DE3047939A1

DE3047939A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine mit zugabe von wasser oder wasserdampf sowie brennkraftmaschine zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3047939A1
Application number: DE19803047939
Authority: DE
Inventors: Walter 7033 Herrenberg Neuffer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1982-07-22
Also published as: DE3047939C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, mit Zugabe von vorgewärmtem bzw. vorgespanntem, unter Überdruck in den thermischen Kreisprozeß eingeführtem Wasser oder Wasserdampf, dessen Überhitzung durch Ausnutzung der beim Verbrennungsv^rgang erzeugten Wärme erfolgt, sowie eine Brennkraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Maßnahmen bei Brennkraftmaschinen, der Verbrennungsluft, dem Brennstoff oder dem Brennstoff-Luft-Gemisch nichtbrennbare Stoffe, insbesondere Wasser oder Wasserdampf, zuzuführen, haben überwiegend den Zweck, den Wirkungsgrad der bekannten Brennkraftmaschinen zu verbessern, aber auch, die in der Verbrennungsluft enthal-

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tenen Schadstoffe zu reduzieren und der Klopfneigung der Maschine entgegenzuwirken. Die häufigste und wichtigste Zielrichtung der bekannten Maßnahmen ist jedoch die Verbesserung der Energiebilanz durch Erhöhung des Wirkungsgrades. Denn bei Brennkraftmaschinen in der herkömmlichen Bauweise gehen - unabhängig davon, ob sie nach dem Viertakt- oder dem Zweitaktverfahren arbeiten. - etwa 70 % der mit dem Kraftstoff zugeführten Energie in Form von heißen Abgasen und durch die Kühlung ungenutzt verloren.

Um die beim Verbrennungsprozeß entstehenden hohen Temperaturen z.B. Verbrennungshöchsttemperaturen von 1500 bis 2500 ⁰C, Abgastemperaturen zwischen 500 und 1250⁰C, je nach Arbeitsprinzip für die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie besser nutzbar zu machen, wurden bereits zanlreiche Lösungen vorgeschlagen, durch Zufuhr von Wasser oder Dampf in den Verbrennungsraum der Maschine den durch Erwärmung entstehenden Dampf zur Erzeugung von zusätzlicher Arbeitsleistung heranzuziehen und auszunutzen. So ist es bekannt, zu einem bestimmten Zeitpunkt des Arbeitszyklus der Maschine eine vorbestimmte Menge Wasser in den Zylinder eines Kolbenmotors einzuspritzen, wie z.B. in der auf den unteren Totpunkt folgenden Anfangsphase des Verdichtungshubes (DE-PS 27 27 979), oder, wie in den DE-OS 19 58 732 und 26 29 783 beschrieben, die Einspritzung zusammen bzw. gleichzeitig mit dem Kraftstoff auszuführen, wobei die Zufuhr entweder in die Ansaugleitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt oder durch vorheriges Mischen mit dem Kraftstoff, oder durch direkte Einspritzung in den Verbrennungsraum gleichzeitig mit oder kurz nach der Einspritzung des Kraftstoffes. Nach anderen Vorschlägen wird die Zugabe von Wasser bzw. DQmpf auf den Zündzeitpunkt bezogen und die Einspritzung entweder kurz vor der Zündung, zugleich mit der Zündung, also kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes (DE-OS 24 29 579) oder kurz nach dem Zünden durchgeführt bzw. zum Zeitpunkt des höchsten Verbrennungsdruckes und der höchsten Temperatur, um den Verbrennungsvorgang nicht zu beeinflussen (DE-OS 25 12 859, DE-AS 25 50 722).

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Es wurde auch schon vorgeschlagen (DE-PS 877 683), die Zugabe des Wassers erst kurz vor dem Ende des Arbeitshubes (Expansionshubes) vorzunehmen, oder während des Ausstußvorganges,'wie in der DE-OS 28 26 834 beschrieben.

Bei diesen Motorenausführungen sind ein Wasserreservoir und Einrichtungen zur Vorwärmung des zuzuführenden Wassers vorgesehen, wie etwa ein Wärmetauscher, der am Auspuffkrümmer angebracht ist und das Wasser bzw. den zugeführten Wassernebel erhitzt und in trockenen Heißdampf umwandelt. Es ist aber auch bekannt, das vorgewärmte Wasser anschließend einem Hockdruck-Verdampfer zuzuführen und dort unter Ausnutzung der heißen Abgase auf einen über dem maximalen Verbrennungsdruck liegenden Dampfdruck aufzuheizen, bevor der so erzeugte Wasserdampf im Sattdampfbereich in den Verbrennungsraum eingespeist wird (DE-OS 27 IJ 831).

