NO315582B1 - Procedure for operation as well as engine assembly for obtaining high efficiency - Google Patents
Procedure for operation as well as engine assembly for obtaining high efficiency Download PDFInfo
- Publication number
- NO315582B1 NO315582B1 NO20013375A NO20013375A NO315582B1 NO 315582 B1 NO315582 B1 NO 315582B1 NO 20013375 A NO20013375 A NO 20013375A NO 20013375 A NO20013375 A NO 20013375A NO 315582 B1 NO315582 B1 NO 315582B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- engine
- steam
- internal combustion
- combustion engine
- cooling
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 11
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 105
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 29
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 15
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 14
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 12
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims description 12
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 claims description 7
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 6
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 27
- 239000003570 air Substances 0.000 description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)
- Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
- Valve Device For Special Equipments (AREA)
Description
Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for drift av en motorsammenstilling for oppnåelse av høy virkningsgrad samt en motorsammenstilling for utførelse av fremgangsmåten. Mer bestemt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for drift av og en motorsammenstilling omfattende en forbrenningsmotor og en dampmotor. The present invention relates to a method for operating an engine assembly to achieve a high degree of efficiency as well as an engine assembly for carrying out the method. More specifically, the invention relates to a method for operating and an engine assembly comprising an internal combustion engine and a steam engine.
Det er fra før kjent systemer hvor man benytter overskuddsvarme til å produsere vanndamp for økning av virkningsgraden av en forbrenningsmotor. There are previously known systems where excess heat is used to produce water vapor to increase the efficiency of an internal combustion engine.
US 3.921.404 angår en kombinert forbrenningsmotor og dampmaskin med to kamre, ett forbrenningskammer og et dampkammer, som driver samme sylinder, men i motsatt retning. Dampen produseres ved oppvarming av vann fira forbrenningskammeret, hvor det varme vannet fordamper og ekspanderer når det blir sluppet inn i dampkammeret. US 3,921,404 relates to a combined combustion engine and steam engine with two chambers, one combustion chamber and one steam chamber, driving the same cylinder, but in opposite directions. The steam is produced by heating water in the combustion chamber, where the hot water evaporates and expands when it is let into the steam chamber.
US 2.196.980 angår også en kombinert forbrennings- og dampmotor, hvor damp genereres i en kjølekappe rundt forbrenningssylindrene og utnyttes til å drive dampsylindrene. US 2,196,980 also relates to a combined combustion and steam engine, where steam is generated in a cooling jacket around the combustion cylinders and utilized to drive the steam cylinders.
US 3.918.263 vedrører en integrert forbrenningsmotor og dampmotor for et kraftanlegg omfattende to forbrenningsmotorer som forbrenner et brennstoff med høyt hydrogeninnhold, og en dampmotor hvor avgassene fra forbrenningsmotorene blir ytterligere ekspandert. For ytterligere å øke det negative trykket på dampmotorens utløpsside er det anbrakt en kjøler for avgassen fra dampmotoren i utløpsrøret fra denne. Det er både beskrevet anvendelse av stempelmotorer og wankel-type roterende motorer. US 3,918,263 relates to an integrated combustion engine and steam engine for a power plant comprising two combustion engines which burn a fuel with a high hydrogen content, and a steam engine where the exhaust gases from the combustion engines are further expanded. In order to further increase the negative pressure on the steam engine's outlet side, a cooler for the exhaust gas from the steam engine has been placed in the outlet pipe from it. Both the use of piston engines and wankel-type rotary engines are described.
US 2.671.311 angår en motor med alternerende intern forbrennings- og dampdrift på samme sylinder. Varmen generert ved forbrenningsslagene til motoren blir tatt vare på ved at motoren er isolert for å redusere varmetapet gjennom sylinderveggene foruten at utslippsgassen benyttes til å forvarme vann som blir injisert i sylinderen for fordampning for å drive dampslagene til motoren. US 2,671,311 relates to an engine with alternating internal combustion and steam operation on the same cylinder. The heat generated by the combustion strokes of the engine is taken care of by the fact that the engine is insulated to reduce heat loss through the cylinder walls, besides that the exhaust gas is used to preheat water that is injected into the cylinder for evaporation to drive the steam strokes of the engine.
