DE102008008859A1

DE102008008859A1 - Das aktive modulare Brennkraftmaschinensystem-AMICES

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Publication number: DE102008008859A1
Application number: DE102008008859A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-09-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen innovierten thermodynamischen Arbeitsprozess und ein daraus abgeleitetes Zweitakt-Brennkraftmaschinensystem, das in jedem Takt eine aktive Arbeit leistet und dadurch bis jetzt unübertroffene Eigenschaften und Wirkungsgrad bei Volllast sowie bei Teillast aufweist. Das Innovationssystem wird als "AMICES" bezeichnet (AMICES-Active Modular Internal Combustion Engine System). Die Passivzyklen einer klassischen Brennkraftmaschine sind wesentlich für einen hohen energetischen Verlust und einen geringen Wirkungsgrad verantwortlich (eine synchronisierte Luftprozessierung, das produktionslose Ausstoßen der Abgase und die thermischen Verluste durch die Motorkühlung). Bei dieser Innovation ist eine passive Luftprozessierung (ansaugen, komprimieren), die regelmäßig bei allen klassischen Brennkraftsystemen stattfindet, durch nur ein aktives Einspritzverfahren der vorkomprimierten Systemluft aus einem Strukturtank ersetzt. Für die Produktion und die Speicherung des E-Stroms sowie der nötigen Systemluft sorgt sich das Innovationssystem durch polyvalente Rekuperation in einer modularen Ausführung. Das modulare Aggregat wandelt die polyvalenten Energieformen, die sonst bei klassischen Brennkraftsystemen verloren gehen würden (der kinetischen, der Wärme- und die der Abgasenergie), in E-Strom um. Außerdem kann der nötige E-Strom aus einer Außenquelle (ein festes Stromnetz) während des Stillstands in der Batterie gespeichert werden. So kann der ...

Description

Die Erfindung betrifft einen innovierten thermodynamischen Arbeitsprozess und ein, aus dem abgeleitetes Zweitakt-Brennkraftmaschinensystem, das in jedem Takt eine aktive Arbeit leistet und dadurch bis jetzt unüberbetroffene Eigenschaften und Wirkungsgrad bei Volllast sowie bei Teillast aufweist. Die Passivzyklen einer klassischen Brennkraftmaschine sind wesentlich für einen hohen energetischen Verlust und einen geringen Wirkungsgrad verantwortlich (eine synchronisierte Luftprozessierung, das produktionslose Ausstoßen der Abgase und die thermischen Verluste durch die Motorkühlung). Das Innovationssystem wird als ”AMICES” bezeichnet. (AMICES-Active Modular Internal Combustion Engine System)
Bei dieser Innovation ist eine passive und aufwendige Luftprozessierung (ansaugen, komprimieren), die regelmäßig bei allen klassischen Brennkraftsystemen stattfindet, durch nur ein aktives Einspritzverfahren der vorkomprimierten Systemluft aus einem Strukturtank ersetzt.
Für die Produktion und die Speicherung des E-Stroms, sowie der nötigen Systemluft, sorgt das Innovationssystem als vielseitiger Rekuperationsaggregat in einer modularen Ausführung. Das modulare Aggregat wandelt die polyvalenten Energieformen, die sonst bei klassischen Brennkraftsystemen verloren gehen würden (der kinetischen, der Wärme- und die der Abgasenergie), in E-Strom um.
Außerdem kann man aus einer Außenquelle (ein festes Stromnetz) den nötigen E-Strom während dem Stillstand in der Batterie speichern. So kann der rekuperierte E-Strom zur optimalen Zeit, nur für den Antrieb, in einer gewöhnlichen Hybridweise (Brennkraftmaschine + E-Motor) eingesetzt werden.
Mittels gespeicherter E-Energie wird nach Bedarf ein Strukturtank mit komprimierter Systemluft aufgeladen. Diese Systemluft und der Kraftstoff werden über eine Einspritzanlage in den Verbrennungszylinder im richtigen Moment eingespritzt. Die Regulationstechnik basiert auf einem konstanten Druck und einer proportionalen Variation der eingespritzten Menge der Luft und des Kraftstoffs. Damit wird der Verbrennungsdruck und als Folge auch ein hoher Wirkungsgrad bei unterschiedlicher Teillast und Umdrehungszahl auch konstant.
Dank der Rekuperation der Energie und der Befreiung von aufwendigen passiven Arbeitstufen leistet die Innovation eine wesentlich höhere spezifische Leistung (> 5X) und erreicht einen signifikant höheren Wirkungsgrad (bis 70%) als die klassische Brennkraftmaschine.
Der revolutionäre Wirkungsgrad der Innovation ermöglicht, sowohl im Stadt- als auch im Überlandverkehr, gleichzeitig eine wesentlich sportlichere Fahrleistung, ein optimales momentanes Ansprechverhalten, eine reduzierbare Komplexität und Systemgewicht, sowie eine deutlichere Reduktion von Kraftstoffverbrauch und schädlicher Abgasemission.
Weiterhin schafft das innovative Aggregat durch seine reduzierte Komplexität, Leistung und Sparsamkeit eine optimale Basis für den Umstieg aus einer Fossilkraftstoff- in eine emissionsfreie Wasserstoffsära.
Stand der Technik
Um einen idealen thermodynamischen Kreisprozess zu erreichen (Otto, Diesel), hat man konstruktiv einen geschlossenen Verbrennungszyklus aus passiven und aktiven Arbeitstuffen (Takten) geschaffen. Dabei ist lediglich die Umwelt der Ausgangs- und Schlusspunkt von einem Arbeitszyklus.
Aus der Tatsache, dass unterschiedliche klassische Brennkraftmaschinen nach 150 Jahren der Entwicklung immer noch einen überaus schlechten Wirkungsgrad ausweisen, stellt sich die Frage:
„Welcher prinzipielle gemeinsame Nachteil ist für so einen geringen Wirkungsgrad bei klassischen Brennkraftmaschinensystemen verantwortlich?”
Neben dem banalen Fakt, dass alle Brennkraftsysteme auf Verbrennung der Mischung von Luft/Kraftstoff basieren, haben sie auch eine zyklische Synchronisierung von zwei fortlaufenden Prozessen gemeinsam:

1) das Ansaugen und Komprimieren der Luft aus der Umwelt (Prozess komplett passiv!)
2) die Verbrennung der Kraftstoffe und die Emission der Abgase zurück zur Umwelt (Prozess nur Teilweise aktiv!)

