DE2630456C3 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer aus einer Abgasturbine und einem Ladegebläse bestehenden Aufladegruppe und mit mindestens einem Wärmetauscher, der in Strömungsrichtung der Abgase gesehen vor der Abgasturbine angeordnet und sekundärseitig Teil eines geschlossenen Dampfkreislaufs ist, der mindestens aus einem Verdampfer und einem Überhitzer sowie einer Dampfturbine, einem Kondensator und einer Speisepumpe besteht.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art ist aus der DD-PS 96 753 bekannt Ziel dieser Anordnung ist es, bei einem Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad die günstigste Möglichkeit für die Luftaufbereitung zu finden. Hierfür werden die Abgase vor ihrer Entspannung in der Abgasturbine im Überhitzer des Dampfkreislaufs und in einem Vorwärmer für die der Maschine zugeführte Verbrennungsluft abgekühlt; die Dampferzeugung im Dampfkreisiauf erfolgt bei dieser bekannten Maschine durch eine Zusatzheizein-ichtung. Die erzielte Abkühlung der Abgase ist bei dieser Maschine relativ gering, da die den Abgasen im Oberhitzer entzogene Wärmemenge relativ klein ist; für die Brennkraftmaschine ist eine Luftvorwärmung darüber hinaus ungünstig, da dadurch die ihr zugelieferte Luftmenge für einen optimalen Betrieb des Motors nicht mehr ausreicht und die notwendige Kühlung der mit dem Verbrennungsraum in Verbindung stehenden Teile nicht mehr gewährleistet ist

In Abweichung von der Zielsetzung bei der bekannten Maschine liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Gesamtwirtschaftlichkeit d.h. das Verhältnis von Aufwand und Nutzen, zu erhöhen. Von der Seite des Aufwandes für die Anlage bzw. Maschine her ist es dabei vor allem notwendig, den Aufwand für den Wärmeübertrager oder Abhitzekessel zwischen dem Abgas und dem Arbeitsmedium des Dampfkreislaufs zu senken und die Verwendung von warmfesten Materialien für die Abgasturbine zu vermeiden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die diskutierte Anlage nur wenig geeignet.

Diese Aufgabe τ. ird bei einer eingangs beschriebenen Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der unmittelbar von den die Brennkraftmaschine verlassenden Abgasen beheizte Wärmetauscher als Verdampfer und Überhitzer für das Arbeitsmittel des Dampfkreislaufs dient

Auf diese Weise wird den Abgasen trotz relativ kleiner Übertragungsflächen in dem Wärmetauscher ausreichend Wärme vor der Abgasturbine entzogen, so daß deren Beschaufelung aus weniger kostspieligem Werkstoff hergestellt sein kann. Weiterhin kann damit auch die für die Brennkraftmaschine ungünstige Vorwärmung der Verbrennungsluft entfallen.

Darüber hinaus wird in dem Verdampfer/Überhitzer den Abgasen eine derartige Wärmemenge entzogen, daß die in bekannten Anlagen vorgesehene Speisewasservorwärmung entfallen kann. Dadurch werden alle Schwierigkeiten vermieden, die durch Korrosion auf Grund des in den Abgasen enthaltenen Schwefels bei deren Abkühlung unter den zur Bildung von schwefliger Säure führenden Taupunkt von 120° C auftreten.

In der DE-OS 25 31 156 ist ein Dampfkreislauf beschrieben, in dem die Dampferzeugung in einem der Brennkraftmaschine unmittelbar nachgeschalteten Abhitzekessel erfolgt, wobei der in einer Dampfturbine entspannte Dampf über eine Turbine einen elektrischen Generator betreibt. Da diese Anlage keine Aufladegruppe mit Abgasturbine und Ladegebläse aufweist, ist die der Erfindung zugrunde liegende Problemstellung hier nicht gegeben.

Aus der DE-OS 20 05 721 schließlich ist eine Kohledruckvergasungsanlage bekannt, der eine Gasturbinenanlage nachgeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist zwischen zwei Teilturbinen ein Abhitzekessel vorgesehen. Obwohl in dieser Anordnung dem Abhitzekessel eine Gasturbine vorgeschaltet ist, fehlt bei ihr jeder Zusammenhang mit einer gesamtwirtschaftlich mög-

liehst günstigen Verwertung der Abwärme einer Brennkraftmaschine.

