DE69916142T2

DE69916142T2 - Nicht freitragender gerotorkompressor und gerotorexpander

Info

Publication number: DE69916142T2
Application number: DE69916142T
Authority: DE
Inventors: Dr. Mark T. College Station Holtzapple; Andrew G. College Station Rabroker
Original assignee: Texas A&M University System
Current assignee: Texas A&M University System
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-07-31
Also published as: DE69916142D1; KR20010079579A; JP2009281388A; ES2260371T3; ES2215962T3; US20030106301A1; DE69930423D1; ES2205864T3; DE69930423T2; ATE263313T1; KR20060096126A; DE69927420D1; US6336317B1; ATE252685T1; BR9912651A; AU5242599A; DE69927420T2; DE69912288D1; US20020014069A1; CA2338347A1

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet von Kraftanlagen und insbesondere eine Quasi-Isothermene Brayton-Kreisprozeß-Kraftanlage.
Für mobile Anwendungen, wie ein Auto oder Lastkraftwagen, ist es im allgemeinen wünschenswert, eine Wärmekraftmaschine zu verwenden, die die folgenden Eigenschaften aufweist:

– Innenverbrennung, um den Bedarf nach Wärmeaustauschern zu reduzieren;
– Vollständige Expansion für einen verbesserten Wirkungsgrad;
– Isotherme Kompression und Expansion;
– Hohe Leistungsdichte;
– Hochtemperatur-Expansion für einen hohen Wirkungsgrad;
– Fähigkeit, den Motor für Teillastbedingungen effizient zu „drosseln";
– Hohes Kleinstell-Verhältnis (d. h. die Fähigkeit, bei weitreichenden Drehzahlen und Drehmomenten zu arbeiten;
– Niedrige Verschmutzung;
– Verwendung von Standardkomponenten, mit denen die Automobilindustrie vertraut ist;
– Tauglichkeit für verschiedene Kraftstoffe; und
– Rückgewinnungsbremse.

Es gibt gegenwärtig mehrere Typen von Wärmekraftmaschinen, jede mit seinen eigenen Eigenschaften und Kreisprozessen. Diese Wärmekraftmotoren umfassen den Ottomotor, den Dieselmotor, den Rankinemotor, den Stirlingmotor, den E ricksonmotor, den Carnotmotor und den Braytonmotor. Es wird im folgenden eine kurze Beschreibung jedes Motors bereitgestellt.
Der Ottomotor ist ein kostengünstiger Innenverbrennungsmotor mit geringer Verdichtung und mit einem ziemlich niedrigen Wirkungsgrad. Dieser Motor wird verbreitet verwendet, um Autos anzutreiben.
Der Dieselmotor ist ein mäßig kostspieliger, Innenverbrennungsmotor mit höherer Verdichtung und einem hohen Wirkungsgrad, der verbreitet verwendet wird, um Lastkraftwagen und Züge anzutreiben.
Der Rankinemotor ist ein Außenverbrennungsmotor, der im allgemeinen in Elektrizitätswerken verwendet wird. Wasser ist das üblichste Arbeitsfluid.
Der Ericksonmotor verwendet eine isotherme Kompression und Expansion mit einer Konstantdruck-Wärmeübertragung. Er kann entweder als ein Außen- oder Innenverbrennungskreisprozeß implementiert werden. In der Praxis ist ein perfekter Erickson-Kreisprozeß schwierig zu erhalten, da eine isotherme Expansion und Kompression in einer großen industriellen Anlage nicht leicht erhalten werden.
Der Carnotmotor verwendet eine isotherme Kompression und adiabatische Kompression und Expansion. Der Carnot-Kreisprozeß kann entweder als ein Außen- oder Innenverbrennungskreisprozeß implementiert werden. Er zeichnet sich durch eine niedrige Leistungsdichte, mechanische Komplexität und eine schwierig zu erreichende Konstanttemperatur-Kompressionsvorrichtung und Expansionsvorrichtung aus.
Der Stirlingmotor verwendet eine isotherme Kompression und Expansion mit einer Konstantvolumen-Wärmeübertragung. Er wird fast immer als ein Außenverbrennungskreisprozeß implementiert. Er weist eine höhere Leistungsdichte als der Carnot-Kreisprozeß auf, jedoch ist es schwierig, den Wärmeaustausch durchzuführen, und es ist schwierig, eine Konstanttemperatur-Kompression und Expansion zu erzielen.
Die Stirling-, Erickson- und Carnot-Kreisprozesse sind so effizient, wie es die Natur erlaubt, da die Wärme während der isothermen Expansion mit einer gleichmäßig hohen Temperatur T_hot geliefert wird und während der isothermen Kompression mit einer gleichmäßig niedrigen Temperatur T_cold abgegeben wird. Der maximale Wirkungsgrad dieser drei Kreisprozesse ist:
Dieser Wirkungsgrad ist nur zu erhalten, wenn der Motor „reversibel" ist, was bedeutet, daß der Motor reibungslos ist und daß es keine Temperatur- oder Druckgradienten gibt. In der Praxis weisen reale Motoren „Irreversibilitäten" oder Verluste auf, die mit Reibung und Temperatur/Druckgradienten verbunden sind.
Der Braytonmotor ist ein Innenverbrennungsmotor, der im allgemeinen bei Turbinen implementiert wird, und wird im allgemeinen verwendet, um Flugzeuge und einige Elektrizitätswerke anzutreiben. Der Brayton-Kreisprozeß zeichnet sich durch eine sehr hohe Leistungsdichte aus, verwendet normalerweise keinen Wärmeaustauscher, und weist einen niedrigeren Wirkungsgrad als die anderen Kreisprozesse auf. Wenn ein Regenerator zum Brayton-Kreisprozeß hinzugefügt wird, wird jedoch der Kreisprozeßwirkungsgrad erhöht. Herkömmlicherweise wird der Brayton-Kreisprozeß unter Verwendung von mehrstufigen Axialstrom-Kompressoren und -Expandern implementiert. Diese Vorrichtungen sind im allgemeinen für die Luftfahrt geeignet, in der ein Flugzeug mit ziemlich konstanten Drehzahlen arbeitet; sie sind im allgemei nen für die meisten Transportanwendungen, wie Autos, Busse, Lastkraftwagen und Züge nicht geeignet, die über weit variierende Drehzahlen arbeiten müssen.
Der Otto-Kreisprozeß, der Diesel-Kreisprozeß, der Brayton-Kreisprozeß und der Rankine-Kreisprozeß haben alle Wirkungsgrade, die kleiner als das Maximum sind, da sie keine isothermen Kompressions- und Expansionsschritte verwenden. Ferner verlieren die Otto- und Diesel-Kreisprozeßmotoren an Effizienz, da sie Hochdruckgase nicht vollständig expandieren, und einfach die Abgase an die Atmosphäre abdrosseln.
Daher ist ein Bedarf nach einer Vorrichtung entstanden, das die obenerwähnten und anderen Eigenschaften für sowohl mobile und als auch stationäre Motoren erfüllt.
Es ist auch ein Bedarf nach einer Vorrichtung entstanden, die diese und andere Mängel überwindet.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche definiert.
