DE4237826A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Wärme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung mecha­ nischer Energie aus Wärmeenergie nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3.

Wärme-Kraft-Maschinen sind schon lange Gegenstand vielfältiger Entwicklungen und fast in jedem Haushalt in Form eines Kraftwagenmotors zu finden. Im Alltag haben sich sogenannte Hubkolbenmotoren mit zyklischer Verdichtung, Verbrennung und Expansion durchgesetzt.

In der neueren Entwicklung sind zwei Ziele bei der Konstruktion eines solchen Motors im Hinblick auf eine bessere Umweltverträglichkeit in den Vordergrund gerückt. Zum einen werden die Motoren immer sparsamer im Treibstoffverbrauch und zum anderen wird auf größere Reinheit der Abgase geachtet.

Hierzu wird ein eminenter Aufwand bei der Erforschung und Entwicklung von Ein­ flußmöglichkeiten auf die extrem kurzeitige Reaktionsdynamik bei der Verbrennung des Luft/Brennstoffgemisches betrieben.

Gute Emissionswerte ohne zusätzliche Einrichtungen haben bislang Systeme mit kontinuierlicher Verbrennung, wie beispielsweise der Stirling-Motor, erreicht. Ein zusätzlicher Vorteil eines solchen Systems ist sein leiser Lauf ohne Verbren­ nungsgeräusche und die Vielstoffähigkeit.

Der Stirling-Motor hat einen sehr guten, mit modernen Diesel-Motoren vergleich­ baren thermischen Wirkungsgrad, konnte sich jedoch wegen seiner vergleichswei­ se aufwendigen Bauweise und des sehr hohen Aufwands für die Lastregelung nicht durchsetzen.

Ebenfalls mit kontinuierlicher Verbrennung und den damit verbundenen Vorteilen arbeitet die aus Triebstrahlantriebssystemen bekannte Gasturbine. Sie arbeitet nach einem sogenannten Gleichdruckprozeß, der theoretisch einen mit bekannten Kolbenmotoren vergleichbaren thermischen Wirkungsgrad erwarten läßt, ist jedoch leider in ihrer maximalen Verdichtung sehr eingeschränkt. Somit läßt der Wir­ kungsgrad trotz der in diesem Prozeß einsetzbaren Wärmetauscher und Arbeit­ stemperaturen, die an der Grenze der Materialbelastbarkeit liegen, zu wünschen übrig.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärme-Kraft-Kopplung vorzuschlagen, wobei die Vorteile bekannter Motoren mit zyklischer Verbrennung mit den Vorteilen bekannter Antriebsaggregate mit konti­ nuierlicher Verbrennung kombiniert werden. Die Bauweise sollte also bei ver­ gleichbarer Leistung und vergleichbarem thermischen Wirkungsgrad keinen höhe­ ren Aufwand in der Herstellung gegenüber Motoren mit zyklischer Verbrennung, wie beispielsweise die bekannten Otto- oder Dieselmotoren, erfordern. Gleichzeitig sollen jedoch die Vorteile, die eine kontinuierlichen Verbrennung gegenüber der zyklischen Verbrennung aufweist, wie insbesondere die Möglichkeit einer vollstän­ digen und damit sauberen Verbrennung, vorliegen.

Die wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3 erreicht.

Demgemäß wird eine Verdichtung eines Arbeitsgases nach dem Verdrängerprinzip durch Verschieben wenigstens einer der das Gas umgebenden Wände gegen den Druck von bereits verdichtetem und der Wärmezufuhr unterliegendem Gas durch­ geführt, so daß ein dem Gleichdruckprozeß angenäherter thermodynamischer Zyklus mit kontinuierlicher Wärmezufuhr durchlaufen wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführung und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Zur Expansion wird eine Expansionseinheit verwendet, die im zeitlichen Mittel und im Vergleich mit der Kompressionseinheit betrachtet ein, bezogen auf einen Ver­ gleichsdruck, größeres Gasvolumen, beispielsweise eine gleiche Gasmenge bei höherer Temperatur, expandiert, als zuvor verdichtet wurde. Durch eine solche Expansionseinheit, die im zeitlichen Mittel gegenüber der Kompressionseinheit einen größeren Gasvolumendurchsatz aufweist, wird, bei vergleichbaren Drücken, ähnlich einer Gasturbine mehr mechanische Energie frei als durch die Kompressionsein­ heit verbraucht wird.

Vorteilhafterweise werden zur Expansion und zur Kompression verschiedene Ein­ heiten benutzt, zwischen denen sich ein Druckreservoir befindet.

