DE3690769C2

DE3690769C2 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennunsmotors und Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3690769C2
Application number: DE3690769A
Authority: DE
Inventors: Lin-Shu Wang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-21
Filing date: 1986-09-03
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2006-09-04
Also published as: WO1988001343A1; GB8808886D0; US4700542A; JP2524139B2; DE3690769T; CN1008758B; CN87105562A; GB2206155A; JPH01500605A; GB2206155B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Verbrennungsmo tor nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 7.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der JP 61-10 16 26 (A) und der US 42 99 088 und ein derartiger Verbrennungsmotor ist bereits aus der DE 32 24 006 A1 bekannt. Auf diese Druckschriften wird weiter unten noch näher eingegan gen.

Die Gesamtenergiebilanz eines Verbrennungsmotors oder einer Kraftanlage kann ausgedrückt werden als Arbeitsabgabe = Brennstoffheizwert - Wärmeabfuhr durch Kühlmittel - Abgasenergieverlust. Sowohl die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel als auch der Abgaswärmeverlust können in einem Leistungsproduktionskreisprozeß nicht eliminiert werden. Die üblichen Verbrennungsmotoren - das Gasturbinentriebwerk, der Benzinmotor und der Dieselmotor - basieren auf den idealen Kreisprozessen des Braytonverfahrens, des Ottoverfahrens bzw. des Dieselverfahrens. Diese Kreisprozesse haben die Eigenschaften gemeinsam, daß Abgas hoher Temperatur abgegeben wird und daß im Prinzip keine Wärmeabfuhr durch Kühlmittel erforderlich ist. In der Praxis werden selbstverständlich Kühlmittel benutzt, insbesondere in den Fällen des Benzin- und des Dieselmotors, um Materialüberhitzung zu verhindern. Diese Kühlung wird durch Temperaturgrenzwerte von Motorenmaterialien erforderlich, nicht durch thermodynamische Prinzipien des idealen Kreisprozesses, der benutzt wird. Mit der ständigen Verbesserung der Materialien können diese Kühlmittel reduziert oder eliminiert werden.

Allgemein gestatten die thermodynamischen Prinzipien die Behauptung, daß Verbrennungsmotorkonstruktionen, die den Abgasenergieverlust minimieren, in der Kraftstoffeinsparung Motorkonstruktionen überlegen sind, die die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel minimieren. Es sind demgemäß zahlreiche Versuche gemacht worden, Verbrennungsmotoren zu konstruieren, die den Abgasenergieverlust minimieren. Diese beinhalten das Hinzufügen von abgasgetriebenen Arbeitsturbinen zur zusätzlichen Leistungsabgabe. Andere Vorschläge verlangen das Hinzufügen einer Gasturbine mit umgekehrtem offenem Kreisprozeß, wie es in der US 28 98 731 beschrieben ist, oder die Verwendung einer "Abgasenergieentnahmevorrichtung" bei einem Otto- oder Dieselmotor, wie es in der GB-PS 15 21 265 beschrieben ist. In jedem dieser Fälle kann unter gewissen Betriebsbedingungen eine erhöhte Nutzleistung vorliegen. Im allgemeinen jedoch nimmt eine solche Verbesserung des Wirkungsgrades ab oder verschwindet, wenn die Betriebsbedingungen verändert werden. Keines dieser Verfahren führt aber zu einer nennenswerten Steigerung des Wirkungsgrads über einem akzeptablen Betriebsbereich.

Aus dem JP 61-10 16 26 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Druck von Abgasen überwacht wird, um ein Absinken der Leistungsabgabe eines Verbrennungsmotors zu verhindern und über eine elektronische Steuerung ein "Klopfen" des Verbrennungsmo tors zu minimieren. Damit wird eine konstante Leistungsabgabe erzielt. Dies wird erreicht, indem eine Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses vermieden wird, so daß die Lei stungsabgabe konstant bleibt. Ein Abgasventil wird dabei abhängig vom ermittelten Atmosphärendruck und/oder der Atmosphärentemperatur geöffnet und geschlossen. Als Bezugswert für die elektronische Steuerung wird der Atmosphärendruck benutzt. Ein Erhöhen des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors ist in dieser Druckschrift nicht angesprochen.

