DE1009432B - Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Dieselmotoren und Vorrichtung zur Ausnutzung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Dieselmotoren durch Übertragung der fühlbaren Wärme des Auspuffgases an ein in einem geschlossenen Kreisprozeß umlaufendes Gas in einem Gegenstrom-Gleichdruck-Wärmeaustauscher, bei dem das umlaufende Gas nach der Erwärmung unter Vorspannung in einer Kolbenmaschine entspannt und in der gleichen Kolbenmaschine wieder verdichtet ward.

Es ist bekannt, daß ein erheblicher Teil der dem Dieselmotor im Brennstoff zugeführten Wärme in der fühlbaren Wärme der Auspuffgase wieder verlorengeht. Die Verwendung dieser fühlbaren Wärme zur Heizung von Abhitzekesseln und zum Betrieb von Abgasturbinen ergibt stets nur eine unvollkommene Ausnutzung der verfügbaren Abhitzeenergie, weil ja die Abgase auch diese Maschinen mit einer noch recht hohen Temperatur wieder verlassen. Man hat darum bereits vorgeschlagen, die Wärme der Abgase von Dieselmotoren mittels Wärmetauscher an verdichtete Luft eines Sonderkreislaufes zu übertragen und diese Luft nachher in einem Expansionszylinder wieder zusätzliche Arbeit leisten zu lassen. Die Verdichtung der Luft erfolgt dann mehrstufig, wobei die letzte Teilverdichtung und die Expansion im gleichen Zylinder vor sich geht.

Auch diese bekannte Ausnutzung der Abgaswärme besitzt noch wesentliche Mängel. Zunächst ist ein bestimmter Zylinder, weil ja die Temperatur und der Rauminhalt der zu verdichtenden und der zu entspannenden Luft verschieden sind, nie gleichzeitig für die Verdichtung und die Entspannung richtig bemessen. Der Zylinder ist, wenn in ihm auf den vorgeschriebenen Druck verdichtet werden soll, für die nachherige Entspannung der heißeren Gase nicht genügend groß. Es muß dann noch ein zusätzlicher Kühler vorgesehen werden, in dem die entspannten Gase erst bis zur Außentemperatur abgekühlt werden. Das bedeutet aber an sich schon wieder einen Energieverlust, außerdem aber eine zusätzliche Apparatur. Des weiteren erscheint aber die Verwendung von Luft für den. Sekundärumlaufprozeß überhaupt ungünstig. Luft ist ja nicht nur chemisch aktiv, was zu Korrosion führen kann, sondern sie ist auch zweiatomig und hat darum eine verhältnismäßig große spezifische Wärme. Dann sind die bekannten Prozesse auch thermodynamisch nicht richtig ausgelegt, da sie nicht nur aus je einer Isobaren einer Adiabaten und einer angenäherten Isothermen bestehen. Nur durch den Prozeß, der durch die Erfindung vorgeschlagen wird, wird aber der Dieselmotor tatsächlich so ergänzt, daß er den Wirkungsgrad hat, als ob seine Gase bis auf Außentemperatur expandieren würden.

Nach der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, ein Verfahren zur Verbesserung

des Wirkungsgrades von Dieselmotoren

und Vorrichtung zur Ausnutzung

dieses Verfahrens

Anmelder:

Dipl.-Ing. Richard Schiel,
Stuttgart-Lederberg, Im Rosenbusch 1

Dipl.-Ing. Richard Schiel, Stuttgart-Lederberg,
ist als Erfinder genannt worden

einatomiges Gas zu verwenden, und zwar vorzugsweise das leicht erhältliche Argon. Dadurch werden wegen dessen kleiner spezifischer Wärme die Wärmeaustauschflächen klein. So besteht der vorgeschlagene Prozeß darin, daß ein vorgespanntes Argongas einen Kreislauf vollführt, bei dem auf isobare Anwärmung im Gegenstrom durch die Abgase des Dieselmotors eine adiabatische Abkühlung bis auf etwa Außentemperatur erfolgt, worauf eine vielstufige, mit Zwischenkühlung versehene Verdichtung einsetzt, die nur wenig über der Außentemperatur liegt, also der idealen Isothermen für möglichst kalte Verdichtung nahe kommt.

