DE102007049366A1 - Mechanical energy extracting device for internal combustion engine e.g. petrol engine, has fluid injection nozzle arranged at power machine and provided with injecting valve instead of spark plug and/or fuel injection nozzle - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung mechanischer Energie aus heißen Gasströmen, insbesondere Abgasströmen von Verbrennungsmotoren.The The invention relates to an apparatus and a method for obtaining mechanical energy from hot gas streams, in particular Exhaust gas flows of internal combustion engines.
Bekannt sind Verbrennungsmotoren unterschiedlicher Bauart wie Hubkolbenmotoren, beispielsweise Otto- und Dieselmotoren, und Drehkolbenmotoren, wie z. B. der Wankelmotor. Bei den Verbrennungsmotoren wird durch Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ein Überdruck der Verbrennungsgase im Verbrennungsraum herbeigeführt, der es ermöglicht, dass ein mit der Kurbelwelle verbundener Kolben Arbeit verrichtet.Known are internal combustion engines of different design such as reciprocating engines, For example, gasoline and diesel engines, and rotary engines, such as z. B. the Wankel engine. In internal combustion engines is by combustion of the fuel-air mixture, an overpressure of the combustion gases brought about in the combustion chamber, which makes it possible a piston connected to the crankshaft performs work.
Ebenso bekannt sind Dampfmaschinen und Dampfturbinen. Hier wird in der Regel durch Verbrennung extern (in einem Dampferzeuger) überhitzter Dampf mit hohem Druck erzeugt, der am Kolben der Dampfmaschine bzw. an den Turbinenschaufeln Arbeit verrichtet.As well Steam engines and steam turbines are known. Here is in the Usually by combustion externally (in a steam generator) superheated steam generated at high pressure, the piston of the steam engine or at Doing the turbine blades work.
Vom Aufbau her den Dampfturbinen verwandt, sind Gasturbinen. Hier wird in einer Brennkammer flüssiger oder gasförmiger Brennstoff mit verdichteter Luft verbrannt. Aus dem entstehenden Gasdruck wird an den Turbinenschaufeln mechanische Energie gewonnen. Bekannt sind weiterhin GuD-(Gas- und Dampf-)Kraftwerke, in denen Gasturbinen und Dampfturbinen zum Einsatz kommen und durch die Kombination hohe mechanische Wirkungsgrade erzielt werden. Weiterhin sind Stirlingmotoren bekannt. Beim Stirlingprozess sind insbesondere Luft und Helium als Arbeitsmedium eingesetzt. Durch eine externe Wärmequelle wird in einem Bereich Wärme zugeführt und in einem anderen Bereich abgeführt.from Construction related to the steam turbines are gas turbines. Here is in a combustion chamber liquid or gaseous Fuel burned with compressed air. From the resulting gas pressure Mechanical energy is gained at the turbine blades. Known continue to be combined cycle gas and steam power plants, in which gas turbines and steam turbines are used and by the combination high mechanical efficiencies are achieved. Furthermore, Stirling engines are known. In the Stirling process, in particular, air and helium are the working medium used. By an external heat source is in one Area supplied heat and in another area dissipated.
Die aus der Temperaturdifferenz resultierende Druckdifferenz führt dazu, dass am Kolben Arbeit verrichtet wird.The resulting from the temperature difference resulting pressure difference to do work on the piston.
Den bekannten Kraftmaschinen in den verschiedenen Ausgestaltungen mit dem Arbeitsmedium Wasser/Dampf haftet der Nachteil an, dass die Verdampfung extern erfolgt. Wiederum haftet den Verbrennungsmotoren der Nachteil an, dass die Abgastemperaturen prozessbedingt, insbesondere beim Ottomotor, sehr hoch sind und die Abgastemperatur ein ungenutztes und mit der herkömmlichen Technik nicht nutzbares Potenzial zur Umwandlung in mechanische Energie birgt.The known engines in the various embodiments with the working medium water / steam adheres to the disadvantage that the evaporation externally. Again, the internal combustion engines are at a disadvantage that the exhaust gas temperatures process-related, especially during Otto engine, are very high and the exhaust gas temperature is an unused and untapped potential with conventional technology for conversion into mechanical energy.