Det er kjent fra et flertall publikasjoner å benytte utslippgassen fra forbrenningsmotoren med tilskudd av damp generert fra varmt vann til å drive en dampmotor. Forskjellige løsninger basert på dette prinsippet er beskrevet i: - US 2.791.881 som vedrører en kombinert diesel- og dampmotor med separate diesel- og dampsylindre på samme aksling. Dieseldelen er i og for seg en vanlig dieselmotor, mens dampdelen blir drevet av avgass fra dieselmotoren samt oppvarmet vann som blir injisert direkte i sylinderen. Vannet som injiseres i dampsylinderen blir oppvarmet av spillvarme fra dieselsylinderen. Et sentralt trekk It is known from a majority of publications to use the exhaust gas from the internal combustion engine with the addition of steam generated from hot water to drive a steam engine. Different solutions based on this principle are described in: - US 2,791,881 which relates to a combined diesel and steam engine with separate diesel and steam cylinders on the same axle. The diesel part is in and of itself a normal diesel engine, while the steam part is powered by exhaust gas from the diesel engine as well as heated water that is injected directly into the cylinder. The water injected into the steam cylinder is heated by waste heat from the diesel cylinder. A central feature
synes å være at dieselmotoren er 270° foran dampmotoren i fase. seems to be that the diesel engine is 270° ahead of the steam engine in phase.
- US 6.095.100 som vedrører en motormed fire sylindrer, hvor to sylindrer er forbrenningssylindrer som operer i en Otto-syklus, mens to sylindrer er dampsylindrer som blir drevet av avgassen fra forbrenningssylindrene med tilskudd av vanndamp generert ved injeksjon av varmt vann. - US 6,095,100 which relates to an engine with four cylinders, where two cylinders are combustion cylinders operating in an Otto cycle, while two cylinders are steam cylinders which are driven by the exhaust gas from the combustion cylinders with the addition of water vapor generated by injection of hot water.
Det er dessuten, bl.a. fra US 4.301.655 og US 4.417.447 kjent injeksjon av vann inn i brennkammeret i en forbrenningsmotor slik at vannet fordamper og gir ekstra trykk i sylinderen. It is also, i.a. known from US 4,301,655 and US 4,417,447 injection of water into the combustion chamber of an internal combustion engine so that the water evaporates and gives extra pressure in the cylinder.
Fra US 5.896.746 er det kjent en motorsammensetning hvor man varmeveksler avgassen fra en forbrenningsmotor mot vann for å gi vanndamp som benyttes for å drive en dampmotor. Det er imidlertid kun avgassen som benyttes for oppvarming og fordampning av vannet. From US 5,896,746, an engine composition is known in which the exhaust gas from an internal combustion engine is exchanged for water to produce steam which is used to drive a steam engine. However, only the exhaust gas is used for heating and evaporating the water.
Fra WO 01/42625, er det kjent en anordning som i mange henseender tilsvarer US 5.896.746. Damp for drift av en dampmotor genereres i en evaporator ved hjelp av varme fra en forbrenningsmotor. Også her er det beskrevet oppvarming og fordamping av vann i ett trinn. From WO 01/42625, a device is known which in many respects corresponds to US 5,896,746. Steam for operating a steam engine is generated in an evaporator using heat from an internal combustion engine. Here, too, the heating and evaporation of water in one step is described.
Til sist er det fra US 4.433.548 kjent en kombinasjonsmotor hvor den enkelte sylinder vekselvis blir drevet som ved forbrenning og damp. Varme fra den varme avgassen benyttes for å produsere vanndamp. Vannet i systemet går i et lukket kretsløp hvor både vann kondensert fra avgassen fra forbrenningen og damp fra dampsyklusen til motoren sirkulerer. Finally, a combination engine is known from US 4,433,548 where the individual cylinder is alternately driven as with combustion and steam. Heat from the hot exhaust gas is used to produce steam. The water in the system runs in a closed circuit where both water condensed from the exhaust gas from the combustion and steam from the steam cycle of the engine circulate.
Trass i det som er kjent fra de ovenfor beskrevne løsningene er det likevel fremdeles et behov for å øke virkningsgraden til forbrenningsmotorer. Det er således et mål for foreliggende oppfinnelse å fremskaffe forbedrede energiomvandlere med høyere virkningsgrad enn det som er kjent fra før. Despite what is known from the solutions described above, there is still a need to increase the efficiency of internal combustion engines. It is thus an aim of the present invention to provide improved energy converters with a higher degree of efficiency than what has been known before.
Ifølge foreliggende oppfinnelse blir det fremskaffet en fremgangsmåte for drift av en motorsammenstilling omfattende en forbrenningsmotor med indre forbrenning av et brennstoff og luft, og en dampmotor og hvor damp for drift av dampmotoren i det minste delvis genereres ved bruk av overskuddsvarme fra forbrenningsmotoren, hvor forbrenningsmotoren avkjøles av et kjølemedium under trykk som under kjølingen går over fra væskefase til dampfase, at fluidet i dampfase superopphetes ved varmeveksling mot avgassen fra forbrenningsmotoren, hvoretter det superopphetede fluidet i dampfase avspennes over dampmotoren. According to the present invention, a method is provided for operating an engine assembly comprising an internal combustion engine with internal combustion of a fuel and air, and a steam engine and where steam for operating the steam engine is at least partially generated by using surplus heat from the internal combustion engine, where the internal combustion engine is cooled of a refrigerant under pressure which during cooling changes from liquid phase to vapor phase, that the fluid in vapor phase is superheated by heat exchange against the exhaust gas from the internal combustion engine, after which the superheated fluid in vapor phase is released over the steam engine.
