EP2536940A1 - Verfahren und vorrichtung für verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung für verbrennungskraftmaschinen

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Publication number
EP2536940A1
EP2536940A1 EP11706205A EP11706205A EP2536940A1 EP 2536940 A1 EP2536940 A1 EP 2536940A1 EP 11706205 A EP11706205 A EP 11706205A EP 11706205 A EP11706205 A EP 11706205A EP 2536940 A1 EP2536940 A1 EP 2536940A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
engine
internal combustion
fluid
expansion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11706205A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Finger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Von Gortz & Finger Techn Entwicklungs Gesmbh
Original Assignee
Von Gortz & Finger Techn Entwicklungs Gesmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Von Gortz & Finger Techn Entwicklungs Gesmbh filed Critical Von Gortz & Finger Techn Entwicklungs Gesmbh
Publication of EP2536940A1 publication Critical patent/EP2536940A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for improving the efficiency of internal combustion engines, in particular engine of
  • the invention is therefore based on the object to propose a method and an apparatus for performing the method, which in terms of efficiency improved on generation of mechanical and / or electrical energy in relation to the energy used and thus reduces the waste heat.
  • This object is achieved in that the waste heat of the internal combustion engine is used to operate another engine.
  • Heat exchanger heats a fluid which is used in the further engine, which may be designed as an expansion engine.
  • the remaining waste heat is at least partially used.
  • Another very advantageous embodiment of the method according to the invention is also present when remaining waste heat from the internal combustion engine and / or other engine is used elsewhere, for example, for heating rooms or the like.
  • waste heat can also be stored via a buffer storage for later use for heating purposes.
  • Dissipation of residual heat is used.
  • a device which can be designed as a cooler, an operation can be ensured without the remaining residual heat is used or can be used. This is especially in the summer, when hardly any heating energy is needed, but still electricity must be generated or otherwise mechanical energy is needed, advantageous.
  • the inventive method is when an internal combustion engine is provided, the exhaust gases are passed through an exhaust gas heat exchanger, wherein the exhaust gas heat exchanger heats a fluid which in a
  • Expansion engine is expanded and cooled.
  • Expansionskraftmaschine is supplied and then the expanded and thus gaseous fluid its residual heat to the liquid fluid in one
  • Internal combustion engine and / or the fluid is able to remove the remaining heat and is able to supply a heating circuit and / or a cooler.
  • Exhaust side of the expansion engine and / or can be provided between the injection side of the expansion engine and the exhaust gas heat exchanger.
  • the fluid injection can be rinsed until it has reached the temperature necessary for the respective fluid to be expanded in the expansion engine can.
  • the internal combustion engine and the expansion engine are installed together in an engine housing and can have a common crankshaft or the like.
  • Combustion cylinder and one works as an expansion cylinder.
  • one or more generators can be used to generate
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device according to the invention with an internal combustion engine and a
  • Fig. 2 is a schematic representation of a device according to the invention with a combined combustion and expansion engine
  • Fig. 3 is a schematic representation of a device according to the invention with a combined combustion and expansion engine, the cylinders operate alternately different.
  • Fig. 1 designed as an internal combustion engine internal combustion engine. This can be operated for example with liquid gas, natural gas, wood gas, synthesis gas, fuel oil, vegetable oil or other regenerated fuels.
  • the exhaust gases of the internal combustion engine 1 are passed via an exhaust manifold 2 to an exhaust gas heat exchanger 3.
  • the exhaust gas heat exchanger 3 can still be arranged downstream of another exhaust gas heat exchanger 4, before the exhaust gases
  • the internal combustion engine 1 can drive a generator 6, or other devices that require mechanical energy.
  • a fluid 1 1 is supplied from a collecting container 12 by means of a circulation pump 13 to the exhaust gas heat exchanger 3. There, the fluid 1 1 is heated. The heated fluid 1 1 is then
  • Expansion engine 15 is injected. To avoid vapor formation it is advantageous to operate the circulation pump 13 under pressure control, so that the heated fluid 1 1 is always below a predetermined pressure.
