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Verbrennungseinheit zum Verbrennen
eines Flüssigkraftstoffs
und ein eine solche Verbrennungseinheit umfassendes Krafterzeugungssystem
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungseinheit
zum Verbrennen eines Flüssigkraftstofts
und auf ein System zum Erzeugen von Kraft, welches eine solche Verbrennungseinheit
umfasst.
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Bei der Verbrennung von Flüssigkraftstoft, insbesondere
Motorenkraftstoffen, wie Benzin, Kerosin, Diesel und Methanol, ist
es wichtig, dass zum Zeitpunkt der Verbrennung der Kraftstoff als
kleinstmögliche
Partikel vorliegt. Je kleiner die Kraftstoffpartikel sind, desto
homogenere Verbrennung ergibt sich. Eine homogenere Verbrennung
ist mit geringerer Rußbildung
und Rußemission
wie auch mit geringerer CO-Bildung und -Emission verbunden.
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Es ist daher die Aufgabe, die kleinstmöglichen
Kraftstofftröpfchen
in die Verbrennungskammer einzuleiten. Bekannte Verbrennungseinheiten
sind durch verschiedenartige zusätzliche
Mittel zum Erhalten der kleinstmöglichen
Kraftstofftröpfchen
in der Verbrennungskammer im Moment der Verbrennung gekennzeichnet.
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EP-A-O 506 069 offenbart eine Verbrennungseinheit
zum Verbrennen eines Flüssigkraftstoftes,
bei dem Düsen
verwendet werden, um ein Kraftstoffspray mit einer Partikelgröße von,
wie berichtet, unter etwa 100 μm
zu erzeugen. Vorrichtungen und Stromkonstruktionen werden erwähnt, die
den turbulenten, bewegten oder verwirbelten Fluss der Kraftstoffflüssigkeitsspraymischung
fördern
sollen, wie etwa Vordüsen,
Diffusoren, Verwirbelungsplatten, Einschränkungen, Stromteiler/kombinierer,
Stromprallplatten, Schirme, Trennwände, Leitschaufeln und andere.
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Die vorliegende Erfindung hat als
Aufgabe die Bereitstellung einer Verbrennungseinheit zum Verbrennen
von Flüssigkraftstoff,
die mit Mitteln zum Eintragen sehr kleiner Flüssigkeitskraftstoffpartikel (mittlere
Größe < 5 μm, allgemein < 3 μm, vorzugsweise < 2 μm, wie etwa
1,2 μm)
in die Verbrennungskammer versehen ist. Dies, während eine hinreichende Zufuhr
dieser sehr kleinen Flüssigkraftstoffpartikel sichergestellt
sein kann und die Mittel zum Erhalten dieser sehr kleinen Flüssigkraftstoffpartikel
einen relativ einfachen Aufbau haben und in relativ einfacher Weise
existierenden Verbrennungseinheiten hinzugefügt werden können.
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Dies wird gemäß der Erfindung mit einer Verbrennungseinheit
zum Verbrennen eines Flüssigkraftstoffes
wie in Anspruch 1 beansprucht erzielt. Es ist wichtig, dass der
Wirbelzerstäuber
Tröpfchen
oder einen Film aus Flüssigkraftstoff
zum gasförmigen Medium
unter veränderten
Bedingungen erzeugt, so dass dann Explosionszerstäubung auftritt.
Explosionszerstäubung
bringt mit sich, dass Flüssigkraftstoft die
Verbrennungskammer unter derartigen Bedingungen betritt, dass es
als ein Ergebnis des Druckabfalls über den Zerstäuber zum
Auftreten von Sieden oder von Gasbläschen bei den Tröpfchen oder
dem Film des Flüssigkraftstoffs
kommt. Das heißt,
dass im Flüssigkraftstoft
Gasbildung auftritt. Dies sogenanntes Ausdampfen (Flashing) oder
Niederschlag führt dazu,
dass die Tröpfchen
oder der Kraftstofffilm aufgrund plötzlichen teilweisen Siedens
oder der Gaspräzipitation
explodieren oder fragmentieren. Diese Fragmentierung führt zu sehr
kleinen Kraftstofftröpfchen,
die im gasförmigen
Medium erzeugt werden. Die mittlere Dimension von Kraftstoffpartikeln
nach der Fragmentierung beläuft
sich auf weniger auf 5 μm,
allgemein weniger als 3 μm,
vorzugsweise weniger als 2 μm,
beispielsweise 1,2 μm.