Det er foretrukket at forbrenningsmotoren avkjøles med vann som tilføres en kjølekappe omkring et brennkammer ved et trykk fra 2 til 100 bar. It is preferred that the internal combustion engine is cooled with water that is supplied to a cooling jacket around a combustion chamber at a pressure of 2 to 100 bar.
Ifølge en foretrukket utførelsesform har dampmotoren og forbrenningsmotoren et felles kraftuttak. According to a preferred embodiment, the steam engine and the internal combustion engine have a common power take-off.
Ifølge en annen foretrukket utførelsesform har dampmotoren og forbrenningsmotoren en felles drivaksel. According to another preferred embodiment, the steam engine and the internal combustion engine have a common drive shaft.
Ifølge en foretrukket utførelsesform er dampmotoren og forbrenningsmotoren begge stempelmotorer. According to a preferred embodiment, the steam engine and the internal combustion engine are both piston engines.
Dampmotoren og/eller forbrenningsmotoren kan være roterende motorer. The steam engine and/or the internal combustion engine may be rotary engines.
Det blir dessuten fremskaffet en motorsammenstilling omfattende en forbrenningsmotor med indre forbrenning og en dampmotor og hvor damp for drift av dampmotoren genereres ved bruk av overskuddsvarme fra forbrenningsmotoren, som også omfatter et kjølesystem med et kjølemedium under trykk som går over fra væskefase til dampfase under kjøling av forbrenningsmotoren og en varmeveksler for superoppvarming av fluidet i dampfase før det avspennes over dampmotoren. There is also provided an engine assembly comprising an internal combustion engine and a steam engine and where steam for operation of the steam engine is generated using excess heat from the combustion engine, which also comprises a cooling system with a refrigerant under pressure which changes from liquid phase to vapor phase during cooling of the combustion engine and a heat exchanger for superheating the fluid in the vapor phase before it is released above the steam engine.
Kjølefluidet for forbrenningsmotoren har fortrinnsvis et trykk på 2 til 100 bar. The cooling fluid for the internal combustion engine preferably has a pressure of 2 to 100 bar.
Dampmotoren og forbrenningsmotoren har ifølge en foretrukket utførelsesform felles kraftuttak. According to a preferred embodiment, the steam engine and the internal combustion engine have a common power take-off.
Ifølge en foretrukket utførelsesform er både dampmotoren og forbrenningsmotoren stempelmotorer. According to a preferred embodiment, both the steam engine and the internal combustion engine are piston engines.
Ifølge en annen foretrukket utførelsesform er dampmotoren og/eller forbrenningsmotoren roterende motorer. According to another preferred embodiment, the steam engine and/or the internal combustion engine are rotary engines.
Ifølge foreliggende oppfinnelse fordampes et kjølfluid under trykk under kjøling av forbrenningsmotoren. Fluidet i dampfase superoppvarmes deretter i en varmeveksler mot avgassen fra forbrenningsmotoren. Ved å fordampe kjølefluidet og superoppvarme dette oppnåes en effektiv utnyttelse av varmeenergien fra forbrenningsmotoren slik at denne kan gjøres om til bevegelsesenergi. Det superoppvarmede fluidet avspennes deretter i dampmotoren til et betydelig lavere trykk og til en betydelig lavere temperatur. Dette gir den sammenstilte motorsammenstillingen en betydelig øket virkningsgrad, dvs. samlet effekt på akselen, enn tidligere kjente løsninger. According to the present invention, a cooling fluid is evaporated under pressure during cooling of the internal combustion engine. The fluid in vapor phase is then superheated in a heat exchanger against the exhaust gas from the internal combustion engine. By evaporating the cooling fluid and superheating this, an efficient utilization of the heat energy from the internal combustion engine is achieved so that this can be converted into kinetic energy. The superheated fluid is then relaxed in the steam engine to a significantly lower pressure and to a significantly lower temperature. This gives the combined motor assembly a significantly increased degree of efficiency, i.e. total effect on the axle, than previously known solutions.
Oppfinnelsen vil nedenfor bli nærmere beskrevet ved hjelp av den vedlagte figur, som viser en prinsippskisse av en foretrukket utførelsesform av foreliggende anordning. The invention will be described in more detail below with the help of the attached figure, which shows a schematic diagram of a preferred embodiment of the present device.
Eksempel 1 - forbrenningmotor og dampmotor med felles drivaksling Example 1 - internal combustion engine and steam engine with common drive shaft
Anordningen vist i figur 1 viser en prinsippskisse av en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Figur 1 viser en motorsammenstilling 1 omfattende en forbrenningsmotor og en dampmotor. The device shown in Figure 1 shows a schematic diagram of a preferred embodiment of the present invention. Figure 1 shows an engine assembly 1 comprising an internal combustion engine and a steam engine.