  • the injected fluid 1 1 evaporates in the cylinders of the
  • Expansion engine 15 and is at least partially cooled. Through the expansion, mechanical work is done.
  • the mechanical work generated in the expansion engine 15 can be converted, for example, by a generator 16 into electrical energy. But it is also conceivable that devices or machines that require mechanical energy are driven directly.
  • the expansion engine 15 can be designed as a piston engine. This is operated, for example, in two-stroke process. To control intake and exhaust valves are provided, which can be controlled either via a camshaft or individually electrically. It is also conceivable that
  • Rotary piston engines or rotary expansion engines are generally provided.
  • the vaporized fluid expelled from the expansion engine 15 is cooled and liquefied via a condenser 17 and returned to the sump 12.
  • the vaporized fluid 1 1 is passed through a recuperator 18, which emits a portion of the remaining heat energy to the liquefied fluid 1 1, which from the reservoir 12 for
  • Exhaust gas heat exchanger 3 is pumped.
  • a bypass line 19 may be provided, which is controlled by a valve 20. About the bypass line 19 is so long fluid 1 1 at the Expander engine 15 passes until it is heated to the desired value. Only then are the injection valves 14 activated.
  • the injectors 14 When switching off the expansion engine 15, the injectors 14 are simply closed.
  • the internal combustion engine 1 is switched off at the same time.
  • the bypass line 19 can be opened and the circulation of the fluid 11 can be maintained for a while.
  • the duration of the post-circulation can be controlled by timing, temperature measurement, pressure measurement or the like.
  • Circulating pump 21 may be provided. It is also conceivable that through the
  • Bypass line 19 a small circle between the rail 22 and heat exchanger 3 is formed. Via a three-way valve 23 fresh fluid 1 1 can be mixed from the large circle. It is also conceivable that an additional heat exchanger 24 is provided, which dissipates the heat to be dissipated in the wake directly to a cooling or heating system 31.
  • bypass line 19 can be provided for a venting of the system.
  • a rail 22 may be provided which is uniformly applied with fluid 1 1. On this the Einspitzventile 14 are arranged.
  • the energy still dissipatable in the downstream heat exchanger 4 and in the condenser can be supplied to a heating circuit 31, for example for building heating. If the remaining, small amount of heat can not be used for heating, this can also be removed for example via a cooler 32.
  • the heating circuit 31 may for example have a buffer memory, not shown, which is charged with the residual heat.
  • the energy removal from the downstream heat exchanger 4 and the condenser 17 can be realized via a delivery circuit, wherein the
  • Transport medium for example, by a circulation pump 33 is transported.
  • water for example, water can be used. But they are too
  • Expansionskraftmaschine 15 is evaporated.
  • the fluid 1 1 should have sufficient residual heat, so that it does not condensate in the expansion engine 15 again and is reflected.
  • the condensation may at the earliest in
  • Recuperator 18 ideally take place in the capacitor 17.
  • the fluid 1 1 can be promoted by the feed pump 13 so strong that an injection pressure of several hundred bar is applied to the injectors 14. The exact pressure value is dependent on the temperatures occurring and the fluid used 1 1.
  • Expansion engine 15 are combined into a single machine. The heat flows remain, as described in the first embodiment.
  • V-engine 41 is provided, a cylinder bank as the internal combustion engine 1 and the other cylinder bank as
  • Expansion engine 15 works. Both sub-machines act on a single crankshaft.
  • Camshaft be provided. But it is also conceivable that each part of the machine has a separate camshaft.
  • the control can be designed particularly flexibly if the valves of the individual cylinders are electrically controlled. It is conceivable that the internal combustion engine 1 with a conventional
  • Camshaft control works, the expansion engine 15 but with an electric valve control. Other combinations are possible.
  • the expansion engine 15 can run along empty until the fluid 1 1 is sufficiently heated.
  • the valves of the expansion engine 15 are simply opened, so that no compression can take place.
  • a combination engine with 8 cylinders is shown in V-shape, with four cylinders each as the internal combustion engine 1 and four cylinders as
  • Combination engine 51 are created, which has alternating cylinders, which work either as an internal combustion engine 1 or as an expansion engine 15.
