DE102023001739B3 - Kombinierter verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Hubkolben-Verbrennungsmotoren.Ziel der Erfindung ist es, einen kombinierten Verbrennungsmotor zu entwickeln, der es ermöglicht, das folgende technische Ergebnis zu erzielen: einen thermischen Wirkungsgrad eines idealen thermodynamischen Zyklus ηtinahe 1,0 zu erreichen, indem die Energie des Abgases vollständig genutzt wird, um nützliche Arbeit an der Ausgangswelle des kombinierten Verbrennungsmotors zu verrichten und die vom Gas-Luft-Gemisch in der freien Gasturbine geleistete Nutzarbeit größer ist als die vom Verbrennungsmotor geleistete Nutzarbeit um die im Abgas enthaltene Energiemenge in Form von Gasdruck und Temperatur.Kern der Erfindung ist eine kombinierte Verbrennungsmotoranlage, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, einen Regelgetriebe mit Kupplungsvorrichtung und einem Leistungsmodul, bei der in einem von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Luftverdichter Luft verdichtet wird und in die Mischkammer strömt, wo sie sich mit den Abgasen des Verbrennungsmotors vermischt, und in der freien Gasturbine das entstehende Druckgefälle ausgelöst und die Temperatur des Gas-Luft-Gemisches abgesenkt wird. Dies führt dazu, dass die Nutzarbeit des Gas-Luft-Gemisches an der freien Gasturbine größer ist als die Nutzarbeit des Verbrennungsmotors um die Energiemenge, die in den Abgasen in Form von Druck und Gastemperatur enthalten ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Hubkolben-Verbrennungsmotoren. Verbrennungsmotoren haben einen hohen Grad an technischer Perfektion erreicht und entwickeln sich als technische Vorrichtung zur Energieumwandlung ständig weiter. Ihr Funktionsprinzip bleibt jedoch unverändert und alle Bemühungen um ihre Weiterentwicklung zielen darauf ab, die freigesetzte Wärme durch Wärmedämmung oder eine Vielzahl von Wärmetauschern zu nutzen.
• Der Hauptnachteil von Verbrennungsmotoren besteht darin, dass aufgrund ihres Funktionsprinzips eine große Menge an Wärme durch das Abgassystem in die Atmosphäre als Kühlanlage ausgestoßen wird [2].
• Die vorliegende Erfindung schlägt einen kombinierten Verbrennungsmotor vor, bei dem die gesamte Wärme, die dem komprimierten Antriebsmittel (Luft) durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoff zugeführt wird, zur Erzeugung von Nutzarbeit an der Ausgangswelle verwendet wird.
• Es ist bekannt Patent [6], in dem ein kombiniertes Verbrennungsmotor und Abwärmerückgewinnungssystem vorgeschlagen wird. Das kombinierte Verbrennungsmotor und Wärmerückgewinnungssystem umfasst einen Verbrennungsmotor, ein Wärmerückgewinnungssystem und eine Vorrichtung zur Anpassung des Temperaturverhältnisses. Der Verbrennungsmotor verfügt über mindestens einen Turbolader. Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst einen Kondensator, eine Pumpe, einen Wärmetauscher und einen Expander. Der Expander ist mit dem Turbolader verbunden. Das Temperaturverhältnis-Steuergerät ist mit dem Abgassystem des Verbrennungsmotors und dem Expander des Wärmerückgewinnungssystems vom Abgassystem aus verbunden. Die Vorrichtung zur Steuerung des Temperaturverhältnisses dient zur Übertragung der Energie von mindestens einem der Bauteile Turbolader und Expander auf das Abgassystem des Verbrennungsmotors. Wesentliche Nachteile des genannten Motors sind:
• - hohe technische Komplexität des Triebwerks;
• - eine Unfähigkeit, die Energie zu verwenden, um nützliche Arbeit an der Ausgangswelle zu verrichten.
• Es ist bekannt Patent [7], bei dem das Triebwerk einen Verbrennungsmotor enthält, der über eine Kupplung mit einem in der Motorhaube installierten Strahlgebläse verbunden ist, das einen Rotor mit in seinem Umfang feststehenden Arbeitsschaufeln mit variablem Anstellwinkel enthält. Ein wesentlicher Nachteil dieses Triebwerks ist der hohe Wärmeverlust, der dadurch entsteht, dass die innere Energie der Abgase im Arbeitszyklus nicht zur Verrichtung nützlicher Arbeit genutzt wird und durch das Abgassystem des Kolbenmotors abgeführt wird.
