DE2953036C2

DE2953036C2 - Piston internal combustion engine with waste heat recovery

Info

Publication number: DE2953036C2
Application number: DE2953036A
Authority: DE
Inventors: Hermann Prof. Dr. 7410 Reutlingen Heimberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-12-28
Filing date: 1979-12-28
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE2953036A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschi- w ne, in welcher ein Luft-Brennstoff-Gemisch verbrannt und unter Arbeitsleistung in einem ersten Arbeitstakt entspannt wird, mit Ausnützung von Abwärme durch Einspritzen von hocherhitztem Wasser in nach ihrer Entspannung in der Brennkraftmaschine erneut ver- « dichtete Abgase, durch deren Wärme das eingesprühte Wasser verdampft wird, und durch nachfolgende Entspannung des Abgas-Dampfgemisches in einem zweiten Arbeitstakt.The invention relates to a piston-type internal combustion engine ne, in which an air-fuel mixture is burned and is relaxed under work performance in a first work cycle, with utilization of waste heat through Injection of highly heated water in the internal combustion engine after it has been released again. sealed exhaust gases, through the heat of which the sprayed water is evaporated, and through subsequent Relaxation of the exhaust gas / steam mixture in a second work cycle.

Seit Beginn des Jahrhunderts wurden Versuche t>o unternommen, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine durch Beigabe von Wasser zum Betriebsstoff oder Einspritzung von Wasser in die heißen Verbrennungsgase zu steigern. Auch wurde versucht, die Restwärme der Verbrennungsraumwände nach völliger <« Ausstoßung der Verbrennungsgase zur Erzeugung von Dampf auszunützen für einen weiteren Arbeitstakt, US 39 176. Derartigen Versuchen muß ein Erfolg versagt bleiben, weil in dem Zylinderinneren nicht so viel Wärme gespeichert ist, daß Dampf von genügend Wärme und Druck erzeugt werden kann.Since the beginning of the century, attempts t> o undertaken the efficiency of an internal combustion engine by adding water to the fuel or to boost injection of water into the hot combustion gases. Also tried that Residual heat of the combustion chamber walls after complete <« Expulsion of the combustion gases to generate steam to be used for a further work cycle, US 39 176. Such attempts must fail to be successful because there is not so much inside the cylinder Heat is stored so that steam of sufficient heat and pressure can be generated.

In der DE-PS 5 84 408 ist ein Verfahren angegeben, bei welchem durch die Abgase hochgradig erhitztes Wasser in einen verdichteten Abgasrest im Arbeitszylinder eingesprüht wird, um dadurch Arbeit leisten zu können.In DE-PS 5 84 408 a method is given in which the exhaust gases are heated to a high degree Water is sprayed into a compressed exhaust gas residue in the working cylinder to thereby perform work can.

Diesem Verfahren — wie auch dem gemäß dem genannten US-Patent — haftet der Nachteil an, daß die Restwärme der Zylinderwände zu gering ist, um Wasser in höher gespannten Dampf zu verwandeln, auch wenn dieses vorher durch den größeren, zuvor ausgestoßenen Teil der Abgase erhitzt worden ist.This method - as well as that according to the said US patent - has the disadvantage that the Residual heat of the cylinder walls is too little to water to transform into higher tension steam, even if this was previously emitted by the larger, previously expelled Part of the exhaust gas has been heated.

Bei beider. Vorschlägen ist der große Bedarf an Verdampfungswärme des Wassers unterschätzt worden und hei keinem von beiden ist eine nennenswerte Arbeitsleistung durch den Dampf zu erzielen. Hinzu kommt noch, daß die Kompression der heißen Abgase einen !höheren Druck verlangt als die kalte Spülluft, daß also dübci ein EnergieveHust auftritt. Eine Vorrichtung zur Verminderung dieses Kompressionsdruckes ist nicht vorgesehen.With both. Proposals have underestimated the great need for heat of vaporization of the water and in neither of the two can any work worth mentioning be achieved by the steam. In addition there is also the fact that the compression of the hot exhaust gases requires a higher pressure than the cold scavenging air, that So there is a loss of energy. One device there is no provision for reducing this compression pressure.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine der genannten Art eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu gewährleisten und eine möglichst weitgehende Ausnutzung der Abgaswärme zu erreichen.The invention is based on the object of providing a complete internal combustion engine of the type mentioned To ensure combustion of the fuel and the greatest possible utilization of the exhaust gas heat to reach.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Ansprucns I angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by what is stated in the characterizing part of claims I. Features solved.

