[go: up one dir, main page]

FI20170075A1 - Tehokas menetelmä ja laitteisto jätelämmön hyödyntämiseksi - Google Patents

Tehokas menetelmä ja laitteisto jätelämmön hyödyntämiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI20170075A1
FI20170075A1 FI20170075A FI20170075A FI20170075A1 FI 20170075 A1 FI20170075 A1 FI 20170075A1 FI 20170075 A FI20170075 A FI 20170075A FI 20170075 A FI20170075 A FI 20170075A FI 20170075 A1 FI20170075 A1 FI 20170075A1
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
turbine
combustion
combustion engine
heat exchanger
combustion gases
Prior art date
Application number
FI20170075A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20170075A7 (fi
FI128283B (fi
Inventor
Ari Veli Olavi Löytty
Original Assignee
Systematic Power
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Systematic Power filed Critical Systematic Power
Priority to FI20170075A priority Critical patent/FI128283B/fi
Priority to DE102018003403.9A priority patent/DE102018003403A1/de
Priority to GB1807016.9A priority patent/GB2564218B/en
Priority to US15/972,268 priority patent/US10830108B2/en
Publication of FI20170075A7 publication Critical patent/FI20170075A7/fi
Publication of FI20170075A1 publication Critical patent/FI20170075A1/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI128283B publication Critical patent/FI128283B/fi

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/0205—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust using heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/04—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using kinetic energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/004—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust drives arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/013—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
    • F02B39/08—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio
    • F02B39/10—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/10—Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/08—EGR systems specially adapted for supercharged engines for engines having two or more intake charge compressors or exhaust gas turbines, e.g. a turbocharger combined with an additional compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2590/00—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines
    • F01N2590/02—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines for marine vessels or naval applications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2590/00—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines
    • F01N2590/10—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines for stationary applications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2590/00—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines
    • F01N2590/11—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines for hybrid vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02C5/00—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/06—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the working fluid being generated in an internal-combustion gas generated of the positive-displacement type having essentially no mechanical power output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • 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
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Hybrid Electric Vehicles (AREA)

Abstract

Polttomoottorista (1 ) tulevat palamiskaasut menevät ensimmäiseen turbiiniin (2), jonka jälkeen on toinen turbiini (4), missä palamiskaasut jatkavat edelleen paisumista ainakin osin ilmakehän painetta alemmassa paineessa — tyypillisesti noin 0.6-0.2 bar paineeseen. Tämä toinen turbiini (4) on itseasiassa turbiini-ahdin yhdistelmä eli palamiskaasuahdin (6) on yhdistetty siihen (akselointi). Mainittu palamiskaasuahdin (6) paineistaa palamiskaasut takaisin ilmakehän paineeseen. Tätä ennen on palamiskaasut jäähdytetty esijäähdytys-lämmönsiirtimellä (5) lähelle jäähdyttävän väliaineen - tyypillisesti ilma tai vesi - lämpötilaa. Tämä jäähdytys tapahtuu siis esijäähdytys-lämmönsiirtimessä (5) siten, että jäähdyttävä väliaine menee esijäähdytys-lämmönsiirtimeen (5) ja poistuu sieltä lämmönsiirron jälkeen. Samalla palamisessa syntynyt vesihöyry lauhtuu ja poistetaan myös prosessista ennen ahdinta. Luonnollisesti vesi poistetaan lopulta ilmakehän paineeseen. Generaattori (3) on yhdistetty ensimmäiseen turbiiniin (2) tai toiseen turbiiniin (4). Syntynyt sähkö voidaan hyödyntää esimerkiksi hybridiautossa.

