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Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Brennstoffwär-
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me in mechanische Energie Die Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Umwandlung von Brennstoffwärme in mechanische Energie in einem
Verbrennungsmotor, wobei in periodischer Reihenflge verdichtete Luft in einen Brennraum
eingelassen und zusammen mit zugeführtem Brennstoff verbrannt wird und die bei der
Verbrennung gebildeten Rauchgase unter Ausdehnung entspannt und aus dem Brennraum
ausgeschoben werden.
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Es sind Verfahren bekannt, bei denen die zur Verbrennung bestimmte
Luft vorverdichtet und in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingelassen wird.
Innerhalb des Motors wird die vorverdichtete Luft z.B. durch die Bewegung eines
Kolbens bis zu einem maximalen Druck, dem Kompressionsenddruck, verdichtet. Anschließend
wird in die verdichtete Luft Brennstoff eingespritzt und das Gemisch durch Selbst-
oder Fremdzündung verbrannt und entspannt. Die Vorverdichtung der Luft bewirkt eine
Leistungssteigerung eines Verbrennungsmotors im Vergleich zu einem Motor, der Luft
von Umgebungsdruck ansaugt. Die Vorverdichtung bewirkt zwar auch eine geringfügige
Verbesserung des Wirkungsgrades, jedoch ist dieser Effekt nicht auf eine verbesserte
Umwandlung der im Brenn-
stoff enthaltenen Energie zurückzuführen,
sondern auf eine relative Verringerung wirkungsgradmindernder Einflüsse beispielsweise
des zwischen dem Kolben in der oberen Totpunktlage und dem Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors
bestehenden Schadraumes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
geschilderten Art anzugeben, durch das Brennstoffenergie mit besserem Wirkungsgrad
als in bekannten Verbrennungsmotoren in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Luft außerhalb
des Motors ganz oder fast auf Kompressionsenddruck verdichtet und anschließend im
Wärmetausch mit den entspannten Rauchgasen erhitzt wird, bevor sie in den Brennraum
eingelassen wird.
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Erfindungsgemäß findet innerhalb des Motors keine,allenfalls eine
geringfügige Kompression statt. Vielmehr wird die Luft außerhalb des Motors vollständig
oder zumindest im wesentlichen auf den Kompressionsenddruck verdichtet, der in bisherigen
Motoren erst durch Kompression innerhalb des Motors erreicht wurde. Durch die Verlagerung
der Luftkompression nach außerhalb des Motors wird das Leistungsgewicht, d.h. daß
Masse-Leistungsverhältnis verbessert.
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Gemäß der Erfindung wird die komprimierte Luft außerhalb des Brennraums
im Wärmetausch mit den bei der Verbrennung in vorausgegangenen Arbeitstakten des
Motors gebildeten Rauchgase erhitzt. Daher kann die zugeführte Brennstoffwärme im
Vergleich zu Prozessen ohne zusätzliche Erhitzung der komprimierten Luft reduziert
werden. Das bedeutet aber auch, daß weniger Brennstoff zugeführt werden muß. Auf
diese Weise wird im Vergleich zu herkömmlichen Dieselmotoren oder Ottomotoren ein
wesentlich besserer Wirkungsgrad erzielt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Luft in mehreren Stufen,
vorzugsweise mit Zwischenkühlung komprimiert.
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Durch eine mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung wird die Luft
nahezu isotherm komprimiert, so daß die Luft nach der vollständigen Kompression
annähernd Umgebungstemperatur besitzt. D.h. die mehrstufige Kompression mit Zwischenkühlung
verringert einerseits die Kompressionsarbeit und ermöglicht andererseits eine nahezu
vollständige Nutzung der in entspannten Rauchgasen enthaltenen Wärme.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird die Luft
vor der Verdichtung gekühlt. Die Kühlung kann auf eine Temperatur von oberhalb oder
unterhalb OOC erfolgen, wobei die Kompressionsarbeit zusätzlich verringert und die
Endkompressionstemperatur gesenkt wird.