Zusätzlich verwendet aber die vorgeschlagene Maschine nach der Erfindung noch die an sich bekannte starre Verbindung zwischen Expansions- und Verdichtungskolben, wodurch Reibungsverluste wegen Übertragung der Energie durch das Schwungrad und den Kurbeltrieb fortfallen.

Es sind zwar schon Kolben bekannt, die nach innen zu als Zylinder, nach außen zu aber als Kolben wirken und eine hin und her gehende Bewegung ausführen. Nach der Erfindung ist aber dieser Kolben in eine ganze Reihe konzentrische Ringe unterteilt, wobei das Gas während der Verdichtung stufenweise von den äußeren Ringräumen nach Kühlung in die inneren gelangt. Der Inhalt dieser Ringräume ist dann so aufeinander gestimmt, wie es die geometrische Reihe für mehrstufige Verdichtung erfordert.

Somit wird nach der Erfindung eine Maschine geschaffen, die verhältnismäßig klein und einfach ist und es gestattet, den Hauptteil der bisherigen Auspuffverluste an Dieselmotoren zu vermeiden.

709 546/53

3 4

Zur Erläuterung dienen die schematischen ver- Kurbelwelle 48 ist mit der Kurbelwelle des Dieseleinfachten Zeichnungen mit den Fig. 1 bis 3. motors drehfest verbunden oder mit dieser durch ein Fig. 1 zeigt die vorgeschlagenen Zustandsände- Getriebe gekuppelt. Sie ist am Kurbelgehäuse durch rungen im bekannten T-S-Diagramm; Dichtungsringe abgedichtet, so daß im Kurbelgehäuse Fig. 2 zeigt sie im bekannten P-V-Diagramm, und 5 ein Überdruck von z. B. 3 ata herrschen kann. Aus Fig. 3 zeigt die Schaltanordnung und somit dk dem Behälter 49 kann durch das Rohr 50 und das zu verwendende Maschine zur Ausnutzung des Ver- Ventil 51 Leckgas ergänzt werden, so daß der Druck fahrens im schematischen Längsschnitt. von z. B. 3 ata aufrechterhalten bleibt. Da die Ringe Aus dem Dieselmotor gelangen die Auspuffgase in 42, 43 und der Kolben 44 mit einer Platte 52 fest vereinen Gegenstromwärmetauscher, entspannen hier auf io schraubt sind und diese wieder mit den vier Stangen 1 ata und werden dann in ihm von Punkt 1 bis Punkt 2 45, haben der Kolben 16 und die Ringkolben 42 bis 44 isobar abgekühlt. Sie werden dabei z. B. von 600° C Gleichlauf. Die Ringe 39 bis 44 sind außen und innen auf 50° C abgekühlt und entweichen dann fast ohne geschliffen und gleiten mit nur geringem Spiel inein-Wärmeinhalt ins Freie. Hierdurch wird das vor- ander. Durch die nach außen spannenden Kolbengespannte Argongas von z. B. 45 ata von z. B. 20° C 15 ringe r an jedem Ring wird in üblicher Art die nötige auf 470° C angewärmt, und zwar isobar von Punkt 3 Abdichtung erzielt. Bei der Leitung 53 tritt das Kühlnach Punkt 4. Nun wird dieses in einem wärmedichten wasser ein und durch die Leitung 54 wieder aus. Zylinder von Punkt 4 nach Punkt 5 adiabatisch ent- Als erster Verdichtungszylinder dient der Ringspannt. Es kühlt sich dabei nach der Gleichung der raum unter dem Ring 42, als zweiter der über dem Adiabate für einatomige Gase auf 20° C ab, die es 20 Ring 39, als dritter der unter dem Ring 43, als vierter etwa bei 3 ata erreicht. Nun wird das Argon in einem der über dem Ring 40 und als fünfter der unter dem vielstufigen Verdichter annähernd isotherm von 5 Kolben 44. Die Kühlschlangen 31 bis 34 werden so nach 3 kalt bis auf 45 ata rückkomprimiert, worauf groß gehalten, daß darin z. B. das 2Ofache Gasvolumen sich der Vorgang wiederholt. Die zugeführte Wärme des entsprechenden Verdichtungsraumes Platz findet, entspricht der Fläche 3,4, 6,7. Die abgeführte Wärme 25 Es können natürlich auch noch mehr Ringe und Kühlentspricht der Fläche 3, 5, 6,7. In Arbeit umgewandelt schlangen Verwendung finden. Es ist auch nicht nötig, wurde die Wärme nach der Fläche 3, 4, 5, 3, was etwa ja gar nicht günstig, daß die Ringe 39 bis 44 gleiche einem Wirkungsgrad von 46% entspricht, wodurch Stärke haben. Deren Dicke muß vielmehr so gewählt aber der gesamte Wirkungsgrad des Dieselmotors um werden, daß das Kompressionsverhältnis von Ver-15% erhöht wird, also z. B. auf 50% gelangt. 