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Verfahren zum Betreiben von mehrstufigen Brennkraftmasehinen.
Vorliegende Verfahren zum Betreiben von Brennkraftmaschinen stellen eine wesentliche Verbesserung beim Betreiben von ein-und mehrstufigen Brennkraftmaschinen dar, bei denen die im Kühlwasser und in den Abgasen vorhandene Abwärme zur Dampferzeugung benutzt wird.
Es wurde bereits vorgeschlagen, bei Brennkraftmaschinen die zur Kühlung der Zylinder abzuführende und die in den Abgasen enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf eines inerten Mittels zu benutzen, der nach beendigtem Saughub in den Zylinder zusätzlich zur vorhandenen Ladung eingeführt, mit ihr verdichtet und dann gemeinsam mit den Verbrennungsgasen unter Arbeitsleistung entspannt wird.
Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung dieses Verfahrens und besteht darin, dass der Dampf nach der Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches zusammen mit den Verbrennungsgasen unter Leistung äusserer Arbeit in zwei oder mehr als zwei Stufen bis auf etwa Aussendruck entspannt wird.
Die dem Zylinder zu entziehende Wärme und die im Auspuff bis auf 150-200 C ausnutzbare Wärme wird auf ein inertes Medium, z. B. Wasser bzw. Wasserdampf, übertragen und dann als feuchter oder überhitzter Dampf während des Verdichtungshubes, also nach Schliessen des Saugventils, in den Zylinder oder in das Arb2itsorgan eingeblasen. Infolge dieser Massnahme steigt die Kompressionstemperatur und der Kompressionsdruck, während die Anfangstemperatur des Arbeitshubes etwa die gleiche bleibt.
Da das Verhältnis von Kompressionstemperatur zur Ansaugtemperatur wesentlich grösser als ohne Einführen des inerten Mediums ist, so ist dementsprechend das Verhältnis von Anfangstemperatur zu Endtemperatur beim Arbeitshub in gleicher Weise grösser, d. h. die geleistete Arbeit hat gleichfalls einen grösseren Wert, u. zw. steigt die Arbeitsleitung gegenüber dem jetzt bekannten Betrieb um 50% bzw. gegenüber dem Betrieb mit Ausnutzung der Abhitze zum Betreiben einer Dampfmaschine um 30%. Da ferner die Temperatur nach beendetem Arbeitshub um 200-300'unter der der jetzt bekannten Verfahren und Maschinen liegt, während der Entspannungsenddruck höher ist, so ist es wirtschaftlich möglich, einen zweiten Arbeitsraum dem Zylinder nachzuschalten, in welchem die Entspannung bis auf Aussendruck erfolgt.
Dabei ist es zweckmässig, diesen Arbeitsraum als Drehkolbenmaschine auszubilden, um die Volumina mit höheren Wirkungsgraden bewältigen zu können. Hiebei ist es auch zweckmässig, mehrere Kolbenmaschinen bzw. Zylinder auf eine Drehkolbenmaschine arbeiten zu lassen.
. Die Entspannung in dem nachgeschalteten Arbeitsraum kann nun so erfolgen, dass beim Enddruck des Arbeitshubes des ersten Arbeitsraumes ausgeschoben und dann nach beendetem Ausschub im zweiten Arbeitsraum entspannt wird. In diesem Fall ist das Restvolumen des Kompressionsraumes des ersten Arbeitsraumes in den Auspuff vermittels eines gesteuerten Ventils zu entspannen, um neues Gemisch ansaugen zu können, oder aber, es ist mit einem besonderen Verdichter vorverdichtetes Gemisch, dem die entsprechende Menge des inerten, dampfförmigen Mediums beigemischt sein kann, in den ersten Arbeitsraum einzuführen.
Es kann aber auch die Entspannung in der Art erfolgen, dass der Druck beim Ausschub aus dem ersten Arbeitsraum in den zweiten Arbeitsraum bis zum Hubende auf etwa 1 atü fällt, so dass also Ausschub aus dem ersten Zylinder und Arbeitsleistung im zweiten gleichzeitig bei freier Verbindung beider Räume erfolgt (Verbundanordnung).
Vorliegendes Verfahren lässt sich sowohl bei Brennkraftmaschinen des Otto-Prinzips, also bei Verdichten von Brenngasgemisch, als auch bei Brennkraftmaschinen des Diesel-Prinzips, also bei Einspritzen bzw. Einblasen des Brennstoffs nach beendetem Verdichtungshub, verwenden.
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mehr als 300 in den Arbeitsprozess eingeführt werden.
