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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschinenanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen, die mit organischen Kraftstoffen, insbesondere auf fossilen Energieträgern basierenden Kraftstoffen oder auch synthetisch hergestellten, kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen betrieben werden, emittieren typischerweise Kohlendioxid, Stickoxide und weitere, in der Regel unerwünschte Spezies. Um Treibhausgase wie Kohlendioxid oder Methan zu reduzieren oder ganz zu vermeiden, können Brennkraftmaschinen auch mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben werden. Soweit dabei Umgebungsluft als Sauerstoffquelle verwendet wird, emittieren aber auch derart betriebene Brennkraftmaschinen neben Wasserdampf noch Stickoxide. Ein Betrieb ausschließlich mit Wasserstoff und reinem Sauerstoff ist zumindest bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen in terrestrischen, maritimen oder auch Luftfahrt-Anwendungen jenseits von Raketenmotoren nicht möglich, da bei gegebener Drehmomentanforderung keine ausreichende Brennraumfüllung bei zugleich geeignetem Sauerstoff-Wasserstoff-Verhältnis bereitgestellt werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschinenanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest reduziert, vorzugsweise vermieden sind.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Brennkraftmaschinenanordnung geschaffen wird, die eine Brennkraftmaschine und einen Arbeitsgaspfad aufweist. Ein Strömungseinlass des Arbeitsgaspfads ist strömungstechnisch mit einer mindestens einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeordneten Auslassöffnung verbunden. Ein Strömungsauslass des Arbeitsgaspfads ist strömungstechnisch mit einer dem mindestens einen Brennraum zugeordneten Einlassöffnung verbunden. Die Brennkraftmaschinenanordnung weist eine Sauerstoffzufuhrvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um dem mindestens einen Brennraum Sauerstoff zuzuführen. Die Brennkraftmaschinenanordnung weist außerdem eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung auf, die eingerichtet ist, um dem mindestens einen Brennraum Wasserstoff zuzuführen. Der Arbeitsgaspfad ist eingerichtet, um im Betrieb der Brennkraftmaschinenanordnung ein bezüglich einer in dem Brennraum ablaufenden Verbrennung inertes Arbeitsgas von der Auslassöffnung zu der Einlassöffnung zu führen, sodass der Arbeitsgaspfad und die Brennkraftmaschine für das Arbeitsgas einen geschlossenen Kreislauf bilden. Vorteilhaft wird auf diese Weise mit dem Arbeitsgas eine ausreichende Brennraumfüllung bereitgestellt, wobei zugleich bei gegebener Drehmomentanforderung ein geeignetes Sauerstoff-Wasserstoff-Verhältnis eingestellt werden kann. Zugleich entsteht bei der Verbrennung in dem Brennraum lediglich Wasser, da als Reaktionspartner zumindest im Wesentlichen - gegebenenfalls bis auf unvermeidbare Verunreinigungen -, insbesondere ausschließlich Sauerstoff und Wasserstoff vorhanden sind, wobei das Arbeitsgas an der Verbrennungsreaktion nicht teilnimmt. Insbesondere werden dem Brennraum - gegebenenfalls bis auf unvermeidbare Verunreinigungen - ausschließlich Sauerstoff, Wasserstoff und das Arbeitsgas zugeführt. Die Brennkraftmaschine emittiert keine unerwünschten Treibhausgase oder Schadstoffe wie Stickoxide. Da das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, entstehen zum einen keine Verluste an Arbeitsgas, und zum anderen bedarf es auch keiner Nachspeisung oder externen Zufuhr von Arbeitsgas während des laufenden Betriebs der Brennkraftmaschine. Insbesondere ist das einzige Produkt der Umsetzung in dem Brennraum Wasser, sodass Wasser auch die einzige Emission der Brennkraftmaschine darstellt. Somit realisiert die Brennkraftmaschinenanordnung ein Null-Emissions-Konzept. Vorteilhaft können der Sauerstoff und der Wasserstoff insbesondere als Reinstoffe durch einen vorgelagerten Elektrolyseprozess, insbesondere aus Wasser, gewonnen und in separaten Behältern getrennt voneinander zwischengespeichert werden. Insbesondere können der Sauerstoff und der Wasserstoff in ihren separaten Behältern mit der Brennkraftmaschinenanordnung mitgeführt werden, wenn diese zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere Luftfahrzeugs, verwendet wird.
