DE102011078665A1 - Nachbrenner für verbund-kompressionsmaschine - Google Patents
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Abstract
Description
- Hintergrund
- Zur Leistungserzeugung verdichten Maschinen typischerweise Luft oder andere gasförmige Oxidationsmittel vor dem Zufügen von Kraftstoff und dem Zünden. Wenn Verdrängungsverdichtung physikalisch von der Leistungserzeugungseigenschaft getrennt ist, ist oft unbenutzte, verbliebene, verdichtete Luft vorhanden. Viele Beispiele von Maschinen mit trennbaren Verdrängungsverdichtungs-Systemen existieren. Ein Beispiel kann durch eine Wankelmaschine formuliert werden. Die Wankelmaschine, die von dem deutschen Ingenieur Felix Wankel erfunden wurde, ist eine Form einer internen Verbrennungsmaschine, die eine Rotationsbauform verwendet. Der Kreislauf des Wankelmotors erfolgt in einem Raum zwischen dem Inneren eines oval-ähnlichen, epitrochoid-förmigen Gehäuses und einem Rotor, der ähnlich eines Reuleaux-Dreiecks, aber mit Seiten, die etwas flacher sind, ausgebildet ist. Diese Bauform liefert eine schlichte, hohe Drehzahlleistung aus einer kompakten Größe. Seit seiner Einführung wird die Maschine gewöhnlich als die Rotationsmaschine bezeichnet. Eine Verbesserung der Rotationsmaschine verwendet einen Rotor als einen Verdichter, um verdichtete Luft an einen zweiten Rotor zu liefern. Die verdichtete Luft wird dann weiter vor der Verbrennung in den zweiten Rotor verdichtet. In einigen Ausführungsformen wird der Ausstoß des zweiten Rotors in den Expansionsbereich des Verdichterrotors zurückgeführt, wodurch Leistungsrückgewinnung und steigende Effizienz geboten werden. Diese Konfiguration wird als eine Verbundrotationsmaschine bezeichnet.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a –1f sind eine graphische Darstellung eines Rotorbereichs und eines zweiten Rotorbereichs in einem nicht-Nachbrennungsmodus. -
2a –2g sind graphische Darstellungen eines ersten Rotorbereichs und eines zweiten Rotorbereichs in einem Nachbrennungsmodus, wobei der erste Rotorbereich einen Injektor aufweist. -
3a –3g sind graphische Darstellungen eines ersten Rotorbereichs und eines zweiten Rotorbereichs in einem Nachbrennungsmodus, wobei der zweite Durchgangsweg einen Durchgangsweg-Injektor aufweist. - Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1a –1e stellen ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel einer Verbundrotationsmaschine60 dar. Die Verbundrotationsmaschine60 hat eine erste Rotationseinheit10 , die mit einer zweiten Rotationseinheit20 verbunden ist. Eine verdichtete Luftladung53 wird über einen Durchgangsweg30 von der ersten Rotationseinheit10 zu der zweiten Rotationseinheit20 übermittelt. Ein Ausstoß58 der zweiten Einheit von der zweiten Rotationseinheit20 wird an die erste Rotationseinheit10 über einen Durchgangsweg32 übermittelt. Zusätzlich weist die zweite Rotationseinheit20 einen Injektor70 auf, der in Verbindung mit der zweiten Kammer24 steht. - In dieser Konfiguration fungiert die erste Rotationseinheit
10 als Vorverdichter und als ein zusätzlicher Entspanner des Ausstoßes58 der zweiten Einheit. Die zweite Rotationseinheit20 fungiert als eine traditionelle Rotationsmaschine. - Mit Bezug auf
1a wird eine Frischluftladung50 durch einen Einlassanschluss18 in eine erste Rotationseinheit10 gesogen. - Mit Bezug auf