Description

TEHOKAS MENETELMÄ JA LAITTEISTO JÄTELÄMMÖN HYÖDYNTÄMISEKSI
Keksinnön kohteena on tehokas menetelmä ja laitteisto jätelämmön hyödyntämiseksi. Jätelämpö on korkealämpötilaista ja pääkohde polttomoottorin palamiskaasujen jätelämmön hyödyntäminen hybridiautoissa ja keskikokoisissa moottorivoimalaitoksissa. Palamiskaasut menevät polttomoottorista ensimmäiseen turbiiniin, jonka jälkeen on toinen turbiini, missä palamiskaasut jatkavat edelleen paisumista ainakin osin ilmakehän painetta alemmassa paineessa - tyypillisesti noin 0.6-0.2 bar paineeseen. Tämä toinen turbiini on itseasiassa turbiini-ahdin yhdistelmä. Mainittu ahdinosa paineistaa palamiskaasut takaisin ilmakehän paineeseen. Tätä ennen on palamiskaasut jäähdytetty esijäähdytys-lämmönsiirtimellä lähelle jäähdyttävän väliaineen - tyypillisesti ilma tai vesi - lämpötilaa. Tällöin palamisessa syntynyt vesihöyry poistetaan myös prosessista ennen ahdinta. Vaihtoehtoisesti ensimmäinen turbiini voi olla toisen turbiinin sijaan yhdistetty palamiskaasuahtimeen.
Kilpailukykyisimmissä sovelluksissa syntynyt voima hyödynnetään generaattorin avulla esimerkiksi hybridiautoissa, keskikokoisissa moottorivoimalaitoksissa tai meriliikenteessä (sähkökäyttöinen potkuri). Hybridiautoissa voidaan polttomoottorista saatava voima hyödyntää perinteisesti tai myös se voidaan ottaa talteen samassa tai omassa generaattorissa ja syntynyt kokonaissähkö hyödyntää sähkömoottorissa. Nykyisissä polttomoottoreissa käytetään pienessä määrin palamiskaasujen hukkaenergian hyödyntämistä. Tästä käytetään englanninkielistä nimitystä turbo compounding ja niitä on jo / juuri tullut sarjavalmistukseen. Tällöin ainoastaan palamistapahtuman seurauksena syntyvä ylipaine hyödynnetään. Termodynaamisesti tämä ylipaine on seurausta vakiotilavuudessa tapahtuvasta palamisesta. Koska diesel moottorissa palaminen tapahtuu hitaammin ja siten enemmän vakiopaineessa, niin ainakin teoreettisesti palamiskaasujen paine paloventtiilien ulostulossa on pienempi. Toinen seikka mikä johtaa ylipaineeseen on moottoriin menevän ilman paineistaminen ns. turbolla eli jos nykyisissä moottoreissa on turbo, niin saavutetaan suurempi ylipaine. Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu paremmin moottoreihin, joissa imuilmaa ei ahdeta. Tämä siis sovelluksissa, missä minimipaine on 0.2 -0.35 bar suuruusluokkaa. Tämä johtuu siitä, että paloventtiilit rajoittavat palamiskaasujen poistumislämpötilaa ja jos moottorin imuilma ahdetaan niin palamiskaasujen lämpötila 0.2 bar paineessa saattaa olla liian lähellä turbiini-ahdin osan ahtimen loppulämpötilaa. Toinen syy on, että jos imuilmaa ei ahdeta ja välijäähdytetä niin palamisen alkulämpötila on korkeampi mikä on termodynaamisesti edullista. Toki löytyy myös sovelluksia, joissa imuilman ahtaminen on hyödyllistä kuten esimerkiksi sovellukset, joissa on lisäpoltto ennen ensimmäistä turbiinia. Menetelmä soveltuu käytettäväksi niin otto- kuin dieselmoottoreissa.
