-
Die
Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet von Kraftanlagen und
insbesondere eine Quasi-Isothermene Brayton-Kreisprozeß-Kraftanlage.
-
Für mobile
Anwendungen, wie ein Auto oder Lastkraftwagen, ist es im allgemeinen
wünschenswert, eine
Wärmekraftmaschine
zu verwenden, die die folgenden Eigenschaften aufweist:
- • Innenverbrennung,
um den Bedarf nach Wärmeaustauschern
zu reduzieren;
- • Vollständige Expansion
für einen
verbesserten Wirkungsgrad,
- • Isotherme
Kompression und Expansion;
- • Hohe
Leistungsdichte;
- • Hochtemperatur-Expansion
für einen
hohen Wirkungsgrad;
- • Fähigkeit,
den Motor für
Teillastbedingungen effizient zu „drosseln";
- • Hohes
Kleinstell-Verhältnis
(d.h. die Fähigkeit,
bei weitreichenden Drehzahlen und Drehmomenten zu arbeiten;
- • Niedrige
Verschmutzung;
- • Verwendung
von Standardkomponenten, mit denen die Automobilindustrie vertraut
ist;
- • Tauglichkeit
für verschiedene
Kraftstoffe; und
- • Rückgewinnungsbremse.
-
Es
gibt gegenwärtig
mehrere Typen von Wärmekraftmaschinen,
jede mit seinen eigenen Eigenschaften und Kreisprozessen. Diese
Wärmekraftmotoren
umfassen den Ottomotor, den Dieselmotor, den Rankinemotor, den Stirlingmotor,
den E ricksonmotor, den Carnotmotor und den Braytonmotor. Es wird
im folgenden eine kurze Beschreibung jedes Motors bereitgestellt.
-
Der
Ottomotor ist ein kostengünstiger
Innenverbrennungsmotor mit geringer Verdichtung und mit einem ziemlich
niedrigen Wirkungsgrad. Dieser Motor wird verbreitet verwendet,
um Autos anzutreiben.
-
Der
Dieselmotor ist ein mäßig kostspieliger,
Innenverbrennungsmotor mit höherer
Verdichtung und einem hohen Wirkungsgrad, der verbreitet verwendet
wird, um Lastkraftwagen und Züge
anzutreiben.
-
Der
Rankinemotor ist ein Außenverbrennungsmotor,
der im allgemeinen in Elektrizitätswerken
verwendet wird. Wasser ist das üblichste
Arbeitsfluid.
-
Der
Ericksonmotor verwendet eine isotherme Kompression und Expansion
mit einer Konstantdruck-Wärmeübertragung.
Er kann entweder als ein Außen-
oder Innenverbrennungskreisprozeß implementiert werden. In
der Praxis ist ein perfekter Erickson-Kreisprozeß schwierig zu erhalten, da
eine isotherme Expansion und Kompression in einer großen industriellen
Anlage nicht leicht erhalten werden.
-
Der
Carnotmotor verwendet eine isotherme Kompression und adiabatische
Kompression und Expansion. Der Carnot-Kreisprozeß kann entweder als ein Außen- oder
Innenverbrennungskreisprozeß implementiert
werden. Er zeichnet sich durch eine niedrige Leistungsdichte, mechanische
Komplexität
und eine schwierig zu erreichende Konstanttemperatur-Kompressionsvorrichtung
und Expansionsvorrichtung aus.
-
Der
Stirlingmotor verwendet eine isotherme Kompression und Expansion
mit einer Konstantvolumen-Wärmeübertragung.
Er wird fast immer als ein Außenverbrennungskreisprozeß implementiert.
Er weist eine höhere
Leistungsdichte als der Carnot-Kreisprozeß auf, jedoch ist es schwierig,
den Wärmeaustausch durchzuführen, und
es ist schwierig, eine Konstanttemperatur-Kompression und Expansion
zu erzielen.
-
Die
Stirling-, Erickson- und Carnot-Kreisprozesse sind so effizient,
wie es die Natur erlaubt, da die Wärme während der isothermen Expansion
mit einer gleichmäßig hohen
Temperatur T
hot geliefert wird und während der
isothermen Kompression mit einer gleichmäßig niedrigen Temperatur T
cold abgegeben wird. Der maximale Wirkungsgrad
dieser drei Kreisprozesse ist:
-
Dieser
Wirkungsgrad ist nur zu erhalten, wenn der Motor „reversibel" ist, was bedeutet,
daß der
Motor reibungslos ist und daß es
keine Temperatur- oder Druckgradienten gibt. In der Praxis weisen
reale Motoren „Irreversibilitäten" oder Verluste auf,
die mit Reibung und Temperatur/Druckgradienten verbunden sind.
-
Der
Braytonmotor ist ein Innenverbrennungsmotor, der im allgemeinen
bei Turbinen implementiert wird, und wird im allgemeinen verwendet,
um Flugzeuge und einige Elektrizitätswerke anzutreiben. Der Brayton-Kreisprozeß zeichnet
sich durch eine sehr hohe Leistungsdichte aus, verwendet normalerweise
keinen Wärmeaustauscher,
und weist einen niedrigeren Wirkungsgrad als die anderen Kreisprozesse
auf. Wenn ein Regenerator zum Brayton-Kreisprozeß hinzugefügt wird, wird jedoch der Kreisprozeßwirkungsgrad
erhöht. Herkömmlicherweise
wird der Brayton-Kreisprozeß unter
Verwendung von mehrstufigen Axialstrom-Kompressoren und -Expandern
implementiert. Diese Vorrichtungen sind im allgemeinen für die Luftfahrt
geeignet, in der ein Flugzeug mit ziemlich konstanten Drehzahlen
arbeitet; sie sind im allgemei nen für die meisten Transportanwendungen,
wie Autos, Busse, Lastkraftwagen und Züge nicht geeignet, die über weit
variierende Drehzahlen arbeiten müssen.
-
Der
Otto-Kreisprozeß,
der Diesel-Kreisprozeß,
der Brayton-Kreisprozeß und
der Rankine-Kreisprozeß haben
alle Wirkungsgrade, die kleiner als das Maximum sind, da sie keine
isothermen Kompressions- und Expansionsschritte verwenden. Ferner
verlieren die Otto- und Diesel-Kreisprozeßmotoren an Effizienz, da sie Hochdruckgase
nicht vollständig
expandieren, und einfach die Abgase an die Atmosphäre abdrosseln.
-
Daher
ist ein Bedarf nach einer Vorrichtung entstanden, das die obenerwähnten und
anderen Eigenschaften für
sowohl mobile und als auch stationäre Motoren erfüllt.
-
Die
DE 40 232 99 A1 offenbart
eine Wärmekraftmaschine
mit kontinuierlicher Wärmezufuhr
und Verdrängermaschinen
zum Verdichten und Entspannen. Die Verdrängermaschinen sind mit Regeleinrichtungen versehen
und die Wärmezufuhr
ist so regelbar, das bei gegebener Maschinendrehzahl mindestens
zwei Größen von
Verdichtung, Maximaler Prozeßtemperatur
und durchgesetzter Gasmenge pro Umdrehung veränderbar sind.
