WO2010000285A1 - Abgasenergienutzung mittels offenem gasturbinenprozess - Google Patents

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compressor
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Stefan Pischinger
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Fev Motorentechnik Gmbh
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, wherein the thermal energy of the exhaust gas stream is converted into mechanical power, as well as an internal combustion engine with system components for the application of the method.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a method for utilizing the exhaust gas energy of an internal combustion engine and an internal combustion engine of the type mentioned above, which can be represented with low construction costs.
  • the solution to this problem consists in a method of operating an internal combustion engine converting thermal exhaust gas heat into mechanical power, in which the heat extracted from the exhaust gas flow is supplied to the gaseous medium of an open gas turbine process between a compressor and a gas turbine, wherein the mechanical power of the gas turbine process for Drive a work machine is used.
  • the pre-compressed gaseous medium at least temporarily heat from a combustion process in a before the
  • certain boost functions for the driven by the gas turbine engine working machine can be represented thereby easier.
  • the compressor can be coupled directly to the turbine of the gas turbine plant and driven by it. In this embodiment, the other embodiments relate.
  • Air is used as the working medium of the open gas turbine process.
  • a first process control is provided that the exhaust gas stream of the engine heat is removed behind the turbine of an exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine and fed to the working fluid of the gas turbine process.
  • sufficient energy is available for driving the exhaust gas turbocharger in the exhaust gas line in each operating state.
  • the design changes in existing engine concepts are easier to make, since the heat exchanger of the gas turbine plant can be arranged relatively motorfem.
  • the exhaust gas stream heat can be supplied before the turbine of the exhaust gas turbocharger after the working fluid of the gas turbine process, ie the heat exchanger of the gas turbine plant must be very close to the engine, for example, integrated in the exhaust manifold.
  • This has the advantage that at full load cooling of the exhaust stream and thus a component protection of the turbine of the exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine and the components for the exhaust aftertreatment (catalysts) takes place.
  • acceleration from partial load or similar operating conditions at low load, during idling and during coasting, heat extraction from the exhaust gas is not permitted, so that the drive and the acceleration of the exhaust gas turbocharger is not impaired.
  • the corresponding heat exchanger must be bypassed in phases by the exhaust gas or the flow of the working medium of the gas turbine plant through the heat exchanger must be interrupted in phases.
  • Appropriate control means are provided in the corresponding cable guides. This leaves sufficient energy for the drive of the exhaust gas turbocharger and thus for the undisturbed operation of the internal combustion engine available in case of need.
  • the open gas turbine process is started after a start of the internal combustion engine with foreign energy, initially there is no flow connection between the outlet side of the compressor and the inlet side of the gas turbine and this only upon reaching a starting speed of the compressor and Gas turbine is produced via the heat exchanger. This is true in any case when the compressor is driven directly by the gas turbine.
  • this starting process takes place in such a way that the heat exchanger is shut off on the working medium side before entry and after exit, so that in the heat exchanger a gas volume is preheated while the pressure is being increased.
  • the externally driven compressor can blow off the working medium on the pressure side and the turbine can suck in secondary air. Only when the compressor and turbine are at a suitable starting speed is a connection initially established from the heat exchanger to the turbine, which can then indicate a short-term mechanical power to the compressor by means of a pressure pulse from the heat exchanger; is then connected to the input side of the heat exchanger, so that sets a self-sustained gas turbine process.
  • both the inlet between the heat exchanger and turbine and the return from the compressor to the heat exchanger are not continuously connected at rest of the gas turbine plant are closed in the inlet and outlet to the heat exchanger by valves, so that the heat exchanger on its secondary side to the gas turbine process is completed and the compressor in the gas turbine process is open on both sides.
  • the heating of the gas in the heat exchanger is then waited until a sufficient pressure has built up.
  • the delay is needed to prevent the gas pressure in the heat exchanger from escaping in the wrong direction.
  • Compressor with the heat exchanger input, the speed of the turbocharger or the pressure behind the compressor can be used.
  • Compressor output can at the appropriate time with the
  • Heat exchangers are connected as soon as the pressure build-up behind the compressor exceeds the pressure in the heat exchanger.
  • a gas storage can be provided between the compressor and the turbine, which can be integrated in particular in the secondary side of the heat exchanger.
  • the power surplus of the gas turbine plant can be absorbed by a working machine in the broadest sense.
  • an electric machine can be used in the simplest way, in particular as a starter Generator may be formed, on the one hand serves as a starter for the gas turbine plant and on the other hand can run after starting in the generator mode, wherein the electrical energy can be stored in a battery.
  • Another possibility is to let the compressor drive a chiller or a heat pump from the gas turbine plant.
  • the possibility can be combined to integrate the evaporator of said chiller or heat pump in the air intake of the engine as an additional intercooler.