So besteht ein Arbeitszyklus einer klassischen Viertakt-Maschine aus drei passiven Takten und nur einem aktiven Takt in einer fortlaufenden Serie (Ansaugen-Komprimieren-Verbrennungsexpansion-Ausstoßen = eine serielle Integration der Arbeitstufen). Von zwei Umdrehungen eines Arbeitzyklus bei einer Viertakt-Maschine ist nur eine Hälfte der einen Umdrehung aktiv. Dazu wird nur bei Ausstoß einer Abgasturboaufladung noch ein geringer Anteil der Abgasenergie der letzten Umdrehungshälfte rekuperiert. (ZEICHNUNGEN SEITE 4, 4A)
Eine klassische Zweitakt-Maschine schließt einen Arbeitszyklus durch parallele Integration der Luft- und Verbrennungsprozessierung in nur einer Umdrehung ab. Dabei wird lediglich nur ein Teil einer Umdrehungshälfte aktiv. Obwohl man von dem Zweitaktprinzip eine bessere Nutzung des Arbeitsvolumens erwartet hat, haben der reale Wirkungsgrad und die schädliche Abgasemission eine weitere Entwicklung stillgelegt. Man hat auch versucht die Nachteile des klassischen Zweitaktprinzips durch Trennung des Luftprozesses von Verbrennungsprozess in separaten Zylindern („Split Cycle ICE-Scuderi ICE”) zu vermeiden. Trotzdem ist ein synchronisierter Verlauf der passiven und aktiven Arbeitstufen weiterhin geblieben. (ZEICHNUNGEN SEITE 4, 4B)
Es ist besonders wichtig die negative Rolle so einer synchronisierten Luftkomprimierung in einem Arbeitszyklus und der daraus folgenden sehr hohen Lufttemperatur zu betonen. Obwohl ist diese Temperatur beim Selbstzünder (Dieselprozess) unbedingt erforderlich ist, ist sie ein Randproblem bei einer weiteren Verbesserung der künftigen Maschinen (aus den Eigenschaften des Kraftstoffs – Klopfende Verbrennung, NOx Emission usw.)!
Das Prinzip der synchronisierten Integration der passiven (die Luftprozessierung) und aktiven (die Kraftstoffverbrennung) Arbeitstufen in der brennkraftzyklischen Arbeitsproduktion hat die wesentlichen Probleme bei der Entwicklung der klassischen Brennkraftaggregate verursacht:

– eine geringe spezifische Leistung
– ein großes Arbeitsvolumen aufgeteilt auf mehrere Zylinder (> 4)
– ein relativ niedriges konstantes Verdichtungsverhältnis (besonders beim Otto-Prozess)
– eine hohe Temperatur der komprimierten Luft (Klopfenden Verbrennung, NOx Emission)
– bei Teillast ist das physikalische Verdichtungsverhältnis viel niedriger als das konstruktive
– eine sehr komplexe Regulation der Luft-Kraftstoff Mischung
– ein geringer Wirkungsgrad (von 25%–45% bei Volllast, < 25 bei Teillast stark fallend!)
– ein hoher Kraftstoffverbrauch und hohe Abgasemission (CO2, NOx ....)

Außerdem macht die Regulationsmethodik beim Ansaugen der nötigen Luftmenge durch Luftdrosselung in Kombination mit einem konstanten, konstruktiven Verdichtungsverhältnis die Sache noch schlimmer. Bei der Regulation der spezifischen Teillast schwanken die Parameter (Druck/Temperatur) der Luft/Kraftstoff Mischung am Ende des Kompressionstakts unregelmäßig. Neben dem hohen Energieverlust beim Ansaugen kommt es zu einem sinkenden Verbrennungsdruck und zu weiterer Reduzierung des schon geringen Wirkungsgrads (ein PKW fährt 95% der Zeit in Teillastbereich!). (ZEICHNUNGEN SEITE 5, 5C)
Die Konstrukteure haben sich in dem letzten Jahrhundert sehr große Mühe gegeben, die Nachteile der synchronisierten Luftprozessierung bei den klassischen Brennkraftmaschinen zu beseitigen. So hat man schon jede Art von Turboaufladung, variablem Verdichtungsverhältnis, paralleler Prozessierung („Split Cycle ICE”) entwickelt und verbessert. Trotz allen Verbesserungen und einer erhöhten Komplexität, besonderes bei den Straßensystemen, blieb der verbesserte Wirkungsgrad sehr enttäuschend.
In der Druckschrift der De-10 2006 045 937.7 („HARTS”) ist ein Turbosystem beschrieben, das in einem Turbolader, durch gesteuerte Expansion der hoch komprimierten Systemluft, die den gleichzeitigen Ablauf von Druckaufbau und Ladeluftkühlung ermöglicht, – dies unter der Temperatur der Außenluft. Hierfür ist eine Hochdruckluft-Produktionsanlage unentbehrlich. Dieses Brennkraftsystem hat eine nicht synchronisierte Produktion der Systemluft, die durch eine polyvalente Rekuperation in einem Strukturtank gespeichert wird. Die Systemluft treibt, durch Expansion einen Turbolader weiter an und mischt sich mit der vom Turbolader angesaugten Außenluft. Damit wird der Eingangsparameter der Luft für den Verbrennungsprozess verbessert (niedrigere Temperatur, erhöhte Dichte).
Da dieses Aggregat wieder auf der Basis einer klassischen Viertakt-Brennkraftmaschine aufgebaut ist, wiederholt sich jetzt die gleiche zuvor ausgelegte Geschichte von einer synchronisierte seriellen Luft-/Verbrennungsprozessierung. Neben dem einigermaßen verbesserten Wirkungsgrad und Leistung, zeichnet sich dieses System lediglich mit einer stark erhöhten Komplexität aus.
Um all die genannten Nachteile des gegenwärtigen Stands der Technik zu beheben, bedarf es der Weiterentwicklung von einem Brennkraftaggregat, das definitiv passive und aktive Prozesse separiert:

1 – eine separate Brennkraftmaschine, die nur aktive Arbeit in alle zyklischen Arbeitstufen produziert
2 – eine separate Kompressionseinheit, die die Systemluft durch polyvalente Rekuperation produziert und in einem Strukturtank speichert

Dieser Strukturtank soll die einzige und diskrete bedingungslose Verbindung zwischen zwei separaten Prozessen sein. So verbessert, soll ein aktives Brennkraftaggregat einen sehr hohen Wirkungsgrad und Leistungspotenzial erreichen und in einer nächsten Stufe eine Migration von fossilen Kraftstoffen zu Wasserstoff ermöglichen.