• Es ist bekannt eine kombinierte Verbrennungskraftmaschine [5], die eine Turbine, die einen Kompressor antreibt, und einen mit dem Gasauslass der Turbine verbundenen Energiewandler enthält. Erfindungsgemäß ist der Energiewandler als Wärmekompressionsverdichter mit Einlass- und Auslassdüsen und einem Laufrad mit im Laufrad angeordneten Radialschaufeln und einem im Laufrad angeordneten festen Verteilerkörper ausgebildet. Der Hochdruckeinlass und der Hochdruckauslass sind durch eine Leitung verbunden, die den Wärmetauscher des Wärmerückgewinnungskreislaufs aufnimmt. Im Bereich des Hochdruckauslasses befindet sich ein Anschluss für die Entnahme des komprimierten Arbeitsmittels, der mit der Abgasleitung des Zylinders verbunden ist. Der Energiewandler ermöglicht es, den Durchfluss des Arbeitskörpers durch die Turbine auf Kosten der atmosphärischen Luft mit der Wärme der ihr zugeführten Abgase zu erhöhen. Die wesentlichen Nachteile dieses Motors sind:
• - der hohen technischen Komplexität des Motors;
• - Die Praxistauglichkeit eines solchen Motors ist aufgrund der hohen hydraulischen Verluste in den Leitungssystemen, die dafür sorgen müssen, dass die angegebene Einschaltdauer erreicht werden kann, nicht realisierbar.
• Ziel der Erfindung ist es, einen kombinierten Verbrennungsmotor zu entwickeln, der das folgende technische Ergebnis erzielt: Erreichung des thermischen Wirkungsgrades eines idealen thermodynamischen Zyklus η_ti nahezu 1,0, indem die Energie des Abgases vollständig genutzt wird, um nützliche Arbeit an der Ausgangswelle des kombinierten Verbrennungsmotors zu verrichten und eine nützliche Arbeit des Gas-Luft-Gemischs an der freien Gasturbine zu erzielen, die größer ist als, die nützliche Arbeit des Verbrennungsmotors um die Energiemenge, die im Abgas in Form von Druck und Gastemperatur enthalten ist.
• Kern der Erfindung ist eine kombinierte Verbrennungsmotoranlage, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, einem Regelgetriebe mit Kupplung und einem Leistungsmodul, bei der in einem von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Luftverdichter Luft komprimiert wird und in die Mischkammer strömt, wo sie sich mit den Abgasen des Verbrennungsmotors vermischt, und in der freien Gasturbine das entstehende Druckgefälle erzeugt und die Temperatur des Gas-Luft-Gemisches reduziert wird. Dies führt dazu, dass die Nutzarbeit des Gas-Luft-Gemisches an der freien Gasturbine um die Energiemenge größer ist als die Nutzarbeit des Verbrennungsmotors, die in den Abgasen in Form von Druck und Gastemperatur enthalten ist.
• Das genannte technische Ergebnis wird durch die folgenden Maßnahmen erreicht:
1. 1. Bei der vorgeschlagenen Lösung treibt der Verbrennungsmotor den Luftverdichter des Leistungsmoduls über eine Regelgetriebe mit Kupplungsvorrichtung an, so dass die Drehmomente und Drehzahlen von Antrieb (Verbrennungsmotor) und Verdichterrotor in allen Betriebsbereichen aufeinander abgestimmt sind;
2. 2. Die Auspuffabgase des Verbrennungsmotors gelangen in die Mischkammer hinter dem Verdichter und vermischen sich dort mit der aus dem Verdichter ausströmenden Luft, wobei die innere Energie der Auspuffabgase (Druck P und Temperatur T) auf diese übertragen wird, wodurch sich der Druck am Ausgang der Mischkammer und die Temperatur des Gas-Luft-Gemisches erhöhen;
3. 3. Das Profil der Mischkammer wird durch den Außenkörper der Mischkammer und den Kreisumfang des Zentralkörpers mit den Abgasaustrittsperforationen gebildet, so dass der Druck- und Temperaturanstieg des Gas-Luft-Gemisches vom Verdichteraustritt über den Mischkammeraustritt bis zu Antritt zur freien Gasturbinendüse gleichmäßig ansteigt;
4. 4. Die Erhöhung des Druckes P und der Temperatur T des Gas-Luft-Gemisches vor der freien Gasturbine führt zur Erhöhung der Nutzarbeit an der Welle der genannten Gasturbine der Motorschubkraft und somit ist die innere Energie der Abgase vollständig an der Erzeugung der Nutzarbeit beteiligt. Dies gewährleistet die Erreichung des maximal möglichen Wertes des thermischen Wirkungsgrades des idealen thermodynamischen Zyklus η_ti.
• Verzeichnis der Abbildungen:
• 1 - Arbeitszyklus eines traditionellen Verbrennungsmotors;
• 2 - Betriebsdiagramm eines kombinierten Verbrennungsmotors;
• 3 - Prinzipdarstellung eines kombinierten Verbrennungsmotors;
• 4 - Kombinierte Verbrennungsmotoranordnung;
• 5 - Leistungsmodul eines kombinierten Verbrennungsmotors;
• 6 - Zusammensetzung des Leistungsmoduls eines kombinierten Verbrennungsmotors;
• 7 - Luft- und Gasströme im Leistungsmodul des Verbrennungsmotors.
• Es ist bekannt [2-4], dass nützliche Arbeit in einem Verbrennungsmotor durch die Verbrennung von Kraftstoff in komprimierter Luft und die Freisetzung von Wärme entsteht, die zur Verrichtung nützlicher Arbeit während der Expansion und zur Änderung der inneren Energie des Gases verwendet wird. In 1 zeigt den Arbeitszyklus eines Hubkolbenmotors am Beispiel eines Drehkolbenverbrennungsmotors [1]. Von Punkt 0 bis Punkt 1 wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum verdichtet (der relative Hub des Kolbens h̅_p variiert von 0 bis 1). Nach den Gesetzen der Thermodynamik steigt die Temperatur des komprimierten Gemischs T^̅ = T/T_in und sein Druck P̅ = P/P_in, wobei T_in und P_in die Anfangstemperatur bzw. der Anfangsdruck des in den Verbrennungsmotor eintretenden Kraftstoff-Luft-Gemischs sind. Am Punkt 1 wird das komprimierte Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet. Dadurch steigen die Temperatur T^̅ und der Druck P̅ bis zum Punkt 2 an (1). Nach dem Passieren von Punkt 2, der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, zwingt der Gasdruck den Kolben, sich in seinen Ausgangszustand zurückzubewegen, wodurch nützliche Arbeit entsteht. Der Druck P̅ und die Temperatur T^̅ sinken auf Werte bei Punkt 3. Von Punkt 3 bis Punkt 3' wird das Gas in den Auspuff geleitet, wodurch der Raum über dem Kolben für eine neue Ladung des Kraftstoff-Luft-Gemischs frei wird. Und von Punkt 3' bis Punkt 0 wird der Ansaugraum mit frischem Kraftstoff-Luft-Gemisch gefüllt, wodurch die Temperatur T und der Druck P̅ auf die Ausgangswerte sinken.
• Aus dem Betriebsdiagramm des Verbrennungsmotors in PV-Koordinaten (P - Druck, V - Volumen) in 2 ist ersichtlich, dass die Nutzarbeit des Zyklus der Differenz der Flächen 0 - 1 - 2 - 2' - 0' - 0 und 3 - 2 - 2' - 3' - 3 entspricht und dunkel schattiert ist. Es ist zu erkennen, dass im Arbeitszyklus herkömmlicher Verbrennungsmotoren nicht die gesamte interne Energie der Abgase für nützliche Arbeit verwendet werden kann und daher in die Atmosphäre - Kühlung abgeleitet werden muss. Durch die Nutzung der Abgasenergie, indem sie der im Verdichter komprimierten Luft zugeführt wird (äquivalente Fläche 0_c - 1_c - 4 - 5), wird der Energieverlust mit dem Abgas ausgeschlossen.
• Eine schematische Darstellung des in der Entwicklung befindlichen Verbrennungsmotors, der die gesamte innere Energie des Abgases nutzt, ist in 3 dargestellt. Der Kolbenmotor treibt über ein drehzahlvariablen Regelgetriebe mit Kupplungsvorrichtung einen Zentrifugalluftverdichter an. Die Luft für den Hubkolbenmotor kommt aus einer Kraftstoff-Luft-Gemisch-Vorbereitungsvorrichtung (z.B. Vergaser). Die Luft für den Verdichter des Leistungsmoduls kommt aus dessen lamellenförmigen Lufteinlass. Der Motorbetrieb wird durch das automatische Steuersystem gesteuert, indem die Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor und die Übersetzung des Regelgetriebes verändert werden. Die im Verdichter komprimierte Luft gelangt in die Mischkammer und die Abgase des Verbrennungsmotors werden ebenfalls in die Mischkammer geleitet. In der Mischkammer vermischt sich die Luft mit den Abgasen zu einem Gas-Luft-Gemisch, wobei Druck und Temperatur des Gas-Luft-Gemischs gegenüber den Luftströmungsparametern hinter dem Verdichter ansteigen. Von der Mischkammer gelangt das Gas-Luft-Gemisch in die freie Gasturbine, wo es bei der Drehung der Ausgangswelle nützliche Arbeit verrichtet. Die Gasturbine leistet nützliche Arbeit, indem sie den Druck und die Temperatur des Gas-Luft-Gemischs auf Werte nahe den Umgebungswerten reduziert. Das Drehmoment M_rot und die Drehzahl ω der freien Turbinenwelle werden dem Getriebe zugeführt.
• Der Aufbau des kombinierten Verbrennungsmotors ist in 4 dargestellt, wobei der Verbrennungsmotor - Antrieb durch Position 1, das Regelgetriebe mit Kupplungsvorrichtung durch Position 2 und das Leistungsmodul durch Position 3 gekennzeichnet sind.
• Das Leistungsmodul des kombinierten Verbrennungsmotors ist in 5 dargestellt und umfasst einen ringförmigen Lufteinlass 4 mit radialen Schaufeln, einen Zentrifugalverdichtersektor 5, einen Mischkammersektor 6, einen freien Gasturbinensektor 7 und eine Auslassöffnung 8.
• Die Zusammensetzung des genannten Leistungsmoduls ist in 6 dargestellt. Die Abgaszufuhrleitung 16 befindet sich im Inneren der Antriebswelle des Verdichterrotors 15, der über den Flansch 14 mechanische Leistung vom Regelgetriebe erhält. Die Welle 15 ist an das Laufrad des Zentrifugalverdichters 9 angeflanscht und bildet einen Verdichterrotor mit vorderen und hinteren Stützen. Die Abgaszufuhrleitung 16 ist mit dem zentralen Körper 10 verbunden, der für den Abgasaustritt in die Mischkammer perforiert ist und den Innenkörper der Mischkammer bildet. Die Mischkammer wird durch den Außenkörper und den Zentralkörper 10 gebildet und endet in der freien Gasturbinen-Düsenvorrichtung 11. Der freie Gasturbinenrotor umfasst ein Laufrad 12 mit aktiven Arbeitsschaufeln, eine Richtvorrichtung 13, eine Ausgangswelle 19, einen vorderen Träger 17 und einen hinteren Träger 18 des Gasturbinenrotors. Der Träger 17 ist mit dem Innenring des Gehäuses der Düsenvorrichtung verbunden, und der zweite Träger 18 ist mit dem Innenring der Gasturbinenrichtvorrichtung verbunden. Die freie Gasturbine ist mit einem Deckel 21 verschlossen und der Richtapparat 13 ist von außen mit einem Stutzen 20 abgedeckt.
• Der Verbrennungsmotor überträgt das Drehmoment M_v über einen Regelgetriebe auf den Rotor des Zentrifugalkompressors, der die Luft aus dem Ringflansch-Lufteinlass erhält (7). Vom Zentrifugalkompressor gelangt die verdichtete Luft in die Mischkammer. Die Abgase des Verbrennungsmotors gelangen durch ein Gaszufuhrrohr und einen perforierten Zentralkörper in die Mischkammer. Das entstehende Gemisch aus Luft und Abgasen tritt durch die Düsenvorrichtung in die Laufradschaufeln ein und erzeugt das erforderliche Drehmoment M'_rot, das über die Ausgangswelle auf das Regelgetriebe übertragen wird. Das Gas-Luft-Gemisch, das in der freien Turbine nützliche Arbeit geleistet hat, wird durch den Richtvorrichtung in die Atmosphäre abgeleitet.