Die Verdichtungseinheit verdichtet das Arbeitsgas in das Druckreservoir, in der sich zuvor verdichtetes und bereits der Erwärmung unterliegendes Gas, was beispielsweise durch innere Verbrennung von komprimierter Luft mit eingespritz­ tem Kraftstoff geschehen könnte, befindet. Die Expansionseinheit ist w.o. angeführt großvolumiger ausgelegt.

Natürlich könnte in einer solchen Vorrichtung die Wärme wie bei einem Stirling- Motor durch äußere Verbrennung zugeführt werden, wobei auch ein geschlossener Kreislauf des Arbeitsgases möglich wäre, wenn eine zusätzliche Kühlvorrichtung für das Arbeitsgas eingebaut wäre. Dies würde die Verwendung eines einatomigen Arbeitsgases erlauben, das einen höheren Adiabatenexponenten als Luft besitzt, was sich, wie später erläutert, positiv auf den thermischen Wirkungsgrad aus­ wirken würde.

Wie bei den meisten bekannten Motoren liegt es auch hier nahe, eine Vorrichtung in Form einer Kolbenmaschine zu wählen, wobei dies keine notwendige Vorausset­ zung dargestellt. Da, wie später erläutert, der thermische Wirkungsgrad der Vor­ richtung vom Verdichtungsverhältnis abhängt, sind jedoch hohe Verdichtungsver­ hältnisse wünschenswert, wie sie durch bewährte Kolbenmaschinen erreicht werden. Durch die Verwendung mehrerer Kolben und eine entsprechende Dimensionierung des Druckreservoirs ist ein einem Gleichdruckprozeß angenäherter thermodynami­ scher Kreisprozeß möglich.

Der Unterschied zwischen der Expansions- und Verdichtungseinheit einer erfin­ dungsgemäßen Kolbenmaschine könnte beispielsweise darin liegen, daß die Expan­ sionseinheit über eine größere Anzahl von Kolben verfügt. Weitere Möglichkeiten wären ein größerer Querschnitt, eine höhere Taktfrequenz oder ein längerer Hub eines Expansionskolbens in seinem Zylinder.

Bei einer Kolbenmaschine sollten die Verdichtungs- und die Expansionseinheit wie bei üblichen 4-Takt Motoren zweckmäßigerweise über Ein- und Auslaßventile ver­ fügen, wobei wenigstens die Ventile der Expansionseinheit steuerbar sein sollten. Die Ventile der Verdichtungseinheit können auch als reine Unter- bzw. Über­ druckventile ausgebildet sein.

Für den Übergang des erhitzten Gases aus dem Druckreservoir in die Expansion­ seinheit ist wenigstens ein Auslaßventil aus dem Druckreservoir erforderlich, das der hohen Arbeitstemperatur und dem entsprechenden Arbeitsdruck dauerhaft gewachsen ist. Da ein unerwünschtes Gasrestvolumen innerhalb der Expansion­ seinheit nach Beendigung eines Auspufftaktes in dem Moment, wenn ein solches Auslaßventil der Druckkammer geöffnet wird, kaum zu vermeiden ist, sollte die Expansionseinheit während des Auspufftaktes so zeitig geschlossen werden, daß das verbliebene Restgas noch einmal möglichst adiabatisch auf den Arbeitsdruck, der in dem Druckreservoir herrscht, verdichtet wird. Dadurch werden Verluste, die durch Expansion des heißen Arbeitsgases ohne gleichzeitige Verrichtung mechani­ scher Arbeit beim Öffnen des Auslaßventils des Druckreservoirs entstehen könnten, vermieden. Außerdem ergeben sich so zur Konstruktion eines solchen Ventils, das ja hochgradig thermisch isolierend sein muß, größere Möglichkeiten, da das Ventil nicht unmittelbar und ohne offenes Restvolumen an der Expansionseinheit ange­ ordnet sein muß.

Alle beweglichen mechanischen Bauteile mit Ausnahme des Auslaßventils des Druckreservoirs sind der gleichen thermischen Belastung ausgesetzt, wie bei herkömmlichen Motoren. Das Druckreservoir, in der die Erwärmung stattfindet, kann aus modernen keramischen Materialien hergestellt werden, die die für einen befriedigenden thermischen Wirkungsgrad notwendigen Drücke und Temperaturen dauerhaft verkraftet. Dieses Reservoir muß entsprechend thermisch isoliert werden, was ebenfalls mit heute bekannten Methoden zu bewerkstelligen ist.

