DE68903529T2

DE68903529T2 - Geschlossenes umlaufsystem fuer die zurueckfuehrung von auspuffgasen einer brennkraftmaschine.

Info

Publication number: DE68903529T2
Application number: DE8989107089T
Authority: DE
Inventors: Giunino Guido Santi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-04
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2009-04-21
Also published as: EP0340545A3; IT8820450A0; KR890017495A; DE68903529D1; EP0340545A2; NO891733D0; JPH0261314A; ATE82618T1; EP0340545B1; US4984426A; IT1217489B; NO891733L

Description

STAND DER TECHNIK

Der Verbrennungsmotor, oder die Gasturbine, die mit dem Recycling der Auspuffgase arbeitet, ungenau definiert als Geschlossenkreislauf-Verbrennungsmaschine, während sie in Wahrheit ein halbgeschlossener Verbrennungsmotor, oder eine halbgeschlossene Gasturbine ist, zur Unterwasserverwendung, ist eine alte Idee, die durch mehrere Erfinder verschiedener Nationen entwickelt wurde.
Bei all den Patenten, die durch uns untersucht wurden, haben wir nur drei Erfinder gefunden, die versucht haben, dem Problem der Umwandlung eines halbgeschlossenen Umlaufs in einen geschlossenen Umlauf eine globale Lösung zu geben, nämlich Stone (US-A-3 559 402), Karig (US-A-3 775 976) und Teonomare (IT-A-22885/87), selbst wenn sie sich auf die Lösung des Problems konzentrieren, das mit der Handhabung und Speicherung nur des CO&sub2; verbunden ist, während der Verbrennung erzeugt, während sich die übrigen Erfinder nur auf die Lösung des Problems konzentrieren, wie ein Verbrennungsmotor arbeiten kann, der durch Recycling der Abgase betrieben wird.
Wenn man sich vor Augen hält, daß der Verbrennungsmotor, der nach den Prinzipien des Recycling der Abgase arbeitet, die größte Anwendung auf dem Gebiet autonomer Unterwasserfahrzeuge oder bemannter Tauchboote bzw. Unterseeboote hat, sind die Probleme, die gelöst werden müssen, jene, die sich beziehen auf:
- Konstanthalten der Masse;
- Minimierung der Volumina, die zu dem Antriebssystem gehören;
- Vereinfachung des globalen Systems.
Ferner ist es sehr wichtig, das System unabhängig zu machen von den Umgebungsbeschränkungen, nämlich:
- dem Wasserdruck, auf die Einsatztiefe bezogen;
- der Wassertemperatur auf Einsatztiefe, die durchschnittlich 27 ºCelsius, entweder nahe der Oberfläche, in tropischen oder mediterranen Gewässern, oder in einer Tiefe in der Nähe von Unterwasservulkanen erreichen könnte.
Es muß auch berücksichtigt werden, daß alle Komponenten eines Unterseebootes oder eines autonomen Unterwasserfahrzeuges in dem sogenannten "Verdrängungsraum" ("envelope displacement") enthalten sein müssen; je kleiner das dem Antriebssystem zugewiesene Volumen ist, je größer ist das Volumen, das für die Nutzlast zu Verfügung steht.
Um mit den oben genannten Problemen fertig zu werden, die durch alle Autoren, die überprüft wurden, vernachlässigt worden sind, ausgenommen Stone, Karig und Teonomare, schlagen diese drei vor, die Verbrennungsprodukte, nämlich Wasser und CO&sub2; in speziell hergestellten, zugeordneten Tanks zu speichern, einen oder mehrere für das Wasser und einen oder mehrere für das CO&sub2;; alle von ihnen schlagen vor, das CO&sub2; auf kryogene Temperatur zu verflüssigen ausreichend unter der Temperatur des Meerwassers, um die Arbeit des Abgaskompressors auf ein Minimum zu beschränken, welche eine Konstante aller Recycling-Motoren ist.
Um das Problem, das sich auf die kryogene Kondensation des CO&sub2; bezieht, zu lösen, in Relation zu der Wassertemperatur des Meeres, die nicht direkt als Kühlkörper (heat sink) verwendet werden kann, verwenden alle drei von ihnen als Unterstützer der Verbrennung nur flüssigen Sauerstoff, auf kryogener Temperatur; Karig und Teonomare schlagen sogar vor, LNG als Kraftstoff zu verwenden. Die kryogene Energie des LOX, des flüssigen Sauerstoffs, und, falls vorhanden, die kryogene Energie des Kraftstoffs, im Fall des LNG, wird verwendet, das Kohlendioxid ausreichend unter Null Grad Zentigrad zu verflüssigen, und das in dieser Weise erhaltene flüssige CO&sub2; wird dann in einem speziell zugeordneten kryogenen Behälter gespeichert.
Auf diese Weise werden, während die Probleme, die sich auf die Konstanz der Masse und die Unabhängigkeit von der Wassertiefe beziehen, gelöst werden, das System durch die gewählten Lösungen komplizierter gemacht. Das heißt: die durch die LOX-Speicherung, kryogene Kühlung und die zugeordneten kryogenen Speichertanks hervorgerufenen Beschränkungen, mit der damit verbundenen Komplikation und der unvermeidbaren Vergrößerung des Volumens des Antriebssystems, nur um das Problem zu lö sen, durch die Meerwassertemperatur nahe der kritischen Temperatur des CO&sub2; hervorgerufen, was eine Verflüssigung desselben bei irgendeinem Druck nicht gestatten wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die zu Beginn genannten fünf Probleme insgesamt zu lösen, durch eine Lösung, die global, einfach und zweckmäßig ist.

