DE102017116799A1 - Heat engine, method for operating such a heat engine, motor vehicle and combined heat and power plant - Google Patents
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Abstract
Es wird eine einen Verbrennungsmotor (10) aufweisende Wärmekraftmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad beschrieben. Der Verbrennungsmotor weist wenigstens einen volumenveränderlichen Arbeitsraum (16) auf, welcher mit einem Ansaugtrakt (20) und einem Abgastrakt (22) verbindbar ist. Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads ist eine Wasserzuführung vorgesehen, die in den Arbeitsraum (16) und/oder in den Abgastrakt (22) mündet, und im Abgastrakt (22) ist eine mit einem elektrischen Generator (28) gekoppelte Turbine (26) angeordnet. Es werden weiterhin bevorzugte Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmekraftmaschine vorgeschlagen (Fig. 1). A heat engine having an internal combustion engine (10) with improved efficiency will be described. The internal combustion engine has at least one volume-variable working space (16), which can be connected to an intake tract (20) and an exhaust gas tract (22). To improve the overall efficiency, a water supply is provided, which opens into the working space (16) and / or into the exhaust gas tract (22), and in the exhaust tract (22) is arranged with an electric generator (28) coupled turbine (26). Furthermore, preferred methods for operating such a heat engine are proposed (FIG. 1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 9 bis 14, ein Kraftfahrzeug, ein Luftfahrzeug und ein Wasserfahrzeug mit einer solchen Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 15 bis 17 sowie ein Blockheizkraftwerk mit einer solchen Wärmekraftmaschine nach Anspruch 18.The invention relates to a heat engine according to the preamble of claim 1, a method for operating such a heat engine according to claims 9 to 14, a motor vehicle, an aircraft and a watercraft with such a heat engine according to
Verbrennungsmotoren werden in der heutigen Technik in sehr großen Stückzahlen eingesetzt. Die Hauptanwendung solcher Verbrennungsmotoren liegt im Fahrzeugbereich, insbesondere im Automobilbereich. Weiterhin werden Verbrennungsmotoren auch im stationären Bereich, beispielsweise in Blockheizkraftwerken eingesetzt. Solche Verbrennungsmotoren sind meist als Hubkolben-Motoren ausgebildet und weisen wenigstens eine Kolben-Zylindereinheit mit einem durch Kolben und Zylinder definierten, volumenveränderlichen Arbeitsraum auf. Dieser Arbeitsraum ist mit einem Ansaugtrakt und einem Abgastrakt verbunden. Der Begriff „Ansaugtrakt“ ist in diesem Zusammenhang sehr breit zu verstehen, er bezieht sich auch auf Motoren mit einem Turbolader oder einem Ladeluftkompressor jeweils mit oder ohne Ladeluftkühler.Combustion engines are used in today's technology in very large quantities. The main application of such internal combustion engines is in the vehicle sector, especially in the automotive sector. Furthermore, internal combustion engines are also used in the stationary area, for example in combined heat and power plants. Such internal combustion engines are usually designed as reciprocating engines and have at least one piston-cylinder unit with a defined by piston and cylinder, variable-volume working space. This working space is connected to an intake tract and an exhaust tract. The term "intake system" is to be understood in this context very broad, it also refers to engines with a turbocharger or a charge air compressor, each with or without intercooler.