Es wird ein Motor offenbart, der einen Kompressor, einen Brenner und einen Expander aufweist. Der Kompressor komprimiert Umgebungsluft. Der Brenner verbrennt die komprimierte Luft und erzeugt Abgase. Der Expander empfängt die Abgase vom Brenner und läßt die Abgase expandieren. Der Kompressor kann ein Gerotorkompressor oder ein Kolbenkompressor mit einer variablen Totraumsteuerung sein. Der Expander kann ein Gerotorexpander oder ein Kolbenexpander mit einer variablen Totraumsteuerung sein.
Der Motor kann auch oder alternativ einen Kolbenkompressor, einen Brenner, einen Kolbenexpander und einen Drucktank aufweisen. Der Kolbenkompressor komprimiert Umgebungsluft. Der Brenner verbrennt die komprimierte Luft und erzeugt Abgase. Der Kolbenexpander empfängt die Abgase vom Brenner, und läßt die Abgase expandieren. Der Drucktank empfängt und speichert die komprimierte Luft aus dem Kompressor.
In einer Ausführungsform weist ein nicht freitragender Gerotorkompressor einen inneren Gerotor und einen äußeren Gerotor auf. Der innere Gerotor und der äußere Gerotor können so betrieben werden, daß sie sich nicht berühren.
In einer weiteren Ausführungsform weist ein nicht freitragender Gerotorexpander einen inneren Gerotor und einen äußeren Gerotor auf. Der innere Gerotor und der äußere Gerotor können so betrieben werden, daß sie sich nicht berühren.
Der Motor weist viele potentielle mobile Antriebsanwendungen auf, einschließlich der Verwendung in Lokomotiven, der Schiffsindustrie, Zugmaschine/Anhängern, Bussen und Autos. Der Motor weist auch viele potentielle stationäre Antriebsanwendungen auf, einschließlich unter anderem einen Elektrizitätsgenerator und die Energiequelle für industrielle Anlagen.
Ein technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Kompressor und Expander eine Drehbewegung aufweisen, die die Kosten, Komplexität, das Gewicht und die Größe vermeidet, die mit der Umwandlung der linearen Bewegung herkömmlicher Kolben/Zylinder in eine Drehbewegung verbunden sind.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Kompressor und Expander ein hohes „Kleinstellverhältnis" aufweisen, was bedeutet, daß sie sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drehzahlen effizient arbeiten können.
Noch ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Kompressor und Expander Zwangsverdrängervorrichtungen sind, was es ihnen gestattet, bei niedrigen Drehzahlen in Kleinleistungsanwendungen zu arbeiten.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Gerotor-Kompressor und -Expander perfekt ausgewuchtet sind, was Schwingungen praktisch beseitigt.
Ein weiterer technischer Vorteil ist, daß ein resultierender Motor aufgrund seiner kleinen Abmessung und geringen Gewichts fast wie ein Wankelmotor sehr reaktionsfähig ist und schnell beschleunigt.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Gerotor-Kompressor robust ist, was es zuläßt, daß flüssiges Wasser während der Kompression zur Kühlung eingespritzt wird.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß in mobilen Anwendungen der Expander unabhängig vom Antriebsstrang entkoppelt werden kann, was eine Rückgewinnungsbremse zuläßt, indem der Kompressor durch die kinetische Energie des Fahrzeugs betrieben wird.
Noch ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß in mobilen Anwendungen der Kompressor unabhängig vom Antriebsstrang entkoppelt werden kann, was es zuläßt, daß der Expander seine gesamte Leistung in die Beschleunigung des Fahrzeugs legt, was dem Fahrzeug während des Anfahrens einen Leistungszusatz gibt.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß aufgrund das hohen Wirkungsgrads des Rohrbrenners eine geringe Verschmutzung emittiert wird.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Rohrbrenner fast jeden Kraftstoff verbrennen kann.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß kein elektrischer Anlaßmotor benötigt wird, da gespeicherte komprimierte Luft verwendet werden kann, um den Motor zu starten.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Motor leise ist, da Gase den Expander mit etwa 1 atm verlassen. Es sollte kein Schalldämpfer benötigt werden.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß ein Motorschmiermittel, wie Öl lange Zeit halten sollte, da es kein Vorbeiströmen von unvollständig verbrannten Produkten gibt.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß es sehr wenige bewegte Teile gibt, was es zulassen sollte, daß der Motor mit einer langen Lebenszeit sehr zuverlässig ist.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Motor äußerst effizient ist; er nähert sich dem Erickson-Kreisprozeß, einem reversiblen Motor, der effizient wie der Carnot-Kreisprozeß ist.
Weitere technische Vorteile werden üblichen Fachleute in Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der beigefügten Zeichnungen deutlich werden.
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung, der dadurch erfüllten Bedürfnisse und deren Merkmale und Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibung bezug genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen werden. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines quasi-isothermen Brayton-Kreisprozeßmotors;
2 eine schematische Darstellung eines quasi-isothermen Brayton-Kreisprozeßmotors, der in einem Transportsystem implementiert ist;
3a–l die Arbeitsweise eines Gerotorkompressors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 einen schematischen Querschnitt eines Gerotorkompressors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines nicht freitragenden Gerotorkompressors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6a–6g mehrere Schnittansichten des nicht freitragenden Gerotorkompressors von 5.
7 eine schematische Darstellung eines nicht freitragenden Gerotorkompressors gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 eine schematische Darstellung eines Umlaufrad-Regenerators;
9 einen schematischen Querschnitt eines Keramik-Rohrbrenners;
10 eine graphische Darstellung der gemessenen Temperaturprofile längs der Achse eines Rohrbrenners;
11 eine graphische Darstellung der NO_x-Konzentration als Funktion des Äquivalenz-Verhältnisses;
12a und 12b die ungefähren Abmessungen des Kompressors und Expanders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen 100 kW-Motor;
13 die ungefähren Abmessungen eines Wärmeaustauschers; und
14 die ungefähren Abmessungen der Drucklufttanks, die für eine Rückgewinnungsbremse verwendet werden.
Auf 1 bezugnehmend, wird ein allgemeines Blockdiagramm eines quasi-isothermen Brayton-Kreisprozeßmotors 100 offenbart. Umgebungsluft 102 wird in einen Kompressor 106 aufgenommen und komprimiert, und dann im Gegenstrom in einem Regenerator 108 unter Verwendung der thermischen Energie aus den Abgasen erwärmt. In einem Brenner 112 wird Kraftstoff 110 in die vorgewärmte Luft eingeleitet und gezündet. Die Hochdruck-Verbrennungsgase strömen in einen Expander 114, wo Arbeit W_out erzeugt wird.
Nachdem die Luft im Expander 114 expandiert, strömt die heiße Luft durch einen Regenerator 108, der die Luft vorerwärmt, die aus dem Kompressor 106 zum Brenner 112 strömt. Die Luft verläßt den Regenerator 108 als Abgas 116.
Um die Arbeitsanforderungen für den Kompressor 106 zu minimieren, kann zerstäubtes flüssiges Wasser 104 in die Umgebungsluft 102 gespritzt werden, das die Umgebungsluft 102 während der Kompression im Kompressor 106 kühlt. Die Auslaßtemperatur aus dem Kompressor 106 ist nahezu dieselbe wie die Einlaßtemperatur; folglich wird die Kompression als „quasi-isotherm" betrachtet.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines quasi-isothermen Brayton-Kreisprozeßmotors, der in einem Transportsystem implementiert ist. Die Arbeitsweise des Motors 200 wird während des gleichbleibenden Betriebs, des Bremsens und des Startens beschrieben.