  • a series engine 51 may be used, which has five cylinders in this embodiment.
  • the first, third and fifth cylinders operate as internal combustion engine 1 and the second and fourth cylinders as expansion engine 15.
  • Occurring internal heat of the internal combustion engine 1 is fed directly through the cylinder walls of the expansion engine 15.
  • cylinders 1 and 2 could operate as the internal combustion engine 1 and the cylinders 3 and 4 of a four-cylinder engine as the expansion engine 15.

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Abstract

Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen (1), insbesondere von Antriebsmaschinen von Blockheizkraftwerken, wobei die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (1) zum Betrieb einer weiteren Kraftmaschine (15) genutzt wird, sowie nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Antriebsmaschinen von
Blockheizkraftwerken.
Bei bekannten Blockheizkraftwerken wird die entstehende Abwärme, die nicht zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden kann, zum Heizen genutzt.
Dabei besteht aber das Problem, daß etwa doppelt so viel Abwärme genutzt werden muss, wie elektrische Energie erzeugt werden kann.
Gerade in den Sommermonaten kann ein Großteil der Wärmeenergie nur schwer oder meistens gar nicht genutzt werden und muss über Kühler abgeführt werden.
Dies ist unwirtschaftlich und ökologisch mehr als bedenklich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens vorzuschlagen, welches den Wirkungsgrad in Bezug auf Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie im Verhältnis zur eingesetzten Energie verbessert und damit die Abwärme verringert.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine zum Betrieb einer weiteren Kraftmaschine genutzt wird.
Damit wird ein Großteil der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in mechanische Energie umgewandelt.
Sehr vorteilhaft ist es dabei, wenn die Abwärme der Verbrennung über einen
Wärmetauscher ein Fluid erwärmt, welches in der weiteren Kraftmaschine, die als Expansionskraftmaschine ausgebildet sein kann, genutzt wird.
Dies stellt eine einfache, aber effiziente Möglichkeit zur Energieumwandlung dar.
Erfindungsgemäß hat es sich auch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Abwärme der weiteren Kraftmaschine zur Vorerwärmung des Fluids genutzt wird.
Damit wird auch die verbleibende Abwärme wenigstens teilweise genutzt.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auch vor, wenn verbleibende Abwärme von Verbrennungskraftmaschine und/oder weiterer Kraftmaschine anderweitig, beispielsweise zum Beheizen von Räumen oder dergleichen genutzt wird.
Damit wird eine geringe Restmenge an Abwärme auch noch einer meist sinnvollen Verwendung zugeführt. Die Abwärme kann auch über einen Pufferspeicher für eine spätere Verwendung für Heizzwecke gespeichert werden.
Ebenfalls sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn eine Einrichtung zum
Abführen von Restwärme eingesetzt wird. Mit einer solchen Einrichtung, die als Kühler ausgeführt sein kann, kann auch ein Betrieb gewährleistet werden, ohne daß die verbleibende Restwärme genutzt wird oder genutzt werden kann. Dies ist gerade im Sommer, wenn kaum Heizenergie benötigt wird, aber dennoch Strom erzeugt werden muss oder anderweitig mechanische Energie benötigt wird, vorteilhaft.
Eine erfindungsgemäß sehr vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens liegt vor, wenn eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, deren Abgase durch einen Abgaswärmetauscher geleitet werden, wobei der Abgaswärmetauscher ein Fluid erwärmt, welches in einer
Expansionskraftmaschine expandiert und abgekühlt wird.
Mit einer solchen Vorrichtung lässt sich schon ein Großteil der Abwärme der
Verbrennungskraftmaschine in mechanische Energie umwandeln.
Dabei hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn das erwärmte Fluid der
Expansionskraftmaschine zugeführt wird und dann das expandierte und damit gasförmige Fluid seine verbliebene Restwärme an das flüssige Fluid in einem
Rekuperator oder dergleichen abgibt.
Damit wird die Abwärmenutzung schon sehr effizient gestaltet.
