DE102017116799A1 - Heat engine, method for operating such a heat engine, motor vehicle and combined heat and power plant - Google Patents

Heat engine, method for operating such a heat engine, motor vehicle and combined heat and power plant Download PDF

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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).

Figure DE102017116799A1_0000
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).
Figure DE102017116799A1_0000

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 claims 15 to 17 and a combined heat and power plant with such a heat engine according to claim 18.

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: pV = NKT

Figure DE102017116799A1_0001
The injection of water into the working space is, according to current knowledge, the most important embodiment of the invention. The mode of action will now be explained using a simple model. It is assumed that the ideal gas equation applies: pV = NKT
Figure DE102017116799A1_0001

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:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine in einer stark schematischen Darstellung,
  • 2 den Motor der Wärmekraftmaschine der 1 während eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebs derselben,
  • 3 das in 2 Gezeigte während eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebs,
The invention will now be described with reference to preferred embodiments with reference to the figures. Hereby show:
  • 1 An embodiment of a heat engine according to the invention in a highly schematic representation,
  • 2 the engine of the heat engine the 1 during a first embodiment of the operation according to the invention,
  • 3 this in 2 Shown during a second embodiment of the operation according to the invention,

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. Die Basis dieser Wärmekraftmaschine bildet ein Verbrennungsmotor 10, welcher insbesondere als Viertakt-Verbrennungsmotor ausgebildet sein kann. Dieser Verbrennungsmotor 10 kann eine Kolben-Zylinder-Einheit oder beliebig viele Kolben-Zylinder-Einheiten aufweisen. Dargestellt ist lediglich eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Kolben 12 und einem Zylinder 13. Der Kolben 12 ist in üblicher Art und Weise mit einem Kurbelgetriebe 18 gekoppelt, so dass Kolben 12 und Zylinder 13 einen volumenveränderlichen Arbeitsraum 16 definieren. Dieser Arbeitsraum 16 ist beim Otto- oder Dieselmotor über wenigstens ein Einlassventil 14 mit einem Ansaugtrakt 20 und über wenigsten ein Auslassventil 15 mit einem Abgastrakt 22 verbunden. Der verbrennungsmotorseitige Anfang des Abgastraktes 22 ist vorzugsweise als Auspuffvortopf 23 ausgebildet. Im Falle, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor 10 um einen mit Diesel oder Benzin betriebenen Motor 10 handelt, ist dem Auspuffvortopf 23 in der Regel in Strömungsrichtung ein Katalysator 24 nachgeordnet. Weiterhin ist im Abgastrakt 22 eine Turbine 26 angeordnet, welche mittels einer Welle 27, direkt oder über eine Übersetzung, mit einem elektrischen Generator 28 verbunden ist. Dieser Generator 28 speist die von ihm erzeugte elektrische Energie entweder in einen elektrischen Speicher, in einen elektrischen Verbraucher oder (im Falle einer stationären Wärmekraftmaschine) in ein Stromnetz (allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet).The 1 shows an embodiment of a heat engine according to the invention. The basis of this heat engine is an internal combustion engine 10 , which may be designed in particular as a four-stroke internal combustion engine. This internal combustion engine 10 can have a piston-cylinder unit or any number of piston-cylinder units. Shown is merely a piston-cylinder unit with a piston 12 and a cylinder 13 , The piston 12 is in the usual way with a crank gear 18 coupled, so that piston 12 and cylinders 13 a variable volume workspace 16 define. This workroom 16 is the Otto or diesel engine via at least one inlet valve 14 with an intake tract 20 and at least one exhaust valve 15 with an exhaust tract 22 connected. The combustion engine side beginning of the exhaust tract 22 is preferably as Auspuffvordopf 23 educated. In the case of the internal combustion engine 10 a diesel or gasoline powered engine 10 is the Auspuffvortopf 23 usually in the flow direction of a catalyst 24 downstream. Furthermore, in the exhaust system 22 a turbine 26 arranged, which by means of a shaft 27 , directly or through a translation, with an electric generator 28 connected is. This generator 28 feeds the electrical energy generated by him either in an electrical storage, in an electrical load or (in the case of a stationary heat engine) in a power grid (generally with the reference numeral 30 designated).

Ist ein Katalysator 24 vorgesehen, befindet sich die Turbine 26 vorzugsweise stromabwärts des Katalysators.Is a catalyst 24 provided, there is the turbine 26 preferably downstream of the catalyst.

