiertes Hebelsystem 46 ein Steuerelement 4Si durch das der Querschnitt des Ejektors 42 geöffnet oder geschlossen bzw. vergrößert oder verkleinert wird, faMs Zusatzheizeinrichtung 21 in oder außer Betrieb gesetut: wird bzw. die am Fühler 40 gemessene Temperatur steigt oder fällt Auf diese Weise kann die Temperatur an jeder Stelle der Verdampfer- und Überhitzerrohre 20 beispielsweise auf einen Wert von etwa 3200 C begrenzt werden, bei dem z. B. das erwähnte Trifluoräthanol noch stabil ist

Claims

Patentansprüche: 1. Zweitakt-Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einer aus einer Abgasturbine und einem Ladegebläse bestehenden Aufladegruppe und mit mindestens einem durch die die Turbine verlassenden Abgase beheizten Abhitzekessel, der als Verdampfer und Überhitzer in einem geschlossenen Dampfkreislauf angeordnet ist, in dem darüber hinaus mindestens eine Dampfturbine, ein Kondensator und eine Speisepumpe vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine (15) direkt auf der Welle (11) der Aufladegruppe (2) angeordnet sind.
2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel in dem Dampfkreislauf (16) mindestens teilweise aus einem organischen Stoff, vorzugsweise aus einem Fluorkohlcnwasserstoff, besteht.
3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Dampfkreislauf (16) vor dem Abhitzekessel (14) ein Vorwärmer (41) vorgesehen ist, der vom Abdampf der Dampfturbine (15) beheizt ist
4. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abhitzekessel (14) eine Zusatzheizeinrichtung (21) vorgesehen ist.
5. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abhitzekessel (14) Mittel (40, 42, 44-48) vorgesehen sind, die während des Betriebs der Zusatzheizeinrichtung (21) die Temperatur in dem Arbeitsmittelverdampfer und -überhitzer (20) des Abhitzekessels (14) auf einen vorgegebenen Vert begrenzen.
6. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Temperaturbegrenzung in einer von einem Thermostaten (40) gesteuerten Einrichtung (42, 44-48) zur Beimischung von Sekundärluft zu den Verbrennungsgasen der Zusatzheizeinrichtung (21) bestehen.
7. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät (33) vorgesehen ist, das den Druck der aufgeladenen Luft Wertepaaren von Drehzahl und zur Brennkraftmaschine (1) zugeführter Brennstoffmenge zuordnet und dabei diesen Druck durch Regulierung der der Zusatzheizeinrichtung (21) zugeführten Brennstoffmenge in einem Bereich zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert hält, der den jeweiligen Wertepaaren zugeordnet ist Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einer aus einer Abgasturbine und einem Ladegebläse bestehenden Aufladegruppe und mit mindestens einem durch die die Turbine verlassenden Abgase beheizten Abhitzekessel, der als Verdampfer und Überhitzer in einem geschlossenen Dampfkreislauf angeordnet ist, in dem darüber hinaus mindestens eine Dampfturbine, ein Kondensator und eine Speisepumpe vorhanden sind.

Brennkraftmaschinen der genannten Art sind bekannt; so zeigt die CH-PS 4 57 038 eine derartige Maschine zum Antrieb von Schiffen, bei der die aus den Abgasen in dem Abhitzekessel zurückgewonnene Abwärme über einen Wasser- bzw. Wasserdampfkreis- lauf auf eine zweite Dampfkraftanlage übertragen wird, in der ein Arbeitsmittel mit einem niedrigeren Siedepunkt als Wasser zirkuliert Diese zweite Anlage enthält eine Dampfturbine, die über ein Getriebe einen elektrischen Generator antreibt Diese bekannte Anordnung für die Verwertung der Abwärme einer Brennkraftmaschine ist besonders wegen des benötigten Getriebes und der indirekten Übertragung der Abwärme auf die mechanische Energie erzeugende Turbine mit Hilfe eines Zwischenkreislaufes aufwendig, teuer und störanfällig.

Weiterhin ist eine Anordnung bekannt (CS-PS 1 04 771), bei der dem Luftgebläse einer Aufladegruppe ein weiteres Gebläse zugeordnet ist, das auf einer separaten Welle sitzt und von einer mit Wasserdampf beaufschlagten Turbine angetrieben wird, wobei der benötigte Dampf durch die die Gasturbine der Aufladegruppe verlassenden Abgase in einem Wärmeaustauscher erzeugt wird Um die Drehzahlen dtr Dampfturbine und des zusätzlichen Gebläses bei einer Reihenschaltung der Gebläse aneinander anpassen zu können, ist auch bei dieser Anordnung ein aufwendiges Getriebe erforderlich. Werden die beiden Gebläse dagegen in Parallelschaltung zueinander betrieben, so besteht die Gefahr, daß eines von ihnen ins Pumpen gerät.

Schließlich ist ein Dampfkreislauf für die Nutzung der Abwärme einer Brennkraftmaschine bekannt (US-PS: 38 30 062X bei der ein Dampfkreislauf eines organischen Stoffes eine Dampfturbine treibt, die ihrerseits wiederum einen elektrischen Generator antreibt. Bei dieser Anordnung läßt ein Getriebe sich zwischen dem Generator und der Dampfturbine ebenfalls kaum vermeiden. Darüber hinaus besteht häufig, beispielsweise bei Schiffsanlagen, kein Bedarf an zusätzlicher elektrischer Energie in dem durch die Abwärmeverwertung anfallenden Masse.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, gegenüber den bekannten Anordnungen eine möglichst einfache Umwandlung der Abhitze in mechanische Energie mit hohem Wirkungsgrad zu erzielen. Die Lösung dieser Aufgabe nach der Erfindung besteht darin, daß die Dampfturbine direkt auf der Welle der Aufladegruppe angeordnet ist Die direkte Verbindung der Dampfturbine, die mindestens einen Teil für das Ladeluftgebläse benotigten Antriebsenergie liefert, mit der Welle der AuflaS gruppe macht jegliche Getriebe entbehrlich; darlil%er hinaus wirken sich die während der weitaus meisen Betriebszustände ohne zusätzliche Energiezufuhr gtF wonnene Antriebsleistung und der dadurch mögliche höhere Aufladedruck in einer niedrigeren thermischen Belastung und einem geringeren spezifischen Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine aus.

Gute Ausnutzungsgrade der Dampfenergie, dabei geringere Geschwindigkeiten und als Folge davon ein einfacherer Aufbau der Dampfturbine mit einer sehr guten Anpassung an die Gegebenheiten, z. B. die Drehzahl der Aufladegruppe lassen sich erreich-en, wenn das Arbeitsmittel in dem Dampfkreislauf minde stens teilweise aus einem organischen Stoff, vorzugsweise aus einem Fluorkohlenwasserstoff - zB.