DE3314118A1 - Heat engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einem Verbrennungs- oder Arbeitsraum zur Aufnahme eines zündfähigen Luft-Kraftstoff-Gemisches, mit einer diskontinuierlichen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches über Kolben oder Läufer zur Erzeugung nutzbarer Energie, wobei zusätzlich zur Luft- bzw. Kraftstoffzufuhreinrichtung zum Verbrennungsraum eine weitere Einrichtung zur Zuführung von Wasser oder Naßdampf vorgesehen ist.The invention relates to a heat engine with a combustion or work space for receiving an ignitable air-fuel mixture, with a discontinuous combustion of the air-fuel mixture via pistons or rotors to generate usable energy, in addition to the air or fuel supply device a further device for supplying water or wet steam is provided for the combustion chamber.
In der Literatur sind schon zahlreiche Vorrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen worden, bei welchen zusätzlich zum Kraftstoffgemisch eine Zugabe von Wasser erfolgte, um insbesondere den Kraftstoffverbrauch herabzusetzen, den Wirkungsgrad zu verbessern oder die Klopffestigkeit zu erhöhen (z. B. OS 24 45 761, OS 26 45 237, OS 27 13 831).Numerous devices for internal combustion engines are already in the literature have been proposed in which water was added in addition to the fuel mixture, in particular to reduce fuel consumption, improve efficiency or increase knock resistance (e.g. OS 24 45 761, OS 26 45 237, OS 27 13 831).
Bei den bekannten Einrichtungen ist es vorgesehen, daß eine Wasserzufuhr mit mehr oder weniger großem technischen Aufwand zusätzlich zum Kraftstoff-Luftgemisch erfolgt. Die Verdampfung des zuzuführenden Wassers soll dabei ausschließlich durch die Abwärme des Motors erfolgen, um nicht die Verdampfungswärme dem Verbrennungstakt zu entziehen. Hierdurch wird ein großer Teil der erheblichen Energie der Abwärme des Motors zurückgewonnen und damit der Wirkungsgrad des Motors erhöht.In the known devices it is provided that a water supply with more or less great technical effort takes place in addition to the fuel-air mixture. The evaporation of the water to be supplied should be done exclusively by the Waste heat from the engine takes place in order not to withdraw the heat of vaporization from the combustion cycle. This gets a big part the considerable energy of the waste heat of the engine is recovered and thus the efficiency of the engine is increased.
Bekannte Einrichtungen haben den Nachteil, daß der Verdampfungsprozeß des Wassers nicht ausschließlich durch die Abwärme des Known devices have the disadvantage that the evaporation process of the water is not solely due to the waste heat of the
Motors erfolgt und damit der Verbrennungstakt mit Verlusten behaftet ist.Engine takes place and thus the combustion cycle is fraught with losses.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die herkömmlichen Einrichtungen dahingehend zu verbessern, daß der Wirkungsgrad noch weiter erhöht wird.The present invention is based on the object of the conventional To improve facilities to the effect that the efficiency is increased even further.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Wärmekraftmaschine der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß neben den Verbrennungstakten des Luft-Kraftstoff-Gemisches dazwischen geschaltete Dampftakte zur Wasser- bzw. Dampfzufuhr vorgesehen sind.Based on a heat engine of the type specified at the outset, this object is achieved according to the invention in that In addition to the combustion cycles of the air-fuel mixture, interposed steam cycles are provided for supplying water or steam are.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die gleichzeitige Zufuhr des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit der Wasserzugabe nur unter äußerst schwierigen Bedingungen optimal durchgeführt werden kann. Dies rührt daher, daß die Verdampfung des Wassers nicht immer ausschließlich durch die abzuführende Abwärme erfolgt und damit den Wirkungsgrad des Verbrennungstaktes verschlechtert. Von dieser Erkenntnis ausgehend, sieht die Erfindung vor, daß der Verdampfungsvorgang in einem gesonderten "Dampftakt" durchgeführt wird. In diesem Fall arbeitet die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine wie ein reiner Dampfmotor und entzieht beim Verdampfungsvorgang dem Motor die Abwärme. Hierdurch kann es