Die
Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels eines
Kreislaufs mit einem Arbeitsfluid, welches in einer Expansionsmaschine
entspannbar ist, wird in der
Zur
Verbesserung der Kraftstoffeffizienz wird in der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Maschine bzw. Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche die Nutzung der hochenergetischen Verbrennungsgase eines Verbrennungsmotors zur Verdampfung von Wasser bzw. von Wassergemischen in einer Verdrängerkraftmaschine, z. B. eines Wankelmotors zur Energierückgewinnung ermöglicht.Of the The invention is therefore based on the object, a machine or device and to create a process that allows the use of high-energy Combustion gases of an internal combustion engine for the evaporation of water or of water mixtures in a positive displacement machine, z. B. allows a Wankel engine for energy recovery.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die bisher ungenutzte Wärmeenergie heißer Verbrennungsgase, insbesondere von Otto- und Dieselmotoren in Fahrzeugen, Schiffen und Blockheizkraftwerken, in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Vom Aufbau her ähnelt die Vorrichtung einem Verbrennungsmotor, wie einem Hubkolbenmotor oder besonders vorteilhaft, dem Wankelmotor. Somit kann auf wohlbekannte Technik zurückgegriffen werden. Die Einspritzdüse der erfindungsgemäßen Verdrängerkraftmaschine spritzt anstelle von Kraftstoff eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder ein Wassergemisch, fein verteilt ein, die im Raum zwischen Zylinder und Arbeitskolben verdampft. Daraus resultiert ein Dampfdruck, der am Arbeitskolben mechanische Arbeit verrichtet. Somit ist die Verdrängerkraftmaschine mit innerer Verdampfung, hier auch als Verdampfungsmotor bezeichnet, zum Antrieb von Fahrzeugen, Generatoren und Arbeitsmaschinen einsetzbar. Insbesondere in Blockheizkraftwerken kann durch die Verdrängerkraftmaschine anteilig mehr Elektronenergie produziert werden.The particular advantages of the invention are that the previously unused thermal energy hotter Combustion gases, in particular petrol and diesel engines in vehicles, Ships and combined heat and power plants, converted into mechanical energy can be. Structurally, the device is similar to one Internal combustion engine, such as a reciprocating engine or particularly advantageous the Wankel engine. Thus, well-known technology can be used become. The injection nozzle of the invention Displacement engine injects instead of fuel a liquid, such as water or a water mixture, finely distributed in the space between cylinder and working piston evaporated. This results in a vapor pressure on the working piston does mechanical work. Thus, the positive displacement machine with internal evaporation, also referred to here as evaporation motor, can be used to drive vehicles, generators and work machines. Especially in combined heat and power plants can by the positive displacement proportionally more electron energy is produced.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 und des Verfahrens in den Ansprüchen 9 bis 17 aufgeführt.advantageous Embodiments of the device are in the claims 2 to 7 and the method in claims 9 to 17 listed.
Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 2 ist die Verdrängerkraftmaschine mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt. Damit steht die Leistung beider Maschinen an einem Antriebsstrang beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs zur Verfügung. Eine Abstimmung der Konstruktion, Drehzahl, Steuerung etc. von Verbrennungsmotor und Verdrängerkraftmaschine erfolgt entsprechend. Die Kopplung kann z. B. durch eine Kupplung bzw. ein Getriebe realisiert werden.According to the embodiment according to claim 2, the positive displacement engine is coupled to the crankshaft of the internal combustion engine. Thus, the power of both machines is available on a drive train, for example for driving a vehicle. A vote of the design, speed, control, etc. of internal combustion engine and positive displacement engine is carried out accordingly. The coupling can z. B. by a clutch or a Gear can be realized.
Die Weiterbildung nach Anspruch 3 sieht vor, dass zur Steuerung der Öffnung des Einspritzventils eine Steuereinheit vorgesehen ist. Die Steuereinheit kann über eine Nockenwelle oder auch elektronisch bzw. pneumatisch etc. realisiert werden. Durch die Steuereinheit ist eine zweckmäßige Steuerung der Taktabfolge der Verdrängerkraftmaschine realisierbar.The Training according to claim 3 provides that to control the opening the injection valve, a control unit is provided. The control unit can over a camshaft or electronic or pneumatic etc. realized become. By the control unit is a convenient Control of the clock sequence of Verdrängerkraftmaschine realized.
Mit Weiterbildung nach Anspruch 4 ist durch die Anordnung eines Bypasses und einer dazugehörigen Stellvorrichtung vor dem Einlass der Verdrängerkraftmaschine die Voraussetzung dafür geschaffen, dass im Anfahrvorgang oder bei Störungen der heiße Gasstrom/Abgasstrom an der Verdrängerkraftmaschine vorbeiführt werden kann.With Training according to claim 4 is by the arrangement of a bypass and an associated adjusting device in front of the inlet the positive displacement machine the prerequisite created that in the startup process or in the event of faults the hot Gas flow / exhaust gas flow past the positive displacement machine can be.
Mit Weiterbildung gemäß Anspruch 5 sind der Hubraum von Verdrängerkraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine annähernd gleich groß. Damit ist die Voraussetzung dafür gegeben, dass der gesamte Abgasstrom durch die Verdrängerkraftmaschine nutzbar ist.With Training according to claim 5, the displacement of positive displacement engine and internal combustion engine almost the same size. This is the prerequisite given that the entire exhaust flow through the positive displacement machine is usable.
