DE2713831A1

DE2713831A1 - IC engine with steam injection - has vaporiser to produce steam pressure above that of combustion chamber pressure

Info

Publication number: DE2713831A1
Application number: DE19772713831
Authority: DE
Inventors: Heinrich Karl Dr I Feichtinger
Original assignee: Feichtinger heinrich Karl dr-Ing-Chem
Current assignee: Feichtinger heinrich Karl dr-Ing-Chem
Priority date: 1977-03-29
Filing date: 1977-03-29
Publication date: 1978-10-05

Abstract

The engine works on the four stroke principle and is provided with a water vapour injection system. A branch pipe (24) from the exhaust manifold passes through a high pressure water vaporiser (25) to rejoin the exhaust system via a regulator (28). The regulator responds to water vapour pressure and temp. to by pass the exhaust gases. The water vaporiser consists of a number of vertical water tubes and a steam chamber (33). The water level is monitored by a sensor (35) and maintained by a pump from a storage tank (38). The water is pre heated before entering the vaporiser by a heat exchange coil (40) passing round the engine cylinders (11). The water vapour enters the combustion chamber via a poppett valve (18).

Description

DiPi-iNC. «TO 5 ZAPF E PATENT ADVOCATE

D - 605 OFFENBACH (MAIN) KAISERSTRASSE BUNDESREPUBUK DEUTSCHLANDD - 605 OFFENBACH (MAIN) KAISERSTRASSE FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

TELEFON (06 11) 88 27TELEPHONE (06 11) 88 27

Zl. März 1977 .Zap/HanMarch 1977, Zap / Han

Akte:File:

HerrMr

Dr.-Ing.-Chem. Heinrich Feichtinger Holzbrunnenstrasse 22

CH-8200 Schaffhausen SCHWEIZCH-8200 Schaffhausen SWITZERLAND

Arbeitsverfahren für Verbrennungskraftmaschinen mit Zusatz von Wasserdampf und Verbrennungskraftmaschine für die Durchführung des Verfahrens "Working methods for internal combustion engines with the addition of steam and internal combustion engine for the implementation of the procedure "

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Die Erfindung-betrifft ein Arbeitsverfahren für Verbrennungskraftmaschinen mit Zusatz von Wasserdampf, der unter Oberdruck in den thermischen Kreisprozeß nach Einleitung des Verbrennungsvorganges eingeführt wird, wobei die Verdampfung durch Ausnutzung des Wärmeinhalts der Abgase erfolgt.The invention relates to a working method for internal combustion engines with the addition of water vapor which is under pressure is introduced into the thermal cycle after initiation of the combustion process, the evaporation takes place by utilizing the heat content of the exhaust gases.

Es ist bekannt, vor, während oder nach der Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches Wasser in den Brennraum einzuspritzen. (DT-PS 154 120). Durch die Verdampfung des Wassers wird dem Verbrennungsvorgang Wärme entzogen und die Temperatür im Verbrennungsraum gesenkt. Die dem Verbrennungsvorgang entzogene Arbeit wird durch die Expansion des Wasserdampfes wiedergewonnen. Eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffs ist hierdurch nicht oder nur in sehr untergeordnetem Maße möglich, so daß der bessere Füllungsgrad des Zylinders und die Erhöhung der Klopffestigkeit im Vordergrund stehen. Eine bessere Ausnutzung des Brennstoffs ist selbst dann nur in untergeordnetem Umfange möglich, wenn, wie angegeben, die Erhitzung des Wassers mittels der Wärme der Abgase vorgenommen wird. Die Menge des verbrauchten, flüssigen Wassers hat nur eine sehr geringe Wärmekapazität im Verhältnis zum Wärmeinhalt der gleichzeitig ausgestossenen Verbrennungsgase.It is known to inject water into the combustion chamber before, during or after the combustion of the fuel-air mixture. (DT-PS 154 120). The evaporation of the water removes heat and the temperature from the combustion process lowered in the combustion chamber. The work removed from the combustion process is due to the expansion of the water vapor regained. Better utilization of the fuel is not possible as a result, or only to a very limited extent, so that the better degree of filling of the cylinder and the increase of the knock resistance are in the foreground. Better utilization of the fuel is only possible to a minor extent if, as indicated, heating of the water is made by means of the heat of the exhaust gases. The amount of liquid water consumed has only one very low heat capacity in relation to the heat content of the combustion gases emitted at the same time.

