durch eine Abgas-Dampf-Turbine

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Optimierung des Wirkungsgrades der Energierückgewinnung bei allen Arten von Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Kolbenverbrennungsmotoren, durch Erzeugung eines dichten Abgas-Dampfgemisches, welches im Auslasstrakt eine Abgas-Dampf-Turbine mit angekoppeltem Generator zur Stromerzeugung antreibt. Davon profitieren vor allem Hybridfahrzeuge und Blockheizkraftwerke.

Stand der Technik

Konventionelle Abgasturbinen wie bspw. Turbolader, denen noch ein Generator angehängt wird, sind bekannt. Sie nutzen jedoch keine gezielte Dampfdruckerzeugung im Arbeitsraum des Zylinders und damit auch nicht die dort herrschende Wärmeenergie.

Wassereinspritzungen in den Arbeitsraum zum Zwecke der Ladeluftkühlung und/oder Minimierung der Klopfneigung während der Verdichtung sind bekannt.

Aus der gattungsbildenden US 2003/0188700 A1 ist es bekannt, zur Optimierung des Verbrennungsprozesses während der Verbrennung Wasser in den Arbeitsraum des Verbrennungsmotors einzuspritzen. Vorliegende Erfindung verzichtet auf eine Einspritzung während der Verbrennung.

Aus der JP H06- 101 495 A ist es für Gasverbrennungsmotoren ohne Katalysator bekannt, die Effizienz von Abgasturboladern mit angehängtem Generator zu verbessern, indem Wasser nur in den Abgaskrümmer eingespritzt wird. Die Wärme im Zylinder bleibt dabei ungenutzt.

Zu lösende technische Aufgaben

Ein bekanntes Problem von Verbrennungsmotoren ist ihr schlechter mechanischer Wirkungsgrad. Der Großteil der eingesetzten chemischen Energie geht durch Wärme verloren, was insbesondere beim Einsatz von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen sehr nachteilig ist. Die Tatsache, dass ein Großteil der eingesetzten Primärenergie in Wärme umgewandelt wird, ist sogar doppelt nachteilig. Zum einen ist der Anteil der nutzbaren mechanischen Arbeit relativ gering, zum anderen muss zusätzlich Energie für die Kühlung der Zylinder aufgewendet werden, was den realen Gesamtwirkungsgrad, beispielsweise durch erhöhten Fahrtwiderstand, weiter senkt.

Immer häufiger werden, teilweise auch zusätzlich, kühlende Benzindirekteinspritzungen genutzt, die dem Ziel dienen, die effektive Kompression zu erhöhen und so den Wirkungsgrad zu steigern. Sie dienen der Reduzierung der Klopfneigung bei Volllast, was jedoch den Verbrauch stark erhöht und zu Feinstaubbildung führt.

Bei Blockheizkraftwerken nach dem Prinzip der Wärmekopplung kann zwar ein Teil der Wärmeenergie genutzt werden, dennoch ist der Wirkungsgrad, insbesondere zu Jahreszeiten in denen die Heizung nicht gebracht wird, verbesserungswürdig.

Darstellung der Erfindung

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung liegt darin, früh die übliche Verlustwärme der Zylinder, über die ca. ein Drittel der Energie verloren geht, zu nutzen und gleichzeitig den für ihre Kühlung nötigen Energieaufwand zu reduzieren. Zusätzlich sollt die restliche Verlustwärme die über die Abgase verloren geht mit genutzt werden.

Die Lösung besteht darin, nach vollständiger Verbrennung während des Arbeitstaktes, noch vor dem öffnen der Auslassventile, mittels wenigstens einer ersten Wasserzuführung Wasser in den Arbeitsraum einzuspritzen, um somit die Gesamtmenge an Abgas/Trockendampf zu erhöhen und deren Spülmasse zu erhöhen. So kann das Abgas-Dampfgemisch deutlich effektiver auf die Schaufeln einer Turbine mit angekoppeltem Generator wirken.