Der unvermeidbaren Leistungseinbuße bei der Abgasturbine resp. der Summe aus Abgas- plus Dampfturbinenleistung kann man dadurch begegnen, daß im Dampfkreislauf — statt beispielsweise Wasser — als Arbeitsmittel mindestens teilweise ein organischer Stoff, vorzugsweise ein Fluorkohlenwasserstoff, verwendet wird, was infolge des gestiegenen Temperaturniveaus speziell bei 2-Takt-Motoren wirtschaftlich ist

Bei im 2-Takt-Betrieb arbeitenden Maschinen läßt sich das Ansprechen der Maschine auf eine erhöhte Leistungsanforderung verbessern, wenn die Dampfturbine mit mindestens einem Teil ihrer mechanischen Nutzleistung das Ladegebläse unterstützt und dabei in ihrer Leistung geregelt wird. Eine neuartige und vorteilhafte Regelung für diesen Fall ergibt sich, wenn ein Druckspeicher für überhitzten Dampf vorgesehen ist, dessen Dampf gesteuert von der Drucküberwachung des Aufladesystems der Brennkraftmaschine in den geschlossenen Dampfkreislauf eingespeist werden kann, wobei darüber hinaus vorteiihafterweise der Doickspeicher an ein von der Brennkraftmaschine unabhängiges Dampferzeugungssystem angeschlossen ist.

Für Brennkraftmaschinen, die im 4-Takt-Betrieb arbeiten, kann die Abgastemperatur über 550—600°C gesteigert werden, die bisher durch die Materialeigenschaften resp. Korrosionsanfälligkeit der Schaufeln für die Abgasturbine praktisch vorgeschrieben war.

Konstruktiv läßt sich der Wärmetauscher vorteilhafterweise in die Gesamtkonstruklion der Brennkraftmaschine integrieren, wenn er in Verdampferrohr- und in Überhitzerrohrschlangen geteilt ist, wobei den Verdampferrohrschlangen mehreren Zylindern gemeinsam zugeordnet an einer Stirnseite der Brennkraftmaschine angeordnet ist, während die Überhitzerrohrschlangen in einzelnen Teilabschnitten strömungsmäßig parallel zueinander liegend dem Auspuff jedes Zylinders individuell zugeordnet und in je einer Ringkammer um die Abgassammelleitung der Brennkraftmaschine gewunden sind, dieser konstruktive Aufbau kann zweckmäßigerweise bei Brennkraftmaschinen, deren Zylinder hälftig in zwei Gruppen geteilt wird, vervollkommnet werden, wenn jede Zylindergruppe einen eigenen Dampfkreislauf hat, wobei die Verdampferrohrschlangen des Wärmetauschers an beiden Stirnseiten der Brennkraftmaschine angeordnet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

Fig.2 in gleicher Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung wieder,

Fig.3 eine Variante der Brennkraftmaschine nach Fig. 1, diese Variante bezieht sich vor allem auf eine 2-Takt-Brennkraftmaschine für den Antrieb von Schiffen, auf denen sehr oft ein unabhängig von der Antriebsmaschine arbeitendes Dampferzeugungssystem vorhanden ist.

F i g. 4 schematisch eine konstruktive Lösung für die Unterbringung der Wärmetauscherrohre in einer Brennkraftmaschine und stellt einen Querschnitt von IV-IV von Fig.5dar,

F i g. 5 eine Ansicht der F i g. 4 von rechts in Richtung des Pfeiles A ist, wobei ein Teil der Darstellung dem Schnitt V-V von F i g 4 entspricht.

Der in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Brenn

kraftmaschine 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 Brennkraftmaschine I fördert. In der Leitung 6 ist ein von einem Kühlmittel durchsetzter Kühler 7 für die komprimierte Luft vorgesehen.

Das Ladegebläse 3 wird von einer Abgasturbine 10 über eine Welle 11 angetrieben, wobei die Abgase der Turbine 10 über eine Leitung 12 zufließen und nach der Entspannung durch die Leitung 13 abgeführt werden.

Erfindungsgemäß ist in der Leitung 12 vor der Abgasturbine 10 ein Wärmetauscher 8 vorgesehen, dessen wärmeaufnehmende Seite als Verdampfer und Überhitzer 9 zu einem geschlossenen Dampfkreislauf 16 gehört, so daß die heißen, nicht entspannten Abgase der Brennkraftmaschine zunächst einen Teil ihres Wärmeinhaltes an das Arbeitsmittel des Dampfkreislaufes 16 abgeben, ehe sie zur arbeitsleistenden Entspannung in die Abgasturbine 10 gelangen.