-
Die
WO 97/48884 offenbart ein Verfahren zur Verwendung eines Schadstoffverringerten
Motors mit einer unabhängigen
Kammer zur Belüftung
und zur Kompression, die mit einer unabhängigen Kammer zur Expansion
verbunden ist, die ebenfalls mittels eines Transfers mit einer Kammer
zur Entspannung und zum Entweichen verbunden ist. Die Kammer zum
Entspannen und zum Entweichen hat eine darin vorgesehene Entweichungsleitung
sowie ein Reservoir für
Luft unter sehr hohen Druck und einem Injektor, der mit der Kammer zur
Expansion mit konstantem Volumen verbunden ist. Die Kammer zur Belüftung und
Kompression sowie die Kammer zur Entspannung und zum Entweichen
haben einen darin vorgesehenen Kolben, der mit einer jeweiligen
Kurbelwelle verbunden ist sowie ein Verbindungsglied zwischen den
Kurbelwellen. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Ansaugen von
Luft in die Kammer zur Belüftung
und Kompression, komprimieren der in diese Kammer angesaugten Luft
auf einen erhöhten
Druck und eine erhöhte
Temperatur, überführen der
komprimierten Luft in eine Kammer zur Expansion mit konstanten Volumen,
injezieren zusätzlicher
Luft mit Umgebungstemperatur aus dem Reservoir in die Kammer zur
Expansion mit konstanten Volumen mit der komprimierten Luft, öffnen des
von der Kammer zur Expansion mit konstantem Volumen zur Kammer zur
Entspannung und zum Entweichen führenden
Transfers, wodurch Arbeit in der Kammer zur Entspannung und zum
Entweichen verrichtet wird, indem die komprimierte Luft und die
injizierte Luft in der Kammer zur Entspannung und zum Entweichen
expandieren können,
und Entweichen lassen der komprimierten und injizierten Luft aus
dem Motor, wobei dem Motor kein Kraftstoff zugeführt wird.
-
Die
DE 398 902 offenbart einen
Motor mit Verbrennungskraftmaschinen, einem Kompressor, einem Expander
und einem Ventil. Dieses System ist zur Verwendung mit einem Antrieb
einer Schiffsschraube vorgesehen. Der Kompressor ist mit einer ersten
Kupplung verbindbar, wohingegen der Expander mit einer zweiten Kupplung
verbindbar ist.
-
Es
ist auch ein Bedarf nach einer Vorrichtung entstanden, die diese
und andere Mängel überwindet.
-
Die
Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche definiert.
-
Es
wird ein Motor offenbart, der einen Kompressor, einen Brenner und
einen Expander aufweist. Der Kompressor komprimiert Umgebungsluft.
Der Brenner verbrennt die komprimierte Luft und erzeugt Abgase. Der
Expander empfängt
die Abgase vom Brenner und läßt die Abgase
expandieren. Der Kompressor kann ein Gerotorkompressor oder ein
Kolbenkompressor mit einer variablen Totraumsteuerung sein. Der
Expander kann ein Gerotorexpander oder ein Kolbenexpander mit einer
variablen Totraumsteuerung sein.
-
Der
Motor kann auch oder alternativ einen Kolbenkompressor, einen Brenner,
einen Kolbenexpander und einen Drucktank aufweisen. Der Kolbenkompressor
komprimiert Umgebungsluft. Der Brenner verbrennt die komprimierte
Luft und erzeugt Abgase. Der Kolbenexpander empfängt die Abgase vom Brenner,
und läßt die Abgase
expandieren. Der Drucktank empfängt
und speichert die komprimierte Luft aus dem Kompressor.
-
In
einer Ausführungsform
weist ein Gerotorkompressor einen inneren Gerotor und einen äußeren Gerotor
auf. Der innere Gerotor und der äußere Gerotor
werden so betrieben, daß sie
sich nicht berühren.
Die Gerotoren können
freitragend oder nicht freitragend sein.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
weist ein Gerotorkexpander einen inneren Gerotor und einen äußeren Gerotor
auf. Der innere Gerotor und der äußere Gerotor
werden so betrieben, daß sie
sich nicht berühren.
Die Gerotoren können
freitragend oder nicht freitragend sein.
-
Der
erfindungsgemäße Motor
weist viele potentielle mobile Antriebsanwendungen auf, einschließlich der
Verwendung in Lokomotiven, der Schiffsindustrie, Zugmaschine/Anhängern, Bussen
und Autos. Der erfindungsgemäße Motor
weist auch viele potentielle stationäre Antriebsanwendungen auf,
einschließlich
unter anderem einen Elektrizitätsgenerator
und die Energiequelle für
industrielle Anlagen.
-
Ein
technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Kompressor
und Expander eine Drehbewegung aufweisen, die die Kosten, Komplexität, das Gewicht
und die Größe vermeidet,
die mit der Umwandlung der linearen Bewegung herkömmlicher
Kolben/Zylinder in eine Drehbewegung verbunden sind.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Kompressor
und Expander ein hohes „Kleinstellverhältnis" aufweisen, was bedeutet,
daß sie
sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen effizient arbeiten
können.
-
Noch
ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist,
daß der
Kompressor und Expander Zwangsverdrängervorrichtungen sind, was
es ihnen gestattet, bei niedrigen Drehzahlen in Kleinleistungsanwendungen
zu arbeiten.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Gerotor-Kompressor
und -Expander perfekt ausgewuchtet sind, was Schwingungen praktisch
beseitigt.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Motor
aufgrund seiner kleinen Abmessung und geringen Gewichts fast wie
ein Wankelmotor sehr reaktionsfähig
ist und schnell beschleunigt.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Gerotor-Kompressor
robust ist, was es zuläßt, daß flüssiges Wasser
während
der Kompression zur Kühlung
eingespritzt wird.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß in mobilen
Anwendungen der Expander unabhängig
vom Antriebsstrang entkoppelt werden kann, was eine Rückgewinnungsbremse
zuläßt, indem
der Kompressor durch die kinetische Energie des Fahrzeugs betrieben
wird.
-
Noch
ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist,
daß in
mobilen Anwendungen der Kompressor unabhängig vom Antriebsstrang entkoppelt
werden kann, was es zuläßt, daß der Expander
seine gesamte Leistung in die Beschleunigung des Fahrzeugs legt,
was dem Fahrzeug während
des Anfahrens einen Leistungszusatz gibt.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß aufgrund
das hohen Wirkungsgrads des Rohrbrenners eine geringe Verschmutzung
emittiert wird.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Rohrbrenner
fast jeden Kraftstoff verbrennen kann.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß kein elektrischer
Anlaßmotor
benötigt
wird, da gespeicherte komprimierte Luft verwendet werden kann, um
den Motor zu starten.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Motor
leise ist, da Gase den Expander mit etwa 1 atm verlassen. Es sollte
kein Schalldämpfer
benötigt
werden.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß ein Motorschmiermittel,
wie Öl
lange Zeit halten sollte, da es kein Vorbeiströmen von unvollständig verbrannten
Produkten gibt.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß es sehr
wenige bewegte Teile gibt, was es zulassen sollte, daß der Motor
mit einer langen Lebenszeit sehr zuverlässig ist.
-
Ein
weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Motor äußerst effizient
ist; er nähert
sich dem Erickson-Kreisprozeß,
einem reversiblen Motor, der effizient wie der Carnot-Kreisprozeß ist.
-
Weitere
technische Vorteile werden üblichen
Fachleute in Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
und der beigefügten
Zeichnungen deutlich werden.
-
Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung, der dadurch erfüllten Bedürfnisse und deren Merkmale
und Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibung bezug genommen,
die in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen vorgenommen werden. Es zeigen:
-
1 ein
Blockdiagramm eines quasi-isothermen Brayton-Kreisprozeßmotors gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfingung;
-
2 eine
schematische Darstellung eines quasiisothermen Brayton-Kreisprozeßmotors,
der in einem Transportsystem gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfingung implementiert ist;
-
3a–l die Arbeitsweise
eines Gerotorkompressors, der in einem Motor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
-
4 einen
schematischen Querschnitt eines Gerotorkompressors, der in einem
Motor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
-
5 eine
schematische Darstellung eines nicht freitragenden Gerotorkompressors,
der in einem Motor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
-
6a-6g mehrere
Schnittansichten des nicht freitragenden Gerotorkompressors von 5.