Offenbarung der Erfindung

Das vorgeschlagene Antriebssystem, in einem vorgegebenen "Verdrängungsraum", enthalten, besteht aus einem oder mehreren Tanks für den Flüssigtreibstoff, Dieselkraftstoff oder einen anderen flüssigen Kohlenwasserstoff, einen oder mehrere Tanks für den Sauerstoff, gasförmig oder flüssig, aus einem Servicetank (Puffertank?), durch einen Druckbehälter gebildet, der fähig ist, verdichtetes Gas aufzunehmen und aufzubewahren, aus einem Verbrennungsmotor oder einer Gasturbine, die Abgase wiederverwertet, aus einer Vakuumpumpe/einem Kompressor und einem Hochdruckkompressor, nur aus der zweiten und dritten Kompressionsstufe gebildet, mit der Bezeichnung "Overpressor".
Das während der Verbrennung erzeugte Kohlendioxid, das als Überschuß aus dem Recyclingumlauf des Verbrennungsmotors oder der Gasturbine stammt, wird auf einen Mindestdruck von 40 ata, Absolutdruck in Atmosphären, komprimiert, in die Nähe seiner kritischen Temperatur gekühlt, da das Meerwasser oder der Kühlkörper in der Nähe von 27 ºZentigrad sein kann.
Unter diesen Bedingungen ist, wenn man eine Auslaßtemperatur des CO&sub2;, von dem Nachkühler des Hochdruckkompressors oder "Overpressor" her, um die 35 ºZentigrad annimmt, was ausreichend über der kritischen Temperatur des CO&sub2;, das somit gasförmig bleibt, ist, bei 40 ata, seine Wichte etwa 90 kg/mc in Gasform, äquivalent mit Sauerstoff, auf 71 ata verdichtet.
Wenn man das gasförmige CO&sub2; auf 75 ata komprimiert, wird seine Wichte, immer bei 35 ºC, 474 kg/mc erreichen, äquivalent mit gasförmigem Sauerstoff, auf etwa 370 ata komprimiert.
Wenn man diese Zahlen vergleicht, wird deutlich, daß in Relation zu dem Ladedruck des gasförmigen Sauerstoffs es möglich ist, mit dem Hochdruckkompressor/nur zweite/dritte Stufe, oder "Overpressor", ein komprimiertes gasförmiges CO&sub2; bei einem viel niedrigeren Druck als jener des Sauerstoffs, mit einer Wichte äquivalent mit jener des gasförmigen Sauerstoffs, auf einem viel höheren Druck gespeichert, zu erreichen, und somit in der Lage zu sein, für die Speicherung des CO&sub2;, während der Verbrennung erzeugt, dieselben Volumina auszunutzen, die ursprünglich dem für die Verbrennung notwendigen gasförmigen Sauerstoff zugeordnet waren, ohne gezwungen zu sein, das CO&sub2; zu verflüssigen, mit einem großen Vorteil, soweit es die Einfachheit der Anlage angeht und die Wirtschaftlichkeit der Volumina.
Dies gilt auch für die Speicherung des flüssigen Sauerstoffs; in diesem Fall wird es zweckmäßig sein, den Zuführungsdruck des Hochdruckkompressors/nur zweite/dritte Stufe, oder "Overpressor", auf 120 ata zu erhöhen; bei 35 ºC ist die Wichte des gasförmigen CO&sub2; etwa 800 kg/mc, verglichen mit 1140 kg/mc des Lox, was somit das Extravolumen, das für das Speichern des bei der Verbrennung erzeugten CO&sub2; benötigt wird, minimiert.
Ferner ist es bei diesem System möglich, den Extrasauerstoff, der in den Abgasen jeder thermischen Anlage, Verbrennungsmaschine oder Gasturbine immer vorhanden ist, die mit sogenannter "Überschußluft" für die einwandfreie Verbrennung arbeitet, zurückzugewinnen, und dies ist dadurch möglich, daß aus dem dramatischen Unterschied bei der Wichte der zwei Gase Vorteile gezogen werden.
Bei der Hypothese des Vorhandenseins von 10 % Sauerstoff in den Abgasen, oder sogar 20 % bei geringer Last, wird der Sauerstoff eine Wichte von 95 kg/mc gegenüber 274 kg/mc des CO&sub2; in der gasförmigen Mischung, auf 75 ata verdichtet und 35 C, haben.
Die Verbrennungsmaschine, oder die Gasturbine, die mit der Wiederverwertung der Abgase arbeitet, wie allgemein bekannt ist und insbesondere, wie in all den Patenten, die wir überprüft haben, beschrieben, kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden, nämlich:
- halbgeschlossener Umlauf;
- geschlossener Umlauf.
Halbgeschlossener Umlauf bedeutet: der Ausstoß, außer Bords, des CO&sub2;, durch die Verbrennung erzeugt, während geschlossener Umlauf bedeutet, daß das durch die Verbrennung erzeugte CO&sub2; auf kryogene Temperatur verflüssigt wird und dann in einem zugeordneten kryogenen Tank an Bord gespeichert wird, während in beiden Fällen der durch die Verbrennung erzeugte Wasserdampf durch das Meerwasser, das als Kühlkörper wirkt, auf Umgebungstemperatur kondensiert wird und somit außer Bords gepumpt wird oder in einem zugeordneten Tank an Bord gespeichert.