Das in dem Verdampfer und Überhitzer 9 verdampfte und überhitzte Arbeitsmittel — vorzugsweise Wasser oder ein organischer Fluorkohlenw;., ',erstofi gemischt mit Wasser — des Dampffcreisiauies Ί6 strömt als überhitzter Dampf einer Dampfturbine 15 zu, aus der es nach seiner Entspannung zur Verflüssigung in einen Kondensator 17 gelangt; aus diesem wird es schließlich mittels «ner von einem Elektromotor 19 angetriebenen Speisepumpe 18 zurück in den Verdampfer und Überhitzer 9 gefördert

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 Abgasturbine 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 (CF₃CH₂OH), gemischt mit 15% Wasser, bewährt

Die Anordnung nach F i g. 2 eignet sich besonders für Brennkraftmaschinen die im 4-Takt verfahren arbeiten; von der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 unterscheidet sich diejenige nach Fig.2 nur in zwei Details. Zum einen ist zwischen der Dampfturbine 15 und dem Kondensator 17 im Dampfkreislauf 16 ein Rekuperator

22 vorgesehen, in dem der die Dampfturbine verlassende Dampf einen Teil seiner Restwäre zur Vorwärmung an das flüssige Arbeitsmittel des Kreislaufs 16 abgibt; zum anderen dient die Dampfturbine 15 nicht mehr zur Unterstützung des L.adegebläses 3, sondern treibt, völlig unabhängig von der Aufladegruppe 2, über eine Welle

23 einen elektrischen Generator 28.

Da« Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 entspricht demjenigen nach Fig. 1; über dieses hinaus ist in F i g. 3 eine Möglichkeit gtzeigt, mit der bei einer Erhöhung der geforderten Leistung die Dampfturbine 15 und damit das Ladegebläse 3 beschleunigt an den erhöhten Bedarf angepaßt werden können.

Die Darstellung nach F i g. 1 ist durch ein Steuergerät 33 ergänzt, dem als Eingangssignale zur Überwachung des Aufladedrucks über eine Signalleitung 21 Ausgangssignale a eines Druckfühlers 20 zugeführt werden, der in der Ladeluftleitung 6 zwischen dem Kühler 7 und der Brennkraftmaschine 1 den Istwert des Ladeluftdrucks mißt

Neben dem Ladedruck-Istwertsignal a des Fühlers 20

gelangt auf das Steuergerät 3.3 über eine Signalleitung 32 ein Dichzahl-Istwertsignal b, das durch einen Drehzahl-Meßfühler 34 gemessen wird. In dem Steuergerät 33 erfolgt zunächst einmal in bekannter Weise eine Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine 1 durch Variation der zugeführten Brennstoffmenge, die durch ein Ausgangssignal c über eine Leitung 33 verändert wird. Die Zuführung des Brennstoffes zur Brennkraftmaschine I erfolgt über eine Leitung 25, in der ein Regelorgan 24 vorgesehen ist, mittels einer Brennstoffpumpe 26, zu der ein Überdruckventil 27 im Nebenschluß angeordnet ist. Die Pumpe 26 ist von einem nich: dargestellten Elektromotor angetrieben.

Weiterhin wird in dem Steuergerät 33 das Drehzahlsignai 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 Steuergerät 33 gespeichert sind. Über- oder unterscheidet das Istwerlsignal a des Fühlers 20 diese Grenzwerte, so veranlaßt das Steuergerät 33 die Ausgabe eines weiteren Signals d über die Signalleislung 36, das als Steuersignal für ein regelbares Absperrorgan 37 dient, über das aus einer von der Brennkraftmaschine unabhängigen Dampfquelle überhitzter Dampf in den Kreislauf 16 eingespeist werden kann, wie noch beschrieben wire.

Diese Dampfquelle ist ein Trommelkessel 38, der Teil eines von dem Brennkraftmotor 1 unabhängigen Dampferzeugungssystem ist. Sein Kreislauf 56 enthält — neben einem Regelorgan 58 für die einem Dampferverbraucher 57 zugeführte Dampfmenge — einen Kondensator 59. eine von einem Motor 54 angetriebene Speisepumpe 55, einen Verdampfer 30 und den Kessel 38.

Der Verdampfer 30 ist in einer Brennkammer 42 gelegen, die durch einen Brenner 42 beheizt wird; die Verbrennungsgase verlassen die Brennkammer 42 über eine in die Abgasleitung 13 mündende Leitung 41

In der gleichen Brennkammer 42 ist ein weiteres Rohrsystem 62 untergebracht, das mit dem Kreislauf 56 verbunden ist; es ist an den Dampfraum des Kessels 38 über eine Leitung 31 und das Rückschlagventil 31' angeschlossen, die gleichzeitig über ein Auf/Zu-Ventil 39 mit dem wasserseitigen Ende des Verdampfers 30 in Verbindung steht. Nach dem Austritt des Systems 62 aus der Brennkammer 42 führen eine Leitung 63 mit einem Auf/Zu-Organ 64 zur Austrittsseite des Verdampfers 30 und eine zweite Leitung 65 mit einem Auf/Zu-Ventil 66 in einen Dampfkompressor 67, an dessen Austrittsseite ein von einer Wärme-Isolation 68 umschlossener Druckspeicher 69 angeschlossen ist.