Während der gleichbleibenden Betriebs wird ein Wassernebel 104 in die Umgebungsluft 102 des Kompressors 106 gesprüht. Dies führt dazu, daß die Auslaßlufttemperatur fast dieselbe wie die Einlaßlufttemperatur ist, was die Kompression „quasi-isotherm" macht.
Um die Vorteile des quasi-isothermen Kompressors zu erzielen, kann es notwendig sein, daß das Wasser zerstäubt wird. In einer Ausführungsform wird das Wasser so fein zerstäubt, daß es während der wenigen Millisekunden vollständig verdampft, in denen es im Kompressor bleibt.
Es wird vorzugsweise salzfreies Wasser in den Kompressor eingespritzt, so daß es keine Salzablagerungen im Expander oder dem Wärmeaustauscher gibt. Salzfreies Wasser ist bedeutend billiger als Kraftstoff, so daß es über die Wassereinspritzung wirtschaftliche Vorteile einer Einsparung von Kraftstoff gibt. Es kann jedoch einige logistische Einschränkungen geben, überall salzfreies Wasser zu erhalten. In einer anderen Ausführungsform könnte gewöhnliches Leitungswasser verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird Wasser im Überschuß in den Kompressor eingespritzt. Der Kompressorauslaß würde einen Entnebler berühren, um irgendwelches überschüssiges Wasser zu entfernen. Dieses überschüssige Wasser wird eine höhere Salzkonzentration als das anfängliche Wasser aufweisen, da eine Menge Wasser im Kompressor verdampft.
Der Kompressor 106 komprimiert die Umgebungsluft auf einen hohen Druck. Die Umgebungsluft kann auf einen Druck von etwa 10 atm komprimiert werden. Andere Drücke für die komprimierte Luft können ebenfalls verwendet werden.
Die Kompressor 106 weist eine variable Totraum-Vorrichtung 238 auf, die aus einem kleinen Kolben 239 in einem Zylinder besteht. Die Position des Kolbens im Zylinder wird durch ein (nicht gezeigtes) Betätigungsglied, wie einen elektrischen Servomotor eingestellt. Wie in der Figur dargestellt, erhöht der Kolben 239, wenn er auf der rechten Seite angeordnet ist, den Totraum 237 in der Kammer 109. Wenn sich der Hauptkolben 107 nach oben bewegt, verhindert der zusätzliche Totraum, daß der Druck hoch wird. Wenn im Gegensatz dazu der kleine Kolben 239 auf der linken Seite angeordnet ist, senkt er den Totraum 237 in der Kammer 109. Wenn der Hauptkolben 107 sich nach oben bewegt, läßt es der kleine Totraum zu, daß der Druck hoch wird. Die Regelung des Kompressionsverhältnisses auf diese Weise läßt es zu, daß die Leistungsabgabe des Motors eingestellt wird, ohne bedeutende Irreversibilitäten einzuführen.
In einer anderen Ausführungsform ist der Kompressor 106 ein Gerotorkompressor. Ein solcher Kompressor wird unten detaillierter beschrieben.
Die 3a und 3b stellen die Grundelemente des Gerotorkompressors 300 dar. Auf 3a bezugnehmend, weist der Gerotorkompressor 300 einen inneren Gerotor 302 und äußeren Gerotor 304 auf. Der innere Gerotor 302 weist einen Zahn weniger als der äußere Gerotor 304 auf, was zu mehreren Hohlräumen führt, wie dem Hohlraum 306. Der äußere Gerotor 304 dreht sich außerdem schneller als der innere Gerotor 302.
Auf 3b bezugnehmend, weist der Gerotorkompressor eine Ventilplatte 310 auf. Die Ventilplatte 310 weist mindestens zwei Öffnungen auf: mindestens einen Gaseinlaß 312 und mindestens einen Gasauslaß 310. In 3b werden nur zwei Öffnungen gezeigt; es sollte verstanden werden, daß die Form und Größe der Öffnungen verändert werden kann, um den Wirkungsgrad und den Betrieb des Kompressors zu optimieren.
Wenn sich die Gerotoren 302 und 304 drehen, öffnet sich der Hohlraum 306, wobei Gas, wie Luft durch den Einlaß 310 der Ventilplatte 308 eingesogen wird. Sobald der Hohlraum 306 sein volles Volumen erreicht hat, dichtet die Ventilplatte 308 den Hohlraum 306 ab, wobei das Gas eingeschlossen wird. Wenn sich die Gerotoren 302 und 304 weiter drehen, schrumpft das Volumen des Hohlraums 306, wobei das eingeschlossene Gas komprimiert wird. Schließlich wird das komprimierte Gas zum Auslaß 312 der Ventilplatte 308 bewegt und ausgestoßen. Dieser Prozeß ist kontinuierlich und findet in mehreren Hohlräumen statt, die zwischen den Gerotoren 302 und 304 ausgebildet sind, wie in den 3c–3l dargestellt.
4 ist ein schematischer Querschnitt eines Gerotorkompressors 400. Ein innerer Gerotor 402 ist freitragend (d. h. weist einen Haltevorsprung auf, der sich von seiner Basis erstreckt), und wird durch innere Gerotorlager 404 gehalten. Ein äußerer Gerotor 406 ist ebenfalls freitragend, und wird durch äußere Gerotorlager 408 gehalten. Die Zähne der Gerotoren 402 und 406 weisen einen engen Zwischenraum auf, um das Vorbeiströmen von Gasen zu verhindern, aber sie berühren einander nicht, um Schmierungs- und Verschleißprobleme zu vermeiden.
Die Gerotoren 402 und 406 werden durch ein erstes Zahnrad 410 und ein zweites Zahnrad 412 betätigt. Das erste Zahnrad 410 und das zweite Zahnrad 412 weisen vorzugsweise dasselbe Verhältnis wie die Gerotoren 402 und 406 auf. Das erste Zahnrad 410 und das zweite Zahnrad 412 treiben die Gerotoren 402 und 406 so an, daß sich die Gerotoren 402 und 406 relativ zueinander ohne Kontakt bewegen. Ein Vorteil dieser Relativbewegung ist, daß es keine Notwendigkeit gibt, die Gerotoren 402 und 406 zu schmieren. Statt dessen werden die Zahnräder 410 und 412 geschmiert, was im allgemeinen als einfacher betrachtet wird. Diese Schmierung wird im folgenden detaillierter erläutert.
Gas tritt in den Gerotorkompressor 400 am Gaseinlaß 422 ein. Komprimiertes Gas verläßt den Gerotorkompressor am Auslaß 424.
