DE876336C

DE876336C - Method for operating a two-stroke piston engine with internal combustion

Info

Publication number: DE876336C
Application number: DES13255D
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl-Ing Biersack
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1944-12-01
Filing date: 1944-12-01
Publication date: 1953-05-11

Description

Verfahren zum Betrieb einer Zweitaktkolbenbrennkraftmaschine mit innerer Verbrennung Das Bestreben, .das den neuzeitlichen Entwicklungen von Heißluft- und Heißgasturbinenanlagen zugrunde liegt, geht von zwei Punkten aus. Der eine Punkt ist -der, ,Möglichkeiten für die unmittelbare Verbrennung von festen Brennstoffen zu schaffen, etwa aus Luftschutzgründen, Wasser als Treibmittel und, wenn als Kühlmittel, auszuschalten. Die andere Überlegung ist die, Anlagen, deren thermischer Wirkungsgrad nach dem heutigen Stand der Technik unverhältnismäßig niedrig liegt, wie bei Lokomotiven, zu verbessern, wenn auch der erreichbare Wirkungsgrad noch weit hinter dem neuzeitlicher Dampfkraftanlagen zurückbleibt, weil jede derartige Wirkungsgradsteigerung sehr große wirtschaftliche Folgen nach sich zieht. Es stehen also im Wettbewerb: Dampfkraftanlagen, Kraftanlagen mit Verbrennungskolbenkraftmaschinen, Gasturbinenanlagen und Heißluftturbinenanlagen. Die ersten beiden Anlagen stehen dabei hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrades an der Spitze und sind sich in dieser Beziehung etwa gleichwertig. Mechanisch besteht ein Unterschied insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Überlastbarkeit und des Anlassens (Anfahren aus dem Stillstand heraus bei der Dampfkraftmaschine und Anfahren bei laufender Maschine bei der Brennkraftmaschine). Der Gasturbine oder Heißluftturbine ist die Drennkraftmaschine wegen der wesentlich höheren zulässigen Temperatur überlegen. Dagegen bietet die Gasturbine und vor allem die Heißluftturbine die Möglichkeit der Verarbeitung fester Brennstoffe, was bei der Brennkraftmaschine zu vorläufig noch nicht voll behobenen Schwierigkeiten führt.Method for operating a two-stroke piston internal combustion engine with internal Combustion The endeavor to respond to the modern developments in hot air and Hot gas turbine systems are based on two points. The one point is -the,, possibilities for the immediate combustion of solid fuels to create, e.g. for air protection reasons, water as a propellant and, if as a coolant, turn off. The other consideration is, systems, their thermal efficiency is disproportionately low according to the current state of the art, as is the case with locomotives, to improve, even if the achievable degree of efficiency is still far below the modern one Steam power plants lag behind because any such increase in efficiency is great has major economic consequences. So there are in competition: steam power plants, Power systems with internal combustion piston engines, gas turbine systems and hot air turbine systems. The first two systems stand in terms of thermal efficiency at the top and are roughly equivalent in this respect. Mechanically consists a difference in particular with regard to the different overload capacities and starting (starting from standstill with the steam engine and Starting with the engine running with the internal combustion engine). The gas turbine or Hot air turbine is the rotary engine because of the much higher permissible Temperature superior. In contrast, the gas turbine and especially the hot air turbine offers the possibility of processing solid fuels, which is what the internal combustion engine leads to difficulties that have not yet been fully resolved.

Aus dieser Gegenüberstellung der einzelnen Kraftanlagen ergibt sich die Frage, ob es überhaupt möglich sein würde, noch andere Betriebsverfahren zu finden, .die von den bekannten Verfahren die Vorteile übernehmen, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Theoretische Überlegungen, die der Erfinder angestellt hat, lassen es möglich erscheinen, durch ,das folgende Verfahren gemäß der Erfindung zu beachtlichen Verbesserungen zu gelangen.This comparison of the individual power plants results the question of whether it would even be possible to use other operating methods too find .that take over the advantages of the known processes without their disadvantages in To have to buy. Theoretical considerations made by the inventor make it appear possible by following the procedure according to the invention to achieve significant improvements.