Es hat sich gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung auch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn das durch den Rekuperator erwärmte Fluid dem Abgaswärmetauscher zugeführt wird.
Damit wird ein ausreichend hohes Temperaturniveau des Fluids sichergestellt um die Expansionskraftmaschine effizient zu betreiben. Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt auch vor, wenn ein weiterer Kühlkreislauf vorgesehen ist, der einerseits dem Abgas der
Verbrennungskraftmaschine und/oder dem Fluid die verbliebene Wärme zu entziehen vermag und einem Heizkreis und/oder einem Kühler zuzuführen vermag.
Damit wird auch verbleibende Wärme noch sinnvoll genutzt. Zudem wird
sichergestellt, daß das Fluid verflüssigt und damit für eine erneute Verwendung vorbereitet wird.
Sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß auch, wenn ein Bypass zum Spülen und/oder Vorerwärmen der Einspritzseite vorgesehen ist, der zwischen Einspritz- und
Abgasseite der Expansionskraftmaschine und/oder zwischen Einspritzseite der Expansionskraftmaschine und dem Abgaswärmetauscher vorgesehen sein kann.
Über diesen Bypass kann die Fluideinspritzung gespült werden, bis diese die für das jeweilige Fluid nötige Temperatur erreicht hat, um in der Expansionskraftmaschine expandiert werden zu können.
Erfindungsgemäß ist es auch sehr vorteilhaft, wenn Verbrennungskraftmaschine und Expansionskraftmaschine voneinander getrennt sind.
Damit können zwei getrennte Maschinen genutzt werden. Eine Aufrüstung bestehender Anlagen ist auf einfache Art und Weise möglich.
Ebenfalls sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn Verbrennungskraftmaschine und Expansionskraftmaschine zusammen in einem Motorengehäuse verbaut sind und eine gemeinsame Kurbelwelle oder dergleichen aufweisen können.
Damit lassen sich sehr effiziente Anlagen bauen. Sehr vorteilhaft ist es dabei auch, wenn die kombinierte Maschine als Reihen-, Wankel-, V-Motor oder Rotationsexpansionskraftmaschine ausgebildet ist.
Ebenfalls sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn die kombinierte Maschine alternierend abwechselnde Zylinder aufweist, wobei jeweils einer als
Verbrennungszylinder und einer als Expansionszylinder arbeitet.
Durch die direkte mechanische Kopplung von Verbrennungskraftmaschine und Expansionskraftmaschine können diese sehr gut aufeinander abgestimmt werden.
Wenn die Zylinder nebeneinander alternierend entweder den Verbrennungsprozess ausführen oder den Expansionsprozess wird auch eine sehr gute Abfuhr der im
Motorblock entstehenden Wärme gewährleistet. Aufwendige Maßnahmen zum
Abführen der im Kühlwasser gespeicherten Wärme können damit vermieden werden. Ebenso kann auch eine aufwendige Übertragung wenigstens eines Teils der
entstehende Wärme beim Verbrennungsprozess auf die Expansionskraftmaschine vermieden werden.
Äußerst vorteilhaft ist es auch, wenn Verbrennungskraftmaschine und
Expansionskraftmaschine getrennt oder gemeinsam mit einem Generator zur
Erzeugung von elektrischer Energie verbunden sind.
Je nach Ausführung können ein oder mehrere Generatoren zur Erzeugung von
Elektrizität angetrieben werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer
Expansionskraftmaschine,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer kombinierten Verbrennungs- und Expansionskraftmaschine, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer kombinierten Verbrennungs- und Expansionskraftmaschine, wobei die Zylinder alternierend unterschiedlich arbeiten.
Mit 1 ist in Fig. 1 eine als Verbrennungsmotor ausgelegte Verbrennungskraftmaschine bezeichnet. Diese kann beispielsweise mit Flüssiggas, Erdgas, Holzgas, Synthesegas, Heizöl, Pflanzenöl oder auch anderen auch regenerierten Treibstoffen betrieben werden.
Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 1 werden über einen Abgassammler 2 zu einem Abgaswärmetauscher 3 geleitet. Dem Abgaswärmetauscher 3 kann noch ein weiterer Abgaswärmetauscher 4 nachgeordnet werden, bevor die Abgase
beispielsweise über einen Kamin 5 abgeleitet werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 kann einen Generator 6 antreiben, oder aber andere Geräte, die mechanische Energie benötigen.
Zur Nutzung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 1 wird ein Fluid 1 1 aus einem Sammelbehälter 12 mittels einer Umwälzpumpe 13 dem Abgaswärmetauscher 3 zugeführt. Dort wird das Fluid 1 1 erhitzt. Das erhitzte Fluid 1 1 wird dann
Einspritzventilen 14 zugeführt, mittels denen das Fluid 1 1 in eine
Expansionskraftmaschine 15 eingespritzt wird. Um Dampfblasenbildung zu vermeiden ist es vorteilhaft, die Umwälzpumpe 13 druckgesteuert zu betreiben, so daß das erhitzte Fluid 1 1 immer unter einem vorgegebenen Druck steht.
Das eingespritzte Fluid 1 1 verdampft in den Zylindern der
Expansionskraftmaschine 15 und wird dabei wenigstens teilweise abgekühlt. Durch die Expansion wird mechanische Arbeit verrichtet. Die in der Expansionskraftmaschine 15 erzeugte mechanische Arbeit kann beispielsweise durch einen Generator 16 in elektrische Energie umgewandelt werden. Es ist aber auch denkbar, daß Geräte oder Maschinen, die mechanische Energie benötigen, direkt angetrieben werden.
Die Expansionskraftmaschine 15 kann dabei als Kolbenkraftmaschine ausgebildet sein. Diese wird beispielsweise im Zweitaktverfahren betrieben. Zur Steuerung sind Einlassund Auslassventile vorgesehen, die entweder über eine Nockenwelle oder aber elektrisch einzeln gesteuert werden können. Es ist auch denkbar, daß
Rotationskolbenmotoren oder auch Rotationsexpansionskraftmaschinen allgemein vorgesehen werden.
Das von der Expansionskraftmaschine 15 ausgestoßene, verdampfte Fluid wird über einen Kondensator 17 abgekühlt und verflüssigt und wieder dem Sammelbehälter 12 zugeführt.
Um die Effizienz nochmals zu steigern wird das verdampfte Fluid 1 1 durch einen Rekuperator 18 geleitet, der einen Teil der noch verbliebenen Wärmeenergie an das verflüssigte Fluid 1 1 abgibt, welches vom Sammelbehälter 12 zum
Abgaswärmetauscher 3 gepumpt wird.
Gerade beim Anfahren der Expansionskraftmaschine 15 besteht das Problem, daß diese noch nicht mit erhitztem Fluid 1 1 versorgt ist. Um sicherzustellen, daß direkt beim Start der Expansionskraftmaschine 15 erhitztes Fluid 1 1 an den Einspritzventilen 14 zur Verfügung steht, kann eine Bypassleitung 19 vorgesehen sein, die über ein Ventil 20 gesteuert wird. Über die Bypassleitung 19 wird so lange Fluid 1 1 an der Expansionskraftmaschine 15 vorbeigeführt, bis dieses bis zum gewünschten Wert erhitzt ist. Erst dann werden die Einspritzventile 14 angesteuert.
Beim Abschalten der Expansionskraftmaschine 15 werden einfach die Einspritzventile 14 geschlossen. Die Verbrennungskraftmaschine 1 wird gleichzeitig abgeschaltet. Um Dampfblasenbildung im Fluid 11 zu vermeiden kann die Bypassleitung 19 geöffnet und die Zirkulation des Fluids 1 1 noch eine Weile aufrechterhalten werden. Die Dauer der Nachzirkulation kann über Zeitablauf, Temperaturmessung, Druckmessung oder dergleichen gesteuert werden. In der Bypassleitung 19 kann eine zusätzliche
Umwälzpumpe 21 vorgesehen sein. Es ist dabei auch denkbar, daß durch die
Bypassleitung 19 ein kleiner Kreis zwischen Rail 22 und Wärmetauscher 3 ausgebildet wird. Über ein Drei- Wege-Ventil 23 kann frisches Fluid 1 1 aus dem großen Kreis zugemischt werden. Es ist auch denkbar, daß ein Zusatzwärmetauscher 24 vorgesehen ist, der die im Nachlauf abzuführende Wärme direkt an ein Kühl- bzw. Heizsystem 31 abführt.
