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DE102008017371A1 - Heat engine for use as e.g. gas turbine, for gaseous medium, has heat exchanger for supplying heat to compressed gaseous medium, where throughput mass of gaseous medium is large during stationary operation - Google Patents

Heat engine for use as e.g. gas turbine, for gaseous medium, has heat exchanger for supplying heat to compressed gaseous medium, where throughput mass of gaseous medium is large during stationary operation Download PDF

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DE102008017371A1
DE102008017371A1 DE102008017371A DE102008017371A DE102008017371A1 DE 102008017371 A1 DE102008017371 A1 DE 102008017371A1 DE 102008017371 A DE102008017371 A DE 102008017371A DE 102008017371 A DE102008017371 A DE 102008017371A DE 102008017371 A1 DE102008017371 A1 DE 102008017371A1
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DE
Germany
Prior art keywords
engine
heat
gaseous medium
compressed air
compressed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102008017371A
Other languages
German (de)
Inventor
Peter Graf Von Ingelheim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
INGELHEIM CONSULTING GmbH
Original Assignee
INGELHEIM CONSULTING GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by INGELHEIM CONSULTING GmbH filed Critical INGELHEIM CONSULTING GmbH
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Priority to DE102008033700A priority patent/DE102008033700A1/en
Publication of DE102008017371A1 publication Critical patent/DE102008017371A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

The engine has a compressor (3) for compressing a gaseous medium. A heat exchanger (2) supplies heat to the compressed gaseous medium to increase pressure of the medium to expand the gaseous medium. Throughput mass of the gaseous medium is large during stationary operation at the same time or at two different times separated by small time periods. The compressor is conveyed into a storage space (4) from which the compressed gas is discharged into an inlet of a power machine (1) in a controlled manner.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftmaschine für gasförmige Medien, ihren Kreisprozess und ihre Regelung.The The invention relates to a heat engine for gaseous media, their cycle and their regulation.

Wärmekraftmaschinen für gasförmige Medien sind als Gasturbinen und Motoren bekannt.Heat engines for gaseous media are known as gas turbines and engines.

Motoren sind Kolbenmaschinen, bei welchen thermodynamische Kreisprozesse innerhalb eines Arbeitsraumes ablaufen. Bei Motoren gibt es zwei bekannte Kreisprozesse in Form des Otto- oder Dieselprozesses.Engines are piston machines in which thermodynamic cycles expire within a workspace. There are two engines known cycles in the form of the gasoline or diesel process.

Zusätzlich gibt es Prozesse (MILLER-Cycle), die einen höheren Idealwirkungsgrad haben als die beiden vorgenannten Prozesse, da die Entspannung der Heißgase weiter ist als bei den beiden vorgenannten Prozessen.In addition there there are processes (MILLER-Cycle) that have a higher ideal efficiency as the two aforementioned processes, as the relaxation of the hot gases continue is as with the two aforementioned processes.

Ein wesentlicher Nachteil einer derartigen Anordnung einer einen Kreisprozess realisierenden Kolbenmaschine ist, daß der Prozess nur schwer an wechselnde Leistungsanforderungen anpassbar ist und daher bei unterschiedlichen Belastungen einen Abfall des thermodynamischen Wirkungsgrades zu verzeichnen ist. Insbesondere würde die Realisierung des Miller-Cycle zu einer Verringerung des maximalen Leistungsvermögens des Motors führen.One major disadvantage of such an arrangement of a circular process realizing piston machine is that the process is difficult changing performance requirements is customizable and therefore at different Loads decrease the thermodynamic efficiency is recorded. In particular, would the realization of the Miller cycle to a reduction of the maximum performance of lead the engine.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.Here The invention aims to remedy this.

Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist kann besser als bisherige Motoren geregelt werden und dadurch ein hoher Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Motorbelastungen realisiert werden.The Invention as it is characterized may be better than previous ones Motors are governed and thus a high efficiency at different Motor loads are realized.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Verdichtung und die Expansion in zwei separat regelbaren Maschinen erfolgt.This is achieved by the Compression and expansion in two separately controllable machines he follows.

Die Erfindung mit ihren Ausführungen wird anhand der 1–7 erläutert.The invention with its embodiments is based on the 1 - 7 explained.