Nach Anspruch 6 sind Verdrängerkraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine in einem Gehäuse bzw. Motorblock zusammengefasst. Damit ist eine kompakte Bauweise insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen vorteilhaft möglich. Entsprechend können Kühlung, Schmierung etc. für Verdrängerkraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine in einem System erfolgen.To Claim 6 are positive displacement and internal combustion engine combined in a housing or engine block. In order to is a compact design especially for use advantageously possible in vehicles. Correspondingly Cooling, lubrication etc. for positive displacement machine and internal combustion engine in a system.
Gemäß Anspruch 7 ist die Verdrängerkraftmaschine als Anflanschmachine ausgeführt. Die Anflanschung kann insbesondere abgasseitig aber auch an der Welle ausgeführt sein.According to claim 7 is the positive displacement machine as Flangemachine executed. The flange can be particularly exhaust side but also be executed on the shaft.
Damit ist durch entsprechende Gestaltung der Verdrängerkraftmaschine eine einfache Aufrüstung vorhandener Verbrennungsmotoren mit der Verdrängerkraftmaschine möglich.In order to is by appropriate design of the positive displacement machine a simple upgrade of existing internal combustion engines possible with the positive displacement machine.
Das zugehörige Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie aus heißen Gasströmen ist in Anspruch 8 beschrieben. In das in die Verdrängerkraftmaschine einströmende heiße Gas wird Flüssigkeit eingespritzt, die nachfolgend verdampft, was infolge der damit verbundenen Expansion die Verrichtung von Arbeit an einem Arbeitskolben bewirkt.The associated methods for obtaining mechanical energy from hot gas streams is described in claim 8. In the flowing into the positive displacement machine hot gas is injected into the liquid below evaporates, which due to the associated expansion, the performance of work on a working piston causes.
Gemäß Weiterbildung nach Anspruch 9 wird der Gasstrom vor dem Einspritzen der Flüssigkeit verdichtet. Dies kann extern oder durch den Kolben der Verdrängerkraftmaschine, wie in Verbrennungsmotoren erfolgen. Dadurch wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt.According to training According to claim 9, the gas stream is compressed prior to the injection of the liquid. This can be external or by the piston of the positive displacement machine, as done in internal combustion engines. This will make a higher Achieved efficiency.
Bei der Weiterbildung nach Anspruch 10 ist die eingespritzte Flüssigkeit Wasser. Wasser bzw. Wasserdampf ist ein vorteilhaftes Arbeitsmedium mit guten Prozesseigenschaften. Ebenso ist Wasser kostengünstig und ungefährlich. Bei der Weiterbildung nach Anspruch 11 ist die eingespritzte Flüssigkeit ein wasserhaltiges Gemisch. Damit können die Vorteile von Wasser durch vorteilhafte Zusatzstoffe ergänzt werden.at The development according to claim 10 is the injected liquid Water. Water or water vapor is an advantageous working medium with good process properties. Likewise, water is inexpensive and harmless. In the development according to claim 11 the injected liquid is a hydrous mixture. This allows the benefits of water through beneficial Additives are added.
Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 12 wird als Zusatz zu Wasser Harnstoff zugesetzt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Emission von Stickoxiden im Abgas reduziert wird.According to the Further development according to claim 12 is urea as an additive to water added. This has the advantage that the emission is reduced by nitrogen oxides in the exhaust gas.
Mit Weiterbildung nach Anspruch 13 wird die eingespritzte Flüssigkeit vorher erwärmt. Dadurch kann die Kondensation von Dampf in der Verdrängerkraftmaschine verhindert werden. Die vorgewärmte Wassermenge ermöglicht eine größere Ausnutzung der Heißgaswärme. Durch die Vorwärmung der eingespritzten Flüssigkeit mit Kühlwasser kann zugleich ein. wenn auch geringer Teil der Kühlwasserwärmeverluste nutzbar gemacht werden.With Development according to claim 13, the injected liquid previously heated. This can cause the condensation of steam be prevented in the positive displacement machine. The preheated amount of water allows greater use of the Hot gas heat. By preheating the injected liquid with cooling water can at the same time. although a small part of the cooling water heat losses be made usable.
Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 14 wird die Flüssigkeit mit hohem Druck eingespritzt. Einerseits ist dies bei Betrieb mit verdichtetem Abgas notwendig, andererseits kann bei höherem Druck die Temperatur der Flüssigkeit weiter erhöht werden.According to the Training according to claim 14, the liquid with injected high pressure. On the one hand this is when operating with compressed Exhaust gas necessary, on the other hand, at higher pressure, the temperature the liquid can be further increased.