-
7 eine
schematische Darstellung eines nicht freitragenden Gerotorkompressors,
der in einem Motor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
-
8 eine
schematische Darstellung eines Umlaufrad-Regenerators, der in einem Motor gemäß einer Aus führungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
-
9 einen
schematischen Querschnitt eines Keramik-Rohrbrenners, der in einem Motor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
-
10 eine
graphische Darstellung der gemessenen Temperaturprofile längs der
Achse eines Rohrbrenners, der in einem Motor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
-
11 eine
graphische Darstellung der NOx-Konzentration
als Funktion des Äquivalenz-Verhältnisses;
-
12a und 12b die
ungefähren
Abmessungen des Kompressors und Expanders für einen 100kW-Motor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
13 die
ungefähren
Abmessungen eines Wärmeaustauschers,
der in einem Motor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und
-
14 die
ungefähren
Abmessungen der Drucklufttanks, die für eine Rückgewinnungsbremse gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
-
Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und ihre technischen Vorteile sind unter
Bezugnahme auf die 1 bis 14, in
denen die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder entsprechenden
Teile in den jeweiligen Zeichnungen bezeichnen, besser verständlich.
-
Auf 1 bezugnehmend,
wird ein allgemeines Blockdiagramm eines quasi-isothermen Brayton-Kreisprozeßmotors 100 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung of fenbart. Umgebungsluft 102 wird
in einen Kompressor 106 aufgenommen und komprimiert, und
dann im Gegenstrom in einem Regenerator 108 unter Verwendung
der thermischen Energie aus den Abgasen erwärmt. In einem Brenner 112 wird
Kraftstoff 110 in die vorgewärmte Luft eingeleitet und gezündet. Die
Hochdruck-Verbrennungsgase strömen
in einen Expander 114, wo Arbeit Wout erzeugt
wird.
-
Nachdem
die Luft im Expander 114 expandiert, strömt die heiße Luft
durch einen Regenerator 108, der die Luft vorerwärmt, die
aus dem Kompressor 106 zum Brenner 112 strömt. Die
Luft verläßt den Regenerator 108 als
Abgas 116.
-
Um
die Arbeitsanforderungen für
den Kompressor 106 zu minimieren, kann zerstäubtes flüssiges Wasser 104 in
die Umgebungsluft 102 gespritzt werden, das die Umgebungsluft 102 während der
Kompression im Kompressor 106 kühlt. Die Auslaßtemperatur
aus dem Kompressor 106 ist nahezu dieselbe wie die Einlaßtemperatur;
folglich wird die Kompression als „quasi-isotherm" betrachtet.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung eines quasiisothermen Brayton-Kreisprozeßmotors,
der in einem Transportsystem implementiert ist. Die Arbeitsweise
des Motors 200 wird während
des gleichbleibenden Betriebs, des Bremsens und des Startens beschrieben.
-
Während der
gleichbleibenden Betriebs wird ein Wassernebel 104 in die
Umgebungsluft 102 des Kompressors 106 gesprüht. Dies
führt dazu,
daß die
Auslaßlufttemperatur
fast dieselbe wie die Einlaßlufttemperatur
ist, was die Kompression „quasi-isotherm" macht.
-
Um
die Vorteile des quasi-isothermen Kompressors zu erzielen, kann
es notwendig sein, daß das Wasser
zerstäubt
wird. In einer Ausführungsform
wird das Wasser so fein zer stäubt,
daß es
während
der wenigen Millisekunden vollständig
verdampft, in denen es im Kompressor bleibt.
-
Es
wird vorzugsweise salzfreies Wasser in den Kompressor eingespritzt,
so daß es
keine Salzablagerungen im Expander oder dem Wärmeaustauscher gibt. Salzfreies
Wasser ist bedeutend billiger als Kraftstoff, so daß es über die
Wassereinspritzung wirtschaftliche Vorteile einer Einsparung von
Kraftstoff gibt. Es kann jedoch einige logistische Einschränkungen
geben, überall
salzfreies Wasser zu erhalten. In einer anderen Ausführungsform
könnte
gewöhnliches
Leitungswasser verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird Wasser im Überschuß in den
Kompressor eingespritzt. Der Kompressorauslaß würde einen Entnebler berühren, um
irgendwelches überschüssiges Wasser
zu entfernen. Dieses überschüssige Wasser
wird eine höhere
Salzkonzentration als das anfängliche
Wasser aufweisen, da eine Menge Wasser im Kompressor verdampft.
-
Der
Kompressor 106 komprimiert die Umgebungsluft auf einen
hohen Druck. Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Umgebungsluft auf einen Druck von etwa 10 atm komprimiert
werden. Andere Drücke
für die
komprimierte Luft können
ebenfalls verwendet werden.
-
In
einer Ausführungsform
weist der Kompressor 106 eine variable Totraum-Vorrichtung 238 auf,
die aus einem kleinen Kolben 239 in einem Zylinder besteht.
Die Position des Kolbens im Zylinder wird durch ein (nicht gezeigtes)
Betätigungsglied,
wie einen elektrischen Servomotor eingestellt. Wie in der Figur
dargestellt, erhöht
der Kolben 239, wenn er auf der rechten Seite angeordnet
ist, den Totraum 237 in der Kammer 109. Wenn sich
der Hauptkolben 107 nach oben bewegt, verhindert der zusätzliche
Totraum, daß der
Druck hoch wird. Wenn im Gegensatz dazu der kleine Kolben 239 auf der
linken Seite angeordnet ist, senkt er den Totraum 237 in
der Kammer 109. Wenn der Hauptkolben 107 sich
nach oben bewegt, läßt es der
kleine Totraum zu, daß der
Druck hoch wird. Die Regelung des Kompressionsverhältnisses
auf diese Weise läßt es zu,
daß die Leistungsabgabe
des Motors eingestellt wird, ohne bedeutende Irreversibilitäten einzuführen.
-
In
einer anderen Ausführungsform
ist der Kompressor 106 ein Gerotorkompressor. Ein solcher
Kompressor wird unten detaillierter beschrieben.
-
Die 3a und 3b stellen
die Grundelemente des Gerotorkompressors 300 dar. Auf 3a bezugnehmend,
weist der Gerotorkompressor 300 einen inneren Gerotor 302 und äußeren Gerotor 304 auf.
Der innere Gerotor 302 weist einen Zahn weniger als der äußere Gerotor 304 auf,
was zu mehreren Hohlräumen führt, wie
dem Hohlraum 306. Der äußere Gerotor 304 dreht
sich außerdem
schneller als der innere Gerotor 302.
-
Auf 3b bezugnehmend,
weist der Gerotorkompressor eine Ventilplatte 310 auf.
Die Ventilplatte 310 weist mindestens zwei Öffnungen
auf: mindestens einen Gaseinlaß 312 und
mindestens einen Gasauslaß 310.
In 3b werden nur zwei Öffnungen gezeigt; es sollte
verstanden werden, daß die
Form und Größe der Öffnungen
verändert
werden kann, um den Wirkungsgrad und den Betrieb des Kompressors
zu optimieren.
-
Wenn
sich die Gerotoren 302 und 304 drehen, öffnet sich
der Hohlraum 306, wobei Gas, wie Luft durch den Einlaß 310 der
Ventilplatte 308 eingesogen wird. Sobald der Hohlraum 306 sein
volles Volumen erreicht hat, dichtet die Ventilplatte 308 den
Hohlraum 306 ab, wobei das Gas eingeschlossen wird. Wenn
sich die Gerotoren 302 und 304 weiter dre hen,
schrumpft das Volumen des Hohlraums 306, wobei das eingeschlossene Gas
komprimiert wird. Schließlich
wird das komprimierte Gas zum Auslaß 312 der Ventilplatte 308 bewegt
und ausgestoßen.
Dieser Prozeß ist
kontinuierlich und findet in mehreren Hohlräumen statt, die zwischen den
Gerotoren 302 und 304 ausgebildet sind, wie in
den 3c–3l dargestellt.