Allen eben beschriebenen Motoren ist gemeinsam, daß die einzelnen Phasen der Arbeitszyklen prinzipiell unverändert ablaufen, indem beispielsweise die vier Takte eines Viertaktmotors in der üblichen Weise aufeinanderfolgen und lediglich zusätzlich, zu dem jeweils definierten Zeitpunkt, Wasser eingespritzt oder Dampf zugeführt wird, um einen größeren spezifischen Wärmeinhalt des Verbrennungsgas-Dampf-Gemisches zu erhalten und die in mechanische Energie umgewandelte Leistung zu erhöhen. Zum Unterschied dazu ist durch die DE-OS 29 05 899 ein kombinierter Verbrennungs-/Dampfmotor bekannt, bei dem ein dauernder Wechsel von Verbrennung und Verdampfung im Zylinder stattfindet. Sobald sich Zylinderkopf, Zylinderwand und Kolbenboden durch die Verbrennungsvorgänge des Kraftstoffgemisches genügend erhitzt haben, wird in die komprimierte Luft Wasser anstelle von Kraftstoffgemisch eingespritzt, und die Maschine läuft nun unter Ausnutzung der gespeicherten Wärme als Dampfmotor, und zwar so lange., bis eine bestimmte Temperatur der zuvor aufgezählten Bauteile unterschritten ist. Es findet somit in unregelmäßiger Folge ein durch Thermoelemente gesteuerter ständiger Wechsel zwischen Verbrennungs- und Dampfbetrieb statt.

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Ein weiteres Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades, das in der DE-OS 2k 02 826 beschrieben ist, arbeitet nach einem Sechstaktverfahren: Hier laufen die ersten vier Takte in üblicher Weise nach dem Viertaktverfahren ab, mit Ausstoßen der heißen Verbrennungsgase im vierten Takt. Daran schließt sich ein zusätzlicher Arbeitstakt mit Einspritzen heißen und vorgespannten Wassers an, wobei der sich nun bildende Dampf weitere Wärme aus der Brennkammer aufnimmt und überhitzt wird und somit Arbeit leistet. Im anschließenden sechsten Takt wird der expandierte Dampf ausgeschüben, und sodann beginnt der Sechstakt-Zyklus von neuem.

Dieses Arbeitsprinzip ermöglicht eine verbesserte Ausnutzung der bisher durch das Kühlwasser abgeführten Wärme, indem ein Teil der in der Brennkammer, der Zylinderwand und im Kolben gespeicherten Verbrennungswärme für den zusätzliciien Dampfarbeitstakt nutzbar gemacht wird und zur Erhöhung der abgegebenen Leistung beiträgt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß während eines Sechstakt-Zyklus zwei Arbeitstakte ablaufen. Der Nachteil dieser Betriebsweise ist jedoch, daß dieser Motor während der ersten vier Takte in der gleichen Weise arbeitet wie herkömmliche Kolbenmotoren, die heißen Verbrennungsgase also wie bisher ausgestoßen werden, ohne daß die darin enthaltene Wärmeenergie genutzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren zu verbessern, mit dem Ziel, den Wärmeinhalt der Verbrennungsgase für die unmittelbare Erzeugung mechanischer Energie zusätzlich nutzbar zu machen. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst worden. Bei einer nach dem vorgeschlagenen Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine wird ein großer Teil der bei der Kraftstoff-Gemisch-Verbrennung erzeugten Wärme im darauffolgenden Dampfarbeitstakt nutzbar gemacht, nachdem die Verbrennungsgase wieder verdichtet wurden und der Wasserdampf eingespritzt ist. Ein weiterer bedeutender Vorteil der Erfindung ist, daß der Auspuffknall, der bei herkömmlichen

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Motoren im Moment des Öffnens der Auslaßventile bzw. der Auslaßschlitze entsteht, wegfällt, sondern die Auspuffgase erst im Anschluß an den nachfolgenden Dampfarbeitstakt wesentlich entspannter ausgestoßen werden und keine Nachverbrennung stattfindet. Das Auspuffgeräusch ist daher wesentlich verringert, und der Aufwand für die Auspuffanlage kann erheblich reduziert werden. Gleichzeitig wird auch der Anteil an Schadsteffen, die der Motor ausstößt, durch die Zugabe von Wasserdampf in der bekannten Weise verringert.

Die Erfindung kann bei Hubkolbenmotoren und bei Rotationskolbenmotoren in gleicher V/eise eingesetzt werden und wird im folgenden anhand der Zeichnungen an Beispielen der einen und der anderen Motorenbauart erläutert. Es zeigen:

Pign. IA bis IP die einzelnen Phasen eines im Sechstaktverfahren arbeitenden Hubkolbenmotors,

Fign. 2A bis 2F die einzelnen Phasen eines im Sechstaktverfahren arbeitenden Rotationskolbenmotors.

Der in den Fign. IA bis IP in den einzelnen Takten eines Arbeitszyklus' dargestellte Zylinder eines Hubkolbenmotors unterscheidet sich von dem üblichen Aufbau der Zylinder von Viertaktmotoren im wesentlichen nur dadurch, daß zwischen dem Einlaßventil E und dem Auslaßventil A ein drittes Ventil, hier als Dampftaktventil D bezeichnet, angeordnet ist und sich hinter dem Ventilteller des Dampftaktventils D, also oberhalb desselben, eine zusätzliche Kompressionskammer K befindet. Das Dampftaktventil D und die Kompressicnskammer K sind in der Zeichnungsdarstellung in der Mitte des Zylinderkopfes angeordnet, können jedoch auch an anderer Stelle vorgesehen werden. Die Zündkerze, die Einspritzdüse mit -pumpe sowie sonstige Einzelheiten sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Die Steuerung des Dampftaktventils D erfolgt in bekannter Weise, etwa durch die Nockenwelle.

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Es wird darauf hingewiesen., daß in der Zeichnung nur ein einzelner Zylinder dargestellt ist, jedoch ist es für das nachfolgend beschriebene Verfahren zum Betrieb eines ventilgesteuerten Hubkolbenmotors gleichgültig, ^b es sich um einen Ein-Zylinder-Motor oder einen Mehr-Zylinder-M~-tcr handelt; die Arbeitsweise der einzelnen Zylinder stimmt untereinander überein, und ihre Steuerung erfolgt in üblicher Weise mit einer entsprechenden Phasenverschiebung. Für die Phasenverschiebung ist zu beachten, daß die Kurbelwelle, da die Maschine nach dem Sechstaktverfahren arbeitet, bei einem Arbeitszyklus drei Umdrehungen ausführt.

Die Arbeitsweise des Zylinders gemäß den Pign. IA bis IP ist die folgende:

Fig. IA zeigt den Takt "Ansaugen", das Einlaßventil E ist zur Zufuhr des Kraftstoff-Luft-Gemisches geöffnet, die Ventile D und A sind geschlossen.

Fig. IB zeigt den Takt "Verdichten", das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verdichtet, alle Ventile sind geschlossen.

Fig. IC zeigt den ersten Takt "Arbeiten", der Kraftstoff ist gezündet, alle Ventile sind geschlossen.

Fig. ID zeigt den Taxt "Wiederverdichten", die Brenngase werden komprimiert, das Einlaßventil E und das Auslaßventil A sind geschlossen, das Dampftaktventil D ist geöffnet, wodurch das Volumen der Brennkammer um dasjenige der Kompressionskammer K vergrößert ist.

Fig. IE zeigt den zweiter. Takt "Arbeiten", vorgewärmtes Wasser bzw. vorgespannter Dampf wird eingespritzt und expandiert, die Ventilstellung ist unverändert.

Fig. 15' zeigt den Takt "Ausstoßen", die Verbrennungsgase und der

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entspannte Dampf werden ausgestoßen, das Einlaßventil E und das Dampftaktventil D sind geschlossen, das Auslaßventil A ist geöffnet.

Die Zufuhr des Wassers bzw. Dampfes durch eine Düse oder mehrere Düsen erfolgt unter einem Druck, der höher ist als der Verdichtungsdruck im Zylinder zum Zeitpunkt der Einspritzung·. Dieser Einspritzzeitpunkt wird gegen Ende des Wiederverdichtungstaktes bzw. zu Beginn des zweiten Arbeitstaktes so gewählt, daß eine möglichst wirksame Entspannung des nunmehr unter dem Einfluß der aufgenommenen Wärme überhitzten Dampfes erreicht wird.

Die Darstellungen in den Fign. 2A bis 2F zeigen in den entsprechenden Phasen die Arbeitsweise eines im Sechstaktverfahren betriebenen Rotationskolbenmotors, bei dem der Rotationskolben elliptisch geformt ist und in einer trochoidenförmigen Brennkammer umläuft. Die Verbindung zwischen dem Rotationskolben und der Kurbelwelle erfolgt, wie die Figuren zeigen, über einen exzentrischen Zapfen, derart, daß die Kurbelwelle eine entgegengesetzte Drehbewegung ausführt wie der Rotationskolben. Der Kolben bildet an seinen Kolbenseiten A und B mit dem Gehäuse zwei periodisch volumenveranderliche Arbeitskammern, die somit um einen Kurbelwellenwinkel von l80° versetzt wirken, so daß die Charakteristik eines Zwei-Zylinder-Hubkolbenmotors erzielt wird.

Die einzelnen Takte sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Kolbenseite A Kolbenseite B

Fig. 2A - Ansaugen Wiederverdichten

Fig. 2B ■ Verdichten Arbeiten (2. Takt)

Fig. 2C Arbeiten (1. Takt) Ausstoßen

Fig. 2D Wiederverdichten Ansaugen

Fig. 2E Arbeiten (2. Takt) Verdichten

Fig. 2F Ausstoßen Arbeiten (l. Takt)

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Das Einlaßventil E¹ und das Auslaßventil A' sowie das Dampftaktventil D¹ v/erden hier jeweils aufeinanderfolgend für jede Kolbenseite wirksam. So öffnet das Einlaßventil E^f für die Dauer des Arbeitstaktes "Ansaugen" der Kolbenseite A gemäß Pig. 2A und öffnet erneut nach einer Kolbendrehung von l8o für den Ansaugtaict der Kclbenseite B gemäß Fig. 2 D. Entsprechend öffnet das Auslaßventil A' für die Dauer des Taktes "Ausstoßen" der Kolbenseite B gemäß Fig. 2C und öffnet erneut für den Ausstoßtakt der Kolbenseite A gemäß Fig. 2F. Das Dampftaktventil D' Öffnet jeweils während des Wiederverdichtens und des anschließenden zweiten Arbeitstaktes, also für die Kolbenseite A in der Kolbenstellung gemäß den Fign. 2D und 2E und für die Kolbenseite B in der Kolbenstellung gemäß den Fig';. ?A und 2B.

Die Zündkerze, die Einspritzdüse mit zugehöriger Pumpe sowie weitere konstruktive Einzelheiten sind auch in dieser Zeichnung nicht dargestellt, da sie für das Verständnis des beschriebenen Sechstaktverfahrens entbehrlich sind.

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Claims

Patentansprüche

1. J Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, mit Zugabe

von vorgewärmtem bzw. vorgespanntem, unter Überdruck in den thermischen Kreisprozeß eingeführtem Wasser oder Wasserdampf, dessen Überhitzung durch Ausnutzung der beim Verbrennungsvorgang erzeugten Wärme erfolgt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Brennkraftmaschine in einem Sechstaktsverfahren betrieben wird, in welchem die folgenden Takte durchlaufen werden:

1.) Ansaugen des Brennstoff-Luft-Gemisches

2.) Verdichten und Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches.

3.) Arbeiten (1. Takt)

4.) Wiederverdichten der Verbrennungsgase (bei geschlossenem Auslaßventil) mit Einspritzen des Wassers bzw. Wasserdampfes, unter gleichzeitiger Vergrößerung des Brennraumes

5.) Arbeiten (2. Takt)

6.) Ausstoßen der Verbrennungsgase und des entspannten Dampfes.

2. Brennkraftmaschine mit einer Wasser-/ Dampf-Einspritzpumpe, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch

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gekennzeichriet, daß die Ventilsteuerung im Seehstakt in der Folge Ansaugen-Verdichten-Arbeiten-Wiederverdichten-Arbeiten-Ausstößen erfolgt und daß eine zusätzliche Kompressiunskammer (K) angeordnet ist, die mit dem Brennraum in Verbindung steht und dessen Volumen vergrößert, solange für die Dauer des WiederverdichtungstaK-tes (4.)) und des zweiten Arbeitstaktes (5·)) ^eiⁿ zwischen dem Brennraum und der Kompressionskammer (K) befindliches Dampftaktventil (D) geöffnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampftaktventil (D) und die Einspritzdüse von der gemeinsamen Steuerung des Einlaßventils (E, E') und des Auslaßventils (A; A¹) taktsynchron gesteuert sind.

K. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 2 und ~$, dadurch gekennzeichnet, daß mittels mehrerer Einspritzdüsen die Einspritzung des vorgewärmten Wassers bzw. des vorgespannten Dampfes gleichzeitig in die Kompressionskammer (K) und in den Brennraum erfolgt.