Die so erzeugte elektrische Energie kann im Prinzip beliebig genutzt werden. Im Falle eines Blockheizkraftwerks erhöht sich die Gesamtmenge der elektrisch er- zeugen Energie, im Falle eines Kraftfahrzeugs kann die so gewonnene elektrische Energie dem Laden der Akkus von Hybridfahrzeugen und/oder der Bordnetzversorgung dienen.

Die Wirkungsweise wird nun anhand eines einfachen Models erläutert. Es wird davon ausgegangen, dass die ideale Gasgleichung gilt:

pV = NKT

Durch das Verdampfen des Wassers erhöht sich die Zahl der Gasteilchen N während die Temperatur sinkt. Das heißt, es kann erreicht werden, dass der Druck bei gegebenem Volumen konstant bleibt. Oder mit anderen Worten: Die Wassereinspritzung führt durch die Abkühlung zu einem Druckverlust des Verbrennungsgases, der jedoch zeitgleich durch die Wasserdampfbildung kompensiert wird. Somit erhöht sich die Dichte und damit die Spülmasse des die Turbine antreibenden Gases, was deren Leistung/Wirkungsgrad erhöht.

Sofern die Wärmekraftmaschine einen Katalysator aufweist, sollte die Abgastemperatur vor diesem im Regelbetrieb nicht unter deren Mindestarbeitstemperatur fallen. Die Wassereinspritzmenge, -dauer, -pulsung und -zeit wird über das Motormanagement der Lastsituation und Wärme des Katalysators angepasst, wodurch situationsbedingt gekühlt wird.

Der Anfang des Abgastraktes wird durch einen sich erweiternden Auspuffvor- topf gebildet, der vom Resonanzverhalten derart ausgebildet ist, dass das trägere Abgas-Dampfgemisch schnell entweicht und den Kolben beim Ausstößen im besonders hebelwirksamen Bereich einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt. Um den Druckverlust durch Abkühlung über die Außenwände des Abgastraktes gering zu halten, sollte dieser isoliert sein, was gleichzeitig dabei hilft, die Mindestarbeitstemperatur die der Katalysator benötigt zu erhalten. Der Katalysator ist vor der Turbine angeordnet. Seine als ganzes verdrehten Kapilla- ren blasen das erste Turbinenrad mit einem turbulenzfreiem Drall an um die Wirkung auf dieses zu steigern. Die relativ milden Temperaturen an der Turbine vereinfachen die Entwicklung wirkungsstarker Konstruktionen und vergünstigen den Materialeinsatz in der Herstellung erheblich und dies bei verlängerter Haltbarkeit.

Die Nachteile einer Benzindirekteinspritzung können ohne große Umbaumaß- namen eliminiert werden, indem stattdessen Wasser direkt eingespritzt wird. Mit einer ersatzweisen Wasserdirekteinspritzung kann die effektive Verdichtung sogar weiter erhöht werden was den Wirkungsgrad nochmals verbessert. Über selbige Wassereinspritzdüse kann auch vorab schon die Ladeluft gekühlt werden. Der Hauptvorteil der Erfindung liegt in der Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie, die bei vollen (oder fehlenden) Akkus direkt über Elektroantriebsmotoren umgesetzt wird (was den Verbrauch direkt senkt) oder im Akku-Ladebetrieb Energie speichert, die später genutzt wird (was den Verbrauch indirekt senkt). Durch die Wassereinspritzung in den Arbeitsraum kann die Wasserkühlung deutlich reduziert werden oder beispielsweise bei freistehenden Zylindern eines Boxermotors sogar einer simplen Luftkühlung weichen, da ein Teil der Abkühlung dort erfolgt, wo sie entsteht. Dies reduziert das Gewicht und den Energieaufwand für die Kühlung, wodurch bei Fahrzeugen der Durchströmungswiderstand, der üblicherweise ca. 20% des Luftwiderstandes ausmacht, reduziert wird.