1 zeigt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Motors. Man hat eine Druckluftkammer (4), die mit Druckluft eines bestimmten Druckes (in unserem Fall 10–15 bar) durch einen Drucklufterzeuger (Kompressor) (3) gefüllt wird und auf diesem Druck (±10%) gehalten wird. Eine Regeleinrichtung (6) regelt die Menge und den Zeitpunkt der einzublasenden Druckluft. Der Motor besitzt ein Auslassventil (5), durch welches die entspannten Verbrennungsgase abgelassen werden können 1 shows the basic principle of the heat engine according to the invention. 1 shows the basic structure of the engine. One has a compressed air chamber ( 4 ) with compressed air of a certain pressure (in our case 10-15 bar) by a compressed air generator (compressor) ( 3 ) and held at this pressure (± 10%). A control device ( 6 ) regulates the amount and timing of the compressed air to be injected. The engine has an exhaust valve ( 5 ), through which the expanded combustion gases can be discharged

Beim Abwärtshub wird das unter Druck stehende Verbrennungsgas expandiert und sein Energieinhalt genutzt, beim Aufwärtshub werden die Verbrennungsgase ausgeschoben. Der Unterschied zu bisher bekannten Konzepten liegt in den Regelungen kurz vor und in OT.At the downstroke The pressurized combustion gas is expanded and its Energy content used, on the upstroke the combustion gases are expelled. The difference to date known concepts lies in the regulations shortly before and in OT.

Die Druckluftkammer (4) wird durch einen durch die Kraftmaschine (1,2) getriebenen Kompressor (3) oder durch eine andere Art mit Druckluft befüllt.The compressed air chamber ( 4 ) is by a through the engine ( 1 . 2 ) driven compressor ( 3 ) or by another way filled with compressed air.

Weiterhin ist eine Kraftstoffeinspritzung und eine Zündeinrichtung (7) vorhanden.Furthermore, a fuel injection and an ignition device ( 7 ) available.

Das Grundprinzip der Takte des neuen Motors wird anhand der 2 beschrieben. Der Motor arbeitet wie ein Zweitaktmotor mit Ventil

  • Ganz oben: Der Kolben eines Boxermotors wird von links nach rechts bewegt und expandiert im linken Zylinder die heißen Verbrennungsgase und schiebt im rechten die Verbrennungsgase aus.
  • Zweite Zeile: Etwa 40–60° vor OT wird das Auslassventil geschlossen und Druckluft eingeblasen.
  • Dritte Zeile: Kurz vor OT wird Kraftstoff eingespritzt und gezündet. Die unterste Zeile entspricht der obersten in umgekehrter Richtung.
The basic principle of the clocks of the new engine is based on the 2 described. The engine works like a two-stroke engine with valve
  • At the top: The piston of a boxer engine is moved from left to right and expands in the left cylinder, the hot combustion gases and pushes out the combustion gases in the right.
  • Second line: About 40-60 ° before TDC, the outlet valve is closed and compressed air blown.
  • Third line: Shortly before OT fuel is injected and detonated. The bottom line corresponds to the top one in the opposite direction.

3 zeigt den Einsatz der erfindungsgemäßen Kraftmaschine in Verbindung mit einer Windkraftanlage. 3 shows the use of the engine according to the invention in conjunction with a wind turbine.

Die erneuerbaren Energien Solar- und Windenergie kranken daran, daß sie nicht permanent angeboten werden, sondern nur während ca. 1/3 des Jahres genutzt werden können. Die Energieversorger müssen aber für die 2/3 des Jahres, in denen diese Energie in unseren Breiten nicht zur Verfügung steht, konservative, kurzfristig zur Verfügung stehende Energieerzeuger vorhalten, um die Energieversorgung zu garantieren.The renewable energies solar and wind energy sick because they are not offered permanently, but only during about 1/3 of the year can be used. The utilities need but for the 2/3 of the year, when this energy is not available in our latitudes, conservative, short-term available energy producers to guarantee the energy supply.

Vergleichsweise schnell zu- und wieder wegschaltbare Energieerzeuger sind Verbrennungsmotoren und Gasturbinen.comparatively Power converters that can be rapidly switched on and off are internal combustion engines and Gas turbines.

Um aber die großen Energiemengen bereitstellen zu können, die mittlerweile durch die Zunahme der EE notwendig werden, werden Gasturbinen eingesetzt.Around but the big ones To provide energy quantities, which are now necessary due to the increase in RES Gas turbines used.