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Erfindungsgcmäß wird die Umwandlung der Brennstoffwärme in mechanische
Energie in einem Verbrennungsmotor zweckmäßigerweise in einem aus zwei Takten bestehenden
Arbeitszyklus durchgeführt. Dabei wird im ersten Takt Kolbenbewegung von der oberen
bis zu unteren Totlage)die auf Kompressionsenddruck verdichtete Luft bei geöffnetem
Einlaßventil in den Brennraum eingelassen,das Einlaßventil wieder geschlossen, der
Brennstoff zugeführt und das enstehende Gemisch verbrannt und entspannt. Im zweiten
Takt werden die bei der Verbrennung entstandenen Rauchgase bei geöffnetem Auslaßventil
aus dem Brennraum ausgeschoben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
wird ein Teil der in den Rauchgasen nach dem Austritt aus dem Brennraum enthaltenen
Energie genutzt. Dazu werden die aus dem Brennraum ausgeschobenen Rauchgase zunächst
in einer Expansionsmaschine (Abgasturbine) arbeitsleistend entspannt und anschließend
beim Wärmetausch mit der komprimierten Luft bis etwa auf die Temperatur der komprimierten
Luft
gekühlt. Die in den Rauchgasen enthaltene Energie wird in dieser Verfahrensweise
nicht nutzlos abgegeben, sondern zu einem wesentlichen Teil erneut in den Umwandlungsprozeß
eingekoppelt bzw. in Form mechanischer Energie abgegeben. Wird die Brennstoffzufuhr
in den Brennraum und damit die Maximaltemperatur der Verbrennungsgase im Brennraum
erhöht, so steigt auch der Anteil der aus den Rauchgasen rückgewonnenen Wärme. Die
geschilderten Maßnahmcn bewirken eine Verbesserung des Wirkungsgrades und eine niedrigere
Temperatur der an die Umgebung abgegebenen Rauchgase.
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Grundsätzlich ist es möglich, die zur Kompression der Luft erforderliche
Energie durch eine vom Verbrennungsmotor unabhängige Anlage bereitstellen zu lassen.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird jedoch die gesamte Kompressionsarbeit
für die Verdichtung der Luft auf Kompressionsenddruck durch die in der dem Motor
nachgeschalteten Expansionsmaschine (Abgasturbine) aus den Rauchgasen gewonnene
Energie gedeckt.
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Die Maximaltemperatur im Brennraum bzw. das Druckniveau der Rauchgase
nach der Entspannung wird bestimmt durch das Temperaturniveau, mit dem die Rauchgase
den Brennraum über das Auspuffventil verlassen dürfen, ohne daß dieses Ventil zerstört
wird. Werden die Rauchgase erfindungsgemäß in einer Expansionsmaschine entspannt,
so kühlen sich die Rauchgase weiter ab. Im Wärmetausch mit den entspannten Rauchgasen
wird die komprimierte Luft daher lediglich auf ein Temperaturniveau angehoben, das
weit unter dem Temperaturniveau liegt, mit dem die Luft ohne Beschädigung des Lufteinlaßventils
dem Brennraum zugeführt werden könnte. Dieses Temperaturniveau entspricht der Temperatur
der den Brennraum verlassenden Rauchgase. Mit besonderem Vorteil wird daher nach
einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens die komprimierte Luft nach
der Erwärmung im Wärmetausch mit
Rauchgasen und vor dem Einlassen
in den Brennraum durch Fremdwärme erhitzt. Diese Maßnahme ist besonders dann anzuwenden,
wenn im Vergleich zur teuren Brennstoffenergie preisgünstige Abwärme mit einem geeigneten
Temperaturniveau zur Verfügung steht.
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Nach einer anderen erfindungsgemäßen Variante ist es vorteilhaft,
in die komprimierte Luft vor deren Wärmetausch mit den entspannten Rauchgasen Wasser
einzudüsen. Da selbst bei Kompression in mehreren Stufen und jeweiliger Zwischenkühlung
eine isotherme Kompression der Luft nicht bewirkt werden kann, hat die Luft nach
der Kompression stets eine über Umgebungstemperatur liegende Temperatur. Durch das
eingedüste Wasser kann die ohnehin anfallende Kompressionswärme zur Verdampfung
des eingedüsten Wassers genutzt werden. Da ein auf diese Weise bereitetes Wasserdampf-Luft-Gemisch
eine im Vergleich zu reiner Luft größer Wärmemenge aufnehmen kann und in den Verbrennungsgasen
pro Arbeitstakt eine grö-Bere Menge an zu entspannendem Arbeitsmedium zur Verfügung
steht, wird durch die geschilderte Verfahrensvariante eine weitere Steigerung des
Wirkungsgrades und der Leistung erzielt.