Es ist auch bekannt, die Leistung von Explosionskraftmaschinen zeitweise dadurch zu erhöhen, daß man während der Verbrennung Wasserdampf in den Brennraum einführt, wobei der Wasserdampf unter dem gleichen oder einem geringeren als dem Explosionsdruck steht (DT-PS 175 312). Da der Explosionsdruck jedoch je nach der Belastung der Maschine schwankt, bleibt das Problem ungelöst, auf welche Weise der Vorgang geregelt werden soll. Wird nämlich weder der Druck im Dampferzeuger geregelt, noch ein gesteuertes Ventil vorgesehen, so werden Verbrennungsgase in dem Dampferzeuger zurückgedrückt, wenn der ExplosionsdruckIt is also known the performance of explosion engines to increase temporarily by introducing water vapor into the combustion chamber during the combustion, the water vapor is under the same or a lower pressure than the explosion pressure (DT-PS 175 312). However, since the explosion pressure varies fluctuates according to the load on the machine, the problem of how to regulate the process remains unsolved. If neither the pressure in the steam generator is regulated nor a controlled valve is provided, combustion gases are generated pushed back in the steam generator when the explosion pressure

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den Druck im Dampferzeuger übersteigt. Es ist daher auch bereits bekannt, zwischen Dampferzeuger und Dampfaustrittsöffnung im Innern des Zylinders ein gesteuertes Ventil vorzusehen, wobei der zwischen dem Ventil und der Dampfaustrittsöffnung liegende Teil der Rohrleitung als Pufferraum dient (DT-PS 366 646).exceeds the pressure in the steam generator. It is therefore already known between the steam generator and the steam outlet opening to provide a controlled valve inside the cylinder, the one between the valve and the steam outlet opening The lying part of the pipeline serves as a buffer space (DT-PS 366 646).

Auch die Ausnutzung der Abgaswärme in einem Wärmetauscher bzw. Dampfkessel hat bereits eine Rolle gespielt. Eine für das anstehende Problem ungeeignete Lösung nutzt die Abgaswärme für einen Destillationsvorgang zur Gewinnung von einwandfreiem Einspritzwasser. Die Kondensation muß jedoch durch externe Kühlung erfolgen, welche die aus den Abgasen gewonnene Verdampfungswärme wieder vernichtet.Die Wärme für die Verdampfung des Einspritzwassers wird wiederum dem Verbrennungsvorgang bzw. Brennraum entzogen (DT-PS 134 720 und DT-PS 280 472). Das anstehende Problem wird auch nur sehr ungenügend gelöst, wenn der durch die Abgaswärme in einem Wärmetauscher erzeugte Einspritzdampf während des Verdichtungshubes , d.h. vor Einleitung des Verbrennungsvorganges dem Zylinder zugeführt wird (DT-PS 170 054). Hierdurch steigt der Verdichtungsdruck, ein Vorgang, der im Hinblick auf die Klopffestigkeit der Kraftstoffe und auf die Belastung moderner Hochleistungstriebwerke nicht unbedingt erwünscht ist.The utilization of the exhaust gas heat in a heat exchanger or steam boiler has already played a role. One for the problem at hand unsuitable solution uses the exhaust heat for a distillation process to obtain flawless Injection water. The condensation must, however, take place by external cooling, which is obtained from the exhaust gases The heat of evaporation obtained is destroyed again Evaporation of the injection water will in turn add to the combustion process or combustion chamber withdrawn (DT-PS 134 720 and DT-PS 280 472). The problem at hand is only going to be great insufficiently solved if the injection steam generated by the exhaust gas heat in a heat exchanger during the compression stroke , i.e. fed to the cylinder before the combustion process is initiated (DT-PS 170 054). Through this the compression pressure increases, a process that affects the knock resistance of the fuels and the load modern high-performance engines is not absolutely desirable.

Such work processes must also be disregarded

bei denen Wasser oder Wasserdampf im wesentlichen drucklos in die Ansaugleitung bzw. in den Vergaser eingeführt wird. So ist es beispielsweise bekannt, ein Gemisch aus Verbrennungsluft, Kraftstoff und Wasser in Tröpfchenform durch einen Wärmeaustauscher zu leiten, der durch die Abgase beheizt wird. (DT-PS 870 780). Die Verbesserung des Wirkungsgrades durch Ausnutzung der Abgaswärme kann zwar unterstellt werden, die spezifische Leistungin which water or steam is introduced into the intake line or into the carburetor essentially without pressure. That's the way it is known for example, a mixture of combustion air, fuel and passing water in droplet form through a heat exchanger which is heated by the exhaust gases. (DT-PS 870 780). The improvement of the efficiency by utilizing the exhaust gas heat can be assumed, the specific performance

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des Motors sinkt jedoch aufgrund der Verminderung des Füllungsgrades an Verbrennungsluft. Ähnliches gilt auch für ein Ver·- fahren, bei dem ein Gemisch aus Wasser und Alkohol mit Hilfe der Abgaswärme verdampft und das Dampfgemisch dem Vergaser zugeführt wird. (DT-OS 23 11 374). Die Verhältnisse werden dort dadurch nicht soweit verschlechtert, weil der anteilig verdampfte Alkohol seinerseits beim Verbrennungsvorgang Arbeit leistet. Ein anderer Versuch der im wesentlichen drucklosen Dampferzeugung benutzt die Ausschubphase für die Einspritzung von Wasser und dessen Verdampfung. Dies bedingt jedoch die Veränderung eines Zweitaktmotors in einen Viertaktmotor bzw. eines Viertaktmotors in einen Sechstaktmotor (DT-OS 22 40 426). Dadurch sinkt die spezifische Leistung.however, the engine sinks due to the reduction in the degree of filling of combustion air. The same applies to a ver drive in which a mixture of water and alcohol is used the exhaust gas heat evaporates and the vapor mixture is fed to the carburetor. (DT-OS 23 11 374). The circumstances are There it is not deteriorated to that extent because the alcohol that has partly evaporated does its part in the combustion process perform. Another attempt at essentially pressureless steam generation uses the extension phase for the injection of water and its evaporation. However, this requires the change from a two-stroke engine to a four-stroke engine or a four-stroke engine into a six-stroke engine (DT-OS 22 40 426). This reduces the specific power.

