DE10117825A1

DE10117825A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10117825A1
Application number: DE10117825A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Aschoff; Wolfgang Liebhart
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine (1), mit wenigstens einem innerhalb eines Führungskörpers (2) beweglich geführten, durch Reaktion von Reaktionsstoffen getriebenen Kolben (6), der wenigstens eine während der Kolbenbewegung sich vergrößernde oder verkleinernde Kammer (8, 10, 12) begrenzt, mit wenigstens einem Einlass (24, 26) für die Reaktionsstoffe, einer Zündeinrichtung (32, 34) für die Zündung der Reaktionsstoffe sowie mit mindestens einem Auslass (40, 42) für die Reaktionsprodukte. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, dass die Reaktionsstoffe flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff beinhalten, welche durch wenigstens eine Einspritzvorrichtung (24, 26) in die Kammer (8, 10, 12) einspritzbar und dort mittels der Zündeinrichtung (32, 34) unter Erzeugung von Wärmeenergie zündbar sind, welche zum Verdampfen von anschließend in die Kammer (8, 10, 12) eingebrachtem Wasser vorgesehen ist. Hierdurch wird ein schadstofffreier und effizienter Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine, insbe sondere von einer Kreiskolben-Brennkraftmaschine, mit wenigstens ei nem innerhalb eines Führungskörpers beweglich geführten, durch Re aktion von Reaktionsstoffen getriebenen Kolben, der wenigstens eine während der Kolbenbewegung sich vergrößernde oder verkleinernde Kammer begrenzt, mit wenigstens einem Einlass für die Reaktionsstof fe, einer Zündeinrichtung für die Zündung der Reaktionsstoffe sowie mit mindestens einem Auslaß für die Reaktionsprodukte, gemäß der Gattung von Anspruch 1.

Solche, aus dem Stand der Technik bekannte Brennkraftma schinen, die mit einem üblichen Kraftstoff-Luft-Gemisch als Reaktions stoffe arbeiten, haben den Nachteil, dass sie gesundheits- und umwelt schädliche Abgase wie beispielsweise Kohlenmonoxid und Kohlendioxid produzieren, welche auch moderne, nach katalytischem Prinzip arbeitende Abgasreinigungsanlagen insbesondere kurz nach einem Kaltstart nicht vollständig aus den Abgasen entfernen können.

Um diesem Problem zu begegnen, werden heute auch alternati ve Energieträger wie beispielsweise Wasserstoff zum Betrieb von Brennkraftmaschinen verwendet. Aus der DE-OS-29 27 973 ist ein Kreiskolbenmotor bekannt, welcher von einer Elektrolysevorrichtung mit gasförmigem Wasserstoff und gasförmigem Sauerstoff als Reakti onsstoffe versorgt wird. Als Reaktionsprodukt entsteht lediglich um weltverträgliches Wasser. Der bekannte Kreiskolbenmotor hat einen in einem Gehäuse durch eine Welle gelagerten Scheibenkolben, in des sen radial äußerem Randbereich mehrere, durch Kanäle mit der Elek trolysevorrichtung in Verbindung stehende, nicht expandierbare Brenn kammern ausgebildet sind. Die Brennkammern münden in Reaktions düsen, welche endseitig durch die radial innere Umfangsfläche des Gehäuses begrenzt sind. Indem die Reaktionsprodukte in gasförmi gem, also unverdichtetem Zustand in die Brennkammer geleitet werden und darüber hinaus keine Vergrößerung des Brennraumvolumens statt finden kann, ist der Wirkungsgrad eines solchen Kreiskolbenmotors re lativ niedrig.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche keine schädlichen Abgase erzeugt und welche zudem einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Wasserstoff und Sauerstoff werden erfindungsgemäß jeweils in flüssiger Form, d. h. in größtmöglich verdichteter Form in die Kammer der Brennkraftmaschine eingespritzt. Folglich ist hierdurch bei den Re aktionsstoffen eine größtmögliche Leistungsdichte im Sinne einer vor ab erfolgten, externen Verdichtung gegeben, wodurch der übliche, die Aufwendung von Arbeit erfordernde Verdichtungstakt entfallen kann. Darüber hinaus entfällt auch der übliche Ansaugtakt, weil die Reakti onsstoffe in die Kammer eingespritzt statt eingesaugt werden. Vorteil haft ist deshalb ein relativ hoher Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

