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Verfahren zur Umwandlung von Brennstoffenergie
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in mechanische Energie mit einem Verbrennungsmotor Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Brennstoffenergie in mechanische Energie
mit einem Verbrennungsmotor, wobei in periodischer Reihenfolge Luft in einen Brennraum
angesaugt, komprimiert, zusammen mit der komprimierten Luft zugeführten Brennstoff
verbrannt wird und die bei der Verbrennung gebildeten Rauchgase unter Ausdehnung
entspannt und aus dem Brennraum ausgeschoben werden.
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Ein nach diesem Prinzip arbeitenden Motor ist der Dieselmotor. Bei
diesem wird der Brennstoff in die angesaugte und hochverdichtete Luft am Ende des
Verdichtungshubes eingespritzt. Der Brennstoff entzündet sich infolge der hohen
Verdichtungstemperatur von selbst. Dem bekannten Verfahren haftet jedoch ein prinzipieller
Nachteil an. Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors sinkt mit steigender Belastung,
d.h. mit steigender Spitzentemperatur im Prozeß. Ein weiterer Nachteil des bekannten
Verfahrens ist durch die infolge des relativ hohen Druckes am Ende der Expansion
- vor allem bei Vollast - lauten Motorgeräusche gegeben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs erwähnten Art anzugeben, durch das nicht nur die spezifische Leistung eines
nach diesem Verfahren arbeitenden Motors im Vergleich zu einem konventionellen Motor
verbessert werden kann, sondern durch das auch der Wirkungsgrad mit zunehmender
Motorbelastung steigt und zudem die Umweltbelastung verringert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die komprimierte
Luft vor der Brennstoffzuführung aus dem Brennraum abgeleitet, im Wärmetausch mit
den bei der Verbrennung gebildeten Rauchgasen erhitzt und erneut in den Brennraum
eingeleitet wird.
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Die Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches findet im Brennraum
statt, dem Raum im Zylinder (eines Hubkolbenmotors z.B.) zwischen Zylinderkopf und
dem Kolben in der oberen Totpunktlage. Dies bedeutet, daß die Höhe des Zylinders
bei konventionellen Motoren größer ist, als der Hub des Kolbens, d.h. der Abstand
zwischen oberer und unterer Totpunktlage. Je größer dieser Raum ist, umso größer
ist der Teil der Verbrennungsgase, die bei und nach dem Ausschieben dieser Gase
im Zylinder verbleiben. Die heißen Verbrennungsgase erwärmen die im nachfolgenden
Saugtakt angesaugte Luft.
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In nachteiliger Weise ist daher die Ansaugtemperatur der Luft bei
konventionellen Motoren wesentlich höher als Umgebungstemperatur.
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Erfindungsgemäß wird die komprimierte Luft aus dem Brennraum in einen
Raum außerhalb des Zylinders verdrängt. Daher ist es möglich, den Schadraum zwischen
dem Zylinderkopf und dem Kolben in der oberen Totpunktlage sehr klein und damit
die Temperatur der angesaugten Luft möglichst niedrig zu halten. Vorzugswetse wird
das erfindungsgemäße Verfahren bei V.rbrennungsmotoren mit Selbstzündung verwendet.
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Gemäß der Erfindung wird die komprimierte Luft außerhalb des Brennraums
im Wärmetausch mit den bei der Verbrennung in vorausgegangenen Arbeitstakten des
Motors gebildeten Rauchgasen erhitzt. Daher kann die zugeführte Brennstoffwärme
im Vergleich zu Prozessen ohne zusätzliche Erhitzung der komprimierten Luft reduziert
werden. Das bedeutet aber auch, daß weniger Brennstoff zugeführt werden muß. Auf
diese Weise wird im Vergleich zu herkömmlichen Dieselmotoren oder Ottomotoren ein
wesentlich besserer Wirkungsgrad erzielt.
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Das Arbeitsvermögen der Verbrennungsgase ist umso größer, je höher
deren Temperatur nach der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches ist. Aufgrund
des begrenzten Volumens, das in herkömmlichen Motoren für die Expansion der Verbrennungsgase
zur Verfügung steht, treten die Rauchgase mit zu hoher Temperatur und zu hohem Druck
aus dem Motor aus, so daß ihr Arbeitsvermögen nur unvollständig ausgenutzt wird.
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Erfindungsgemäß wird dagegen ein Teil dieses, sonst verlorengegebenen
Arbeitsvermögersdurch Wärmetausch an die komprimierte Luft zurückgewonnen. Wird
dem Brennraum mehr Brennstoff -zugeführt, so wächst zusammen mit der steigenden
Spitzentemperatur auch der Anteil der rekuperierten Wärme. Dieser Anteil wächst
relativ schneller, als der Anteil der Brennstoffwärme.
