DE2730769C3

DE2730769C3 - Brennkraftmaschine, deren Austritt mit einer Abgasturbine verbunden ist

Info

Publication number: DE2730769C3
Application number: DE2730769A
Authority: DE
Inventors: Cesare Bassoli; Giorgio Cornetti; Francesco Cuniberti
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-07-09
Filing date: 1977-07-07
Publication date: 1979-08-23
Also published as: IT1071240B; GB1522930A; FR2357734B1; DE2730769A1; DE7721363U1; FR2357734A1; DE2730769B2; JPS5311220A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.

Durch die DD-PS 96 753 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Verbrennungsluft gänzlich oder teilweise außerhalb des Arbeitsraumes verdichtet wird und bei dem die gesamte Energie für die Luftaufbereitung dem Abgas entnommen wird. Hierzu wird das Abgas von einer Abgasturbine und von einer durch die Abgaswärme im Dampfkessel hervorgerufenen Wasserdampf getriebenen Dampfturbine genutzt, die einen Verdichterblock antreiben, der die Verbrennungsluft verdichtet, wodurch die Motorleistung erhöht und der Wirkungsgrad verbessert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl den Wärmewirkungsgrad als auch den volumetrischen Wirkungsgrad bei einer Brennkraftmaschine der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art dadurch zu verbessern, daß eine gegenüber normaler Arbeitsweise größere Expansion der Abgase herbeigeführt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

fs gelingt mit diesen Maßnahmen, die Abgase der iirennkrai'lniiischino auf einen unit"" dem Atmosphären druck liegend ;. Druck '/ν, .'Muü'.lM'rjn und 'ianii:

40 beispielen von Brennkraftmaschinen, die in der im Patentanspruch 1 angegebenen Weise mit Turbo-Kompressoreinheiten beschaltet sind, konnte der gesamte Wirkungsgrad in einer Weise verbessert werden, die einer Verringerung des spezifischen Brennstoffverbrauchs von 7% bei Dieselmotoren und 8% bei Otto-Motoren entspricht

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Reduktion des Abgasdruckes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 zeigt eine graphische Darstellung des Arbeitszyklus der in F i g. 1 dargestellten Brennkraftmaschine,

Fig.3 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.4 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, deren Auspuffrohr 2 mit dem Eintritt einer Turbine 4 verbunden ist. Der Austritt dieser Turbine 4 ist über eine Leitung 5 mit einem ersten Wärmetauscher S verbunden durch den die Abgase der Turbine 4 hindurchgeleitet werden, so daß ein Wärmeaustausch mit Kühlluft stattfindet.

Eine Leitung 8 verbindet den Austritt des ersten Wärmetauschers 6 mit dem Einiriii eines zweiten Wärmetauschers 10, in dem die Gase Wärme auf eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, übertragen, die dem Wärmetauscher 10 über einen Eintritt 12 zugeführt und an einem Eintritt 14 abgeführt wird.

Eine Leitung 16 verbindet den Gasaustritt des zweiten Wärmetauschers 10 mit dem Eintritt eines Kompressors 20, der auf gemeinsamer Achse mit der Turbine 4 angeordnet ist und mit dieser eine Turbo-Kompressoreinheit bildet. Am Austritt des Kompressors 20 ist eine Leitung 22 vorgesehen, die die Abgase eier Brennkraftmaschine in die Atmosphäre abgibt.

Die Arbeitsweise dieses ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird im folgenden anhand der F i g. 1 und 2 beschrieben. F i g. 2 zeigt graphisch die Folge von Expansion und Kompression der Abgase der Brennkraftmaschine. Auf der Abszisse ist das spezifische Volumen Vder Abgase und auf der Ordinate der Druck ρ der Abgase aufgetragen.

Die Abgase treten in die Turbine 4 aus dem Auspuffrohr 2 ein, und der Punkt 2 in Fig. 2 gibt die entsprechenden Werte für das spezifische Volumen und den Druck an. In der Turbine 4 expandieren die Abgase adiabatisch, so daß dann der Punkt 2 in der in Fig. 2 gezeigten Kurve erreicht wird. In den Wärmetauschern 6 und 10 erfahren die Abgase eine theoretisch isobare Vorkühlung, in der Praxis fällt der Gasdruck jedoch leicht gemäß der Linie 2-3 ab, da ein Gasverlust auftritt. Die Gase werden schließlich im Kompressor 20 komprimiert, was der Linie 3-4 in Fig. 2 entspricht, wöbe! sie einen Druck" erreichen, der gleich dem Λ imnspriarcndn! / ist, so daß sie durch die l.citunr 22 in ,ijL- A'.nii.'spliiirc u υ .·,; reif" kiinner..

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Schmierung der Brennkraftmaschine dient Dieses Ol kann durch die aus der Turbine 4 austretenden Abgase mitgenommen werden und dann mit diesen Gasen zirkulieren. Um einen solchen Ölverlust aus der Turbine 4 zu vermeiden, ist eine ölsammelleitung 28 an einen Punkt 26 der Leitung 16 angeschlosser, an dem die Gase ihren minimalen Druck erreichen. Die Leitung 28 führt in eine Kammer 30, die als Behälter dient und auf einem niedrigen Druck gehalten wird, der gleich dem in der Leitung 16 herrschenden Druck ist. Der Boden dieser Sammelkammer 30 ist wiederum über eine Leitung 32 mit dem ölsumpf der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Eine ölpumpe 34 ist in die Leitung 32 eingefügt und führt das öl aus der Kammer 30 wieder der Brennkraftmaschine 1 zu.