Gasturbinen haben entweder einen hohen theoretischen Wirkungsgrad (bei kleinem π und Nutzung der Abgaswärme) aber ein geringes Leistungsvermögen oder sie haben einen deutlich geringeren Wirkungsgrad als Dieselmotoren aber ein hohes Leistungsvermögen.gas turbines have either a high theoretical efficiency (at low π and use of the Exhaust heat) but a low performance or they have a much lower efficiency than diesel engines but a high performance.

Die frei zur Verfügung stehenden erneuerbaren Energien EE können in Form von Druckluft gespeichert werden.The freely available standing renewable energy EE can be in the form of compressed air get saved.

In 3 ist eine Windenergieanlage skizziert, bei welcher neben dem Generator auch ein Kompressor angetrieben wird, der einen zylinderförmigen Druckluftspeicher von beispielsweise 1000 m3 mit Druckluft füllt. Man kann davon ausgehen, daß man mit der Druckluft einen 2000 kW Motor etwa 24 Stunden antreiben könnte. Falls eine Windflaute länger anhält, muß man den Betrieb ändern Danach liefert der Motor sich selber die Druckluft mit einem durch Optimierung erreichten höheren Wirkungsgrad als heutige Verbrennungsmotoren.In 3 is sketched a wind turbine, in which in addition to the generator and a compressor is driven, which fills a cylindrical compressed air storage of, for example, 1000 m 3 with compressed air. It can be assumed that one could drive a 2000 kW engine with the compressed air for about 24 hours. If a wind lull lasts longer, you have to change the operation. Then the engine provides itself the compressed air with a higher efficiency achieved by optimization than today's internal combustion engines.

In 4 ist eine Möglichkeit gezeigt bei Offshore-Windanlagen eine isotherme Verdichtung mit sehr hohem Wirkungsgrad zu erreichen. Anstelle eines Kompressors wie in 3 treibt die Windenergieanlage eine Pumpe, die Wasser in einen luftgefüllten abgeschlossenen Raum presst. Je mehr der Wasserspiegel in dem Raum steigt, umso stärker wird das Luftvolumen verringert und damit der Luftdruck erhöht. Wenn der Zieldruck erreicht ist, öffnet das Druckbegrenzungsventil des Druckluftspeichers un entläßt die Druckluft in diesen Speicher. Wenn der abgeschlossene Raum restlos mit Wasser gefüllt ist, wird dieses abgelassen und das Spiel beginnt von neuem.In 4 is an opportunity to achieve an isothermal compression with very high efficiency in offshore wind turbines. Instead of a compressor like in 3 The wind turbine drives a pump that presses water into an air-filled closed space. The more the water level rises in the room, the more the volume of air is reduced and thus the air pressure is increased. When the target pressure is reached, the pressure relief valve of the compressed air accumulator opens and releases the compressed air in this memory. When the locked room is completely filled with water, it is drained and the game starts again.

Die Vorteile liegen zunächst in der Einsparung der Hälfte der Zylinder durch Zweitakt und einem Wegfall eines Teils der heute an Motoren notwendigen Bauteile. Tatsächlich bietet das Prinzip auch weitere Vorteile. Damit wird das Konzept auch für Fahrzeugantriebe interessant.The Advantages are initially in the saving of half the cylinder by two-stroke and a loss of part of today necessary components on engines. In fact, the principle also offers Other advantages. This makes the concept interesting for vehicle drives as well.

In 5 wird ein Motoraufbau für einen Fahrzeugantrieb gezeigt.In 5 a motor assembly for a vehicle drive is shown.

Bei Versorgung des Motors mit gespeicherter Druckluft wird diese im Wärmetauscher 2 (16) vom Abgas aufgeheizt und von der Einlassregelung (17) in den Motor gelassen.When the engine is supplied with stored compressed air, it is stored in heat exchanger 2 (FIG. 16 ) is heated by the exhaust gas and by the inlet control ( 17 ) left in the engine.

