DE636045C

DE636045C - Device for injecting water into the exhaust gases of an internal combustion engine in order to generate a gas-steam mixture for operating an exhaust gas turbine

Info

Publication number: DE636045C
Application number: DESCH102069D
Authority: DE
Original assignee: ALFRED O F SCHROEDER
Current assignee: ALFRED O F SCHROEDER
Priority date: 1933-08-29
Filing date: 1933-08-29
Publication date: 1936-10-03

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in fein zerteiltem Zustande in die Abgase einer Brennkraftmaschine zwecks Erzeugung eines Gas-Dampf-Gemisches zum Betriebe einer Abgasturbine. Die bekanntgewordenen Erfindungen dieser Art verursachen mit ihren Einrichtungen Kraftverluste durch Vernichtung strömender Energie (Rückstau oder Wirbelbildungen) oder durch Drosselwirkungen infolge Druckaufspeicherung, die eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrades bedeuten. Der technische Fortschritt diesen bekannten Erfindungen gegenüber besteht darin,The invention relates to a device for injecting finely divided water Condition in the exhaust gases of an internal combustion engine for the purpose of generating a gas-steam mixture for operating an exhaust gas turbine. The inventions of this kind that have become known cause with their facilities Loss of power due to the destruction of flowing energy (backwater or vortex formation) or through throttling effects as a result of pressure accumulation, which mean a reduction in efficiency. The technical progress compared to these known inventions consists in

i. daß der Arbeitsdruck für die Einspritzung des Wassers (Betrieb des Ej'ektors nach Abb. 4) den Abgasen als Wärme und Druck unmittelbar entnommen (Ausschaltung der Zwischenverluste durch Pumpen) und dem Äbgasstrom wieder zugeführt wird,i. that the working pressure for the injection of the water (operation of the ejector according to Fig. 4) taken directly from the exhaust gases as heat and pressure (switch-off the intermediate losses due to pumping) and is fed back into the exhaust gas flow,

2. daß die Abgasleitung vom Motor bis zum Ejektor zwischen den einzelnen Abgasstößen auf Unterdruck gebracht und ein Rückstau unmöglich gemacht wird,2. that the exhaust pipe from the engine to the ejector between the individual exhaust pulses brought to negative pressure and a backwater is made impossible,

3. daß die Abgasentnahme aus Zylindern oder Auspuffstutzen den Dampfdruck sowohl im Behälter wie im Wassermantel regelt,3. That the exhaust gas extraction from cylinders or exhaust stubs both the vapor pressure regulates in the container as in the water jacket,

4. daß der Druckbehälter auch als Dampfspeicher und der Wassermantel als Überhitzer arbeiten kann,4. That the pressure vessel also acts as a steam store and the water jacket as a superheater can work

5. daß durch die Vorrichtung zur Auffangung der Wärmeverluste der Rohrleitung unmittelbar hinter dem Motor keine strömende Energie vernichtet, sondern ihre Erzeugung durch die lavaldüsenartige Erweiterung (Abb. 4) begünstigt und so die Wirkung des Ejektors unterstützt wird.5. that by the device for collecting the heat losses of the pipeline No flowing energy is destroyed directly behind the engine, but its generation favored by the laval nozzle-like enlargement (Fig. 4) and thus the effect of the ejector is supported.

Von den. rein schematisch gehaltenen^Zeichnungen zeigt:Of the. purely schematic drawings shows:

Abb. ι die Entnahme der Abgase unmittelbar aus einem Zylinder des Motors mit Hilfe eines vom Motor gesteuerten Ventils,Fig. Ι the extraction of the exhaust gases directly from a cylinder of the engine with With the help of a valve controlled by the engine,

Abb. 2 die Entnahme der Abgase mittels Rückschlagventils aus dem Auspuffstutzen,Fig. 2 the extraction of the exhaust gases from the exhaust port by means of a non-return valve,

Abb. 3 einen Schnitt A-B der Abb. 4,Fig. 3 a section AB of Fig. 4,

Abb. 4 den Ejektor mit der Anordnung des Wassermantels und der unmittelbar gespeisten Zerstäuberdüsen,Fig. 4 the ejector with the arrangement of the water jacket and the directly fed Atomizing nozzles,

Abb. 5 die Einschaltung einer Turbine in den Abgasstrom mit einem durch Ejektor gesicherten Vakuum,Fig. 5 the inclusion of a turbine in the exhaust gas flow with an ejector secured vacuum,

Abb. 6 eine einfache Beschleunigungsstufe mit Unterteilung des Gasstromes.Fig. 6 a simple acceleration stage with subdivision of the gas flow.