In einer Ausführungsform können die Gerotoren 402 und 406 aus Keramik aufgebaut sein und würden keine Kühlung benötigen. Ein Nachteil der Verwendung von Keramik sind die hohen Materialkosten. Daher können in einer anderen Ausführungsform Metalle verwendet werden. Um eine Beschädigung des Metalls zu verhindern, kann das Metall durch ein Kühlmittel 414 gekühlt werden, das umgewälzt werden kann. Da sich alle Gerotoren drehen, ist es notwendig, das Kühlmittel 414 durch die Gerotoren unter Verwendung von Schleifringen 416 und 420 umzuwälzen.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Hybridsystem möglich, in dem der Kern aus gekühltem Metall besteht und das Äußere mit einer isolierenden Keramik beschichtet ist, die die Wärmeverluste an das Kühlmittel 414 reduziert.
Das erste Zahnrad 410 und das zweite Zahnrad 412 können mit einem geeigneten Schmiermittel, wie Öl geschmiert werden. Um zu verhindern, daß Gase in das Schmiermittel eintreten, kann eine Plandichtung 418 eingesetzt werden. Die Plandichtung 418 kann einen federbelasteten Graphitring aufweisen, der auf einer hochglanzpolierten Fläche rotiert. Die Relativrotation zwischen dem inneren Gerotor 402 und dem äußeren Gerotor 406 ist klein, so daß die Plandichtung 418 keinem merklichen Verschleiß ausgesetzt sein sollte.
Falls notwendig, kann das Schmiermittel, das verwendet wird, um das erste Zahnrad 410 und das zweite Zahnrad 412 zu schmieren, unter Verwendung von (nicht gezeigten) Schleifringen umgewälzt werden, die ähnlich zu jenen sind, die für das Kühlmittel 414 verwendet werden.
In alternativen Ausführungsformen können der innere Gerotor 402 und der äußere Gerotor 406 ohne freitragende Träger gehalten werden. Auf 5 bezugnehmend, wird eine Seitenansicht eines nicht freitragenden Gerotorkompressors 500 bereitgestellt. Im nicht freitragenden Gerotorkompressor werden der innere Gerotor 508 und der äußere Gerotor 506 jeweils an ihren Enden gehalten. Daher gibt es keinen freitragenden Träger.
In 5 sind feststehende, nichtrotierende Wellen 502 und 526 in der Mitte eines Gerotorkompressors 500 angeordnet. Eine „Biegung" 504 definiert zwei Achsen; ein äußerer Gerotor 506 dreht sich um eine Achse, und ein innerer Gerotor 508 dreht sich um die andere. Die feststehende Welle 526 ist an einer Ventilplatte 510 befestigt, die mit einem Hochdruckrohr 512 verbunden ist. Das Hochdruckrohr 512 ist an einem Gehäuse 514 befestigt.
Eine rotierende Welle 516 ist mit dem äußeren Gerotor 506 gekoppelt. Ein äußeres Zahnrad 518 ist am äußeren Gerotor 506 befestigt, das ein inneres Zahnrad 520 antreibt, das mit dem inneren Gerotor 508 gekoppelt ist. Die inneren und äußeren Zahnräder 518 und 520 lassen den inneren und äußeren Gerotor 506 und 508 rotieren, ohne daß sie sich berühren, wodurch folglich die Notwendigkeit eines Schmiermittels auf den Gerotoroberflächen beseitigt wird. Die Zahnräder 518 und 520 können durch Öl geschmiert werden. Eine Plandichtung 522 gleitet auf einer glatten kreisförmigen Fläche, die in der Oberfläche des inneren Gerotors 508 vertieft ist. Eine Drehdichtung 524 dichtet die mittlere Welle 526 ab.
Niederdruckgas tritt durch ein Einlaßloch 511 (siehe 6c und 6d) in einer Ventilplatte 510 ein. Das Niederdruckgas wird in den Gerotoren komprimiert, wie oben beschrieben, und wird als Hochdruckgas durch die Auslaßöffnung 590 ausgestoßen.
Ein Schleifring 529 stellt Schmieröl und Kühlwasser bereit, das durch (nicht gezeigte) innere Kanäle im äußeren Gerotor 506, den Wellen 502 und 526 und der Biegung 504 an die inneren und äußeren Gerotoren 506 und 508 verteilt wird. Die Schleifringe 530 lassen es zu, daß Fluide an den inneren Gerotor 508 verteilt werden.
Verschiedene Schnittansichten des nicht freitragenden Gerotorkompressors 500 werden in den 6a–6g gezeigt.
In einer alternativen Ausführungsform, die in 7 gezeigt wird, ist das Gehäuse beseitigt worden. In dieser Ausführungsform ist der äußere Gerotor 702 stationär, und der innere Gerotor 704 dreht sich, da er durch eine rotierende Flügelplatte 706 angetrieben wird. Wenn sich der innere Gerotor 704 dreht, bewirken Zahnräder 708 und 710, daß er sich in einer Orbitalbewegung dreht.
Obwohl die Ausführungsformen des Gerotorkompressors und nicht freitragenden Gerotorkompressors oben als Kompressoren beschrieben werden, wird ein durchschnittlicher Fachmann erkennen, daß sie genauso gut als Expander funktionieren. Wenn sie als Expander verwendet werden, wird ihre Arbeitsweise umgedreht. Zum Beispiel drehen sich im Expander die Gerotoren in die entgegengesetzte Richtung, und Gas tritt in den Expander mit einem hohen Druck ein, führt Arbeit aus (d. h. expandiert), und wird als Niederdruckgas ausgestoßen.
Erneut auf 2 bezugnehmend, kann der Kompressor 106 durch eine Antriebseinrichtung, wie einen Riemen 204, durch eine Kompressorkupplung 202 in einer Weise angetrieben werden, die in der Technik bekannt ist.
Die komprimierte Luft aus dem Kompressor 106 strömt durch einen Wärmeaustauscher oder Regenerator 108, wo sie vorgewärmt wird. Die komprimierte Luft wird auf eine Nenntemperatur von etwa 1039 K erwärmt.
Um Gewicht zu sparen und Kosten zu senken, kann der Wärmeaustauscher 108 so bemessen werden, daß er mit der Wärmeleistung umgehen kann, die mit einer Autobahnfahrt mit konstanter Geschwindigkeit verbunden ist (normalerweise etwa 15 PS Leistungsabgabe für ein Auto). Der Kompressor 106 und der Expander 114 weisen die Kapazität auf, für Beschleunigungszwecke mit sehr viel höheren Leistungsabgaben (z. B. etwa 150 PS) zu arbeiten. Der Motor ist als ganzes während dieser Leistungsausbrüche weniger effizient, da jedoch die Leistungsausbrüche gewöhnlich nur ein kleiner Anteil der Arbeitsperiode sind, sollte ihre Wirkung auf den gesamten Wirkungsgrad des Systems minimal sein.
Der Wärmeaustauscher 108 kann ein Gegenstromwärmeaustauscher sein. Der Wärmeaustauscher 108 kann ein Umlaufregenerator sein, von dem ein Beispiel in 8 gezeigt wird. Das Umlaufrad 800 kann ein poröses Netz aus Metall oder Keramik oder einem ähnlichen Material 905 sein, durch das Gase strömen. Eine feststehende Aufteilungsvorrichtung 810 läßt es zu, daß heißes Gas 815 von kaltem Gas 820 getrennt wird. Wenn heißes Gas 815 durch das poröse Netz 805 strömt, erwärmt es das Netz 805. Wenn sich das Umlaufrad 800 dreht, berührt das Netz 805, das erwärmt worden ist, kaltes Gas 820, wobei bewirkt wird, daß kaltes Gas 820 heiß wird. Wenn sich das Umlaufrad 800 weiter dreht, kommt das nun abgekühlte Netz 805 erneut in Kontakt mit dem heiße Gas 815, wo es erneut erwärmt wird.
