EP1841953A2 - Verbrennungskraftmaschine mit einer dampfstrahlpumpe als verdichterstufe - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine mit einer dampfstrahlpumpe als verdichterstufe

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Publication number
EP1841953A2
EP1841953A2 EP06704738A EP06704738A EP1841953A2 EP 1841953 A2 EP1841953 A2 EP 1841953A2 EP 06704738 A EP06704738 A EP 06704738A EP 06704738 A EP06704738 A EP 06704738A EP 1841953 A2 EP1841953 A2 EP 1841953A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion engine
steam
internal combustion
heat
laval
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06704738A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Edmund Nagel
Siegfried Nagel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DelunaMagma Industries GmbH
Original Assignee
DelunaMagma Industries GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AT4122005A external-priority patent/AT501554B1/de
Priority claimed from AT6082005A external-priority patent/AT501529A1/de
Priority claimed from AT16602005A external-priority patent/AT501419B1/de
Application filed by DelunaMagma Industries GmbH filed Critical DelunaMagma Industries GmbH
Publication of EP1841953A2 publication Critical patent/EP1841953A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F01K21/047—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas having at least one combustion gas turbine

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine in which the hot gas generated in the continuous combustion is expanded in an exhaust gas turbine and in which the required hot gas overpressure upstream of the exhaust gas turbine is generated at least in part by means of a steam jet pump.
  • the exhaust gas turbine is a recuperative heat exchanger downstream, the residual heat from the effluent exhaust gas on the internal combustion engine inflowing medium transfers.
  • an external heat source for steam generation is arranged in front of the Laval nozzle.
  • the aim of this measure is the formation of a high vacuum vacuum pump.
  • the arrangement of an external heat source for steam generation in front of the Laval nozzle serves to achieve a higher negative pressure.
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine with a continuous burnup and a physically maximum possible recuperative waste heat recovery and to accomplish the compression of the combustion air exclusively by means of a steam jet pump. It should be possible to completely dispense with a mechanical compressor stage.
  • the Laval nozzle of this invention will thus have to be substantially different from a conventional Laval nozzle.
  • Their motive steam will have to have an exorbitantly increased kinetic energy at the nozzle exit compared to that of a conventional steam jet pump.
  • This motive steam is intended to compress the combustion air or in the inventive variant, the flue gas to the same extent as a mechanical compressor stage.
  • inventively modified steam jet pump and a conventional steam jet pump used to achieve a sufficient compression pressure of the combustion air such amounts of motive steam would be required that in the exhaust after Reku- perative heat exchanger vice versa so much irreversibly lost residual heat would be included no practically usable efficiency of the internal combustion engine would come to conditions.
  • this amount of steam would enter so much water in the combustion chamber that an ignition of a flame would not be possible.
  • all the liquid and gaseous media which flow to the internal combustion engine are directed towards the exhaust gas in the recuperative heat exchanger and heat is removed from the exhaust gas to the maximum extent possible and transferred to the inflowing media.
  • This countercurrent heat exchanger has to be designed with the exchange surface size so that the entire available residual heat from the exhaust gas is transferred to the fuel, the combustion air and the feed water or to the motive steam.
  • part of this condensation heat contained in the vapor of the exhaust gas is not transferable, since the inflowing feed water must have a much higher pressure than the outflowing steam.
  • the heat of vaporization for the conversion of the incoming feedwater into steam is taken up at well above 100 ° C, while conversely, the effluent steam releases the adequate heat of condensation at atmospheric pressure and about 100 0 C.
  • an internal combustion engine of the type mentioned is also provided.
  • Solid fuel as general cargo can naturally be burned only at at least approximately atmospheric burner pressure.
  • an exhaust gas turbine according to the invention should be utilized. However, it should equally be applicable for gaseous and liquid fuel at also at least approximately atmospheric pressure in the burner
  • an internal combustion engine of the type mentioned is to be provided in order to use the braking energy of a car recuperatively usable and equally driving this car. It should be stored in a heat storage, the braking energy of the motor vehicle in the form of heat. This should be able to be fed back to the internal combustion engine when needed.
  • an internal combustion engine of the type mentioned above is provided to precompress the combustion air of a conventional reciprocating engine, analogous to the effect of the exhaust gas turbocharger. It should be precompressed by means of the steam jet pump according to the invention, the combustion air which flows to the reciprocating. It is replaced on the conventional mechanical turbocharger and instead the combustion air, without a moving mechanical part, pre-compressed only medium steam.
  • the objects are achieved in that the motive steam of the steam jet pump during expansion in the Laval-Treibdüse is continuously refreshed by heat transfer from a heat reservoir located outside the steam jet pump.
  • the superheated steam exiting the Laval Heated Heated Nozzle has a substantially increased velocity over that exuded from conventional Laval nozzles.
  • Superheated steam exiting the Laval nozzle according to the invention has, because of its higher speed, an adequately increased momentum of movement relative to the steam leaving a conventional Laval nozzle. The thus achieved steam velocity can never reach a conventional jet nozzle physically.
  • the steam undergoes in the inventively heated Laval motive nozzle from inlet to outlet at constantly falling pressure and at least approximately constant temperature (by heat from outside to isothermal expansion), an increase in volume, corresponding to the falling pressure, at least constant temperature.
  • the enthalpy of the steam thus experiences an increase during the expansion in the Laval nozzle and at the same time defective entropy jumps are avoided.
  • conventional divergent nozzle parts during the expansion of the vapor, multiple impact-type condensation jumps occur in conventional divergent nozzle parts, ie multiple defective entropy jumps.
  • This can be achieved neither with a conventional unheated Laval nozzle, nor with a conventional Laval nozzle, with only upstream steam superheater.
  • the motive steam which is refreshed by heat during expansion within the Laval motive nozzles, receives this heat directly or indirectly from the burner.
  • the walls of the Laval propulsion nozzles transfer this heat to the motive steam flowing through this nozzle.
  • the Laval nozzle is attached directly to the burner or smoke tube.
  • the temperature of the heat reservoir in the burner or in the flue pipe is always some 100 ° C above the temperature of the motive steam.
  • the motive steam despite its expansion, remains overheated; it is constantly refreshed and also exits superheated at the motive nozzle outlet.
  • the motive steam is heated by the recuperative heat exchanger, which recovers heat from the exhaust gas to the exhaust gas turbine, before entering the Laval motive nozzles. Subsequently, the motive steam is overheated by the superheated steam, which absorbs heat from the burnup at the burner or at the downstream flue pipe.
  • the steam in the steam superheater undergoes an increase in volume at constant pressure and an irrelevant increase in its subsonic flow rate, corresponding to the increase in temperature.
  • This form of heat supply represents an isobaric increase in enthalpy.
  • the materials are preferably made of highly heat-conductive and correspondingly temperature-resistant metal. The heat transfer for Dampfauffrischung the motive steam within the Laval nozzle and the steam superheating of the motive steam in the steam superheater, via these thermally conductive connections to the burner or through the thermally conductive connections to the downstream flue pipe.
  • the entire heat used for preheating the pumped medium is supplied to the pumped medium in the recuperative heat exchanger or in the burner, before it is compressed in the injector.
  • the form of compression in an injector allows heating of the conveying air before the compression.
  • Hot air can be pumped like cold air without loss of efficiency.
  • the combustion air can be fed into the recuperative heat exchanger at atmospheric pressure and at ambient temperature in order to compact it by means of the momentum transfer, after it has absorbed maximum heat.
  • the elevated temperature of the medium does not play any efficiency damaging role. This can be explained as follows:
  • the molecules of the propulsion jet set off for a free flight into the intake manifold, where they only gradually collide, far away from their original nozzle, with molecules of the pumped liquid. Whether a so struck molecule itself seen in a strong or weak Brown 'molecular motion is located, ie whether the pumped liquid hot or cold, does not play the slightest role.
  • the process of compacting is thus advantageous only in the form of momentum transfer.
  • the temperature of the exhaust gas falls to the exhaust outlet to the condensation temperature of the vapor contained in the outflowing mixture, this is 100 ° C. Further cooling of the exhaust gas is not possible because the pressure of the effluent mixture is atmospheric, while the pressure of the feedwater must be much higher. As a result, the feed water evaporates at well above 100 ° C and therefore can not absorb the required heat of vaporization from the heat of condensation of the effluent at atmospheric pressure steam. This residual heat of condensation heat is irreversibly lost for the internal combustion engine.
  • the steam jet pump generates a negative pressure in the injector, which promotes the flue gas from the, operated at approximately atmospheric pressure burner in one embodiment of the invention.
  • This flue gas is subsequently compacted in the diffuser of the injector before being transferred to the exhaust gas turbine.
  • the compressed flue gas is subsequently expanded in the single-stage exhaust gas turbine.
  • Said burner according to the invention is preferably to operate with wood piece goods, especially since to date no technical device is known, which can make flue gas produced at atmospheric pressure in the combustion boiler directly usable for driving an exhaust gas turbine.
  • the burner can also be operated with liquid, gaseous or other solid fuels.
  • the combustion air flowing into the burner is first heated in the recuperative heat exchanger.
  • the flue gas from the burning of wood or coal must be cleaned by means of a flue gas filter connected between the combustion chamber and the exhaust gas turbine. Above all, the ash from this burn-up must remain in the combustion chamber. If ash with the exhaust gas in the heat exchanger and in the exhaust gas turbine, they would be put out of action or gradually destroyed. Therefore, the flue gas is also cleaned by a switched between the combustion chamber and the exhaust gas turbine filters of soot and fly ash and under the kiln is an ash tray installed, in which the ash trickles through a grate.
  • liquid fuel which can be vaporized residue-free in the recuperative heat exchanger
  • the fuel can be mixed with the feed water by means of a common pump as a homogeneous mixture through the recuperative heat exchanger, then through the steam superheater and then through the Laval Heated nozzle, are led into the pressure burner. Since the flow rate of the water vapor and fuel vapor mixture to the burner never falls below the burning rate of the fuel vapor, the fuel does not ignite. The mixture of water vapor and fuel vapor only reaches the ignition speed of the fuel in the diffuser of the burner.
  • the fuel can consequently, in the variant shown, be used together with the feed water as the propellant.
