DE102005022961B4

DE102005022961B4 - Verfahren zum bivalenten Betreiben von Verbrennungsmotoren mit konventionellen Kraftstoffen und Druckgas

Info

Publication number: DE102005022961B4
Application number: DE102005022961A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hentschel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-05-20
Also published as: DE102005022961A1

Abstract

Verfahren aus der Kombination von Verbrennungsmotor- Arbeitsprozessen mit Druckgas- Entspannungs- Arbeitsprozessen dadurch gekennzeichnet, dass:
– in den Arbeitsspielen eines konventionellen Verbrennungsmotors zyklisch Arbeitsspiele mit Wärmezufuhr durch Verbrennung von Kraftstoffen und damit einhergehender Druckerhöhung im Brennraum durch Arbeitsspiele mit Druckgas- vorzugsweise Druckluft- Zufuhr- und folgend entspannungsprozessen ersetzt werden
– ein oder mehrere Arbeitsspiele eines konventionellen Verbrennungsmotorprozesses in einem Verdrängungskolbentriebwerk nach dem Stand der Technik durchlaufen werden, dem ein oder mehrere Arbeitsspiele eines Druckgas- Entspannungsprozesses folgen bei dem/denen Druckgas, vorzugsweise Druckluft dem Verbrennungsraum zugeführt wird, so dass es zur Wärmeübertragung von den brennraumbildenden Bauteilen eines Verbrennungsmotors an das sich entspannende und dabei unterkühlende Druckgas kommt, wodurch der Druckabfall bei der Entspannung durch den auftretenden Joule- Thomson- Effekt vermindert wird und damit die Volumenänderungsarbeit der Arbeitskraftmaschine im Arbeitsspiel der Druckgasentspannung steigt,
– ein Druckgasspeicher ein Volumen an komprimiertem Gas, z. Bsp. Luft enthält und dieses Druckgas über ein Expansionsventil/Mengenregelung geregelt...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum phasenverschoben- kombinierten, bivalenten Betrieb eines Motors mit Verdrängungskolbentriebwerk mittels konventionellen Kraftstoff- Luft- Gemischen und komprimierten Druckgasen. Mit diesem Verfahren werden Nachteile der einzelnen bekannten Verfahren vorteilhaft für den jeweils anderen Prozessablauf genutzt, so dass die Gesamtenergiebilanz eines solchen Antriebs deutlich verbessert wird gegenüber den Einzelbilanzen der jeweiligen Verfahren. Eine effizientere Nutzung der eingesetzten Ressourcen zur Bereitstellung von Antriebsleistung gegenüber den bekannten Verfahren ist damit gegeben.
Die Entwicklungen auf dem Energiemarkt, aber auch ökologische und umweltpolitische Forderungen führen zu einem steigenden Bedarf an Lösungen für alternative Antriebstechniken und zu einer wesentlich effizienteren Nutzung der verfügbaren fossilen Brennstoffe bzw. der aus Biomasse und synthetisch hergestellten Kraftstoffe und Brenngase.
Konventionell betriebene Verbrennungsmotoren sind in vielfältigster Weise bekannt und verbreitet. Die Brennstoffbereitstellung kann aus Vergaserkraftstoffen, Leichtölen, Brenngasen und Schwerölen bestehen.
Druckluftmotore sind ebenfalls hinlänglich bekannt und Stand der Technik.

In der DE 4141465 A1 ist ein Verfahren vorgestellt worden, bei dem entweder in den Arbeitstakt eines 4-Takt- Motors oder in einen dem Ausstoßtakt folgenden Takt in den Brennraum bzw. das Hubvolumen bei geschlossenen Ventilen eine Druckluftmenge (1–2 cm³) zugeführt wird, die die Wärme aus dem vorher entstandenen Abgas aufnehmen soll und dadurch zum einen eine Erwärmung des Motorblocks ausbleiben soll und zum anderen die aufgenommene Wärme in eine Druckerhöhung umsetzen soll, mit der entweder im Arbeitstakt mehr Volumenänderungsarbeit oder in einem folgenden 6. Takt durch Entspannung der vorher in einem 5. Takt nochmals verdichteten Abgase zusätzliche Volumenänderungsarbeit abgegeben werden soll. Ein nachteiliges Funktionsproblem wird sich in der ersten Variante dadurch einstellen, dass in das Abgasvolumen unmittelbar nach Verbrennung des Kraftstoffs mit einem noch hohen Druck nur ein Hochdruckvolumen mit noch höherem Druck als schon im Hubvolumen vorhanden, zugeführt werden kann. Damit kann die Druckspeicherkapazität nur bis zum Erreichen eines gleich hohen Druckes wie der gegenwärtige Zylinderdruck nach Verbrennung genutzt werden. Bei der zweiten Variante (6- Takt) soll das Abgas nach der Entspannung nicht ausgestoßen, sondern erneut verdichtet werden. Wenn ein solcher Motor überhaupt Arbeit abgeben soll, muss das Abgas Wärme an den Motorblock abgeben, da eine Verdichtung der Abgase mit Hilfe phasenversetzter anderer Arbeitstakte eines Mehrzylindermotors und/oder der in einem Schwungrad gespeicherten Energie sonst gar nicht möglich wäre. Die Zuführung von Hochdruckluft in die verdichteten noch heißen Abgase ist ebenfalls nur bis zum Druckausgleich zwischen Drucklufttank und gegenwärtigem Zylinderdruck möglich.