The invention is based on the following considerations:

Es gibt keinen billigeren und geeigneteren Stoff als Wasser, der die verlorengehende Wärme bei Brennkraftmaschinen besser ausnützen könnte, um damit Energie zu erzeugen. Das liegt mit an der Anomalie des Wasserdampfes. Dies besagt: wird ein beliebiges Gas bei konstantem Volumen z.B. von 100 auf 374°C erwärmt, so nimmt der Druck des Gases auf fast das Doppelte zu. Verdampft man aber Wasser in einem geschlossenen Raum bei gleichzeitiger Überhitzung ebenfalls von 100 auf 374° C, so steigt der Druck des Dampfes sehr viel höher an. Bei der vorliegenden Erfindung verdampft das Wasser schlagartig in der unter Gasdruck stehenden, an den Zylinder angeschlossenen Kammer.There is no cheaper and more suitable substance than Water, which could make better use of the heat lost in internal combustion engines, in order to do so Generate energy. This is partly due to the anomaly of the water vapor. This means: becomes any gas heated at a constant volume e.g. from 100 to 374 ° C, the pressure of the gas increases to almost that Double too. But if you evaporate water in a closed room while overheating at the same time also from 100 to 374 ° C, the pressure of the steam rises much higher. With the present Invention, the water suddenly evaporates in the pressurized gas connected to the cylinder Chamber.

Soll Wasser als zweiter Energiespender eingesetzt werden, so muß zunächst der Treibstoff genügend Zeit haben, um restlos und ungestört verbrennen zu können. Da mil: den Abgasen bei Verbrennungskraftmaschinen über 30% der mit dem Treibstoff zugeführten Wärme durch den Auspuff verloren gehen und der Treibstoff z. T. erst in der Auspuffleitung vollends verbrannt wird, wäre es naheliegend, den Verbrennungsvorgang zu verlängern. Dies ist bei Kolbenmaschinen nur dadurch möglich, daß die Abgase durch die Kolbenbewegung erneut verdichtet werden, bei gleichzeitiger Wärmeaufnahme durch die Kompression und unter Vermeidung eines hohen Energieaufwandes.If water is to be used as a second source of energy, the fuel must first have enough time in order to be able to burn completely and undisturbed. Da mil: the exhaust gases from internal combustion engines Over 30% of the heat supplied with the fuel is lost through the exhaust and the fuel z. T. is only completely burned in the exhaust line, it would be obvious to stop the combustion process extend. In the case of piston engines, this is only possible because the exhaust gases are caused by the piston movement be compressed again, while at the same time absorbing heat through the compression and avoiding it high energy consumption.

Eine Verminderung der Kompressionsarbeit ist zu erreichen durch eine zeitweilige Vergrößerung des Zylinderraumes in Form einer »Dekompressionskammer« im Zylinderkopf, wobei die Verbindung zwischen Kammer und Zylinderraum während der Verdichtung der Abgase, der Einsprühung des Wassers in die Kammer, der Verdampfung und Entspannung des Abgas-Dampfgemisches und des Ausstoßens des Gemisches geöffnet, ansonsten aber geschlossen ist Um aberThe compression work can be reduced by temporarily increasing the Cylinder space in the form of a "decompression chamber" in the cylinder head, with the connection between Chamber and cylinder space during the compression of the exhaust gases, the injection of the water into the Chamber, the evaporation and expansion of the exhaust gas vapor mixture and the ejection of the mixture open, but otherwise closed, Um but

einen hohen Dampfdruck beim zweiten Arbeitstakt zu erreichen, muß die Verbrennungswärme des Treibstoffes und der Druck der Auspuffgase soweit als irgend möglich ausgenützt werden.To achieve a high vapor pressure in the second work cycle, the heat of combustion of the fuel must and the pressure of the exhaust gases are used as much as possible.