Aus der US 42 99 088 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Temperatur am Ausgang einer Gasturbine erfaßt wird, um die Zünd- oder Abgastemperaturen der Gasturbine im wesentlichen konstant zu halten und so thermische Beanspruchungen der Gasturbine zu vermeiden. Die Gasturbine kann dazu entweder im Normalbetrieb betrieben werden, in dem die Ausgangsleistung durch Veränderung der Brennstoffströmung gesteuert wird, oder durch Veränderung der Brennstoffströmung gesteuert wird, oder in einem zyklischen Betrieb, in dem die Ausgangsleistung durch Veränderung der Luftströmung gesteuert wird.

Aus der DE 32 24 006 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer Ab gaserzeugungseinrichtung bekannt, die eine Luft- und Brennstoff eingangseinrichtung umfaßt. Eine Turboaufladegruppe mit Lade luftkühlung ist dabei mit einer Vorrichtung versehen, mit der Leistung einer Kurbelwelle in den Lader eingeleitet werden kann zur Erhöhung der Ladeluftförderung bei niedriger Motordrehzahl. In dem bekannten Verbrennungsmotor soll dabei das Abgas verarbeitet werden, um genügend Ladeluft zu fördern und dabei dem Motor bei tiefen Drehzahlen ein höheres Drehmoment zu ver leihen und den Wärmehaushalt zu verbessern. Mit diesem bekann ten Verbrennungsmotor ist es jedoch nicht möglich, die Ab gastemperatur auf vorgeschriebenen niedrigen Werten zu halten und demgemäß zu einer nennenswerten Steigerung des Wirkungsgra des über einem akzeptablen Betriebsbereich zu kommen.

Aus der DE-AS 13 01 608 ist eine Ladeeinrichtung für Verbren nungsmotoren mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Abgastur binen bekannt, die jeweils Verdichter antreiben. Eine Abgas steuereinrichtung, die in Strömungsrichtung hinter der ersten Abgasturbine angeordnet ist, bestimmt dabei in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine die der zweiten Abgastur bine zugeführte Abgasmenge, um die Drehmomentcharakteristik des Verbrennungsmotors zu verbessern.

Aus der US 35 84 459 ist ein Gasturbinentriebwerk bekannt, bei der die Energie von Abgasen über einen Wärmetauscher auf be reits komprimierte Luft übertragen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors zu schaffen, das den Wirkungsgrad optimiert, indem es den Energieverlust durch Abgasemission minimiert, so wie einen Motor zu schaffen, bei dem dieses Verfahren ausge führt werden kann.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Pa tentansprüche 1 bzw. 7 gelöst.

Durch die Erfindung werden ein Verfahren und ein Verbrennungsmo tor geschaffen, die es ermöglichen, durch Minimieren der Ab gastemperatur einen größeren Wirkungsgrad zu erzielen. Im Ge gensatz zu sämtlichem vorgenannten Stand der Technik schafft die Erfindung ein kontinuierliches, systematisches Verfahren zum Sichern von vorgeschriebenen niedrigen Werten der Abgastem peratur, was zu einer nennenswerten Steigerung des Wir kungsgrades über einem akzeptablen Betriebsbereich führt. Beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor wird der Luftdruck des zu geführten Luft/Brennstoff-Gemisches durch eine variable Kom pressionseinrichtung verändert und stetig die Temperatur der Abgase zusammen mit dem Luft/Brennstoff-Verhältnis überwacht. Die Kompression der zugeführten Luft wird nach Bedarf eingestellt, um die Abgastemperatur auf einem gewünschten niedrigen Wert zu halten, der dem Luft/Brennstoff-Gemisch entspricht. Das Verbrennungsverfahren des Verbrennungsmotors nach der Erfindung kann Teil eines Otto-, Diesel- oder Braytonverfahrens sein, das in einer Funkenzündungs- oder Kompressionszündungs-Kolben-Zylinder-Vorrichtung oder in einer Gasturbine realisiert wird.

Allgemein kann der Verbrennungsmotor nach der Erfindung eine Hoch- und eine Niederdruckwelle aufweisen. Die Hochdruckwelle ist mit der Brennkammer direkt verbunden, wogegen die Niederdruckwelle benutzt wird, um die Abgastemperatur auf dem gewünschten Wert zu halten. Darüber hinaus kann die Niederdruckwelle insgesamt eine Arbeitsabgabe erzeugen, die mit einer Ausgangswelle gekoppelt werden kann, um nutzbare Arbeit zu leisten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, in denen

Fig. 1 ein Temperatur-Entropie-Diagramm eines Kreisprozesses eines Verbrennungsmotors nach der Erfindung ist;

Fig. 2 eine Darstellung eines Kolben/Turbinen-Triebwerks nach der Erfindung ist;

Fig. 3 eine Darstellung des Triebwerks nach Fig. 2 unter Verwendung einer Regenerativheizeinrichtung für die zugeführte Luft zusätzlich zur Kompression ist;

Fig. 4 eine Darstellung eines Gasturbinentriebwwerks unter Verwendung eines Freikolbenvergasers nach der Erfindung ist;

Fig. 5 eine Darstellung eines reinen Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung ist; und

Fig. 6 eine Darstellung eines Zweiwellenstrahltriebwerks nach der Erfindung ist.

Fig. 1 zeigt ein verallgemeinertes Temperatur-Entropie-Diagramm für Verbrennungsmotoren der im folgenden erläuterten Art. Der Teil des Diagramms zwischen Punkten Ro und 1 repräsentiert Kompression oder Aufladung von zugeführter luft, wo der Druck der Luft erhöht wird, während die Temperatur der Luft durch Zwischenkühlen zwischen Kompressionsphasen auf einem relativ konstanten Wert gehalten wird.

Der Teil des Diagramms zwischen den Punkten 1 und 2 repräsentiert die primäre Kompression eines Brennstoff/ Luft-Gemisches, und zwar entweder in einem Zylinder wie bei einem Dieselmotor oder in dem Hauptkompressor eines Gasturbinentriebwerks.

Der Teil des Diagramms zwischen den Punkten 2 und 3 repräsentiert das Luft/Brennstoff-Gemisch, während der Teil des Diagramms zwischen den Punkten 3 und 5 die Expansion von Abgas repräsentiert. Der Punkt 4 repräsentiert den Zustand des Abgases aus einem einfachen Motor ohne Aufladung, da der Druck im Punkt 4 gleich dem im Punkt 1 ist. Wegen des Aufladens kann die Abgastemperatur bis zum Punkt 5 gesenkt werden, was gestattet, dem System zusätzliche Arbeit zu entnehmen und die Motorleistung und den Wirkungsgrad zu verbessern.

In Fig. 2 ist ein Kolben/Turbinen-Verbundtriebwerk gezeigt. Wie dargestellt weist ein Motor 10 einen oder mehrere Abgaserzeugungseinrichtungen 12 in Form von Zylindern auf, von denen jeder einen hin- und hergehenden Kolben 14 enthält, der an einem Pleuel 16 befestigt ist, welcher an einer Kurbelvorrichtung 18 an einem Antrieb 20 in Form einer Kurbelwelle geeignet befestigt ist, die als eine Hochdruckwelle gekennzeichnet werden kann, weil sie mit einer Brennkammer des Zylinders direkt gekuppelt ist. Ein oxidierendes Fluid, beispielsweise Umgebungsluft, wird in den Zylinder über eine Lufteingangs einrichtung 22 in Form einer Leitung eingeleitet, die in einem Einlaßventil 24 endigt. Brennstoff wird über eine Brennstoffeingangseinrichtung 26 in Form einer Leitung eingeleitet, und die Abgase werden über ein Auslaßventil 28 in eine Leitung 30 abgelassen. Das Luft/Brennstoff-Verhältnis wird durch Strömungssensoren 32 und 34 in der Luft- und Brennstoffeingangseinrichtung 22 bzw. 26 überwacht.

Die Zündung des Luft/Brennstoff-Gemisches kann durch Kompression oder mittels Funken erfolgen. Der Kolben 14 sorgt für die primäre, im wesentlichen adiabatische Kompression des Luft/Brennstoff-Gemisches, das nach der Verbrennung in ein Abgasgemisch umgewandelt ist, welches innerhalb des Zylinders adiabatisch expandiert, den Kolben 14 nach unten treibt und die Drehung der Kurbelwelle bewirkt. In dieser Ausführungsform dient die Kurbelwelle auch als eine Ausgangswelle, an der Nutzarbeit abgenommen werden kann.

Eine Ausgangseinrichtung 36 in Form einer Turbine ist zusammen mit variablen Kompressionseinrichtungen 38 und 40 auf einer gemeinsamen Welle 42, die auch als Nieder druckwelle bezeichnet werden kann, befestigt, die mit der Kurbelwelle durch ein in der Übersetzung variables Getriebe 44 verbunden ist. Die Leitung 30 leitet die Abgase zu einer Eingangsseite der Ausgangseinrichtung 36, während eine Auslaßleitung 46 das Abgas der Ausgangseinrichtung 36 in die Atmosphäre entläßt.

Äußere Luft wird über einen Lufteingang 48 durch die Kompressionseinrichtungen 38 und 40 angesaugt, die jeweils mit einer Kühlschlange 50 versehen sind, welche in Wärmeaustauschbeziehung mit einer Leitung 52 in einer Zwischenkühleinrichtung 54 sind. Die Kombination aus den Kompressionseinrichtungen 38 und 40 und der Zwischenkühleinrichtung 54 bewirkt eine ungefähr isotherme Kompression der externen Luft, woran anschließend die komprimierte externe Luft durch die Lufteingangseinrichtung 22 in den Zylinder geleitet wird. Eine Sensoreinrichtung 56 in Form eines Temperatursensors ist an der Auslaßleitung 46 befestigt, um die Temperatur der Abgase darin zu überwachen, und mit einem Mikroprozessor als Einrichtung 58 zum Liefern eines Steuersignals verbunden, zusammen mit den Strömungssensoren 32, 34. Die Übersetzung des Getriebes 44 steht ebenfalls unter der Überwachung und Steuerung der Einrichtung 58.

Im Betrieb wird das Luft/Brennstoff-Gemisch in dem Zylinder auf herkömmliche Weise vereinigt und gezündet, so daß es den Kolben 14 antreibt und an dem Antrieb 20 Nutzarbeit erzeugt. Die heißen Abgase werden durch die Ausgangseinrichtung 36 geleitet, die sowohl die Kompressionseinrichtungen 38 und 40 antreibt als auch insgesamt ein Nutzdrehmoment an den Antrieb 20 über das Getriebe 44 abgibt. Weil das Arbeitsfluid der Ausgangseinrichtung 36 auf einer höheren Temperatur als die der Kompressionseinrichtungen 38 und 40 ist und weil der Druckabfall an der Ausgangseinrichtung 36 normalerweise größer als der an den Kompressionseinrichtungen 38 und 40 ist, kann insgesamt eine Nutzarbeit an den Antrieb 20 abgegeben werden. Die Sensoreinrichtung 56 überwacht die Temperatur der die Ausgangseinrichtung 36 verlassenden Abgase und liefert diese Daten zu der Einrichtung zum Liefern von Steuersignalen 58, die durch Steuern der Übersetzung des Getriebes 44 die Drehzahl der Welle 42 steuert. Da diese Drehzahl die Größe der Kompression der Kompressionseinrichtungen 38 und 40 steuert, ist die Kompression der externen Luft, die in die Kompressorstufen über den Lufteingang 48 eintritt, variabel.

Da es eine Beziehung zwischen der Kompression der zugeführten Luft (Aufladung), der Abgastemperatur und dem Triebwerkswirkungsgrad gibt, muß die Einrichtung 58 mit der erforderlichen Referenztemperatur programmiert werden, die dem optimalen Motorwirkungsgrad bei verschiedenen Luft/ Brennstoff-Verhältnissen des Motors entspricht. Das kann erfolgen durch Testen des Motors bei einem gegebenen Luft/Brennstoff-Verhältnis und Überwachen des Motorwirkungsgrades, wenn die Kompression verändert wird. Wenn die Kompression verändert wird, ändert sich auch die Abgastemperatur. Wenn die Abgastemperaturen verringert werden, steigt der Motorwirkungsgrad auf ein Maximum und nimmt dann wieder ab.

