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Verfahren zur Verdichtungsregelung für Wärmekraftmaschinen
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um bei Wärmekraftmaschinen
mit einem zeitlichen Nacheinander der Gas zustände (Kolbenmotoren), deren Brennraum
bzw. Wärmetauscher erheblich mehr Arbeitsgas enthält, als bei einer Umdrehung durchgesetzt
wird, die Verdichtung während des Betriebs zu verändern, insbesondere Änderungen
aufgrund anderer Ursachen zu kompensieren.
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Als Wärmekraftmaschine, die einen derartigen Brennraum bzw.
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Wärmetauscher enthält, befindet sich nur die Gasturbine in der praktischen
Anwendung; sie zählt aber nicht zu den Kolbenmotoren. In Verbindung mit anderen
Basismaschinen (z. B.
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nach OS 2 021 777) werden solche Brennkammern (Wärmetauscher) aufgrund
konstruktiver Vorteile sicher an Bedeutung gewinnen.
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Es ist notwendig, eine Maschine in ihrer Leistung zuregeln, sei es
durch Veränderung der Drehzahl oder der Belastung. Die Drosselung führt aber bei
vielen Motorenarten (Ottomotor, Gasturbine) zu einem erniedrigten Verdichtungsgrad.
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Aus thermodynamischen Gesetzen ergibt aber ein verringerter Verdichtungsgrad
einen kleineren Wirkungsgrad und damit einen unerwünschten Mehrverbrauch im Teillastbereich,
der die Betriebskosten unnötigerweise steigert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen wesentlichen Nachteil
bei Püllungsregelung bzw. bei Regelung nach beliebigem Prinzip in einer Maschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch eine geeignete Gegenmaßnahme zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verdichtung einer
derartigen Maschine entscheidend von der Temperatur des Gases in der Brennkammer
TBK, der Masse des vom Verdichter zugeführten (m ) und der Masse des vom Entspanner
zu je Durchlauf des Kreisprozesses pro Zylinder (Kammer o.ä.) abgeführten Gases
abhängi.g ist: Der Druck in der Brennkammer, der die Verdichtung kennzeichnet, da
der Verdichtungsenddruck ihm gleich ist, ist gegeben durch mR*TB + PBK VBK (1) wobei
m die Masse des Gases in der Brennkammer, VBK deren Volumen und R dessen spezielle
Gaskonstante bedeuten.
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Eine Maschine mit einer derartigen Brennkammer befindet sich in einem
arbeitsfähigen Gleichgewicht, wenn keine Änderung des Brennkammerinnendrucks pgK
stattfindet.
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Das Brennkammervolumen und die spezielle Gaskonstante sind konstant,
es kann also nur eine Änderung der zugeführten Masse mzu, des vom Entspanner während
eines Durchlaufs des Kreisprozesses pro Zylinder (Kammer o.ä.) aus der Brennkammer
abgeführten Volumens Vab und der Temperatur TBK eine Änderung des Drucks in der
Brennkammer bewirken.
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In der Gasturbine wird bei Leistungsdrosselung bei konstanter Drehzahl
die Menge des eingespritzten Kraftstoffs verkleinert, d.h. die Temperatur TBK ändert
sich, sie sinkt.
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Der neue Brennkammerinnendruck (= Verdichtungsenddruck) ist dabei
gegeben durch (TBK+#T).mzu#R (2) PBK'= Vab
In ihr bedeutet #T die
Änderung der Temperatur des Gases.
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Damit ergibt sich in Übereinstimmung mit der praktischen Erfahrung:
1. AT<O
d.h. PBK d.h. die Verdichtung sinkt 2. AT> O
d.h. PBK d.h. die Verdichtung steigt Eine weitere Art der Drosselung besteht darin,
sowohl Kraftstoff- als auch die Luftzufuhr durch den Verdichter zu verkleinern (#mzu).
Dabei bleibt die Temperatur in der Brennkammer konstant. Der neue Verdichtungsenddruck
ist daher gegeben zu PKK'= (mzu + #mzu)#TBK#R Vab Das bedeutet: 1. #mzu <0 ###
PBK' PgK d.h. die Verdichtung sinkt 2. mzu?O == PBK >PBK d.h. die Verdichtung
steigt Das bedeutet, daß bei o.g. Maschine jegliche Drosselungsart eine Verminderung
der Verdichtung, somit einen niedrigeren Wirkungsgrad und damit einen erhöhten Kraftstoffverbrauch
im Teillastbereich bewirkt.