Die vorgewärmte, komprimierte Luft verläßt den Wärmeaustauscher 108 und strömt in einen Brenner 112, wenn ein Einlaßventil 232 offen ist, wo Kraftstoff 110 hinzugegeben wird, und das Kraftstoff-Luftgemisch durch eine Zündvorrichtung 218 gezündet wird.
Der Brenner 112 kann ein Rohrbrenner sein. Das allgemeine Konzept des Rohrbrenners, was durchschnittlichen Fachleuten bekannt ist, wurde durch Professor Stuart Churchill der University of Pennsylvania entwickelt. Auf 9 bezugnehmend, wird ein schematischer Querschnitt des Rohrbrenners 900 bereitgestellt. Der Rohrbrenner 900 weist eine Brennerwand 910 auf. Die Brennerwand kann aus Keramik bestehen, was es zuläßt, daß die Temperatur im Rohrbrenner 900 etwa 2200 K erreicht, was eine vollständige Verbrennung der Kraftstoff-Luftgemisches zuläßt. Andere geeignete Materialien, wie ein Hochtemperaturmetall, können ebenfalls verwendet werden.
Im Betrieb tritt das Kraftstoff-Luftgemisch 912 in den Brenner 900 am Einlaß 902 ein und wird durch die Brennerwand 910 durch Strahlung und Konvektion erwärmt. Sobald das Gas die Zündtemperatur erreicht, wird eine Flammenfront 908 eingeleitet. Während des Startens kann die Flammenfront 909 durch eine Zündvorrichtung, wie eine (nicht gezeigte) Zündkerze eingeleitet werden. Wenn der Rohrbrenner 900 aus Keramik besteht, ist die Flammenfront 908 so heiß, daß der gesamte Kraftstoff vollständig gezündet wird; es gibt keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die den Keramik-Rohrbrenner 900 verlassen. Das verbrannte Kraftstoff-Luftgemisch verläßt den Brenner 900 als Abgas 914 aus dem Auslaß 904.
10 zeigt gemessene Temperaturprofile längs der Achse des Rohrbrenners 900. Es gibt sieben mögliche Dauerbetriebstemperaturprofile. Durch die Untersuchung von Stuart Churchill wurden alle sieben durch Computersimulationen vorhergesagt, und später wurden alle sieben experimentell festgestellt.
Die hohen Temperaturen im Rohrbrenner bewirken, daß anfänglich Kohlenmonoxid gebildet wird. Da es einen Überfluß von überschüssiger Luft gibt, wird jedoch Kohlendioxid gebildet, wenn sich die Gase abkühlen. Daher ist es möglich, den Motor mit einer Kohlenmonoxid-Konzentration von etwa 0,5 ppm zu betreiben.
Rohrbrenner haben mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Brennern. Zum Beispiel verwenden herkömmliche Brenner absichtlich eine Rückvermischung, um das Kraftstoff-Luftgemisch auf seine Zündtemperatur zu erwärmen. Leider fördert eine Rückvermischung die NO_x-Bildung, da sie die Verweilzeit des Gases erhöht. Im Gegensatz dazu weist ein Rohrbrenner keine Rückvermischung auf; das Gas strömt durch den Rohrbrenner in einer Weise einer idealen bzw. stempelartigen Strömung. Die Verweilzeit ist so kurz (etwa 7 ms), daß es möglich ist, den Rohrbrenner mit einer sehr niedrigen NO_x-Bildung zu betreiben.
11 zeigt, daß bei Äquivalenz-Verhältnissen unter 0,6 die NO_x-Konzentration nur etwa 2 ppm beträgt. Das Äquivalenz-Verhältnis Φ ist definiert als der tatsächlich zugegebene Kraftstoff verglichen mit der erforderlichen stöchiometrischen Kraftstoffzugabe. Unter Verwendung von Luft mit Raumtemperatur als Zufuhr bei einem Äquivalenz-Verhältnis von 0,6 beträgt die Temperatur, die den Rohrbrenner verläßt, annähernd 1300 K.
Bei höheren Äquivalenz-Verhältnissen steigt die Verbrennungstemperatur, was den Motorwirkungsgrad erhöht. Dies erhöht jedoch auch die NO_x-Erzeugung. Folglich wird in einer anderen Ausführungsform ein Abgaskatalysator verwendet, um die Menge an NO_x zu reduzieren. Mögliche Reduktionsmittel umfassen unter anderem Ammoniak, Harnstoff und Kraftstoff. Der typische Verbrauch von flüssigem Ammoniak kann während einer Autobahnfahrt etwa 2 ml/h betragen.
Der Rohrbrenner wurde hauptsächlich zur stationären Energieerzeugung unter der Voraussetzung konstruiert, daß er nicht viele Start-/Stoppzyklen durchmachen würde. Vor dem Starten ist die Keramik kalt, sie muß vor dem Gebrauch erwärmt werden. Die Keramik kann mit einem (nicht gezeigten) Widerstandsheizer umwickelt sein, um die Keramik vorzuwärmen, bevor Kraftstoff eingeleitet wird. Es können auch andere geeignete Vorheizungsvorrichtungen und Techniken verwendet werden.
Der Rohrbrenner kann in einem Zylinder angeordnet sein, so daß es einen ringförmigen Raum zwischen dem Rohrbrenner und dem Zylinder gibt. Der ringförmige Raum kann mit einem absorbierenden Material gefüllt sein. Das absorbierende Material kann Wasserstoff absorbieren, und im Prozeß Wärme abgeben. Dies dient dazu, den Rohrbrenner vorzuwärmen.
Der ringförmige Raum kann ein Vakuum sein, und kann mit sehr dünnen (etwa 1/1000 Inch) Platten aus Nickel in mehreren Schichten gefüllt sein. In einer Ausführungsform werden 100 Schichten verwendet. Die hochglanzpolierten mehreren Schichten aus Nickel sind ein schlechter Leiter, und werden die Betriebswärme für eine beträchtliche Zeit halten. Wenn daher der Motor häufig läuft (z. B. täglich), sollte der Rohrbrenner etwas Wärme von diesem Betrieb bewahren.
Erneut auf 2 bezugnehmend, kann die Zündvorrichtung 218 eine herkömmliche Zündkerze sein. Die Zündvorrichtung 218 ist eine „Schienenkanonen"-Zündkerze. Diese Schienenkanonenzündkerze schickt einen „Blitzstrahl" in das Zentrum des Brenners 112 hinab, um das Kraftstoff-Luftgemisch während des Startens zu zünden.
Die Menge, das Timing und die Dauer der Zündung, die die Zündvorrichtung 218 bereitstellt, können variieren. Die Zündvorrichtung 218 muß nur einmal gezündet werden, um die Flammenfront einzuleiten. Sobald das Kraftstoff-Luftgemisch anfänglich gezündet ist, unterhält das Kraftstoff-Luftgemisch die Flammenfront, was die Notwendigkeit für zusätzliche Zündungen aus der Zündvorrichtung 218 beseitigt. Um das Kleinstell-Verhältnis des Brenners zu erhöhen, das als die maximale Verbrennungsrate dividiert durch die minimale Verbrennungsrate definiert ist, zündet die Zündvorrichtung 218 nach dem anfänglichen Starten weiter. Im Fall des Kolbenexpanders kann das Timing mit den periodischen Expansionen der Kolben übereinstimmen. Im Fall des Gerotorexpanders kann die Zündung kontinuierlich sein.