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Vorteilhaft weist die Brennkraftmaschinenanordnung außerdem reduzierte Schallemissionen auf, insbesondere da das Arbeitsgas im Kreislauf geführt und nicht in die Umgebung entlassen wird. Aus diesem Grund ist die Brennkraftmaschinenanordnung auch insbesondere eingerichtet zum Antrieb eines Propellers oder dergleichen, insbesondere wenn sie für den Antrieb eines Luftfahrzeugs verwendet wird.
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Dass der Kreislauf für das Arbeitsgas geschlossen ist, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass der Kreislauf mit Blick auf das Arbeitsgas geschlossen ist, sodass dem Kreislauf im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine weder neues Arbeitsgas zugeführt, wird noch - gegebenenfalls bis auf unvermeidbare Verluste - Arbeitsgas aus dem Kreislauf abgeführt wird. Mit Blick auf andere Stoffe, wie Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser, ist der Kreislauf dagegen offen, da im Betrieb der Brennkraftmaschine fortlaufend Sauerstoff und Wasserstoff zu- sowie Wasser abgeführt wird. Bezogen auf alle zumindest bereichsweise entlang des Arbeitsgaspfads geförderten Stoffe ist der Kreislauf somit teilweise geschlossen. Insbesondere ist der Kreislauf offen in Bezug auf Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser.
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Das Arbeitsgas wird insbesondere vollständig, oder anders ausgedrückt quantitativ, entlang des Arbeitsgaspfads geführt, dies bedeutet insbesondere, dass - gegebenenfalls bis auf unvermeidbare Verluste - kein Arbeitsgas entweicht oder abgeführt wird.
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Dass die Auslassöffnung dem mindestens einen Brennraum zugeordnet ist, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass die Auslassöffnung mit dem Brennraum derart in strömungstechnischer Verbindung ist, dass ein Stoffstrom aus dem Brennraum vermittelt über die Auslassöffnung austreten und insbesondere in den Strömungseinlass des Arbeitsgaspfads eintreten kann. Dabei ist es möglich, dass der Brennraum die Auslassöffnung unmittelbar aufweist, die Auslassöffnung also direkt eine Auslassöffnung des Brennraums ist. Es ist aber auch möglich, dass die Auslassöffnung stromabwärts des Brennraums angeordnet ist.
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Dass die Einlassöffnung dem mindestens einen Brennraum zugeordnet ist, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass die Einlassöffnung mit dem Brennraum derart in strömungstechnischer Verbindung ist, dass ein Stoffstrom - insbesondere aus dem Strömungsauslass des Arbeitsgaspfads austretend - vermittelt über die Einlassöffnung in den Brennraum eintreten kann. Dabei ist es möglich, dass der Brennraum die Einlassöffnung unmittelbar aufweist, die Einlassöffnung also direkt eine Einlassöffnung des Brennraums ist. Es ist aber auch möglich, dass die Einlassöffnung stromaufwärts des Brennraums angeordnet ist.
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Es ist möglich, dass die Einlassöffnung und die Auslassöffnung demselben Brennraum zugeordnet sind. Es ist aber auch möglich, dass die Einlassöffnung und die Auslassöffnung verschiedenen Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Insbesondere ist es möglich, dass die Einlassöffnung und die Auslassöffnung einer Mehrzahl von Brennräumen, insbesondere einer Mehrzahl von Brennräumen gemeinsam, zugeordnet sind.
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Insbesondere ist es möglich, dass die Einlassöffnung eine der Brennkraftmaschine insgesamt zugeordnete Einlassöffnung ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Auslassöffnung eine der Brennkraftmaschine insgesamt zugeordnete Auslassöffnung ist.