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Dem kann nun durch eine Änderung des abgeführten Volumens (nicht der
Massel) entgegengetreten werden: Der neue Brennkammerinnendruck ergibt sich zu TBK#mzu#R
PBK'= Vab + #Vab worin # Vab die Änderung des abgeführten Volumens pro Zylinder
(Kammer o.ä.) und Umdrehung bedeutet. Es läßt sich folgendes erkennen:
1.
#Vab > 0
PBK< PBK d.h. die Verdichtung sinkt 2. Vab RO
d > PBK h. die Verdichtung steigt Damit kann die Verdichtung der Maschine in
sehr weiten Grenzen ausschließlich durch eine konstruktiv leicht zu realisierende
Änderung des bei einer Umdrehung pro Zylinder (Kammer o.ä.) vom Entspanner abgeführten
Volumens geregelt werden. Dabei bleibt die Leistung der Maschine (abgesehen von
Änderungen des Wirkungsgrades) konstant, mehr abgeführtes Volumen bedeutet also
keineswegs mehr Leistung Uber einen längeren Zeitraum. Für die Änderung ist dabei
ein Steuerungselement (Ventil) zu wählen,. das das durchgeströmte Volumen über seine
Öffnungszeit und nicht über seinen Öffnungsquerschnitt regelt und dessen Öffnungszeit
relativ zum Zeitraum für eine Umdrehung verändert werden kann, wof bei unbedingt
der Druck des in den Expansionsraum einströmenden Gases während der Öffnungsdauer
des Steterungselements gleich dem Druck des Gases in der Brennkammer (dem Wärmetauscher)
sein muß. Das bedeutet, daß sich der erweiternde Expansionsraum mit Gas des Zustandes
in der Brennkammer (Wärmetauscher) füllt und somit keine Entropievergrößerung eintritt,
die den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine negativ beeinflußt.
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Mit Hilfe dieser Erkenntnis kann nun die Verdichtung im Teillastbereich
leicht aufrechterhalten werden; es ist nur das neue abgeführte Volumen Vab + #Vab
so zu wählen, daß -- das Verhältnis der neuen Temperatur (TBK+ AT) und des vom Entspanner
abgeführten Volumens (Vab+ EVab) bei Qualitätsregelung bzw.
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-- das Verhältnis der neuen zugeführten Masse <mzu Amzu) zum abgeführten
Volumen (Vab+ EVab) bei Fiillungsregelung bzw.
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-- das Verhältnis des Produkts aus neuer Temperatur (TBK + #T) und
neuer zugeführter Masse (mzu+ Amzu) zum abgeführten Volumen (Vab+ tVab) bei der
gemischten Regelung konstant bleibt.
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Die Temperatur TBK+ nT ist dabei diejenige Temperatur, auf die das
vom Verdichter zugeführte Gas mit der der geänderten Menge Kraftstoff erhitzt wird,
d.h. nicht die Mischungstemperaturl Diese nähert sich asymptotisch der Temperatur
TBK+ bT.
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Es läßt sich ferner allgemein feststellen, daß mit wachsender Öffnungszeit
des Steuerungselements bei gleicher Maschine das abgeführte Volumen vergrößert wird.
Die genaue Beziehung zwischen Öffnungszeit und abgeführtem Volumen ergibt sich aus
dem Expansionsraumvolumen als Funktion der Zeit, da i.a.
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das Volumen des abgefürten Gases dem Volumen des Expansionsraums bis
zum Schließen des Steuerungselements gleich ist.
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Mithin ist das abgeführte Volumen eine Funktion der Öffnungszeit des
Ventils und der Kolbenbewegung. Da die Kolbenbewegung bei konstanter Drehzahl nicht
verändert werden kann, ist die Öffnungszeit so zu wählen , daß o.g. Bedingungen
bei konstanter Drehzahl erfüllt sind.
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Eine weitere Anwendung ergibt sich für Motoren, die mit möglichst
unterschiedlichen Kraftstoffarten betrieben werden sollen, da mit Hilfe der o.g.
Verdichtungsregelung die Maschine auf die Klopfeigenschaften des Treibstoffs abgestimmt
werden kann: Wird z.B. Gas (Methan, Butan, o.ä.) als Treibstoff verwendet, so kann
durch dessen hohe Oktanzahl eine hohe Verdichtung ermöglicht werden, das gleiche
gilt für die Direkteinspritzung des Kraftstoffs in die Brennkammer. Wird nun auf
Vergaserkraftstoff mit niedriger Oktanzahl umgestellt, so wird nur das abgeführte
Volumen vergrößert (ggfs. zeitweise ohne Zufuhr von Kraftstoff), die Verdichtung
daher verkleinert und somit etwaiger Klopfneigung entgegengewirkt.
