WO2008022705A1 - Method and apparatus for conversion of combustion heat energy to mechanical energy - Google Patents

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WO2008022705A1
WO2008022705A1 PCT/EP2007/006890 EP2007006890W WO2008022705A1 WO 2008022705 A1 WO2008022705 A1 WO 2008022705A1 EP 2007006890 W EP2007006890 W EP 2007006890W WO 2008022705 A1 WO2008022705 A1 WO 2008022705A1
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heat exchanger
cylinder
compressor
primary heat
working
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PCT/EP2007/006890
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German (de)
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Inventor
Peter Kreuter
Original Assignee
Meta Motoren- Und Energie-Technik Gmbh
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Publication date
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/02Hot gas positive-displacement engine plants of open-cycle type

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for converting combustion heat energy into mechanical energy.
  • Internal combustion piston internal combustion engines i. Combustion within a working space bounded by the reciprocating piston and cylinder has, among other things, the following characteristics:
  • the fuels must be in liquid or gaseous form.
  • an internal combustion engine which has a respective provided with an inlet valve and an exhaust valve compression cylinder and expansion cylinder, in which work on a common crankshaft piston.
  • the outlet of the compression cylinder is connected via a connecting line to the inlet of the expansion cylinder, the outlet of which is connected via a return line to the inlet of the compression cylinder.
  • the connecting line passes through a heat exchanger in which fluid flowing from the compression cylinder to the expansion cylinder is heated by means of a burner arranged in the heat exchanger, to which fresh air and fuel are supplied. The fresh air supplied to the burner and the fuel are heated by the exhaust gas leaving the heat exchanger.
  • the invention has the object of developing a generic method or a generic device such that combustion heat energy can be converted into mechanical energy with high efficiency.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an entire device according to the invention
  • FIG. 2 shows a side view of a primary heat exchanger with cylinder units
  • FIG. 3 is a plan view of the arrangement of FIG. 2,
  • FIG. 5 shows an arrangement of an overflow valve
  • FIG. 6 shows a further arrangement of an overflow valve
  • FIG. 10 shows a further possibility of forming overflow valves
  • FIG. 11 shows the cutout designated Z in FIG.
  • a crankshaft 10 of a reciprocating engine is connected via a connecting rod to a compressor piston 12 and a working piston 14.
  • the compressor piston 12 operates in a compressor cylinder 16, the working piston operates in a working cylinder 18.
  • the crankshaft 10 serves to drive a working machine 20, such as a generator, a pump, etc.
  • the two cylinders are advantageously separated, the wall of the compressor cylinder 16 advantageously cooled is and the wall of the working cylinder 18 is thermally insulating.
  • the working piston 14 is advantageously designed such that little heat from the working space of the working cylinder 18 in the connecting rod of the working piston reached.
  • a primary heat exchanger 22 is arranged, which has an exhaust gas inlet 24 and an exhaust gas outlet 26 and further comprises an air inlet 28 and an air outlet 30, whose function will be explained later.
  • a burner device 32 includes an air supply port 34, a fuel supply port 36, a burner 38, and a combustion gas exhaust port 40 connected to the exhaust gas inlet 24 of the primary heat exchanger 22.
  • the exhaust gas outlet 26 of the primary heat exchanger 22 is connected to an exhaust gas inlet 42 of a secondary heat exchanger 44 whose exhaust gas outlet 46 is connected to an exhaust gas turbine 48 which drives a compressor turbine 50 which is connected to an air inlet 52 of the compressor cylinder 16.
  • an inlet valve 54 operates in the air inlet 52 of the compressor cylinder 16.
  • the connection to the primary heat exchanger 22 or its air inlet 28 takes place via an outlet or outlet overflow valve 56.
  • the connection from the air outlet 30 of the primary heat exchanger 22 to the Working cylinder 18 takes place via an inlet valve or inlet overflow valve 58.
  • An outlet valve 60 operates in the air outlet 30 of the working cylinder 18.
  • Fresh air pre-compressed by the compressor turbine 50 is drawn in by the compressor piston 12 during its downward movement and open inlet valve 54 and, after closing the inlet valve, is underdiaphragm-compressed until the outlet overflow valve 56 is opened. This compression occurs because of the preferably existing cooling of the wall of the compressor cylinder 16 with high compressor efficiency.
  • the compressor piston 12 pushes and compresses the compressed fresh air into the primary heat exchanger 22 until the exhaust spill valve 56 closes.
  • the volume available for the compressed air is in the primary heat exchanger 22 (Inlet overflow valve 58 closed) advantageously smaller or significantly smaller than the stroke volume of the compressor cylinder 16th
  • the primary heat exchanger 22 is continuously heated by the combustion gas or exhaust gas of the burner 38.
  • the burner 38 is advantageously arranged as close as possible to the primary heat exchanger 22 or integrated in this. Due to the continuous heating pressure and temperature of the air in the primary heat exchanger 22 isochoric increased.
  • the isochorically heated and compressed air flows into the working space of the working piston 14 and performs work on the working piston 14 by adiabatic expansion (thermal isolation of the working cylinder 18), whereby the compressor piston 12 and the working machine 20 are driven.
  • the primary heat exchanger 22 and the working space of the working cylinder 18 are separated from each other.
  • the working piston 14 carries out a further prolonged adiabatic expansion.
  • the stroke volume of the working cylinder 18 is greater than that of the compressor cylinder 16th
  • any fuel can be burned, which can be burned with air, if necessary under suitable turbulence or otherwise, such as solid fuels, such as coal; Liquid fuels, such as fuel oil, or gaseous fuels, such as propane, natural gas, etc.
  • the energy still contained in the exhaust gas after flowing through the secondary heat exchanger 44 is used in the exhaust gas turbine 48 and can be used in further downstream units with a lower process energy requirement.
  • Typical timing of the valves, based on the TDC of the compressor piston 12 are the following:
  • valve actuations can be done in any known manner, for example mechanically via the crankshaft with phaser in the valve train; electromagnetically, hydraulically, etc.
  • an overflow valve can also be provided in each case and the compressed air flowing out of the compressor cylinder can be divided by a distributor valve onto the various heat exchanger units and be discharged from the heat exchanger units to the inlet overflow valve 58 via a further distributor valve.
  • the reciprocating engine may be provided with a plurality of intake valves 54 and exhaust valves 60 per cylinder. Furthermore, it is understood that a plurality of working cylinders / compressor cylinder units can be provided, the heat exchanger is continuously heated by a common burner device 32 and the exhaust gas heat is used continuously in a common secondary heat exchanger 44.
  • Figure 4 shows a possibility for improving the efficiency of a heat exchanger, especially the primary heat exchanger, which is shown by way of example.
  • Via the inlet 28 to be heated fluid is supplied, which flows through the outlet.
  • hot medium for example, exhaust gas is supplied, whose energy is used to heat the medium flowing through the inlet and outlet 30 and flows through the outlet 26.
  • a return line 62 From the outlet 26 to the inlet 24 performs a return line 62, in which a pump 64 operates whose flow rate determines the amount of recycled heating medium.
  • the return rate may additionally be determined by means of throttle valves 66 and 68, which are arranged at the inlet 24 and outlet 26, respectively upstream and downstream of the return line 62.
  • the efficiency of the heat exchanger can be improved in this way due to the longer residence time of the heating medium.
  • the exhaust gas temperature of the burner can be increased because only by the mixture before the heat exchanger, the inlet temperature of the heating medium, which is limited on the material side, is set.
  • a similar technique can be used to increase the residence time of the medium to be heated.
  • connection volumes between the compressor cylinder and the primary heat exchanger and the primary heat exchanger and the working cylinder in this regard are dead spaces whose volumes should be as small as possible, which makes particular special designs of the overflow valves advantageous.
  • the overflow valves to and from the heat exchanger are opposite to conventional valve trains, in which the valves open in the direction of the cylinder chamber, from the primary heat exchanger to the respective cylinder.
  • the high operating temperatures that occur make demands on the valves and their seals, which are met by special materials and / or cooling of the valves or seat rings.
  • the overflow valve 56 which is opened in the direction of the arrow when in tension, is arranged at an angle to the cylinder axis.
  • the volume of the connecting channel from the working cylinder 18 to the primary heat exchanger 22 is very small.