Eine Leitung 19 für Schmieröl führt von dem Wellengehäuse der Turbo-Kompre^soreinheit zu der Niederdruck-Sammelkammer 30. Dies ermöglicht eine Wiedergewinnung von Schmieröl aus der Ί urbine. Das öl wird aus der Sammelkammer 30 wiederum dem Sumpf der Brennkraftmaschine 1 über die Pumpe 34 und die Leitung 32 zugeführt.

Vorzugsweise wird die Vorkühlung der Abgase mit zwei hintereinander angeordneten Wärmetauschern durchgeführt Der erste Wärmetauscher 6 ist luftgekühlt und kühlt die Gase, während sie noch eine hohe Temperatur haben. Die Anwendung von Wasser als noch wirksameres Kühlmittel ist auf den zweiten Wärmetauscher 10 beschränkt, in dem die Temperatur der Gase niedriger ist Dadurch wird die zur Kühlung der Abgase erforderliche Wassermenge reduziert. Die Vorkühlung der Abgase kann jedoch vorteilhaft auch in einem einzigen Wärmetauscher beliebiger Art durchgeführt werden.

Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich Fig. 1, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Diese zweite Einrichtung unterscheidet sich von der in F i g. 1 gezeigten dadurch, daß als Belastung ein Generator 40 vorgesehen ist, der in diesem Falle auf gemeinsamer Welle mit der Turbo-Kompressoreinheit angeordnet ist. Der Generator 40 kann Antriebsleistung für Hilfsaggregate der Brennkraftmaschine liefern.

Anstelle des Generators 40 kann auch eine andere Belastung vorgesehen sein. Beispielsweise kann diese ein zusätzlicher Kompressor oder ein Gebläse zur Voraufladung der Brennkraftmaschine 1 sein. Im letzteren Falle kann die Vorrichtung nach der Erfindung zur Voraufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wobei Nutzleistung durch die Expansion der Abgase in der Turbine 4 verfügbar ist, oder es ist auch eine Voraufladung der Maschine unter Ausnutzung eines Teils der Energie des Niederdruck-Expansionszyklus möglich, während die restliche Energie zur Reduktion des Abgasdrucks der Brennkraftmaschine ausgenutzt wird.

ίο In Fig.4 ist ein System gezeigt, bei dem wiederum mit F i g. 1 gleichartige Teile gleiche Bezugszeichen aufweisen. Gemäß diesem dritten Ausführungsbeispie! der Erfindung ist nur ein einziger flüssigkeitsgekühlter Wärmetauscher 10 vorgesehen. Dieser Wärmetauscher 10 arbeitet als Kocher für eine Flüssigkeit, beispielsweise für eine Mischung von Wasser und Trifluoräthanol, um einen Niedrigtemperatur-Rankine-Zyklus durchzuführen. Zu diesem Zweck ist der Austritt 50 des Wärmetauschers 10 mit dem Eintritt einer Turbine 52 verbunden, deren Austritt mit dem Eintritt 56 des Wärmetauschers 10 über einen Kondensor 60 und eine Extraktionspumpe 62 verbunden ist Eine Belastung 64 ist auf der Welle der Turbine 52 vorgesehen und wird durch diese angetrieben.

2Ί Das flüssige Kühlmittel, das den Wärmetauscher 10 verläßt, kann in der Turbine 52 expandieren und wird im Kondensor 60 kondensiert. Dann wird es dem Wärmetauscher 10 über die Pumpe 62 wieder zugeführt.

Bei den in F i g. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbei-

>u spielen kann natürlich auch ein System zur Wiedergewinnung von Schmieröl aus der Turbine vorgesehen sein, wie es in F i g. 1 dargestellt ist.

Ein erster, sehr wichtiger Vorteil einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung besteht darin, daß durch die

!> regelmäßige Strömung der Abgase durch die Turbine, verglichen mit der turbulenten Strömung freier Abgase, das Auspuffgeräusch praktisch verschwindet oder mindestens reduziert ist, wodurch der Einsatz von Schalldämpfern praktisch überflüssig ist.

-tu Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung beim Betrieb Feststoffteilchen sammelt, die in einem Aerosol-Zustand in den Abgasen vorhanden sind. Dies ist auf die Vorkühlung zuitickzuführen, die die Kondensation der Teilchen und ihre nachfolgende Zentrifugierung im Kompressor der Turbo-Kompressoreinheit bewirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine, deren Austritt mit dem Eintritt einer einen Kompressor antreibenden Abgasturbine verbunden ist, wobei die die Abgasturbine verlassenden Abgase durch einen diese Abgase abkühlenden Wärmetauscher fließen, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt des Wärmetauschers (6, 10) mit dem Eintritt des Kompressors (20) und dessen Austritt (22) mit der Atmosphäre verbunden sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansion der Abgase in der Turbine (4) auf einen Gasdruck durchgeführt wird, der niedriger als der atmosphärische Druck ist '⁵

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belastung (40,64) mit der Turbo-Kompressoreinheit (4, 20) mechanisch verbunden ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung (40, 64) ein Kompressor zur Voraufladung der Maschine ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10) als Kocher für einen Niedrigtemperatur-Rankine-Zyklus dient (Fig. 4).

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein luftgekühlter erster Wärmetauscher (6) mit dem Austritt der Turbine (4) einerseits und mit einem flüssigkeiisgekühlten zweiten Wärmetauscher (i0) andererseits verbunden ist, der mit dem Eintritt des Kompressors (20) verbunden ist und diesem vorgekühlte Abgase zuführt.