  • Figure 1 shows an investment scheme in the basic structure with an arranged behind the turbine of the exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine heat exchanger of the gas turbine plant;
  • Figure 2 shows an investment scheme in the basic structure with a front of the turbine of the exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine arranged heat exchanger of the gas turbine plant;
  • Figure 3 shows an investment scheme similar to Figure 1 with a compressor of a chiller as a consumer of the mechanical power of the gas turbine plant
  • Figure 4 shows an investment scheme similar to Figure 2 with a compressor of a chiller as a consumer of the mechanical power of the gas turbine plant.
  • FIG 1 an investment scheme is shown, which can detect an internal combustion engine 11 with an air intake line 12 and an exhaust line 13. It is a supercharged internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger 14, the compressor 15 is located in the air intake 12 of the engine 11 and the turbine 16 is located in the exhaust line 13 of the internal combustion engine. Behind the compressor 15 of the exhaust gas turbocharger 14, a charge air cooler 17 is shown in the air intake line, which may preferably be air-cooled. Compressor 15 and turbine 16 of the exhaust gas turbocharger 14 are mechanically coupled to each other via a shaft 18.
  • It is also an open gas turbine plant 21 which includes a compressor 22 and a gas turbine 23, which are mechanically coupled via a shaft 24.
  • a wiring harness 25 connects the pressure side of the compressor 22 to the high pressure side of the gas turbine 23.
  • the compressor 22 sucks in air from the environment as the working medium.
  • the line 25 leads via a heat exchanger 26, which is located in the exhaust line 13 of the internal combustion engine 11 behind the turbine 16 of the exhaust gas turbocharger 14. In the heat exchanger 26, heat is transferred from the hot exhaust gas of the internal combustion engine 11 to the precompressed gas of the gas turbine plant in the wiring harness 25, which is relaxed after the heat supply in the heat exchanger 26 in the turbine 23 of the gas turbine plant 21 and generates an excess of power.
  • a combustion chamber 29 in the wiring harness 25 in front of the turbine 23 can serve as an option for further heat supply to the medium of the gas turbine process.
  • two valves are indicated, a blow-off and check valve 27 on the pressure side of the compressor and a secondary air and check valve 28 on the high-pressure side of the turbine. These valves 27, 28 are to open for starting the gas turbine plant 21 to the compressor and the turbine and at the same time to close before the heat exchanger and behind the heat exchanger.
  • the startup of the gas turbine plant 21 takes place with external energy via a motor 31, which via a shaft 32 with the Compressor 22 is mechanically coupled.
  • the turbine-side valve 28 When the unit of compressor and turbine is brought by means of the motor 31 to speed, the turbine-side valve 28 is first closed to the environment and opened between the heat exchanger 26 and turbine 23 with a short time offset, so that a gas burst of preheated gas from the heat exchanger causes a power output of the turbine. Shortly thereafter, the blow-off and shut-off valve 27 of the compressor is closed to the environment, thereby opening the connection between the compressor 22 and the heat exchanger 26, so that now the turbine power driven compressor maintains the gas turbine process under constant heat supply to the working fluid in the heat exchanger. The motor 31 can now receive mechanical power from the gas turbine plant during generator operation.
  • FIG. 2 shows a similar system diagram as in FIG. 1 comprising an internal combustion engine 11 and a gas turbine installation 21.
  • the heat exchanger 26 of the gas turbine plant 21 is here in the engine nearer the exhaust line 13 of the engine 11, namely in front of the turbine 16 of the exhaust gas turbocharger 14.
  • the exhaust gas temperature level is in this case in a favorable manner higher than behind the turbine of the exhaust gas turbocharger.
  • FIG. 3 shows a layout diagram which shows an internal combustion engine 11 with an air intake line 12 and an exhaust line 13. It is a supercharged internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger 14 whose compressor 15 is located in the air intake line 12 of the internal combustion engine 11 and whose turbine 16 is located in the exhaust line 13 of the internal combustion engine 11. Behind the compressor 15 of the exhaust gas turbocharger, a charge air cooler 17 is shown in the air intake line, which may preferably be air-cooled. Compressor 15 and turbine ne 16 of the exhaust gas turbocharger 14 are mechanically coupled to each other via a shaft 18.
  • An open gas turbine plant 21 is furthermore shown, which comprises a compressor 22 and a gas turbine 23, which are mechanically coupled via a shaft 24.
  • a wiring harness 25 connects the pressure side of the compressor 22 to the high pressure side of the gas turbine 23.
  • the compressor 22 sucks in air from the environment as the working medium.
  • the line 25 leads via a heat exchanger 26, which is located in the exhaust line 13 of the internal combustion engine 11 behind the turbine 16 of the exhaust gas turbocharger 14.
  • In the heat exchanger 26 there is a heat transfer from the hot exhaust gas of the internal combustion engine 11 to the pre-compressed gas of the gas turbine plant in the wiring harness 25, which is relaxed after the heat supply in the heat exchanger 26 in the turbine 23 of the gas turbine plant 21 and generates a power surplus.
  • a combustion chamber 29 in the wiring harness 25 in front of the turbine 23 can be used as an option for further heat supply to the medium of the gas turbine process.
