DE4024992A1 - Verfahren zur umwandlung von waerme in kraft nach dem stirling-prinzip mit innerer verbrennung - Google Patents

Description

In den letzten 200 Jahren wurden zahlreiche Wärme-Kraftverfahren mit innerer und äußerer Verbrennung entwickelt, erprobt und gebaut. Die Mehrzahl der Verfahren beruht auf einer ständigen Verbesserung des Leistungsgewichtes und des Preis- Leistungsverhältnisses. Im Rahmen der aktuellen Umweltdiskussion ist diese eindimensionale Entwicklungsrichtung nicht mehr ausreichend. Ein zeitgemäßes und zukunftsorientiertes Wärme-Kraftverfahren muß folgende Eigenschaften haben: leise, hoher thermodynamischer Wirkungsgrad, gute Abgasanalyse, möglichst ohne ständigen Ölwechsel, bescheidene Drücke, keine exotischen Werkstoffe, geeignet für Wärme-Kraft-Kopplung, lange Lebensdauer, einfache Wartung.

Nach dem heutigen Stand der Technik schließen sich zunächst ein Teil dieser Parameter aus. Lange Zeit erhoffte sich die Fachwelt vom Stirling-Prinzip den entscheidenen Durchbruch. Aber Fig. 1 (TS-Diagramm) zeigt das entscheidende Handicap des Stirling-Verfahrens. Man muß mit der gesamten Heizleistung bei hohem Druck und hoher Temperatur durch eine Metallwand. Insofern ist das Diesel- oder Otto-Prinzip mit der Explosion des Brennstoffs direkt über dem Kolben thermodynamisch intelligenter. Andererseits sprechen bessere Abgasanalyse, niedriges Geräusch und denkbarer Grenzwirkungsgrad eindeutig für das Stirling-Prinzip.

Zur Verdeutlichung:

Als Startnische des neuen Verfahrens ist in erster Linie an Motorkraftwerke (Blockheizkraftwerke) zur umweltfreundlichen und dezentralen Wärme-Kraft-Kopplung gedacht, die heute fast ausschließlich nach dem Diesel- oder Gas-Otto-Verfahren arbeiten.

Der hohe Lärmpegel der Explosion des Brennstoffs erfordert aufwendige Schallschutzmaßnahmen, die ihrerseits wieder die Wartung und Entwärmung erschweren. Weiterhin muß in regelmäßigen und kurzen Abständen eine gründliche Wartung und laufender Ölwechsel mit Dioxinproblemen beim Altölrecycling akzeptiert werden.

Dazu kommen beachtliche Korrosions- und Werkstoffprobleme beim Abgaswärmetauscher, die Abgasanalyse ist mit und ohne Katalysator erschreckend.

Als aussichtsreiche Kompromißlösung wurden nun von einigen Forschern wie Naotsugu Isshiki, Shinji Moriya, Pattas, Paveletic und Miwa die Vorteile der inneren Verbrennung mit den Vorteilen des Stirling-Verfahrens verbunden. Kurz "ICSE" (Internal Combustion Stirling Engine) Verfahren genannt.

Die Ergebnisse sind bisher enttäuschend, sie sollen durch das im Folgenden beschriebene neue Verfahren entscheidend verbessert werden.

Fig. 2 (TS-Diagramm) zeigt schematisch die Lösung:

Ein Abgas-Luftgemisch durchläuft einen Kreisprozeß vom Zustand 1 über 2, 3, 4, 5, 6 nach 1. Eine Gegenstromkühlung bringt das Abgas-Luftgemisch von Zustand 6 auf Zustand 1. Zwischen 1 und 2 wird ein Bruchteil der umlaufenden Gasmenge entfernt und durch die gleiche Menge Verbrennungsluft ersetzt.

Von 2 nach 3 wird das Abgas-Luftgemisch komprimiert, von 3 nach 4 aus einem Wärmespeicher (Regenerator) vorgewärmt.

Von 4 nach 5 erfolgt die Brennstoffzugabe und Verbrennung bei Arbeitsleistung und Expansion.

Von 5 nach 6 wird der Wärmespeicher (Regenerator) wieder aufgeladen. Dann beginnt der Zyklus von vorne.

Die bisher bekannt gewordenen Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kraft nach dem Stirling-Prinzip mit innerer Verbrennung haben den Nachteil, daß versucht wurde, von 6 nach 3 isotherm zu komprimieren, im Grenzfall also unendlich langsam bzw. mit unendlich großer Tauschfläche.

Weiterhin arbeiten die meisten Verfahren mit stöchiometrischen Luftmengen oder kleinen Luftüberschußzahlen.

Die Folge sind extrem hohe Endtemperaturen, die exotische Werkstoffe erfordern und beim NOx eine "schmutzige" Abgasanalyse.