  • the compressor piston may be similarly provided with a dome. If the spill valve 56 were opened into the cylinder, the piston could not be moved to a correspondingly high top dead center, thereby increasing the dead space between the compressor cylinder 16 and the primary heat exchanger 22.
  • FIG. 6 shows a modified embodiment in comparison to FIG. 5, in which the overflow valve 56 is likewise opened upwards, but is arranged parallel to the inlet valve 54.
  • the cylinder head or the inside of the top wall of the cylinder is flat, the compressor piston 12 is provided with no dome.
  • FIG. 7 shows an enlarged view of the detail marked Z in FIG.
  • the overflow valve 56 is arranged horizontally; in this embodiment, the piston 12 again has a dome 70.
  • the overflow valve 56 opens directly into the heat exchanger 22.
  • the overflow valve 56 may be formed as a pressure valve.
  • the piston 12 may be provided with a dome, not shown, which dips into the outlet channel.
  • a plurality of overflow valves 56 are arranged horizontally and designed as pressure valves.
  • many small valves with short valve lift can be used, which can be designed as a series and / or parallel connection.
  • the piston 12 may have a dome with projections which protrude into the channels associated with the individual overflow valves.
  • FIG. 11 shows a plan view of an embodiment of FIG. 12 in which two independently operable groups of outlet spill valves 56 are provided, such as are useful when the primary heat exchanger 22 is divided into two units 22 1 and 22 2 .
  • two inlet valves 54 are provided, the openings of which are visible in FIG. It is understood that the intake valves can be operated in unison while the spill valves are alternately actuated to increase the residence times of the gas in the primary heat exchanger.
  • the method according to the invention and the device according to the invention operated according to the method can be used for a wide variety of uses, for example for stationary power plants, for large machines that are stationary or, for example, operated in ships, for combined heat and power plants or for truck engines.
  • the achievable efficiencies far exceed those of conventional internal combustion engines or machines with continuous external external combustion.
  • As a working medium not only air can be used, but any gas that can be burned in the burner device 32, for example, hydrogen, methane, etc. In this case, oxygen or air is supplied via the Brennstoffzutuhrö réelle 36.
  • the compressor turbine 50 used for pre-compression of the gas may be replaced by a supercharger driven by the crankshaft or in addition to such a supercharger.
  • a fresh air or fresh gas supply via a dotted recorded bypass line, which branches off between the compressor turbine 50 and the air inlet 52 and leads into the line connecting the outlet 30 of the working cylinder 18 with the secondary heat exchanger 44 .
  • a bypass line 72 in which a throttle valve may be arranged, the fresh air supply to the burner 38 can be increased.
  • a further, preferably likewise controllable bypass line 74 which branches off upstream of the gas inlet of the secondary heat exchanger 44 and opens into the exhaust pipe downstream of the secondary heat exchanger 44, the air supplied to the burner 38 is reduced. This allows the enthalpy of the process gas to be fed either completely to combustion or partly to the exhaust turbine.

Abstract

In an apparatus for conversion of combustion heat energy to mechanical energy, having a compressor cylinder (16) with a compressor piston (12), an inlet valve (54) and an outlet overflow valve (56), a working cylinder (18) with a working piston (14), an inlet overflow valve (58) and an outlet valve (60), a primary heat exchanger (22), which is arranged between the overflow valves and supplies heat contained in the combustion gases of a burner (38) to the primary heat exchanger from the compressed air supplied to the compressor cylinder, a secondary heat exchanger (44) for heating air emerging from the working cylinder (18), by means of the exhaust gas leaving the primary heat exchanger (22), which heated air is supplied to the burner, with the pistons (12, 14) being connected to one another such that the compressor piston is moved by the working piston and at least a portion of the compressed hot air, which is not consumed during this process and is supplied to the working piston by at least largely adiabetic expansion of the compressed hot air which is supplied to the working cylinder from the primary heat exchanger, can be tapped off as mechanical energy, a line which originates from the outlet valve (60) of the working cylinder (18) leads directly to an inlet of the secondary heat exchanger (44), and an exhaust-gas outlet from the primary heat exchanger (22) is connected directly via an exhaust-gas line to an exhaust-gas inlet of the secondary heat exchanger (44).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie Method and apparatus for converting combustion heat energy into mechanical energy
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie.The invention relates to a method and apparatus for converting combustion heat energy into mechanical energy.
Kolbenbrennkraftmaschinen mit interner Verbrennung, d.h. Verbrennung innerhalb eines durch den hin- und hergehenden Kolben und den Zylinder begrenzten Arbeitsraumes, haben, unter an- derem, folgende Eigenarten:Internal combustion piston internal combustion engines, i. Combustion within a working space bounded by the reciprocating piston and cylinder has, among other things, the following characteristics:
- Durch die zyklisch erfolgende Verbrennung muss der Verbrennungsvorgang in kurzen Abständen in Gang gesetzt und beendet werden, wodurch er im Wesentlichen instationär abläuft, schwer steuerbar ist, zu erhöhter Schadstoffbildung im Abgas führt und der Wir- kungsgrad beeinträchtigt ist.- Due to the cyclical combustion, the combustion process must be started and stopped at short intervals, whereby it runs essentially unsteady, is difficult to control, leads to increased pollutant formation in the exhaust gas and the efficiency is impaired.
- Die Brennstoffe müssen in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen.- The fuels must be in liquid or gaseous form.
Um den vorgenannten Schwierigkeiten zu begegnen, ist es bekannt, Brennstoff außerhalb eines Zylinders in einem Brennraum kontinuierlich zu verbrennen und die erzeugte Wärme in dem Zylinder mittels des Kolbens in mechanische Arbeit umzusetzen.In order to meet the aforementioned difficulties, it is known to continuously combust fuel outside a cylinder in a combustion chamber and to convert the heat generated in the cylinder by means of the piston into mechanical work.
Aus der DE 41 20 167 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der beigefügten unabhängigen Ansprüche bekannt. Gemäß der genannten Druckschrift wird das Verbrennungsgas des Brenners bzw. dessen Abgas nach Durchströmen des Primärwärmetau- schers längs der Wandung des Arbeitszylinders geführt und erst anschließend einem Abgasein- lass des Sekundärwärmetauschers zugeführt. Die aus dem Arbeitszylinder austretende Luft wird stromabwärts des Sekundärwärmetauschers Frischluft zugeführt, die den Sekundärwärmetauscher durchströmt hat. Auf diese Weise wird ein Teil der im Brenner entstehenden Verbrennungswärme zum externen Aufheizen des im Arbeitszylinder Arbeit verrichtenden verdichteten und heißen Gases verwendet und steht nicht zum Aufheizen der Verbrennungsluft zur Verfügung, was thermodynamisch unvorteilhaft ist. Des Weiteren soll in einem Druckspeicher stromab des Ladezylinders gespeicherte verdichtete Frischluft unter hohem Druck durch kurzzeitiges Öffnen eines dem Primärwärmetauscher vorgeschalteten Ventils in diesen eingeschossen werden, was zu Strömungsverlusten führt, die den Wirkungsgrad vermindern.From DE 41 20 167 C2 a method and a device according to the preambles of the appended independent claims are known. According to the cited document, the combustion gas of the burner or its exhaust gas, after flowing through the primary heat exchanger, is guided along the wall of the working cylinder and only subsequently supplied to an exhaust gas inlet of the secondary heat exchanger. The exiting the working cylinder air is supplied downstream of the secondary heat exchanger fresh air, which has flowed through the secondary heat exchanger. In this way, a portion of the combustion heat produced in the burner for external heating of the working in the working cylinder compressed and hot gas is used and is not available for heating the combustion air, which is thermodynamically unfavorable. Furthermore, in a pressure accumulator downstream of the loading cylinder stored compressed fresh air under high pressure by brief Opening a primary heat exchanger upstream valve are injected into this, resulting in flow losses, which reduce the efficiency.