  • two valves are indicated, a blow-off and check valve 27 on the pressure side of the compressor and a secondary air and check valve 28 on the high-pressure side of the turbine. These valves 27, 28 are to be opened to start the Gasturbinenstrom 21 to the compressor and the turbine and at the same time to close before the heat exchanger and behind the heat exchanger.
  • the startup of the gas turbine plant 21 takes place with external energy via a motor 31, which is mechanically coupled via a shaft 32 to the compressor 22.
  • the turbine-side valve 28 When the unit of compressor and turbine is brought by the motor 31 to speed, the turbine-side valve 28 is first closed to the environment and opened between the heat exchanger 26 and turbine 23 with a short time delay, so that a gas impact of preheated gas from the heat exchanger a Power output of the turbine causes. Shortly thereafter, the blow-off and shut-off valve 27 of the compressor is closed to the environment while the connection PHg between compressor 22 and heat exchanger 26 is opened, so that now the turbine power driven compressor maintains the gas turbine process under constant heat supply to the working fluid in the heat exchanger. The motor 31 can now receive mechanical power from the gas turbine plant during generator operation.
  • the engine 31 can be decoupled from this after start-up of the gas turbine plant 21.
  • the compressor 42 of a heat pump or chiller 41 is provided in this embodiment, which has a closed coolant circuit 46 and at which the units compressor 42, condenser 43, throttle 44 and evaporator 45 can be seen.
  • the evaporator 45 is here as another charge air cooler in the air intake 12 of the engine 1 1 and thus contributes to the improvement of the process efficiency of the internal combustion engine as such.
  • FIG. 4 shows a similar system diagram as in FIG. 3, including an internal combustion engine 11 and a gas turbine plant 21.
  • the heat exchanger 26 of the gas turbine plant 21 is located closer to the engine in the exhaust line 13 of the internal combustion engine 11, namely in front of the turbine 16 of the exhaust gas turbocharger 14.
  • the exhaust gas temperature level is advantageously higher as behind the turbine of the exhaust gas turbocharger.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine 11 unter Umwandlung von thermischer Abgasenergie in mechanische Leistung, bei welchem Wärme aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 11 auf das vorverdichtete gasförmige Medium eines offenen Gasturbinenprozesses in einem zwischen einem Verdichter 22 und einer Gasturbine 23 angeordneten Wärmetauscher 26 übertragen wird, wobei die mechanische Leistung des Gasturbinenprozesses einer Arbeitsmaschine zugeführt wird.

Description

Abgasenergienutzung mittels offenem Gasturbinenprozess
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem thermische Energie des Abgasstromes in mechanische Leistung umgewan- delt wird, sowie eine Brennkraftmaschine mit Anlagenteilen zur Anwendung des Verfahrens.
In einer Brennkraftmaschine wird nur ein relativ geringer Anteil der im eingesetzten Brennstoff chemisch gebundenen Energie in mechanische Leistung umge- setzt, während ein vergleichsweise großer Anteil über die Abgaswärmeströme und die Kühlwasserwärmeströme der Brennkraftmaschine nutzlos in die Umgebung abgegeben werde. Soweit Brennkraftmaschinen für den Einsatz in Fahrzeugen betrachtet werden, ist der Anteil der für den Fahrzeugantrieb genutzten mechanischen Energie im Verhältnis zur eingesetzten chemisch gebundenen Energie des Brennstoffes nochmals geringer, wenn auch die Strahlungswärmeverluste, die Motorreibungsverluste und die Getriebeverluste vergleichsweise gering sind.
Mit der zunehmenden Verknappung und Verteuerung fossiler Brennstoffe wird die Steigerung des Gesamtwirkungsgrades von Brennkraftmaschinen unter Einbeziehung der Nutzung der Abgasenergie immer wichtiger.
In der Veröffentlichung "Möglichkeiten der Abwärmenutzung bei Kraftfahrzeugen", Michael Hoetger, Jörg Collisi; 11. Tagung "Der Arbeitsprozeß des Verbren- nungsmotors" 20/21. September 2007 ist beschrieben, wie die Abgaswärme einer Brennkraftmaschine mittels eines geschlossenen Dampfkreisprozesses (Ranki- ne-Zyklus) genutzt werden kann, wobei in einem Abgas-Dampf-Wärmeübertrager das Speisewasser des Dampfkreisprozesses verdampft wird und die Dampfenergie in einer Axialkolben- oder Tauchkolbenmaschine genutzt wird. Als Kondensator kann hierbei ein weiterer Wärmetauscher vor der Speisewasserpumpe ver- wendet werden, der im normalen Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine liegt.
Die hiermit beschriebene Anlage ist relativ aufwendig. Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nutzung der Abgasenergie einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, die mit geringen Bauaufwand darstellbar sind.
Die Lösung hierfür besteht in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftma- schine unter Umwandlung thermischer Abgaswärme in mechanische Leistung, bei welchem die dem Abgasstrom entzogene Wärme dem gasförmigen Medium eines offenen Gasturbinenprozesses zwischen einem Verdichter und einer Gasturbine zugeführt wird, wobei die mechanische Leistung des Gasturbinenprozesses zum Antrieb einer Arbeitsmaschine verwendet wird.
Die Anwendung des offenen Gasturbinenprozesses erfordert deutlich einfachere Komponenten als ein geschlossener Dampfkreisprozeß, da keine druckfesten Wärmetauscher oder Dichtungen und insbesondere kein Kondensator erforderlich ist. Die Gasturbine ist wesentlich preiswerter als eine Dampfturbine.
Bei relativ geringen Bau- und Kostenaufwand wird der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert.
In besonderer Ausgestaltung kann dem vorverdichteten gasförmigen Medium zumindest zeitweise Wärme aus einem Verbrennungsprozeß in einer vor der
Gasturbine angeordneten Brennkammer ausschließlich oder zusätzlich zugeführt werden. Dies gilt insbesondere in einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine. Daneben können bestimmte Boostfunktionen für die von der Gasturbinenanlage angetriebene Arbeitsmaschine hierdurch leichter dargestellt werden.
In bevorzugter Ausführung kann der Verdichter unmittelbar mit der Turbine der Gasturbinenanlage gekoppelt sein und von dieser angetrieben werden. Auf diese Ausgestaltung beziehen sich die weiteren Ausführungen.
Alternativ ist es allerdings auch möglich, den Verdichter der Gasturbinenanlage ständig fremd anzutreiben z.B. von einem Elektromotor oder durch mechanische Kopplung von der Brennkraftmaschine selber.
Als Arbeitsmedium des offenen Gasturbinenprozesses wird Luft verwendet. Nach einer ersten Verfahrensführung ist vorgesehen, daß dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine Wärme hinter der Turbine eines Abgasturboladers der Brennkraft- maschine entzogen und dem Arbeitsmedium des Gasturbinenprozesses zugeführt wird. Hierdurch bleibt in jedem Betriebszustand ausreichend Energie für den Antrieb des Abgasturboladers im Abgasstrang vorhanden. Im übrigen sind die konstruktiven Änderungen bei bestehenden Motorkonzepten leichter vorzunehmen, da die Wärmetauscher der Gasturbinenanlage relativ motorfem angeordnet werden kann.
Nach einer alternativen Ausgestaltung kann dem Abgasstrom Wärme vor der Turbine des Abgasturboladers entzogen nach dem Arbeitsmedium des Gasturbinenprozesses zugeführt werden, d.h. der Wärmetauscher der Gasturbinenanlage muß sehr motornah, beispielsweise im Abgaskrümmer integriert angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, daß bei Vollast eine Kühlung des Abgasstromes und somit ein Bauteilschutz der Turbine des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine und der Komponenten zur Abgasnachbehandlung (Katalysatoren) erfolgt. Allerdings ist im Falle der Beschleunigung aus Teillast oder in ähnlichen Be- triebszuständen, bei niedriger Last, im Leerlauf und bei Schubbetrieb ein Wärmeentzug aus dem Abgas nicht zulässig, damit der Antrieb und die Beschleunigung des Abgasturboladers nicht beeinträchtigt wird. Das heißt, der entsprechende Wärmetauscher muß phasenweise vom Abgas umgangen werden oder der Durchfluß des Arbeitsmediums der Gasturbinenanlage durch den Wärmetauscher muß phasenweise unterbrochen werden. Entsprechende Steuerungsmittel sind in den entsprechenden Leitungsführungen vorzusehen. Hierdurch bleibt in Bedarfsfall ausreichend Energie für den Antrieb des Abgasturboladers und damit für den ungestörten Betrieb der Brennkraftmaschine verfügbar.
Natürlich ist es auch möglich, die beiden vorgenannten Möglichkeiten miteinander zu kombinieren, d.h. Wärmetauscher im Abgasstrang vor und hinter der Turbine des Abgasturboladers einzusetzen, die vom Arbeitsmedium der Gasturbi- nenanlage in Reihe oder alternativ einzeln durchströmt werden können. Dies bedarf allerdings eines höheren Bauaufwandes.
Bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung steht hierbei in günstiger Weise gekühltes Abgas hinter dem Wärmetauscher zur Abgasrückführung zur Verfügung, entweder zur Niederdruckabgasrückführung (hinter ATL-Turbine) oder zur Hochdruckangasrückführung (vor ATL-Turbine).
Gemäß einer besonderen Durchführung des Verfahrens ist vorgesehen, das der offene Gasturbinenprozeß nach einem Start der Brennkraftmaschine mit Fremd- energie angefahren wird, wobei zunächst zwischen der Auslaßseite des Verdichters und der Einlaßseite der Gasturbine keine Strömungsverbindung besteht und dieser erst bei Erreichen einer Startdrehzahl von Verdichter und Gasturbine über den Wärmetauscher hergestellt wird. Dies gilt jedenfalls dann, wenn der Verdichter von der Gasturbine direkt angetrieben wird.