Die Wassereinspritzung vergrößert Druck und Volumen des Gasdampfgemisches beträchtlich, der Druck im Auspuff steigt, so daß er zum Antrieb einer Turbine verwendet werden kann, deren Schaufeln nun nicht mit hohen Temperaturen beaufschlagt werden. Treibt die Turbine einen Generator, so kann dieser den elektrischen Strom liefern.The water injection increases the pressure and volume of the gas-vapor mixture considerably Pressure in the exhaust increases so that it can be used to drive a turbine, the blades of which are now are not exposed to high temperatures. If the turbine drives a generator, it can do the deliver electricity.

Mit dem richtigen Verhältnis von Brennstoffmenge im ersten Arbeitstakt, Wassermenge bei der Einspritzung im zweiten Arbeitstakt und die Größe der Dekompressionskammer können Druck, Volumen und Temperatur des abgehenden Gas-Dampfgemisches bestimmt und damit die Leistung der Maschine reguliert werden.With the correct ratio between the amount of fuel in the first work cycle and the amount of water during injection in the second work cycle and the size of the decompression chamber can be pressure, volume and Determines the temperature of the outgoing gas-vapor mixture and thus regulates the performance of the machine will.

Vorteilhaft werden zwei gleiche Zweitaktdieselmotoren gekoppelt, weiche auf die gleiche Welle einwirken mit einer Phasenverschiebung um 36u Grad, so daß die Gasexpansion in der einen Maschine der Dampfexpansion in der anderen entsprichtIt is advantageous to couple two identical two-stroke diesel engines which act on the same shaft with a phase shift of 36u degrees, so that the Gas expansion in one machine corresponds to steam expansion in the other

Die Zweitaktmotoren besitzen ebenfalls im Zylinderkopf je eine ventilgesteuerte Kammer, weiche zur Drucksenkung der verdichteten Abgase dient, so daß für deren Kompression weniger Energie aufgewendet werden muß.The two-stroke engines also have a valve-controlled chamber in the cylinder head, which leads to the Pressure reduction of the compressed exhaust gases is used, so that less energy is expended for their compression must become.

Die Verbindung zwischen Kammer und Zylinderinnern ist geschlossen bei Verdichtung der Spülluft und während der Gasexpiosion, bleibt geöffnet bei der Verdichtung der Abgase, der Einsprühung von Wasser in die Kammer, während der Dampfe^pansion, Spülung und Füllung des Zylinders mit Frischluft. Diese steht unter einem höheren Druck als üblich, w\.l die im ersten Arbeitstakt in den Kurbelkasten gedrückte Luft in einem Druckgefäß gespeichert und beim zweiten Arbeitstakt verdichtet wird. Spülung und Füllung des Zylinders erfolgt dadurch rascher und vollständiger.The connection between the chamber and the inside of the cylinder is closed when the scavenging air is compressed and During the gas explosion, it remains open during the compression of the exhaust gases, the injection of water into the chamber, during the steam pansion, purging and filling of the cylinder with fresh air. This stands under higher pressure than usual, w \ .l those in the first Working cycle in the crankcase compressed air is stored in a pressure vessel and the second Work cycle is compressed. This means that the cylinder is flushed and filled more quickly and completely.

Das Abgas-Dampfgemisch treibt beim Ausstoß einen Turbogenerator, gelangt dann in den Wärmeaustauscher und Kondensator. Das Kondenswasser wird gesammelt, gasförmige Stoffe entweichen, im Wasser und Kondensat gelöste, umweltfeindliche Stoffe werden ausgefällt und das Wasser aufbereitet, so daß es, im Wärmeaustauscher vorgewärmt, durch eine Einspritz-The exhaust gas / vapor mixture drives a turbo generator when it is exhausted and then enters the heat exchanger and capacitor. The condensation water is collected, gaseous substances escape in the water and condensate are dissolved, environmentally harmful substances precipitated and the water treated so that it, in the Heat exchanger preheated, through an injection

■ pumpe in die Kammer eingesprüht werden kann.■ pump can be sprayed into the chamber.

