DE3628037A1 - Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
VerbrennungskraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftma
schine mit einem Verdichter für die Ansaugluft und
einem Wärmetauscher.
Eine derartige Kraftmaschine wird beispielsweise durch
eine Gasturbine gebildet, wobei der Wärmetauscher die
Restwärme der Abgase an die Ansaugluft zurückführt.
Da hierfür Wärmetauscher mit großer Leistung benötigt
werden, sind sie entweder sehr voluminös oder konstruktiv
aufwendig, z. B. eine gasdurchlässige rotierende Scheibe,
die sich quer durch den Niederdruck-Luftkanal und den
Hochdruck-Luftkanal erstreckt. Als Verdichter werden
dabei als Kreiselgebläse arbeitende Maschinen verwendet,
die von der Gasturbine angetrieben werden, wodurch
deren Nutzleistung verringert wird.
Weiterhin sind für Verbrennungsmotoren sogenannte Druckwel
lenverdichter bekannt. Die zur Luftverdichtung benötigte
Energie wird dabei durch kurzzeitigen Kontakt zwischen
Abgasstrom und Frischluft mit sogenannten Druckwellen
übertragen. Dieser Energieaustausch spielt sich in
am Umfang eines Rotors angeordneten axial verlaufenden
Zellen ab, deren an sich offene Enden während der Drehung
des Rotors periodisch geschlossen werden und an Öffnungen
vorbeidrehen, die ihrerseits mit den Luft- oder Abgaslei
tungen des Motors verbunden sind. Der Rotor dient somit
nur zur Steuerung des Druckwellenprozesses und benötigt
zum Antrieb durch den Motor praktisch keine Leistung.
Weiterhin ist es bei Verbrennungsmotoren vorteilhaft,
während des Warmlaufens eine Luft- oder Gemischvorwärmung
vorzusehen, während nach dem Warmlaufen der Motor gekühlt
werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbren
nungskraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzu
stellen, die mit geringem Aufwand mit einem platzsparenden
Wärmetauscher hoher Leistung versehen ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erreicht.
In den Ansprüchen 2 und 3 sind zwei vorteilhafte Ausfüh
rungsformen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschi
ne gekennzeichnet.
Nach der Erfindung ist also eine Einrichtung vorgesehen,
die nach Art eines Druckwellenverdichters aufgebaut
ist, jedoch in denselben einen Wärmetauscher integriert
enthält. Ein Teil der hochgespannten heißen Abgase
der Verbrennungskraftmaschine wird also über den Druckwel
lenverdichterteil dieser Einrichtung geführt, während
die entspannten, jedoch noch Restwärme enthaltenden
Abgase nach geleisteter Arbeit im Druckwellenverdichter
teil dem Wärmetauschteil der Einrichtung zugeführt
werden, und zwar bei einer Gasturbine. Demgegenüber
ist die erfindungsgemäße Einrichtung bei Verbrennungsmoto
ren derart konzipiert, daß dem Wärmetauschteil der
Einrichtung Frischluft zugeführt wird, welche den Rotor
kühlt und die Ansaugluft vorerwärmt. Der Antrieb des
Rotors kann entweder mechanisch oder durch einströmende
Gase erfolgen. Die Regulierung der Drehzahl des Rotors
kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder durch
regulierbare Gaseintritts- bzw. -austrittsöffnungen
vorgenommen werden.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schmatisch:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs
form der nach Art eines Druckwellenverdichters
ausgebildeten Einrichtung und die Anordnung
dieser Einrichtung bei einer Gasturbine als
Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Steuerplat
ten und des Rotors der Einrichtung nach Fig.
1;
Fig. 3 eine aufgemantelte Darstellung des Rotors
gemäß Fig. 1 und 2 mit schematischer Wiedergabe
der darin ablaufenden Vorgänge; und
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Rotor nach einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 und 2 führt zu einer Brennkammer 1 einer
Gasturbine eine Hochdruck-Luftleitung 2. In der Brennkam
mer 1 wird der Hochdruckluft durch eine Düse 3 Brennstoff
zugeführt und verbrannt. Die in der Brennkammer 1 verbrann
ten Gase treten durch eine Düse und beaufschlagen das
Turbinenlaufrad 4. Die unter hohem Druck stehenden,
heißen Abgase der Turbine werden über eine Leitung
5 einer Einrichtung 6 zugeführt.
Die Einrichtung 6 ist nach Art eines Druckwellenverdich
ters aufgebaut. Sie weist dazu einen in einem zylindri
schen Gehäuse 7 umlaufenden trommelförmigen Rotor 8
auf, der am Umfang mit axial verlaufenden Zellen 9
versehen ist. Der Rotor 8 wird von der Gasturbine mecha
nisch, beispielsweise mittels eines Riemens, angetrieben.