Bei einem relativ komple<en bekannten Verfahren wird Wasser mittels einer FTussigkeitsdruckpumpe einem Hochdruckverdampfer zugeführt, der durch die Abgase beheizt wird, und dort auf einen Druck erhitzt, der oberhalb des maximalen Verdichtungsdrucks liegt. Der Dampf dient dann in Verbindung mit einer Injektordüse dazu, den schwerflüchtigen Kraftstoff in den Zylinder einzuführen. Der Dampfstrom und damit die Injektordüse werden intermittierend durch ein von der Kurbelwelle betätigtes Ventil geregelt (DT-PS 155 446). Die vorbekannte Lösung ist jedoch lediglich für Dieselmotoren brauchbar. Sie ist solange nicht betriebsfähig, wie nicht ein für die Funktion der Injektordüse ausreichender Dampfdruck vorhanden ist. Um den Prozeß überhaupt starten zu können, ist ein Hilfsbrenner vorgesehen. Besonders schwerwiegende Probleme stellen sich jedoch bei Teillast, insbesondere in der Nähe des Leerlaufsbereichs ein, weil der ungeregelte Verdampfer dann keinen ausreichenden Dampfdruck mehr erzeugt. Für einen Otto-Motor ist die vorbekannte Anordnung unbrauchbar.In a relatively complex known process, water is turned into a high pressure evaporator by means of a liquid pressure pump supplied, which is heated by the exhaust gases, and heated there to a pressure which is above the maximum compression pressure. The steam is then used in conjunction with an injector nozzle to introduce the non-volatile fuel into the cylinder. The steam flow and thus the injector nozzle are regulated intermittently by a valve operated by the crankshaft (DT-PS 155 446). The already known However, the solution is only useful for diesel engines. It is inoperable as long as it is not one for them Function of the injector nozzle there is sufficient steam pressure. To be able to start the process at all, a Auxiliary burner provided. Particularly serious problems however, occur at part load, especially in the vicinity of the idling range, because the unregulated evaporator then no longer generates sufficient steam pressure. The previously known arrangement cannot be used for an Otto engine.

Bei einer Würdigung des Standes der Technik stellt sich das Er-When assessing the state of the art, the

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gebnis ein, daß der Regelung des Verdampfers im Hinblick auf unterschiedliche Belastungen von Verbrennungskraftmaschinen offensichtlich keine Beachtung geschenkt worden ist. So wurde weder darauf geachtet, daß - von der Phase unmittelbar nach dem Starten einmal abgesehen - im Verdampfer stets ein Druck ansteht, der größer als der maximale Explosionsdruck ist, und daß außerdem der "Dampfabruf" zum Verbrennungsraum je nach den Belastungsverhältnissen des Motors unabhängig regelbar ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Arbeitsverfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, welches diese Forderungen erfüllt, nach de« Warmlaufen der Verbrennungskraftmaschine ständig eine optimale Betriebsbereitschaft und eine sofortige Anpassung der Dampfmenge an den geänderten Leistungsbedarf ermöglicht. Dabei soll ein Starten der Verbrennungskraftmaschine im kalten Zustand auch ohne betriebsbereiten Dampferzeuger möglich sein.Result one that the regulation of the evaporator with regard to different loads of internal combustion engines apparently no attention has been paid to it. So became it is not ensured that - apart from the phase immediately after starting - there is always a pressure in the evaporator pending, which is greater than the maximum explosion pressure, and that also the "steam call" to the combustion chamber depending on the load conditions of the engine can be regulated independently. The invention is therefore based on the object of a working method of the type described at the beginning, which meets these requirements, after the warm-up of the Internal combustion engine constantly optimal operational readiness and enables an immediate adjustment of the amount of steam to the changed power requirement. There should be a start the internal combustion engine in the cold state may also be possible without an operational steam generator.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Arbeitsverfahren erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale:The task at hand is achieved in the case of the one described at the beginning Working method according to the invention through the combination of the following features:

a) Wasser wird mittels einer Flüssigkeitsdruckpumpe einem Hochdruckverdampfer zugeführt und dort auf einem über dem maximalen Verbrennungsdruck liegenden Dampfdruck aufgeheizt,a) Water is fed to a high pressure evaporator by means of a liquid pressure pump and there on a the maximum combustion pressure is heated up to the steam pressure,

