DE19900044A1 - Process for improving the efficiency of internal combustion engines - Google Patents

Process for improving the efficiency of internal combustion engines

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Abstract

The aim of the invention is to improve the efficiency of internal combustion engines, especially of gas turbines, jet engines, hybrid drives with a piston engine and an electric motor and with an exhaust gas turbo-generator by using a method which reduces the outlet pressure at the end of the waste gas duct vis-à-vis the ambient pressure so that the pressure difference or pressure ratio of the internal combustion engine process is increased, thus making a greater useful energy potential available, preferably without additional energy supply. The reduced pressure is preferably produced by a venturi tube reduced pressure system which is impinged upon by an air current which is created by the relative wind and which is designed in accordance with fluidics. The exhaust gases are discharged into the system at an appropriate site in the area of the least pressure. According to an embodiment of the invention, the venturi tube reduced pressure system is supplemented by a heating/cooling system. The air current is heated by the heat lost by cooling and effluents before it enters the system and is cooled off as it further progresses, especially in the rearward area of the system, by the ambient air. The effect of the draft produced has a current-improving effect and is especially suitable for compensating the losses that occur during practical operation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei Verbrennungskraftmaschinen, besonders bei der Gasturbine, dem Strahltriebwerk, dem Hubkolbenmotor sowie dem Hybridantrieb mit Verbrennungs- und Elektromotor als Antriebsquellen sowie mit Abgasturbogenerator, wobei das Druckgefälle bzw. das Druckverhältnis des Arbeitsmediums durch Verminderung des Austrittsdrucks gegenüber dem Umge­ bungsdruck erhöht wird, so daß ein entsprechend größeres für die Verbrennungskraftmaschine nutzbares Energiepotential zur Verfügung steht und zwar entweder ganz ohne oder mit nur verhältnismäßig geringer zusätzlicher Energiezufuhr.The invention relates to a method for improving the Efficiency in internal combustion engines, especially in the gas turbine, the jet engine, the reciprocating piston engine as well as the hybrid drive with combustion and electric motor as drive sources and with exhaust gas turbine generator, which Pressure drop or the pressure ratio of the working medium by reducing the outlet pressure compared to the reverse exercise pressure is increased so that a correspondingly larger for the internal combustion engine usable energy potential Is available either without or with only relatively little additional energy input.

Bei der Verbrennungskraftmaschine ist das Druckgefälle bzw. das Druckverhältnis von Eintritts- und Austrittsdruck des Arbeitsmediums für den Wirkungsgrad von entscheidender Bedeutung. Wird der Austrittsdruck, der bei offener Prozeß­ führung dem atmosphärischen Luftdruck entspricht, um die Hälfte des Normalwertes verringert, so steigt das Druck­ verhältnis auf den doppelten Wert an. Dies führt im Nenn­ betrieb, besonders aber im Teillastbetrieb zu einem beträcht­ lich höheren Wirkungsgrad des betreffenden Energieumset­ zungsprozesses.In the internal combustion engine, the pressure drop or the pressure ratio of the inlet and outlet pressure of the Working medium crucial for the efficiency Importance. The outlet pressure is that with open process corresponds to the atmospheric pressure to which the If half of the normal value is reduced, the pressure rises ratio to double the value. This leads in nominal operation, but especially at partial load Lich higher efficiency of the energy conversion concerned process.

Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, die Verminderung des Austrittsdrucks durch ein Venturirohrunterdrucksystem zu er­ zeugen. Dies kann bei "ortsbeweglichen Anlagen" (Fahrzeuge) auf einfache Weise dadurch geschehen, daß in das Fahrzeug ein nach strömungstechnischen Gesichtspunkten konstruiertes Venturirohr integriert und vom Fahrtwind mit einem Luftstrom beaufschlagt wird. Der sich einstellende Unterdruck im Be­ reich des geringsten Querschnittes des Venturirohres kann bei Bedarf durch eine geeignete Querschnittsregeleinrichtung im Ein- und Auslaßbereich des Venturirohrs konstant gehalten werden. Der Abgaskanal bzw. der Düsenausgang bei Strahl­ triebwerken mündet in das Venturirohr an geeigneter Stelle im Bereich des geringsten Druckes und man erhält den ge­ wünschten Effekt. Die Größe des Luftstromes im Venturirohr sollte dabei ein Vielfaches der des Abgasstromes betragen.It is particularly advantageous to reduce the Outlet pressure through a Venturi tube vacuum system testify. This can be the case with "portable systems" (vehicles) done in a simple manner in that in the vehicle constructed according to fluid dynamics Venturi tube integrated and from the headwind with an air flow is applied. The resulting negative pressure in the loading range of the smallest cross-section of the Venturi tube  if necessary by a suitable cross-sectional control device kept constant in the inlet and outlet area of the Venturi tube become. The exhaust duct or the nozzle outlet with jet engines opens into the Venturi tube at a suitable point in the area of the lowest pressure and you get the ge wanted effect. The size of the air flow in the Venturi tube should be a multiple of the exhaust gas flow.

Eine effektive Möglichkeit die Strömungsverhältnisse im Venturirohrunterdrucksystem zu verbessern ist, die Luftströ­ mung vor dem Eintritt in das Venturirohr aufzuwärmen und im weiteren Verlauf besonders im Austrittsbereich abzuküh­ len. Diese Maßnahme bzw. dieses Aufwärmungs-/Abkühlungssystem führt zu einer zusätzlichen Verstärkung des Luftstromes im Venturirohr. Für die Aufwärmung des Luftstromes kann die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (Kühlung, Wärme­ abstrahlung, Abgase) und für die Kühlung der äußere Luftstrom herangezogen werden.An effective way the flow conditions in the Venturi tube vacuum system is to improve the airflow Warm up before entering the Venturi tube and in the cool further course especially in the exit area len. This measure or this heating / cooling system leads to an additional amplification of the air flow in the Venturi tube. For warming up the air flow, the Waste heat from the internal combustion engine (cooling, heat radiation, exhaust gases) and for cooling the external air flow be used.

Bei ortsfesten Anlagen kann zur Erzeugung des Luftstromes im Venturirohr der natürliche Wind und/oder das Thermikturm- bzw. das Kühlturmprinzip herangezogen werden.In fixed systems can be used to generate the airflow in the Venturi tube the natural wind and / or the thermal tower or the cooling tower principle can be used.

Bei Bedarf kann die Luftströmung im Venturirohr ganz oder teilweise durch ein Gebläse erzeugt werden.If necessary, the air flow in the venturi tube can be completely or partially generated by a blower.

Alternativ kann der Unterdruck im Abgaskanal auch unmittel­ bar durch ein Unterdruckgebläse erzeugt werden.Alternatively, the negative pressure in the exhaust duct can also be immediate be generated by a vacuum blower.

Je nach Anwendungsfall kann jeweils eine der möglichen Kombinationen der aufgeführten Maßnahmen vorteilhaft sein.Depending on the application, one of the possible Combinations of the measures listed may be advantageous.

Die Patentansprüche 1-5 beziehen sich auf Gasturbinen, die sowohl in "ortsbeweglichen" als auch in "ortsfesten Anlagen" eingesetzt sein können. Hierbei sind die oben aufgeführten Maßnahmen nach dem vorliegenden Anwendungsfall entweder im Einzelnen oder in einer jeweils geeigneten Kombination vorteilhaft einsetzbar, um eine Verbesserung des Wirkungs­ grades zu erzielen.Claims 1-5 relate to gas turbines that both in "portable" and in "fixed systems" can be used. Here are the ones listed above Measures according to the present application either in Individually or in a suitable combination  can be used advantageously to improve the effectiveness degrees.