Die erfindungsgemäß ohnehin vorhandene Wasserzuführung kann ohne Mehraufwand zum Zwecke der an sich bekannten Ladeluftkühlung und/oder Minimierung der Klopfneigung während der Verdichtung genutzt werden

Weiterhin kann eine - als solche ebenfalls bekannte - Wassereinspritzung in den Abgastrakt vorgesehen sein. In diesem Fall, kann diese vor und/oder nach der Turbine erfolgen. Eine Wassereinspritzung vor der Turbine sollte so ausgelegt sein, dass der Dampf im Abgas-Dampf-Gemisch trocken bleibt, es also nicht zu einem Auskondensieren des Wasserdampfes kommt. Hierdurch wird die Dichte des Abgas-Dampf-Gemischs weiter erhöht, was die Leistung / den Wirkungsgrad der Turbine weiter erhöht. Eine eventuelle Wassereinspritzung nach der Abgasturbine dient einem anderen Zweck, nämlich dazu, durch die Verdampfung den bis dahin trocken Dampf des Abgas-Dampf-Gemisch auf eine Temperatur abzusenken, bei der er anfängt zu kondensieren. Der dann nasse Dampf kann in einem (hier nicht dargestelltem) Kondensator dann weiter auskondensieren, sich absetzen und gemeinsam mit dem hinter der Turbine eingespritzten Wasser zurückgewonnen und dem Wassertank zugeführt werden. Da übliches Abgas, beispielsweise einer Benzinverbrennung, bereits ca. 25% Wasserdampf enthält, ist ein Überschuss an Wasser vorhanden, so dass noch nicht einmal 100% des Wassers zurückgewonnen werden müssen, um die benötigte Wassermenge zu erhalten. Der Wassertank kann so sehr klein gehalten werden und muss im Idealfall nicht oder nur selten nachgefüllt werden. Wird der kühlende Kondensator flach, bspw. als beidseitig umströmter Diffusor oder als großflächiger Teil des Unterbodens ausgeführt, hat er keine negativen Auswirkungen auf den Luftwiderstand. Alle eben beschriebenen Arten der zusätzlichen Wassereinspritzung können einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander eingesetzt werden.

Da die Abkühlung über die Zylinderwände geringer ausfällt, bleibt der Druck während des Arbeitstaktes im besonders hebelwirksamen Bereich besser erhalten, was den Wirkungsgrad besonders bei niedrigeren Drehzahlen direkt erhöht. Zudem kondensiert während des Einlass- und Verdichtungstaktes weniger Treibstoff an den Wänden wodurch die Feinstaubbildung reduziert wird.

Da der Turbinen-Generator bei laufendem Motor ständig Strom liefert, können bei Hybridfahrzeugen die Kapazitäten der Akkus erheblich reduziert werden. Beides reduziert Kosten und Gewicht, was wiederum den Verbrauch senkt.

Lange Ladezeiten wie bei Plug-in-Hybriden oder reinen Elektrofahrzeugen verkürzen sich erheblich oder fallen bei genügend Überlandfahrten ganz weg. Dem Turbinen-Generator kann zusätzlich die Bordnetzspannung entnommen werden, was die übliche Lichtmaschine einspart.