b) die Abgase werden wahlweise durch den Hochdruckverdampfer oder über eine By-pass-Leitung um den Hochdruckverdampfer herumgeführt, wobei die Regelung der Abgasströme bzw. Teilströme durch den Zustand (Druck, Temperatur) im Innern des Hochdruckverdampfers erfolgt undb) the exhaust gases are either through the high pressure evaporator or via a by-pass line around the high pressure evaporator led around, the regulation of the exhaust gas flows or partial flows by the state (pressure, temperature) inside the High pressure evaporator takes place and

c) der Wasserdampf wird aus dem Hochdruckverdampfer über ein Regelventil in den Verbrennungsraum eingespeist.c) the water vapor is fed into the combustion chamber from the high-pressure evaporator via a control valve.

Ein solches Arbeitsverfahren ist für alle Arten von Verbrennungskraftmaschinen brauchbar,d.h. für Otto-Motoren, Diesel-Motoren und Such a working method is useful for all types of internal combustion engines, i.e. for gasoline engines, diesel engines and

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Gasturbinen. Die Gattung der Verbrennungskraftmaschine bestimmt lediglich die Betriebsweise des Regelventils gemäß Merkmal c). Während dies bei Kolbenmotoren intermittierend und mit unterschiedlich langen Öffnungszeiten betrieben werden kann, erfolgt bei Gasturbinen eine kontinuierliche Betriebsweise. Gas turbines. The type of internal combustion engine is determined only the mode of operation of the control valve according to feature c). While this is intermittent in piston engines and operated with different opening times can, gas turbines operate continuously.

Mit dem Erfindungsgegenstand ist der Vorteil verbunden, daß nach der Warmlaufphase jederzeit Wasserdampf in ausreichender Menge und mit einem ausreichenden Druck zur Verfügung steht, der oberhalb des maximalen Explosionsdruck im Verbrennungsraum liegt. Als Beispiel sei angegeben, daß die üblichen Spitzendrücke bei ca. 60 bar liegen, so daß eine Temperatur von ca. 275 ⁰C und darüber im Hochdruckverdampfer ausreicht, um den entsprechenden Dampfdruck bereitzustellen. Dieser Dampf kann durch das dem Verbrennungsraum zugeordnete Regelventil jederzeit abgerufen und entsprechend dosiert werden. Infolge der Druckdifferenz kann die Einführung des Dampfes in den Verbrennungsraum zu jedem beliebigen Zeitpunkt, also auch während und unmittelbar nach der Explosion (bei Kolbenmotoren) erfolgen. Durch eine entsprechende Verstellung der Öffnungsphase des Regelventils sowie durch eine Veränderung der Öffnungsdauer läßt sich der "Dampfbetrieb" des Verbrennungsmotors beliebig beeinflussen und feinfühlig regeln. Dies ist insbesondere im Hinblick auf einen Teillastbetrieb von großem Vorteil. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß es sich bei einem Verbrennungsmotor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, um eine Kombination aus Explosionsmotor und Dampfmaschine handelt.The subject matter of the invention has the advantage that, after the warm-up phase, water vapor is always available in sufficient quantity and at a sufficient pressure which is above the maximum explosion pressure in the combustion chamber. As an example it should be stated that the usual peak pressures are approx. 60 bar, so that a temperature of approx. 275 ^° C. and above in the high-pressure evaporator is sufficient to provide the corresponding vapor pressure. This steam can be called up at any time by the control valve assigned to the combustion chamber and dosed accordingly. As a result of the pressure difference, the steam can be introduced into the combustion chamber at any time, including during and immediately after the explosion (in the case of piston engines). By appropriately adjusting the opening phase of the control valve and by changing the opening duration, the "steam operation" of the internal combustion engine can be influenced as desired and controlled sensitively. This is of great advantage in particular with regard to partial load operation. It must be taken into account here that an internal combustion engine which is operated according to the method according to the invention is a combination of an explosion engine and a steam engine.

Aber auch der Dampfnachschub wird nach Maßgabe des Dampfverbrauchs selbsttätig geregelt, wobei der Dampfzustand konstant und unabhängig von der Maschinenbelastung ist. Durch die Zu-But the steam supply is also based on the steam consumption automatically regulated, whereby the steam condition is constant and independent of the machine load. Through the access

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Standsüberwachung in Verbindung mit der By-pass-Regelung ist gewährleistet, daß innerhalb ausreichend bemessener Grenzen einerseits kein unzulässiger Druckanstieg, andererseits aber auch kein unerwünschter Druckabfall eintritt, bei dem das Verfahren nicht mehr durchführbar wäre.Level monitoring in connection with the by-pass control is guaranteed, that within adequately dimensioned limits on the one hand no impermissible pressure increase, on the other hand, however there is also no undesirable pressure drop at which the method would no longer be feasible.

