DE3031872A1 - IC piston engine or gas turbine - has rotary piston Stirling engine utilising heat in exhaust gas directly or via turbocharger turbine - Google Patents

IC piston engine or gas turbine - has rotary piston Stirling engine utilising heat in exhaust gas directly or via turbocharger turbine

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DE3031872A1 DE19803031872 DE3031872A DE3031872A1 DE 3031872 A1 DE3031872 A1 DE 3031872A1 DE 19803031872 DE19803031872 DE 19803031872 DE 3031872 A DE3031872 A DE 3031872A DE 3031872 A1 DE3031872 A1 DE 3031872A1
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Abstract

The reciprocating piston engine (1) or gas turbine is provided with a hot gas (Stirling) engine (9), pref. of the rotary piston type, to utilise the energy contained in the exhaust gas. The engine (1) may have an exhaust-driven turbocharger (30), the heating unit (16) of the engine (9) being arranged in the exhaust flow downstream of the charger turbine (4). A burner may be arranged immediately upstream of the heater (16) for combustion of additional fuel in the air remaining in the exhaust gas. The shafts (6,8) of the engines may be mechanically or hydraulically coupled, e.g. via the camshaft (7) of the piston engine.

Description

KIöckncr-Humboidt-Dcutz AGKIöckncr-Humboidt-Dcutz AG

5000 Köln 80, den 04. August 1980 Unser Zeichen: D 80/41 AG-XPB Neu/Bi5000 Cologne 80, August 4th 1980 Our reference: D 80/41 AG-XPB Neu / Bi

Brennkraftmaschine mit einem ZusatzmotorInternal combustion engine with an additional motor

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Hubkolbenmotor oder eine Gasturbine, mit einem Zusatzmotor zur Ausnutzung von Abgasenergie der Brennkraftmaschine.The invention relates to an internal combustion engine, in particular a reciprocating piston engine or a gas turbine, with an additional engine to utilize the exhaust gas energy Internal combustion engine.

Es ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die im Abgas enthaltende Wärme über einen Wärmetauscher an einei geschlossenen Dampfturbinenkreislauf abgegeben wird. Daneben wird die Abgasenergie zum Antrieb eines üblichen Abgasturboladers herangezogen (DE-OS 26 30 456). Der Aufwand für eine solche aus einer Vielzahl von Aggregaten bestehenden Anlage ist sehr hoch und steht in keinem vernünftigen Verhältnis zu den relativ geringen nutzbaren Leistungen. Daneben bringt dieses Konzept hohe Werkstoffanforderungen aufgrund der Korrosionsgefahr in allen Teilen des Zusatzkreislaufs mit sich. Unter wirtschaftliehen Aspekten ist diese Konzeption daher ungeeignet.An internal combustion engine is known in which the heat contained in the exhaust gas is transferred to a heat exchanger via a heat exchanger closed steam turbine cycle is released. Besides the exhaust gas energy is used to drive a conventional exhaust gas turbocharger (DE-OS 26 30 456). The effort for such a system consisting of a large number of units is very high and is not in any reasonable one Relation to the relatively low usable services. In addition, this concept has high material requirements due to the risk of corrosion in all parts of the additional circuit. Under economic loans This concept is therefore unsuitable for certain aspects.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand die ungenutzte Abgasenergie einer Brennkraftmaschine auf betriebssichere und unkomplizierte Art in einem Zusatzmotor auszunutzen.The invention is based on the object of removing the unused exhaust gas energy at an economically justifiable expense an internal combustion engine to be operationally reliable and uncomplicated way to use it in an additional engine.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Zusatzmotor als Heißgasmotor, vorzugsweise in Drehkolbenbauart und hierbei insbesondere entsprechend DE-OS 19 09 800The object is achieved in that the auxiliary engine is a hot gas engine, preferably of the rotary piston type and in particular in accordance with DE-OS 19 09 800

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

Klcckncr-! -kimbcldt-Dcife AGClick-! -kimbcldt-Dcife AG

031872031872

-4- 04.08.1980-4- 08/04/1980

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ausgebildet ist. Heißgasmotoren haben bei geeigneter Ausführung der Wärmetauscher und richtiger Wahl des Arbeitsmediums bekannt gute Wirkungsgrade. Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein Rotationskolbenmotor mit Kämmeingriffsbauart und einem Epitrochoiden oenutzt. Der Vorteil dieser Bauart liegt in der besonders einfachen Bauart, die im einzelnen in der DE-OS 19 09 800 beschrieben wird.is trained. With a suitable design of the heat exchanger and the correct choice of the Working medium is known to have good efficiencies. According to the invention, a rotary piston engine is preferred Comb engagement design and an epitrochoid used. The advantage of this design lies in the particularly simple design, which is described in detail in DE-OS 19 09 800 is described.