Nach der Verbrennung strömt das heiße Hochdruckgas durch den Expander 114, der eine Wellenleistung erzeugt. Der Expander 114 kann eine Hülle 220 und einen Aufsatz 222 aufweisen, die im folgenden detaillierter erläutert werden.
Am Anfang der Expansion ist der Druck konstant (z. B. etwa 10 atm), da das Einlaßventil 232 offen ist. Wenn das Einlaßventil 232 schließt, geht die Expansion adiabatisch weiter, wodurch folglich das Gas abgekühlt wird, da Arbeit erzeugt wird. Die Keramikhülle 220 und der Keramikaufsatz 222 können verwendet werden, um die Gase von der Wand 236 zu isolieren, die gekühlt wird. Der Keramikaufsatz 222 hat keinen gleitenden Kontakt mit der Wand 236, daher muß keine Schmierung vorgesehen werden. Es ist auch nicht notwendig, die thermische Expansion des Aufsatzes 222 und der Wand 236 zu berücksichtigen. Die Keramikhülle 220 muß nicht mit der Wand 236 verbunden sein, was es erlaubt, daß eine kleine Lücke zwischen der Hülle 220 und der Wand 236 angeordnet ist, was folglich eine unterschiedliche thermische Expansi on der Keramik und des Wandmaterials zuläßt. Da zwischen der Keramikhülle 220 und der Wand 236 Gase frei strömen, muß die Keramikhülle keinem Druckunterschied quer zur Wand standhalten.
Der Expander 114 kann eine variable Totraumvorrichtung 240 aufweisen. Die variable Totraumvorrichtung 240 arbeitet ähnlich zur variablen Totraumvorrichtung 238, die in Verbindung mit dem Kompressor 106 oben beschrieben wird.
Der Expander 114 kann ein Gerotorexpander sein. Der Gerotorexpander arbeitet genau wie der oben beschriebene Gerotorkompressor, außer daß er umgekehrt arbeitet. Zum Beispiel tritt das Hochdruckgas durch die kleine Öffnung 312 in 3b ein und tritt durch die große Öffnung 310 aus. Wenn der Expander erwärmt wird, werden die Abmessungen ihrer Komponenten wachsen. Dies kann durch Kühlung der Komponenten minimiert werden. Um Wärmeverluste an das Kühlmittel zu minimieren, könnten die Gerotoren mit einer isolierenden Keramik überzogen sein.
In dem in 2 gezeigten Expander 134 können die Keramikhülle 220 und der Keramikaufsatz 222 zugunsten eines herkömmlichen Metallkolbens und Zylinders beseitigt werden, jedoch wird es einen größeren Wärmeverlust an die Wände geben. Es können anstelle von Metall ein Keramikkolben und -Zylinder verwendet werden.
Andere geeignete Expandergestaltungen, wie ein Wankelexpander, können ebenfalls verwendet werden.
Wie in 2 gezeigt, treibt der Expander 114 eine Expanderkupplung 208 an, die ein Getriebe 216 und eine Antriebswelle 206 antreibt, die schließlich zur Bewegung eines Fahrzeugs mit einer Antriebseinrichtung, wie Rädern verbunden ist. Zusätzlich wird durch einen Riemen 204 oder einen anderen geeigneten Antriebsmechanismus Leistung bereitgestellt, um den Kompressor 106 zu betreiben.
Wenn die Expansion vollendet ist, wird ein Auslaßventil 234 geöffnet, das die Gase des Expanders 114 verlassen läßt. Die Gase, die den Expander 114 verlassen, sind heiß, und strömen durch den Wärmeaustauscher 108, wo sie das ankommende Gas vorwärmen, und werden schließlich als Abgase 116 an die Atmosphäre abgegeben.
Das Motordrehmoment kann auf mehrere Arten geregelt werden, einschließlich einer Drosselung und eines variablen Kompressionsverhältnisses. Das Drosselungsverfahren ist ähnlich zu der Weise, in der Otto-Kreisprozeßmotoren gesteuert werden. Der Motor weist ein festes Kompressionsverhältnis auf, da jedoch der Lufteinlaß gedrosselt ist, befindet sich der Kompressoreinlaß auf einem Unterdruck. Da der Kompressor von einem Unterdruck beginnt, ist der durch den Kompressor erzielte maximale Druck kleiner, was die Drehmomentabgabe des Motors reduziert. Aufgrund der Irreversibilitäten, die mit der Drosselklappe verbunden sind, begünstigt dieses Verfahren nicht den Energiewirkungsgrad; jedoch ist es sehr einfach zu implementieren.
Die Menge des Kraftstoffs, der pro Hub zugeführt wird, kann variiert werden. Mehr Kraftstoff erhöht die Temperatur, was den Druck erhöht, der die Arbeit pro Hub erhöht. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß ein Betrieb mit niedrigem Drehmoment bedeutet, daß die Motortemperatur niedriger ist, was den Wirkungsgrad reduziert.
Das Verfahren mit einem variablen Kompressionsverhältnis ändert das Kompressionsverhältnis sowohl des Kompressors als auch des Expanders. Im Fall des Gerotorkompressors/-expanders kann eine variable Kompressionsvorrichtung erzielt werden, indem die Form der Öffnungen an den Ventil platten geändert wird. Ein niedriges Kompressionsverhältnis wird erzielt, indem die Auslaßöffnung des Gerotorkompressors und die Einlaßöffnung des Gerotorexpanders vergrößert werden. Umgekehrt kann ein hohes Kompressionsverhältnis erzielt werden, indem die Auslaßöffnung des Gerotorkompressors und die Einlaßöffnung des Gerotorexpanders verkleinert werden. Mechanismen, um dies auszuführen, werden in der US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 09/126,325 von Holtzapple u. a. mit dem Titel „Vapor-Compression Evaporative Air Conditioning System and Components" beschrieben, die am 31. Juli 1998 eingereicht wurde.
Bei niedrigeren Kompressionsverhältnissen erzeugt der Motor ein kleineres Drehmoment, und bei höheren Kompressionsverhältnissen erzeugt der Motor ein größeres Drehmoment. Anders als herkömmliche Brayton-Kreisprozesse, hängt der Energiewirkungsgrad des quasi-isothermen Brayton-Kreisprozeßmotors nicht vom Kompressionsverhältnis ab, so daß dies eine sehr effiziente Art ist, die Drehmomentabgabe des Motors zu variieren.
Im Fall des Kolbenkompressors/-expanders kann ein variables Kompressionsverhältnis unter Verwendung der variablen Totraumvorrichtungen 238 und 240 in sowohl dem Kompressor 106 als auch dem Expander 114 erzielt werden. Eine Erhöhung des Totraums des Kompressors 106 vermindert den Ausgangsdruck, was das Motordrehmoment reduziert. Umgekehrt erhöht die Verminderung des Totraums des Kompressors 106 den Ausgangsdruck, was das Motordrehmoment anhebt. Wenn der Druck des Kompressors 106 niedrig ist, benötigt der Expander 114 ein niedrigeres Expansionsverhältnis, also wird ein größerer Totraum eingesetzt. Wenn der Druck des Kompressors 106 hoch ist, braucht der Expander 114 ein höheres Expansionsverhältnis, also wird ein kleinerer Totraum verwendet.
Das System kann eine Rückgewinnungsbremse einsetzen. Auf 2 bezugnehmend, verwendet eine Ausführungsform Ventile 210, 211 und 212, einen Drucktank 214, und Kupplungen 208 und 202, die irgendeine geeignete Kupplung sein kann, die in der Technik bekannt ist. Der Drucktank 214 kann viele potentielle Formen aufweisen, wie sphärische und zylindrische Formen. Er kann aus Metall oder Verbundmaterialien bestehen, wie aus in ein Polymer eingebetteten Kohlenfasern. Er kann jede geeignete Größe aufweisen.
Während des Dauerbetriebs ist das Ventil 212 geschlossen und die Ventile 210 und 211 sind offen, was es zuläßt, daß komprimierte Luft direkt vom Kompressor 106 zum Brenner 112 geht. Während des Bremsens ist die Expanderkupplung 208 ausgekuppelt bzw. ausgerückt, aber die Kompressorkupplung 202 bleibt eingekuppelt bzw. eingerückt. Das Ventil 211 ist geschlossen, während die Ventile 210 und 212 offen bleiben, was es zuläßt, daß Luft aus dem Kompressor 106 abgelassen wird, um im Drucktank 214 gespeichert zu wenden. Während des normalen Bremsens wird die kinetische Energie des Fahrzeugs als komprimierte Luft im Drucktank 214 gespeichert, die zum späteren Gebrauch zurückgewonnen werden kann. Im Fall schneller Stopps, können (nicht gezeigte) Reibungsbremsen eingesetzt werden, die in der Technik bekannt sind, die die kinetische Energie des Fahrzeugs als Wärme ableiten.
Wenn das Fahrzeug von einem Stopp anfährt, ist die Kompressorkupplung 202 ausgekuppelt und die Expanderkupplung 208 eingekuppelt. Das Ventil 210 ist geschlossen, während die Ventile 211 und 212 offen bleiben. Im Drucktank 214 gespeicherte Hochdruckluft strömt durch den Gegenstromwärmeaustauscher 108, wo sie vorgewärmt wird, tritt in den Brenner 112 ein, strömt durch den Expander 114 und tritt durch den Gegenstromwärmeaustauscher 108 aus. Während des Anfahrens wird die als komprimiertes Gas gespeicherte Energie freigesetzt, was das Fahrzeug beschleunigen läßt. Da die Belastung des Kompressors während des Anfahrens weggenommen wird, kann die gesamte Wellenleistung aus dem Expander 114 an die Antriebswelle geliefert werden. Dies kann einen bedeutenden (z. B. etwa 30%) Leistungszusatz ergeben.
Hochdruckluft ist im Drucktank 214 gespeichert, also braucht es nicht notwendig sein, eine äußere Leistung zu verwenden, um den Motor zu starten. Während der Startens sind sowohl die Kompressorkupplung 202 als auch die Expanderkupplung 208 ausgekuppelt. Die Ventile 211 und 212 sind offen, und das Ventil 210 ist geschlossen. Sobald der Brenner 112 heiß ist, und der Expander 114 auf Geschwindigkeit ist, würden die Ventile und Kupplungen für den Dauerbetrieb eingestellt.
Der Drucktank 214 kann nicht vorgesehen werden, und eine äußere Energiequelle wird verwendet, um den Motor zu starten.
Der Motor weist viele potentielle Anwendungen auf. Zum Beispiel kann der Motor in Lokomotiven verwendet werden. Aufgrund des großen Energieverbrauchs von Lokomotiven, sind alle energieeffizienten Merkmale (Rückgewinnungsbremse, Gegenstromwärmeaustauscher, Wassereinspritzung, variable Kompressionsverhältnissteuerung) gerechtfertigt. Der Drucklufttank kann ein Hochdrucktank-Eisenbahnwagen sein, der sich hinter der Lokomotive befindet. Wirtschaftliche Untersuchungen zeigen, daß ein Zug, der mehr als fünfmal am Tag anhält, die Ausgabe eines solchen Lufttanks rechtfertigen kann.
In der Schiffsindustrie brauchen Boote und Schiffe keine Rückgewinnungsbremse. Andere energieeffiziente Merkmale (Gegenstromwärmeaustauscher, Wassereinspritzung, variable Kompressionsverhältnissteuerung) können jedoch gerechtfertigt sein.
Der Motor kann mit einer Zugmaschine/Anhängern verwendet werden. Aufgrund des hohen Energieverbrauchs von Zugmaschine/Anhängern können alle energieeffizienten Merkmale (Rückgewinnungsbremse, Gegenstromwärmeaustausch, Wassereinspritzung, variable Kompressionsverhältnissteuerung) gerechtfertigt sein. Der Drucklufttank könnte unter dem Anhänger angeordnet sein.
Der Motor könnte bei Bussen verwendet werden. Aufgrund des großen Energieverbrauchs von Bussen können alle energieeffizienten Merkmale (Rückgewinnungsbremse, Gegenstromwärmeaustauscher, Wassereinspritzung, variable Kompressionsverhältnissteuerung) gerechtfertigt sein. Der Drucklufttank kann unter dem Bus angeordnet sein. Aufgrund ihrer häufigen Stopps ist die Wartung der Reibungsbremse eine der größten Ausgaben für Stadtbusse; die Rückgewinnungsbremsanlage würde diese Ausgabe drastisch reduzieren.
In Autos steht Platz hoch im Kurs, und Sicherheit ist von großer Wichtigkeit. Einige Autodesigner könnten sich dagegen sträuben, Hochdrucklufttanks im Fahrzeug anzuordnen, daher könnte die Rückgewinnungsbremse nicht in Autos eingebaut werden. Jedoch könnten Energiewirkungsgradmerkmale (Gegenstromwärmeaustauscher, Wassereinspritzung) ohne große Einbußen verwendet werden. Zur Einfachheit kann die Motorsteuerung eher unter Verwendung einer Drosselung als durch ein variables Kompressionsverhältnis erzielt werden.
Der quasi-isotherme Brayton-Kreisprozeßmotor kann auch für stationäre Energieerzeungsanwendungen verwendet werden, wie zur Elektrizitätserzeugung oder zum Betreiben einer industriellen Maschinerie, wie Pumpen, Kompressoren, Gebläsen usw. In diesem Fall können alle anderen energieeffizienten Merkmale als die Rückgewinnungsbremse, wie der Gegenstromwärmeaustauscher, die Wassereinspritzung und die variable Kompressionsverhältnissteuerung verwendet werden.
Beispiel
Um ein vollständigeres Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird im folgenden ein Beispiel bereitgestellt. Jedoch ist der Rahmen der Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, die in diesem Beispiel offenbart werden, das nur zu Veranschaulichungszwecken dient.
Energiewirkungsgrad
Die folgende Tabelle 1 faßt die Ergebnisse einer Wirkungsgradanalyse einer Ausführungsform des Motors zusammen. Drei Gegenstromwärmeaustauscher wurden betrachtet: rostfreier Stahl, eine Hochlegierung und Keramik. Es wurden zwei Annäherungstemperaturen betrachtet (50 und 100 K), die beide einfach erzielt werden. Außerdem wurden zwei Kompressor-/Expanderwirkungsgrade betrachtet: 0,7 und 0,8. (Anmerkung: Der Kompressorwirkungsgrad wird berechnet als die theoretische reversible Leistung, die unter der Voraussetzung perfekter Wasserverdampfung erforderlich ist, dividiert durch die tatsächlich benötigte Leistung. Der Expanderwirkungsgrad wird als die tatsächliche Energieerzeugung dividiert durch die theoretische reversible Leistung berechnet, die durch einen adiabatischen Expander erzeugt wird). Abhängig von den Voraussetzungen reichen die Motorwirkungsgrade von 0,44 bis 0,64.
Tabelle 1: Motorwirkungsgrad als Funktion der Brennertemperatur, der wärmeaustauscherannäherungstemperatur und des Kompressor-/Expanderwirkungsgrads
Abmessungen
Die 12a und 12b zeigen die ungefähren Abmessungen des Gerotorkompressors bzw. des Expanders gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für einen 100-kW Motor bei zwei Drehzahlen: 3000 min^–1 und 10000 min^–1. Es sollte beachtet werden, daß bei beiden Drehzahlen die Abmessungen sehr kompakt sind.
13 zeigt die ungefähren Abmessungen des Gegenstromwärmeaustauschers. In einem Fall ist der Wärmeaustauscher dafür bemessen, die Wärme für den Motor zu übertra gen, der mit voller Last (100 kW) arbeitet. Hier wird vorausgesetzt, daß der Motor unter Verwendung der Verfahrens des variablen Kompressionsverhältnisses gesteuert wird. Mit dieser Steuerungsstrategie ist bei einer gegebenen Drehzahl der Luftstrom durch den Motor unabhängig von der Drehmomentabgabe derselbe; daher muß der Wärmeaustauscher für die maximale Leistungsabgabe bemessen sein. In einem anderen Fall würde der Motor gedrosselt werden, um die Motorleistung zu reduzieren. Dies reduziert den Massenstrom durch den Motor, was den Betrag der Gegenstromwärmeübertragung reduziert. 13 zeigt die Abmessungen, die dem gedrosselten Massenstrom entsprechen, der erforderlich ist, um 10 kW Leistung zu erzeugen.
14 zeigt die ungefähren Abmessungen der Drucklufttanks, die für die Rückgewinnungsbremse verwendet werden. Diese Abmessungen sind für eine Fahrzeugmasse von 3000 Pfund (1364 kg). Es werden zwei Rückgewinnungsbremsoptionen gezeigt: 45 auf 0 mph und 60 aus 0 mph. Da eine Bremsung aus hoher Geschwindigkeit weniger üblich ist, sollte die niedrigere Geschwindigkeit ausreichend sein. In einem Konzept sind die Lufttanks wie ein Floß verbunden, das unter dem Fahrzeug angeordnet wäre. Potentiell könnten diese Tanks ein integraler Bestandteil der Autostruktur sein. Alternativ könnten die komprimierte Luft in Zylindern oder Kugeln gespeichert sein.
Der quasi-isotherme Kompressor benötigt nur 1,4% mehr Leistung als ein wirklich isothermer Kompressor, daher nähert er sich einem isothermen Kompressor nahe an. Er benötigt 22% weniger Energie als ein adiabatischer Kompressor, daher sind seine Energieeinsparungen beträchtlich. Aufgrund der niedrigen Energieanforderungen des Kompressors verwendet der quasi-isotherme Brayton-Kreisprozeßmotor 22% weni ger Kraftstoff als ein herkömmlicher Brayton-Kreisprozeß mit Regenerator. Um diesen Energiewirkungsgrad zu erzielen, werden zwei Liter Wasser pro Liter Kraftstoff benötigt, da jedoch der Motor dreimal effizienter als Otto-Kreisprozeßmotoren ist, beträgt die Gesamtmenge der Fluide, die am Fahrzeug mitgeführt werden müssen, etwa dieselbe, wie sie herkömmliche Fahrzeuge gegenwärtig mit sich führen.
Der quasi-isotherme Brayton-Kreisprozeßmotor bietet eine Alternative zu anderen Motormöglichkeiten. Er verspricht Verschmutzungs- und Wirkungsgradeigenschaften, die für Brennstoffzellen typisch sind, jedoch sollten aufgrund seiner Einfachheit die Kapitalkosten mit herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren vergleichbar sein.
Während die Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen und Beispielen beschrieben worden ist, sollte durch Fachleute verstanden werden, daß andere Variationen und Modifikationen der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Andere Ausführungsformen werden Fachleuten aus einer Betrachtung der Beschreibung oder der Praxis der hierin offenbarten Erfindung deutlich werden. Es wird beabsichtigt, daß die Beschreibung nur als exemplarisch betrachtet wird, wobei der wahre Rahmen der Erfindung durch die folgenden Ansprüche angegeben wird.

Claims

Nicht freitragender Gerotorkompressor, der aufweist: einen inneren Gerotor; einen äußeren Gerotor; eine erste Lageranordnung, die zum Stützen des inneren Gerotors angepasst ist, wobei die erste Lageranordnung ausschließlich auf einer ersten Seite einer Dichtungsplatte angeordnet ist; eine zweite Lageranordnung, die zum Stützen des äußeren Gerotors angepasst ist, wobei mindestens ein Abschnitt der zweiten Lageranordnung auf einer zweiten Seite der Dichtungsplatte angeordnet ist; eine Ventilplatte, die angrenzend an ein Ende des äußeren Gerotors angeordnet ist; und eine feststehende mittlere Welle, die mit der Ventilplatte verbunden ist, wobei der innere Gerotor durch ein erstes Zahnrad und der äußere Gerotor durch ein zweites Zahnrad angetrieben wird.
Gerotorkompressor nach Anspruch 1, wobei der innere Gerotor und der äußere Gerotor sich nicht berühren.
Nicht freitragender Gerotorexpander, der aufweist: einen inneren Gerotor; einen äußeren Gerotor; eine erste Lagerandordnung, die zum Stützen des inneren Gerotors angepasst ist, wobei die erste Lageranordnung ausschließlich auf einer ersten Seite einer Dichtungsplatte angeordnet ist; eine zweite Lagerandordnung, die zum Stützen des äußeren Gerotors angepasst ist, wobei mindestens ein Abschnitt der zweiten Lageranordnung auf einer zweiten Seite der Dichtungsplatte angeordnet ist; eine Ventilplatte, die angrenzend an ein Ende des äußeren Gerotors angeordnet ist; und eine feststehende mittlere Welle, die mit der Ventilplatte verbunden ist, wobei der innere Gerotor durch ein erstes Zahnrad und der äußere Gerotor durch ein zweites Zahnrad betätigt wird;
Gerotorexpander nach Anspruch 3, wobei der innere Gerotor und der äußere Gerotor sich nicht berühren.