  • the feed water advantageously correspondingly less feed water is required.
  • Less feed water means that less irreversibly lost residual heat is obtained after the recuperative heat exchanger.
  • the efficiency of the internal combustion engine increases, this variant achieves the best efficiency of all variants shown.
  • Such an enlargement of the heat exchange surface in the Laval nozzle takes place according to the invention u. a. by dividing the motive jet steam into a plurality of parallel aligned, each a part of the total steam flow receiving Laval-driving nozzles. The total gas flow is thus divided into several such Laval-Treibdüsen as partial gas streams.
  • a further increase in the heat exchange surface in the Laval nozzle is u. a. characterized in that the nozzle circumference with respect to a round nozzle cross-section by flattening the nozzle cross-section, with a corresponding reduction in the height thereof is increased.
  • a further enlargement of the heat exchange surface in the Laval-driving nozzles takes place u. a. by flattening the pitch angle of the divergent nozzle parts to less than 3 °. This leads to a corresponding extension of the longitudinal axis of the divergent nozzle parts, with consequent enlargement of the heat exchange surface.
  • the divergent nozzle part of the Laval nozzle is thus to be flattened at an angle, so as to achieve an increase in the heat exchange surface.
  • the heated Laval motive nozzle is used for pre-compression of the charge air of a conventional reciprocating engine. It is by means of the motive steam, which was previously overheated in a steam superheater and then passed through the heated Laval nozzle, the combustion air pre-compressed before entering the conventional internal combustion engine. This function replaces the conventional exhaust turbocharger for pre-compression of the combustion air.
  • the gas stream after the heated Laval nozzle and the injector is guided through a heatable bypass heat storage. This gas flow is controllable via the control valve in the bypass to increase, decrease or shut down.
  • the bypass heat storage preferably mineral
  • the bypass heat storage is heated by the braking energy of a motor vehicle, which is converted into electrical current in the generator.
  • the generator in turn is powered by one or more wheels of the vehicle. It can therefore be electrically heated with an external energy source of the bypass memory.
  • This bypass memory is then regulated if necessary, more or less partial gas, which flows to the burner, passed. The gas mixture is thereby heated and saves to the same extent, as it can absorb heat from the bypass memory, fuel burn, so de facto fuel.
  • a further heat exchanger can be used for heating purposes or as process heat, a part of the residual heat after the recuperative heat exchanger, which in turn before all liquid and gaseous media, which flow to the internal combustion engine. It is not only in the recuperative heat exchanger residual heat to the maximum extent physically returned to the process, but also the unusable heat of condensation of the steam used in the exhaust gas for heating purposes.
  • the heat exchange surface on the inner surface of the pressure burner according to the invention or the flue pipe, with its attached steam superheater and the attached Laval-driving nozzles, is increased by these surfaces having a fracture, which is preferably in the form of longitudinal grooves.
  • the heat transfer coefficient increases to about the same extent as creating an increase in surface area compared to a smooth, non-fissured surface.
  • Recuperative heat exchanger 30 Steam jet pump, consists of
  • Fig. 1 shows a schematic section of the internal combustion engine when using a vaporizable fuel and the subsequent use of residual heat for heating purposes. Likewise, a use of the feedwater is shown in a closed circuit in this section.
  • Fig. 2. shows a schematic section of the internal combustion engine when using in particular a solid fuel and atmospheric fire.
  • Fig. 3. shows a schematic section of the internal combustion engine with limited application, in which instead of an exhaust gas turbine 38, a conventional reciprocating motor 58 is used, which is loaded by the steam jet pump 30, analogous to a turbocharger.
  • Fig. 4. shows a schematic section of the internal combustion engine, when used in the vehicle with recuperative intermediate storage 43 of braking energy.
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal section for enlarging the heat exchange surface in the Laval drive nozzle with the design feature of flattening the opening angle 27 of divergent nozzle parts 24.
  • FIG. 6 shows a schematic longitudinal section for enlarging the heat exchange surface in the Laval nozzle with the structural feature of the multiplication of the Laval driving nozzles 22.
  • FIG. 8 shows a schematic cross-section through the surface-enlarged burner 8 or the surface-enlarged flue pipe 19 and the multiple blowing nozzles 22 on the burner 8 and the flue pipe 19.
  • the increase in the heat exchange surface of the Propelling nozzles are shown by the flattening of the passage cross-section 29 of the Laval-driving nozzles 22.
  • 1 shows how, in this internal combustion engine, the compression takes place without any mechanical compressor stage, with only one steam jet pump 30.
  • This type of compression by means of a steam jet pump could hitherto only be used technically as a precompressor in addition to mechanical compressors.
  • the conventional steam jet compressor as the sole compression stage would introduce too much steam into the combustion air. It would disproportionately much, not recoverable condensation heat lost and consequently achieved very poor efficiencies.
  • the compaction pressure would drop to a technically unacceptable level, and thus would not be feasible.
  • According to the invention succeeds in the compression of the combustion air with sufficient pressure with minimal water entry by the steam is exorbitantly superheated, as shown, in the steam superheater 11 and 21 and then especially in the Laval-nozzle 22, during the isentropic relaxation, heated.
  • This constant heating is effected by a, from the burner 8 and from the flue pipe 19 in the Laval-blowing nozzle 22 and the steam superheater 11 and 21 supplied, additional rich amount of heat. It is so well damaged even bad steam formation to the nozzle exit 26 completely avoided.
  • the injector efficiency is known to fall to the same extent, as condensate content forms in the motive steam.
  • the steam superheater 11 and 21 and the Laval nozzle 22 as shown in technical next possible proximity with a sufficient thermal connection to the burner 8 and the flue pipe 19, grown.
  • the steam temperature drops to the nozzle exit, during the isentropic expansion in the Laval nozzle, to the condensation temperature of the motive steam and in the steam condensate also below.
  • Laval nozzle 22 by the constant supply of heat from the burner 8 and from the flue gas in the flue pipe 19, for example, a combustion temperature of 1000 ° C, already a steam outlet temperature at the outlet nozzle 26 of reachable about 700 ° C.
  • enthalpy from the burner 8 ′.13 is used to increase the pressure of the pumped medium, but the enthalpy flows in an engine-internal, closed circuit to almost 100% to the starting point, the burner 8 °.13, back.
  • the recuperative heat exchanger 1 offers in the choice of guided through the countercurrent heat exchanger media and the pressures chosen here a variety of variants, which are based on the specific characteristics of the fuel used.
  • the feed water can be mixed with the liquid fuel before the single pressure pump 63 and together, under Maximum pressure, are passed through the heat exchanger 6 and through the steam superheater 11 and through the heated Laval nozzle 22.
  • the fuel as a motive steam content of the need for feed water falls.
  • less condensation heat is emitted analogously to the outlet 7 from the heat exchanger 1 and, according to the invention, the efficiency of the internal combustion engine achieves the highest possible value of all variants shown.
  • this After the illustrated passage of the exhaust gas through the recuperative heat exchanger 1, this has a temperature of about 100 ° C, which corresponds to the condensation temperature of the motive steam. In the condensate of the motive steam is still the bulk of the heat of condensation, which can no longer be used for the conversion into kinetic energy, it is irreversible.
  • This residual heat can be used as process heat or for heating purposes via a radiator 57.
  • the exhaust gas is cooled in an additional heat exchanger 56 below the condensation temperature of the feedwater.
  • the condensing water in the exhaust steam is separated after passing through the heat exchanger 2 in a water separator 51 from the exhaust gas to be subsequently freed in a filter 50 of impurities from the fuel burn-off. Thereafter, the recovered feed water flows for reuse in a feedwater tank 49. Since the combustion water is obtained with the feed water, there is an excess amount, which is discharged from the tank 49.
  • the conical suction tube 33 of the injector 31 is followed by a straight mixing tube 35 of constant cross-section.
  • the tube opens into a manifold 28, which redirects the gas mixture to the burner 3.
  • the manifold 36 is followed by another mixing tube 35.
  • Fig. 2 shows the invention when using preferably solid fuel is burned off, especially at atmospheric pressure. The burning takes place as poor as ash.
  • the heat exchanger 1 flows because of the switched between the burner 21 and the exhaust gas turbine 38 filter 20 of fly ash and soot liberated flue gas.
  • the feed water of the motive steam is pressed by the pressure pump 52 under maximum pressure by the recuperative heat exchanger 1 and by the steam superheater 21 and by the heated Laval-nozzle 22.
  • the condensate of the motive steam is still the bulk of the heat of condensation, which can not be used for the conversion into kinetic energy. This heat is lost irreversibly.
  • the combustion air and the feed water is heated to a desired maximum technical level.
  • the preheated feed water flows into the steam superheater 21 and the preheated combustion air into the burner 13.
  • the intake of the combustion air is effected by the suction of Injektorsaughunt 33.
  • In the suction chamber 33 is formed by the outflow of motive steam, a promotional negative pressure.
  • the residual heat in the exhaust gas can still be used as process heat or, as shown, for heating purposes via a heat exchanger 56 and radiator 57.
  • the exhaust gas is cooled in the heat exchanger 2 below the condensation temperature of the feedwater.
  • the feed water is separated after passing through the heat exchanger 2 in a water separator 51 from the exhaust gas, to be subsequently cleaned in a filter 50 of impurities from the fuel burn-off. Thereafter, the recovered feedwater flows into the feedwater tank 49 for renewed use. Since the combustion water also accumulates with the feedwater, there is an excess amount discharged from the tank 49.
  • the conical intake pipe 34 of the injector 31 is followed by a mixing tube 35 of constant cross-section.
  • the mixing tube 35 opens into the diffuser 37. There, the pressure of the mixture increases to its highest possible level.
  • the steam / exhaust gas mixture flows into the exhaust gas turbine 38.
  • the use of solid fuel for operating the exhaust gas turbine 38 is possible by using a burner 13, in which the ash sinks and the exhaust gas flows off as low as ash.
  • the flue gas is cleaned by means of a switched between the burner 13 and the exhaust turbine 38 filter 20 from fly ash and soot.
  • the physical form of pumping a hot exhaust gas through a steam jet pump 30 differs from all other pumping forms in a very distinctive and crucial feature.