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Mit der Erfindung ist der Aufgabe entsprochen, die Verkleinerung der
Verdichtung im Teillastbereich zu vermeiden; außerdem kann die Maschine bestens
an die Klopfeigenschaften des Kraftstoffs angepaßt werden. Die weiteren Auswirkungen
dieser allgemeinen Regelung können aufgrund des neuen und noch nicht weit entwickelten
Standes o.g. Maschinen momentan noch nicht voll überblick werden.
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Im folgenden ist das Verfahrensprinzip anhand einer Zeichnung erläutert.
Es zeigt Fig. 1: ein Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens Gas wird angesaugt
und verdichtet, danach findet eine Erhitzung z. B. in einer Brennkammer oder einem
Wärmetauscher statt. Das erhitzte Gas gelangt periodisch-gereyelt durch ein Steuerungselement
nach Anspruch 1 - zum Entspanner, sodaß die Forderungen des Anspruchs 2 erfüllt
sind und wird danach ausgestoßen ins Freie (offener Kreislauf) oder nach Abkühlung
wieder verdichtet (geschlossener Kreislauf).
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der weiteren Zeichnung
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 2: den schematisierten
Aufbau einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Zweizylindermaschine
mit der Stellung der Kolben und des Steuerungselements beim Öffnungsbeginn desselben
Fig. 3: den fortgeschrittenen Zustand aus Fig.1 im Ausschnitt des Expansionsbereichs
Fig. 4: den Zustand nach dem Schließen des Steuerungselements und beginnender Expansion
des Arbeitsgases Der Verdichter 1 (Fig. 2) saugt durch den Einlaß 2 reine Luft an
und verdichtet sie durch den Strömungskanal 3 in die Brennkammer 4, wo durch das
Einspritzventil 5 Kraftstoff eingespritzt wird und verbrennt. Die Masse des gesamten
Gases in der Brennkammer 4 ist dabei wesentlich größer als die Masse des vom Verdichter
je Umdrehung der Brennkammer zugeführten Gases. Über den Kanal 6 entnimmt der Entspanner
7 ein bestimmtes Volumen Arbeitsgas aus der Brennkammer und entspannt es unter Abgabe
mechanischer Arbeit, um es anschließend durch die Öffnung 8 ins Freie zu drücken.
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Im Kanal 6 befindet sich die Steuerungseinheit 9 (Ventil), mit deren
hilfe ein periodisches Unterbrechen und Wiederfreigeben des Gasstroms aus der Brennkammer
4 in den Entspanner 7 möglich ist. Befindet sich der Kolben des Entspanners 7 am
oberen Totpunkt (event. Voröffnungen sind für die prinzipielle Arbeitsweise unerheblich),
so öffnet das Ventil 9 und läßt Gas (gepunktet) aus der Brennkammer in den sich
erweiternden Expansionsraum 10 (Fig.3) strömen.
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Das einströmende Gas besitzt dabei nahezu den gleichen Druck wie dasjenige
in der Brennkammer (bedingt durch geringe Strömungsverluste), außerdem gibt das
Ventil 9 seinen ganzen Querschnitt frei. Ist das Gasvolumen nach Anspruch 2 eingeströnt,
so schließt das Ventil 9 den Strömungskanal 6, das Gas kann nun im Entspanner 7
unter Abgabe mechanischer Arbeit expandieren (angedeutet durch geringere Punktierungsdichte
als in der Brennkammer; Fig.4). Die Öffnung erfolgt dabei periodisch über einen
genau definierten Winkel der Rotation der Maschine Wird nun die Leistung des Motors
bei konstanter Drehzahl gedrosselt, so findet eine Verkleinerung der Kraftstoffzufuhr
durch das Einspritzventil 5 statt, d.h. die Temperatur des Gases in der Brennkammer
sinkt. Um der nun eintretenden Verkleinerung der Verdichtung entgegenzutreten, muß
nun das bei einer Umdrehung vom Entspannerzyiinder abgeführte Volumen verkleinert
werden. Dies geschieht auf einfachste Weise dadurch, daß das Ventil 9 über einen
geringeren Winkel der Umdrehung öffnet, da das abgeführte Volumen von der während
der Öffnungszeit vom Kolben des Entspanners 7 freigegebenen Expansionsraums und
somit nur von diesem Winkel abhängt.
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Mit der Beachtung des Anspruchs 2 ist die Konstanz der Verdichtung
im Teillastbereich und somit ein niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch gegeben.
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Der Leitgedanke der Erfindung wird in keiner Weise verändert, wenn
ein geschlossener Gaskreislauf verwendet wird. Hier tritt an die Stelle der Brennkammer
ein Wärmetauscher, der von außen erhitzt wird. Außerdem ist ein Kühler notwendig,
der die Gase nach Verlassen des Entspanners abkühlt.