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Dokumentenidentifikation DE19606559A1 28.08.1997
Titel Kältekraftmaschine
Anmelder Kurpiers, Christian, 42651 Solingen, DE
Erfinder Kurpiers, Christian, 42651 Solingen, DE
Vertreter Patentanwälte Lippert, Stachow, Schmidt & Partner, 42651 Solingen
DE-Anmeldedatum 22.02.1996
DE-Aktenzeichen 19606559
Offenlegungstag 28.08.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.08.1997
IPC-Hauptklasse F01B 29/02
Zusammenfassung Um die Umweltbelastungen beim Betrieb einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Kraftmaschine mit mindestens einem in einem Zylinder laufenden, mit einer Kolbenmulde versehenen Kolben, wobei zwischen dem Zylinder und Kolben ein Arbeitsraum veränderbaren Volumens gebildet wird, in den mittels mindestens einer Einlaßvorrichtung Arbeitsluft einströmen kann und in den mittels mindestens einer Einspritzdüse Kraftstoff eingespritzt wird, zu reduzieren, wird vorgeschlagen, daß in den Arbeitsraum als Kraftstoff flüssige Luft in die Kolbenmulde eingespritzt wird. Die Kraftmaschine kann alternativ als Gasturbine mit einer Brennkammer, in der verdichtete Luft erwärmt wird, ausgebildet sein, wobei diese eine beheizbare Verdampfungskammer aufweist, in die flüssige Luft durch mehrere Einspritzdüsen eingespritzt wird und zusätzlich Wasser eingespritzt wird, um die Strömungsenergie zu erhöhen.

Beschreibung[de]

Die Kältekraftmaschine (Kältemotor) ist eine Kraftmaschine, bei der die durch die Phasenumwandlung (Verdampfung) des Arbeitsmediums gewonnene Expansionsenergie die Arbeit leistet.

Das Arbeitsmedium der Kältekraftmaschine ist die flüssige Luft. Die flüssige Luft ist nicht nur das Arbeitsmedium, sondern auch der Kraftstoff der Kältekraftmaschine, weil sie im Gegensatz zum Wasser bei Raumtemperatur von 20 Grad C Expansionsenergie besitzt. Außerdem wurde bei der Luftverflüssigung Kraft aufgewandt.

Der Kältekraftmotor arbeitet mit offenem Prozeß d. h. es wird für den Arbeitsprozeß Luft aus der Atmosphäre aufgenommen und am Ende des Arbeitsprozesses in die Atmosphäre abgegeben. Dieser Luft wird infolge der Vermischung mit der flüssigen Luft Wärme entzogen, so daß ihre Anfangstemperatur höher ist als ihre Endtemperatur. Die Folge: Die Kältekraftmaschine wirkt der thermischen Umweltverschmutzung entgegen. Im Arbeitsraum der Kältekraftmaschine findet keine Verbrennung statt. Der Kältemotor kann als Hubkolbenmotor, oder als Strömungsmaschine arbeiten. Die Kältekraftmaschine eignet sich sowohl für das 4-Takt-Verfahren als auch für das 2-Takt-Verfahren.

Arbeitsweise der Kältekraftmaschine (4-Takt-Hubkolbenmotor)

1. Takt: Beim Abwärtsgehen des Kolbens wird durch das geöffnete Einlaßventil reine Luft in den Zylinder angesaugt.

2. Takt: Der aufwärtsgehende Kolben schiebt überschüssige Ansaugluft in den Ansaugkrümmer zurück. Dies geschieht so lange, bis das Einlaßventil schließt. Der Schließzeitpunkt des Einlaßventils liegt bei etwa 100 Grad Kurbelwinkel nach UT und ist variabel. Nach dem Schließen des Einlaßventils komprimiert der Kolben die im Zylinder vorhandene Luft. Das Verdichtungsverhältnis, das als tatsächliches Verdichtungsverhältnis bezeichnet wird, hängt vom Schließzeitpunkt des Einlaßventils ab und liegt im Bereich von 10 : 1 bis 25 : 1. Obwohl das Einlaßventil erst 100 Grad Kurbelwinkel nach UT, oder noch später schließt, wird die Luft im Zylinder auf den 10. bis 25. Teil ihres ursprünglichen Volumens verdichtet. Dies macht deutlich, daß der Verdichtungsraum volumetrisch sehr klein und das theoretische Verdichtungsverhältnis sehr hoch ist, was im anderen Textabschnitt genau erläutert wird.