Die Ansprüche 6 und 7 beziehen sich auf Strahltriebwerke, die vorallem in Luftfahrzeugen eingesetzt sind, wobei entweder ein Venturirohrunterdrucksystem oder ein Aufwär­ mungs-/Abkühlungssystem in Verbindung mit einem Venturirohr­ unterdrucksystem zur Anwendung kommt. Die verhältnismäßig große kinetische Energie des aus der Düse austretenden Arbeitsmediums kann zur Verstärkung des Luftstromes im Ven­ turirohr (Strahlpumpeffekt) genutzt werden und so zur Wir­ kungsgradverbesserung beitragen.Claims 6 and 7 relate to jet engines, which are mainly used in aircraft, whereby either a venturi vacuum system or a warm up Cooling / cooling system in connection with a Venturi tube vacuum system is used. The relative large kinetic energy of the emerging from the nozzle Working medium can be used to increase the air flow in the Ven turirohr (jet pump effect) can be used and thus to us improve efficiency.

Der Anspruch 8 bezieht sich auf einen Hybridantrieb mit Verbrennungs- und Elektromotor als Antriebsquellen sowie mit Abgasturbogenerator, der außerdem mit einem Venturirohr­ unterdrucksystem ausgestattet ist. Das zusätzlich hinzu­ kommende Aufwärmungs-/Abkühlungssystem leistet einen wesent­ lichen Beitrag zur Verstärkung des Luftstroms im Venturirohr und somit zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades.The claim 8 relates to a hybrid drive Combustion and electric motor as drive sources as well as with Exhaust gas turbine generator, which also has a venturi tube vacuum system is equipped. That in addition upcoming warm up / cool down system does an essential contribution to increasing the air flow in the venturi tube and thus to improve the overall efficiency.

