DE2925230A1

DE2925230A1 - Waermekraftmaschine nach dem verdraengerprinzip

Info

Publication number: DE2925230A1
Application number: DE19792925230
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Ing Noack
Original assignee: Deutsche Babcock AG
Current assignee: Deutsche Babcock AG
Priority date: 1979-06-22
Filing date: 1979-06-22
Publication date: 1981-01-08

Description

Wärmekraftmaschine nach dem Verdrängerprinzip
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine nach dem Verdrängerprinzip gemäß der- GRttung des Hauptanspruchs.
Als Antriebsmaschinen für Fahrzeuge und. für stationäre Zwecke sind sowohl Kolbenmaschinen (Otto-Motor, Diesel-Motor) als auch Turbomaschinen (Gasturbinen) bekannt. Beide Antriebsmaschinen weisen gewisse Nachteile auf.
Die herkömmlichen Kolbenmaschinen arbeiten mit Innenverbrennung, d. h. ein Brennstoff-Luftgemisch wird in dem Arbeitsraum (Zylinder) gezündet, so daß die sich ausdehnenden heißen Gase direkt auf den Arbeitskolben wirken können. Dabei wird der Kolben unter Abgabe einer Arb-eitsleistung bewegt. Nach diesem Prinzip werden bei jedem Arbeitstakt die Verbrennungsgase ausgeschoben und anschließend ein neuer Arbeitstakt mit Verbrennung eingeleitet. Zwischen dem Ausschieben der Gase und dem neuen Arbeitstakt wird nämlich~ noch ein Ladevorgang durchgeführt, bei welchem dem Arbeitsraum erneut ein zündfahiges Gemisch zugeführt wird.
Bei Kolbenmaschinen nach dem Verdrängerprinzip wird zyklisch gearbeitet, d. h. in schneller Folge werden die einzelnen Lade-, Verbrennungs- und Aussohiebevorgänge durchgeführt..
Dabei erfolgt die Verbrennung des Treibstoffes in Zeiten von hundertsteln Sekunden und weniger. Wegen der Kürze der Verbrennungszeit ist vor allem in Teillastbereichen keine ein; wandfreie Verbrennung möglich, lnfolge-dessen ist der Ausstoß an Kohlenmonoxyd (Ruß-, etc) entsprechend hochb Darüber hinaus muß durch Beimischung von Schwermetailverbindungen (z.B. Bleitetraäthylen) die Klopffestigkeit der Treibsto -fe bei Otto-Motoren erhöht werden. Diese Motoren haben daher einen zusätzlichen Ausstoß von giftigen Bleiverbindungen.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß ein Großteil der erzeugten Wärme mit den heißen Abgasen ins Freie tritt und damit ungenutzt ausströmt.
Gegenüber Kolbenmaschinen weisen Turbomaschinen zwar eine kontinuierliche Verbrennung auf, aber diese Maschinen haben wegen ihrer besonderen Bauart bei bestimmten Anwendungsfällen (z.B. bei Kraftfahrzeugen) nur schlechte Wirkungsgrade.
Das ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß bei den in Kraftfahrzeugen vorliegenden beengten Raumverhältnissen keine Wärmerückgewinnung aus den heißen Abgasen möglich ist.
Dabei ist der Abgas-Volumen-Strom bei Turbomaschinen oder Gasturbinen um ein Vielfaches größer als bei Kolbenmaschinen, so daß auch die Wärmeverluste dementsprechend größer sind, wenn keine Wärmerückgewinnung möglich ist.
Hinzu kommt, daß Turbo-Maschinen bei kleiner werdender Baugröße im Wirkungsgrad immer ungünstiger werden, z.B. wegen der größer werdenden Spaltverluste.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine zu schaffen, die mit einem relativ einfachen Brennstoff arbeitet und einen guten Wirkungsgrad aufweist und darüber hinaus die Umwelt wenig belastet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß die sich bei konventionellen Verdränger-Maschinen und Turbo-Maschinen zeigenden Nachteile dadurch ausgeschaltet werden, daß eine Wärmekraftmaschine mit außen liegender Verbrennung geschaffen wird. Bei einer solchen Wärmekraftmaschine wird von einem Kompressor Luft angesaugt und auf Arbeitsdruck verdichtet. Diese komprimierte Luft- gelangt dann in eine Brennkammer, in der durch Einspritzen von Brennstoff die Verbrennung durchgefehrt wird. Zwischen dem Kompressor und der Brennkammer ist vorzagsweise ein Wärmetauscher geschaltet, der mit den heißen Abgasen beheizt wird und zur Vorwärmung der Verbrennungsluft dient.