Der Druckspeicher 69 ist über eine mit einem Druckmesserfühler 71 ausgerüstete Leitung 70 an das Steuerorgan 37 im Dampfkreislauf 16 angeschlossen. Er dient zur Bereitstellung von zusätzlichem Dampf für den Kreislauf 16. Dieser zusätzliche Dampf bewirkt bei Erhöhung des Leistungsbedarfs der Brennkraftmaschine 1 ein beschleunigtes Ansprechen des an sich tragen Aufladesystems.

Die Dampftemperatur im Druckspeicher 69 fühlt ein Temperaturfühler 76, dessen Meßwerte über eine Leitung 77 zu einem Steuergerät 78 gegeben werden. Weiterhin gelangen zum Steuergerät 78 über eine Leitung 75 die Meßwerte rdes Druckfühlers 7t, der den Druck in der Leitung 70 bzw. im Speicher 69 kontrolliert. Bei Absinken des Druckes in der Leitung 70 und/oder der Temperatur im Speicher 69 werden von dem Gerät 78 Steuersignale ausgegeben. Ein Signal in fließt über eine Leitung 74 zu einem Motor 73 für den Antrieb des Dampfkompressors 67, durch den überhitzter Dampf in dem Speicher 69 eingespeist werden kann. Die Signale m schalten bei sinkenden Meßwerten ι und/oder r den Motor 73 ein und bei Erreichen eingestellter Sollwerte für die Temperatur und/oder den Druck im Speicher 69 wieder aus.

Über Ausgangsleitungen 79 bis 81 steuert das Gerät 78 weiterhin gleichzeitig mit Hilfe seiner Ausgangssignale n, p, q die Stellung der Auf/Zu-Ventile 39, 64 und 66 in der Weise, daß entweder die Organe 39 und 64 offen und gleichzeitig das Ventil 66 geschlossen sind oder umgekehrt.

Mit dieser Steuerung kann das Rohrsystem 02 wahlweise als Zusalzverdampfer im Kreislauf 56 wirksam sein oder — bei geschlossenen Organen 39 und 64 und offenem Ventil 66 — als Überhitzer für über die Leitung 31 der Trommel 38 entnommenen Sattdanipl dienen, der mit Hilfe des Dampfkompressors 67 in den Speicher 69 gefördert wird.

Als Ausgleich für die zusätzlich zugeführte Dampfmenge wird diesem Kreislauf eine entsprechende Wassermenge über eine Ruckführleitung 82 mit einem Überdruckventil 83 entzogen und in den Kreislauf 56 zurückgespeist.

Die Brennstoffzufuhr zum Brenner 43 für das !•nabhängige Dampferzeugungssystem erfolgi über eine mit einem Auf/Zu-Regelorgan 45 versehene Leitung 44 ebenfalls mit Hilfe der Pumpe 26. Über eine Leitung 46 erhält der Brenner 43, gefördert durch ein von einem Motor 48 angetriebenes Gebläse 49, ^eine Verbrennungsluft zugeführt, wobei der Motor 48 und das Regelorgan 45 über ein Steuergerät 50 gesteuert werden; dieses gibt Einschalt- bzw. Öffnungssignale ο bzw. /"über Signalleitungen 51 bzw. 52 aus. Ein weiteres Ausgangssignal g des Gerätes 50 fließt über eine Signalleitung 53 dem Antriebsmotor 54 der Speisepumpe 55 zu. Diese Ausgangssignale e bis g des Steuergerätes 50 werden bei sinkendem Druck im Kessel 38 bzw. in der Dampfleitung 31 ausgelöst, der von einem Fühler 60 gemessen und als Eingangssignal Λ über die Leitung 61 auf das Gerät 50 gegeben wird.

Am Beispiel eines 2-Takt-Motors 1 zeigen Fig.4 und 5 eine vorteilhafte konstruktive Lösung für die Unterbringung der Verdampfer- und Überhitzerrohrschlangen des Wärmetauschers 8. Neben dem Ansaugfilter 5a und der Aufladegruppe 2a zeigt Fig.4 einen Spülluftsammler 91.