Forbrenningsmotoren er en tradisjonell Otto-type forbrenningsmotor omfattende forbrenningssylinder 2 med et stempel 18. Luft fra et luftinntak 17 og drivstoff fra en drivstofftilførsel 16 kombineres i et inntak 4 som fører en blanding av luft og drivstoff til forbrenningssylinderen 2. Alternativt kan luft tilføres sylinderen gjennom inntaket 4 og drivstoff tilføres ved direkte innsprøyting i sylinderen. Forbrenningsmotoren kan bli drevet med forskjellig typer brennstoff, slik som hydrokarbon, eller hydrogen, eller blandinger derav. The internal combustion engine is a traditional Otto-type internal combustion engine comprising combustion cylinder 2 with a piston 18. Air from an air intake 17 and fuel from a fuel supply 16 are combined in an intake 4 which leads a mixture of air and fuel to the combustion cylinder 2. Alternatively, air can be supplied to the cylinder through intake 4 and fuel is supplied by direct injection into the cylinder. The internal combustion engine can be powered by different types of fuel, such as hydrocarbon, or hydrogen, or mixtures thereof.
Avgass fra forbrenningen i forbrenningssylinderen tas ut gjennom en utblåsing 5. Forbrenningsmotoren i denne sammenstillingen kan være en tradisjonell totakt- eller firtaktmotor og være en motor med tenning ved tennplugg eller en dieselmotor med spontan tenning av forbrenningen. Exhaust gas from the combustion in the combustion cylinder is taken out through an exhaust 5. The internal combustion engine in this assembly can be a traditional two-stroke or four-stroke engine and be an engine with spark plug ignition or a diesel engine with spontaneous combustion ignition.
Dampmotoren er en tradisjonell damp stempelmotor hvor damp under høyt trykk og høy temperatur blir tilført via en damptilførsel 10 til en sylinder 3 med et stempel 19. Damp under lavere temperatur og trykk blir etter ekspandering sluppet ut gjennom et damputløp 13. The steam engine is a traditional steam piston engine where steam under high pressure and high temperature is supplied via a steam supply 10 to a cylinder 3 with a piston 19. Steam under lower temperature and pressure is released after expansion through a steam outlet 13.
Stemplene 18 og 19 i henholdsvis forbrenningsmotoren og dampmotoren er på tradisjonell måte forbundet til en felles drivaksel 15. The pistons 18 and 19 in the internal combustion engine and the steam engine respectively are connected to a common drive shaft 15 in the traditional way.
Damp for drift av dampmotoren genereres ved kjøling av forbrenningsmotoren. Et kjølemedium under trykk, fortrinnsvis vann, tilføres fra en kjølemedieledning 11 til en kjølekappe 7 som ligger omkring sylinderen 2. Kjølemediet oppvarmes under kjøling av motoren til en temperatur som høyere enn kjølemediets koketemperatur under det aktuelle trykket slik at kjølemediet går over fra væskefase til gassfase i kjølekappen 7 og forlater denne gjennom et damprør 6. Typisk vil trykket på kjølemediet være i området 2 til 100 bar, typisk omkring 40 bar. Under kjøling av forbrenningsmotoren oppvarmes kjølemediet til en temperatur i området fra 100 til 300 °C, typisk omkring 250 °C Steam for operation of the steam engine is generated by cooling the internal combustion engine. A cooling medium under pressure, preferably water, is supplied from a cooling medium line 11 to a cooling jacket 7 which is located around the cylinder 2. The cooling medium is heated during cooling of the engine to a temperature that is higher than the cooling medium's boiling temperature under the relevant pressure so that the cooling medium changes from liquid phase to gas phase in the cooling jacket 7 and leaves this through a steam pipe 6. Typically, the pressure on the cooling medium will be in the range 2 to 100 bar, typically around 40 bar. During cooling of the internal combustion engine, the coolant is heated to a temperature in the range from 100 to 300 °C, typically around 250 °C
Det fordampede kjølemediet i damprør 6 superoppvarmes deretter ved varmeveksling mot avgassen fra utblåsing 5 i en varmeveksler 12. Den avkjølte avgassen forlater varmeveksleren 12 gjennom avgassledning 9 mens den superoppvarmede dampen, som er under trykk, blir ført videre til dampsylinderen 3 via damptilførselen 10.1 varmeveksleren 12 blir dampen oppvarmet til en temperatur på 500 til 900 °C, typisk omkring 700 °C og har et trykk som angitt ovenfor. The vaporized refrigerant in steam pipe 6 is then superheated by heat exchange against the exhaust gas from exhaust 5 in a heat exchanger 12. The cooled exhaust gas leaves the heat exchanger 12 through the exhaust line 9 while the superheated steam, which is under pressure, is carried on to the steam cylinder 3 via the steam supply 10.1 heat exchanger 12 the steam is heated to a temperature of 500 to 900 °C, typically around 700 °C and has a pressure as indicated above.