Beschreibung des Stands der Technik

Schematisch können alle Erfindungen so dargestellt werden, wie in Fig. 1 angegeben, nämlich:
- ein Satz Sauerstofftanks, flüssig oder gasförmig, mit 2 und 3 bezeichnet, eine Zuführungsleitung 32, eine Druckminderer/Meßvorrichtung 24, welche die Mischkammereinlaßverzweigung 37 der Dieselmaschine, oder Gasturbine, 25 beliefern.
Ein oder mehrere Kraftstofftanks 4, mit Überströmrohr, oder mit unter Druck setzendem System, ausgerüstet, welche durch die Kraftstoffpumpe 26 das Einspritzsystem der Verbrennungsmaschine 25 beliefern. Eine Ausströmverzweigung 33, von welcher her, durch die Recycling- Komponenten des Recycling-Umlaufes 23 hindurch, ein Teil der Abgase nach der Mischkammer 37 hin rückgeführt wird, wo der entleerte Sauerstoff durch Einspritzung zugegeben und verdünnt wird, während der Anteil, der den Verbrennungsprodukten selbst entspricht, durch den Umlauf 23 selbst in zwei verschiedenen Teilen ausgestoßen wird, nämlich: das Wasser durch den Auslaß 29 hindurch und das CO&sub2;, plus der restliche Sauerstoff, der aus der Verbrennung herrührt, die in Anwesenheit von "Überschußluft" stattfindet, durch den Auslaß 28 hindurch, welcher in bezug auf die Kammer 37 immer unter Überdruck steht.
Von dem Auslaß 29 her wird das Wasser, durch die Verbrennung erzeugt, durch die zugeordnete Pumpe 6 hindurch durch die Leitung 30 entweder in einen zugeordneten Speichertank befördert oder außer Bords gepumpt.
Von dem Auslaß 28 her wird das durch die Verbrennung erzeugte CO&sub2; und der Sauerstoff, der möglicherweise als Folge der "Überschußluft" vorhanden ist, durch die Leitung 31 außer Bords abgegeben, möglicherweise nach einer Behandlung, um den Sauerstoff rückzugewinnen, oder wird in einem zugeordneten kryogenen Tank gemäß einem speziellen Umlauf, der in der Figur 1 nicht angegeben ist, gespeichert.
Aus dieser kurzen Beschreibung wird deutlich, daß bei dem bereits bekannten Umlauf, wie er beispielsweise in der US-A-3559402 dargestellt ist, welche die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet und wie er aus der Analyse aller Patente, die in der Beschreibungseinleitung dieses Patents angegeben sind, hergeleitet werden kann, immer ein Kompressor oder eine äquivalente Vorrichtung vorhanden ist, um die gasförmigen Nebenprodukte der Verbrennung zu verdichten, in der Funktion der Pumpe 6 ähnlich, für das während derselben Verbrennung erzeugte Wasser.
Der Gegenstand unserer Erfindung ist ein System, das eine Verbrennungsmaschine, oder eine Gasturbine, die gemäß dem Recycling der Abgase arbeitet, in eine Geschlossenumlauf-Verbrennungsmaschine, oder Gasturbine, umwandelt, ohne die Notwendigkeit, das CO&sub2; für Speicherzwecke kryogen zu verflüssigen, noch zugeordnete Tanks zu haben, nur für das CO&sub2; oder das erzeugte Wasser.
In unserer Erfindung, welche der Gegenstand dieses Patents ist, besteht der geschlossene Umlauf für den Betrieb einer Verbrennungsmaschine, oder einer Gasturbine, die durch das Recycling-System der Abgase bei konstanter Masse, d. h. Kraftstoff und Sauerstoff "hinein" und Wasser und Kohlendioxid "hinaus", funktioniert, aus
- einem oder mehreren Sauerstofftanks, entweder gasförmig oder flüssig, oder einer Kombination der zwei;
- einem oder mehreren Tanks für den flüssigen Kraftstoff, im allgemeinen Diesel oder Kerosin;
- einem Dieselmotor oder einer Gasturbine, die an dem Recycling von Abgasen für Unterwasserverwendung arbeitet;
- einem Servicetank, der aus einem Druckbehälter besteht, der bei 40 ata, oder darüber, arbeitet;
- einem "Overpressor", d. h. einem Hochdruckkompressor, der mit Gas gespeist werden kann, das mit einem Druck über atmosphärischem Druck in das Einlaßventil eintritt;
- einer Vakuumpumpe/einem Kompressor.
Lassen Sie uns nun die Funktionsweise der Erfindung durch die Analyse eines Beispiels untersuchen, das nicht als eine Beschränkung betrachtet werden kann, sondern nur als eine mögliche Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Lassen Sie uns die Ausführung und die Funktionsweise des geschlossenen Umlaufs, wie in Fig. 2, angegeben, untersuchen.