Ausgangspunkt ist .die Zweitaktkolbenmaschine als Kraftmaschine. Diese Maschine ist einfach und betriebssicher und läßt bei Anwendung der Kühleng hohe Anfangstemperaturen zu. Damit ist die .wesentliche Voraussetzung für die Erreichung eines guten thermischen Wirkungsgrades gegeben. _ Die Maschine arbeitet mit innerer Verbrennung des in sie eingegebenen Brennstoffes. Jetzt wird aber gegenüber der normalen Brennkraftmaschine eine wesentliche Änderung insofern vorgenommen, als die Verdichtung -der Luft nicht im Zylinder der Kraftmaschine geschieht, sondern in einen besonderen Verdichter verlegt ist und, was von- besonderer Bedeutung ist, im wesentlichen isothermisch durchgeführt wird. Der Vorteil eines mit isothermischer Verdichtung durchgeführten Brennkraftprozesses gegenüber einem Prozeß mit im wesentlichen adiabatischer Verdichtung ist bekannt, so daß an dieser Stelle auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet wenden kann. Damit würde aberdas Ziel einer einfachen und dabei thermisch hochwertigen Anlage noch nicht erreicht sein. Denn mit der Maschinenabwärme würde ein so großer Energiebetrag verlorengehen, daß das Gesamtbild ,des Prozesses recht ungünstig wäre. Da nun die Verdichtung im wesentlichen isothermisch verlaufen soll, so ist die Austrittstemperatur der Luft aus dem Verdichter niedrig, d. h. die verdichtete Luft ist in der Lage, Wärme aufzunehmen, und zwar wird auf sie jetzt in einem Wärmeaustauscher die Abwärme der Brennkraftmaschine übertragen, die auf diese Weise in den Brennraum der Maschine eingeleitet und damit in den Prozeß zurückgeführt wind.The starting point is .the two-stroke piston engine as a prime mover. These The machine is simple and safe to operate and can be used with high cooling Initial temperatures too. This is the essential prerequisite for achieving it given a good thermal efficiency. _ The machine works with internal Burning of the fuel put in it. But now it is opposite to the normal internal combustion engine made a significant change in that The compression of the air does not take place in the cylinder of the engine, but rather is relocated to a special compressor and, what is of particular importance, is carried out essentially isothermally. The advantage of one with isothermal Compression performed internal combustion process compared to a process with essentially adiabatic compression is known, so please refer to further comments at this point can do without this contact. But that would make the goal of a simple and thermally high-quality system has not yet been reached. Because with the machine waste heat Such a large amount of energy would be lost that the overall picture of the process would be quite inconvenient. Since the compression is now essentially isothermal should, the outlet temperature of the air from the compressor is low, i. H. the compressed air is able to absorb heat, and it is applied to it now in a heat exchanger, the waste heat of the internal combustion engine transferred to the in this way introduced into the combustion chamber of the machine and thus fed back into the process wind.

Der nenne Prözeß setzt sich also aus drei Grundbausteinen zusammen: Isothermische Verdichtung ,der Luft, Vorwärmung dieser Luft in einem Wärmeaustauscher durch Abwärme der Brennkraftmaschine und Verbrennung des Brennstoffes zusammen mit dieser verdichteten Luft im Zylinder einer Zweitaktkolbenmaschine, die in üblicher Weise gekühlt wird, damit sie .den hohen Wärmebelastungen standhält.The named process is made up of three basic components: Isothermal compression of the air, preheating of this air in a heat exchanger by waste heat from the internal combustion engine and combustion of the fuel together with this compressed air in the cylinder of a two-stroke piston engine, which in usual It is cooled in a manner so that it can withstand the high heat loads.

Der neue Prozeß ähnelt, je nachdem, von welcher Seite man ihn betrachtet, entweder einem Gasturbinenprozeß oder einem Brennkraftprozeß. Aber, er zeigt gegenüber beiden grundsätzliche Unterschiede, die seine Eigenart ausmachen. Mit dem Gasturbinenprozeß hat der neue Prozeß die isothermische Verdichtung und .den Wärmeaustausch gemeinsam. Aber das sind nur Mittel zu dem bei der Gasturbine nicht erreichbaren Zweck, die Anfangstemperatur des Prozesses wesentlich zu erhöhen. Es wird ohne weiteres möglich sein, Temperaturen von etwa i5oo° (gegenüber etwa 6oo° bei der Gasturbine) zu beherrschen. Aus verschiedenen Gründen wird man den Anfangsdruck wesentlich niedriger als z. B. beim Dieselmotor halten. 16 at dürften als Anfangsdruck genügen. Die Folgen des niedrigen Anfangsdrucks ist eine erhöhte Temperatur am Ende des Entspannungsverlaufs, die im Hinblick auf die Vorwärmung der Verbrennungsluft im Wärmeaustarascher wertvoll ist.The new process is similar, depending on which side you look at it from, either a gas turbine process or an internal combustion process. But, he points to two fundamental differences that make up its peculiarity. With the gas turbine process the new process has isothermal compression and heat exchange in common. But these are only means to the end that cannot be achieved with the gas turbine To increase the starting temperature of the process significantly. It becomes easily possible be able to control temperatures of around 1500 ° (compared to around 600 ° for the gas turbine). For various reasons, the initial pressure is much lower than z. B. hold the diesel engine. 16 at should be sufficient as an initial pressure. The consequences of the low initial pressure is an increased temperature at the end of the relaxation process, which is valuable in terms of preheating the combustion air in the heat exchanger is.