Den superoppvarmede dampen blir deretter avspent og avkjølt ved ekspandering i dampsylinderen 3 og føres ut av dampsylinderen 3 gjennom damputløpet 13. Ved avspenningen i dampmotoren avspennes dampen til et trykk fra 0,1 til 0,01 bar, typisk omkring 0,04 bar og avkjøles til omkring 100 °C. The superheated steam is then de-stressed and cooled by expansion in the steam cylinder 3 and is led out of the steam cylinder 3 through the steam outlet 13. During the de-stressing in the steam engine, the steam is de-stressed to a pressure of 0.1 to 0.01 bar, typically around 0.04 bar and cooled to around 100 °C.
Den ekspanderte og avkjølte dampen kondenseres deretter ved avkjøling mot et kjølemedium, som for eksempel luft, i en varmeveksler 14. Det kondenserte kjølemediet komprimeres deretter til ønsket trykk i en kompTessoT 8 før kjølemediet igjen tilføres til kjølekappen 7 via kjølemedieledningen 11. The expanded and cooled steam is then condensed by cooling against a cooling medium, such as air, in a heat exchanger 14. The condensed cooling medium is then compressed to the desired pressure in a compTessoT 8 before the cooling medium is again supplied to the cooling jacket 7 via the cooling medium line 11.
Kjølemediet løper således i et lukket system. The cooling medium thus runs in a closed system.
Et regneksempel for en motorsammenstilling som angitt i figur 1, viser klar gevinst i total virkningsgrad i forhold til en Otto-motor. Dagens Otto-motorer har en virkningsgrad, dvs. effekt akslingen, på ca. 1/3 eller 33%, et kjøletap på 1/3 og et eksostap på 1/3. Kjøletapet, som normalt ledes bort i form av kjølevann på 92 °C kan ikke gjenvinnes / gir lavt utbytte ved gjenvinning. A calculation example for an engine assembly as indicated in Figure 1 shows a clear gain in total efficiency compared to an Otto engine. Today's Otto engines have an efficiency, i.e. power output, of approx. 1/3 or 33%, a cooling loss of 1/3 and an exhaust loss of 1/3. The cooling loss, which is normally led away in the form of cooling water at 92 °C, cannot be recovered / gives a low yield when recovered.
For en forbrenningsmotor på 100 kW (Ottomotor) med en virkningsgrad på 33%, eller 33 kW, kan den totale virkningsgraden ved bruk av foreliggende oppfinnelse bli som følger: For a combustion engine of 100 kW (Ottomotor) with an efficiency of 33%, or 33 kW, the total efficiency when using the present invention can be as follows:
Betingelser: Conditions:
Dampmotor: Stempelmotor med 80% termisk virkningsgrad ved Pjnn = 40 bar, Put = 0,04 bar. Steam engine: Piston engine with 80% thermal efficiency at Pjnn = 40 bar, Put = 0.04 bar.
Kjøling av forbrenningsmotor: Vann inn, 100 °C, 40 bar; damp ut, 250 °C, 40 bar gir ved 33 kW kjøling 0,014 kg/s damp. Cooling of internal combustion engine: Water in, 100 °C, 40 bar; steam out, 250 °C, 40 bar gives 33 kW cooling 0.014 kg/s steam.
Energiutbytte: Energy yield:
Kjøling av eksosgass: dampen ovenfor oppvarmes ved varmeveksling fra 250 °C til 700 "C, dvs. dampen tilføres 15,2 kW fra eksosgassen. Cooling of exhaust gas: the steam above is heated by heat exchange from 250 °C to 700 "C, i.e. the steam is supplied with 15.2 kW from the exhaust gas.
Avspenning av damp i dampmotor: Fra 700 °C, 40 bar til 100 °C, 0,04 bar med 80% virkningsgrad gir en akseleffekt på 18 kW. Relaxation of steam in a steam engine: From 700 °C, 40 bar to 100 °C, 0.04 bar with 80% efficiency gives a shaft power of 18 kW.
Kondensering av damp: 100 °C, 0,04 bar kondenseres vann ved 100 °C med kjøling mot luft: 30,5 kW. Condensation of steam: 100 °C, 0.04 bar water is condensed at 100 °C with cooling against air: 30.5 kW.
Dette gir en total virkningsgraden på akselen for motorsammensetningen ovenfor som følger: n=(33 kW + 18kW)/100 kW = 51%. This gives a total efficiency on the shaft for the above motor combination as follows: n=(33 kW + 18kW)/100 kW = 51%.
Eksempel 2 - motor med forbrenningsmotor og dampmotor i felles stempelkammer Example 2 - engine with internal combustion engine and steam engine in a common piston chamber
Anordningen vist i figur 2 er en annen foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse omfattende et stempelkammer 21 med et forbrenningkammer 22 i den ene enden og et dampkammer 23 i den andre enden, hvor forbrenningskammeret 22 og dampkammeret 23 er skilt med et felles stempel 26. Stempelet 26 kan beveges mellom to ytterpunkter i stempelkammerets 1 lengderetning på en slik måte at når stempelet 26 står i et første av disse to ytterpunkt er volumet av forbrenningskammeret på sitt maksimale, mens volumet av dampkammeret er på sitt minimale. Når stempelet 26 står i sin andre ytterstilling er forholdet mellom volumene til forbrenningskammeret og dampkammeret motsatt. The device shown in Figure 2 is another preferred embodiment of the present invention comprising a piston chamber 21 with a combustion chamber 22 at one end and a steam chamber 23 at the other end, where the combustion chamber 22 and the steam chamber 23 are separated by a common piston 26. The piston 26 can be moved between two extreme points in the longitudinal direction of the piston chamber 1 in such a way that when the piston 26 is at a first of these two extremes, the volume of the combustion chamber is at its maximum, while the volume of the steam chamber is at its minimum. When the piston 26 is in its second extreme position, the relationship between the volumes of the combustion chamber and the steam chamber is opposite.
Forbrenningskammeret er en vanlig Otto-type forbrenningsmotor med et inntak 24 for en blanding av luft og brennstoff, slik som hydrokarbon, hydrogen eller blanding derav, samt en utblåsing 25 for forbrent avgass. Alternativt til tilførsel av brennstoff og luft gjennom inntaket 24, kan luft alene tilføres gjennom dette inntaket og brennstoffet kan injiseres direkte i brennkammeret. På den viste utførelsesformen tas luft inn i et luftinntak 37 og drivstoff gjennom en drivstofftilførsel 36. The combustion chamber is a normal Otto-type combustion engine with an intake 24 for a mixture of air and fuel, such as hydrocarbon, hydrogen or a mixture thereof, as well as an outlet 25 for burnt exhaust gas. As an alternative to the supply of fuel and air through the intake 24, air alone can be supplied through this intake and the fuel can be injected directly into the combustion chamber. In the embodiment shown, air is taken into an air intake 37 and fuel through a fuel supply 36.
Blandingen av brennstoff og luft i brennkammeret kan enten antennes ved hjelp av en elektrisk gnist over en ikke vist tennplugg, eller ved selvantennelse, som i en dieselmotor. Trykket generert av den antente gassen i brennkammeret driver da på kjent måte et stempel 26. Forbrenningsmotoren kan på kjent måte virke etter totakt- eller firtaktprinsippet. The mixture of fuel and air in the combustion chamber can either be ignited by means of an electric spark over a spark plug, not shown, or by self-ignition, as in a diesel engine. The pressure generated by the ignited gas in the combustion chamber then drives a piston 26 in a known manner. The internal combustion engine can operate according to the two-stroke or four-stroke principle in a known manner.
I den viste utførelsesformen er det i den andre enden av stempelkammeret 21 et dampkammer hvor damp fra damptilførsel 30 ekspanderes i motfase til ekspansjonen i forbrenningskammeret for således å bringe stempelet 26 tilbake og redusere volumet av forbrenningskammeret. In the embodiment shown, at the other end of the piston chamber 21 is a steam chamber where steam from steam supply 30 is expanded in counterphase to the expansion in the combustion chamber to thus bring the piston 26 back and reduce the volume of the combustion chamber.
Dampen som driver dampdelen av foreliggende anordning genereres ved at vann under trykk fordampes ved kjøling av eksplosjonsmotordelen av stempelkammeret. Vannet ledes under trykk på eksempelvis 40 bar inn i en kjølekappe 27 som ligger omkring forbrenningsdelen av motoren. Den dampen som blir generert under kjøling av motoren og som typisk har en temperatur i området fra 100° til 300°, typisk omkring 250 °C, blir ledet i et damprør 31 til en varmeveksler 32 damen blir superoppvarmet ved varmeveksling mot avgassen fra forbrenningsmotoren. Etter varmeveksleren 32 ledes avgassen bort via eksosrør 29, mens den superoppvarmede dampen ledes til dampkammeret i en dampledning 30 til dampkammeret 23 hvor dampen, som her har en temperatur på omkring 700 °C og et trykk å 40 bar, blir avspent. The steam that drives the steam part of the present device is generated by water under pressure being evaporated by cooling the explosion engine part of the piston chamber. The water is led under a pressure of, for example, 40 bar into a cooling jacket 27 which is located around the combustion part of the engine. The steam which is generated during cooling of the engine and which typically has a temperature in the range from 100° to 300°, typically around 250°C, is led in a steam pipe 31 to a heat exchanger 32 which is superheated by heat exchange against the exhaust gas from the combustion engine. After the heat exchanger 32, the exhaust gas is led away via exhaust pipe 29, while the superheated steam is led to the steam chamber in a steam line 30 to the steam chamber 23 where the steam, which here has a temperature of around 700 °C and a pressure of 40 bar, is decompressed.