Käytännössä jos palamiskaasut tulevat polttomoottorista noin kahden baarin paineessa niin keksinnöllä saavutettava hyöty perusversiossa nykyisiin ETC (Electric Turbo Compounding) moottoreihin verrattuna on pienempi kuin kaikkein kilpailukykyisimmissä versioissa. Näitä ovat ahtamattoman dieselin palamiskaasujen lämpöenergian hyödyntäminen, lisäpoltolla varustetun turboahdetun polttomoottorin (otto tai diesel) palamiskaasujen hyödyntäminen ja venttiilien ajoituksen hyödyntäminen keksinnön mukaisessa sovelluksessa. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että nykyisissa hybridiautoissa hyödynnetään 1900 luvun vaihteen keksintöä missä sylinterin puristustilavuus on käytännössä pienempi kuin paisuntatilavuus, jolloin palamiskaasut paisuvat sylinterissä alhaisempaan paineeseen ja siten keksinnön mukaisessa systeemissä samalla ulostulolämpötilalla voidaan käyttää suuremman painesuhteen palamiskaasuahdinta ja saada enemmän tehoa generaattorista.
Polttomoottorin palamistapahtuma olisi hyödyllistä suunnitella siten, että palamiskaasujen lämpötila moottorista poistuessaan olisi suhteellisen korkea. Tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi pienellä polttoaineen lisäruiskutuksella palamisvaiheen alussa. Tällöin keskimääräinen lämmöntuontilämpötila palamisprosessin aikana on korkeampi, kuin jos palamiskaasut poistuvat moottorista alhaisemmassa lämpötilassa. Teoreettisen Carnot prosessin mukaisesti korkeampi lämmöntuontilämpötila tarkoittaa myös korkeampaa hyötysuhdetta. Tämä edellyttää toki paisuntaa noin 0.2-0.35 bar paineeseen toisessa turbiinissa. Tällöin palamisessa syntynyt vesihöyry lauhtuu alhaisemmassa lämpötilassa jolloin energiahäviö on pienempi. Yhtä mahdollista on, että lisäruiskutusta ei tarvita ja toisaalta lisäruiskutus voidaan tarvittaessa tehdä myös ennen ensimmäistä turbiinia (2).
Keksinnön merkittävin idea nykyisiin polttomoottoreihin verrattuna on palamiskaasujen paisunta ilmanpainetta alempaan paineeseen. Tähän liittyvästä englanninkielistä electric turbo compounding nimitystä käyttävästä tekniikasta on viime vuosina useita artikkeleita, eikä niissä missään ole mainintaa keksinnön mukaisesta menetelmästä.
Nykyisissä polttomoottoreissa palamiskaasujen minimipaine on ilmanpaine. Keksinnön mukaisessa menetelmässä palamiskaasut paisuvat viimeistään toisessa turbiinissa ilmanpainetta alhaisempaan paineeseen. Tällöin palamiskaasujen lämpöenergia saadaan paremmin hyödynnettyä. Patenttivaatimuksessa mainittu 0,6 baaria ei ole välttämättä mikään optimipiste ja esimerkiksi noin 0.3-0.4 bar tapahtuva paisunta johtaa monessa tapauksessa parempaan hyötysuhteeseen. Keksinnölle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.