Hiebei kann das Medium während des Arbeitshubes des ersten Arbeitsraumes (Explosionszylinder) in diesen eingeführt werden. Es ist aber auch möglich, das inerte Medium während des bei Gegendruck oder bei stetig sinkendem Druck erfolgenden Ausschubes der Gase von dem ersten zum zweiten Arbeitsraum (nachgeschalteten Zylinder) in den ersten Arbeitsraum oder in die Verbindung beider einzublasen oder aber es kann das inerte Medium gleichzeitig mit den aus dem ersten Arbeitsraum austretenden Verbrennungsgasen unmittelbar in den zweiten Arbeitsraum eingeführt werden.
Durch dieses Verfahren wird erreicht, dass für das inerte Medium keine Verdichtungsarbeit aufzuwenden ist und somit der Wirkungsgrad des gesamten Arbeitsprozesses gesteigert wird.
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Während gemäss dem zuerst beschriebenen Verfahren Dampf gegen Ende des Saughubes bzw. am Anfang des Verdichtungshubes, eingeführt wird, kann der zuzuleitende Dampf mit 2 bis 3 atü einen Injektor betreiben und dadurch Luft bzw. Gemisch während des Saughubes in den ersten Arbeitsraum drücken, so dass die Ladung entsprechend der Injektorarbeit steigt und damit zugleich der Wärmedurchsatz durch ein gegebenes Volumen des ersten Arbeitsraumes sowie der nachgeschalteten Arbeitsräume. Hiebei soll der Dampf wieder mittels im Arbeitsvorgang anfallender Abwärme, z. B. aus dem Auspuff oder der Zylinderkühlung, erzeugt werden. Der Injektor bewirkt ausserdem noch eine innigere Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft, so dass dadurch eine vollkommenere Verbrennung erzielt wird.
Gemäss dem beschriebenen Verfahren wird ein dampfförmiges inertes Medium, z. B. Wasserdampf, mit dem Brenngasgemisch oder der Verbrennungsluft verdichtet, wobei nach dem Arbeitshub des ersten Arbeitsraumes das Verbrennungsgas in einem zweiten Arbeitsraum bis auf Aussendruck entspannt wird. Die Temperatur beim Eintritt in den zweiten Arbeitsraum ist aber noch so hoch, dass in dieser Stufe, die zweckmässig mit einer Drehkolbenmaschine ausgerüstet wird, eine besondere Konstruktion derselben erforderlich ist, die den bei diesen Temperaturen auftretenden schwierigen Betriebsverhältnissen gerecht wird.
Um aber die bereits erprobten Kolben-und Rotationsmaschinen benutzen zu können, wird gemäss der Erfindung dem Verbrennungsgas beim Überströmen vom ersten Arbeitsraum in den zweiten Arbeitsraum so viel Wärme entzogen, dass die Eintrittstemperatur in den zweiten Arbeitsraum unter 600 C liegt.
Die entzogene Wärme geht jedoch nicht verloren, sondern wird auf das im Kreislauf geführte
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leistung benutzt wird.
Ferner kann die gleiche Wirkung wie im vorstehenden erzielt werden, indem während des Ausschubes aus dem ersten Arbeitsraum bzw. bereits am Ende des Arbeitshubes, verdichtete Luft in den ersten Arbeitsraum oder in die Verbindung des ersten Arbeitsraumes mit dem zweiten Arbeitsraum eingeführt wird, wobei der Druck der verdichteten Luft höher ist als der Druck der Verbrennungsgase bei Beginn des Einleitens der Luft.
Hiedurch wird die Temperatur der Verbrennungsgase auf 600 bis 9000 gesenkt, während die Temperatur der Spülluft auf 600 bis 9000 steigt. Die von der Spülluft aufgenommene Wärme wird dann bei der nun folgenden Entspannung zum Teil in Arbeit umgesetzt, wobei die Entspannung gemeinsam mit den Verbrennungsgasen im zweiten Arbeitsraum erfolgt. Auch bei diesem Verfahren wird die Kühlung des ersten Arbeitsraumes, seiner Auslassorgane und der Überströmkanäle bewirkt, ohne dass die Wärme auf einer Temperaturstufe abgeleitet wird, auf der sie nur noch zur Dampferzeugung geeignet ist. Das Temperaturniveau ist vielmehr so hoch, dass die abzuleitende Wärme zu einem grösseren Teil durch Entspannung in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Der erzeugte Dampf wird, wie vorbeschrieben, verwendet.