Ein bekanntes Problem von Verbrennungsmotoren ist ihr schlechter mechanischer Wirkungsgrad. Der Großteil der eingesetzten chemischen Energie geht durch Wärme verloren, was insbesondere beim Einsatz von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen sehr nachteilig ist. Die Tatsache, dass ein Großteil der eingesetzten Primärenergie in Wärme umgewandelt wird, ist sogar doppelt nachteilig. Zum einen ist der Anteil der nutzbaren mechanischen Arbeit relativ gering, zum anderen muss zusätzlich Energie für die Kühlung aufgewendet werden, was den Gesamtwirkungsgrad weiter senkt. Insbesondere muss meist ein Wasserkühler eingesetzt werden, der sich schon allein durch die Erhöhung des Luftwiderstandes negativ auf den Energieverbrauch (Kraftstoffverbrauch) des Fahrzeugs auswirkt. Häufig wird bei Volllast sogar besonders viel Kraftstoff eingespritzt, damit der Motor nicht überhitzt und Nichtselbstzünder das Klopfen anfangen. Hierdurch steigt der Kraftstoffverbrauch zusätzlich. Dieses Problem tritt insbesondere bei Downsizing-Motoren auf.A known problem of internal combustion engines is their poor mechanical efficiency. The majority of the chemical energy used is lost through heat, which is particularly disadvantageous when using internal combustion engines in motor vehicles. The fact that much of the primary energy used is converted into heat is even doubly unfavorable. On the one hand, the proportion of usable mechanical work is relatively low, on the other hand, additional energy must be expended for the cooling, which further reduces the overall efficiency. In particular, usually a water cooler must be used, which has a negative effect on the energy consumption (fuel consumption) of the vehicle just by increasing the air resistance. Often, even at full load, a lot of fuel is injected to prevent the engine from overheating and non-self ignitors to start knocking. This additionally increases the fuel consumption. This problem occurs especially in downsizing engines.
Bei Blockheizkraftwerken nach dem Prinzip der Wärmekopplung kann zwar ein Teil der Wärmeenergie genutzt werden, dennoch ist der Wirkungsgrad verbesserungswürdig, insbesondere zu Zeiten, zu denen wenig Wärme benötigt wird, nämlich im Sommer.Although a part of the thermal energy can be used in cogeneration plants according to the principle of heat coupling, the efficiency is still in need of improvement, especially at times when little heat is needed, namely in summer.
Bei Turbomotoren wird der Abgasstrom dazu genutzt, die im Abgastrakt angeordnete Turbine des Turboladers anzutreiben (in Drehung zu versetzen). Da heiße Abgase eine sehr geringe Dichte haben, ist der Wirkungsgrad einer solchen Hochtemperatur-Abgasturbine jedoch ebenfalls gering. Der Umstand, dass die Turbine möglichst dicht am Auslass sitzt, um ein schnelles Ansprechverhalten zu erreichen, verschlechtert den Wirkungsgrad zusätzlich, weil ein stark gepulster Gasstrom weniger effizient genutzt werden kann als ein gleichmäßiger. Außerdem liegt der Abgasgegendruck recht hoch, da Turbolader bei höheren Drehzahlen unnötig viel Druck aufbauen, der dann über ein Wastegate-Ventil in den Auspuff abgelassen wird, was den Staudruck noch weiter erhöht.In turbocharged engines, the exhaust gas flow is used to drive (set in rotation) the turbine of the turbocharger located in the exhaust tract. However, since hot exhaust gases have a very low density, the efficiency of such a high-temperature exhaust gas turbine is also low. The fact that the turbine sits as close to the outlet as possible in order to achieve a quick response, additionally worsens the efficiency, because a highly pulsed gas flow can be used less efficiently than a more uniform one. In addition, the exhaust back pressure is quite high, since turbochargers build up at high speeds unnecessarily much pressure, which is then discharged via a wastegate valve in the exhaust, which further increases the back pressure.
Bei Turbomotoren ist es weiterhin bekannt, zwischen dem Verdichter und dem Arbeitsraum (d.h. ins Ansaugohr) Wasser zur Ladeluftkühlung einzuspritzen.In turbo engines, it is also known to inject water between the compressor and the working space (i.e., into the intake pipe) for charge air cooling.
Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine gattungsgemäße Wärmekraftmaschine dahingehend weiterzubilden, dass ihr Gesamtwirkungsgrad verbessert wird.On this basis, the present invention has the object to develop a generic heat engine to the effect that their overall efficiency is improved.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmekraftmaschine sind in den Ansprüchen 9 bis 14 angegeben. Eine solche Kraftmaschine kann insbesondere Teil eines Fahrzeugs (Ansprüche 15 bis 17) oder Teil eines Blockheizkraftwerks (Anspruch 18) sein.This object is achieved by a heat engine having the features of claim 1. Preferred methods for operating such a heat engine are given in claims 9 to 14. Such an engine may in particular be part of a vehicle (claims 15 to 17) or part of a combined heat and power plant (claim 18).
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, in den Arbeitsraum und/oder den Abgastrakt Wasser einzuspritzen, um somit die Gesamtmenge an Abgas/Trockendampf und damit dessen Dichte zu erhöhen, um das Abgas-Dampfgemisch effektiver zum Antrieb einer Turbine zu nutzen, welche wiederum einen elektrischen Generator antreibt. Die so erzeugte elektrische Energie kann im Prinzip beliebig genutzt werden. Im Falle eines Blockheizkraftwerks erhöht sich somit die Gesamtmenge der elektrisch erzeugen Energie, im Falle eines Kraftfahrzeugs kann die so gewonnene elektrische Energie auf bekannte Art und Weise, beispielsweise zum Antrieb eines oder mehrerer elektrischen Hilfsmotoren (Hybridfahrzeug) oder Laden der Akkus genutzt werden.The basic idea of the invention is to inject water into the working space and / or the exhaust tract so as to increase the total amount of exhaust gas / dry steam and thus its density, in order to more effectively use the exhaust gas / vapor mixture to drive a turbine, which in turn generates an electric power Generator drives. The electrical energy generated in this way can in principle be used as desired. In the case of a combined heat and power plant thus increases the total amount of electrically generated energy, in the case of a motor vehicle, the electrical energy thus obtained can be used in a known manner, for example for driving one or more electric auxiliary motors (hybrid vehicle) or charging the battery.
Die Erfindung kann grundsätzlich bei allen Arten von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, wobei es in der Regel bevorzugt sein wird, Viertakt-Hubkolben-Motoren zu verwenden. Als Brennstoffe kommen alle gängigen Brennstoffe wie Benzin, Diesel, Flüssiggas, Erdgas, Alkohol und Wasserstoff in Betracht.The invention can be used in principle in all types of internal combustion engines and it will generally be preferred to use four-stroke reciprocating engines. As fuel all common fuels such as gasoline, diesel, LPG, natural gas, alcohol and hydrogen come into consideration.
Es wird flüssiges Wasser in den Arbeitsraum und/oder den Abgastrakt eingespritzt. Dieses Wasser verdampft unter Aufnahmen von Energie, so dass die Wassereinspritzung zusätzlich zur Kühlung des Motors beiträgt. Hieraus wiederum folgt, dass der Wasserkühler deutlich kleiner dimensioniert werden kann oder dass in manchen Anwendungsfällen auf einen Wasserkühler sogar komplett verzichtet werden kann, was den Gesamtwirkungsgrad des Kraftfahrzeugs weiter erhöht (d.h. bei gleicher Fahrleistung wird der Kraftstoffverbrauch gesenkt) und bauliche Maßnahmen reduziert.Liquid water is injected into the working space and / or the exhaust tract. This water evaporates taking pictures of energy so that the water injection in addition to the cooling of the engine contributes. This in turn implies that the water cooler can be dimensioned significantly smaller or that even can be completely dispensed with in some applications on a water cooler, which further increases the overall efficiency of the motor vehicle (ie with the same mileage fuel consumption is reduced) and reduces structural measures.
Die Einspritzung von Wasser in den Arbeitsraum ist nach derzeitiger Kenntnis die wichtigste Ausführungsform der Erfindung. Die Wirkungsweise wird nun anhand eines einfachen Models erläutert. Es wird davon ausgegangen, dass die ideale Gasgleichung gilt:
Durch das Verdampfen des Wassers erhöht sich die Zahl der Gasteilchen N während die Temperatur sinkt. Das heißt, es kann erreicht werden, dass der Druck bei gegebenem Volumen konstant bleibt. Oder mit anderen Worten: Die Wassereinspritzung führt durch die Abkühlung zu einem Druckverlust des Verbrennungsgases, der jedoch zeitgleich durch die Wasserdampfbildung kompensiert wird. Somit erhöht sich die Dichte des die Turbine antreibenden Gases, was deren Leistung/Wirkungsgrad erhöht.By evaporating the water, the number of gas particles N increases as the temperature decreases. That is, it can be achieved that the pressure remains constant at a given volume. Or in other words: The water injection leads by cooling to a pressure drop of the combustion gas, which is compensated at the same time by the formation of steam. Thus, the density of the turbine driving gas increases, which increases their performance / efficiency.