BESCHREIBUNG
Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1. gelöst. Die Beschreibung bezieht sich auf spezifizierte Zeichnungen:
ZEICHNUNGEN SEITE 1
1: AMICES – Aktives Zweitakt-Maschinensystem (Basiskonzept)
ZEICHNUNGEN SEITE 2
2A: 1. Takt: K/L ”Injektion” (d = 0) (1. Injektionsarbeit)
2B: 1. Takt: Zündung + Verbrennung (2. Expansionsarbeit)
2C: 2. Takt: Ausstoßen (3. Expansionsarbeit)
ZEICHNUNGEN SEITE 3
3: AMICES – Thermodynamischen Prozess-Diagramm „p-v”
ZEICHNUNGEN SEITE 4
4: Zyklus-Komparation: „p-t” Diagramm (Druck – Zeit)
A) Viertakt + B) Zweitakt (Stand der Technik): C) Innovation „AMICES”
ZEICHNUNGEN SEITE 5
5A: AMICES – Multikomponenten-Einspritzsystem (MCRS)
5B: Rgd. „p-v”: AMICES (Innovation)
5C: Rgd. „p-v”: Otto-Prozess (Klassik)
ZEICHNUNGEN SEITE 6
6: AMICES – Wärmerekuperation
ZEICHNUNGEN SEITE 7
7: AMICES – Modular-System (Basiskonzept)
ZEICHNUNGEN SEITE 8
8A M-1: Aktives Zweitakt-Maschinenmodul 2XA ”AMICES”
8B M-2: Abgasmodul
8C M-3: Systemluftmodul
ZEICHNUNGEN SEITE 9
9A M-4: Antriebsverteilermodul ”AMICES”
9B M-5: Getriebemodul ”AMICES”
ZEICHNUNGEN SEITE 10
10A AV-1: „AMICES-I/B”
10B AV-2: „AMICES-I/G”
ZEICHNUNGEN SEITE 11
11A AV-3: „AMICES-Y/BG”
11B AV-4: „AMICES-T/BG”
ZEICHNUNGEN SEITE 12
12: „AMICES-T/BDEGW”
ZEICHNUNGEN SEITE 13
13 KONZEPT: ”AMICES-H-Y/BEGW” (Emissionfrei-Wasserstoff Plug & Drive)
ZEICHNUNGEN SEITE 14
14A Diagramm der Systemluftproduktion
14B Schematisches Diagramm: Wirkungsgrad/Verdichtungsverhältnis (Stand der Technik)
Konzepteinführung
Die Innovation wird Funktionswiese in zwei Abschnitten Präsentiert. In dem ersten Abschnitt wird einen innovierten geöffnete thermodynamischen Prozess und darauf basierende aktive Zweitakt-Maschinensystem 2XA beschrieben. Im dem zweiten Abschnitt wird dazu benötigen innviertes Modularsystem präsentiert basierend auf eine polyvalente Rekuperation. Das Innovationssystem wird Weiter als ”AMICES” bezeichnet. (AMICES-Active Modular Internal Combustion Engine System)
I. Das aktive Zweitakt-Maschinensystem 2XA ”AMICES”
Die Zeichnungen Seite 1 stellen schematisch ein aktives Zweitakt-Brennkraftmaschinensystem der Innovation „AMICES” dar. Hauptsächlich besteht sie aus einer aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA in paralleler Kombination mit einer Abgasturbine AT, die über einen Kraftverteiler KV zusammen gekoppelt sind.
In dieser Antriebskombination ist die aktive Zweitakt-Maschine 2XA für eine Produktion der Primärarbeit vorgesehen. Außerdem spielt sie die Rolle einer von einer aktiven Brennkammer für die parallelgekoppelte Abgasturbine. Die Abgasturbine AT ist für die Produktion der Sekundärarbeit durch die Rekuperation der Abgase zuständig. So eine Kombinationsart findet man auch bei jeder gewöhnlichen Abgasturboaufladung. Diese produzierte Sekundärarbeit kann über einem Kraftverteiler KV, entweder direkt oder über eine elektrische Transmission EM/G für aktive Produktion der Antrieb und E-Strom eingesetzt werden.
Die aktive Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA sieht auf den ersten Blick wie eine klassische Viertaktmaschine aus, außer das die innovierte Maschine kein Verdichtungsraum und kein Luft-Saugventil hat. Statt ein klassisches Saugventil wurde eine Einspritzdüse 1.1 als ein Teil des multifunktionalen Einspritzsystems („MCRS – Multifunktion Common Rail System”) eingesetzt.
Bei konventionalen Einspritzverfahren sorgt das System („CRS-Common Rail System”) nur für eine Lieferung, Dosierung und eine rechtzeitige Einspritzung des Kraftstoffs. Das innovierte multifunktionale Einspritzsystem ist dazu noch für die Versorgung der Systemluft und ein Aufbau der stöchiometrischen Mischung (Systemluft/Kraftstoff) beim immer konstanten Druck p_cr verantwortlich.
Der Kraftstoff wird zur Einspritzdüse 1.1 aus einem Kraftstoff-Tank K-T über ein Kraftstoff-Druckgerät 1.5 und Kraftstoffdruckrohr 1.4 geleitet. Das Druckgerät 1.5 ist für einen konstanten Druck p_CR im Kraftstoffs-Druckrohr 1.4 zuständig. Der Art von Druckgerät 1.5 ist von den physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs abhängig – bei einer Flüssigkeit ist es eine Hochdruckpumpe, bei einem Gas ist es ein Druckregulationsventil.
In gleiche weise, wird der Systemluft zur Einspritzdüse 1.1 aus einem Systemluft-Strukturtank SL-T über ein Systemluft-Druckgerät (Druckregulationsventil) 1.7 und Systemluft-Druckrohr 1.6 geleitet. Das Druckgerät 1.7 ist wie im Fall der Kraftstoff für einen konstanter Druck p_CR im Kraftstoffs-Druckrohr 1.4 zuständig.
Die Einspritzdüse 1.1 (Elektromagnetische, pneumatische oder anderer Art) baut eine stöchiometrische Mischung aus Systemluft und Kraftstoff immer unter einem konstanten hohen Druck p_CR auf und spritz sie rechtzeitig im Zylinder ein.
Wie beim konventionalen Otto-Maschine, eine Zündkerze 1.2 von irgendeiner Art ist für eine rechtzeitige Zündung der eingespritzten Mischung zuständig.
Das Operationskonzept
Die Zeichnungen Seite-2 stellen das Arbeitsprinzip des aktiven Zweitakt-Maschinensystems dar, das dank einem geöffneten thermodynamischen Zyklus nur aus aktiven Expansionsstufen besteht. Der begriff „aktiv” bezeichnet eine positive Arbeitsproduktion in jeder Funktionsstufe des Operationszyklus. Eine klassische passive Luftansaugung oder Luftkomprimierung geschieht nie in diesem Maschinensystem. Während eine konventionelle Brennkraftmaschine die nötige Luft für die Verbrennungsprozess direkt aus der Umgebung besorgt, bei einer aktiven Zweitakt-Maschine 2XA wird neben einem Kraftstofftank noch ein zusätzlicher Systemlufttank (Vorkomprimierte Luft oder Sauerstoff) unentbehrlich. So sollte die Systemluft/Sauerstoff vorkomprimiert und in einem Strukturtank gespeichert werden, das auf den ersten Blick wie ein Nachteil der Innovation in einem Vergleich mit klassischen Brennkraftsystemen aussieht. Im Gegenteil, ein sehr hoher Wirkungsgrad und spezifische Leistung folgen hauptsächlich aus diesem Versorgungskonzept. Einen aktiven zweitaktigen Zyklusverlauf wird in drei Arbeitschritten beschrieben:

1. – Takt 0°–180° (die Arbeit wird in aktive Zweitakt-Kolbenmaschine produziert!) 1.1) Einspritzung der Systemluft/Kraftstoff Mischung, 0°–d° (2A) Der Zyklus beginnt in oberster Position des Kolbens, indem kein Verdichtungsraum übrig bleibt. Theoretisch schließt der Kolben das Arbeitsvolumen der Zylinder auf „null”, das eine komplette Abfuhr der Abgase aus vorherigem Zyklus und einen höchsten volumetrischen Durchsatz gewährleistet. Die Einspritzdüse 1.1 öffnet sich und eine Systemluft/Kraftstoff Mischung unter hohem Druck p_cr herausströmt. Der Injektionsdruck p_cr schiebt den Kolben nach unten. Während dieser Bewegung des Kolbens auf eine regulierbare Position „d” wird eine bestimmte Menge der Mischung eingespritzt, die einem gewünschten Lastgrad entspricht. In dieser Position wird das Einspritzverfahren geschlossen. Einen hohen Druck der vorkomprimierten Systemluft aus dem Strukturtank hat ein entsprechender hoher Verdichtungsgrad gewährleistet, ohne das, wie bei klassischen Brennkraftmaschinen, mit einer sehr hohen Kompressionstemperatur zu bezahlen, beziehungsweise einer geringen Dichte der Mischung. Dank konstantem Druck p_cr aus dem multifunktionalem Einspritzsystem MCRS und der Konvektion der Wärme aus den Zylinderwänden wird die Arbeit schon in dieser ersten Einspritzphase aktiv produziert („Injektionsarbeit”). 1.2) Eine Expansion der verbrennenden Gase (d°–180°) (2B) Unmittelbar nach Schließung der Einspritzdüse in Position „d” („Zündungswinkel d°”) zündet eine Zündkerze 1.2 die eingespritzte Luft/Kraftstoff Mischung. Wie gewöhnlich nach der Verbrennung, erreicht der Druck einen Maximalwert und über die Expansion der Gase wird Primärarbeit produziert („Expansionsarbeit”).