• Die entwickelte technische Lösung erlaubt vollständig, die Aufgabe zu erreichen: den thermischen Wirkungsgrad des idealen thermodynamischen Zyklus η_ti in der Nähe von 1,0 zu erzielen, indem die Energie der Abgase des Verbrennungsmotors im Arbeitszyklus des entwickelten Motors vollständig genutzt wird, und das erklärte technische Ergebnis zu erhalten: die Nutzarbeit des Gas-Luft-Gemisches in der freien Gasturbine zu erzielen, die größer ist als die Nutzarbeit des Verbrennungsmotors um die im Abgas enthaltene Energiemenge in Form von Druck und Gastemperatur.
• Informationsquellen
1. 1. F. Wankel. Rotary piston machines. Classification of Designe Principles for Engines, Pumps and Compressors. - London : Iliffe books LTD, 1965. - C. 64.
2. 2. Willard W. Pulkrabek. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. - New Jersey : Prentice Hall Upper Saddle River, 2002. - 426 c.
3. 3. Yunus A. Cengel, Michael A. Boles. Thermodynamics: an engineering approach. - Eighth edition. - New York : McGraw-Hill Education, 2015. - C. 1115. - ISBN 978-0-07-339817-4.
4. 4. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. для вузов по спец. <<Строительные и дорожные ма-шины и оборудование>> /Хачикян A.C. [и др.]; под ред. В.Н. Луканина. -2-e изд., перераб. и доп. - M.: Высш. шк., 1985. -C. 311.
5. 5. Патент на изобретение RU2196901 C2 F02B 33/42 F04F 11/02. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания / Крайнюк A. И. (RU) [и др.] (RU).
6. 6. Патент на изобретение US20140144136 A1 F02B 37/004. System and method for waste heat recovery for internal combustion engines / Versteyhe Mark R.J. (US) ; Spicer Off-Highway Belgium N.V.
7. 7. Полезная модель RU199386U1 B64D 35/00 (2020.05); F02C 7/04 (2020.05); B64D 33/02 (2020.05). Роторная реактивно-вентиляторная силовая установка ДМЕ / Долбиш A.A. (RU).

Claims (4)

1. Kombinierter Verbrennungsmotor, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, einem Regelgetriebe, einer Kupplungseinrichtung und einem Leistungsmodul, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul einen kreisförmigen, lamellenförmigen Lufteinlass mit radialen Schaufeln, einen über eine Welle mit dem Regelgetriebe verbundenen Zentrifugal-Luftverdichter, eine Mischkammer, eine Düsenvorrichtung und eine freie Gasturbine mit einer Ausgangswelle umfasst;
2. Kombinierter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor über ein Regelgetriebe mit Kupplungsvorrichtung den Zentrifugal-Luftverdichter des Leistungsmoduls antreibt, durch dessen Hohlwelle die Abgase des Verbrennungsmotors in die Mischkammer gelangen, wo diese sich mit der im Zentrifugal-Luftverdichter komprimierten Luft vermischen und das so entstandene Gas-Luft-Gemisch in die Gasturbine gelangt, durch welche das Gas-Luft-Gemisch die Nutzarbeit der Rotation der mit dem Leistungsverbraucher verbundenen Ausgangswelle der freien Turbine verrichtet;
3. Kombinierter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer des Leistungsmoduls aus seinem äußeren Gehäuse und dem Gehäuse des Zentralkörpers besteht, das eine Perforation für die Zufuhr der Abgase aufweist und mit einer freien Gasturbinen-Düsenvorrichtung abschließt;
4. Kombinierter Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der freien Turbine durch eine Gasturbinen-Richtanlage abgeschlossen ist und das Laufrad der Gasturbine zwei Stützen aufweist, wobei eine Stütze mit dem Innenring des Düsenkörpers verbunden ist und die zweite Stütze mit dem Innenring der Gasturbinen-Richtanlage verbunden ist, wobei die Ausgangswelle, die die Leistung an den Verbraucher überträgt, über die Abdeckung hinausragt, die die Nabe der Gasturbine bedeckt.

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