Für die Zustandsüberwachung kann sowohl die Temperatur als auch der Druck herangezogen werden, da diese im Sattdampfbereich im Zusammenhang stehen. Steigt der Druck im Verdampfer beispielsweise bei Vollast zu stark an, so wird durch die By-pass-Regelung ein mehr oder weniger großer Teil der Abgase um den Verdampfer herumgeleitet. Sinkt andererseits der Betriebsdruck, so kann die erzeugte Dampfmenge dadurch vergrößert werden, daß die Abgase im vermehrten Umfange wieder durch den Verdampfer geleitet werden.Both the temperature and the pressure can be used for condition monitoring, since these are in the saturated steam range in association with. If the pressure in the evaporator increases too much, for example at full load, the By-pass control a more or less large part of the exhaust gases bypassed the evaporator. On the other hand, it sinks the operating pressure, the amount of steam generated can be increased by increasing the amount of exhaust gas be passed through the evaporator again.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens für Kolbenmotoren wird zweckmäßig das dem Verbrennungsraum zugeordnete Regelventil für den Wasserdampf nach Maßgabe der Kolben- bzw. Kurbelwellenstellung und des Leistungsbedarfs elektronisch angesteuert. Derartige elektronische Ventile, beispielsweise Magnetventile, sind im Handel und können mit der für Verbrennungskraftmaschinen notwendigen Frequenz von bis zu 4.000 Hüben pro Minute betrieben werden.When using the working method according to the invention for piston engines, the control valve for the water vapor assigned to the combustion chamber is expedient in accordance with the Piston or crankshaft position and the power requirement electronically controlled. Such electronic valves, such as solenoid valves, are commercially available and can with the frequency of up to 4,000 strokes per minute required for internal combustion engines.

Für Verbrennungsmotoren gilt die grohe Regel, daß ein Drittel des Kraftstoffs in Motorleistung, ein weiteres Drittel in Kühlwasserwärme und das letzte Drittel in Abgaswärme umgesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, zusätzlich auch einen Teil der über die Zylinderwände an das Kühlwasser abgegebenen Wärmemenge nutzbar zu machen. Zu diesem Zwecke wird das Wasser vor der Zuführung zum Hochdruckverdampfer durch Abwärme über die Zylinderwandung vorgewärmt. Dies kann beispielsweise durch eine Rohrschlange geschehen, die in wärmeleitender Verbindung mit der Zylinderwandung steht, ohne jedochThe general rule for internal combustion engines is that one third of the fuel is converted into engine power, a further third into cooling water heat and the last third into exhaust gas heat will. With the method according to the invention, it is also possible to additionally attach part of the via the cylinder walls to the To make the amount of heat given off by cooling water usable. For this purpose, the water is fed to the high-pressure evaporator before it is fed preheated by waste heat through the cylinder wall. This can be done, for example, by a pipe coil that is thermally conductive Connection with the cylinder wall is without, however

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den Wärmefluß zum Kühlwasser selbst ungünstig zu beeinflussen. Eine solche Maßnahme wird bevorzugt dann angewendet, wenn der Motor mit einer höheren Kühlmitteltemperatur betrieben wird, was sich auf den thermischen Wirkungsgrad günstig auswirkt. Während normalerweise Kühlmitteltemperaturen zwischen 70 und 85 C eingehalten werden, können bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre Kühlmitteltemperaturen zwischen 90 und 120 ⁰C eingestellt werden. Hierfür höher siedenden Zusätzen erforderlich.to influence the heat flow to the cooling water itself unfavorably. Such a measure is preferably used when the engine is operated with a higher coolant temperature, which has a favorable effect on the thermal efficiency. While coolant temperatures between 70 and 85 ° C. are normally maintained, coolant temperatures between 90 and 120 ^° C. can be set when the teaching according to the invention is used. High-boiling additives are required for this.

und 120 ⁰C eingestellt werden. Hierfür sind Kühlmittel mitand 120 ⁰ C can be set. For this purpose, coolants are included

The machine-side arrangements for the implementation

des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens und deren Vorteile gehen aus den Vorrichtungsansprüchen sowie aus der nachfolgenden Detailbeschreibung hervor, die eine schematische Darstellung der gesamten Anordnung in Verbindung mit einemof the working method according to the invention and their advantages emerge from the device claims and from the following detailed description, which is a schematic Representation of the entire arrangement in connection with a

Otto engine shows. In the figure, 10 is an internal combustion engine

in Form eines Otto-Motors bezeichnet, der aus einem Zylinder 11, einem Kolben 12, einer Kurbelwelle 13 und einem Pleuelin the form of an Otto engine, which consists of a cylinder 11, a piston 12, a crankshaft 13 and a connecting rod

14 besteht. Im Zylinderkopf sind ein Einlaßventil 15, ein Auslaßventil 16, eine Zündkerze 17 und ein Regelventil 18 für die Dosierung der Dampfmenge angeordnet. Zum Einlaßventil14 exists. In the cylinder head are an intake valve 15, an exhaust valve 16, a spark plug 17 and a control valve 18 arranged for the dosage of the amount of steam. To the inlet valve

15 führt über einen Vergaser 19 eine Ansaugleitung 20. Dem Vergaser 19 ist ein Luftfilter 21 zugeordnet.15 leads via a carburetor 19 to an intake line 20. The carburetor 19 is assigned an air filter 21.

