DE102007008565A1 - Verbrennungs- / Dampfmotor - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist es, einen großen Teil der beim Arbeitsprozess anfallenden Abwärme eines Motors in Bewegungsenergie umzusetzen. Ein Motor wird mit dem doppelten mechanischen Verdichtungsverhältnis ausgelegt und das optimale Verdichtungsverhältnis zur Verbrennung von Kraftstoff wird durch Abblasen der überschüssigen Luft während des Verdichtungstakts über ein Abluftventil (1) hergestellt. Das hierdurch zusätzlich geschaffene Expansionsvolumen wird durch Einspritzung von vorgeheiztem Wasser (2) in den Brennraum (3) und der daraus resultierenden Druckerhöhung zur Erzeugung zusätzlicher Bewegungsenergie genutzt. Durch Verdichtung gegen einen durch ein einstellbares Überdruckventil (4) variablen Gegendruck in einem Druckbehälter (5) kann eine Teillastoptimierung bei Otto-Motoren erfolgen. Ein derart gestalteter Motor hat einen wesentlich höheren Wirkungsgrad und nutzt einen großen Teil der im Motor anfallenden Abwärme zur Erzeugung von Bewegungsenergie.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor der so konstruiert ist, dass er durch Verdampfung einer in den Brennraum eingespritzten Flüssigkeit vorhandene Wärmeenergie zusätzlich in Bewegungsenergie umsetzt.
• Herkömmliche Verbrennungsmotoren nutzen nur ca. ein Drittel der durch die Verbrennung von Treibstoff zugeführten Energie für die Erzeugung von kinetischer Energie.
• Jeweils ein weiteres Drittel wird über das Kühlwasser und das Abgas als Wärme abgeführt.
• Bei einem Motor, der nach dem Otto-Prinzip arbeitet, erfolgt eine Teillastregelung häufig durch Drosselung der Luftzufuhr, wobei wiederum Energie verloren geht.
• Aus der oben beschriebenen Arbeitsweise von heutigen Motoren ergibt sich eine geringe Energieausbeute des zugeführten Treibstoffs und dadurch ein hoher Kraftstoffverbrauch.
• Zusätzlich wird ein hoher Aufwand getrieben, um die anfallende Abwärme abzuführen.
• Werkstoffe für den Bau von Motoren müssen so gewählt werden, dass sie den thermischen Belastungen standhalten. Diese Werkstoffe sind teurer als solche, die nicht diesen Ansprüchen gerecht werden müssen.
• Ziel der Erfindung ist es einen großen Teil der beim Arbeitsprozess anfallenden Abwärme eines Motors in Bewegungsenergie umzusetzen und dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen.
• Zusätzlich soll die Teillastregelung von Otto-Motoren optimiert werden.
• Dieses Ziel wird durch die Konstruktion eines Motor mit den Merkmalen in Anspruch 1–2 erreicht.
• Durch den Verdampfungsprozess von eingespritzter Flüssigkeit in den Brennraum nach, vor oder während der Verbrennung erfolgt eine zusätzliche Druckerhöhung, die in Bewegung umgesetzt wird, im Zylinder. Dies hat einen geringeren Treibstoffverbrauch zur Folge.
• Das Gasgemisch wird dabei abgekühlt und die thermische Belastung des Motors sinkt.
• Durch Schaffung eines geschlossenen Flüssigkeitskreislaufs kann eine zusätzliche Abgasreinigung geschaffen werden.
• Durch Optimierung des Einspritzzeitpunktes kann der Zeitpunkt der maximalen Druckerhöhung so gewählt werden, dass sie genau zwischen zwei Zündungen eines Mehrzylindermotors liegt, wodurch sich eine wesentlich höhere Laufruhe des Motors ergibt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschreiben.
• Es zeigen
• 1: einen Schnitt durch den Zylinder eines Motors
• 2: ein Funktionsschema des Motors
• 3: ein schematisches PV-Diagramm des Arbeitsprozesses
• Alternative 1
• Bei einem 4-Takt Motor 1 sind in bekannter Weise Einlassventil 2 und Auslassventil 3 im Zylinderkopf angeordnet. Zusätzlich ist ein Abluftventil 7 mit einem separaten Abluftkanal 8 in den Zylinderkopf eingebaut.
• Das Verhältnis des Brennraumvolumens im unteren Totpunkt (UT) zum Restvolumen im oberen Totpunkt (OT) ist ca. doppelt so hoch (z. B. ca. 20:1 bei Otto-Motoren) wie bei heute üblichen Motoren (z. B. ca. 10:1 bei Otto-Motoren).
• Das optimale Verhältnis muss erst durch weitere Untersuchungen gefunden werden.
• Die Ventile werden wie folgt gesteuert:
  Während des Ansaugvorganges 35 ist das Einlassventil 2 geöffnet und Luft wird über den Einlasskanal 5 in den Brennraum 4 angesaugt.