Beiderseits des Rotors 8 sind Steuerplatten 10, 11
vorgesehen, die jeweils mit drei Öffnungen 12, 13,
14 bzw. 15, 16, 17 versehen sind. Die Öffnungen 12,
13 und 15, 16 einerseits und die Öffnungen 14 und 17
andererseits liegen dabei gemäß Fig. 2 jeweils auf
einem halbkreisförmigen Sektor der Steuerplatten 10,11.
Alle Öffnungen 12 bis 17 weisen den gleichen radialen
Abstand auf. Während die Öffnungen 14 und 17 einander
gegenüberliegen, sind die Öffnungen 12, 13 der einen
Steuerplatte 10 gegenüber den Öffnungen 15, 16 der
anderen Steuerplatte 11 versetzt angeordnet.
An die Öffnungen 15 ist dabei die Hochdruckabgasleitung
5 über einen Kanal 18 angeschlossen, während an die
Öffnung 13 ein Kanal 19 anschließt, der zu der Hochdruck-
Luftleitung 2 zur Brennkammer 1 der Gasturbine führt.
Die Öffnung 16 ist über einen in der Zeichnung schematisch
dargestellten Kanal 12 mit der Niederdruck-Abgasleitung
22 und die Öffnung 12 über einen in der Zeichnung
gleichfalls schematisch angedeuteten Kanal 23 mit der
Niederdruck-Luftleitung 24 verbunden, über welche aus
der Umgebung Luft angesaugt wird.
Die Niederdruck-Abgasleitung 22 ist über einen Kanal
25 an die Öffnung 14 der Steuerplatte 10 angeschlossen.
Ein weiterer Kanal 26 schließt an die gegenüberliegende
Öffnung 17 der Steuerplatte 11 an. Der Kanal 26 führt
gegebenenfalls über ein Auspuffrohr ins Freie.
Die ins Freie führende Öffnung 17 weist dabei eine
Bogenlänge auf, daß ihr auch die an die Niederdruck-Luft
leitung 24 angeschlossene Öffnung 12 gegenüberliegt,
so daß das Abgas aus der betreffenden Zelle 9 des Rotors
8 gespült und die Zelle 9 mit Frischluft gefüllt werden
kann.
Mit der Einrichtung 6 wird zur Verdichtung der Luft
benötigte Energie durch kurzzeitigen direkten Kontakt
zwischen der Hochdruck-Abgasleitung 5 und der Niederdruck-
Luftleitung 24 mit sogenannten Druckwellen übertragen.
Dazu werden die an sich offenen Enden der Zellen 9
des Rotors 8 während der Drehung des Rotors 8 durch
die Steuerplatten 10, 11 periodisch geschlossen und
an den Öffnungen 12, 13 und 15, 16 vorbeigedreht. Der
Rotor 8 dient dabei zur Steuerung des Druckwellenprozesses
und benötigt zu seinem Antrieb durch die Gasturbine
praktisch keine Leistung.
Während eines Drehzyklus gelangt zunächst hochgespanntes,
heißes Abgas über die Leitung 5 durch die Öffnung 15
axial in die dahinter gerade erscheinende Zelle 9 des
Rotors 8. Die darin befindliche Frischluft, die in
diese Zelle zuvor über den Kanal 23 und die Öffnung
12 in der Steuerplatte 10 zugeführt worden ist, wird
durch das hochgespannte Abgas zu dem der Steuerplatte
10 zugewandten Ende der vorerst noch geschlossenen
Zelle 9 gedrängt und dort verdichtet. Durch die Drehung
des Rotors 8 gelangt nun diese Zelle in den Bereich
der Öffnung 13, welche über den Kanal 19 mit der Hoch
druck-Luftleitung 2 verbunden ist. Anschließend wird
die Zelle 9 über die Öffnung 16 in den Kanal 21 mit
der Niederdruck-Abgasleitung 22 verbunden. Das bisher
in der Zelle 9 gefangene Abgas wird reflektiert und
strömt aus der Zelle aus.
Das zwar entspannte, aber noch heiße Abgas der Gasturbine,
das aus dem Kanal 21 austritt, wird dann über die Leitung
22 dem Kanal 25 zugeführt, wo es über die Öffnung 14
der Steuerplatte 10 durch die Zellen 9 des Rotors 8
hindurchtritt und diese über die Öffnung 17 der anderen
Steuerplatte 11 verläßt und dann über den Kanal 26
ins Freie abgeht.
Beim Durchtritt durch die Zelle 9 gibt das Niederdruck
-Abgas seine Restwärme über den Rotor 8 an die Luft
ab, die über den Kanal 23 dem Rotor zugeführt und kompri
miert wird.
Es wird also ein Wärmetausch und damit eine beträchtliche
Vorerwärmung der dem Brennraum 1 über die Leitung 2
zugeführten Hochdruckluft erreicht.
In Fig. 3 sind die geschilderten Vorgänge anhand einer
aufgemantelten Darstellung des Rotors verdeutlicht,
wobei die Bezugsziffern 2, 5, 8, 9, 18, 19 und 21 bis
26 die gleiche Bedeutung haben wie in Fig. 1 und der
Pfeil a die Drehrichtung des Rotors 8 darstellt.
Die heißen Abgase der Niederdruck-Abgasleitung 22,
die über den Kanal 25 dem Rotor 8 zugeführt werden
und ihn über den Kanal 26 wieder verlassen, erwärmen
die Zellen 9 des Rotors. Die über die Leitung 24 bzw.
den Kanal 23 in den Rotor einströmende Umgebungsluft
wird dadurch vorerwärmt.
Während diese Vorerwärmung bei einer Gasturbine normaler
weise während des gesamten Betriebs erwünscht ist,
ist bei einem Verbrennungsmotor erwärmte Ansaugluft
nur beim Warmlaufen, nicht jedoch während des Normalbe
triebes erwünscht. Demgemäß kann eine Leitung 29 vorgese
hen sein, mit der das aus dem Kanal 21 austretende
Niederdruck-Abgas direkt ins Freie bzw. den Auspuff
abgeführt wird.
Gemäß Fig. 3 ist nach einer weiteren Ausführungsform
der Rotor 8′ aus zwei konzentrisch zueinander angeordne
ten Nabenringen 27, 28 gebildet. Der äußere Nabenring
27 trägt dabei einen Kranz von Zellen 9′ und ein zweiter
Kranz von Zellen 9′′ ist zwischen dem inneren Nabenring
28 und dem äußeren Nabenring 27 angeordnet. Die Öffnungen
der Steuerplatten, die zur Hochdruck-Abgasleitung 5,
der Hochdruck-Luftleitung 2, der Niederdruck-Abgasleitung
22 und der Niederdruck-Luftleitung 24 führen, sind
dabei mit gleichem radialen Abstand wie der Kranz der
Zellen 9′ angeordnet, während dem inneren Zellenkranz
9′′ an beiden Steuerplatten sich gegenüberliegende,
um den Umfang der Steuerplatten verteilte Öffungen
zugeordnet sind, wobei die Öffnungen der einen Steuerplat
te, die dem inneren Kranz der Zellen 9′′ zugeordnet
sind, mit der Niederdruck-Abgasleitung 22 verbunden
sind und die Öffnungen der anderen Steuerplatte, die
dem inneren Kranz der Zellen 9′′ zugeordnet sind, gegebe
nenfalls über ein Auspuffrohr ins Freie führen.
Die Wände der Zellen 9′′, die zu den Wänden der Zellen
9′ versetzt angeordnet sind, können sich dabei auch
radial in die Zellen 9′ hineinerstrecken, und umgekehrt,
um den Wärmetausch zu verbessern. Auch kann, abgesehen
von den Endabschnitten an den Steuerplatten, die innere
Umfangswand der Zellen 9′ radial nach innen bzw. die
äußere Umfangswand der Zellen 9′′ radial nach außen
gezogen sein.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht nur bei einer
Gasturbine, sondern auch bei anderen Verbrennungskraft
maschinen anwendbar ist, also auch bei Verbrennungsmoto
ren. In diesem Fall sind die Öffnungen 14, 17 bei der
Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 bzw. die dem inneren
Kranz von Zellen 9′′ zugeordneten Öffnungen beider
Steuerplatten einerseits mit einer ins Freie führenden
Luftansaugleitung und andererseits mit der Öffnung
15 zur Beaufschlagung des Druckwellenverdichters mit
Niederdruck verbunden.
Die Erfindung ist insbesondere für Gasturbinen bestimmt.
Bei Gasturbinen wird nämlich die in mechanische Energie
umgewandelte Druck- und Wärmeenergie zu einem großen
Teil zum Antrieb des Verdichters benötigt. Da anderer
seits erfindungsgemäß der Rotor 8 nur der Steuerung
der Druckprozesse in dem Verdichter 6 dient, benötigt
sein Antrieb praktisch keine Leistung von der Gasturbine.