1b komprimiert der erste Rotor12 die Frischluftladung50 (nicht gezeigt) in eine verdichtete Luftladung53 . Die verdichtete Luftladung53 erreicht einen Druck, der die Federkraft, die normalerweise das Sperrventil31 des ersten Durchgangsweges geschlossen hält, übersteigt. Sobald dies geöffnet ist, strömt die verdichtete Luftladung53 in die zweite Rotationseinheit20 hinein. In einem anderen nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel entfällt das Sperrventil. In weiteren nicht beschränkenden Ausführungsbeispielen können die Durchgangswege Ventile beinhalten, die von elektronisch aktivierten Motoren (nicht gezeigt) gesteuert werden. - Mit Bezug auf
1c verdichtet der zweite Rotor22 weiter die verdichtete Luftladung53 (nicht gezeigt) in eine verdichtete Verbundluftladung52 . Eine verdichtete Verbundluftladung52 ist eine verdichtete Luftladung53 , die dann weiter in dem zweiten Rotor vor der Verbrennung verdichtet wird. - Mit Bezug auf
1d wird in den zweiten Rotor22 , nahe oder an dem oberen Todpunkt, und in die zweite Kammer24 , in dem oder nahe des minimalen Arbeitsvolumens, Kraftstoff42 über einen Injektor70 injiziert. Der Kraftstoff42 kann ein Leichtkraftstoff (beispielsweise natürliches Gas, Benzin, Wasserstoff) oder ein Schwerkraftstoff sein (z. B. JP-8, JP-4, Diesel oder andere). Eine Mischung der verdichteten Verbundluftladung und des Kraftstoffs42 wird dann verbrannt. Die Verbrennung kann über eine Selbstzündung (Diesel) oder eine Funkenzündung (nicht gezeigt) eingeleitet werden. - Mit Bezug auf
1e verlässt der Ausstoß58 der zweiten Einheit die zweite Rotationseinheit20 über einen zweiten Durchgangsweg32 . Der Druck des Ausstoßes58 der zweiten Einheit übersteigt die Federkraft, die normalerweise das Sperrventil34 des zweiten Durchgangsweges geschlossen hält. Der Ausstoß58 der zweiten Einheit tritt in die erste Rotationseinheit10 ein. In einem anderen nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel wird das Sperrventil weggelassen. Der Ausstoß58 der zweiten Einheit entspannt sich weiter, wodurch sich ein Druck auf der Rotorfläche13 einstellt, wodurch der Rotor12 zur Rotation veranlasst und eine gemeinsame Welle (nicht gezeigt) angetrieben wird. - Mit Bezug auf
1f tritt der Ausstoß58 der zweiten Einheit aus der ersten Rotationseinheit10 über einen Ausstoßanschluss19 aus. Die Kraft hinter diesem Vorgang ist, dass der Ausstoß58 der zweiten Einheit einen höheren Druck aufweist als die umgebende Atmosphäre. - Die gemeinsame Welle des ersten und des zweiten Rotors
12 ,22 (nicht gezeigt) vollendet drei Kurbel(Exzenter)-Umdrehungen für jede vollendete Rotor-12 ,22 Umdrehung. Jede Rotorfläche13 vollendet einen Kreislauf mit jeder Umdrehung. Für eine Gesamtzahl von sechs Rotorflächen13 sind zwei Rotoren12 ,22 vorhanden, wodurch es der Maschine60 ermöglicht wird, erhebliche Leistung innerhalb einer relativ kleinen Verschiebung zu erzeugen. - Die Begriffe Nachbrennung, Nachbrenner und Nachbrennen werden benutzt, um den Vorgang zu beschreiben, in dem die verbliebene komprimierte Luftladung