In der DE 299 03 834 U1 wird ein Motor beschrieben, der im Schubbetrieb Verdichtungsarbeit leistet und diese durch Nutzung des Motors als Verdichter einem temporären Speicher zugeführt wird. Diese Druckluft soll dem Motor während des Arbeitstaktes wieder zugeführt werden. Das ist nur möglich, wenn der Druck der zuzuführenden Luft größer ist, als der momentane Druck im Zylinder. Da diese Druckluft nur durch die Verdichtungsarbeit, die der Motor im Schubbetrieb leistet und die der Verdichtungsarbeit vor dem Arbeitstakt (zumindest bei Vernachlässigung der aus dem vorangegangenen Takt zugeführten Wärme im normalen Brennstoffbetrieb des Motors) gleich ist, kann der Druck nicht höher sein, als der momentane Druck im Zylinder während eines Arbeitstaktes nach der Wärmezufuhr (Kraftstoffverbrennung), weshalb der Nutzen der Erfindung in Frage gestellt werden muss.

Ein ähnlicher Ansatz ist in der Schrift DE 103 05 883 A1 beschrieben worden und muss in gleicher Weise bewertet werden.

In der DE 36 23 159 A1 wird ein Verfahren beschrieben, wie ein Teil der Bremsenergie in Druckenergie in einen Druckluftspeicher geladen wird, die dann dem Verbrennungsmotor wieder als vorverdichtete Verbrennungsluft zugeführt wird. Die Druckluft wird damit unmittelbar für den Verbrennungsprozess genutzt, die potentielle Druckenergie dient nicht unmittelbar der Verrichtung von Volumenänderungsarbeit.

In der DE 31 02 838 A1 wird beschrieben, wie Druckluft durch Motorwärme eine weitere Druckerhöhung erfährt und dann dem Hubvolumen in der Endphase des Arbeitstaktes zugeführt werden soll. Bei einem Hubkolbentriebwerk befindet sich zu diesem Zeitpunkt der Kurbelarm der Kurbelwelle in einer Stellung kurz vor dem Unteren Totpunkt und stellt der Kolbenkraft zur Erzeugung eines Drehmomentes nur einen sehr kleinen, sich weiter verringernden Hebelarm zur Verfügung, so dass die zusätzliche Kolbenkraft eine zusätzliche Lagerlast im Kurbeltrieb erzeugt, weniger ein nutzbares Drehmoment. Festzustellen bleibt, dass die Druckluft dem Arbeitstakt zugeführt werden soll.

In der DE 100 11 039 A1 wird ebenfalls Druckluft als Ladeluft für die unmittelbare Verbrennung des Kraftstoffs und damit zur Bildung eines Kraftstoff- Luftgemisches herangezogen, wobei die potentielle Druckenergie nicht unmittelbar zur Verrichtung von Volumenänderungsarbeit und zur Aufnahme von Wärmenergie aus den Abgasen dient. Die für den Teillastbereich beschriebenen Wärmeausdehnungsschritte basieren ebenfalls auf dem Prinzip der sog. Hydra- Verbund- Verbrennungsmotore/ Wärmekraftmaschine, insbesondere dem „Schlüter- Prozess" und „ Schlüter-Arbeitsverfahren" mit einem abgewandelten, frei steuerbaren Ladungswechsel, dessen Steuerorgane nicht dem derzeitigen Stand der Technik bei konventionellen Verbrennungsmotoren entsprechen wollen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, die Nutzung der zugeführten Wärme eines Verbrennungsmotors effizienter zu gestalten und die Nachteile der Verfahren in den aufgeführten Schriften zu vermeiden, sowie eine praxisnahe Lösung für eine kurzfristige Umsetzbarkeit mit dem Stand der Technik zu erreichen.