2 – Takt 180°–360° (die Arbeit wird in eine Abgasturbine produziert!) (2C) Nachdem der Kolben die unterste Position erreicht hat, wird ein Abgasventil 1.3 geöffnet. Durch die Bewegung des Kolbens nach oben wird die Ausströmung der Abgase stark unterstützt. Beim Ausstoßen sind zwei Szenarien möglich.

Wie üblich bei konventionellen Brennkraftmaschinen, kann man einfach die Abgase über einen Katalysator und eine Auspuffanlage in die Umgebung verschwinden Lassen. Dabei macht sich dieser zweite Takt als passiv und eine große Menge der Energie wird verloren gehen. Trotz Abgasverlust bei diesem Szenario schafft die aktive Zweitakt-Maschine 2XA auch in diesem Fall einen wesentlich größeren Wirkungsgrad als eine konventionelle Maschine.
Weil die Abgase noch eine große Menge der Energie tragen (> 30% der effektiven Verbrennungsenergie), die über eine Abgasturbine AT rekuperiert werden, um energetische Verluste zu minimieren und ein komplett-aktiven Prozess zu schaffen. Wie üblich bei konventioneller Abgasturboaufladung, kann die Abgasturbine AT einen gewissen Teil der kinetischen- und Expansionsenergie der Abgase in nützliche Arbeit ableiten. Diese produzierte Sekundärarbeit wird in unserem Fall über einen Kraftverteiler KV, entweder direkt oder über eine elektrische Transmission für aktive Produktion des Antriebs und des E-Stroms eingesetzt. Für eine optimale pausenlose Versorgung der Abgasturbine AT mit Abgasen sind mindestens zwei Brennkraftzylinder notwendig (optimal wäre drei). Da eine Turbine einen hohen Wirkungsgrad nur bei einer konstanten hohen Umdrehungszahl erreichen kann, soll die Konzipierung der parallelen Kombination der Kolbenmaschine „2XA” und Gasturbine „AT” nach Fahrtregime aus dem Anwendungswinkel betrachtet werden.
Bei einem Fahrtregime, charakterisiert durch eine konstante Last, man kann eine Abgasturbine AT einfach direkt über die Kraftverteiler KV integrieren. So eine Kombinationsart kann man aus der Marinepraxis als ein „COPAG” system bezeichnen (”compound piston engine and gas turbine”).
Im Gegenteil, bei einem Fahrtregime, das eine häufige Laständerung charakterisiert, soll die Abgasturbine über eine Elektrischen-Transmission (E-Motor/Generatorsystems EM/G) gekoppelt werden. So eine Kombinationsart kann man als ein „COPEG” System bezeichnen (”Compound Piston-engine, Electric-transsmision and Gas Turbine”). Diese Variante passt sich besser an die Art der variablen operationalen Teillast an, die man bei heutigen Verkehrsmitteln gewöhnlich findet.
Wie gezeigt, sind alle Operationsstufen des innovierten Zweitakt-Maschinensystems hinsichtlich einer Arbeitsproduktion aktiv.
Das Operationsprinzip
Die Zeichnungen Seite-2 stellen das Arbeitsprinzip des aktiven Zweitakt-Maschinensystems in einem schematischen Diagram „p-v” dar. Das innovierte Zweitakt-Maschinensystem funktioniert in einem geöffneten thermodynamischen Zyklus, das in selben Diagram mit dem konventionellen geschlossenen Kreis-Prozess (Otto) kompariert wird. Um diese Komparation zu vereinfachen, liegt der konstante Druck p_CR der Systemluft im multifunktionalen Einspritzsystem 1.6 (Punkt ”A”- ein Zyklus-Startpunkt) am gleichen Niveau wie der Kompressionsdruck der konventionellen Maschine (Punkt „B₀”). Man muss darauf achten, dass der eigentliche Druck p_CR beim realen innovativen Prozess deutlich höher wird als bei konventionellen Brennkraftmaschinen.
Das „Feld”, begrenzt mit den Kurven zwischen den Punkten ”A₀–B₀–C₀–D₀”, stellt eine theoretische Effektive Arbeit des konventionellen Otto-Prozesses dar, während das Feld unter der Kurve zwischen den Punkten ”A₀–B₀” den „Arbeitsverlust” bei der Kompression der angesaugten Luft repräsentiert. Wie gesagt, der Hauptnachteil des konventionellen Brennkraftprozesses ist eine synchronisierte Integration von dieser „Verlustarbeit” in dem thermodynamischen Kreisprozess.
Das „Feld” begrenzt mit den Kurven zwischen den Punkten ”A–B–C–D–E” stellt eine theoretische Effektive Arbeit des innovativen „AMICES” Prozesses dar. Es ist aber klar, weil das innovative System kein Perpetuum-Mobile ist, die energetische Bilanz muss stimmen. Deswegen wird es nötig eine gleiche Kompressionsarbeit bei einer Aufladung des Strukturtanks mit der benötigen Systemluft zu investieren. Der Hauptunterschied bei diesem Kompressionsverlust liegt daran, wie schon erklärt, dass man die benötigte Kompressionsenergie als einen separaten Prozess gelegentlich aus polyvalenten Quellen unabhängig rekuperieren und speichern kann. Die Systemluft wird von einem mehrstufigen E-Kompressor (von irgendeiner Art) komprimiert und nach der Kühlung im Strukturtank gespeichert. Deswegen hat die Systemluft bei einem konstanten Einspritzdruck p_CR fast Umgebungstemperatur.
a) – eine aktive Einspritzarbeit zwischen „A–B” (eine Isobare):
Bei einer fast Umgebungstemperatur (Punkt ”A”) ist die Dichte der Mischung viel höher als bei konventionellen Maschinen nach einer direkten synchronisierten Verdichtung (Punkt „B₀”). Die Temperatur liegt nämlich bei gleicher Verdichtung der komprimierten Luft (Mischung) einer konventionellen Maschine sehr hoch (Otto > 400°C, Diesel > 600°C). Vor allem deswegen erbringt aus gleichem Arbeitsraum und bei gleichem Druck („Verdichtungsverhältnis”) der innovative Prozess eine erhöhte Mischungsdichte, und damit mehr Leistung und einen höheren Wirkungsgrad. Bei konventionellen Maschinen ist eine vergleichbare Mischungsdichte über einen erhöhten Verdichtungsgrad bezüglich Temperaturerhöhung unmöglich zu erreichen (thermische Verluste, eine Kopfende-Verbrennung, sehr hohe NOx Emission...usw.). Man darf nicht vergessen, dass der eigentliche Druck p_CR beim realen innovativen Prozess deutlich höher als bei konventionellen Brennkraftmaschinen liegen kann! Zwischen den Punkten „A” und „B” wird die Mischung bei konstantem Druck p_CR eingespritzt und eine entsprechende Arbeit produziert. Dabei wird diese Arbeit über Konvektion der restlichen Wärmeenergie aus Zylinderwänden des vorherigen Zyklus teilweise auch rekuperiert (eine Erhöhung der Mischungs-Temperatur bei der Einspritzung_die Isobare-Erwärmung).