Kuvio 1 esittää keksinnön perusprosessia. Polttomoottorissa palamisilmaa ei ahdeta ja polttomoottori voi olla otto- tai dieselmoottori.
Kuvio 2 esittää keksinnön konstruktiota, jossa myös palamisilma ahdetaan.
Kuvio 3 esittää keksinnön konstruktiota, jossa voima otetaan toisesta turbiinista (4).Taulukko 1 vastaa kuvion 3 tilapisteiden arvoja.
Kuvio 4 esittää keksinnön konstruktiota, jossa polttomoottorin jälkeen on lisäpoltto polttokammiossa (10).
Taulukko 1 esittää kuvion 3 tilapisteiden arvoja. Kaikki esimerkkilaskelmat on esitetty vain demonstroimaan keksintöä ja luonnollisesti arvoja voidaan muuttaa halutusti. Polttoaineeksi on valittu esimerkissä metaani, jota on selvyyden vuoksi käytetty myös muissa kuvioissa.
Kuvion 1 mukaisessa prosessissa polttomoottorista (1) tulevat palamiskaasut menevät ensimmäiseen turbiiniin (2), jonka jälkeen on toinen turbiini (4), missä palamiskaasut jatkavat edelleen paisumista ainakin osin ilmakehän painetta alemmassa paineessa - tyypillisesti noin 0.6-0.2 bar paineeseen. Tämä toinen turbiini (4) on itseasiassa turbiini-ahdin yhdistelmä eli palamiskaasuahdin (6) on yhdistetty siihen (akselointi). Mainittu palamiskaasuahdin (6) paineistaa palamiskaasut takaisin ilmakehän paineeseen. Tätä ennen on palamiskaasut jäähdytetty esijäähdytys-lämmönsiirtimellä (5) lähelle jäähdyttävän väliaineen - tyypillisesti ilma tai vesi - lämpötilaa. Tämä jäähdytys tapahtuu siis esijäähdytys-lämmönsiirtimessä (5) siten, että jäähdyttävä väliaine menee esijäähdytys-lämmönsiirtimeen (5) ja poistuu sieltä lämmönsiirron jälkeen. Samalla palamisessa syntynyt vesihöyry lauhtuu palamiskaasuista ja poistetaan myös prosessista ennen palamiskaasuahdinta (6). Luonnollisesti vesi poistetaan lopulta ilmakehän paineeseen, mutta selvyyden vuoksi esitystapa on valittu kuvion 1 mukaiseksi. Generaattori (3) on yhdistetty ensimmäiseen turbiiniin (2). Syntynyt sähkö voidaan hyödyntää esimerkiksi hybridiautossa.Luonnollisesti palamiskaasuahtimelta (6) tuleva lämpö voidaan tarvittaessa hyödyntää.Tämä on esitetty kuviossa käyttäen lämmönsiirrintä (7). Tämä tulee ensisijaisesti kyseeseen moottorivoimalaitoksessa. Samoin myös esijäähdytyslämmönsiirtimen (5) lämpö voidaan hyödyntää.
Kuvion 2 mukaisessa prosessissa ottomoottoriin (1) menevä ilma ahdetaan. Tätä varten prosessissa on palamisilma-ahdin (8) ja välijäähdytin (9). Palamisilma-ahdin (8) on tässä konstruktiossa samalla akselilla ensimmäisen turbiinin (2) kanssa, mutta se voidaan yhdistää sen sijaan myös toinen turbiini (4)-palamiskaasuahdin (6) akselille. Polttomoottorista (1) palamiskaasut menevät ensimmäiseen turbiiniin (2). Ylimääräinen teho hyödynnetään generaattorissa (3). Ensimmäisen turbiinin (2) jälkeen on toinen turbiini (4). Tämä toinen turbiini (4) on myös turbiini-ahdin yhdistelmä eli palamiskaasuahdin (6) on yhdistetty siihen (akselointi). Mainittu palamiskaasuahdin (6) paineistaa palamiskaasut takaisin ilmakehän paineeseen. Tätä ennen on palamiskaasut jäähdytetty esijäähdytys-lämmönsiirtimellä (5) lähelle jäähdyttävän väliaineen - tyypillisesti ilma tai vesi - lämpötilaa. Tämä jäähdytys tapahtuu siis esijäähdytys-lämmönsiirtimessä (5) siten, että jäähdyttävä väliaine menee esijäähdytys-lämmönsiirtimeen (5) ja poistuu sieltä lämmönsiirron jälkeen. Samalla palamisessa syntynyt vesihöyry lauhtuu ja poistetaan myös prosessista ennen palamiskaasuahdinta (6). Luonnollisesti vesi poistetaan lopulta ilmakehän paineeseen, mutta selvyyden vuoksi esitystapa on valittu kuvion 2 mukaiseksi. Luonnollisesti palamiskaasuahtimelta (6) tuleva lämpö voidaan tarvittaessa hyödyntää.Tämä on esitetty kuviossa käyttäen lämmönsiirrintä (7). Tämä tulee ensisijaisesti kyseeseen moottorivoimalaitoksessa. Samoin myös esijäähdytys-lämmönsiirtimen (5) ja välijäähdyttimen (9)lämpö voidaan hyödyntää.
Palamisilma voidaan luonnollisesti ahtaa myös mekaanisella eli ns remmiahtimella tai sähköisellä ahtimella.
Kuvio 3 vastaa muuten kuvion 1 mukaista prosessia, mutta ensimmäinen turbiini (2) on yhdistetty palamiskaasuahtimeen (6) ja toinen turbiini (4) tuottaa voiman generaattorille (3). Kuvioon liittyvän taulukon 1 arvot vastaavat systeemiä missä hyödynnetään venttiilien ajoitusta, jonka avulla saavutetaan suurempi paisuntasuhde suhteessa puristussuhteeseen. Taulukon arvot lisäävät jo sinällään korkeaan hyötysuhteeseen yltävää venttiilien ajoitusta hyödyntävän polttomoottorin tehoa noin 25% ja kokonaishyötysuhde on noin 52-53%.
Kuvio 4 vastaa muuten kuviota 3, mutta polttomoottorin (1) jälkeen on lisäpoltto polttokammiossa (10). Olisi hyödyllistä jos lisäpoltto tapahtuisi polttomoottorin (1) sylintereissä, mutta venttiilien kestävyys on rajoittavana tekijänä. Tässä kuvion 4 mukaisessa konstruktiossa olisi itse asiassa hyödyllistä käyttää kuvion 2 palamisilma-ahdinta (8), jolloin palamiskaasujen paine polttomoottorin (1) jälkeen on mahdollisimman korkea - luultavasti 2-3 baaria. Jos prosessin minimipaine on 0.2 luokkaa, niin polttokammion (10) jälkeinen optimilämpötila on luultavasti riittävän matala jotta ensimmäisen turbiinin (2) siipiä ei tarvitse jäähdyttää, mikä on käytännössä kilpailukykyedellytys tälle kontruktiolle.