Vom Auslassventil 16 führt eine Abgasleitung 22 zu einer Ver-Verzweigungsstelle 23. In dem einen Leitungszweig 24 ist ein Hochdruckverdampfer 25 angeordnet, der andere Leitungszweig bildet eine By-pass-Leitung 26. Jenseits des Hochdruckverdampfers 25 vereinigen sich der Leitungszweig 24 und die By-pass-Leitung 26 an einer Verbindungsstelle 27, die als Regeleinrichtung 28 ausgeführt ist. Die Regeleinrichtung besitzt ein Schwenkventil 29, welches in zwei unterschiedlichenAn exhaust line 22 leads from the outlet valve 16 to a branching point 23. A high-pressure evaporator 25 is arranged in one line branch 24, and the other line branch forms a by-pass line 26. Beyond the high-pressure evaporator 25 unite the branch 24 and the by-pass line 26 at a junction 27, which as Control device 28 is executed. The control device has a pivot valve 29, which is in two different

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Endstellungen dargestellt ist. In der ausgezogen dargestellten Stellung strömt die gesamte Abgasmenge durch den Hochdruckverdampfer 25. In der gestrichelt dargestellten Stellung strömt die gesamte Abgasmenge durch die By-pass-Leitung 26, wobei eine Ausnutzung der Abgaswärme nicht erfolgt. In den verschiedenen möglichen Zwischenstellungen werden unterschiedliche Anteile der Abgasmenge durch den Hochdruckverdampfer geleitet, dessen Dampferzeugungsleistung dadurch dem Dampfbedarf angepaßt werden kann. Um dies zu erreichen,besitzt die Regeleinrichtung 28 einen Ventilantrieb 30, mit dem das Schwenkventil 29 verstellt werden kann. Der Ventilantrieb erhält seine Stellbefehle von einem Zustandsfühler 31 im Innern des Verdampfers über eine Leitung 32. Die Regelung erfolgt in dem Sinne, daß der Zustand (Druck, Temperatur) im Innern des Verdampfers im Sinne der einleitenden Ausführungen möglichst konstant gehalten wird.End positions is shown. In the solid shown In the position, the entire amount of exhaust gas flows through the high-pressure evaporator 25. In the position shown in dashed lines, flows the entire amount of exhaust gas through the by-pass line 26, the exhaust gas heat not being used. In the different possible intermediate positions are different proportions of the exhaust gas volume through the high pressure evaporator directed, whose steam generation capacity can be adapted to the steam demand. To do this, owns the control device 28 has a valve drive 30 with which the Swivel valve 29 can be adjusted. The valve drive receives its control commands from a status sensor 31 inside the evaporator via a line 32. The regulation takes place in the sense that the state (pressure, temperature) inside the evaporator in the sense of the introductory remarks is kept as constant as possible.

Der Hochdruckverdampfer 25 ist als senkrecht stehender Röhrenkessel ausgebildet und besitzt an seiner höchsten Stelle einen Dampfdom 33, von dem aus eine Dampfleitung 34 zu dem Regelventil 18 führt. Der Verdampfer 25 ist weiterhin mit einem Wasserstandsregler 35 versehen, der seine Signale "x" einem regelbaren Antrieb 36 einer Flüssigkeitsdruckpumpe 37 zuführt. Die Flüssigkeitsdruckpumpe ist die Speisewasserpumpe für den Hochdruckverdampfer 25.The high-pressure evaporator 25 is designed as a vertical tubular boiler and, at its highest point, has a steam dome 33, from which a steam line 34 leads to the control valve 18. The evaporator 25 is also provided with a water level regulator 35 which feeds its signals “x” to a controllable drive 36 of a liquid pressure pump 37. The liquid pressure pump is the feed water pump for the high pressure evaporator 25.

Das Speisewasser, welches rückstandsfrei verdampfhar sein muß, befindet sich in einem Wasserbehälter 38. Es handelt sich dabei um destilliertes Wasser, auch um solches, welches aus den Abgasen durch Kondensation zurückgewonnen werden kann. Bemerkenswert ist hierbei, daß der Wärmeübergang durch den erhöhten Wasserdampfanteil in den Auspuffgasen verbessert wird. Vom Wasserbehälter 38 führt eine Leitung 39 über die Pumpe 37 zuThe feed water, which must be able to evaporate without leaving any residue, is located in a water container 38. It is distilled water, including water that is extracted from the exhaust gases can be recovered by condensation. It is noteworthy that the heat transfer through the increased Water vapor content in the exhaust gases is improved. A line 39 leads from the water tank 38 via the pump 37