Durch vom Kolben 92 gesteuerte Schlitze 93 strömt die Ladeluft aus diesem Sammler 91 in den Zylinder 94. Oberhalb der Schlitze 93 sind im Zylinder 94 Auslaß-Schlitze 95 vorhanden, an die ein zur Abgassammelleitung % führender Auspuffstutzen 97 anschließt Der Auspuffstutzen 97 endet in einer vor der Sammelleitung 96 liegenden Ringkammer 98, in der Überhitzerrohrschlangen 99 vorgesehen sind. Über eine Durchtrittsöffnung 100, die in Strömungsrichtung der Abgase am Ende der Ringkammer 98 vorgesehen ist, stehen die Ringkammer und damit der Auspuff 97 mit der Sammelleitung 96 in Strömungsverbindung.

Die Überhitzerrohrschlangen 99 sind der — wie Fig.5 erkennen läßt — jedem einzelnen Zylinder zugehörige Überhitzerteil des Rohrsystems 9, das in dem Wärmetauscher 8 (F i g. 1) das wärmeaufnehmende Medium führt

In Strömungsrichtung der Abgase der Sammelleitung 97 nachgeordnet ist eine U-förmige Leitung 102 für die

Abgase mehrerer oder aller Zylinder 94, die über die Leitung 12a zur Abgasturbine 10a führt. Im U-Bogen 102, der an der Stirnseite der Verbrennungskraftmaschine 1 gelegen ist, ist eine weitere Verdampferrohrschlange 103 eingebaut.

Wie in F i g. 5 angedeutet, sind die vier dort gezeigten Zylinder der Brennkraftmaschine 1 hälftig geteilt, wobei jeder Motorenhälfte I und Il ein eigener Dampfkreislauf

16a und 16/?, von dem nur die Speisepumpe 18a und 186 gezeigt sind, zugeordnet ist. Den Zylindergruppen I und II sind in dem Beispiel darüber hinaus je eine eigene Aufladegruppe zugeteilt, von der in Fig.4 resp. 5 lediglich die Aufladegruppe 2a, der Luftfilter Sa und die Abgasturbine 10a sowie die Abgasleitung 12a der Gruppe I wiedergegeben sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   J. Brennkraftmaschine mit mindestens einer aus einer Abgasturbine und einem Ladegebläse bestehenden Aufladegruppe und mit mindestens einem Wärmetauscher, der in Strömungsrichtung der Abgase gesehen vor der Abgasturbine angeordnet und sekundärseitig Teil eines geschlossenen Dampfkreislaufs ist, der mindestens aus einem Verdampfer und einem Oberhitzer sowie einer Dampfturbine, einem Kondensator und einer Speisepumpe besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der unmittelbar von den die Brennkraftmaschine (1) verlassenden Abgasen beheizte Wärmetauscher (8) als Verdampfer und Oberhitzer (9) für das Arbeitsmittel des Dampfkreislaufs dient.
2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 für den 2-Takt-Betrieb, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckspeicher (69) für überhitzten Dampf vorgesehen ist, dessen Dampf, gesteuert von der D lecküberwachung (psO) des Aufladesystems der Brennkraftmaschine (1), in den geschlossenen Dampfkreisiauf (16) eingespeist werden kann, wobei der Dampfkreislauf (16), direkt oder indirekt, zur Unterstützung des Ladegebläses (3) dient
3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher (69) an ein von der Brennkraftmaschine (1) unabhängiges Dampferzeugungssystem (38, 56, 59, 55, 30) angeschlossen ist
4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (8) in Verdampferrohr- (103) und in Überhitzerrohrschlangen (99) geteilt ist, wobei den Verdampferrohrschlangen (193), mehreren ZyIi,-lern (94) gemeinsam zugeordnet, an einer Stirnseite der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist während die Überhitzerrohrschlangen (99), in einzelnen Teilabschnitten strömungsmäßig parallel zueinander liegend, dem Auspuff (97) jedes Zylinders (94) individuell zugeordnet und in je einer Ringkammer (98) um die Abgassammelleitung (96) der Brennkraftmaschine (1) gewunden sind.
5. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, deren Zylinder hälftig in zwei Gruppen (I, II) geteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zylindergruppe (I, II) einen eigenen Dampfkreislauf (16a, \6b) hat, wobei die Verdampferrohrschlangen (103) des Wärmetauschers (8) an beiden Stirnseiten der Brennkraftmaschine (I) angeordnet sind.
6. 6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel in dem Dampfkreislauf (16) mindestens teilweise aus einem organischen Stoff, vorzugsweise aus einem Fluorkohlenwasserstoff, besteht.