In der Praxis erfolgt dieser Startvorgang so, daß der Wärmetauscher arbeitsme- diumseitig vor Eintritt und hinter Austritt abgesperrt wird, so daß im Wärmetauscher ein Gasvolumen unter Druckerhöhung vorgeheizt wird. Der fremdgetriebene Verdichter kann dabei das Arbeitsmedium druckseitig abblasen und die Turbi- ne kann Nebenluft ansaugen. Erst wenn Verdichter und Turbine auf einer geeigneten Startdrehzahl sind, wird zunächst eine Verbindung vom Wärmetauscher zur Turbine hergestellt, die durch einen Druckimpuls aus dem Wärmetauscher dann kurzfristig mechanische Leistung an den Verdichter angeben kann, der so- fort danach mit der Eingangsseite des Wärmetauschers verbunden wird, so daß sich ein selbsterhaltener Gasturbinenprozeß einstellt.
Im einzelnen sind hierbei im Stillstand der Gasturbinenanlage zunächst sowohl der Zulauf zwischen Wärmetauscher und Turbine als auch der Rücklauf vom Verdichter zum Wärmetauscher nicht durchgehend verbunden, in dem Zu- und Ablauf zum Wärmetauscher durch Ventile geschlossen sind, so daß der Wärmetauscher auf seine Sekundärseite zum Gasturbinenprozess abgeschlossen ist und dabei der Verdichter im Gasturbinenprozess beidseitig offen ist. Beim Start der Brennkraftmaschine wird dann die Erwärmung des Gases im Wärmetauscher abgewartet, bis sich ein ausreichender Druck aufgebaut hat. Dann erst erfolgt ein Verbinden des Wärmetauschers mit der Turbine, so daß diese durch das Gas, das im Wärmetauscher gespeichert ist, angetrieben wird, und - mit etwas Verzögerung - erfolgt ein Verbinden des Verdichters mit dem Wärmetauscher entspre- chend einem "Schließen" des offenen Gasturbinenprozesses, sobald die Turbine eine ausreichende Drehzahl erreicht hat, um den Verdichter mitzuziehen und den Gasturbinenprozess in Gang zu halten.
Die Verzögerung wird benötigt, damit sich der Gasdruck im Wärmetauscher nicht in die falsche Richtung entlebt. Zur Steuerung der Öffnung der Verbindung des
Verdichters mit dem Wärmetauschereingang kann die Drehzahl des Turboladers oder der Druck hinter dem Verdichter herangezogen werden. Der anfangs offene
Verdichterausgang kann zu einem geeigneten ausgelegten Zeitpunkt mit dem
Wärmetauscher verbunden werden, sobald der Druckaufbau hinter dem Verdich- ter den Druck im Wärmetauscher übersteigt.
In bevorzugter Ausgestaltung kann zwischen Verdichter und Turbine ein Gasspeicher vorgesehen werden, der insbesondere in die Sekundärseite des Wärmetauschers integriert sein kann.
Der Leistungsüberschuß der Gasturbinenanlage kann von einer Arbeitsmaschine im weitesten Sinne aufgenommen werden. Hierbei kann in einfachster Weise eine elektrische Maschine verwendet werden, die insbesondere als Starter- Generator ausgebildet sein kann, der zum einen als Anlasser für die Gasturbinenanlage dient und zum anderen nach dem Anlassen im Generatorbetrieb laufen kann, wobei die elektrische Energie in einer Batterie gespeichert werden kann.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kompressor einer Kältemaschine bzw. einer Wärmepumpe von der Gasturbinenanlage antreiben zu lassen. Mit dieser Ausgestaltung kann die Möglichkeit kombiniert werden, den Verdampfer der genannten Kältemaschine oder Wärmepumpe im Luftansaugstrang der Brennkraftmaschine als zusätzlichen Ladeluftkühler zu integrieren.
Andere Möglichkeiten der Kopplung der Gasturbinenanlage mit Arbeitsmaschinen bestehen in dem Antrieb von Druckluftkompressoren oder Hydraulikpumpen. Insbesondere im erstgenannten Fall ist durch die Möglichkeit der Druckspeicherung eine weitgehende Unabhängigkeit der Arbeitsweise vom zur Verfügung stehenden Leistungsüberschuß der Gasturbinenanlage gegeben.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Gasturbinenanlage sind in den Zeichnungen dargestellt.
Figur 1 zeigt ein Anlageschema im Grundaufbau mit einem hinter der Turbine des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine angeordnetem Wärmetauscher der Gasturbinenanlage;
Figur 2 zeigt ein Anlageschema im Grundaufbau mit einem vor der Turbine des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine angeordnetem Wärmetauscher der Gasturbinenanlage;
Figur 3 zeigt ein Anlageschema ähnlich wie Figur 1 mit einem Kompressor einer Kältemaschine als Verbraucher der mechanischen Leistung der Gasturbinenanlage; Figur 4 zeigt ein Anlageschema ähnlich wie Figur 2 mit einem Kompressor einer Kältemaschine als Verbraucher der mechanischen Leistung der Gasturbinenanlage.
In Figur 1 ist ein Anlageschema dargestellt, das eine Brennkraftmaschine 11 mit einem Luftansaugstrang 12 und einem Abgasstrang 13 erkennen läßt. Es handelt sich um eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader 14, dessen Verdichter 15 im Luftansaugstrang 12 der Brennkraftmaschine 11 liegt und dessen Turbine 16 im Abgasstrang 13 der Brennkraftmaschine liegt. Hinter dem Verdichter 15 des Abgasturboladers 14 ist ein Ladeluftkühler 17 im Luftansaugstrang gezeigt, der bevorzugt luftgekühlt sein kann. Verdichter 15 und Turbine 16 des Abgasturbolader 14 sind über eine Welle 18 mechanisch miteinander gekoppelt.
Es ist weiterhin eine offene Gasturbinenanlage 21 dargestellt, die einen Verdichter 22 und eine Gasturbine 23 umfaßt, die über eine Welle 24 mechanisch gekoppelt sind. Ein Leitungsstrang 25 verbindet die Druckseite des Verdichters 22 mit der Hochdruckseite der Gasturbine 23. Der Verdichter 22 saugt als Arbeitsmedium bevorzugt Luft aus der Umgebung an. Die Leitung 25 führt über einen Wärmetauscher 26, der im Abgasstrang 13 der Brennkraftmaschine 11 hinter der Turbine 16 des Abgasturboladers 14 liegt. Im Wärmetauscher 26 erfolgt eine Wärmeübertragung vom heißen Abgas der Brennkraftmaschine 11 auf das vorverdichtete Gas der Gasturbinenanlage im Leitungsstrang 25, das nach der Wärmezufuhr im Wärmetauscher 26 in der Turbine 23 der Gasturbinenanlage 21 ent- spannt wird und einen Leistungsüberschuß erzeugt. Eine Brennkammer 29 im Leitungsstrang 25 vor der Turbine 23 kann als Option zur weiteren Wärmezufuhr zum Medium des Gasturbinenprozesses dienen. Im Leitungsstrang 25 sind zwei Ventile angezeigt, ein Abblas- und Sperrventil 27 auf der Druckseite des Verdichters und ein Nebenluft- und Sperrventil 28 auf der Hochdruckseite der Turbine. Diese Ventile 27, 28 sind zum Anfahren der Gasturbinenanlage 21 zum Verdichter und zur Turbine zu öffnen und dabei zugleich vor dem Wärmetauscher und hinter dem Wärmetauscher zu schließen. Das Anfahren der Gasturbinenanlage 21 erfolgt mit Fremdenergie über einen Motor 31 , der über eine Welle 32 mit dem Verdichter 22 mechanisch gekoppelt ist. Wenn die Einheit aus Verdichter und Turbine mittels des Motors 31 auf Drehzahl gebracht ist wird mit kurzem zeitlichen Versatz zunächst das turbinenseitige Ventil 28 zur Umgebung hin geschlossen und zwischen Wärmetauscher 26 und Turbine 23 geöffnet, so daß ein Gas- stoß von vorgeheiztem Gas aus dem Wärmetauscher eine Leistungsabgabe der Turbine bewirkt. Kurz danach wird das Abblas- und Sperrventil 27 des Verdichters zur Umgebung geschlossen und dabei die Verbindung zwischen Verdichter 22 und Wärmetauscher 26 geöffnet, so daß nunmehr der mit Turbinenleistung angetriebene Verdichter den Gasturbinenprozeß unter ständiger Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium im Wärmetauscher aufrechterhält. Der Motor 31 kann nunmehr im Generatorbetrieb mechanische Leistung von der Gasturbinenanlage aufnehmen.
In Figur 2 ist ein ähnliches Anlageschema wie in Figur 1 umfassend eine Brenn- kraftmaschine 11 und eine Gasturbinenanlage 21 dargestellt.
In Figur 2 sind gleiche Einzelheiten wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen belegt. Auf die vorangehende Beschreibung wird vollinhaltlich bezug genommen, auch hinsichtlich der dort beschriebenen Wirkungsweise.
Der einzige Unterschied gegenüber der Ausführung nach Figur 2 besteht darin, daß der Wärmetauscher 26 der Gasturbinenanlage 21 hier in größerer Motornähe im Abgasstrang 13 der Brennkraftmaschine 11 liegt, nämlich vor der Turbine 16 des Abgasturboladers 14. Das Abgastemperaturniveau ist hierbei in günstiger Weise höher als hinter der Turbine des Abgasturboladers.