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Man beachte, dass die Explosionszerstäubungseinheit
den zerstäubten
Flüssigkraftstoft
nicht direkt in die Verbrennungskammer liefern muss. Es reicht aus,
dass die erzeugten Kraftstofftröpfchen schließlich die
Verbrennungskammer ohne unerwünscht
großes
Tröpfchenwachstum,
das als Folge von Verschmelzung stattgefunden hat, erreichen.
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Es wird eine Explosionsverwirbelungszerstäubungseinheit
verwendet, die mit Wirbelzerstäubern
ausgestattet ist. Bei solch einem bekannten Wirbelzerstäuber wird
dem Flüssigkraftstoff
in einer Wirbelkammer eine Wirbelbewegung vermittelt.
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Der wirbelnde Kraftstoff tritt aus
einer Auslassöffnung
aus. Man hat herausgefunden, dass die Dicke der heraustretenden
Kraftstoffschicht ein Bruchteil (beispielsweise 10%) des Durchmessers des
Auslassdurchtritts ist. Aufgrund der nachfolgenden Explosionsfragmentierung
werden Partikel mit einer mittleren Abmessung von 5 μm oder kleiner
erhalten (abhängig
vom Druckabfall, der Temperatur und dem Durchtrittsdurchmesser).
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Es ist ersichtlich, dass, um diese
Fragmentierung zu verwirklichen, es wichtig ist, dass die Bedingungen
(und insbesondere Bedingungsveränderung)
unter denen der Flüssigkraftstoft
zerstäubt wird,
für die
Fragmentierung optimal sind. Wichtige Bedingungen zum Ausdampf-Fragmentieren
sind die Temperatur des Kraftstoffs, der Zerstäubungsdruck, unter dem der
Kraftstoff zerstäubt
ist, der Druckabfall während
des Austritts und der Durchtrittsdurchmesser. Es ist daher empfehlenswert,
dass die Explosionszerstäubungseinheit
Mittel zum Einstellen der Temperatur des Verdampfungsmittels und/oder
des Zerstäubungsdrucks
umfasst.
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Im Falle einer Nachrüstung der
oben beschriebenen Verbrennungseinheit ist es möglich, eine Anordnung einer
Anzahl von Explosionszerstäubungseinheiten
in einem neuen oder modifizierten Lufteinlass zu integrieren, oder
diese Explosionszerstäubungseinheiten
direkt in die Verbrennungskammer einmünden zu lassen. Durch Orientieren
der Auslassdurchtritte jeder Explosionszerstäubungseinheit ist es möglich, den
Kraftstoff so zu zerstäuben, dass
er für
die Ausbildung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zur Verbrennung optimal
ist. Insbesondere sind Verwirbelzerstäuber und Schlitz- oder Lochzerstäuber bevorzugt,
da diese einen sehr einfachen Aufbau aufweisen, leicht miniaturisiert
und in bestehende Verbrennungseinheiten eingebaut werden können. Sehr
große
Anzahlen an Explosionszerstäubungseinheiten
können
daher ohne zu viele Modifikationen an existierender Verbrennungseinheit
eingebaut werden, was große
Freiheit bei der Wahl der Kraftstofftlussrate zur Verbrennungskammer
gestattet. Die Nachrüstung
existierender Verbrennungseinheiten führt daher zu Verbrennungseinheiten,
die zu niedrigeren Kosten konvertiert werden können und nichtsdestoweniger
eine stark verbesserte Verbrennung mit niedriger Ruß- und NOx Emission verwirklichen können.
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Wie ausgeführt, kann als Kraftstoff Flüssigkraftstoff
eingesetzt werden. Der flüssige
Zustand bezieht sich hierbei auf den Zustand des Kraftstoffs bei der
Temperatur und dem Druck, die am Kraftstoffeinlass vorherrschen.
Dies bedeutet, dass Kraftstoffe verwendet werden können, die
bei Umgebungsbedingungen gasförmig
sind. Kraftstoffe wie Diesel und Benzin haben einen Siedebereich.
Dies bedeutet, dass zum Verwirklichen der Explosionszerstäubung eine
Temperatur aus dem Siedebereich so gewählt werden muss, dass ein signifikanter
Ausdampfeffekt auftritt. Für
Dieselöl
kann eine Temperatur von 350°C gewählt werden.