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In einer Ausführungsform ist der Strömungseinlass des Arbeitsgaspfads die dem Brennraum zugeordnete Auslassöffnung. Alternativ oder zusätzlich ist der Strömungsauslass des Arbeitsgaspfads die dem Brennraum zugeordnete Einlassöffnung.
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Dass das Arbeitsgas gegenüber der Verbrennung in dem Brennraum inert ist, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass das Arbeitsgas an der Verbrennungsreaktion in dem Brennraum nicht teilnimmt. Insbesondere wird das Arbeitsgas in dem Brennraum chemisch nicht verändert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sauerstoffzufuhrvorrichtung eingerichtet ist, um stromaufwärts der Einlassöffnung Sauerstoff in den Arbeitsgaspfad einzubringen. Dies stellt eine besonders einfache und zugleich effektive Möglichkeit dar, dem Brennraum Sauerstoff zuzuführen. Insbesondere wird der Sauerstoff dem Arbeitsgas stromaufwärts der Einlassöffnung zugemischt. Insbesondere ist die Sauerstoffzufuhrvorrichtung eingerichtet, um den Sauerstoff stromaufwärts eines Verdichters in den Arbeitsgaspfad einzubringen.
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In einer Ausführungsform der Brennkraftmaschinenanordnung ist die Sauerstoffzufuhrvorrichtung als Gasmischer ausgebildet. Die Sauerstoffzufuhrvorrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um einen Sauerstoff-Massenstrom in das Arbeitsgas zu beeinflussen, insbesondere einzustellen.
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In einer Ausführungsform weist die Brennkraftmaschinenanordnung eine Steuervorrichtung auf, die mit der Sauerstoffzufuhrvorrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um durch geeignete Ansteuerung der Sauerstoffzufuhrvorrichtung ein Partialdruckverhältnis zwischen dem Sauerstoff und dem Arbeitsgas - insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine - einzustellen, insbesondere zu steuern oder zu regeln.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wasserstoffzufuhrvorrichtung eingerichtet ist, um Wasserstoff direkt in den mindestens einen Brennraum einzubringen. Dies stellt eine ebenso einfache wie effiziente Möglichkeit dar, den Wasserstoff in den Brennraum einzubringen.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Wasserstoffzufuhrvorrichtung eingerichtet, um den Wasserstoff indirekt in den Brennraum einzubringen, insbesondere indem der Wasserstoff stromaufwärts der Einlassöffnung, insbesondere stromaufwärts des Verdichters, in den Arbeitsgaspfad eingebracht wird. Wird der Wasserstoff stromaufwärts des Verdichters zugeführt, hat dies den Vorteil, dass der Wasserstoff nicht auf einem hohen Druckniveau bereitgestellt werden muss; vielmehr wird der Druck des Wasserstoffs zusammen mit dem Druck des Arbeitsgases durch den Verdichter erhöht.
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In einer Ausführungsform der Brennkraftmaschinenanordnung ist die Wasserstoffzufuhrvorrichtung als Injektionsvorrichtung, insbesondere mit mindestens einem Wasserstoff-Injektor, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Wasserstoff-Injektoren, ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist die Wasserstoffzufuhrvorrichtung bevorzugt eingerichtet, um den Wasserstoff kontinuierlich - direkt oder indirekt - in den Brennraum einzubringen. In einer Ausführungsform ist die Wasserstoffzufuhrvorrichtung als Gasmischer ausgebildet. Die Wasserstoffzufuhrvorrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um einen Wasserstoff-Massenstrom in den Brennraum zu beeinflussen, insbesondere einzustellen, vorzugsweise durch Einstellen eines Wasserstoffdrucks stromaufwärts des mindestens einen Wasserstoff-Injektors oder Gasmischers.