  • a gaseous medium regardless of its temperature, can be compressed to the same pressure with a certain, available propulsion jet kinetics.
  • the cost of pumping in relation to the rising temperature or the volume of the fluid to be increased is increased.
  • the molecules of the propulsion jet leave the Laval propellant nozzles 22 in free flight into the intake pipe 34, where they only gradually, far from their original nozzle 26, collide with molecules of the pumped medium in the mixing tube 35. Whether a so struck molecule itself seen in a strong or weak Brown 'molecular motion is located, ie whether the pumped liquid hot or cold, does not matter.
  • Fig. 3 shows that the function of the exhaust gas turbine 38 by a conventional internal combustion engine 58, such as a reciprocating motor 58, can be adopted. However, since these motors 58 functionally have a mechanical compressor stage, the function of the steam jet pump 30 heated according to the invention is reduced to pre-compression of the combustion air.
  • the steam jet pump 30 thus replaces the conventional turbocharger, with the advantage that it has no moving parts and so higher precompression pressures can be provided. Of course, this increases the service life of the engine and it reduces the costs compared to conventional turbochargers.
  • the feed water is preheated in the recuperative heat exchanger 1. 4 shows a special application of the subject invention: It can be electrically heated with an external energy source of the bypass memory 43 of mineral mass. By this bypass memory 43 is then regulated, if necessary, regulated 44, more or less partial gas, which flows to the burner 8, passed. The gas mixture is heated and saves to the same extent, as it can absorb heat from the bypass memory 43, fuel fuel value, so de facto fuel.
  • the external energy source represents the braking energy of the motor vehicle, which generates electrical energy for the heating 45 of the bypass reservoir 43 via the generator 46 coupled to the wheels 47. Conversely, when driving, these drive wheels are driven by the internal combustion engine according to the invention.
  • an approximately 50 kg mineral bypass storage 43 which can be heated to temperatures up to 2000 ° C (e.g., magnesite), can absorb the total braking energy of a 30-tonne truck to a 500m altitude drop. In turn, this stored energy can be used again for driving the vehicle after passing the gradient.
  • 2000 ° C e.g., magnesite
  • FIG. 4 also shows the design of a recuperative heat exchanger 1 through which all possible liquid and gaseous media are conducted in separate heat exchangers.
  • a recuperative heat exchanger 1 through which all possible liquid and gaseous media are conducted in separate heat exchangers.
  • Fig. 5 Due to the flattening of the opening angle 27 of divergent nozzle parts 24 of the Laval-Treibdüse 22 shown to ⁇ 3 °, the Laval-Treibdüse 22 can be extended many times and their heat exchange surface to the motive steam increase equally.
  • Fig. 6 By dividing the total driving current of the propellant gas shown from several, correspondingly reduced Laval-driving nozzles 22, the total exchange area also increases. The more small Laval-driving nozzles 22 are used, the greater the effect of the heat exchange surface magnification.
  • Fig. 7. This example shows that the Laval driving nozzles 22 can not only be used to convey combustion air, but also flue gas from the flue pipe 19 can be promoted.
  • the emerging at the motive steam exits 26 motive steam flows together with the flue gas in the suction chamber 33 of the injector 31 and is subsequently, after passing through the mixing tube 35 in the exhaust gas turbine 38 downstream injector diffuser 37, compressed.
  • FIG. 8 Due to the flattening 34 of the conventionally round nozzle cross-sections of a Laval driving nozzle shown on a wide, but inversely reduced in height cross-section 29, the exchange surface increases to a considerable extent.
  • the illustrated fracture of the inner surface of the flue pipe 19 and the burner 8 increases the heat exchange surface in about the same extent, as the surface is compared with a smooth surface of the burner 8 and the flue pipe 19, increased.

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Abstract

Die Verbrennungskraftmaschine weist einen kontinuierlich, bei Überdruck betrieben Brenner 8 auf bzw., in einer erfindungsgemäßen Variante, einen bei atmosphärischem Druck betriebenen Brenner 13. In jedem Fall ist diesem Brenner 8 / 13 eine Abgasturbine 38 nachgeschalten und dieser ist wiederum ein Rekuperativ Wärmetauscher 1, der Restwärme aus dem Abgas auf alle der Verbrennungskraftmaschine zuströmenden gasförmigen und flüssigen Medien im physikalisch maximal möglichen Maße überträgt, nachgeschalten. Die vorerwärmte Verbrennungsluft, bzw. das Rauchgas, wird nachfolgend von nur der Dampfstrahlpumpe 30, ohne jede mechanische Verdichterstufe, verdichtet. Dies gelingt indem der Treibdampf nach dem Erhitzen im Wärmetauscher 2 in einem Dampfüberhitzer 11 bzw. 21 durch Wärme aus dem Brenner 8 bzw. 13 überhitzt wird und anschließend, während der isentropen Expansion in der Laval-Treibdüse 22, durch Wärmezufuhr aus dem Brenner 8 / 13 stetig aufgefrischt und überhitzt wird. In weiteren Varianten der Erfindung eignet sich diese als Ersatz eines konventionellen Turboladers und als Motor für ein Kfz mit rekuperativer Nutzung 43 von Bremsenergie.

Description

Verbrennungskraftmasachine mit einer Dampfstrahlpumpe als Verdϊchterstufe
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, in der das im kontinuierlichen Abbrand erzeugte Heißgas in einer Abgasturbine entspannt wird und in welcher der erforderliche Heißgas-Überdruck vor der Abgasturbine zumindest zum Teil mittels einer Dampfstrahlpumpe erzeugt wird. Der Abgasturbine ist ein Rekuperativ-Wärme- tauscher nachgeschalteten, der Restwärme aus dem abfließenden Abgas auf der Verbrennungskraftmaschine zuströmendes Medium überträgt.
Eine derartige Verbrennungskraftmaschine ist aus der Druckschrift US 5 687 560 A1 bekannt. Diese zeigt eine Abgasturbine mit einer vorgeschaltenen, kontinuierlich betriebenen Brennkammer und einer zweistufigen Abgasturbine. Der Abgasturbine, mit einer mechanischen Verdichterstufe ist ein erster Wärmetauscher zugeordnet, in dem Treibstoff vorgeheizt wird, der danach in die Brennkammer fließt. In einem zweiten Wärmetauscher wird dem Abgas Wärme entzogen und auf die zuvor im ersten Wärmetauscher abgekühlte Verbrennungsluft übertragen. Die Verdichtung erfolgt in dieser Anwendung ohne Einsatz einer Strahlpumpe; die Abgasturbine weist daher eine mechanische Verdichterstufe auf.
Aus der Druckschrift GB 642 118 A ist eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, der Wärmetauscher nachgeschalten sind, in denen die Verbrennungsluft für den kontinuierlichen Abbrand in der Abgasturbine vorerwärmt wird. Außerdem wird in den Wärmetauschern Dampf für einen Dampfgenerator erzeugt. Den Brennerdüsen wird ein Gemisch aus Öl und Dampf zugeführt, die Verdichtung erfolgt aber ebenfalls ohne Strahlpumpe und daher ist eine mechanische Verdichterstufe erforderlich.
Aus der Druckschrift GB 1 282 555 ist zu entnehmen ist, daß eine äußere Wärmequelle zur Dampferzeugung vor der Laval-Düse angeordnet ist. Ziel dieser Maßnahme ist die Ausbildung einer Hochvakuum-Unterdruckpumpe.Die Anordnung einer äußeren Wärmequelle zur Dampferzeugung vor der Laval-Düse dient dazu, einen höheren Unterdruck zu erzielen.
ERSÄTZBLATT (REGEL 26} Grundsätzlich sind eine Vielzahl von Gasturbinen mit rekuperativer Abwärmenutzung bekannt. Ebenso sind Anwendungen von Dampfprozessen in solchen Maschinen bekannt. Die zitierten Druckschriften zeigen beispielhaft den Stand der Technik: DE 69528871 T2 und DE 69432191 T2 und DE 6923198 T2. Diese Anwendungen nutzen aber alle samt nicht das erfindungsgemäße Zusammenwirken von Dampfstrahlpumpen in Gasturbinen mit rekuperativer Abwärmenutzung.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Verbrennungskraftmaschine mit einem kontinuierlichen Abbrand und einer physikalisch maximal möglichen rekuperativen Abwärmenutzung zu schaffen und die Verdichtung der Verbrennungsluft ausschließlich mittels einer Dampfstrahlpumpe zu bewerkstelligen. Es soll auf eine mechanische Verdichterstufe gänzlich verzichtet werden können.
Die Laval-Treibdüse dieser Erfindung wird sich folglich wesentlich von einer konventionellen Laval-Treibdüse unterscheiden müssen. Deren Treibdampf wird gegenüber dem einer herkömmlichen Dampfstrahlpumpen eine exorbitant gesteigerte kinetische Energie am Düsenaustritt besitzen müssen. Dieser Treibdampf soll die Verbrennungsluft bzw. in erfindungsgemäßer Variante, das Rauchgas im selben Maße, wie eine mechanische Verdichterstufe verdichten können.
Würde vergleichsweise auf die folglich erforderliche, erfindungsgemäß modifizierte Dampfstrahlpumpe verzichtet und eine konventionelle Dampfstrahlpumpe eingesetzt, wären zum Erreichen eines ausreichenden Verdichtungsdruckes der Verbrennungsluft derartige Unmengen an Treibdampf erforderlich, daß im Abgas nach dem Reku- perativ-Wärmetauscher umgekehrt soviel irreversibel verlorene Restwärme enthaltene wäre, daß kein praktisch nutzbarer Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu Stande käme. Außerdem würde diese Unmenge Dampf derart viel Wasser in den Brennraum eintragen, daß ein Entzünden einer Flamme nicht möglich wäre.
Erfindungsgemäß werden sämtliche flüssigen und gasförmigen Medien, welche der Verbrennungskraftmaschine zuströmen, dem Abgas im Rekuperativ-Wärmetauscher entgegengeführt und dem Abgas im physikalisch maximal möglichen Maße Wärme entzogen und auf die zuströmenden Medien übertragen. Dieser Gegenstrom-Wärmetauscher hat mit der Tauschflächengröße so ausgelegt zu sein, daß die gesamte verfügbare Restwärme aus dem Abgas auf den Treibstoff, die Verbrennungsluft und das Speisewasser bzw. auf den Treibdampf übertragen wird. Aus physikalischen Gründen ist ein Teil dieser im Dampf des Abgases enthaltenen Kondensationswärme nicht übertragbar, da das zuströmende Speisewasser einen weit höheren Druck, als der abströmende Dampf aufweisen muss. Die Verdampfungswärme für die Wandlung des zufließenden Speisewassers in Dampf wird erst bei weit über 100° C aufgenommen, während umgekehrt der abfließende Dampf die adäquate Kondensationswärme bei Atmosphärendruck und ca. 1000C freisetzt.
In einer Variante der Erfindung zur insbesondere Verbrennung von Festbrennstoff als Stückgut wird ebenfalls eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs erwähnten Art bereitgestellt. Festbrennstoff als Stückgut kann naturgemäß nur bei zumindest annähernd atmosphärischem Brennerdruck verbrannt werden kann. Für diese Form des Abbrandes soll eine erfindungsgemäße Abgasturbine nutzbar gemacht werden. Sie soll aber gleichermaßen für gasförmiger und flüssiger Treibstoff bei ebenfalls zumindest annähernd atmosphärischem Druck im Brenner anwendbar sein
In einer weiteren Variante der Erfindung ist eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, um die Bremsenergie eines Autos rekuperativ nutzbar einsetzen zu können und gleichermaßen dieses Auto anzutreiben. Es soll in einem Wärmespeicher die Bremsenergie des Kraftfahrzeuges in Form von Wärme gespeichert werden. Diese soll bei Bedarf nutzbar der Verbrennungskraftmaschine wieder zugeführt werden können.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, um die Verbrennungsluft eines konventionellen Hubkolbenmotors, analog der Wirkung des Abgas-Turboladers, vorzuverdichten. Es soll mittels der erfindungsgemäßen Dampfstrahlpumpe die Verbrennungsluft, die dem Hubkolben zuströmt, vorverdichtet werden. Es wird auf der konventionellen mechanischen Turbolader ersetzt und statt dessen die Verbrennungsluft, ohne einen bewegten mechanischen Teil, nur mittel Dampf vorverdichtet. Die Aufgaben sind dadurch gelöst, daß der Treibdampf der Dampfstrahlpumpe während der Expansion in der Laval-Treibdüse kontinuierlich durch Wärmeübertragung aus einem außerhalb der Dampfstrahlpumpe befindlichen Wärmereservoir aufgefrischt wird.
Im Gegensatz zu konventionellen Laval-Treibdüsen findet innerhalb der erfindungsgemäß beheizten Laval-Treibdüse keine isentrope Expansion des Dampfes statt, sondern eine zumindest annähernd isotherme Expansion innerhalb einer, von außen beheizten Laval-Treibdüse. Diese polytrope (= annähernd isotherme) Expansion innerhalb der beheizten Laval-Treibdüse hat zur Folge, daß der aus der Treibdüse austretende Dampf nicht wie bei konventionellen Laval-Treibdüsen inhomogen teilkondensiert ist oder gar teilweise in Eis gewandelt ist, sondern als homogenes, überhitztes Medium, als spezifisch leichterer Heißdampf austritt.
Der überhitzte Dampf, der aus der beheizten Laval-Treibdüse austritt, weist eine wesentlich erhöhte Geschwindigkeit gegenüber dem, aus konventionellen Laval- Treibdüsen austretenden Dampf auf. Überhitzter Dampf, der aus der erfindungsgemäßen Laval-Treibdüse austritt, besitzt wegen dessen höherer Geschwindigkeit einen adäquat erhöhten Bewegungsimpuls gegenüber des Dampfes, der aus einer konventionellen Laval-Treibdüse austritt. Die dermaßen erreichte Dampfgeschwindigkeit kann eine konventionelle Treibdüse physikalisch bedingt niemals erreichen.
Der Dampf erfährt in der erfindungsgemäß beheizten Laval-Treibdüse vom Einlass bis zum Auslass bei stetig fallendem Druck und bei zumindest annähernd gleichbleibender Temperatur (durch Wärmezufuhr von außen zu isothermer Expansion), eine Vergrößerung des Volumens, entsprechend des fallenden Druckes, bei zumindest gleichbleibender Temperatur. Die Enthalpie des Dampfes erfährt also eine Erhöhung während der Expansion in der Laval-Treibdüse und gleichzeitig werden schadhafte Entropiesprünge vermieden. In herkömmlichen Laval-Treibdüsen treten in deren divergenten Düsenteil während der Expansion des Dampfes mehrfach stoß- frontartige Kondensationssprünge auf, also mehrfache schadhafte Entropiesprünge. Die hoch beschleunigten Dampfmoleküle, die aus einer erfindungsgemäß beheizten Laval-Treibdüse austreten, besitzen so viel kinetische Energie, daß bei der anschließenden Impulsübertragung auf das Fördermedium ein Druck im Gemisch aus Treib- und Fördermedium erreicht wird, der die erfindungsgemäße einstufige Gasturbine mit einem Wirkungsgrad zu betreiben vermag, welcher mindestens dem Wirkungsgrad einer herkömmlichen zweistufigen ISO-Norm-Gasturbinen mit rekupera- tiver Abwärmenutzung entspricht. Dies ist weder mit einer herkömmlichen unbeheiz- ten Laval-Treibdüse, noch mit einer herkömmlichen Laval-Treibdüse, mit nur vorgeschaltetem Dampfüberhitzer, erreichbar.
Der Treibdampf, der während der Expansion innerhalb der Laval-Treibdüsen durch Wärme aufgefrischt wird, bezieht diese Wärme direkt oder indirekt aus dem Brenner. Die Wandungen der Laval-Treibdüsen übertragen diese Wärme auf den, durch diese Düse strömenden Treibdampf. Die Laval-Treibdüse ist direkt an den Brenner bzw. das Rauchrohr angebaut. Die Temperatur des Wärmereservoirs im Brenner bzw. im Rauchrohr, liegt stets einige 100° C über der Temperatur des Treibdampfes. Dermaßen bleibt der Treibdampf trotzt seiner Expansion überhitzt; er wird stetig aufgefrischt und tritt auch überhitzt am Treibdüsen-Ausgang aus.
Der Treibdampf wird vor dem Eintritt in die Laval-Treibdüsen durch den Rekuperativ- Wärmetauscher, welcher Wärme aus dem Abgas nach der Abgasturbine rückgewinnt, erhitzt. Nachfolgend wird der Treibdampf durch den Dampfüberhitzter, der Wärme aus dem Abbrand am Brenner bzw. am nachgeschaltenen Rauchrohr aufnimmt, überhitzt.
Der Dampf im Dampfüberhitzer erfährt bei gleichbleibendem Druck und einer irrelevanten Zunahme seiner Unterschall-Strömungsgeschwindigkeit eine Vergrößerung des Volumens, entsprechend der Erhöhung der Temperatur. Diese Form der Wärmezufuhr stellt eine isobare Erhöhung der Enthalpie dar.
Die Materialen vom Brenner bzw. Rauchrohr, hin zu den Laval-Treibdüsen, besitzen einen hohen Wärmeübertragungskoeffizient. Die Materialen bestehen vorzugsweise aus hochwärmeleitendem und entsprechend temperaturbeständigem Metall. Die Wärmeübertragung zur Dampfauffrischung des Treibdampfes innerhalb der Laval-Treibdüse sowie zur Dampfüberhitzung des Treibdampfes im Dampfüberhitzter, erfolgt über diese thermisch leitende Verbindungen zum Brenner bzw. durch die thermisch leitenden Verbindungen zum nachgeschaltenen Rauchrohr.
Die Verdichtung der Verbrennungsluft bzw. des Rauchgases, das der Abgasturbine zuströmt, erfolgt ausschließlich und alleinig durch die erfindungsgemäße Dampfstrahlpumpe, ohne jeglichem Erfordernis eines mechanischen Verdichters.
In einer herkömmlichen Laval-Treibdüse erreicht der Wasserdampf innerhalb der Laval-Treibdüse den Nassdampfbereich und es treten während der Expansion des Dampfdruckes mehrfach stoßfrontartige Kondensationssprünge auf. Dies sind kleine, mehrfache Entropiesprünge. Dabei wird teilweise die Eislinie des Kondensates unterschritten, Eiskristalle entstehen. Die Ungleichgewichtseffekte im Dampf führen insgesamt zu einer erheblichen Entropiezunahme des Treibdampfes in der Laval-Treibdüse. Deren Wirkungsgrad fällt weit unter einen Wert, der den Einsatz der Laval- Treibdüse, anstelle einer mechanischen Verdichterstufe, für eine Abgasturbine ermöglichen würde.
Umgekehrt tritt durch die Beheizung der Laval-Treibdüse der Wasserdampf innerhalb der Laval-Treibdüse niemals in den Nassdampfbereich und es treten während der Expansion des Dampfdruckes keinerlei Kondensationssprünge auf. Ungleichgewichtseffekte im Dampf entfallen gänzlich. Umgekehrt führt die Beheizung des Treibdampfes zu einer erheblichen Enthalpiezunahme des Treibdampfes innerhalb der Laval-Treibdüse. Deren Wirkungsgrad erreicht einen Wert, der den Einsatz der Laval-Treibdüse, anstelle einer mechanischen Verdichterstufe, für eine Abgasturbine ermöglicht.
Die gesamte, zur Vorerwärmung des Fördermediums verwendete Wärme, wird dem Fördermedium im Rekuperativ-Wärmetauscher bzw. im Brenner, vor dessen Verdichtung im Injektor, zugeführt. Die Form der Verdichtung in einem Injektor, als Impulsübertragung zwischen Treib- auf Fördermedium, erlaubt ein Erhitzen der Förderluft schon vor dem Verdichten. Mittels dieser Pumpwirkung der Dampfstrahlpumpe ist es möglich erhitzte Verbrennungsluft in jenem Maß zu verdichten, wie es auch für ISO-Norm Abgasturbinen erforderlich ist. Heiße Luft kann ohne jeden Wirkungsgradverlust wie kalte Luft gepumpt werden. Es kann die Verbrennungsluft bei atmosphärischem Druck und bei Umgebungstemperatur in den Rekuperativ-Wärmetauscher geführt werden, um sie, nach dem sie maximal Wärme aufgenommen hat, mittels der Impulsübertragung zu verdichten. Die erhöhte Temperatur des Medium spielt keinerlei Wirkungsgradschädigende Rolle. Dies erklärt sich wie folgt:
Bei allen herkömmlichen mechanischen Verdichtern entsteht mit erhöhter Temperatur des zu verdichtendem Medium ein erhöhter Gegendruck auf den Verdichterkolben. Ganz im Gegensatz dazu kann in der Dampfstrahlpumpe keine Rückwirkung durch einen Gegendruck eintreten. Der Treibdruck des Treibdampfes wird in der Laval-Treibdüse vollständig und restlos in Geschwindigkeit des beschleunigten Treibmediums umgesetzt. Dieses verlässt völlig unabhängig von der Temperatur des zu verdichtenden Medium ungebremst die Laval-Treibdüse.
Die Moleküle des Treibstrahls setzen zu einem freien Flug ins Saugrohr an, wo sie erst nach und nach, weit ab von ihrer Ursprungsdüse, mit Molekülen des Fördermediums kollidieren. Ob nun ein dermaßen getroffenes Molekül selbst in einer starken oder schwachen Brown 'sehen Molekülbewegung befindlich ist, also ob das Fördermedium heiß oder kalt ist, spielt nicht die geringste Rolle. Der Vorgang des Verdichten erfolgt vorteilhaft also nur in Form von Impulsübertragung.
Im als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildeten Rekuperativ-Wärmetauscher werden dem abströmenden Abgasgemisch alle der Verbrennungskraftmaschine zuströmenden flüssigen und gasförmigen Medien, in entsprechenden Wärmetauscherteilen, entgegengeführt. Die Wärmekapazität der zufließenden Medien entspricht im wesentlichen jener, des abfließenden Abgasgemisches. Daher kann das zufließende Medium in seiner Gesamtheit, bestehend aus Speisewasser, Treibstoff und Verbrennungsluft, mit Ausnahme der Kondensationswärme des abfließenden Dampfes, die gesamte Restwärme des abfließenden Mediums aufnehmen. Grund dessen, daß erfindungsgemäß jedes Medium schadfrei schon vor dessen Verdichtung beliebig Wärme aufnehmen kann, ergibt sich umgekehrt der Schluss, daß alle rekuperativ zu gewinnende Abwärme tatsächlich der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden kann. Mit erhöhter Rückführung von Restwärme erhöht sich der Wirkungsgrad dieser Verbrennungskraftmaschine im adäquaten Maße.
Vorausgesetzt, daß die Ausmaße der Wärmetauschflächen des Rekuperativ-Wärme- tauschers erfindungsgemäß ausreichend ausgebildet sind, fällt die Temperatur des Abgases bis zum Abgas-Ausgang auf die Kondensationstemperatur des, im abströmenden Gemisch enthaltenen Dampfes, dies sind 100° C. Eine weitere Abkühlung des Abgases ist nicht möglich, da der Druck des abfließenden Gemisches atmosphärisch ist, während der Druck des Speisewassers weit höher sein muss. Dadurch verdampft das Speisewasser bei weit über 100° C und kann folglich die dafür erforderliche Verdampfungswärme nicht aus der Kondensationswärme des bei atmosphärischem Druck abfließenden Dampfes aufnehmen. Diese Restwärme der Kondensationswärme ist für den Verbrennungsmotor also irreversibel verloren.
Die Dampfstrahlpumpe erzeugt im Injektor einen Unterdruck, der in einer Ausführungsvariante der Erfindung das Rauchgas aus dem, bei annähernd atmosphärischen Druck betriebenen Brenner fördert. Dieses Rauchgas wird nachfolgend, vor der Überleitung in die Abgasturbine, im Diffusor des Injektors verdichtet. Das verdichtete Rauchgas wird nachfolgend in der einstufigen Abgasturbine entspannt.
Besagter erfindungsgemäße Brenner ist vorzugsweise mit Holz-Stückgut zu betreiben, zumal bis dato keine technische Einrichtung bekannt ist, die bei atmosphärischem Druck im Brennkessel erzeugtes Rauchgas direkt zum Antrieb einer Abgasturbine nutzbar machen kann. Anstelle von Holz kann der Brenner auch mit flüssigen, gasförmigen oder sonstigen festen Brennstoffen betreiben werden. In jedem Fall wird die, dem Brenner zuströmende Verbrennungsluft zuvor im Rekuperativ-Wärme- tauscher erhitzt. Das Rauchgas aus dem Abbrand von Holz oder Kohle muss mittel eines zwischen den Brennraum und die Abgasturbine geschalteten Rauchgasfilter gereinigt werden. Es muss vor allem die Asche aus diesem Abbrand im Brennraum verbleiben. Würde Asche mit dem Abgas in die Wärmetauscher und in die Abgasturbine gelangen, würden diese außer Funktion gesetzt bzw. nach und nach zerstört. Deswegen wird das Rauchgas auch durch einen zwischen den Brennraum und die Abgasturbine geschalteten Filter von Ruß und Flugasche gereinigt und unter dem Brenngut ist eine Aschetruhe eingebaut, in welche die Asche durch einen Rost abrieselt.
Wenn flüssiger Treibstoff eingesetzt wird, der rückstandfrei im Rekuperativ-Wärme- tauscher verdampft werden kann, kann der Treibstoff zusammen mit dem Speisewasser mittels einer gemeinsamen Pumpe als homogenes Gemisch durch den Re- kuperativ-Wärmetauscher, anschließend durch den Dampfüberhitzer und anschließend durch die Laval-Treibdüse, in den Druckbrenner geführt werden. Da die Fließgeschwindigkeit des aus Wasserdampf und Treibstoffdampf bestehenden Gemisches bis zum Brenner nie unter die Brenngeschwindigkeit des Treibstoffdampfes fällt, entzündet sich der Treibstoff nicht. Das Gemisch aus Wasserdampf und Treibstoffdampf erreicht erst im Diffusor des Brenners die Zündgeschwindigkeit des Treibstoffes.
Der Treibstoff kann folglich, in der gezeigten Variante, zusammen mit dem Speisewasser als Treibmedium eingesetzt werden. Dadurch wird zur Erreichung eines bestimmten Druckes vorteilhaft entsprechend weniger Speiswasser benötigt. Weniger Speisewasser bedeutet, daß weniger irreversibel verlorene Restwärme nach dem Rekuperativ-Wärmetauscher anfällt. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors steigt, diese Variante erreicht den besten Wirkungsgrad aller gezeigten Varianten.
In der beheizten Laval-Treibdüse herrscht im divergenten Düsenteil, ob des erforderlichen Dampftreibdruckes, jedenfalls Überschallgeschwindigkeit. Ein gasförmiges Medium, das mit Überschallgeschwindigkeit strömt, darf innerhalb einer Laval-Treibdüse keinesfalls in der geradlinigen Strömungsachse durch eine Kurve im Strömungskanal gebeugt werden, da sonst äußerst schadhafte Verdichtungsstöße auftreten, welche die Entropie des Gases äußerst schadhaft erhöhen. Daraus resultiert die erforderliche Lösungen, wonach die Wärmetauschflächen der Laval-Treibdüsen absolut geradlinig zu konstruieren ist und die mögliche Wärmetauschfläche der Laval-Treibdüse zum Treibdampf, gegenüber konventioneller Laval- Treibdüsen, um ein Vielfaches zu vergrößern ist, da erhebliche Wärmemengen auf den Treibdampf zu übertragen sind. Die Oberfläche herkömmlicher Laval-Treibdüsen, die ursprünglich nicht als Wärmetauschfläche gedacht waren, wäre um ein x- faches zu klein.
Eine derartige Vergrößerung der Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse erfolgt erfindungsgemäß u. a. durch die Aufteilung des Treibstrahldampfes auf mehrere, parallel ausgerichtete, jeweils einen Teil des Gesamtdampfstromes aufnehmenden Laval-Treibdüsen. Der Gesamtgasstrom wird also auf mehrere solche Laval-Treibdüsen als Teilgasströme aufgeteilt.
Eine weitere Vergrößerung der Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse ist u. a. dadurch möglich, daß der Düsenumfang gegenüber eines runden Düsenquerschnitts durch Verflachen des Düsenquerschnitts, bei entsprechrechender Verringerung dessen Höhe, vergrößert wird.
Eine weitere Vergrößerung der Wärmetauschfläche in den Laval-Treibdüsen erfolgt u. a. durch die Verflachung des Steigwinkels der divergenten Düsenteile auf weniger als 3°. Dies führt zu einer entsprechenden Verlängerung der Längsachse der divergenten Düsenteile, mit folglicher Vergrößerung der Wärmetauschfläche. Der divergente Düsenteil der Laval-Treibdüse ist also im Winkel stark zu verflachen, um dermaßen eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche zu erzielen.
In einem erfindungsgemäßen Anwendungsbeispiel wird die beheizte Laval-Treibdüse zum Vorverdichtung der Ladeluft eines konventionellen Hubkolbenmotors eingesetzt. Es wird mittels des Treibdampfes, der in einem Dampfüberhitzer zuvor überhitzt wurde und dann durch die beheizte Laval-Treibdüse geführt wird, die Verbrennungsluft vor dem Eintritt in den konventionellen Verbrennungsmotor vorverdichtet. Diese Funktion ersetzt den konventionellen Abgas-Turbolader zur Vorverdichtung der Verbrennungsluft. In einem weiteren erfindungsgemäßen Anwendungsbeispiel wird der Gasstrom nach der beheizten Laval-Treibdüse und dem Injektor durch einen beheizbaren Bypass- Wärmespeicher geführt. Dieser Gasstrom ist mittel Regelventil regelbar im Bypass zu erhöhen, zu verringern oder abzuschalten.
Der Bypass-Wärmespeicher, aus vorzugsweise Mineral, wird durch die Bremsenergie eines Kraftfahrzeuges, die im Generator in elektrischen Strom gewandelt wird, erwärmt. Der Generator seinerseits wird durch ein oder mehrere Räder des Kfz angetrieben. Es kann also mit einer äußeren Energiequelle der Bypass-Speicher elektrisch aufgeheizt werden. Durch diesen Bypass-Speicher wird dann bei Bedarf geregelt, mehr oder weniger Teilgas, das dem Brenner zuströmt, geleitet. Das Gasgemisch wird dabei erwärmt und spart im selben Maß, als es Wärme vom Bypass- Speicher aufnehmen kann, Treibstoffbrennwert, also de facto Treibstoff.
Über einen weiteren Wärmetauscher kann ein Teil der Restwärme nach dem Rekup- erativ-Wärmetauscher, dem seinerseits zuvor alle flüssigen und gasförmigen Medien, die dem Verbrennungsmotor zufließen, entgegengeführt wurden, zu Heizzwecken oder als Prozesswärme genutzt werden. Es wird nicht nur im Rekuperativ-Wärme- tauscher Restwärme im physikalisch maximal möglichen Maße dem Prozess rückgeführt, sondern auch die nicht nutzbare Kondensationswärme des Dampfes im Abgas zu Heizzwecken genutzt.
Die Wärmetauschfläche an der Innenfläche des erfindungsgemäßen Druckbrenners bzw. des Rauchrohres, mit dessen angebauten Dampfüberhitzer und den angebauten Laval-Treibdüsen, wird vergrößert, indem diese Oberflächen eine Zerklüftung aufweist, die vorzugsweise in Form von Längsrillen ausgebildet ist.
Der Wärmeübergangskoeffizient nimmt in etwa im selben Maße zu, als dermaßen eine Vergrößerung der Oberfläche gegenüber einer glatten, nicht zerklüfteten Oberfläche geschaffen wird. Legende mit Hinweisziffern zu den Zeichnungen:
1. Rekuperativ- Wärmetauscher 30. Dampfstrahlpumpe, besteht aus
2. Abgas- Wärmetauscher in 1 Dampfüberhitzer 8 bzw.19, Laval-
3. Verbrennungsluft-Wärmetauscher Treibdüsen 22 und Injektor 31 in 1 31. Injektor
4. Speiswasser-Wärmetauscher in 1 32. Ansaugstutzen an 31
5. Treibstoff-Wärmetauscher in 1 33. Ansaugkammer in 31
6. Treibstoff / Speisewassergemisch- 34. Konisches Ansaugrohr in 31 Wärmetauscher in 1 35. Mischrohr in 31
7. Abgas-Auslass an 2 36. Mischrohrkrümmer in 31
8. Brenner (Überdruck) 37. Injektordiffusor in 31
9. Einlassdiffusor in 8 38. Abgasturbine
10. Brennraum in 8 39. Druckgas-Einlass an 38
11. Dampf Überhitzer an Brenner 8 40. Abgas-Ausgang an 38
12. Thermische Verbindung von 8 41. Überströmleitung zu 2 bzw. 19 zu Laval-Treibdüsen 22 42. Antriebsachse an 38 und Dampfüberhitzern 12 bzw. 21 43. Bvpass-Wärmetauscher
13. Brenner (atmosphärisch) 44. Regelventil an 43
14. Brennraum in 13 45. elektrische Beheizung von 43
15. Rost in 13 46. Generator für 43
16. Brennraumtüre von 13 ___ 47. Kfz-Antriebsrad für 46
17. Aschetruhe in 13
18. Verbrennungslufteinlass an 13 48. Speisewasserpumpe
19. Rauchrohr an 13 49. Speisewassertank
20. Rauchgasfilter in 19 50. Speisewasserfilter
21. Dampfüberhitzer am Rauchrohr 19 51. Speisewasser-Abscheider
22. Laval-Treibdüsen (beheizt) 52. Treibstoffpumpe an 8, bzw. an 13 53. Treibstoff / Speisewasserpumpe
23. Konvergente Düsenteile in 22 54. Treibstofftank
24. Divergente Düsenteile in 22 55. Abgasauspuff
25. Treibdampf-Eingänge an 23 56. Wärmetauscher für Heizung
26. Treibdampf-Ausgänge an 24 57. Heizkörper
27. Öffnungswinkel der divergenten 58. Konventionell. Verbrennungsmotor Düsenteile 24 59. Wärmetauscher am Auspuff von 57
28. Längsachse der Düsenteile 24 60. Allseitige Wärmeisolation
29. Verflachte Querschnitte von 22 61. Zerklüftung in 8 oder 19 Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung erläutert:
Fig. 1 zeigt einen schematisierten Schnitt der Verbrennungskraftmaschine bei Verwendung eines verdampfbaren Treibstoffes und der nachträglichen Nutzung der Restwärme für Heizzwecke. Ebenso wird in diesem Schnitt eine Nutzung des Speisewassers in einem geschlossenen Kreislauf dargestellt.
Fig. 2. zeigt einen schematisierten Schnitt der Verbrennungskraftmaschine bei Verwendung von insbesonders eines Festbrennstoffes und bei atmosphärischem Ab- brand.
Fig. 3. zeigt einen schematisierten Schnitt der Verbrennungskraftmaschine bei eingeschränkter Anwendung, in der anstelle einer Abgasturbine 38 ein konventioneller Hubkolbenmotor 58 eingesetzt wird, der durch die Dampfstrahlpumpe 30, analog eines Turboladers, geladen wird.
Fig. 4. zeigt einen schematisierten Schnitt der Verbrennungskraftmaschine, bei der Anwendung im Kfz mit rekuperativer Zwischenspeicherung 43 von Bremsenergie.
Fig. 5. zeigt einen schematisierten Längsschnitt zur Vergrößerung der Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse mit dem konstruktiven Merkmal des Verflachen des Öffnungswinkels 27 von divergenten Düsenteilen 24.
Fig. 6. zeigt einen schematisierten Längsschnitt zur Vergrößerung der Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse mit dem konstruktiven Merkmal der Vervielfachung der Laval-Treibdüsen 22.
Fig. 8. zeigt einen schematisierten Querschnitt durch den Oberflächen-vergrößerten Brenner 8 bzw. das Oberflächen-vergrößerte Rauchrohr 19 und die Mehrfach-Treib- düsen 22 am Brenner 8 bzw. am Rauchrohr 19. Ebenso wird in dieser Darstellung die Vergrößerung der Wärmetauschfläche der Treibdüsen durch die Verflachung des Durchlass-Querschnittes 29 der Laval-Treibdüsen 22 gezeigt. Es zeigt die Fig. 1 wie in dieser Verbrennungskraftmaschine die Verdichtung ohne jede mechanische Verdichterstufe, mit nur einer Dampfstrahlpumpe 30, erfolgt. Diese Art der Verdichtung mittels Dampfstrahlpumpe, konnte bisher technisch sinnvoll nur zusätzlich zu mechanischen Verdichtern als Vorverdichter verwendet werden. Der herkömmliche Dampfstrahlverdichter als alleinige Verdichtungsstufe würde zu viel Dampf in die Verbrennungsluft eintragen. Es würde unverhältnismäßig viel, nicht rückgewinnbare Kondensationswärme verloren gehen und folglich sehr schlechte Wirkungsgrade erzielt. Würde alternativ die Menge des Treibdampfes auf ein annehmbares Maß reduzieren, würde der Verdichtungsdruck auf ein technisch nicht mehr verwertbares Maß sinken, dies wäre folglich auch nicht realisierbar.
Erfindungsgemäß gelingt die Verdichtung der Verbrennungsluft mit ausreichendem Druck bei minimiertem Wassereintrag, indem der Dampf zunächst, wie dargestellt, im Dampfüberhitzer 11 bzw. 21 exorbitant überhitzt wird und danach vor allem in der Laval-Treibdüse 22, während der isentropen Entspannung, beheizt wird. Diese ständige Beheizung erfolgt durch eine, aus dem Brenner 8 bzw. aus dem Rauchrohr 19 in die Laval-Treibdüse 22 und den Dampfüberhitzer 11 bzw. 21 zugeführte, zusätzliche satte Wärmemenge. Es wird dermaßen auch schadhafte Nassdampfbildung bis zum Düsenaustritt 26 völlig vermieden. Der Injektor-Wirkungsgrad fällt bekanntlich im selben Maß, als sich Kondensatanteil im Treibdampf bildet.
Durch die beiden dargestellten Maßnahmen 11 + 22 gelingt gegenüber herkömmlicher Laval-Treibdüsen in etwa eine Verdoppelung der Geschwindigkeit des Treibdampfes am Austritt 26 der Laval-Treibdüse 22. Grundsätzlich könnte wahlweise auf den Dampfüberhitzer 11 bzw. 21 auch verzichtet werden, es müsste dann aber die Laval-Treibdüse 22, zur Übertragung der erforderlichen Wärmemengen, mit unverhältnismäßig vergrößertem Aufwand dementsprechend größer gebaut werden.
Der zusätzliche Wärmeeintrag zur Beheizung des Dampfüberhitzers 11 bzw. 21 und der Laval-Treibdüse 22 erfolgt durch Wärmeentnahme aus dem Brenner 8 bzw. 13. Zu diesem Zweck ist der Dampfüberhitzer 11 bzw. 21 und die Laval-Treibdüse 22, wie dargestellt, in technisch nächst möglicher Nähe mit einem ausreichenden thermischen Schluss zum Brenner 8 bzw. zum Rauchrohr 19, angebaut. In herkömmlichen (unbeheizten) Laval-Treibdüsen fällt die Dampftemperatur bis zum Düsenaustritt, während der isentropen Entspannung in der Laval-Treibdüse, auf die Kondensationstemperatur des Treibdampfes und im Dampfkondensat auch darunter.
Im Gegensatz dazu ist bei der dargestellten Laval-Treibdüse 22, durch die ständige Zufuhr von Wärme aus dem Brenner 8 bzw. aus dem Rauchgas im Rauchrohr 19, bei beispielsweise einer Abbrandtemperatur von 1000° C, bereits eine Dampf-Austrittstemperatur an der Austrittsdüse 26 von ca. 700 ° C erreichbar.
Die dem Brenner 8 bzw.13 zur Erhöhung der Enthalpie des Dampfes in der Treibdüse 22 und des Dampfüberhitzers 11 bzw. 21 entzogen Wärme, mit folglicher Senkung der Entropie des Treibdampfes, mündet über den Injektor 31 wieder im Brenner 8 bzw. 13. Der Wärmeentzug aus dem Brenner 8 bzw.13 wird also in einem inneren Kreislauf dem Brenner 8 bzw. 13 stets zu annähernd 100% wieder rückgeführt.
Mit anderen Worten: Enthalpie aus dem Brenner 8 bzw.13 wird genutzt um den Druck des Fördermedium zu erhöhen, die Enthalpie fließt aber in einem motorinternen, geschlossenen Kreislauf zu annähernd 100% zum Ausgangspunkt, dem Brenner 8 bzw.13, zurück.
Der Rekuperativ-Wärmetauscher 1 bietet bei der Wahl der durch den Gegenstrom- Wärmetauscher geführten Medien und der dabei gewählten Drücke verschiedenste Varianten, die sich durch die spezifischen Eigenheiten des verwendeten Treibstoffes begründen.
Die dargestellte Fig. 1 zeigt, auf den Wirkungsgrad bezogen, den bestmöglichen Fall: Bei Verwendung von rückstandfrei verdampfbarem Treibstoffen (Alkohole, Benzine, etc.), kann das Speisewasser mit dem flüssigen Treibstoff schon vor der einzelnen Druckpumpe 63 vermischt werden und gemeinsam, unter Höchstdruck, durch den Wärmetauscher 6 und durch den Dampfüberhitzer 11 sowie durch die beheizte Laval-Treibdüse 22 geführt werden. Durch die Verwendung des Treibstoffs als Treibdampfanteil fällt der Bedarf an Speisewasser. Durch den verringerten Speisewasserbedarf fällt analog weniger Kondensationswärme nach dem Austritt 7 aus dem Wärmetauscher 1 an und der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erreicht erfindungsgemäß den höchst möglichen Wert aller gezeigten Varianten.
Nach dem dargestellten Durchlauf des Abgases durch den Rekuperativ-Wärme- tauscher 1 weist dieses eine Temperatur von ca. 100° C auf, welche der Kondensationstemperatur des Treibdampfes entspricht. Im Kondensat des Treibdampfes steckt aber noch der Großteil der Kondensationswärme, die für die Umwandlung in kinetische Energie nicht mehr verwendet werden kann, sie ist irreversibel.
Diese Restwärme kann als Prozesswärme oder für Heizzwecke über einen Heizkörper 57 genutzt werden. Dazu wird das Abgas in einem zusätzlichen Wärmetauscher 56 unter die Kondensationstemperatur des Speisewassers abgekühlt. Das kondensierende Wasser im Abdampf wird nach dem Durchlauf durch den Wärmetauscher 2 in einen Wasserabscheider 51 vom Abgas getrennt, um anschließend in einem Filter 50 von Verunreinigungen aus dem Treibstoffabbrand befreit zu werden. Danach fließt das wiedergewonnene Speisewasser zur neuerlichen Verwendung in einen Speisewassertank 49. Da mit dem Speisewasser auch das Verbrennungswasser anfällt ergibt sich eine Übermenge, die aus dem Tank 49 abgelassen wird.
Dem konischen Absaugrohr 33 des Injektors 31 ist ein gerades Mischrohr 35 gleichbleibenden Querschnittes nachgeschalten. Das Rohr mündet in einen Krümmer 28, der das Gasgemisch zum Brenner 3 zurücklenkt. Dem Krümmer 36 folgt ein weiteres Mischrohr 35.
Mit Eintritt des Gasgemisches in den Brennerdiffusor 9 wird dieses stark abgebremst. Die Fließgeschwjndigkeit des Treibstoff/Dampf/Verbrennungsluftgemisches wird unter die Brenngeschwindigkeit reduziert. Umgekehrt steigt der Druck auf sein höchst mögliches Maß. Dermaßen wird bei dieser spezifischen Ausführungsvariante, in welcher Treibstoff dem Treibdampf und der Verbrennungsluft beigemischt ist, das Gemisch anfangs dieses Diffusors 9 entzündet. Das an sich brennbare Gemisch konnte sich zuvor weder in der Ansaugkammer, noch in einem Mischrohr 35 oder im Krümmer 36 entzünden, da der Querschnitt dieser Bauteile immer so gewählt wird, daß die Fliessgeschwindigkeit des brennbaren Gasgemisches stets höher, als die Brenngeschwindigkeit des Selben ist.
Fig. 2 zeigt die Erfindung bei Verwendung von vorzugsweise Festbrennstoff der insbesonders bei atmosphärischem Druck abgebrannt wird. Der Abbrand erfolgt aschearm. In den Wärmetauscher 1 strömt wegen des zwischen den Brenner 21 und die Abgasturbine 38 geschaltenen Filters 20 von Flugasche und Russ befreites Rauchgas.
Das Speisewasser des Treibdampfes wird durch die Druckpumpe 52 unter Höchstdruck durch den Rekuperativ-Wärmetauscher 1 und durch den Dampfüberhitzer 21 sowie durch die beheizte Laval-Treibdüse 22 gepresst.
Nach dem dargestellten Durchlauf des Abgases durch den Rekuperativ-Wärmetauscher 1 weist dieses eine Temperatur von ca. 100° C auf, welche der Kondensationstemperatur des Treibdampfes entspricht. Im Kondensat des Treibdampfes steckt aber noch der Großteil der Kondensationswärme, die für die Umwandlung in kinetische Energie nicht mehr verwendet werden kann. Diese Wärme ist irreversibel verloren.
Umgekehrt wird die Verbrennungsluft und das Speisewasser in einem angestrebten maximalen technischen Maß erwärmt. Das vorerwärmte Speisewasser fließt in den Dampfüberhitzer 21 und die vorerwärmte Verbrennungsluft in den Brenner 13. Das Ansaugen der Verbrennungsluft erfolgt durch die Saugwirkung der Injektorsaugkammer 33. In der Saugkammer 33 entsteht durch das Ausströmen des Treibdampfes ein fördernder Unterdruck.
Die Restwärme im Abgas, nach dem Wärmetauscher 2, kann noch als Prozesswärme oder, wie dargestellt, für Heizzwecke über einen Wärmetauscher 56 und Heizkörper 57 genutzt werden. Dazu wird das Abgas im Wärmetauscher 2 unter die Kondensationstemperatur des Speisewassers abgekühlt. Das Speisewasser wird nach dem Durchlauf durch den Wärmetauscher 2 in einen Wasserabscheider 51 vom Abgas getrennt, um anschließend in einem Filter 50 von Verunreinigungen aus dem Treibstoffabbrand gereinigt zu werden. Danach fließt das wiedergewonnene Speisewasser zur neuerlichen Verwendung in den Speisewassertank 49. Da mit dem Speisewasser auch das Verbrennungswasser anfällt, ergibt sich eine Übermenge, die aus dem Tank 49 abgelassen wird.
Dem konischen Saugrohr 34 des Injektors 31 ist ein Mischrohr 35 gleichbleibenden Querschnittes nachgeschalten. Das Mischrohr 35 mündet in den Diffusor 37. Dort steigt der Druck des Gemisches auf sein höchst mögliches Maß. Nach dem Injektor 31 strömt das Dampf/Abgasgemisch in die Abgasturbine 38.
Durch die Verwendung eines Brenners 13, in welchem die Asche absinkt und das Abgas aschearm abfließt, ist die Verwendung von Festbrennstoff zum Betreiben der Abgasturbine 38 möglich. Zusätzlich wird das Rauchgas mittel eines zwischen den Brenner 13 und die Abgasturbine 38 geschalteten Filter 20 vom Flugasche und Ruß gereinigt.
Wäre die Asche und der Ruß im Abgas vorhanden, würde die Abgasturbine 38 durch die schleifende Wirkung der Rußteilchen nach und nach zerstört. Flugasche würde sich außerdem nachteilig in den Wärmetauschern 2 + 56 ablagern, wodurch diese in ihrer Funktion gemindert werden.
Die physikalische Form des Pumpens eines heißen Abgases durch eine Dampfstrahlpumpe 30 unterscheidet sich in einer sehr markanten und entscheidenden Besonderheit von allen anderen Pumpformen. Es kann ein gasförmiges Medium, unabhängig von dessen Temperatur, mit einer bestimmten, zur Verfügung stehenden Treibstrahlkinetik jedenfalls auf den gleichen Druck verdichtet werden.
Dem gegenüber nimmt z.B. bei Kolbenverdichtern, Turboverdichtern, etc., der Aufwand des Pumpens im Verhältnis zur steigenden Temperatur bzw. des Volumens vom Fördermedium zu. Die Moleküle des Treibstrahls verlassen die Laval-Treibdüsen 22 im freien Flug ins Saugrohr 34, wo sie erst nach und nach, weit ab von ihrer Ursprungsdüse 26, mit Molekülen des Fördermediums im Mischrohr 35 kollidieren. Ob nun ein dermaßen getroffenes Molekül selbst in einer starken oder schwachen Brown' sehen Molekülbewegung befindlich ist, also ob das Fördermedium heiß oder kalt ist, spielt keine Rolle.
Der Vorgang des Verdichten erfolgt vorteilhaft also nur in Form von Impulsübertragung. Diese Impulsübertragung zwischen dem Treibmedium auf das Fördermedium ermöglicht, daß ein heißes und weit expandiertes Abgas gleichermaßen gefördert werden kann, als ob es sich dabei um ein kaltes Gas handeln würde.
Mittels dieser Pumpwirkung der Dampfstrahlpumpe 30 ist es möglich heißes Abgas unabhängig von seiner Temperatur zu verdichten. Da das Pumpen in Form von Impulsübertragung erfolgt muss lediglich das Mischrohr 35 im selben Maß verlängert werden, als das Volumen des zu pumpenden heißen Gases, gegenüber eines kalten Gases, vergrößert ist. Durch diese Verlängerung des Mischrohres 35 ist die Trefferwahrscheinlichkeit von Treibmolekülen gegenüber heißer Fördermoleküle gleich hoch wie gegenüber kalter Fördermoleküle.
Fig. 3 zeigt, daß die Funktion der Abgasturbine 38 auch durch einen konventionellen Verbrennungsmotor 58, beispielsweise einem Hubkolbenmotor 58, übernommen werden kann. Da diese Motoren 58 aber funktionell jedenfalls eine mechanische Verdichterstufe aufweisen, reduziert sich die Funktion der erfindungsgemäß beheizten Dampfstrahlpumpe 30 auf das Vorverdichten der Verbrennungsluft.
Die Dampfstrahlpumpe 30 ersetzt dermaßen also den herkömmlichen Turbolader, mit dem Vorteil, daß diese keine beweglichen Teile aufweist und dermaßen höhere Vorverdichtungsdrücke erbracht werden können. Selbstverständlich steigt dadurch die Standzeit des Motors und es sinken die Kosten gegenüber herkömmlicher Turbolader. Im gezeigten Beispiel wird im Rekuperativ-Wärmetauscher 1 das Speisewasser vorerwärmt. Fig.4 zeigt eine Sonderanwendung der gegenständlichen Erfindung: Es kann mit einer äußeren Energiequelle der Bypass-Speicher 43 aus mineralischer Masse elektrisch aufgeheizt werden. Durch diesen Bypass-Speicher 43 wird dann bei Bedarf, geregelt 44, mehr oder weniger Teilgas, das dem Brenner 8 zuströmt, geleitet. Das Gasgemisch wird dabei erwärmt und spart im selben Maß, als es Wärme vom Bypass-Speicher 43 aufnehmen kann, Treibstoffbrennwert, also de facto Treibstoff.
Die äußere Energiequelle stellt die Bremsenergie des Kfzs dar, die über den mit den Rädern 47 gekoppeltem Generator 46 elektrische Energie für die Aufheizung 45 des Bypass-Speichers 43 erzeugt. Umgekehrt, im Fahrbetrieb, werden diese Antriebsräder durch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine angetrieben.
Real kann ein ca. 50 kg schwerer, mineralischer Bypass-Speicher 43, der auf Temperaturen bis 2000° C erhitzt werden kann (z.B. Magnesit), die gesamte Bremsenergie eines 30-Tonner-Lkw's auf ein Höhengefälle von 500 m aufnehmen. Diese gespeicherte Energie kann nach dem Passieren des Gefälles umgekehrt wieder für den Antrieb des Fahrzeuges genutzt werden.
Die Fig. 4 zeigt außerdem die Ausführung eines Rekuperativ-Wärmetauschers 1, durch den sämtliche möglichen flüssigen und gasförmigen Medien in getrennten Wärmetauschern geführt werden. Dermaßen ist je ein Wärmetauscherteil für das Abgas 2, für die Verbrennungsluft 3, für das Speisewasser bzw. den Treibdampf 4 sowie für den Treibstoff 5 vorhanden.
Fig. 5: Durch das gezeigte Verflachen des Öffnungswinkels 27 von divergenten Düsenteilen 24 der Laval-Treibdüse 22 auf < 3° lässt sich die Laval-Treibdüse 22 um ein Vielfaches verlängern und sich deren Wärmetauschfläche zum Treibdampf gleichermaßen vergrößern.
Fig. 6: Durch das gezeigte Aufteilen des Gesamttreibstromes des Treibgases aus mehrere, entsprechend verkleinerte Laval-Treibdüsen 22 steigt die Gesamttauschfläche ebenfalls. Je mehr kleine Laval-Treibdüsen 22 dabei eingesetzt werden, je größer der Effekt der Wärmetauschflächen-Vergrößerung ist. Fig. 7. Dieses Beispiel zeigt, daß die Laval-Treibdüsen 22 nicht nur zum Fördern von Verbrennungsluft eingesetzt werden können, sondern auch Rauchgas aus dem Rauchrohr 19 gefördert werden kann. Der an den Treibdampf-Ausgängen 26 austretende Treibdampf strömt zusammen mit dem Rauchgas in die Ansaugkammer 33 des Injektors 31 und wird nachfolgend, nach dem Passieren des Mischrohres 35 in dem der Abgasturbine 38 nachgeschaltenen Injektordiffusor 37, verdichtet.
Fig 8: Durch das gezeigte Verflachen 34 der konventionell runden Düsen-Querschnitte einer Laval-Treibdüse auf einen breiten, aber umgekehrt in der Höhe verkleinerten Querschnitt 29, steigt die Tauschfläche im erheblichen Maß. Die dargestellte Zerklüftung der Innenfläche des Rauchrohres 19 bzw. des Brenners 8 vergrößert die Wärmetauschfläche in etwa im selben Maße, als dermaßen die Oberfläche gegenüber einer glatten Oberfläche des Brenners 8 bzw. des Rauchrohres 19, vergrößert wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Verbrennungskraftmaschine, in der das im kontinuierlichen Abbrand erzeugte Heißgas in einer Abgasturbine entspannt wird und in welcher der erforderliche Heißgas-Überdruck vor der Abgasturbine zumindest zum Teil mittels einer Dampfstrahlpumpe erzeugt wird und einem, der Abgasturbine nachgeschalteten Rekupera- tiv-Wärmetauscher, der Restwärme aus dem abfließenden Abgas auf zuströmendes Medium überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibdampf während der Expansion in der Laval-Treibdüse (22) kontinuierlich durch Wärmeübertragung aus einem außerhalb der Dampfstrahlpumpe (30) befindlichem Wärmereservoir aufgefrischt wird.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Treibdampf während der Expansion innerhalb der Laval-Treibdüsen (22) durch Wärme aus dem Brenner (8 bzw. 13) aufgefrischt wird und der Treibdampf dermaßen überhitzt am Treibdüsen-Ausgang (26) austritt.
3. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des der Abgasturbine (38) zuströmenden Gasgemisches ausschließlich durch die erfindungsgemäße Dampfstrahlpumpe (30) erfolgt.
4. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildeten Rekuperativ- Wärmetauscher (1) dem abströmenden Abgasgemisch (2) sämtliche, der Verbrennungskraftmaschine zuströmenden flüssigen und gasförmigen Medien in entsprechenden Wärmetauscherteilen (3 / 4 / 5 / 6) entgegengeführt werden.
5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Rekuperativ-Wärmetauscher (1) das Abgasgemisch bis zum Abgas-Ausgang (7) auf die Kondensationstemperatur des im abströmenden Gemisch enthaltenen Dampfes abgekühlt wird.
6. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibdampf vor dem Laval-Treibdüsen-Eintritt (25) durch den Rekuperativ-Wärmetauscher (1), der Wärme aus dem Abgas nach der Abgasturbine (38) rückgewinnt und wahlweise nachfolgend auch durch den Dampfüberhitzter (11 bzw. 21), der Wärme aus dem Brenner (8) bzw. am nachgeschaltenen Rauchrohr (19) aufnimmt, geführt wird.
7. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung zur Dampfauffrischung des Treibdampfes innerhalb der Laval-Treibdüse (22) sowie zur Dampfüberhitzung des Treibdampfes im Dampfüberhitzter (11 bzw. 21) durch thermisch leitende Verbindungen (12) zum Brenner (8) bzw. durch thermisch leitende Verbindungen (12) zum nachgeschaltenen Rauchrohr (19) erfolgt.
8. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte, zur Vorerwärmung des Fördermediums verwendete Wärme dem Fördermedium im Rekuperativ-Wärmetauscher (1) bzw. im Brenner (13) bereits vor dessen Verdichtung im Injektor (31) zugeführt wird.
9. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfstrahlpumpe (30) Rauchgas aus dem bei zumindest annähernd atmosphärischem Druck zu betreibenden Brenner (13) fördert und dieses nachfolgend, vor der Überleitung in die Abgasturbine (38), im Injektor (31), verdichtet.
10. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft und der Treibdampf mit Restwärme aus dem, mit flüssigem, gasförmigem oder festem Brennstoff zu betreibenden Brenner (13) im Rekuperativ-Wärmetauscher (1) vorerwärmt (3) wird.
11. Verbrennungskraftmaschine den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauchgas mittel eines zwischen den Brennraum (14) und die Abgasturbine (38) geschalteten Rauchgasfilter (20) gereinigt wird.
12. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse (22) u. a. durch die Aufteilung des Treibstrahldampfes auf mehrere, parallel ausgerichtete, jeweils einen Teil des Gesamtdampfstromes aufnehmenden Laval-Treib- düsen (22) gebildet wird
13. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche in der Laval-Treibdüse (22) u. a. durch eine Verflachung des Durchlassquerschnittes (29) gebildet wird.
14. Verbrennungskraftmaschine nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche in den Laval-Treibdüsen (22) u. a. durch die Verflachung des Öffnungswinkels (27) der divergenten Düsenteile (24) auf weniger als 3 °, bei entsprechender Verlängerung der Längsachse (28) der divergenten Düsenteile (24), gebildet wird.
15. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäß beheizte Laval-Treibdüse (22) zur Vorverdichtung der Ladeluft für einen konventionellen Hubkolbenmotor (58) angewandt wird.
16. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibdampf wahlweise aus einem homogenen Gemisch des Speisewassers und flüssigem Treibstoff besteht und dieses Gemisch durch den Rekuperativ-Wärmetauscher (1), anschließend durch den Dampfüberhitzer (11) sowie anschließend durch die Laval-Treibdüse (22) geführt wird
17. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom, der dem Brenner zufließt, ein beheizter Bypass- Wärmespeicher (43) parallel geschalten ist, durch den der Gasstrom mittel Regelventil (44) in variablem Maße geführt werden kann.
18. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass-Wärmespeicher (43) durch die Bremsenergie eines Kraftfahrzeuges, die im Generator (46) in elektrischen Strom wandelt, erwärmt wird und diese Verbrennungskraftmaschine gleichermaßen als Antriebsmotor für das Kfz genutzt wird.
19. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Restwärme im Abgas, die nach dem Rekuperativ-Wärmetauscher (1) noch vorhandeln ist, über einen Wärmetauscher (56) zu Heizzwecken (57) oder als Prozesswärme genutzt wird.
20. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (8) bzw. das Rauchrohr (19) an deren Innenfläche eine, die Oberfläche vergrößernde Zerklüftung (61), aufweist.
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