51 von der ersten Rotationseinheit10 und Kraftstoff42 in der ersten Rotationseinheit10 verbrannt werden, um die Maschinenleistung zu steigern. Wenn die Verdrängungsverdichtung physikalisch von der Leistungserzeugungseigenschaft getrennt ist, ist oft unbenutzte, verbliebene, verdichtete Luft vorhanden. Diese unbenutzte, verbliebene, verdichtete Luft wird als verbliebene, verdichtete Luftladung51 bezeichnet. Diese verbliebene, verdichtete Luftladung51 wird mit Kraftstoff42 und Ausstoß58 der zweiten Einheit vermischt. Diese Mischung wird in der ersten Kammer14 der ersten Rotationseinheit10 verbrannt. Die Mischung wird entweder durch Selbstzündung (Diesel) oder durch einen Funken gezündet. Anderenfalls wäre der Großteil der geleisteten Arbeit zur Verdichtung der verblibenen, verdichteten Luftladung51 , wenn sie ausgestoßen wird, verloren. Der Kraftstoff42 kann in den zweiten Durchgangsweg32 zwischen den zwei Rotationseinheiten10 ,20 eingeführt werden. Alternativ kann der Kraftstoff42 in die Kammer des ersten Rotors14 direkt eingeführt werden. Diese gesteigerte Verbrennung kann wahlweise während des Einsatzes der Verbundmaschine60 aktiviert und deaktiviert werden. - Die
2a –2g stellen ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel einer Verbundrotationsmaschine60 in einem Nachbrennermodus dar. Die Verbundrotationsmaschine60 in dem Nachbrennermodus weist eine erste Rotationseinheit10 , die mit einer zweiten Rotationseinheit20 verbunden ist, auf. Eine verdichtete Luftladung53 wird von der ersten Rotationseinheit10 zu der zweiten Rotationseinheit29 über einen Durchgangsweg30 übermittelt. Ein Ausstoß58 der zweiten Einheit wird von der zweiten Rotationseinheit20 zu der ersten Rotationseinheit10 über einen Durchgangsweg32 übermittelt. Die zweite Rotationseinheit20 weist einen Injektor70 auf, der in Verbindung mit der Kammer des zweiten Rotors24 steht. Die erste Rotationseinheit10 weist einen Injektor70 auf, der in Verbindung mit der Kammer des ersten Rotors14 steht. - Mit Bezug auf
2a wird eine Frischluftladung50 durch einen Einlassanschluss18 in eine erste Rotationseinheit10 gesogen. Wenn sich das Volumen in der Kammer erhöht, wird ein teilweises Vakuum oder ein geringerer Druck, als der der umgebenden Umgebung, erzeugt und der höhere Druck von der umgebenden Umgebung zwingt die Frischluftladung50 hinein. - Mit Bezug auf
2b verdichtet der erste Rotor12 die Frischluftladung50 (nicht gezeigt) in eine verdichtete Luftladung53 . Die verdichtete Luftladung53 erreicht einen Druck, der die Federkraft, die normalerweise das Sperrventil31 des ersten Durchgangsweges geschlossen hält, übersteigt. Sobald dieses geöffnet ist, strömt die verdichtete Luftladung53 in die zweite Rotationseinheit20 hinein. In einem anderen nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel wird auf das Sperrventil verzichtet. - Mit Bezug auf
2c verdichtet der zweite Rotor22 weiter die verdichtete Luftladung53 (nicht gezeigt) in eine verdichtete Verbundluftladung52 . Eine verdichtete Verbundluftladung52 ist eine verdichtete Luftladung53 , die dann weiter in dem zweiten Rotor vor der Verbrennung verdichtet wird. - Mit Bezug auf
2d wird in den zweiten Rotor22 , nahe oder an dem oberen Todpunkt, wobei die Kammer des zweiten Rotors24 in dem oder nahe des minimalen Arbeitsvolumens ist, Kraftstoff42 über einen Injektor70 injiziert. Eine Verbrennung kann durch Selbstzündung (Diesel) oder Funkenzündung (nicht gezeigt) eingeleitet werden. - Mit Bezug auf
2e verlässt der Ausstoß58 der zweiten Einheit die zweite Rotationseinheit20 über einen zweiten Durchgangsweg32 . Der Druck des Ausstoßes58 der zweiten Einheit übersteigt die Federkraft, die normalerweise das Sperrventil34 des zweiten Durchgangsweges geschlossen hält. Sobald dieses geöffnet ist, strömt der Ausstoß58 der zweiten Einheit in die zweite Rotationseinheit20 hinein. In einem anderen nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel wird das Sperrventil34 des zweiten Durchgangsweges weggelassen. - Mit Bezug auf