Die Kollektion von Temperaturwerten, welche optimalen Motor wirkungsgraden über dem gewünschten Bereich von Luft/ Brennstoff-Verhältnissen entsprechen, die benutzt werden sollen, bildet die Datenbasis für die Einrichtung 58. Eine solche Datenbasis muß für einen bestimmten Motor auf Kundenbasis gewonnen werden. Eine anfängliche Computersimulation eines Gasturbinenmodells zeigt, daß Abgastemperaturen in dem Bereich von 525 bis 620 Grad Kelvin erwartet werden können. Da die Daten auf Kundenbasis gewonnen werden, kann die Abgastemperatur an irgendeiner Stelle in dem Weg des Abgasstromes überwacht werden.

Demgemäß ist es durch ständiges Überwachen der Temperatur der Abgase, die die Ausgangseinrichtung 36 verlassen, und durch Steuern der Größe der Kompression möglich, die Temperatur der Abgase in dem gewünschten niedrigen Bereich zu halten und so den hohen Motorwirkungsgrad über dem Bereich von Luft/ Brennstoff-Verhältnissen aufrechtzuerhalten. Bei der Suche nach der optimalen Leistung müssen jedoch Kondensationspunkte der Abgaskomponenten beachtet werden, um die möglicherweise schädlichen Auswirkungen der Kondensation innerhalb des Motors zu vermeiden, insbesondere wenn die Temperaturüberwachung an einem Punkt erfolgt, jenseits welchem das Abgas noch einer Temperaturabnahme ausgesetzt ist.

Da die Abgase bei ihrer Abgabe noch auf einer relativ hohen Temperatur statt auf Umgebungstemperatur sein können, beinhaltet eine Alternative zu der soeben beschriebenen Ausführungsform das Vorsehen des Vorwärmens der externen Luft vor dem Einleiten in die Abgaserzeugungseinrichtung 12 durch Ausnutzen der Abgaswärmeenergie. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 kann das durch die Verwendung eines regenerativen Vorwärmers 60 erfolgen, der Kanäle 62 und 64 enthält, die in Wärmeübertragungsbeziehung aufeinander ausgerichtet sind. Die Abgase werden nach dem Verlassen der Ausgangseinrichtung 36 durch den Kanal 62 in den als Wärmetauscher ausgebildeten Vorwärmer 60 geleitet, wodurch ein Teil ihrer verbleibenden Wärmeenergie auf die komprimierte oder aufgeladene externe Luft übertragen wird, welche durch den Kanal 64 hindurchgeht. Die Abgase können dann durch einen Kompressor 66 auf der Welle 42 geleitet werden, der als Saugvorrichtung arbeitet, was eine Maßnahme zur weiteren Wirkungsgraderhöhung in der Strömung durch die Ausgangseinrichtung 36 darstellt, bevor sie über die Auslaßleitung 46 an die Atmosphäre abgegeben werden. Wenn die Temperatur der Abgase, die die Ausgangseinrichtung 36 verlassen, oberhalb der der Gase ist, welche in den Kompressor 66 eintreten, und zwar auf Grund der Verwendung des Vorwärmers 60, ist die Arbeit, die zum Antreiben des Kompressors 66 erforderlich ist, niedriger als die gesamte zusätzliche Arbeit, die durch die Ausgangseinrichtung 36 dem Abgasstrom auf Grund des Senkens seines Abgasdruckes durch den Kompressor 66 entnommen wird. Demgemäß kann ein besserer Wirkungsgrad realisiert werden. Es ist zu beachten, daß bei dieser Ausführungsform die zweite Kühlschlange 50 nicht benutzt wird, da es nicht notwendig ist, komprimierte Luft auf ihrer Anfangstemperatur zu halten.

Das zuvor erläuterte Verfahren kann auch in einem Gasturbinentriebwerk ausgeführt werden, bei dem ein Freikolbenvergaser benutzt wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. In dieser Figur legt die als Freikolbenvergaser ausgebildete Verbrennungseinrichtung 68 eine "Hochdruckwelle" fest, obwohl tatsächlich der Freikolbenvergaser eine "Nulleistungs"-Vorrichtung und daher ohne eine Ausgangswelle ist. Der Freikolbenvergaser arbeitet jedoch auf hohem Druck. Eine Kompressions antriebseinrichtung 70 und Kompressionseinrichtungen 72 und 74 sind auf einer gemeinsamen zweiten Welle 76 befestigt und arbeiten auf relativ niedrigen Druckwerten.