Sofern die Brennkraftmaschine eine übliche Kolbenkraftmaschine in Diesel- oder Ottobauart darstellt, wird in erfindungsgemäßer Weise die Abgasenergie zunächst zum Antrieb eines Turboladers, verwendet und an— sclüeßend das entspannte, jedoch immer noch heiße Abgas, dem Heißgasmotor zugeführt.If the internal combustion engine is a conventional piston engine of the diesel or Otto type, is in the manner according to the invention, the exhaust gas energy is initially used to drive a turbocharger, and is finally the relaxed but still hot exhaust gas is fed to the hot gas engine.

Damit der Wirkungsgrad des Heißgasmotors bei Teillast und sinkender Abgastemperatur der Brennkraftmaschine nicht abfällt, wird in besonderer, insbesondere für Dieselbrennkraftmaschinen geeigneter Weise der Luftüberschuß im Abgas für eine Nachverbrennung ausgenutzt. .Hierzu wird hinter dem Austritt aus dem Abgasturbolader und vor dem Erhitzer des Heißgasmotors ein Brenner zwischengeschaltet, in den entsprechend dem jeweiligen Restluftanteil zugemessener Brennstoff zugesetzt wird. Dadurch kann.der Heißgasmotor ständig im gleichen optimalen Temperaturbereich arbeiten.Thus the efficiency of the hot gas engine at part load and falling exhaust gas temperature of the internal combustion engine does not drop, the excess air is particularly suitable, especially for diesel internal combustion engines exploited in the exhaust gas for post-combustion. This is done behind the outlet from the exhaust gas turbocharger and a burner connected in front of the heater of the hot gas engine, in the corresponding to the respective Remaining air proportion of metered fuel is added. As a result, the hot gas engine can constantly operate in the same way working optimal temperature range.

Die Wellen der beiden Kraftmaschinen sind durch ein geeignetes Getriebe miteinander zu verbinden, wobei in besonderer erfinderischer Weise die Welle des Heißgasmotors direkt mit der Nockenwelle einer Hubkolbenbrenn-The shafts of the two prime movers are to be connected to one another by a suitable gear, with in particularly inventive way the shaft of the hot gas engine directly with the camshaft of a reciprocating piston combustion

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kraftmaschine bzw. mit der Welle der Nutzleistungsturbine einer Gasturbinenanlage mechanisch verbunden wird.engine or mechanically connected to the shaft of the power turbine of a gas turbine system will.

In besonderer Gestaltung des Heißgasmotors wird der Erhitzer so ausgebildet, daß er dreiflutig einen ringförmigen Mantel um das Kreiskolbengehäuse bildet, das im wesentlichen in Umfangsrichtung vom Abgas umströmt wird, wobei Eintritt und Austritt möglichst nahe beieinanderliegen. Die Oberflächen der wärmeübertragenden Wand sind dabei vorzugsweise mit Rippen zu versehen. Es ist auch möglich, das Arbeitsmedium durch Rohrleitungei durch den Erhitzer zu führen.In a special design of the hot gas engine, the heater is designed so that it has a three-flow ring shape Forms jacket around the rotary piston housing, around which the exhaust gas flows essentially in the circumferential direction with entry and exit as close together as possible. The surfaces of the heat transferring The wall should preferably be provided with ribs. It is also possible to get the working medium through a pipeline through the heater.

Die Figuren zeigen schematische Darstellungen der Anordnung des erfindungsgemäßen Heißgasmotors in Kombination mit einem Hubkolbenmotor und einer Gasturbine sowie Einzelheiten des Heißgasmotors.The figures show schematic representations of the arrangement of the hot gas engine according to the invention in FIG Combination with a reciprocating piston engine and a gas turbine as well as details of the hot gas engine.

Fig. 1 zeigt einen mechanisch mit einem Hubkolbenmotor verbundenen Heißgasmotor,1 shows a hot gas engine mechanically connected to a reciprocating piston engine,

Fig. 2 zeigt einen mechanisch mit einer Gasturbine verbundenen Heißgasmotor,2 shows a hot gas engine mechanically connected to a gas turbine,

Fig» 3 zeigt einen Schnitt durch dsn erfindungsgemäßen HeißgasmotorFig »3 shows a section through the invention Hot gas engine

Fig. 4 zeigt in einer Abwicklung die Anordnung der .Wärmetauscher am Heißgasmotor.Fig. 4 shows in a development the arrangement of the heat exchanger on the hot gas engine.

