DE2240426A1

DE2240426A1 - COMBUSTION ENGINE WITH WASTE HEAT RECOVERY

Info

Publication number: DE2240426A1
Application number: DE2240426A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Koehler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-08-17
Filing date: 1972-08-17
Publication date: 1974-02-21

Description

Verbrennungsmotor mit Abwärmeverwertung Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit Abärmeverwertung durch Einspritzung und Verdampfung einer Flüssigkeit im Zylinder. Internal combustion engine with waste heat recovery The invention relates to to an internal combustion engine with waste heat recovery through injection and evaporation a liquid in the cylinder.

Der Großteil der mit dem Kraftstoff eingebrachten Energie geht beim Verbrennungsmotor durch Kühl- und Abgaswärme verloren.Most of the energy brought in with the fuel goes to the Internal combustion engine lost due to cooling and exhaust heat.

Man hat deshalb schon wiederholt versucht durch Ausnutzung der Abwärmen den Wirkungsgrad dieser Kraftmaschine zu erhöhen. So wurde ein kombinierter Verbrennungs- und Dampfmotor vorgeschlagen, wobei durch die Abwärme des Verbrennungsmotors die Kühlflüssigkeit verdampft wird und der entstandene Dampf zum Antrieb des Dampfmotors dient (deutsche Auslegeschrift Nr.Attempts have therefore already been made repeatedly to utilize the waste heat to increase the efficiency of this engine. So a combined combustion and steam engine proposed, wherein the waste heat from the internal combustion engine Cooling liquid is evaporated and the resulting steam is used to drive the steam engine serves (German interpretative document no.

1049155). Der Dampfmotor wird dabei durch einen zusätzlichen Zylinder gebildet. Es wurde auch versucht, die Abwärmen im Zylinder des Verbrennungsmotors direkt nutzbar zu machen, indem dem Kraftstoff- Luft- Gemisch der erzeugte Sattdampf aus einem an der Verbrennung nicht teilnehmenden Mittel beigefügt wird (deutsche Patentschrift Nr.829382). Dazu bedarf es einen durch Abwärme betriebenen Dampferzeuger. Durch die deutsche Patentschrift Nr.881422 wird vorgeschlagen, eine Wasser- Kraftstoff-Emulsion direkt in den Brennraum einzuspritzen und zu verbrennen. Das verdampfende Wasser entzieht dabei jedoch auch den noch nicht expandierten Brenngasen Wärme. Das Prinzip der Dampferzeugung im Zylinder ist durch die deutschen Patentschriften Nr.1049155). The steam engine is thereby supported by an additional cylinder educated. Attempts have also been made to reduce the waste heat in the cylinder of the internal combustion engine directly usable by adding the generated saturated steam to the fuel-air mixture from a means not participating in the incineration is added (German Patent Specification 829382). This requires a steam generator operated by waste heat. German Patent No. 881422 proposes a water-fuel emulsion injected directly into the combustion chamber and burned. The evaporating water However, it also removes heat from the fuel gases that have not yet expanded. The principle the generation of steam in the cylinder is described in German patent no.