Ein weiterer Vorteil besteht noch darin, dass durch dieses Einführen von Luft der Kompressionsraum der Verbrennungszylinder ausgeblasen wird, so dass die Frischgasladung entsprechend dem Volumen des Kompressionsraumes vergrössert wird.
Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass während des Ausschubes aus dem ersten Arbeitsraum der Druck konstant bleibt und die Entspannung erst im zweiten Arbeitsraum beginnt oder aber dass die Entspannung bereits während des Ausschubes beginnt und am Ende desselben der Druck im ersten und zweiten Arbeitsraum annähernd Aussendruck ist.
Schliesslich besteht die Erfindung noch darin, dass es beim Verwenden leicht entzündbarer Brennstoffe vermieden wird, dass die Zündung zu rasch verläuft und dadurch keine unerwünschten Druckstösse auftreten. Dies wird dadurch erreicht, dass der Brennstoff mittels eines inerten Gases verdünnt und durch dieses zerstäubt wird. Hiedurch wird bewirkt, dass der Verbrennungsvorgang zeitlich ausgedehnt wird, wobei aber infolge der Zerstäubung und Durchwirbelung gleichzeitig eine vollständige Verbrennung sich ergibt.
Zum Einblasen kann nun eine kleine Menge Verbrennungsgas dem Auspuff entnommen und auf den erforderlichen Einblasedruck verdichtet werden oder aber es wird zum Einblasen auf den entsprechenden Druck gebrachter bzw. bei diesem Druck erzeugter, trockener oder überhitzter Dampf verwendet, der mittels im Arbeitsprozess anfallender Abhitze erhalten sein kann.
Bei leichtsiedenden, flüssigen Brennstoffen kann, anstatt diese mit Druck flüssig einzuspritzen, die Verdünnung auch dadurch bewirkt werden, dass der auf hohen Druck gebrachte Brennstoff verdampft und dann in den Arbeitsraum zu dem oben angegebenen Zeitpunkt mittels Düsen eingeblasen wird, oder aber dass der genannte Brennstoff drucklos oder bei geringem Überdruck in den dampfförmigen Zustand gebracht und dann erst auf den zum Einblasen benötigten Druck verdichtet wird. Durch dieses Verfahren wird es ermöglicht, anstatt schwerer Dieselöle auch mittlere und leichtere Treibstoffe als Betriebsstoff für Dieselmotoren zu verwenden.
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Method for operating multi-stage internal combustion engines.
The present methods for operating internal combustion engines represent a significant improvement in the operation of single-stage and multi-stage internal combustion engines in which the waste heat present in the cooling water and in the exhaust gases is used to generate steam.
It has already been proposed in internal combustion engines to use the heat to be dissipated for cooling the cylinder and the heat contained in the exhaust gases to generate vapor of an inert medium which, after the suction stroke has ended, is introduced into the cylinder in addition to the existing charge, compressed with it and then together with the combustion gases is relaxed under work performance.
The invention relates to a development of this method and consists in the fact that after the combustion of the fuel-air mixture, the steam is expanded together with the combustion gases while performing external work in two or more than two stages to approximately external pressure.
The heat to be extracted from the cylinder and the heat that can be used in the exhaust up to 150-200 C is transferred to an inert medium, e.g. B. water or steam, transferred and then blown as moist or superheated steam during the compression stroke, i.e. after closing the suction valve, into the cylinder or into the work organ. As a result of this measure, the compression temperature and the compression pressure rise, while the starting temperature of the working stroke remains approximately the same.
Since the ratio of the compression temperature to the intake temperature is significantly greater than without the introduction of the inert medium, the ratio of the initial temperature to the final temperature during the working stroke is correspondingly greater, ie. H. the work done is also of greater value, u. the working line increases by 50% compared to the now known operation or by 30% compared to operation using the waste heat to operate a steam engine. Furthermore, since the temperature after the end of the working stroke is 200-300 degrees below that of the methods and machines known now, while the final expansion pressure is higher, it is economically possible to add a second working chamber after the cylinder in which the expansion takes place down to external pressure.
It is useful to design this working space as a rotary piston machine in order to be able to cope with the volumes with higher degrees of efficiency. It is also useful to have several piston machines or cylinders work on one rotary piston machine.
. The relaxation in the downstream work space can now take place in such a way that the first work space is pushed out at the end pressure of the work stroke and then relaxed in the second work space after the end of the extension. In this case, the remaining volume of the compression chamber of the first working chamber in the exhaust is to be expanded by means of a controlled valve in order to be able to suck in new mixture, or else it is a mixture which is pre-compressed with a special compressor and to which the corresponding amount of the inert, vaporous medium is added can be to introduce into the first workspace.