In dieser Ausführungsform tritt Brennstoff in den Freikolbenvergaser über eine Leitung 78 ein, während Luft über eine Leitung 80 eintritt, wobei deren Durchflußleistungen durch die Strömungssensoren 32 und 34 überwacht werden, die mit der Einrichtung 58 verbunden sind. Das Luft/Brennstoff-Gemisch wird auf bekannte Weise in der Verbrennungseinrichtung 68 gezündet und auf eine hohe Temperatur und einen hohen Druck gebracht, wobei das Abgas, das diesen hohen Druck und diese hohe Temperatur aufweist, über eine Leitung 82 zu einer Gasturbine 84 geht. Die Gasturbine 84 dreht sich auf einer Welle 86, die zu der Welle 76 koaxial ist. Es ist die Welle 86, von der hauptsächlich Nutzarbeit abgenommen wird. Die Welle 86 ist mit einem Hohlrad 88 versehen, das mit einem Getriebe 90 mit einer Planetenradeinheit in Eingriff ist, die mit einer Ausgangsantriebswelle 92 verbunden ist. Das Abgas, welches die Gasturbine 84 verläßt, geht durch eine Leitung 94 und wird durch einen Sensor 96 in seiner Temperatur überwacht. Das Abgas wird dann zum Antreiben der Kompressionsantriebseinrichtung 70 benutzt, die den Antrieb für die beiden zwischengekühlten Kompressionseinrichtungen 72 und 74 bildet, welche externe Luft über eine Einlaßleitung 98 ansaugen, die Luft verdichten und diese über die Leitung 80 an die Verbrennungseinrichtung 68 abgeben. Die Welle 76 ist mit dem Ausgang der Gasturbine 84 durch ein Sonnenrad 100 verbunden, das mit dem Inneren der Planetenradeinheit kämmt. In dieser Ausführungsform stehen einstellbare Turbineneingangsleitapparate 102 an der Kompressionsantriebseinrichtung 70 zusammen mit dem Sensor 96 und den Strömungs sensoren 32 und 34 unter der Steuerung der Einrichtung 58, so daß die Drehzahl der Welle 76 und demgemäß die Größe der Kompression der externen Luft durch die Kompressionseinrichtungen 72 und 74 ständig überwacht und eingestellt werden kann, um die Abgastemperatur und demgemäß den Motorwirkungsgrad auf dem gewünschten Wert zu halten. Weil die Steuerung der einstellbaren Turbineneingangsleitapparate 102 den Druck in der Leitung 94 beeinflußt, verändert ihr Betrieb notwendigerweise die Ausgangsleistung der Gasturbine 84 an der Welle 86. Wie bei den früheren Ausführungsformen ist Testen oder Simulieren des Gasturbinentriebwerks erforderlich, um die notwendigen Triebwerkswirkungsgrads-, Zuluftkompressions- und Abgastemperaturbeziehungen für den richtigen Betrieb und die richtige Steuerung durch die Einrichtung 58 zu erzielen.

Das beschriebene Verfahren kann auch in einem reinen Gasturbinentriebwerk ausgeführt werden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform liefert eine typische Gasturbineneinheit 104, die einen Kompressor 106, eine Brennkammer 108 und eine Turbine 110 umfaßt, einen Abgasstrom hoher Temperatur und hohen Druckes in einer Leitung 112. Der Kompressor 106 und die Turbine 110 sind auf einer gemeinsamen Welle 114 befestigt, die über ein Getriebe 116 mit einer Welle 118 verbunden ist, auf der Kompressionseinrichtungen 120 und 122 zusammen mit einer Turbine 124 befestigt sind. Die Abgase in der Leitung 112 treiben eine Freifahrturbine 126 an, die mit einer Leistungsabgabeantriebswelle 128 verbunden ist. Die Temperatur des Abgases aus der Freifahrturbine 126 in einer Leitung 130 wird durch einen Sensor 132 überwacht, bevor das Abgas durch die Turbine 124 geht, um die Kompressionseinrichtungen 120, 122 anzutreiben, und in die Atmosphäre abgegeben wird. Wiederum stehen ein Sensor 132, das Getriebe 116 sowie Luft/ Brennstoff-Verhältnissensoren (nicht dargestellt) unter der Steuerung der Einrichtung 58, so daß das Drehzahlverhältnis zwischen der Welle 114 und der Welle 118 so eingestellt werden kann, daß es gestattet, die variable Kompression der Zuluft, die über eine Leitung 134 zu den Kompressionseinrichtungen 120 und 122 gelangt und der Gasturbineneinheit 104 zugeführt wird, nach Bedarf zu verändern, um die Abgastemperatur in der Leitung 130 und den Triebwerkswirkungsgrad auf den gewünschten Werten zu halten.