Anstelle der Brennkammer kann alternativ auch ein Lufterhitzer oder weiterer Wärmetauscher vorgesehen sein, in dem die Luft indirekt erhitzt wird. Dabei laufen die Verbrennungsvorgänge räumlich von der Arbeitsluft getrennt ab, wobei die Wärme über Wände von den Rauchgasen an die Luft übertragen wird.
Die heißen Verbrennungsgase oder die heißen Luftströme werden einer nach dem Vcrdrängerprinzip arbeitenden Maschine zugeführt, die über Einlaß- und Auslaßventile gesteuert und in der ein Kolben in Bewegung gesetzt wird. Diese Arbeitsmaschine treibt gleichzeitig auch den Kompressor an.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine arbeitet mit einer kontinuierlichen Verbrennung, so daß ein im wesentlichen schadstofffreies Abgas entsteht. Darüber hinaus sind besondere Antiklopfr:iittel für den zu verwendenden Brennstoff nicht erforderlich. Daher ist ein solcher Motor besonders umweltfreundlich. Vorteilhafterweise kann praktisch jeder flüssige oder gasförmige Brennstoff verwendet werden, während bei indirekter Beheizung der Arbeitsluft auch die Verwendung fester Brennstoffe (z.B. Kohle) möglich ist.
Vorteilhaft wirkt sich ebenfalls der geringere Steuerungsaufwand gegenüber herkömmlichen Verdränger-Maschinen aus, da nur die Arbeitsmaschine mit angetriebenen Ventilen auszurüsten ist, wobei der Kompressor entweder gar keine Ventile hat (z.B. Schraubenverdichter) oder selbsttätig arbeitende Ventile hat (z.B. Kolbenverdichter). Obwohl diese Arbeitsmaschinen dem Prinzip nach Zweitakt-Maschinen sind, weisen solche Zwei-Zylinder-Maschinen denselben Gleichlauf wie übliche Viertakt-Motoren auf. Alternativ sind die Arbeitszylinder dieser Maschine auch alternierend als Kompressorzylinder einsetzbar.
Infolge der möglichen Wärmerückgewinnung (kleine Gasmengen) können die Wirkungsgrade solcher Maschinen gegenüber herkötnmlichen Maschinen erheblich gesteigert werden. Dadurch ergibt sich eine Einsnarmöglichkeit an Brennstoff gegenüber herkömmlichen Motoren.
Gegenüber dem Otto-Motor ist bei dem erfindungsgemäßen Motor mit außenliegender Verbrennung die Klopffestigkeit des Treibstoffes nicht entscheidend, so daß mit erheblich höheren Drücken gearbeitet werden kann, die allein durch konstruktive Maßnahmen begrenzt sind. Aufgrund dieser Arbeitsweise ergibt sich ein größerer Wirkungsgrad als bei Otto-Motoren, so daß nociunals der Verbrauch an Brennstoff gesenkt werden kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand lon zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein prinzipielles Ausführungsbeispiel eines Kolbenmotors mit außenliegender Verbrennung nach der Erfindung und Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kolben-motors mit außenliegender Verbrennung nach der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 ist ein Kompressor 1 an einer Wärmetauscher 2 angeschlossen, der mit einer Brennkammer 3 verbunden ist. Die Brennkanmer 3 ist über eine Ilohrleitung 4 mit einem Verteilerrohr 5 verbiinden, das über Ventil 6 mit einem Arbeitszylinder 7 in Verbindung steht. In dem Arbeitszylinder 7 ist ein Arbeit kolben 8 angeordnet. Über ein Auslaßventil 9 und ein Sammlerrohr 10 ist der Arbeitszylinder über eine Rohrleitung il mit dem Wärmetauscher 2 verbunden, der mit einem Auspuff 12 versehen ist.