Erreichtes Ziel der vorliegenden Erfindung war es, die spezifischen Nachteile der Antriebsverfahren Verbrennungsmotor und Druckluftmotor hinsichtlich der Energieeffizienz durch Kombination vorteilhaft für das jeweils andere Verfahren zu nutzen. Somit kann bei einem Fahrzeugantrieb eine effizientere Nutzung der jeweils mitgeführten Energiespeicher erfolgen und ein deutlich verringerter Kraftstoff- bzw. Druckgas- Streckenverbrauch im mobilen Einsatz erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Kombination zweier Betriebsweisen für Verdrängerkolbentriebwerke zu einem neuen Verfahren gelöst, nach der

• ein Verdrängerkolbentriebwerk einen normalen, motorabhängigen Arbeitszyklus mit einer Verbrennung eines Kraftstoff- bzw. Brenngas-Luftgemisches durchläuft, in welchem es durch diese Verbrennung zu einer Wärmezufuhr zum vorher komprimierten Luftvolumen kommt, um somit eine Druckerhöhung und damit Volumenänderungsarbeit an mindestens einer beweglichen Brennraumwand, wie z. Bsp. einem Verdrängerkolben zu erhalten.
• der dem Verbrennungstakt und Ausschiebe- bzw. -Auslasstakt folgende Arbeitszyklus durch gesteuerte Zufuhr von hochkomprimiertem Druckgas, z. Bsp. hochkomprimierter Luft, betrieben wird, indem durch Entspannung des dem Brennraum zuzuführenden Druckgases wiederum Volumenänderungsarbeit an der Systemgrenze, wie z. Bsp. dem Verdrängerkolben geleistet wird.
• hierbei für reale Gase der so genannte Joule- Thomson- Effekt auftritt, bei dem sich das Druckgas bei der Entspannung stark abkühlt, wobei auch
• die bei der vorangegangen Verbrennung in die Brennraumwände und benachbarte Baugruppen eingebrachte Wärme an das bei der Entspannung unterkühlende Druckgas abgegeben wird und somit der Druckabfall bei der Entspannung verringert wird und damit ein Teil der im konventionellen Betrieb durch ein Kühlsystem für die Antriebsaufgabe nutzlos abzuführenden Wärmenergie in den Energieumwandlungsprozess zur Bereitstellung von Antriebsleistung wieder eingebunden wird, wodurch die abgegebene Volumenänderungsarbeit steigt.
• durch den Joule- Thomson- Effekt eine Innenkühlung des Verdrängerkolbentriebwerkes erfolgt, wodurch prozessbedingt entstehender Wärmeüberschuss, der die Brennraum- bildenden Teile ohne Kühlung zerstören würde, an das sich entspannende Druckgas übertragen wird und damit die Aufgabe eines Kühlsystems teilweise oder ganz übernommen wird.
• durch das Ableiten der heißen Abgase des Verbrennungsprozesses durch einen Wärmeübertrager, wo diese ihre Wärme an ein vorentspanntes und bedingt durch den Joule-Thomson- Effekt stark unterkühltes Druckgasvolumen abgeben, dieses Druckgasvolumen eine Drucksteigerung erfährt, so das eine deutlich größere Volumenänderungsarbeit an einer beweglichen Systemgrenze, z. Bsp. einem Verdrängerkolben abgegeben werden kann.
• die erfinderischen Verfahren der direkten Druckgaszufuhr in den Brennraum zur Entspannung mit dem Joule-Thomson- Effekt und der dadurch erfolgenden Innenkühlung des Motors als auch die Wärmeübertragung in ein vorentspanntes, unterkühltes Druckgasvolumen mittels Wärmeübertrager miteinander kombiniert als auch jeweils einzeln eingesetzt werden können.
• ein Motor nach dem erfinderischen Verfahren bei entleertem Druckgasspeicher konventionell als Verbrennungsmotor nach dem Stand der Technik betrieben werden kann.
• die Dimensionierung der jeweiligen Arbeitsspiele hinsichtlich des abzugebenden Drehmoments bei zwangsläufig gleicher Drehzahl in etwa gleich sein soll, um Drehungleichförmigkeiten des Antriebs zu vermeiden, die andernfalls zu erhöhtem Schwingungs- und Geräuschdämpfungsaufwand sowie zur notwendigen Verstärkung der Baugruppen im Antriebsstrang führen können.

Jeweils den einzelnen Verfahren eigene Nachteile können so vorteilhaft zur Verbesserung der Energieumsetzung für eine Antriebsleistung des jeweils anderen Verfahrens genutzt werden. Ein großer Teil der zugeführten Wärmemenge wird in den heißen Abgasen ohne Verrichtung einer nutzbaren Arbeit an die Umwelt abgegeben. Eine dem Stand der Technik entsprechende Lösung ist der Abgasturbolader, der einen Teil der kinetischen Energie der Abgase zum Fördern von Frischgas umsetzen kann und dadurch den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors, prinzipbedingt vor allem eines Dieselmotors, der mit Luftüberschuss arbeiten kann, verbessern kann. Die bei einem konventionellen Verbrennungsmotor stets durch Kühlung abzuführende Wärmemenge nimmt einen relevanten Betrag der Verlustenergien im motorischen Prozess ein. Sie ist aber wegen der begrenzten thermischen Belastbarkeit der Bauteile immer notwendig. Mit einem Anteil von ca. 40% der Verlustenergien führt die Kühlung den wesentlichen Energienanteil der aus der chemischen Energie des Kraftstoffes gewonnenen Wärmenergie ohne Nutzen für die Antriebsaufgabe an die Umgebung ab.

Die Nutzung von Gasen als Druckspeicher in entsprechenden Behältern ist ebenfalls Stand der Technik. Ein Nachteil bei der Entspannung von Druckgas in Verdrängerkolbentriebwerken zur Umwandlung der potentiellen Druckenergie in kinetische Energie ist der Joule- Thomson- Effekt, der auch zur Verflüssigung von z. Bsp. Luft genutzt wird. Durch die unerwünschte Abkühlung des Druckgases während der Entspannung kommt es zu einem unerwünscht stärkeren Druckabfall im Druckgas, der die zu leistende Volumenänderungsarbeit am Verdrängerkolben reduziert. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und die Ausnutzung der Energiespeicherkapazität zu steigern, muss dem Druckgas Wärme zugeführt werden.

Diese gegensätzlichen Forderungen nach Kühlung der Brennraumwände bei Kraftstoffverbrennung und Wärmezufuhr bei Entspannung von Druckgas werden durch das erfinderische Verfahren sinnvoll und auf die Antriebsaufgabe bezogen effizienzsteigernd miteinander kombiniert.

Die Betriebsdauer bzw. Reichweite eines reinen Druckgasantriebes kann mit dem vorliegenden Verfahren deutlich durch Wärmezufuhr gesteigert werden. Der Kraftstoffverbrauch eines konventionellen Verbrennungsmotors kann mit dem erfinderischen Verfahren deutlich gesenkt werden, da zu jedem Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors mindestens ein bzw. mehrere Arbeitstakte mit Druckgasentspannung hinzugefügt werden. Bei einem Verhältnis von Verbrennungstakt zu Druckentspannungstakt von 1:1 würde sich der reine Brennkraftstoffverbrauch eines mobilen Antriebes formell um 50% reduzieren. In der Gesamtenergiebilanz muss selbstverständlich der Anteil an potentieller Druckenergie, zu deren Bereitstellung ebenfalls Verlustleistung anfällt, berücksichtigt werden, der jedoch auf umweltschonendste Art aus alternativen, erneuerbaren Energien gewonnen werden kann.

Die Gesamtenergiebilanz wird aus miteinander verknüpften Teilprozessen aus der Umwandlung verschiedener potentieller, nämlich chemischer und Druck- Energien gebildet.

Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren auch durch eine Wärmeübertragung aus dem heißen Abgas aus dem Verbrennungsprozess an ein vorentspanntes und damit bereits unterkühltes Druckgasvolumen verwirklicht, indem die heißen Abgase ihre Wärmeenergie über einen Wärmeübertrager an ein vorentspanntes Druckgasvolumen, dass den Wärmeübertrager vor der Zufuhr in das Verdrängerkolbentriebwerk durchströmt, abgeben. Dieser Wärmeübertrager kann vorteilhafterweise ein Abgasnachbehandlungssystem (Katalysator, Partikelfilter) sein, welches durch seinen speziellen Aufbau von vorentspannter, unterkühlter Luft in einer Art wie bei einem herkömmlichen Wärmeübertrager durchströmt wird, wobei nicht nur Abgaswärme aufgenommen werden kann, sondern auch Wärme aus den exothermen Reaktionen der Abgasnachbehandlung. Hierbei wird ebenfalls der Unterkühlung und damit dem weiteren Druckabfall im Druckgas entgegengewirkt und die dem Verdrängerkolbentriebwerk zugeführte Energiemenge durch Wärmeaufnahme erhöht, wodurch eine Erhöhung der Volumenänderungsarbeit, bzw. eine Verlängerung der Betriebsdauer oder Reichweite eines mobilen Antriebes bezogen auf den Anteil an potentieller Druckenergie erreicht wird. Der Effekt der Innenkühlung wird durch die nun höhere Temperatur des dem Motor zuzuführenden Druckgasvolumens gemindert. Eine variable Gestaltung, z. Bsp. der Pumpleistung einer Umwälzpumpe einer Flüssigkeitskühlung oder einer Gebläseförderleistung einer Luftkühlung ermöglicht eine Optimierung der Abstimmung von Innenkühlung und gegebenenfalls noch notwendiger externen Kühlung des Motors.

Durch die Nutzung der Abgaswärme kann die Verlustenergie eines konventionellen Verbrennungsmotors ohne und mit Abgasturboaufladung deutlich reduziert werden und ein Teil der bisher an der Antriebsaufgabe nicht beteiligte Wärmeenergie der Gewinnung von Volumenänderungsarbeit wieder zugeführt werden.

Bei einer Druckgaszufuhr bei konstantem Vorentspannungsdruck wird durch die Wärmezufuhr und die damit einhergehende Druckerhöhung der Verbrauch von Druckgas gesenkt, wodurch zum einen die Reichweite bzw. Betriebsdauer eines mobilen Antriebes erhöht werden kann bzw. die Speichergröße unter Beibehaltung der gewählten Reichweite reduziert werden kann.

Die absolute Schadstoffemission eines Antriebes nach dem vorliegenden erfinderischen Verfahren wird allein durch die deutliche Reduzierung- beispielhaft der Halbierung- des Kraftstoffverbrauchs verringert.

Zum Starten eines Antriebes nach der vorliegenden Erfindung kann auf einen separaten Starter wie z. Bsp, einen Elektrostarter verzichtet werden, wenn der Verdrängerkolben des Motors durch Zufuhr von Druckgas in Bewegung gesetzt wird, was bei einem Mehrzylindermotor mit auf die Kurbelwellenumdrehung verteilter Zündfolge immer möglich sein wird bzw. nach dem Stand der Technik bereits gelöst ist.

Ein Motor nach dem erfinderischen Verfahren ist zum einen für stationäre Antriebe sehr geeignet, da die Energieumsetzung der in brennbaren Kraftstoffen vorhandenen chemischen Energie in mechanische Energie durch die Kombination mit einer Druckgasentspannung durch die Nutzung der Wärme in den Abgasen und der in die an die den Brennraum umschließenden Bauteile aus der Verbrennung abgegebenen Wärmeenergie wesentlich effizienter für Antriebszwecke erfolgen kann und zum anderen im stationären Einsatz die Verfügbarkeit von Druckgasen relativ einfach sichergestellt werden kann.

Der Einsatz eines Motors nach dem erfinderischen Verfahrensprinzip ist auch im mobilen Bereich sehr vorteilhaft, da Kraftstoffe wesentlich ökonomischer genutzt werden können, z. Bsp. der Streckenkraftstoffverbrauch eines Fahrzeuges deutlich gesenkt werden kann und die Schadstoffemission quantitativ deutlich gesenkt werden kann. Die Energiebilanz wird im Vergleich zum konventionellen Verbrennungsmotor durch die Wiedergewinnung der üblicherweise abzuführenden Wärme mit den Abgasen und durch die Kühlung deutlich verbessert hinsichtlich der nutzbaren Antriebsenergie. Mit dem Effekt der Innenkühlung kann die konventionelle Motorkühlung geringer dimensioniert werden und z. Bsp. durch Reduzierung der Förderleistung bei einer Flüssigkeits- oder Gebläsekühlung der Anteil am Energieaufwand für die Versorgung der motorfunktionsnotwendigen Nebenaggregate reduziert werden, was wiederum die Gesamtenergiebilanz des Motors nach dem erfinderischen Verfahren aufwertet.

Aus der Sicht eines Druckgasantriebes kann die Betriebsdauer und damit Reichweite eines solchen Antriebes durch die variable Kombination der Arbeitsspiele mit Verbrennungstakten deutlich erhöht werden. Der Druckgasantrieb ist damit nicht mehr auf das Fahrzeug bezogen völlig emissionsfrei, erreicht aber dafür eine mehrheitlich größere Volumenänderungsarbeit, was bei Reduzierung der Druckgaszufuhr zur wesentlichen Erweiterung der Betriebsdauer bzw. Reichweite im mobilen Einsatz führt.

Verfahrensbeschreibung

Weiter Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in welcher ein Verfahrensablauf für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch veranschaulicht wird:
Die nachfolgende Beschreibung erläutert den Verfahrensablauf mit einem Hubkolbentriebwerk 1 nach dem Viertakt- Prinzip mit Ein- und Auslassventilen und einer zusätzlichen Vorrichtung 2, mit welcher dem Hubvolumen im Hubkolbentriebwerk 1 Druckgas zugeführt werden kann. Wie in der schematischen Zeichnung dargestellt, wird für das erfinderische Verfahren ein extern zu befüllender Druckgastank 3, vorzugsweise für Druckluft mit einem hohen Druck P1 (z. Bsp. 300bar) und einer Temperatur T1, die vorzugsweise der Umgebungstemperatur (20°C) entspricht, verwendet. Durch eine kombinierte Expansionsventil/ Mengenregelung 4 wird das Druckgas auf einen niedrigeren Druck P2, z. Bsp. 50bar entspannt, wobei der Joule-Thomson- Effekt dazu führt, dass das Druckgas als reales Gas, z. Bsp. Luft stark unterkühlt auf eine Temperatur T2 ca. –65°C. Dieses Druckgas wird dann durch einen Wärmeübertrager 5, der vorzugsweise gleichzeitig ein Abgasnachbehandlungssystem darstellt, geleitet, wo es Wärme aus den Abgasen des Motors nach dem Ausstoßtakt aufnimmt, woraus sich eine Mischungstemperatur ergibt, z. Bsp. ca. T4 = 300°C bei einer Abgastemperatur von ca. T3 = 700°C. Dadurch folgt eine Drucksteigerung auf p4 = 49bar im Druckgasvolumen, womit ein wesentlich größerer Teil an Volumenänderungsarbeit im Druckgasentspannungstakt geleistet werden kann. Hierzu wird das zur Verfügung stehende erwärmte Druckgasvolumen mit der Temperatur T4 und mit höherem Druck p4 mit einer Vorrichtung 2, die z. Bsp. ein geeignetes, elektrisch gesteuertes Ventil sein kann, dem Motor zugeführt, der das Druckgasvolumen nach einem Verdichtungstakt mit p5 = ca. 12bar zur Verrichtung von Volumenänderungsarbeit entspannt und mechanische Leistung abgibt. Das jeweilige Druckgasvolumen nach der Expansionsventil/Mengenregulierungseinheit 4 wird vorzugsweise nicht der jeweiligen Menge heißen Abgases aus dem unmittelbar vorangegangenen Arbeitstakt zugeordnet, um genügend Zeit für den Wärmeübergang im Wärmeübertrager 5 bereitzustellen, was allein dadurch gegeben ist, dass im Wärmeübertrager 5 ein Volumen vorhanden ist, welches dem Mehrfachen eines Druckgasvolumens für einen Entspannungstakt entspricht. Einem oder mehreren Entspannungstakten folgen ein oder mehrere Arbeitsspiele des Verbrennungsmotorverfahrens durch die Zufuhr eines Kraftstoff- Luft- Gemisches oder Einspritzung des Kraftstoffs mit dem Einspritzelement 6 in das zuvor angesaugte Frischgas, bei welchem wieder durch Verbrennung Wärme entsteht zur Verrichtung von Volumenänderungsarbeit mit dem jetzt heißen Abgas und Umwandlung in mechanische Leistung. Die auszustoßenden Abgase werden wieder dem Wärmeübertrager 5 zugeführt.

Eine weitere Lösung kann das erfinderische Verfahren vorteilhaft ergänzen:
Zum Abbremsen eines Fahrzeuges wird ein Verdichter 7 dem Antriebsstrang 8 zugeschaltet, so dass ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeuges in potentielle Druckenergie in der angesaugten Außenluft umgewandelt und im Druckspeicher 3 oder einem weiteren Druckspeicher 9 für einen niedrigeren Druck als im Speicher 3 gespeichert werden kann. Beim Einsatz eines weiteren Speichers 9 wird die dort gespeicherte potentielle Druckenergie in der Druckluft äquivalent zum oben beschriebenen erfinderischen Verfahren eingesetzt.

Setzt man beispielhaft einen 125cm³ Viertakt- Motor voraus, so ergibt sich für diesen nach üblichen Betriebsdaten eine Bruttodauerleistung von ca. 19 kW bei 6500 1/min. Verlustleistungen sind in diese Betrachtung nicht einbezogen; sie würden für jedes Verfahren einzeln betrachtet bei gleicher Leistung in etwa gleich groß sein. Wird ein Arbeitsspiel des Viertakt- Motors als Druckgasentspannung dargestellt, so ergibt sich bei einem Druckgasvolumen mit einem Vorentspannungsdruck von 17,5bar, das dem Motor zugeführt wird, ohne Wärmezufuhr bei gleicher Drehzahl eine Bruttodauerleistung von ca. 12kW, wobei hier der Joule- Thomson- Effekt berücksichtigt wurde. Bei einem Druckgasspeicher mit 300l Inhalt bei einem Anfangsdruck von 300bar ergibt sich eine theoretische Betriebsdauer von ca. 0,8 Stunden.

Wird nach dem erfinderischen Verfahren vorgegangen und dem Druckgasvolumen Abgaswärme zugeführt, erhöht sich die Leistung im Druckgasentspannungstakt durch den höheren Anfangsdruck von ca. 49bar auf eine Bruttodauerleistung von 19kW bei 6500 1/min, wenn die jeweils pro Arbeitsspiel zugeführte Druckgasmenge derart reduziert wird, dass sich eine Betriebsdauer von nunmehr 1,68 Stunden bei gleichem Speichervolumen und -anfangsdruck erreichen lässt.

Claims

Verfahren aus der Kombination von Verbrennungsmotor- Arbeitsprozessen mit Druckgas- Entspannungs- Arbeitsprozessen dadurch gekennzeichnet, dass: – in den Arbeitsspielen eines konventionellen Verbrennungsmotors zyklisch Arbeitsspiele mit Wärmezufuhr durch Verbrennung von Kraftstoffen und damit einhergehender Druckerhöhung im Brennraum durch Arbeitsspiele mit Druckgas- vorzugsweise Druckluft- Zufuhr- und folgend entspannungsprozessen ersetzt werden – ein oder mehrere Arbeitsspiele eines konventionellen Verbrennungsmotorprozesses in einem Verdrängungskolbentriebwerk nach dem Stand der Technik durchlaufen werden, dem ein oder mehrere Arbeitsspiele eines Druckgas- Entspannungsprozesses folgen bei dem/denen Druckgas, vorzugsweise Druckluft dem Verbrennungsraum zugeführt wird, so dass es zur Wärmeübertragung von den brennraumbildenden Bauteilen eines Verbrennungsmotors an das sich entspannende und dabei unterkühlende Druckgas kommt, wodurch der Druckabfall bei der Entspannung durch den auftretenden Joule- Thomson- Effekt vermindert wird und damit die Volumenänderungsarbeit der Arbeitskraftmaschine im Arbeitsspiel der Druckgasentspannung steigt, – ein Druckgasspeicher ein Volumen an komprimiertem Gas, z. Bsp. Luft enthält und dieses Druckgas über ein Expansionsventil/Mengenregelung geregelt und auf ein geringeres Druckniveau entspannt wird – für den bzw. die Arbeitsspiele mit Druckgasentspannung ein Druckgasvolumen mit einem höheren als für den eigentlichen motorischen Entspannungsprozess zur Verrichtung von Volumenänderungsarbeit notwendigen Druck zur Vertügung steht, so dass ein Druckgasvolumen zur Vorbereitung für den motorischen Entspannungsprozess vorentspannt wird und hierbei der sog. Joule- Thomson- Effekt für reale Gase wie z. Bsp. Luft auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Entspannung eines komprimierten Gases ein deutlicher Temperaturabfall zu verzeichnen ist, – durch die Zufuhr der im konventionellen Verbrennungsmotorprozess zu Antriebszwecken ungenutzt abgeführten Wärmeenergie von den brennraumbildenden Bauteilen an das vorentspannte, unterkühlte Druckgasvolumen in diesem Volumen eine Drucksteigerung erzielt wird, wodurch die zu verrichtende Volumenänderungsarbeit erhöht wird und damit die bisher nicht genutzte, über ein Kühlsystem abgeführte Wärmeenergie zumindest teilweise einem Arbeitsprozess zur Umwandlung in Antriebsenergie zugeführt wird – die heißen Abgase eines oder mehrerer Arbeitsspiele eines Verbrennungsmotorprozesses einem Wärmeübertrager zugeführt werden, wo sie einen Teil Ihrer Wärmeenergie an ein oder mehrere von der Kaltseite her zugeführte vorentspannte und damit unterkühlte Druckgasvolumen abgeben und diese Druckgasvolumen bei gleichem Rauminhalt dadurch eine Drucksteigerung erfahren, wodurch die Größe der zu verrichtenden Volumenänderungsarbeit erhöht wird – dieser Wärmeübertrager vorteilhafterweise mit der Funktion einer Einrichtung zur Abgasnachbehandlung, wie z. Bsp. einem Katalysator oder einem Partikelfilter kombiniert wird, indem die Innenwandstrukturen eines Abgasnachbehandlungssystems doppelwandig und druckresistent gestaltet werden und so auf der Kaltseite von einem Druckgas durchströmt werden können, um Wärme aus dem auf der Warmseite durchströmenden Abgas und zusätzlich den exothermen Reaktionen der Abgasnachbehandlung, soweit diese zum System der Abgasnachbehandlung gehören, aufzunehmen – die einzelnen Verfahren, bestehend zum einen aus einer direkten Zufuhr eines vorentspannten Druckgasvolumens als auch dem Verfahren mit der Wärmeübertragung aus den heißen Abgasen des bzw. der Arbeitsspiele mit Kraftstoffverbrennung an ein vorentspanntes Druckgasvolumen und der anschließenden Zufuhr des durch die Wärmezufuhr nunmehr mit höherem Druck verfügbaren Druckgasvolumens zum Motor miteinander kombiniert als jeweils einzeln eingesetzt werden können. – durch die Wärmeabgabe der brennraumbildenden Bauteile an ein oder mehrere vorentspannte und/oder zu entspannende und damit unterkühlende Druckgasvolumen die Kühlkapazität einer für einen konventionellen Verbrennungsmotor notwendigen Kühleinrichtung reduziert bzw. sogar eliminiert werden kann, da die im konventionellen Verbrennungsmotor für Antriebszwecke nutzlos abgeführten Wärmeenergie zumindest teilweise einem oder mehreren Druckgasentspannungsprozessen zur Verrichtung von Volumenänderungsarbeit mit dem dabei auftretenden Joule-Thomson- Effekts zugeführt werden kann, – durch die Verringerung der Kühlkapazität einer Flüssigkeits- oder Gebläsekühlung die zum Antrieb von Fördereinrichtungen des Kühlsystems zur Verfügung zu stellende Antriebsenergie, welche in einer Gesamtenergiebilanz negativ zu bewerten ist, reduziert werden kann, was die Energiebilanz eines Antriebes nach dem erfinderischen Verfahren ebenfalls verbessert, – durch die Herabsetzung der Anzahl der Arbeitsspiele des Verbrennungsmotorprozesses der Kraftstoffverbrauch bei gleicher Leistung und Arbeit gegenüber einem konventionellen Verbrennungsmotor formell um den Anteil der Arbeitspiele mit Druckgasentspannung reduziert wird – durch die Wärmezufuhr durch das durch den Joule- Thomson-Effekt wärmeaufnehmenden Druckgasvolumen in diesem eine Minderung des Druckabfalls bzw. bei Zufuhr einer äquivalenten Wärmemenge in einem vorentspannten Volumen eine Steigerung des Drucks bei konstantem Rauminhalt erzielt wird, so dass die zu verrichtende Volumenänderungsarbeit gesteigert werden kann, wodurch einerseits die Leistung eines Motors nach dem erfinderischen Verfahren gesteigert wird bzw. durch eine dadurch mögliche Reduzierung der zuzuführenden Druckgasmenge für eine gleich bleibende Volumenänderungsarbeit der Verbrauch an Druckgas gesenkt werden kann, wodurch eine Verlängerung der Betriebsdauer bzw. Reichweite im mobilen Einsatz im Vergleich zu einem reinen Druckgasantrieb erzielt wird. – durch die Substitution von Verbrennungs- Arbeitsspielen durch Druckgas- Entspannungsarbeitsspielen die absolute Schadstoffemission deutlich reduziert wird, weil bezogen auf eine Betriebsdauer/Fahrstrecke quantitativ weniger Kraftstoff verbrannt wird.
Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nach dem erfinderischen Verfahren zu betreibende Motor ein Ein- oder Mehrzylindermotor sein kann.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nach dem erfinderischen Verfahren zu betreibende Motor eine Antriebsmaschine nach dem Zweitakt- Prinzip mit Umkehrspülung sein kann, bei der im Zylinderkopfbereich eine Vorrichtung verwendet wird, die Druckgas dem Hubvolumen zuführen kann und hierfür mit den Arbeitsspielen des Motors mechanisch und/oder elektrisch/elektronisch synchronisiert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nach dem erfinderischen Verfahren zu betreibende Motor eine Antriebsmaschine nach dem Zweitakt- Prinzip mit Gleichstromspülung sein kann, bei der im Zylinderkopfbereich eine Vorrichtung verwendet wird, die Druckgas dem Hubvolumen zuführen kann und hierfür mit den Arbeitsspielen des Motors mechanisch und/oder elektrisch/elektronisch synchronisiert wird und dabei das oder die Arbeitsspiele mit Kraftstoffverbrennung mit angesaugter Frischluft als auch mit dem Luftvolumen aus dem oder den vorangegangenen Arbeitsspielen nach dem Druckgasmotorprozess erfolgen kann, wobei entsprechende Steuerzeiten der Ladungswechselorgane nach dem Stand der Technik realisiert werden können.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nach dem erfinderischen Verfahren zu betreibende Motor eine Antriebsmaschine nach dem Viertakt- Prinzip sein kann, bei der im Zylinderkopfbereich eine Vorrichtung verwendet wird, die Druckgas dem Hubvolumen zuführen kann und hierfür mit den Arbeitsspielen des Motors mechanisch und/oder elektrisch/elektronisch synchronisiert wird und dabei das oder die Arbeitsspiele mit Kraftstoffverbrennung mit angesaugter Frischluft als auch mit dem Luftvolumen aus dem oder den vorangegangenen Arbeitsspielen nach dem Druckgasmotorprozess erfolgen kann, wobei entsprechende Steuerzeiten der Ladungswechselorgane nach dem Stand der Technik realisiert werden können.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nach dem erfinderischen Verfahren zu betreibende Motor eine Antriebsmaschine nach dem Kreiskolbenmotor- Prinzip (Wankel) sein kann, bei der im Ladungswechselbereich eine Vorrichtung verwendet wird, die Druckgas dem Hubvolumen zuführen kann und hierfür mit den Arbeitsspielen des Motors mechanisch und/oder elektrisch/elektronisch synchronisiert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nach dem erfinderischen Verfahren zu betreibende Motor als eine Antriebsmaschine nach dem Ottomotoren- Prinzip in den Arbeitsspielen für den Verbrennungsmotorprozess betrieben wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nach dem erfinderischen Verfahren zu betreibende Motor als eine Antriebsmaschine nach dem Dieselmotoren- Prinzip in den Arbeitsspielen für den Verbrennungsmotorprozess betrieben wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verzögerung eines Fahrzeuges mit einem Motor nach dem erfinderischen Verfahren ein Verdichter zum Antriebsstrang des Fahrzeuges zugeschaltet wird, durch dessen Antrieb kinetische Energie des Fahrzeuges in potentielle Druckenergie umgewandelt werden kann durch das Ansaugen und Verdichten von Außenluft, vorzugsweise dadurch, dass ein zweiter Druckgasspeicher mit einem geringeren Druck als im ersten Druckgasspeicher gefüllt wird, wenn das Fahrzeug abgebremst werden soll.