b) – eine Zündung der Mischung zwischen „B–C” (eine Isochore):
Die Lage von Punkt „B” entspricht einer regulierbaren Zündungsposition des Kolbens „d”, das nach einem Einspritzverfahren stattfindet. Eine Zündung nach dem obersten Wendepunkt des Kolbens („d”) würde einer konventionellen Maschine wegen fallendem Verdichtungsgrad der Mischung erhebliche Wirkungsverluste bringen, Dank einem Konstanten Druck p_CR aus MCRS kann so eine Art der Zündung dem Innovationsprozess nicht schaden. Nach einer Zündung der Mischung springt der Druck auf einen Maximalwert P_MAX in dem Punkt „C” (die Isochore-Erwärmung). Als Ergebnis, ein Maximaldruck P_MAX der innovative Zweitakt-Maschine im Punkt „C” wird viel höher als einen entsprechenden Maximaldruck bei einem Konventionellen Otto-Maschine im Punkt „C₀”. Trotz einem erhöhten Verbrennungsdruck, dank einer niedrigen Temperatur der Mischung und fallendem Druckgradient des Verbrennungsgases bewirkt es eine deutliche Reduktion der NOx-Emission.
c) – eine Expansion des Verbrennungsgases zwischen „C–D” (eine Adiabate):
Wie üblich für eine Brennkraftmaschine, schiebt eine adiabatische Expansion des Verbrennungsgases zwischen „C” und „D” den Kolben nach unten und produziert damit die Primärarbeit (das Feld unter die Adiabate ”C–D”). Der effektive mittlere Druck der Innovationsmaschine (zwischen „C–D”) überschreitet wesentlich den selben bei einer konventionellen Brennkraftmaschine (zwischen „C₀–D₀”).
d) – eine Expansion des Verbrennungsgases zwischen „D–E” (eine Adiabate):
In untersten Wendepunkt des Kolbens wird durch ein geöffnetes Abgasventil die weitere adiabatische Expansion in der Abgasturbine durchgeführt. Damit wird eine Sekundärarbeit produziert (das Feld unter die Adiabate ”D–E”). Die Position des untersten Wendepunkts des Kolbens („D”) an die Adiabate wird von der Lastregulation abhängig (siehe abschnitt Regulationsprinzip”).
Eine Prozesskomparation
Die Zeichnungen Seite-4 stellt die Komparation zwischen üblichen Brennkraftsystemen und innovierten aktiven Zweitakt-Maschinensystems in einem schematischen Diagram „p-t” bei einer Volllast dar (Druck-Zeit).
4.a stellt die Arbeitsschritte eines Zyklusverlaufs bei einer konventionellen Viertakt-Maschine dar. In zwei Umdrehungen wird nur eine hälfte der Umdrehung im 3. Takt Aktiv. Von den übrigen drei passiven Takten, „fressen” die ersten zwei dabei effektive Arbeit durch synchronisierte Luftprozessierung (Otto bis 35%, Diesel bis 45%!). Nur einen Teil der Abgasenergie rekuperiert man bei konventioneller Viertakt-Maschine mit Abgasturboaufladung.
Eine konventionelle Zweitakt-Maschine (4.b) schafft in jeder Umdrehung ein Aktiventakt. Obwohl der Zyklus theoretisch doppelt so leistungseffektiv scheint wie der einer konventionellen Viertakt-Maschine, weist in der Praxis ein Zweitakter einen viel schlechteren Wirkungsgrad auf. Die meisten Probleme verursacht eine Überlappung zwischen einer Luftprozessierung und dem Ausstoßen des Abgases. Dabei mischt sich ein großer Anteil des Abgases aus dem vorherigem Zyklus mit frischer Luft/Kraftstoff. Da dieser Mix dazu ein Schmieröl beinhaltet, wird neben dem schlechtem Wirkungsgrad die Verbrennung echt umweltschädlich. Man hat auch versucht die Nachteile des klassischen Zweitaktprinzips durch Trennung des Luftprozesses vom Verbrennungsprozess in separaten Zylindern („Split-Cycle”, „Scuderi Engine”) zu beseitigen. Das hat mehrere neue Probleme bei synchronisierter Überführung der verdichteten und dabei sehr heißen Luft aus Kompressions- zu einem Verbrennungszylinder geöffnet. Deswegen ist auch bei diesen Lösungen ein synchronisierter Verlauf der passiven und aktiven Arbeitstufen weiterhin geblieben, was einen verbesserten Wirkungsgrad auch bei diesen Systemen äußerst fraglich macht.
Das innovierte aktive Zweitakt-Maschinensystem (4.c) schafft dagegen in jeder Umdrehung einen vollaktiven Zyklus ohne Funktionsverlust. In der ersten Hälfte einer Umdrehung wird Arbeit in die aktive Kolbenmaschine 2XA produziert und in die nächste Hälfte eine zusätzliche Rekuperationsarbeit in einer Abgasturbine. Obwohl bei dieser Komparation ein konventioneller Verdichtungsdruck mit einem konstanten Einspritzdruck p_CR ausgeglichen ist, ist der innovierte Prozess schon mindest vier mal leistungseffektiver als der Prozess einer üblichen Viertakt-Maschine. Wie gesagt, der konstante Einspritzdruck p_CR kann dank Beseitigung eines nachteiligen Nebeneffekts der Verdichtungstemperatur viel höher liegen.
Das Regulationsprinzip
Die Zeichnungen Seite-5 stellen die Grundlage für ein thermodynamisches und konstruktives Konzept der innovativen Regulationstechnik des aktiven Zweitakt-Maschinensystems dar.
Dabei ist am 5C wegen der Komparation ein schematisches Diagramm „p-v” für eine gewöhnliche Regulationstechnik einer konventionellen Brennkraftmaschine dargestellt. Wie gesagt, bei einer konventionellen Maschine basiert die Regulationstechnik auf einer Drosselung der Lufteinnahme aus der Umgebung. Dabei ist sehr schwer den richtigen stöchiometrischen Anteil von Luft/Kraftstoff ohne einen Luftmengemesser und entsprechenden Berechnungen zu determinieren, was konventionelle Regulationssysteme sehr innert und anfällig macht. Außerdem, wird nämlich bei der Konstruktion der Brennkraftmaschinen ein Verdichtungsverhältnis immer auf einen Volllastwert bei bestimmter Umgebungstemperatur gesetzt. Als Folge wird bei einer Teillast eine kleinere Menge der Ladeluft auf einen niedrigeren Druck über den Kolben der Brennkraftmaschine komprimiert. Ein Verdichtungsverhältnis das bei der Konstruktion z. b. auf 10 festgesetzt wurde, fällt bei 50% der Teillast faktisch auf einen „Realwert” von 5 (5C; e_v, e_T). Wegen so konstanten Verdichtungsraums im Zylinder fällt bei der Verringerung der Menge der Luft für die spezifische Teillast der Verdichtungsdruck und die Mischungsdichte. Als direkte Folge wird der maximale Verbrennungsdruck auch viel kleiner, was eine logische Schwächung der Leistungseffektivität verursacht. Die meisten PKW-s fahren 95% der Zeit in Teillastbereich. Damit wird sowieso ein geringer Wirkungsgrad der konventionellen Brennkraftmaschine bei einer Teillast weiter verringert. Neben dem erhöhten Energieverlust beim Ansaugen führt es zu einer sinkenden Leistung und erhöhtem Kraftstoffverbrauch. Oben am 5C ist ein schematisches Diagramm „p-v” bei einer Volllast (100%) dargestellt und unten ein entsprechendes Diagramm bei „X%” Teillast. Eine schädliche Wirkung der konventionellen Regulationstechnik durch eine Verringerung des effektiven Arbeitsfeldes ist deutlich zu sehen.
