DE19610382C2 - Combi engine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kombimotor.The invention relates to a combination engine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines konventionellen Verbrennungsmotors (Viertakt-, Zweitakt-, Ben zin-, Gas- oder Dieselmotor) zu erhöhen bzw. den Kraftstoffver brauch zu reduzieren.The invention has for its object the efficiency of a conventional internal combustion engine (four-stroke, two-stroke, Ben gas, gas or diesel engine) to increase or the fuel ver need to reduce.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patent anspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the invention by the features of the patent claim 1 solved.
Erfindungsgemäß wird somit die Wärme, die zufolge der Motorge häusekühlung abgeführt werden muß, sowie die Wärme, die durch Abkühlung der Abgase auf Temperaturen von 30 bis 50°C über Umge bungstemperatur gewonnen werden kann, zum Vorwärmen, Verdampfen und Überhitzen von Wasser verwendet. Jedoch soll die Erfindung unbeschadet der Tatsache, daß im Schutzbegehren immer nur auf Wasser Bezug gewonnen wird, auch für andere Medien wie z. B. Ammoniak oder ein Kühlmittel gelten.According to the invention, the heat that is due to the motorge house cooling must be dissipated, as well as the heat caused by Cooling of the exhaust gases to temperatures from 30 to 50 ° C above vice versa exercise temperature can be obtained for preheating, evaporation and overheating water. However, the invention is intended without prejudice to the fact that in the request for protection only ever Water is obtained, also for other media such. B. Ammonia or a coolant apply.
Die Regelung erfolgt über Brennstoffzufuhrventile und über Dampfeinlaß- und Dampfauslaßventile des bzw. der Dampfzylinder des Dampfmotorteils, durch ein Dampfspeicherventil, einen Dampfspeicher, ein Dampfablaßventil, ein Dampfzufuhrventil, einen Speisewasserbehälter und eine Kondensat- und Speisewasserpumpe.The regulation takes place via fuel supply valves and Steam inlet and steam outlet valves of the steam cylinder (s) of the steam engine part, by a steam storage valve, a Steam accumulator, a steam discharge valve, a steam supply valve, one Feed water tank and a condensate and feed water pump.
Durch die Druckschrift DE 25 58 919 C2 ist ein Antriebsaggregat zum Antrieb von
Fahrzeugen bekannt geworden, in dem ein Brennkraftmaschinen- und Dampfma
schinen System kombiniert wird und durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
From the document DE 25 58 919 C2, a drive unit for driving vehicles has become known, in which an internal combustion engine and steam engine system is combined and is characterized by the following features:
-
1. Die Brennkraftmaschine arbeitet mit einem Brennstoff-Luftverhältnis zwischen
etwa 0,075 und 0,12 kg Brennstoff/kg Luft,
- - ein Dampferzeuger wird durch Wärmeaustausch mit den vollständig verbrannten Abgasen betrieben,
- - eine Dampfmaschine als zusätzliche Antriebsmaschine wandelt den erzeugten Dampf in mechanische Energie um,
- - eine Vorrichtung koppelt mechanisch die Brennkraftmaschine und die Dampfma schine,
- - die Brennkraftmaschine des Antriebsaggregates hat ein nur etwa halb so großes Hubvolumen wie ein reines Brennkraftmaschinenaggregat etwa gleicher Leistung wie das gesamte Antriebsaggregat,
- - die Brennkraftmaschine und die Dampfmaschine geben bei Dauerbetriebszu stand etwa gleiche Leistungen ab,
- - die Brennkraftmaschine arbeitet bei normaler Reisegeschwindigkeit des ange triebenen Fahrzeugs mit relativ hohem mittlerem Zylinderinnendruck nahe maxi maler Kraftstoffausnutzung.