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Klöckner-Humboldt-DeutzAGKlöckner-Humboldt-Deutz AG

-6- 04.08.1980-6- 04.08.1980

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In Fig. 1 ist ein Hubkolbenmotor 1 schematisch mit Luft- und Abgasstrang sowie ssinem Triebwerk dargestellt. Die Luftzufuhr erfolgt über den Verdichter 2 eines Abgasturboladers 30 und einen Ladeluftkühler 3, die Abgasführung über die Turbine 4 des Abgasturboladers 30 und den Erhitzer 16 eines mit dem Triebwerk der Brennkraftmaschine 1 mechanisch verbundenen Heißgasmotors 9, dessen Welle' 8 über den Antrieb der Nockenwelle 7 mit der Kurbelwelle 6 gekoppelt ist. An diesem ist vereinfacht dieAnordnung je zweier beispielhaft dargestellter Kammern 16 des Erhitzers, Regeneratoren 27 und Kühlern 28 in Bezug zu den Expansionsräumen 22 und Kompressionsräumen 23 erkennbar. In Fig. 1, a reciprocating piston engine 1 is shown schematically with an air and exhaust system and a ssinem engine. The air is supplied via the compressor 2 of an exhaust gas turbocharger 30 and a charge air cooler 3, the exhaust gas routing via the turbine 4 of the exhaust gas turbocharger 30 and the heater 16 of a mechanically connected to the engine of the internal combustion engine 1 Hot gas engine 9, the shaft '8 of which is coupled to the crankshaft 6 via the drive of the camshaft 7. At this, the arrangement of two exemplified chambers 16 of the heater is simplified, Regenerators 27 and coolers 28 can be seen in relation to expansion spaces 22 and compression spaces 23.

In Fig. 2 ist der Heißgasmotor 9 über ein Planetengetriebe 10 mit einer Gasturbine 11 mechanisch verbunden. Die Luftzufuhr erfolgt über einen zweistufigen Verdichter 12 zur Brennkammer 13, die Abgase treiben eine zweistufige Hochdruckturbine 14 zum Antrieb des Verdichters 12 und eine dreistufige Niederdruckturbine 15 an, die als Nutzlastturbine über das Planetengetriebe 10 mit der Exzenterwelle 8 des Heißgasmotors 9 gekuppelt ist. Nach dem Austritt aus der Gasturbine umströmt das heiße Abgas ringförmig den Erhitzer 16 des Heißgasmotors.In FIG. 2, the hot gas engine 9 is mechanically connected to a gas turbine 11 via a planetary gear 10. The air is supplied to the combustion chamber 13 via a two-stage compressor 12, which drives the exhaust gases a two-stage high pressure turbine 14 for driving the compressor 12 and a three-stage low pressure turbine 15, which acts as a payload turbine via the planetary gear 10 with the eccentric shaft 8 of the hot gas engine 9 is coupled. After exiting the gas turbine, the hot exhaust gas flows around the heater 16 in a ring of the hot gas engine.

In Fig. 3 ist ein Teilschnitteines Gehäuses 17 eines Heißgasmotors .' gezeigt, in dem die Exzenterwelle 8 mit dem Exzenter 18 gelagert ist. Auf diesem drehen sich zwei durch ein Verbindungsstück 19 miteinander gekoppelte Kolben 20, 21, deren Profil durch eine mehr-In Fig. 3, a partial section of a housing 17 is one Hot gas engine. ' shown, in which the eccentric shaft 8 is mounted with the eccentric 18. Turn on this two pistons 20, 21 coupled to one another by a connecting piece 19, the profile of which is characterized by a multiple