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In einer Ausführungsform weist die Brennkraftmaschinenanordnung eine Steuervorrichtung auf, insbesondere die bereits zuvor erwähnte Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung mit der Wasserstoffzufuhrvorrichtung wirkverbunden und eingerichtet ist, um durch geeignete Ansteuerung der Wasserstoffzufuhrvorrichtung den Wasserstoff-Massenstrom in den Brennraum - insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine - einzustellen, insbesondere zu steuern oder zu regeln.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arbeitsgaspfad eine Abscheidevorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um Wasser aus dem Arbeitsgas abzuscheiden. Auf diese Weise kann vorteilhaft das einzige Produkt der Verbrennungsreaktion in dem Brennraum aus dem Arbeitsgas abgeführt werden, sodass das von dem Produkt befreite Arbeitsgas dem Brennraum wieder zugeführt werden kann. Dabei ist es unschädlich, wenn gegebenenfalls insbesondere geringe Rest-Anteile von Wasser im Arbeitsgas verbleiben.
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Aufgrund der Temperatur in dem Brennraum entsteht das Wasser dort insbesondere in dampfförmigem Zustand. Die Abscheidevorrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um das Wasser in flüssiger Form aus dem Arbeitsgas abzuscheiden. Dabei ist es möglich, dass die Abscheidevorrichtung eingerichtet ist, um das dampfförmige Wasser zu kondensieren. Insbesondere kann die Abscheidevorrichtung als Wärmetauscher ausgebildet sein oder einen Wärmetauscher aufweisen. Alternativ oder zusätzlich ist die Abscheidevorrichtung eingerichtet, um zuvor bereits kondensiertes Wasser aus dem Arbeitsgas abzuscheiden. Insbesondere kann die Abscheidevorrichtung als Fliehkraftabscheider, insbesondere als Zyklon, oder als Filtervorrichtung ausgebildet sein. Die Abscheidevorrichtung kann auch eine semipermeable Membran aufweisen, die insbesondere für Wasser durchlässig ist. Auch ist es möglich, dass die Abscheidevorrichtung nach dem Prinzip der Schwerkraft arbeitet, und/oder nach Art eines Ölabscheiders, insbesondere mit einer Netzstruktur. Insbesondere wenn das Wasser abgeführt wird, ist es möglich, dass die Abscheidevorrichtung als Siphon ausgebildet ist.
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In einer Ausführungsform weist die Brennkraftmaschinenanordnung einen Wasserbehälter auf, in dem das aus dem Arbeitsgas abgeschiedene Wasser zwischengespeichert wird. Vorteilhaft kann somit das abgeschiedene Wasser wieder einem Elektrolyseprozess zugeführt werden, um daraus erneut Wasserstoff und Sauerstoff, insbesondere für den Betrieb der Brennkraftmaschinenanordnung, zu erzeugen. Aufgrund des Gesetzes der Massenerhaltung ist dies selbst dann unproblematisch, wenn die Brennkraftmaschinenanordnung zum Antrieb eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs oder Hubschraubers, verwendet wird; lediglich behält das Luftfahrzeug dann im Laufe eines Flugs sein Startgewicht bei, und wird nicht - wie dies herkömmlicherweise der Fall ist - während des Fluges leichter.
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In einer anderen Ausführungsform der Brennkraftmaschinenanordnung ist vorgesehen, dass das abgeschiedene Wasser abgeführt wird. Dies ist vorteilhaft möglich, da das Wasser unschädlich für die Umwelt ist. Wird die Brennkraftmaschinenanordnung zum Antrieb eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs oder Hubschraubers verwendet, wird dann das Luftfahrzeug im Laufe eines Fluges ausgehend von seinem Startgewicht leichter.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arbeitsgaspfad eine Kühlvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um das Arbeitsgas zu kühlen. Mittels der Kühlvorrichtung kann das aus dem Brennraum ausgetretene Arbeitsgas vorteilhaft gekühlt werden, wobei insbesondere in dem Brennraum in das Arbeitsgas eingetragene Energie abgeführt und somit eine Akkumulation thermischer Energie in dem im Kreislauf geführten Arbeitsgas vermieden werden kann.
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Die Kühlvorrichtung ist insbesondere stromaufwärts der Abscheidevorrichtung angeordnet. Vorteilhaft ist es dann möglich, zusätzlich das in dem aus dem Brennraum kommenden Arbeitsgas enthaltene Wasser in der Kühlvorrichtung zu kondensieren, und dann das kondensierte Wasser in der Abscheidevorrichtung abzuscheiden. Die Prozesse der Kondensation und der Abscheidung des Wassers können dann vorteilhaft voneinander getrennt und separat optimiert werden.
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In einer Ausführungsform der Brennkraftmaschinenanordnung weist die Kühlvorrichtung einen Wärmetauscher auf oder ist als Wärmetauscher ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschinenanordnung frei ist von einem in eine Umgebung der Brennkraftmaschinenanordnung mündenden Abgaspfad. Dies bedeutet insbesondere, dass die Brennkraftmaschinenanordnung keinen in die Umgebung mündenden Abgaspfad aufweist. Vorteilhaft ist die Brennkraftmaschinenanordnung emissionsfrei. Als Abgas entsteht in dem Brennraum lediglich ein Gemisch aus Wasserdampf und dem Arbeitsgas, wobei das Wasser aus dem Arbeitsgas abgeschieden und das Arbeitsgas seinerseits wiederum in den Brennraum zurückgeführt wird. Somit kann auf einen Abgaspfad vorteilhaft verzichtet werden. In die Umgebung der Brennkraftmaschine wird gegebenenfalls lediglich das entstandene Wasser entlassen, wenn dieses nicht in einem Wasserbehälter gesammelt wird. Wird das Wasser in dem Wasserbehälter gesammelt, wird im Betrieb der Brennkraftmaschine - gegebenenfalls bis auf unvermeidbare Leckagen - kein Stoff in die Umgebung abgeführt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine als Gasturbine ausgebildet ist. Im Betrieb einer Gasturbine ergeben sich in besonderer Weise die bereits erwähnten Vorteile, insbesondere wenn die Gasturbine als stationäre Gasturbine oder zum Antrieb eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs oder eines Hubschraubers, eingesetzt wird. In dem letzten Fall fallen insbesondere in kritischen Atmosphärenschichten keinerlei Emissionen - bis auf gegebenenfalls abgelassenes Wasser - an. Wenn die Gasturbine stationär insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Energie verwendet wird, erweist es sich als vorteilhaft, dass emissionsfreie Regelenergie zur Stabilisierung des Stromnetzes bereitgestellt werden kann.
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In einer Ausführungsform weist die Gasturbine einen Verdichter, den Brennraum in Form einer Brennkammer sowie eine Turbine auf.
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Insbesondere wird das in der Sauerstoffzufuhrvorrichtung mit Sauerstoff vermischte Arbeitsgas dem Verdichter zugeführt, in dem Verdichter verdichtet, und als verdichtetes Sauerstoff Arbeitsgas-Gemisch in die Brennkammer geleitet. Der Brennkammer wird insbesondere kontinuierlich Wasserstoff unter Druck zugeführt. Der Wasserstoff reagiert in der Brennkammer unter Abgabe von Wärme mit dem Sauerstoff zu Wasserdampf. Das entstehende heiße Wasserdampf-Arbeitsgas-Gemisch wird in die Turbine geleitet und verrichtet dort Arbeit, welche an einer Turbinenausgangswelle abgenommen werden kann.
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Das als Abgas anfallende Wasserdampf-Arbeitsgas-Gemisch, das aus der Turbine austritt, wird insbesondere in die Kühlvorrichtung geleitet, und der Wasserdampf wird teilweise oder vollständig kondensiert. Anschließend wird das flüssige Wasser in der Abscheidevorrichtung abgeschieden und gespeichert oder abgeführt. Das verbleibende Arbeitsgas, gegebenenfalls mit einem Rest-Anteil an Wasserdampf, wird wiederum der Sauerstoffzufuhrvorrichtung zur Anreicherung mit Sauerstoff zugeführt. Somit beginnt der Kreislauf von neuem.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschinenanordnung eine elektrische Maschine aufweist, wobei die Brennkraftmaschine mit der elektrischen Maschine antriebswirkverbunden ist. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine mit der elektrischen Maschine derart wirkverbunden, dass die Brennkraftmaschine die elektrische Maschine antreiben kann. Die elektrische Maschine ist insbesondere als Generator betreibbar. Insbesondere ist die Brennkraftmaschinenanordnung als stationäre Brennkraftmaschinenanordnung, insbesondere als Generatorsatz oder Genset ausgebildet. Vorteilhaft kann auf diese Weise mittels der Brennkraftmaschinenanordnung emissionsfrei elektrische Energie bereitgestellt werden, insbesondere Regelenergie. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine zusätzlich als Gasturbine ausgebildet ist, kann mittels der Brennkraftmaschinenanordnung emissionsfreie Regelenergie auf einer kurzen Zeitskala bereitgestellt werden, um das Stromnetz zu stabilisieren. Dies wirkt sich insbesondere im Kontext der Energiewende mit der zunehmenden Einbindung volatiler Energiequellen in das Stromnetz vorteilhaft aus.
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In einer Ausführungsform weist die Brennkraftmaschinenanordnung zusätzlich oder alternativ eine mechanische Vorrichtung auf, die mit der Brennkraftmaschine antriebswirkverbunden ist, insbesondere derart, dass die Brennkraftmaschine die mechanische Vorrichtung antreiben kann. Insbesondere ist die mechanische Vorrichtung eine Pumpe oder ein Propeller. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine eingerichtet, um Wellenenergie direkt für den mechanischen Antrieb der mechanischen Vorrichtung, insbesondere der Pumpe oder des Propellers, bereitzustellen.
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Zur Erfindung gehört auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung oder einer Brennkraftmaschinenanordnung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. In Zusammenhang mit dem Fahrzeug ergeben sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschinenanordnung erläutert wurden. Die Brennkraftmaschinenanordnung ist bevorzugt eingerichtet zum Antrieb des Fahrzeugs, oder als Hilfsaggregat des Fahrzeugs, beispielsweise zur Stromerzeugung.
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In einer Ausführungsform ist das Fahrzeug als Luftfahrzeug, insbesondere als Flugzeug oder Hubschrauber, ausgebildet.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei einem Brennraum der Brennkraftmaschine Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt wird, wobei der Wasserstoff mit dem Sauerstoff in einer Verbrennungsreaktion in dem Brennraum zu Wasser umgesetzt wird, wobei dem Brennraum außerdem ein bezüglich der Verbrennungsreaktion inertes Arbeitsgas zugeführt wird, und wobei das Arbeitsgas aus dem Brennraum abgeführt und dem Brennraum in einem für das Arbeitsgas geschlossenen Kreislauf wieder zugeführt wird. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschinenanordnung beschrieben wurden. Insbesondere wird kein Abgas in eine Umgebung der Brennkraftmaschine entlassen.
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Insbesondere wird als Arbeitsgas ein Inertgas - insbesondere bezogen auf die Bedingungen in den Brennraum während des Betriebs der Brennkraftmaschine - verwendet. Dies bedeutet insbesondere, dass das als Arbeitsgas ein Gas verwendet wird, das an der Verbrennungsreaktion in dem Brennraum nicht teilnimmt, insbesondere in dem Brennraum nicht chemisch verändert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Arbeitsgas ein einatomiges Gas verwendet wird. Vorteilhaft weist ein einatomiges Gas einen sehr hohen Polytropenkoeffizient insbesondere im Vergleich mit Stickstoff auf, wodurch der maximale theoretische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Vergleich zu einer mit Verbrennungsluft betriebenen Brennkraftmaschine gesteigert werden kann. Die Brennkraftmaschine kann somit einen sehr hohen mechanischen - oder in Kombination mit einer elektrischen Maschine auch elektrischen - Wirkungsgrad aufweisen.
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Insbesondere wird als Arbeitsgas ein Edelgas verwendet, insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. In einer Ausführungsform wird als Arbeitsgas Argon verwendet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Arbeitsgas, nachdem es aus dem Brennraum abgeführt wurde und bevor es wieder in den Brennraum zurückgeführt - das heißt eingebracht - wird, Wasser entzogen wird. Das Wasser kann insbesondere in einem Wasserbehälter gespeichert oder in die Umwelt entlassen werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sauerstoff dem Arbeitsgas zugeführt wird, bevor das Arbeitsgas wieder in den Brennraum zurückgeführt - das heißt eingebracht - wird. Insbesondere wird ein Partialdruckverhältnis zwischen Sauerstoff und Arbeitsgas - insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine - eingestellt, vorzugsweise gesteuert oder geregelt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserstoff direkt dem Brennraum zugeführt, das heißt direkt in den Brennraum eingebracht wird. Alternativ ist es möglich, dass der Wasserstoff dem Arbeitsgas stromaufwärts der Einlassöffnung zugeführt wird. Insbesondere wird ein Massenstrom von Wasserstoff in den Brennraum - insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine - eingestellt, vorzugsweise gesteuert oder geregelt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Brennkraftmaschine eine Gasturbine betrieben wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschinenanordnung.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschinenanordnung 1. die Brennkraftmaschinenanordnung 1 weist eine Brennkraftmaschine 3 und einen Arbeitsgaspfad 5 auf. Ein Strömungseinlass 7 des Arbeitsgaspfads 5 ist strömungstechnisch mit einer mindestens einem Brennraum 9 der Brennkraftmaschine 3 zugeordneten Auslassöffnung 11 verbunden. Ein Strömungsauslass 13 des Arbeitsgaspfads 5 ist strömungstechnisch mit einer dem Brennraum 9 zugeordneten Einlassöffnung 15 verbunden. Die Brennkraftmaschinenanordnung 1 weist eine Sauerstoffzufuhrvorrichtung 17 auf, die eingerichtet ist, um dem Brennraum 9 Sauerstoff zuzuführen. Außerdem weist die Brennkraftmaschinenanordnung 1 eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung 19 auf, die eingerichtet ist, um dem Brennraum 9 Wasserstoff zuzuführen. Der Arbeitsgaspfad 5 ist eingerichtet, um im Betrieb der Brennkraftmaschinenanordnung 1 ein von der Auslassöffnung 11 kommendes, bezüglich einer in dem Brennraum 9 ablaufenden Verbrennung inertes Arbeitsgas - insbesondere vollständig - zurück zu der Einlassöffnung 15 zu führen, sodass der Arbeitsgaspfad 5 und die Brennkraftmaschine 3 für das Arbeitsgas einen geschlossenen Kreislauf bilden. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine 3 vorteilhaft emissionsfrei betrieben werden.
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Die Sauerstoffzufuhrvorrichtung 17 ist bevorzugt eingerichtet, um stromaufwärts der Einlassöffnung 15, insbesondere stromaufwärts des Strömungsauslass 13, Sauerstoff in den Arbeitsgaspfad 5 einzubringen. Insbesondere ist die Sauerstoffzufuhrvorrichtung 17 als Gasmischer ausgebildet.
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Die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 19 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere eingerichtet, um den Wasserstoff direkt in den Brennraum 9 einzubringen. Insbesondere weist die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 19 mindestens einen Wasserstoff-Injektor 21 auf. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass der Wasserstoff indirekt dem Brennraum 9 zugeführt, insbesondere stromaufwärts der Einlassöffnung 9 in den Arbeitsgaspfad 5 eingebracht wird.
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Der Arbeitsgaspfad 5 weist bevorzugt eine Abscheidevorrichtung 23 auf, die eingerichtet ist, um Wasser aus dem Arbeitsgas abzuscheiden. Das abgeschiedene Wasser kann in einem hier nicht dargestellten Wasserbehälter gesammelt oder in die Umgebung der Brennkraftmaschinenanordnung 1 entlassen werden.