Die Ansprüche 9 und 10 beziehen sich auf einen Hubkolben­ motor, wobei die aufgeführten Maßnanmen einerseits zur Optimierung des Gaswechsels beitragen können, andererseits während des Auspufftaktes einen Beitrag zur Energiegewinnung leisten, so daß ein besserer Wirkungsrad erzielt wird.Claims 9 and 10 relate to a reciprocating piston motor, the listed measures on the one hand for Optimization of gas exchange can contribute, on the other hand a contribution to energy production during the exhaust cycle afford, so that a better efficiency is achieved.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei einer Gasturbine, wobei das Druckgefälle bzw. das Druckverhält­ nis des Arbeitsmediums durch Verminderung des Austritts­ drucks gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht wird, so daß ein entsprechend größeres, nutzbares Energiepotential für die Gasturbine zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Minderung des Austrittsdrucks im Abgaskanal durch ein Venturirohrunterdrucksystem erzeugt wird.1. A method for improving the efficiency in a gas turbine, the pressure drop or the pressure ratio of the working medium being increased by reducing the outlet pressure in relation to the ambient pressure, so that a correspondingly larger, usable energy potential is available for the gas turbine, characterized in that that the reduction in the outlet pressure in the exhaust duct is generated by a Venturi tube vacuum system. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Minderung des Austrittsdrucks im Abgaskanal durch ein Venturirohrunterdrucksystem und durch ein zusätzliches Aufwärmungs-/Abkühlungssystem erzeugt wird.2. The method according to claim 1, characterized, that the reduction in the outlet pressure in the exhaust duct through a Venturi tube vacuum system and an additional one Warming up / cooling system is generated. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Minderung des Austrittsdrucks im Abgaskanal durch ein Venturiunterdruckrohrsystem, wobei die Luftströmung im Venturirohr durch ein Gebläse hervorgerufen wird, erzeugt wird.3. The method according to claim 1, characterized, that the reduction in the outlet pressure in the exhaust duct through a venturi vacuum pipe system, the air flow in the Venturi tube is generated by a blower becomes. 4. Verfahren nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Minderung des Austrittsdrucks im Abgaskanal unmittelbar durch ein Unterdruckgebläse erzeugt wird.4. The method according to claim 1, characterized, that the reduction in outlet pressure in the exhaust duct is generated directly by a vacuum blower. 5. Verfahren nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Minderung des Austrittsdrucks im Abgaskanal durch jeweils eine der möglichen Kombinationen der in den Ansprüchen 1-4 angegebenen Maßnahmen erzeugt wird. 5. The method according to claim 1, characterized, that the reduction in the outlet pressure in the exhaust duct through each one of the possible combinations of those in the Claims 1-4 specified measures is generated.   6. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei einem Strahltriebwerk, wobei das Druckgefälle bzw. das Druck­ verhältnis des Arbeitsmediums durch Verminderung des Düsenaustrittsdrucks gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht wird, so daß ein entsprechend größeres nutzbares Energie­ potential für das Strahltriebwerk zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Minderung des Austrittsdrucks am Düsenausgang durch ein Venturirohrunterdrucksystem erzeugt wird.6. Procedure for improving the efficiency of one Jet engine, the pressure drop or pressure ratio of the working medium by reducing the Nozzle outlet pressure increased compared to the ambient pressure is, so that a correspondingly larger usable energy potential for the jet engine is available, characterized, that the reduction in outlet pressure at the nozzle outlet is generated by a Venturi tube vacuum system. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Minderung des Austrittsdrucks am Düsenausgang durch ein Venturirohrunterdrucksystem und durch ein zusätzliches Aufwärmungs-/Abkühlungssystem erzeugt wird.7. The method according to claim 6, characterized, that the reduction in outlet pressure at the nozzle outlet through a venturi vacuum system and through a additional heating / cooling system is generated. 8. Verfahren zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei einem Hybridantrieb mit wenigstens einem Verbrennungs- und wenigstens einem Elektromotor als Antriebsquellen durch Abgasenergierückgewinnung mittels wenigstens eines Abgas­ turbogenerators, wobei die beim Betrieb des Verbrennungs­ motors anfallende Abgasenergie zur Erzeugung von elektri­ scher Energie genutzt wird, so daß ohne weitere Energie­ zufuhr ein zusätzliches Energiepotential zur Nutzung über den Elektromotor des Hybridantriebes zu Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung des Abgasenergierückgewinnungs­ potentials im Abgaskanal hinter der letzten Abgasturbo­ generatorstufe ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck erzeugt wird und daß der Unterdruck im Abgaskanal durch ein Venturirohrunterdrucksystem und durch ein zusätzliches Aufwärmungs-/Abkühlungssystem erzielt wird. 8. Procedures to improve overall efficiency a hybrid drive with at least one combustion and at least one electric motor as drive sources Exhaust gas energy recovery by means of at least one exhaust gas turbogenerators, which when operating the combustion exhaust gas energy for the generation of electri shear energy is used so that without further energy supply an additional energy potential for use via the electric motor of the hybrid drive is available, characterized, that to increase exhaust gas energy recovery potentials in the exhaust duct behind the last exhaust gas turbo generator stage a negative pressure compared to the ambient pressure is generated and that the negative pressure in the exhaust duct through a Venturi tube vacuum system and an additional one Warming up / cooling system is achieved.   9. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Hub­ kolbenmotors, wobei durch Bildung eines Unterdrucks im Abgaskanal sowohl der Gaswechsel verbessert werden kann als auch eine zusätzliche Energiekomponente während des Auspufftaktes gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck im Abgaskanal durch ein Venturirohr­ unterdrucksystem erzeugt wird.9. A method of improving a hub's efficiency piston engine, whereby by forming a negative pressure in the Exhaust duct both the gas exchange can be improved as well as an additional energy component during the Exhaust stroke is won, characterized, that the vacuum in the exhaust duct through a Venturi tube vacuum system is generated. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck im Abgaskanal durch ein Venturirohr­ unterdrucksystem und durch ein zusätzliches Aufwärmungs-/Abkühlungssystem erzeugt wird.10. The method according to claim 9, characterized, that the vacuum in the exhaust duct through a Venturi tube vacuum system and an additional Warming up / cooling system is generated.
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