DE3690769C2 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennunsmotors und Verbrennungsmotor - Google Patents
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennunsmotors und VerbrennungsmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Verbrennungsmo
tor nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 7.
Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der JP 61-10 16 26
(A) und der US 42 99 088 und ein derartiger
Verbrennungsmotor ist bereits aus der DE 32 24 006 A1 bekannt.
Auf diese Druckschriften wird weiter unten noch näher eingegan
gen.
Die Gesamtenergiebilanz eines Verbrennungsmotors oder einer Kraftanlage
kann ausgedrückt werden als Arbeitsabgabe =
Brennstoffheizwert - Wärmeabfuhr durch Kühlmittel -
Abgasenergieverlust. Sowohl die Wärmeabfuhr durch das
Kühlmittel als auch der Abgaswärmeverlust können in einem
Leistungsproduktionskreisprozeß nicht eliminiert werden. Die
üblichen Verbrennungsmotoren - das Gasturbinentriebwerk, der
Benzinmotor und der Dieselmotor - basieren auf den idealen
Kreisprozessen des Braytonverfahrens, des Ottoverfahrens bzw. des
Dieselverfahrens. Diese Kreisprozesse haben die Eigenschaften
gemeinsam, daß Abgas hoher Temperatur abgegeben wird und daß
im Prinzip keine Wärmeabfuhr durch Kühlmittel erforderlich
ist. In der Praxis werden selbstverständlich Kühlmittel
benutzt, insbesondere in den Fällen des Benzin- und des
Dieselmotors, um Materialüberhitzung zu verhindern. Diese
Kühlung wird durch Temperaturgrenzwerte von
Motorenmaterialien erforderlich, nicht durch thermodynamische
Prinzipien des idealen Kreisprozesses, der
benutzt wird. Mit der ständigen Verbesserung der Materialien
können diese Kühlmittel reduziert oder eliminiert werden.
Allgemein gestatten die thermodynamischen Prinzipien die
Behauptung, daß Verbrennungsmotorkonstruktionen, die den
Abgasenergieverlust minimieren, in der Kraftstoffeinsparung
Motorkonstruktionen überlegen sind, die die Wärmeabfuhr durch
das Kühlmittel minimieren. Es sind demgemäß zahlreiche
Versuche gemacht worden, Verbrennungsmotoren zu konstruieren,
die den Abgasenergieverlust minimieren. Diese beinhalten das
Hinzufügen von abgasgetriebenen Arbeitsturbinen zur
zusätzlichen Leistungsabgabe. Andere Vorschläge verlangen das
Hinzufügen einer Gasturbine mit umgekehrtem offenem
Kreisprozeß, wie es in der US 28 98 731 beschrieben ist,
oder die Verwendung einer "Abgasenergieentnahmevorrichtung"
bei einem Otto- oder Dieselmotor, wie es in der GB-PS
15 21 265 beschrieben ist. In jedem dieser Fälle kann unter
gewissen Betriebsbedingungen eine erhöhte Nutzleistung
vorliegen. Im allgemeinen jedoch nimmt eine solche
Verbesserung des Wirkungsgrades ab oder verschwindet, wenn
die Betriebsbedingungen verändert werden. Keines dieser
Verfahren führt aber zu einer nennenswerten Steigerung
des Wirkungsgrads über einem akzeptablen Betriebsbereich.
Aus dem JP 61-10 16 26 A ist ein Verfahren bekannt, bei
dem der Druck von Abgasen überwacht wird, um ein Absinken der
Leistungsabgabe eines Verbrennungsmotors zu verhindern und über
eine elektronische Steuerung ein "Klopfen" des Verbrennungsmo
tors zu minimieren. Damit wird eine konstante Leistungsabgabe
erzielt. Dies wird erreicht, indem eine Änderung des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses vermieden wird, so daß die Lei
stungsabgabe konstant bleibt. Ein Abgasventil wird dabei
abhängig vom ermittelten Atmosphärendruck und/oder der
Atmosphärentemperatur geöffnet und geschlossen. Als Bezugswert
für die elektronische Steuerung wird der Atmosphärendruck
benutzt. Ein Erhöhen des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors
ist in dieser Druckschrift nicht angesprochen.
Aus der US 42 99 088 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die
Temperatur am Ausgang einer Gasturbine erfaßt wird, um die
Zünd- oder Abgastemperaturen der Gasturbine im wesentlichen
konstant zu halten und so thermische Beanspruchungen der
Gasturbine zu vermeiden. Die Gasturbine kann dazu entweder im
Normalbetrieb betrieben werden, in dem die Ausgangsleistung
durch Veränderung der Brennstoffströmung gesteuert wird, oder
durch Veränderung der Brennstoffströmung gesteuert wird, oder
in einem zyklischen Betrieb, in dem die Ausgangsleistung durch
Veränderung der Luftströmung gesteuert wird.