-
4 ist
ein schematischer Querschnitt eines Gerotorkompressors 400.
Ein innerer Gerotor 402 ist freitragend (d.h. weist einen
Haltevorsprung auf, der sich von seiner Basis erstreckt), und wird
durch innere Gerotorlager 404 gehalten. Ein äußerer Gerotor 406 ist
ebenfalls freitragend, und wird durch äußere Gerotorlager 408 gehalten.
Die Zähne
der Gerotoren 402 und 406 weisen einen engen Zwischenraum
auf, um das Vorbeiströmen
von Gasen zu verhindern, aber sie berühren einander nicht, um Schmierungs-
und Verschleißprobleme
zu vermeiden.
-
Die
Gerotoren 402 und 406 werden durch ein erstes
Zahnrad 410 und ein zweites Zahnrad 412 betätigt. Das
erste Zahnrad 410 und das zweite Zahnrad 412 weisen
vorzugsweise dasselbe Verhältnis
wie die Gerotoren 402 und 406 auf. Das erste Zahnrad 410 und
das zweite Zahnrad 412 treiben die Gerotoren 402 und 406 so
an, daß sich
die Gerotoren 402 und 406 relativ zueinander ohne
Kontakt bewegen. Ein Vorteil dieser Relativbewegung ist, daß es keine
Notwendigkeit gibt, die Gerotoren 402 und 406 zu
schmieren. Statt dessen werden die Zahnräder 410 und 412 geschmiert,
was im allgemeinen als einfacher betrachtet wird. Diese Schmierung
wird im folgenden detaillierter erläutert.
-
Gas
tritt in den Gerotorkompressor 400 am Gaseinlaß 422 ein.
Komprimiertes Gas verläßt den Gerotorkompressor
am Auslaß 424.
-
In
einer Ausführungsform
können
die Gerotoren 402 und 406 aus Keramik aufgebaut
sein und würden keine
Kühlung
benötigen.
Ein Nachteil der Verwendung von Keramik sind die hohen Materialkosten.
Daher können
in einer anderen Ausführungsform
Metalle verwendet werden. Um eine Beschädigung des Metalls zu verhindern,
kann das Metall durch ein Kühlmittel 414 gekühlt werden,
das umgewälzt
werden kann. Da sich alle Gerotoren drehen, ist es notwendig, das
Kühlmittel 414 durch
die Gerotoren unter Verwendung von Schleifringen 416 und 420 umzuwälzen.
-
In
einer anderen Ausführungsform
ist ein Hybridsystem möglich,
in dem der Kern aus gekühltem
Metall besteht und das Äußere mit
einer isolierenden Keramik beschichtet ist, die die Wärmeverluste
an das Kühlmittel 414 reduziert.
-
Das
erste Zahnrad 410 und das zweite Zahnrad 412 können mit
einem geeigneten Schmiermittel, wie Öl geschmiert werden. Um zu
verhindern, daß Gase
in das Schmiermittel eintreten, kenn eine Plandichtung 418 eingesetzt
werden. Die Plandichtung 418 kann einen federbelasteten
Graphitring aufweisen, der auf einer hochglanzpolierten Fläche rotiert.
Die Relativrotation zwischen dem inneren Gerotor 402 und
dem äußeren Gerotor 406 ist
klein, so daß die
Plandichtung 418 keinem merklichen Verschleiß ausgesetzt sein sollte.
-
Falls
notwendig, kann das Schmiermittel, das verwendet wird, um das erste
Zahnrad 410 und das zweite Zahnrad 412 zu schmieren,
unter Verwendung von (nicht gezeigten) Schleifringen umgewälzt werden, die ähnlich zu
jenen sind, die für
das Kühlmittel 414 verwendet
werden.
-
In
alternativen Ausführungsformen
können
der innere Gerotor 402 und der äußere Gerotor 406 ohne freitragende
Träger
gehalten werden. Auf 5 bezugnehmend, wird eine Seitenansicht
eines nicht freitragenden Gerotorkompressors 500 bereitgestellt.
Im nicht freitragenden Gerotorkompressor werden der innere Gerotor 508 und
der äußere Gerotor 506 jeweils
an ihren Enden gehalten. Daher gibt es keinen freitragenden Träger.
-
In 5 sind
feststehende, nichtrotierende Wellen 502 und 526 in
der Mitte eines Gerotorkompressors 500 angeordnet. Eine „Biegung" 504 definiert
zwei Achsen; ein äußerer Gerotor 506 dreht
sich um eine Achse, und ein innerer Gerotor 508 dreht sich
um die andere. Die feststehende Welle 526 ist an einer
Ventilplatte 510 befestigt, die mit einem Hochdruckrohr 512 verbunden
ist. Das Hochdruckrohr 512 ist an einem Gehäuse 514 befestigt.
-
Eine
rotierende Welle 516 ist mit dem äußeren Gerotor 506 gekoppelt.
Ein äußeres Zahnrad 518 ist am äußeren Gerotor 506 befestigt,
das ein inneres Zahnrad 520 antreibt, das mit dem inneren
Gerotor 508 gekoppelt ist. Die inneren und äußeren Zahnräder 518 und 520 lassen
den inneren und äußeren Gerotor 506 und 508 rotieren,
ohne daß sie
sich berühren,
wodurch folglich die Notwendigkeit eines Schmiermittels auf den Gerotoroberflächen beseitigt
wird. Die Zahnräder 518 und 520 können durch Öl geschmiert
werden. Eine Plandichtung 522 gleitet auf einer glatten
kreisförmigen
Fläche,
die in der Oberfläche
des inneren Gerotors 508 vertieft ist. Eine Drehdichtung 524 dichtet
die mittlere Welle 526 ab.
-
Niederdruckgas
tritt durch ein Einlaßloch 511 (siehe 6c und 6d)
in einer Ventilplatte 510 ein. Das Niederdruckgas wird
in den Gerotoren komprimiert, wie oben beschrieben, und wird als
Hochdruckgas durch die Auslaßöffnung 590 ausgestoßen.
-
Ein
Schleifring 529 stellt Schmieröl und Kühlwasser bereit, das durch
(nicht gezeigte) innere Kanäle im äußeren Gerotor 506,
den Wellen 502 und 526 und der Biegung 504 an
die inneren und äußeren Gerotoren 506 und 508 verteilt
wird. Die Schleifringe 530 lassen es zu, daß Fluide
an den inneren Gerotor 508 verteilt werden.
-
Verschiedene
Schnittansichten des nicht freitragenden Gerotorkompressors 500 werden
in den 6a–6g gezeigt.
-
In
einer alternativen Ausführungsform,
die in 7 gezeigt wird, ist das Gehäuse beseitigt worden. In dieser
Ausführungsform
ist der äußere Gerotor 702 stationär, und der
innere Gerotor 704 dreht sich, da er durch eine rotierende
Flügelplatte 706 angetrieben
wird. Wenn sich der innere Gerotor 704 dreht, bewirken Zahnräder 708 und 710,
daß er
sich in einer Orbitalbewegung dreht.
-
Obwohl
die Ausführungsformen
des Gerotorkompressors und nicht freitragenden Gerotorkompressors
oben als Kompressoren beschrieben werden, wird ein durchschnittlicher
Fachmann erkennen, daß sie
genauso gut als Expander funktionieren. Wenn sie als Expander verwendet
werden, wird ihre Arbeitsweise umgedreht. Zum Beispiel drehen sich
im Expander die Gerotoren in die entgegengesetzte Richtung, und
Gas tritt in den Expander mit einem hohen Druck ein, führt Arbeit
aus (d.h. expandiert), und wird als Niederdruckgas ausgestoßen.
-
Erneut
auf 2 bezugnehmend, kann der Kompressor 106 durch
eine Antriebseinrichtung, wie einen Riemen 204, durch eine
Kompressorkupplung 202 in einer Weise angetrieben werden,
die in der Technik bekannt ist.
-
Die
komprimierte Luft aus dem Kompressor 106 strömt durch
einen Wärmeaustauscher
oder Regenerator 108, wo sie vorgewärmt wird. Gemäß einer
Ausführungsform
wird die komp rimierte Luft auf eine Nenntemperatur von etwa 1039
K erwärmt.
-
Um
Gewicht zu sparen und Kosten zu senken, kann der Wärmeaustauscher 108 so
bemessen werden, daß er
mit der Wärmeleistung
umgehen kann, die mit einer Autobahnfahrt mit konstanter Geschwindigkeit verbunden
ist (normalerweise etwa 15 PS Leistungsabgabe für ein Auto). Der Kompressor 106 und
der Expander 114 weisen die Kapazität auf, für Beschleunigungszwecke mit
sehr viel höheren
Leistungsabgaben (z.B. etwa 150 PS) zu arbeiten. Der Motor ist als
ganzes während
dieser Leistungsausbrüche
weniger effizient, da jedoch die Leistungsausbrüche gewöhnlich nur ein kleiner Anteil
der Arbeitsperiode sind, sollte ihre Wirkung auf den gesamten Wirkungsgrad
des Systems minimal sein.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Wärmeaustauscher 108 ein
Gegenstromwärmeaustauscher sein.
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
kann der Wärmeaustauscher 108 ein
Umlaufregenerator sein, von dem ein Beispiel in 8 gezeigt
wird. Das Umlaufrad 800 kann ein poröses Netz aus Metall oder Keramik oder
einem ähnlichen
Material 905 sein, durch das Gase strömen. Eine feststehende Aufteilungsvorrichtung 810 läßt es zu,
daß heißes Gas 815 von
kaltem Gas 820 getrennt wird. Wenn heißes Gas 815 durch
das poröse
Netz 805 strömt,
erwärmt
es das Netz 805. Wenn sich das Umlaufrad 800 dreht,
berührt
das Netz 805, das erwärmt
worden ist, kaltes Gas 820, wobei bewirkt wird, daß kaltes
Gas 820 heiß wird.
Wenn sich das Umlaufrad 800 weiter dreht, kommt das nun
abgekühlte
Netz 805 erneut in Kontakt mit dem heiße Gas 815, wo es
erneut erwärmt
wird.
-
Die
vorgewärmte,
komprimierte Luft verläßt den Wärmeaustauscher 108 und
strömt
in einen Brenner 112, wenn ein Einlaßventil 232 offen
ist, wo Kraftstoff 110 hinzugegeben wird, und das Kraftstoff-Luftgemisch durch
eine Zündvorrichtung 218 gezündet wird.
-
Der
Brenner 112 kann gemäß einer
Ausführungsform
ein Rohrbrenner sein. Das allgemeine Konzept des Rohrbrenners, was
durchschnittlichen Fachleuten bekannt ist, wurde durch Professor
Stuart Churchill der University of Pennsylvania entwickelt. Auf 9 bezugnehmend,
wird ein schematischer Querschnitt des Rohrbrenners 900 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Der Rohrbrenner 900 weist
eine Brennerwand 910 auf. Die Brennerwand kann gemäß einer
Ausführungsform
aus Keramik bestehen, was es zuläßt, daß die Temperatur
im Rohrbrenner 900 etwa 2200 K erreicht, was eine vollständige Verbrennung
der Kraftstoff-Luftgemisches zuläßt. Andere
geeignete Materialien, wie ein Hochtemperaturmetall, können ebenfalls
verwendet werden.
-
Im
Betrieb tritt das Kraftstoff-Luftgemisch 912 in den Brenner 900 am
Einlaß 902 ein
und wird durch die Brennerwand 910 durch Strahlung und
Konvektion erwärmt.
Sobald das Gas die Zündtemperatur
erreicht, wird eine Flammenfront 908 eingeleitet. Während des
Startens kann die Flammenfront 909 durch eine Zündvorrichtung,
wie eine (nicht gezeigte) Zündkerze
eingeleitet werden. Wenn der Rohrbrenner 900 aus Keramik besteht,
ist die Flammenfront 908 so heiß, daß der gesamte Kraftstoff vollständig gezündet wird;
es gibt keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die den Keramik-Rohrbrenner 900 verlassen.
Das verbrannte Kraftstoff-Luftgemisch verläßt den Brenner 900 als
Abgas 914 aus dem Auslaß 904.
-
10 zeigt
gemessene Temperaturprofile längs
der Achse des Rohrbrenners 900. Es gibt sieben mögliche Dauerbetriebstemperaturprofile.
Durch die Untersuchung von Stu art Churchill wurden alle sieben durch
Computersimulationen vorhergesagt, und später wurden alle sieben experimentell
festgestellt.
-
Die
hohen Temperaturen im Rohrbrenner bewirken, daß anfänglich Kohlenmonoxid gebildet
wird. Da es einen Überfluß von überschüssiger Luft
gibt, wird jedoch Kohlendioxid gebildet, wenn sich die Gase abkühlen. Daher
ist es möglich,
den erfindungsgemäßen Motor
mit einer Kohlenmonoxid-Konzentration
von etwa 0,5 ppm zu betreiben.
-
Rohrbrenner
haben mehrere Vorteile gegenüber
herkömmlichen
Brennern. Zum Beispiel verwenden herkömmliche Brenner absichtlich
eine Rückvermischung,
um das Kraftstoff-Luftgemisch
auf seine Zündtemperatur
zu erwärmen.
Leider fördert
eine Rückvermischung
die NOx-Bildung, da sie die Verweilzeit
des Gases erhöht.
Im Gegensatz dazu weist ein Rohrbrenner keine Rückvermischung auf; das Gas
strömt
durch den Rohrbrenner in einer Weise einer idealen bzw. stempelartigen
Strömung.
Die Verweilzeit ist so kurz (etwa 7 ms), daß es möglich ist, den Rohrbrenner
mit einer sehr niedrigen NOx-Bildung zu
betreiben.
-
11 zeigt,
daß bei Äquivalenz-Verhältnissen
unter 0,6 die NOx-Konzentration nur etwa
2 ppm beträgt.
Das Äquivalenz-Verhältnis Φ ist definiert
als der tatsächlich
zugegebene Kraftstoff verglichen mit der erforderlichen stöchiometrischen
Kraftstoffzugabe. Unter Verwendung von Luft mit Raumtemperatur als
Zufuhr bei einem Äquivalenz-Verhältnis von
0,6 beträgt
die Temperatur, die den Rohrbrenner verläßt, annähernd 1300 K.
-
Bei
höheren Äquivalenz-Verhältnissen
steigt die Verbrennungstemperatur, was den Motorwirkungsgrad erhöht. Dies
erhöht
jedoch auch die NOx-Erzeugung. Folglich
wird in einer anderen Ausführungsform
ein Abgaskatalysator verwen det, um die Menge an NOx zu
reduzieren. Mögliche
Reduktionsmittel umfassen unter anderem Ammoniak, Harnstoff und
Kraftstoff. Der typische Verbrauch von flüssigem Ammoniak kann während einer
Autobahnfahrt etwa 2 ml/h betragen.
-
Der
Rohrbrenner wurde hauptsächlich
zur stationären
Energieerzeugung unter der Voraussetzung konstruiert, daß er nicht
viele Start-/Stoppzyklen durchmachen würde. Vor dem Starten ist die
Keramik kalt, sie muß vor
dem Gebrauch erwärmt
werden. Die Keramik kann daher gemäß einer Ausführungsform
mit einem (nicht gezeigten) Widerstandsheizer umwickelt sein, um
die Keramik vorzuwärmen,
bevor Kraftstoff eingeleitet wird. Es können auch andere geeignete
Vorheizungsvorrichtungen und Techniken verwendet werden.
-
Der
Rohrbrenner kann gemäß einer
anderen Ausführungsform
in einem Zylinder angeordnet sein, so daß es einen ringförmigen Raum
zwischen dem Rohrbrenner und dem Zylinder gibt. Der ringförmige Raum kann
mit einem absorbierenden Material gefüllt sein. Das absorbierende
Material kann gemäß einer
Ausführungsform
Wasserstoff absorbieren, und im Prozeß Wärme abgeben. Dies dient dazu,
den Rohrbrenner vorzuwärmen.
-
Der
ringförmige
Raum kann gemäß einer
anderen Ausführungsform
ein Vakuum sein, und kann mit sehr dünnen (etwa 1/1000 Inch) Platten
aus Nickel in mehreren Schichten gefüllt sein. In einer Ausführungsform
werden 100 Schichten verwendet. Die hochglanzpolierten mehreren
Schichten aus Nickel sind ein schlechter Leiter, und werden die
Betriebswärme
für eine
beträchtliche
Zeit halten. Wenn daher der Motor häufig läuft (z.B. täglich), sollte der Rohrbrenner
etwas Wärme
von diesem Betrieb bewahren.
-
Erneut
auf 2 bezugnehmend, kann die Zündvorrichtung 218 eine
herkömmliche
Zündkerze
sein. Gemäß einer
an deren Ausführungsform
ist die Zündvorrichtung 218 eine „Schienenkanonen"-Zündkerze.
Diese Schienenkanonenzündkerze
schickt einen „Blitzstrahl" in das Zentrum des
Brenners 112 hinab, um das Kraftstoff-Luftgemisch während des
Startens zu zünden.
-
Die
Menge, das Timing und die Dauer der Zündung, die die Zündvorrichtung 218 bereitstellt,
können variieren.
Die Zündvorrichtung 218 muß gemäß einer
Ausführungsform
nur einmal gezündet
werden, um die Flammenfront einzuleiten. Sobald das Kraftstoff-Luftgemisch
anfänglich
gezündet
ist, unterhält
das Kraftstoff-Luftgemisch die Flammenfront, was die Notwendigkeit
für zusätzliche
Zündungen
aus der Zündvorrichtung 218 beseitigt.
Um das Kleinstell-Verhältnis
des Brenners zu erhöhen,
das als die maximale Verbrennungsrate dividiert durch die minimale
Verbrennungsrate definiert ist, zündet die Zündvorrichtung 218 gemäß einer anderen
Ausführungsform
nach dem anfänglichen
Starten weiter. Im Fall des Kolbenexpanders kann das Timing mit
den periodischen Expansionen der Kolben übereinstimmen. Im Fall des
Gerotorexpanders kann die Zündung
kontinuierlich sein.
-
Nach
der Verbrennung strömt
das heiße
Hochdruckgas durch den Expander 114, der eine Wellenleistung
erzeugt. Der Expander 114 kann eine Hülle 220 und einen
Aufsatz 222 aufweisen, die im folgenden detaillierter erläutert werden.
-
Am
Anfang der Expansion ist der Druck konstant (z.B. etwa 10 atm),
da das Einlaßventil 232 offen
ist. Wenn das Einlaßventil 232 schließt, geht
die Expansion adiabatisch weiter, wodurch folglich das Gas abgekühlt wird,
da Arbeit erzeugt wird. Die Keramikhülle 220 und der Keramikaufsatz 222 können gemäß einer
Ausführungsform
verwendet werden, um die Gase von der Wand 236 zu isolieren,
die gekühlt
wird. Der Keramikaufsatz 222 hat keinen gleitenden Kontakt
mit der Wand 236, daher muß keine Schmierung vorgesehen
werden. Es ist auch nicht notwendig, die thermische Expansion des
Aufsatzes 222 und der Wand 236 zu berücksichtigen.
Die Keramikhülle 220 muß nicht
mit der Wand 236 verbunden sein, was es erlaubt, daß eine kleine Lücke zwischen
der Hülle 220 und
der Wand 236 angeordnet ist, was folglich eine unterschiedliche
thermische Expansion der Keramik und des Wandmaterials zuläßt. Da zwischen
der Keramikhülle 220 und
der Wand 236 Gase frei strömen, muß die Keramikhülle keinem
Druckunterschied quer zur Wand standhalten.
-
Der
Expander 114 kann gemäß einer
andern Ausführungsform
eine variable Totraumvorrichtung 240 aufweisen. Die variable
Totraumvorrichtung 240 arbeitet ähnlich zur variablen Totraumvorrichtung 238,
die in Verbindung mit dem Kompressor 106 oben beschrieben
wird.
-
Der
Expander 114 kann gemäß einer
anderen Ausführungsform
ein Gerotorexpander sein. Der Gerotorexpander arbeitet genau wie
der oben beschriebene Gerotorkompressor, außer daß er umgekehrt arbeitet. Zum
Beispiel tritt das Hochdruckgas durch die kleine Öffnung 312 in 3b ein
und tritt durch die große Öffnung 310 aus.
Wenn der Expander erwärmt
wird, werden die Abmessungen ihrer Komponenten wachsen. Dies kann
durch Kühlung
der Komponenten minimiert werden. Um Wärmeverluste an das Kühlmittel
zu minimieren, könnten
die Gerotoren mit einer isolierenden Keramik überzogen sein.
-
In
dem in 2 gezeigten Expander 134 gemäß einer
anderen Ausführungsform
können
die Keramikhülle 220 und
der Keramikaufsatz 222 zugunsten eines herkömmlichen
Metallkolbens und Zylinders beseitigt werden, jedoch wird es einen
größeren Wärmeverlust
an die Wände
geben. Es können
gemäß einer
anderen Ausführungsform
anstelle von Metall ein Keramikkolben und -Zylinder verwendet werden.
-
Andere
geeignete Expandergestaltungen, wie ein Wankelexpander, können ebenfalls
verwendet werden.
-
Wie
in 2 gezeigt, treibt der Expander 114 eine
Expanderkupplung 208 an, die ein Getriebe 216 und
eine Antriebswelle 206 antreibt, die schließlich zur
Bewegung eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinrichtung, wie Rädern verbunden
ist. Zusätzlich
wird durch einen Riemen 204 oder einen anderen geeigneten
Antriebsmechanismus Leistung bereitgestellt, um den Kompressor 106 zu
betreiben.
-
Wenn
die Expansion vollendet ist, wird ein Auslaßventil 234 geöffnet, das
die Gase des Expanders 114 verlassen läßt. Die Gase, die den Expander 114 verlassen,
sind heiß,
und strömen
durch den Wärmeaustauscher 108,
wo sie das ankommende Gas vorwärmen,
und werden schließlich
als Abgase 116 an die Atmosphäre abgegeben.
-
Das
Motordrehmoment kann auf mehrere Arten geregelt werden, einschließlich einer
Drosselung und eines variablen Kompressionsverhältnisses. Das Drosselungsverfahren
ist ähnlich
zu der Weise, in der Otto-Kreisprozeßmotoren gesteuert werden.
Der Motor weist ein festes Kompressionsverhältnis auf, da jedoch der Lufteinlaß gedrosselt
ist, befindet sich der Kompressoreinlaß auf einem Unterdruck. Da
der Kompressor von einem Unterdruck beginnt, ist der durch den Kompressor
erzielte maximale Druck kleiner, was die Drehmomentabgabe des Motors
reduziert. Aufgrund der Irreversibilitäten, die mit der Drosselklappe
verbunden sind, begünstigt
dieses Verfahren nicht den Energiewirkungsgrad; jedoch ist es sehr
einfach zu implementieren.
-
Die
Menge des Kraftstoffs, der pro Hub zugeführt wird, kann gemäß einer
Ausführungsform
variiert werden. Mehr Kraftstoff erhöht die Temperatur, was den
Druck erhöht,
der die Arbeit pro Hub erhöht.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß ein Betrieb mit niedrigem
Drehmoment bedeutet, daß die
Motortemperatur niedriger ist, was den Wirkungsgrad reduziert.
-
Das
Verfahren mit einem variablen Kompressionsverhältnis ändert das Kompressionsverhältnis sowohl
des Kompressors als auch des Expanders. Im Fall des Gerotorkompressors/-expanders
kann eine variable Kompressionsvorrichtung erzielt werden, indem
die Form der Öffnungen
an den Ventilplatten geändert wird.
Ein niedriges Kompressionsverhältnis
wird erzielt, indem die Auslaßöffnung des
Gerotorkompressors und die Einlaßöffnung des Gerotorexpanders
vergrößert werden.
Umgekehrt kann ein hohes Kompressionsverhältnis erzielt werden, indem
die Auslaßöffnung des
Gerotorkompressors und die Einlaßöffnung des Gerotorexpanders
verkleinert werden. Mechanismen, um dies auszuführen, werden in der US-Patentanmeldung,
Serien-Nr. 09/126,325 von Holtzapple u.a. mit dem Titel „Vapor-Compression
Evaporative Air Conditioning System and Components" beschrieben, die
am 31. Juli 1998 eingereicht wurde und deren Offenbarung durch Bezugnahme
vollständig
hierin eingearbeitet ist.
-
Bei
niedrigeren Kompressionsverhältnissen
erzeugt der Motor ein kleineres Drehmoment, und bei höheren Kompressionsverhältnissen
erzeugt der Motor ein größeres Drehmoment.
Anders als herkömmliche Brayton-Kreisprozesse,
hängt der
Energiewirkungsgrad des quasi-isothermen Brayton-Kreisprozeßmotors nicht
vom Kompressionsverhältnis
ab, so daß dies
eine sehr effiziente Art ist, die Drehmomentabgabe des Motors zu
variieren.
-
Im
Fall des Kolbenkompressors/-expanders kann ein variables Kompressionsverhältnis unter
Verwendung der variablen Totraumvorrichtungen 238 und 240 in
sowohl dem Kompressor 106 als auch dem Expander 114 erzielt
werden. Eine Erhöhung
des Totraums des Kompressors 106 vermindert den Ausgangsdruck,
was das Motordrehmoment reduziert. Umgekehrt erhöht die Verminderung des Totraums
des Kompressors 106 den Ausgangsdruck, was das Motordrehmoment
anhebt. Wenn der Druck des Kompressors 106 niedrig ist, benötigt der
Expander 114 ein niedrigeres Expansionsverhältnis, also
wird ein größerer Totraum
eingesetzt. Wenn der Druck des Kompressors 106 hoch ist,
braucht der Expander 114 ein höheres Expansionsverhältnis, also
wird ein kleinerer Totraum verwendet.
-
Das
erfindungsgemäße System
kann eine Rückgewinnungsbremse
einsetzen. Auf 2 bezugnehmend, verwendet eine
Ausführungsform
Ventile 210, 211 und 212, einen Drucktank 214,
und Kupplungen 208 und 202, die irgendeine geeignete
Kupplung sein kann, die in der Technik bekannt ist. Der Drucktank 214 kann viele
potentielle Formen aufweisen, wie sphärische und zylindrische Formen.
Er kann aus Metall oder Verbundmaterialien bestehen, wie aus in
ein Polymer eingebetteten Kohlenfasern. Er kann jede geeignete Größe aufweisen.
-
Während des
Dauerbetriebs ist das Ventil 212 geschlossen und die Ventile 210 und 211 sind
offen, was es zuläßt, daß komprimierte
Luft direkt vom Kompressor 106 zum Brenner 112 geht.
Während
des Bremsens ist die Expanderkupplung 208 ausgekuppelt
bzw. ausgerückt,
aber die Kompressorkupplung 202 bleibt eingekuppelt bzw.
eingerückt.
Das Ventil 211 ist geschlossen, während die Ventile 210 und 212 offen
bleiben, was es zuläßt, daß Luft aus
dem Kompressor 106 abgelassen wird, um im Drucktank 214 gespeichert
zu wenden. Während
des normalen Bremsens wird die kinetische Energie des Fahrzeugs
als komprimierte Luft im Drucktank 214 gespeichert, die
zum späteren
Gebrauch zurückgewonnen
werden kann. Im Fall schneller Stopps, können (nicht gezeigte) Reibungsbremsen
eingesetzt werden, die in der Technik bekannt sind, die die kinetische
Energie des Fahrzeugs als Wärme
ableiten.
-
Wenn
das Fahrzeug von einem Stopp anfährt,
ist die Kompressorkupplung 202 ausgekuppelt und die Expanderkupplung 208 eingekuppelt.
Das Ventil 210 ist geschlossen, während die Ventile 211 und 212 offen bleiben.
Im Drucktank 214 gespeicherte Hochdruckluft strömt durch
den Gegenstromwärmeaustauscher 108, wo
sie vorgewärmt
wird, tritt in den Brenner 112 ein, strömt durch den Expander 114 und
tritt durch den Gegenstromwärmeaustauscher 108 aus.
Während
des Anfahrens wird die als komprimiertes Gas gespeicherte Energie
freigesetzt, was das Fahrzeug beschleunigen läßt. Da die Belastung des Kompressors
während
des Anfahrens weggenommen wird, kann die gesamte Wellenleistung
aus dem Expander 114 an die Antriebswelle geliefert werden.
Dies kann einen bedeutenden (z.B. etwa 30%) Leistungszusatz ergeben.
-
Hochdruckluft
ist im Drucktank 214 gespeichert, also braucht es nicht
notwendig sein, eine äußere Leistung
zu verwenden, um den Motor zu starten. Während der Startens sind sowohl
die Kompressorkupplung 202 als auch die Expanderkupplung 208 ausgekuppelt.
Die Ventile 211 und 212 sind offen, und das Ventil 210 ist
geschlossen. Sobald der Brenner 112 heiß ist, und der Expander 114 auf
Geschwindigkeit ist, würden
die Ventile und Kupplungen für
den Dauerbetrieb eingestellt.
-
Der
erfindungsgemäße Motor
weist viele potentielle Anwendungen auf. Zum Beispiel kann der erfindungsgemäße Motor
in Lokomotiven verwendet werden. Aufgrund des großen Energieverbrauchs
von Lokomotiven, sind alle energieeffizienten Merkmale (Rückgewinnungsbremse,
Gegenstromwärmeaustauscher, Wassereinspritzung,
variable Kompressionsverhältnissteuerung)
gerechtfertigt. Der Drucklufttank kann ein Hochdrucktank-Eisenbahnwagen
sein, der sich hinter der Lokomotive befindet. Wirtschaftliche Untersuchungen
zeigen, daß ein
Zug, der mehr als fünfmal
am Tag anhält,
die Ausgabe eines solchen Lufttanks rechtfertigen kann.
-
In
der Schiffsindustrie brauchen Boote und Schiffe keine Rückgewinnungsbremse.
Andere energieeffiziente Merkmale (Gegenstromwärmeaustauscher, Wassereinspritzung,
variable Kompressionsverhältnissteuerung)
können
jedoch gerechtfertigt sein.
-
Der
Motor kann mit einer Zugmaschine/Anhängern verwendet werden. Aufgrund
des hohen Energieverbrauchs von Zugmaschine/Anhängern können alle energieeffizienten
Merkmale (Rückgewinnungsbremse, Gegenstromwärmeaustausch,
Wassereinspritzung, variable Kompressionsverhältnissteuerung) gerechtfertigt sein.
Der Drucklufttank könnte
unter dem Anhänger
angeordnet sein.
-
Der
Motor könnte
bei Bussen verwendet werden. Aufgrund des großen Energieverbrauchs von Bussen
können
alle energieeffizienten Merkmale (Rückgewinnungsbremse, Gegenstromwärmeaustauscher,
Wassereinspritzung, variable Kompressionsverhältnissteuerung) gerechtfertigt
sein. Der Drucklufttank kann unter dem Bus angeordnet sein. Aufgrund
ihrer häufigen
Stopps ist die Wartung der Reibungsbremse eine der größten Ausgaben
für Stadtbusse;
die Rückgewinnungsbremsanlage
würde diese
Ausgabe drastisch reduzieren.
-
In
Autos steht Platz hoch im Kurs, und Sicherheit ist von großer Wichtigkeit.
Einige Autodesigner könnten
sich dagegen sträuben,
Hochdrucklufttanks im Fahrzeug anzuordnen, daher könnte die
Rückgewinnungsbremse
nicht in Autos eingebaut werden. Jedoch könnten Energiewirkungsgradmerkmale
(Gegenstromwärmeaustauscher,
Wassereinspritzung) ohne große
Einbußen
verwendet werden. Zur Einfachheit kann die Motorsteuerung eher unter
Verwendung einer Drosselung als durch ein variables Kompressionsverhältnis erzielt werden.
-
Der
quasi-isotherme Brayton-Kreisprozeßmotor kann auch für stationäre Energieerzeungsanwendungen
verwendet werden, wie zur Elektrizitätserzeugung oder zum Betreiben
einer industriellen Maschinerie, wie Pumpen, Kompressoren, Gebläsen usw.
In diesem Fall können
alle anderen energieeffizienten Merkmale als die Rückgewinnungsbremse,
wie der Gegenstromwärmeaustauscher,
die Wassereinspritzung und die variable Kompressionsverhältnissteuerung
verwendet werden.
-
Beispiel
-
Um
ein vollständigeres
Verständnis
der Erfindung zu erleichtern, wird im folgenden ein Beispiel bereitgestellt.
Jedoch ist der Rahmen der Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen
beschränkt,
die in diesem Beispiel offenbart werden, das nur zu Veranschaulichungszwecken
dient.
-
Energiewirkungsgrad
-
Die
folgende Tabelle 1 faßt
die Ergebnisse einer Wirkungsgradanalyse einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Motors
zusammen. Drei Gegenstromwärmeaustauscher
wurden betrachtet: rostfreier Stahl, eine Hochlegierung und Keramik.
Es wurden zwei Annäherungstemperaturen
betrachtet (50 und 100 K), die beide einfach erzielt werden. Außerdem wurden
zwei Kompressor-/Expanderwirkungsgrade betrachtet: 0,7 und 0,8.
(Anmerkung: Der Kompressorwirkungsgrad wird berechnet als die theoretische
reversible Leistung, die unter der Voraussetzung perfekter Wasserverdampfung
erforderlich ist, dividiert durch die tatsächlich benötigte Leistung.
-
Der
Expanderwirkungsgrad wird als die tatsächliche Energieerzeugung dividiert
durch die theoretische reversible Leistung berechnet, die durch
einen adiabatischen Expander erzeugt wird). Abhängig von den Voraussetzungen
reichen die Motorwirkungsgrade von 0,44 bis 0,64.
-
Tabelle
1: Motorwirkungsgrad als Funktion der Brennertemperatur, der Wärmeaustauscherannäherungstemperatur
und des Kompressor-/Expanderwirkungsgrads
-
Abmessungen
-
Die 12a und 12b zeigen
die ungefähren
Abmessungen des Gerotorkompressors bzw. des Expanders für einen
100-kW Motor bei zwei Drehzahlen: 3000 min–1 und
10000 min–1 gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Es sollte beachtet werden, daß bei beiden
Drehzahlen die Abmessungen sehr kompakt sind.
-
13 zeigt
die ungefähren
Abmessungen des Gegenstromwärmeaustauschers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In einem Fall ist der Wärmeaustauscher
dafür bemessen,
die Wärme
für den
Motor zu übertragen,
der mit voller Last (100 kW) arbeitet. Hier wird vorausgesetzt,
daß der
Motor unter Verwendung der Verfahrens des variablen Kompressionsverhältnisses
gesteuert wird. Mit dieser Steuerungsstrategie ist bei einer gegebenen
Drehzahl der Luftstrom durch den Motor unabhängig von der Drehmomentabgabe
derselbe; daher muß der
Wärmeaustauscher
für die
maximale Leistungsabgabe bemessen sein. In einem anderen Fall würde der
Motor gedrosselt werden, um die Motorleistung zu reduzieren. Dies
reduziert den Massenstrom durch den Motor, was den Betrag der Gegenstromwärmeübertragung
reduziert. 13 zeigt die Abmessungen, die
dem gedrosselten Massenstrom entsprechen, der erforderlich ist,
um 10 kW Leistung zu erzeugen.
-
14 zeigt
die ungefähren
Abmessungen der Drucklufttanks, die für die Rückgewinnungsbremse gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Diese Abmessungen sind
für eine
Fahrzeugmasse von 3000 Pfund (1364 kg). Es werden zwei Rückgewinnungsbremsoptionen
gezeigt: 45 auf 0 mph und 60 aus 0 mph. Da eine Bremsung aus hoher
Geschwindigkeit weniger üblich
ist, sollte die niedrigere Geschwindigkeit ausreichend sein. In
einem Konzept sind die Lufttanks wie ein Floß verbunden, das unter dem
Fahrzeug angeordnet wäre.
Potentiell könnten
diese Tanks ein integraler Bestandteil der Autostruktur sein. Alternativ
könnten
die komprimierte Luft in Zylindern oder Kugeln gespeichert sein.
-
Der
quasi-isotherme Kompressor benötigt
nur 1,4% mehr Leistung als ein wirklich isothermer Kompressor, daher
nähert
er sich einem isothermen Kompressor nahe an. Er benötigt 22%
weniger Energie als ein adiabatischer Kompressor, daher sind seine
Energieeinsparungen beträchtlich.
Aufgrund der niedrigen Energieanforderungen des Kompressors verwendet
der quasi-isotherme Brayton-Kreisprozeßmotor 22% weniger Kraftstoff
als ein herkömmlicher
Brayton-Kreisprozeß mit
Regenerator. Um diesen Energiewirkungsgrad zu erzielen, werden zwei
Liter Wasser pro Liter Kraftstoff benötigt, da jedoch der Motor dreimal
effizienter als Otto-Kreisprozeßmotoren
ist, beträgt
die Gesamtmenge der Fluide, die am Fahrzeug mitgeführt werden
müssen, etwa
dieselbe, wie sie herkömmliche
Fahrzeuge gegenwärtig
mit sich führen.
-
Der
quasi-isotherme Brayton-Kreisprozeßmotor bietet eine Alternative
zu anderen Motormöglichkeiten.
Er verspricht Verschmutzungs- und Wirkungsgradeigenschaften, die
für Brennstoffzellen
typisch sind, jedoch sollten aufgrund seiner Einfachheit die Kapitalkosten
mit herkömmlichen
Otto- und Dieselmotoren
vergleichbar sein.
-
Während die
Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen und Beispielen
beschrieben worden ist, sollte durch Fachleute verstanden werden,
daß andere
Variationen und Modifikationen der oben beschriebenen bevorzugten
Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Andere Ausführungsformen
werden Fachleuten aus einer Betrachtung der Beschreibung oder der
Praxis der hierin offenbarten Erfindung deutlich werden. Es wird
beabsichtigt, daß die
Beschreibung nur als exemplarisch betrachtet wird, wobei der wahre
Rahmen der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angegeben wird.