Sofern die Wärmekraftmaschine einen Katalysator aufweist, sollte die Abgastemperatur vor diesem im Regelbetrieb nicht unter 400°C fallen, um sicherzustellen, dass der Katalysator weiterhin ordnungsgemäß arbeitet. In dem Fall kann das Abgas-Dampf-Gemisch nach dem Katalysator, noch vor der Turbine, weiter auf ca. 200°C abgekühlt und durch den sich bildenden Trockendampf verdichtet werden. Sofern kein Katalysator vorhanden ist, beispielsweise bei Wasserstoff als Kraftstoff, kann die Abgastemperatur auch direkt nach vollständiger Verbrennung im Brennraum auf beispielsweise 200°C gesenkt werden. Das Druck-/Temperaturverhältnis sollte dabei so ausgelegt sein, dass der Dampf trocken bleibt (Trockendampf) und noch nicht kondensiert (Nassdampf).If the heat engine has a catalytic converter, the exhaust gas temperature should not fall below 400 ° C before this in regular operation to ensure that the catalyst continues to operate properly. In the case, the exhaust gas-steam mixture after the catalyst, before the turbine, further cooled to about 200 ° C and compressed by the forming dry steam. If no catalyst is present, for example, hydrogen as fuel, the exhaust gas temperature can be lowered directly after complete combustion in the combustion chamber, for example, 200 ° C. The pressure / temperature ratio should be designed so that the steam remains dry (dry steam) and not yet condensed (wet steam).
Der Anfang des Abgastraktes wird vorzugsweise durch einen sich erweiternden Auspuffvortopf gebildet, der vom Resonanzverhalten derart ausgebildet ist, dass das (aufgrund größerer Dichte) trägere Abgas-Dampfgemisch schnell entweicht und den Kolben bei der Aufwärtsbewegung ein möglichst geringen Widerstand entgegensetzt (Glättung des Abgasgegendrucks).The beginning of the exhaust tract is preferably formed by a widening Auspuffvortopf that is formed by the resonance behavior that the (due to greater density) sluggish exhaust gas vapor mixture quickly escapes and the piston in the upward movement as little resistance opposes (smoothing of the exhaust back pressure).
Da der Katalysator eine Mindesttemperatur benötigt um effektiv zu arbeiten, ist dieser vorzugsweise vor der den Generator antreibenden Turbine angeordnet Die Kombination aus passend dimensioniertem Auspuffvortopf und Katalysator glättet den Abgas-Dampf-Strom, was den Wirkungsgrad der Abgas-Dampfturbine zusätzlich erhöht. Um den Druckverlust durch Abkühlung über die Außenwände des Abgastraktes gering zu halten, kann dieser vorzugsweise isoliert werden.Since the catalyst requires a minimum temperature to work effectively, it is preferably located in front of the turbine driving the generator. The combination of suitably dimensioned exhaust pre-well and catalyst smoothes the exhaust gas steam flow, which additionally increases the efficiency of the exhaust gas steam turbine. In order to keep the pressure loss by cooling over the outer walls of the exhaust tract low, this can be preferably isolated.
Da die Abgas-Dampf-Turbine nicht wie ein Turbolader auf gutes Ansprechverhalten getrimmt werden muss, kann sie auf einen hohen Wirkungsgrad im Bereich der am häufigsten vorkommenden Lastzustände des Motors optimiert werden. Die deutlich höhere Dichte (bei gleichem Druck) des Abgas-Dampf-Gemisches erhöht den Wirkungsgrad von Turbinen erheblich, was der Kernpunkt der Erfindung ist. Die vorgestellte Kombination liegt weit über der Effizienz beispielsweise eines reinen Abgasturboladers mit angehängtem Generator. Temperaturen von nur ca. 200° vereinfachen wirkungsgradstarke Turbinenkonstruktionen und vergünstigen den Materialeinsatz erheblich.Since the exhaust steam turbine does not need to be trimmed to good responsiveness like a turbocharger, it can be optimized for high efficiency in the most common engine load conditions. The significantly higher density (at the same pressure) of the exhaust gas-vapor mixture significantly increases the efficiency of turbines, which is the gist of the invention. The proposed combination is well above the efficiency of, for example, a pure exhaust gas turbocharger with attached generator. Temperatures of only about 200 ° simplify high-efficiency turbine designs and significantly reduce the use of materials.