Um einen Wirkungsgrad unabhängig von einer Teillast am einem hohen Niveau zu halten, basiert die innovative Technik der Teillastregulation einer aktiven Zweitakt-Maschine auf proportionalen Massendurchsatz der Luft und Kraftstoff bei einem konstanten Druck p_CR. Es wird weder ein Massenmengemesser oder die komplizierte Berechnungen der proportionalen Anteile wie üblich bei konventionellen Regulationssystemen mehr notwendig. Dabei ist der Druck der Systemluft und des Kraftstoffs weder von einer Last noch von einer Umdrehungszahl abhängig. Als Folge werden auch die Parameter einer eingespritzte Luft/Kraftstoff-Mischung bei einer Zündung immer gleich-konstant, weder von einer Last oder von einer Umdrehungszahl abhängig. Ein multifunktionales Einspritzsystem (5.a) besteht aus einem Druckregulationssystem und gemeinsamen Hochdruckrohren für Systemluft (SL, 1.6), Kraftstoff (K, 1.4) und optional für Wasser (H₂O-Option). Im Fall eines bivalenten Antriebskonzepts, ist es auch möglich mehrere separate gemeinsame Hochdruckrohre 1.4 für spezifische Kraftstoffe zu integrieren. Die gemeinsamen Hochdruckrohre sind mit den Einspritzdüsen 1.1 verbunden, die für einen proportionalen Aufbau und eine Lieferung der stöchiometrischen Mischung beim konstanten Druck p_cr verantwortlich sind. Die Art und Zahl der Einspritzdüsen pro Zylinder hängen von der Kraftstoffsvariante ab. Der Mischungsaufbau passiert auf einem rein-analogen Zufluss der Systemluft und des Kraftstoffs über entsprechende Dosierdüsen. Dabei wird es möglich nur eine multifunktionelle Einspritzdüse pro Zylinder mit einem Nadelventil zu verwenden, in welcher die Mischung direkt im Nadelkanal vor dem Einspritzpunkt entsteht. Im weiteren Fall ist es möglich eine multifunktionelle Einspritzdüse mit mehreren Nadelventilen oder mehr Einspritzdüsen pro Zylinder zu verwenden, damit die Mischung im Maschinenzylinder während einer Injektion entsteht. Einspritzdüsen kennen in jeder gewöhnlichen Art betätigt werden (elektromagnetisch, pneumatisch, mechanisch...usw.). Das Einspritzverfahren startet immer gleich nach dem kompletten Ausstoß der Abgase aus dem vorherigem Zyklus (Schließung des Abgasventils 1.3) Im obersten Wendepunkt des Kolbens (d = 0; d° = 0). Es dauert immer bis ein steuerbarer Wert „d = f (Lastgrad)” der Kolbenlage erreicht wird (d°; 2B), der einer Position der Gaspedale entspricht. Damit wird das Einspritzvolumen der Zylinder, bzw. eine Menge der Mischung bei einem konstanten Druck p_cr vor einer Zündung in Position „d” des Kolbens nach einer spezifischen Tillast steuerbar. Ein schematisches Diagramm „p-v” oben an 5B stellt eine Arbeitsproduktion bei einer Volllast (100%) dar. Bei einer Teillast X% (ein schematisches Diagramm „p-v” an 5B unten) ist die Fläche des gesamten Arbeitsfelds wie bei der Volllast 100% oben gleich geblieben. Der Verbrennungsdruck wird immer konstant, während der Abgasdruck am Ausgang aus der Zweitaktmaschine 2XA (vor dem Eingang in die Abgasturbine) den Lastvariationen folgt. Die proportionalen Anteile der gesamten produzierten Arbeit in der aktiven Zweitakt-Maschine und Abgasturbine werden deswegen von einer Teillast abhängig. Deswegen wird bei einer niedrigeren Last ein kleinerer Anteil der Rekuperationsarbeit in der Abgasturbine produziert, dies passt sich ideal mit einem Energetischenbilanz bezüglich Systemluftverbrauch. Die gesamte produzierte spezifische Arbeit und Wirkungsgrad ist konstant und praktisch unabhängig wieder von einer Last oder Umdrehungszahl.
Die Wärmerekuperation
Bei konventionellen Brennkraftsystemen verliert man bei einer passiven Kühlung bis 30% der produzierten Wärmeenergie. Dazu kommt zusätzlich der Wärmeverlust der Abgase (zusätzlich bis 30%). Man kann auch wie bei klassischen Brennkraftmaschine mit einem passiven Kühlungssystem die Wärme in der Umgebung abführen, mit demselben thermischen Verlust. Optional ist es möglich durch die Verdunstung des Kühlungsmittels (Wasser) ein Teil der Verlust-Wärme durch Abgas/Dampf Mischung in einer Abgasturbine zu rekuperieren. So eine thermische Rekuperation ist schon längst bei mehreren konventionellen Abgasturbosystemen theoretisch und praktisch eingesetzt. Dank Funktionsverbesserungen schafft ein aktives Zweitakt-Maschinensystem beim gleichen Arbeitsvolumen mindestens eine fünffache Leistung eines Konventionellensystems. Aus dem Grund ist das innovierte Maschinensystem deutlich kleiner als das Konventionelle und deswegen wird mehr Wärmeenergie pro Konstruktionsmasse in einer Zeiteinheit zugeführt, die Innovation ist besonders geeignet für so eine Art der thermischen Rekuperation. Beim innovierten System ist eine kinetische Abgasrekuperation durch Abgasturbine AT schon vorhanden. Durch eine zusätzliche thermische Abgasrekuperation wird der Wirkungsgrad gezielt auf Kosten der Wärmeenergie noch weiter verbessert. Die Menge und Dichte der Abgase wird durch hinzugemischten Dampf aus einer Verdunstung der Kühlungsmittel (Wassers) in heißen Verbrennungsgasen erhöht. Damit wird die Abgasrekuperation der Turbine AT in einer kombinierten Gas/Dampf-Mode noch effektiver.
Die Zeichnungen Seite-6 stellen die Grundlage für eine zusätzliche thermische Verbesserung des aktiven Zweitakt-Maschinensystems dar. Ein Teil des Kühlungsmittels (Wasser) wird über einen Katalytischen-Abgaskondensator KDK unter einen hohen Druck (Hochdruckpumpe HDP) zu einem gemeinsamen Einspritzsammler zugeführt (6). Damit nimmt das Wasser einen Teil der noch vorhandenen Wärmeenergie aus den Abgasen und trägt sie zurück i den Prozess. Der Einspritzsammler WR und nur eine Einspritzdüse WE sind im Abgaskrümmer zwischen 2XA Kolbenmaschine und Abgasturbine AT integriert. Das Einspritzverfahren läuft unter einem niedrigen Druck kontinuierlich, unabhängig von Arbeitszyklen der Kolbenmaschine 2XA. Die Regelung der Einspritzung folgt im Zusammenhang mit der Temperatur der Abgaskrümmer und der Umdrehungszahl der Kolbenmaschine 2XA. Dabei wird bei einer niedrigen Arbeitstemperatur der Maschine auf eine Einspritzung der Kühlungsmittel verzichtet. Die Option-2 rekuperiert nur die Abgaswärme, ohne eine interne Kühlung bei der Kolbenmaschine 2XA zu leisten. Um die Wärmeverluste durch die Kühlung der Maschine 2XA zu minimieren, ist es möglich durch die keramischen Zylinderhülsen und Kolben „C” die Arbeitstemperatur wesentlich zu erhöhen. Damit wird viel mehr Wärmeenergie aus Abgasen an den integrierten Einspritzsammler WR übertragen. Diese Option stellt eine besonders einfache konstruktive Lösung um eine bestehende Abgasrekuperation zu verbessern und thermische Verluste zu minimieren.
Optional ist es möglich das Einspritzrohr WR_MCRS im Multifunktional-Einspritzsystem zu integrieren (siehe auch 5A – MCRS). WR_MCRS ist weiter über eine separate oder kombinierte Einspritzdüse mit dem Zylinder verbunden. Entweder die Einspritzung des Wassers folgt während des Einspritzverfahrens der Luft/Kraftstoff Mischung oder unmittelbar nach der Verbrennung, was eigentlich von Kraftstoffs- oder Zündungsart abhängig ist. Im ersten Fall nämlich kann eine Einspritzung der Kühlungsmittel gleichzeitig mit der Luftkraftstoff Mischung Probleme bei der Zündung verursachen. Außerdem, soll das Kühlungsmittel auf einen sehr hohen Druck verdichtet werden (p_CR) und bei einer Einspritzung sehr präzis dosiert werden. Vorteilhaft wird dabei eine sehr gute interne Kühlung in Kombination mit einer Reduktion der maximalen Verbrennungstemperatur. Im zweiten Fall wird der benötigte Einspritzdruck der Kühlungsmittel wird vorteilhafterweise viel kleiner. Leider läuft der Prozess in beiden Fällen synchronisiert mit dem Arbeitszyklus der Kolbenmaschine ab, was durch die Anzahl der Arbeitszylinder die Komplexität multipliziert. Es stellt sich noch ein Problem gegenüber – das Problem des Schmieröls. Da eine Verdichtung der Verbrennung über Kolbenringe in der Praxis nie verkommen wird, besteht die Gefahr von einer Vermischung eines Teils des Kühlungsmittels mit dem Schmierungsöl. Obwohl diese Option die Leistung und den Wirkungsgrad verbessert, erscheint es als sehr komplex und konstruktiv teuer. Deswegen kommt diese Option in Anspruch nur bei einer fortgeschrittenen Wasserstoff/Sauerstoff Antriebsvariante vor. Eine Kombination von beiden Optionen ist dabei auch vorstellbar.
Außer einer thermischen Rekuperation hat die Einspritzung der Kühlungsmittel und dessen Kondensation in einer Auspuffanlage eine sehr hohe katalytische Wirkung. Im Katalytischen-Abgaskondensator KDK kondensiert sich der Dampf aus gekühlten Abgasen. Eine Kondensationspumpe saugt dabei das Kondensat aus dem Katalytischen-Abgaskondensator KDK und liefert es über einem Katalytischenfilter WF zurück zu dem Kühler WK. Die Abgase werden ohne meist-schädliche Anteile in der Umgebung ausgestoßen. Den Kondensation/Ausstoß-Prozess man kann über eine Bernoulli-Auspuffanlage BA wesentlich verbessern (Stand der Technik: De-10 2006 045 937.7 ).
II. Das Modularsystem „AMICES”
Die Zeichnungen Seite-7 stellen die Grundlage für ein aktives Modular-Brennkraftmaschinensystem basierend auf einer aktiven Zweitakt-Maschine 2XA dar. Das innovative Modularsystem wird im Weiteren auch als „AMICES” bezeichnet (”Active Modular Internal Combustion Engine System”). Eine aktive Zweitakt-Maschine 2XA stellt wie immer, trotz einem sehr hohen Wirkungsgrad, kein allein stehendes Antriebsystem dar. Um eine Aktivarbeit zu leisten braucht sie den E-Strom und Systemluft. Aus diesem Grund wird vom Vorteil so einen innovierten Antrieb aus standardisierten Modulen zusammenzubauen. Das Hauptziel des Modularensystems ist eine effektive polyvalente Rekuperation verfügbaren freien energetischen Formen, im Zusatzantrieb, E-Strom und Systemluft. Die freien energetischen Formen, die man bei einem Antriebssystem als die Verlustsenergie bezeichnet, sind bei meisten Antriebsvarianten Brems-, Abgas-, Wärme und Bewegungsenergie. Die Module sind entsprechend ihrer spezifischen Funktion im Antriebsystem aufgeteilt. Eine Antriebsvariante des „AMICES” läst sich für eine spezifische Anwendung aus diesen Modulen in einem optimalen Komplexitätsgrad zusammenstellen und modifizieren.
So zum Beispiel, am 7 stellt ein Modul M-1 eine aktive Zweitakt-Maschine 2XA dar. Weiterhin ist ein Abgasmodul mit M-2 bezeichnet, ein Systemluftmodul ist M-3, ein Verteilermodul ist M-4 und ein Getrieben-Modul ist M-5. Um einen kombinierten Zusammenbau der verschiedenen Antriebsvarianten „AMICES” zu ermöglichen, sollen die Schnittstelen „ct” zwischen Modulen in der Praxis standardisiert werden. Jedes Modul wird über einen Kontroller „c” betätigt und kontrolliert. Die Kontroller werden mit einem Systemcomputer SC verbunden, in dem ein „Modular-operational System” steuert und alle Funktionen der Antriebsmodule nach Bedarf einer Fahrtregime kontrolliert.
Die Zeichnungen Seite-8 und -9 stellen die Beispielmodule dar, die aus den Basisfunktionen eines Antriebsystems „AMICES” abgeleitet sind:
Die Zeichnungen Seite-8, 8A stellen eine aktive Zweitakt-Maschine 2XA als einen Modul M-1 dar. Es ist ja selbsterstverständlich das jedes Modul weiter in Untermodule verteilt werden kann (wie ein Zündungsmodul „ZS”, ein Einspritzmodul „MCRS”).
Die Zeichnungen Seite-8, 8B stellen eine Abgasrekuperationsmodul in zwei Varianten ”a” und ”b” als M-2 dar. Die Variante „a” ist mit einer Abgasturbine AT und einem E-Generator versehen, die man bei einer separaten Abgasrekuperation für die Produktion des E-Stroms verwenden kann. Die Variante „b” ist mit einer Abgasturbine AT, einem E-Generator EG, einer Mikrokupplung und einem kombinierten E-Motor/Generator EM/G versehen. Damit leistet die Variante einer kombinierten Abgas/Bremsrekuperation, das man gelegentlich für eine Produktion des E-Stroms und für einen elektrischen Zusatzantrieb einsetzen kann.
Die Zeichnungen Seite-8, 8C stellen ein Systemluftmodul auch in zwei Varianten als M-3 dar. Die Variante „a” ist mit einem Hochdruck-Kompressor HDK und einem E-Motor EM versehen, die man bei einer separaten Produktion der Systemluft verwenden kann. Die Variante „b” ist mit einem Hochdruck-Kompressor HDK, einem kombinierten E-Motor/Generator EM/G und zwei Mikrokupplungen versehen, die man bei einer kombinierten Abgas-, Bremsrekuperation für genauso kombinierte Produktion der E-Stroms, Systemluft und gelegentlich als einen elektrischen Zusatzantrieb einsetzen kann.
Die Zeichnungen Seite-9, 9A stellt einen Antriebsverteilermodul in drei Varianten als M-4 dar.
Die Variante „a” ist mit einer Kupplung, einem kombinierten E-Motor/Generator EM/G und einer Standardanschluss-Schnittstelle auf jeweilige Seite versehen (1 × Ein + 1 × Aus). Die Variante „a” ist für Zusammenbau eines einfachen „I-Antrieb” vorgesehen.
Die Variante „b” ist mit einer Kupplung (2XA_Schnittstelle), einer Planetenradgetriebe, zwei standardisierten Eingangs- und einer Ausgangsschnittstelle versehen (2 × Ein + 1 × Aus). Die Variante-„b” ist für Zusammenbau eines „Y-Antrieb” vorgesehen.
Die Variante „c” ist mit einer Kupplung (2XA_Schnittstelle), einer Planetenradgetriebe, drei standardisierten Eingangs- und einer Ausgangsschnittstelle versehen (3 × Ein + 1 × Aus). Die Variante-„c” ist für Zusammenbau eines „T-Antrieb” vorgesehen.
Die Zeichnungen Seite-9, 9B stellen ein Getriebemodul in drei Varianten als M-5 dar. Bei der Variante „a” handelt sich um ein konventionelles Getriebe. Bei der Variante „b” ist dazu ein ganz konventionelles Getriebe mit einer Kupplung (2XA_Schnittstelle) vorgesehen. Bei der Variante „c” handelt sich um ein konventionelles automatisches Hybrid-Getriebe.
Die Zeichnungen Seite-10 und -11 zeigen einige Ergebnisvarianten der „AMICES” die aus diesen Modulen zusammengestellt werden können.
Wie gesagt, ein aktives Modulares Antriebsystem „AMICES” läst sich für jeden spezifischen Funktionszweck bezüglich eines gewünschten Komplexitätsgrads aus diesen Modulen zusammenstellen und modifizieren. Um die Antriebsvariante übersichtlicher zu machen, werden die neben dem begriff „AMICES” mit zusätzlichen Buchstaben bezeichnet. Die entscheidende Rolle bei einer Zusammenstellung spielt die Variante des Verteilermoduls (M-4). So wird zum Beispiel eine Antriebsvariante „AMICES” mit einem entsprechenden Buchstaben bezeichnet (”I”, ”Y”, ”T”). Weitere Buchstaben nach dem Strich ”1” bezeichnen die energetischen Formen, welche die jeweiligen Antriebsvariante rekuperieren und speichern können (z. b.: B-Bremsen, G-Abgase, W-Wärme, D-Fahrtwind, E-Netzstrom usw.).
Die AV-1 „AMICES-I/B” an 10A stellt eine Einführungs-Antriebsvariante des aktiven Modularensystems basierend nur auf einer Bremsrekuperation dar. Die Antriebsvariante AV-1 besteht aus einer aktiven Zweitakt-Maschine 2XA (Modul M-1), einem Verteilermodul M-4 ”I” (a-Variante) und einem Getriebemodul M-5 (a-Variante). Die aktive Zweitakt-Maschine 2XA (Modul M-1) sorgt für den Primärantrieb und wird dabei gelegentlich von einem E-Motor/Generator EM/G aus dem Verteilermodul M-4 unterstützt. Wie vorher gezeigt wird für eine einwandfreie Funktionierung der Zweitakt-Maschine 2XA ein Hochdruck-Systemluftvorrat aus einem Strukturtank SLT nötig. Der nötigen Systemluft wird separat über E-Strom von einem Systemluftmodul M-3 (a-Variante) produziert und gespeichert. Diese Systemluftproduktion hängt exklusiv vom Vorrat (Druck!) im Strukturtank SLT ab. Der E-Motor/Generator EM/G (Verteilermodul M-4) produziert den benötigten E-Strom zweiartig. Erstens durch direkte Ableitung eines Teils der Primärenarbeit der Zweitakt-Maschine 2XA und zweitens durch eine Rekuperation der Bremsenergie. Deswegen funktioniert diese einfache Antriebsvariante AV-1 über eine Rekuperation der Bremsenergie wie ein konventionelles Hybrid-Aggregat. Die Kontroller der Module werden mit einem Systemcomputer SC verbunden, in dem ein „Modular-Operational System” MOS steuert und alle Funktionen der Antriebsmodule nach Bedarf einer Fahrtsituation kontrolliert. Als Eingabegeräte sind elektronische Gas(Fahrtmodus) GP und Bremspedale (Bremsrekuperationsmodus) BP in einer Kombination mit Rücksignal der Getrieben-Kontroller vorgesehen.
Die AV-2 „AMICES-I/G” an 10B stellt eine Einführungs-Antriebsvariante des aktiven Modularensystems basierend nur auf einer Abgasrekuperation dar. Bei dieser Variante fällt ein Verteilermodul komplett aus. Die Antriebsvariante AV-2 besteht aus einer aktiven Zweitakt-Maschine 2XA (Modul M-1) gekoppelt direkt mit einem Getreibemodul M-5 (b-Variante), einem separaten Abgasmodul M-2 (a-Variante) und einem separaten Systemluftmodul M-3 (a-Variante). Die aktive Zweitakt-Maschine 2XA (Modul M-1) sorgt wie immer für den Primärantrieb. Wie beim AV-1 gezeigt, wird die nötige Systemluft separat über den E-Strom von einem Systemluftmodul M-4 (a-Variante) produziert und gespeichert und hängt exklusiv vom Vorrat im Strukturtank SLT ab. Das separate Abgasmodul M-2 (a-Variante) sorgt über einen E-Generator EG für die Produktion des benötigten E-Stroms durch eine Rekuperation der Abgasenergie in die Turbine AT.
Bei den Varianten AV-1 und AV-2 wird jeweils nur eine Rekuperationstechnik verwendet, beim ersten Mal bei AV-1 eine Bremsrekuperation und beim zweiten Mal bei AV-2 eine Abgasrekuperation. Folgende Antriebsvarianten an Zeichnungen Seite-11 leisten dagegen eine polyvalente Rekuperationstechnik.
Die AV-3 „AMICES-Y/BG” an 11A stellt einen Kombiniertenantrieb eines aktiven Modularensystems dar. Die Antriebsvariante AV-3 basiert auf einem Verteilermodul M-4 ”Y” (b-Variante) und einem gewöhnlichen Getriebemodul M-5 (a-Variante). