DE102009058601A1

DE102009058601A1 - Method for operating internal combustion engine, involves drawing of fuel into working chamber of internal combustion engine, where fuel is compressed by movement of piston

Info

Publication number: DE102009058601A1
Application number: DE102009058601A
Authority: DE
Inventors: Paul Grohmann
Original assignee: Messer Group GmbH
Current assignee: Messer Group GmbH
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-22

Abstract

The method involves drawing of fuel into a working chamber (4) of an internal combustion engine, where the fuel is compressed by the movement of a piston (3). Liquid oxygen is sprayed into the compressed fuel in the working chamber through a spraying nozzle (9). The fuel is atomized with a gas to form an aerosol. Hydrocarbon and moderate carbon dioxide gas is used as the fuel. An independent claim is also included for an internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines für niederkalorische Kraftstoffe geeigneten Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen entsprechenden Verbrennungsmotor.The invention relates to a method for operating a combustion engine suitable for low calorific fuels. The invention further relates to a corresponding internal combustion engine.

Niederkalorische Brennstoffe, wie beispielsweise stark mit Inertgasen angereichertes Erdgas oder mit unbrennbaren Bestandteilen verschmutztes Öl kommen derzeit in verschiedenen metallurgischen Verbrennungsprozessen zum Einsatz. Um ein zündfähiges Gemisch mit dieser Art Brennstoff herzustellen, ist ein sauerstoffreiches Oxidationsmittel, etwa angereicherter Sauerstoff oder reiner Sauerstoff mit einer Reinheit vom 95 Vol.-%, bevorzugt mehr als 99 Vol.-% erforderlich. Der Einsatz solcher Brennstoffe bzw. Oxidationsmittel ist jedoch bei üblichen Verbrennungsmotoren, also Motoren, bei denen eine Verbrennung eines Gemisches aus Kraftstoff und Oxidationsmittel innerhalb eines geschlossenen Arbeitsraumes erfolgt, wie etwa Hubkolbenmotoren oder Rotationskolbenmotoren, nicht ohne weiteres möglich.Niederkalorische fuels, such as highly inert gas enriched natural gas or with incombustible constituents contaminated oil are currently used in various metallurgical combustion processes. In order to produce an ignitable mixture with this type of fuel, an oxygen-rich oxidant, such as enriched oxygen or pure oxygen with a purity of 95 vol .-%, preferably more than 99 vol .-% is required. However, the use of such fuels or oxidants is not readily possible in conventional internal combustion engines, ie engines in which a combustion of a mixture of fuel and oxidant within a closed working space, such as reciprocating engines or rotary engines.

Beispielsweise wird in Hubkolbenmotoren, die mit dem Diesel-Verbrennungsverfahren arbeiten, bekanntlich zunächst Luft in den Zylinder des Hubkolbenmotors eingesaugt und anschließend verdichtet, wodurch sich die Luft auf 700°C bis 900°C erwärmt. Im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens wird ein Kraftstoff in die im Zylinder vorliegende verdichtete Luft eingespritzt. Die hohe Temperatur der Luft ist ausreichend, um den meist flüssigen Kraftstoff von der Oberfläche her zu verdampfen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird die innere Energie des Kraftstoffes in Form von Wärme freigesetzt. Das Verbrennungsgasgemisch dehnt sich unter arbeitsleistender Bewegung des Kolbens aus, bis dieser den unteren Totpunkt erreicht hat, wobei sich das Verbrennungsgas abkühlt. Anschließend werden die Verbrennungsgase ausgestoßen. Diese Motoren versagen jedoch bei Brennstoffen, die einen so geringen Brennwert aufweisen, dass eine spontane Verbrennung mit Luft selbst bei den genannten hohen Temperaturen nicht möglich ist. Die Ersetzung der Luft durch Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft führt in diesem Verfahren jedoch zu unbefriedigenden Ergebnissen, da sich der eingespritzte Brennstoff nur sehr unregelmäßig in dem mit dem verdichteten Oxidationsmittel befüllten Arbeitsraum (Zylinder) verteilt und daher trotz Sauerstoffeinsatzes nur eine verzögerte und/oder unvollständige Verbrennung mit hohem Schadstoffausstoß erfolgt.For example, in reciprocating engines that use the diesel combustion process, it is known that air is first drawn into the cylinder of the reciprocating engine and then compressed, causing the air to be heated to 700 ° C. to 900 ° C. In the region of the top dead center of the piston, a fuel is injected into the compressed air present in the cylinder. The high temperature of the air is sufficient to evaporate the most liquid fuel from the surface and to ignite the fuel-air mixture. During combustion of the fuel-air mixture, the internal energy of the fuel is released in the form of heat. The combustion gas mixture expands under work force movement of the piston until it has reached the bottom dead center, whereby the combustion gas cools. Subsequently, the combustion gases are discharged. However, these engines fail with fuels that have such low calorific value that spontaneous combustion with air is not possible even at the high temperatures mentioned. The replacement of the air by oxygen or oxygen-enriched air leads in this method, however, to unsatisfactory results, since the injected fuel is distributed only very irregularly in the filled with the compressed oxidant working space (cylinder) and therefore despite the use of oxygen only a delayed and / or incomplete combustion with high pollutant emissions takes place.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie einen entsprechenden Verbrennungsmotor anzugeben, das bzw. der auch für die Verbrennung niederkalorischer Brennstoffe geeignet ist.The object of the present invention is therefore to provide a method for operating an internal combustion engine and a corresponding internal combustion engine, which is also suitable for the combustion of low calorific fuels.

Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1.

Das erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors lässt sich in folgende Schritte unterteilen, die prinzipiell ähnlich dem Dieselmotor in einer vier- als auch in einer zweitaktigen Abfolge umgesetzt werden kann: In einem ersten Schritt wird Brennstoff – gasförmig oder als Aerosol – in den Arbeitsraum des Verbrennungsmotors gesaugt, im zweiten Schritt wird der Brennstoff durch die Bewegung des Kolbens im Arbeitsraum auf beispielsweise 10 bar bis 30 bar verdichtet und dabei stark erhitzt. Im darauffolgenden dritten Schritt wird mittels einer Zerstäuberdüse flüssiger Sauerstoff unter hohem Druck von beispielsweise 150 bar bis 2500 bar in den Arbeitsraum eingesprüht. Als flüssiger Sauerstoff soll hier ein verflüssigtes Gas mit einem Sauerstoffanteil von mehr als 90 Vol.-%, bevorzugt mehr als 99 Vol.-% bezeichnet werden. Der flüssige Sauerstoff verteilt sich in Form feiner Tröpfchen im Arbeitsraum, bevor er vollständig verdampft, und vermischt sich mit dem Brennstoff zu einem zündfähigen Arbeitsgas. Aufgrund der Reaktionsfreudigkeit des Sauerstoffs zündet das aus dem Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff bestehende Arbeitsgas bei den meisten hier in Betracht kommenden Brennstoffen von selbst; eine Fremdzündung ist im Rahmen der Erfindung jedoch nicht ausgeschlossen. Die bei der Verbrennung des Arbeitsgases frei werdende innere Energie des Brennstoffs wird arbeitsleistend zum Antrieb des Kolbens eingesetzt. In letzten Schritt werden die Verbrennungsgase in an sich bekannter Weise ausgestoßen.The method according to the invention for operating an internal combustion engine can be subdivided into the following steps, which in principle can be implemented in a four-stroke as well as in a two-stroke sequence similar to the diesel engine: In a first step, fuel - gaseous or as aerosol - enters the working chamber of the internal combustion engine sucked, in the second step, the fuel is compressed by the movement of the piston in the working space, for example, 10 bar to 30 bar and thereby strongly heated. In the subsequent third step, liquid oxygen is sprayed into the working space at high pressure of, for example, 150 bar to 2500 bar by means of an atomizer nozzle. As liquefied oxygen is here a liquefied gas with an oxygen content of more than 90 vol .-%, preferably more than 99 vol .-% be designated. The liquid oxygen distributes itself in the form of fine droplets in the working space before it completely evaporates, and mixes with the fuel to form an ignitable working gas. Owing to the reactivity of the oxygen, the working gas consisting of the mixture of fuel and oxygen spontaneously ignites in most of the fuels contemplated herein; However, a spark ignition is not excluded within the scope of the invention. The released during the combustion of the working gas internal energy of the fuel is used to perform the work of driving the piston. In the last step, the combustion gases are ejected in a conventional manner.

Wesentlich für die Erfindung ist also, dass als Oxidationsmittel nicht Luft sondern Sauerstoff zum Einsatz kommt, der in flüssiger Form unter hohem Druck von beispielsweise von 150 bar bis 2500 bar, bevorzugt etwa 200 bar, in den verdichteten Brennstoff eingesprüht wird und sich in Form feinster flüssiger Tröpfchen mit großer Oberfläche im Arbeitsraum verteilt. Beim Verdampfen der Sauerstoff-Tröpfchen wird somit ein homogenes Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch im Arbeitsraum hergestellt, das die Verbrennung des Brennstoffs wesentlich begünstigt. Aus diesem Grunde ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch für den Einsatz mit niederkalorischen Brennstoffen geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch durch verschiedene, aus der Entwicklung von Dieselmotoren bekannte Ergänzungen in seiner Effizienz verbessert werden, wie beispielsweise dem „Common-Rail”-Verfahren bei dem – übertragen auf die Erfindung – der flüssige Sauerstoff beständig unter hohem Druck bereitgehalten wird und somit eine Abfolge von mehreren genau dosierten Einspritzungen des Sauerstoffs erlaubt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für Hubkolbenmotoren als auch für Rotationskolbenmotoren, wie etwa Wankelmotoren, geeignet.Essential to the invention is therefore that not oxygen but oxygen is used as the oxidizing agent, which is sprayed in liquid form under high pressure of for example from 150 bar to 2500 bar, preferably about 200 bar, in the compressed fuel and in the form of finest liquid droplets with a large surface distributed in the working space. During vaporization of the oxygen droplets, a homogeneous fuel-oxygen mixture is thus produced in the working space, which favors the combustion of the fuel substantially. For this reason, the inventive method is particularly suitable for use with low calorific fuels. The inventive method can also be improved by various known from the development of diesel engines supplements in its efficiency, such as the "common rail" method in which - transferred to the invention - the liquid oxygen is kept constantly under high pressure and thus a sequence of several accurately metered injections of oxygen allowed. The The method according to the invention is suitable both for reciprocating piston engines and for rotary piston engines, such as rotary engines.

Um die Kompression des Brennstoffes bewältigen zu kommen, kommt als Brennstoff zweckmäßigerweise ein gasförmiger Brennstoff zum Einsatz, beispielsweise Erdgas oder Synthesegas. Der Brennstoff kann dabei auch stark mit Inertgasen beladen sein, die den Brennwert des Brennstoffs stark herabsetzen. In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung kommt jedoch ein flüssiger Brennstoff zum Einsatz, der bei der Zuführung zum Arbeitsraum des Verbrennungsmotors mit einem Gas, vorzugsweise einem (sauerstofffreien) Inertgas zerstäubt wurde.In order to cope with the compression of the fuel, a gaseous fuel is expediently used as fuel, for example natural gas or synthesis gas. The fuel can also be heavily loaded with inert gases, which greatly reduce the calorific value of the fuel. In a further embodiment of the invention, however, a liquid fuel is used, which was atomized in the supply to the working space of the internal combustion engine with a gas, preferably a (oxygen-free) inert gas.

Kommt ein hochkalorischer Brennstoff zum Einsatz, beispielsweise reines Erdgas oder übliche, als Kraftstoffe eingesetzte Kohlenwasserstoffe, wird dagegen der Brennstoff bevorzugt mit einem Moderationsgas vermischt, um die Temperaturen im Arbeitsraum nicht zu sehr ansteigen zu lassen. Als Moderationsgas kommt beispielsweise ein Inertgas in Betracht, das vor der Zuführung des Brennstoffs an den Arbeitsraum dem Brennstoff beigemischt wird, oder Verbrennungsgase, die nach dem Ausstoß teilweise wieder zusammen mit dem Brennstoff in den Arbeitsraum zurückgeführt werden.If a high-calorie fuel is used, for example pure natural gas or conventional hydrocarbons used as fuels, the fuel is preferably mixed with a moderating gas so as not to increase the temperatures in the working space too much. As a moderating gas, for example, an inert gas is considered, which is added to the fuel before supplying the fuel to the working space, or combustion gases, which are partially returned after the discharge together with the fuel in the working space.

Besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz von möglichst reinen hochkalorischen Kohlenwasserstoffen, die entweder in Gasform oder als Aerosol dem Arbeitsraum des Verbrennungsmotors zugeführt werden. In diesem Fall wird als bevorzugtes Moderationsgas – falls ein solches aufgrund der beim Betreib des Verbrennungsmotors entstehenden Temperaturen erforderlich ist – Kohlendioxid verwendet, das entweder als reines Gas zugeführt oder aus dem Abgas des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird. In diesem Fall besteht das Abgas zumindest weitestgehend aus Wasser und Kohlendioxid. Das Kohlendioxid kann anschließend abgetrennt und einer Sequestrierung zugeführt werden, es gelangt also kein Kohlendioxid in die Atmosphäre.Particularly advantageous is the use of highly pure high-calorie hydrocarbons, which are supplied either in gaseous form or as an aerosol the working space of the internal combustion engine. In this case, as the preferred moderating gas - if such is required due to the resulting temperatures in the operation of the internal combustion engine - carbon dioxide is used, which is supplied either as pure gas or recycled from the exhaust gas of the internal combustion engine. In this case, the exhaust gas consists at least largely of water and carbon dioxide. The carbon dioxide can then be separated and fed to a sequestration, so it gets no carbon dioxide in the atmosphere.

Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in stationären Motoren eingesetzt, da in diesem Fall die Versorgung mit Flüssigsauerstoff unproblematisch zu bewältigen ist. Jedoch ist auch der Einsatz als Antriebsmotor, wie beispielsweise als Antriebsaggregat von Schiffen, im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen.Advantageously, the method according to the invention is used in stationary engines, since in this case the supply of liquid oxygen can be handled without problems. However, the use as a drive motor, such as a drive unit of ships, in the context of the invention is not excluded.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch einen Verbrennungsmotor gelöst, der mit einem in einer Arbeitskammer beweglich aufgenommenen Kolben ausgerüstet ist, wobei die Arbeitskammer mit einer Brennstoffzuleitung und mit einer Abgasleitung strömungsverbunden ist, und der weiterhin gekennzeichnet ist durch eine Zuleitung für flüssigen Sauerstoff, die an einer Zerstäuberdüse in der Arbeitskammer einmündet. Der bewegliche Kolben grenzt in der Arbeitskammer ein im Folgenden als Arbeitsraum bezeichnetes Volumen ab, in dem die für das Verfahren wesentlichen thermodynamischen Prozesse stattfinden. Beispielsweise bezeichnet beim Hubkolbenmotor der Arbeitsraum den vom Kolben begrenzten Bereich des Zylinders und beim Rotationskolbenmotor das jeweils durch eine Wand des Läufers und der Innenwand des Gehäuses begrenzte Volumen. Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Motors wird flüssiger Sauerstoff, der vorzugsweise unter hohem Druck aus einer mit der Flüssigsauerstoffzuleitung strömungsverbundenen Quelle herangeführt wurde, in den im Arbeitsraum vorliegenden, hoch verdichteten Brennstoff eingedüst, die sich vor der Verbrennung gleichmäßig in Form von Flüssigsauerstoff-Tröpfchen im Raum verteilen und anschließend rasch unter Bildung eines Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches verdampfen. Das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch wird im Arbeitsraum verbrannt und dabei die frei werdende innere Energie des Brennstoffs arbeitsleistend in mechanische Energie des Kolbens umgesetzt.The object of the invention is also achieved by an internal combustion engine, which is equipped with a piston movably received in a working chamber, wherein the working chamber with a fuel supply line and with an exhaust pipe is fluidly connected, and which is further characterized by a supply line for liquid oxygen, the an atomizer nozzle opens into the working chamber. The movable piston defines in the working chamber a volume referred to hereinafter as the working space in which the thermodynamic processes essential for the process take place. For example, in the reciprocating engine, the working space designates the area of the cylinder bounded by the piston, and the volume limited in each case by a wall of the rotor and the inner wall of the housing in the case of a rotary piston engine. During operation of the engine according to the invention, liquid oxygen, which was preferably introduced under high pressure from a source connected to the liquid oxygen feed line, is injected into the highly compressed fuel present in the working space, which is distributed uniformly in the form of liquid oxygen droplets in the space before combustion and then evaporate rapidly to form a fuel-oxygen mixture. The fuel-oxygen mixture is burned in the working space while the released internal energy of the fuel working to convert into mechanical energy of the piston.

Im Falle des Einsatzes von flüssigem Brennstoffs ist der Brennstoffzuleitung vorteilhaft ein Zerstäuber zugeordnet, in dem der flüssige Brennstoff mit einem Trägergas zu einem Aerosol verarbeitet wird. Der Zerstäuber umfasst beispielsweise eine Zerstäuberdüse, an der der Brennstoff unter hohem Druck in ein Trägergas eingesprüht und das dabei entstehende Aerosol dem Arbeitsraum des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Als Trägergas kommt dabei beispielsweise Luft oder ein (sauerstofffreies) Inertgas in Betracht.In the case of the use of liquid fuel, the fuel feed line is advantageously associated with an atomizer, in which the liquid fuel is processed with a carrier gas to form an aerosol. The atomizer includes, for example, a spray nozzle, at which the fuel is sprayed under high pressure in a carrier gas and the resulting aerosol is supplied to the working space of the internal combustion engine. In this case, for example, air or an inert gas (oxygen-free) is considered as the carrier gas.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Hubkolbenmotor, bei dem der Arbeitsraum in an sich bekannter Weise als Zylinder ausgeführt ist, in dem der Kolben axial beweglich aufgenommen und kraftübertragend über einen Pleuel mit einer Kurbelwelle wirkverbunden ist.In a preferred embodiment, the internal combustion engine is a reciprocating engine, in which the working space is designed in a manner known per se as a cylinder, in which the piston is received axially movable and operatively connected via a connecting rod with a crankshaft.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die 1–4 zeigen schematisch die Abfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Viertaktprozess am Beispiel eines Hubkolbenmotors.Reference to the drawings, an embodiment of the invention will be explained in more detail. The 1 - 4 show schematically the sequence of the method according to the invention in a four-stroke cycle using the example of a reciprocating engine.

Der in den Zeichnungen gezeigte, als Hubkolbenmotor 1 ausgebildete erfindungsgemäße Motor umfasst, ähnlich einem Dieselmotor, einen Zylinder 2, in dem ein Kolben 3 axial beweglich aufgenommen ist. Der Kolben 3 ist in an sich bekannter Weise mit einer hier nicht gezeigten Kurbelwelle wirkverbunden. Der Kolben 3 grenzt auf seiner von der Kurbelwelle abgewandten Seite innerhalb des Zylinders 2 einen Arbeitsraum 4 ab. In den Arbeitsraum 4 mündet auf seiner dem Kolben gegenüberliegenden Seite eine mit einem Einlassventil 6 ausgerüstete Brennstoffzuleitung 5, eine mit einem Auslassventil 8 ausgerüstete Abgasleitung 7 sowie eine Hochdruck-Einspritzdüse 9 für flüssigen Sauerstoff.The shown in the drawings, as a reciprocating engine 1 trained engine according to the invention comprises, similar to a diesel engine, a cylinder 2 in which a piston 3 is received axially movable. The piston 3 is operatively connected in a conventional manner with a crankshaft, not shown here. The piston 3 borders on its side facing away from the crankshaft inside the cylinder 2 a workroom 4 from. In the workroom 4 opens on its opposite side of the piston one with an inlet valve 6 Equipped fuel supply line 5 one with an outlet valve 8th Equipped exhaust pipe 7 and a high pressure injector 9 for liquid oxygen.

Am Beginn des in 1 dargestellten ersten Taktes steht der Kolben an seinem oberen Totpunkt. Das Auslassventil 8 wird geschlossen und das Einlassventil 6 geöffnet. Der Kolben 3 bewegt sich nunmehr in Pfeilrichtung in Richtung Kurbelwelle. Aufgrund dieser Bewegung des Kolbens 3 wird ein Brennstoff, vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff, wie beispielsweise ein stark mit Inertgasen durchmischtes Erdgas, durch die Eingangsleitung 5 in den Arbeitsraum 4 gesaugt. Bei Erreichen des unteren Totpunkts ist der erste Takt beendet und das Einlassventil 6 wird geschlossen. Der Brennstoff liegt unter dem in der Eingangsleitung 5 herrschenden Druck vor, bei dem es sich um Umgebungsdruck oder um einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck von beispielsweise 5 bis 10 bar handeln kann.At the beginning of in 1 shown first stroke of the piston is at its top dead center. The outlet valve 8th is closed and the inlet valve 6 open. The piston 3 now moves in the direction of the arrow in the direction of the crankshaft. Because of this movement of the piston 3 becomes a fuel, preferably a gaseous fuel, such as a highly inert gas mixed with natural gas, through the input line 5 in the workroom 4 sucked. When bottom dead center is reached, the first cycle is completed and the inlet valve 6 will be closed. The fuel is below that in the input line 5 prevailing pressure, which may be ambient pressure or an overpressure relative to the ambient pressure of, for example, 5 to 10 bar.

Im zweiten Takt (2) bewegt sich der Kolben – bei geschlossenem Einlassventil 6 und ebenfalls geschlossenem Auslassventil 8 – zurück zu seinem oberen Totpunkt. Der im Arbeitsraum 4 vorliegende Brennstoff wird dadurch stark, um beispielsweise das 10–30 fache, verdichtet und dabei auf eine Temperatur von ca. 600°C bis 900°C erhitzt. Bei Erreichen des oberen Totpunktes wird flüssiger Sauerstoff (LOX) mit einem hohen Druck von 150 bar bis 2500 bar (bevorzugt etwa 200 bis 300 bar) über die Hochdruck-Einspritzdüse 9 eingespritzt. Auch mehrere aufeinanderfolgende Einspritzungen (Vor-, Haupt- und und/oder Nacheinspritzung) zeitlich vor, bei oder nach Erreichen des oberen Totpunktes sind im Rahmen der Erfindung möglich. Der flüssige Sauerstoff wird bei der Einspritzung an der als Zerstäuberdüse ausgestalteten Hochdruck-Einspritzdüse 9 in feine Tröpfchen flüssigen Sauerstoffs (LOX-Tröpfchen) zerteilt. Zwar verdampfen die LOX-Tröpfchen rasch an ihrer Oberfläche, verbleiben aber zunächst noch überwiegend im flüssigen Zustand und verteilen sich aus diesem Grunde sehr gleichmäßig im Arbeitsraum 4. Bei der weiter rasch voranschreitenden Verdampfung der LOX-Tröpfchen wird dadurch ein inniges Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch im Arbeitsraum 4 erzeugt, das aufgrund der hohen im Arbeitsraum 4 herrschenden Temperaturen selbsttätig oder mittels eines hier nicht gezeigten Fremdzünders zündet.In the second bar ( 2 ), the piston moves - with the inlet valve closed 6 and also closed exhaust valve 8th - back to its top dead center. The one in the workroom 4 This present fuel is characterized strong, for example, 10-30 times, compacted and heated to a temperature of about 600 ° C to 900 ° C. When the top dead center is reached, liquid oxygen (LOX) at a high pressure of 150 bar to 2500 bar (preferably about 200 to 300 bar) via the high-pressure injector 9 injected. Also, several successive injections (pre-, main and / or post-injection) before, during or after reaching the top dead center are possible within the scope of the invention. The liquid oxygen is in the injection at the designed as a spray nozzle high-pressure injector 9 divided into fine droplets of liquid oxygen (LOX droplets). Although the LOX droplets rapidly evaporate on their surface, they initially remain predominantly in the liquid state and for this reason are very evenly distributed in the working space 4 , As evaporation of the LOX droplets progresses rapidly, this results in an intimate fuel-oxygen mixture in the working space 4 This is due to the high working space 4 prevailing temperatures ignited automatically or by means of a foreign igniter, not shown here.

Nach Überschreiten des oberen Totpunkts des Kolbens 3 verbrennt das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch weiter und erreicht eine Temperatur von über 2000°C und einen Druck von beispielsweise 150–200 bar. Unter der Wirkung dieses hohen Drucks bewegt sich der Kolben 3 nunmehr in Richtung auf den unteren Totpunkt (3), wobei in hier nicht gezeigter Weise die Transversalbewegung des Kolbens 3 auf eine Kreisbewegung der Kurbelwelle übertragen wird. Das Brenngas verrichtet mechanische Arbeit am Kolben 3 und kühlt sich dabei ab. Der Druck im Innern des Arbeitsraumes 4 nimmt bis zum Erreichen des unteren Totpunkts auf Werte von wenigen bar ab.After exceeding the top dead center of the piston 3 burns the fuel-oxygen mixture further and reaches a temperature of about 2000 ° C and a pressure of for example 150-200 bar. Under the effect of this high pressure, the piston moves 3 now in the direction of bottom dead center ( 3 ), wherein in a manner not shown here, the transverse movement of the piston 3 is transmitted to a circular motion of the crankshaft. The fuel gas performs mechanical work on the piston 3 and cools off. The pressure inside the workroom 4 decreases until reaching bottom dead center to values of a few bar.

Kurz bevor der Kolben 3 seinen unteren Totpunkt erreicht, öffnet sich das Auslassventil 8. Mit der anschließenden Bewegung des Kolbens 3 in Richtung auf seinen oberen Totpunkt wird das Brenngas aus dem Arbeitsraum 4 in die Abgasleitung 7 gedrückt (4). Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts öffnet sich das Eingangsventil 6, kurz nach Überschreiten des oberen Totpunkts schließt sich das Ausgangsventil 8. Mit der Bewegung des Kolbens 3 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt wird erneut Brennstoff in den Arbeitsraum 4 eingesaugt.Just before the piston 3 reached its bottom dead center, the exhaust valve opens 8th , With the subsequent movement of the piston 3 towards its top dead center, the fuel gas from the working space 4 in the exhaust pipe 7 pressed ( 4 ). Shortly before reaching top dead center, the inlet valve opens 6 , shortly after the top dead center is exceeded, the outlet valve closes 8th , With the movement of the piston 3 Towards its bottom dead center, fuel is returned to the workspace 4 sucked.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere niederkalorische Brennstoffe, bei denen eine Verbrennung mit Luft nicht mehr oder nur schlecht möglich ist, als Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren einsetzen. Bei Verwendung reiner Kohlenwasserstoffe als Brennstoff führt das Verfahren zudem zur Entstehung von sequestrierbarem Kohlendioxid als Abgas. Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz in Hubkolbenmotoren beschränkt, sondern kann bei allen Motortypen mit diskontinuierlicher Verbrennung eingesetzt werden, beispielsweise auch bei Rotationskolbenmotoren (Wankelmotoren).With the method according to the invention, in particular low calorific fuels, in which combustion with air is no longer possible or only possible with difficulty, can be used as fuels for internal combustion engines. When pure hydrocarbons are used as fuel, the process also leads to the formation of sequesterable carbon dioxide as exhaust gas. The invention is not limited to use in reciprocating engines, but can be used in all types of engines with discontinuous combustion, for example, in rotary engines (Wankel engines).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Hubkolbenmotorreciprocating engine
22: Zylindercylinder
33: Kolbenpiston
44: Arbeitsraumworking space
55: Brennstoffzuleitungfuel supply line
66: Einlassventilintake valve
77: Abgasleitungexhaust pipe
88th: Auslassventiloutlet valve
99: Hochdruck-EinspitzdüseHigh pressure injection nozzle

Claims

Method for operating an internal combustion engine, in which fuel is introduced into the working space ( 4 ) of the internal combustion engine ( 1 ), the fuel by the movement of the piston ( 3 ) is compressed into the compressed fuel by means of a spray nozzle ( 9 ) liquid oxygen in the working space ( 4 ) is sprayed, distributed in the form of fine droplets and mixed with the fuel to a flammable working gas, then the working gas is ignited or ignited, in the combustion of the working gas released energy work to drive the piston ( 3 ) used and then the combustion gases are ejected.

A method according to claim 1, characterized in that a low calorie fuel is used as fuel.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that as fuel a liquid fuel is used, which was atomized with a gas to form an aerosol.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a highly calorific fuel is used as fuel, which before being fed to the working space ( 2 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is mixed with a moderating gas.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that as fuel, a hydrocarbon and optionally supplied moderation gas carbon dioxide is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized by the use of the internal combustion engine ( 1 ) in a stationary engine or as a propulsion of ships.

Internal combustion engine, with one in a working chamber ( 2 ) movably received pistons ( 3 ), whereby the working chamber ( 2 ) with a fuel supply line ( 5 ) and with an exhaust pipe ( 7 ) is fluidly connected, characterized by a supply line for liquid oxygen, which at a spray nozzle ( 9 ) opens into the working chamber.

Internal combustion engine according to claim 7, characterized in that the fuel supply line ( 5 ) is associated with an atomizer for forming an aerosol of liquid fuel and a carrier gas.

Internal combustion engine according to claim 7 or 8, characterized by the design as reciprocating engine ( 1 ).