nicht zu einer Vermischung zwischen Verbrennungstakt und DampftaktThe invention is based on the knowledge that the simultaneous supply of the air-fuel mixture with the addition of water only can be carried out optimally under extremely difficult conditions. This is because the water does not evaporate always takes place exclusively through the waste heat to be dissipated and thus worsens the efficiency of the combustion cycle. Based on this knowledge, the invention provides that the evaporation process is carried out in a separate "steam cycle" will. In this case, the heat engine according to the invention works like a pure steam engine and extracts the waste heat from the engine during the evaporation process. Because of this it cannot to a mixture between the combustion cycle and the steam cycle
kommen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird genau dort,
wo die höchsten Verbrennungstemperaturen entstehen, Dampf erzeugt. Hierdurch lassen sich vielfach höhere Dampfdrücke und
-temperaturen erzeugen, als dies bei reinen Dampfaggregaten inö
lieh ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich am besten auf der Basis eines Zweitakt-Dieselmotors verwirklichen, da hi
in kurzen Abständen Arbeitstakt und Dampftakt folgen kann. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch als reiner Dampfmotor a
beiten, wobei nicht mit gesättigtem Dampf gearbeitet wird und
deshalb der- Wirkungsgrad höher, der Wasserverbrauch bzw. der
Wasserumlauf niedriger ist.come. In the device according to the invention, steam is generated precisely where the highest combustion temperatures arise. This allows much higher vapor pressures and
-generate temperatures than is inö borrowed from pure steam units. The device according to the invention can best be implemented on the basis of a two-stroke diesel engine, since the working cycle and the steam cycle can follow at short intervals. The device according to the invention can also be used as a pure steam engine, in which case saturated steam is not used and
therefore the efficiency is higher, the water consumption or the
Water circulation is lower.
Da ein sofortiger Wärmeentzug nach dem Verbrennungstakt oder
-takten durch den Dampftakt erfolgen kann, kann der Motor mit
wesentlich höheren Verbrennungstemperaturen und damit mit einei verbesserten Wirkungsgrad arbeiten.Since an immediate heat extraction after the combustion cycle or
-takten can be done by the steam cycle, the engine can with
much higher combustion temperatures and thus work with improved efficiency.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eil vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der im Hauptansprui
angegebenen Wärmekraftmaschine möglich. Besonders vorteilhaft
ist, daß die Abwärme von Zylinder und/oder Abgas zur Vorwärmun« von Wasser verwendet wird.The measures listed in the subclaims allow advantageous further development and improvement of the heat engine specified in the main claims. Particularly beneficial
is that the waste heat from the cylinder and / or exhaust gas is used to preheat water.
Bei dieser abgewandelten Ausführungsform wird das Wasser vorab durch die Abwärme vorgewärmt. Die Zufuhr des Wassers geschiehtIn this modified embodiment, the water is preheated in advance by the waste heat. The supply of water happens
zweckmäßigerweise dadurch, daß das Wasser im Arbeitstakt eingespritzt wird und den Kolben durch Expansion herunterdrückt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch den höheren Wirkungsgrad die Umweltbelastung geringer ist.expediently in that the water is injected in the work cycle and pushes the piston down by expansion. Another advantage is that due to the higher efficiency the environmental impact is lower.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei getrennten Verbrennungs- und Dampftakten das Verhältnis Verbrennungstakt zu Dampftakt einstellbar ist und insbesondere 2 : 1 beträgt. Die Anzahl der Dampftakte sollten an sich möglichst gering sein und nur in dem Maß stattfinden, wie es zur Kühlung des Motors erforderlich ist.In an embodiment of the invention it is provided that with separate combustion and steam cycles the ratio of the combustion cycle to The steam cycle is adjustable and in particular is 2: 1. The number the steam cycles should be as low as possible and take place only to the extent that is necessary to cool the engine.
In Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß der Dampf in einem Abgaswärmetauscher im Gegenstromprinzip erwärmt wird. Kern der Erfindung ist es, die Abwärme von Verbrennungsmotoren in einem gesonderten Arbeitstakt zu nutzen und die Temperaturen herabzusetzen, so daß die Verlustwärme möglichst gering ist. Hierzu muß gemäß der Erfindung sowohl die Abwärme des Abgases, ggf. auch in weiterer Ausgestaltung die Abwärme des Zylinderraums zur Wasservorwärmung und anschließender Dampferzeugung genutzt werden. Hierzu dient ein den Verbrennungsraum umgebender Verdampfungsmantel.In an embodiment of the invention it is further provided that the steam is heated in an exhaust gas heat exchanger using the countercurrent principle will. The core of the invention is to use the waste heat from internal combustion engines in a separate work cycle and to use the temperatures reduce so that the heat loss is as low as possible. For this purpose, according to the invention, both the waste heat of the exhaust gas, possibly also in a further embodiment the waste heat of the cylinder space for preheating water and subsequent steam generation be used. An evaporation jacket surrounding the combustion chamber is used for this purpose.
Gemäß der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, daß der Zylinderkopf oder der Kolbenboden als poröser Metallkörper mit Fein-According to the invention it is further provided that the cylinder head or the piston crown as a porous metal body with fine
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bohrungen zur Oberflächenvergrößerung ausgebildet ist. Durch die vergrößerte Oberfläche findet ein besserer Wärmetausch zwischen den Materialien und dem verdampfenden Wasser im Dampftakt statt.bores for surface enlargement is formed. Through the With an enlarged surface, there is better heat exchange between the materials and the evaporating water in the steam cycle.
Weiterhin ist es zweckmäßig, daß im Zylinderkopf ein sich verjüngender Wendel- oder Spiralgang vorgesehen ist, durch dessen Öffnung Wasser oder Wasserdampf dem Brennraum zugeführt werden kann. Durch die Verjüngung wird erzielt, daß eine weitere Aufheizung des zugeführten Wasserstrahls oder Dampfs erfolgt.It is also useful that a tapered cylinder head Helical or spiral thread is provided, through the opening of which water or steam are supplied to the combustion chamber can. As a result of the tapering, further heating is achieved of the supplied water jet or steam takes place.
Eine vorteilhafte Ausbildung sieht vor, daß Kolben und Zylinderkopf entsprechend angepaßte Kolbenzähne bzw. Nuten aufweisen, zur Oberflächenvergrößerung, d. h. Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche zur Verbesserung der Wärmeabfuhr.An advantageous embodiment provides that the piston and cylinder head have appropriately adapted piston teeth or grooves, for surface enlargement, d. H. Enlargement of the heat transfer surface to improve heat dissipation.
In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verbrennungsluft über einen als Kondensator ausgebildeten Abgaswärmetauscher vorwärmbar ist. Der im Abgas enthaltene Wasserdampf wird in dem Abgaskondensator kondensiert und über eine Hochdruckpumpe einem Druckspeicher zur Wiederverwendung zugeführt.In an embodiment of the invention it is provided that the combustion air can be preheated via an exhaust gas heat exchanger designed as a condenser. The water vapor contained in the exhaust gas is in the The exhaust gas condenser is condensed and fed to a pressure accumulator for reuse via a high-pressure pump.
Ein vorteilhaftes und zweckmäßiges Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine im Schnitt.An advantageous and expedient embodiment of the invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description. The figure shows a schematic Illustration of the heat engine according to the invention in section.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine, im folgenden Wechselverbrennungsdampfmotor genannt, besteht aus einem an sich bekannten Zylinder 10 mit Kolben 11. Der durch den Zylinder 10 gebildete Verbrennungsraum 12 kann je nach Ausführungsform von einer Wärmedämmschicht 13 umgeben sein. Der Druckspeicher 14 führt zu einem nockengesteuerten Nadelventil 15, welches einen sich verjüngenden Spiralgang 16 im Zylinderkopf 17 verschließt. Sowohl der Zylinderkopf 17 als auch die Kolbenoberfläche 18 ist mit Feinbohrungen 19 zur Oberflächenvergrößerung und damit zum besseren Wärmetausch versehen. Das gleiche gilt für die Kolbenzähne 20 und entsprechende Ausnehmungen 21 im Zylinderkopf.The heat engine according to the invention, hereinafter referred to as alternating combustion steam engine called, consists of a known cylinder 10 with piston 11. The one formed by the cylinder 10 Combustion chamber 12 can be surrounded by a thermal insulation layer 13, depending on the embodiment. The pressure accumulator 14 leads to a cam-controlled needle valve 15 which closes a tapering spiral passage 16 in the cylinder head 17. Both the cylinder head 17 and the piston surface 18 are provided with fine bores 19 for surface enlargement and thus for better heat exchange. The same applies to the piston teeth 20 and corresponding recesses 21 in the cylinder head.
