DE4038463A1 - Piston engine cylinder head - feeds fuel and superheated steam into pre-compressed combustion air - Google Patents

Piston engine cylinder head - feeds fuel and superheated steam into pre-compressed combustion air

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Abstract

The piston engine cylinder head has an inlet valve feeding combustion air and fuel, and an exhaust valve. Additionally, an injection valve (9) is provided for input of superheated steam into the cylinder space (4), and opens shortly prior to commencement of combustion in the cylinder space (4) for input of a predetermined amt. of steam. A steam pipe (12) for superheated steam connects to the injection valve (9), and issues steam at a pressure which is double the highest pressure occurring during compression in the cylinder space. The valve axis (18) of the injection valve and the cylinder axis (17) of the cylinder head (1) run parallel to each other, the injection valve being arranged centrally in the cylinder head. USE/ADVANTAGE - To reduce the noxious nitrous oxide content in combustion gas in a piston engine.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zuführen von Kraftstoff und überhitztem Wasserdampf in einen vorkomprimierte Verbrennungsluft enthalten­ den Zylinderraum eines Kolbenmotors. Gegenstand der Erfindung ist ein auch Zylinderkopf zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for Supply of fuel and superheated steam contained in a pre-compressed combustion air the cylinder space of a piston engine. Subject of Invention is a cylinder head for implementation of the procedure.

Ein Kraftstoffgemisch, das Kraftstoff und Wasserdampf enthält, im Zylinderraum eines Kolbenmotors zu zün­ den, ist bekannt. In DE-OS 26 04 050 werden zum Zwecke genauer Dosierung des Wasserdampfes in einer das Wasser zum Verdampfer führenden Wasserleitung Ventile eingesetzt, die durch den Ansaugdruck im Zylinderraum betätigt werden, so daß der Wasserdampf während des Saughubs in den Zylinderraum einströmen kann. Während des Kompressionshubes ein Brennstoff­ dampf/Wasserdampf-Gemisch in den Zylinderraum zu injizieren, wird in DE-OS 37 34 346 (PT 1870) be­ schrieben. Beim vorgenannten Verfahren wird das Brenn­ stoffdampf/Wasserdampf-Gemisch außerhalb des Zylin­ derraums in einem Verdampfer erzeugt, der im Abgas­ kanal des Kolbenmotors angeordnet ist und die Abgas­ wärme zur Verdampfung von Wasser und flüssigem Brenn­ stoff ausnutzt. Die Dosierung von Wasser und Brenn­ stoff erfolgt jeweils mittels Wasser- bzw. Brenn­ stoffdosiereinrichtungen, die in den das Wasser und den flüssigen Brennstoff zum Verdampfer führenden Zuleitungen eingesetzt sind. A fuel mixture that contains fuel and water vapor contains to ignite in the cylinder space of a piston engine is known. In DE-OS 26 04 050 for Purpose of precise dosing of water vapor in one the water to the evaporator leading water pipe Valves used by the suction pressure in the Cylinder chamber are operated so that the water vapor flow into the cylinder chamber during the suction stroke can. A fuel during the compression stroke steam / water vapor mixture into the cylinder chamber inject is in DE-OS 37 34 346 (PT 1870) be wrote. In the above process, the burning Vapor / water vapor mixture outside the cylinder derraums generated in an evaporator in the exhaust Channel of the piston engine is arranged and the exhaust gas heat for the evaporation of water and liquid fuel fabric used. The dosage of water and fuel fabric is made using water or fuel substance dosing devices in which the water and leading the liquid fuel to the evaporator Feed lines are used.  