Der Hauptvorteil der Erfindung ist die Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie, die bei vollen (oder fehlenden) Akkus direkt über Elektroantriebsmotoren umgesetzt wird (was den Verbrauch direkt senkt) oder im Akku-Ladebetrieb Energie speichert, die später genutzt wird (was den Verbrauch indirekt senkt).The main advantage of the invention is the generation of additional electrical energy, which is implemented with full (or missing) batteries directly via electric drive motors (which directly reduces consumption) or stores energy in the battery charging mode, which is used later (which indirectly reduces the consumption) ,
Bei Ausführungsformen, bei denen Wasser in den Arbeitsraum eingespritzt wird, kann die Kreislauf-Wasserkühlungen deutlich reduziert werden oder beispielsweise bei freistehenden Zylindern sogar einer simplen Luftkühlung weichen, da die Abkühlung/Umwandlung der Hitze dort erfolgt, wo sie entsteht. Ein etwas größer dimensionierter Ölkühler mit einer schmalen Umlaufkühlung im oberen Bereich des Zylinders kann ebenfalls eine Kreislauf-Wasserkühlung ersetzen. Dies reduziert das Gewicht, den Energieaufwand für die Kühlung und den Durchströmungswiderstand, der bei wassergekühlten Autos ca. 20% des Luftwiderstandes ausmacht. Die maximale Hitze besteht nur noch während einer viertel Umdrehung statt einer ganzen und durchströmt nicht mehr den Zylinderkopf.In embodiments where water is injected into the working space, the circuit water cooling can be significantly reduced or, for example, in freestanding cylinders even a simple air cooling soft, since the cooling / conversion of the heat takes place where it arises. A slightly larger sized oil cooler with a narrow circulation cooling in the upper area of the cylinder can also replace a circuit water cooling. This reduces the weight, the energy expenditure for cooling and the flow resistance, which makes up approximately 20% of the air resistance in water-cooled cars. The maximum heat is only a quarter turn instead of a whole and no longer flows through the cylinder head.
Sofern eine Wassereinspritzung in den Abgastrakt vorgesehen ist, kann diese vor und/oder nach der Turbine erfolgen. Eine Wassereinspritzung vor der Turbine sollte so ausgelegt sein, dass der Dampf im Abgas-Dampf-Gemisch trocken bleibt, es also nicht zu einem Auskondensieren des Wasserdampfes kommt. Hierdurch wird die Dichte des Abgas-Dampf-Gemischs weiter erhöht, was die Leistung / den Wirkungsgrad der Turbine weiter erhöht. Eine eventuelle Wassereinspritzung nach der Abgasturbine dient einem anderen Zweck, nämlich dazu, durch die Verdampfung den bis dahin trocken Dampf des Abgas-Dampf-Gemisch auf eine Temperatur abzusenken, bei der er anfängt zu kondensieren. Der dann nasse Dampf kann in einem (hier nicht dargestelltem) Kondensator dann weiter auskondensieren, sich absetzen und gemeinsam mit dem hinter der Turbine eingespritzten Wasser zurückgewonnen und dem Wassertank zugeführt werden. Da übliches Abgas, beispielsweise einer Benzinverbrennung, bereits ca. 25% Wasserdampf enthält, ist ein Überschuss an Wasser vorhanden, so dass noch nicht einmal 100% des Wassers zurückgewonnen werden müssen, um die benötigte Wassermenge zu erhalten. Der Wassertank kann so sehr klein gehalten werden und muss im Idealfall nicht oder nur selten nachgefüllt werden. Wird der kühlende Kondensator flach, als großflächiger Teil des Unterbodens ausgeführt, hat er keine negativen Auswirkungen auf den Luftwiderstand.If a water injection is provided in the exhaust tract, this can be done before and / or after the turbine. A water injection in front of the turbine should be designed so that the steam in the exhaust-steam mixture remains dry, so it does not come to a condensation of the water vapor. As a result, the density of the exhaust gas-steam mixture is further increased, which further increases the performance / efficiency of the turbine. A possible water injection after the exhaust gas turbine serves another purpose, namely, by the evaporation of the hitherto dry steam of the exhaust gas-steam mixture to a temperature when he begins to condense. The then wet steam can then further condense in a (not shown here) condenser, settle and be recovered together with the injected water behind the turbine and fed to the water tank. Since conventional exhaust gas, for example, a gasoline combustion, already contains about 25% water vapor, an excess of water is present, so that not even 100% of the water must be recovered to obtain the required amount of water. The water tank can be kept very small and ideally, or rarely, refilled. If the cooling condenser is flat, designed as a large part of the subfloor, it has no negative effects on air resistance.
Alle eben beschriebenen Arten der Wassereinspritzung können einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander eingesetzt werden.All types of water injection just described can be used individually or in any combination with each other.
Da weniger auf übliche Weise gekühlt werden muss, ist die Abkühlung über die Zylinderwände geringer, wodurch der Druck während des Arbeitstaktes im maßgeblichen Bereich besser erhalten bleibt, was den Wirkungsgrad erhöht.Since less must be cooled in the usual way, the cooling over the cylinder walls is lower, whereby the pressure during the power stroke in the relevant range is better preserved, which increases the efficiency.
Durch die Kühlung über die Wassereinspritzung ist eine erhöhte Gemischanreicherung bei Volllast nicht mehr nötig, was den Verbrauch weiter senkt und Magermixmotoren begünstigt.By cooling via the water injection, an increased mixture enrichment at full load is no longer necessary, which further reduces fuel consumption and promotes lean burn engines.
Die Wassereinspritzmenge, -dauer, -pulsung, -zeit wird über das Motormanagement der Lastsituation angepasst, wodurch situationsbedingt gekühlt wird.The water injection quantity, duration, pulse, and time is adjusted by the engine management of the load situation, which is cooled due to the situation.
Da der Generator bei laufendem Motor ständig Strom liefert, können die Kapazitäten der Akkus erheblich reduziert oder es kann gar ganz auf sie verzichtet werden. Beides reduziert Kosten und Gewicht, was wiederum den Verbrauch senkt und die Wendigkeit erhöht.Since the generator constantly supplies power while the engine is running, the capacities of the batteries can be significantly reduced or even completely dispensed with. Both reduce costs and weight, which in turn reduces fuel consumption and increases maneuverability.
Lange Ladezeiten wie bei Plug-in-Hybriden oder Elektrofahrzeugen verkürzen sich erheblich oder fallen ganz weg.Long charging times, such as plug-in hybrids or electric vehicles, can be shortened considerably or completely eliminated.
Dem Generator kann zusätzlich die Bordnetzspannung entnommen werden, was die Lichtmaschine einspart.The generator can also be taken from the electrical system voltage, which saves the alternator.
Die elektrische Energie kann für einen elektrischen Kompressor genutzt werden, der schneller als ein Turbolader anspricht und sich besser regeln lässt. Sie kann auch für eine elektromagnetische Ventilsteuerung genutzt werden, was Gewicht spart und den für eine Luftkühlung ungünstigen (weil isolierenden) Kettenkasten und ein geschlossenes Zylinderkopf-Nockenwellen-Gehäuse erübrigt.The electrical energy can be used for an electric compressor that responds faster than a turbocharger and can be regulated better. It can also be used for electromagnetic valve control, which saves weight and eliminates the need for air cooling unfavorable (because insulating) chain case and a closed cylinder head camshaft housing.
Da sowieso schon Wasser an Bord ist, kann dies auch zur Kühlung von Ladeluft genutzt werden.Since water is already on board anyway, this can also be used to cool charge air.
Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in einer stark schematischen Darstellung, -
2 den Motor der Wärmekraftmaschine der1 während eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebs derselben, -
3 das in2 Gezeigte während eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebs,
-
1 An embodiment of a heat engine according to the invention in a highly schematic representation, -
2 the engine of the heat engine the1 during a first embodiment of the operation according to the invention, -
3 this in2 Shown during a second embodiment of the operation according to the invention,
Die
Ist ein Katalysator
Es ist eine oder mehrere Wasserzuführungen vorgesehen, welche jeweils in einer Einspritzdüse enden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Wasserzuführungen vorgesehen welche jeweils in einer (gezeigt) oder mehreren Einspritzdüsen
Es wird zunächst auf die Wassereinspritzung in den Arbeitsraum mittels der ersten Einspritzdüse
Bei Nichtselbstzündern, wie beispielsweise einem Benzinmotor, kann eine oder mehrere gepulste Einspritzungen während des Verdichtungstaktes erfolgen um die Klopfneigung (Selbstzündung) bei Vollast weiter zu reduzieren. Dies ermöglicht das Verdichtungsverhältnis noch weiter zu erhöhen und günstigeres Normalbenzin zu verwenden. Diese Einspritzung ist in keiner Figur dargestellt.For non-auto-igniters, such as a gasoline engine, one or more pulsed injections may be made during the compression stroke to further reduce knock (auto-ignition) at full load. This allows to further increase the compression ratio and to use cheaper regular gasoline. This injection is not shown in any figure.
