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Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine und Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine,
in der ein gasförmiges Medium angesaugt, verdichtet und erhitzt wird und danach
unter Arbeitsabgabe entspannt wird und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Als Wärmekraftmaschinen haben allgemein Viertaktotto-bzw. Dieselmotoren
Verwendung gefunden, die eine der am höchsten entwickelten und fast vollständig
ausgereiften technischen Konstruktionen darstellen. Ihre rJüte wurde im Laufe der
Jahre hauptsächl'ich durch Erhöhuhg der Verdichtung und Verbesserung der Gemischbildung
sowie durch Erhöhung der Drehzahl erreicht. Die laufende erhöhung des Verdichtungsverhältnisses
brachte eine fortlaufende Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades. Die Weiterentwicklung
der nemischbildung erbrachte die Möglichit einer Drehzahlerhöhung und womit eine
laufende Erhöhung der Literleistung. Aus diesen Merkmalen der Konstruktion ergeben
sich folgende Uberlegungen: 1. Durch den laufend intermittierenden Arbaitsgang,
gegeben durch die einzelnen Takte, sind für die Auslegung der Kühlung nicht die
Spitzen-, sondern nur die mittleren
Temperaturen maßgebend. Dieses
erlaubte, Maschinen mit derart höher thermischer Belastung zu oauen, wie sie heute
schon zum Standard gehören.
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2-, Durch den vorgenannten unterbrochenen Arbeitsbang ergeben sich
atJer auch die größten Nachteile dieses Prinzps, nämlich 1., daß eine ungenügende
Zeit zur vollstandigen Verbrennung des Gasgemisches (teilweise wenige 1/1000 ,ekunden)
zur VerfüTun£ steht und somit ein hoher Anteil der Au»-puffgase an Kohlenoxyd und
unverbrannten Kohlenwasserstoffen unvermeidbar ist und 2. daß durch die laufende
Erhö@ung des Verdichtungsverhältnisses der Anspruch an die Qualität des Kraftstoffes
immer höher gestellt wurde. Als letzter Ausweg mußten Klopfbremsen in Form von metallurgiocAen
3eimiscnungen (Bleitetrametyl etc.) beigegeben werden. Diese Bestandteile werden
nachteilig meistens noch im oxydierten Zustand als hoch giftige Stoffe in den Abgasen
wiedergefunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer
Wärmekraftmaschine und eine Vorrict4tung zur Durchführun des Verfahrens zu finden,
denen die Nachteile der Technik des 3tandes/nicht mehr anhaften und das eine vollständige
Verbrennung ohne Bildun von giftigen Abgasprodukten in einer stationären Brennkammer
mit fortlaufender Verbrennung bei genügendem Zeitaufwand und durch die Verwendung
von Brennstoffen, die keiner Beimischung von Klopfbremsen etc.
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betürten, ermöglicht.
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Die Form der Brennkammer ist heute bereits von größeren Gasturbineneinheiten,
wie sie in der Luftfahrt verwandt werden, bekannt. Diese Brennkammern erreichen
eine fast vollständige Verbrennung. Hieraus ließe sich schließen, daß die Gasturbine
der ideale Antriebsmotor für Kraftfahr-Zeuge wäre. Wie der heutige Entwicklungsstand
der Fahrzeuggasturbinen zeigt, ist das aber nicht der Fall.
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Die Schwierigkeiten liegen allerdings nicht in der Brennkammer, sondern
in dem Unvermömen der Turbinen und Verdichtereinheiten, bei kleinen Ausführungen
einen vernünftien Gesamtwirkungsgrad zu erreichen. Diese Wennzeichnung trifft aber
nicht bei großen Triebwerkseinheiten zu, da diese auf einen hohen Wirkungsgrad ausgelegt
werden können. Die Erfahrung hat gezeigt daß große Flugzeuggasturbinen mit einem
guten Gesamtwirkungsgrad arbeiten können, wenn sie dauernd knapp unterhalb ihrer
Volleistun betrieben werden. Andera ist es bei einer Gasturbine, wie sie im Auto
verwendet wer den könnte. Hierbei setzt die bauliche Größe der Turbine dem Gesam+.irkungsgrad
Grenzen. (Siehe Berechnung und Ent-@@@@@ung von Kreiselverdichtern und Turbinen
in der einschlägigen Literatur). Weitere 3chwierigkelten ergeben sich durch das
Betreiben einer Gasturbine im Teillastbereich, da hierbei der Verdichtungsdruck
mit der fehlenden Drehzahl fällt und somit der thermische Wirkungsgrad auf unbrauchbare
Größen abfällt.