Das für die Zerstäuberdüsen 9 im Druckbehälter S aufgespeicherte Wasser erhält seinen Überdruck nach Abb. 1 unmittelbar aus dem Zylinder 1 des Motors durch die Leitung 2, Ventil 3 und Zuleitung 4 hindurch; es ist aber möglich, das Ventil 3 auf dem Zylinder selbst neben der Zündkerze anzuordnen und es entweder mit dem Auspuffventil 14 zusammen durch ein Gestänge 13 oder unabhängig vom Auspuffventil direkt von der Nockenwelle steuern zu lassen. Dieselbe Anordnung könnte auch Platz greifen, wenn, wie in Abb. 2, der erforderliche Überdruck für den Behälter 5The water stored for the atomizer nozzles 9 in the pressure vessel S receives its Overpressure according to Fig. 1 directly from cylinder 1 of the engine through line 2, Valve 3 and supply line 4 through; but it is possible to place the valve 3 on the cylinder itself to be arranged next to the spark plug and either with the exhaust valve 14 together by a linkage 13 or independently of the exhaust valve directly from the camshaft to control. The same arrangement could also be used if, as in Fig. 2, the required overpressure for the container 5

dem Auspuffstutzen 6 entnommen wird; doch gestaltet sich in diesem Falle die Verwendung eines entsprechend gefederten Rückschlag-, ventils 3«, wie in Abb. 2 gezeichnet, viel eüt-i fächer. Die Ausgestaltung der ZerstäuHej;£- düse 9 im Rohr 8 unmittelbar- hinter dem Motor wird in der Regel so geschehen, wife es die Abb. 3 und 4 erkennen lassen, jedoch nur unter Verwendung der am Umfang angeordneten Düsen g^a, g^b, ψ_γ g^d usw., aber ohne die dort vorhandene zentrale Düse 9, die erst bei der zweiten, hinter der Turbine 19 liegenden Düse gf am Platze ist. Hingegen ist hier vor der Turbine der Wassermantel 18 zur Vorwärmung des Zerstäuberwassers und die Ejektorverjüngung des Rohres 8 am Platze, das dann vor der Einmündung in das Peltonrad oder die Turbine 19 der Abb. 5 wieder Lavaldüsenform erhält. Auch bei der Düse g^e fehlt besser die zentrale Düse der Abb. 3 und 4, selbstverständlich auch der Wassermantel 18.taken from the exhaust port 6; but in this case the use of a correspondingly spring-loaded non-return valve 3 ", as shown in Fig. 2, turns out to be much more diverse. The design of the atomizing nozzle 9 in the pipe 8 immediately behind the engine is usually done as shown in Figs. 3 and 4, but only using the nozzles g ^a , g ^b , which are arranged on the circumference. ψ _γ g ^d etc., but without the central nozzle 9 present there, which is only in place at the second nozzle gf located behind the turbine 19. On the other hand, the water jacket 18 for preheating the atomizer water and the ejector tapering of the tube 8 is in place in front of the turbine, which is then given a Laval nozzle shape before it flows into the Pelton wheel or the turbine 19 in FIG. 5. In the case of the nozzle g ^e , too, the central nozzle in Figs. 3 and 4 is better missing, of course also the water jacket 18.