000 8.78 PB . ■- . - ■ ". W«' " F 360/1000 8.78 PB. ■ -. - ■ ". W« '"F 360/1

Klöckner-HumbolcJt-DcutzAGKlöckner-HumbolcJt-DcutzAG

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bogige Epitrochoide bestimmt ist. Das Verbindungsstück 19 dichtet den Raum zwischen den Kolben 20 und 21 gegenüber dem Exzenter 18 ab. Der Kolben 20 bildet mit dem Gehäuse 17 Expansionsräume 22, während der Kolben 21 mit dem Gehäuse 17 Kompressionsräume 23 bildet. Die Expansionsräume 22 sind vom Erhitzer 16 umgeben, der mit dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist, in den ein Brenner 29 eingesetzt sein kann. Mit 24 ist der Abgaseintritt und mit 25 der Abgasaustritt für aas Abgas der Brennkraftmaschine bzw. das Brenngas des Brenners 29 bezeichnet. Im Erhitzer 16 sind dünne Rohrleitungen 26 vorgesehen, die einen Teil der Verbindung bilden, durch die das Arbeitsmedium von den Expansionsräumen 22 über Regeneratoren 27 zu"den" Kompressionsräumen 23 geleitet wird. Die Kompressionsräume 23 sind von Kühlern 28 umgeben, durch die die Kompressionswärme abgeführt wird. Die gasführenden Räume sind in den Seitenteilen der Maschinen gegenüber den Ölräumen durch geeignete Labyrinthdichtungen 29 und Schleifdichtungen 30 abgedichtet. Der Heißgasrotationskolbenmotor arbeitet folgendermaßen: Durch die Zuführungsleitung 24 wird dem Erhitzer 16 Wärme zugeführt, die über die Rohrleitungen 26 auf das Arbeitsmedium übertragen wird. Unter Drehung des Kolbens 20 expandiert das Arbeitsmedium und wird nach Expansion über einen Regenerator 27 in den Kompressionsraum 23 geschoben. Beim Durchgang durch den Regenerator 27 gibt das Arbeitsmedium Wärme an den Regenerator ab. In abgekühltem Zustand wird das Arbeitsmedium im Kompressionsraum 23 verdichtet, wobei Kompressionswärme durch einen Kühler 28 abgeleitet wird. Das verdichtete Arbeitsmedium wird wieder über den Regenerator 27 in dencurved epitrochoid is intended. The connector 19 seals the space between the pistons 20 and 21 with respect to the eccentric 18. The piston 20 forms with the housing 17 expansion spaces 22, while the piston 21 forms with the housing 17 compression spaces 23. the Expansion spaces 22 are surrounded by the heater 16, which is connected to the exhaust line of the internal combustion engine 1 is, in which a burner 29 can be inserted. With 24 the exhaust gas inlet and with 25 the exhaust gas outlet denotes for aas exhaust gas of the internal combustion engine or the fuel gas of the burner 29. In the heater 16 are thin Pipes 26 are provided which form part of the connection through which the working medium from the Expansion chambers 22 via regenerators 27 to "the" compression chambers 23. The compression chambers 23 are surrounded by coolers 28 through which the Compression heat is dissipated. The gas-carrying rooms are in the side parts of the machines opposite the oil chambers are sealed by suitable labyrinth seals 29 and sliding seals 30. The hot gas rotary piston engine works as follows: Heat is supplied to the heater 16 through the supply line 24, which heat is generated via the pipes 26 the working medium is transferred. As the piston 20 rotates, the working medium expands and becomes Expansion pushed into the compression space 23 via a regenerator 27. When passing through the regenerator 27, the working medium gives off heat to the regenerator. In the cooled state, the working medium is in the Compression space 23 is compressed, compression heat being dissipated through a cooler 28. That condensed Working medium is again via the regenerator 27 in the

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Expansionsraum 22 geschoben. Dabei nimmt es im Regenerator wieder Wärme auf und wird durch das Abgas der Brennkraftmaschine bzw. das Brenngas eines Brenners 29 zusätzlich erwärmt. Dann wiederholt sich der beschriebene Kreislauf.Expansion space 22 pushed. It absorbs heat again in the regenerator and is released by the exhaust gas the internal combustion engine or the fuel gas of a burner 29 is additionally heated. Then it repeats itself the cycle described.

Aus Abb. 4 ist zu ersehen, daß die Regeneratoren 27 zwischen den Expansionsräumen.22 und den Kompressionräumen 23 um 90 phasenverschoben angeordnet sind. Dadurch erzielt man einen guten Wirkungsgrad. Es sind jedoch auch andere Phasenwinkel möglich, sofern nur sichergestellt ist, daß überwiegend im kälteren Teil komprimiert und im wärmeren Teil expandiert wird.From Fig. 4 it can be seen that the regenerators 27 between the expansion spaces.22 and the compression spaces 23 are arranged out of phase by 90. This achieves a good level of efficiency. There are however, other phase angles are also possible, provided that it is ensured that predominantly in the colder part is compressed and expanded in the warmer part.

