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DE10062835A1 - Kolbenverbrennungsmotor mit sequentieller Dampfeinspritzung - Google Patents

Kolbenverbrennungsmotor mit sequentieller Dampfeinspritzung

Info

Publication number
DE10062835A1
DE10062835A1 DE10062835A DE10062835A DE10062835A1 DE 10062835 A1 DE10062835 A1 DE 10062835A1 DE 10062835 A DE10062835 A DE 10062835A DE 10062835 A DE10062835 A DE 10062835A DE 10062835 A1 DE10062835 A1 DE 10062835A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
steam
combustion chamber
chamber wall
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10062835A
Other languages
English (en)
Inventor
Erich Schneider
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
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Priority to DE10062835A priority Critical patent/DE10062835A1/de
Publication of DE10062835A1 publication Critical patent/DE10062835A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/02—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being water or steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
    • F02F7/0087—Ceramic materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/032—Producing and adding steam
    • F02M25/038—Producing and adding steam into the cylinder or the pre-combustion chamber
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen herkömmlichen Verbrennungsmotor mit Kurbeltrieb, bei dem ein Großteil der Verbrennungsenergie als Verlust über die Brennraumwandung an das Kühlmedium abgegeben wird. Ein derartiger Motor soll so verbessert werden, dass die thermischen Verluste abnehmen und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Maschine gesteigert wird. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, dass die Brennraumwandung des Motors thermisch isolierend beschichtet wird. Die isolierende Schicht dient gleichzeitig als Wärmespeicher für die Wärme, die zur Drucksteigerung des zyklisch eingespritzten Wasserdampfes genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine entsprechend dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, dass in herkömmlichen Verbrennungsmotoren der eingesetzte Kraft­ stoff zu 100% in Wärme umgesetzt wird, aber nur etwa ein Drittel davon in Arbeit umgewandelt werden kann. Der restliche Anteil von zwei Dritteln ist Abwärme und wird in den meisten Fällen ungenutzt an die Umwelt abgegeben.
Theoretisch müssten bei gutgeführten motorischen Prozessen 60-70% der verfüg­ baren Wärme in mechanische Energie wandelbar sein. Dieser Wert wird nicht er­ reicht, da der Verbrennungsprozess nicht perfekt geführt werden kann, hohe Wand­ wärmeverluste in Kauf genommen werden müssen und mechanische Verluste auf­ treten.
Um die Wärmeverluste zu reduzieren, wurde probiert die Brennraumwandung ther­ misch zu isolieren. Keramische Werkstoffe kamen zum Einsatzt. Die negativen Re­ zultate der Versuche beruhn darauf, dass nach Erreichender Betriebsparameter des Motors, die jetzt sehr heisse isolierende Beschichtung der Brennkammer Rückwirk­ ung auf die ablaufenden motorischen Prozesse hatte, diese Prozesse unkontrollierbar­ er wurden und dadurch der Wirkungsgrad der Maschine sank.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Brennraumwandung herkömmlicher Verbrennungs­ motoren thermisch zu isolieren um die Wärmeverluste zu reduzieren und weiterhin den kontrolierbaren Ablauf der Verbrennungsprozesse zu garantieren.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass nach ein paar verbrennungsmotorischen Zyklen, einer oder mehrere Zyklen mit Wasserdampfeinspritzung folgen, während derer die Maschine dampfmotorisch arbeitet.
Durch die Wasserdampfeinspritzung wird die überhitzte Brennraumwandung abge­ kühlt, die verbrennungsmotorischen Prozesse werden wieder kontrollierbar. Gleich­ zeitig wird die drucksteigernde Wärmewirkung der Wandung genutz.
Bei den bekannten Dampfmaschinen wird der Dampf mit höherer Temperatur in den Arbeitsraum eingebracht als die der Wandung. Somit findet eine Abkühlung des Mas­ senstroms schon während des Einbringens statt, mit den entsprechenden thermodyna­ mischen Verlusten.
Bei der vorliegenden Erfindung trägt die bei höherer Temperatur anliegende Wand­ wärme zur Dampfdruckerhöhung insbesondere während der Expansion bei.
Der motorische Mitteldruck kann über die eingespritzte Dampfmenge geregelt und so das Drehmoment an der Kurbelwelle konstant gehalten werden.
Das in Bild 1. dargestellte Beispiel zeigt einen Einzylinder-Viertaktmotor mit einem Pleuel-Kurbelwellentriebwerk 1 und einem Zylinder/Zylinderkopf mit integriertem Wandwärmetauscher 2.
Eine Speisepumpe 4 fördert Wasser unter hohem Druck in den Wärmetauscher 2, der den Motorbrennraum ummantelt. Hier wird die abgegebene Wandwärme dazu genutzt das Wasser zu erwärmen und teilweise zu verdampfen. Die vollständige Verdampfung findet im nachgeschalteten Wärmetauscher 3 statt, der die Abgasanlage, einschliess­ lich Katalysator, ummantelt. Hier wird den Verbrennungsabgasen die Wärme mög­ lichst vollständig entzogen. Der erzeugte Dampf wird anschliessend, von einem Ventil gesteuert, im richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge in den Brennraum/Ar­ beitsraum der Maschine eingebracht.
Die Maschine arbeitet wie folgt:
Der Viertaktmotor wird herkömmlich verbrennungsmotorisch gestartet. Sensoren in der Brennraumwandung stellen den Grad der Erwärmung der Keramikschicht fest. Ist die maximal zulässige Wandungstemperatur erreicht, wird die Kraftstoffzufuhr unter­ brochen, während die Maschine viertaktmässig weiterläuft. Zusätzlich wird aber jetzt für den Dampfmotorbetrieb jedesmal vor Erreichen des Kompressionsmaximums das Dampfeinspritzventil 4 geöffnet und die entsprechende Dampfmenge eingespritzt. Die Expansion läuft mit erhöhtem Druckverlauf ab, wie in Bild 2. dargestellt. Nach Abkühlung der Brennraumwandung wird wieder auf verbrennungsmotorischen Be­ trieb umgeschaltet.
Es stellen dar:
Bild 1 - Kurbelwellenverbrennungsmotor mit Pleuel (1), Brennraumwandwärme­ tauscher (2), Abgasanlagewärmetauscher (3), Flüssigkeitshochdruckpumpe (4), Dampfeinspritzventil (5).
Bild 2 - Druckverläufe im Dampfmotorenbetrieb-Verdichtungs/Expansionsverlauf ohne Dampfeinspritzung (1), Dampfeinspritzbeginn (2), Dampfdruckspitze (3), Druckverlauf mit Dampfeinspritzung (4), Auslassventilöffnungszeit­ punkt (5).

Claims (8)

1. Verbrwennungsmotor, mit mindestens einem Brennraum und mindestens einem Kolben-Pleuel-Kurbelwellensystem dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumwandung, der Kolbenboden und die Zylinderwandung mit ther­ misch isolierendem Material beschichtet sind.
2. Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinder­ kopf der Maschine eine Dampfeinspritzdüse eingebaut ist, die so ausgelegt ist, dass sowohl die eingespritzte Dampfmenge als auch der Zeitpunkt der Einspritzung steuer­ bar sind.
3. Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Maschine, sich nach ein paar verbrennungsmotorischen Zyklen die thermisch isolierende Beschichtung des Brennraums aufheizt, und dass darauf ein paar Zyklen mit Dampfeinspritzung folgen, während derer die Brennraumwandung wieder abge­ kühlt wird.
4. Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Maschine, der eingespritzte Wasserdampf von der heissen Brennraum­ wandung Wärme aufnimmt, der Arbeitsdruck dadurch steigt und somit der Wirkungs­ grad des Dampfkraftprozesses gesteigert wird.
5. Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder­ wandung und der Zylinderkopf mit Kühlkanälen versehen sind, in denen das Wasser für den Dampfprozess vorgewärmt wird.
6. Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auspuff­ krümmer mit einem Wärmetauscher ummantelt ist, in welchem das Wasser für den Dampfprozess zu Dampf aufbereitet wird.
7. Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eingebau­ te Katalysator aus dem Auspuffstrang in den Wärmetauscher, aus Anspruch 6, inte­ griert wird
8. Verbrennungsmotor, nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an Stel­ le von Wasser und Wasserdampf, auch andere umweltverträgliche verflüssigbare Stoffe, wie z. B. CO2, als Wärmeträger verwendet werden können.
DE10062835A 2000-12-17 2000-12-17 Kolbenverbrennungsmotor mit sequentieller Dampfeinspritzung Withdrawn DE10062835A1 (de)

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