Der Vorgang ist folgender: Sobald Druckbehälter S durch Füllschraube 12 mit Wasser gefüllt ist, wird der Motor in Gang gesetzt. Alsbald strömen die Abgase — entweder nach Abb. 1 vom Zylinder 1 durch Rohr 2, Stoßventil 3 und Leitung 4 oder nach Abb. 2 vom Auspuffstutzen 6 durch Rückschlagventil 3« und Rohrleitung 4 — in den Wasserbehälter 5 und setzen das vorgewärmte Wasser unter Druck, der mit Hilfe der Vorrichtung nach Abb. 1 bei Bedarf bis zum Verbrennungshöchstdruck gesteigert und durch das Manometern angezeigt werden kann. Wird jetzt mittels des Gestänges 16 der Durchlaß 15 geöffnet, so strömt das Druckwasser durch Rohr 10 nach der Zerstäuberdüse 9, die es gleichmäßig im Richtungssmne der Abgase innerhalb des Rohres 8 zerstäubt, wobei die Rohrleitung zwischen Motor und Düse 9 ejiziert wird. Hierbei können Wassermenge und Temperatur so bemessen werden, daß die Volumen- 'und Druckvermehrüng durch Dampf-" erzeugung !einerseits und die Volumen- und Druckverminderung durch Abkühlung der Abgase andererseits sich das Gleichgewicht halten (Gleichdruckverfahren), so daß die Abgase ungefähr mit gleichem Druck und gleieher Geschwindigkeit weiterströmen. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, bei Verwendung von sehr heißem Zerstäuberwasser und entsprechend starkem Zerstäubungsdruck den Überdruck der Abgase hinter der Düse ohne Rückschlaggefahr noch zu erhöhen, was eine Steigerung der Turbinenleistung zur Folge haben würde (Überdruckverfahren). Das Verfahren hat den Vorteil, daß der Wärmeinhalt der Abgase — in gewissem Sinne durch den Wärmeinhalt des heißen Wassers aufgewertet — in Wasserdampfgewicht verwandelt und so gegenüber den anderen bekannten Erfindungen dieser Art eine höhere Beaufschlagung der Turbi-A-neiischaufeln !erreicht wird; es hat den zweiten S₅ Äbrteil, daß durch die Vermehrung des ; -iWasserdampfgewichtes im Vergleich zum Ab- ?-gäsgesamtgewicht eine prozentuale Steigerung de3 Vakuums hinter Abgasturbine durch Verdichtung möglich ist, für die der Raum 20 vorgesehen und eingerichtet wurde.The process is as follows: As soon as the pressure vessel S is filled with water through the filling screw 12, the motor is started. The exhaust gases immediately flow into the water tank 5 - either as shown in Fig. 1 from cylinder 1 through pipe 2, shock valve 3 and line 4 or according to Fig. 2 from exhaust port 6 through non-return valve 3 «and pipe 4 - and pressurize the preheated water. which can be increased to the maximum combustion pressure with the aid of the device according to Fig. 1 if necessary and displayed by the manometers. If the passage 15 is now opened by means of the rod 16, the pressurized water flows through the pipe 10 to the atomizer nozzle 9, which atomizes it evenly in the direction of the exhaust gases within the pipe 8, the pipeline between the motor and the nozzle 9 being ejected. The amount of water and temperature can be measured so that the increase in volume and pressure through steam generation on the one hand and the reduction in volume and pressure through cooling of the exhaust gases on the other hand are in equilibrium (equal pressure method), so that the exhaust gases have approximately the same pressure There is, however, also the option of increasing the overpressure of the exhaust gases behind the nozzle without the risk of kickback when using very hot atomizer water and a correspondingly high atomization pressure, which would result in an increase in the turbine output (overpressure method) has the advantage that the heat content of the exhaust gases - enhanced in a certain sense by the heat content of the hot water - is converted into the weight of water vapor and thus, compared to the other known inventions of this type, a higher loading of the turbine blades! is achieved; it has the second S ₅ section that durc h the increase of; -i water vapor weight in comparison to the total exhaust gas weight, a percentage increase in the vacuum behind the exhaust gas turbine through compression is possible, for which space 20 was intended and set up.