Das System der Tanks, welche den Sauerstoffunterstützer für die Verbrennung enthalten, 2 und 3, werden durch den Servicetank 1 vervollständigt, bei welchem es sich um einen integralen Teil der vorliegenden Erfindung handelt und der immer leer ist bei 1 ata, wenn die Tanks 2 und 3 gefüllt sind bei Ladedruck, aus einem druckfesten Behälter bestehend, und über ein Ventil 15 mit zwei Auslässen und Ventile 16 und 16' mit drei Auslässen miteinander verbunden sind. Die Ventile 15, 16 und 16' sind mit einem Druckminderer ausgerüstet, um in den entsprechenden Leitungen die eingestellten Drücke aufrechtzuerhalten. Diese Tanks speisen durch die Leitung 32 die Mischkammer 37 des Recycling-Dieselmotors 25 durch das Druckminderer/Meßventil 24 hindurch. Der Servicetank, druckfest, 1 und die Sauerstofftanks, flüssig oder gasförmig, 2 und 3, sind auch mit der Verzweigung 17 verbunden, durch die Ventile, an drei Auslässen, 16 und 16' hindurch; die Verzweigung 17 ist auch auf einer Seite mit dem Ventil 27 ausgerüstet und an dem anderen Ende mit einem Auslaß, der, durch die Leitung 21 hindurch, die Vakuumpumpe/den Kompressor 18, mit einem durch Meerwasser gekühlten Nachkühler ausgerüstet, speist.
Der Auslaß der Vakuumpumpe/des Kompressors, im allgemeinen ein Membrankompressor, geeignet für den Kompressor von reinem Sauerstoff, ist mit dem Drucktank 19 verbunden, von welchem her, durch das Druckminderer/Meßventil 20 hindurch, der so regulierte Sauerstoff nach der Misch/Einlaßkammer 37 hin befördert wird.
Der Kraftstofftank 4, der ein integraler Teil unserer Erfindung ist und aus einem Behälter oder mehrern Behältern bestehen kann, ist intern mit einem elastischen, wasserundurchlässigen Diaphragma 5 ausgerüstet.
Dieses Diaphragma unterteilt das Gesamtvolumen des Kraftstofftanks in zwei Volumina, mit "a" und "b" bezeichnet; in Fig 2 kann das mit "a" bezeichnete Volumen nicht mit Kraftstoff gefüllt werden, während das mit "b" bezeichnete Volumen nur mit Kraftstoff gefüllt werden kann.
Das Nettovolumen "a+b" des Kraftstofftanks 4, oder des Komplexes der Kraftstofftanks 4, hat ein Gesamtvolumen, das mindestens 3 % größer ist als das Volumen des eingefüllten Kraftstoffs.
Dies kommt daher, weil während der Verbrennung jedes kg Dieselkraftstoff, das eine Wichte von 0,82 kg/Liter und daher ein Volumen von etwa 1,22 Liter hat, durchschnittlich 1,26 kg Frischwasser erzeugt das offensichtlich ein Volumen von 1,26 Liter hat; d. h., jeder Liter Dieselkraftstoff erzeugt mindestens 1,033 Liter, oder kg, Frischwasser.
Der Tank 4, oder die Tanks 4, haben zwei bestimmte Penetrationen; 35, die innerhalb des Volumens "b" geht, dessen oberer Teil durch das elastische Diaphragma 5 vorgesehen ist, für das Füllen und Einspeisen des Kraftstoffs während des Betriebs des Motors, und 34, außerhalb des Volumens "b", im Volumen "a", für das Füllen und anschließende Entleeren des während der Verbrennung erzeugten Wassers. Das Volumen "a" ist von dem Volumen "b" getrennt, durch das elastische, wasserundurchlässige Diaphragma 5.
Der Kraftstoff strömt durch die Zuführungspumpe 26 hindurch in den Recycling-Umlauf 23, um den Verbrennungsmotor 25 zu beliefern.
Das während der Verbrennung erzeugte Wasser wird an dem Auslaß 29 des Recycling-Umlaufs 23 gesammelt durch die Wasserpumpe 6, durch das Filter 7 gefiltert und durch die Leitung 8 in den Kraftstofftank 4 gepumpt durch den Einlaß 34 hindurch, im Volumen "a" positioniert, welches durch das Diaphragma 5 von dem im Volumen "b" enthaltenen Kraftstoff getrennt ist; das Wasser füllt somit das Volumen "a" und kommt mit dem Kraftstoff niemals in Berührung, sondern füllt das Volumen, das durch den Kraftstoff selbst, der durch den Motor verbraucht wird, verfügbar gemacht wird.
Von einem Auslaß 28 her, wo das CO&sub2; aus dem Recycling- Umlauf 23 ausgestoßen wird, zusammen mit dem Sauerstoffüberschuß, infolge Verbrennung in der "Überschußluft", verdichtet ein einstufiger "Overpressor", d. h. ein Hochdruck-Kompressor, der an dem Einlaß ein Gas über atmosphärischem Druck aufnehmen kann, oder ein mehrstufiger, zwischengekühlter "Overpressor" 9, mit einem durch Meerwasserumlauf gekühlten Nachkühler, in Fig. 2 nicht angegeben, das CO&sub2;, oder die Mischung aus CO&sub2; + O&sub2;, bei einem Druck niemals unter 40 ata, oder darüber, aber niemals weniger als 40 ata, und kühlt das so verdichtete Gas auf eine Temperatur nahe 35 ºC oder in irgendeiner Weise über der Temperatur des Meerwassers um mindestens 6 ºC, oder mehr, damit die Wärmetauscher nicht überdimensioniert werden.
Von dem Overpressor 9 her wird das in dieser Weise gekühlte und verdichtete Gas zu dem Filter-Entfeuchter 10 befördert und von dort zu dem Gravitationsseparator 11. Von dem oberen Teil von 11 her sammelt die Leitung 13 die Mischung, reich an Sauerstoffgehalt, und befördert es durch das Druckminderer/Meßventil 12 hindurch in die mischende Einlaßkammer 37 des Verbrennungsmotors 25 in dem Recycling-Umlauf.