Für Kerosin/Benzin
kann eine niedrigere Kraftstofftemperatur gewählt werden (250/150°C). Eine
höhere
Kraftstofftemperatur, wie etwa 400°C, kann für niedertourige Schiffsdieselmaschinen
gewählt
werden. Es wird jedoch angemerkt, dass diese Temperaturen abhängig vom
angelegten Druck und optionalen Kraftstoffadditiven, die einen positiven
Effekt auf die Explosionszerstäubung
haben, schwanken können.
Es ist ersichtlich, dass, um eine optionale Explosionszerstäubung zu
verwirklichen, eine Verbrennungseinheit vorzugsweise mit Mitteln
zum Einstellen der Temperatur und des Zerstäubungsdrucks des Kraftstoffs
ausgestattet sein wird.
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Falls, wie weiterhin bevorzugt, die
Temperatureinstellmittel die Temperatur des Verdampfungsmittels
um die kritische Temperatur herum oder auf sie einstellen, nimmt
das Verdampfungsmittel eine Oberflächenspannung von praktisch
oder gleich 0 N/m2 an. Dies bedeutet, dass
keine weitere oder wenig Zerstäubungsenergie
benötigt
wird, um die Flüssigkeit
zu zerstäuben,
wodurch die Tröpfchengröße extrem
klein wird (eine mittlere Tropfenabmessung bis 0,1 μm ist hier
möglich)
und die Verwendung anderer Mittel zum Senken der Oberflächenspannung optional
aufgegeben werden kann.
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Zusätzlich zu den physikalischen
Bedingungen zur Fragmentierung ist es auch möglich, die Fragmentierung durch
chemische oder physikalische Additive zum Kraftstoff zu verstärken. Es
wird daher empfohlen, dem Kraftstoff Agenzien zuzusetzen, welche
die Oberflächenspannung
des Kraftstoffs senken und dabei die für die Fragmentierung notwendige
Energie verkleinern. Als Oberflächenspannungsvermindernde
Agenzien können
Detergenzien und dergleichen verwendet wer den. Solche Oberflächenspannungs-vermindernde
Agenzien werden bevorzugt, die nicht nur an der Oberfläche der
Kraftstofftröpfchen
verbleiben, sondern die fast homogen im Kraftstoff (Tröpfchen oder
Film) verteilt sind. Es ist daher nicht notwendig, dass nach Zerstäuben und
vor der Fragmentierung die Oberflächenspannung als Ergebnis der
Diffusion auf ein geringeres Ausmaß reduziert werden soll. Unter
diesen Bedingungen wird empfohlen, Fettsäuren, insbesondere kürzere Fettsäuren und
optionale Alkohole wie etwa Methanol und Ethanol zu verwenden. Diese
letzteren Agenzien werden insbesondere aufgrund eines relativ niedrigen
Siedepunkts und guter Verbrennung bevorzugt. Es wird damit vermieden,
dass der Verbrennungsprozess in einem negativen Sinn durch diese
Additive betroffen wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform
enthält
der Kraftstoff brennbare und/oder verdampfbare Substanzen, welche
entweder die Oberflächenspannung
des Kraftstoffs vermindern oder die Gasbildung im Kraftstoff als
Ergebnis des Druckabfalls am Zerstäuber verstärken. Hier können insbesondere brennbare
und/oder verdampfbare Substanzen verwendet werden, die einen Siedepunkt
aufweisen, der niedriger als der Siedepunkt des Kraftstoffs ist.
Dies sollte so verstanden werden, dass es bedeutet, dass im Falle
eines Siedebereichs des Kraftstoffs und optional des Verdampfungsagens
diese Bereiche so gewählt
werden, dass das Verdampfungsagens einen wesentlichen Anteil zur
Gasbildung und schließlich
zur Fragmentierung des Kraftstoffs beiträgt. Wenn eine Anzahl oder Mischung
von Verdampfungsagenzien verwendet werden, werden die verdampfbaren
Substanzen mit dem niedrigsten Siedepunkt plötzlich zuerst verdampfen und
Siedeblasen aufgrund des Druckabfalls bilden, wenn sie die Explosionszerstäubungseinheit
passieren, wodurch Flüssigkraftstoff
in kleine Tröpfchen
explodiert oder fragmentiert. Beispielsweise kann ein Gemisch aus Dieselöl als Kraftstoff
und Wasser als Verdampfungsagens verwendet werden. Überhitztes
Verdampfungsagens (Wasser) kann auch als Verdampfungsagens (beispielsweise
Wasser) verwendet werden und insbesondere in ölbefeuerten Brennern zum Erzeugen
von Dampf eingesetzt werden. In diesem Fall können Kraftstoff und überhitztes
Wasser dem Brenner auch separat durch Explosionszerstäubung zugeleitet
werden. Hier wird der zusätzliche
Vorteil verwirklicht, dass durch die Verdampfung des Wassers die Temperatur
der Mischung vor der Verbrennung, während der Verbrennung und nach
der Verbrennung niedriger ist, was die Leistung der Verbrennungseinheit
erhöht
und die Emission von CO und NOx vermindert.