Die elektrische Energie kann für einen elektrisch angetriebenen Lader genutzt werden, der schneller als ein Turbolader anspricht und sich besser regeln lässt. Sie kann auch für eine elektromagnetische Ventilsteuerung genutzt werden, was Gewicht spart und den für eine Luftkühlung ungünstigen (weil isolierenden) Kettenkasten und ein geschlossenes Zylinderkopf-Nockenwellen-Gehäuse erübrigt.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figur näher beschrieben. Die Figur zeigt:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in einer stark schematischen Darstellung.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. Die Basis dieser Wärmekraftmaschine bildet ein Verbrennungsmotor 10, welcher insbesondere als Viertakt- Verbrennungsmotor ausgebildet sein kann. Dieser Verbrennungsmotor 10 kann eine Kolben-Zylinder-Einheit oder beliebig viele Kolben-Zylinder-Einheiten aufweisen. Dargestellt ist lediglich eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Kolben 12 und einem Zylinder 13. Der Kolben 12 ist in üblicher Art und Weise mit einem Kurbelgetriebe 18 gekoppelt, so dass Kolben 12 und Zylinder 13 einen volumenveränderlichen Arbeitsraum 16 definieren. Dieser Arbeitsraum 16 ist beim Otto- oder Dieselmotor über wenigstens ein Einlassventil 14 mit einem Ansaugtrakt 20 und über wenigsten ein Auslassventil 15 mit einem Abgastrakt 22 verbunden. Der verbrennungsmotorseitige Anfang des Abgastraktes 22 ist vorzugsweise als Auspuffvortopf 23 ausgebildet. Im Falle, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor 10 um einen mit Diesel oder Benzin betriebenen Motor 10 handelt, ist dem Auspuffvortopf 23 in der Regel in Strömungsrichtung ein Katalysator 24 nachgeordnet. Weiterhin ist im Abgastrakt 22 eine Turbine 26 angeordnet, welche mittels einer Welle 27, direkt oder über eine Übersetzung, mit einem elektrischen Generator 28 verbunden ist. Dieser Generator 28 speist die von ihm erzeugte elektrische Energie entweder in einen elektrischen Speicher, in einen elektrischen Verbraucher oder (im Falle einer stationären Wärmekraftmaschine) in ein Stromnetz (allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet). Ist ein Katalysator 24 vorgesehen, befindet sich die Turbine 26 vorzugsweise stromabwärts des Katalysators. Es ist eine erste Wasserzuführung vorgesehen, welche in einer ersten Einspritzdüse 40a endet. Diese erste Einspritzdüse 40a mündet in den Arbeitsraum 16. Vorzugsweise ist die Einspritzdüse 40a so ausgestaltet, dass sie das unter Druck eingespritzte flüssige Wasser zu feinen T röpfchen vernebeln. Es ist möglich, dass die Einspritzdüse das Wasser gepulst einspritzt. Es könnten grundsätzlich mehrere erste Einspritzdüsen 40a vorgesehen sein, welche in den Arbeitsraum münden. Diese könnten Teil einer gemeinsamen ersten Wasserzuführung sein, oder es könnten mehrere voneinander unabhängige erste Wasserzuführungen zum Einspritzen von Wasser in den Arbeitsraum vorgesehen sein. Dargestellt ist der einfachste Fall: Es ist nur eine erste Wasserzuführung mit nur einer ersten Einspritzdüse 40a vorhanden.

Es wird nun auf die Wassereinspritzung in den Arbeitsraum mittels der ersten Einspritzdüse 40a eingegangen:

Die Wassereinspritzungen in den Arbeitsraum erfolgen über die erste Einspritzdüse 40a je nach Lastsituation während des Einlass-, des Verdichtungs- und des Arbeitstaktes. Bei hoher Last wird bereits während des Ansaugtaktes Wasser eingespritzt, um die Ladeluft zu kühlen, und ein weiteres mal im Verdichtungstakt, um eine frühzeitige Entzündung (Klopfen) aufgrund zu hoher Temperaturen zu vermeiden. Dies macht eine Beziendirekteinspritzung überflüssig. Bei niederen Lasten sind Einspritzungen während des Ein- und Verdichtungstaktes nicht nötig.

Einspritzung während des Arbeitstaktes: Hat der Katalysator seine Arbeitstemperatur erreicht und liegt die Abgastemperatur, über dem, was der Katalysator benötigt, wird über die erste Einspritzdüse 40a im Arbeitstakt nach vollständiger Verbrennung gerade soviel Wasser eingespritzt, bis die Temperatur auf ein Katalysator gerechten Wert sinkt. Dabei verdampft das Wasser, was zu einer Kühlung der Verbrennungsgase führt, da die Verdampfungsenergie aufgewendet werden muss. Im Gegenzug wird die Gesamtgasmenge erhöht, wie dies oben beschrieben wurde. Die Dauer der Einspritzung(en) nach vollständiger Verbrennung kann auch vom Arbeitstakt bis in den Ausstoßtakt hineinreichen. Dieses dichtere, weil kühlere Gemisch aus Verbrennungsabgas und zusätzlichem Dampf (Abgas-Dampf-Gemisch) verlässt im Ausstoßtakt den Arbeitsraum und gelangt dann in den Abgastrakt 22, im gezeigten Ausführungsbeispiel zunächst über die Krümmer in den Auspuffvortopf 23.

Im Falle, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor 10 um einen mit Diesel oder Benzin betriebenen Motor 10 handelt, ist dem Auspuffvortopf 23 in der Regel in Strömungsrichtung ein Katalysator 24 nachgeordnet. Weiterhin ist im Abgastrakt 22 eine Turbine 26 angeordnet, welche mittels einer Welle 27, direkt oder über eine Übersetzung, mit einem elektrischen Generator 28 verbunden ist. Dieser Generator 28 speist die von ihm erzeugte elektrische Energie entweder in einen elektrischen Speicher, in einen elektrischen Verbraucher oder (im Falle einer stationären Wärmekraftmaschine) in ein Stromnetz (allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet).

Im gezeigten Ausführungsbeispiel mündet in den Abgastrakt zwischen Katalysator und Turbine eine zweite Wasserzuführung. Gezeigt ist deren zweite Einspritzdüse 40b. Durch Wassereinspritzung mittels dieser zweiten Wasserzuführung wird die Dichte des Abgas-Dampf-Gemischs weiter erhöht, was die Leistung / den Wirkungsgrad der Turbine weiter erhöht. Natürlich könnten auch in diesem Fall mehrere Wasserzuführungen bzw. mehrere zweite Einspritzdüsen 40b vorgeshen sein (nicht dargestellt).

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist schließlich nach der Abgasturbine eine dritte Wasserzuführung 40c vorgesehen. Diese dritte Wasserzuführung dient einem anderen Zweck, nämlich dazu, durch die Verdampfung den bis dahin trocken Dampf des Abgas-Dampf-Gemisch auf eine Temperatur abzusenken, bei der er anfängt zu kondensieren. Das Kondensat kann abgeleitet und in einem Zwischentank gespeichert werden, von wo es der ersten und/oder der dritten Wasserzuführung zugeleitet werden kann (in der Figur nicht dargestellt).

Die Erfindung wurde anhand einer Wärmekraftmaschine erläutert, deren Verbrennungsmotor ein Viertakt-Hubkolbenmotor ist. Dies ist die bevorzugte, jedoch nicht die einzig mögliche Ausführungsform. Der Verbrennungsmotor könnte auch ein Zweitakt- Hubkolbenmotor oder ein Drehkolbenmotor (Wankelmotor) sein.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die Erfindung kann bei Kraftfahrzeugen aller Art eingesetzt werden. Sie ergänzt übliche Kolbenverbrennungsmotoren im stationären und mobilen Bereich. Wenn die Wassereinspritzdüse eine Benzindirekteinspritzdüse ersetzt, sind nicht mal Änderungen am Zylinderkopf nötig. Hybridfahrzeuge werden deutlich leichter und sparsamer und müssen seltener nachgeladen werden. Verbrauch, Abgas- und Feinstaubausstoß sinken. Turbolader, die durch ihre Anordnung nahe dem Motor die Abgasresonanzentladung beeinträchtigen können, durch ein Turbinengenerator mit hohem Wirkungsgard abgelöst werden. Da genügend Strom produziert wird, kann stattdessen eine elektrisch angetriebene Turbine den geforderten Ladedruck erzeugen. Die Verdunstungskühlung während des Ein- und Verdichtungstaktes erlaubt dabei deutlich höheren Ladedruck, was wiederum Downsizing begünstigt.

Bezugszeichenliste

10 Verbrennungsmotor

12 Kolben

13 Zylinder

14 Einlassventil

15 Auslassventil

16 Arbeitsraum

18 Kurbelgetriebe

20 Ansaugtrakt

22 Abgastrakt

23 Auspuffvortopf

24 Katalysator

26 Turbine

27 Welle

28 Generator

30 elektrischer Speicher oder Verbraucher

40a,b,c Einspritzdüsen (Bestandteile der Wasserzuführungen)