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einem ersten Speisewasservorwärmer 40, der den Zylinder 11 in Form einer Rohrschlange umgibt und beispielsweise in die Zylinderwandung eingearbeitet sein kann. Von hier aus führt eine weitere Leitung 41 zum Hochdruckverdampfer 25, und zwar zunächst zu einem in dessen Gasraum angeordneten zweiten Speisewasservorwärmer 42, von dem aus das Wasser in den Hohlraum des Verdampfers 25 geleitet wird. Aus Reinigungsgründen strömen die Abgase in den Röhren des Verdampfers, während die Röhren vom Wasser bzw. Dampf umgeben sind. Vom Verdampfer 25 kann eine zusätzliche, gestrichelt dargestellte Dampfleitung 43 zur Ansaugleitung 20 bzw. zum Vergaser 19 geführt werden. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um eine Maßnahme zur Verbesserung des Verbrennungsvorganges. Es ist beispielsweise bekannt, daß Wasserdampf die Klopffestigkeit des Kraftstoffs erhöht und den Verbrennungsvorgang katalyt-isch begünstigt. Eine solche, zusätzliche Maßnahme ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn dem Speisewasser im Wasserbehälter 38 ein Alkohol zugesetzt worden ist.a first feedwater preheater 40, which surrounds the cylinder 11 in the form of a pipe coil and, for example, into the Cylinder wall can be incorporated. From here leads a further line 41 to the high pressure evaporator 25, namely initially to one arranged in its gas space second feedwater preheater 42, from which the water is passed into the cavity of the evaporator 25. the end For cleaning reasons, the exhaust gases flow in the tubes of the evaporator, while the tubes are surrounded by water or steam. From the evaporator 25 an additional, dashed line Steam line 43 shown to the suction line 20 or to the Carburetor 19 are guided. However, this is only a measure to improve the combustion process. It is known, for example, that water vapor the The knock resistance of the fuel is increased and the combustion process is catalytically favored. Such an additional one The measure is particularly advantageous when an alcohol has been added to the feed water in the water tank 38 is.

Mit der Kurbelwelle 13 ist über eine Welle 44 eine Steuereinrichtung 45 verbunden, die über eine Leitung 46 und ein nicht dargestelltes Zündsystem die Zündkerze 17 ansteuert. Dieser Teil der Funktion der Steuereinrichtung 45 kann auch als Zündverteiler angesprochen werden.A control device is connected to the crankshaft 13 via a shaft 44 45 connected, which controls the spark plug 17 via a line 46 and an ignition system (not shown). This part of the function of the control device 45 can also be addressed as an ignition distributor.

Durch die Steuereinrichtung 45 wird über eine Steuerleitung das Regelventil 18 angesteuert. Die Steuerleitung 47 kann eine elektrische, pneumatische oder hydraulische Leitung sein, je nach dem, ob das Regelventil 18 hierfür konstruiert ist. Vorzuziehen ist ein elektronisch gesteuertes Regelventil. Sowohl derThe control device 45 is via a control line the control valve 18 is activated. The control line 47 can be an electrical, pneumatic or hydraulic line, depending after whether the control valve 18 is designed for this. An electronically controlled control valve is preferable. Both the

Start of opening as well as the opening time of the control valve

können durch die Steuereinrichtung 45 beeinflußt werden, und zwar durch einen äußeren Eingriff, der beispielsweise über die Leitung herbeigeführt werden kann.can be influenced by the control device 45, namely by an external intervention, for example via the line can be brought about.

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Die dargestellte Anordnung arbeitet wie folgt: Bei zunächst noch kaltem Motor wird dieser in der herkömmlichen Arbeitsweise betrieben; eine Dampfeinspritzung erfolgt zunächst noch nicht. Das Schwenkventil 29 steht hierbei in der ausgezogen dargestellten Stellung, so daß die gesamte Abgasmenge durch den Verdampfer 25 geführt wird. Dessen Wasserinhalt heizt sich infolgedessen sehr rasch auf, bis der vorgegebene Zustand erreicht ist. Nunmehr kann mit der Dampfeinspritzung über das Regelventil 18 begonnen werden. Da durch die Expansionswirkung des Dampfes zusätzliche Arbeit erzeugt wird, kann die Vergasereinstellung - oder bei Dieselmotoren und Gasturbinen die Einspritzpumpe - entsprechend zurückgenommen werden, wodurch sich die gewünschte Kraftstoffersparnis ergibt. Wird das Gas zurückgenommen, beispielsweise, um bei einem Kraftfahrzeug die Geschwindigkeit zu verringern, so erfolgt über die Leitung 48 und die Steuereinrichtung 45 ein entsprechender Eingriff in das Regelventil 18 und damit in die Dampfzufuhr. Steigt der Druck im Verdampfer 25 stärker an, so wird dies vom Zustandsfühler 31 an den Ventilantrieb 30 gemeldet, wodurch das Schwenkventil 29 entsprechend verstellt wird, so daß nur noch ein Teil der Abgasmenge durch den Verdampfer geleitet wird. Auf die angegebene Weise-wird die Dampfmenge automatisch den geänderten Betriebsbedingungen angepaßt; es steht jedoch stets Dampf von ausreichendem Druck zur Verfügung. Der sich hierdurch ergebende unterschiedliche Speisewasserverbrauch wird durch den Wasserstandsregler 35 in Verbindung mit dem Regelantrieb 36 und der Flüssigkeitsdruckpumpe 37 den Betriebsbedingungen gleichfalls selbsttätig angepaßt.The arrangement shown works as follows: When the engine is initially still cold, this is in the conventional Operation operated; a steam injection takes place not yet. The pivot valve 29 is here in the extended position shown, so that the entire Amount of exhaust gas is passed through the evaporator 25. As a result, its water content heats up very quickly until the specified state has been reached. The steam injection via the control valve 18 can now begin will. Since additional work is generated by the expansion effect of the steam, the carburetor setting can be - or the injection pump in the case of diesel engines and gas turbines - can be withdrawn accordingly, which means that results in the desired fuel economy. Will the gas withdrawn, for example, to in a motor vehicle To reduce the speed, a corresponding intervention takes place via the line 48 and the control device 45 into the control valve 18 and thus into the steam supply. If the pressure in the evaporator 25 rises more sharply, this will be the case reported by the state sensor 31 to the valve drive 30, whereby the pivot valve 29 is adjusted accordingly, so that only part of the exhaust gas flow through the evaporator is directed. In the specified way-will be the amount of steam automatically adapted to the changed operating conditions; however, steam of sufficient pressure is always available. The resulting different feed water consumption is by the water level controller 35 in connection with the control drive 36 and the liquid pressure pump 37 also automatically adapted to the operating conditions.