20000 9.79 PB F 360/120000 9.79 PB F 360/1

Claims (8)

Klöcknor-Humbolctt-Doute AG A\S W Ό-έτΉ uei? '.::·*.;;" J U J I 0 / L Klöcknor-Humbolctt-Doute AG A \ S W Ό-έτΉ uei? '. :: · *. ;; "JUJI 0 / L "" " "SOOO "Köln 80, den 04. August 1980"" "" SOOO "Cologne 80, 4th August 1980 Unser Zeichen: D 80/41 AG-XPB Neu/BiOur reference: D 80/41 AG-XPB Neu / Bi PatentansprücheClaims (l.) Brennkraftmaschine, insbesondere Hubkolbenmotor oder Gasturbine, mit einem Zusatzmotor zur Ausnutzung von Abgasenergie der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzmotor als Heißgasmotor (9), vorzugsweise in Drehkolbenbauart ■i 8 ausgebildet ist.(l.) Internal combustion engine, in particular a reciprocating piston engine or gas turbine, with an additional motor to utilize the exhaust gas energy of the internal combustion engine, characterized in that the additional motor is a hot gas motor (9), preferably of the rotary piston type ■ i 8 is formed. nachträglich, geändertsubsequently, changed 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ausgebildet als Hubkolbenmotor mit einem Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzer (16) des Heißgasmotors (9) hinter der Turbine (4) des Abgasturbolader s (30) im Abgasstrom angeordnet ist.2. Internal combustion engine according to claim 1, designed as a reciprocating piston engine with an exhaust gas turbocharger, characterized in that the heater (16) of the hot gas engine (9) is behind the turbine (4) of the exhaust gas turbocharger s (30) is arranged in the exhaust gas flow. 3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder ausgebildet als Hubkolbenmotor,3. Internal combustion engine according to one of claims 1 or designed as a reciprocating piston engine, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Erhitzer (16) des Heißgasmotors (9), insbesondere hinter der ■Turbine (4) eines Abgas turbo 1 ader s (30) ein Brenner (29) zur Verbrennung zugesetzten Brennstoffs mit dem Restluftgehalt im Abgas angeordnet ist.characterized in that immediately in front of the heater (16) of the hot gas engine (9), in particular behind the ■ Turbine (4) of an exhaust gas turbo 1 ader s (30) a burner (29) is arranged for the combustion of added fuel with the residual air content in the exhaust gas. 4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,4. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (6, 8) der Brennkraftmaschine (1, 11) und des Heißgasmotors (9) mechanisch oder hydraulisch gekoppelt sind.characterized in that the shafts (6, 8) of the internal combustion engine (1, 11) and the hot gas engine (9) are mechanically or hydraulically coupled. INSPECTEDINSPECTED η·, ο -ι QTO Klcckncr-Humbclclt-DcutzAG Λ>χ (·"Ν ·—'«-"'■» ^L,O!Ö/Z η ·, ο -ι QTO Klcckncr-Humbclclt-DcutzAG Λ> χ ( · " Ν · - '« - "' ■» ^ L, O! Ö / Z -2- 04.08.1980-2- 08/04/1980 D 80/41D 80/41 5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,5. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) des Heißgasmotors (9) mit der Nockenwelle (7) der Brennkraftmaschine (1) mechanisch verbunden ist.characterized in that the shaft (8) of the hot gas engine (9) with the camshaft (7) of the internal combustion engine (1) is mechanically connected. 6. Brennkraftmaschine nach- einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als Gasturbine in Mehrwellenbauart, . .6. Internal combustion engine according to one of the preceding Claims, designed as a gas turbine in multi-shaft design. . dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) des Heißgasmotors (9) mit der Welle (6) der Nutzleistungsturbine (15) mechanisch oder hydraulisch gekoppelt ist.characterized in that the shaft (8) of the hot gas engine (9) with the shaft (6) of the power turbine (15) is coupled mechanically or hydraulically. 7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer willkürlich nach dem Leistungsbedarf beeinflußbaren BrennstoffZugabeeinrichtung an der Brennkraftmaschine,7. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, with a fuel addition device that can be arbitrarily influenced according to the power requirement the internal combustion engine, gekennzeichnet durch eine automatisch entsprechend dem Restluftgehalt im Abgas geregelte Brennstoffzugabeeinrichtung des Brenners (29).characterized by a fuel supply device that is automatically regulated according to the residual air content in the exhaust gas of the burner (29). 8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,8. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichmäßigen Temperaturverteilung der Erhitzer (16) dreiflutig um die Expansionsräume (22) angeordnet und Abgaseintritt (24) und -austritt (25) benachbart sind.characterized in that for uniform temperature distribution the heater (16) arranged three-flow around the expansion spaces (22) and exhaust gas inlet (24) and outlet (25) are adjacent. MfOOO 9.73 pg COPV F 360/1MfOOO 9.73 pg COPV F 360/1
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