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Der Arbeitsgaspfad 5 weist bevorzugt außerdem eine Kühlvorrichtung 25 auf, die eingerichtet ist, um das Arbeitsgas zu kühlen. Die Kühlvorrichtung 25 ist insbesondere stromaufwärts der Abscheidevorrichtung 23 angeordnet und bevorzugt eingerichtet, um das dampfförmig aus dem Brennraum 9 austretende Wasser zu kondensieren. Die Kühlvorrichtung 25 weist bevorzugt wenigstens einen Wärmetauscher auf oder ist als Wärmetauscher ausgebildet. Insbesondere weist die Kühlvorrichtung 25 bevorzugt einen Kühlmitteleinlass 27 und eine Kühlmittelauslass 29 auf.
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Insbesondere ist die Brennkraftmaschinenanordnung 1 frei von einem in eine Umgebung der Brennkraftmaschinenanordnung 1 mündenden Abgaspfad.
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Die Brennkraftmaschine 3 ist bevorzugt als Gasturbine 31 ausgebildet. Die Gasturbine 31 weist insbesondere einen Verdichter 33, den Brennraum 9 in Form einer Brennkammer 35, sowie eine Turbine 37 auf.
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Insbesondere wird das in der Sauerstoffzufuhrvorrichtung 17 mit Sauerstoff vermischte Arbeitsgas dem Verdichter 33 zugeführt, in dem Verdichter 33 verdichtet, und als verdichtetes Sauerstoff-Arbeitsgas-Gemisch in die Brennkammer 35 geleitet. Der Brennkammer 35 wird insbesondere kontinuierlich Wasserstoff unter Druck zugeführt. Der Wasserstoff reagiert in der Brennkammer 35 unter Abgabe von Wärme mit dem Sauerstoff zu Wasserdampf. Das entstehende heiße Wasserdampf-Arbeitsgas-Gemisch wird in die Turbine 37 geleitet und verrichtet dort Arbeit, welche an einer Turbinenausgangswelle 39 abgenommen werden kann.
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Das als Abgas anfallende Wasserdampf-Arbeitsgas-Gemisch, das aus der Turbine 37 austritt, wird insbesondere in die Kühlvorrichtung 25 geleitet, und der Wasserdampf wird teilweise oder vollständig kondensiert. Anschließend wird das flüssige Wasser in der Abscheidevorrichtung 23 abgeschieden und gespeichert oder abgeführt. Das verbleibende Arbeitsgas, gegebenenfalls mit einem Rest-Anteil an Wasserdampf, wird wiederum der Sauerstoffzufuhrvorrichtung 17 zur Anreicherung mit Sauerstoff zugeführt. Somit beginnt der Kreislauf von neuem.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschinenanordnung 1 außerdem eine elektrische Maschine 41 auf, wobei die Brennkraftmaschine 3, insbesondere die Gasturbine 31, mit der elektrischen Maschine 41 antriebswirkverbunden ist. Insbesondere ist die elektrische Maschine 41 mit der Turbinenausgangswelle 39 antriebswirkverbunden, sodass die insbesondere als Generator betreibbare elektrische Maschine 41 durch die Gasturbine 31 angetrieben werden kann. Insbesondere ist die Brennkraftmaschinenanordnung 1 als stationäres Genset ausgebildet.
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Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 wird dem Brennraum 9 Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt, wobei der Wasserstoff mit dem Sauerstoff in einer Verbrennungsreaktion in dem Brennraum 9 zu Wasser umgesetzt wird. Dem Brennraum 9 wird außerdem das bezüglich der Verbrennungsreaktion inerte Arbeitsgas zugeführt. Das Arbeitsgas wird aus dem Brennraum 9 abgeführt und dem Brennraum 9 in einem für das Arbeitsgas geschlossenen Kreislauf entlang des Arbeitsgaspfads 5 wieder zugeführt.
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Als das Arbeitsgas wird dabei insbesondere ein einatomiges Gas, insbesondere ein Edelgas, insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, und Radon, insbesondere Argon, verwendet.