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Claims

APPROACH:

(!. Working method for internal combustion engines with the addition of water vapor, which is introduced under overpressure into the thermal cycle after initiation of the combustion process, whereby the evaporation takes place by utilizing the heat content of the exhaust gases, characterized by the combination of the following features:

a) Water is one by means of a liquid pressure pump High pressure evaporator fed and there on an over the vapor pressure lying at the maximum combustion pressure is heated,

b) the exhaust gases are optionally passed through the high pressure evaporator or via a bypass line around the high pressure evaporator guided around, whereby the regulation of the exhaust gas flows or partial flows by the state (pressure, temperature) takes place inside the high pressure evaporator, and

c) the water vapor is over from the high pressure evaporator a control valve fed into the combustion chamber.

2. Working method according to claim 1, for piston engines, characterized in that the control valve for the water vapor is controlled electronically in accordance with the piston or Kurhelwelle position and the power requirement.

3. Working method according to claim 2, characterized in that the water is preheated by waste heat via the cylinder wall before being fed to the high-pressure evaporator.

4. Internal combustion engine with a combustion chamber, a compression and an expansion device, an intake line for the combustion air and an exhaust line, whereby a heat exchanger for the generation of water vapor is arranged in the exhaust pipe and the

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combustion chamber are assigned an inlet valve for the water vapor, characterized in that

a) the heat exchanger as a high pressure evaporator (25) after

Is designed as a tubular boiler,

b) a by-pass line to the high-pressure evaporator (25) (26) is assigned for the exhaust gases,

c) in the exhaust line (22) and in the by-pass line (26) a control device (28) for changing the exhaust gas flows or partial flows through the high-pressure damper (25) and / or the by-pass line (26) is arranged,

d) the control device (28) with a condition sensor (31) for the pressure-side content of the high-pressure evaporator (25) is connected, and that

L5 e) the high pressure evaporator (25) via a control valve (18) is connected to the combustion chamber.

5. Internal combustion engine according to claim 4, designed as a piston engine with cylinder and crankshaft, characterized in that the control valve (18) for the water vapor

! 0 is an electronically, pneumatically or hydraulically controlled valve and that the crankshaft (13) a control device (45) for controlling the regulating valve (18) is connected.

6. Internal combustion engine according to claim 4, characterized

shows that the high pressure evaporator (25) is designed as a vertical tubular boiler.

7. Internal combustion engine according to claim 4, characterized in that the control device (28) for the exhaust gas flows is designed as an adjustable valve (29) which is continuously adjustable between the positions "high pressure evaporator CLOSED" and "by-pass line CLOSED".

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8. Internal combustion engine according to claim 7, characterized in that the control device (28) is arranged at the end of the high-pressure evaporator (25) as seen in the flow direction of the exhaust gases.

9. Internal combustion engine according to claim 4, designed as a piston engine with cylinder and crankshaft, characterized in that the cylinder (11) is assigned a feedwater preheater (40) for the water supplied to the high-pressure evaporator (25) for evaporation independently of the cylinder cooling device.

10. Internal combustion engine according to claim 9, characterized in that the feedwater preheater (40) surrounds the cylinder (11).

11. Internal combustion engine according to claim 4, characterized in that

indicates that a feedwater preheater (42) for the water supplied to the evaporator is arranged in the gas space of the high-pressure evaporator (25).

12. Internal combustion engine according to claim 5, characterized in that the high-pressure evaporator (25) is connected to the suction line (20) via an additional steam line (43).

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