2f tritt der Ausstoß58 der zweiten Einheit in die Kammer des ersten Rotors14 ein. Hier vermischt sich der Ausstoß58 der zweiten Einheit mit der verbliebenen, verdichteten Luftladung51 und verdichtet diese weiter. Die verbliebene verdichtete Luftladung51 ist der Teil der verdichteten Luftladung53 , der nicht an die zweite Rotationseinheit20 übertragen wurde und daher in der ersten Rotationseinheit10 verbleibt. Ein erster Injektor16 injiziert Kraftstoff42 , um ein brennbares Gemisch zu bilden. Entweder durch Selbstzündung (Diesel) oder durch Funkenzündung (nicht gezeigt), verbrennt die brennbare Mischung. Alternativ kann die verbliebene, verdichtete Luftladung mit Kraftstoff vermischt werden, der an dem Injektor70 injiziert wurde, um ein brennbares Gemisch zu bilden. Das brennbare Gemisch wird vor der Vermischung mit dem Ausstoß58 der zweiten Einheit entweder durch Selbstzündung (Diesel) oder durch Funkenzündung (nicht gezeigt) verbrannt. In jeder Variante setzt der Ausstoß54 der ersten Einheit die weitere Entspannung fort, wobei sich ein Druck auf der Rotorfläche13 einstellt, wodurch der Rotor12 zur Rotation angeregt und eine gemeinsame Welle (nicht gezeigt) angetrieben wird. - Mit Bezug auf
2g tritt der Ausstoß54 der ersten Einheit aus der ersten Rotationseinheit10 über einen Ausstoßanschluss19 aus. Die Kraft hinter diesem Vorgang ist dadurch begründet, dass der Ausstoß54 der ersten Einheit einen höheren Druck aufweist als die umgebende Atmosphäre. - Es ist zu bemerken, dass diese zweite Verbrennung während des Einsatzes der Verbundrotationsmaschine
60 wahlweise aktiviert und deaktiviert werden kann. Die Verbundrotationsmaschine60 bietet gleichzeitig hohe Leistungsdichte (Zahl der Pferdestärken oder anteilige Pferdestärke per Pfund des Maschinengewichts) und geringen Kraftstoffverbrauch, was in einer vergleichsweise kleinen Anlagenabmessung resultiert. Diese Rotationsmaschine kann für verschiedene kommerzielle, industrielle, kompakt tragbare Leistungserzeugungs- und Luftfahrtanwendungen verwendet werden. - Die
3a –3g stellen ein nicht begrenzendes Ausführungsbeispiel einer Verbundrotationsmaschine60 mit Nachbrennung dar. Die Verbundrotationsmaschine60 mit Nachbrennung hat eine erste Rotationseinheit10 , die mit einer zweiten Rotationseinheit20 verbunden ist. Eine verdichtete Luftladung53 wird von der ersten Rotationseinheit10 zu der zweiten Rotationseinheit20 über einen Durchgangsweg30 übertragen. Der Ausstoß58 der zweiten Einheit wird von der zweiten Rotationseinheit20 zu der ersten Rotationseinheit10 über einen Durchgangsweg32 übertragen. Die zweite Rotationseinheit20 weist einen Injektor70 auf, der in Verbindung mit der Kammer des zweiten Rotors24 steht. Der zweite Durchgangsweg32 ist in Verbindung mit einem zusätzlichen Injektor70 . - Mit Bezug auf
3a wird eine Frischluftladung50 durch einen Einlassanschluss18 in eine erste Rotationseinheit10 gesogen. Sobald sich das Volumen in der Kammer erhöht, wird ein teilweises Vakuum oder ein geringerer Druck als der der umgebenden Umgebung erzeugt, und der höhere Druck der umgebenden Umgebung zwingt die Frischluftladung50 hinein. - Mit Bezug auf