Das für reine Gasturbinen beschriebene Verfahren kann auch bei Zweiwellenstrahltriebwerken verwirklicht werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Wie dargestellt, enthält eine Triebwerksgondel 136 ein inneres Kerngehäuse 138, welches einen ringförmigen Luftmantelstromring 140 begrenzt und Triebwerksteile trägt. In dem Kerngehäuse 138 ist eine Welle 142, die Kompressionseinrichtungen 144 und 146 und eine Niederdruckantriebsturbine 148 trägt, koaxial zu Elementen einer primären Gasturbineneinheit 150 befestigt, welche einen Hochdruckkompressor 152, eine Brennkammer 154 und eine Hochdruckturbine 156 aufweist. Auf herkömmliche Weise treibt die Hochdruckturbine 156 den Hochdruckkompressor 152 über eine Welle 158 an, die koaxial um die Welle 142 angeordnet ist. Die Welle 158 ist mit der Welle 142 durch ein in der Übersetzung variables Getriebe 160 verbunden. Die Abgase, die die Hochdruckturbineneinheit 156 verlassen, treiben die Niederdruckantriebsturbine 148 an und können anschließend einen Turbo-Fan 162 auf herkömmliche Weise antreiben. Das Abgas kann dann in einem Auslaßdüsenabschnitt 164 auf im Stand der Technik allgemein bekannte Weise expandieren. Die Temperatur der Abgase kann an dem Auslaßdüsenabschnitt 164 überwacht werden, wobei das Getriebe 160 sowie die Abgastemperatur- und Luft/Brennstoff-Strömungssensoren (nicht dargestellt) wieder unter Mikroprozessorsteuerung stehen. In dieser Ausführungsform erfolgt eine Zwischenkühlung zwischen den Kompressionseinrichtungen 144, 146 und 152 durch wendelförmige Kühlschlangen 166, die sich in dem kreisringförmigen Luft mantelstromring 140 erstrecken. Die Kühlschlangen 166 können mit Kühlrippen oder anderen Einrichtungen versehen werden, um eine größere Oberfläche für die Kühlung von Mantelstromluft bereitzustellen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der eine Einrichtung hat, in welcher ein zugeführtes Luft/Brennstoff-Gemisch variablen Verhältnisses vereinigt und gezündet wird, um einen Abgasstrom hoher Temperatur und hohen Druckes zu erzeugen, beinhaltend folgende Schritte:

a) Hindurchleiten der Abgase durch eine Expansionsein richtung, um ihnen Arbeit zu entnehmen; und
b) ständiges Überwachen des Luft/Brennstoff-Verhältnis ses;
gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:
c) ständiges Überwachen der Temperatur der Abgase, nach dem diese die Expansionseinrichtung verlassen haben;
d) ständiges Vergleichen der Temperatur der Abgase mit vorbestimmten Standards, welche gegebene hohe Werte des Motorwirkungsgrades bei den Luft/Brennstoff- Verhältnissen repräsentiert, um ein Steuersignal zu erzeugen, das in Beziehung zu der Differenz steht; und
e) ständiges variables Komprimieren der dem Luft/Brennstoff-Gemisch zugeführten Luft auf das Steuer signal hin, so daß die Abgastemperatur während des Motorbetriebes auf einem vorbestimmten Standard gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des variablen Komprimierens der zugeführten Luft beinhaltet, die zugeführte Luft durch eine erste und eine zweite Kompressionseinrichtung (38, 40; 72, 74; 120, 122), welche eine Zwischen kühleinrichtung (54) haben, hindurchzuleiten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des variablen Komprimierens der zugeführten Luft beinhaltet, das Abgas aus der Expansionseinrichtung durch eine Turbineneinrichtung hindurchzuleiten und eine va riable Kompressionseinrichtung (38, 40) durch die Turbineneinrich tung anzutreiben.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des variablen Komprimierens beinhaltet, die Drehzahl der Turbineneinrichtung zu verändern.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Schritt des Vorwärmens der zugeführten Luft, nachdem die zugeführte Luft komprimiert worden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorwärrmen der zugeführten Luft durch eine Wärmeübertra gungseinrichtung zwischen den Abgasen und der zugeführten Luft erfolgt.