Durch die Bypassleitung 19 kann auch für eine Entlüftung des Systems gesorgt werden.
Um die Einspritzventile 14 gleichmässig mit Fluid 1 1 beschicken und um
Druckschwankungen minimieren zu können, kann ein Rail 22 vorgesehen sein, das gleichmässig mit Fluid 1 1 beaufschlagt ist. Hieran sind die Einspitzventile 14 angeordnet.
Die im nachgeschalteten Wärmetauscher 4 und im Kondensator noch abführbare Energie kann einem Heizkreis 31 zum Beispiel zur Gebäudeheizung zugeführt werden. Wenn die verbleibende, geringe Wärmemenge nicht zum Heizen genutzt werden kann, kann diese auch beispielsweise über einen Kühler 32 abgeführt werden.
Der Heizkreis 31 kann dabei beispielsweise einen nicht dargestellten Pufferspeicher aufweisen, der mit der Restwärme beschickt wird. Die Energieabfuhr aus dem nachgeschalteten Wärmetauscher 4 und dem Kondensator 17 kann über einen Förderkreis realisiert werden, wobei das
Transportmedium zum Beispiel durch eine Umwälzpumpe 33 transportiert wird.
Als Fluid 11 kann beispielsweise Wasser eingesetzt werden. Es sind aber auch
Ammoniak- Wassergemische oder andere geeignete Stoffe denkbar. Wichtig ist nur, daß das Fluid auf die im Abgaswärmetauscher 3 auftretenden Temperaturen abgestimmt ist, damit sichergestellt werden kann, daß das Fluid 1 1 nach dem
Abgaswärmetauscher soweit erhitzt ist, daß dieses beim Eintritt in die
Expansionskraftmaschine 15 verdampft wird. Zudem sollte das Fluid 1 1 genügend Restwärme aufweisen, damit es nicht in der Expansionskraftmaschine 15 wieder kondensiert und sich niederschlägt. Die Kondensation darf frühestens im
Rekuperator 18, idealerweise im Kondensator 17 stattfinden.
Es ist auch denkbar, daß die durch den nachgeschalteten Wärmetauscher 4 und/oder die aus dem Kondensator 17 gewonnene Wärme zum Vorwärmen des Schmieröles der Expansionskraftmaschine 15 genutzt wird.
Das Fluid 1 1 kann durch die Förderpumpe 13 so stark gefördert werden, daß ein Einspritzdruck von mehreren hundert bar an den Einspritzventilen 14 anliegt. Der genaue Druckwert ist von den auftretenden Temperaturen und dem verwendeten Fluid 1 1 abhängig.
Die bislang beschriebene Anordnung ist besonders zur Nachrüstung bestehender Verbrennungskraftmaschinen 1 geeignet, da die Expansionskraftmaschine 15 durch geringe Modifikationen angeschlossen werden kann und trotzdem die Effizienz wesentlich gesteigert werden kann.
Es ist aber auch denkbar, daß die Verbrennungskraftmaschine 1 und die
Expansionskraftmaschine 15 zu einer einzigen Maschine kombiniert werden. Die Wärmeflüsse bleiben dabei, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Es ist denkbar, daß ein V-Motor 41 vorgesehen wird, dessen eine Zylinderbank als Verbrennungskraftmaschine 1 und dessen andere Zylinderbank als
Expansionskraftmaschine 15 arbeitet. Beide Teilmaschinen wirken dabei auf eine einzige Kurbelwelle.