Etter at den superoppvarmede dampen er avspent over dampkammeret for drift av stempelet, er trykket typisk omkring 0,04 bar og temperaturen omkring 100 °C. Etter avspenning ledes dampen i et damprør 33 til en varmeveksler 34 hvor dampen kondenseres ved varmeveksling mot et kjølefluid, slik som eksempelvis luft eller vann. Det kondenserte kjølefluidet komprimeres deretter igjen til et trykk på eksempelvis 40 bar før det igjen føres inn kjølekappen 27 og igjen oppvarmes og fordampes som ovenfor beskrevet. After the superheated steam is released above the steam chamber for operation of the piston, the pressure is typically around 0.04 bar and the temperature around 100°C. After relaxation, the steam is led in a steam pipe 33 to a heat exchanger 34 where the steam is condensed by heat exchange against a cooling fluid, such as, for example, air or water. The condensed cooling fluid is then compressed again to a pressure of, for example, 40 bar before it is again fed into the cooling jacket 27 and again heated and evaporated as described above.
Foreliggende oppfinnelse er ovenfor beskrevet med henvisning til to eksempler hvor forbrenningsmotoren og dampmotoren begge er stempelmotorer og hvor disse i et eksempel deler et felles stempelkammer og i det andre eksempelet har to separate stempelkamre. Foreliggende konsept kan imidlertid også benyttes for andre motorsammenstillinger, slik som for eksempel: The present invention is described above with reference to two examples where the internal combustion engine and the steam engine are both piston engines and where these in one example share a common piston chamber and in the other example have two separate piston chambers. However, the present concept can also be used for other engine combinations, such as for example:
- roterende motorer, slik som Wankel-type motorer, - rotary engines, such as Wankel-type engines,
- roterende motorer slik som gassturbin og dampturbin, og - rotating engines such as gas turbine and steam turbine, and
- kombinasjon av roterende motorer og stempelmotorer. - combination of rotary engines and piston engines.
Et sentralt og viktig element ifølge foreliggende oppfinnelse er at forbrenningsmotoren kjøles av et kjølemedium, slik som vann, ved et trykk som er høyere enn atmosfæretrykket og hvor kjølemediet går over fra væskefase til dampfase under kjølingen av forbrenningsmotoren. Et annet viktig trekk er at kjølemediet i gassfase etter at det har forlatt kjølekappen rundt forbrenningsmotoren superoppvarmes ved varmeveksling mot avgassen fra forbrenningsmotoren for ta vare på varmeenergien i avgassen, før kjølemediet ekspanderes over dampmotoren. A central and important element according to the present invention is that the internal combustion engine is cooled by a cooling medium, such as water, at a pressure that is higher than the atmospheric pressure and where the cooling medium changes from liquid phase to vapor phase during the cooling of the internal combustion engine. Another important feature is that the refrigerant in the gas phase, after it has left the cooling jacket around the internal combustion engine, is superheated by heat exchange with the exhaust gas from the internal combustion engine to preserve the heat energy in the exhaust gas, before the refrigerant is expanded over the steam engine.
I eksempelet ovenfor har dampmotoren og forbrenningsmotoren en felles drivaksel. Denne er ikke noen forutsetning for oppfinnelsen. En felles drivaksel er imidlertid foretrukket dersom det er viktig med en kompakt motorsammenstilling. Et annet foretrukket alternativ til en felles drivaksel kan være at dampmotoren og forbrenningsmotoren har hver sin drivaksel, men et felles kraftuttak, dvs. at drivakslene er koblet funksjonelt sammen slik at de driver en felles aksel eller kraftuttak. In the example above, the steam engine and the internal combustion engine have a common drive shaft. This is not a prerequisite for the invention. However, a common drive shaft is preferred if a compact engine assembly is important. Another preferred alternative to a common drive shaft could be that the steam engine and the internal combustion engine each have their own drive shaft, but a common power take-off, i.e. that the drive shafts are functionally connected together so that they drive a common shaft or power take-off.
Fagmannen vil også forstå at selv om oppfinnelsen ovenfor er beskrevet med et forbrenningskammer og ett dampkammer, kan motorsammenstillingen også omfatte et flertall forbrennings- og/eller dampenheter. Fagmannen vil også forstå at den innbyrdes dimensjoneringen av forbrennings- og dampenhetene må beregnes i det enkelte tilfellet slik at kapasiteten på dampmotordelen er dimensjonert i forhold til kjølebehovet for forbrenningsmotordelen. The person skilled in the art will also understand that although the above invention is described with a combustion chamber and a steam chamber, the engine assembly may also comprise a plurality of combustion and/or steam units. The person skilled in the art will also understand that the mutual dimensioning of the combustion and steam units must be calculated in the individual case so that the capacity of the steam engine part is dimensioned in relation to the cooling requirement of the combustion engine part.