In Figur 3 ist ein Anlageschema dargestellt, das eine Brennkraftmaschine 11 mit einem Luftansaugstrang 12 und einem Abgasstrang 13 erkennen läßt. Es handelt sich um eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader 14 dessen Verdichter 15 im Luftansaugstrang 12 der Brennkraftmaschine 11 liegt und dessen Turbine 16 im Abgasstrang 13 der Brennkraftmaschine 11 liegt. Hinter dem Verdichter 15 des Abgasturboladers ist ein Ladeluftkühler 17 im Luftansaugstrang gezeigt, der bevorzugt luftgekühlt sein kann. Verdichter 15 und Turbi- ne 16 des Abgasturbolader 14 sind über eine Welle 18 mechanisch miteinander gekoppelt.
Es ist weiterhin eine offene Gasturbinenanlage 21 dargestellt, die einen Verdich- ter 22 und eine Gasturbine 23 umfaßt, die über eine Welle 24 mechanisch gekoppelt sind. Ein Leitungsstrang 25 verbindet die Druckseite des Verdichters 22 mit der Hochdruckseite der Gasturbine 23. Der Verdichter 22 saugt als Arbeitsmedium bevorzugt Luft aus der Umgebung an. Die Leitung 25 führt über einen Wärmetauscher 26, der im Abgasstrang 13 der Brennkraftmaschine 11 hinter der Turbine 16 des Abgasturboladers 14 liegt. Im Wärmetauscher 26 erfolgt eine Wärmeübertragung vom heißen Abgas der Brennkraftmaschine 11 auf das vorverdichtete Gas der Gasturbinenanlage im Leitungsstrang 25, das nach der Wärmezufuhr im Wärmetauscher 26 in der Turbine 23 der Gasturbinenanlage 21 entspannt wird und einen Leistungsüberschuß erzeugt. Auch hier kann eine Brenn- kammer 29 im Leitungsstrang 25 vor der Turbine 23 als Option zur weiteren Wärmezufuhr zum Medium des Gasturbinenprozesses genutzt werden. Im Leitungsstrang 25 sind zwei Ventile angezeigt, ein Abblas- und Sperrventil 27 auf der Druckseite des Verdichters und ein Nebenluft- und Sperrventil 28 auf der Hochdruckseite der Turbine. Diese Ventile 27, 28 sind zum Anfahren der Gastur- binenanlage 21 zum Verdichter und zur Turbine zu öffnen und dabei zugleich vor dem Wärmetauscher und hinter dem Wärmetauscher zu schließen. Das Anfahren der Gasturbinenanlage 21 erfolgt mit Fremdenergie über einen Motor 31 , der über eine Welle 32 mit dem Verdichter 22 mechanisch gekoppelt ist. Wenn die Einheit aus Verdichter und Turbine mittels des Motors 31 auf Drehzahl gebracht ist, wird mit kurzem zeitlichen Versatz zunächst das turbinenseitige Ventil 28 zur Umgebung hin geschlossen und zwischen Wärmetauscher 26 und Turbine 23 geöffnet, so daß ein Gasstoß von vorgeheiztem Gas aus dem Wärmetauscher eine Leistungsabgabe der Turbine bewirkt. Kurz danach wird das Abblas- und Sperrventil 27 des Verdichters zur Umgebung geschlossen und dabei die Verbin- düng zwischen Verdichter 22 und Wärmetauscher 26 geöffnet, so daß nunmehr der mit Turbinenleistung angetriebene Verdichter den Gasturbinenprozeß unter ständiger Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium im Wärmetauscher aufrechterhält. Der Motor 31 kann nunmehr im Generatorbetrieb mechanische Leistung von der Gasturbinenanlage aufnehmen.
In der hier gezeigten Ausführung kann der Motor 31 nach dem Anfahren der Gas- turbinenanlage 21 von dieser entkoppelt werden. Als Verbraucher der mechanischen Leistung der Gasturbinenanlage 21 , d.h. als Arbeitsmaschine im weitesten Sinn, ist in dieser Ausführung der Verdichter 42 einer Wärmepumpe oder Kältemaschine 41 vorgesehen, die einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf 46 aufweist und an der die Baueinheiten Verdichter 42, Kondensator 43, Drossel 44 und Verdampfer 45 zu erkennen sind. Der Verdampfer 45 liegt hierbei als weiterer Ladeluftkühler im Luftansaugstrang 12 der Brennkraftmaschine 1 1 und trägt somit Verbesserung des Prozeßwirkungsgrades der Brennkraftmaschine als solcher bei.
In Figur 4 ist ein ähnliches Anlageschema wie in Figur 3 umfassend eine Brennkraftmaschine 11 und eine Gasturbinenanlage 21 dargestellt.
In Figur 4 sind gleiche Einzelheiten wie in Figur 3 mit gleichen Bezugszeichen belegt. Auf die vorangehende Beschreibung wird vollinhaltlich bezug genommen, auch hinsichtlich der dort beschriebenen Wirkungsweise.
Der einzige Unterschied gegenüber der Ausführung nach Figur 4 besteht darin, daß der Wärmetauscher 26 der Gasturbinenanlage 21 hier in größerer Motornähe im Abgasstrang 13 der Brennkraftmaschine 11 liegt, nämlich vor der Turbine 16 des Abgasturbo- laders 14. Das Abgastemperaturniveau ist hierbei in günstiger Weise höher als hinter der Turbine des Abgasturboladers. Bezugszeichenliste
11 Brennkraftmaschine
12 Luftansaugstrang
13 Abgasstrang
14 Abgasturbolader
15 Verdichter
16 Turbine
17 Ladeluftkühler
18 Welle
19
20
21 Gasturbinenanlage
22 Verdichter
23 Turbine
24 Welle
25 Leitungsstrang
26 Wärmetauscher
Tl Abblas- und Sperrventil
28 Nebenluft und Sperrventil
29 Brennkammer
31 Motor
32 Welle
41 Kältemaschine, Wärmepumpe
42 Kompressor
43 Kondensator
44 Drossel
45 Verdampfer
46 Kühlmittelkreislauf

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (11) unter Umwandlung von thermischer Abgasenergie in mechanische Leistung, bei welchem Wärme aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine (11) auf das vorverdichtete gasförmige Medium eines offenen Gasturbinenprozesses in einem zwischen einem Verdichter (22) und einer Gasturbine (23) angeordneten Wärmetauscher (26) übertragen wird, wobei die mechanische Leistung des Gasturbinenprozesses einer Arbeitsmaschine zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem vorverdichteten gasförmigen Medium zumindest zeitweise Wärme aus einem Verbrennungsprozeß vor der Gasturbine (23) zugeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdichter (22) von der Gasturbine (23) direkt angetrieben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiges Arbeitsmedium Luft verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der offene Gasturbinenprozeß nach einem Start der Brennkraftmaschine (11) mit Fremdenergie angefahren wird, wobei zunächst zwischen der Auslaßseite des Verdichters (22) und der Einlaßseite der Gasturbine (23) keine Strömungsverbindung besteht und diese erst bei Erreichen einer Startdrehzahl von Verdichter (22) und Gasturbine (23) über den Wärmetauscher (26) hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (11) mit einem Abgasturbolader (14),
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Abgasstrom Wärme hinter der Turbine (16) des Abgasturboladers (14) entzogen und auf das Arbeitsmedium des Gasturbinenprozesses übertragen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (11) mit einem Abgasturbolader (14),
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Abgasstrom Wärme vor der Turbine (16) des Abgasturboladers (14) entzogen und auf das Arbeitsmedium des Gasturbinenprozesses übertragen wird.
8. Brennkraftmaschine mit Mitteln zur Umwandlung von thermischer Abgasenergie in mechanische Leistung, dadurch gekennzeichnet,
daß in den Abgasstrang (13) der Brennkraftmaschine (11 ) ein Wärmetauscher (26) eingesetzt ist, der Teil einer offenen Gasturbinenanlage (21 ) ist, die einen vor dem Wärmetauscher (26) liegenden Verdichter (22) und einen dem Wärmetauscher (26) nachgeordnete Turbine (23) umfaßt.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Wärmetauscher (26) und Turbine (23) eine Brennkammer (29) angeordnet ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdichter (22) und die Turbine (23) der Gasturbinenanlage (21) mechanisch gekoppelt sind.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine elektrische Maschine (31 ) als Anlasser mit dem Verdichter (22) der Gasturbinenanlage (21) verbunden ist.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Verdichter (22) der Gasturbinenanlage (21 ) ein Abblas- und Sperrventil (27) und vor der Turbine (23) der Gasturbinenanlage (21 ) ein Nebenluft- und Sperrventil (28) vorgesehen sind, die unabhängig voneinander steuerbar sind.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Leitungsstrang (25) der Gasturbinenanlage (21 ) zwischen Verdichter (22) und Turbine (23) ein Gasspeicher angeordnet ist, der insbesondere se- kundärseitig in dem Wärmetauscher (26) integriert ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit der Gasturbinenanlage (21) der Verdichter (42) einer Wärmepumpe oder Kältemaschine (41) als Arbeitsmaschine gekoppelt ist.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, mit einem Abgasturbolader,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer (45) der Wärmepumpe oder Kältemaschine (41 ) im Luftansaugstrang (12) hinter dem Verdichter (15) des Abgasturboladers (14) angeordnet ist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Maschine als Arbeitsmaschine mit der Gasturbinenanlage (21) verbunden ist, insbesondere in Form eines Starter-Generators ausgebildet ist und zugleich als Anlasser für den Gasturbinenprozeß einsetzbar ist.
17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mechanische Getriebe eines Kraftfahrzeuges als Arbeitsmaschine, insbesondere über einen Wandler, mit der Turbine (23) der Gasturbinenanlage (21) gekoppelt ist.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Druckluftkompressor oder eine Hydraulikpumpe als Arbeitsmaschine mit der Turbine (23) der Gasturbinenanlage (21) gekoppelt ist.
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