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 40a, 40b, 40c münden. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mündet eine erste Einspritzdüse 40a in den Arbeitsraum 16, eine zweite Einspritzdüse 40b zwischen Katalysator und Turbine und eine dritte Einspritzdüse 40b hinter der Turbine. Vorzugsweise sind die Einspritzdüsen 40a, 40b, 40c so ausgestaltet, dass sie das unter Druck eingespritzte flüssige Wasser zu feinen Tröpfchen vernebeln. Es ist möglich, das die Einspritzdüsen gepulst einspritzen.There is one or more water supplies provided, each in one Injector end. In the exemplary embodiment shown, three water feeds are provided, each in one (shown) or several injection nozzles 40a . 40b . 40c lead. Im in 1 embodiment shown, a first injection nozzle opens 40a in the workroom 16 , a second injection nozzle 40b between catalyst and turbine and a third injection nozzle 40b behind the turbine. Preferably, the injection nozzles 40a . 40b . 40c designed to nebulize the injected under pressure liquid water to fine droplets. It is possible that the injectors inject pulsed.

Es wird zunächst auf die Wassereinspritzung in den Arbeitsraum mittels der ersten Einspritzdüse 40a eingegangen: Gemäß einem ersten Verfahren erfolgt eine der Wassereinspritzungen, wie in 2 dargestellt, während des Ansaugtaktes bei geöffnetem Einlassventil 14 und geschlossenen Auslassventil 15. Durch das eingespritzte Wasser entsteht Verdunstungskälte welche bei aufgeladenen Motoren die Ladeluft kühlt. Das erhöht die Dichte der Luft und damit die Sauerstoffmenge und verringert bei Nichtselbszündern im anschließenden Verdichtungstakt die Klopfneigung. Der Maximaldruck der Verdichtung vor Zündung kann so höherer ausfallen, was einen erhöhten Wirkungsgrad zur Folge hat. Eine Ladeluftkühlung per Wassereinspritzung in den Ansaugtrakt ist bekannt und bereits in Verwendung. Bei dieser Erfindung dient sie, als nur eine von mehreren Einspritzungen, vornehmlich dem Hauptziel, dem Abgas eine höhere Dichte zu verleihen und ist daher in erster Linie als eine dieses Ziel unterstützende Erweiterung/Kombination zu betrachten. Da sie nur eine von mehreren Einspritzungen zu anderen Zeitpunkten ist erfolgt die Einspritzung auch direkt in den Brennraum. Des weiteren unterstützt sie das Bestreben, auf eine Wasserkühlung ganz zu verzichten.It is first on the water injection into the working space by means of the first injection nozzle 40a received: According to a first method is one of the water injections, as in 2 shown during the intake stroke with the inlet valve open 14 and closed exhaust valve 15 , The injected water creates evaporative cooling which cools the charge air in turbocharged engines. This increases the density of the air and thus the amount of oxygen and reduces the tendency to knock in Nichtselbszündern in the subsequent compression stroke. The maximum pressure of compression before ignition can be higher, resulting in increased efficiency. A charge air cooling by water injection in the intake system is known and already in use. In this invention, as only one of a plurality of injections, it serves primarily to impart a higher density to the exhaust gas, and therefore, is to be regarded primarily as an enhancement / combination that supports this objective. Since it is only one of several injections at other times, the injection also takes place directly into the combustion chamber. Furthermore, it supports the effort to completely dispense with a water cooling.

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 3 zeigt, kann eine Wassereinspritzung auch während des Arbeitstaktes erfolgen. Dabei verdampft das Wasser, was zu einer Kühlung der Verbrennungsgase führt, da die Verdampfungsenergie aufgewendet werden muss. Im Gegenzug wird die Gesamt-Gasmenge erhöht, wie dies oben beschrieben wurde. Dieses dichtere, weil kühlere Gemisch aus Verbrennungsabgas und zusätzlichem Dampf (Abgas-Dampf-Gemisch) verlässt im Ausstoßtakt (1) den Arbeitsraum und gelangt dann in den Abgastrakt 22, im gezeigten Ausführungsbeispiel zunächst in den Auspuffvortopf 23.As 3 shows, a water injection can also be done during the power stroke. The water evaporates, which leads to a cooling of the combustion gases, since the evaporation energy must be expended. In return, the total amount of gas is increased as described above. This denser, because cooler mixture of combustion exhaust gas and additional steam (exhaust gas-steam mixture) leaves in the exhaust stroke ( 1 ) the working space and then enters the exhaust tract 22 , In the illustrated embodiment, first in the Auspuffvortopf 23 ,

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 24 verdichten weitere (gepulste) Wassereinspritzungen mittels der zweiten Einspritzdüse 40b das Abgas-Dampf-Gemisch nochmals, damit das hochdichte abgekühlte Abgas-Dampf-Gemisch dann die Turbine 26 antreibt.After flowing through the catalyst 24 compress further (pulsed) water injections by means of the second injection nozzle 40b the exhaust-vapor mixture again, so that the high-density cooled exhaust-vapor mixture then the turbine 26 drives.

Grundsätzlich ist es möglich, Wasser über die Wasserzuführung 40 in den ebenfalls heißen Auspuffvortopf 23 einzuspritzen, um die Gasmenge zu erhöhen. Diese Einspritzung unterstützt jedoch nicht die Motorkühlung und ist in keiner Figur dargestellt.Basically it is possible to use water via the water supply 40 in the also hot Auspuffvortopf 23 to inject in order to increase the amount of gas. However, this injection does not support the engine cooling and is not shown in any figure.