Gjennom foreliggende beskrivelse blir ordet "luft" ansett å dekke atmosfærisk luft, oksygen, oksygenanriket luft og blandinger disse med eventuelle inerte eller ikke inerte gasser. Throughout the present description, the word "air" is considered to cover atmospheric air, oxygen, oxygen-enriched air and mixtures of these with any inert or non-inert gases.
Vann blir i de viste eksemplene benyttet som kjølefluid for forbrenningsmotoren og derved vanndamp som drivmiddel for dampmotoren. Selv om vann er det foretrukne fluidet kan det også tenkes benyttet andre fluider. Kravene til fluidet er imidlertid at det skifter fase mellom gass og væske i det aktuelle temperatur- og trykkområdet slik at de for vann beskrevne overgangene mellom disse fasene skjer. Med ordene "vann" henholdsvis "damp" skal det således forståes også andre fluider som har de nødvendige egenskapene. In the examples shown, water is used as cooling fluid for the internal combustion engine and thereby water vapor as propellant for the steam engine. Although water is the preferred fluid, it is also conceivable to use other fluids. However, the requirements for the fluid are that it changes phase between gas and liquid in the relevant temperature and pressure range so that the transitions between these phases described for water occur. The words "water" and "steam" are thus to be understood as also other fluids that have the necessary properties.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20013375A NO315582B1 (en) | 2001-07-06 | 2001-07-06 | Procedure for operation as well as engine assembly for obtaining high efficiency |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20013375A NO315582B1 (en) | 2001-07-06 | 2001-07-06 | Procedure for operation as well as engine assembly for obtaining high efficiency |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20013375D0 NO20013375D0 (en) | 2001-07-06 |
| NO20013375L NO20013375L (en) | 2003-01-07 |
| NO315582B1 true NO315582B1 (en) | 2003-09-22 |
Family
ID=19912650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20013375A NO315582B1 (en) | 2001-07-06 | 2001-07-06 | Procedure for operation as well as engine assembly for obtaining high efficiency |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| NO (1) | NO315582B1 (en) |
-
2001
- 2001-07-06 NO NO20013375A patent/NO315582B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NO20013375D0 (en) | 2001-07-06 |
| NO20013375L (en) | 2003-01-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101417143B1 (en) | Piston steam engine having internal flash vapourisation of a working medium | |
| US4747271A (en) | Hydraulic external heat source engine | |
| US6834503B2 (en) | Method for the operation of a steam thermal engine, in particular as a vehicle power unit | |
| US7028476B2 (en) | Afterburning, recuperated, positive displacement engine | |
| EP2440751B1 (en) | Waste heat recovery system | |
| US5894729A (en) | Afterburning ericsson cycle engine | |
| US8061140B2 (en) | High efficiency multicycle internal combustion engine with waste heat recovery | |
| US20090314005A1 (en) | Piston engine systems and methods | |
| US20120060493A1 (en) | Hybrid combustion energy conversion engines | |
| US7178324B2 (en) | External combustion engine | |
| US3918263A (en) | Hydrogen-fueled internal-combustion and steam engine power plant | |
| JPS5938405B2 (en) | Reciprocating heat engine and its method of operation | |
| NO800484L (en) | PROCEDURE AND APPARATUS FOR RECOVERY OF HEAT ENERGY IN A CHARGED COMBUSTION ENGINE | |
| NO314643B1 (en) | heat Machine | |
| JP2012528984A (en) | Internal combustion engine | |
| US20190301310A1 (en) | Vehicle with system for recovering waste heat | |
| US6314925B1 (en) | Two-stroke internal combustion engine with recuperator in cylinder head | |
| JP2018003682A (en) | Engine with exhaust heat recovery function | |
| WO2010105288A1 (en) | Thermal engine using an external heat source | |
| US8375712B2 (en) | Water explosion engine, method, and device | |
| NO315582B1 (en) | Procedure for operation as well as engine assembly for obtaining high efficiency | |
| JP3640411B2 (en) | Waste heat recovery system | |
| JP2012002191A (en) | Hybrid engine using the same cylinder | |
| US20050172623A1 (en) | Rakh cycle engine | |
| JP7478089B2 (en) | Biogas Engine System |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CREP | Change of representative |
Representative=s name: ZACCO NORWAY AS, POSTBOKS 2003 VIKA |
|
| CHAD | Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften) |
Owner name: STATOIL ASA, NO |
|
| CHAD | Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften) |
Owner name: STATOIL PETROLEUM AS, NO |
|
| CREP | Change of representative |
Representative=s name: TANDBERGS PATENTKONTOR AS, POSTBOKS 1570 VIKA, 011 |
|
| MK1K | Patent expired |