30 dichtungsraum zu Verdichtungsraum konstant bleibt. Im P-V-Diagramm der Fig. 2 ist die gesamte Diese Anordnung hat unter anderem folgende VorArbeitsleistung die Fläche 8, 9, 10, 11, 8. Hiervon teile: Die Kräfte werden vom Expansionskolben auf wird für die Rückverdichtung wieder aufgebraucht die Verdichtungskolben direkt durch die Stangen 45, die Arbeit entsprechend der Fläche 8, 12, 10, 11, 8. also reibungsfrei übertragen. Die Maschine baut recht Als Nutzarbeit verbleibt also die Arbeit nach der 35 gedrungen, da ja die Verdichtungsräume ineinander Fläche 12, 9, 10, 12. Die ausgezogene Linie A be- geschachtelt sind. Stopfbüchsen fehlen ganz. Leckzeichnet die Adiabate, die gestrichelte Linie / die Verluste durch die Kolbenringe sind verhältnismäßig Isotherme. unschädlich, da ja dann das Gas aus einem Druckin der Maschine, die die Vorrichtung zur Durch- raum nicht direkt in das Kurbelgehäuse, sondern nur führung dieses Verfahrens darstellt, gelangt das ver- 40 in den nächstfolgenden Druckraum abfließt. Durch dichtete heiße Argongas durch die Leitung 14 und das Regelung der Vorspannung des Argons, z. B. auf gesteuerte Ventil 14' in den wärmedichten Zylinder 1, 2, 3, 4 ata, kann die Maschine der Wärmeabgabe 15, wo es nach der Füllung durch den Rückgang des des Dieselmotors genau angepaßt werden. Je höher Kolbens 16 adiabatisch expandiert. Durch den Hoch- die Vorspannung gewählt ist, um so kleiner kann die gang des Kolbens 16 wird dann das Argongas von 45 Maschine dimensioniert werden. Es scheint allerdings z. B. 3 ata durch das gesteuerte Auslaßventil 17' in auf den ersten Blick, daß die Kolbenringreibung bedie Leitung 17 ausgestoßen, fließt von hier teils in die deutend größer sein müsse, als bei nebeneinander an-Leitung 18 und kann auch in den Kurbelkasten, der geordneten Verdichtungszylindern. Das ist aber nicht als Ausgleichbehälter dient, durch die Leitung 19 ge- der Fall, denn gegenüber einer solchen sind die Ringe langen. Bewegt sich der Kolben 16 und alle mit ihm 50 nur um 40% langer, sie können aber an Zahl geringer fest verbundenen Teile nach oben, so wird das Gas gewählt werden, weil ja die beidseitigen Druckaus der Leitung 18 angesäugt, wird durch die nach- differenzen nur klein sind. Dadurch ist die Kolbenfolgenden Hübe stufenweise verdichtet und gelangt ringreibung kleiner als bei einer Maschine mit einstoßweise durch die Rückschlagventile 20 bis 25 und zelnen Zylindern. Argon, als neutrales Gas, verdie Leitungen 26 bis 30 zu den Verdichtungsräumen 55 hindert jede Verbrennung oder Oxydation des mit jedesmaliger Zwischenkühlung in den Kühl- Schmieröls. Die einzelnen Ringe 39 bis 44 können im schlangen 31 bis 34. Darauf fließt es kalt, aber unter demontierten Zustand leicht bearbeitet und gehont Druck von z. B. 45 ata durch die Leitung 35 dem werden, sie sind auch gut austauschbar. Wärmetauscher 13 wieder zu, worauf sich der Vor- Die Aufgabe, nämlich die möglichst vollständige gang wiederholt. Durch die Leitung 36 treten die 60 Ausnutzung der Abwärme von Dieselmotoren, wird Auspuffgase des Dieselmotors im Gegenstrom in den nach der Erfindung theoretisch optimal, nämlich durch Wärmetauscher 13 ein und verlassen diesen kalt durch einen Dreieckskreisprozeß, und technisch durch eine die Leitung 37. Der Zylinder 15 geht nach unten in recht einfache Zusatzmaschine gelöst, den größeren Zylinder 15' über, auf dessen Boden 38 In gleicher Art kann auch die Abhitze anderer die vollen oder auch hohlen Ringe 39 und 40 dicht 65 Maschinen, z. B. von Gasmaschinen, Benzinmotoren aufgeschraubt sind. In diese passen konzentrisch die und anderer Anlagen verwertet werden. Man könnte Gegenringe 42 und 43 und der Kolben 44. Durch die auch den Wärmetauscher 13 mit frischen Brenngasen Pleuelstange 46 wird der Kolben 16 mit den daran be- speisen. Beim Fortlassen des Expansionszylinders und festigten Stangen 45 infolge der Drehung der Kurbel des Wärmetauschers und dem Antrieb der Kurbel- und der Kurbelwelle 48' auf und ab bewegt. Die 70 welle 48 durch einen Motor geht die geschilderte