Wasserdampf wird dem Verbrennungsprozeß vorrangig zugegeben, um Schadgasanteile, insbesondere NOx oder Rußanteile im entstehenden Verbrennungsgas zu verrin­ gern. Bei dem in DE-OS 37 34 346 angegebenen Verfah­ ren wird zugleich der spezifische Brennstoffverbrauch gesenkt und die Literleistung des Kolbenmotors erhöht. Nachteilig ist eine spontane Selbstzündung des auf­ bereiteten Brennstoffdampf/Wasserdampf-Gemisches. Der Kolbenmotor neigt nach Injektion des Brennstoff­ dampf/Wasserdampf-Gemisches zum Klopfen.Water vapor is primarily added to the combustion process in order to reduce harmful gas components, in particular NO x or soot components in the combustion gas produced. In the process specified in DE-OS 37 34 346, the specific fuel consumption is also reduced and the liter output of the piston engine is increased. A disadvantage is spontaneous self-ignition of the fuel vapor / water vapor mixture. The piston engine tends to knock after injection of the fuel vapor / water vapor mixture.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kraftstoff und über­ hitzten Wasserdampf in vorkomprimierte Verbrennungs­ luft in den Zylinderraum derart einzuführen, daß das sich ausbildende Kraftstoff-Wasserdampf-Gemisch klopffrei zündbar ist.The object of the invention is to fuel and over heated steam in pre-compressed combustion to introduce air into the cylinder chamber in such a way that the fuel-water vapor mixture that forms is knock-free ignitable.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die in Pa­ tentanspruch 1 angegebenenen Maßnahmen gelöst. Der überhitzte Wasserdampf wird kurz vor Verbrennungs­ beginn entsprechend der Motordrehzahl getaktet in die im Zylinderraum vorkomprimierte Gasfüllung in­ jiziert. Der Wasserdampf kann dabei vor oder nach Beginn der Zugabe des Kraftstoffs in den Zylinder­ raum eingeführt werden. Die Zündung des Kraftstoff­ gemisches erfolgt jedoch in jedem Falle erst nach der Wasserdampfinjektion.This object is achieved in a method of the type mentioned according to the invention by the measures specified in Pa tent Claim 1 . The superheated steam is injected shortly before the start of combustion in accordance with the engine speed and injected into the gas charge in the cylinder chamber. The water vapor can be introduced into the cylinder space before or after the start of adding the fuel. In any case, the fuel mixture is ignited only after the water vapor injection.

Die Literleistung des Kolbenmotors wird durch Zugabe des überhitzten Wasserdampfes optimal erhöht, wenn die Wasserdampfzugabe kurz vor Erreichen des oberen Kolbentotpunktes beginnt und bei Erreichen des obe­ ren Kolbentotpunktes abgeschlossen ist, Patentan­ spruch 2. Zur Injektion innerhalb eines möglichst geringen Zeitraums ist es nach Patentanspruch 3 zweck­ mäßig, den Wasserdampf auf einen Dampfdruck einzu­ stellen, der oberhalb des bei der Verdichtung oder Verbrennung der Gasfüllung im Zylinderraum auftre­ tende Höchstdrucks liegt. Die zu injizierende Dampf­ masse beträgt ein Vielfaches der in den Zylinderraum einzuführendan Brennstoffmasse, Patentanspruch 4.The liter output of the piston engine is determined by adding of superheated steam increases optimally if the steam addition shortly before reaching the upper one Piston dead center begins and when the top is reached ren piston dead center is completed, Patentan saying 2. For injection within one if possible  short period of time it is useful according to claim 3 moderate, the steam to a steam pressure put that above the compression or Combustion of the gas filling occurs in the cylinder chamber maximum pressure. The steam to be injected mass is a multiple of that in the cylinder space to be introduced to fuel mass, claim 4.

Das erfindungsgemäße Verfahren und weitere Erfin­ dungsmerkmale, insbesondere zur Ausbildung eines Zylinderkopfes, der zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, werden anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert.The method according to the invention and further inventions features, especially for training a Cylinder head used to carry out the process is suitable, using one in the drawing reproduced embodiment tert.

Die Zeichnung zeigt einen Zylinderkopf 1 mit einem an einem Zylindergehäuse 2 angeflanschten Zylinder­ deckel 3, die beide einen Zylinderraum 4 umschließen, der im Zylinderkopf 1 als Kompressions- und Verbren­ nungsraum dient und hierzu von einem im Zylinderge­ häuse 2 von einer Kurbelwelle 5 axial bewegten Zy­ linderkolben 6 begrenzt wird. Im Zylinderdeckel 3 sind ein Verbrennungslufteinlaßventil 7, eine Zünd­ kerze 8, ein Injektionsventil 9 für überhitzten Was­ serdampf, ein Kraftstoff-Einlaßventi1 10 sowie ein Auslaßventil 11 für das bei der Verbrennung im Zy­ linderraum 4 entstehende Abgas eingesetzt. Das Ver­ brennungsluft-Einlaßventil 7 ist während des Saug­ hubes des Zylinderko1bens 6, das Auslaßventil 11 beim Ausstoßen des Abgases aus dem Zylinderraum ge­ öffnet.The drawing shows a cylinder head 1 with a flanged to a cylinder housing 2 cylinder cover 3 , both of which enclose a cylinder chamber 4 , which serves in the cylinder head 1 as a compression and combustion chamber and for this purpose from a cylinder 2 in the cylinder housing 2 from a crankshaft 5 axially moved Zy Lindenkolben 6 is limited. In the cylinder cover 3 , a combustion air intake valve 7 , a spark plug 8 , an injection valve 9 for superheated water vapor, a fuel inlet valve 10 and an exhaust valve 11 for the exhaust gas resulting from combustion in the cylinder 4 are used. The combustion air intake valve 7 is open during the suction stroke of the cylinder 6 , the exhaust valve 11 opens when the exhaust gas is expelled from the cylinder space.