In der DE 40 42 305 Al ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, die einen jeweils mit einem Einlassventil und einem Auslassventil versehenen Kompressionszylinder und Expansionszylinder aufweist, in denen auf eine gemeinsame Kurbelwelle wirkende Kolben arbeiten. Der Auslass des Kompressionszylinders ist über eine Verbindungsleitung mit dem Einlass des Expansionszylinders verbunden, dessen Auslass über eine Rückführleitung mit dem Einlass des Kompressionszylinders verbunden ist. Die Verbindungsleitung führt durch einen Wärmetauscher, in dem vom Kompressionszylinder zum Expansionszylinder strömendes Fluid mittels eines im Wärmetauscher angeordneten Brenners, dem Frischluft und Brennstoff zugeführt wird, erhitzt wird. Die dem Brenner zugeführte Frischluft und der Brennstoff werden von dem den Wärmetauscher verlassenden Abgas erhitzt.In DE 40 42 305 Al an internal combustion engine is described which has a respective provided with an inlet valve and an exhaust valve compression cylinder and expansion cylinder, in which work on a common crankshaft piston. The outlet of the compression cylinder is connected via a connecting line to the inlet of the expansion cylinder, the outlet of which is connected via a return line to the inlet of the compression cylinder. The connecting line passes through a heat exchanger in which fluid flowing from the compression cylinder to the expansion cylinder is heated by means of a burner arranged in the heat exchanger, to which fresh air and fuel are supplied. The fresh air supplied to the burner and the fuel are heated by the exhaust gas leaving the heat exchanger.
Aus der US 4,120,161 ist eine im offenen Zyklus mit externer Verbrennung arbeitende Hubkolbenmaschine bekannt, die Kompressionszylinder aufweist, die von größeren Kraft- bzw. Expansionszylindern getrennt sind. Die Wärme der komprimierten Luft wird einem Lufterhitzer zugeführt, wobei sich komprimierte Luft nicht mit den Heizgasen vermischt. Zum Wiedergewinnen der in den Brenngasen enthaltenen Wärme ist ein Wärmetauscher vorgesehen.From US 4,120,161 an open-cycle external combustion reciprocating engine is known having compression cylinders separated by larger power and expansion cylinders, respectively. The heat of the compressed air is supplied to an air heater, wherein compressed air does not mix with the hot gases. For recovering the heat contained in the combustion gases, a heat exchanger is provided.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, dass Verbrennungswärmeenergie mit hohem Wirkungsgrad in mechanische Energie umgesetzt werden kann.The invention has the object of developing a generic method or a generic device such that combustion heat energy can be converted into mechanical energy with high efficiency.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.The method of the invention part of the invention is solved by a method according to claim 1.
Die auf den Anspruch 1 rückbezogenen Verfahrensansprüche kennzeichnen vorteilhafte Durchführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The dependent claims back to claim 1 indicate advantageous embodiments and refinements of the method according to the invention.
Der auf die Vorrichtung gerichtete Teil der Erfindungsaufgabe wird mit dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst. Die auf diesen unabhängigen Vorrichtungsanspruch rückbezogenen Ansprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausfuhrungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The device-directed part of the invention problem is solved by the independent device claim. The claims referring back to this independent device claim characterize advantageous embodiments and further developments of the device according to the invention.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is explained below with reference to schematic drawings, for example, and with further details.
In den Figuren stellen dar:In the figures represent:
Fig. 1 : eine Prinzipansicht einer gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2: eine Seitenansicht eines Primärwärmetauschers mit Zylindereinheiten,1 shows a schematic view of an entire device according to the invention, FIG. 2 shows a side view of a primary heat exchanger with cylinder units,
Fig. 3: eine Aufsicht der Anordnung gemäß Fig. 2,3 is a plan view of the arrangement of FIG. 2,
Fig. 4: eine schematische Ansicht des Grundaufbaus eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,4 shows a schematic view of the basic structure of a heat exchanger according to the invention,
Fig. 5: eine Anordnung eines Überströmventils, Fig. 6: eine weitere Anordnung eines Überströmventils,5 shows an arrangement of an overflow valve, FIG. 6 shows a further arrangement of an overflow valve,
Fig. 7: den vergrößerten Ausschnitt Z der Fig. 6,7: the enlarged section Z of Fig. 6,
Fig. 8: eine weitere mögliche Anordnung eines Überströmventils,8 shows another possible arrangement of a spill valve,
Fig. 9: eine abgeänderte Ausführungsform eines Überströmventils,9 shows a modified embodiment of an overflow valve,
Fig. 10: eine weitere Möglichkeit der Ausbildung von Überströmventilen und Fig. 11 : den in Fig. 10 mit Z bezeichneten Ausschnitt.10 shows a further possibility of forming overflow valves, and FIG. 11 shows the cutout designated Z in FIG.
Gemäß Figur 1 ist eine Kurbelwelle 10 einer Hubkolbenmaschine über je ein Pleuel mit einem Verdichterkolben 12 und einem Arbeitskolben 14 verbunden. Der Verdichterkolben 12 arbeitet in einem Verdichterzylinder 16, der Arbeitskolben arbeitet in einem Arbeitszylinder 18. Die Kurbelwelle 10 dient zum Antrieb einer Arbeitsmaschine 20, beispielsweise eines Generators, einer Pumpe usw. Die beiden Zylinder sind vorteilhafterweise getrennt, wobei die Wandung des Verdichterzylinders 16 vorteilhafterweise gekühlt ist und die Wandung des Arbeitszylinders 18 thermisch isolierend ist. Auch der Arbeitskolben 14 ist vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass wenig Wärme vom Arbeitsraum des Arbeitszylinders 18 in das Pleuel des Arbeitskolbens ge- langt. Unmittelbar oberhalb der Hubkolbenmaschine ist ein Primärwärmetauscher 22 angeordnet, der einen Abgaseinlass 24 und einen Abgasauslass 26 aufweist und weiter einen Lufteinlass 28 und einen Luftauslass 30 aufweist, deren Funktion später erläutert wird.According to FIG. 1, a crankshaft 10 of a reciprocating engine is connected via a connecting rod to a compressor piston 12 and a working piston 14. The compressor piston 12 operates in a compressor cylinder 16, the working piston operates in a working cylinder 18. The crankshaft 10 serves to drive a working machine 20, such as a generator, a pump, etc. The two cylinders are advantageously separated, the wall of the compressor cylinder 16 advantageously cooled is and the wall of the working cylinder 18 is thermally insulating. Also, the working piston 14 is advantageously designed such that little heat from the working space of the working cylinder 18 in the connecting rod of the working piston reached. Immediately above the reciprocating engine, a primary heat exchanger 22 is arranged, which has an exhaust gas inlet 24 and an exhaust gas outlet 26 and further comprises an air inlet 28 and an air outlet 30, whose function will be explained later.
Eine Brennereinrichtung 32 enthält eine Luftzufuhröffnung 34, eine Brennstoffzufuhröffnung 36, einen Brenner 38 und einen Verbrennungsgas- bzw. Abgasauslass 40, der mit dem Abgaseinlass 24 des Primärwärmetauschers 22 verbunden ist.A burner device 32 includes an air supply port 34, a fuel supply port 36, a burner 38, and a combustion gas exhaust port 40 connected to the exhaust gas inlet 24 of the primary heat exchanger 22.
Der Abgasauslass 26 des Primärwärmetauschers 22 ist mit einem Abgaseinlass 42 eines Sekun- därwärmetauschers 44 verbunden, dessen Abgasauslass 46 mit einer Abgasturbine 48 verbunden ist, der eine Kompressorturbine 50 antreibt, die mit einem Lufteinlass 52 des Verdichterzylinders 16 verbunden ist.The exhaust gas outlet 26 of the primary heat exchanger 22 is connected to an exhaust gas inlet 42 of a secondary heat exchanger 44 whose exhaust gas outlet 46 is connected to an exhaust gas turbine 48 which drives a compressor turbine 50 which is connected to an air inlet 52 of the compressor cylinder 16.
Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich, arbeitet im Lufteinlass 52 des Verdichterzylinders 16 ein Einlassventil 54. Die Verbindung zu dem Primärwärmetauscher 22 bzw. dessen Lufteinlass 28 erfolgt über ein Auslass- bzw. Auslassüberströmventil 56. Die Verbindung vom Luftauslass 30 des Primärwärmetauschers 22 zum Arbeitszylinder 18 erfolgt über ein Einlassventil bzw. Einlassüberströmventil 58. Im Luftauslass 30 des Arbeitszylinders 18 arbeitet ein Auslassventil 60.As can be seen from FIGS. 2 and 3, an inlet valve 54 operates in the air inlet 52 of the compressor cylinder 16. The connection to the primary heat exchanger 22 or its air inlet 28 takes place via an outlet or outlet overflow valve 56. The connection from the air outlet 30 of the primary heat exchanger 22 to the Working cylinder 18 takes place via an inlet valve or inlet overflow valve 58. An outlet valve 60 operates in the air outlet 30 of the working cylinder 18.
Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist wie folgt:The function of the described arrangement is as follows:
Von der Kompressorturbine 50 vorverdichtete Frischluft wird vom Verdichterkolben 12 bei dessen Abwärtsbewegung und offenem Einlassventil 54 angesaugt und nach Schließen des Einlassventils unteradiabat bis zum Öffnen des Auslassüberströmventils 56 komprimiert. Diese Kom- pression geschieht wegen der vorzugsweise vorhandenen Kühlung der Wandung des Verdichter- zylindes 16 mit hohem Verdichterwirkungsgrad.Fresh air pre-compressed by the compressor turbine 50 is drawn in by the compressor piston 12 during its downward movement and open inlet valve 54 and, after closing the inlet valve, is underdiaphragm-compressed until the outlet overflow valve 56 is opened. This compression occurs because of the preferably existing cooling of the wall of the compressor cylinder 16 with high compressor efficiency.
Nach Öffnen des Auslassüberströmventils 56 schiebt der Verdichterkolben 12 die komprimierte Frischluft in den Primärwärmetauscher 22 und verdichtet sie weiter bis zum Schließen des Aus- lassüberströmventils 56. Damit die Verdichtung bei offenem Auslassüberströmventil 56 weiter wirksam ist, ist das für die verdichtete Luft verfügbare Volumen im Primärwärmetauscher 22 (Einlassüberströmventil 58 geschlossen) vorteilhafterweise kleiner bzw. deutlich kleiner als das Hubvolumen des Verdichterzylinders 16.Upon opening the outlet spill valve 56, the compressor piston 12 pushes and compresses the compressed fresh air into the primary heat exchanger 22 until the exhaust spill valve 56 closes. In order for the compression to continue with the outlet spill valve 56 open, the volume available for the compressed air is in the primary heat exchanger 22 (Inlet overflow valve 58 closed) advantageously smaller or significantly smaller than the stroke volume of the compressor cylinder 16th
Nach Schließen des Auslassüberströmventils 56 sind der Innenraum des Primärwärmetauschers 22 und der Verdichtungsraum des Verdichterzylinders 16 voneinander getrennt.After closing the Auslassüberströmventils 56, the interior of the primary heat exchanger 22 and the compression space of the compressor cylinder 16 are separated from each other.
Der Primärwärmetauscher 22 wird von dem Verbrennungsgas bzw. Abgas des Brenners 38 kontinuierlich beheizt. Der Brenner 38 ist vorteilhafterweise möglichst nah am Primärwärmetauscher 22 angeordnet bzw. in diesen integriert. Durch die kontinuierliche Beheizung werden Druck und Temperatur der im Primärwärmetauscher 22 befindlichen Luft isochor erhöht.The primary heat exchanger 22 is continuously heated by the combustion gas or exhaust gas of the burner 38. The burner 38 is advantageously arranged as close as possible to the primary heat exchanger 22 or integrated in this. Due to the continuous heating pressure and temperature of the air in the primary heat exchanger 22 isochoric increased.
Nach Öffnen des Einlassüberströmventils 58 strömt die isochor erhitzte und komprimierte Luft in den Arbeitsraum des Arbeitskolbens 14 und leistet durch adiabate Expansion (thermische Isolierung des Arbeitszylinders 18) Arbeit am Arbeitskolben 14, wodurch der Verdichterkolben 12 und die Arbeitsmaschine 20 angetrieben werden.After opening the inlet overflow valve 58, the isochorically heated and compressed air flows into the working space of the working piston 14 and performs work on the working piston 14 by adiabatic expansion (thermal isolation of the working cylinder 18), whereby the compressor piston 12 and the working machine 20 are driven.
Während der ganzen oder zumindest eines wesentlichen Teils der adiabaten Expansion besteht keine räumliche Verbindung zwischen der sich aus dem Primärwärmetauscher heraus expandierenden verdichteten und erhitzten Luft und dem Verdichterraum des Verdichterzylinders 16.During all or at least a substantial part of the adiabatic expansion there is no spatial connection between the compressed and heated air expanding out of the primary heat exchanger and the compressor chamber of the compressor cylinder 16.
Nach dem Schließen des Einlassüberströmventils 58 sind der Primärwärmetauscher 22 und der Arbeitsraum des Arbeitszylinders 18 voneinander getrennt. Der Arbeitskolben 14 führt eine weitere verlängerte adiabate Expansion aus. Vorteilhafterweise ist das Hubvolumen des Arbeitszylinders 18 größer als das des Verdichterzylinders 16.After closing the inlet overflow valve 58, the primary heat exchanger 22 and the working space of the working cylinder 18 are separated from each other. The working piston 14 carries out a further prolonged adiabatic expansion. Advantageously, the stroke volume of the working cylinder 18 is greater than that of the compressor cylinder 16th
Anschließend schiebt der Arbeitskolben 14 die Luft bei offenem Auslassventil 60 zu dem Sekundärwärmetauscher 44, in dem die Luft durch das Abgas des Brenners 38 erhitzt wird und aus dem die erhitzte Luft der Luftzufuhröffnung 34 der Brennereinrichtung 32 zugeführt wird. In der kontinuierlich arbeitenden Brennereinrichrung 32 kann jedwelcher Brennstoff verbrannt werden, der sich mit Luft ggf. unter geeigneter Verwirbelung oder sonst wie verbrennen lässt, beispielsweise Festbrennstoffe, wie Kohle; Flüssigbrennstoffe, wie Heizöl, oder gasförmige Brennstoffe, wie Propan, Erdgas usw. Die in dem Abgas nach Durchströmen des Sekundärwärmetauschers 44 noch enthaltene Energie wird in der Abgasturbine 48 genutzt und kann in weiteren nachgeschalteten Einheiten mit geringerem Prozessenergiebedarf genutzt werden.Then, the power piston 14 pushes the air with the exhaust valve 60 open to the secondary heat exchanger 44, where the air is heated by the exhaust gas of the burner 38 and from which the heated air of the air supply port 34 of the burner device 32 is supplied. In the continuous Brennereinrichrung 32 any fuel can be burned, which can be burned with air, if necessary under suitable turbulence or otherwise, such as solid fuels, such as coal; Liquid fuels, such as fuel oil, or gaseous fuels, such as propane, natural gas, etc. The energy still contained in the exhaust gas after flowing through the secondary heat exchanger 44 is used in the exhaust gas turbine 48 and can be used in further downstream units with a lower process energy requirement.
Typische Steuerzeiten der Ventile, bezogen auf den OT des Verdichterkolbens 12 sind folgende:Typical timing of the valves, based on the TDC of the compressor piston 12 are the following:
Einlassventil öffnet: Einlassventil schließt: Auslassüberströmventil öffnet: Auslassüberströmventil schließt: Einlassüberströmventil öffnet: Einlassüberströmventil schließt: Auslassventil öffnet: Auslassventil schließtInlet valve opens: Inlet valve closes: Outlet spill valve opens: Outlet spill valve closes: Inlet spill valve opens: Inlet spill valve closes: Outlet valve opens: Exhaust valve closes
Die Ventilbetätigungen können auf jedwelche bekannte Art erfolgen, beispielsweise mechanisch über die Kurbelwelle mit Phasenstellern im Ventiltrieb; elektromagnetisch, hydraulisch usw.The valve actuations can be done in any known manner, for example mechanically via the crankshaft with phaser in the valve train; electromagnetically, hydraulically, etc.
Zur Verlängerung der Verweilzeiten der verdichteten Luft in dem Primärwärmetauscher 22 ist dieser vorteilhafterweise, wie aus Fig. 3 ersichtlich, zweiflutig aufgebaut und enthält zwei Wärmetauschereinheiten 22], 222, die jeweils über eigene Überströmventile 56j, 562 bzw. 58), 582 mit dem Verdichterzylinder bzw. dem Arbeitszylinder verbunden sind. Durch jeweils wechselweises Öffnen der Überströmventile werden die Wärmetauschereinheiten 221 und 222 wechsel- weise befüllt und entleert, so dass für einen wirksamen Wärmetausch bzw. für eine wirksame Aufheizung lange Verweilzeiten auch bei hohen Drehzahlen erzielt werden. Es können auch mehr als zwei Wärmetauschereinheiten vorgesehen sein. Die Beschickung bzw. Entleerung der Wärmetauschereinheiten erfolgt vorteilhafterweise unmittelbar dadurch, dass mehrere Überströmventile vorgesehen sind. Alternativ kann auch jeweils ein Überströmventil vorgesehen sein und die aus dem Verdichterzylinder ausströmende verdichtete Luft durch ein Verteilerventil auf die verschiedenen Wärmetauschereinheiten aufgeteilt werden und über ein weiteres Verteilerventil aus den Wärmetauschereinheiten zu dem Einlassüberströmventil 58 abgeleitet werden.To extend the residence time of the compressed air in the primary heat exchanger 22 this is advantageously, as shown in FIG. 3, constructed with two columns and contains two heat exchanger units 22], 22 2 , each with its own overflow 56j, 56 2 and 58), 58 second are connected to the compressor cylinder or the working cylinder. By alternately opening the overflow valves, the heat exchanger units 22 1 and 22 2 alternately filled and emptied, so that for an effective heat exchange or for an effective heating long residence times are achieved even at high speeds. It can also be provided more than two heat exchanger units. The loading or emptying of the heat exchanger units is advantageously carried out directly by the fact that a plurality of overflow valves are provided. Alternatively, an overflow valve can also be provided in each case and the compressed air flowing out of the compressor cylinder can be divided by a distributor valve onto the various heat exchanger units and be discharged from the heat exchanger units to the inlet overflow valve 58 via a further distributor valve.
Es versteht sich, dass die Hubkolbenmaschine mit mehreren Einlassventilen 54 und Auslassven- tilen 60 je Zylinder versehen sein kann. Des Weiteren versteht sich, dass mehrere Arbeitszylinder/Verdichterzylindereinheiten vorgesehen sein können, deren Wärmetauscher von einer gemeinsamen Brennereinrichtung 32 kontinuierlich aufgeheizt wird und deren Abgaswärme in einem gemeinsamen Sekundärwärmetauscher 44 kontinuierlich genutzt wird.It is understood that the reciprocating engine may be provided with a plurality of intake valves 54 and exhaust valves 60 per cylinder. Furthermore, it is understood that a plurality of working cylinders / compressor cylinder units can be provided, the heat exchanger is continuously heated by a common burner device 32 and the exhaust gas heat is used continuously in a common secondary heat exchanger 44.
Figur 4 zeigt eine Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Wärmetauschers, speziell des Primärwärmetauschers, der beispielhaft dargestellt ist. Über den Einlass 28 wird aufzuheizendes Fluid zugeführt, das durch den Auslass abströmt. Durch den Einlass 24 wird heißes Medium, beispielsweise Abgas zugeführt, dessen Energie zum Aufheizen des durch den Ein- lass und Auslass 30 strömenden Mediums verwendet wird und das durch den Auslass 26 abströmt. Vom Auslass 26 zum Einlass 24 führt eine Rückführleitung 62, in der eine Pumpe 64 arbeitet, deren Förderleistung die Menge des rückgeführten Heizmediums bestimmt. Die Rückführrate kann zusätzlich mittels Drosselventilen 66 und 68 bestimmt werden, die am Einlass 24 bzw. Auslass 26 stromoberhalb bzw. stromunterhalb der Rückführleitung 62 angeordnet sind. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers kann auf diese Weise aufgrund der längeren Verweildauer des Heizmediums verbessert werden. Die erhöhte mittlere Strömungsgeschwindigkeit sowie eine Verminderung des Temperaturunterschiedes zwischen Einlass und Auslass, wodurch die mittlere Prozesstemperatur erhöht werden kann, bewirken eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers. Die Abgastemperatur des Brenners kann erhöht werden, da erst durch die Mischung vor dem Wärmetauscher die Eintrittstemperatur des Heizmediums, die werkstoffseitig begrenzt ist, eingestellt wird. Eine ähnliche Technik kann zur Vergrößerung der Verweildauer des aufzuheizenden Mediums verwendet werden.Figure 4 shows a possibility for improving the efficiency of a heat exchanger, especially the primary heat exchanger, which is shown by way of example. Via the inlet 28 to be heated fluid is supplied, which flows through the outlet. Through the inlet 24 hot medium, for example, exhaust gas is supplied, whose energy is used to heat the medium flowing through the inlet and outlet 30 and flows through the outlet 26. From the outlet 26 to the inlet 24 performs a return line 62, in which a pump 64 operates whose flow rate determines the amount of recycled heating medium. The return rate may additionally be determined by means of throttle valves 66 and 68, which are arranged at the inlet 24 and outlet 26, respectively upstream and downstream of the return line 62. The efficiency of the heat exchanger can be improved in this way due to the longer residence time of the heating medium. The increased average flow rate as well as a reduction in the temperature difference between the inlet and outlet, whereby the average process temperature can be increased, cause a further improvement in the efficiency of the heat exchanger. The exhaust gas temperature of the burner can be increased because only by the mixture before the heat exchanger, the inlet temperature of the heating medium, which is limited on the material side, is set. A similar technique can be used to increase the residence time of the medium to be heated.
Die Anmelderin behält sich vor, für den vorstehend geschilderten Gegenstand Schutz unabhängig von seiner Verwendung in der beschriebenen Maschine zu beanspruchen.The Applicant reserves the right to claim protection for the above-described subject matter regardless of its use in the described machine.
Vorteilhaft ist, Überströmventile derart zu betätigen, dass bei der Öffnung des Auslassüberströmventils 56 an ihm keine Druckdifferenz wirksam ist, d.h. zum Öffnungszeitpunkt im Primärwärmetauscher 22 der gleiche Druck herrscht wie im Verdichterraum des Verdichterzylinders 16. Ebenso ist vorteilhaft, das Einlassüberströmventil 58 zu einem Zeitpunkt zu öffnen, zu dem an ihm keine Druckdifferenz liegt. Mit den beschriebenen Öffnungszeitpunkten wird erreicht, dass kein unnötig hoher Anteil der Wärmeenergie in Strömungsenergie umgesetzt wird. Für einen hohen Wirkungsgrad der beschriebenen Umwandlung von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie ist nicht nur eine hohe Effizienz des Wärmeübergangs im Primärwärmetauscher notwendig, sondern auch eine hohe Verdichtung des vom Verdichterkolben in den Primärwärmetauscher geförderten Gases sowie eine möglichst gute Nutzung der in dem hochverdichteten und erhitzten Gas enthaltenen Energie zum Bewegen des Arbeitskolbens. Die Verbindungsvolumina zwischen dem Verdichterzylinder und dem Primärwärmetauscher sowie dem Primärwärmetauscher und dem Arbeitszylinder sind diesbezüglich Schadräume, deren Volumina so klein wie möglich sein sollen, was insbesondere spezielle Ausbildungen der Überströmventile vorteilhaft macht.It is advantageous to actuate overflow valves in such a way that no pressure difference is effective at the opening of the outlet overflow valve 56, ie the same pressure prevails at the time of opening in the primary heat exchanger 22 as in the compressor chamber of the compressor cylinder 16. It is also advantageous to supply the inlet overflow valve 58 at one time open, to which there is no pressure difference. With the opening times described is achieved that no unnecessarily high proportion of heat energy is converted into flow energy. For a high efficiency of the described conversion of combustion heat energy into mechanical energy not only a high efficiency of heat transfer in the primary heat exchanger is necessary, but also a high compression of the funded from the compressor piston in the primary heat exchanger gas and the best possible use of the contained in the high-pressure and heated gas Energy for moving the working piston. The connection volumes between the compressor cylinder and the primary heat exchanger and the primary heat exchanger and the working cylinder in this regard are dead spaces whose volumes should be as small as possible, which makes particular special designs of the overflow valves advantageous.
Aufgrund des Druckgefälles zwischen den Zylindern und dem Primärwärmetauscher erfolgt die Abdichtung der Überströmventile zum und vom Wärmetauscher entgegengesetzt zu herkömmlichen Ventiltrieben, bei denen die Ventile in Richtung auf den Zylinderraum öffnen, vom Primärwärmetauscher zum jeweiligen Zylinder hin. Die hohen auftretenden Betriebstemperaturen stellen Anforderungen an die Ventile und deren Abdichtungen, die durch besondere Werkstoffe und/oder Kühlung der Ventile bzw. Sitzringe erfüllt werden.Due to the pressure gradient between the cylinders and the primary heat exchanger, the overflow valves to and from the heat exchanger are opposite to conventional valve trains, in which the valves open in the direction of the cylinder chamber, from the primary heat exchanger to the respective cylinder. The high operating temperatures that occur make demands on the valves and their seals, which are met by special materials and / or cooling of the valves or seat rings.
Nachfolgend werden vorteilhafte Überströmventilkonstruktionen am Beispiel des Auslassüberströmventils 56 erläutert.In the following, advantageous overflow valve constructions will be explained using the example of the outlet overflow valve 56.
Gemäß Figur 5 ist das Überströmventil 56, das bei Zug in Richtung des Pfeils geöffnet wird, in einem Winkel zur Zylinderachse angeordnet. Wie ersichtlich, ist das Volumen des Verbindungskanals vom Arbeitszylinder 18 zum Primärwärmetauscher 22 sehr klein. Für eine verbesserte Kompression weist der Arbeitskolben 14 einen Dom 70 auf, so dass im oberen Totpunkt des Kolbens der Verdichtungsraum praktisch völlig von dem Kolben ausgefüllt ist. Der Verdichterkolben kann in ähnlicher Weise mit einem Dom versehen sein. Wenn das Überströmventil 56 in den Zylinder hinein geöffnet würde, könnte der Kolben nicht bis zu einem entsprechend hohen oberen Totpunkt bewegt werden, wodurch das Verbindungs- bzw. Totvolumen zwischen dem Verdichterzylinder 16 und dem Primärwärmetauscher 22 vergrößert wäre.According to FIG. 5, the overflow valve 56, which is opened in the direction of the arrow when in tension, is arranged at an angle to the cylinder axis. As can be seen, the volume of the connecting channel from the working cylinder 18 to the primary heat exchanger 22 is very small. For improved compression of the working piston 14 has a dome 70, so that at the top dead center of the piston, the compression space is almost completely filled by the piston. The compressor piston may be similarly provided with a dome. If the spill valve 56 were opened into the cylinder, the piston could not be moved to a correspondingly high top dead center, thereby increasing the dead space between the compressor cylinder 16 and the primary heat exchanger 22.
Figur 6 zeigt eine gegenüber Figur 5 abgeänderte Ausführungsform, bei der das Überströmventil 56 ebenfalls nach oben geöffnet wird, jedoch parallel zum Einlassventil 54 angeordnet ist. Da bei dieser Ausführungsform der Zylinderkopf bzw. die Innenseite der Oberwand des Zylinders eben ist, ist der Verdichterkolben 12 mit keinem Dom versehen. Figur 7 zeigt den in Figur 6 mit Z bezeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung.FIG. 6 shows a modified embodiment in comparison to FIG. 5, in which the overflow valve 56 is likewise opened upwards, but is arranged parallel to the inlet valve 54. There at In this embodiment, the cylinder head or the inside of the top wall of the cylinder is flat, the compressor piston 12 is provided with no dome. FIG. 7 shows an enlarged view of the detail marked Z in FIG.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 8 ist das Überströmventil 56 liegend angeordnet, der Kolben 12 weist bei dieser Ausführungsform wiederum einen Dom 70 auf.In the embodiment according to FIG. 8, the overflow valve 56 is arranged horizontally; in this embodiment, the piston 12 again has a dome 70.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 9 öffnet das Überströmventil 56 unmittelbar in den Wärmetauscher 22 hinein. Das Überströmventil 56 kann als Druckventil ausgebildet sein. Der KoI- ben 12 kann mit einem nicht dargestellten Dom versehen sein, der in den Auslasskanal eintaucht.In the embodiment according to FIG. 9, the overflow valve 56 opens directly into the heat exchanger 22. The overflow valve 56 may be formed as a pressure valve. The piston 12 may be provided with a dome, not shown, which dips into the outlet channel.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 10 sind mehrere Überströmventile 56 liegend angeordnet und als Druckventile ausgeführt. Um das Schadvolumen möglichst klein zu halten, können viele kleine Ventile mit kurzem Ventilhub verwendet werden, die als Reihen- und/oder Parallelschal- tung ausgeführt sein können. Der Kolben 12 kann einen Dom mit Vorsprüngen aufweisen, die in die den einzelnen Überströmventilen zugeordneten Kanäle einragen.In the embodiment according to FIG. 10, a plurality of overflow valves 56 are arranged horizontally and designed as pressure valves. In order to keep the damaged volume as small as possible, many small valves with short valve lift can be used, which can be designed as a series and / or parallel connection. The piston 12 may have a dome with projections which protrude into the channels associated with the individual overflow valves.
Figur 11 zeigt eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der Figur 12, bei der zwei unabhängig voneinander betätigbare Gruppen von Auslassüberströmventilen 56 vorgesehen sind, wie sie beispielsweise verwendbar sind, wenn der Primärwärmetauscher 22 in zwei Einheiten 221 und 222 unterteilt ist. Im dargestellten Beispiel sind zwei Einlassventile 54 vorgesehen, deren Öffnungen in Figur 11 sichtbar sind. Es versteht sich, dass die Einlassventile gemeinsam betätigt werden können, während die Überströmventile für eine Verlängerung der Verweilzeiten des Gases in dem Primärwärmetauscher alternierend betätigt werden.FIG. 11 shows a plan view of an embodiment of FIG. 12 in which two independently operable groups of outlet spill valves 56 are provided, such as are useful when the primary heat exchanger 22 is divided into two units 22 1 and 22 2 . In the illustrated example, two inlet valves 54 are provided, the openings of which are visible in FIG. It is understood that the intake valves can be operated in unison while the spill valves are alternately actuated to increase the residence times of the gas in the primary heat exchanger.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die gemäß dem Verfahren betriebene erfindungsgemäße Vorrichtung kann für unterschiedlichste Verwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für stationäre Kraftwerke, für Großmaschinen, die stationär oder beispielsweise in Schiffen betrieben werden, für Blockheizkraftwerke oder auch für LKW-Motoren. Die erzielbaren Wirkungs- grade liegen weit über denen herkömmlicher Verbrennungsmotoren oder von Maschinen mit kontinuierlicher externer äußerer Verbrennung. Als Arbeitsmedium kann nicht nur Luft verwendet werden, sondern jedes Gas, das in der Brennereinrichtung 32 verbrannt werden kann, beispielsweise Wasserstoff, Methan usw. In diesem Fall wird über die Brennstoffzutuhröffnung 36 Sauerstoff oder Luft zugeführt.The method according to the invention and the device according to the invention operated according to the method can be used for a wide variety of uses, for example for stationary power plants, for large machines that are stationary or, for example, operated in ships, for combined heat and power plants or for truck engines. The achievable efficiencies far exceed those of conventional internal combustion engines or machines with continuous external external combustion. As a working medium not only air can be used, but any gas that can be burned in the burner device 32, for example, hydrogen, methane, etc. In this case, oxygen or air is supplied via the Brennstoffzutuhröffnung 36.
Die zur Vorverdichtung des Gases dienende Kompressorturbine 50 kann durch einen Vorverdichter ersetzt werden, der von der Kurbelwelle angetrieben ist, oder zusätzlich zu einem solchen Vorverdichter vorhanden sein.The compressor turbine 50 used for pre-compression of the gas may be replaced by a supercharger driven by the crankshaft or in addition to such a supercharger.
Zur Optimierung des Verbrennungsluftverhältnisses in der Brennereinrichtung 32 kann optional eine Frischluft- oder Frischgaszufuhr über eine gepunktet eingezeichnete Bypassleitung erfolgen, die zwischen der Kompressorturbine 50 und dem Lufteinlass 52 abzweigt und in die Leitung führt, die den Auslass 30 des Arbeitszylinders 18 mit dem Sekundärwärmetauscher 44 verbindet. Über diese Bypassleitung 72, in der ein Drosselventil angeordnet sein kann, kann die Frischluftzufuhr zum Brenner 38 erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ kann über eine weitere, vor- zugsweise ebenfalls steuerbare Bypassleitung 74, die stromoberhalb des Gaseinlasses des Sekundärwärmetauschers 44 abzweigt und in die Abgasleitung stromabwärts des Sekundärwärmetauschers 44 mündet, die dem Brenner 38 zugeführte Luft vermindert werden. Damit kann die Enthalpie des Prozessgases wahlweise vollständig der Verbrennung oder teilweise der Abgastur- bine zugeführt werden.To optimize the combustion air ratio in the burner device 32 may optionally be a fresh air or fresh gas supply via a dotted recorded bypass line, which branches off between the compressor turbine 50 and the air inlet 52 and leads into the line connecting the outlet 30 of the working cylinder 18 with the secondary heat exchanger 44 , About this bypass line 72, in which a throttle valve may be arranged, the fresh air supply to the burner 38 can be increased. Additionally or alternatively, via a further, preferably likewise controllable bypass line 74, which branches off upstream of the gas inlet of the secondary heat exchanger 44 and opens into the exhaust pipe downstream of the secondary heat exchanger 44, the air supplied to the burner 38 is reduced. This allows the enthalpy of the process gas to be fed either completely to combustion or partly to the exhaust turbine.
Es versteht sich, dass die Vorverdichtung der dem Verdichterzylinder zugeführten Luft nicht zwingend ist. It is understood that the pre-compression of the air supplied to the compressor cylinder is not mandatory.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Kurbelwelle10 crankshaft
12 Verdichterkolben12 compressor pistons
14 Arbeitskolben14 working pistons
16 Verdichterzylinder16 compressor cylinders
18 Arbeitszylinder18 working cylinders
20 Arbeitsmaschine20 work machine
22 Primärwärmetauscher22 primary heat exchanger
24 Abgaseinlass24 exhaust inlet
26 Abgasauslass26 exhaust outlet
28 Gaseinlass28 gas inlet
30 Gasauslass30 gas outlet
32 Brennereinrichtung32 burner device
34 Luftzufuhröffnung34 air supply opening
36 Brennstoff zufuhröffnung36 fuel supply port
38 Brenner38 burners
40 Verbrennungsgasauslass40 combustion gas outlet
42 Abgaseinlass42 exhaust inlet
44 S ekundärwärmetauscher44 Secondary heat exchanger
46 Abgasauslass46 exhaust outlet
48 Abgasturbine48 exhaust gas turbine
50 Kompressorturbine50 compressor turbine
52 Lufteinlass52 air intake
54 Einlassventil54 inlet valve
56 Auslassüberströmventil56 outlet spill valve
58 Einlassüberströmventil58 inlet overflow valve
60 Auslassventil60 outlet valve
62 Rückführleitung62 return line
64 Pumpe64 pump
66 Drosselventil66 throttle valve
68 Drosselventil Dom Bypassleitung Bypassleitung 68 throttle valve Dom bypass line Bypass line

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie, enthaltend folgende Schritte: - Leiten von Frischgas in einen Verdichter (16) zum Verdichten der Frischluft,A method of converting combustion heat energy to mechanical energy, comprising the steps of: passing fresh gas into a compressor (16) for compressing the fresh air;
Leiten der verdichteten Luft durch einen Primärwärmetauscher (22), Leiten des erwärmten und weiter verdichteten Gases in einen Arbeitszylinder (18), in dem das heiße und verdichtete Gas unter weitgehend adiabatischer Expansion mechanische E- nergie an einen im Arbeitszylinder arbeitenden Arbeitskolben (14) abgibt, - Leiten des aus dem Arbeitszylinder austretenden Gases zu einem Brenner (38), in dem das Gas ggf. unter Zusatz von Brennstoff unter Freisetzen von Verbrennungswärmeenergie verbrannt wird,Passing the compressed air through a primary heat exchanger (22), directing the heated and further compressed gas in a working cylinder (18) in which the hot and compressed gas with a largely adiabatic expansion mechanical energy e-energy to a working cylinder working piston (14) emits - passing the gas leaving the working cylinder to a burner (38), in which the gas is burnt possibly with the addition of fuel with the release of combustion heat energy,
Leiten des Verbrennungsgases durch den Primärwärmetauscher (22) und Leiten des den Primärwärmetauscher verlassenden Abgases durch einen Sekundärwärme- tauscher (44), in dem das dem Brenner (38) zugeführte Gas erwärmt wird, wobei der in dem Arbeitszylinder arbeitende Arbeitskolben den Verdichter antreibt und überschüssige Energie des Arbeitskolbens als mechanische Arbeit abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Auslassventil (60) des Arbeitszylinders (18) ausgehende Leitung unmittelbar zu einem Einlass des Sekundärwärmetauschers (44) führt und ein Abgasaus- lass des Primärwärmetauschers (22) über eine Abgasleitung unmittelbar mit einem Abgaseinlass des Sekundärwärmetauschers (44) verbunden ist.Passing the combustion gas through the primary heat exchanger (22) and passing the exhaust gas leaving the primary heat exchanger through a secondary heat exchanger (44), in which the gas supplied to the burner (38) is heated, wherein the operating piston working in the working cylinder drives the compressor and excess Energy of the working piston is removable as mechanical work, characterized in that a from the outlet valve (60) of the working cylinder (18) outgoing line leads directly to an inlet of the secondary heat exchanger (44) and a Abgasaus- outlet of the primary heat exchanger (22) via an exhaust pipe immediately is connected to an exhaust inlet of the secondary heat exchanger (44).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - in der Verbindung vom Primärwärmetauscher (22) zum Arbeitszylinder (18) ein Einlassüberströmventil (58) angeordnet ist, das jeweils zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, zu dem an ihm im Wesentlichen keine Druckdifferenz wirksam ist.2. The method according to claim 1, characterized in that - in the connection from the primary heat exchanger (22) to the working cylinder (18) an inlet overflow valve (58) is arranged, which is opened in each case at a time to which there is essentially no pressure difference effective is.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter einen Verdichterzylinder (16) mit darin arbeitendem Verdichterkolben (12) enthält, wobei in der Verbindung vom Verdichterzylinder zu dem Primärwärmetauscher (22) ein Auslassüberströmventil (56) angeordnet ist, das jeweils zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, zu dem an ihm im Wesentlichen keine Druckdifferenz wirksam ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the compressor includes a compressor cylinder (16) with therein working compressor piston (12), wherein in the connection from the compressor cylinder to the primary heat exchanger (22) an outlet spill valve (56) is arranged, which is opened in each case at a time at which substantially no pressure difference is effective on it.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Verdichterzylin- der (16) in den Primärwärmetauscher (22) strömende Gas zumindest teilweise bei offener Verbindung zwischen Verdichterzylinder und Primärwärmetauscher und geschlossener Verbindung zwischen Primärwärmetauscher und Arbeitszylinder verdichtet wird.4. The method according to claim 3, characterized in that from the compressor cylinder (16) in the primary heat exchanger (22) flowing gas is at least partially compressed with open connection between the compressor cylinder and primary heat exchanger and closed connection between the primary heat exchanger and cylinder.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeits- kolben (14) von dem aus dem Primärwärmetauscher (22) austretenden Gas bei zum Verdichterzylinder (16) hin geschlossenem Primärwärmetauscher bewegt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the working piston (14) from the primary heat exchanger (22) exiting gas at the compressor cylinder (16) closed towards primary heat exchanger is moved.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (16) vorverdichtetes Frischgas zugeführt wird, wobei die zur Vorverdichtung erforderli- che Energie der Verbrennungswärmeenergie entstammt.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the compressor (16) precompressed fresh gas is supplied, wherein the energy required for the pre-compression of the combustion heat energy comes from.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Primärwärmetauschereinheiten (221, 222) vorgesehen sind, so dass die Verweildauer des dem Primärwärmetauscher zugeführten Gases in dem Primärwärmetauscher verlängerbar ist.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a plurality of primary heat exchanger units (22 1 , 22 2 ) are provided, so that the residence time of the primary heat exchanger supplied gas in the primary heat exchanger can be extended.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil eines jeweiligen einen Wärmetauscher durchströmenden Gases diesen mehrfach durchströmt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that at least a portion of a respective gas flowing through a heat exchanger flows through this multiple times.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des vom Arbeitszylinder (18) zum Sekundärwärmetauscher (44) strömenden Gases in das den Sekundärwärmetauscher verlassende Abgas eingeleitet wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that at least a portion of the working cylinder (18) to the secondary heat exchanger (44) flowing gas is introduced into the exhaust gas leaving the secondary heat exchanger.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des dem Verdichter (16) zugeleiteten Frischgases in das vom Arbeitszylinder (18) zum Sekundärwärmetauscher (44) strömende Gas eingeleitet wird. 10. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that at least part of the compressor (16) supplied fresh gas in the from the working cylinder (18) to the secondary heat exchanger (44) flowing gas is introduced.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichterzylinder Luft zugeführt wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the compressor cylinder air is supplied.
12. Vorrichtung zum Umwandeln von Verbrennungswärmeenergie in mechanische Energie, enthaltend: einen Verdichterzylinder (16) mit einem Verdichterkolben (12), einem Einlassventil (54) und einem Auslassüberströmventil (56), einen Arbeitszylinder (18) mit einem Arbeitskolben (14), einem Einlassüberströmventil (58) und einem Auslassventil (60), - einen zwischen den Überströmventilen angeordneten Primärwärmetauscher (22) zum12. An apparatus for converting combustion heat energy to mechanical energy, comprising: a compressor cylinder (16) having a compressor piston (12), an inlet valve (54) and an outlet spill valve (56); a power cylinder (18) having a power piston (14); Inlet overflow valve (58) and an outlet valve (60), - a primary heat exchanger (22) arranged between the overflow valves for
Zuführen von in Verbrennungsgasen eines Brenners (38) enthaltener Wärme zu dem Primärwärmetauscher aus dem Verdichterzylinder zugeführter verdichteter Luft, einen Sekundärwärmetauscher (44) zum Erwärmen von aus dem Arbeitszylinder (18) austretender Luft mittels den Primärwärmetauscher (22) verlassenden Abgases, welche erwärmte Luft dem Brenner zugeführt wird, wobei die Kolben (12, 14) derart miteinander verbunden sind, dass der Verdichterkolben vom Arbeitskolben bewegt wird und zumindest ein Teil der dadurch nicht verbrauchten, dem Arbeitskolben durch zumindest weitgehend adiabatische Expansion der dem Arbeitszylinder aus dem Primärwärmetauscher zugeführten, komprimierten heißen Luft als mechanische Energie abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Auslassventil (60) des Arbeitszylinders (18) ausgehende Leitung unmittelbar zu einem Einlass des Sekundärwärmetauschers (44) führt und ein Abgasauslass des Primärwärmetauschers (22) über eine Abgasleitung unmittelbar mit einem Abgaseinlass des Sekundärwärmetauschers (44) verbunden ist.Supplying heat contained in combustion gases of a burner (38) to the primary heat exchanger from the compressor cylinder supplied compressed air, a secondary heat exchanger (44) for heating from the working cylinder (18) exiting air by means of the primary heat exchanger (22) leaving the exhaust gas, which heated air the Burner is supplied, wherein the pistons (12, 14) are interconnected such that the compressor piston is moved by the working piston and at least a portion of the thereby not consumed, the working piston by at least largely adiabatic expansion of the working cylinder from the primary heat exchanger supplied compressed hot Air as mechanical energy can be tapped off, characterized in that one of the exhaust valve (60) of the working cylinder (18) outgoing line leads directly to an inlet of the secondary heat exchanger (44) and an exhaust outlet of the primary heat exchanger (22) via an exhaust pipe un is indirectly connected to an exhaust inlet of the secondary heat exchanger (44).
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das für die verdichtete Luft verfügbare Volumen des Primärwärmetauschers (22) kleiner ist als das Hubvolumen des Verdichterzylinders (16).13. The apparatus according to claim 10, characterized in that the available volume for the compressed air of the primary heat exchanger (22) is smaller than the stroke volume of the compressor cylinder (16).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Verdichterzylinders (16) ein Vorverdichter (50) zum Vorverdichten der Frischluft angeordnet ist, der von dem Arbeitskolben (14) und/oder einer stromabwärts des Abgaswärmetauschers (44) angeordneten Turbine (48) angetrieben ist.14. The apparatus of claim 12 or 13, characterized in that upstream of the compressor cylinder (16) is arranged a pre-compressor (50) for pre-compressing the fresh air, is driven by the working piston (14) and / or a downstream of the exhaust gas heat exchanger (44) arranged turbine (48).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubvolumen des Verdichterzylinders (16) kleiner ist als das des Arbeitszylinders (18).15. Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the stroke volume of the compressor cylinder (16) is smaller than that of the working cylinder (18).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Frischluftbypassleitung (72) eine Stelle stromaufwärts des Einlasses des Verdichterzylinders (16) mit einer vom Auslass des Arbeitszylinders (18) zu einem Lufteinlass des Sekun- därwärmetauschers (44) führenden Leitung verbindet.16. Device according to one of claims 12 to 15, characterized in that a controllable fresh air bypass line (72) a point upstream of the inlet of the compressor cylinder (16) with a from the outlet of the working cylinder (18) to an air inlet of the secondary därwärmetauschers (44) leading line connects.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (74) einen Lufteinlass des Sekundärwärmetauschers (44) mit einem Abgasauslass des Sekundärwärmetauschers verbindet.17. Device according to one of claims 12 to 16, characterized in that a bypass line (74) connects an air inlet of the secondary heat exchanger (44) with an exhaust gas outlet of the secondary heat exchanger.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärwärmetauscher (22) mehrere Wärmetauschereinheiten (221; 222) aufweist, die selektiv mit den Überströmventilen (56, 58) verbindbar sind.18. Device according to one of claims 12 to 17, characterized in that the primary heat exchanger (22) a plurality of heat exchanger units (22 1; 22 2 ), which are selectively connectable to the overflow valves (56, 58).
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Wärmetauscher (22) eine von einem Auslass zu einem Einlass führende Rückführleitung (62) aufweist, in der eine Pumpe (64) angeordnet ist, so dass zumindest ein Teil des zwischen dem Einlass und dem Auslass strömenden Fluids den Wärmetauscher mehrfach durchströmt.19. Device according to one of claims 12 to 18, characterized in that at least one of the heat exchangers (22) has a leading from an outlet to an inlet return line (62) in which a pump (64) is arranged, so that at least one Part of the fluid flowing between the inlet and the outlet flows through the heat exchanger several times.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina der Verbindungen vom Primärwärmetauscher (22) zum Verdichterzylinder (16) und zum Arbeitszylinder (18) minimiert sind.20. Device according to one of claims 12 to 19, characterized in that the volumes of the connections from the primary heat exchanger (22) to the compressor cylinder (16) and to the working cylinder (18) are minimized.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Überströmventile (56, 58) durch ein Tellerventil gebildet ist, das zu dem Primärwärmetauscher (22) hin öffnet. 21. Device according to one of claims 12 to 20, characterized in that at least one of the overflow valves (56, 58) is formed by a poppet valve, which opens to the primary heat exchanger (22) out.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Kolben (12, 14) an die der Zylinderköpfe angepasst ist.22. Device according to one of claims 12 to 21, characterized in that the contour of the piston (12, 14) is adapted to the cylinder heads.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Ar- beitszylinder (18) wärmeisoliert und/oder der Verdichterzylinder (16) gekühlt ist.23. Device according to one of claims 12 to 22, characterized in that the working cylinder (18) heat-insulated and / or the compressor cylinder (16) is cooled.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, gekennzeichnet durch eine Ventilbetätigungseinrichtung, die die Überströmventile (56, 58) zu Zeitpunkten öffnet, zu denen an den Überströmventilen im Wesentlichen keine Druckdifferenz anliegt. 24. Device according to one of claims 12 to 23, characterized by a valve actuating device which opens the overflow valves (56, 58) at times to which applied to the overflow substantially no pressure difference.
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