Der Übergang aus der Verdichtungseinheit in die Druckkammer ist in laufendem Betrieb ständig einem Gasstrom ausgesetzt, der die Endtemperatur der Verdich­ tung aufweist und ist somit nicht so temperaturkritisch. An dieser Stelle können zur Verbesserung der thermischen Isolation auch mehrere Einlaßventile in die Druckkammer in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet werden, wobei nur das erste Ventil die Druckdifferenz zwischen dem Außendruck und dem Arbeits­ druck, der in der Druckkammer herrscht, aushalten müßte. Die anderen Ventile könnten mit großem Querschnitt aus Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit als Überdruckventile ausgebildet sein und würden lediglich der thermischen Isolation dienen.

Die Leistungsabgabe eines solchen Motors kann wie allgemein üblich über eine Variation des Ansaugquerschnitts vorgenommen werden. Vorteilhaft wäre auch hier eine Steu­ erung des Einlaßventils der Verdichtungseinheit. Besonders von Vorteil wäre allerdings eine synchrone Steuerung der Einlaßventile der Verdichtungs- sowie der Ventile der Expansionseinheit bei möglichst konstanter Temperatur- und Druckre­ gelung in der Druckkammer. Der effektive Hubraum des Motors könnte somit zur Lastregelung variiert werden.

In einem solchen Fall sollte das Einlaßventil der Kompressionseinheit vor der maximalen Füllung geschlossen werden, so daß das Füllgas zunächst möglichst adiabatisch, d. h.: ohne großen Energieverlust reversibel, expandiert wird. Ebenso ist in einem solchen Fall der Auslaß der Expansionseinheit so zu steuern, daß er erst öffnet, wenn das Arbeitsgas nach einer kurzen Unterdruckphase bei maxi­ maler Expansion wieder den Außendruck erreicht hat.

Des weiteren könnte zusätzlich ein Druckspeicher angebracht werden, der bei­ spielsweise beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug im Falle eines Schiebebetriebs gefüllt werden könnte. Dies brächte eine zusätzliche Treibstoffersparnis, da die verdichtete Luft bei offen verbleibender Verdichtungseinheit entweder direkt der Expansionseinheit zugeführt oder zur Erwärmung verwendet werden könnte.

Hiebei wäre auch ein Anlasser nicht mehr notwendig, wenn ständig ein zum Anlaufen der Maschine benötigter Mindestdruck gesichert wäre.

Eine weitere Gelegenheit zur Treibstoffersparnis ergäbe sich aus den zahlreichen Stops im innerörtlichen Verkehr. In diesem Fall könnte der Motor durch einfaches Schließen der Ventile unter hohem Druck stehend angehalten werden und durch die Steuerung der Ventile selbsttätig wieder anlaufen.

Sicherlich wären außer diesen angedeuteten Details noch viele weitere vorteilhafte Entwicklungen möglich, z. B.: der Einsatz von Wärmetauschern wie bei Gasturbi­ nen.

Hauptvorteil der Erfindung ist jedoch nach wie vor die Möglichkeit einer ver­ gleichsweise langsamen, vollständigen und damit sauberen Verbrennung.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung schematisch verdeutlicht und Überle­ gungen, die zu der Annahme führen, daß eine solche Maschine unter mit her­ kömmlichen Otto- bzw. Dieselmotoren vergleichbarem Aufwand mit einer wenig­ stens vergleichbaren Leistungsabgabe und ebensolchem thermischen Wirkungsgrad herstellbar ist, sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt im einzelnen

Fig. 1 eine schematische Anordnung zweier Kolben, aus der anschaulich das Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Maschine hervorgeht ist,

Fig. 2 eine schematische Anordnung, bei der die Kombination einer zyklischen Verdichtung bzw. Expansion mit einer kontinuierlichen Erwärmung sichtbar ist und

Fig. 3 ein Vergleichsdiagramm des Druckes p als Funktion vom Volumen V für einen herkömmlichen 4-Takt-Otto-Motor und für einen erfindungsgemäßen Motor.

In Fig. 1 sind ein kleiner Kolben 1 mit einem kleineren Querschnitt und ein großer Kolben 2 mit einem größeren Querschnitt mit ihren Pleuelstangen 3, 4 über eine gemeinsame Kurbelwelle 5 mechanisch so verbunden, daß der kleine Kolben 1 nach oben läuft, wenn der große 2 nach unten geht und umgekehrt. Über eine Leitung 6 sind die Volumina zwischen den Kolben 1, 2 und ihren Zylindern 7, 8 verbunden. Wenn nun über den Anschluß 9 in der Druckleitung 6 beispielsweise Druckluft zugeführt wird, so wird natürlich der große Kolben 2 nach unten und der kleine Kolben 1 nach oben gehen, obwohl der kleine Kolben 1 dabei gegen den vorliegenden Druck arbeitet. Die gesamte Anordnung wird die Position mit dem größtmöglichen unter Druck stehenden Volumen einnehmen. Auf den großen Kolben 2 wirkt eine größere Kraft nach unten, da die Kraft sich aus dem Produkt von Druck und Fläche ergibt, und da beide Kolben fest über die Kurbelwelle 5 gekoppelt sind, bewegt sich der kleine Kolben 1 gegen die nach unten wirkende Kraft nach oben.