Keksinnöllä saavutetaan monia etuja nykyisiin ratkaisuihin verrattuna. Luonnollisesti erittäin korkea hyötysuhde on merkittävin. Tämä johtuu siitä, että palamiskaasujen lämpö hyödynnetään paljon nykyisiä polttomoottoreita paremmin. Samoin polttomoottorin (1) palamista voidaan lisätä syöttämällä nykyistä enemmän polttoainetta polttomoottoriin (1), koska palamiskaasujen lämpötilan nousua ei tarvitse pelätä. Polttoaine voidaan syöttää esimerkiksi vaiheistettu poltto periaatteella tai heti palotapahtuman alussa suurempana massavirtana. Osakuormalla hyötysuhde on myös hyvä. Nykytekniikkaa voidaan soveltaa myös käynnistystä ja alasajoa ajatellen sekä ahtimien ja turbiinien akseloinnissa. Heti käynnistyksen jälkeen turbiiniyksikössä voi olla väliportti auki ilmanpaineessa, jota käytetään kunnes palamiskaasujen lämpötila on riittävä.
Turbiinin siipien lämpötila on myös sen verran alhainen, että normaalisti ei tarvita siipien jäähdytystä, mutta toki sekin on mahdollista. Ennen ensimmäistä turbiinia (2) voi luonnollisesti olla myös lisäpoltto. Tämä tulee lähinnä kyseeseen etenkin ahdetussa polttomoottorissa tai moottorivoimalaitoksessa (CHP), joissa prosessissa on myös vesihöyrykierto. Samoin tarvittaessa lämmönlähteenä voidaan käyttää kahta tai useampaa polttoainetta.
Systeemissä voi olla myös vesiruiskutus esimerkiksi sylinteriin. Samoin venttiilien ajoitus voidaan valita halutusti. Myös aksiaaliset laakerivoimat voidaan minimoida turbiinien ja ahtimien sijoittelulla halutusti. Samoin ensimmäinen turbiini (2) ja toinen turbiini (4) voivat muodostaa yhtenäisen kokonaisuuden eli systeemissä on vain yksi turbiini, jossa palamiskaasut paisuvat. Palamiskaasuahtimen tehontarvetta voidaan pienentää kostruktiossa, jossa palamiskaasuahdin on kaksiosainen ja vaiheiden välillä on välijäähdytys. Palamiskaasujen haitta-aineiden pienentämiseksi nykyään joissain sovelluksissa osa palamiskaasuista kierrätetään sylinteriin ja samaa menetelmää voidaan hyödyntää myös keksinnön mukaisessa systeemissä.
Hybridiautoissa yksi mahdollinen versio on sellainen, että polttomoottori käy osan aikaa ajon aikana jolloin akku lataantuu ja osan aikaa polttomoottori on pois päältä. Auton voimanlähteenä toimii tässä sovelluksessa sähkömoottori.
On vaikea arvioida keksinnön kilpailukykyisimpiä versioita, mutta mahdolisesti venttiilien ajoituksen hyödyntävä hybridiautosovellus tai ahtamaton diesel sovellus.
Keksinnön sovellusesimerkit on selitetty vain keksinnön havainnollistamiseksi eivätkä ne muodosta mitään rajoitusta keksinnön suojapiiriin, koska yksityiskohdat kuten mm. vedenpoistoja akselointi, jotka eivät ole tarpeen keksinnön ymmärtämiseksi, on selvyyden vuoksi jätetty pois. Keksintöä ei siis rajoiteta esitettyihin rakennemuotoihin, vaan siihen kuuluu kaikki, mikä sisältyy seuraavien patenttivaatimusten ulottuvuuteen.