841596 und 825690 bekannt. Darin wurde vorgeschlagen, die zu verdampfende Flüssigkeit in den von außen beheizten Zylinder einzuspritzen. Die für den Arbeitsprozeß benötigte Wärme muß dabei durch die Zylinderwandungen transportiert werden.841596 and 825690 known. Therein it was suggested that the to be vaporized Inject liquid into the externally heated cylinder. The one for the work process The heat required must be transported through the cylinder walls.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teil der Abwärme eines Verbrennungsmotors auszunutzen, ohne den Verbrennungsvorgang im Zylinder zu beeinträchtigen und ohne der Notwendigkeit eines zweiten Arbeitszylinders oder eines gesonderten Dampferzeuger6.The invention is based on the object of a part of the waste heat Take advantage of the internal combustion engine without the combustion process in the Impact cylinder and without the need for a second working cylinder or a separate steam generator 6.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, aaß zwischen den Verbrentungstakten im gleichen Zylinder ein Verdampfungs-und Expansionstakt mit anschließendem Ausschieben des Abdampfes erfolgt, indem nach/während der dem Arbeitstakt der Verbrennung folgenden Ausschubphase eine Flüssigkeit in den Zylinder eingespritzt wird. Die eingespiitzte Flüssigkeit nimmt von den Brennraumwandungen Wärme auf, verdampft unter gleichzeitiger Druckerhöhung im Zylinder und leistet bei der Abwärtsbewegung des Kolbens Arbeit. Diese Kraftmaschine stellt einen kombinierten Verbrennungs- und Dampfmotor mit einem gemeinsamen Arbeitszylinder dar ( Räumliche Vereinigung bei zeitlicher Ttennung beider Verfahren ). Während-der Verdampfung der eingespritzten Flüssigkeit wird den Brennraumwandungen teilweiee oder gänzlich die Wärme entzogen, die sie während der Verbrennung und der folgenden Expansions- und Ausschubphase aufgenommen haben. Da der Wärmeübergang an ein siedendes Medium sehr gut ist, läßt sich auch bei niedriger treibender Temperaturdifferenz zwischen den Brennraumwandungen und der verdampfenden Flüssigkeit die notwendige Wärmemenge in kurzer Zeit übertragen. Durch das Hinzufügen des zusätzlichen Arbeitstaktes mit nachfolgender Ausschubphase wird aus dem bekannten 4- Takt-Verfahren ein 6- Takt- Verfahren, während sich bei Anwendung der Erfindung auf einen 2- Takt- Motor nach 4 Takten ein Arbeitszyklus wiederholt.This object is achieved according to the invention, aass between the Combustion strokes in the same cylinder with an evaporation and expansion stroke subsequent expulsion of the exhaust steam takes place by after / during the work cycle A liquid is injected into the cylinder after the combustion phase will. The injected liquid absorbs heat from the combustion chamber walls, evaporates with a simultaneous increase in pressure in the cylinder and performs during the downward movement the piston work. This engine represents a combined combustion and steam engine with a common working cylinder (spatial union if both procedures are separated in time). During-the evaporation of the injected Liquid is partially or completely withdrawn from the combustion chamber walls, they during the combustion and the following expansion and extension phase have recorded. Since the heat transfer to a boiling medium is very good, can even with a lower driving temperature difference between the combustion chamber walls and transfer the necessary amount of heat to the evaporating liquid in a short time. By adding the additional work cycle with a subsequent extension phase the well-known 4-step process becomes a 6-step process, while at Application of the invention to a 2-stroke engine after 4 strokes a work cycle repeated.

Dem Zylinder kann zusätzlich mittels eines Wärmetauschers ein Teil der Abgaswärme zugeführt werden. Da diese Wärme vom verdampfenden Medium aufgenommen und während der Expansion teilweise in mechanische Arbeit überführt werden kann, läßt sich damit eine weitere Wirkungsgradverbesserung erzielen. FUr die eingespritzte Flüssigkeit kann ein offener oder geschlossener Prozeß gewählt werden. Der Abdampf kann den Zylinder durch das Auslaventil für Abgase oder durch ein zusätzliches Ventil verlassen. Die eingespritzte Flüssigkeit kann ein vom Kraftstoff verschiedener Stoff (z.B. Wasser) oder mit dem Kraftstoff identisch sein. Der Wärmeübergang von den Brennraumwandungen zur verdampfenden Flüssigkeit läßt sich intensivieren, wenn die Flüssigkeit in Kontakt mit den Brennraiimwandungen bleibt.The cylinder can also be a part by means of a heat exchanger are supplied to the exhaust gas heat. As this heat is absorbed by the evaporating medium and can be partially converted into mechanical work during expansion, a further improvement in efficiency can thus be achieved. For the injected Liquid, an open or closed process can be selected. The exhaust steam can open the cylinder through the exhaust valve for exhaust gases or through an additional valve leaving. The injected liquid can be one of the fuel different substance (e.g. water) or identical to the fuel. The heat transfer from the combustion chamber walls to the evaporating liquid can be intensified, if the liquid remains in contact with the combustion chamber walls.