Demgemäß wird durch die Erfindung eine erhebliche Steige
rung der effektiv nutzbaren mechanischen Energie, d.
h. des Wirkungsgrades einer Gasturbine erzielt.
Bei Gasturbinen kann die erfindungsgemäße, nach Art
eines Druckwellenladers ausgebildete Einrichtung auch
in Serie mit einem Verdichter herkömmlicher Bauart
geschaltet sein, um den Energiebedarf eines solchen
Verdichters entsprechend zu reduzieren.
Ebenso kann bei Verbrennungsmotoren die erfindungsgemäße
Einrichtung in Serie mit üblichen Ladern geschaltet
werden, um die gegenüber einem Lader kurze Ansprechzeit
der erfindungsgemäßen Einrichtung zu nutzen.
Claims (3)
1. Verbrennungskraftmaschine mit einem Verdichter für
die Ansaugluft und einem Wärmetauscher, dadurch
gekennzeichnet, daß eine nach Art eines Druckwellenver
dichters ausgebildete Einrichtung (6) vorgesehen
ist, welche einen Rotor (8, 8′) mit axial verlaufenden
Zellen (9, 9′, 9′′) und Steuerplatten (10, 11) auf
beiden Seiten aufweist, welche jeweils mit mindestens
zwei Öffnungen (12, 13, 14, 17) versehen sind, wobei
die beiden Öffnungen (12, 13) der einen Steuerplatte
(10) mit einer Niedrigdruck-Luftleitung (24) für
die Ansaugluft bzw. einer Hochdruck-Luftleitung
(2) für die verdichtete Luft und die beiden Öffnungen
(15, 16) der anderen Steuerplatte (11) mit einer
Hochdruck-Abgasleitung (5) von der Verbrennungskraftma
schine bzw. mit einer Niederdruck-Abgasleitung (22)
verbunden und derart angeordnet sind, daß bei umlaufen
dem Rotor (8, 8′) jede Zelle (9, 9′, 9′′) nacheinander
mit der Niederdruck-Luftleitung (24), der Hochdruck-Ab
gasleitung (5), der Hochdruck-Luftleitung (2) und
der Niederdruck-Abgasleitung (22) verbunden wird,
und mindestens je eine weitere Öffnung (14, 17)
in jeder Steuerplatte (10, 11) vorgesehen ist, welche
aneinander gegenüberliegen und einerseits mit der
Niederdruck-Abgasleitung (22) und andererseits mit einer
ins Freie führenden Abgasleitung oder einerseits mit
einer ins Freie führenden Ansaugleitung und andererseits
mit der Niederdruck-Luftleitung verbunden sind.
2. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Öffnungen (12, 13) zu der Nieder
druckluftleitung (24) und der Hochdruckluftleitung (2)
und die Öffnungen (15, 16) zu der Hochdruck-Abgasleitung
(5) und der Niederdruck-Abgasleitung (22) in einem
Kreissektor der Steuerplatten (10, 11) und die weiteren
Öffnungen (14, 17) mit gleichem radialem Abstand, aber
in davon getrennten Kreissektoren angeordnet sind, wobei
der Öffnung (12) zu der Niederdruck-Luftleitung (24)
eine der weiteren Öffnungen (17) an der anderen
Steuerplatte (11) gegenüberliegt.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rotor (8′) aus zwei konzentrisch
zueinander angeordneten Nabenringen (27, 28) besteht,
wobei der äußere Nabenring (27) einen Kranz von Zellen
(9′) trägt und ein zweiter Kranz von Zellen (9′′) den
inneren Nabenring (28) mit dem äußeren Nabenring (27)
verbindet und daß die Öffnungen der Steuerplatten, die
zur Hochdruckabgasleitung (5), zur Hochdruck-Luftleitung
(20), zur Niederdruck-Abgasleitung (22) und zur Nieder
druck-Luftleitung (24) führen, mit gleichem radialen
Abstand wie der eine Zellenkranz und die weiteren
Öffnungen mit gleichem radialen Abstand wie der andere
Zellenkranz angeordnet sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863628037 DE3628037A1 (de) | 1986-08-19 | 1986-08-19 | Verbrennungskraftmaschine |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863628037 DE3628037A1 (de) | 1986-08-19 | 1986-08-19 | Verbrennungskraftmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3628037A1 true DE3628037A1 (de) | 1988-02-25 |
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ID=6307669
Family Applications (1)
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Country Status (2)
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WO (1) | WO1988001341A1 (de) |
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- 1987-08-18 WO PCT/EP1987/000462 patent/WO1988001341A1/de unknown
Also Published As
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Legal Events
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---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |