DE3403595A1

DE3403595A1 - Verlustwaermeverwertungsaggregat von motoren

Info

Publication number: DE3403595A1
Application number: DE19843403595
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Dr.techn. 8061 Röhrmoos Hagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-02
Filing date: 1984-02-02
Publication date: 1985-08-08

Description

-3-VerlustwärmeverwertunKBaggrepat von Motoren

Die aus Motoren ausströmenden heißen G-ase sind so energiereich, daß es bisher η ^"^gelang in Abgasturbinen wenigstens einen Teil dieser Energie nutzbringend zu gewinnen, da es nicht möglich war, die Temperatur wesewt lieh abzusenken. Gegenüber dem heutigen Stand der Technik darf andererseits der maschinelle Aufwand aus wirtschaftlichen Gründen nicht zu hoch sein. Es bietet sich an, was bisher nicht erkannt war, in einem Aggregat, das im Aufwand wenig über die Abgasturbine hinausgeht, die aus dem Motorjaus strömenden Gase in einer Gasturbinejauf einen Druck zu expandieren, der unter Atmosphärendruck bzw. dem Motoreintrittsdruck l%t. In einem anschließenden Kühler werden die Gase auf eine Temperatur nahe der Atmosphärentemperatur gekühlt und als kaltes Gas in einem Abgasverdichter AV auf den Atmosphärendruck verdichtet und ausgeblasen. Bei diesem Vorgang wird in der Gasturbine bei Wirkungsgraden, die dem Stand der Technik entsprechen, mehr Nutzenergie gewonnen als ztfr Wiederverdichtung gebraucht wird. Die Überschußenergie steht zur Motoraufladxing zur Verfügung und kann allenfalls für Hilfsgeräte abgegeben werden. Ein Teil dieser Energie wird normalerweise zum Antrieb eines Kühlgebläses KG oder einer Kühlmittelpumpe erforderlich sein, um das Kühlmittel durch den Kühler WT1 zu fördern oder den Regenerator anzutreiben.

Den Zusatzarbeitsprozeß des Aggregats zeigt Fig.1 im IS-Diagramm. Die aus dem Motor mit Überdruck P_ffl und hoher Temperatur T_m austretenden Gase expandieren in der Abgasturbine AT unter den Atmosphärendruck bzw. den Eintrittsdruck des Motors Pq auf den Absaugdruck P. mit den Zustandsgrößen £a3»^ta3 und werden in einem Abgaskühler WT1 auf T₂^ gekühlt, was alternativ mit einem Regenerator mit Atmosphärenluft als Kühlmittel geschehen kann und werden im Abgasverdichter AV auf den Atmosphärendruck P_Q verdichtet und abgeblasen. Vom Abgasturbinen-Absaugverdichteraggregat wird auch das Kühlgebläse KG angetrieben.

und Nutzenergie abgegeben. Die Anordnung bzw. Schaltung der zur Durchführung des Zusatzprossesses erforderlichen Strömungsmaschinen zeigt Jig,2. Die aus dem Motor M austretenden Gase strömen über das Rohr R zur Abgasturbine AT und treten in den lühler WT1 ein, in dem sie auf eine etwas über der Atmosphärentemperatur T_Q liegende Temperatur Tj- gekühlt werden. Anschließend wird das kalte Gas vom Abgasverdichter AV auf den Atmosphärendruck Pq gebracht»

Die Abgasturbine AT und der Abgasverdichter AV sind über eine Welle W1 verbunden. Über einen Wellenanschluß W2 wird das Kühlgebläse KG angetriebene das den Kühler WT1 mit dem Külilmittel versorgt. Überschüssige Energie wird am Wellenanschluß W3 abgegeben.

Es liegt nahe das Verlustwärmeverwertungsaggregat mit einem Abgasturbolader TL zu verbinden Fig.3, der dadurch nur wenig aufwändiger wird und dem Motor durch die Senkung des Abgasgegendrucks zu einem verbesserten spezifischen Kraftstoffverbrauch verhilft. Die Schaltung zeigt Fig.3 mit dem Motor M, der vom Turbolader TL mit verdichteter,fgekühlter) Luft versorgt wird. Die im Turbolader verdichtete Luft wird im Ladeluftkühler WT2 durch Luft oder allenfalls zusätzliche Einrichtungen gekühlt.Die Luft wird vom Kühlgebläse KG geliefert.

Angetrieben wird der Turbolader von der Gasturbine AT, die mit dem aus dem Motor austretenden Gas betrieben wird. In dieser Turbine wird unter den Atmosphärendruck expandiert, was durch den Absaugverdichter AV ermöglicht wird,der die aus der Abgasturbine kommenden Gase nach Kühlung im V/T1 auf eine Temperatur in der Nähe der Atmosphärentemperatur und ά\\Ϊ Athmosphärendruck bringt. Die Kühlluft des Wärmetauschers bzw, Kühlers WT1 wird vom Kühlgebläse KG geliefert, das auch die Ladeluftkühlluft bereitstellt.

Alle erforderlichen Strömungsmaschinen sind auf einem gemeinsamen Wellenstrang angeordnet, wenn nicht Drehzahlunterschiede zum Antrieb vom Motor oder über Getriebe zwingen. Einrichtungen zum schnellen Beschleuni-,

gen des Motors durch Leitapparatverstellung der Strömungsmaschinen oder durch Abblasen nach dem Motor.über ein Ventil Y sind anwendbar. Mit einer leitradverstellbaren Abgasturbine mit Verstelleitapparat VL ist der gewünschte Ladedruck über einen Regler einstellbar. Die Kombination df*r Abgasturboaufladung mit der i;wei- oder mehrstufigen Abgasverdichtung mit Zwischenkühlung zeigt Fig.4 im IS-Diagramm. Die Abgasverdichtung erfolgt zuerst von Tj-. und P_A auf P^,-, Tj₁- nach Zwischenkühlung auf T-.g. T₁₅ und T~g sind fast gleich groß. Durch die zweistufige Abgasverdichtung gelingt es die Verdientungsleistung klein zu halten und eine niedrige Temperatur Tj-g zu erzielen.
Die Wärme, die nach Fig.1 oder 4 zwischen den Temperatüren T.~ und T_g anfällt, kann in einem Abwärmeverwertungsprozess wie einer Wärmepumpe oder einem Prozeß nach Claudius- Rankine zur Erzeugung mechanischer Energie herangezogen werden, aber auch nur zu Heizungszwekken dienen.

Als Kühlmittel wird in den Kühlern bzw, Wärmetauschern WT1 und WT2 normalerweise Luft herangezogen. Aber auch andere Medien kommen in Frage, wie beispielsweise Flüssigkeiten. Dann ist das lühlgebläse IG durch eine K/ühlmittelpumpe zu ersetzen. Es kann aber auch ein Regenerator mit Atmosphärenluft als Kühlmittel eingesetzt werden. Bevorzugte Anwendungsgebiete der beschriebenen Abgasturboaufladung mit Verlustwärmeverwertung sind Fahrzeug- und Schiffemotoren aber auch Notstromanlagen und Kraftwerksanlagen.

Claims

Röhrmoos, den 15. Jänner 1984

Patentansprüche

η.) Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren des Fahrzeug-, Schiffs- oder Iraftwerksbaues dadurch gekennzeichnet, datt üie aus dem Motor ausströmenden heißen Gase in einer Abgasturbine auf einen Druck expandieren, der unter dem Atmosphärendruck oder dem Eintrittsdruck des Motors liegt, in einem anschließenden Kühler auf eine Temperatur nahe der Atmosphärentemperatur gekühlt und von einem Abgasverdichter auf den
Atmosphärendruck rückverdichtet werden, wobei die die Absaugenergie übersteigende Gasturbinenenergie abzüglich der für die Kühlung erforderlichen Energie als
Nutzenergie abgegeben wird.
2. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach dem Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die vom Abgasturbinen- Absaugverdichteraggregat abgegebene
Nutzenergie teilweise oder zur Gänze zum Antrieb
eines Turboladers herangezogen wird.
3. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentanspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die vom Turbolader gelieferte Luft in einem Ladeluftkühler
gekühlt wird, der seine Kühlluft von einem Kühlgebläse erhält,das auch vom Gasturbinen-Absaugverdichteraggregat angetrieben wird.
4. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskühler WT1 des Abgas-Absaugverdichteraggregats mit Luft als Kühlmittel arbeitet.
5. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß ' der Abgasfühler WT1 des Abgasturbinen-Absaugverdichteraggregats mit Wasse?als Kühlmittel arbeitet.
6. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis 4 oder 1 bis 3 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskühler V/T1 als Regenerator mit Atmosphärenluft als lühlmittel ausgebildet ist.
7. Verlustwärmeverwertungsaggregat yon Motoren nach den Patentansprüchen1 bis 4 und 6 oder 1 bis 3 und 5 und dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine AT des Gasturbinen-Absaugverdichteraggregats mit einem Verstelleitapparat ausgestattet ist,
8. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis4 und 6 u„7 oder 1 bis3 und 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasverdichter mehrstufig ausgebildet ist und nach jeder Zwischen verdichtung noch einmal gekühlt wird, bevor in der letzten Stufe auf den Atmosphärendruck verdichtet wird.
9. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis 4 und 6 bis 8 bzw«, 1 bis 3 und 5 bis 8 dadurchgekennseichnet, daß die im Wärmetauscher WT1 abgeführte Wärme zn Heiaungszwecken dient.
10. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis 4 und 6 bis 9 bzw«, 1 bis 3 und 5 bis 9 dadurch gekannsseichnet, daß die im Wärmetauscher WT1 (Abgaskühler) abgeführte Wärme nur Erzeugung mechanischer Energie durch einen Clausius-Rankine Proseß herangezogen wird.
11. Verlustwärmeverwertungsaggregat von Motoren nach den Patentansprüchen 1 bis 4 und 6 bis 10 bzw. 1 bis 3 und 5 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß das Aggregat zur Beschleunigungsverbesserung der Motoren mit Einrichtungen zum kurzzeitigen Abschalten oder Abblasen aus einem Ventil V oder zum Verstellen der Strömungsmaschinen ausgestattet ist.