Wie
Die drei eben beschriebenen Verfahren werden vorzugsweise kombiniert, beispielsweise dahingehend, dass ein Teil des Wassers im Ansaugtakt, ein Teil im Verdichtungstakt und ein Teil des Wassers im Arbeitstakt eingespritzt wird. Die Einspritzmengenverteilung zwischen den Takten kann lastabhängig erfolgen. Die Dauer der Einspritzung(en) nach vollständiger Verbrennung kann auch vom Arbeitstakt bis in den Ausstoßtakt hineinreichen.The three methods just described are preferably combined, for example, in that a part of the water in the intake stroke, a part in the compression stroke and a part of the water is injected in the power stroke. The injection quantity distribution between the cycles can be load-dependent. The duration of injection (s) after complete combustion can also extend from the power stroke to the exhaust stroke.
Nach Durchströmen des Katalysators
Grundsätzlich ist es möglich, Wasser über die Wasserzuführung
Die Wassereinspritzung in einen Abschnitt des Abgastraktes hinter der Turbine mittels der dritten Einspritzdüse
Die Kombination aller drei beschriebenen Maßnahmen wird hinsichtlich des maximalen Wirkungsgrades der Wärmekraftmaschine häufig ideal sein, es ist an dieser Stelle jedoch nochmals zu betonen, dass die drei beschriebenen Maßnahmen (Wassereinspritzung in den Arbeitsraum, Wassereinspritzung in den Abgastrakt vor der Turbine, Wassereinspritzung in den Abgastrakt hinter der Turbine) auch einzeln oder in beliebigen „Zweierkombinationen“ eingesetzt werden können.The combination of all three measures described will often be ideal in terms of the maximum efficiency of the heat engine, but it is at this point again to emphasize that the three measures described (water injection into the working space, water injection into the exhaust system before the turbine, water injection into the exhaust system behind the turbine) can also be used individually or in any "two-person combinations".
Grundsätzlich ist es auch möglich dem Wasser schnell verdunstende Flüssigkeiten wie beispielsweise Alkohol beizumengen.In principle, it is also possible for the water to mix quickly evaporating liquids such as alcohol.
Die Erfindung wurde anhand einer Wärmekraftmaschine erläutert, deren Verbrennungsmotor ein Viertakt-Hubkolbenmotor ist. Dies ist die bevorzugte, jedoch nicht die einzig mögliche Ausführungsform. Der Verbrennungsmotor könnte auch ein Zweitakt- Hubkolbenmotor oder ein Drehkolbenmotor (Wankelmotor) sein.The invention has been explained with reference to a heat engine whose internal combustion engine is a four-stroke reciprocating engine. This is the preferred but not the only possible embodiment. The internal combustion engine could also be a two-stroke reciprocating engine or a rotary engine (Wankel engine).
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 1212
- Kolbenpiston
- 1313
- Zylindercylinder
- 1414
- Einlassventilintake valve
- 1515
- Auslassventiloutlet valve
- 1616
- Arbeitsraumworking space
- 1818
- Kurbelgetriebecrank mechanism
- 2020
- Ansaugtraktintake system
- 2222
- Abgastraktexhaust tract
- 2323
- AuspuffvortopfAuspuffvortopf
- 2424
- Katalysatorcatalyst
- 2626
- Turbineturbine
- 2727
- Wellewave
- 2828
- Generatorgenerator
- 3030
- elektrischer Speicher, elektrischer Verbraucher oder Netzelectrical storage, electrical consumer or network
- 40a,b,c40a, b, c
- Einspritzdüseinjection
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