Mit Weiterbildung nach Anspruch 15 sind die Einspritzmenge und der Zeitpunkt der Einspritzung durch eine mit der Einspritzdüse verbundene Steuereinheit variierbar. Damit kann durch entsprechende, z. B. drehzahl- oder leistungsabhängige Veränderung der Parameter ein optimaler Betrieb der Verdrängerkraftmaschine realisiert werden.With Development according to claim 15, the injection quantity and the time the injection through a connected to the injector Control unit variable. This can be done by appropriate, z. B. Speed or performance dependent change the parameter is an optimal operation of the positive displacement machine will be realized.
Gemäß Weiterbildung nach Anspruch 16 wird im Anfahrvorgang des Verbrennungsmotors und bei Störungen der Verdrängerkraftmaschine die Verdrängerkraftmaschine durch einen Bypass umgangen. Die Steuerung erfolgt durch eine entsprechend angeordnete Stellvorrichtung. Damit wird eine optimale Betriebsführung beider Aggregate ohne Einschränkungen durch die Verdrängerkraftmaschine ermöglicht.According to training According to claim 16 is in the starting process of the internal combustion engine and at Failure of the positive displacement machine the positive displacement machine bypassed by a bypass. The control is carried out by a correspondingly arranged Locking device. This will be an optimal operation allows both units without restrictions by the positive displacement machine.
Mit Weiterbildung nach Anspruch 17 wird eine mehrstufige Nutzung der Wärmeenergie durch heißgasseitig in Reihe geschaltete Module von Verdrängerkraftmaschinen ermöglicht. Das führt insbesondere bei großen und/oder stationären Anlagen zu einer verbesserten Kraftstoffnutzung.With Development according to claim 17 is a multi-level use of Heat energy through hot gas side connected in series Modules of positive displacement machines allows. This leads in particular to large and / or stationary Facilities for improved fuel efficiency.
Anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:Based Drawings and embodiments of the invention explained in more detail below. Show it:
Nachfolgend werden die Vorrichtung und
das Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie aus heißen
Gasströmen, insbesondere Abgasströmen (Verdampfermotor),
näher beschrieben.
The apparatus and the method for obtaining mechanical energy from hot gas streams, in particular exhaust gas streams (evaporator motor), will be described in more detail below.
Der
Wankelmotor ist durch seinen dreieckig bogigen Drehkolben
Als
Flüssigkeit
Mit
einer Steuereinheit (nicht dargestellt), die das Einspritzventil
Die
Steuereinheit kann unter Erfassung von Betriebsdaten durch Sensoren,
wie für Temperatur, Druck, Abgasvolumenstrom, Drehzahl
etc. durch entsprechend in der Steuereinheit hinterlegte Kennfelder
die Steuerung des Einspritzventils
Die Anordnung mehrerer Module von Verdrängerkraftmaschinen in Reihe, insbesondere bei großen Anlagen, kann die mechanische Ausnutzung der Heißgaswärme erhöhen. Dazu werden nacheinander in die Verdrängerkraftmodule Wassermengen zur Verdampfung eingespritzt, um stufenweise die Wärme zu nutzen.The Arrangement of several modules of positive displacement machines in series, especially in large plants, the mechanical Increase utilization of hot gas heat. These are successively in the displacement modules water amounts to Vaporization injected to gradually use the heat.
In
Vorteilhaft
ist die Erwärmung der eingespritzten Flüssigkeit
- 11
- heißer Gasstrom, Heißgas, Abgas, Abgasstromhot Gas flow, hot gas, exhaust gas, exhaust gas flow
- 22
- Einlass der Verdrängerkraftmaschineinlet the positive displacement machine
- 33
- Verdrängerkraftmaschine, Verdrängerkraftmaschine nach Wankelmotorprinzip, VerdampfermotorVerdrängerkraftmaschine, Positive displacement machine according to Wankel engine principle, evaporator motor
- 44
- Einspritzdüse, Flüssigkeitseinspritzdüse,injector, liquid injection,
- 4a4a
- EinspritzventilInjector
- 55
- Flüssigkeit, WasserLiquid, water
- 66
- AuspuffsammelrohrExhaust manifold
- 77
- Verbrennungsmotor, VerbrennungskraftmaschineCombustion engine, Internal combustion engine
- 88th
- Abtriebswelle der Verdrängerkraftmaschine, Welleoutput shaft of the positive displacement machine, shaft
- 99
- Stellvorrichtunglocking device
- 1010
- Bypass, BypassleitungBypass, bypass line
- 1111
- Arbeitskolben, DrehkolbenWorking piston, rotary pistons
- 1212
- Gehäuse der Verdrängerkraftmaschine bzw. des Verdampfermotorscasing the displacement engine or the evaporator motor
- 1313
- Auslass der Verdrängerkraftmaschineoutlet the positive displacement machine
- 1414
- Verbindungsrohrconnecting pipe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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