Claims (17)

  1. PATENTTIVAATIMUKSET
    1. Tehokas menetelmä ja laitteisto polttomoottorin (1) palamiskaasujen jätelämmön hyödyntämiseksi, jolloin palamiskaasut menevät polttomoottorista (1) ensimmäiseen turbiiniin (2) ja sitä seuraavaan toiseen turbiiniin (4), esijäähdytys-lämmönsiirtimeen (5) ja palamiskaasuahtimeen (6) t u n n e 11 u siitä, että ensimmäisen turbiinin (2) jälkeen palamiskaasut paisuvat toisessa turbiinissa (4) alle 0.6 bar paineeseen ja mainittu palamiskaasuahdin (6) paineistaa palamiskaasut takaisin ilmakehän paineeseen esijäähdytyslämmönsiirtimen (5) ja palamisessa syntyneen vesihöyryn poistamisen jälkeen.
  2. 2. Patenttivaatimusten 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että maakaasu tai kaasutettu hiili esilämmitetään palamiskaasuahtimen (6) jätelämmöllä tai toiselta turbiinilta (4) tulevalla jätelämmöllä.
  3. 3. Patenttivaatimusten 1-2 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että esijäähdytyslämmönsiirtimen (5) ja/tai palamiskaasuahtimen (6) jälkeisen lämmönsiirtimen (7) lämpö hyödynnetään kaukolämpönä tai vastaavana.
  4. 4. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että polttomoottoriin (1) menevä ilma ahdetaan mekaanisella tai sähköisellä ahtimella tai ahtimella (8) mahdollisine välijäähdytyksineen (9).
  5. 5. Patenttivaatimusten 1-4 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että palamisessa syntyvä vesihöyry poistetaan prosessista ennen palamiskaasuahdinta (6).
  6. 6. Patenttivaatimusten 1-5 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että polttoaine syötetään yhdessä tai useammassa vaihessa polttomoottorin (1) kuhunkin sylinteriin.
  7. 7. Patenttivaatimusten 1-6 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että ensimmäinen turbiini (2) ja toinen turbiini (4) muodostaa yhtenäisen kokonaisuuden.
  8. 8. Patenttivaatimusten 1-7 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että polttomoottorissa (1) on mahdollisia lisäportteja virtauksen ohjausta varten.
  9. 9. Patenttivaatimusten 1-8 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että generaattorin (3) sähkö hyödynnetään esimerkiksi hybridiautossa, laivan voimanlähteenä tai sähköntuotannossa.
  10. 10. Patenttivaatimusten 1-9 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että generaattori (3) on yhdistetty ensimmäiseen turbiiniin (2) tai toiseen turbiiniin (4).
  11. 11. Patenttivaatimusten 1-10 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että ennen ensimmäistä turbiinia (2) prosessissa on lisäpoltto polttomoottorin (1) sylintereissä tai polttokammiossa (10).
  12. 12. Patenttivaatimusten 1-11 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että vesihöyrykiertoprosessi - joka hyödyntää lämmönsiirtimen (5) lämmön - on liitetty keksinnön mukaiseen konstruktioon.
  13. 13. Patenttivaatimusten 1-12 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että polttomoottorin (1) venttiilien ajoituksella säädetään polttomoottorista (1) tulevien palamiskaasujen lämpötilaa.
  14. 14. Patenttivaatimusten 1-13 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että palamiskaasukanavassa on on/off väliportti 1 atm paineessa.
  15. 15. Patenttivaatimuste 1-14 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että polttomoottori (1) on otto- tai dieselmoottori.
  16. 16. Patenttivaatimusten 1-15 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että tarvittaessa osa palamiskaasuista kierrätetään systeemissä.
  17. 17. Patenttivaatimusten mukainen menetelmä tunnettu siitä, että systeemiin on yhdistetty akku energian varastoimiseksi.
FI20170075A 2017-05-17 2017-05-17 Menetelmä ja laitteisto polttomoottorin palamiskaasujen jätelämmön hyödyntämiseksi FI128283B (fi)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20170075A FI128283B (fi) 2017-05-17 2017-05-17 Menetelmä ja laitteisto polttomoottorin palamiskaasujen jätelämmön hyödyntämiseksi
DE102018003403.9A DE102018003403A1 (de) 2017-05-17 2018-04-26 Verfahren und Vorrichtung zur Ausnutzung der Abwärme der Verbrennungsgase eines Verbrennungsmotors
GB1807016.9A GB2564218B (en) 2017-05-17 2018-04-30 Method and apparatus for utilizing the waste heat of combustion gases of an internal combustion engine
US15/972,268 US10830108B2 (en) 2017-05-17 2018-05-07 Method and apparatus for utilizing the waste heat of combustion gases of an internal combustion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20170075A FI128283B (fi) 2017-05-17 2017-05-17 Menetelmä ja laitteisto polttomoottorin palamiskaasujen jätelämmön hyödyntämiseksi