- a steam generator is operated by heat exchange with the completely burned exhaust gases,
- a steam engine as an additional drive machine converts the steam generated into mechanical energy,
- a device mechanically couples the internal combustion engine and the steam engine,
- the internal combustion engine of the drive unit has a stroke volume which is only about half that of a pure internal combustion engine unit and has about the same output as the entire drive unit,
- - the internal combustion engine and the steam engine give approximately the same output in the case of continuous operation,
- - The internal combustion engine works at normal cruising speed of the driven vehicle with a relatively high mean cylinder pressure close to maximum fuel economy.
Dabei wird aber die Leistung der Brennkraftmaschine auf 50% des gesamten An triebsaggregates beschränkt, was zufolge der höheren Wirkungsgrade moderner Brennkraftmaschinen unrealistisch ist. Ferner fehlen geeignete Einrichtungen wie z. B. Verbindungsleitungen zwischen Dampfspeicher und Kondensator zur Leistungs regelung. However, the performance of the internal combustion engine is 50% of the total drive unit limited, which is due to the higher efficiencies of modern Internal combustion engines is unrealistic. Furthermore, suitable facilities such as. B. connecting lines between the steam accumulator and the condenser for power regulation.
Durch den erfindungsgemäßen Kombimotor werden die dem Verbren nungsmotor anhaftenden Nachteile verringert, nämlich der niedri ge Wirkungsgrad sowie die hohen Schadstoffemissionen an unver brannten Kohlenwasserstoffen (insbesondere beim Zweitaktmotor) und NOx. Der niedrige Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors führt zu sehr hohen Abgastemperaturen, die in den heute üblichen Kata lysatoren nochmals ansteigen, insbesondere wenn der Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen hoch liegt. Zugleich wird erfindungsgemäß aber auch der dem Dampfmotor anhaftende Nachteil verringert, nämlich sein niedriger Wirkungsgrad, der unter ande rem bedingt ist durch die infolge der verfügbaren Werkstoffe begrenzten Dampftemperaturen und -drücke.The combi engine according to the invention reduces the inherent disadvantages of the combustion engine, namely the low efficiency and the high pollutant emissions of unburned hydrocarbons (especially in the two-stroke engine) and NO x . The low efficiency of the internal combustion engine leads to very high exhaust gas temperatures, which increase again in today's catalytic converters, especially when the content of unburned hydrocarbons is high. At the same time, however, the disadvantage inherent in the steam engine is reduced according to the invention, namely its low efficiency, which is due, among other things, to the steam temperatures and pressures which are limited as a result of the materials available.
Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Kombimotors liegt wesent lich höher, als der von konventionellen Verbrennungs- oder Dampfmotoren. Die Schadstoffemissionskonzentrationen sind zu mindest ebenso niedrig wie bei konventionellen Verbrennungsmoto ren, während aufgrund des hohen Wirkungsgrades die Schadstoff emissionen bezogen auf die abgegebene Leistung nennenswert nied riger liegen.The efficiency of the combination engine according to the invention is essential Lich higher than that of conventional combustion or Steam engines. The pollutant emission concentrations are too at least as low as with conventional combustion engines ren, while due to the high efficiency the pollutant emissions in relation to the power output are significantly low lying.
Erfindungsgemäß kann es zweckmäßig sein, wenn die gemeinsame Kurbelwelle zwischen den beiden Motorteilen getrennt und hier durch ein Getriebe miteinander verbunden ist. Dabei kann es sich um ein festes oder variables Getriebe handeln.According to the invention, it can be useful if the common Crankshaft between the two engine parts separated and here is connected to each other by a gear. It can be be a fixed or variable gear.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn in die zum Abgaswärmetau scher führende Abgasleitung ein Katalysator geschaltet ist. Der Katalysator sorgt dann für eine Verbrennung des noch unverbrann ten Brennstoffes.It can also be advantageous if the exhaust gas heat exchanger a catalytic converter is connected. The The catalytic converter then ensures the combustion of the still unburned fuel.
