DE2618584A1

DE2618584A1 - Waste heat recuperation system for water cooled engines - in which cooling water is heated by exhaust gases and used to drive generator

Info

Publication number: DE2618584A1
Application number: DE19762618584
Authority: DE
Inventors: Rudolf Hennecke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1976-04-28
Publication date: 1977-11-10

Abstract

The cooling water outlet (4) from a high performance internal combustion engine is fed to a boiler (5). The exhaust pipe passes through the boiler to transfer heat to the water. The exhaust gases then pass to atmos. (8). The steam produced in the boiler is then utilised to drive a pistoned steam engine (10) which is coupled to an electric generator (12). Alternatively, a closed water circulation cycle could be used, whereby the steam from the boiler (5) is fed to a steam turbine. The turbine exhaust is then passed through a condenser and fed back to the internal combustion engine cooling system.

Description

Einrichtung zur Rückgewinnung der Abwärme von Device for the recovery of waste heat from

wassergekühlten Verbrennungsmotoren Es ist bekannt, bei wassergekühlten Verbrennungsmotoren die Wärme des Kühlwassers entweder unmittelbar oder mittelbar über Wärmeaustauscher für Heizungszwecke zu verwenden. Bei Kraftfahrzeugen wird von diesem Prinzip in großem Umfang Gebrauch gemacht zur Beheizung des Innenraumes des Kraftfalirzeuges, wenn die Außentemperaturen das erforderlich machen. Diese Heizung ist selbstverständlich regelbar. water-cooled internal combustion engines It is known in water-cooled Internal combustion engines the heat of the cooling water either directly or indirectly to be used for heating purposes via heat exchangers. In motor vehicles made extensive use of this principle to heat the interior the Kraftfalirzeuges, if the outside temperatures make it necessary. These The heating can of course be regulated.

Eine andere bekannte Art der Rückgewinnung von in Verbrennungsmotoren erzeugten Abwärme und Abgasenergie besteht darin, insbesondere bei Hochleistungsmotoren von Kraftfahrzeugen, in die Abgasleitung eine Gasturbine anzuordnen, mit der ein Kompressor getrieben wird. Dieser Kompressor verdichtet die Ansauglrufc des VerbrennungsmotoJ;~ urd verbessert damit die Füllrng des Motors beim Ladevorgang. Derartige Verdichter sind im allgemeinen beliebig einschaltbar und ausschaltbar und dienen zur Steigerung der Motorleistung bei entsprechendem Bedarf.Another known type of recovery in internal combustion engines generated waste heat and exhaust energy is there, especially in high-performance engines of motor vehicles to arrange a gas turbine in the exhaust pipe, with the one Compressor is driven. This compressor compresses the intake air of the combustion engine This improves the filling of the engine during charging. Such Compressors can generally be switched on and off as required and are used to increase the engine performance when required.

Da etwa die Hälfte der einem Verbrennungsmotor in Form des Kraftstoffes zugeführten Energie als Abwärme im Kühlwasser und in den Abgasen ungenutzt abgeführt wird, kann es in vielen Fällen interessant sein, diese Abwärme zur zusätzlichen Arbeitsleistung auszunutzen.Because about half of an internal combustion engine is in the form of fuel supplied energy dissipated as waste heat in the cooling water and in the exhaust gases unused it can be interesting in many cases to use this waste heat for additional To exploit work performance.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei wassergekühl ten Verbrennungsmotoren sowohl die im Kühlwasser als auch die in den Abgasen enthaltene Abwärme zurückzugewinnen und in mechanische und/oder elektrische Energie umzuwandeln.The invention has the task of th with water cooled Internal combustion engines both in the cooling water and in the exhaust gases Recover waste heat and convert it into mechanical and / or electrical energy.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Einrichtung zur Rückgewin nung der von wassergekühlten Verbrennungsmotoren erzeugten Abwärme gekennzeichnet durch einen Verdampfer, gespeist mit dem heißen Kühlwasser des Motors und erhitzt von Abgasen des Motors, eine dem Verdampfer nachgeordnete Dampfturbine oder Dampfmaschine mit angekoppeltem Stromerzeuger und einen der Dampfmaschine oder Dampfturbine nachgeordneten Dampfkondensator.To solve this problem is a device for recovery the waste heat generated by water-cooled internal combustion engines characterized by an evaporator, fed with the hot cooling water of the engine and heated by Exhaust gases from the engine, a steam turbine or steam engine downstream of the evaporator with a coupled power generator and one downstream of the steam engine or steam turbine Steam condenser.

Der Verbrennungsmotor kann aus einem Eühlwasservorrat gespeist sein und der Auslaß der Dampfturbine oder Dampfmaschine ganz oder teilweise ins Freie münden. Der Kühlwasser~ Dampfkreislauf kann auch geschlossen sein durch Verbindung des Auslasses des Dampfkondensators mit dem Einlaß des Kühlwassers in den Verbrennungsmotor; zweckmäßig ist dann zwischen Dampfkondensator und Verbrennungsmotor ein Wasserspeicher angeordnet. Vor dem Verbrennungsmotor kann auch ein zusätzlicher Wasserbehälter angeordnet sein, gegebenenfalls mit der üblichen Anordnung eines Wasserkühlers vor dem Motor, steuerbar durch Kühlwasserthermo stat.The internal combustion engine can be fed from a cooling water supply and the outlet of the steam turbine or steam engine wholly or partially into the open air flow out. The cooling water ~ steam cycle can also be closed by connection the outlet of the steam condenser with the inlet of the cooling water in the internal combustion engine; A water reservoir is then appropriate between the steam condenser and the internal combustion engine arranged. An additional water tank can also be installed in front of the combustion engine be arranged, optionally with the usual arrangement of a water cooler the motor, controllable by cooling water thermostat.

ZweckmäBig ist zwischen dem Wasserspeicher und dem Wasserbehälter ein Ventil oder eine Pumpe im Wasser-Dampfkreislauf angeordnet. Wenn der Auslaß der Dampfmaschine oder Dampfturbine nur teilweise ins Freie mündet, ist der Auslaß mit einem Dampfkondensator verbunden. Anstelle des an die Dampfmaschine oder Dampfturbine angekoppelten Stromerzeugers kann auch eine unmittelbare mechanische Verbindung zur Motorwelle oder einem nachgeordneten Teil des Getriebes bzw. Antriebes angeordnet sein.It is useful between the water tank and the water tank a valve or a pump in the water-steam circuit arranged. If the outlet of the steam engine or steam turbine only partially opens into the open, the outlet is connected to a steam condenser. Instead of the steam engine or steam turbine-coupled power generator can also be an immediate mechanical Connection to the motor shaft or a downstream part of the gearbox or drive be arranged.

Dem Dampfkondensator kann auch der Verdampfer einer Kühlanlage neben-oder vorgeschaltet sein.The evaporator of a cooling system can also be used alongside or next to the steam condenser be upstream.

In den Abgasen und in dem Kühlwasser eines wassergekühlten Verbrennungsmotors ist der größte Teil der Abwärme des Motors und damit der nicht genutzten Energie enthalten - die durch Strahlung verlorene Energie spielt demgegenüber keine wesentliche Rolle. Die Einrichtung nach der Erfindung bietet den Vorteil, daß durch die Verdampfung des die Abwärme des Motors enthaltenen Kühlwassers mittels der Abgase des Motors der größte Teil dieser Abwärme zurückgewonnen werden kann durch die Ausnutzung der Arbeitsleistung des Dampfes.In the exhaust gases and in the cooling water of a water-cooled internal combustion engine is the largest part of the waste heat from the engine and thus the unused energy contain - the energy lost through radiation is not significant Role. The device according to the invention has the advantage that by evaporation of the cooling water contained in the waste heat of the engine by means of the exhaust gases from the engine Most of this waste heat can be recovered by utilizing the Work performance of the steam.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen naher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Einrichtung nach der Erfindung mit offenem Kühlwasser-Dampfsystem, Fig. 2 eine Einrichtung nach der Erfindung mit geschlossenem Kuhlwasser-1Dampfkrei slauf , Fig. 3 eine Einrichtung nach der Erfindung entsprechend Fig.2 mit erweitertem, geschlossenem Kühlwasser-Dampfkreis lauf.The invention is illustrated below with the aid of exemplary embodiments Explained in more detail with reference to the drawings. In the drawings: FIG. 1 shows a Device according to the invention with an open cooling water-steam system, FIG. 2 shows a device according to the invention with closed Kuhlwasser-1Dampfkrei slauf, Fig. 3 shows a device according to the invention according to FIG. 2 with an expanded, closed cooling water-steam circuit run.

Entsprechend der Fig. 1 ist ein wassergekühlter Verbrennungsmotor 1 an einen Vorratsbehälter 2 für Kühlwasser angeschlos sen. In den Zulauf 3 von diesem Vorratsbehälter 2 zum Motor kann eine Kühlwasservorwärmung eingeschaltet sein. Die Ableitung 4 des Kühlwassers von dem Motor 1 mündet in einen Verdampfer 5. Dieser Verdampfer 5 ist an die Abgasleitung 6 des Motors 1 angeschlossen, und in dem Verdampfer ist die Abgasen tung mit Verzweigungen 7 versehen, um den Wärmeaustausch bzw.According to Fig. 1 is a water-cooled internal combustion engine 1 ruled out to a reservoir 2 for cooling water. In inlet 3 of This reservoir 2 to the engine can be switched on a cooling water preheating be. The discharge line 4 of the cooling water from the engine 1 opens into an evaporator 5. This evaporator 5 is connected to the exhaust pipe 6 of the Motor 1 connected, and in the evaporator, the exhaust gas device is provided with branches 7 to the Heat exchange or

Wärmeübergang zur Verdampfung des umgebenden Kühlwassers zu verbessern. Die Konstruktion ist ähnlich wie die Feuerrohre in einem Dampfkessel ausgebildet. Hinter dem Verdampfer 5 sind die Abgasrohre 7 zusammengefaßt zu einem einzigen Abgasauslaß 8, der ins Freie mündet.To improve heat transfer for evaporation of the surrounding cooling water. The construction is similar to the fire tubes in a steam boiler. Behind the evaporator 5, the exhaust pipes 7 are combined to form a single exhaust gas outlet 8, which flows into the open.

Der in dem Verdampfer 5 erzeugte Dampf wird über ein Dampfrohr 9 einer Kolbendampfmaschine 10 zugeführt und gelangt danach über das Rohr 11 nach Entspannung ins Freie. Die Dampfmaschine 10 treibt einen angekuppelten Stromerzeuger 12, sie kann auch auf die Welle des Motors 1 oder nachgeschaltete Getriebeteile wirken oder auch in anderer Weise zweckmäßig verwendet werden.The steam generated in the evaporator 5 is via a steam pipe 9 a Piston steam engine 10 is supplied and then passes through the pipe 11 after relaxation into the open. The steam engine 10 drives a coupled power generator 12, they can also act on the shaft of the motor 1 or downstream gear parts or can also be used expediently in other ways.

Die einzelnen Teile der Einrichtung sind lediglich schematisch dargestellt, um ihre Anordnung und Wirkungsweise zu erläutern - bei einer ausgeführten Einrichtung werden sie jeweils den besonderen Gegebenheiten und der Auslegung entsprechend ausgewählt und angepaßt.The individual parts of the facility are only shown schematically, to explain their arrangement and mode of operation - in the case of an established facility they are selected according to the particular circumstances and the design and adapted.

Bei den weiteren erläuterten Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile der Einrichtung mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the further exemplary embodiments explained, the same parts are used the device with the same reference numerals.

Nach Fig. 2 ist eine Einrichtung gezeigt, bei der der EühlwasserDampfkreislauf geschlossen ist. Das von dem Verbrennungsmotor 1 kommende erwärmte Kühlwasser wird wiederum über eine Ableitung 4 einem Verdampfer 5 zugeführt, in dem es durch die von dem Motor über die Abgasleitung 6 kommenden heißen Verbrennungsgase verdampft wird. Das Auslaßrohr 8 für die Verbrennungsgase aus dem Verdampfer 5 mündet ins Freie.According to Fig. 2, a device is shown in which the EühlwasserDampfkreislauf closed is. The heated cooling water coming from the internal combustion engine 1 is in turn fed to an evaporator 5 via a discharge line 4, in which it is passed through the from the engine via the exhaust pipe 6 coming hot combustion gases evaporated will. The outlet pipe 8 for the combustion gases from the evaporator 5 opens into Free.

Die aus dem Verdampfer 5 führende Dampfleitung 9 führt zu einer Dampfturbine 13, in der sich der Dampf entspannt, Arbeit leistel, und die mechanisch mit einem Stromerzeuger 12 gekoppelt ist. Aus der Turbine 13 wird der entspannte Dampf über eine Leitung 14 einem Dampfkondensator 15 zugeführt und von dort w t em dem Motor 1 zugeleitet über eine Leitung 16.The steam line 9 leading from the evaporator 5 leads to a steam turbine 13, in which the steam relaxes, work is done, and mechanically with a Power generator 12 is coupled. The expanded steam is transferred from the turbine 13 one Line 14 is fed to a steam condenser 15 and fed from there to the engine 1 via a line 16.

Eine Einrichtung nach Fig. 3 ist im wesentlichen in gleicher Weise aufgebaut wie die Sinrichtung nach Fig. 2. Es ist hier jedoch statt der Dampfturbine 13 wiederum eine Kolbendampfmaschine 10 verwendet. Der wesentliche Unterschied zwischen den Einrichtungen nach Fig. 2 und 3 besteht darin, daß dem Dampfkondensator 15 ein Wasserspeicher 17 nachgeschaltet ist, in dem das aus dem Dampfkondensator 15 austretende Wasser gesammelt wird und weiterhin abkühlen kann. Dieser Wasserspeicher ist über eine Pumpe 18 und eine Wasserleitung 16 mit einem weiteren Wasserbehälter 19 verbunden, der dem Motor vorgeschaltet ist. Dieser Wasserbehälter 19 kann auch Teil eines üblichen Wasserkühlers sein, wie er bei derartigen Verbrennungsmotoren vielfach verwendet wird, insbesondere für Kraftfahrzeuge. Anstelle der Pumpe 18 kann auch ein Ventil in die Rücklaufleitung 16 für das Kühlwasser eingeschaltet sein. Das in dem Wasserbehälter 19 für den Motor vorrätig gehaltene Kühlwasser kann durch einen Thermostaten, der in bekannter Weise als Eühlwasserthermostat ausgebildet ist, in Zusammenwirken mit dem Kühler auf dem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden.A device according to Fig. 3 is essentially in the same way constructed like the device according to FIG. 2. It is here, however, instead of the steam turbine 13 in turn a piston steam engine 10 is used. The main difference between the devices of FIGS. 2 and 3 is that the steam condenser 15 is a Water storage 17 is connected downstream, in which the emerging from the steam condenser 15 Water is collected and allowed to continue to cool. This water reservoir is over a pump 18 and a water pipe 16 connected to a further water tank 19, which is connected upstream of the motor. This water tank 19 can also be part of a conventional one Be water cooler, as it is often used in such internal combustion engines especially for motor vehicles. Instead of the pump 18, a valve can also be used be switched on in the return line 16 for the cooling water. That in the water tank 19 cooling water kept in stock for the engine can be controlled by a thermostat which is designed in a known manner as Eühlwasserthermostat, in cooperation with the cooler can be kept at the desired temperature level.

Bei einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann zusätzlich an den Dampfkondensator 15 der Verdampfer einer Kühlanlage angeschlossen sein, wobei dieser Anschluß derart ausgebildet ist, daß die von dem Dampfkondensator abgegebene Wärme, zumindest teilweise, zur Erwärmung des Verdampfers der Kühlanlage verwendet wird. Auf diese Weise kann auch noch die Abwärme aus dem Dampfkondensator nutzbar gemacht werden.In an embodiment not shown here, can also be connected to the steam condenser 15 of the evaporator of a cooling system, wherein this connection is designed such that the output from the steam condenser Heat, at least in part, used to heat the evaporator of the cooling system will. In this way, the waste heat from the steam condenser can also be used be made.

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Claims

Claims Einrichtune for the recovery of the water-cooled Waste heat generated by internal combustion engines, characterized by an evaporator (5), fed with the hot cooling water of the engine (1) and heated by exhaust gases from the engine, a steam turbine (13) or steam maw machine (10) arranged downstream of the evaporator (5) with a coupled power generator and one of the steam engine (10) or steam turbine (13) downstream steam condenser (15).

2o device according to claim 1, characterized in that the internal combustion engine (1) fed from a cooling water supply (2) iss and the outlet (11) of the steam turbine (13) or steam engine (io) opens completely or partially into the open.

3. Device according to claim 2, characterized in that with partial Opening of the outlet of the steam turbine (13) or the steam engine (10) into the open, the other part of the outlet is connected to a steam condenser (15).

4. Device according to claim 1, characterized in that the cooling water steam circuit is closed by connecting the outlet of the steam condenser (15) to the Inlet (3) of the cooling water in the internal combustion engine.

5. Device according to claim 4, characterized in that between Steam condenser (15) and internal combustion engine (1) a water reservoir (17) are arranged istç

6. Device according to claim 5, characterized in that an additional water tank (19) is arranged in front of the internal combustion engine (1), if necessary with the usual arrangement of a water cooler in front of the engine, controllable by a cooling water thermostat.

7. Device according to claim 5 and 6, characterized in that between the Jasserspeicher (17) and the water tank (19) a valve or a Pump (18) is arranged in the water-steam circuit.

8. Device according to claim 1, characterized in that the steam engine (10) or the steam turbine (13) with the shaft of the motor (1) or a downstream one Gear or drive part is mechanically connected.

9. Device according to claim 1, characterized in that the steam condenser (15) an evaporator is connected next to or upstream of a cooling system.