Gegen Ende des Verdichtungstaktes wird mit einer elektromagnetisch betätigten Einspritzdüse die flüssige Luft in die Kolbenmulde eingespritzt. Die Einspritzung wird im Arbeitstakt fortgesetzt.

3. Takt: Die eingespritzte, flüssige Luft vermischt sich mit der infolge der, Kompression erhitzten Luft, entzieht dieser Wärme, verdampft und expandiert. Durch das Verdampfen der flüssigen Luft sinkt die Temperatur im Zylinder und der Druck steigt an und bewegt den Kolben nach unten. Jetzt findet im Zylinder eine starke Raumvergrößerung statt, wobei immer noch flüssige Luft in den Zylinder eingespritzt werden kann, um den Druck möglichst lange beizubehalten. Außerdem soll erreicht werden, daß die Lufttemperatur am Ende des Arbeitstaktes so tief wie möglich liegt.

4. Takt: Durch das geöffnete Auslaßventil bzw. Auslaßventile wird die entspannte und kalte Luft vom aufwärtsgehenden Kolben aus dem Zylinder ausgeschoben. Die Luft wird entweder an die Umgebung abgeführt, oder zumindest ein Teil von ihr verflüssigt und dem Hydrospeicher zugeführt. Bildet der Kältemotor mit einem Dieselmotor einen Hybridantrieb, so wird die Luft, die den Kältemotor verläßt, dem Dieselmotor zugeführt.

Wichtige Angaben zur Kältekraftmaschine

1. Die Kältekraftmaschine in der Ausführung als Hubkolbenmotor ähnelt in ihrem Aufbau dem Dieselmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung. Sie hat im Gegensatz zum Dieselmotor kein Kühlsystem.

2. Das Einspritzsystem des Kältemotors setzt sich aus Hydrospeicher (Druckbehälter), Hochdruckpumpe, Hochdruckleitungen, Verteilerleiste und den elektromagnetisch betätigten Einspritzdüsen zusammen. Der Hydrospeicher ist ein Druckbehälter, in dem die flüssige Luft unter einem Druck von ca. 300 bar gespeichert ist. Die Hochdruckpumpe ist für die Erhaltung des Systemdruckes im Einspritzsystem verantwortlich. Der Systemdruck entspricht dem Druck, der im Druckbehälter herrscht und gleichzeitig der Einspritzdruck ist. Die mit Magnetventilen versehenen Einspritzdüsen werden elektromagnetisch statt hydraulisch gesteuert (geöffnet). Das Steuergerät sendet zum richtigen Zeitpunkt einen Impuls an das im Düsenhalter plazierte Magnetventil und leitet damit die Einspritzung ein. Die Einspritzdüse soll einfach aufgebaut sein. Sie muß bei weitem nicht so präzise, wie die Einspritzdüse des Dieselmotors sein auch wenn es sich beim Kältemotor um die direkte Einspritzung handelt.

3. Bei der Kältekraftmaschine in der Hubkolbenmotor-Ausführung gibt es zwei unterschiedlich hohe Verdichtungsverhältnisse:

  • - Das theoretische Verdichtungsverhältnis und
  • - das tatsächliche Verdichtungsverhältnis.


Das theoretische Verdichtungsverhältnis (von 30 : 1 bis 60 : 1) ist das Verhältnis vom Gesamtraum (Hubraum und Verdichtungsraum) zum Verdichtungsraum, das man bereits von den Verbrennungsmotoren kennt. Das tatsächliche Verdichtungsverhältnis (von 10 : 1 bis 25 : 1) hängt vom Schließzeitpunkt des Einlaßventils ab und ist variabel. Da das Einlaßventil erst bei etwa 100 Grad Kurbelwinkel nach UT schließt, ist die Differenz zwischen den beiden Verdichtungsverhältnissen so groß. Würde das Einlaßventil (als Beispiel) im UT schließen, so wäre das tatsächliche Verdichtungsverhältnis genau so hoch, wie das theoretische.