Die im Anschluss an den Einspritzvorgang stattfindende schlag artige Verdampfung der tiefgekühlten Reaktionsstoffe an den Wänden der Kammer sowie deren chemische Reaktion bewirkt eine ebenso schlagartige Expansion, wodurch eine Startbewegung des Kolbens ini tiiert wird, ohne dass hierfür eine eigene Startvorrichtung vorgesehen werden müsste. Durch die folgende Zündung der verdampften Reakti onsstoffe wird in der Kammer Wärmeenergie freigesetzt, welche das anschließend eingespritzte Wasser verdampft, wodurch innerhalb der Kammer ein hochenergetischer Druckanstieg stattfindet, der den größ ten Teil der am Kolben geleisteten Arbeit aufbringt. Durch Variation von Menge, Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer des Wassers ist der Arbeitsprozess auf einfache Weise steuerbar. Als Reaktionsprodukt der Brennkraftmaschine entsteht lediglich umweltverträglicher Wasser dampf. Die genannten Vorgänge finden alle innerhalb der Kammer und innerhalb eines einzigen Arbeitstaktes statt, dem sich wegen des Entfalls von Ansaug- und Verdichtungstakt lediglich ein Ausschiebetakt zum Ausschieben des Wasserdampfes anschließt, weshalb die Brenn kraftmaschine nach einem 2-Takt-Prozeß arbeitet.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.

Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Maßnahme wird die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine durch eine Kreiskolben- Brennkraftmaschine gebildet, wobei die Einspritzung der Reaktionsstof fe und des Wassers in wenigstens eine, vorzugsweise in zwei von drei Kammern erfolgt, welche von einem innerhalb einer im Querschnitt ge sehen eine Epitrochoidenkurve bildenden Mantelinnenfläche eines Mantels rotierend umlaufenden, durch ein Bogendreieck gebildeten Scheibenkolben begrenzt sind, an dessen Ecken an der Mantelin nenfläche entlang laufende, die Kammern gegeneinander dichtende Dichtkanten ausgebildet sind und der eine mittige, zylindrische Öffnung mit einer Innenverzahnung aufweist, welche auf einem feststehenden Ritzel abwälzt. Solche Kreiskolben-Brennkraftmaschinen haben ein ge ringes Leistungsgewicht, gewährleisten einen äußerst ruhigen Motor lauf und benötigen nur sehr wenig Bauraum.

Gemäß einer Weiterbildung ist in Rotationsrichtung des Schei benkolbens gesehen eine hinter der Einspritzvorrichtung für die Reak tionsstoffe angeordnete weitere Einspritzvorrichtung zum Einspritzen des Wassers vorgesehen. Darüber hinaus ist die Zündeinrichtung in Rotationsrichtung des Scheibenkolbens gesehen unmittelbar hinter der Einspritzvorrichtung für die Reaktionsstoffe angeordnet. Der Auslass für die Reaktionsprodukte ist als in Rotationsrichtung des Schiebenkolbens gesehen hinter der Einspritzvorrichtung für das Wasser angeord neter Durchgangskanal im Mantel ausgebildet.

Die Einspritzvorrichtung für die Reaktionsstoffe wird vorzugswei se durch ein Einspritz-Mischventil gebildet, in welchem die Reaktions stoffe vor oder während des Einspritzvorgangs miteinander mischbar sind. Vorzugsweise sind zwei Einspritzvorrichtungen für die Reaktions stoffe, zwei Einspritzvorrichtungen für das Wasser, zwei Zündeinrich tungen sowie zwei Auslasskanäle im Mantel vorgesehen, welche sich jeweils im wesentlichen diametral gegenüberliegen.

Durch die genannten Maßnahmen können je Umdrehung des Scheibenkolbens zwei Arbeitstakte stattfinden, was das Leistungsge wicht der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise weiter senkt.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kreiskolbenmotors als be vorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brenn kraftmaschine;

Fig. 2 ein p-V-Diagramm des Kreiskolbenmotors von Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 1 ein Kreiskolbenmotor als bevorzugte Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bezeichnet.

Der Kreiskolbenmotor 1 hat einen Mantel 2 mit einer im Querschnitt gesehen eine Epitrochoidenkurve bildenden Mantelinnenfläche 4 sowie einen innerhalb der Mantelinnenfläche 4 rotierend umlaufenden, durch ein gleichseitiges Bogendreieck gebildeten Scheibenkolben 6, der sich beispielsweise im Uhrzeigersinn dreht. An den Ecken des Scheiben kolbens 6 sind an der Mantelinnenfläche 4 entlang laufende, drei Brenn- oder Arbeitskammern 8, 10, 12 begrenzende und diese gegen einander abdichtende Dichtkanten 14 ausgebildet, wobei eine seitliche Begrenzung der Kammern durch am Mantel 2 befestigte Seitenteile er folgt. Die Führung des Scheibenkolbens 6 erfolgt auch durch eine mit tige, zylindrische Öffnung 16 mit einer Innenverzahnung, die auf einem Ritzel 18 abwälzt.

In Querbohrungen 20, 22 des Mantels 2 sind zwei Einspritzvorrichtungen 24, 26 für die Reaktionsstoffe aufgenommen, bei welchen es sich vorzugsweise um Einspritz-Mischventile handelt, in welchen die über getrennte Zulaufleitungen 28, 30 herangeführten Reaktionsstoffe vor oder während des Einspritzvorgangs miteinander mischbar sind. Als Reaktionsstoffe für den Kreiskolbenmotor 1 werden flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff mit einer Temperatur von ungefähr je minus 270 Grad Celsius verwendet. Anstatt die beiden Reaktionsstoffe durch jeweils eine gemeinsame Einspritzvorrichtung 24, 26 einzuspritzen, können alternativ auch getrennte Einspritz vorrichtungen verwendet werden.

In Rotationsrichtung des Scheibenkolbens 6 gesehen ist jeweils unmittelbar hinter einer jeden Einspritzvorrichtung 24, 26 für die Reak tionsstoffe eine Zündeinrichtung 32, 34 vorzugsweise in jeweils dersel ben Querbohrung 20, 22 angeordnet, um die in die durch die jeweilige Drehstellung des Scheibenkolbens 6 bezüglich Größe und Lage definierten Kammern 8, 12 eingespritzten Reaktionsstoffe zu entzünden bzw. eine unter Umständen bereits selbständig erfolgte Zündung zu beschleunigen. Darüber hinaus ist in Rotationsrichtung des Scheiben kolbens 6 gesehen hinter den Einspritzvorrichtungen 24, 26 für die Re aktionsstoffe je eine weitere Einspritzvorrichtung 36, 38 zum Einsprit zen von Wasser vorgesehen. Schließlich befindet sich je ein Auslass kanal 40, 42 für die Reaktionsprodukte in Rotationsrichtung des Schei benkolbens 6 gesehen hinter einer jeden Einspritzvorrichtung 36, 38 für das Wasser und ist jeweils als Durchgangsbohrung im Mantel 2 ausgebildet.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die beiden Einspritzvorrichtun gen 24, 26 für die Reaktionsstoffe, die beiden Einspritzvorrichtungen 36, 38 für das Wasser, die beiden Zündeinrichtungen 32, 34 sowie die beiden Auslasskanäle 40, 42 im wesentlichen jeweils einander diamet ral gegenüberliegend angeordnet.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kreiskolben motors 1 ausgehend von der in Fig. 1 gezeigten Ruhestellung stellt sich dann wie folgt dar: Gemäß eines ersten Verfahrenschritts wird flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff beispielsweise im oberen Einspritz-Mischventil 24 gemischt und in die obere rechte Kammer 8 unter Druck eingespritzt. Die im Anschluss an den Einspritzvorgang stattfindende schlagartige Verdampfung der tiefgekühlten Reaktions stoffe an den Wänden der Kammer 8 sowie deren chemische Reaktion H₂ + ½O₂ ⇒ H₂O bewirkt eine ebenso schlagartige Expansion, wo durch eine Startdrehbewegung des Scheibenkolbens 6 im Uhrzeiger sinn initiiert wird, ohne dass hierfür eine eigene Startvorrichtung vorge sehen werden müsste. Durch die hierauf folgende Fremdzündung der verdampften Reaktionsstoffe durch die Zündeinrichtung 32 wird in der Kammer 8 Wärmeenergie freigesetzt, welche das anschließend einge spritzte Wasser verdampft, wodurch innerhalb der Kammer 8 ein hoch energetischer Druckanstieg stattfindet, der zum einen eine exzentri sche Weiterdrehung des Scheibenkolbens 6 und zum anderen auch . eine Vergrößerung des Volumens der Kammer 8 bewirkt. Durch Varia tion von Menge, Einspritzzeitpunkt und Einspritzdauer des Wassers ist der Arbeitsprozess auf einfache Weise steuerbar. Die genannten Re aktionen finden zeitlich versetzt auch in den beiden anderen Kammern 10, 12 innerhalb eines Arbeitstaktes statt. Wenn der Scheibenkolben 6 zwei Umdrehungen ausführt, werden daher zwölf Arbeitstakte geleistet. Als Reaktionsprodukt der Brennkraftmaschine 1 entsteht lediglich um weltverträglicher Wasserdampf, welcher aufgrund der Drehbewegung des Scheibenkolbens 6 weiter transportiert und durch die Auslasskanä le 40, 42 ausgeschoben wird. Das Expandieren und Ausschieben findet daher innerhalb eines einzigen Taktes statt, weshalb der Kreiskolben motor 1 nach einem Ein-Takt-Brennverfahren arbeitet oder eine Ein- Takt-Brennkraftmaschine darstellt.

Durch das in Fig. 2 gezeigte p-V-Diagramm ist das Arbeitsverfah ren des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors 1 weiter veranschau licht, wobei im Diagramm beispielhaft die Lage des Einspritzzeitpunk tes für die Reaktionsstoffe 44, des Zündzeitpunktes 46 sowie die Lage des Einspritzzeitpunktes für das Wasser 48 durch entsprechende Be zugszahlen markiert sind. Die Bereiche, in welchen die Expansion 50 und das Ausschieben 52 des Wasserdampfes stattfinden, sind eben falls gekennzeichnet.

Vorzugsweise ist der Kreiskolbenmotor 1 als Mehrscheibenmotor mit wenigstens zwei Scheibenkolben ausgeführt. Hierbei wird nach dem Brenn- und Expansionsprozeß der von einem Scheibenkolben ausgeschobene Dampf zum Teil in die Brenn- und Expansionskam mern der weiteren Scheibenkolben geleitet und dort weiter expandiert. Hierdurch wird beispielsweise im Teilastbereich ein höherer Wirkungs grad erzielt. Zur Steuerung dieses Prozesses sind geeignete Steueror gane vorgesehen.

Der Kreiskolbenmotor 1 ist in ein Fahrzeug eingebaut, das ei nen Wärmetauscher zur Übertragung der im als Reaktionsprodukt an fallenden Wasserdampf vorhandenen Wärmeenergie zu einer Fahr zeug-Kabinenheizeinrichtung aufweist. Darüber hinaus kann in dem den Wärmetauscher enthaltenden, geschlossenen Wasserkreislauf zu sätzlich ein Kondensator zur Rückkondensation des Wasserdampfs vorhanden sein, um kondensiertes Wasser als Kühlwasser in eine Brennstoffzelleneinheit für die Bordstromerzeugung einzuleiten. In die Brennstoffzelleneinheit sind auch die zur Kühlung der Treibstoffbehäl ter zu verdampfenden Treibstoffe, flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff, einleitbar, um in Bordstrom umgewandelt zu werden. Dar über hinaus ist eine Hochdruckpumpe vorhanden, mit deren Hilfe das rückkondensierte Wasser in den Wasservorratsbehälter, oder in den Wasserkreislauf zurückförderbar ist.

Claims

1. Brennkraftmaschine, insbesondere Kreiskolben-Brennkraftmaschine (1), mit wenigstens einem innerhalb eines Führungskörpers (2) beweg lich geführten, durch Reaktion von Reaktionsstoffen getriebenen Kol ben (6), der wenigstens eine während der Kolbenbewegung sich ver größernde oder verkleinernde Kammer (8, 10, 12) begrenzt, mit we nigstens einem Einlass (24, 26) für die Reaktionsstoffe, einer Zündein richtung (32, 34) für die Zündung der Reaktionsstoffe sowie mit min destens einem Auslaß (40, 42) für die Reaktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsstoffe flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff beinhalten, welche durch wenigstens eine Ein spritzvorrichtung (24, 26) in die Kammer (8, 10, 12) einspritzbar und dort mittels der Zündeinrichtung (32, 34) unter Erzeugung von Wärme energie zündbar sind, welche zum Verdampfen von anschließend in die Kammer (8, 10, 12) eingebrachtem Wasser vorgesehen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine (1) gebildet wird und daß die Einspritzung der Reaktionsstoffe und des Wassers in wenig stens eine, vorzugsweise in zwei von drei Kammern (8, 10, 12) erfolgt, welche von einem innerhalb einer im Querschnitt gesehen eine Epitro choidenkurve bildenden Mantelinnenfläche (4) eines Mantels (2) rotie rend umlaufenden, durch ein Bogendreieck gebildeten Scheibenkolben (6) begrenzt sind, an dessen Ecken an der Mantelinnenfläche (4) ent lang laufende, die Kammern (8, 10, 12) gegeneinander dichtende Dichtkanten (14) ausgebildet sind und der eine mittige, zylindrische Öffnung (16) mit einer Innenverzahnung aufweist, welche auf einem feststehenden Ritzel (18) abwälzt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Rotationsrichtung des Scheibenkolbens (6) gesehen wenigstens ei ne der Einspritzvorrichtung (22, 24) für die Reaktionsstoffe nachgeord nete weitere Einspritzvorrichtung (36, 38) zum Einspritzen des Was sers vorgesehen ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslaß für die Reaktionsprodukte als in Rotationsrichtung des Scheibenkolbens (6) der Einspritzvorrichtung (36, 38) für das Wasser nachgeordneter Durchgangskanal (40, 42) im Mantel (2) ausgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung für die Reaktionsstoffe vorzugsweise durch ein Einspritz-Mischventil (24, 26) gebildet wird, in welchem die Reaktions stoffe vor oder während des Einspritzvorgangs miteinander mischbar sind.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (32, 34) in Rotationsrichtung des Scheibenkolbens (6) gesehen unmittelbar hinter der Einspritzvorrichtung (24, 26) für die Reaktionsstoffe angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass zwei Einspritzvorrichtungen (24, 26) für die Reak tionsstoffe, zwei Einspritzvorrichtungen (36, 38) für das Wasser, zwei Zündeinrichtungen (32, 34) sowie zwei Auslasskanäle (40, 42) im Man tel (2) vorgesehen sind, welche sich jeweils im wesentlichen diametral gegenüberliegen.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass sie mindestens zwei Scheibenkolben beinhaltet und dass der nach dem Brenn- und Expansionsprozeß von einem Scheibenkolben ausgeschobene Dampf zum Teil in die Brenn- und Ex pansionskammern der weiteren Scheibenkolben leit- und dort weiter expandierbar ist.

9. Fahrzeug beinhaltend wenigstens eine Brennkraftmaschine nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche.

10. Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wär metauscher zur Übertragung der im Wasserdampf vorhandenen Wär meenergie zu einer Fahrzeug-Kabinenheizeinrichtung vorgesehen ist.

11. Fahrzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Kondensator zur Rückkondensation des das Reaktionspro dukt bildenden Wasserdampfs aufweist.

12. Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Brennstoffzelleneinheit zur Bordstromerzeugung aufweist, in welche auch die zur Kühlung der Treibstoffbehälter zu verdampfenden Treibstoffe, flüssiger Sauerstoff und flüssiger Wasserstoff, einleitbar sind, um in Bordstrom umgewandelt zu werden.

13. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeich net, dass es eine Hochdruckpumpe enthält, mit deren Hilfe das rück kondensierte Wasser in den Wasservorratsbehälter, oder in den Was serkreislauf zurückförderbar ist.