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20170075A7 FI20170075A7 (fi) 2018-11-18
FI20170075A1 true FI20170075A1 (fi) 2018-11-18
FI128283B FI128283B (fi) 2020-02-28

Family

ID=62495153

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20170075A FI128283B (fi) 2017-05-17 2017-05-17 Menetelmä ja laitteisto polttomoottorin palamiskaasujen jätelämmön hyödyntämiseksi

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10830108B2 (fi)
DE (1) DE102018003403A1 (fi)
FI (1) FI128283B (fi)
GB (1) GB2564218B (fi)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018123417A1 (de) * 2018-09-24 2020-03-26 Rwe Power Ag Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerkes zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und entsprechendes System zum Betreiben eines Kraftwerkes
US20240060690A1 (en) 2022-08-16 2024-02-22 Scuderi Group, Inc. Absorption chiller system with a transport membrane heat exchanger
US12305595B1 (en) * 2024-07-18 2025-05-20 Transportation Ip Holdings, Llc Method and system for fuel conditioning

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3673797A (en) * 1970-12-08 1972-07-04 Perkins Services Nv Compound power plant
DE69837810T2 (de) * 1997-10-03 2007-10-11 Diesel Engine Retarders, Inc., Wilmington Verfahren und vorrichtung zur geregelten abgasrückführung in einer brennkraftmaschine mit retarder und starthilfe
US20080121218A1 (en) * 2004-12-13 2008-05-29 Caterpillar Inc. Electric turbocompound control system
FI127597B (fi) * 2013-03-05 2018-09-28 Loeytty Ari Veli Olavi Menetelmä ja laitteisto korkean hyötysuhteen saavuttamiseksi avoimessa kaasuturbiini(kombi)prosessissa
GB2546723B (en) * 2015-12-11 2021-06-02 Hieta Tech Limited Inverted brayton cycle heat engine
WO2018138314A1 (en) * 2017-01-30 2018-08-02 Jaguar Land Rover Limited Waste heat recovery system
GB2559176B (en) * 2017-01-30 2019-10-30 Jaguar Land Rover Ltd Method for controlling a power-assist waste heat recovery system

Also Published As

Publication number Publication date
GB2564218A (en) 2019-01-09
GB2564218B (en) 2020-04-01
DE102018003403A1 (de) 2018-11-22
FI20170075A7 (fi) 2018-11-18
FI128283B (fi) 2020-02-28
US10830108B2 (en) 2020-11-10
GB201807016D0 (en) 2018-06-13
US20180334927A1 (en) 2018-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8141360B1 (en) Hybrid gas turbine and internal combustion engine
KR101238728B1 (ko) 에너지 회수 설비를 구비한 대형 터보 과급 디젤 엔진
US6901759B2 (en) Method for operating a partially closed, turbocharged gas turbine cycle, and gas turbine system for carrying out the method
US8661780B2 (en) Gas turbine plant with exhaust gas recirculation and also method for operating such a plant
US9249723B2 (en) Turbo-compound reheat combined cycle power generation
JP5121892B2 (ja) エネルギー回収構成を備える大型ターボ過給型ディーゼル機関
JP2023010579A (ja) ２ストロークユニフロー掃気クロスヘッド式内燃機関及びこれを動作させる方法
FI20170075A1 (fi) Tehokas menetelmä ja laitteisto jätelämmön hyödyntämiseksi
CN104769250A (zh) 用于驱动传动轴的热力发动机
WO2007030263A2 (en) Air-staged reheat power generation, method and system
JP5377532B2 (ja) エネルギー回収構成を備える大型ターボ過給型ディーゼル機関
FI107636B (fi) Kombivoimalaitos
US20240125267A1 (en) Charging system of an internal combustion engine
GB2295858A (en) Liquid hydrogen fuelled powerplant
EP0953102A1 (en) Carbon black tailgas fueled reciprocating engines
Melchior et al. Hyperbar system of high supercharging
EP2715079A1 (en) Exhaust system and method for reducing exhaust gas temperature
Engine Gas turbines
JP2020183733A (ja) ターボクラスターガスタービンシステム及びその起動方法
CN102900483B (zh) 具有能量回收装置的大型十字头型增压双冲程柴油发动机
Sarac et al. Thermodynamic Analysis of Effects of the Inlet Air Cooling on Cycle Performance in Combined Brayton-Diesel Cycle
US20230086779A1 (en) Structural arrangement in a low-temperature turbocompressor using other power connections
RU2087734C1 (ru) Газотурбинная установка
WO2025240346A1 (en) Cogeneration system for internal combustion engines
CN102900484B (zh) 具有能量回收装置的大型涡轮增压柴油发动机

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 128283

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B