Im Betrieb saugt der Kompressor 1 Luft an und verdichtet sie auf den Arbeitsdruck. In dem Wärmetauscher 2 wird diese Luft mit den heißen Abgasen vorgewärmt und dann anschließend in der Brennkammer 3 durch Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen auf Arbeitstemperatur gebracht. Diese heißen Gase strömen dann über die Rohrleitung 4 dem Verteilerrohr 5 zu, von dem sie über das Ventil 6 in den Arbeitszylinder 7 gelangen. In dem Arbeitszylinder 7 wird der Arbeitskolben 8 unter Abgabe von Arbeitsleistung bewegt. Nachfolgend verläßt das entspannte Arbeitsgas über das Auslaßventil 9 und das Sammlerrohr 10 den Arbeitszylinder. Es gelangt über die Itohrleitung il zu dem Wärmetauscher 2 und verläßt den Wärmetauscher 2 über den Auspuff 12.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die komprimierte Luft nach Vorwärmung in dem Wärme taus eher 2 rekuperativ auf Arbeitstemperatur erhitzt wird. Dazu wird aie vorgewarmte Luft einem zweiten Wärmetauscher 13, der an dem ersten Wärmetauscher 2 angeschlossen ist, so zugeleitet, daß die vorgewärmte Luft in dem zweiten Wärmetauscher mittels heißer Rauchgase aufgeheizt wird. Die heißen rauchgase werden dabei in einer an dem zweiten Wärmetauscher 13 angesciilossenen Brennkammer 14 erzeugt, die mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beheizbar ist. Die abgekühlten lauchOasc gelangen anschließend in einen Auspuff 15, der auch auv dcu zingaIlg des ersten Wärme tauschers 2 zurückgeführt scin kam (mit gestrichelter Linie dargestellt). Die übrigen Anlagenkomponenten entsprechen im wesentlichen der Ausführung nach Fig, 1.
Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜGIlE: 1. Wärme-Kraft-Maschine nach dem Verdrängerprinzip, -die mit heißen-Rauchgasen oder heißer Luft angetrieben wird, mit Arbeitsräumen, in denen Kolben geführt sind, die über Einlaß- und Auslaßventile gesteuert werden, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Brennkammer(3)außerhalb der Arbeitsräume(7) angeordnet ist.
2. Wärme-Kraft-Maschine nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Brennkammer (3) mit angesaugter und auf einen bestimmten Arbeitsdruck komprimierter Luft beschickt ist.
3. Wärme-Kraft-Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Brennkammer (3) mit einem Kompressor (i) verbunden ist, der von der Wärme-Kraft-Maschine antreibbar ist.
4. Wärme-Kraft-Maschine nach Anspruch i oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Arbeitsräume (7) selbst als Kompressor ausgelegt sind.
5. Wärme-Kraft-Maschine nach einem Qder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der Brennkammer (3) und dem Kompressor (i) ein erster Wärmetauscher (2) geschaltet ist.
6. Wärme-Kraft-Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen den Arbeitsräumen (7) und dem ersten Wärmetauscher (2) ein zweiter Wärmetauscher (13) angeordnet ist.
7. Wärme-Kraft-Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die komprimierte Luft in dem ersten Wärmetauscher (2) mittels der heißen Abgase vorwarmbar ist.
8. Wärme-Kraft-Haschine nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Ausgang des zweiten Wärmetauschers (13) auf den Eingang des ersten Wärmetauschers (2) rückgeführt ist.
9. Verfahren für eine Wärme-Kraft-Maschine nach dem Verdrängerprinzip gemäß Anspruch i, die mit heißen Rauchgasen oder heißer Luft angetrieben wird, mit Arbeitsräumen in denen Kolben geführt sind, die über Einlaß- und Auslaßventile gesteuert sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Wärme von einer außenliegenden Brennkammer (3) den Arbeitsräumen (7) zugeführt wird.

lO.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß Luft außerhalb der Arbeitsräume (7) angesaugt wird, daß die Luft auf einen bestimmten Arbeitsdruck komprimiert wird und daß die komprimierte Luft in der außerhalb der Arbeitsräume (7) liegenden Brennkammor (3) erhitzt wird.