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Erfindungsgemäß wird also die nicht umgewandelte Wärme der bei der
Verbrennung gebildeten Rauchgase nicht wie bisher an die Umgebung abgegeben, sondern
zu einem erheblichen Teil in den Umwandlungsprozess rückgeführt. Dazu kann zweckmäßigerweise
ein Rekuperator dienen. Ein Vorteil dieser Verfahrensweise ist ein im Vergleich
zu herkömmlichen Motoren wesentlich erhöhter Wirkungsgrad und damit eine niedrigere
Temperatur der an die Umgebung ahgegebenen Rauchgase. So ist - bezogen auf gleiche
Nutzleistungen - die an die Umgebung abgeführte
Abwärmemenge sowie,
wegen der geringeren Brennstoffmenge, die Schadstoffemission wesentlich kleiner
als bei konventionellen Motoren.
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Durch die externe Erhitzung der verdichteten Luft ist darüber hinaus
stets dafür gesorgt, daß die komprimierte Luft beim Wiedereintritt in den Brennraum
eine Temperatur besitzt, die nach der Zuführung des Brennstoffes zur Zündung des-Brennstoff-Luft-Gemisches
ausreicht. Aufgrund dieser Gegebenheit läßt sich nach einer vorteilhaften Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens eine weitere Steigerung des-Wirkungsgrades und
somit auch der spezifischen Leistung erreichen: Nach dieserweiterbildungwird in
die Luft während der Verdichtung Wasser eingespritzt. Das Wasser wird durch die
bei der Kompression entstehende und die in der Wandung des Brennraums enthaltene
Wärme verdampft und entzieht somit der Luft und der Wandung eine der Verdampfungswärme
des eingespritzten Wassers entsprechende Wärmemenge. Als vorteilhafte Folge ist
eine geringere Verdichtungsarbeit aufzubringen. Neben einer intensiven Kühlung ("Innenkühlung")
des den Brennraum umgebenden Gehäuses, d.h. bei Hubkolbenmotoren des Zylinders,
kann eine weitere wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt werden, da einerseits
das Wasserdampf-Luft-Gemisch eine größere Wärmemenge als reine Luft aufnehmen kann
und andererseits durch den Gehalt an Wasserdampf in der komprimieten Luft bzw. in
den Verbrennungsgasen pro Arbeitstakt eine größere Menge an zu entspannendem Arbeitsmedium
zur Verfügung steht. So entspricht die Expansionsarbeit, die mit einem Gehalt von
0,1 kg Wasser pro kg angesaugter Luft in der komprimierten Luft bei der der Verbrennung
folgenden Expansion erzielt werden kann, der Arbeit, die mit einer 0,2 kg größeren
Luftmenge ohne Wassereinspritzung erzielt werden kann. Da also die Verdichtungsarbeit
geringer wird und die Expansionsarbeit steigt, steigt auch der Wirkungsgrad, d.h.
die auf die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoff-
wärmemenge bezogene
Differenz der Expansionsarbeit und der Verdichtungsarbeit. Die Kompressionsarbeit
ist bei einem Verfahren mit Wassereinspritzung zwar größer als die bei einer isothermen
Kompression zu leistende Arbeit, jedoch kleiner als die Kompressionsarbeit bei einer
adiabatischen Verdichtung.
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Vorteilhafterweise werden die Rauchgase beim Wärmetausch mit der komprimierten
und mit Wasser versetzten Luft tiefer abgekühlt, als bei einem Verfahren ohne Wassereinspritzung,
da die höchste Temperatur der Luft nach der Verdichtung im Vergleich zu dem zuletzt
genannten Prozeß wesentlich niedriger ist.
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Wegen der intensiven inneren Kühlung kann zugleich die an die Außenkühlung
(Kühlwasser oder Luft) übertragene Wärmemenge kleiner werden oder ganz entfallen,
so daß insgesamt die an die Umgebung abgegebene Verlustwärme geringer wird, als
bei Verfahren ohne Wassereinspritzung.
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Es ist besonders zweckmäig, Wasser in die komprimierte Luft einzuspritzen,
wenn das erfindungsgemäße Verfahren nach einer vorteilhaften Ausgestaltung so durchgeführt
wird, daß die aus dem Brennraum abgeleitete und erhitzte Luft in mehreren, vorzugsweise
in zwei bis drei Teilmengen in den Brennraum eingeleitet wird, ehe erneut Luft angesaugt
wird, wobei in jede Teilmenge im Brennraum Brennstoff eingespritzt, das Gemisch
verbrannt und die gebildeten Abgase nach der Ausdehnung aus dem Brennraum ausgeschoben
werden.