Mit dem normalen Zweitaktverfahren der Brennkraftmaschine hat der neue Prozeß die Füllung des Zylinders mit Luft und die Verbrennung im Zylinderraum gemeinsam. Der Zweitaktprozeß kennt aber die isothermische Verdichtung nicht und infolgedessen auch nicht die Möglichkeit der Übertragung der Abwärme des Prozesses auf die Luft. Denn die Verdichtungsendtemperaturen sind zu hoch, als daß die Luft noch zur Aufnahme von Abwärme fähig wäre.With the normal two-stroke process of the internal combustion engine, the new process of filling the cylinder with air and combustion in the cylinder space together. However, the two-stroke process does not know isothermal compression and as a result, there is also no possibility of transferring the waste heat from the process on the air. Because the compression end temperatures are too high for the air would still be able to absorb waste heat.

Alle Überlegungen sprechen dafür, daß der neue Prozeß überall dort, wo die Voraussetzungen seiner Anwendung vorliegen, den sonstigen Krafterzeugungsprozessen überlegen ist.All considerations suggest that the new process will take place everywhere where the prerequisites for its application are met, the other force generation processes is superior.

Das Schaltbild einer Anlage gemäß der Erfindung ist in dem Beispiel der Figur dargestellt. Es ist hier angenommen, daß die Zweitaktmaschine in die beiden Zylinder i und 2 aufgelöst sei, von denen der Zylinder i den Verdichter 3 und der Zylinder 2 den Stromerzeuger q. antreibt. Eine derartige Aufteilung ist aber keine Voraussetzung der Erfindung, die auch ohne weiteres mit nur einem Kraftmaschinenzylinder durchführbar wäre. Die Brennkraftmaschine arbeitet mit Brennstoffeinspritzung, was bei 5 schematisch angedeutet ist. Die Verdichtung der Brennluft liegt jedoch außerhalb des Zylinders im Verdichter 3, der in diesem Fall vierstufig ist und mit Zwischenkühlung 6 arbeitet. Die hochverdichtete Luft wird den beiden Zylindern i und 2 zugeleitet, aber nicht unmittelbar, sondern über einen Wärmeaustauscher 7, der durch die Abgase der Zylinder i und 2 beheizt wind. Es wird also die Abwärme des Prozesses über die verdichtete Frischluft in den Kreislauf zurückgeführt.The circuit diagram of a system according to the invention is in the example shown in the figure. It is assumed here that the two-stroke machine is divided into the two Cylinders i and 2 are resolved, of which cylinder i the compressor 3 and the Cylinder 2 the generator q. drives. Such a division is not, however Requirement of the invention, which is also readily available with only one engine cylinder would be feasible. The internal combustion engine works with fuel injection, what at 5 is indicated schematically. The compression of the combustion air is outside of this of the cylinder in compressor 3, which in this case has four stages and with intercooling 6 works. The highly compressed air is fed to the two cylinders i and 2, but not directly, but via a heat exchanger 7 that passes through the exhaust gases cylinders i and 2 are heated by wind. So it gets the waste heat from the process over that compressed fresh air is fed back into the circuit.

Im Beispiel ist in die Abgasleitung noch eine Brennkammer 8 eingeschaltet, die jedoch mit der Durchführung des eigentlichen Verfahrens nichts zu tun hat. Sie dient vielmehr dazu, zum Anfahren des Maschinensatzes eine bestimmte Wärmemenge über den Wärmeaustaüscher 7 auf :die Luft zu übertragen, bis die Brennstoffeinspritzung 5 in Tätigkeit treten kann.In the example, a combustion chamber 8 is also switched on in the exhaust pipe, which, however, has nothing to do with carrying out the actual procedure. she rather, it is used to start up the machine set with a certain amount of heat via the heat exchanger 7 to: transfer the air until the fuel injection 5 can come into action.

Claims

Claim: method for operating a two-stroke piston engine with internal combustion, characterized in that the compression of the combustion air outside the cylinder in a special compressor is essentially isothermal and the exhaust heat of the piston engine is transferred to the compressed air in a heat exchanger upstream of the cylinder chamber.