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Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, die zu komprimierende
Luft mit Sauerstoff anzureichern. Der Anteil der Inertgasean der Luft wird dabei
zu gunsten des Sauerstoffanteils verringert, der Verbrennungsprozeß daher begünstigt.
Besonders zweckmäßig erweist sich diese Maßnahme, wenn als Standort eines erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors die Nachbarschaft einer Luftzerlegungsanlage gewählt wird.
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Hier kann die niedrige Temperatur,mit der Sauerstoff aus der Luftzerlegungsanlage
abgezogen werden kann, dazu genützt werden, die Kompressionsarbeit ingesamt zu verringern.
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ZusammenfassendläBt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren
eine Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber bekannten Verbrennungsmotoren zuläßt.
Die an die Umwelt abgegebene Abwärme wird erheblich reduziert. Ebenso sinkt aufgrund
des geringeren Brennstoffverbrauches die Schadstoffemission.Ein erfindungsgemäßer
Motor ermöglicht die Nutzung diskontinuierlich anfallender Abwärme (für die Erwärmung
der komprimierten und im Wärmetauch mit Rauchgasen erwärmten Luft), sowie diskontinuierlich
anfallender mechanischer Energie (für die Verdichtung der Luft), da bei Ausfall
dieser Energiequellen die erforderliche Energie durch mehr Brennstoffverbrauch im
Motor ersetzt werden kann.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem
Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren, jeweils in einem Gehäuse bewegbaren Kolben
und einem durch Gehäuse und Kolben begrenzten Brennraum mit einem Lufteinlaß und
Einlaßventil, einem Brennstoffeinlaß und einem Rauchgasauslaß mit Auslaßventil.
Mit Vorteil besitzt ein derartiges Verbrennungsmotor erfindungsgemäß wenigstens
einen von einer an den Rauchgasauslaß angeschlossenen Abgasturbine angetriebenen
Kompressor, der mit einem an den Lufteinlaß angeschlossenen Strömungsquerschnitt
eines Rekuperators verbunden ist, wobei im Rekuperator ein weiterer von den Abgasturbinenausgang
angeschlossenen Strömungsquerschnitt für die entspannten Rauchgase angeordnet ist.
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Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen Ausführungsbeispiele
erläutert werden.
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Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipskizze Figur 2 eine Skizze eines mit
Luftkühlung, Wassereindüsung und Fremdwärmenutzung arbeitenden Motors
Figuren
3 bis 6 Temperatur-Entropie-Diagramme eines Gleichdruckprozesses mit Abgasturbine
und eines Prozesses mit Abgasturbine, Außenkompression und Wärmerekuperator.
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Gemäß Figur 1 wird Luft von einem Kompressor 1 angesaugt und auf Kompressionsenddruck
komprimiert. In einem nachgeschalteten Rekuperator 2 tritt die komprimierte Luft
in Wärmetausch mit in vorausgegangenen Arbeitstakten gebildeten Rauchgasen. Die
so erhitzte Luft tritt aus dem Rekuperator aus und in den Brennraum eines Motors,
von dem in den Figuren jeweils nur ein Zylinder 4 symbolisch dargestellt ist, ein.
In die komprimierte Luft wird Brennstoff 3 eingeführt.
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Im Ausführungsbeispiel soll ein Verbrennungsmotor mit Selbstzündung
beschreiben werden. Das bedeutet, Druck und Temperatur der eingeführten Luft reichen
für eine Selbstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches aus. In diesem ersten Takt
des aus zwei Takten bestehenden Arbeitszyklus' werden das entstandene Gemisch verbrannt
und entspannt. Im nachfolgenden Takt werden die gebildeten Rauchgase bei der Aufwärtsbewegung
des Kolbens 5 aus dem Brennraum ausgeschoben und in eine Abgasturbine 6 eingeleitet.