Zur Zufuhr des Wasserdampfes zum Injektionsventil 9 ist am Injektionsventil eine Wasserdampfleitung 12 angeschlossen, die überhitzten Wasserdampf führt, der in einem Verdampfer 13 erzeugt worden ist. To supply the water vapor to the injection valve 9 , a water vapor line 12 is connected to the injection valve, which leads to superheated water vapor that has been generated in an evaporator 13 .

Der Verdampfer 13 ist innerhalb eines Abgaskanals 14 angeordnet, in den vom Auslaßventil 11 aus dem Zylinderraum 4 ausströmendes heißes Abgas eingelei­ tet wird. Die Abgaswärme wird zur Erzeugung über­ hitzten Wasserdampfes aus Wasser genutzt, das dem Verdampfer 13 von einer Wasserpumpe 15 in entspre­ chend dosierter Menge zugeführt wird, die vom ge­ wünschten Betriebszustand des Kolbenmotors abhängig ist. Der Druck im Verdampfer 13 wird so eingestellt, daß der im Verdampfer gebildete überhitzte Wasser­ dampf einen Druck aufweist, der oberhalb des sich bei der Verdichtung oder Verbrennung im Zylinder­ raum einstellende maximalen Kompressionsdruck liegt. Im Ausführungsbeispiel weist der Wasserdampf einen Druck von 60 bar und eine Temperatur von etwa 275°C auf.The evaporator 13 is arranged within an exhaust duct 14 , in which hot exhaust gas flowing out of the exhaust valve 11 from the cylinder space 4 is introduced. The exhaust gas heat is used to generate over heated water vapor from water, which is supplied to the evaporator 13 by a water pump 15 in a correspondingly metered amount, which is dependent on the desired operating state of the piston engine. The pressure in the evaporator 13 is set so that the superheated steam formed in the evaporator has a pressure which is above the maximum compression pressure in the cylinder during compression or combustion. In the exemplary embodiment, the water vapor has a pressure of 60 bar and a temperature of approximately 275 ° C.

Das Injektionsventil 9 öffnet kurz bevor der Zylin­ derkolben 6 seinen oberen Kolbentotpunkt erreicht und ist bei Erreichen des oberen Kolbentotpunktes wieder geschlossen. Innerhalb dieser Öffnungszeit des Injektionsventils 9 kann eine Dampfmasse in den Zylinderraum 4 eingeführt werden, die bis zu einem Vielfachen der Kraftstoffmasse beträgt. Im Ausfüh­ rungsbeispiel wird bei Normalbetrieb gegenüber der Kraftstoffmasse die 3 bis 4fache Wasserdampfmasse injiziert.The injection valve 9 opens just before the Zylin derkolben 6 reaches its upper piston dead center and is closed again when the upper piston dead center is reached. Within this opening time of the injection valve 9 , a vapor mass can be introduced into the cylinder space 4 , which is up to a multiple of the fuel mass. In the exemplary embodiment, 3 to 4 times the water vapor mass is injected during normal operation compared to the fuel mass.

Für das Injektionsventil 9 wird im Ausführungsbei­ spiel ein Schirm-Ventil eingesetzt, das sich bei einer Bewegung seines Ventilkegels 16 in den Zylinderraum 4 hinein öffnet. Das Injektionsventil 9 weist eine pa­ rallel zur Zylinderachse 17 verlaufende Ventilachse 18 auf. Die Ventilachse 18 kann auch in einem klei­ nen Winkel zur Zylinderachse 17 verlaufen. Das Injek­ tionsventil 9 ist im Ausführungsbeispiel zentral im Zylinderdeckel 3 angeordnet, Zylinderachse 17 und Ventilachse 18 fallen daher beim dargestellten Zylinderkopf 1 aufeinander.For the injection valve 9 , a screen valve is used in the embodiment, which opens when the valve plug 16 moves into the cylinder chamber 4 . The injection valve 9 has a valve axis 18 extending parallel to the cylinder axis 17 . The valve axis 18 can also run at a small angle to the cylinder axis 17 . The injection valve 9 is arranged centrally in the embodiment in the cylinder cover 3 , cylinder axis 17 and valve axis 18 therefore coincide with each other in the cylinder head 1 shown .