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Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung, in der der Wärmetausch zwischen
der komprimierten Luft und den Rauchgasen erfolgt (zweckmäßigerweise ein Rekuperator),
so auszulegen, daß sie als Speicher für die komprimierte Luft dienen kann. Dies
bedeutet, daß das Volumen des Rekuperatorteils, durch den die komprimierte Luft
strömt, ein Mehrfaches des Brennraumvolumens
betragen muß. Indem
der Rekuperator als Speicher für verdichtete Luft dient, können daher ohne weiteres
zwei oder mehrere Expansionstakte pro Arbeitszyklus durchgeführt werden. Bei einer
zweimaligen Expansion bedeutet dies, daß pro Arbeitstakt, in dem Luft angesaugt
wird, zwei Expansionstakte vorgesehen sind, in welchen je einer Hälfte der angesaugten,
komprimierten und erhitzten Luft Brennstoff zugeführt . und das Gemisch verbrannt
wird. Eine zweimalige Expansion kommt somit einer Verdopplung des Expansionshubes
gleich. Damit wird aber der Druckder Verbrennungsgase am Ende der Expansion entsprechend
niedriger. Durch geeignete Wahl des Druckverhältnisses bei der Verdichtung (Kompressionsdruck
zu Ansaugdruck) kann das Verfahren hierbei so optimiert werden, daß der Druck der
Verbrennungsgase nach dem Wärmetausch mit der komprimierten Luft gleich dem Ansaugdruck
ist.
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Mit einem niedrigen Druck der ausgeschobenen Verbrennungsgase ist
aber auch die Geräuschentwicklung des Motors entsprechend gering.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren , bei dem während der Kompression
Wasser in die Luft eingespritzt wird, erweist es sich nach einer Ausgestaltung des
Erfindungsgedankens als zweckmäßig, die aus dem Brennraum ausgeschobenen Rauchgase
nach dem Wärmetausch mit der komprimierten Luft zu kühlen, wobei der in den Rauchgasen
enthaltene Wasserdampf kondensiert, und das hierbei gebildete Wasser erneut in die
Luft im Brennraum während deren Kompression einzuspritzen.
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Auf diese Weise erspart man sich einen hohen Wasserverbrauch, was
insbesondere bei nichtstationär installierten Motoren von Vorteil ist.
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Bei einem Prozeß mit Wassereinspritzung sollte das Druckverhältnis
wie beim konventionellen Dieselmotor möglichst hoch und die eingespritzte Wassermenge
möglichst groß sein.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal des Erfindungsge-
dankens
wird der Luft während der Kompression etwa 0,1 bis 0,3 kg Wasser vorzugsweise 0,2
kg Wasser pro kg Luft zugemischt.
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In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei
dem kein Wasser in die komprimierte Luft gespritzt wird, liegt das Verhältnis des
Kompressionsdrucks zum Druck der angesaugten Luft zwischen 6 und 15, vorzugsweise
zwischen 8 und 12. Dieses Druckverhältnis, das größer als das des Ottomotors, jedoch
kleiner als das des Dieselmotors ist, ist insofern günstig, als der Druck-der Verbrennungsgase
nach dem Wärmetausch mit der komprimierten Luft günstigstenfalls etwa auf dem Niveau
des atmosphärischen Luftdrucks liegt.
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Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades sowie eine Vergrößerung der
spezifischen Leistung im Vergleich zur konvntionellen Otto- und Dieselmotoren erzielt
werden kann. Der Wirkungsgrad steigt zudem mit zunehmender Motorbelastung. Außerdem
werden Wärmeverluste durch die Abgase, das Kühlwasser und die Füllung in Folge des
Schadraums im Zylinder eines Hubkolbenmotors vermieden.
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Schließlich gelingt eine Reduzierung der Umweltbelastung, d.h. eine
Verringerung der Schadstoffemission und des Lärms.
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Die geringere Geräuschentwicklung ist insbesondere auf eine gleichmäßigere
Belastung der beweglichen Teile bei mehreren Expansionstakten pro Zyklus, auf den
kleineren Überdruck am Ende der Expansion, sowie die schalldämpfende Wirkung eines
Rekuperators für den Wärmetausch zwischen den Verbrennungsgasen und der komprimierten
Luft zurückzuführen.
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Im folgenden sollen anhand schematischer Skizzen Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden:
Es zeigen:
Figur 1 ein Prinzipschema eines Verbrennungsmotors mit Wärmerekuperator Figuren
2 bis 5 eine Darstellung idealer Vergleichsprozesse in Temperatur-Entropie-Diagrammen
Figur 6 eine Darstellung idealer Verbrennungsprozesse mit Wärmerekuperator in einem
P-V-Diagramm Figur 7 ein Prinzipschema eines Verbrennungsmotors mit Wärmerekuperator
als 2-Takt-Motor Figur 8 ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Prozesses mit
Wassereinspritzung und Wasserrückgewinnung.
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In Figur 1 ist schematisch ein Zylinder 1 eines 4-Takt-Hubkolbenmotors
dargestellt. Innerhalb des Zylinders 1 bewegt sich ein Kolben 2, der in seinem unteren
Totpunkt (durchgezogene Linie) und in seinem oberen Totpunkt (gestrichelte Linie)
dargestellt ist. ueber die der Kolbenoberfläche gegenüberliegende Stirnfläche des
Zylinders 1 münden ein Rohr 3 zum Ansaugen der Luft und ein zum Auspuff führendes
Rohr 4, durch das die Rauchgase ausgeschoben werden, in den Brennraum. An den Rohrmündungen
sind jeweils Ventile 5 und 6 angeordnet, über die die Rohrmündungen geschlossen
oder geöffnet werden können. Weiterhin mündet ein Rohr 7 mit Ventil 8 und ein Rohr
9 mit Ventil 10 in den Zylinder. Rohr 7 und 9 stehen über einen Strömungsquerschnitt
14 eines Rekuperators 11 miteinander in Verbindung. Ein zweiter Strömungsquerschnitt
15 dieses Rekuperators ist an das Rauchgasrohr 4 angeschlossen. Alle Ventile 5,
6, 8, 10 werden von einer nichtdargestellten Nockenwelle gesteuert, die durch
die
Bewegung des Kolbens über eine Pleuelstange von einer Kurbelwelle angetrieben wird.
Schließlich sind in der Figur 1 symbolisch Vorrichtungen zum Einspritzen von Brennstoff
12 und Wasser 13 dargestellt.
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Parallel zur Zylinderwand sind in Figur 1 Hubwege in Form von Pfeilen
dargestellt, die die Bewegungsrichtung des Kolbens bei den verschiedenen Arbeitstakten
wiedergeben.
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Außerdem sind an verschiedenen Stellen der Pfeile mit Buchstaben bezeichnete
Punkte eingetragen. Diese Punkte geben den Ort des Kolbens im Zylinder bei einem
bestimmten Verfahrensschritt wieder.
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Wie in herkömmlichen 4-Takt-Motoren wird zunächst Luft der Menge g1
angesaugt. Hierzu ist Ventil 5 geöffnet, während die übrigen Ventile geschlossen
sind. Der Kolben 2 bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt. An diesen
ersten Takt schließen sich im zweiten Takt das Verdichten der Luft an (Hub b, c).
Erfindungsgemäß wird bei Punkt c Ventil 8 geöffnet und die komprimierte Luft über
Rohr 7 in den Rekuperator 11 verdrängt. Alle anderen Ventile sind zu diesem Zeitpunkt
geschlossen. Wird nach einem erfindungsgemäßen Merkmal während der Kompression Wasser
in die Luft gespritzt, so erfolgt dies während des Hubes b, c. Der Rekuperator 11
ist so konstruiert, daß der die komprimierte Luft leitende Strömungsquerschnitt
des Rekuperators ein Mehrfaches des Volumens aufnehmen kann, das bei der Kompression
während eines Kolbenhubes in den Rekuperator gedrängt wird. In diesem Ausführungsbeispiel
soll nicht das Anfahren eines erfindungsgemäßen Motors, sondern ein in Betrieb befindlicher
Motor beschrieben werden. In diesem Fall steht die Luft im Strömungsquerschnitt
14 des Rekuperators unter Kompressionsdruck. Durch die in vorausgegangenen Arbeitstakten
gebildeten Rauchgase, die aus Zylinder 1 über Rohr 4 und den Strömungsquerschnitt
15 des Rekuperators 11 ausge-
schoben worden sind, ist diese Luft
zudem erhitzt worden, so daß im Rohr komprimierte Luft am warmen Ende des Rekuperators
mit einer die Zündtemperatur überschreitenden Temperatur vorliegt.