Da das Wasser auf alle Fälle eine geringere Temperatur besitzt als die komprimierten Abgase, so werden diese am Druck und Volumen einbüßen, weil ein Wärmeaustausch zwischen Gasen und Dampf erfcjgtSince the water in any case has a lower temperature than the compressed exhaust gases, as this will lose the pressure and volume, because a heat exchange between gases and steam erfcjgt

• Der Druckyerlust der Gase wird aber ausgeglichen durch die Überhitzung des trockenen Dampfes durch die heißen Zylinderwände. — Innenkühlung —, so daß die Arbeit zum größten Teil durch den Wasserdampf geleistet wird.• The pressure loss of the gases is compensated for by the overheating of the dry steam the hot cylinder walls. - Internal cooling - so that most of the work is done by the water vapor is done.

: ■ Wo'l damit zu rechnen ist, daß bei der Verbrennung des Treibstoffes und der Verdampfung des Wassers verschiedene Druckdiagramme entstehen, sollten wenigstens zwei Dieselmotoren zusammengekoppelt werden, um einen gewissen Ausgleich und damit einen -■' > ruhigeren Gang zu erzielen.: ■ Where it is to be expected that during the incineration the fuel and the evaporation of the water should produce different pressure diagrams, at least two diesel engines are coupled together to provide a certain compensation and thus one - ■ '> to achieve a smoother gait.

Als Vorteil einer solchen Zwillingsmaschine sind zu erwähnen,The advantages of such a twin machine should be mentioned

1. bei gleicher oder höherer Leistung wird Betriebsstoff eingespart.1. With the same or higher performance, fuel is used saved.

2. Die Zylinderwände werden durch den Dampf gekühlt — Innenkühlung —.2. The cylinder walls are cooled by the steam - internal cooling -.

3. Der Abgang umweltschädlicher, wasserlöslicher Stoffe wird durch die Aufbereitung des Kondens-3. The discharge of environmentally harmful, water-soluble substances is caused by the treatment of the condensate

i" wassers vermindert.i "water decreased.

4. Große und teure Kesselanlagen werden entbehrlich, weil der für den zweiten Arbeitstakt benötigte Dampf jeweils erst in der Dekompressionskammer erzeugt wird. Es genügen druckstabile Röhren im4. Large and expensive boiler systems can be dispensed with because the one required for the second work cycle Steam is only generated in the decompression chamber. Pressure-stable tubes in the

• '< Wärmeaustauscher und der Einspritzleitung. • '< heat exchanger and the injection line.

5. Auf einen Turbolader kann verzichtet werden. Spülung und Füllung des Zylinders erfolgen erst nach dem zweiten Arbeitstakt Dadurch kann die im ersten und zweiten Arbeitstakt iT^Kurbelgehäu-5. There is no need for a turbocharger. The cylinder is first rinsed and filled after the second work cycle As a result, the iT ^ crankcase in the first and second work cycle

"i se verdichtete Luft in einem Druckgefäß gespeichert werden, so daß etwa die doppelte Menge Spül- und Ladeluft zur Verfügung steht"i se compressed air is stored in a pressure vessel so that about twice the amount of scavenging and charge air is available

Claims

Patent claims:

1. Piston internal combustion engine in which an air-fuel mixture burns and under work performance in a first work cycle> is relaxed, utilizing waste heat through injection of highly heated water again after it has been relaxed in the internal combustion engine compressed exhaust gases, the heat of which evaporates the water sprayed in, and ι » subsequent relaxation of the exhaust gas / steam mixture in a second work cycle, thereby marked,

a) that in the cylinder head of the internal combustion engine r. one through a valve controlled connection the chamber connected to the cylinder is arranged,

b) that all exhaust gases relaxed in the first work cycle M are compressed again in the cylinder and in the connected chamber

c) that the valve-controlled connection between chamber and cylinder is open and otherwise closed during the recompression of the exhaust gases, the injection of the y, water and its evaporation, the expansion of the exhaust gas / vapor mixture and the ejection of the mixture.

to

2. Piston internal combustion engine according to claim 1, characterized in that it has at least one Has assembly with two cylinders, the piston with a phase shift of 360 degrees act on the same crankshaft. r.

3. Piston internal combustion engine according to one of claims 1 to 2, characterized in that it a turbo generator acted upon by the exhaust gas / vapor mixture to generate electrical Having energy.

4. Piston internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, from the two-stroke diesel process goes out, characterized in that it is a pressure vessel for storing in the crankcase having compressed purge air.