Von dem Boden des Gravitationsseparators 11 her sammelt die Leitung 14 die Mischunz, sehr reich an CO&sub2;, und befördert sie zu dem Ventil 15.
Die Leitung 14 ist mit der Umgehungsleitung 39-40 und dem "Overpressor" 38 ausgerüstet; der "Overpressor" 38 ist mit einem durch Meerwasser gekühlten Nachkühler ausgerüstet.
Lassen Sie uns jetzt die Funktion des geschlossenen Umlaufs, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, untersuchen, innerhalb eines geschlossenen Volumens 36 installiert, das den Druckkörper des Unterwasserfahrzeuges schematisiert, und lassen Sie uns annehmen, daß das Unterwasserfahrzeug ein Seichtwassergebiet mit einer Oberflächenwassertemperatur um 27 ºC, oder ein vulkanisches Tiefseegebiet mit Schichtenbildungen, oder Schichten von Meerwasser bei der gleichen Temperatur erforscht; in beiden Fällen ist es unbedingt erforderlich, eine konstante Verdrängung zu halten, um Kontrolle über die Variation der Tiefe zu halten.
Sobald der Verbrennungsmotor 25 gestartet wird und er in dem halbgeschlossenen Modus gemäß dem Recycling-Umlauf 23, wie in einer der vorherigen Erfindungen angegeben, läuft, verbraucht der Motor Sauerstoff, entweder in flüssiger Form oder gasförmig gespeichert, von den Tanks 2 oder 3 her, und flüssigen Kraftstoff, durch den Tank 4, oder durch das aus mehreren Tanks des Typs 4 bestehende System, zugeführt.
Der durch die Verbrennung erzeugte Wasserdampf wird kondensiert durch das Recycling-System 23 und durch die Pumpe 6 hindurch, nach Filtration der nichtverbrannten Partikel in Filter 7, wird im Volumen "a" des Tanks 4 gespeichert, von welchem Tank her der Kraftstoff zu dem Motor geliefert worden ist; das Volumen "a" des Tanks 4 ist durch das wasserundurchlässige Diaphragma 5 von dem im Volumen "b" desselben Tanks enthaltenen Kraftstoff getrennt, und das durch die Verbrennung erzeugte Wasser gelangt in das Volumen "a" durch die Penetration 34 hindurch.
Wie in der vorherigen Beschreibung bereits angegeben, ist das Gesamtvolumen "a+b" des Tanks 4 größer als das Volumen "b" des Kraftstoffs, um mindestens 3 %; wenn man sich vor Augen hält, daß ein Liter Dieselkraftstoff mit einer Wichte von 0,82 kg/Liter während der Verbrennung mit Sauerstoff etwa 1,033 kg Frischwasser, d. h. etwa 1,033 Liter, erzeugt, wird bei dem vorgeschlanen System das durch die Verbrennung erzeugte Wasser an Bord gespeichert, ohne den Kraftstoff zu verunreinigen noch einen neuen zugeordneten Tank zu benötigen, was ein weiteres Volumen von dem geschlossenen Volumen 36 des Unterwasserfahrzeuges subtrahieren würde, wobei dies sich von allen Alternativen völlig unterscheidet, die durch alle vorherigen Erfindungen in Betracht gezogen wurden, die in den durch uns untersuchten und genannten Patenten dargestellt sind.
Das System kann sogar Anwendung finden, wenn der Tank 4 in dem druckbeständigen Volumen 36 außer Bords (?) installiert ist, aber innerhalb des "Verdrängungsraums" des Unterwasserfahrzeuges, damit weder der Kraftstoff noch das Meer mit dem Verschmutzungsstoff, der nicht ausgefiltert werden kann, verschmutzt wird.
Das Kohlendioxid und der restliche Sauerstoff, die eventuell in den Abgasen vorhanden sind, als Folge der Verbrennung, die mit "Überschußluft" stattfindet, werden von dem Auslaß 28 des Recycling-Umlaufs 23 her mit einem bestimmten Überdruck über dem atmosphärischen Druck ausgestoßen; ein solcher Überdruck hängt von der Lösung ab, die bei der Herstellung des Recycling-Umlaufs 23 gewählt wurde, es ist jedoch immer ein Überdruck irgendeiner Art vorhanden, wie in all den von uns untersuchten Patenten angegeben und in der Beschreibungseinleitung aufgeführt.
Mit diesem Druck über atmosphärischem Druck strömen sie aus dem Auslaß 28, um an den "Overpressor" 9, einstufig oder mehrstufig, mit Zwischenkühler, und Nachkühler zu gelangen, alle durch Meerwasser gekühlt, das als Kühlkörper wirkt.
Wie bereits erwähnt, haben wir mit "Overpressor" einen Hochdruck-Kompressor, einstufig oder mehrstufig, bezeichnet, der an dem Einlaß ein Gas mit einem Druck, ausreichend über dem atmosphärischen Druck, aufnehmen kann.
In dem letzten Nachkühler, der Teil des "Overpressor" 9 ist und der in Fig. 2 nicht besonders angegeben ist, wird das Meerwasser die verdichtete Mischung auf eine Temperatur kühlen, die über der kritischen Temperatur des CO&sub2;, nämlich über 31,5 ºZentigrad, sein wird.
Daher wird die Mischung, immer in der gasförmigen Phase, nach dem Filter/Entfeuchter 10 hin befördert, um die gasförmige Mischung von Spuren unverbrannter Partikel, Schmieröl etc. zu reinigen und den noch vorhandenen Wasserdampf zu beseitigen, und wird dann nach dem Gravitationsseparator 11 hin befördert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Wahl des Mindestzuführunzgsdrucks des "Overpressor" 9, um einwandfreie Gravitationstrennung zu ermöglichen; ein solcher Druck muß 40 ata sein, und daher muß der Mindestbetriebsdruck des Gravitationsseparators ebenfalls 40 ata sein.
Angenommen, daß der volumetrische Sauerstoff-Prozentsatz in den Abgasen 10 % ist und der Mindesteinstelldruck des Separators auf 40 ata eingestellt ist, werden wir als Ergebnis einen teilweisen Druck des CO&sub2; von 36,0 ata und des Sauerstoffs von 4 ata haben. Unter diesen Bedingungen ist, selbst wenn die Temperatur so niedrig wie 32 ºC ist, die Wichte des CO&sub2; etwa 85 kg/mc, während die Wichte des Sauerstoffs etwa 50 kg/mc ist.
Es ist nun (?) deutlich zu erkennen, bei Eintritt der gasförmigen Mischung in den Gravitationsseparator 11, gemäß dem Prinzip der Fig. 3 aufgebaut, in dem höheren Teil sich die leichte Fraktion konzentrieren wird, während sich in dem unteren Teil die schwere Fraktion konzentrieren wird.
Von dem höheren Teil des Separators 11, Fig. 2, her, entzieht und befördert die Leitung 14 die leichtere Fraktion, mit O&sub2; angereichert, nach dem Ventil 12 hin. Das Ventil 12, ein Druckminderer/Meßventil reduziert, während in dem Umlauf 13 ein Mindestdruck von 40 ata aufrechterhalten wird, den Druck und mißt die leichte Fraktion, um die Einlaßkammer 37 des Verbrennungsmotors 28 zu mischen (?).
Von dem unteren Teil des Separators 11 befördert die Leitung 14 die schwerere gasförmige Fraktion, reich an CO&sub2;, nach dem Ventil 15, einem Druckminderer, hin, der in der Leitung 14 den Mindestdruck von 40 ata aufrechterhält, wie in dem Gravitationsseparator 11, und füllt den Servicetank 1, der anfangs leer ist, auf den Zuführungsdruck des "Overpressor" 9.
Während dieser Phase wird der Verbrennungsmotor, oder die Gasturbine, von dem Tank 2, oder den Systemen der Tanks 2, her mit Sauerstoff beliefert, durch das Dreiwegeventil 16 hindurch, derart gedreht, daß die Leitung 32 mit dem Tank 2 verbunden ist, und das Dreiwegeventil 16' derart gedreht, daß der Sauerstofftank 3, oder der Satz Sauerstofftanks 3, geschlossen ist, aber das Ausströmen von Sauerstoff von dem Tank 2 her nach der Leitung 32 hin ermöglicht wird.
Unter diesen Konditionen ist der Umlauf, wie beschrieben und wie in dem Unterwasserfahrzeug-Volumen 36 enthalten, ganz geschlossen, und die Masse wird in dem genannten Volumen strikt konstant gehalten; aus dem Unterwasserfahrzeug 36 geht nichts hinaus und es kommt nichts hinein. Wenn der Sauerstofftank 2, oder der Satz Sauerstofftanks 2, fast leer ist, wird das Ventil 16 von der Leitung 32 her nach der Leitung 21 hin gedreht, durch die Verzweigung 17 hindurch; die Vakuumpumpe/der Kompressor 18 beginnt, Sauerstoff, von dem entleerten Tank, oder den entleerten Tanks, her, abzusaugen, wobei der Drucktank 19 gefüllt wird, und während dies durchgeführt wird, wird die Lieferung von Sauerstoff nach der Mischkammer 37 hin des Verbrennungsmotors beibehalten, mit Abgas-Recycling (?), durch das Druckminderer/Meßventil 20 hindurch. Die Vakuumpumpe/der Kompressor 18 und der Drucktank 19 sind derart bemessen, daß die Sauerstofftanks 2, oder das System der Sauerstofftanks 2, leer werden, bevor der Servicedrucktank 1 bis auf das Maximum seiner Kapazität gefüllt wird.
Wenn der Sauerstofftank 2, oder das System der Tanks 2, nahezu völlig leer ist, öffnet das Dreiwegeventil 16' den Sauerstofftank 3, oder das System der Sauerstofftanks 3, nach der Mischkammer 37 hin durch die Leitung 32 und das Druckminderer/Meßventil 24 hindurch.
Es ist auch möglich, diese Verbindung zu betätigen, wenn der Sauerstofftank 2, oder das System der Tanks 2, völlig leer ist; in diesem Fall ist die Vakuumpumpe/der Kompressor 18 mit einer volumetrischen Zuführung ausreichend über dem volumetrischen Sauerstoffverbrauch des Motors 25 vorgesehen.
Sobald der Sauerstofftank 2, oder das System der Sauerstofftanks 2, von seinem ursprünglichen Sauerstoffinhalt geleert ist, wird der Tank 1 mit dem Tank 2, oder mit dem System der Tanks 2, die jetzt von ihrer ursprünglichen Sauerstoffladung leer sind, verbunden.
Daher steht nun ein neues Volumen zur Verfügung, das zuvor durch den Sauerstoff eingenommen war, bereit, CO&sub2;, durch die Verbrennung von Kraftstoff erzeugt, von dem Tank (4) her, mit Sauerstoff von dem Tank (3) her, aufzunehmen, selbst wenn das CO&sub2; gasförmig ist, wegen der Temperatur des Meerwassers von 27 ºZentigrad, das als Kühlkörper wirkt.
Bei dieser Erfindung, die wir in dieser Weise beschrieben haben, ist jedes Abgas-Recycling-System für irgendeinen Verbrennungsmotor, oder eine Gasturbine, gemäß einem der untersuchten Patente oder irgendeinem anderen System gebaut, völlig geschlossen gemacht, wobei die Konstanz der Masse in Relation zu dem Unterwasserfahrzeug-Volumen (36) aufrechterhalten wird, ohne Extratanks für das erzeugte Wasser und ohne kryogene oder Extratanks für das erzeuzte CO&sub2;, und mit der Mindestenergie für die Verdichtung, ungeachtet der Meerwassertemperatur nahe dem kritischen Punkt des CO&sub2;.
Einer der Gegenstände dieser Erfindung ist auch die Speicherung des Wassers, während der Verbrennung erzeugt, in demselben Tank, der für die Speicherung des Kraftstoffs verwendet wird, und ein anderer Gegenstand ist die Speicherung des CO&sub2;, während der Verbrennung erzeugt, in denselben Tanks, die für die Speicherung des Sauerstoffs verwendet werden, ohne die Notwendigkeit einer Verflüssigung, unabhängig von der Wassertiefe und der Meerwassertemperatur. Ferner wird, wegen dieses Systems, der in den Abgasen vorhandene Sauerstoff von dem gasförmigen CO&sub2; getrennnt und für die Verbrennung rückgewonnen.
Der druckbeständige Servicetank (1), die Vakuumpumpe/der Kompressor (18), der Kraftstofftank (4) mit dem Diaphragma (5), der Overpressor (9) und der Gravitationsseparator (11) bilden den harten Kern der Erfindung.
In Fig. 4 zeigen wir eine mögliche Variation bei der Bauteilgruppe bzw. Anordnung des druckbeständigen Servicetanks (1) und der Sauerstofftanks 2 und 3.
In demselben Druckgefäß sind der Servicetank (1) und der Sauerstofftank (2) aus einem mobilen Kolben (38) hergestellt, mit Dichtungen, der auf einem Anschlag (39) ruht, so daß derselbe Tank in zwei separate Volumina unterteilt wird, mit CO&sub2; und O&sub2; bezeichnet.
In diesem Fall, siehe Fig. 2, interveniert, sobald das Volumen des CO&sub2; gefüllt ist durch den "Overpressor" (9), der Overpressor (38), mit Zwischenkühlern und Nachkühlern ausgerüstet, durch Meerwasser gekühlt und nicht in Fig. 2 angegeben, mit der Betätigung der Umgehungsleitung 39-40. Auf diese Weise ist es möglich, vollen Nutzen aus dem gesamten Volumen 2 zu ziehen.
Es wird beispielsweise deutlich, daß der "Overpressor" (9) und der "Overpressor" (38) durch einen einzigen "Overpressor" verkörpert werden können.
Die Vakuumpumpe/der Kompressor (18) kann eine rotierende Maschine sein, statt einer Membran-Maschine oder einer Hin- und Herbewegungsmaschine.
Der Kraftstofftank (4) kann hergestellt werden, als Alternative, wie in Fig. 5a oder 5b dargestellt.
In Fig. 5a ist der Kraftstofftank, starr oder zusammenlegbar, nur ein einziger Tank; der Einlaß (35) des Kraftstoffs ist mit einem Schwimmer ausgerüstet, für das Saugen der Kraftstoffzuführungspumpe 26, die immer von dem obersten Teil der Flüssigkeit her ansaugt.
In diesem Fall ist vor dem Einlaß der Pumpe ein Kraftstoff/Wasser-Separator installiert, um das Verschmutzungswasser zu beseitigen.
Die Zuführungsleitung 8 des während der Verbrennung erzeugten Wassers hat einen Einlaß 34, in dem unteren Teil des Tanks installiert, der in jedem Fall ein Gesamtvolumen ausreichend über den mindestens 3 % über dem Volumen des Kraftstoffs haben wird, wie auf den vorhergehenden Seiten ausgeführt.
In Fig. 5/b enthält der Tank 4, starr oder zusammenlegbar, in sich selbst einen zweiten zusammenlegbaren Tank 5. Bei der durch die Fig. 5/b dargestellten Lösung ist der Kraftstoff in einem zusammenlegbaren Tank 5 enthalten; daher muß das Volumen zwischen den Tanks 4 und 5 größer sein als die angegebenen 3 %, um auch das Volumen des Tanks 5 zu berücksichtigen, sobald er zusammengelegt ist.
Am Ende der Mission bzw. des Einsatzes werden die Tanks 1, 2 und 3, oder die Systeme der Tanks 1, 2 und 3, mit einem Lösungsmittel, zum Beispiel Freon, sorgfältig ausgewaschen, nachdem sie durch das Ventil 27 hindurch geleert worden sind; das Waschen wird durch dasselbe Ventil 27 und die Vakuumpumpe/den Kompressor 18 und das Druckminderer/Meßventil 19 mittels einer "Ad-hoc"-Umgehungsleitung, in Fig. 2 nicht dargestellt, stattfinden.

Claims

1. Geschlossenes Umlaufsystem für die Rückführung von Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine für Tauchboote, bestehend aus einem Dieselmotor (25) oder einer Gasturbine, die mit Abgas- Recycling betrieben werden, aus einer Anzahl von Kraftstofftanks (4) und einer Anzahl von flüssigen oder gasförmigen Sauerstoff aufweisenden Sauerstofftanks (2 und 3), dadurch gekennzeichnet,

- daß das durch den Verbrennungsvorgang entstehende Wasser in den Kraftstofftanks (4) gespeichert wird,

- daß das durch den Verbrennungsvorgang entstehende CO&sub2; auch in der Gasphase jeweils in einem der Sauerstofftanks (2 und 3) gespeichert wird, nachdem der betreffende Tank zur Unterstützung des Verbrennungsvorganges vom Sauerstoff geleert ist,

- und daß die Speichertemperatur bei einem Mindestspeicherdruck von 40 ata geringfügig über der Temperatur des Meerwassers liegt.

2. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kraftstofftank (4) für den flüssigen Kraftstoff mit einer flexiblen, wasserundurchlässigen Membran (5) ausgestattet ist, welche den Kraftstoff von dem Wasser trennt, das durch den Verbrennungsvorgang entsteht, und während des Arbeitens der Maschine in den gleichen Brennstofftank (4) gepumpt wird, dessen Brennstoff der Maschine zugeführt wird.

3. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtvolumen des Kraftstofftanks (4) zwei Teilvolumina (a, b) aufweist, die durch die flexible Membran (5) gegeneinander abgetrennt sind, und daß das reine Gesamtvolumen das gesamte Volumen des gespeicherten Kraftstoffes um mindestens 3% überschreitet.

4. Geschlossenes Umlaufsystem, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Brennstofftanks (4) nicht frei in die Zelle des Tauchbootes überzulaufen vermag.

5. Geschlossenes Umlaufsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Verbrennungsvorgang erzeugte Wasser vor seiner Überführung zum Zwecke der Speicherung in dem gleichen Kraftstofftank, von dem Kraftstoff zur Versorgung der Maschine entnommen wird, gefiltert wird, um Verbrennungsrückstände und Verunreinigungen zurückzuhalten.

6. Geschlossenes Umlaufsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die CO&sub2;-Rückgewinnungsanordnung für die Rückgewinnung des durch den Verbrennungsvorgang entstehenden CO&sub2; einen Puffertank (1) aufweist, der als druckfester Behälter ausgeführt ist und gewichtsmäßig mindestens die CO&sub2;-Menge aufzunehmen vermag, die durch die Verbrennung des Sauerstoffes eines der Sauerstofftanks (2, 3) entsteht, so daß der betreffende Sauerstofftank völlig entleerbar ist, während der Puffertank (1) mit CO&sub2; gefüllt wird, wobei der Sauerstoff der im Kreislauf betriebenen Maschine (25) zugeführt wird und das CO&sub2; von der gleichen Maschine erzeugt wird.

7. Geschlossenes Umlaufsystem nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Speisung der die rückgewonnenen Verbrennungsgase liefernden Maschine (25) mit Sauerstoff eine Vakuumpumpe und/oder einen Kompressor (18) aufweist, der den jeweils Sauerstoff liefernden der Sauerstofftanks (2, 3) vollständig zu entleeren vermag, auch nachdem der in diesem Tank herrschende Druck unter das für die Versorgung der Maschine (25) erforderliche Versorgungsdruckminimum abgesunken ist.

8. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungspumpe bzw. der Kompressor (18) den jeweils bis auf den Mindestversorgungsdruck leergefahrenen der Sauerstofftanks (2, 3) völlig entleert und den entnommenen Sauerstoff einem Hilfsdruckbehälter (19) zuführt, von dem aus die mit der Rückgewinnung ihrer Abgase arbeitende Maschine (25) mit dem so gewonnenen Sauerstoff mit ihrem üblichen Versorgungsdruck gespeist wird.

9. Geschlossenes Umlaufsystem nach einem der Ansprüche 1 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Verbrennungsvorgang erzeugte CO&sub2; sowie gegebenenfalls in den Verbrennungsgasen enthaltener Restsauerstoff durch die Recycling-Anordnung (23) aus den Verbrennungsgasen herausgezogen und einem einstufigen oder mehrstufigen, als "Overpressor" bezeichneten Mittel- oder Hochdruckkompressor (9) zugeführt werden, dem ein Zwischenkühler und/oder Nachkühler zugeordnet sind, die mit Meerwasser unter dem jeweils herrschenden Druck sowie dessen Temperatur gekühlt werden, und daß die Gase unabhängig von der Wassertiefe oder -temperatur auf mindestens 40 ata verdichtet werden.

10. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der "Overpressor" unabhängig von der Tauchtiefe und der Meerestemperatur für einen Mindestdruck von 125 ata ausgelegt ist.

11. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem "Overpressor" (9) ein Filter einer Maschengröße von 10 Mikron nachgeordnet ist.

12. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Filtration das gasförmige CO&sub2; sowie die O&sub2;- Fraktion getrocknet werden.

13. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das CO&sub2; und das O&sub2; in ihrer Gasphase durch Schwerkrafteinwirkung voneinander getrennt werden.

14. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das derart abgetrennte CO&sub2; gasförmig im Puffertank (1) gespeichert wird.

15. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zeitraum, in dem der Puffertank (1) nach Ansprüchen 6 oder 14 gefüllt wird, ein Sauerstofftank (2 oder 3) vollständig geleert wird, wobei das Gewicht des Sauerstoffes gleichwertig dem des CO&sub2; ist, welches durch die Verbrennung des gleichen Sauerstoffes unterstützt wird, und wobei dieses CO&sub2; in dem oben bezeichneten Puffertank (1) gespeichert wird.

16. Geschlossenes Umlaufsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Ventilen (27) vorgesehen ist, die es gestatten, die Sauerstofftanks (1, 2, 3) von den Verbrennungsprodukten zu entleeren, und daß die Sauerstofftanks mit Reinigungsflüssigkeiten, bspw. mit Freon, reinigbar sind.

17. Geschlossenes Umlaufsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die angegebenen Komponenten, die im vorgegebenen Verdrängungsraum enthalten sind, einen geschlossenen Kreislauf mit einer Konstanz der Massen bilden, da die Verbrennungsprodukte nicht außer Bords abgegeben werden, sondern stets in den Kraftstoff-(4) und Sauerstofftanks (2, 3) nach deren Leerung und damit innerhalb des Verdrängungsraumes gehalten werden.