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Im Anschluß an den Hub c d, nachdem der zweite Arbeitstakt beendet
ist und Ventil 8 geschlossen wird, bewegt sich der Kolben wieder in Gegenrichtung
(Hub d g). Während des Hubes d e ist Ventil 10 geöffnet und heiße, komprimierte
Luft dringt aus dem Rekuperator in den Raum oberhalb des Kolbens ein. Bei Punkt
e wird Ventil 10 geschlossen. Bei der Bewegung des Kolbens von e nach f wird Brennstoff
eingespritzt, worauf die Verbrennung erfolgt. Hierbei sind alle Ventile geschlossen.
Während des Hubes f g erfolgt die adiabate Expansion der Verbrennungsgase. Nach
diesem dritten Takt werden im vierten Takt (Hub g h) die Verbrennungsgase aus dem
Zylinder ausgeschoben. Dazu sind alle Ventile bis auf Ventil 6 geschlossen.
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Ein erfindungsgemäßer Motor kann nicht nur als 4-Takt-Motor, sondern
mit Vorteil auch als 6-Takt-Motor betrieben werden.
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Bei dieser Verfahrensweise, die in Figur 1 neben den die 4-Takt-Arbeitsweise
symbolisierenden Geraden dargestellt ist, gleichen die ersten beiden Arbeitstakte,
also die Hübe a b, b c und c d, denen des 4-Takt-Motors. Im dritten Arbeitstakt
(Hub d e) wird jedoch nicht die gesamte, während eines Kompressionshubes in den
Rekuperator verdrängte Luft aus dem Rekuperator in den Zylinder eingelassen, sondern
nur die halbe Luftmenge 1/2 g1. Nachdem das Ventil 10 geschlossen worden ist, wird
in diese Luft eine entsprechende Brennstoffmenge eingespritzt und das Gemisch verbrannt.
Es schließt sich Hub f g an, währenddessen die Verbrennungsgase expandieren. Indem
diesem dritten Takt folgenden vierten Takt (Hub g h) werden die Verbrennungsgase
über das geöffnete Ventil 6 ausgeschoben. Im fünften Takt wird zunächst
die
zweite Hälfte der Luft 1/2 g1 aus dem Rekuperator in den Zylinder eingeleitet (Hub
h i) und anschließend das dazu geöffnete Ventil 10 geschlossen. Nachdem erneut Brennstoff
eingespritzt und das Gemisch verbrannt worden ist (Hub i k) ist der fünfte Arbeitstakt
mit der Expansion der Verbrennungsgase (Hub k 1) beendet. Im sechsten Arbeitstakt
werden die Verbrennungsgase aus dem Brennraum im Zylinder ausgeschoben. Erst nach
diesem Arbeitstakt wird wieder eine Luftmenge g1 angesaugt.
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In Figur 2 ist ein bei konstantem Volumen ablaufender Verbrennungsprozeß
(idealer Prozeß des Otto-Motors) schematisch in einem Temperatur-Entropie-Diagramm
dargestellt.
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Bei Punkt 1 erfolgt das Ansaugen von Luft von Umgebungstemperatur
und Umgebungsdruck. Es folgt eine adiabatische Kompression, die bei Punkt 2 (T =
519,8 K, p = 8 bar) beendet ist. Punkt 3 stellt das Ende der isochoren Erwärmung
dar. Nach der bei konstantem Volumen ablaufenden Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches
besitzen die Verbrennungsgase eine Temperatur von ca. 1673 K und einen Druck von
25,8 bar. Im nachfolgenden Arbeitstakt expandieren die Verbrennungsgase (adiabatische
Ausdehnung) , wodurch die Temperatur auf 976 K und der Druck auf 3,22 bar sinken.
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Mit diesen Werten werden die expandierten Verbrennungsgase ausgeschoben.
Wie bereits beschrieben, ist der Druck der Verbrennungsgase nach der Expansion wegen
der mit 976 K im Vergleich zur Umgebungstemperatur wesentlich höheren Temperatur
größer als der Ansaugdruck. Dies führt beim Ausschieben der Verbrennungsgase zum
bekannten Auspuffknall, dessen Lautstärke naturgemäß höher ist, je höher der Druck
der Verbrennungsgase nach der Expansion ist.
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Eine vergleichbare Situation ist bei dem in Figur 3 dargestellten
Verbrennungsprozeß bei konstantem Druck (idealer
Prozeß des Diesel-Motors)
gegeben. Einer adiabatischen Kompression (1-2) folgt eine isobare Erwärmung (2-3),
der sich eine adiabatische Expansion anschließt. Die verdichtete Luft besitzt etwa
einen Druck von etwa 35 bar, während die Verbrennungsgase nach der Expansion einen
Druck von ca. 2,89 bar haben, mit dem sie aus dem Zylinder ausgeschoben werden.