Zur Leistungserhöhung und Leistungsregelung des Dampfmotorteils ist es zweckmäßig, wenn vor dem Katalysator in die Abgasleitung eine Brennstoffzufuhrleitung mündet. Dieser zusätzliche Brenn stoff kann eingespritzt oder eingedüst werden.For increasing the output and regulating the output of the steam engine part it is useful if in front of the catalytic converter in the exhaust pipe a fuel supply line opens. That extra focal fabric can be injected or injected.
In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung als Blockdiagramm dargestellt. In the drawing is an exemplary embodiment the invention shown as a block diagram.
Über zumindest ein Ventil (7) und ein Ventil (8) treten je nach Takt der Brennstoff (Benzin, Diesel, Gas) und die Luft (getrennt bzw. gemeinsam (in diesem Fall genügt ein Ventil (7) oder Ventil (8)) in zumindest einen Zylinder (1) eines konventionellen Ver brennungsmotorteils ein, es erfolgt gegebenenfalls eine Zündung durch eine Zündkerze (30), und das Abgas wird über zumindest ein Ventil (9) über eine Abgasleitung (25) in Richtung eines Abgas wärmetauschers (12) ausgestoßen. Erst nach dem Abgaswärmetauscher (12) erfolgt wie üblich die Abgabe des Abgases über einen Schall dämpfer (21) an die Umgebung. Gegebenenfalls kann auf einen Schalldämpfer (21) verzichtet werden, wenn der Abgaswärmetauscher (12) entsprechend ausgelegt ist.Depending on the cycle, the fuel (gasoline, diesel, gas) and the air (separately or together (in this case one valve ( 7 ) or valve ( 8 ) are sufficient) pass through at least one valve ( 7 ) and one valve ( 8 ). In at least one cylinder ( 1 ) of a conventional internal combustion engine part, there may be ignition by a spark plug ( 30 ), and the exhaust gas is passed through at least one valve ( 9 ) via an exhaust pipe ( 25 ) in the direction of an exhaust gas heat exchanger ( 12 ) Only after the exhaust gas heat exchanger ( 12 ), as usual, does the exhaust gas be released to the environment via a silencer ( 21 ) .If necessary, a silencer ( 21 ) can be dispensed with if the exhaust gas heat exchanger ( 12 ) is designed accordingly.
Aus einem vorzugsweise luftgekühlten Kondensator (14) wird das Kondensat mittels einer Kondensatpumpe (15) in einen Speisewas serbehälter (16) gefördert, der gleichzeitig als Wasserspeicher des geschlossenen Wasser-Dampfkreislaufes dient. Druckänderungen im Speisewasserbehälter (16) zufolge Ein- oder Ausspeicherung von Wasser können über ein Ventil (17) (Dampfablaß zum Kondensator (14)) bzw. ein Ventil (23) (Dampfzufuhr aus einem Dampfspeicher (13)) ausgeglichen werden. Aus dem Speisewasserbehälter (16) wird das Kondensat als Speisewasser mittels einer Speisewasserpumpe (18) angesaugt, auf unter- oder überkritischen Druck gebracht und durch den Motorblockmantel (6) zwecks Kühlung gedrückt. Dabei wird das Speisewasser erwärmt und eventuell teilweise verdampft. Anschließend fließt es zum Abgaswärmetauscher (12), wo es voll ständig verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird. Vom Abgaswär metauscher (12) strömt der Wasserdampf je nach Takt ganz oder größtenteils zu mindest einem Dampfzylinder (3) dessen Zustrom über zumindest ein Ventil (10) geregelt wird oder über ein Dampf speicherventil (24) zu einem Dampfspeicher (13). Aus dem bzw. den Dampfzylinder(n) (3) wird der Dampf über zumindest ein Ventil (11) zum Kondensator (14) abgesaugt. Neben der Zwischenspeiche rung des Dampfes während des Absaugens des Dampfes zum Kondensa tor kann auch über mehrere Takte überschüssiger Dampf aus dem Abgaswärmetauscher (12) über das Dampfspeicherventil (24) im Dampfspeicher (13) zwischengespeichert werden bzw. bei vermehrtem Verbrauch aus diesem entnommen und über das Dampfspeicherventil (24) und das bzw. die Ventile (10) dem bzw. den Dampfzylinder(n) (3) zugeführt werden.From a preferably air-cooled condenser ( 14 ), the condensate is conveyed by means of a condensate pump ( 15 ) into a feed water tank ( 16 ) which also serves as a water reservoir for the closed water-steam cycle. Pressure changes in the feed water tank ( 16 ) as a result of water being stored or discharged can be compensated for via a valve ( 17 ) (steam outlet to the condenser ( 14 )) or a valve ( 23 ) (steam supply from a steam store ( 13 )). The condensate is drawn in as feed water from the feed water tank ( 16 ) by means of a feed water pump ( 18 ), brought to subcritical or supercritical pressure and pressed through the engine block jacket ( 6 ) for cooling. The feed water is heated and possibly partially evaporated. It then flows to the exhaust gas heat exchanger ( 12 ), where it is completely evaporated and possibly overheated. From the exhaust gas heat exchanger ( 12 ), the water vapor flows completely or largely depending on the cycle to at least one steam cylinder ( 3 ) whose inflow is regulated via at least one valve ( 10 ) or via a steam storage valve ( 24 ) to a steam accumulator ( 13 ). The steam is sucked out of the steam cylinder (s) ( 3 ) via at least one valve ( 11 ) to the condenser ( 14 ). In addition to the intermediate storage of the steam during the suction of the steam to the capacitor, excess steam from the exhaust gas heat exchanger ( 12 ) can also be temporarily stored in the steam accumulator ( 13 ) via the steam accumulator valve ( 24 ) or can be removed and removed from the accumulator with increased consumption the steam storage valve ( 24 ) and the valve (s) ( 10 ) are supplied to the steam cylinder (s) ( 3 ).
Dampfspeicher (13) und Dampfspeicherventil (24), Speisewasserbe hälter (16), Dampfablaßventil (17) und Dampfzufuhrventil (23) dienen dazu, den Druck im Wasser-Dampfsystem und die Leistung des Dampfmotorteils flexibel regeln zu können. Eine Regelung (22) verarbeitet dabei neben der Leistungsanforderung P verschiedene Meßsignale wie Drehzahl n, Winkel ϕ, Temperaturen, Drücke und Massenströme, die im Bild nicht alle eingetragen sind. Neben den Ventilen (7), (8), (9), (17), (23), (24) und (29) sind auch die Kondensatpumpe (15), Speisewasserpumpe (18), Dampfeinlaßventil(e) (10), Dampfauslaßventil(e) (11) Stellorgane gier Regelung.Steam accumulator ( 13 ) and steam storage valve ( 24 ), feed water tank ( 16 ), steam drain valve ( 17 ) and steam supply valve ( 23 ) serve to flexibly regulate the pressure in the water-steam system and the power of the steam engine part. In addition to the power requirement P, a controller ( 22 ) processes various measurement signals such as speed n, angle ϕ, temperatures, pressures and mass flows, which are not all entered in the figure. In addition to the valves ( 7 ), ( 8 ), ( 9 ), ( 17 ), ( 23 ), ( 24 ) and ( 29 ) there are also the condensate pump ( 15 ), feed water pump ( 18 ), steam inlet valve (s) ( 10 ) , Steam outlet valve (s) ( 11 ) Actuators greed control.
Der bzw. die Kolben (2) des konventionellen Verbrennungsmotor teils wirken genauso wie der oder die Kolben (4) des Dampfmotor teils über Pleuelstangen auf eine gemeinsame Kurbelwelle (5). Zwischen der Kurbelwelle des konventionellen Verbrennungsmotor teils und des Dampfmotorteils kann auch ein Getriebe (28) angeordnet sein. Vorzugsweise kann ein Getriebe mit konstantem Übersetzungsverhältnis verwendet werden. Ein variables Getriebe bietet eine zusätzliche Möglichkeit für einen Reglereingriff zur Leistungsanpassung.The piston (s) ( 2 ) of the conventional internal combustion engine partly act in the same way as the piston (s) ( 4 ) of the steam engine, partly via connecting rods, on a common crankshaft ( 5 ). A gear ( 28 ) can also be arranged between the crankshaft of the conventional internal combustion engine part and the steam engine part. A gear with a constant transmission ratio can preferably be used. A variable transmission offers an additional possibility for a controller intervention for performance adjustment.
Um den Leistungsanteil des Dampfmotors zu erhöhen, kann zeitweise oder ständig geregelt Brennstoff in einer Eindüsestelle (19) vor einem Katalysator (20) in der Abgasleitung (25) vor dem Wärmetau scher (12) eingedüst werden. Im Katalysator wird dieser Brenn stoff zusammen mit unverbranntem Brennstoff aus dem konventionel len Verbrennungsmotorteil verbrannt. To increase the power share of the steam engine, fuel can be injected temporarily or continuously in a nozzle ( 19 ) in front of a catalyst ( 20 ) in the exhaust pipe ( 25 ) before the heat exchanger ( 12 ). In the catalytic converter, this fuel is burned together with unburned fuel from the conventional internal combustion engine part.
11
Zylinder des konventionellen Verbrennungsmotorteils
Cylinder of the conventional internal combustion engine part
22nd
Kolben dto.
Piston dto.
33rd
Zylinder des Dampfmotorteils
Cylinder of the steam engine part
44th
Kolben dto.
Piston dto.
55
Kurbelwelle
crankshaft
66
Motorkühlmantel
Engine cooling jacket
77
Brennstoffeinlaßventil bzw. Einlaßventile für Luft-Brenn
stoff-Gemisch
Fuel inlet valve or inlet valves for air-fuel mixture
88th
Lufteinlaßventil bzw. Einlaßventile für Luft-Brenn
stoff-Gemisch
Air inlet valve or inlet valves for air-fuel mixture
99
Abgasauslaßventil
Exhaust outlet valve
1010th
Dampfeinlaßventil
Steam inlet valve
1111
Dampfauslaßventil
Steam outlet valve
1212th
Abgaswärmetauscher
Exhaust gas heat exchanger
1313
Dampfspeicher
Steam storage
1414
luftgekühlter Kondensator
air cooled condenser
1515
Kondensatpumpe
Condensate pump
1616
Speisewasserbehälter
Feed water tank
1717th
Dampfablaßventil
Vapor drain valve
1818th
Speisewasserpumpe
Feed water pump
1919th
zusätzliche Brennstoffeindüsung
additional fuel injection
2020th
Oxidationskatalysator
Oxidation catalyst
2121
Schalldämpfer
Silencer
2222
Regelung
regulation
2323
Dampfzufuhrventil
Steam supply valve
2424th
Dampfspeicherventil
Steam storage valve
2525th
Abgasleitung
Exhaust pipe
2626
Kondensatleitung
Condensate line
2727
Kühlwasserleitung
Cooling water pipe
2828
Getriebe
transmission
2929
Ventil für zusätzliche Brennstoffzufuhr
Valve for additional fuel supply
3030th
Zündkerze
spark plug
Claims (5)
- 1. ein Verbrennungsmotorteil (1, 2, 7, 8, 9) mit einem
Dampfmotorteil (3, 4, 10, 11) kombiniert ist;
- - beide Motorteile auf eine gemeinsame Kurbelwelle (5) arbeiten;
- - ein Abgaswärmetauscher (12) einerseits an die Abgas leitung (25) der Abgas-Auslaßventile (9) des Verbren nungsmotorteils angeschlossen ist;
- - das im Abgaswärmetauscher (12) verdampfte und über hitzte Speisewasser über zumindest ein Dampfeinlaßven til (10) zu zumindest einem Dampfzylinder (3) geleitet wird;
- - an ein Dampfauslaßventil (11) des zumindest einen Dampfzylinders (3) ein vorzugsweise luftgekühlter Kon densator (14) angeschlossen ist;
- - an den Kondensator (14) eine Kondensatleitung (26) angeschlossen ist, die das Kondensat in einen Speise wasserbehälter (16) fördert, der zugleich einen Was serspeicher eines geschlossenen Wasser-Dampf-Kreislau fes bildet;
- - an den Speisewasserbehälter (16) eine Kühlwasserlei tung (27) angeschlossen ist, über die das Kondensat als Speisewasser durch eine Speisewasserpumpe (18) in unter- oder überkritischem Druck in den Motorblockman tel (6) gedrückt wird;
- a) der Abgaswärmetauscher (12) ist andererseits an eine vom Motorblockmantel (6) kommende Speisewasserleitung (27) angeschlossen;
- b) eine Kondensatpumpe (15) fördert das Kondensat des Kondensators (14) in den Speisewasserbehälter (16);
- c) bei geschlossenem Dampfeinlaßventil (10) bzw. ge schlossenen Dampfeinlaßventilen (10) oder zu geringem Dampfverbrauch und zum Anfahren wird der überschüssige Dampf über ein Ventil (24) einem Dampfspeicher (13) zugeführt, der über eine Leitung mit einem Ventil (23) mit dem Speisewasserbehälter (16) verbunden ist, der seinerseits wiederum über eine Leitung mit einem Ven til (17) mit dem Kondensator (14) verbunden ist, so daß der Druck im Wasser-Dampfsystem und die Leistung des Dampfmotorteils auch über Ein- und Ausspeicherung von Wasser und Dampf und Kondensation von Dampf regel bar sind.
- 1. an internal combustion engine part ( 1 , 2 , 7 , 8 , 9 ) is combined with a steam engine part ( 3 , 4 , 10 , 11 );
- - Both engine parts work on a common crankshaft ( 5 );
- - An exhaust gas heat exchanger ( 12 ) is connected on the one hand to the exhaust line ( 25 ) of the exhaust gas outlet valves ( 9 ) of the combustion engine part;
- - The evaporated in the exhaust gas heat exchanger ( 12 ) and passed over heated feed water via at least one Dampfeinlaßven valve ( 10 ) to at least one steam cylinder ( 3 );
- - To a steam outlet valve ( 11 ) of the at least one steam cylinder ( 3 ) a preferably air-cooled condenser ( 14 ) is connected;
- - To the condenser ( 14 ) a condensate line ( 26 ) is connected, which promotes the condensate in a feed water tank ( 16 ), which also forms a water storage of a closed water-steam-Kreislau fes;
- - To the feed water tank ( 16 ) a Kühlwasserlei device ( 27 ) is connected via which the condensate as feed water is pressed by a feed water pump ( 18 ) in subcritical or supercritical pressure in the Motorblockman tel ( 6 );
- a) the exhaust gas heat exchanger ( 12 ), on the other hand, is connected to a feed water line ( 27 ) coming from the engine block casing ( 6 );
- b) a condensate pump ( 15 ) conveys the condensate of the condenser ( 14 ) into the feed water tank ( 16 );
- c) when the steam inlet valve ( 10 ) is closed or the steam inlet valves ( 10 ) are closed or the steam consumption is too low and for starting, the excess steam is fed via a valve ( 24 ) to a steam accumulator ( 13 ) which is connected via a line to a valve ( 23 ) with the feed water tank ( 16 ), which in turn is connected via a line with a Ven valve ( 17 ) to the condenser ( 14 ), so that the pressure in the water-steam system and the performance of the steam engine part also via storage and retrieval of water and steam and condensation of steam are controllable.
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DE2558919C2 (en) * | 1975-07-24 | 1990-02-08 | Stuart L. Santa Monica Calif. Us Ridgway |
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1996
- 1996-03-16 DE DE19610382A patent/DE19610382C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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