• Während der ersten Phase des Verdichtungstaktes (ca. 90 Grad) ist das Abluftventil 7 geöffnet, sodass ein Teil der angesaugten Luft über den Abluftkanal 8 in das Abgassystem 6 abgeblasen wird und somit keine Verdichtung 31 erfolgt. In der zweiten Phase des Verdichtungstaktes 34 ist das Abluftventil 7 geschlossen und die Luft wird auf das für die Verbrennung des Kraftstoffs notwendige Verdichtungsverhältnis verdichtet.
• Nach Schließung des Abluftventils 7 erfolgt die Einspritzung des Kraftstoff über eine Einspritzdüse 12.
• Während des Arbeitstaktes 32 expandiert das Gasgemisch, das bei der Zündung des Treibstoff-/Luftgemisches entstanden ist, wobei sich der Kolben 11 nach unten bewegt.
• Zu einem noch zu bestimmenden optimalen Zeitpunkt im Arbeitstakt wird durch eine Einspritzdüse 10 über ein Vorheizsystem 21 vorgewärmtes Wasser unter hohen Druck in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die sehr hohen Temperaturen im Brennraum verdampft das Wasser, wobei eine Druckerhöhung im Brennraum erfolgt. Das Wasserdampf-/Gasgemisch expandiert unter einem höheren Druck 33 während des Arbeitstaktes.
• Während des Ausstoßtaktes 36 ist das Auslassventil 3 geöffnet und das Abgasgemisch wird über den Abgaskanal 6 abgeleitet.
• Ein Wasserbehälter 22 ist im Motorblock 23 integriert. Aus dem Behälter wird über eine Pumpe 24 Wasser durch ein Wasserkanalsystem 21 im Motorblock, Zylinder und Zylinderkopf geleitet, wobei sich das Wasser aufheizt.
• Am Ausgang des Wasserkanalsystems ist eine Einspritzpumpe 25 montiert, die den für die Einspritzung notwendigen Druck erzeugt.
• Von der Einspritzpumpe 25 wird das Wasser über eine Hochdruckleitung 26 zur Einspritzdüse 10, die das Wasser in den Brennraum einspritzt, geführt.
• Das Wasserdampf-/Gasgemisch wird während des Ausstoßtaktes 36 über den Abgaskanal 6 in das Abgassystem 27 geleitet. Im Abgassystem befindet sich der Auspufftopf 28 in dem durch Kühlung des Abgases der Wasserdampf zu Wasser kondensiert.
• Das Abgas wird nur so stark gekühlt, dass nur die Menge an Wasser kondensiert, die dem System durch Wassereinspritzung zugeführt wurde.
• Das kondensierte Wasser wird über eine Pumpe 29 vom Auspufftopf 28 zum Wasserbehälter 22 zurück befördert.
• Hierdurch ergibt sich ein geschlossener Wasserkreislauf.
• Für den Winterbetrieb kann ein Ausblasen des Wasserkanalsystems inklusive Einspritzpumpe, Hochdruckleitung und Düse durch Druckluft beim Abschalten des Motors vorgesehen werden.
• Alternativ kann in oben beschriebenes Wassersystem Ethanol beim Abschalten des Motors eingespritzt werden.
• Der Wasserbehälter ist konisch zu formen, sodass ein Einfrieren des Wassers im Behälter keine Schäden anrichtet. Eine elektrische Heizung am Grund des Wasserbehälters sorgt für eine Wasserversorgung bei gefrorenen Wasser im Behälter.
• Alternative 2:
• Abweichend von Alternative 1 wird während des Verdichtungstaktes die Phase in dem die Luft nicht verdichtet 31 bei Otto-Motoren verlängert. Die Abluft wird in einen Druckbehälter 8, in dem der Gegendruck durch ein variables Überdruckventil 9 eingestellt werden kann, geleitet.
• Das Überdruckventil 9 wird abhängig vom Lastzustand des Motors eingestellt. Hieraus ergibt sich ein variabler Druck bzw. eine variable Befüllung des Brennraums 4 mit Luft.

Claims (3)

1. Steuerung der Verdichtung eines Motors mit Hilfe eines Abluftventils 10 dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des Verdichtungstaktes zur Verdichtung 34 der Luft genutzt wird.
2. Erzeugung eines zusätzlichen Expansionsdrucks im Brennraum 4 eines Motors, dadurch gekennzeichnet, dass durch Motorabwärme vorgeheiztes Wasser 21 in den Brennraum während des Expansionstakt 32 eingespritzt wird.
3. Optimierung des Teillastbetriebs eine Otto-Motors, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Abluftventil 10 gegen einen durch ein einstellbares Überdruckventil 9 variablen Druck in einem Druckbehälter 8 verdichtet wird.