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Im Vergleich zu diesen herkömmlichen Motoren bzw. Verbrennungsprozessen
sind in Figur 3 und Figur 4 zwei erfindungsgemäße, mit einem Rekuperator arbeitende
Prozesse dargestellt.
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In Figur 4 ist ein Verbrennungsprozeß mit einem Arbeitstakt pro Zyklus
(Ansaugung, Verdichtung, Verbrennung und Expansion, Ausschieben der Rauchgase) dargestellt.
Wie bei den in Figur 2 und Figur 3 dargestellten Prozessen wird Luft angesaugt (Punkt
1) und adiabatisch komprimiert (Punkt 2).
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Die komprimierte Luft wird nun in den Rekuperator verdrängt.
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Im Wärmetausch mit in früheren Verbrennungstakten gebildeten Rauchgasen
wird die komprimierte Luft im Rekuperator erwärmt und erneut in den Verbrennungsraum
eingelassen.
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Die Luft wird in diesem Beispiel durch den Wärmetausch von 606 K (Punkt
2) auf eine Temperatur von ca. 1040 K erwärmt.
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Hierbei kühlen sich die Rauchgase von etwa 1193 K auf 606 K ab. Nun
folgt die Einspritzung von Brennstoff in die erhitzte Luft und eine isobare Erwärmung
(3'-3). Die Verbrennungsgase haben vor der adiabatischen Expansion eine Temperatur
von 1673 K und-einen Druck von 14,5 bar. Nach der adiabatischen Ausdehnung (3-4)
sinken diese Werte auf 1193,5 K und 3,94 bar. Da ein Teil der in den Rauchgasen
enthaltenen Wärme diesen entzogen wird, sinkt die Temperatur, mit der die Rauchgase
aus dem Verbrennungsraum ausgeschoben worden sind durch Wärmeabgabe an die verdichtete
Luft auf 606 K.
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Am Austritt aus dem Rekuperator besitzen die Rauchgase einen Druck
von ca. 2 bar. Dieser Wert liegt deutlich unter
dem entsprechenden
Wert der in den Figuren 2 und 3 geschilderten Prozesse.
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Noch bessere Prozeßdaten kennzeichnen den in Figur 5 dargestellten
Prozeß. In diesem Prozeß sind pro Zyklus zwei Arbeitsgänge eingeschoben, da die
in den Rekuperator verdrängte Luft in zwei Teilen in den Brennraum eingeleitet wird
und beide Teile nach Zumischung von Brennstoff getrennt voneinander den ganzen Hubweg
für die Expansion nutzen. Das heißt, das gesamte Volumen der Rauchgase ist (am Ende
der Expansion) doppelt so groß wie das Volumen der angesaugten Luft bei Punkt 1.
Um einen Vergleich der beiden in den Figuren 4 und 5 geschilderten erfindungsgemäßen
Prozesse zuzulassen, sind diese so ausgelegt, daß die im Rekuperator übertragene
Wärmemenge (QR) sowie die Temperatur der Verbrennungsgase nach der Expansion jeweils
gleich groß sind.
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Im Prozeß mit zwei Arbeitsgängen pro Zyklus wird somit die adiabatisch
komprimierte Luft (1-2) im Rekuperator auf die gleiche Temperatur erhitzt wie im
Prozeß mit einem Arbeitsgang pro Zyklus.Bei der nachfolgenden isobaren Erhitzung
(3'-3) der ersten Luftmenge (1!2g1) steigt jedoch die Temperatur bei einem Druck
von 14,5 bar auf ca. 2002 K.
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Mit Vorteil sinkt der Druck der Verbrennungsgase bei anschließenden
isochoren Abkühlung im Rekuperator auf das Niveau des Ansaugdruckes (Umgebungsdruck),
so daß einem nach diesem Prozeß arbeitenden Motor eine äußerst geringe Geräuschentwicklung
zu eigen ist.
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In Figur 6 sind die beiden in den Figur 4 und 5 geschilderten, erfindungsgemäßen
Prozesse mit einem bzw. zwei Arbeitstakten pro Zyklus in einem P-V-Diagramm dargestellt.
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Beginnend bei Punkt 1' wird im ersten Arbeitstakt Luft von Umgebungsdruck
(P1) und Umgebungstemperatur angesaugt, bis das einem Hub entsprechende Luftvolumen
V1 in den Zy-
linder geströmt istPunkt 1). Im zweiten Arbeitstakt
wird die Luft zunächst auf das Volumen V2 und den Druck p2 komprimiert (1-2) und
anschließend in den Rekuperator verdrängt (2-2'). In einem Motor mit einem Arbeitsgang
pro Zyklus tritt im dritten Arbeitstakt die erhitzte Luft aus dem Rekuperator aus
(Punkt 2') und in den Brennraum ein, bis unter dem Druck p2 das Volumen V2, (Punkt
3') erreicht ist. Im gleichen Arbeitstakt wird Brennstoff in die Xomprimierte Luft
eingespritzt und das Gemisch verbrannt. Nach der isobaren Erwärmung während der
Verbrennung nehmen die Verbrennungsgase das Volumen V3 (Punkt 7) ein. Zum Abschluß
des dritten Arbeitstaktes expandieren die Verbrennungsgase.
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Nach der Expansion nehmen die unter dem Druck p4 stehenden Verbrennungsgase
das Volumen V4 = V1 ein. Da die Verbrennungsgase im Rekuperator nur auf eine Temperatur
über Umgebungstemperatur abgekühlt werden, stehen die Gase unter einem Druck, der
über dem atmosphärischen Druck liegt (pq Dieser Umstand wird erfindungsgemäß mit
einem 6-Takt-Motor noch verbessert. Die beiden ersten Arbeitstakte gleichen denen
des 4-Takt-Motors. Im dritten Takt wird zunächst jedoch nur die Hälfte der angesaugten
Luftmenge in den Brennraum eingeleitet, in diesen Teil Brennstoff eingespritzt und
das Gemisch verbrannt (3'-III). Die entstandenen Verbrennungsgase stehen wie beim
4-Takt-Motor unter dem Druck p2, nehmen jedoch das Volumen VIII ein. Nun schließt
sich in bekannter Weise die Expansion der Verbrennungsgase an (III-IV). Beim 6-Takt-Motor
sinkt hierbei der Druck auf ein dem Druck p4, gleichenden Wert, wobei sich die Gase
auf das im Vergleich zum angesaugten Luftvolumen doppelte Volumen ausdehen (VIV).
Bei der im Takt 4 nachfolgenden isochoren Abkühlung im Rekuperator nimmt der Druck
der Verbrennungsgase auf den Ansaugdruck ab, so daß die Verbrennungsgase ohne Druckunterschied
gegenüber dem Umgebungsdruck ausgestoßen werden können. In
dieser
Darstellung sind die Takte 3 und 5 zusammengefaßt.
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Das heißt anstelle der zwei Expansionen mit der halben Luftmenge über
den gegebenen Hubweg, steht eine Expansion mit der gesamten Luftmenge über den doppelten
Hubweg.
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In Figur 7 ist ein als 2-Takt-Motor ausgebildeter Verbrennungsmotor
mit Wärmerekuperator schematisch dargestellt.
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Dieser Motor kann nur mit einem Expansionstakt pro Zyklus betrieben
werden. Auch in dieser Figur ist wie in Figur 1 nur ein Zylinder 1 mit einem Kolben
2 dargestellt. Die der Figur 1 entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern
versehen. Die verschiedenen Positionen des Kolbens im Zylinder sind in dieser Figur
anhand von Punkten auf einem Kreis dargestellt. Die Punkte werden hierbei im Uhrzeigersinn
durchlaufen.
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Während des Hubes a - b wird die angesaugte Luft verdichtet und über
Vorrichtung 12 gegebenenfalls Wasser eingespritzt. Während der Kompression sind
die Ventile 8 und 9 geschlossen. Zu Beginn des Hubes b - c wird Ventil 8 geöffnet,
anschließend die komprimierte Luft über Rohr 7 in den Rekuperator 11 verdrängt und
am Ende dieses Hubes Ventil 8 wieder geschlossen. Im nachfolgenden Hub c - d wird
Ventil 10 geöffnet, so daß die komprimierte, erhitzte Luft aus dem Rekuperator 11
über Rohr 9 in den Brennraum eindringt. Nachdem Ventil 10 geschlossen worden ist,
wird im Hub d - e Brennstoff eingespritzt, das Gemisch verbrannt, wonach die Verbrennungsgase
während des Hubes e - f isobar expandieren. Während des Hubes f - a erfolgt zunächst
das Auspuffen der Verbrennungsgase in den Auslaßkanal 4. Danach wird durch die über
öffnung 3 einströmende Luft der Zylinderraum gespült und mit Frischluft gefüllt.
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In Figur 8 ist ein Prinzipschema des Prozesses mit Wassereinspritzung
und Wasserrückgewinnung dargestellt. In dieser
Figur ist wiederum
die gleiche Bezeichnungsweise wie in Figur 1 verwendet worden. In dieser Ausgestaltung
werden die aus dem Rekuperator 11 austretenden Verbrennungsgase weiter gekühlt um
eine Kondensation des enthaltenen Wasserdampfes auszulösen. In der Figur sind zwei
Alternativen dargestellt.
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Die Rauchgase können z.B. bei Fahrzeugmotoren im Wärmetausch mit Luft
in einem Kühler 16 oder z.B. bei stationären Motoren im Wärmetausch mit einem Heizwärmeträger
(z.B. in Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung) in einem Wärmetauscher 17 gekühlt werden.
In einem Abscheider 18 werden Rauchgase und Wasser getrennt. Das Wasser kann mittels
einer Pumpe 19 der Vorrichtung 13 zum Einspritzen von Wasser zugeleitet werden.
Wie bereits beschrieben, können bei diesem Verfahren im Vergleich zu einem Verfahren
ohne Wassereinspritzung, jedoch mit Rekuperator, folgende Vorteil erzielt werden:
- die Außenkühlung des Zylinders wird ganz oder zum größten Teil durch eine Innenkühlung
ersetzt.
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- es wird eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades und der spezifischen
Leistung erzielt.
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Im Betrieb kann ein Wirkungsgrad von über 60 % erreicht werden. Mit
einem Druckverhältnis von 35 und einer eingespritzten Wassermenge g1 = 0,2 kg Wasser/kg
Luft und 2 Expansionen ergibt sich eine Verdoppelung der spezifischen Leistung im
Vergleich zu dem in Figur 5 dargestellten Prozeß.
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- bei Kraft-Wärme-Kopplung könnte praktisch die gesamte nichtumgewandelte
Wärme auf ausreichend hohem Temperaturniveau zu Heizzwecken genutzt werden. Die
sogenannte Stromkennziffer (Verhältnis zwischen Stromerzeugung und gelieferter Heizwärme)
wäre in diesem Fall doppelt so groß wie bei guten kombinierten Heizkraftwerken.
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In der folgenden Tabelle sind die Leistungsdaten der in den Figuren
2 bis 5 dargestellten Verbrennungsmaschinen bezogen auf 1 kg angesaugte Luft angegeben.
Allen Rechnungen wurde hierbei ein Adiabatenexponent X = 1,35 zugrundegelegt.
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Für die in der Tabelle und in den genannten Figuren angegebenen Abkürzungen
wurde die gleiche Bezeichnung gewählt.
Tabelle
| Gleichraum- Gleichdruck- Prozesse mit Wärmerekuperator |
| prozeß prozeß (T4 und QR gleich) |
| (Otto-Motor) (Diesel-Motor) |
| 1 Arbeitsgang 2 Arbeitsgänge |
| pro Zyklus pro Zyklus |
| Angesaugte Luftmenge (kg) 1 1 1 1 |
| Temperaturen Ansaugen T1/p1 303/1 303/1 303/1 303/1 |
| und Ende der Verdichtung T2/p2 519,5/8 761,7/35 606/14,5 606/14,5 |
| Drücke Ende der Wärmezufuhr T3/p3 1673/25,8 1673/35 1673/14,5
2002/14,5 |
| (K)/(bar) Ende der Expansion T4/p4 976/3,22 876,6/2,89 1193,5/3,94
1193,5/1,97 |
| Rekuperator-Austritt T4/p4, - - 606/2 606/1 |
| Druckverhältnis bei Verdichtung p2 |
| 8 35 14,5 14,5 |
| p1 |
| Verdichtungsverhältnis = V1 4,67 13,92 7,25 7,25 |
| # |
| V2 |
| resultierende Verdichtungs- isobar - - 87,0 |
| Arbeits- arbeit adiabat 177,6 376,2 248,5 248,5 |
| beträge gesamt Lk 177,6 376,2 248,5 335,5 |
| (kJ) |
| Expansions- isobar - 261,6 306,3 400,8 |
| arbeit adiabat 571,8 653,2 393,3 663,4 |
| gesamt LE 571,8 914,8 699,6 1064,2 |
| Nutzarbeit L = LE - LK 394,2 538,6 451,1 728,7 |
| Zugeführte Brennstoffwärme Q (kJ) 946,0 1009,0 699,6 1064,2 |
| Abgeführte Wärme (Abwärme) Q0 (kJ) 551,8 470,4 248,5 335,5 |
| Rekuperierte Wärme QR - - 481,8 481,8 |
| Wirkungsgrad # = L (%) 41,7 53,4 64,5 68,5 |
| Q |
| Exergie der zugeführten Wärme EQ (kJ) 655,4 745,0 540,5 844,8 |
| 86,3 |
| Exergetischer Wirkungsgrad #E = L ( % ) 60,1 72,3 83,5 |
| EQ |
L e e r s e i t e