ErfindungsgbmäB wird dies durch gekrümmte Vertiefungen im Kolbenboden erzielt, wodurch der auf die Mitte des konkaven Kolbenbodens eingespritzten Flüssigkeit eine Rotationsbewegung aufgezwungen wird.According to the invention, this is provided by curved depressions in the piston crown achieved, causing the liquid injected onto the center of the concave piston head a rotational movement is imposed.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Abwärmen am Ort ihrer Entstehung - im Zylinder -ausgenutzt werden. Dadurch kann der Bauaufwand gering gehalten werden und eine äußere Zylinderkühlung sowie eine Kolbenkühlung können weitgehend entfallen. Durch die zeitliche Trennung von Verbrennungs- und Verdampfungsphase bleibt die Verbrennung ungestört. Die hohe Verbrennungstemperatur bleibt erhalten bzw.The advantages achieved with the invention are in particular: that the waste heat at the place of its origin - in the cylinder - is exploited. Through this the construction costs can be kept low and an external cylinder cooling as well piston cooling can largely be dispensed with. Due to the temporal separation of The combustion remains undisturbed during the combustion and evaporation phases. The high combustion temperature remains or

sie kann weiter gesteigert werden, da durch die intensive Verdampfungskühlung die thermische Belastung der Bauteile verringert wird. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß sowohl die Verbrennung des Kraftstoffs als auch die Verdampfung der eingespritzten Flüssigkeit in der Nähe des oberen Totpunktes stattfindet, was zur Folge hat, daß die Brennraumwandungen, die bei-der Verbrennung thermisch am stärksten belastet sind, während der Verdampfungsphase am stärksten gekühlt werden.it can be increased further because of the intensive evaporative cooling the thermal load on the components is reduced. Really important is here that both the combustion of the fuel and the evaporation of the injected liquid takes place near top dead center, which has the consequence that the combustion chamber walls, which are thermally on during combustion are most heavily loaded, are most strongly cooled during the evaporation phase.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden beschrieben.Two embodiments of the invention are described below.

Figur 1 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Vergasermotor, wobei für die eingespritzte Flüssigkeit - hier'Wasser -ein offener Prozeß gewählt wurde. Die ersten 4 Takte laufen -wie beim bekannten 4-Takt Otto - Verfahren ab, D.h. durch das Einlaßventil 1 strömt Kraftstoff- Luft- Gemisch dem Zylinder 2 zu,wird verdichtet, gezündet, die Brenngase expandieren und werden durch das Auslaßventil 3 ausgeschoben. In der Nähe der oberen Totlage des Kolbens 4 wird nun Wasser mittels einer Einspritzpumpe 5 und der Einspritzdüse 6 in den Zylinder 2 gespritzt, wo es unter gleichzeitiger Druckerhöhung im Zylinder verdampft. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 4 leistet der Wasserdampf Arbeit. Schließlich wird er bei der folgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 durch das Auslaßventil 3 ausgeschoben. Nach 6 Takten wiederholt sich somit ein Arbeitszyklus.Figure 1 shows the application of the invention to a carburetor engine, with an open process selected for the injected liquid - here 'water became. The first 4 cycles run - as with the well-known 4-cycle Otto process, That is, the fuel-air mixture flows through the inlet valve 1 to the cylinder 2 compressed, ignited, the fuel gases expand and are released through the exhaust valve 3 extended. Near the top dead center of the piston 4 is now water by means of an injection pump 5 and the injection nozzle 6 into the cylinder 2, where it evaporates with a simultaneous increase in pressure in the cylinder. at the downward movement of the piston 4 does the water vapor work. Finally will it is pushed out through the outlet valve 3 during the subsequent upward movement of the piston 4. A work cycle is repeated after 6 cycles.