Aufgrund dessen, daß der Schließzeitpunkt des Einlaßventils verstellt werden kann, wird folglich auch das tatsächliche Verdichtungsverhältnis verändert. Die Verstellung des Schließzeitpunktes (variable Einlaßsteuerzeiten) erfolgt mit einem Nockenwellenversteller, der die Einlaßnockenwelle bei Bedarf in die Früh- bzw. Spätstellung verstellt. Die Einlaßnockenwellenstellung wird durch den Lastbereich des Kältemotors beeinflußt. Im Leerlauf wird die Einlaßnockenwelle in Spätrichtung verstellt d. h. das Einlaßventil schließt erst bei etwa 120 Grad Kurbelwinkel nach UT. Die Folge: Der Kolben verrichtet weniger Kompressionsarbeit, die Kompressionsendtemperatur und -enddruck sind geringer. So ist auch der Expansionsdruck im Arbeitstakt geringer. Der Grund dafür ist der geringe Kraft- bzw. Leistungsbedarf der Kältekraftmaschine im Leerlauf. Im Vollast, wo viel Arbeit geleistet wird, muß die Einlaßnockenwelle in die Frühstellung verstellt werden.

Durch die zwei unterschiedlich hohen Verdichtungsverhältnisse lassen sich bei der Kältekraftmaschine volumetrisch sehr kleine Verdichtungsräume realisieren, ohne daß die Ansaugluft im Verdichtungstakt zu stark komprimiert wird. Außerdem ist das Expansionsverhältnis (im Arbeitstakt) höher als das tatsächliche Verdichtungsverhältnis.

4. Die Kältekraftmaschine arbeitet mit einem Arbeitsmedium, das gleichzeitig die Energiequelle (Kraftstoff) ist. Es handelt sich um flüssige Luft, die genauso wie jeder andere Kraftstoff unter Kraftaufwand hergestellt wird. Die flüssige Luft wird im Druckbehälter unter sehr hohem Druck gespeichert. Sie kann auch im Kryogentank untergebracht werden. Der Vorteil des Druckbehälters besteht darin, daß die im Druckbehälter gespeicherte, hochverdichtete Luft die Umgebungstemperatur hat. Dadurch hat diese Luft mehr Wärmeenergie als die im Kryogentank gespeicherte, flüssige Luft. Dies macht der im Druckbehälter herrschende Druck deutlich.

Die flüssige Luft wird in den Arbeitsraum eingespritzt. Der Arbeitsraum ist beim Hubkolbenmotor der Zylinder und bei der Strömungsmaschine die Verdampfungskammer, die vor der Arbeitsturbine plaziert ist. Im Arbeitsraum vermischt sich die eingespritzte, flüssige Luft mit der infolge der Verdichtung erhitzten Ansaugluft. Sie entzieht der heißen Ansaugluft Wärme, verdampft und expandiert. Dabei sollte die flüssige Luft nach ihrer Verdampfung möglichst hohe Temperatur erreichen, um die Expansionsenergie zu erhöhen. Anders ausgedrückt Die Kompressionstemperatur der Ansaugluft soll während der Verdampfung der flüssigen Luft wenig abfallen, damit der verdampften Luft anschließend genügend Wärme zugeführt wird und die Temperatur im Arbeitsraum vor der Expansion ausreichend hoch ist. Da während des Arbeitsprozesses (Arbeitstaktes) eine enorme Expansion (Raumvergrösserung im Zylinder des Hubkolbenmotors) stattfindet, ist die Luft am Ende kalt.

Wie hoch die (im vorletzten Satz angesprochene) Temperatur im Arbeitsraum vor der Expansion ist, hängt von 3 Größen ab: Es sind die Anfangstemperatur der Ansaugluft, das tatsächliche Verdichtungsverhältnis und die Temperatur der flüssigen Luft vor der Einspritzung. Die Anfangstemperatur der Ansaugluft ist die Temperatur, die die Ansaugluft hat, wenn sie in den Arbeitsraum einströmt. Sie kann durch Vorwärmen der Ansaugluft erhöht werden. Das Vorwärmen der Ansaugluft erfolgt beim Hubkolbenmotor im Ansaugkrümmer und bei der Strömungsmaschine vor der Verdampfungskammer. Es geschieht entweder mit elektrischer Heizspirale, oder mit Brennkammer, in der Kraftstoff verbrannt wird. Beim Hybridantrieb (Kältemotor mit Diesel- oder Ottomotor) wird die Ansaugluft des Kältemotors mit der ungenutzten Wärmeenergie des Verbrennungsmotors (Abgaswärme) vorgewärmt. Zu diesem Zweck wird ein Wärmetauscher verwendet, der von den Abgasen durchströmt wird.

Da das tatsächliche Verdichtungsverhältnis im Textabschnitt Punkt 3 genau erläutert wurde, bedarf es an dieser Stelle keiner weiteren Erklärung. Was die Temperatur der flüssigen Luft vor der Einspritzung angeht, so ist es einleuchtend, wieso der Druckbehälter einen Vorteil gegenüber dem Kryogentank hat;es ist nämlich wichtig, daß das Arbeitsmedium vor dem Gelangen in den Arbeitsraum eine "hohe" Temperatur aufweist.

5. Die Kältekraftmaschine in der Hubkolbenmotor-Ausführung kann sowohl nach dem 4-Takt- als auch nach dem 2-Takt-Prinzip arbeiten. Der 2- Takt-Kältemotor ist eine interessante Alternative zum 4-Takter, weil die Nachteile des 2-Takt-Ottomotors, wie höhere Wärmebelastung, Vermischung des Frischgases mit dem Altgas, schlechtere Zylinderfüllung und höhere HC-Emission, spielen bei der Kältekraftmaschine entweder keine, oder eine geringfügige Rolle. Der Vorteil der doppelten Arbeitstaktzahl und des daraus resultierenden, gleichförmigen Drehmomentes macht den 2-Takt-Kältemotor um so interessanter.

Der 2-Takt-Kältemotor kann natürlich nicht so aufgebaut sein wie der konventionelle Zweitakter, weil dieser nicht mehr zeitgemäß ist. Vor allem die Nutzung des engräumigen Kurbelgehäuses in Verbindung mit der Kolbenunterseite als Spülpumpe ist heutzutage unakzeptabel, weil das Frischgas (bei der Kältekraftmaschine ist es reine Luft) zuerst ins Kurbelgehäuse gelangt und erst danach in den Zylinder.

Der 2-Takt-Kältemotor arbeitet mit Gleichstromspülung. So ist jeder Zylinder mit einem bzw. zwei Ventilen und in der Zylinderwand angeordneten Schlitzen versehen. Die Stromrichtung z. B. von den Ventilen hin zu den Schlitzen, oder umgekehrt, ist frei wählbar. Werden die Ventile als Einlaßventile und die Schlitze als Auslaßschlitze genutzt, so können variable Einlaßsteuerzeiten mit dem Nockenwellenversteller realisiert werden. Dies ist bei Auslaßventilen und Einlaßschlitzen nicht möglich. Beim 2-Takt-Kältemotor gibt es keinen Überströmkanal, keine Mischungsschmierung und außerdem ist das Kurbelgehäuse wie beim 4-Takter aufgebaut. Als Motorschmierung wird abhängig von der Kurbelwellenlagerung entweder die Frischölschmierung, oder die Druckumlaufschmierung eingesetzt.

Für den Überdruck, der für den Spülvorgang im Zylinder erforderlich ist, sorgt ein vom Kältemotor angetriebener Lader.

Beim 2-Takt-Kältemotor mit Auslaßventilen und Einlaßschlitzen ist der Schließzeitpunkt des Auslaßventils maßgebend für die Höhe des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses. Der Schließzeitpunkt des Auslaßventils ist veränderbar, aber nur geringfügig.

6. Die Kältekraftmaschine in der Ausführung als Strömungsmaschine ist in ihrer Konstruktion ähnlich der Gasturbine. Sie ist im Gegensatz zur Gasturbine mit einer Verdampfungskammer ausgestattet, hat jedoch Wärmetauscher (Regenerator) nicht. Bei der Einwellenturbine ist die Verdampfungskammer vor der Arbeitsturbine, die gleichzeitig die Verdichterturbine ist, plaziert. Bei Zwei- bzw. Dreiwellenturbine befindet sich die Verdampfungskammer vor der Verdichterturbine. Am Umfang der Verdampfungskammer sind mehrere Einspritzdüsen vorhanden, die die flüssige Luft in die Verdampfungskammer einspritzen. Außer der flüssigen Luft wird auch Wasser in die Verdampfungskammer eingespritzt, um die Strömungsenergie zu steigern. Zusätzlich kann flüssige Luft hinter der Verdichterturbine vor die Arbeitsturbine eingespritzt werden, um vorhandene Wärme optimal zu nutzen und die Leistung der Arbeitsturbine zu erhöhen. Vor der Verdampfungskammer ist die Brennkammer angeordnet, in der die verdichtete Luft durch Verbrennen flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe direkt aufgeheizt wird. Die Aufheizung der verdichteten Luft ist bei der Kälteturbine (dies ist der Kurzname der Kältekraftströmungsmaschine) deutlich geringer als bei der Gasturbine. Im Leerlauf findet keine Aufheizung der verdichteten Luft statt. Die Brennkammer kann auch durch einen Wärmetauscher ersetzt werden, der von heißen Gasen durchströmt wird.

Durch den Einsatz des Wärmetauschers anstelle der Brennkammer arbeitet die Kälteturbine abgasfrei - das Altgas der Kälteturbine ist in diesem Fall reine Luft, in der Wasser enthalten ist. Der Wärmetauscher macht eine Kombination der Kälteturbine mit Gasturbine und anderen Wärmekraftmaschinen zwecks besserer Wärmeausnutzung möglich. Bei der Gasturbine könnte der große Regenerator entfallen, wenn man die heißen Gase der Gasturbine nach Durchströmen der Turbinen dem Wärmetauscher der Kälteturbine zuführt.

Bezugszeichenliste

EV Einlaßventil

AV Auslaßventil

OT oberer Totpunkt

UT unterer Totpunkt

EB Einspritzbeginn

ED Einspritzdüse


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betrieb einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Kraftmaschine mit mindestens einem in einem Zylinder laufenden, mit einer Kolbenmulde versehenen Kolben, wobei in dem Zylinder, oberhalb des Kolbens ein Arbeitsraum veränderbaren Volumens gebildet wird, in den mittels mindestens einer Einlaßvorrichtung Arbeitsluft einströmen kann und in den mittels mindestens einer Einspritzdüse Kraftstoff eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbeitsraum als Kraftstoff flüssige Luft in die Kolbenmulde eingespritzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hubkolbenmotor im 4-Takt-Verfahren arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung der flüssigen Luft während des zweiten und des dritten Taktes erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hubkolbenmotor nach dem 2-Takt-Verfahren arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit Gleichstromspülung arbeitet.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entspannte Luft zumindest zum Teil verflüssigt und einem Hydrospeicher zugeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßvorrichtung mindestens ein Einlaßventil aufweist, daß der Schließzeitpunkt des Einlaßventils variabel einstellbar ist und das Einlaßventil etwa 100 Grad nach dem unteren Totpunkt des Hubkolbenmotors schließt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des Schließzeitpunktes mit einem Nockenwellenversteller realisiert wird, der mindestens eine Einlaßnockenwelle bei Bedarf in eine Früh- bzw. Spätstellung verstellt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Einlaßnockenwelle durch den Lastbereich des Kolbenmotors beeinflußt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsluft mittels eines Ansaugkrümmers vorgewärmt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenmotor als Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor betrieben wird und die Ansaugluft mit der ungenutzten Energie des Verbrennungsmotors vorgewärmt wird, dessen Abgase einen Wärmetauscher durchströmen.
  10. 10. Verfahren zum Betrieb einer als Gasturbine ausgebildeten Kraftmaschine, mit einer Brennkammer, in der verdichtete Luft erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in eine beheizbare Verdampfungskammer flüssige Luft durch mehrere Einspritzdüsen eingespritzt wird und daß Wasser in die Verdampfungskammer eingespritzt wird, um die Strömungsenergie zu erhöhen.
  11. 11. Verfahren zum Betrieb einer mit mindestens zwei Wellen ausgebildeten Gasturbine mit einer Arbeits- und einer Verdichterturbine gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Verdichterturbine und vor der Arbeitsturbine flüssige Luft eingespritzt wird.
  12. 12. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungskammer durch eine neben dieser angeordnete Brennkammer geheizt wird, in der verdichtete Luft durch Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe erwärmt wird.
  13. 13. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungskammer durch einen Wärmetauscher erwärmt wird.
  14. 14. Verfahren zum Betrieb einer Kraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Luft in einem Druckbehälter oder Kyrotank gespeichert wird.






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