Wo eine volle Ausnutzung des Energieinhaltes der Abgase (z. B. wegen Gewichtsersparnis) nicht in Frage kommt, werden die Abgase durch eine Dämpfungsstufe 17 hindurchgeführt, wie in Abb. 1 und 2 gezeichnet. Der Vorteil dieser Anordnung sogenannten Ejektorschalldämpfern (Patent 557 311) gegenüber besteht darin, daß auch bei langsamer laufenden Motoren kein Rückschlag erfolgen kann. Kommt es jedoch darauf an, z. B. bei großen feststehenden Motoren, die vorhandenen Möglichkeiten der Schöpfung von Energie aus der Abwärme des Motors voll auszunutzen·, ohne daß Platz- und Gewichtsfragen eine nennenswerte Rolle spielen, dann wird man auf die Beschleunigungsstufe 7 verzichten und mit den Einrichtungen der Abb. 3, 4 und 6 arbeiten. Bei der in Abb. 6 gezeichneten Doppelleitung ist der Form der go Abzweigungsstelle 23 besondere Aufmerksamkeit zuzuwenden, da hier sehr leicht störende und energieverbrauchende Wirbel auftreten können. Die Flanschen 24 schließen unmittelbar an die Turbine 19 an.Where full utilization of the energy content of the exhaust gases (e.g. to save weight) is not an option, they are Exhaust gases passed through a damping stage 17, as shown in Figs. 1 and 2. The advantage of this arrangement over so-called ejector silencers (patent 557 311) is that no kickback can occur even with slower running engines. However, it depends z. B. with large stationary engines, the existing possibilities of creation of energy from the waste heat of the engine to be fully exploited · without space and weight issues play a significant role, then you will do without the acceleration level 7 and with the facilities of Fig. 3, 4 and 6 work. In the case of the double line shown in Fig. 6, the shape of the go Particular attention should be paid to junction 23, as it is very easily disruptive here and energy-consuming eddies can occur. The flanges 24 close immediately to the turbine 19.

Es ist zu empfehlen, den Kraftbedarf für den Betrieb der hinter der Abgasturbine 19 liegenden Düsen g^e, g^f, g^g der Turbine selbst zu entnehmen und die erforderliche Druckerzeugung durch besondere Druckpumpen zu veranlassen.It is recommended to take the power required for the operation of the nozzles g ^e , g ^f , g ^g located behind the exhaust gas turbine 19 from the turbine itself and to cause the required pressure to be generated by special pressure pumps.

Es ist bekannt, daß die .Kraftleistung des Motors steigt, wenn man die Zylinder mit Hilfe von Kompressoren 0. dgl. stärker mit Brennstoff gemisch auflädt; es ist aber auch bekannt, daß alsdann die prozentuale Kraftnutzung des Brennstoffes sinkt, was sich im Ansteigen der sogenannten Diagr-ammspitzen bemerkbar macht. Bei sinngemäßer Ausnutzung der Einrichtungen der vorliegenden Erfindung ist dieses Absinken nicht zu erwarten, da die Verluste des Motors auf dem Wege über das heißere Kühlwasser und den Ejektor der Abb. 4 der Turbine 19 zugute kommen und ihr Wärmeinhalt von der Türbine besser ausgenutzt wird, als es im Motor geschehen könnte. Es ist ohne weiteres möglich, die Turbinenwelle mit der des Motors durch ein Zahnradgetriebe zu kuppeln, da ja beide Leistungen miteinander steigen und fallen; eine Abstimmung in gewissen Grenzen ist allerdings erforderlich.It is known that the power of the The engine increases when the cylinders are increased with the help of compressors 0 Fuel mix charges; but it is also known that then the percentage use of force of the fuel sinks, which is noticeable in the rise of the so-called Diagr-ammspitzen. When used appropriately of the devices of the present invention this sinking is not to be expected, since the losses of the motor on the way via the hotter cooling water and the ejector in Fig. 4 benefit the turbine 19 come and their heat content is better used by the door frame than it is in the motor could happen. It is easily possible to match the turbine shaft with that of the motor to be coupled by a gear transmission, since both services increase with each other and fall; coordination within certain limits is, however, necessary.

Claims

Patent claims:

ι. Device for injecting water into the exhaust gases of an internal combustion engine for the purpose of generating a gas-steam mixture for operating an exhaust gas turbine, characterized in that by means of special valves (3, 3 ") and supply line (4) a part of the exhaust gases is directly from the engine cylinder (1) or from the exhaust pipe (6) under pressure, the may optionally be the combustion pressure, branched off and fed to a container (5) from which through the Pressure of the exhaust gas water is injected into the exhaust gas stream by means of nozzles (9).

2. Apparatus according to claim I _3, characterized in that the exhaust line is surrounded shortly before the water injection point by a with the pressure vessel (5) - in communication and held by it under the same pressure water jacket (18) which feeds the water nozzles (9) .

3. Apparatus according to claim i, characterized in that the exhaust line within the water jacket (18) up to the nozzles (9) has a laval nozzle-like cross-sectional enlargement and behind the nozzles (9) an ejector-like taper (Fig. 4). _3C

1 sheet of drawings