7. Verbrennungsmotor mit:
einer Abgaserzeugungseinrichtung (12) zum Erzeugen eines Abgasstroms hoher Temperatur und hohen Druckes aus einem zugeführten Luft/Brennstoff-Eingangsgemisch der Abgaserzeugungseinrich tung (12), die eine Luft- und Brennstoffeingangseinrichtung (22, 26) umfaßt;
einer Ausgangseinrichtung (36), die mit der Abgaserzeu gungseinrichtung (12) verbunden ist, zum Entnehmen von Nutzarbeit aus dem Abgasstrom;
einem Antrieb (20) für eine variable Kompressionsein richtung (38, 40), der mit der Abgaserzeugungseinrichtung (12) verbunden ist, zum Verändern des Druckes des Luftan teils des zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches, wobei die variable Kompressionseinrichtung (38, 40) einen Lufteingang (48) und einen Luftausgang hat, der mit der Lufteingangseinrichtung (22) verbunden ist;
gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung (56) zum ständigen Überwachen der Temperatur des Abgasstroms, nachdem dieser durch die Aus gangseinrichtung (36) hindurchgegangen ist, und zum Überwa chen des Verhältnisses von zugeführter Luft zu Brennstoff an der Luft- und Brennstoffeingangseinrichtung (22, 26); und
eine Einrichtung (58) zum Liefern eines ständigen Steuersi gnals zum Verändern der Kompression der zugeführten Luft durch die variable Kompressionseinrichtung (38, 40; 72, 74; 120, 122; 144, 146) auf der Basis einer Temperaturdifferenz zwischen der überwachten Tem peratur des Abgasstroms und einer vorbestimmten Referenz temperatur für ein gegebenes erfaßtes Luft/Brennstoff-Ver hältnis, so daß die überwachte Abgastemperatur während des Betriebes des Verbrennungsmotors ständig auf der vorbe stimmten Referenztemperatur gehalten wird, wobei die vorbe stimmte Referenztemperatur einem vorbestimmten Motorwir kungsgrad bei einem gegebenen Luft/Brennstoff-Verhältnis entspricht.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Ausgangseinrichtung (36) eine Turbineneinrich tung ist, über die die variable Kompressionseinrichtung (38, 40) in Antriebsverbindung mit dem Abgasstrom ist.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Abgaserzeugungseinrichtung (12) eine Gasturbine (84) aufweist, die eine Kompressionseinrichtung (72, 74), eine Verbren nungseinrichtung (68) und eine Kompressorantriebseinrich tung (70) aufweist.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Abgaserzeugungseinrichtung (12) ein Freikolbenver gaser ist.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Abgaserzeugungseinrichtung (12) ein Kolbenmo tor ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die variable Kompressionseinrichtung (38, 40) und die Turbineneinrichtung auf einer einzelnen Welle (42) befestigt sind.

13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzelne Welle (42) mit der Abgaserzeu gungseinrichtung (12) verbunden ist.

14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzelne Welle (76) mit der Turbineneinrichtung durch ein Getriebe (90) mit variablem Übersetzungsverhältnis verbunden ist.

15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß das ständige Steuersignal das Übersetzungsverhältnis verändert, um die Kompression der variablen Kompressions einrichtung (38, 40; 72, 74; 120 122; 144, 146) zu verändern.

16. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die variable Kompressionseinrichtung eine erste und eine zweite Kompressionseinrichtung (38, 40; 72, 74; 120, 122) aufweist, die eine Zwischenkühleinrichtung (54) haben.

17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenkühleinrichtung (54) wendelför mige Kühlschlangen (50) aufweist, die zur Konvektionsküh lung durch Mantelstromluft vorgesehen sind.