In Fig. 2 ist nun eine ähnliche Anordnung zu sehen, die zusätzlich Ein- und Aus­ laßventile 10, 11, 12, 13 sowie eine beheizbare Druckkammer 14 mit einer Zuleitung 15 und einer Ableitung 16 aufweist. Zum Starten einer solchen Anordnung muß zunächst einmal die Druckkammer 14 unter Druck gesetzt werden. Anschließend werden die Ventile 10, 11, 12, 13 vorzugsweise so gesteuert, daß der große Kolben 2 genau die gleiche Gasmenge pro Takt expandiert, die der kleine Kolben 1 der Druckkammer 14 zuführt, die aber aufgrund der Wärmezufuhr Q in der Druck­ kammer bei gleichem Vergleichsdruck ein größeres Volumen einnimmt. Im näch­ sten Takt saugt der kleine Kolben 1 Frischluft an und der größere Kolben 2 stößt das Abgas aus. Anschließend wiederholt sich der ganze Vorgang.

In Fig. 3 sind zwei Vergleichsdiagramme zu sehen. Vergleichsdiagramme heißen sie deshalb, weil eine tatsächliche Maschine die gezeigten Kennlinien nur annä­ hernd erreicht. Ein herkömmlicher 4-Takt Motor beginnt am Punkt 1 eine adiaba­ tische oder isentrope Kompression. Dabei erhöht sich der Druck und, was im Di­ agramm nicht zu sehen ist, die Temperatur. Im Punkt 2a wird ein Verbrennungs­ gemisch gezündet, wodurch Druck und Temperatur weiter ansteigen. Unter dem höheren Druck vom Punkt 3 ab wird nun das Gas wieder adiabatisch expandiert, wobei sich wiederum die Temperatur verringert. Am Punkt 4a schließlich wird das Auslaßventil des Zylinders geöffnet, wodurch der Druck auf den Ausgangsdruck abfällt. Im letzten Takt, bis Punkt 1 wieder erreicht ist, wird das noch heiße Ab­ gas ausgestoßen, wodurch wieder Wärme abgegeben wird. Die Fläche die von den beschriebenen Linien umschlossen wird, gibt eine Maß für die geleistete mechani­ sche Arbeit.

Das entsprechende Vergleichsdiagramm für eine erfindungsgemäßen Kreisprozeß stellt im Gegensatz zum o.a. Gleichraumprozeß einen Gleichdruck- oder Joule- Prozeß dar. Der Prozeß kann mit exakt den gleichen Werten wie im vorigen Prozeß bei Punkt 1 beginnen. Die isentrope Kompression geht aber über Punkt 2a hinaus bis zum Punkt 2b, der sich auf dem gleichen Druck wie Punkt 3 befin­ det. Anschließend wird das Gas unter Erwärmung und Ausdehnung bei konstantem Druck expandiert, bis bei Punkt 3 das Einlaßventil des Expansionszylinders ge­ schlossen wird. Dann beginnt die isentrope Expansion bis zum Punkt 4b, wo das Auslaßventil geöffnet und das wiederum heiße Abgas im nächsten Arbeitsschritt bis Punkt 1 ausgestoßen wird. Die bei diesem Kreisprozeß geleistete Arbeit ist, wie anhand der umschlossenen Fläche zu sehen ist, sogar größer als im vorigen Beispiel.

Natürlich wird auch hier die isobare Expansion zwischen den Punkten 2b und 3 nur näherungsweise mit zyklischen Expansions-bzw. Verdichtungstakten zu reali­ sieren sein. Mit einer Mehrzylindermaschine, beispielsweise jeweils 4 Zylindern für Expansion und Verdichtung, und entsprechend großer Druckkammer sollte jedoch eine gute Annäherung möglich sein, bei der die Schwankungen des Arbeitsdruckes klein gegenüber dem Druck selbst sind.

Die hier dargestellten Zustandsänderungen bewegen sich in den gleichen Druck- und Temperaturintervallen wie ein herkömmlicher 4-Takt-Motor und sollten des­ halb mit den gleichen Vorrichtungen realisierbar sein.