Dort werden die Rauchgase arbeitsleistend entspannt und in den Rekuperator 2 eingeleitet
und anschließend an die Atmosphäre abgegeben. Im Rekuperator kühlen sich die Rauchgase
im Wärmetausch mit Luft bis nahezu auf deren Eintrittstemperatur in den Rekuperator
ab.
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In Figur 2 ist die in Figur 1 dargestellte Anlage durch einen Wärmetauscher
bzw. Erhitzer 7, eine Kühlanlage 9 sowie eine Eindüsvorrichtung für Wasser 8 ergänzt
worden. In dieser Ausgestaltung wird Luft oder mit beispielsweise aus einem Luftzerleger
stammenden Sauerstoff angereicherte Luft von einem Kompressor 10 verdichtet und
nachfolgend in einem im Ausführungsbeispiel wassergekühlten Wärmetauscher 9 auf
eine unter Umgebungstemperatur Tu liegende Temperatur T gekühlt. Einer-
seits
verringert sich hierdurch die Kompressionsarbeit des nachfolgenden Kompressors 1
und andererseits ist die Temperatur der Luft nach der Kompression niedriger als
in einer Anlage gemäß Figur 1 an vergleichbarer Stelle. Um die bei der Kompression
unvermeidbare Kompressionswärme zu nützen wird in die komprimierte Luft über eine
nicht näher dargestellte Eindüsvorrichtung Wasser eingedüst. Das im Rekuperator
erwärmte Wasserdampf-Luft-(;emisch (bzw. mit Sauerstoff angereicherte Luft-Wasserdampf-Gmisch)
wird nachfolgend durch Fremdwärme, nach Möglichkeit durch Abwärme auf eine durch
die Materialeigenschaften des Einlaßventils begrenzte Temperatur erhitzt, mit der
das Gemisch in den Brennraum eingelassen wird.
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In Figur 3 ist ein idealer, mit einer Abgasturbine arbeitender Dieselprozeß
in einen Temperatur-Entropie Diagramm dargestellt. Einer adiabatischen Kompression
(1 - 2) auf den Druck P2 folgt ein isobare Erwärmung (2 - 3) der sich eine adiabatische
Expansion (3 - 4) anschließt. Die verdichtete Luft steht unter einem Druck von etwa
35 bar. Die Entspannung wird von p2 bis zum Umgebungsdruck p1 geführt. Dies ermöglicht
die Abgasturbine, in der der Druck von PAT auf p1 erniedrigt wird. Die Daten dieses
Prozesses sind in der linken Spalte der nachfolgenden Tabelle unter der Bezeichnung
"Figur 3" zusammengefaßt.
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In Figur 4 ist ein ideal ablaufender, erfindungsgemäßer Prozeß wiedergegeben.
Diesem Prozeß ist das gleiche Druckverhältnis zugrundgelegt, wie dem in Figur 3
dargestellten Prozeß. Hier folgt einer isothermen Kompression (1 - 2) die Erwärmung
im Rekuperator (2 - 3') und anschließend im Motor (3' - 3). Im Motor erfolgt eine
adiabatische Entspannung (3 - 4'), der sich die Entspannung in der Abgasturbine
anschließt (4' - 4). Nach der Entspannung folgt die Abkühlung im Rekuperator (4
- 5). Gestrichelt ist in dieser Figur eine
Abkühlung der Ansaugluft
auf eine unter Umgebungstemperatur liegende Temperatur dargestellt (1'). Die Daten
dieses Prozeßes sind in der dritten Spalte der Tabelle unter der Bezeichnung "Figur
4" zusammengefaßt.