Das Injektionsventil 9 wird elektromagnetisch ange­ steuert, eine entsprechende Ansteuereinheit 19 ist in der Zeichnung schematisch wiedergegeben. Die An­ steuereinheit 19 öffnet das Injektionsventil der Mo­ tordrehzahl und der Arbeitstaktzahl entsprechend.The injection valve 9 is controlled electromagnetically, a corresponding control unit 19 is shown schematically in the drawing. The control unit 19 opens the injection valve according to the engine speed and the number of working cycles.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem bei mit Gas als Kraftstoff betriebenem Kolbenmotor be­ vorzugt anwendbar. Zur Rückgewinnung des injizier­ ten Wasserdampfes durch Rückkühlung des Abgases in einem im Abgaskanal zusätzlich eingesetzen Wärme­ tauscher, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, genügt nämlich in diesem Falle bereits eine Abkühlung des Abgases auf eine Temperatur von etwa 58°C, während bei Verwendung von Diesel- oder Otto- Kraftstoff eine Abkühlung des Abgases auf mindestens 50°C erforderlich ist. Der Aufwand zur Abgasabküh­ lung im Wärmetauscher ist somit bei gasbetriebenen Kolbenmotoren geringer als bei Verwendung von Flüs­ sigkraftstoffen.The method according to the invention is primarily for piston engine powered by gas as fuel preferably applicable. To recover the inject th water vapor by recooling the exhaust gas in an additional heat used in the exhaust duct exchanger that is not shown in the drawing one is sufficient in this case Cooling the exhaust gas to a temperature of about 58 ° C, while when using diesel or petrol Fuel cooling the exhaust gas to at least 50 ° C is required. The effort for exhaust gas cooling is in the gas exchanger Piston engines less than when using rivers sig fuels.

Claims (9)

1. Verfahren zur Zuführung von Kraftstoff und überhitz­ tem Wasserdampf in einen vorkomprimierte Verbren­ nungsluft enthaltenden Zylinderraum eines Kolbenmo­ tors, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf unabhängig vom Kraftstoff kurz vor Verbrennungsbeginn in den Zylinderraum injiziert wird.1. A method for supplying fuel and superheated water vapor in a pre-compressed combustion air containing cylinder space of a piston engine, characterized in that the water vapor is injected into the cylinder space shortly before the start of combustion. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdampfinjektion kurz vor Erreichen des oberen Kolbentotpunkts beginnt und bei Erreichen des oberen Kolbentotpunkts abgeschlossen ist.2. The method according to claim 1, characterized, that the steam injection shortly before reaching the piston top dead center begins and when reached of the upper piston dead center is complete. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu injizierende Wasserdampf einen Dampfdruck aufweist, der oberhalb des bei der Verdichtung oder Verbrennung im Zylinderraum auftretenden Höchstdrucks liegt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the water vapor to be injected has a vapor pressure has that above the compression or Combustion in the cylinder chamber occurring maximum pressure lies. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die injizierte Dampfmasse ein Vielfaches der in den Zylinderraum einzuführenden Kraftstoffmasse beträgt.4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized, that the injected vapor mass is a multiple of fuel mass to be introduced into the cylinder space is. 5. Zylinderkopf für einen Kolbenmotor mit zum Zylinder­ raum führenden Verbrennungsluft- und Kraftstoff-Ein­ laßventil sowie einem Abgasauslaßventil, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Injektionsventil (9) zum Zuführen von überhitztem Wasserdampf in den Zylinderraum (4) vorgesehen ist, daß zum Einlaß einer vorgegebenen Dampfmasse kurzzeitig vor Verbrennungsbeginn im Zy1inderraum (4) zu öffnen ist.5. Cylinder head for a piston engine with combustion air and fuel inlet valve leading to the cylinder space and an exhaust gas outlet valve, characterized in that in addition an injection valve ( 9 ) for supplying superheated steam in the cylinder space ( 4 ) is provided that for the inlet of a specified steam mass must be opened briefly before the start of combustion in the cylinder space ( 4 ). 6. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Injektionsventil (9) eine Wasserdampfleitung (12) für überhitzten Wasserdampf mit einem Dampf­ druck mündet, der das Doppelte des bei der Verdich­ tung im Zylinderraum (4) auftretenden Höchstdruckes beträgt.6. Cylinder head according to claim 4, characterized in that on the injection valve ( 9 ) a water vapor line ( 12 ) for superheated steam with a vapor pressure that is twice the pressure occurring in the compression device in the cylinder chamber ( 4 ) is the maximum pressure. 7. Zylinderkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Injektionsventil (9) ein zum Zylinderraum (4) hin öffnendes Schirmventil verwendet ist.7. Cylinder head according to claim 5 or 6, characterized in that an injection valve ( 9 ) to the cylinder chamber ( 4 ) opening umbrella valve is used. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilachse (18) des Injektionsventils (9) und Zylinderachse (17) des Zylinderkopfes (1) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.8. Device according to claim 7, characterized in that the valve axis ( 18 ) of the injection valve ( 9 ) and cylinder axis ( 17 ) of the cylinder head ( 1 ) run essentially parallel to one another. 9. Zylinderkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektionsventil (9) zentral im Zylinder­ kopf (1) angeordnet ist.9. Cylinder head according to claim 7, characterized in that the injection valve ( 9 ) is arranged centrally in the cylinder head ( 1 ).
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