3b verdichtet der erste Rotor12 die Frischluftladung50 (nicht gezeigt) in eine verdichtete Luftladung53 . Die verdichtete Luftladung53 erreicht einen Druck, der die Federkraft, die normalerweise das Sperrventil31 des ersten Durchgangsweges geschlossen hält, übersteigt. Sobald dieses geöffnet ist, strömt die komprimierte Luftladung53 in die zweite Rotationseinheit20 hinein. In einem anderen nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel wird auf das Sperrventil31 des ersten Durchgangsweges verzichtet. - Mit Bezug auf
3c ist der zweite Rotor22 gezeigt, der die verdichtete Luftladung53 (nicht gezeigt) weiter in eine verdichtete Verbundluftladung52 verdichtet. Eine verdichtete Verbundluftladung52 ist eine verdichtete Luftladung53 , die dann weiter in dem zweiten Rotor vor der Verbrennung verdichtet wird. - Mit Bezug auf
3d wird in den zweiten Rotor22 , nahe oder an dem Todpunkt, wobei die zweite Kammer24 in dem oder nahe des minimalen Arbeitsvolumens ist, Kraftstoff42 über den Injektor70 injiziert. Das Gemisch der verdichteten Verbundluftladung52 und des Kraftstoffes42 wird dann verbrannt. Die Verbrennung kann über Selbstzündung (Diesel) oder über Funkenzündung (nicht gezeigt) eingeleitet werden. - Mit Bezug auf
3e verlässt der Ausstoß58 der zweiten Einheit die zweite Rotationseinheit20 über einen zweiten Durchgangsweg32 . Der Druck des Ausstoßes58 der zweiten Einheit erreicht einen Druck, der die Federkraft, die normalerweise das Sperrventil34 des zweiten Durchgangsweges geschlossen hält, übersteigt. In einem anderen nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel wird auf das Sperrventil34 des zweiten Durchgangsweges verzichtet. - Mit Bezug auf
3f tritt der Ausstoß58 der zweiten Einheit in die erste Kammer14 der ersten Rotationseinheit10 ein. Dort vermischt sich der Ausstoß58 der zweiten Einheit mit Kraftstoff, der über einen Injektor70 injiziert wurde und verdichtet die verbliebene, verdichteten Luftladung51 weiter. Die verbliebene, verdichtete Luftladung51 ist der Teil der verdichteten Luftladung53 , der nicht an die zweite Rotationseinheit20 übertragen wurde und daher in der ersten Rotationseinheit10 verbleibt. Das Gemisch wird entweder durch Selbstzündung (Diesel) oder durch Funkenzündung (nicht gezeigt) verbrannt. In jeder Variante setzt der Ausstoß54 der ersten Einheit die weitere Entspannung fort, wobei sich ein Druck auf der Rotorfläche13 einstellt, wodurch der Rotor12 zur Rotation angeregt und eine gemeinsame Welle (nicht gezeigt) angetrieben wird. - Mit Bezug auf
3g verlässt der Ausstoß54 der ersten Einheit die erste Rotationseinheit10 über einen Ausstoßanschluss19 . Die Kraft hinter diesem Vorgang ist, dass der Ausstoß54 der ersten Einheit einen höheren Druck aufweist als die umgebende Atmosphäre. - Es ist zu bemerken, dass diese zweite Verbrennung wahlweise während des Einsatzes der Maschine aktiviert und deaktiviert werden kann. Die Verbundrotationsmaschine
60 bietet gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte und einen geringen Kraftstoffverbrauch für vielseitige kommerzielle, industrielle, kompakt tragbare Leistungserzeugungs- und Luftfahrtanwendung. - Mit Bezug auf das erste oder das zweite Sperrventil