Maschine in einen sehr gedrungen gebauten vielstufigen Kompressor über.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Dieselmotoren durch Übertragung der fühlbaren Wärme des Auspuffgases an ein in einem geschlossenen Kreisprozeß umlaufendes Gas in einem Gegenstrom-Gleichdruck-Wärmeaustauscher, wobei das umlaufende Gas nach der Erwärmung unter Vorspannung in einer Kolbenmaschine entspannt und in der gleichen Kolbenmaschine wieder verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Umlaufgas ein einatomiges Gas, z. B. Argon, dient, an dem nur drei Zustandsänderungen ausgeführt werden, nämlich eine annähernd isobare Erhitzung mit nachfolgender annähernd adiabatischer Entspannung mit nachfolgender annähernd isothermer Verdichtung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der angenähert isothermen Verdichtung in an sich bekannter Art eine vielstufige Verdichtung mit jedesmaliger Zwischenkühlung zwischen den Verdichtungsstufen vorgenommen wird.

3. Vorrichtung zur Ausnutzung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die adiabatische Entspannung und die annähernd isotherme Verdichtung durch den gleichen Kolbenhub eines Verbundkolbens vorgenommen wird, der aus zwei starr miteinander verbundenen Einzelkolben (16, 52) besteht, wobei der Verdichtungskolben aus mehreren konzentrischen Ringen (42 bis 44) besteht, in die ringförmige konzentrische Zwischenkolben (39, 40) des Zylinderbodens (38) eingepaßt sind, wobei die Volumina der aufeinanderfolgenden Ringräume von außen nach innen fortschreitend eine geometrische Reihe bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ringraum mit dem folgenden durch eine Leitung (26 bis 30) über Rückschlagventile (21 bis 25) und Kühlschlangen (31 bis 34) verbunden ist, die ein vielfach größeres Volumen als der vorgeschaltete Ringraum besitzen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum des Kurbelgehäuses zwischen den Einzelkolben (16, 52) mit der Ansaugleitung (17) der ersten Verdichterstufe verbunden ist und die Kurbelwelle nach außen hin abgedichtet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ansaugleitung (17) über ein Regelventil (51) eine Vorratsflasche mit Argongas (49) angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Dieselmotor und Abhitzemaschine eine gemeinsame Kurbelwelle haben, die aus drehfest miteinander verbundenen Einzelwellen bestehen kann.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Kolben (39 bis 44) mit ihren Trägern lösbar verbunden sind.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ringförmigen Kolben (39 bis 44) nur mit nach außen spannenden Kolbenringen abgedichtet ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (13) mit Rippenrohren großer äußerer und kleiner innerer Oberfläche an sich bekannter Art versehen ist, die innen vom vorgespannten Argongas und außen von den Abgasen beaufschlagt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 820 348;
französische Patentschrift Nr. 980 646.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 7t» 546/53 5.