Will man andererseits mit mehrfachem Luftüberschuß zwischen 1 und 2 und der ganzen Reaktionsgasmenge ein- und austreten, so ergeben sich viel zu große Ventilquerschnitte bzw. steckt im Abgas zuviel Restenergie.

Das erfindungsgemäße Wärme-Kraft-Verfahren vermeidet diese Nachteile, indem vor der adiabatischen oder polytropen Kompression von 2 nach 3 eine Gegen- oder Querstromkühlung mit akzeptablen Flächen bzw. Temperaturdifferenzen gelegt wird.

Dann ist der CO₂-Gehalt der Abgase extrem hoch, die Abgastemperatur niedrig und damit der Abgasverlust ebenfalls sehr klein.

Das Verfahren beinhaltet eine gewollte ständige Abgasrückführung bis an die Zündgrenze, so daß der NOx-Gehalt ein Minimum bleibt, bei voller Ausnützung des thermodynamischen Gefälles.

Das vorgeschlagene Verfahren ist eine ökologische Optimierung von Wirkungsgrad, Abgasanalyse und Geräusch.

Setzt man zur Verdeutlichung für ein Abgas-Luftgemisch mit Erdgas (oder Heizöl) konkrete Zahlenwerte ein, mit im Mittel z. B. 100°C unterer und 1200°C oberer Temperatur, so lassen sich bei richtigen Drehzahlen und Brennraumgeometrien 40-50% praktischer thermodynamischer Wirkungsgrad, CO-Werte von 0-10 ppm und NOx-Werte von 150 ppm ohne Katalysator erreichen.

Der Geräuschpegel des Verfahrens liegt ohne Schalldämmhaube bei 40-50 Dezibel.

Die Niedertemperaturwärme hat dabei noch das für Heizzwecke interessante Niveau von 60-90 Grad mit ca. 40-50% Energie, der Abgasverlust und die Maschinenraumverluste liegen unter 10%.

Besonders interessant ist auch der niedrige Enddruck bei 7-8 bar, so daß die heißen Teile mit erträglichen Werkstoffen gebaut werden können.

Zur Erläuterung der praktischen Realisierung des nach Fig. 2 beschriebenen Verfahrens, dient Fig. 3:

Ein Kolben (1) mit Kurbelantrieb und in der Regel ohne Ölschmierung, arbeitet in einem Zylinder (2). Er komprimiert beim Hochgehen das eingeschlossene Luft/Abgasgemisch. Dann verschiebt der Verdränger (3) das komprimierte Luft/Abgasgemisch über die Rückschlagorgane (4) und den Regenerator (5) auf die heiße Seite der Anlage. Am oberen Austritt aus dem Regenerator wird der Brennstoff (Gas oder Öl) zugeführt. Nun bewegen sich Verdränger (3) und Kolben (1) gleichsinnig abwärts und setzen die Expansionsarbeit in mechanische Arbeitsleistung um.

Ist der Kolben (1) dann im unteren Totpunktbereich, wird der Verdränger (3) nach oben gefahren, das heiße Gas über den Regenerator (5) und den Kühler (6) in den Arbeitsraum verschoben. Darauf beginnt der Zyklus von vorne.

Zwischen dem Ende der letzten Verschiebung und dem Beginn der neuen Kompression wird das Abgasventil (11) geöffnet und mit der Luftdosiereinrichtung (9) mit Einlaßventil (12) eine genau der Brennstoffdosiereinrichtung (10) zugeordnete Menge frische Verbrennungsluft eingeschoben.

Zum Starten der Anlage kann über Heizeinrichtung (8) der heiße Teil der Anlage auf Zünd- und Arbeitstemperatur gebracht werden.

Um die Vorteile der Erfindung klarer herauszuarbeiten, sind wie bereits erwähnt, in Fig. 1 und Fig. 2 (TS-Diagramm) zu sehen.

Fig. 1 zeigt im Pfeilschema einen Stirling-Prozeß mit 100°C unterer und 1200°C oberer Temperatur. Die ovale Kurve ist der dabei normalerweise tatsächlich ablaufende reale Prozeß.

Ein solcher Prozeß hätte einen relativ hohen Wirkungsgrad, aber entweder extrem große Heizflächen, exotische Arbeitsmedien, ein extrem heißes Feuer und/oder sehr hohe Fülldrücke.

Fig. 2 zeigt den angestrebten thermodynamischen Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens mit innerer Verbrennung:

Von Arbeitspunkt 2 mit z. B. 50°C und 1 bar Gaszustand, komprimieren bis Arbeitspunkt 3 (z. B. 120°C und 2 bar Druck). Danach verschieben von 3 nach 4 (z. B. 1200°C), dann gesteuerte Verbrennung und Expansion mit Endpunkt 5 (z. B. 1300°C) und durch verschieben nach 6 (z. B. ca. 250°C).

Je nach Wahl der Regeneratoroberflächen, Struktur, Druckverlust und Masse kann für jede Drehzahl und gewünschte Leistungsdichte das thermodynamische Optimum gewählt werden. Z. B. 10, 20 oder 50 k Temperaturdifferenz für den Regenerator und nicht ca. 100 k wie im Beispiel.

Die elementare Rechnung in der Größenordnung des Beispiels ergibt pro Zyklus ein Einspeisen und Ausspeisen von Luft und Abgas mit ca. 10% der Prozeßgasmenge. Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens gegenüber dem reinen Diesel/Otto- oder reinen Stirling-Prinzip ergeben sich unmittelbar aus dem Prozeßverlauf im TS-Diagramm und wie folgt:

• - da die Verbrennung nur im heißen Teil stattfindet, gibt es keine Molekülbruchstücke und bei richtiger Dimensionierung, nahezu völlige Verbrennung.
• - da in den heißen Teil keinerlei Schmierölreste gelangen können, entfällt das übliche Ölwechselproblem an Verbrennungskraftmaschinen.
• - je nach Wahl der pro Zyklus eingespeisten Frischluft, ergibt sich bis an die Grenze der Zündfähigkeit eine starke NOx-Unterdrückung, eine ständige Abgasrückführung, da viele Moleküle den Kreisprozeß mehrfach durchlaufen.
• Ebenfalls stark NOx-vermeidend wirkt die relativ niedrige Verbrennungstemperatur. Hier kann das NOx bis auf sein Minimum heruntergenommen werden, kurz bevor das CO ansteigt.
• - durch das große Temperaturgefälle sind Wirkungsgrade von über 50% an der Welle erreichbar und das bei gleichzeitig optimaler Abgasanalyse.
• - da der Arbeitskolben im kalten Bereich liegt, kann Trockenlauf bei Geradeführung und damit schmierölarmen oder schmierölfreien Betrieb konzipiert werden.
• - die Ventile liegen ebenfalls unproblematisch im kalten Bereich.
• - weiterhin arbeitet der Prozeß außerordentlich leise, da keine Explosionen stattfinden.
• - der maximale Enddruck am Arbeitspunkt 4 ist im Beispiel sehr bescheiden, insofern werden an die Werkstoffe erheblich geringere Anforderungen als beim reinen Stirling, Diesel oder Otto-Prozeß gestellt.
• - Der Preis für die vielen Vorteile ist mit einer mäßigen Drehzahl, einem relativ großen Hubvolumen pro kW und einem relativ hohen Leistungsgewicht zu bezahlen.

Der bereits amtlich in allen Statistiken dokumentierte Umweltnotstand rechtfertigt und begründet den nötigen Aufwand. Das vor uns liegende ökologische Zeitalter erfordert völlig neue Konstruktionsprinzipien.

Da der Hauptverwendungszweck zunächst einmal stationäre Systeme vorsieht, spielt das höhere Leistungsgewicht der Maschine keine entscheidende Rolle.

Es sind aber auch leichte schnellaufende Systeme nach dem neuen Prinzip zu realisieren, allerdings sinkt die Güte der Verbrennung mit steigender Drehzahl.

Dies Verfahren kann auch mit einer beliebigen Zahl von Zylindern realisiert werden, so daß sich bei größeren Leistungen die Schwungradgewichte und die Ungleichförmigkeit der Bewegung verbessern.

Claims (6)

1. Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kraft nach dem Stirling-Prinzip mit innerer Verbrennung dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgas-Luftgemisch nach Fig. 2 von (6) nach (1) im Gegen- oder Querstrom gekühlt wird, zwischen (1) und (2) einen Bruchteil Abgas abgibt und die gleiche Menge Frischluft dazubekommt, von (2) nach (3) komprimiert wird, von (3) nach (4) gespeicherte Wärme aus einem Regenerator nimmt, von (4) nach (5) Brennstoff zugegeben wird bei Expansion und Arbeitsleistung und von (5) nach (6) Wärme in den Regenerator gibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 3 zur Erzwingung des Gegenstromes die Ventile (4) beim Hochgehen des Verdrängers (3) schließen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (3) direkt über eine Kurvenscheibe der Hauptwelle gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Auslaßventil (11) und Einlaßventil (12) mit Kurvenscheibe der Hauptwelle direkt oder über Kipphebel gesteuert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdosierung (10) und die Luftmengendosierung (9) verstellbar, zwangsgesteuert sind, zur Regelung von Drehzahl und Leistung.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung von Fig. 2 zwischen (6) und (1) oder gleichbedeutend in Fig. 3 (6) entfällt und das Abgas am Punkt (6) Fig. 2 nach außen abgegeben wird.