31 und34 des ersten oder zweiten Durchgangswegs wird darauf verwiesen, dass der Term Sperrventil ein allgemeiner Term ist. Dieser Term kann einen Magnetstellventiltyp, einen Federventiltyp, einen Blattventiltyp oder andere Ventile, die Strömung in einer Richtung erlauben, umfassen. Zusätzlich, wie zuvor bemerkt, können die Ventile weggelassen werden. - Mit Bezug auf den Injektor
70 ist zu bemerken, dass der Term Injektor ein allgemeiner Term ist. Der Injektor, der jeweils in Verbindung mit den Kammern des ersten und des zweiten Rotors14 und24 und in Verbindung mit dem zweiten Durchgangsweg32 verwendet wird, kann viele verschiedene Formen aufweisen. Diese können mechanisch über Federkraft gesteuert werden, um Sprungdrücke zu erzeugen. Sie können elektronisch über Magnetventile gesteuert werden, um Kraftstoffzerstäubung zu aktivieren. Diese können verschiedene Sprühmuster aufweisen, um den Kraftstoff durch das effizienteste Mischverfahren zu leiten. - Wenn auf die Kammer des ersten Rotors
14 Bezug genommen wird, kann diese ebenfalls als erste Kammer bezeichnet werden. Wenn auf die Kammer des zweiten Rotors24 Bezug genommen wird, kann diese auch als zweite Kammer bezeichnet werden. - Mit Bezug auf alle Figuren ist zu bemerken, dass die Rotoren
12 ,22 sich physikalisch über den gesamten Zeitraum in ihrer jeweiligen Rotationseinheit12 ,20 befinden. Um die Aufmerksamkeit des Lesers auf die Rotationseinheit10 ,20 zu lenken, in der der Vorgang oder Prozess beschrieben wird, werden nur die Rotoren12 ,22 in den jeweiligen Figuren dargestellt.
Claims (4)
- Rotationsmaschine umfassend: eine erste Rotationseinheit, die eine erste Kammer aufweist, die eine verbliebene, verdichtete Luftladung aufweist; eine zweite Rotationseinheit, die eine zweite Kammer aufweist, die einen Ausstoß der zweiten Einheit aufweist; wobei der Ausstoß der zweiten Einheit über einen zweiten Durchgangsweg in Fluidverbindung mit der verbliebenen, verdichteten Luftladung steht; und ein Injektor in Fluidverbindung mit der verbliebenen, verdichteten Luftladung steht.
- Rotationsmaschine umfassend: eine erste Rotationseinheit, die eine erste Kammer aufweist, die eine verbliebene, verdichtete Luftladung aufweist; eine zweite Rotationseinheit, die eine zweite Kammer aufweist, die einen Ausstoß der zweiten Einheit aufweist; wobei der Ausstoß der zweiten Einheit in Fluidverbindung mit der verbliebenen, verdichteten Luftladung steht; und ein Injektor in Fluidverbindung mit dem Ausstoß der zweiten Einheit steht; beide über einen zweiten Durchgangsweg.
- Verfahren zum Entnehmen von Arbeit aus einer Rotationsmaschine umfassend: a. Injizieren von Kraftstoff in die verbliebene, verdichtete Luftladung der ersten Rotationseinheit, b. Übermitteln des Ausstoßes der zweiten Einheit von der zweiten Rotationseinheit in die erste Rotationseinheit mit der verbliebenen, verdichteten Luftladung der ersten Rotationseinheit, c. Verbrennen des Gemisches in der ersten Rotationseinheit.
- Verfahren zum Entnehmen von Arbeit aus einer Rotationsmaschine umfassend: a. Übermitteln des Ausstoßes der zweiten Einheit von der zweiten Rotationseinheit in die erste Rotationseinheit über einen zweiten Durchgangsweg, b. Injizieren von Kraftstoff in den Ausstoß der zweiten Einheit in dem zweiten Durchgangsweg c. Vermischen des Ausstoßes der zweiten Einheit und dem injizierten Kraftstoff mit der verbliebenen, verdichteten Luftladung der ersten Rotationseinheit d. Verbrennen des Gemisches in der ersten Rotationseinheit.
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