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Der unverhältnismäßig hohe Kraftstoffverbrauch und die sehr hohen
Abgastemperaturen der bisher ausgeführten Fahrzeugturbinen sind die-Folge.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher weiterhin, den Vorteil der konstanten
hohen Verdichtung der Viertaktmaschine (nahezu konstant über den gesamten Drehzahlbereich)
mit dem Vorteil der fortlaufenden Gleichdruck-Verbrennung in einer Brennkammer zu
kombinieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Wärmekraftmaschine,
in der ein gasförmiges Medium angesaugt, verdichtet und erhitzt wird und danach
unter Arbeitsabgabe entspannt wird, die Verdichtung weitgehend unabhängig von der
Drehzahl des Verdichteraggregates auf einen bestimmten Drack vorgenommen wird, danach
die erhitzung des Arbeitsmediums ohne Druckrhöhung vorgenommen wird und dann die
Entspannung des Mediums in einer Entspannungskraftmaschine mit veränderlichem Gasdurchsatz
erfolgt und die Wärmekraftmaschine derart geregelt wird daß in der Erhitzungszcne
bzw. am Verdichterausgang unabhängig von der Drehzahl des Verdichters und der Entspannungskraftmaschine
(Motors) sowie der abgogebenen Leistung immer der wirkungsgradgrechte, konstante
Druck auttritt Yortsilhaft kann die Wärmekraftmaschine zur einfachen Bedienung so
ausgelegt sein, daß die Leistungsregelung über die Zugabe der Wärmeenergie in der
trhitzungszone (Brennkammer) durchgeführe wird und die Arbeitsabgabe des Motors
von der Zugabe der Wär;neenergie unter Einhaltung des
konstanten
Drucks vorgenommen wird. Alternativ können zur Durchführung dieser Regelung Verdichter
und Motor Zellenradrotoren aufweisen, diese mit einem las tunabhängi gen, konstanten
Drehzahlverhältnis umlaufen, zur Durchsatzregelung die Zellengröße der Rotoren veränderlich
sein und ein Teil der vom Motor abgegebenen Leistung zum Antrieb des Verdichters
und der Rest der Leistung als Nutzarbeit dienen oder die Drehzahl des Flügelzellenmotors
wird zur Aufrechterhaltung des konstanten Druckes verändert, der Antrieb des Verdichters
erfolgt mit veränderlichem t;bersetzungsverhältnis und ein Teil der vom Motor abgegebenen
Leistung dient zum Antrieb des Verdichters und der Rest der Leistung als Nutzarbeit.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnet sich
vorteilhaft durch einen flügelzellenverdichter, eine Brennkammer mit Brennstoffeinspritzung,
einen Flügelzellen motor und eine Regeleinrichtung zur Regelung des Gasdurchsatzes
des Motors zur Aufrechterhaltung eines konstanten Druckes in der Brennkammer unabhängig
von der jeweiligen Drehzahl und Belastung.
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Bei einer Regelung der Zellengröße des -Motors sitzt dieser und der
Verdichter vorzugsweise auf einer gemeinsamen Welle oder der Motor treibt den Verdichter
über ein Getriebe mit stufenlos veränderlichem Ubersetzungsverhkltnis an, wobei
das Aggregat an sich bekannte Regelinriahtungen aufweist
die das
Zellenvolumen des Motors und/oder dessen Drehzahl und/oder das Zellenvolumen des
Verdichters zur Aufrechterhaltung des konstanten Druckes in der Brennkammer regolh.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von
Zeichnungen näher beschrieben. 3 zeiten: Fig. 1 das schema einer Wärmekraftmaschine
nach der Erfindung mit zwei Zellenradrotoren, Fig. 2 ein schema gemäß Fig. 1 mit
einem stufenlos regelbaren Getriebe zwischen den Rotoren und Fig. 3 eine Warmekr.aSt.saschine
gemäß der Erfindung mit wahlweise einschaltbaren Motoren verschiedenen Schluckvermögens.
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Nur ein Kapselradverdichter ist in der LsOeX über einen weiten Drehzahlbereich
hinaus und somit mit veränderlichem Ansaugvolumen einen ununterbrochenen, nahezu
konstanten Verdichtungsdruck zu erzeugen. Hier stellt eine Flügelzellenpumpe mit
adiabatischer Verdichtung die günstigste Lösung dar. Als Arbeit leistende Einheit
wird ebenfalls eine als Motor laufende Flügelzellenpumpe (oder ein ähnliches Kapselwerk)
mit adiabatischerEntspannung verwendet. In der Verbindung Verdichterausgang - Motoreingang
wird die Brennkammer angeordnet (entsprechend der Prinzipschaltung einer Gasturbine).
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Eine Anordnung dieser Art könnte aber auch bei höchster Brennkammertemperatur,
da Aktion und Reaktion gleich groß sind, weder einen hohen Verdichtungadruck erzeugen
noch irgendwelche Arbeit leisten. Zur Arbeitsleistung ist es erforderlich - und
das ist'er Grundgedanke - , das Durchgengsvermögen des nachgeschalteten Arbeitsmotors
veränderlich zu gestalten und entsprechend dem konstant zu haltenden Verdichtungsdruck,
der Temperatur und somit der Leistung entsprechend zu regeln.
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GemäR Figur 1 (wilLkürlich gewählter Lastfall) kann die erfindungsgemäße
Wärmekraftmascüine nach annähernd adiabatisch verlaufender Verdichtung, anschließender
Gleichdruckvertrennung in der Brennkammer, durch das hierbei vergrößerte Volumen
der Brenngase bedingt, Nutzarbeit bei adiabatlscher Entspannung im Motor abgeben
(gestrichelter Anteil).
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Hieraus ist ersichtlich, daß bei jeder Leistungsänderung (steuerbar
durch Verändern der Brennkammertemperatur) eine Veränderung des Schluckvertnögens
des Motors notwendig wird.
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Des weiteren ist aber eine Veranderung des Schluckvermögens auch aus
folgenden Gesichtspunkten notwendig: Bei einer willkürlich gewählten, konstanten
Brennkammertemperatur wird sich, bei einer bestimmten von der Last abhängigen Drehzahl,
ein Verdichtunsdruck einspielen, der vom Verhältnis Ansaugquerschnitt zu Auslaßquerschnitt
- und somit in diesem Falle letztlich allein vom Schluckvermögen des Motors abhängig
ist,
Zusammenfassend ist also zu sagen: 1. Das 3chluckvermögen ist
der Teistungsänderung = Brennkammertemperatur entsprechend zu regeln.
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2. Abhängig davon ist durch Ändern des Schluckvermögens die Aufrechterhaltung
eines wählbaren Verdichtungsdruckes möglich (Voraussetzung eines hohen thermischen
Wirkungsgrades) 3. Drosselquerschnitte anstelle des veränderlichen Jchluckvermögens
sind nicht möglich, da hierdurck nutzbare Leistung vernichtet würde.
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Ein derartiges Aggregat ist folgendermaßen aufgebaut: Um den Gasdurchsatz
des Motors veränderlich zu gestalten, besteht die Möglichkeit, in die Verbindungswelle
zwischen Verdichter und Motor ein - möglichst stufenloses - getriebe gemäß Fig.
2 zu schalten. Dieses Getriebe kann ein hydrostatischer Antrieb sein, der es gestattet,
durch Verstellen des t!bersetzunsverhältnisses jeden gewünschten Gasdurchsatz zu
erreichen. flierzu dient eine dem Stand der Technik entsprechende selbständige temperatur-
und verdichtungsdruckabhängige Steuerung der Verstelleinrichtung des Getriebes.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, daß die Leistung dieses Aggregates
auch in hydraulischer dorn abgenommen werden kann.
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3ie weist aber den Nachteil auf, daß die Drehzahl des Verdichter im
Söchstlet3tungsbereich - bedingt durch das größte Übersetzungsverhältnis in diesem
Bereich - im Verhältnis
zur Motordrehzahl niedrig ist. Bei maximal
zulässiger Drehzahl des Motors wird also der Verdichter nur mit verhältnism:ißig
niedriger Drehzahl laufen und somit den Luftdurchsatz - gleich Leistung - begrenzen.
Die bauliche Größe dieses Aggregates wäre also nicht voll au3genutzt.
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Gemäß Fig. 3 können alternativ drei bis vier im Durchmesser gleiche,
aber verschieden breite FlüeIzellensysteme mit dem Verdichter 7uf einer gemeinsamen
Welle betrieben werden.
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Bei der Verwendung von vier einheiten ergibt sich, wie in der 3kizze
ersichtlich ist, bei sinnvoller Parallelschaltung verschieden breiter Einheiten
eine genügend große Anzahl von Abstufungen. Hierbei ist zwar kein. stufenlose Regelung
und somit keine vollkommene Konstanthaltung des Verdichtungsdruckes möglich, aber
die Druckschwankungen beim JtuSenwechsel werden in vernünftigen Grenzen gehalten
werden können. Des Ein- und Ausschalten der einzelnen Druckeingänge erfolgt durch
magnetschalterbetätigte Drosselklappen. Geringe Undichtigkeit der Drosselklappen
ist ohne Belang - evtl.
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sogar wünschenswert - da sie die leer mitlufenden Flügelzellen beaufschlagt
und somit einen Hohlsog verhindert.
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Die Regelung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine erfolgt wie
nachstehend beschrieben: lis Einspritzpumpe dient beispielsweise eine Bosch-Reiheneinspritzpumpe
mit Leerlauf- und Höchstirehzahlregelung.
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Eine Vielstoffpumpe würde das Aggregat sogar unabhängig von der Kraftstoffart
machen, Die Hubkolbenanzahl ist so hoch zu wählen, daß bei Verwendung einer exzentrischen
Pbrm der Nockenwelle und äußerlicher Verbindunm, aller Hubkolben zu einer zentralen
Einspritzdüse ein weitgehend ununterbrochener Einspritzstrahl entsteht. Die Fördermenge
dieser Pumpe ist abhängig von der Antriebsdrehzahl, in diesem-Fall proportional
der Verdichterdrehzahl und somit dem Liefergrad des Verdichters, und abhängig von
der Regel und stangenstellung = FördermenJe des Einzelhubes/somit proportional der
Brennkammertemperatur. Die Bewe-ng der Regelstange geschieht durch das Gaspedal
und durch die Leerlauf-und Endbegrenzung des. Drehzahlreglers der Pumpe. Eine Begrenzung
des Regelstangenweges stellt somit eine unmittelbare Begrenzung der Brennkammertemperatur
dar. Der ReOelstangenweg kann somit unmittelbar zur 3teuerungsabtastunO der einzelnen
Motorstufen verwendet werden. Die elektrische Abtastung ist unter Zwischenschalt'en
einzelner Dioden problemlos möglich. Hiermit ist allerdings nur der erste Teil der
Aufgaben der Steuerung - nämlich Veränderung des 9thluckvermögens des Aggregatmotors
im Verhältnis zur Brennkammertemperatur - erfüllt.
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Zu erfüllen ist jedoch auch noch die Forderung auf Regelung des Motordurchsatzes
zur Konstanthaltung des isobaren Brennkammordruckes. (Bei Gleichhaltung aller anderen
Größe w\:i'rde eine Verkleinerung die Durchsatzes nachteilig eine
Erhöhung
und eine Vergrößerung des Durchsatzes ein Absinken des Brennkammerdruckes bewirken.)
Diese Forderung läßt sich durch Eingriff in die vorgenannte Regelstangenabtastung
leicht ausführen. Hierzu braucht nur der ;,teuerpunkt der Abtastung lurch einen
federbelasteten Druckkolben versetzt werden, wobei der Weg des Druckkolbens abhängig
vom Brennkammerdruck Gemacht würde.
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Mit dieser Regelung kann die Forderung auf Konstanthaltung des Brennkammerdruckes
über alle Drehzahl- und Lastbereiche erfüllt werden.
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Zusammenfassend weist der Erfindungsgegenstand also folgende Merkmale
auf: Eine Gleichdruck-Brennkammer (vollständige Verbrennung).
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Einen konstanten Verdichtungadruck (therm. Wirkungsgrad).
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Auftreten von Spitzendauertemperaturen nur in dar Brennkammer, dem
Verteilerrohr und an den ')rosselklappen, die, wie sich bei Flugtriebwerken gezeigt
hat, vollständig beherrschbar sind. Hohe Dauertemperaturen stehen auch im Cinlaßbereich
der Motorgehäuse an, sind aber durch entsprechende Wärmeisolierunx in Verbindung
mit Teilkühlung zu beherrschen.
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Bei allen anderen, insbesondere rotierenden Teile; stellen sich nur
Mitteltemperaturen (siehe Vorteile der Viertakt~ maschine) ein.
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Die Motorflügel z.B. werden nacn vollständiger adiabatischer Entspannung
des Abgases durch dieses gekühlt, anschließend durchlaufen 3ie außerdem eine Spülluftzone.
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Es besteht keine Anforderung an die Qualität des Kraftstoffes (besonders
bei Verwendung einer "Vielstoffpumpe").
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Das Aggregat ist eine Rotationsmaschine Mit diesem Aggregat nach der
Erfindung ist überraschenderweise erstrnals die Kombination der Vorteile des Viertaktmotors
mit denen der Gasturbine geglückt.