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Die Verbrennungseinheit kann in einer
Verbrennungsmaschine, beispielsweise einem Gasmotor, einem Benzinmotor
oder einem Dieselmotor eingesetzt werden. Zusätzlich kann die Verbrennungseinheit
in einem System zum Erzeugen von Leistung eingebaut werden, das
eine Kompressionsvorrichtung, die durch eine Gasturbine angetrieben
wird und die Verbrennungseinheit gemäß der Erfindung umfasst, in
der durch die Kompressionsvorrichtung komprimierter Kraftstoff und
Luft verbrannt und der Gasturbine zugeführt werden.
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Es ist ersichtlich, dass es in dieser
Hinsicht sehr vorteilhaft ist, falls Explosionszerstäubungseinheiten
in der Kompressionsvorrichtung verwendet werden, um vorgegebene
Verdampfungsagenzien mit einer vergleichsweise höheren Verdampfungsenergie (beispielsweise
Wasser) zu verdampfen. Hierdurch wird eine quasi-isothermale Kompression
erhalten, wodurch die Kompressionsarbeit beträchtlich vermindert wird. In
dem Fall, dass die Verbrennungseinheit mit einer Kompressionskammer
und einer Verbrennungskammer ausgestattet ist, kann die Explosionszerstäubungseinheit
für den
Kraftstoff mit der Verbrennungskammer verbunden werden und kann eine
Explosionszerstäubungseinheit
für Verdampfungsagens
für den
Zweck der Verdampfungskühlung
mit der Kompressionskammer verbunden werden.
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Während
des Kompressionshubs und des Brennhubs der Verbrennungsmaschine
kann daher eine optionale quasi-isothermale Kompression und jedenfalls
eine optimale Verbrennung stattfinden. Es wird weiter im Falle von
Verdampfungskühlen
empfohlen, dass zwischen einer Kompressionskammer und einer Verbrennungskammer
des Verbrennungsmotors zumindest ein Druckgefäß aufgenommen ist, das in wärmetauschendem
Kontakt mit einem Verbrennungsgasauslass des Verbrennungsmotors steht.
Es ist daher bei der kühlen
komprimierten Luft möglich,
Wärme aus
der Wärme
der Abgase zurückzugewinnen.
Falls die Verbleibzeit in dem Druckgefäß zu kurz ist, kann eine Anzahl
von Druckgefäßen parallel
ver wendet werden oder ein relativ großes Druckgefäß in Verbindung
mit einer Anzahl von Verbrennungskammern
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Die enivähnten und andere Merkmale der Verbrennungseinheit
und des krafterzeugenden Systems gemäß der Erfindung werden unten
stehend unter Bezugnahme auf eine Anzahl von Ausführungsformen
weiter beleuchtet werden, die beispielhaft angegeben werden, ohne
dass angenommen werden soll, dass die Erfindung auf diese beschränkt ist.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines Explosionswirbelzerstäubers;
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2 eine
schematische Wiedergabe eines Dieselmotors gemäß der Erfindung mit Turbolader;
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3 eine
Variante des Dieselmotors von 2;
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4–6 jede eine schematische
Wiedergabe eines Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung;
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7 eine
schematische Wiedergabe eines krafterzeugenden Systems gemäß der Erfindung;
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8 ein
anderes krafterzeugendes System gemäß der Erfindung gemäß dem TOPHAT-Prinzip (TOP
humidified air turbine, TOP-befeuchtete Luftturbine); und
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9 ein
anderes krafterzeugendes System gemäß der Erfindung gemäß dem TOPHACE-Prinzip (TOP
humidified air combustion engine, TOP-befeuchtete Luftverbrennungsmaschine).