Zur Steuerung kann eine speziell an die Kombinationsmaschine 41 angepasste
Nockenwelle vorgesehen werden. Es ist aber auch denkbar, daß jede Teilmaschine eine separate Nockenwelle aufweist. Besonders flexibel lässt sich die Steuerung gestalten, wenn die Ventile der einzelnen Zylinder elektrisch gesteuert werden. Es ist dabei denkbar, daß die Verbrennungskraftmaschine 1 mit einer konventionellen
Nockenwellensteuerung arbeitet, die Expansionskraftmaschine 15 aber mit einer elektrischen Ventilsteuerung. Andere Kombinationen sind möglich.
Bei einer solchen Ausgestaltung kann die Expansionskraftmaschine 15 solange, bis das Fluid 1 1 hinreichend erhitzt ist, leer mitlaufen. Hierzu werden einfach die Ventile der Expansionskraftmaschine 15 geöffnet, so daß keine Kompression stattfinden kann.
Durch die Kombinationsmaschine 41 können auch anderweitige Wärmeverluste der Verbrennungskraftmaschine 1 der Expansionskraftmaschine 15 zugeführt werden. Zu diesen anderweitigen Wärmeverlusten gehören beispielsweise Transportverluste im Material der Maschine.
In Fig. 2 ist eine Kombinationsmaschine mit 8 Zylindern in V-Form dargestellt, wobei jeweils vier Zylinder als Verbrennungskraftmaschine 1 und vier Zylinder als
Expansionskraftmaschine 15 arbeiten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch eine
Kombinationskraftmaschine 51 geschaffen werden, die alternierend Zylinder aufweist, die entweder als Verbrennungskraftmaschine 1 oder als Expansionskraftmaschine 15 arbeiten.
Wie in Fig. 3 dargestellt, kann hierbei ein Reihenmotor 51 eingesetzt werden, der in diesem Ausführungsbeispiel fünf Zylinder aufweist.
Der erste, dritte und fünfte Zylinder arbeiten dabei als Verbrennungskraftmaschine 1 und der zweite und vierte Zylinder als Expansionskraftmaschine 15.
Auftretende innere Wärme der Verbrennungskraftmaschine 1 wird direkt durch die Zylinderwandungen der Expansionskraftmaschine 15 zugeführt. Die
Expansionskraftmaschine 15 kühlt damit auch direkt die
Verbrennungskraftmaschine 1.
Andere Zylinderanordnungen sind denkbar. Es können größere Reihenmotoren, aber auch V- und W-Motoren vorgesehen werden, die eine alternierende Zylinderanordnung aufweisen.
Es ist auch denkbar, daß jeweils zwei oder mehr Zylinder eines Maschinentyps direkt nebeneinander angeordnet sind. So könnten beispielsweise die Zylinder 1 und 2 als Verbrennungskraftmaschine 1 und die Zylinder 3 und 4 eines Vier-Zylinder-Motors als Expansionskraftmaschine 15 arbeiten.
In dieser Beziehung sind keine Einschränkungen hinsichtlich der Gestaltbarkeit gegeben.
Die alternierende Zylinderanordnung hat sich aber als besonders vorteilhaft erwiesen, da dann keine zu großen Materialbeanspruchungen auftreten.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades von
Verbrennungskraftmaschinen (1), insbesondere von Antriebsmaschinen von Blockheizkraftwerken, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (1) zum Betrieb einer weiteren Kraftmaschine (15)genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der Verbrennung über einen Wärmetauscher (3) ein Fluid (1 1) erwärmt, welches in der weiteren Kraftmaschine (15), die als Expansionskraftmaschine ausgebildet sein kann, genutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abwärme der weiteren Kraftmaschine (15) zur Vorerwärmung des Fluids (1 1) genutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
verbleibende Abwärme von Verbrennungskraftmaschine (1) und/oder weiterer Kraftmaschine (15) anderweitig, beispielsweise zum Beheizen von Räumen oder dergleichen genutzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (32) zum Abführen von Restwärme eingesetzt wird.
6. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennungskraftmaschine (1) vorgesehen ist, deren Abgase durch einen Abgaswärmetauscher (3) geleitet werden, wobei der Abgaswärmetauscher (3) ein Fluid (1 1) erwärmt, welches in einer Expansionskraftmaschine (15) expandiert und abgekühlt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erwärmte Fluid (1 1) der Expansionskraftmaschine (15) zugeführt wird und dann das expandierte und damit gasförmige Fluid (1 1) seine verbliebene Restwärme an das flüssige Fluid (1 1) in einem Rekuperator (18) oder dergleichen abgibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Rekuperator (18) erwärmte Fluid (1 1) dem Abgaswärmetauscher (3) zugeführt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Kühlkreislauf vorgesehen ist, der einerseits dem Abgas der
Verbrennungskraftmaschine und/oder dem Fluid die verbliebene Wärme zu entziehen vermag und einem Heizkreis (31) und/oder einem Kühler (32) zuzuführen vermag.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass (19) zum Spülen und/oder Vorerwärmen der Einspritzseite vorgesehen ist, der zwischen Einspritz- und Abgasseite der
Expansionskraftmaschine (15) und/oder zwischen Einspritzseite der
Expansionskraftmaschine (15) und dem Abgaswärmetauscher (3) vorgesehen sein kann.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
Verbrennungskraftmaschine (1) und Expansionskraftmaschine (15) voneinander getrennt sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
Verbrennungskraftmaschine (1) und Expansionskraftmaschine (15) zusammen in einem Motorengehäuse (41, 51) verbaut sind und eine gemeinsame
Kurbelwelle oder dergleichen aufweisen können.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Maschine als Reihen-, Wankel-, V-Motor oder als
Rotationsexpansionskraftmaschine ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Maschine (51) alternierend abwechselnde Zylinder aufweist, wobei jeweils einer als Verbrennungszylinder und einer als Expansionszylinder arbeitet.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
Verbrennungskraftmaschine (1) und Expansionskraftmaschine (15) getrennt oder gemeinsam mit einem Generator (6, 16) zur Erzeugung von elektrischer Energie verbunden sind.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202011109771U1 (de) 2011-02-10 2012-03-21 Voith Patent Gmbh Stationäres Kraftwerk, insbesondere Gaskraftwerk, zur Stromerzeugung

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006097089A2 (de) * 2005-03-15 2006-09-21 Kuepfer Ewald Verfahren und vorrichtungen zur verbesserung des wirkungsgrades von energieumwandlungseinrichtungen
GB2457266A (en) * 2008-02-07 2009-08-12 Univ City Power generation from a heat source

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH632051A5 (de) 1978-10-25 1982-09-15 Sulzer Ag Brennkraftmaschinenanlage.
FR2449780A1 (fr) 1979-02-22 1980-09-19 Semt Procede et dispositif de recuperation d'energie thermique dans un moteur a combustion interne suralimente
DE4015104A1 (de) * 1990-05-11 1990-11-29 Tuttass Edmond Kombinierte waermekraftanlage
DE19610382C2 (de) 1996-03-16 2000-06-29 Reinhard Leithner Kombimotor
EP1053438B1 (de) 1998-02-03 2002-07-24 Miturbo Umwelttechnik GmbH & Co. KG Verfahren und vorrichtung für wärmetransformation zur erzeugung von heizmedien
WO2002090747A2 (en) * 2001-05-07 2002-11-14 Battelle Memorial Institute Heat energy utilization system
DE10259488A1 (de) * 2002-12-19 2004-07-01 Bayerische Motoren Werke Ag Wärmekraftmaschine
JP2006283699A (ja) * 2005-04-01 2006-10-19 Toyota Motor Corp 熱エネルギ回収装置
DE102007013817B4 (de) * 2006-03-23 2009-12-03 DENSO CORPORATION, Kariya-shi Abwärmesammelsystem mit Expansionsvorrichtung
FR2905728B1 (fr) * 2006-09-11 2012-11-16 Frederic Thevenod Moteur hybride a recuperation de la chaleur d'echappement

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006097089A2 (de) * 2005-03-15 2006-09-21 Kuepfer Ewald Verfahren und vorrichtungen zur verbesserung des wirkungsgrades von energieumwandlungseinrichtungen
GB2457266A (en) * 2008-02-07 2009-08-12 Univ City Power generation from a heat source

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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