Bei Selbsterzeugung der Druckluft wird die Ansaugluft mit 1 bar und 20°C vom Verdichter 1 (12) angesaugt und auf 4 bar verdichtet, wobei sie die Temperatur 162,6°C erreicht. Im nachfolgenden Kühler (13) wird sie auf 110°C heruntergekühlt und danach im Verdichter 2 (14) auf 12 bar und 265°C gebracht und im Druckraum (15) gespeichert.With self-generation of the compressed air, the intake air at 1 bar and 20 ° C from the compressor 1 ( 12 ) and compressed to 4 bar, the temperature reaches 162.6 ° C. In the following cooler ( 13 ), it is cooled down to 110 ° C and then in the compressor 2 ( 14 ) to 12 bar and 265 ° C and in the pressure chamber ( 15 ) saved.

Bei laufendem Motor wird die verdichtete Luft durch einen Abgaswärmetauscher (16) geführt und aufgeheizt, wobei ihr Druck weiter erhöht wird. Die Einlassregelung Druckluft (17) legt Zeitpunkt und Menge an verdichteter Druckluft fest, die in den Motor gelassen wird, in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Motorlast.When the engine is running, the compressed air is passed through an exhaust gas heat exchanger ( 16 ) and heated, with their pressure is further increased. The inlet control compressed air ( 17 ) determines the timing and amount of compressed air left in the engine, depending on engine speed and engine load.

Im Teillastbereich, wenn weniger Druckluft in den Motor eingeblasen werden muss und der Druckraum gefüllt ist werden die Kompressoren ausgekuppelt oder sie laufen permanent mit, ihre innere Verdichtung wird aber auf Null gestellt und Sperrventile, die die Förderseite mit der Saugseite (19, 20) verbinden können, werden geöffnet. Dann laufen sie praktisch lastfrei mit.In the partial load range, when less compressed air has to be injected into the engine and the pressure chamber is filled, the compressors are disengaged or permanently run, but their internal compression is set to zero and shut-off valves which supply the suction side ( 19 . 20 ) are opened. Then they run with practically no load.

Um Bremsenergie nutzen zu können, wird bei Bremsvorgängen ein Kompressor (18) eingeschaltet, der in den Druckluftspeicher (15) fördert. Sein Verdichtungsarbeit wirkt bremsend am Fahrzeug.In order to use braking energy, a compressor is used during braking processes ( 18 ), which is in the compressed air storage ( 15 ) promotes. His compression work has a braking effect on the vehicle.

6 zeigt das p-V-Diagramm des erfindungsgemäßen Motors. 6 shows the pV diagram of the engine according to the invention.

Den idealen Wirkungsgrad dieses Prozesses berechnet man wie folgt.The ideal efficiency of this process is calculated as follows.

Zunächst wird vom Verdichter 1 die ideale Verdichtungsarbeit W1(in) = cv·(435.6 – 293)·m = 142.6·cv·m· kJ/kg geleistet und im Kühler die Luft von 435.6°K auf 383°K heruntergekühlt und vom 2. Verdichter die Verdichtungsarbeit W2(in) = cv·(538 – 383)·m = 155·cv·m· kJ/kg in das System gestecktFirst, the ideal compression work is W 1 c (in) = v · (435.6 - 293) by the compressor 1 is cooled down · m = 142.6 · c v · m · kJ / kg done and in the cooler, the air from 435.6 ° K to 383 ° K and from the 2nd compressor, the compression work W 2 (in) = c v (538 - 383) · m = 155 · c v · m · kJ / kg is inserted into the system

Nun heizen wir die auf 12 bar verdichtete Luft mit dem Abgas isochor auf 700°K auf und erhöhen damit den Gasdruck auf pGas = 700/538·12 = 15,6 bar. Innerhalb des Motors wird die Luft weiter auf 25 bar verdichtet. Diese Arbeit ist W3(in) = cv·(801 – 700)·m = 101·cv·m· kJ/kgNow we heat the compressed to 12 bar air with the flue gas isochor to 700 ° K, thereby increasing the gas pressure to p gas = 700/538 · 12 = 15.6 bar. Inside the engine, the air is further compressed to 25 bar. This work is W 3 (in) = c · v (801-700) · m = 101 · v c · m · kJ / kg

Insgesamt erhalten wir die Verdichtungsarbeit Wverd = (142.6 + 155 + 101)·cv·m = 398·cv·m kJ/kg.All in all we get the compaction work W verd = (142.6 + 155 + 101) · c v · m = 398 · c v · m kJ / kg.

Unterstellen wir, daß der Motor mit einem ε = 15 ausgelegt ist (der Prozess damit den MILLER-Cycle realisiert) und wir bei isochorer Verbrennung eine Spitzentemperatur von 2000°C (= 2273°K) erreichen. Dann ist der Spitzendruck (bei isochorer Verbrennung) pmax = 25·2273/801 = 71 bar.Assuming that the engine is designed with ε = 15 (the process thus realizes the MILLER cycle) and we reach a peak temperature of 2000 ° C (= 2273 ° K) in isochoric combustion. Then the peak pressure (at isochoric combustion) p max = 25 · 2273/801 = 71 bar.

Am Ende der adiabatischen Entspannung hat man den Druck pAuslass = 71/151.4 = 1.6 bar und die Auslasstemperatur TAuslass = 2273/150.4 = 769°KAt the end of the adiabatic expansion, the pressure p outlet = 71/15 1.4 = 1.6 bar and the outlet temperature T outlet = 2273/15 0.4 = 769 ° K

Die Expansionsarbeit wird damit zu WMotor = (2273 – 769)·cv·m = 1504·cv·m kJ/kg und die mit dem Brennstoff erzeugte Wärmezufuhr Qin = (2273 – 801)·cv·m = 1472·cv·m kJ/kg.The expansion work thus becomes W Motor = (2273 - 769) · c v · m = 1504 · c v · m kJ / kg, and the heat input Q in = (2273 - 801) · c v · m = 1472 generated with the fuel · C v · m kJ / kg.

Der ideale Wirkungsgrad dieses Betriebes wird damit

Figure 00030001
The ideal efficiency of this operation is thus
Figure 00030001

Betreibt man den Motor ausschließlich mit aus Solar- oder Windenergie gewonnener Druckluft, dann ergibt sich:
Unterstellen wir, daß die mit erneuerbaren Energien EE gewonnene Druckluft in einem Prozess ohne Zwischenkühlung erzeugt wurde, der eine Druckluft von 15 bar lieferte. Dann erhielt man die Lufttemperatur am Ende von T2 = 293·150 . 286 = 635.7°K. Wenn die so erzeugte Drucklufttemperatur isochor auf Umgebungtemperatur 293°K absinkt, sinkt der Luftdruck auf p293 = 15·293/635 = 6.9 bar.If the engine is operated exclusively with compressed air obtained from solar or wind energy, then:
Imagine that the renewable energy produced by renewable energy EE was generated in a process without intermediate cooling, which supplied a compressed air of 15 bar. Then, the air temperature at the end of T 2 = 293 x 15 0 was obtained . 286 = 635.7 ° K. If the compressed air temperature thus generated drops isochorally to ambient temperature 293 ° K, the air pressure drops to p 293 = 15 · 293/635 = 6.9 bar.

Heizen wir die kalte Druckluft vor Verbrauch im Motor mit den Abgasen des Motors in einem Wärmetauscher des Wirkungsgrades 80% isochor auf, so erhalten wir die Endtemperatur der Druckluft von TnWT = 293 + (769–293)·0.8 = 673.8°K mit dem Druck pnWT = 15.85 bar.If we heat up the cold compressed air before consumption in the engine with the exhaust gases of the engine in a heat exchanger of efficiency 80% isochor, we obtain the final temperature of the compressed air of T nWT = 293 + (769-293) · 0.8 = 673.8 ° K with the Pressure p nWT = 15.85 bar.

Im Motor wird die Luft auf 25 bar verdichtet und erreicht dadurch die Temperatur T'2 = (25/15.8)0.286·673 = 767.4°K. Die Verdichtungsarbeit wird damit Wverd = (767.4 – 673.8)·cv·m = 93.6·cv·m kJ/kg.In the engine, the air is compressed to 25 bar and thereby reaches the temperature T ' 2 = (25 / 15.8) 0.286 · 673 = 767.4 ° K. The compaction work is thus W verd = (767.4 - 673.8) · c v · m = 93.6 · c v · m kJ / kg.

Wie oben ist die Motorarbeit WMotor = (2273 – 769)·cv·m = 1504·cv·m kJ/kg und die Wärmezufuhr Qin = (2273 – 767.4)·cv·m = 1505.6·cv·m kJ/kgAs above, the engine work W Motor = (2273 - 769) · c v · m = 1504 · c v · m kJ / kg and the heat input Q in = (2273 - 767.4) · c v · m = 1505.6 · c v · mkJ / kg

Der Wirkungsgrad bei diesem Betrieb wird damit:

Figure 00040001
The efficiency of this operation is thus:
Figure 00040001

Damit liegt das neue Motorkonzept im Idealprozess deutlich über dem Otto- und Dieselprozess. Motortyp Ottomotor Dieselmotor Erfindungsgem. Motor Erf.Motor mit EE-Druckluft Idealer Wirkungsgrad 58–60% 63-65% 75% 94% Thus, the new engine concept in the ideal process is significantly above the gasoline and diesel process. engine type gasoline engine diesel engine Invention. engine Motor with EE compressed air Ideal efficiency 58-60% 63-65% 75% 94%

7a und 7b zeigen die Funktion der Regeleinrichtung zwischen Druckluftraum (30) und Motorzylinder (31). 7a and 7b show the function of the control device between compressed air space ( 30 ) and engine cylinders ( 31 ).

Vom Druckluftraum (30) gelangt die Druckluft in einen Dosierraum (34), der durch ein erstes Sperrventil (35) zwischen Druckluftraum (30) und Dosierraum (34) und durch ein zweites Sperrventil (38) zwischen Dosierraum (34) und Motorzylinder (31) absperrbar ist. Die Leitung zwischen Druckluftraum (30) und erstem Sperrventil (38) führt durch einen Abgasraum (32) wodurch die Druckluft aufgeheizt wird. Einzelne Rückschlagventile (33) sorgen dafür, daß die Druckluft allmählich aufgeheizt wird, da in den einzelnen Kammern eine immer höhere Temperatur und damit ein höherer Druck ist.From the compressed air space ( 30 ) the compressed air enters a dosing chamber ( 34 ), which by a first check valve ( 35 ) between compressed air space ( 30 ) and dosing space ( 34 ) and by a second shut-off valve ( 38 ) between dosing space ( 34 ) and engine cylinders ( 31 ) can be shut off. The line between compressed air space ( 30 ) and first shut-off valve ( 38 ) leads through an exhaust gas space ( 32 ) whereby the compressed air is heated. Single return impact valves ( 33 ) ensure that the compressed air is gradually heated, as in the individual chambers is an ever higher temperature and thus a higher pressure.

Ein verschiebbarer Stellkörper (36) legt das Innenvolumen des Dosierraums (34) und damit die Menge an Druckluft fest, die in den Zylinder gelassen wird.A displaceable actuating body ( 36 ) defines the internal volume of the dosing chamber ( 34 ) and thus the amount of compressed air that is left in the cylinder.

In den Dosierraum kann nun der Kraftstoff eingespritzt von der Einspritzeinrichtung (37) werden.The fuel can now be injected into the metering chamber by the injection device ( 37 ) become.

In 7a ist gezeigt wie die Druckluftmenge bei Vollast links und bei Teillast durch Verschieben des Stellkörpers (36) eingestellt wird.In 7a is shown as the amount of compressed air at full load left and at partial load by moving the actuator ( 36 ) is set.

In 7b ist der Einlass der Druckluft in den Zylinder gezeigt.In 7b the inlet of compressed air into the cylinder is shown.

Zunächst wird bleibt beim Expansionshub das 2. Sperrventil (38) geschlossen und das erste Sperrventil (35) wird geöffnet. Der geringe Druck im Dosierraum saugt aus dem Druckluftraum (30) über die durch die Rückschlagventile (33) gebildete Druckkaskade Druckluft nach.First, the second shut-off valve remains during the expansion stroke ( 38 ) and the first check valve ( 35 ) will be opened. The low pressure in the dosing chamber sucks from the compressed air space ( 30 ) through the check valves ( 33 ) formed pressure cascade compressed air after.

Dann wird das erste Sperrventil (35) geschlossen.Then the first check valve ( 35 ) closed.

Gegen Ende des Ausschubhubes wird das 2. Sperrventil (38) geöffnet und die Druckluft in den Zylinder entlassen.Towards the end of the exhaust stroke the second shut-off valve ( 38 ) and release the compressed air into the cylinder.

Claims (11)

Wärmekraftmaschine für gasförmige Medien, bei welcher ein gasförmiges Medium verdichtet, dem verdichteten Medium Wärme zugeführt wird und damit sein Druck erhöht wird und danach in einer Kraftmaschine das gasförmige Medium unter Abgabe von mechanischer Arbeit entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung und die Entspannung des Gases durch zwei verschiedene Kolben- oder Turbomaschinen (1, 2, 3; 11, 12, 14) erfolgt und die Durchsatzmasse des gasförmigen Mediums durch die beiden Maschinen auch bei Stationärbetrieb zum selben Zeitpunkt oder zu zwei unterschiedlichen, durch eine beliebig kurze Zeitspanne getrennten Zeitpunkten unterschiedlich groß sein kann.Heat engine for gaseous media, in which a gaseous medium is compressed, the compressed medium is supplied with heat and thus its pressure is increased and then in an engine, the gaseous medium is released while releasing mechanical work, characterized in that the compression and relaxation of the Gas through two different piston or turbomachinery ( 1 . 2 . 3 ; 11 . 12 . 14 ) and the throughput mass of the gaseous medium by the two machines can be different in size even at steady state operation at the same time or at two different, separated by an arbitrarily short period of time. Wärmekraftmaschine unter Patentanspruch 1 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungsmaschine (3; 12, 14) in einen Speicherraum (4; 15) fördert, aus welchem das Druckgas je nach Bedarf in Menge und Druck gesteuert in den Einlass der Kraftmaschine (1; 11) entlassen wird, wo das Medium erwärmt und damit sein Druck oder Volumen vergrößert wird und danach unter Abgabe von Arbeit entspannt wird.Heat engine according to claim 1, additionally characterized in that the compacting machine ( 3 ; 12 . 14 ) into a memory space ( 4 ; 15 ), from which the compressed gas is controlled as required in quantity and pressure in the inlet of the engine ( 1 ; 11 ) is released, where the medium is heated and thus its pressure or volume is increased and then released under release of work. Wärmekraftmaschine unter Patentanspruch 1 oder 2 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung in mehreren Stufen mit Zwischenkühlung oder isotherm erfolgt.Heat engine under claim 1 or 2 additionally characterized that the Compression in several stages with intercooling or isothermal. Wärmekraftmaschine unter einem der Patentansprüche 1–3 zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verdichtungsmaschine und Kraftmaschine oder zwischen Speicherraum und Kraftmaschine eine Aufheizung des der Kraftmaschine zugeführten Frischgases in einem Wärmetauscher (16) durch das heiße Abgas der Kraftmaschine erfolgt.Heat engine according to one of the claims 1-3 additionally characterized in that between the compression machine and the engine or between the storage space and the engine, a heating of the engine supplied fresh gas in a heat exchanger ( 16 ) is done by the hot exhaust gas of the engine. Wärmekraftmaschine unter einem der Patentansprüche 1–4, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdichtungsmaschine oder alle Verdichtungsmaschinen (12, 14) mit einer Regelung (19, 20) so versehen werden können, daß sie keine Verdichtungsarbeit aufnehmen, oder der Kraftschluß zwischen Kraftmaschine und Verdichtungsmaschine getrennt werden kann und die Kraftmaschine mit Druckgas aus einem Speicher erfolgt oder durch eine Verdichtungsmaschine, die ein Gas eines geringeren Druckes als bei Vollast liefert.Heat engine according to one of the claims 1-4, additionally characterized in that a compacting machine or all compacting machines ( 12 . 14 ) with a regulation ( 19 . 20 ) can be provided so that they do not absorb compression work, or the adhesion between the engine and compacting machine can be separated and the engine with compressed gas from a memory or by a compacting machine that delivers a gas of lower pressure than at full load. Wärmekraftmaschine unter einem der Patentansprüche 1–5, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine eine Hubkolbenmaschine nach dem Zweitaktprinzip ist, bei welcher im Abwärtshub das heiße Druckgas expandiert wird und im Aufwärtshub das expandierte Gas ausgeschoben wird und bei der genügend weit vor OT das Auslassventil geschlossen wird und das vom Verdichter verdichtete Gas und Treibstoff eingeblasen wird, der fremdgezündet wird oder als Selbstzünder ausgeführt ist.Heat engine under one of the claims 1-5, in addition characterized in that Engine is a reciprocating engine according to the two-stroke principle, at which in the downstroke the hot Compressed gas is expanded and in the upstroke the expanded gas is pushed out and at the far enough before TDC the exhaust valve is closed and injected by the compressor compressed gas and fuel which is ignited externally or as a diesel accomplished is. Wärmekraftmaschine unter einem der Patentansprüche 1–6, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit einer Energieerzeugungsanlage für Solar- oder Windenergie oder eine andere Energieform, die nicht permanent verfügbar ist, eingesetzt wird, um die in den Fehlzeiten dieser Energie auftretende Versorgungslücke zu überbrücken.A heat engine as claimed in any one of claims 1-6, further characterized in that it is used in conjunction with a solar or wind power generation plant or other form of energy which is not permanently available, in order to compensate for the shortfall in that energy To bridge the supply gap. Wärmekraftmaschine unter Patentanspruch 7, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die nur zeitweise vorhandene Energieerzeugung auch dazu genutzt wird einen Speicher mit Druckluft zu füllen, die bei Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine die Verdichtungsarbeit wenigstens teilweise einspart.Heat engine under claim 7, in addition characterized in that the only temporary use of energy is also used to fill a memory with compressed air during operation of the heat engine according to the invention at least partially saves the compaction work. Wärmekraftmaschine unter einem der Patentansprüche 7 oder 8, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der durch die Energieerzeugungsanlage für Solar- oder Windenergie oder eine andere Energieform, die nicht permanent verfügbar ist, erzeugten Druckluft isotherm erfolgt.Heat engine under one of the claims 7 or 8, in addition characterized in that the Compaction of the energy produced by the solar energy or wind energy or some other form of energy that is not permanent available is, compressed air is produced isothermally. Wärmekraftmaschine unter einem der Patentansprüche 1–6, welche zum Antreiben eines Fahrzeugs genutzt wird, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß a) der Wirkungsgrad des Antriebs durch mehrstufige Verdichtung (12, 14) mit Zwischenkühlung (13) und/oder Nutzung (16) der Abgaswärme und/oder Dehnung der Entspannung (Miller-Cycle) verbessert wird und/oder b) die Maschine im Teillastbereich durch Wegschalten (19, 20) eines Kompressors an den Leistungsbedarf angepasst wird und/oder c) das Beschleunigungsvermögen dadurch verbessert wird, daß ein Druckluftspeicher (15) vorhanden ist, der bei extremen Beschleunigungen die Kraftmaschine ausschließlich mit Druckluft aus diesem Speicher versorgt wird und die Kompressoren (12, 14) ausgeschaltet werden, sodaß die wegfallende Verdichtungsarbeit als zusätzliche Beschleunigungsarbeit zur Verfügung steht und/oder d) eine Nutzung der Bremsenergie in der Form erfolgt, daß bei Betätigen der Bremse diese einen Kompressor (18) einschaltet, dessen benötigte Arbeit die Fahrzeuggeschwindigkeit verzögert und der Kompressor in einen Druckluftspeicher (15) fördert.Heat engine according to one of claims 1-6, which is used for driving a vehicle, additionally characterized in that a) the efficiency of the drive by multi-stage compression ( 12 . 14 ) with intermediate cooling ( 13 ) and / or use ( 16 ) the exhaust heat and / or expansion of relaxation (Miller cycle) is improved and / or b) the machine in the partial load range by switching off ( 19 . 20 ) a compressor is adapted to the power requirement and / or c) the acceleration capacity is improved by a compressed air reservoir ( 15 ), which at extreme accelerations the engine is supplied exclusively with compressed air from this memory and the compressors ( 12 . 14 ) are turned off, so that the omitted compression work is available as additional acceleration work and / or d) use of the braking energy in the form that when the brake is actuated, a compressor ( 18 ), whose required work delays the vehicle speed and the compressor in a compressed air reservoir ( 15 ) promotes. Wärmekraftmaschine unter einem der Patentansprüche 1–10, zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zwischen Druckluftraum (30) und Zylinder (31) einen Dosierraum (34) umfasst dessen Innenvolumen mit einem Verdrängungskörper (36) verstellbar ist und der mit einem ersten Sperrventil (35) vom Druckluftraum (30) abgetrennt werden kann und einem zweiten Sperrventil (38) vom Motorzylinder abgetrennt werden kann.Heat engine according to one of the claims 1-10, additionally characterized in that the control device between compressed air space ( 30 ) and cylinders ( 31 ) a dosing space ( 34 ) comprises its internal volume with a displacement body ( 36 ) is adjustable and with a first check valve ( 35 ) from the compressed air space ( 30 ) and a second check valve ( 38 ) can be separated from the engine cylinder.
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