Die Wassereinspritzung in einen Abschnitt des Abgastraktes hinter der Turbine mittels der dritten Einspritzdüse 40c dient dazu, das Abgas-Dampf-Gemisch zu kühlen, um ihn auf das auskondensieren in einem nachfolgendem Kondesator vorzubereiten. Das kondensierte Wasser kann gesammelt und wiederverwendet werden.The water injection into a section of the exhaust tract behind the turbine by means of the third injection nozzle 40c serves to cool the exhaust gas vapor mixture to prepare it for condensation in a subsequent condenser. The condensed water can be collected and reused.

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

Claims (18)

Wärmekraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (10) mit wenigstens einem volumenveränderlichen Arbeitsraum (16), welcher mit einem Ansaugtrakt (20) und einem Abgastrakt (22) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wasserzuführung vorgesehen ist, die in den Arbeitsraum (16) und/oder in den Abgastrakt (22) mündet und dass im Abgastrakt (22) eine mit einem elektrischen Generator (28) gekoppelte Turbine (26) angeordnet ist.Heat engine with an internal combustion engine (10) with at least one volume variable working space (16) which is connectable to an intake tract (20) and an exhaust tract (22), characterized in that at least one water supply is provided in the working space (16) and / or into the exhaust gas tract (22) and that in the exhaust tract (22) with a with an electric generator (28) coupled turbine (26) is arranged. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Verbrennungsmotor (10) wenigstens eine Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, deren volumenveränderlicher Arbeitsraum (16) durch den Kolben (12) und den Zylinder (13) definiert ist.Heat engine after Claim 1 , characterized in that the internal combustion engine (10) has at least one piston-cylinder unit whose variable-volume working space (16) by the piston (12) and the cylinder (13) is defined. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgastrakt (22) vor der Turbine (26) wenigstens ein Katalysator (24) angeordnet ist.Heat engine after Claim 1 or Claim 2 , characterized in that in the exhaust gas duct (22) in front of the turbine (26) at least one catalyst (24) is arranged. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wasserzuführung im Arbeitsraum (16) endet.Heat engine according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that at least one water supply in the working space (16) ends. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wasserzuführung (40) im Abgastrakt zwischen einem Katalysator (24) und der Turbine (26) endet.Heat engine according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that at least one water supply (40) in the exhaust tract between a catalyst (24) and the turbine (26) ends. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wasserzuführung im Abgastrakt nach der Turbine (26) endet.Heat engine according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that at least one water supply in the exhaust tract ends after the turbine (26). Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wasserzuführung im Abgastrakt im Auspuffvortopf endet.Heat engine according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that at least one water supply ends in the exhaust tract in Auspuffvortopf. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wasserzuführungen im Arbeitsraum (16) und im Abgastrakt (22) verteilt sind.Heat engine according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that a plurality of water supply in the working space (16) and in the exhaust gas tract (22) are distributed. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Wassereinspritzungen in den Arbeitsraum (16) während des Ansaugtaktes des Verbrennungsmotors (10) erfolgen.Method for operating a heat engine after Claim 4 or Claim 8 , characterized in that one or more water injections in the working space (16) during the intake stroke of the internal combustion engine (10). Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Wassereinspritzungen in den Arbeitsraum (16) während des Verdichtungstaktes des Verbrennungsmotors (10) erfolgen.Method for operating a heat engine after Claim 4 or Claim 8 , characterized in that one or more water injections in the working space (16) during the compression stroke of the internal combustion engine (10). Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Wassereinspritzungen in den Arbeitsraum (16) während des Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors (10) erfolgen.Method for operating a heat engine after Claim 4 or Claim 8 , characterized in that one or more water injections in the working space (16) during the working cycle of the internal combustion engine (10). Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Wassereinspritzungen in den Arbeitsraum (16) während des Ausstoßtaktes des Verbrennungsmotors (10) erfolgen.Method for operating a heat engine after Claim 4 or Claim 8 , characterized in that one or more water injections in the working space (16) during the exhaust stroke of the internal combustion engine (10). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Wassereinspritzung in den Abgastrakt vor der Turbine erfolgt.Method according to one of Claims 9 to 12 , characterized in that further takes place a water injection into the exhaust system upstream of the turbine. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Wassereinspritzung in den Abgastrakt nach der Turbine erfolgt.Method according to one of Claims 9 to 13 , characterized in that further takes place a water injection into the exhaust tract after the turbine. Kraftfahrzeug mit einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Motor vehicle with a heat engine according to one of Claims 1 to 8th , Luftfahrzeug mit einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Aircraft with a heat engine according to one of Claims 1 to 8th , Wasserfahrzeug mit einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Watercraft with a heat engine according to one of Claims 1 to 8th , Blockheizkraftwerk mit einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Combined heat and power plant with a heat engine according to one of Claims 1 to 8th ,
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