Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einer einem Kolbenmotor nachgeschalteten Turbine, welche einen in der zum Kolbenmotor führenden Ansaugleitung angeordneten Verdichter treibt, wobei jeder Zylinder des Kolbenmotors eine gesteuerte Auslassöffnung sowie Mittel aufweist, um diese Auslassöffnung während eines ersten Teiles des Kompressionshubes des entsprechenden Kolbens zu öffnen.
Grundsätzlich ist eine solche Wärmekraftmaschine mit einem Kolbenmotor mit Abgasturbolader sowie mit einem durch die besondere Steuerung des Auslassventiles verkürzten wirksamen Kompressionshub oder - nimmt man den wirksamen Kompressionshub als Bezugsgrösse - mit verlängertem Arbeitshub des Kolbens vergleichbar.
Sowohl die Aufladung durch den Verdichter, als auch der Antrieb des Verdichters durch eine Abgasturbine und die Verlängerung des Arbeitshubes des Kolbens im Vergleich zum wirksamen Kompressionshub sind Massnahmen, welche den thermischen Wirkungsgrad einer solchen Maschine gegenüber jenem eines klassischen Saugmotors erhöhen und zugleich die Baugrösse der Maschine für eine bestimmte Nennleistung verringern.
Bei einer bekannten Maschine der eingangs genannten Art ist eine vom gesteuerten Auslassventil ausgehende Leitung vorgesehen, welche über einen Zwischenkühler in eine vom Verdichter gespiesene, den Einlassöffnungen des Kolbenmotors unmittelbar vorgeschaltete Sammelleitung führt. Wenn somit der Kolben in dem ersten Teil seines Kompressions Hubes durch das geöffnete Auslassventil die dem Zylinderraum bereits zuvor zugeführte vorverdichtete Frischluft wieder verdrängt, so gelangt diese Frischluft, nachdem sie die von den heissen Zylinderwandungen aufgenommene Wärme im Zwischenkühler abgegeben hat, wieder in den Druckkreis des Verdichters, der daher eine kleinere Leistung zu erbringen und mithin auch mit einer geringeren Leistung anzutreiben ist.
Damit ist zwar eine bescheidene Steigerung des Wirkungsgrades des Kolbenmotors möglich, weil der von den Hilfsaggregaten (Turbine-Verdichter) im Kreislauf gehaltene Energieanteil kleiner wird. Auf der anderen Seite wird bei dieser Maschine ein weiterer Teil der anfallenden Wärme nicht in mechanische Leistung umgewandelt, sondern geht - durch den Zwischenkühler abgeführt - verloren.
Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine bedeutende Steigerung des thermischen Wirkungsgrades verspricht, ohne dass eine Erhöhung der Materialbeanspruchung über die heute anerkannten Grenzen in Kauf genommen werden müsste.
Zu diesem Zweck ist die vorgeschlagene Wärmekraftmaschine erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung über eine Leitung mit der Druckseite der Turbine verbunden ist, um einen Teil der vom Verdichter vorverdichteten und vom Kolben im genannten Teil des Kompressionshubes verdrängten Luft der Turbine zuzuführen, welche zur Abgabe überschüssiger mechanischer Leistung eingerichtet ist.
Bei der erfindungsgemässen Wärmekraftmaschine ist somit an zwei Stellen mechanische Leistung verfügbar, nämlich an der Welle des Kolbenmotors und an der Welle der Turbine.
Zweckmässig führt die vom Auslassventil ausgehende Leitung zunächst in eine Sammelleitung, in der ein Brenner angeordnet ist, und deren Auslass in die zur Turbine führende Druckleitung mündet, die ihrerseits vom Auspuffsammelrohr des Kolbenmotors ausgeht.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind nachstehend anhand der Zeichnung näher dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine, wobei der Kolbenmotor im Schnitt quer zur Kurbelwelle und durch einen seiner Zylinder gezeigt ist,
Fig. 2 vier verschiedene Phasen eines als Zweitaktmotor arbeitenden Kolbenmotors der Wärmekraftmaschine, und
Fig. 3 acht verschiedene Phasen eines im wesentlichen als Viertaktmotor arbeitenden Kolbenmotors der Wärmekraftmaschine.
Die in Fig. 1 dargestellte Wärmekraftmaschine besitzt einen Kolbenmotor 10 mit mehreren Zylindern 11. Dieser Kolbenmotor 10 kann beliebiger Bauart, was die Anordnung der Zylinder 11 betrifft, sein. Dem Kolbenmotor 10 ist, wie mit der gestrichelten Linie 12 angegeben ist, eine Gasturbine 13 nachgeschaltet. An die Welle 14 der Gasturbine 13 ist, wie mit den gestrichelten Linien 15 angegeben ist, die Antriebswelle 20 eines Verdichters 16 gekuppelt. Der Verdichter 16 besitzt einen aus der Atmosphäre schöpfenden Einlass 17 sowie einen Auslass 18, der, wie mit der gestrichelten Linie 19 angegeben ist, mit der Saugseite des Motors 10 verbunden ist.
Beim dargestellten Motor 10 handelt es sich um einen Dieselmotor, bei dem jeder Zylinder 11 eine in eine Einlassöffnung 22 mündende Einlassleitung 21 besitzt. Die Einlassöffnung 22 ist durch ein Ventil 23 gesteuert, das seinerseits durch einen auf einer Nockenwelle 24 sitzenden Nocken 25 entgegen der Wirkung einer Feder 26 geöffnet werden kann. Die Nokkenwelle 24 ist, wie mit der strichpunktierten Linie 27 angegeben, an die Kurbelwelle 30 des Motors 10 gekuppelt.
Wie bei jedem Kolbenmotor ist in jedem der Zylinder 11 ein Kolben 28 verschiebbar, der seinerseits über eine Pleuelstange 29 gelenkig mit der Kurbelwelle 30 verbunden ist.
Im Kopf des Zylinders 11 ist ferner eine Einspritzdüse 31 für Kraftstoff vorhanden, die mit einer Einspritzpumpe 32 verbunden ist, die ihrerseits über eine Kraftstoffleitung 34 Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 33 zieht. Auch die Einspritzpumpe 32 ist, wie mit strichpunktierter Linie 37 angegeben, in Abhängigkeit der Drehzahl der Kurbelwelle 30 angetrieben.
Beim dargestellten Motor 10 ist im Kopf jedes der Zylinder 11 noch eine weitere Einspritzdüse 35 vorhanden, welche ihrerseits mit einer zweiten Einspritzpumpe 36 verbunden ist.
Wie später noch zu beschreiben sein wird, dienen die Einspritzdüse 35 und die Einspritzpumpe 36 dazu, in einem bestimmten Zeitpunkt des Hubes des Kolbens 28 Wasser in den Raum des Zylinders 11 einzuspritzen.
Jedem Zylinder 11 ist ferner ein Auslassventil 38 zugeordnet, das eine Auslassöffnung 39 steuert, und seinerseits durch einen auf einer Nockenwelle 42 sitzenden Nocken 41 gegen die Wirkung einer Feder 40 geöffnet werden kann. Auch die Nockenwelle 42 ist, wie mit der strichpunktierten Linie 43 angegeben ist, in Abhängigkeit der Drehzahl der Kurbelwelle 30 angetrieben. Bei der Auslassöffnung 39 beginnt eine Auslassleitung 44, die ihrerseits in eine Sammelleitung 45 mündet.
In dieser Sammelleitung 45 ist ein Brenner 56 angeordnet, der über eine Zuleitung 57 von einer Dosierpumpe 58 gespiesen ist, die ihrerseits über eine Speiseleitung 59 Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 33 zieht. Die Sammelleitung 45 mündet in eine zur Turbine 13 führende Druckleitung 49.
In die genannte Druckleitung 49 mündet ebenfalls eine Auspuffsammelleitung 48, in welche die von den einzelnen Zylindern 11 ausgehenden Auspuffleitungen 47 münden.
Diese Auspuffleitungen gehen von in der Wandung des Zylinders 11 ausgebildeten Schlitzen 46 aus, welche durch den sich hin und her bewegenden Kolben 28 selbst freigegeben bzw.
geschlossen werden.
Der dargestellte Verdichter 16 weist drei Abschnitte 50, 51 und 52 auf, wobei in den Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Abschnitten sowie in der Auslassleitung 18 aus dem letzten Abschnitt 52 Kühler 53, 54 und 55 eingebaut sind, welche herkömmliche Kühler, oder aber vorzugsweise Einspritzdüsen zum Einspritzen von Wasser in die von den einzelnen Abschnitten 50-52 verdichtete und somit erwärmte Luft aufweisen können. Die dabei eingespritzte Menge Wasser ist derart bemessen, dass sie restlos in Dampf übergeht und die dazu notwendige Wärme der vorverdichteten Luft entzieht.
Schliesslich ist aus Fig. 1 noch ersichtlich, dass die Welle 14 der Turbine 13 nicht nur den Verdichter 16 antreibt, sondern auch eine mit 60 bezeichnete Arbeitsmaschine, die ihrerseits dieselbe sein kann, wie die an die Kurbelwelle 30 des Motors
10 gekuppelte. In diesem Falle wären selbstverständlich die verschiedenen Drehzahlen der Kurbelwelle 30 und der Turbinenwelle 14 über ein nicht dargestelltes Getriebe aneinander anzupassen.
Soviel über den grundsätzlichen Aufbau der Wärmekraftmaschine. Während der dargestellte Kolbenmotor 10 hängende direkt gesteuerte Ventile sowie zwei obenliegende Nokkenwellen aufweist, versteht es sich von selbst, dass diese Bauweise lediglich der einfacheren Darstellung wegen gewählt wurde. Der Kolbenmotor 10 könnte ebensogut mit stehenden Ventilen ausgerüstet sein, die über Kipphebel und/oder Stossstangen von auf einer seitlich angeordneten Nockenwelle sitzenden Nocken aus gesteuert sind. Ebenso ist die Art der Kühlung des Motors unkritisch.
Die Turbine 13 könnte ebenfalls zweiteilig ausgebildet sein, wobei ein Teil der Turbine 13 ausschliesslich dem Antrieb des Verdichters 16 und der andere dem Antrieb der Arbeitsmaschine 60 dient. Ebenso ist es weitgehend der Wahl des Fachmannes überlassen, die Art und die Anzahl Stufen des Verdichters 16 so weit zu bestimmen, als sie mit der noch zu beschreibenden Arbeitsweise der Wärmekraftmaschine zu vereinbaren sind.
Die Arbeitsweise der dargestellten Wärmekraftmaschine soll nachstehend anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben werden.
In diesen Figuren ist mit ausgezogenen Pfeilen die Strömungsrichtung von heissen, expandierenden Verbrennungsgasen angegeben, während mit strichlierten Pfeilen die Strömungsrichtung von vorverdichteter Ladungsluft angegeben ist.
In der Fig. 2 ist der Kolbenmotor 10 als Zweitaktmotor betrieben. Er entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Motor, wobei jedoch die Einspritzdüse 35 zum Einspritzen von Wasser hier weggelassen ist. Man erkennt in der in Fig. 2 links dargestellten Phase den sich dem Ende des Arbeitshubes nähernden Kolben 28, der beginnt, die Schlitze 46 freizugeben. Sowohl das Einlassventil 23 als auch das Auslassventil 38 sind geschlossen. Wie durch Pfeile angegeben, beginnen die noch heissen Verbrennungsgase den Innenraum des Zylinders 11 zu verlassen und über die Auspuffsammelleitung 48 in die zur Turbine 13 (nicht dargestellt) führende Druckleitung 49 zu strömen.
Durch die im ersten Teil des Arbeitshubes eher isothermisch erfolgte Expansion der Verbrennungsgase, haben diese in der in Fig. 2 dargestellten ersten Phase noch eine Temperatur von grössenordnungsmässig etwa 8000C und einen Restdruck von etwas über 8 Atmosphären. Sobald der Kolben 28 seinen unteren Totpunkt erreicht, öffnet, wie in der zweiten Phase der Fig. 2 dargestellt, das Einlassventil 23, wodurch dem Innenraum des Zylinders 11 aus der Einlassleitung 21 auf etwa 8 Atmosphären vorverdichtete Frischluft zugeführt wird, welche einerseits von der Zylinderwand und vom Zylinderkopf Wärme aufnimmt und andererseits den Rest der Verbrennungsgase durch die nunmehr vom Kolben 28 vollständig freigegebenen Schlitze 46 in die Auspuffleitung 48 und in die zur Turbine führende Druckleitung 49 verdrängt.
Beim nunmehr folgenden Aufwärtshub des Kolbens 28 schliesst das Einlassventil 23, sobald der Kolben 28 die Schlitze 46 wieder verschlossen hat. Gleichzeitig öffnet aber das Auslassventil 38, so dass die zugeströmte vorverdichtete Frischluft, unter weiterer Abführung von Wärme von den dem Innenraum des Zylinders 11 zugekehrten Oberflächen in die Auslassleitung 44 und von da aus in die Sammelleitung 45 verdrängt wird. Dort wird diese verdichtete Frischluft als Verbrennungsluft für den Brenner 56 verwendet, so dass diese Frischluft erwärmt und praktisch mit gleichbleibendem Druck der Druckleitung 49 und von da aus der Turbine 13 zugeführt wird. Diese Verdrängung der vorverdichteten Luft aus dem Zylinder 11 mittels des Kolbens 28 durch das geöffnete Auslassventil 38 erfolgt während eines ersten, mit a bezeichneten Teiles des Aufwärtshubes des Kolbens 28.
Dies ist in der dritten Phase der Fig. 2 dargestellt.
Sobald der Kolben die in dieser dritten Phase erreichte Stellung erreicht hat, schliesst das Auslassventil 38 und der Kolben 28 führt den restlichen Teil k seines Aufwärtshubes aus, wobei die, wie erwähnt, bereits auf etwa 8 atü vorverdichtete Frischluft auf den bei Dieselmotoren üblichen maximalen Druck weiterverdichtet wird. In der vierten Phase der Fig. 2 hat der Kolben 28 seinen oberen Totpunkt erreicht, die im Zylinder 11 vorhandene Frischluft den höchsten Verdichtungsgrad und eine weit über dem Flammpunkt des benützten Kraftstoffes liegende Temperatur erreicht. In diesem Moment wird durch die Einspritzdüse 31 eine abgemessene Menge Kraftstoff in den Zylinder 11 eingespritzt, welcher unter Erzeugung eines von den sich bildenden Verbrennungsgasen ausgehenden Druck- und Temperaturanstieges verbrennt.
Sodann beginnt bei geschlossenen Ventilen 23 und 38 der normale Arbeitshub des Kolbens 28, der im wesentlichen über die Strecken k + a führt, während der vorangegangene, wirksame Kompressionshub lediglich über die Strecke k geführt hat. Gegen Ende seines Arbeitshubes erreicht der Kolben 28 wieder die in der ersten Phase der Fig. 2 dargestellte Stellung.
Da die Sammelleitung 45 aus allen Zylindern des Kolbenmotors gespiesen wird, ist der Betrieb des Brenners 56 nicht, wie aus der Darstellung geschlossen werden könnte, intermittierend, sondern kontinuierlich, weil in jedem Zeitpunkt einer der Kolben des Kolbenmotors vorverdichtete Luft durch sein Auslassventil 38 in die Sammelleitung 45 verdrängt. Ebenso ist die Strömung in der Auspuffsammelleitung 48 im wesentlichen konstant, weil sie aus allen Zylindern des Kolbenmotors gespiesen wird. Schliesslich ist zu bemerken, dass es besonders vorteilhaft ist, die Länge des Arbeitshubes des Kolbens 28 (a + k) etwa dreimal so gross zu wählen, wie den wirksamen Kompressionshub k.
Bei den in Fig. 3 dargestellten Arbeitsphasen ist der Kolbenmotor dazu eingerichtet, als Viertaktmotor zu arbeiten. In der ersten Phase (oben links in der Fig. 3) nähert sich der Kolben 28 dem Ende seines Arbeitshubes und steht im Begriffe, die Auslasschlitze 46 freizugeben, durch welche die noch heissen Verbrennungsprodukte in die Auspuffsammelleitung 48 und von da aus an die zur Turbine führende Druckleitung 49 entweichen. Diese Phase entspricht weitgehend der ersten in Fig. 2 dargestellten Phase. Ebenso entspricht die zweite Phase der Fig. 3 weitgehend der zweiten in Fig. 2 dargestellten Phase. Hier hat der Kolben 28 die Auslasschlitze 46 vollständig freigegeben, das Einlassventil 23 ist geöffnet, es strömt verdichtete Frischluft in den Zylinder 11 ein und verdrängt die noch vorhandenen heissen Verbrennungsprodukte in die Auspuffsammelleitung 48.
In der dritten Phase, welche beim herkömmlichen Viertaktmotor als Ausstossphase bezeichnet würde, ist das Auslassventil 38 offen, das Einlassventil 23 dagegen geschlossen und der aufwärtsbewegte Kolben 28 verdrängt die in den Zylinder gelangte, vorverdichtete Frischluft durch die Auslassleitung in die Sammelleitung 45 und von da aus in die Druckleitung 49. Da die zugeströmte Frischluft einen erheblichen Teil der von den heissen, dem Innenraum des Zylinders 11 zugekehrten Oberflächen abgegebenen Wärme aufgenommen hat, wird in dieser dritten Phase durch die Einspritzdüse 35 eine abgemessene Menge Wasser in den Zylinder eingespritzt, welches Wasser verdampft und dabei der Frischluft Wärme entzieht. Die verdrängte Frischluft mit dem Wasserdampf zusammen wird sodann in der Sammel leitung 45 durch den Brenner 56 erhitzt und gelangt in die
Druckleitung 49.
In der darauffolgenden vierten Phase (Fig. 3 oben rechts), welche beim herkömmlichen Viertaktmotor als Ansaugphase bezeichnet würde, wird das Einlassventil 23 abermals geöffnet, und vorverdichtete Luft strömt nach Massbabe des Abwärtshubes des Kolbens 28 in den Zylinder 11 nach. Die darauffol gende fünfte Phase entspricht weitgehend der dritten in Fig. 2 dargestellten Phase. Hier verdrängt der sich aufwärtsbewe gende Kolben 28 durch das offene Auslassventil 38 einen Teil der vorverdichteten Luft in die Auslassleitung 44 und von da -aus in die Sammelleitung 45, wo sie, bevor sie die Drucklei tung 49 erreicht, durch den Brenner 56 erhitzt wird.
Im letzten Teil des Aufwärtshubes des Kolbens 28 (sechste Phase der
Fig. 3) sind beide Ventile 23 und 38 geschlossen, die vorver dichtete Frischluft wird weiter adiabatisch verdichtet, wobei sie sich auf eine Temperatur erhitzt, die weit über dem Flammpunkt des verwendeten Kraftstoffes liegt. Diese weitere Ver dichtung ist in der siebten dargestellten Phase beendet, und in diesem Zeitpunkt wird durch die Einspritzdüse 31, wie bei
Dieselmotoren üblich, eine abgemessene Menge Kraftstoff in den Zylinder 11 eingespritzt, welcher Kraftstoff sich augen blicklich entzündet, wobei die entstehenden Verbrennungsgase den den eigentlichen Arbeitshub des Kolbens 28 zur Folge habenden Druckanstieg bewirken.
In der achten, in Fig. 3 dargestellten Phase, ist der Kolben 28 im Begriff, diesen
Arbeitshub bei geschlossenen Ventilen 23 und 38 auszuführen und erreicht nach kurzer Zeit wieder die in der ersten Phase der Fig. 3 dargestellte Lage.
Aus dem bisher Gesagten kann jeder Fachmann schliessen, dass bei der beschriebenen Wärmekraftmaschine der Bedarf an Kühlung des Kolbenmotors auf ein Mindestmass herabge setzt ist, weil die Venveilzeit von heissen Verbrennungsgasen allein im Zylinder 11 auf ein Mindestmass herabgesetzt ist.
Darüberhinaus wird die Wärme, die von den dem Innenraum des Zylinders 11 zugekehrten Oberflächen aufgenommen wird, wieder grösstenteils von derselben Seite her weggeführt, was durch die vorverdichtete Frischluft erfolgt, von welcher ein Teil nach der durch den Brenner 56 erfolgten zusätzlichen
Erwärmung der Turbine 13 zugeführt wird, wo sie eine Expan sion auf Atmosphärendruck und eine damit verbundene
Abkühlung auf erwa die Umgebungstemperatur erfährt. Es ist somit klar, dass bei der vorliegenden Wärmekraftmaschine ein erheblicher Teil der bei den herkömmlichen Wärmekraftma schinen durch den Auspuff oder durch das Kühlmedium abgeführten Wärme in mechanisch nutzbare Leistung umgesetzt wird.
PATENTANSPRUCH I
Wärmekraftmaschine mit einer einem Kolbenmotor nachge schalteten Turbine, welche einen in der zum Motor führenden
Ansaugleitung angeordneten Verdichter treibt, wobei jeder
Zylinder des Kolbenmotors eine gesteuerte Auslassöffnung aufweist sowie Mittel, um diese Auslassöffnung während eines ersten Teils des Kompressionshubes des entsprechenden Kol bens zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöff nung (39) über eine Leitung (44) mit der Druckseite (49) der Turbine (13) verbunden ist, um einen Teil der vom Verdichter (16) vorverdichteten und vom Kolben (28) im genannten Teil (a) des Kompressionshubes verdrängten Luft der Turbine (13) zuzuführen, welche zur Abgabe überschüssiger mechanischer
Leistung eingerichtet ist (14, 60).
UNTERANSPRÜCHE
1. Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch I mit einem mehrzylindrigen Kolbenmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (44) aus jedem Zylinder (11) in eine Sammelleitung (45) geführt ist, welche zusammen mit einer Auspuffsammelleitung (48) in eine zur Turbine (13) führende Druckleitung (49) mündet.
2. Wärmekraftmaschine nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sammelleitung (45) ein Brenner (56) zur Erhitzung der vom Kolben (28) aus dem Zylinder (11) verdrängten, vorverdichteten Luft vorgesehen ist.
3. Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine in den Zylinder (11) einmündende Einspritzdüse (35) vorgesehen ist, um durch Einspritzen von Wasser die dem Zylinder (11) zuströmende und als Spülluft wirkende, vorverdichtete Frischluft zu kühlen.
4. Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch einen als Dieselmotor ausgebildeten Kolbenmotor.
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zum Betrieb der Wärmekraftmaschine gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verdichters Frischluft praktisch isothermisch verdichtet und dem Kolbenmotor zugeführt wird, dass ein Teil der isothermisch verdichteten Frischluft durch den Kolben nach der Druckseite der Turbine verdrängt wird und der übrige Teil der isothermisch verdichteten Luft adiabatisch weiter verdichtet wird, wonach der adiabatisch weiter verdichteten Luft durch Verbrennung Wärme zugeführt und die entstehenden Verbrennungsgase im Kolbenmotor praktisch isothermisch expandiert und danach zur adiabatischen Expansion der Turbine zugeführt werden.
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The present invention relates to a heat engine with a turbine connected downstream of a piston engine, which drives a compressor arranged in the intake line leading to the piston engine, each cylinder of the piston engine having a controlled outlet opening and means to close this outlet opening during a first part of the compression stroke of the corresponding piston to open.
Basically, such a heat engine with a piston engine with exhaust gas turbocharger and with an effective compression stroke shortened by the special control of the exhaust valve or - if the effective compression stroke is taken as a reference value - with an extended working stroke of the piston is comparable.
Both the charging by the compressor and the drive of the compressor by an exhaust gas turbine and the extension of the working stroke of the piston compared to the effective compression stroke are measures that increase the thermal efficiency of such a machine compared to that of a classic suction motor and at the same time increase the size of the machine for a given nominal power.
In a known machine of the type mentioned at the outset, a line starting from the controlled outlet valve is provided, which leads via an intercooler into a collecting line fed by the compressor and immediately upstream of the inlet openings of the piston engine. If, in the first part of its compression stroke, the piston displaces the pre-compressed fresh air already supplied to the cylinder chamber through the open exhaust valve, this fresh air, after it has given off the heat absorbed by the hot cylinder walls in the intercooler, returns to the pressure circuit of the Compressor, which therefore has to provide a smaller capacity and therefore also to be driven with a lower capacity.
This allows a modest increase in the efficiency of the piston engine, because the amount of energy kept in the circuit by the auxiliary units (turbine compressor) is reduced. On the other hand, with this machine, a further part of the heat generated is not converted into mechanical power, but is lost - dissipated through the intercooler.
It is therefore an aim of the present invention to create a heat engine of the type mentioned at the outset which promises a significant increase in thermal efficiency without having to accept an increase in the material stress beyond the currently recognized limits.
For this purpose, the proposed heat engine is characterized according to the invention in that the outlet opening is connected to the pressure side of the turbine via a line in order to supply part of the air to the turbine which has been pre-compressed by the compressor and displaced by the piston in the said part of the compression stroke and which is used to discharge excess mechanical performance is established.
In the heat engine according to the invention, mechanical power is thus available at two points, namely on the shaft of the piston engine and on the shaft of the turbine.
The line emanating from the outlet valve expediently leads first into a collecting line in which a burner is arranged and the outlet of which opens into the pressure line leading to the turbine, which in turn starts from the exhaust manifold of the piston engine.
Embodiments of the subject matter of the invention are shown in more detail below with reference to the drawing.
It shows:
1 shows a schematic representation of a heat engine, the piston engine being shown in section transversely to the crankshaft and through one of its cylinders.
FIG. 2 shows four different phases of a piston engine of the heat engine operating as a two-stroke engine, and FIG
3 shows eight different phases of a piston engine of the heat engine, which operates essentially as a four-stroke engine.
The heat engine shown in Fig. 1 has a piston engine 10 with a plurality of cylinders 11. This piston engine 10 can be of any design as far as the arrangement of the cylinders 11 is concerned. The piston engine 10, as indicated by the dashed line 12, is followed by a gas turbine 13. As indicated by the dashed lines 15, the drive shaft 20 of a compressor 16 is coupled to the shaft 14 of the gas turbine 13. The compressor 16 has an inlet 17 which draws from the atmosphere and an outlet 18 which, as indicated by the dashed line 19, is connected to the suction side of the motor 10.
The illustrated engine 10 is a diesel engine in which each cylinder 11 has an inlet line 21 opening into an inlet opening 22. The inlet opening 22 is controlled by a valve 23, which in turn can be opened by a cam 25 seated on a camshaft 24 against the action of a spring 26. The camshaft 24 is, as indicated by the dash-dotted line 27, coupled to the crankshaft 30 of the engine 10.
As in every piston engine, a piston 28 can be displaced in each of the cylinders 11, which piston is in turn connected to the crankshaft 30 via a connecting rod 29.
In the head of the cylinder 11 there is also an injection nozzle 31 for fuel, which is connected to an injection pump 32, which in turn draws fuel from a fuel tank 33 via a fuel line 34. The injection pump 32 is also driven as a function of the speed of the crankshaft 30, as indicated by the dash-dotted line 37.
In the illustrated engine 10, there is another injection nozzle 35 in the head of each of the cylinders 11, which in turn is connected to a second injection pump 36.
As will be described later, the injection nozzle 35 and the injection pump 36 serve to inject water into the space of the cylinder 11 at a specific point in time of the stroke of the piston 28.
Each cylinder 11 is also assigned an outlet valve 38 which controls an outlet opening 39 and, in turn, can be opened against the action of a spring 40 by a cam 41 seated on a camshaft 42. The camshaft 42 is also driven as a function of the speed of the crankshaft 30, as indicated by the dash-dotted line 43. At the outlet opening 39, an outlet line 44 begins, which in turn opens into a collecting line 45.
A burner 56 is arranged in this collecting line 45, which is fed via a feed line 57 from a metering pump 58, which in turn draws fuel from the fuel tank 33 via a feed line 59. The collecting line 45 opens into a pressure line 49 leading to the turbine 13.
An exhaust manifold 48, into which the exhaust lines 47 emanating from the individual cylinders 11 open, likewise opens into said pressure line 49.
These exhaust lines proceed from slots 46 which are formed in the wall of the cylinder 11 and which are released or released by the reciprocating piston 28 itself.
getting closed.
The compressor 16 shown has three sections 50, 51 and 52, with coolers 53, 54 and 55 being installed in the connecting lines between the individual sections and in the outlet line 18 from the last section 52, which conventional coolers, or preferably injection nozzles for Injection of water into the compressed and thus heated air by the individual sections 50-52. The amount of water injected is measured in such a way that it completely converts into steam and extracts the necessary heat from the pre-compressed air.
Finally, it can also be seen from FIG. 1 that the shaft 14 of the turbine 13 drives not only the compressor 16, but also a working machine designated 60, which in turn can be the same as that on the crankshaft 30 of the engine
10 coupled. In this case, of course, the different speeds of the crankshaft 30 and the turbine shaft 14 would have to be adapted to one another by means of a transmission, not shown.
So much for the basic structure of the heat engine. While the piston engine 10 shown has overhead directly controlled valves and two overhead camshafts, it goes without saying that this type of construction was chosen only for the sake of simplicity of illustration. The piston engine 10 could just as well be equipped with upright valves, which are controlled via rocker arms and / or push rods from cams located on a laterally arranged camshaft. The type of motor cooling is also not critical.
The turbine 13 could also be designed in two parts, one part of the turbine 13 serving exclusively to drive the compressor 16 and the other to drive the machine 60. Likewise, it is largely left to the choice of the person skilled in the art to determine the type and number of stages of the compressor 16 as far as they can be reconciled with the mode of operation of the heat engine to be described below.
The mode of operation of the heat engine shown will be described below with reference to FIGS. 2 and 3.
In these figures, solid arrows indicate the direction of flow of hot, expanding combustion gases, while dashed arrows indicate the direction of flow of pre-compressed cargo air.
In FIG. 2, the piston engine 10 is operated as a two-stroke engine. It largely corresponds to the engine shown in FIG. 1, but the injection nozzle 35 for injecting water is omitted here. In the phase shown on the left in FIG. 2, the piston 28 which is approaching the end of the working stroke and which begins to clear the slots 46 can be seen. Both the inlet valve 23 and the outlet valve 38 are closed. As indicated by arrows, the still hot combustion gases start to leave the interior of the cylinder 11 and to flow via the exhaust manifold 48 into the pressure line 49 leading to the turbine 13 (not shown).
Due to the rather isothermal expansion of the combustion gases in the first part of the working stroke, in the first phase shown in FIG. 2 they still have a temperature of the order of magnitude of about 8000 ° C. and a residual pressure of slightly over 8 atmospheres. As soon as the piston 28 reaches its bottom dead center, the inlet valve 23 opens, as shown in the second phase of FIG. 2, whereby fresh air which is precompressed to about 8 atmospheres is supplied to the interior of the cylinder 11 from the inlet line 21, which on the one hand comes from the cylinder wall and absorbs heat from the cylinder head and, on the other hand, displaces the remainder of the combustion gases through the slots 46, which have now been completely released by the piston 28, into the exhaust line 48 and into the pressure line 49 leading to the turbine.
During the upward stroke of the piston 28 that now follows, the inlet valve 23 closes as soon as the piston 28 has closed the slots 46 again. At the same time, however, the outlet valve 38 opens, so that the pre-compressed fresh air that has flowed in is displaced, with further dissipation of heat from the surfaces facing the interior of the cylinder 11, into the outlet line 44 and from there into the collecting line 45. There, this compressed fresh air is used as combustion air for the burner 56, so that this fresh air is heated and is supplied to the pressure line 49 and from there to the turbine 13 with practically constant pressure. This displacement of the pre-compressed air from the cylinder 11 by means of the piston 28 through the opened outlet valve 38 takes place during a first part of the upward stroke of the piston 28, denoted by a.
This is shown in the third phase of FIG.
As soon as the piston has reached the position reached in this third phase, the outlet valve 38 closes and the piston 28 executes the remaining part k of its upward stroke, whereby the fresh air, which has already been pre-compressed to about 8 atmospheres, is raised to the maximum pressure usual in diesel engines is further compressed. In the fourth phase of FIG. 2, the piston 28 has reached its top dead center, the fresh air present in the cylinder 11 has reached the highest degree of compression and a temperature far above the flash point of the fuel used. At this moment, a measured amount of fuel is injected through the injection nozzle 31 into the cylinder 11, which burns while generating a pressure and temperature rise emanating from the combustion gases that are formed.
Then, with the valves 23 and 38 closed, the normal working stroke of the piston 28 begins, which essentially leads over the distances k + a, while the previous, effective compression stroke only led over the distance k. Towards the end of its working stroke, the piston 28 again reaches the position shown in the first phase of FIG.
Since the manifold 45 is fed from all cylinders of the piston engine, the operation of the burner 56 is not, as could be inferred from the illustration, intermittent, but continuous, because at any point in time one of the pistons of the piston engine is pre-compressed air through its outlet valve 38 into the Manifold 45 displaced. Likewise, the flow in the exhaust manifold 48 is essentially constant because it is fed from all cylinders of the piston engine. Finally, it should be noted that it is particularly advantageous to choose the length of the working stroke of the piston 28 (a + k) to be about three times as large as the effective compression stroke k.
In the work phases shown in FIG. 3, the piston engine is set up to work as a four-stroke engine. In the first phase (top left in FIG. 3) the piston 28 approaches the end of its working stroke and is about to open the outlet slots 46 through which the still hot combustion products enter the exhaust manifold 48 and from there to the turbine leading pressure line 49 escape. This phase largely corresponds to the first phase shown in FIG. Likewise, the second phase in FIG. 3 largely corresponds to the second phase shown in FIG. 2. Here the piston 28 has completely released the outlet slots 46, the inlet valve 23 is open, compressed fresh air flows into the cylinder 11 and displaces the hot combustion products that are still present into the exhaust manifold 48.
In the third phase, which in the conventional four-stroke engine would be referred to as the exhaust phase, the outlet valve 38 is open, the inlet valve 23, on the other hand, is closed and the upwardly moving piston 28 displaces the pre-compressed fresh air that has entered the cylinder through the outlet line into the collecting line 45 and from there into the pressure line 49. Since the fresh air that has flowed in has absorbed a considerable part of the heat given off by the hot surfaces facing the interior of the cylinder 11, in this third phase a measured amount of water is injected into the cylinder through the injection nozzle 35, which evaporates the water and extracts heat from the fresh air. The displaced fresh air together with the water vapor is then heated in the collecting line 45 by the burner 56 and reaches the
Pressure line 49.
In the subsequent fourth phase (Fig. 3 top right), which would be referred to as the intake phase in the conventional four-stroke engine, the inlet valve 23 is opened again and pre-compressed air flows into the cylinder 11 according to the downward stroke of the piston 28. The subsequent fifth phase largely corresponds to the third phase shown in FIG. Here, the upward moving piston 28 displaces some of the pre-compressed air through the open outlet valve 38 into the outlet line 44 and from there into the collecting line 45, where it is heated by the burner 56 before it reaches the pressure line 49.
In the last part of the upward stroke of the piston 28 (sixth phase of the
Fig. 3) both valves 23 and 38 are closed, the vorver compressed fresh air is further compressed adiabatically, where it is heated to a temperature that is well above the flash point of the fuel used. This further Ver compression is completed in the seventh illustrated phase, and at this point in time by the injection nozzle 31, as in
It is common for diesel engines to inject a measured amount of fuel into the cylinder 11, which fuel instantly ignites, the resulting combustion gases causing the actual working stroke of the piston 28 to result in a pressure increase.
In the eighth phase shown in Fig. 3, the piston 28 is about to this
Execute the working stroke with the valves 23 and 38 closed and after a short time reaches the position shown in the first phase of FIG.
From what has been said so far, anyone skilled in the art can conclude that in the case of the heat engine described, the requirement for cooling the piston engine is reduced to a minimum because the residence time of hot combustion gases in cylinder 11 alone is reduced to a minimum.
In addition, the heat that is absorbed by the surfaces facing the interior of the cylinder 11 is again largely carried away from the same side, which is done by the pre-compressed fresh air, of which a part after the additional air made by the burner 56
Heating of the turbine 13 is supplied, where it is an expan sion to atmospheric pressure and an associated one
Cooling down to the ambient temperature. It is thus clear that in the case of the present heat engine, a considerable part of the heat dissipated through the exhaust or through the cooling medium in conventional heat engines is converted into mechanically usable power.
PATENT CLAIM I
Heat engine with a turbine downstream of a piston engine, which has a leading to the engine
Suction line arranged compressor drives, each
Cylinder of the piston engine has a controlled outlet opening and means to open this outlet opening during a first part of the compression stroke of the corresponding piston, characterized in that the outlet opening (39) via a line (44) with the pressure side (49) of the turbine (13) is connected in order to supply part of the air which has been pre-compressed by the compressor (16) and displaced by the piston (28) in said part (a) of the compression stroke to the turbine (13), which is used to discharge excess mechanical
Power is established (14, 60).
SUBCLAIMS
1. Heat engine according to claim I with a multi-cylinder piston engine, characterized in that the line (44) from each cylinder (11) is led into a manifold (45) which, together with an exhaust manifold (48), into a turbine (13) leading pressure line (49) opens.
2. Heat engine according to dependent claim 1, characterized in that a burner (56) is provided in the collecting line (45) for heating the pre-compressed air displaced by the piston (28) from the cylinder (11).
3. Heat engine according to claim I, characterized in that an injection nozzle (35) opening into the cylinder (11) is provided in order to cool the pre-compressed fresh air flowing into the cylinder (11) and acting as scavenging air by injecting water.
4. Heat engine according to claim I, characterized by a piston engine designed as a diesel engine.
PATENT CLAIM II
Method for operating the heat engine according to claim 1, characterized in that fresh air is practically isothermally compressed by means of the compressor and fed to the piston engine, that part of the isothermally compressed fresh air is displaced by the piston to the pressure side of the turbine and the remaining part is isothermally compressed Air is further compressed adiabatically, after which heat is supplied to the adiabatically further compressed air by combustion and the combustion gases that arise in the piston engine are expanded practically isothermally and then supplied to the turbine for adiabatic expansion.
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