Die Auslaßöffnung 22 für die Abgase bzw. die Verbrennungsrückstände führt als'Abgaswärmetauscher durch den Druckspeicher 14. Die Abgase werden dann über eine Leitung 23 zu einem Kondensator 24 geführt, der zur Rückgewinnung des bei der Verbrennung und beim Dampftakt entstehenden Wassers dient. Das kondensierte Wasser 25 wird mittels einer Hochdruckpumpe 26 im Gegenstromprinzip in einer Leitung 27 im Abgaskanal 23 geführt, um das Wasser vorzuwärmen.The outlet opening 22 for the exhaust gases or the combustion residues runs as an exhaust gas heat exchanger through the pressure accumulator 14. The exhaust gases are then passed through a line 23 to a condenser 24, which is used to recover the water produced during combustion and the steam cycle. That condensed Water 25 is guided by means of a high pressure pump 26 in the countercurrent principle in a line 27 in the exhaust gas duct 23 in order to reduce the flow rate Preheat water.
Die Ansaugluft wird über einen Kanal 28 zur Einsaugöffnung 29 geführt, wobei die angesaugte Luft mittels des Kondensators 24 vorgewärmt wird. Ein Überströmkanal 30 dient als Rückstromkanal für verdichtete Luft im Kurbelgehäuse. Die vorbeschriebene Aus-The intake air is guided to the intake opening 29 via a duct 28, the intake air being drawn in by means of the condenser 24 is preheated. An overflow channel 30 serves as a return flow channel for compressed air in the crankcase. The above described
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führungsform der Erfindung betrifft im wesentlichen einen Zweitakt-Dieselmotor. Sie kann jedoch prinzipiell auch für Viertaktmotoren angewandt werden.Implementation of the invention relates essentially to a two-stroke diesel engine. In principle, however, it can also be used for four-stroke engines.
Die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet wie folgt: Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel findet zunächst ein ganz normalei Arbeitstakt statt, wie er bei Verbrennungsmotoren üblich ist, d. h. es wird dem Zylinder kein Wasser zugegeben. Nach jedem zweiter Arbeitstakt - oder nach mehreren Arbeitstakten - folgt ein sogenannter Dampftakt, bei welchem dem Zylinderraum kein Luft-Kraftstoff gemisch zugegeben wird, sondern vornehmlich Wasser. Dieser "Dampftakt" dient der Abfuhr der im Motor gestauten Wärme. Dabei arbeitet der Motor nach dem Prinzip des reinen Dampfmotors, d. h. der im Zylinderraum durch Abwärme entstehende Dämpf drückt auf den Kolben und führt einen Arbeitstakt aus. Bei diesem Takt wird dem Motor die bei der Verbrennung entstandene Wärme soweit entzogen und in Arbeit umgesetzt, daß ein neuer Verbrennungstakt stattfinden kann.The device according to the invention works as follows: According to a preferred exemplary embodiment, a completely normal egg is found first Work cycle instead of, as is usual with internal combustion engines, d. H. no water is added to the cylinder. After every second The work cycle - or after several work cycles - is followed by a so-called steam cycle, in which the cylinder chamber has no air-fuel mixture is added, but mainly water. This "steam cycle" is used to dissipate the heat accumulated in the engine. Included the engine works on the principle of the pure steam engine, d. H. the damping created in the cylinder space by waste heat presses on the piston and performs a work cycle. During this cycle, the heat generated during combustion is withdrawn from the engine and put into work that a new combustion cycle can take place.