However, the relaxation can also take place in such a way that the pressure when pushing out from the first working space into the second working space falls to about 1 atm until the end of the stroke, so that pushing out of the first cylinder and work in the second simultaneously with a free connection between the two Rooms (composite arrangement).
The present method can be used both in internal combustion engines of the Otto principle, i.e. when compressing a fuel gas mixture, and in internal combustion engines of the diesel principle, i.e. when injecting or blowing in the fuel after the compression stroke has ended.
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more than 300 are introduced into the working process.
The medium can be introduced into the first working space (explosion cylinder) during the working stroke. However, it is also possible to blow the inert medium into the first working chamber or the connection between the two while the gases are being pushed out from the first to the second working space (downstream cylinder) with counter pressure or with steadily falling pressure, or the inert medium can be used simultaneously with the combustion gases emerging from the first work space are introduced directly into the second work space.
This process ensures that no compression work is required for the inert medium and thus the efficiency of the entire work process is increased.
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While according to the method described first, steam is introduced towards the end of the suction stroke or at the beginning of the compression stroke, the steam to be fed can operate an injector at 2 to 3 atmospheres and thereby press air or mixture into the first working chamber during the suction stroke, so that the charge increases in accordance with the injector work and at the same time the heat throughput through a given volume of the first working space and the downstream working spaces. Here, the steam should again by means of waste heat generated during the work process, e.g. B. from the exhaust or the cylinder cooling. The injector also brings about a more intimate mixing of fuel and combustion air, so that more complete combustion is achieved.
According to the method described, a vaporous inert medium, e.g. B. water vapor, compressed with the fuel gas mixture or the combustion air, wherein after the working stroke of the first working chamber, the combustion gas is expanded in a second working chamber to external pressure. The temperature at the entry into the second working space is still so high that in this stage, which is expediently equipped with a rotary piston machine, a special construction is required which does justice to the difficult operating conditions occurring at these temperatures.
In order to be able to use the piston and rotary machines that have already been tested, however, according to the invention, so much heat is withdrawn from the combustion gas when it flows over from the first working space into the second working space that the inlet temperature into the second working space is below 600.degree.
The extracted heat is not lost, however, but is transferred to the cycle
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power is used.
Furthermore, the same effect as above can be achieved by introducing compressed air into the first working space or into the connection of the first working space with the second working space during the extension from the first working space or already at the end of the working stroke, whereby the pressure of the compressed air is higher than the pressure of the combustion gases at the start of the introduction of the air.
This lowers the temperature of the combustion gases to 600 to 9000, while the temperature of the purge air increases to 600 to 9000. The heat absorbed by the scavenging air is then partially converted into work during the relaxation that now follows, with the relaxation taking place together with the combustion gases in the second work space. In this method, too, the cooling of the first working space, its outlet organs and the overflow channels is effected without the heat being dissipated at a temperature level at which it is only suitable for generating steam. Rather, the temperature level is so high that the heat to be dissipated is largely converted into mechanical work through relaxation. The generated steam is used as described above.
Another advantage is that this introduction of air blows out the compression space of the combustion cylinder so that the fresh gas charge is increased in accordance with the volume of the compression space.
The method can be carried out in such a way that the pressure remains constant during the extension from the first working chamber and the relaxation only begins in the second working chamber or that the relaxation begins during the extension and at the end of the same the pressure in the first and second working chamber is approximately external pressure is.
Finally, the invention also consists in the fact that when using easily inflammable fuels it is avoided that the ignition proceeds too quickly and that no undesirable pressure surges occur as a result. This is achieved in that the fuel is diluted by means of an inert gas and atomized by this. This has the effect that the combustion process is extended over time, but at the same time complete combustion results as a result of the atomization and swirling.
For injection, a small amount of combustion gas can now be taken from the exhaust and compressed to the required injection pressure, or dry or superheated steam that is brought to the appropriate pressure or generated at this pressure is used for injection, which is obtained by means of waste heat generated in the work process can.
In the case of low-boiling, liquid fuels, instead of injecting them in liquid form with pressure, the dilution can also be effected by evaporating the fuel, which has been brought to high pressure, and then blowing it into the working space at the time specified above by means of nozzles, or by using the fuel mentioned brought into the vaporous state without pressure or with a slight overpressure and only then compressed to the pressure required for injection. This process makes it possible to use medium and lighter fuels instead of heavy diesel oils as fuel for diesel engines.
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