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1 zeigt
einen Explosionswirbelzerstäuber 1,
wie er bei einer Verbrennungseinheit gemäß der Erfindung angewendet
wird. Der Explosionswirbelzerstäuber 1 umfasst
eine Leitung 2, mit der Kraftstoff 3 (und/oder
optional Verdampfensagens) über eine
Tangentialöffnung 4 einer
Wirbelkammer 5 zugeführt
wird. Die Flüssigkeit
nimmt eine Wirbelbewegung 6 in der Wirbelkammer 5 an
und verläßt den Zerstäuber 1 über eine
Auslassöffnung
(oder einen Durchtritt). Der wirbelnde Kraftstoff tritt in Form
eines Konus aus. Die Dicke der Kraftstoffschicht nimmt dar in ab
und bricht als Konsequenz von Fragmentierung in sehr kleine Tröpfchen auf.
Es kann klar gesehen werden, dass die Dicke der Kraftstoffschicht
kleiner ist als der Durchmesser von Auslassöffnung 7 der Wirbelkammer 5,
wenn die austretende Flüssigkeit durch
plötzliche
Druckverminderung Ausdampf- oder Gaspräzipitation zeigt und die Partikel
dann in extrem kleine Tröpfchen
fragmentieren, das sog. Explosionszerstäuben. Die Dicke der Konusschicht
und die Größe der gebildeten
Tröpfchen
hängt vom
Grad an Explosionszerstäuben
und damit vom Grad der Gasbildung in der Konusschicht ab. Die physikalischen
Bedingungen, die hierfür
wichtig sind, sind der Druck und die Temperatur des Kraftstoffs
und der vorherrschende Druck und Temperatur im Raum, in den der wirbelnde
zerstäubte
Kraftstoff geliefert wird. Es ist daher möglich, Anzahl und Größe der gebildeten
zerstäubten
Kraftstoffpartikel durch Wahl dieser Bedingungen zu beeinflussen.
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2 zeigt
einen Dieselmotor 8 gemäß der Erfindung,
der sechs Verbrennungseinheiten oder Zylinder 9 gemäß der Erfindung
umfasst. Dieselöl wird über eine
Pumpe 10 und eine Leitung 11 einer Explosionszerstäubungseinheit 12 zugeführt, die
aus einer geeigneten Zahl von gewählten Explosionszerstäubern besteht,
wie in 1 gezeigt. Das
Dieselöl hat
eine für
das Explosionszerstäuben
geeignete Temperatur und einen geeigneten Druck. Luft wird über eine
Leitung 13 einem Kompressor 14 zugeführt, der
durch eine Gasturbine 16 über eine Welle 15 angetrieben
wird.
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Der Gasturbine 16 wird das
Abgas von Zylinder 9 hinzugefügt, das über eine Leitung 17 der
Gasturbine 16 und über
eine Leitung 18 zum Kamin 19 geführt wird.
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Im Kompressor 14 komprimierte
Luft wird über
Leitungen 20 der Verbrennungskammer 21 jedes Zylinders 9 zugeführt.
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3 zeigt
einen Dieselmotor 22, der 2 entspricht.
Entsprechende Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein erster Unterschied ist jedoch, dass die im Kompressor 14 komprimierte
Luft nicht über
Leitung 20 der Verbrennungskammer 21, sondern
der Explosionszerstäubungseinheit 12 zugeführt wird.
Dies erzeugt ein optimales Gemisch von Kraftstoff und Luft. Falls
die Luft noch immer Verdampfungsagenspartikel (Wasserpartikel) enthält, ist
eine quasi-isothermale Kompression sogar in Zylinder 9 immer
noch möglich.
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Zweitens wird eine Explosionszerstäubungseinheit 23 in
Leitung 13 aufgenommen. Durch Explosionszerstäuben wird
Wasser hier der Luft zugeführt, wodurch
eine quasi-isothermale Verdunstung im Kompressor 14 auftritt.
Das erforderliche Wasser wird über
eine Leitung 24 einem Wärmetauscher 25 zugeführt, in
dem es in wärmetauschendem
Kontakt mit dem die Gasturbine 16 verlassendem Abgas steht.
Das erhitzte Wasser wird unter Druck über eine Pumpe 26 der
Explosionszerstäubungseinheit 23 zugeführt.
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In den 2 und 3 gezeigte Dieselmotoren 8 und 22 können als
niedertourige Marinedieselmotoren verwendet werden.
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4 zeigt
einen Verbrennungsmotor 27 gemäß der Erfindung, der mit einer
Kompressionskammer 28 und einer Verbrennungskammer 29 versehen ist.
Die Kompressionskammer 28 ist mit einem Lufteinlass 30 mit
einem Einlassventil 31 versehen. Die Kompressionskammer 28 umfasst
weiterhin eine Explosionszerstäubungseinheit 32 zum
Zuführen
von Kühlmittel
(beispielsweise Wasser) über
Leitung 33. Quasi-isothermische Kompression kann so durch Verdampfungskühlen erzielt
werden. Über
einen mit einem Ventil 34 versehenen Auslass 35 ist
die Kompressionskammer 28 mit einem Druckgefäß 36 verbunden,
das mit einem Wärmeaustauscher 37 versehen
ist. Druckgefäß 36 ist über Leitung 38 und
ein Ventil 39 mit der Verbrennungskammer 29 verbunden,
die weiterhin mit einer Explosionszerstäubungseinheit 40 für über Leitung 41 zugeführten Kraftstoff und
einer Zündeinheit 42 versehen
ist. Über
ein Ventil 43 und einen Auslass 44 werden Abgase über Wärmetauscher 45, 37 und 46 abgeführt.
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Der Betrieb des Verbrennungsmotors 27 ist wie
folgt. Bei 1 Bar und einer Temperatur von 27°C wird Wasser über Explosionszerstäubungseinheit 32 in
der Kompressionskammer 28 zerstäubt, wobei quasi-isothermische
Kompression auf 44 Bar und 220°C
stattfindet. Die Ventile 34 und 39 öffnen und Druckgefäß 36 und
Verbrennungskammer 29 werden während des letzten Teils des
Hubs von Kolben
47 gefüllt.
Die Ventile 34 und 39 schließen dann. Die im Druckgefäß 36 vorhandene
Luft wird gegen die durch den Wärmetauscher 37 strömenden Abgase
erhitzt. Im Druckgefäß 36 wird
die Luft auf eine Temperatur von 300°C erhitzt und schließlich über Ventil 39 in
die Verbrennungskammer 29 gespült.
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Kraftstoff wird gleichzeitig über Explosionszerstäubungseinheit 40 injiziert,
woraufhin Zündung und
Ausdehnung dann in der Verbrennungskammer 29 stattfinden.
Während
des Rückkehrhubs
des Kolben 48 werden die Abgase über Ventil 43 abgeführt und
zum Wärmeaustausch
mit dem Kraftstoff, der komprimierten Luft und dem Wasser für die Injektion verwendet.
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Es ist ersichtlich, dass im Verbrennungsmotor 29 gleichermaßen Kraftstoff über Explosionszerstäubungseinheit 40 und
Kühlmittel über Explosionszerstäubungseinheit 32 injiziert
werden.
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Die Verwendung von Verbrennungsmotor 27 erreicht,
dass minimale Kompressionsarbeit durchgeführt wird, während die Wiedergewinnung von
Niedertemperaturwärme
zum Vorheizen von Luft, Wasser und/oder Kraftstoff verwirklicht
wird.
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Für
den Fall, dass die Verbleibzeit im Druckgefäß für eine optimale Erhitzung des
komprimierten Gases unzureichend ist, wird empfohlen, dass das Druckgefäß in Form
einer Anzahl von parallel verbundenen Druckgefäßen zwischen Kompressionskammer 28 und
Verbrennungskammer 29 ausgeführt wird.
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Falls die quasi-isothermische Kompression durch
Einspritzen einer Mischung von Wasser/Kraftstoff (beispielsweise
Wasser/Methanol) durchgeführt wird,
kann das Verdampfungskühlen
dann durch Extraktion von sich aus dem Aufspalten des Kraftstoffs ergebender
Wärme ergänzt werden.
Um diese Ausbruchsreaktion des Kraftstoffs durchzuführen, ist
es notwendig, dass ein Aufspaltkatalysator im Druckgefäß eingebaut
ist (beispielsweise CuO für
Methanol oder Zeolit für
Benzin). Wichtig sind eine adäquate Reaktionszeit
in der Größenordnung
von einer Sekunde und eine hinreichend hohe Spaltungstemperatur
für Methanol
von 250 bis 300°C
und für
Benzin von 475 bis 675°C.
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Es ist ersichtlich, dass durch Anordnung
einer Trennung zwischen der Kompressionskammer und der Verbrennungs/Expansions-kammer
durch Verwendung des Druckgefäßes eine
Optimierung der Energieeffizienz bei Bedingungen unterschiedlicher Leistungsanforderungen
verwirklicht werden können, indem
die akkumulierte Energie verwendet wird. Optional kann sogar ein
Hybridmotor mit Druckluftspeicherung angewendet werden.
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5 zeigt
eine Verbrennungseinheit 49 gemäß der Erfindung.
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Über
den sich drehenden Kompressor 50 wird Luft über Einlass 51 zugeführt, während eine Wasser-/Kraftstoffmischung
mit einer Explosionszerstäubungseinheit 52 zerstäubt wird.
Mit dem Druckgefäß 58 sind
Verbrennungskammern 53 verbunden, die jede der komprimierten
Mischung von Luft/Kraftstoff über
eine Leitung 54 aufnehmen, während über Einlass 55 zusätzlicher
Kraftstoff zugeführt
wird. Die Mischung wird unter Verwendung der Zündung 56 gezündet. Abgase
verlassen die Verbrennungskammer 53 über Auslass 57. Unter
Verwendung eines Wärmetauschers 59 findet
ein Wärmeaustausch
mit dem Gemisch von im Druckgefäß 58 vorhandener Luft/Kraftstoffmischung
statt. Durch Verwendung des großen
Druckgefäßes 58 und
einer Mehrzahl von Verbrennungskammern steht signifikant mehr Zeit zum
Erhitzen der im Druckgefäß 58 vorhandenen
Mischung unter Verwendung von Abgasen zur Verfügung.
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6 zeigt
einen Verbrennungsmotor 60, der einen Zylinder 61 mit
einem Kolben 62 zusätzlich zu
einem Lufteinlass 63 und einem Abgasauslass 65 umfasst.
Der Zylinder 61 ist weiter mit Plasmaelektroden 66 versehen,
die mit Leistungselektronik 68 zum Erzeugen eines Plasmas
im Kopf des Zylinders 61 verbunden sind. Während der
Kompression wird ein Kraftstoff/Wassergemisch über die Explosionszerstäubungseinheit 69,
die nicht im Detail gezeigt ist, für die quasiisothermische Kompression
zugeführt. Nachfolgend
wird der Plasmabogen erzeugt, um die komprimierte Luft zu erhitzen
und die Zündung
des Kraftstoffgemischs und nach dem Ausdehnungshub von Kolben 62 werden
die Abgase über Auslass 65 ausgestoßen und
treiben die Turbine 70, während sie Kraft erzeugen, die
teilweise durch die Leistungselektronik verwendet wird.
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7 zeigt
ein System 60 zum Erzeugen von Kraft. System 60 umfasst
einen Kompressor 61, der über eine Welle 62 durch
Gasturbine 63 angetrieben ist, die wiederum einen Generator 64 antreibt.
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Luft wird dem Kompressor 61 über eine
Leitung 65 zugeführt
und Wasser wird in einer Explosionszerstäubungseinheit 66 über die
Leitung 68, die mit einer Pumpe 67 versehen ist,
zugeführt.
Die im Kompressor 61 komprimierte Luft wird zu einer Verbrennungseinheit 69 gemäß der Erfindung
geleitet, der über
eine Leitung 70 vorgewärmter
Kraftstoff unter Druck über
Pumpe 116, Wärmetauscher 117 und Pumpe 118 zugeführt und
der in einer Explosionszerstäubungseinheit 71 zerstäubt wird,
bevor er der Verbrennungseinheit 69 zugeleitet wird. Der
Kraftstoff wird mit Pumpe 116 auf Druck gebracht und über Wärmeaustausch
gegen die Abgase aus Leitung 73 im Wärmetauscher 117 vorgewärmt und
auf oder über
die kritische Temperatur gebracht oder im Falle eines Siedebereichs
für den
Kraftstoff innerhalb des Bereichs von kritischen Temperaturen der
Kraftstoffkomponenten. Über
Leitung 72 wird der Turbine 63 Abgas zugeleitet
und nach der Expansion über
Leitung 73 abgeführt.
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8 zeigt
ein anderes System 64 zum Erzeugen von Kraft gemäß der Erfindung
in Übereinstimmung
mit dem sog. TOPHAT-Prinzip. In einer Explosionseinheit 75 wird
Luft 74 mit Wassertröpfchen durch
vermittels von Explosionszerstäubung
bereitgestellten Wasser 77 versehen. Die Luft wird einem Kompressor 78 zugeführt, der über eine
Welle 79 mit einer Gasturbine 80 verbunden ist,
die einen Generator 81 antreibt. Verdampfungskühlung der
Wassertröpfchen
findet im Kompressor 78 statt. Die kühle komprimierte Luft passiert über eine
Leitung 82 einen Wärmetauscher 81 und
wird einer Verbrennungseinheit 84 zugeleitet. Kraftstoff
wird über
Pumpe 120 im Wärmetauscher 121 auf
Vordruck vorerhitzt und durch Pumpe 120 unter Druck gesetzt
und nach Explosionszerstäubung
in der Explosionszerstäubungseinheit 93 über Leitung 85 der
Verbrennungseinheit 84 zugeführt. Der hinzugefügte Kraftstoff
ist unter einem derartigen Druck einer auf derartigen Temperatur,
dass, wenn er die Verbrennungskammer der Verbrennungseinheit betritt,
Kraftstoftausdampfen stattfindet, was zu einer extrem feinen Zerstäubung des Kraftstoffs
führt.
Das Abgas von Gasturbine 80 passiert über Leitung 86 den
Wärmetauscher 83,
für einen
wärmetauschenden
Kontakt mit der kühlen
komprimierten Luft vom Kompressor 78. Über Leitung 87 gelangt
das Abgas durch einen Wärmetauscher 88 und
Kondensator 87 auf seinem Weg zum Kamin 92. Im
Kondensator 89 wird Wasser aus dem Abgas herauskondensiert
und unter Druck über
Pumpe 90 durch Wärmetauscher 88 geleitet,
wonach das Wasser 77 die Explosionszerstäubungseinheit 75 unter Druck
und auf Temperatur erreicht. Das Kondensationswasser aus dem Kondensator 89 kann
optional mit Wasser über
die Leitung 91 nachgefüllt
werden.
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Schließlich zeigt 9 ein System 94 gemäß der Erfindung
zum Erzeugen von Kraft in Übereinstimmung
mit dem TOPHACE-Prinzip.
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Über
eine Pumpe 95 wird Wasser (140 bis 250°C, 150 bar) einer Explosionszerstäubungseinheit 96 zugeleitet,
der gleichfalls Luft über
die Leitung 97 (15°C)
zugeleitet wird. Von der Explosionszerstäubungseinheit 96 erreicht
die Luft einen Kompressor 98, der bei einer Effizienz von
0,8 arbeitet. Die komprimierte Luft (140°C) wird über Leitung 99 einem
Wärmetauscher 100 für wärmeaustauschenden Kontakt
mit den Abgasen einer Verbrennungsmaschine 101 zugeleitet.
Die Letztere umfasst vier Zylinder 102, von denen ein Lufteinlass 103 über ein
Ventil 104 mit Leitung 99 verbunden ist. Ein Abgasauslass 105 jedes
Zylinders 102 passiert Wärmetauscher 100 und
wird über
Leitung 106 durch einen Wärmetauscher 107 getragen
und gelangt über
Kondensator 89 in den Kamin 92. Im Kondensator 89 wird
Kondensation 108 gebildet, welche nach Passieren eines Wasserreinigers 109 mit
Pumpe 110 auf Vordruck gebracht wird und über Wärmetauscher 107 der
Pumpe 95 zugeleitet und auf Druck gebracht wird.
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Kraftstoff wird über Pumpe 111, Leitung 117 und
Explosionszerstäubungseinheit 112 und
Ventile (nicht gezeigt) jedem Zylinder 102 zugeleitet.
Der Kraftstoff wird auf oder über
die kritische Temperatur oder im Falle eines Siedebereichs inner halb
des Bereichs der kritischen Temperaturen vorerwärmt, bevor er durch Explosionszerstäubungseinheit 112 zerstäubt wird.
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Im Rekuperator 100 wird
die Luft von 140°C auf
377°C erhitzt,
während
sich das Abgas aus den Zylindern 102 von 465°C auf 210°C abkühlt. Die
Luft wird unter einem Druck von 9 bar den Zylindern 102 zugeleitet
und zerstäubter
Kraftstoff wird eingespritzt. Die Zylinder 102 sind auch
mit einem Zünder 119 zum
Zünden
des Gemischs in jedem Zylinder 102 ausgeführt. Jeder
der Zylinder 102 ist mit einem Kolben 113 ausgestattet,
die mit einer Welle 114 verbunden sind, die über ein
1 : 5-Gebriebesystem 115 mit der Welle 114 von
Kompressor 98 und auf der anderen Seite mit Generator 116 verbunden
ist.
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Unter idealen Bedingungen erzeugt
das System 94 eine Leistung von 226 Kilowatt bei einer
Effizienz von 64%. Eine bekannte Vorrichtung gemäß dem Atkinson-Prinzip erzeugt
eine Leistung von nur 170 Kilowatt bei einer Effizienz von 48%.