Der Dampftakt wird gespeist durch Wasser aus dem Druckspeicher 14, dessen Druck über dem Druck des Zylinderraums liegen muß, damit das Wasser im Druckspeicher noch nicht verdampft. Durch das nockengesteuerte Nadelvenil 15 wird dann dieses durch die Abgase stark vorgewärmte Wasser dem Zylinderraum 12 über den spiralförmigen Gang 16 im Zylinderkopf 17 zugeführt. Im Zylinderraum 12The steam cycle is fed by water from the pressure accumulator 14, the pressure of which must be above the pressure of the cylinder chamber so that the water in the pressure accumulator does not yet evaporate. By the cam-controlled needle valve 15 then this by the exhaust gases strongly preheated water to the cylinder space 12 via the spiral Gear 16 in the cylinder head 17 is supplied. In the cylinder space 12
ORIGINAL INSPECTED
BAD ORIGINALORIGINAL INSPECTED
BATH ORIGINAL
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verdampft das zugeführte Wasser und nimmt die im Motor gespeicherte Wärme auf unter Verrichtung von Expansionsarbeit. Das expandierte Gas wird dann über die Abgasleitung 22 und die Leitung 23 zum Kondensator 24 geführt, wo das Wasser kondensieren kann. Das Kondensat 25 wird über die Pumpe 26 und Leitung 27 wieder dem Druckspeicher 14 zugeführt. Dabei wird das Kondensat in der Leitung 27 durch die Verbrennungsgase vom Verbrennungstakt im Gegenstromprinzip vorgewärmt. Diesen Kreislauf kann auch der Kühlmantel 13 des Zylinder angeschlossen werden.evaporates the supplied water and takes the water stored in the motor Heat up while doing expansion work. The expanded gas is then via the exhaust pipe 22 and the pipe 23 led to the condenser 24, where the water can condense. The condensate 25 is discharged via the pump 26 and line 27 fed back to the pressure accumulator 14. The condensate in line 27 is thereby removed from the combustion cycle by the combustion gases preheated using the countercurrent principle. The cooling jacket 13 of the cylinder can also be connected to this circuit.
Insbesondere bei stationären Motoren kann der erfindungsgemäße Wechselverbrennungsdampfmotor sowohl Verbrennungswärme, Sonnenwärme über Parabolspiegel oder dergleichen, oder Wärme aus anderen Prozessen verwerten und in mechanische Energie umwandeln. Dabei ist es wesentlich, daß die Abwärme in jeglicher Form zur Dampferzeugung weiter verwendet wird. Der vom Zweitaktmotor her bekannte Nachteil des schlechten Gasaustausches wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vorteil, da die Energie der verbrannten Gase direkt ohne Wärmetausch genutzt werden.In the case of stationary engines in particular, the alternating combustion steam engine according to the invention can generate both combustion heat and solar heat Using parabolic mirrors or the like, or utilize heat from other processes and convert it into mechanical energy. It is essential that the waste heat is used in any form to generate steam. The one from the two-stroke engine known disadvantage of poor gas exchange is an advantage in the device according to the invention, since the energy of the burned Gases can be used directly without heat exchange.
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Claims (8)
Wasser dem Verbrennungsraum (12) dosiert zugeführt wird. 2. Heat engine according to claim 1, characterized in that the waste heat from the cylinder and / or exhaust gas is used to preheat the water to be supplied to the cylinder space, the
Water is fed to the combustion chamber (12) in a metered manner.
und die Wassermenge mit einem nockengesteuerten Nadeleinlaßventil (15) gesteuert wird.5. Heat engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the point in time
and the amount of water is controlled with a cam operated needle inlet valve (15).
(20) bzw. Nuten (21) aufweisen.8. Heat engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the piston (11) and the cylinder head (17) correspondingly matched piston teeth
(20) or grooves (21).
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004007933A3 (en) * | 2002-07-16 | 2004-04-15 | Nicholas Mark Brown | Configuration and method for operating an engine |
| WO2007042022A3 (en) * | 2005-10-14 | 2007-08-02 | Ip2H Ag | Internal combustion engine |
-
1983
- 1983-04-19 DE DE3314118A patent/DE3314118A1/en not_active Withdrawn
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| WO2004007933A3 (en) * | 2002-07-16 | 2004-04-15 | Nicholas Mark Brown | Configuration and method for operating an engine |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |