DE102010000487B4 - Process and device for internal combustion engines - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen (1), insbesondere von Antriebsmaschinen von Blockheizkraftwerken, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (1) zum Betrieb einer weiteren Kraftmaschine (15) genutzt wird, wobei die Abwärme der Verbrennung über einen Wärmetauscher (3) ein Fluid (11) erwärmt, welches in der weiteren Kraftmaschine (15), die als Expansionskraftmaschine ausgebildet ist, genutzt wird, wobei das Fluid (11) flüssig in die Expansionskraftmaschine eingespritzt und dort expandiert, d.h. verdampft und abgekühlt wird.Method for improving the efficiency of internal combustion engines (1), in particular driving machines of block-type thermal power stations, characterized in that the waste heat from the internal combustion engine (1) is used to operate a further engine (15), the waste heat from the combustion being transmitted via a heat exchanger (3) a fluid (11) is heated, which is used in the further engine (15), which is designed as an expansion engine, the fluid (11) being injected in liquid form into the expansion engine and expanded there, i.e. being evaporated and cooled.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Antriebsmaschinen von Blockheizkraftwerken.The invention relates to a method for improving the efficiency of internal combustion engines, in particular driving engines of combined heat and power plants.

Bei bekannten Blockheizkraftwerken wird die entstehende Abwärme, die nicht zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden kann, zum Heizen genutzt.In known combined heat and power plants, the resulting waste heat that cannot be used to generate electricity is used for heating.

Dabei besteht aber das Problem, daß etwa doppelt so viel Abwärme genutzt werden muss, wie elektrische Energie erzeugt werden kann.However, there is the problem that about twice as much waste heat has to be used as electrical energy can be generated.

Gerade in den Sommermonaten kann ein Großteil der Wärmeenergie nur schwer oder meistens gar nicht genutzt werden und muss über Kühler abgeführt werden.Especially in the summer months, a large part of the thermal energy can only be used with difficulty or not at all and must be dissipated via coolers.

Dies ist unwirtschaftlich und ökologisch mehr als bedenklich.This is uneconomical and ecologically more than questionable.

Aus der DE 24 43 055 A1 , der DE 196 10 382 A1 , der DE 28 47 028 C2 , der DD 149 251 A5 und der EP 1 053 438 B1 sind Verbrennungskraftmaschinen und Verfahren zu deren Betrieb gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches bekannt.From the DE 24 43 055 A1 , the DE 196 10 382 A1 , the DE 28 47 028 C2 , the DD 149 251 A5 and the EP 1 053 438 B1 internal combustion engines and methods for their operation are known according to the preamble of the main claim.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens vorzuschlagen, welches den Wirkungsgrad in Bezug auf Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie im Verhältnis zur eingesetzten Energie verbessert und damit die Abwärme verringert.The invention is therefore based on the object of proposing a method and a device for carrying out the method, which improves the efficiency with regard to the generation of mechanical and/or electrical energy in relation to the energy used and thus reduces the waste heat.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine zum Betrieb einer weiteren Kraftmaschine genutzt wird, wobei die Abwärme der Verbrennung über einen Wärmetauscher ein Fluid erwärmt, welches in der weiteren Kraftmaschine, die als Expansionskraftmaschine ausgebildet ist, genutzt wird, wobei das Fluid flüssig in die Expansionskraftmaschine eingespritzt und dort expandiert, d.h. verdampft und abgekühlt wird.This object is achieved in that the waste heat from the internal combustion engine is used to operate another engine, with the waste heat from the combustion heating a fluid via a heat exchanger, which is used in the other engine, which is designed as an expansion engine, the fluid being liquid injected into the expansion engine and expanded there, i.e. evaporated and cooled.

Damit wird ein Großteil der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in mechanische Energie umgewandelt.A large part of the waste heat from the internal combustion engine is thus converted into mechanical energy.

Dies stellt eine einfache, aber effiziente Möglichkeit zur Energieumwandlung dar.This represents a simple but efficient way of converting energy.

Erfindungsgemäß hat es sich auch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Abwärme der weiteren Kraftmaschine zur Vorerwärmung des Fluids genutzt wird.According to the invention, it has also proven to be very advantageous if the waste heat from the additional engine is used to preheat the fluid.

Damit wird auch die verbleibende Abwärme wenigstens teilweise genutzt.In this way, the remaining waste heat is at least partially used.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auch vor, wenn verbleibende Abwärme von Verbrennungskraftmaschine und/oder weiterer Kraftmaschine anderweitig, beispielsweise zum Beheizen von Räumen oder dergleichen genutzt wird.A further very advantageous embodiment of the method according to the invention is also present when the remaining waste heat from the internal combustion engine and/or another engine is used in some other way, for example for heating rooms or the like.

Damit wird eine geringe Restmenge an Abwärme auch noch einer meist sinnvollen Verwendung zugeführt. Die Abwärme kann auch über einen Pufferspeicher für eine spätere Verwendung für Heizzwecke gespeichert werden.This means that a small residual amount of waste heat is also put to a mostly sensible use. The waste heat can also be stored in a buffer tank for later use for heating purposes.

Ebenfalls sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn eine Einrichtung zum Abführen von Restwärme eingesetzt wird.It is also very advantageous according to the invention if a device for dissipating residual heat is used.

Mit einer solchen Einrichtung, die als Kühler ausgeführt sein kann, kann auch ein Betrieb gewährleistet werden, ohne daß die verbleibende Restwärme genutzt wird oder genutzt werden kann. Dies ist gerade im Sommer, wenn kaum Heizenergie benötigt wird, aber dennoch Strom erzeugt werden muss oder anderweitig mechanische Energie benötigt wird, vorteilhaft.With such a device, which can be designed as a cooler, operation can also be guaranteed without the remaining residual heat being used or being able to be used. This is particularly advantageous in summer, when hardly any heating energy is required but electricity still has to be generated or mechanical energy is otherwise required.

Eine erfindungsgemäß sehr vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt vor, wenn eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, deren Abgase durch einen Abgaswärmetauscher geleitet werden, wobei der Abgaswärmetauscher ein Fluid erwärmt, welches flüssig in eine Expansionskraftmaschine eingespritzt und dort expandiert und abgekühlt wird und daß das erwärmte Fluid der Expansionskraftmaschine zugeführt wird und dann das expandierte und damit gasförmige Fluid seine verbliebene Restwärme an das flüssige Fluid in einem Rekuperator oder dergleichen abgibt.A very advantageous device according to the invention for carrying out the method according to the invention is present if an internal combustion engine is provided, the exhaust gases of which are routed through an exhaust gas heat exchanger, the exhaust gas heat exchanger heating a fluid which is injected in liquid form into an expansion engine and expanded and cooled there and that the heated Fluid is supplied to the expansion engine and then the expanded and thus gaseous fluid releases its remaining residual heat to the liquid fluid in a recuperator or the like.

Mit einer solchen Vorrichtung lässt sich schon ein Großteil der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in mechanische Energie umwandeln.A large part of the waste heat from the internal combustion engine can already be converted into mechanical energy with such a device.

Damit wird die Abwärmenutzung schon sehr effizient gestaltet.This means that the use of waste heat is already very efficient.

Es hat sich gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung auch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn das durch den Rekuperator erwärmte Fluid dem Abgaswärmetauscher zugeführt wird.According to a further development of the invention, it has also proven to be very advantageous if the fluid heated by the recuperator is fed to the exhaust gas heat exchanger.

Damit wird ein ausreichend hohes Temperaturniveau des Fluids sichergestellt um die Expansionskraftmaschine effizient zu betreiben.A sufficiently high temperature level of the fluid is thus ensured in order to operate the expansion engine efficiently.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt auch vor, wenn ein weiterer Kühlkreislauf vorgesehen ist, der einerseits dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine und/oder dem Fluid die verbliebene Wärme zu entziehen vermag und einem Heizkreis und/oder einem Kühler zuzuführen vermag.A further very advantageous embodiment of the invention is also present when a further cooling circuit is provided, which is able on the one hand to extract the remaining heat from the exhaust gas of the internal combustion engine and/or the fluid and to supply it to a heating circuit and/or a cooler.

Damit wird auch verbleibende Wärme noch sinnvoll genutzt. Zudem wird sichergestellt, daß das Fluid verflüssigt und damit für eine erneute Verwendung vorbereitet wird.This means that the remaining heat is still used sensibly. In addition, it is ensured that the fluid is liquefied and thus prepared for renewed use.

Sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß auch, wenn ein Bypass zum Spülen und/oder Vorerwärmen der Einspritzseite vorgesehen ist, der zwischen Einspritz- und Abgasseite der Expansionskraftmaschine und/oder zwischen Einspritzseite der Expansionskraftmaschine und dem Abgaswärmetauscher vorgesehen sein kann.It is also very advantageous according to the invention if a bypass for flushing and/or preheating the injection side is provided, which can be provided between the injection and exhaust gas side of the expansion engine and/or between the injection side of the expansion engine and the exhaust gas heat exchanger.

Über diesen Bypass kann die Fluideinspritzung gespült werden, bis diese die für das jeweilige Fluid nötige Temperatur erreicht hat, um in der Expansionskraftmaschine expandiert werden zu können.The fluid injection can be flushed via this bypass until it has reached the temperature required for the respective fluid in order to be able to be expanded in the expansion engine.

Erfindungsgemäß ist es auch sehr vorteilhaft, wenn Verbrennungskraftmaschine und Expansionskraftmaschine voneinander getrennt sind.According to the invention, it is also very advantageous if the internal combustion engine and the expansion engine are separate from one another.

Damit können zwei getrennte Maschinen genutzt werden. Eine Aufrüstung bestehender Anlagen ist auf einfache Art und Weise möglich.This means that two separate machines can be used. Existing systems can be easily upgraded.

Ebenfalls sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn Verbrennungskraftmaschine und Expansionskraftmaschine zusammen in einem Motorengehäuse verbaut sind und eine gemeinsame Kurbelwelle oder dergleichen aufweisen können.It is also very advantageous according to the invention if the internal combustion engine and the expansion engine are installed together in one engine housing and can have a common crankshaft or the like.

Damit lassen sich sehr effiziente Anlagen bauen.This allows very efficient systems to be built.

Sehr vorteilhaft ist es dabei auch, wenn die kombinierte Maschine als Reihen-, Wankel-, V-Motor oder Rotationsexpansionskraftmaschine ausgebildet ist. It is also very advantageous if the combined machine is designed as an in-line, Wankel, V-engine or rotary expansion engine.

Ebenfalls sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn die kombinierte Maschine alternierend abwechselnde Zylinder aufweist, wobei jeweils einer als Verbrennungszylinder und einer als Expansionszylinder arbeitet.It is also very advantageous according to the invention if the combined machine has alternating cylinders, one working as a combustion cylinder and one as an expansion cylinder.

Durch die direkte mechanische Kopplung von Verbrennungskraftmaschine und Expansionskraftmaschine können diese sehr gut aufeinander abgestimmt werden.Due to the direct mechanical coupling of the internal combustion engine and the expansion engine, they can be coordinated very well with one another.

Wenn die Zylinder nebeneinander alternierend entweder den Verbrennungsprozess ausführen oder den Expansionsprozess wird auch eine sehr gute Abfuhr der im Motorblock entstehenden Wärme gewährleistet. Aufwendige Maßnahmen zum Abführen der im Kühlwasser gespeicherten Wärme können damit vermieden werden. Ebenso kann auch eine aufwendige Übertragung wenigstens eines Teils der entstehende Wärme beim Verbrennungsprozess auf die Expansionskraftmaschine vermieden werden.If the cylinders next to each other alternately carry out either the combustion process or the expansion process, very good dissipation of the heat generated in the engine block is also guaranteed. Expensive measures to dissipate the heat stored in the cooling water can thus be avoided. Likewise, a complex transfer of at least part of the heat generated during the combustion process to the expansion engine can be avoided.

Äußerst vorteilhaft ist es auch, wenn Verbrennungskraftmaschine und Expansionskraftmaschine getrennt oder gemeinsam mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden sind.It is also extremely advantageous if the internal combustion engine and the expansion engine are connected separately or jointly to a generator for generating electrical energy.

Je nach Ausführung können ein oder mehrere Generatoren zur Erzeugung von Elektrizität angetrieben werden.Depending on the design, one or more generators can be driven to generate electricity.

Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele veranschaulicht.The invention is illustrated below using three exemplary embodiments.

Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Expansionskraftmaschine,
  • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer kombinierten Verbrennungs- und Expansionskraftmaschine, und
  • 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer kombinierten Verbrennungs- und Expansionskraftmaschine, wobei die Zylinder alternierend unterschiedlich arbeiten.
show:
  • 1 a schematic representation of a device according to the invention with an internal combustion engine and an expansion engine,
  • 2 a schematic representation of a device according to the invention with a combined internal combustion and expansion engine, and
  • 3 a schematic representation of a device according to the invention with a combined internal combustion and expansion engine, wherein the cylinders work alternately differently.

Mit 1 ist in 1 eine als Verbrennungsmotor ausgelegte Verbrennungskraftmaschine bezeichnet. Diese kann beispielsweise mit Flüssiggas, Erdgas, Holzgas, Synthesegas, Heizöl, Pflanzenöl oder auch anderen auch regenerierten Treibstoffen betrieben werden.With 1 is in 1 refers to an internal combustion engine designed as an internal combustion engine. This can be operated, for example, with liquid gas, natural gas, wood gas, synthesis gas, heating oil, vegetable oil or other regenerated fuels.

Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 1 werden über einen Abgassammler 2 zu einem Abgaswärmetauscher 3 geleitet. Dem Abgaswärmetauscher 3 kann noch ein weiterer Abgaswärmetauscher 4 nachgeordnet werden, bevor die Abgase beispielsweise über einen Kamin 5 abgeleitet werden.The exhaust gases of the internal combustion engine 1 are routed to an exhaust gas heat exchanger 3 via an exhaust gas collector 2 . Another exhaust gas heat exchanger 4 can be arranged downstream of the exhaust gas heat exchanger 3 before the exhaust gases are discharged via a chimney 5, for example.

Die Verbrennungskraftmaschine 1 kann einen Generator 6 antreiben, oder aber andere Geräte, die mechanische Energie benötigen.The internal combustion engine 1 can drive a generator 6 or other devices that require mechanical energy.

Zur Nutzung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 1 wird ein Fluid 11 aus einem Sammelbehälter 12 mittels einer Umwälzpumpe 13 dem Abgaswärmetauscher 3 zugeführt. Dort wird das Fluid 11 erhitzt. Das erhitzte Fluid 11 wird dann Einspritzventilen 14 zugeführt, mittels denen das Fluid 11 in eine Expansionskraftmaschine 15 eingespritzt wird. Um Dampfblasenbildung zu vermeiden ist es vorteilhaft, die Umwälzpumpe 13 druckgesteuert zu betreiben, so daß das erhitzte Fluid 11 immer unter einem vorgegebenen Druck steht.In order to use the waste heat from the internal combustion engine 1 , a fluid 11 is fed from a collection container 12 to the exhaust gas heat exchanger 3 by means of a circulating pump 13 . There the fluid 11 is heated. The heated fluid 11 is then fed to injection valves 14, by means of which the fluid 11 is injected into an expansion engine 15. In order to avoid the formation of vapor bubbles, it is advantageous to operate the circulating pump 13 under pressure control, so that the heated fluid 11 is always under a predetermined pressure.

Das eingespritzte Fluid 11 verdampft in den Zylindern der Expansionskraftmaschine 15 und wird dabei wenigstens teilweise abgekühlt. Durch die Expansion wird mechanische Arbeit verrichtet. Die in der Expansionskraftmaschine 15 erzeugte mechanische Arbeit kann beispielsweise durch einen Generator 16 in elektrische Energie umgewandelt werden. Es ist aber auch denkbar, daß Geräte oder Maschinen, die mechanische Energie benötigen, direkt angetrieben werden.The injected fluid 11 evaporates in the cylinders of the expansion engine 15 and is at least partially cooled in the process. Mechanical work is performed as a result of the expansion. The mechanical work generated in the expansion engine 15 can be converted into electrical energy by a generator 16, for example. But it is also conceivable that devices or machines that require mechanical energy are driven directly.

Die Expansionskraftmaschine 15 kann dabei als Kolbenkraftmaschine ausgebildet sein. Diese wird beispielsweise im Zweitaktverfahren betrieben. Zur Steuerung sind Einlass- und Auslassventile vorgesehen, die entweder über eine Nockenwelle oder aber elektrisch einzeln gesteuert werden können. Es ist auch denkbar, daß Rotationskolbenmotoren oder auch Rotationsexpansionskraftmaschinen allgemein vorgesehen werden.The expansion engine 15 can be designed as a piston engine. This is operated, for example, in the two-stroke process. Intake and exhaust valves are provided for control, which can be controlled individually either via a camshaft or electrically. It is also conceivable that rotary piston engines or rotary expansion engines are generally provided.

Das von der Expansionskraftmaschine 15 ausgestoßene, verdampfte Fluid wird über einen Kondensator 17 abgekühlt und verflüssigt und wieder dem Sammelbehälter 12 zugeführt.The vaporized fluid discharged from the expansion engine 15 is cooled and liquefied via a condenser 17 and fed back to the collection container 12 .

Um die Effizienz nochmals zu steigern wird das verdampfte Fluid 11 durch einen Rekuperator 18 geleitet, der einen Teil der noch verbliebenen Wärmeenergie an das verflüssigte Fluid 11 abgibt, welches vom Sammelbehälter 12 zum Abgaswärmetauscher 3 gepumpt wird.In order to further increase the efficiency, the evaporated fluid 11 is conducted through a recuperator 18, which gives off part of the remaining thermal energy to the liquefied fluid 11, which is pumped from the collector 12 to the exhaust gas heat exchanger 3.

Gerade beim Anfahren der Expansionskraftmaschine 15 besteht das Problem, daß diese noch nicht mit erhitztem Fluid 11 versorgt ist. Um sicherzustellen, daß direkt beim Start der Expansionskraftmaschine 15 erhitztes Fluid 11 an den Einspritzventilen 14 zur Verfügung steht, kann eine Bypassleitung 19 vorgesehen sein, die über ein Ventil 20 gesteuert wird. Über die Bypassleitung 19 wird so lange Fluid 11 an der Expansionskraftmaschine 15 vorbeigeführt, bis dieses bis zum gewünschten Wert erhitzt ist. Erst dann werden die Einspritzventile 14 angesteuert.Especially when starting up the expansion engine 15 there is the problem that it is not yet supplied with heated fluid 11 . In order to ensure that heated fluid 11 is available at the injection valves 14 directly when the expansion engine 15 is started, a bypass line 19 can be provided, which is controlled by a valve 20 . Fluid 11 is guided past expansion engine 15 via bypass line 19 until it is heated to the desired value. Only then are the injection valves 14 activated.

Beim Abschalten der Expansionskraftmaschine 15 werden einfach die Einspritzventile 14 geschlossen. Die Verbrennungskraftmaschine 1 wird gleichzeitig abgeschaltet. Um Dampfblasenbildung im Fluid 11 zu vermeiden kann die Bypassleitung 19 geöffnet und die Zirkulation des Fluids 11 noch eine Weile aufrechterhalten werden. Die Dauer der Nachzirkulation kann über Zeitablauf, Temperaturmessung, Druckmessung oder dergleichen gesteuert werden. In der Bypassleitung 19 kann eine zusätzliche Umwälzpumpe 21 vorgesehen sein. Es ist dabei auch denkbar, daß durch die Bypassleitung 19 ein kleiner Kreis zwischen Rail 22 und Wärmetauscher 3 ausgebildet wird. Über ein Drei-Wege-Ventil 23 kann frisches Fluid 11 aus dem großen Kreis zugemischt werden. Es ist auch denkbar, daß ein Zusatzwärmetauscher 24 vorgesehen ist, der die im Nachlauf abzuführende Wärme direkt an ein Kühl- bzw. Heizsystem 31 abführt.When the expansion engine 15 is switched off, the injection valves 14 are simply closed. The internal combustion engine 1 is switched off at the same time. In order to avoid the formation of vapor bubbles in the fluid 11, the bypass line 19 can be opened and the circulation of the fluid 11 maintained for a while. The duration of the post-circulation can be controlled via the passage of time, temperature measurement, pressure measurement or the like. An additional circulation pump 21 can be provided in the bypass line 19 . It is also conceivable that the bypass line 19 forms a small circle between the rail 22 and the heat exchanger 3 . Fresh fluid 11 from the large circle can be admixed via a three-way valve 23 . It is also conceivable that an additional heat exchanger 24 is provided, which dissipates the heat to be dissipated in the after-run directly to a cooling or heating system 31 .

Durch die Bypassleitung 19 kann auch für eine Entlüftung des Systems gesorgt werden.The bypass line 19 can also be used to vent the system.

Um die Einspritzventile 14 gleichmässig mit Fluid 11 beschicken und um Druckschwankungen minimieren zu können, kann ein Rail 22 vorgesehen sein, das gleichmässig mit Fluid 11 beaufschlagt ist. Hieran sind die Einspitzventile 14 angeordnet.In order to be able to feed the injection valves 14 uniformly with fluid 11 and to be able to minimize pressure fluctuations, a rail 22 can be provided, to which fluid 11 is uniformly applied. The injection valves 14 are arranged on this.

Die im nachgeschalteten Wärmetauscher 4 und im Kondensator noch abführbare Energie kann einem Heizkreis 31 zum Beispiel zur Gebäudeheizung zugeführt werden. Wenn die verbleibende, geringe Wärmemenge nicht zum Heizen genutzt werden kann, kann diese auch beispielsweise über einen Kühler 32 abgeführt werden.The energy that can still be dissipated in the downstream heat exchanger 4 and in the condenser can be supplied to a heating circuit 31, for example for heating the building. If the remaining small amount of heat cannot be used for heating, it can also be dissipated via a cooler 32, for example.

Der Heizkreis 31 kann dabei beispielsweise einen nicht dargestellten Pufferspeicher aufweisen, der mit der Restwärme beschickt wird.The heating circuit 31 can have, for example, a non-illustrated buffer storage that is charged with the residual heat.

Die Energieabfuhr aus dem nachgeschalteten Wärmetauscher 4 und dem Kondensator 17 kann über einen Förderkreis realisiert werden, wobei das Transportmedium zum Beispiel durch eine Umwälzpumpe 33 transportiert wird.Energy can be removed from the downstream heat exchanger 4 and the condenser 17 via a conveyor circuit, with the transport medium being transported by a circulating pump 33, for example.

Als Fluid 11 kann beispielsweise Wasser eingesetzt werden. Es sind aber auch Ammoniak-Wassergemische oder andere geeignete Stoffe denkbar. Wichtig ist nur, daß das Fluid auf die im Abgaswärmetauscher 3 auftretenden Temperaturen abgestimmt ist, damit sichergestellt werden kann, daß das Fluid 11 nach dem Abgaswärmetauscher soweit erhitzt ist, daß dieses beim Eintritt in die Expansionskraftmaschine 15 verdampft wird. Zudem sollte das Fluid 11 genügend Restwärme aufweisen, damit es nicht in der Expansionskraftmaschine 15 wieder kondensiert und sich niederschlägt. Die Kondensation darf frühestens im Rekuperator 18, idealerweise im Kondensator 17 stattfinden.Water, for example, can be used as the fluid 11 . However, ammonia-water mixtures or other suitable substances are also conceivable. The only important thing is that the fluid is matched to the temperatures occurring in the exhaust gas heat exchanger 3, so that it can be ensured that the fluid 11 after the exhaust gas heat exchanger is heated to such an extent that it is vaporized when it enters the expansion engine 15. In addition, the fluid 11 should have enough residual heat so that it not condensed again in the expansion engine 15 and reflected. The condensation must take place in the recuperator 18, ideally in the condenser 17, at the earliest.

Es ist auch denkbar, daß die durch den nachgeschalteten Wärmetauscher 4 und/oder die aus dem Kondensator 17 gewonnene Wärme zum Vorwärmen des Schmieröles der Expansionskraftmaschine 15 genutzt wird.It is also conceivable that the heat obtained by the downstream heat exchanger 4 and/or the heat obtained from the condenser 17 is used to preheat the lubricating oil of the expansion engine 15 .

Das Fluid 11 kann durch die Förderpumpe 13 so stark gefördert werden, daß ein Einspritzdruck von mehreren hundert bar an den Einspritzventilen 14 anliegt. Der genaue Druckwert ist von den auftretenden Temperaturen und dem verwendeten Fluid 11 abhängig.The fluid 11 can be pumped by the feed pump 13 to such an extent that an injection pressure of several hundred bar is present at the injection valves 14 . The exact pressure value depends on the temperatures that occur and the fluid 11 used.

Die bislang beschriebene Anordnung ist besonders zur Nachrüstung bestehender Verbrennungskraftmaschinen 1 geeignet, da die Expansionskraftmaschine 15 durch geringe Modifikationen angeschlossen werden kann und trotzdem die Effizienz wesentlich gesteigert werden kann.The arrangement described so far is particularly suitable for retrofitting existing internal combustion engines 1, since the expansion engine 15 can be connected with minor modifications and the efficiency can still be significantly increased.

Es ist aber auch denkbar, daß die Verbrennungskraftmaschine 1 und die Expansionskraftmaschine 15 zu einer einzigen Maschine kombiniert werden.But it is also conceivable that the internal combustion engine 1 and the expansion engine 15 are combined into a single machine.

Die Wärmeflüsse bleiben dabei, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.The heat flows remain as described in the first exemplary embodiment.

Es ist denkbar, daß ein V-Motor 41 vorgesehen wird, dessen eine Zylinderbank als Verbrennungskraftmaschine 1 und dessen andere Zylinderbank als Expansionskraftmaschine 15 arbeitet. Beide Teilmaschinen wirken dabei auf eine einzige Kurbelwelle.It is conceivable that a V-engine 41 is provided, one cylinder bank of which operates as an internal combustion engine 1 and the other cylinder bank of which operates as an expansion engine 15 . Both sub-machines act on a single crankshaft.

Zur Steuerung kann eine speziell an die Kombinationsmaschine 41 angepasste Nockenwelle vorgesehen werden. Es ist aber auch denkbar, daß jede Teilmaschine eine separate Nockenwelle aufweist. Besonders flexibel lässt sich die Steuerung gestalten, wenn die Ventile der einzelnen Zylinder elektrisch gesteuert werden. Es ist dabei denkbar, daß die Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer konventionellen Nockenwellensteuerung arbeitet, die Expansionskraftmaschine 15 aber mit einer elektrischen Ventilsteuerung. Andere Kombinationen sind möglich.A camshaft specially adapted to the combination machine 41 can be provided for the control. But it is also conceivable that each sub-machine has a separate camshaft. The control can be designed particularly flexibly if the valves of the individual cylinders are controlled electrically. It is conceivable that the internal combustion engine 1 works with a conventional camshaft control, but the expansion engine 15 with an electric valve control. Other combinations are possible.

Bei einer solchen Ausgestaltung kann die Expansionskraftmaschine 15 solange, bis das Fluid 11 hinreichend erhitzt ist, leer mitlaufen. Hierzu werden einfach die Ventile der Expansionskraftmaschine 15 geöffnet, so daß keine Kompression stattfinden kann.In such an embodiment, the expansion engine 15 can run idle until the fluid 11 is sufficiently heated. For this purpose, the valves of the expansion engine 15 are simply opened so that no compression can take place.

Durch die Kombinationsmaschine 41 können auch anderweitige Wärmeverluste der Verbrennungskraftmaschine 1 der Expansionskraftmaschine 15 zugeführt werden. Zu diesen anderweitigen Wärmeverlusten gehören beispielsweise Transportverluste im Material der Maschine.Other heat losses from the internal combustion engine 1 can also be supplied to the expansion engine 15 by the combination machine 41 . These other heat losses include, for example, transport losses in the material of the machine.

In 2 ist eine Kombinationsmaschine mit 8 Zylindern in V-Form dargestellt, wobei jeweils vier Zylinder als Verbrennungskraftmaschine 1 und vier Zylinder als Expansionskraftmaschine 15 arbeiten.In 2 a combination machine with 8 cylinders is shown in a V-shape, with four cylinders each working as internal combustion engine 1 and four cylinders as expansion engine 15 .

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch eine Kombinationskraftmaschine 51 geschaffen werden, die alternierend Zylinder aufweist, die entweder als Verbrennungskraftmaschine 1 oder als Expansionskraftmaschine 15 arbeiten.According to a further exemplary embodiment, a combination engine 51 can also be created which has alternating cylinders which operate either as an internal combustion engine 1 or as an expansion engine 15 .

Wie in 3 dargestellt, kann hierbei ein Reihenmotor 51 eingesetzt werden, der in diesem Ausführungsbeispiel fünf Zylinder aufweist.As in 3 shown, an in-line engine 51 can be used here, which has five cylinders in this exemplary embodiment.

Der erste, dritte und fünfte Zylinder arbeiten dabei als Verbrennungskraftmaschine 1 und der zweite und vierte Zylinder als Expansionskraftmaschine 15.The first, third and fifth cylinders work as internal combustion engine 1 and the second and fourth cylinders as expansion engines 15.

Auftretende innere Wärme der Verbrennungskraftmaschine 1 wird direkt durch die Zylinderwandungen der Expansionskraftmaschine 15 zugeführt. Die Expansionskraftmaschine 15 kühlt damit auch direkt die Verbrennungskraftmaschine 1.Internal heat that occurs in the internal combustion engine 1 is supplied directly to the expansion engine 15 through the cylinder walls. The expansion engine 15 thus also cools the internal combustion engine 1 directly.

Andere Zylinderanordnungen sind denkbar. Es können größere Reihenmotoren, aber auch V- und W-Motoren vorgesehen werden, die eine alternierende Zylinderanordnung aufweisen.Other cylinder arrangements are conceivable. Larger in-line engines, but also V and W engines can be provided which have an alternating cylinder arrangement.

Es ist auch denkbar, daß jeweils zwei oder mehr Zylinder eines Maschinentyps direkt nebeneinander angeordnet sind. So könnten beispielsweise die Zylinder 1 und 2 als Verbrennungskraftmaschine 1 und die Zylinder 3 und 4 eines Vier-Zylinder-Motors als Expansionskraftmaschine 15 arbeiten.It is also conceivable that two or more cylinders of one type of machine are arranged directly next to one another. For example, cylinders 1 and 2 could operate as internal combustion engine 1 and cylinders 3 and 4 of a four-cylinder engine as expansion engine 15 .

In dieser Beziehung sind keine Einschränkungen hinsichtlich der Gestaltbarkeit gegeben.In this regard, there are no limitations in terms of design.

Die alternierende Zylinderanordnung hat sich aber als besonders vorteilhaft erwiesen, da dann keine zu großen Materialbeanspruchungen auftreten.However, the alternating cylinder arrangement has proven to be particularly advantageous, since then no excessive material stresses occur.

Claims (13)

Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen (1), insbesondere von Antriebsmaschinen von Blockheizkraftwerken, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (1) zum Betrieb einer weiteren Kraftmaschine (15) genutzt wird, wobei die Abwärme der Verbrennung über einen Wärmetauscher (3) ein Fluid (11) erwärmt, welches in der weiteren Kraftmaschine (15), die als Expansionskraftmaschine ausgebildet ist, genutzt wird, wobei das Fluid (11) flüssig in die Expansionskraftmaschine eingespritzt und dort expandiert, d.h. verdampft und abgekühlt wird.Method for improving the efficiency of internal combustion engines (1), in particular of driving machines of block-type thermal power stations, characterized in that the waste heat of the internal combustion engine (1) for Operation of a further engine (15) is used, wherein the waste heat from the combustion via a heat exchanger (3) heats a fluid (11) which is used in the further engine (15), which is designed as an expansion engine, the fluid ( 11) is injected in liquid form into the expansion engine and expanded there, ie evaporated and cooled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der weiteren Kraftmaschine (15) zur Vorerwärmung des Fluids (11) genutzt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the waste heat of the further engine (15) for preheating the fluid (11) is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß verbleibende Abwärme von Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder weiterer Kraftmaschine (15) anderweitig, beispielsweise zum Beheizen von Räumen oder dergleichen genutzt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the remaining waste heat from the internal combustion engine (1) and/or another engine (15) is used for other purposes, for example for heating rooms or the like. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (32) zum Abführen von Restwärme eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a device (32) for dissipating residual heat is used. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennungskraftmaschine (1) vorgesehen ist, deren Abgase durch einen Abgaswärmetauscher (3) geleitet werden, wobei der Abgaswärmetauscher (3) ein Fluid (11) erwärmt, welches flüssig in eine Expansionskraftmaschine (15) eingespritz und dort expandiert und abgekühlt wird und daß das flüssige, erwärmte Fluid (11) der Expansionskraftmaschine (15) zugeführt wird und dann das expandierte und damit gasförmige Fluid (11) seine verbliebene Restwärme an das flüssige Fluid (11) in einem Rekuperator (18) oder dergleichen abgibt.Device for carrying out a method according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that an internal combustion engine (1) is provided, the exhaust gases of which are conducted through an exhaust gas heat exchanger (3), the exhaust gas heat exchanger (3) heating a fluid (11) which is injected in liquid form into an expansion engine (15) and expanded there and is cooled and that the liquid, heated fluid (11) is supplied to the expansion engine (15) and then the expanded and thus gaseous fluid (11) gives off its remaining residual heat to the liquid fluid (11) in a recuperator (18) or the like. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Rekuperator (18) erwärmte Fluid (11) dem Abgaswärmetauscher (3) zugeführt wird.device after claim 5 , characterized in that the fluid (11) heated by the recuperator (18) is supplied to the exhaust gas heat exchanger (3). Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Kühlkreislauf vorgesehen ist, der einerseits dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine und/oder dem Fluid die verbliebene Wärme zu entziehen vermag und einem Heizkreis (31) und/oder einem Kühler (32) zuzuführen vermag.device after claim 5 or 6 , characterized in that a further cooling circuit is provided, which on the one hand is able to extract the remaining heat from the exhaust gas of the internal combustion engine and/or the fluid and is able to supply it to a heating circuit (31) and/or a cooler (32). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass (19) zum Spülen und/oder Vorerwärmen der Einspritzseite vorgesehen ist, der zwischen Einspritz- und Abgasseite der Expansionskraftmaschine (15) und/oder zwischen Einspritzseite der Expansionskraftmaschine (15) und dem Abgaswärmetauscher (3) vorgesehen sein kann.Device according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that a bypass (19) for flushing and/or preheating the injection side is provided, which can be provided between the injection and exhaust gas side of the expansion engine (15) and/or between the injection side of the expansion engine (15) and the exhaust gas heat exchanger (3). can. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungskraftmaschine (1) und Expansionskraftmaschine (15) voneinander getrennt sind.Device according to one of Claims 5 until 8th , characterized in that internal combustion engine (1) and expansion engine (15) are separated from each other. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungskraftmaschine (1) und Expansionskraftmaschine (15) zusammen in einem Motorengehäuse (41, 51) verbaut sind und eine gemeinsame Kurbelwelle oder dergleichen aufweisen können.Device according to one of Claims 5 until 8th , characterized in that internal combustion engine (1) and expansion engine (15) are installed together in a motor housing (41, 51) and can have a common crankshaft or the like. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Maschine als Reihen-, Wankel-, V-Motor oder als Rotationsexpansionskraftmaschine ausgebildet ist.device after claim 10 , characterized in that the combined machine is designed as an in-line, Wankel, V-engine or as a rotary expansion engine. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Maschine (51) alternierend abwechselnde Zylinder aufweist, wobei jeweils einer als Verbrennungszylinder und einer als Expansionszylinder arbeitet.device after claim 10 or 11 Characterized in that the combined machine (51) comprises alternating cylinders, one operating as a combustion cylinder and one operating as an expansion cylinder. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungskraftmaschine (1) und Expansionskraftmaschine (15) getrennt oder gemeinsam mit einem Generator (6, 16) zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden sind.Device according to one of Claims 5 until 12 , characterized in that internal combustion engine (1) and expansion engine (15) are connected separately or together with a generator (6, 16) for generating electrical energy.
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