Aus der DE 32 24 006 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer Ab
gaserzeugungseinrichtung bekannt, die eine Luft- und Brennstoff
eingangseinrichtung umfaßt. Eine Turboaufladegruppe mit Lade
luftkühlung ist dabei mit einer Vorrichtung versehen, mit der
Leistung einer Kurbelwelle in den Lader eingeleitet werden kann
zur Erhöhung der Ladeluftförderung bei niedriger Motordrehzahl.
In dem bekannten Verbrennungsmotor soll dabei das Abgas
verarbeitet werden, um genügend Ladeluft zu fördern und dabei
dem Motor bei tiefen Drehzahlen ein höheres Drehmoment zu ver
leihen und den Wärmehaushalt zu verbessern. Mit diesem bekann
ten Verbrennungsmotor ist es jedoch nicht möglich, die Ab
gastemperatur auf vorgeschriebenen niedrigen Werten zu halten
und demgemäß zu einer nennenswerten Steigerung des Wirkungsgra
des über einem akzeptablen Betriebsbereich zu kommen.
Aus der DE-AS 13 01 608 ist eine Ladeeinrichtung für Verbren
nungsmotoren mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Abgastur
binen bekannt, die jeweils Verdichter antreiben. Eine Abgas
steuereinrichtung, die in Strömungsrichtung hinter der ersten
Abgasturbine angeordnet ist, bestimmt dabei in Abhängigkeit von
der Drehzahl der Brennkraftmaschine die der zweiten Abgastur
bine zugeführte Abgasmenge, um die Drehmomentcharakteristik des
Verbrennungsmotors zu verbessern.
Aus der US 35 84 459 ist ein Gasturbinentriebwerk bekannt, bei
der die Energie von Abgasen über einen Wärmetauscher auf be
reits komprimierte Luft übertragen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines
Verbrennungsmotors zu schaffen, das den Wirkungsgrad optimiert,
indem es den Energieverlust durch Abgasemission minimiert, so
wie einen Motor zu schaffen, bei dem dieses Verfahren ausge
führt werden kann.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Pa
tentansprüche 1 bzw. 7 gelöst.
Durch die Erfindung werden ein Verfahren und ein Verbrennungsmo
tor geschaffen, die es ermöglichen, durch Minimieren der Ab
gastemperatur einen größeren Wirkungsgrad zu erzielen. Im Ge
gensatz zu sämtlichem vorgenannten Stand der Technik schafft
die Erfindung ein kontinuierliches, systematisches Verfahren
zum Sichern von vorgeschriebenen niedrigen Werten der Abgastem
peratur, was zu einer nennenswerten Steigerung des Wir
kungsgrades über einem akzeptablen Betriebsbereich führt. Beim
erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor wird der Luftdruck des zu
geführten Luft/Brennstoff-Gemisches durch eine variable Kom
pressionseinrichtung verändert und stetig die Temperatur der
Abgase zusammen mit dem Luft/Brennstoff-Verhältnis überwacht.
Die Kompression der
zugeführten Luft wird nach Bedarf eingestellt, um die
Abgastemperatur auf einem gewünschten niedrigen Wert zu
halten, der dem Luft/Brennstoff-Gemisch entspricht. Das
Verbrennungsverfahren des Verbrennungsmotors nach der Erfindung kann Teil eines
Otto-, Diesel- oder Braytonverfahrens sein, das in einer
Funkenzündungs- oder
Kompressionszündungs-Kolben-Zylinder-Vorrichtung oder in
einer Gasturbine realisiert wird.
Allgemein kann der Verbrennungsmotor nach der Erfindung
eine Hoch- und eine
Niederdruckwelle aufweisen.
Die Hochdruckwelle ist mit der Brennkammer direkt verbunden,
wogegen die Niederdruckwelle benutzt wird, um die
Abgastemperatur auf dem gewünschten Wert zu halten. Darüber
hinaus kann die Niederdruckwelle insgesamt eine Arbeitsabgabe
erzeugen, die mit einer Ausgangswelle gekoppelt werden kann, um
nutzbare Arbeit zu leisten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der
Unteransprüche.
Die Erfindung wird
im folgenden an Hand der
Zeichnungen näher beschrieben, in denen
Fig. 1 ein Temperatur-Entropie-Diagramm eines Kreisprozesses
eines Verbrennungsmotors nach der Erfindung ist;
Fig. 2 eine Darstellung eines Kolben/Turbinen-Triebwerks nach
der Erfindung ist;
Fig. 3 eine Darstellung des Triebwerks nach Fig. 2 unter
Verwendung einer Regenerativheizeinrichtung für die
zugeführte Luft zusätzlich zur Kompression ist;
Fig. 4 eine Darstellung eines Gasturbinentriebwwerks unter
Verwendung eines Freikolbenvergasers nach der Erfindung ist;
Fig. 5 eine Darstellung eines reinen Gasturbinentriebwerks
nach der Erfindung ist; und
Fig. 6 eine Darstellung eines Zweiwellenstrahltriebwerks nach
der Erfindung ist.
Fig. 1 zeigt ein verallgemeinertes
Temperatur-Entropie-Diagramm für Verbrennungsmotoren der im folgenden
erläuterten Art. Der Teil des Diagramms zwischen
Punkten Ro und 1 repräsentiert Kompression oder Aufladung von
zugeführter luft, wo der Druck der Luft erhöht wird, während
die Temperatur der Luft durch Zwischenkühlen zwischen
Kompressionsphasen auf einem relativ konstanten Wert gehalten
wird.
Der Teil des Diagramms zwischen den Punkten 1 und 2
repräsentiert die primäre Kompression eines Brennstoff/
Luft-Gemisches, und zwar entweder in einem Zylinder wie bei
einem Dieselmotor oder in dem Hauptkompressor eines
Gasturbinentriebwerks.
Der Teil des Diagramms zwischen den Punkten 2 und 3
repräsentiert das Luft/Brennstoff-Gemisch, während der Teil
des Diagramms zwischen den Punkten 3 und 5 die Expansion von
Abgas repräsentiert. Der Punkt 4 repräsentiert den Zustand
des Abgases aus einem einfachen Motor ohne Aufladung, da der
Druck im Punkt 4 gleich dem im Punkt 1 ist. Wegen des Aufladens
kann die Abgastemperatur bis zum Punkt 5 gesenkt werden, was
gestattet, dem System zusätzliche Arbeit zu entnehmen und die
Motorleistung und den Wirkungsgrad zu verbessern.
In Fig. 2 ist
ein Kolben/Turbinen-Verbundtriebwerk gezeigt. Wie
dargestellt weist ein Motor 10 einen oder mehrere
Abgaserzeugungseinrichtungen 12 in Form von Zylindern
auf, von denen jeder einen hin- und hergehenden Kolben 14
enthält, der an einem Pleuel 16 befestigt ist, welcher an
einer Kurbelvorrichtung 18 an einem Antrieb 20 in Form einer Kurbelwelle geeignet
befestigt ist, die als eine Hochdruckwelle gekennzeichnet
werden kann, weil sie mit einer Brennkammer des Zylinders
direkt gekuppelt ist. Ein oxidierendes Fluid, beispielsweise
Umgebungsluft, wird in den Zylinder über eine Lufteingangs
einrichtung 22 in Form einer Leitung
eingeleitet, die in einem Einlaßventil 24 endigt. Brennstoff
wird über eine Brennstoffeingangseinrichtung 26 in Form
einer Leitung eingeleitet, und die Abgase werden
über ein Auslaßventil 28 in eine Leitung 30 abgelassen. Das
Luft/Brennstoff-Verhältnis wird durch Strömungssensoren 32
und 34 in der Luft- und Brennstoffeingangseinrichtung 22 bzw. 26 überwacht.
Die Zündung des Luft/Brennstoff-Gemisches kann durch
Kompression oder mittels Funken erfolgen. Der Kolben 14 sorgt
für die primäre, im wesentlichen adiabatische Kompression des
Luft/Brennstoff-Gemisches, das nach der Verbrennung in ein
Abgasgemisch umgewandelt ist, welches innerhalb des Zylinders
adiabatisch expandiert, den Kolben 14 nach unten treibt und die
Drehung der Kurbelwelle bewirkt. In dieser Ausführungsform
dient die Kurbelwelle auch als eine Ausgangswelle, an der
Nutzarbeit abgenommen werden kann.
Eine Ausgangseinrichtung 36 in Form einer Turbine ist zusammen mit variablen Kompressionseinrichtungen
38 und 40 auf einer gemeinsamen Welle 42, die auch als Nieder
druckwelle bezeichnet werden kann, befestigt,
die mit der Kurbelwelle durch ein in der Übersetzung variables
Getriebe 44 verbunden ist. Die Leitung 30 leitet die
Abgase zu einer Eingangsseite der Ausgangseinrichtung 36, während eine
Auslaßleitung 46 das Abgas der Ausgangseinrichtung 36 in die Atmosphäre
entläßt.
Äußere Luft wird über einen Lufteingang 48 durch die
Kompressionseinrichtungen 38 und 40 angesaugt, die jeweils mit einer
Kühlschlange 50 versehen sind, welche in Wärmeaustauschbeziehung
mit einer Leitung 52 in einer Zwischenkühleinrichtung
54 sind. Die Kombination aus den Kompressionseinrichtungen 38 und 40 und
der Zwischenkühleinrichtung 54 bewirkt eine ungefähr isotherme Kompression
der externen Luft, woran anschließend die komprimierte
externe Luft durch die Lufteingangseinrichtung 22 in den Zylinder
geleitet wird. Eine Sensoreinrichtung 56 in Form eines Temperatursensors ist an der
Auslaßleitung 46 befestigt, um die Temperatur der Abgase
darin zu überwachen, und mit einem Mikroprozessor als Einrichtung 58 zum Liefern eines Steuersignals verbunden,
zusammen mit den Strömungssensoren 32, 34. Die
Übersetzung des Getriebes 44 steht ebenfalls unter der
Überwachung und Steuerung der Einrichtung 58.
Im Betrieb wird das Luft/Brennstoff-Gemisch in dem Zylinder
auf herkömmliche Weise vereinigt und gezündet, so daß es
den Kolben 14 antreibt und an dem Antrieb 20 Nutzarbeit
erzeugt. Die heißen Abgase werden durch die Ausgangseinrichtung 36
geleitet, die sowohl die Kompressionseinrichtungen 38 und 40 antreibt
als auch insgesamt ein Nutzdrehmoment an den Antrieb 20
über das Getriebe 44 abgibt. Weil das Arbeitsfluid der Ausgangseinrichtung
36 auf einer höheren Temperatur als die der Kompressionseinrichtungen 38
und 40 ist und weil der Druckabfall an der Ausgangseinrichtung 36
normalerweise größer als der an den Kompressionseinrichtungen 38 und 40 ist, kann
insgesamt eine Nutzarbeit an den Antrieb 20 abgegeben
werden. Die Sensoreinrichtung 56 überwacht die Temperatur der
die Ausgangseinrichtung 36 verlassenden Abgase und liefert diese Daten
zu der Einrichtung zum Liefern von Steuersignalen 58, die durch Steuern der Übersetzung
des Getriebes 44 die Drehzahl der Welle 42
steuert. Da diese Drehzahl die Größe der Kompression der
Kompressionseinrichtungen 38 und 40 steuert, ist die Kompression der
externen Luft, die in die Kompressorstufen über den Lufteingang 48
eintritt, variabel.
Da es eine Beziehung zwischen der Kompression der zugeführten
Luft (Aufladung), der Abgastemperatur und dem
Triebwerkswirkungsgrad gibt, muß die Einrichtung 58 mit
der erforderlichen Referenztemperatur programmiert werden, die
dem optimalen Motorwirkungsgrad bei verschiedenen Luft/
Brennstoff-Verhältnissen des Motors entspricht. Das kann
erfolgen durch Testen des Motors bei einem gegebenen
Luft/Brennstoff-Verhältnis und Überwachen des
Motorwirkungsgrades, wenn die Kompression verändert wird.
Wenn die Kompression verändert wird, ändert sich auch die
Abgastemperatur. Wenn die Abgastemperaturen verringert werden,
steigt der Motorwirkungsgrad auf ein Maximum und nimmt dann wieder
ab.
Die Kollektion von Temperaturwerten, welche optimalen Motor
wirkungsgraden über dem gewünschten Bereich von Luft/
Brennstoff-Verhältnissen entsprechen, die benutzt werden
sollen, bildet die Datenbasis für die Einrichtung 58. Eine
solche Datenbasis muß für einen bestimmten Motor auf
Kundenbasis gewonnen werden. Eine anfängliche
Computersimulation eines Gasturbinenmodells zeigt, daß
Abgastemperaturen in dem Bereich von 525 bis 620 Grad Kelvin
erwartet werden können. Da die Daten auf Kundenbasis
gewonnen werden, kann die Abgastemperatur an irgendeiner
Stelle in dem Weg des Abgasstromes überwacht werden.
Demgemäß ist es durch ständiges Überwachen der Temperatur der
Abgase, die die Ausgangseinrichtung 36 verlassen, und durch Steuern der
Größe der Kompression möglich, die Temperatur der Abgase in
dem gewünschten niedrigen Bereich zu halten und so den hohen
Motorwirkungsgrad über dem Bereich von Luft/
Brennstoff-Verhältnissen aufrechtzuerhalten. Bei der Suche
nach der optimalen Leistung müssen jedoch
Kondensationspunkte der Abgaskomponenten beachtet werden, um
die möglicherweise schädlichen Auswirkungen der Kondensation
innerhalb des Motors zu vermeiden, insbesondere wenn die
Temperaturüberwachung an einem Punkt erfolgt, jenseits
welchem das Abgas noch einer Temperaturabnahme ausgesetzt
ist.
Da die Abgase bei ihrer Abgabe noch auf einer relativ hohen
Temperatur statt auf Umgebungstemperatur sein können,
beinhaltet eine Alternative zu der soeben beschriebenen
Ausführungsform das Vorsehen des Vorwärmens der externen Luft
vor dem Einleiten in die Abgaserzeugungseinrichtung 12 durch Ausnutzen der
Abgaswärmeenergie. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 kann das
durch die Verwendung eines regenerativen Vorwärmers 60
erfolgen, der Kanäle 62 und 64 enthält, die in
Wärmeübertragungsbeziehung aufeinander ausgerichtet sind. Die
Abgase werden nach dem Verlassen der Ausgangseinrichtung 36 durch den
Kanal 62 in den als Wärmetauscher ausgebildeten Vorwärmer 60 geleitet, wodurch ein Teil
ihrer verbleibenden Wärmeenergie auf die komprimierte oder
aufgeladene externe Luft übertragen wird, welche durch den
Kanal 64 hindurchgeht. Die Abgase können dann durch einen
Kompressor 66 auf der Welle 42 geleitet werden, der als
Saugvorrichtung arbeitet, was eine Maßnahme zur weiteren
Wirkungsgraderhöhung in der Strömung durch die Ausgangseinrichtung 36
darstellt, bevor sie über die Auslaßleitung 46 an die Atmosphäre
abgegeben werden. Wenn die Temperatur der Abgase, die die
Ausgangseinrichtung 36 verlassen, oberhalb der der Gase ist, welche in den
Kompressor 66 eintreten, und zwar auf Grund der
Verwendung des Vorwärmers 60, ist die Arbeit, die zum
Antreiben des Kompressors 66 erforderlich ist,
niedriger als die gesamte zusätzliche Arbeit, die durch die
Ausgangseinrichtung 36 dem Abgasstrom auf Grund des Senkens seines
Abgasdruckes durch den Kompressor 66 entnommen wird.
Demgemäß kann ein besserer Wirkungsgrad realisiert werden.
Es ist zu beachten, daß bei dieser Ausführungsform die zweite
Kühlschlange 50 nicht benutzt wird, da es nicht
notwendig ist, komprimierte Luft auf ihrer Anfangstemperatur
zu halten.
Das zuvor erläuterte Verfahren kann auch in einem
Gasturbinentriebwerk ausgeführt werden, bei dem ein
Freikolbenvergaser benutzt wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.
In dieser Figur legt die als Freikolbenvergaser ausgebildete Verbrennungseinrichtung 68 eine
"Hochdruckwelle" fest, obwohl tatsächlich der Freikolbenvergaser eine
"Nulleistungs"-Vorrichtung und daher ohne eine Ausgangswelle
ist. Der Freikolbenvergaser arbeitet jedoch auf hohem Druck. Eine Kompressions
antriebseinrichtung 70 und Kompressionseinrichtungen 72 und 74 sind auf einer
gemeinsamen zweiten Welle 76 befestigt und arbeiten
auf relativ niedrigen Druckwerten.
In dieser Ausführungsform tritt Brennstoff in den Freikolbenvergaser
über eine Leitung 78 ein, während Luft über eine Leitung 80
eintritt, wobei deren Durchflußleistungen durch die Strömungssensoren
32 und 34 überwacht werden, die mit der Einrichtung 58
verbunden sind. Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird auf bekannte
Weise in der Verbrennungseinrichtung 68 gezündet und auf eine hohe Temperatur
und einen hohen Druck gebracht, wobei das Abgas, das diesen
hohen Druck und diese hohe Temperatur aufweist, über eine
Leitung 82 zu einer Gasturbine 84 geht. Die Gasturbine 84 dreht sich auf
einer Welle 86, die zu der Welle 76 koaxial ist. Es
ist die Welle 86, von der hauptsächlich Nutzarbeit abgenommen
wird. Die Welle 86 ist mit einem Hohlrad 88 versehen, das mit
einem Getriebe 90 mit einer Planetenradeinheit in Eingriff ist, die mit einer
Ausgangsantriebswelle 92 verbunden ist. Das Abgas, welches die
Gasturbine 84 verläßt, geht durch eine Leitung 94 und wird durch
einen Sensor 96 in seiner Temperatur überwacht. Das Abgas wird
dann zum Antreiben der Kompressionsantriebseinrichtung 70 benutzt, die den Antrieb
für die beiden zwischengekühlten Kompressionseinrichtungen 72 und
74 bildet, welche externe Luft über eine Einlaßleitung 98
ansaugen, die Luft verdichten und diese über die
Leitung 80 an die Verbrennungseinrichtung 68 abgeben. Die
Welle 76 ist mit dem Ausgang der Gasturbine 84 durch
ein Sonnenrad 100 verbunden, das mit dem Inneren der
Planetenradeinheit kämmt. In dieser Ausführungsform stehen
einstellbare Turbineneingangsleitapparate 102 an der Kompressionsantriebseinrichtung
70 zusammen mit dem Sensor 96 und den Strömungs
sensoren 32 und 34 unter der Steuerung der
Einrichtung 58, so daß die Drehzahl der Welle
76 und demgemäß die Größe der Kompression der externen Luft
durch die Kompressionseinrichtungen 72 und 74 ständig überwacht und
eingestellt werden kann, um die Abgastemperatur und demgemäß
den Motorwirkungsgrad auf dem gewünschten Wert zu halten.
Weil die Steuerung der einstellbaren Turbineneingangsleitapparate 102 den
Druck in der Leitung 94 beeinflußt, verändert ihr Betrieb
notwendigerweise die Ausgangsleistung der Gasturbine 84 an der
Welle 86. Wie bei den früheren Ausführungsformen ist Testen
oder Simulieren des Gasturbinentriebwerks erforderlich, um die
notwendigen Triebwerkswirkungsgrads-, Zuluftkompressions- und
Abgastemperaturbeziehungen für den richtigen Betrieb und die
richtige Steuerung durch die Einrichtung 58 zu erzielen.
Das beschriebene Verfahren kann auch in einem reinen
Gasturbinentriebwerk ausgeführt werden, wie es in Fig. 5
gezeigt ist. In dieser Ausführungsform liefert eine typische
Gasturbineneinheit 104, die einen Kompressor 106, eine
Brennkammer 108 und eine Turbine 110 umfaßt, einen Abgasstrom
hoher Temperatur und hohen Druckes in einer Leitung 112. Der
Kompressor 106 und die Turbine 110 sind auf einer gemeinsamen
Welle 114 befestigt, die über ein Getriebe 116 mit
einer Welle 118 verbunden ist, auf der
Kompressionseinrichtungen 120 und 122 zusammen mit einer Turbine
124 befestigt sind. Die Abgase in der Leitung 112 treiben eine
Freifahrturbine 126 an, die mit einer
Leistungsabgabeantriebswelle 128 verbunden ist. Die Temperatur
des Abgases aus der Freifahrturbine 126 in einer Leitung 130 wird
durch einen Sensor 132 überwacht, bevor das Abgas durch die
Turbine 124 geht, um die Kompressionseinrichtungen 120, 122 anzutreiben,
und in die Atmosphäre abgegeben wird. Wiederum stehen ein
Sensor 132, das Getriebe 116 sowie Luft/
Brennstoff-Verhältnissensoren (nicht dargestellt) unter der
Steuerung der Einrichtung 58, so daß das
Drehzahlverhältnis zwischen der Welle 114 und der
Welle 118 so eingestellt werden kann, daß es
gestattet, die variable Kompression der Zuluft, die über eine
Leitung 134 zu den Kompressionseinrichtungen 120 und 122 gelangt und der
Gasturbineneinheit 104 zugeführt wird, nach Bedarf
zu verändern, um die Abgastemperatur in der Leitung 130 und
den Triebwerkswirkungsgrad auf den gewünschten Werten zu
halten.
Das für reine Gasturbinen beschriebene Verfahren kann
auch bei Zweiwellenstrahltriebwerken verwirklicht
werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Wie dargestellt,
enthält eine Triebwerksgondel 136 ein inneres Kerngehäuse 138,
welches einen ringförmigen Luftmantelstromring 140 begrenzt
und Triebwerksteile trägt. In dem Kerngehäuse 138 ist
eine Welle 142, die Kompressionseinrichtungen 144 und 146 und
eine Niederdruckantriebsturbine 148 trägt, koaxial zu Elementen
einer primären Gasturbineneinheit 150 befestigt, welche einen
Hochdruckkompressor 152, eine Brennkammer 154 und eine
Hochdruckturbine 156 aufweist. Auf herkömmliche Weise treibt
die Hochdruckturbine 156 den Hochdruckkompressor 152 über eine Welle
158 an, die koaxial um die Welle 142 angeordnet
ist. Die Welle 158 ist mit der Welle 142
durch ein in der Übersetzung variables Getriebe 160 verbunden.
Die Abgase, die die Hochdruckturbineneinheit 156 verlassen,
treiben die Niederdruckantriebsturbine 148 an und können anschließend
einen Turbo-Fan 162 auf herkömmliche Weise antreiben. Das
Abgas kann dann in einem Auslaßdüsenabschnitt 164 auf im
Stand der Technik allgemein bekannte Weise expandieren. Die
Temperatur der Abgase kann an dem Auslaßdüsenabschnitt 164
überwacht werden, wobei das Getriebe 160 sowie die
Abgastemperatur- und Luft/Brennstoff-Strömungssensoren (nicht
dargestellt) wieder unter Mikroprozessorsteuerung stehen. In
dieser Ausführungsform erfolgt eine Zwischenkühlung zwischen
den Kompressionseinrichtungen 144, 146 und 152 durch wendelförmige
Kühlschlangen 166, die sich in dem kreisringförmigen Luft
mantelstromring 140 erstrecken. Die Kühlschlangen
166 können mit Kühlrippen oder anderen Einrichtungen versehen
werden, um eine größere Oberfläche für die Kühlung
von Mantelstromluft bereitzustellen.
Claims (17)
1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der
eine Einrichtung hat, in welcher ein zugeführtes
Luft/Brennstoff-Gemisch variablen Verhältnisses vereinigt
und gezündet wird, um einen Abgasstrom hoher Temperatur und
hohen Druckes zu erzeugen, beinhaltend folgende Schritte:
- a) Hindurchleiten der Abgase durch eine Expansionsein richtung, um ihnen Arbeit zu entnehmen; und
- b) ständiges Überwachen des Luft/Brennstoff-Verhältnis
ses;
gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: - c) ständiges Überwachen der Temperatur der Abgase, nach dem diese die Expansionseinrichtung verlassen haben;
- d) ständiges Vergleichen der Temperatur der Abgase mit vorbestimmten Standards, welche gegebene hohe Werte des Motorwirkungsgrades bei den Luft/Brennstoff- Verhältnissen repräsentiert, um ein Steuersignal zu erzeugen, das in Beziehung zu der Differenz steht; und
- e) ständiges variables Komprimieren der dem Luft/Brennstoff-Gemisch zugeführten Luft auf das Steuer signal hin, so daß die Abgastemperatur während des Motorbetriebes auf einem vorbestimmten Standard gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des variablen Komprimierens der zugeführten
Luft beinhaltet, die zugeführte Luft durch eine erste und
eine zweite Kompressionseinrichtung (38, 40; 72, 74; 120, 122), welche eine Zwischen
kühleinrichtung (54) haben, hindurchzuleiten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des variablen Komprimierens der zugeführten
Luft beinhaltet, das Abgas aus der Expansionseinrichtung
durch eine Turbineneinrichtung hindurchzuleiten und eine va
riable Kompressionseinrichtung (38, 40) durch die Turbineneinrich
tung anzutreiben.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des variablen Komprimierens beinhaltet, die
Drehzahl der Turbineneinrichtung zu verändern.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den
Schritt des Vorwärmens der zugeführten Luft, nachdem die
zugeführte Luft komprimiert worden ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Vorwärrmen der zugeführten Luft durch eine Wärmeübertra
gungseinrichtung zwischen den Abgasen und der zugeführten
Luft erfolgt.
7. Verbrennungsmotor mit:
einer Abgaserzeugungseinrichtung (12) zum Erzeugen eines Abgasstroms hoher Temperatur und hohen Druckes aus einem zugeführten Luft/Brennstoff-Eingangsgemisch der Abgaserzeugungseinrich tung (12), die eine Luft- und Brennstoffeingangseinrichtung (22, 26) umfaßt;
einer Ausgangseinrichtung (36), die mit der Abgaserzeu gungseinrichtung (12) verbunden ist, zum Entnehmen von Nutzarbeit aus dem Abgasstrom;
einem Antrieb (20) für eine variable Kompressionsein richtung (38, 40), der mit der Abgaserzeugungseinrichtung (12) verbunden ist, zum Verändern des Druckes des Luftan teils des zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches, wobei die variable Kompressionseinrichtung (38, 40) einen Lufteingang (48) und einen Luftausgang hat, der mit der Lufteingangseinrichtung (22) verbunden ist;
gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung (56) zum ständigen Überwachen der Temperatur des Abgasstroms, nachdem dieser durch die Aus gangseinrichtung (36) hindurchgegangen ist, und zum Überwa chen des Verhältnisses von zugeführter Luft zu Brennstoff an der Luft- und Brennstoffeingangseinrichtung (22, 26); und
eine Einrichtung (58) zum Liefern eines ständigen Steuersi gnals zum Verändern der Kompression der zugeführten Luft durch die variable Kompressionseinrichtung (38, 40; 72, 74; 120, 122; 144, 146) auf der Basis einer Temperaturdifferenz zwischen der überwachten Tem peratur des Abgasstroms und einer vorbestimmten Referenz temperatur für ein gegebenes erfaßtes Luft/Brennstoff-Ver hältnis, so daß die überwachte Abgastemperatur während des Betriebes des Verbrennungsmotors ständig auf der vorbe stimmten Referenztemperatur gehalten wird, wobei die vorbe stimmte Referenztemperatur einem vorbestimmten Motorwir kungsgrad bei einem gegebenen Luft/Brennstoff-Verhältnis entspricht.
einer Abgaserzeugungseinrichtung (12) zum Erzeugen eines Abgasstroms hoher Temperatur und hohen Druckes aus einem zugeführten Luft/Brennstoff-Eingangsgemisch der Abgaserzeugungseinrich tung (12), die eine Luft- und Brennstoffeingangseinrichtung (22, 26) umfaßt;
einer Ausgangseinrichtung (36), die mit der Abgaserzeu gungseinrichtung (12) verbunden ist, zum Entnehmen von Nutzarbeit aus dem Abgasstrom;
einem Antrieb (20) für eine variable Kompressionsein richtung (38, 40), der mit der Abgaserzeugungseinrichtung (12) verbunden ist, zum Verändern des Druckes des Luftan teils des zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches, wobei die variable Kompressionseinrichtung (38, 40) einen Lufteingang (48) und einen Luftausgang hat, der mit der Lufteingangseinrichtung (22) verbunden ist;
gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung (56) zum ständigen Überwachen der Temperatur des Abgasstroms, nachdem dieser durch die Aus gangseinrichtung (36) hindurchgegangen ist, und zum Überwa chen des Verhältnisses von zugeführter Luft zu Brennstoff an der Luft- und Brennstoffeingangseinrichtung (22, 26); und
eine Einrichtung (58) zum Liefern eines ständigen Steuersi gnals zum Verändern der Kompression der zugeführten Luft durch die variable Kompressionseinrichtung (38, 40; 72, 74; 120, 122; 144, 146) auf der Basis einer Temperaturdifferenz zwischen der überwachten Tem peratur des Abgasstroms und einer vorbestimmten Referenz temperatur für ein gegebenes erfaßtes Luft/Brennstoff-Ver hältnis, so daß die überwachte Abgastemperatur während des Betriebes des Verbrennungsmotors ständig auf der vorbe stimmten Referenztemperatur gehalten wird, wobei die vorbe stimmte Referenztemperatur einem vorbestimmten Motorwir kungsgrad bei einem gegebenen Luft/Brennstoff-Verhältnis entspricht.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Ausgangseinrichtung (36) eine Turbineneinrich
tung ist, über die die variable Kompressionseinrichtung
(38, 40) in Antriebsverbindung mit dem Abgasstrom ist.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Abgaserzeugungseinrichtung (12) eine Gasturbine
(84) aufweist, die eine Kompressionseinrichtung (72, 74), eine Verbren
nungseinrichtung (68) und eine Kompressorantriebseinrich
tung (70) aufweist.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Abgaserzeugungseinrichtung (12) ein Freikolbenver
gaser ist.
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Abgaserzeugungseinrichtung (12) ein Kolbenmo
tor ist.
12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß die variable Kompressionseinrichtung (38, 40) und
die Turbineneinrichtung auf einer einzelnen Welle (42)
befestigt sind.
13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die einzelne Welle (42) mit der Abgaserzeu
gungseinrichtung (12) verbunden ist.
14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die einzelne Welle (76) mit der
Turbineneinrichtung durch ein Getriebe (90) mit variablem
Übersetzungsverhältnis verbunden ist.
15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß das ständige Steuersignal das Übersetzungsverhältnis
verändert, um die Kompression der variablen Kompressions
einrichtung (38, 40; 72, 74; 120 122; 144, 146) zu verändern.
16. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß die variable Kompressionseinrichtung eine erste
und eine zweite Kompressionseinrichtung (38, 40; 72, 74;
120, 122) aufweist, die eine Zwischenkühleinrichtung (54)
haben.
17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zwischenkühleinrichtung (54) wendelför
mige Kühlschlangen (50) aufweist, die zur Konvektionsküh
lung durch Mantelstromluft vorgesehen sind.
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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