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In den Figuren 5 und 6 sind die beiden angegebenen Prozesse als reale
Prozesse dargestellt. D.h. bei diesen Darstellungen wurden die Wirkungsgrade bei
der Kompression und der Expansion berücksichtigt, während bei der Wärmezufuhr im
Motor weiter davon ausgegangen wird, daß lediglich Luft erhitzt wird. Die real ablaufenden
chemischen Reaktionen wurden nicht berücksichtigt. In Figur 6 ist eine 4-stufige
Kompression mit jeweiliger Zwischenkühlung dargestellt. Die Daten der beiden in
den Figuren 5 und 6 dargestellten Prozesse sind in der folgenden Tabelle in der
zweiten und vierten Spalte wiedergegeben. Allen Prozessen wurde ein Adiabatenexponent
« = 1,4 zugrunde gelegt. Als adiabatischer Wirkungsgrad der Expansion und der Kompression
wurden für die Realprozesse i;Er ii K= 029 gewählt. Verluste an eine Außenkühlung
wurde nicht berücksichtigt. Druckverlsute von jeweils 0,15 bar in den Zwischenkühlern
beim Prozeß gemäß Figur 6 sind dagegen berücksichtigt.
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Die folgende Tabelle beweist deutlich die mit dem erfindungsgemäßen
Prozeß erzielbare Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Die thermodynamische Güte des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auf
die Kombination folgender Maßnahmen zuriickzuführen: 1. (quasiisotherme) Verdichtung
mit wenig Energie außerhalb des Motors.
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2. Weitgehende Rekuperation der Abwärme im Rauchgas und 3. Eine von
hohen Temperaturen ausgehende, an sich bekannte
arbeitsleistende
Entspannung im Motor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in gewisser Weise ähnlich
wie ein Gasturbinenprozeß bei welchem die Brennkammer durch einen arbeitsleistenden
Motor ersetzt wird. Anstelle der mit Rücksicht auf das Turbinenmaterial üblicherweise
auf 600"C bis 9009C begrenzten Eintrittstemperatur können beim erfindungsgemäßen
Verfahren Temperaturen von ca. 20000C ohne teure Materialien erreicht werden (siehe
auch Tabelle).
| Gleichdruckprozeß Prozeß mit Abgas- |
| (Diesel-Motor)mit turbine,AuRenkom- |
| Abgasturbine pression und Wär- |
| merekuperator |
| Fig. 3 Fig. 5 Fig. 4 Fig. 6 |
| Luftmenge (kg) 1 1 1 1 |
| Kompressionsdruckverhältnis P iP1 35 35 35 35 |
| Zustand 1 T1/p1 303/1 303/1 303/1 303/1 |
| Zustand 2 T2/p2 836,8/35 896,2/3 303/35 372/35 |
| Tempe- Zustand 3' T3,/p3, 23,1/35 857,6/35 |
| raturen |
| und Zustand 3 T/p 2273/35 2153,5 2273/35 2153,5 |
| Drücke 33 /35 /35 |
| (K)(bar) Zustand 4' T4'/p4' 1227,5 1273 1130,8 1273 |
| /4,05 /4,201 /3,04 /4,201 |
| Zustand 4 T4/p4 823,1/1 887,6/1 823,1/1 887,6/1 |
| Zustand 5 T5/p5 303/1 402/1 |
| Motor LM 535,1 312,1 1147,5 886,4 |
| Abgasturbine LAUT 385,4 363,7 309,2 387,2 |
| resul- |
| tierende Luftkompressor* LLK 309,2 377,2 |
| Arbeits- |
| beträge Kältemaschine LKM 10 |
| (KJ) (Kaltwasserersatz) KM |
| Nutzarbeit |
| L = LM + LAT - (LLK+LKM) 920,5 675,8 1147,5 886,4 |
| zugeführte Wärme Q (kJ) 1443,0 1263,2 1456,7 1302,0 |
| rekuperierte Wärme QR (kJ) 522,5 487,8 |
| Verlustwärme (Abwärme) Qo (kJ) 522,5 587,4 309,2 417,4 |
| Wirkungsgrad # = L/Q (%) 63,8 53,5 78,8 67,9 |
| Exergie d. zugeführten Wärme E (kJ) 1138,8 996,3 1147, 1021,7 |
| exergetischer Wirkungsgrad # = L/E (8) 80,8 67,8 100 86,6 |