Figur 2 zeigt ein Beispiel für einen Einspritzmotor, bei dem der Kraftstoff als Verdampfungsmedium herangezogen wird. Er durchläuft dabei einen geschlossenen Kreisprozeß (Clausius-Rankine- Prozeß). Die ersten 4 Takte laufen in bekannter Weise ab: Durch das Einlaßventil 1 strömt Frischluft dem Zylinder 2 zu. Sie wird verdichtet, wobei mittels einer Einspritzpumpe 5 und der Einspritzdüse 6 Kraftstoff eingespritzt wird. Das Kraftstoff- Luft- Gemisch wird gezündet, die Brenngase expandieren und werden durch das Auslaßventil 3 ausgeschoben. In der Nähe der oberen Totlage des Kolbens 4 wird nun nochmals Kraftstoff in den Zylinder 2 gespritzt, wo er unter Druckerhöhung im Zylinder verdampft und bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 4 Arbeit leistet. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens X wird der Abdampf durch das Ventil 7 einem Kondensator 8 zugeführt.Figure 2 shows an example of an injection engine in which the fuel is used as an evaporation medium. He goes through a closed one Circular process (Clausius-Rankine process). The first 4 bars run in the familiar way from: Fresh air flows through inlet valve 1 to cylinder 2. It is condensed wherein 6 fuel is injected by means of an injection pump 5 and the injection nozzle will. The fuel-air mixture is ignited, the combustion gases expand and are pushed out through the outlet valve 3. Near the top dead center of the Piston 4 is now again injected fuel into the cylinder 2, where it is below Pressure increase in the cylinder evaporates and 4 work during the downward movement of the piston perform. When the piston X moves upwards, the exhaust steam is released through the valve 7 is fed to a capacitor 8.

Der kondensierte Kraftstoff wird durch eine Leitung 9 wieder der Einspritzpumpe 5 zugeführt. Um auch einen Teil der Abgas wärme auszunutzen, durchströmen die Abgase nach Passieren des Auslaßventils 3 einen Wärmetauscher 10, der um den Zylinder 2 angebracht ist.The condensed fuel is returned to the injection pump through a line 9 5 supplied. In order to utilize part of the exhaust gas heat, the exhaust gases flow through after passing through the exhaust valve 3 a heat exchanger 10, which around the cylinder 2 is appropriate.

Figur 3 läßt die gekrümmten Vertiefungen 11 erkennen, die sich im konkav gewölbten Boden des Kolbens 4 befinden. Die Pfeile 12 zeigen die Richtung an, in der die verdampfende Flüssigkeit den Kolbenboden verläßt.FIG. 3 shows the curved depressions 11, which are located in the concave arched bottom of the piston 4 are located. The arrows 12 show the direction in which the evaporating liquid leaves the piston head.

Claims

P a t e n t a n 5 p r ü c h e

with with with waste heat recovery, characterized in that between the combustion: there is an evaporation and expansion cycle in the same cylinder (2) with subsequent expulsion of the exhaust steam takes place by after or during the the expansion phase following the work cycle of the combustion a liquid in the Cylinder (2) is injected.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that for the liquid injected during the evaporation phase an open one (fig 1) or closed process (Figure 2) is selected, with the closed Process a capacitor (8) is provided.

3. Internal combustion engine according to claims i and 2, characterized in that that the liquid injected during the evaporation phase is one of the fuel different medium or the fuel itself.

4. Internal combustion engine according to claims 1, 2 and 3, characterized in that that the exhaust steam enters the cylinder (2) through the exhaust valve (3) for combustion gases or through an additional valve (7).

5. Internal combustion engine according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that that there are curved depressions (11) in the bottom of the piston (4) (FIG. 3).

6. Internal combustion engine according to claims 1, 2, 3, 4 and; 5, thereby characterized in that the cylinder (2) by means of a heat exchanger (10) exhaust gas heat is fed.