Der thermische Wirkungsgrad ist für beide dargestellte Kreisprozesse durch fol­ genden Ausdruck gegeben:

η = (Q_zu - Q_ab)/Q_zu

Dieser Ausdruck gibt das Verhältnis von in mechanische Arbeit umgesetzter Wärme zur gesamten zugeführten Wärmemenge an, wobei
Q_zu die im Kreisprozeß zugeführte Wärme und
Q_ab die im Kreisprozeß abgeführte Wärme bedeuten.

Für den Gleichraumprozeß folgt mit der Adiabatengleichung und der Zustandsglei­ chung für ideale Gase:

η_a = 1 - ε_a ^{1- γ}

mit dem Verdichtungsverhältnis ε_a = V₁/V_2a

Diese Gleichung ist aus der Literatur( z. B.: Handbuch für Kraftfahrzeugtechnik/ Bosch) bekannt. Der thermische Wirkungsgrad hängt demnach beim Gleichraum­ prozeß nur vom Verdichtungsverhältnis und dem Adiabatenexponenten γ ab.

In analoger Weise kann man beim Gleichdruckprozeß zur Berechnung des thermi­ schen Wirkungsgrades verfahren.

η_b = 1 - (T_4b - T₁)/(T₃ - T_2b)

Aus pV^γ = konstant und (pV)/T= konstant erhält man leicht für den thermischen Wirkungsgrad

h_b = 1 - ε_b ^{1- γ}

erhält, wobei ε_b = (V₁/V_2b) das Verdichtungsverhältnis des Gleichdruckprozesses ist, das aufgrund der adiabatischen Verdichtung und der gleichen Drücke wiederum bei Expansion und Verdichtung gleich ist.

Man erhält also für den Gleichdruckprozeß eine ganz ähnliche Beziehung wie für den Gleichraumprozeß. Allerdings unterscheiden sich die beiden Verdichtungsver­ hältnisse, sofern den gleichen Kurven für die adiabatischen Zustandsänderungen, d. h.: sofern die Konstanten der Adiabatengleichung den gleichen Wert aufweisen, gefolgt wird. Da beim genannten Gleichdruckprozeß auf ein kleineres Volumen verdichtet wird, ist der thermische Wirkungsgrad bei den gleichen Extremwerten in Druck und Temperatur sogar größer als beim Gleichraumprozeß.

Wie bereits erwähnt, ließe sich in einem geschlossenen Kreislauf ein Gas mit einem größeren Adiabatenexponenten als Luft zur Steigerung des thermischen Wirkungs­ grades verwenden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Gewinnung mechanischer Energie aus Wärmeenergie, bei dem ein Gas durch Verschieben wenigstens einer der das Gas umgebenden Wände ver­ dichtet und anschließend erwärmt und expandiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas gegen den Druck von vorher verdichtetem und bereits der Wärme­ zufuhr unterliegendem Gas verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zeitlichen Mittel ein, bezogen auf einen Vergleichsdruck, größeres Gasvolumen, z. B.: die gleiche Gasmenge bei höherer Temperatur, expandiert als verdichtet wird.

3. Vorrichtung zur Gewinnung mechanischer Energie aus Wärmeenergie, die ein Gas durch Verschieben wenigstens einer der das Gas umgebenden Wände ver­ dichtet und anschließend erwärmt und expandiert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdichtungseinheit ein Gas gegen den Druck von vorher verdichtetem und bereits der Wärmezufuhr unterliegendem Gas verdichtet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Expansionsein­ heit mit der Verdichtungseinheit gekoppelt ist, die so ausgebildet ist, daß im zeit­ lichen Mittel ein, bezogen auf einen Vergleichsdruck, größeres Gasvolumen, z. B.: die gleiche Gasmenge bei höherer Temperatur, expandierbar als durch die Ver­ dichtungseinheit verdichtbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärme von außen, d. h.: nicht durch Verbrennung des Gases mit einem zugeführten Brennstoff, zuführbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärme durch innere Verbrennung des Gases mit einem zugeführten Brennstoff erzeugbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung eine Kolbenmaschine ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Expansionseinheit im Vergleich mit der Verdichtungseinheit eine größere Anzahl von Kolben und/oder Kolben größeren Querschnittes und/oder einen längeren Hub der Kolben in ihrem Zylinder und/oder eine größere Takt­ frequenz der Kolben aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß sie steuerbare Ventile aufweist.

10. Ventilsteuerung insbesondere für eine Vorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslaßventil der Expansion­ seinheit vor der maximalen Entleerung schließbar ist, so daß das verbleibende Restgas von der Expansionseinheit nochmals verdichtbar und das Einlaßventil an­ schließend unter verringertem Druck betätigbar ist.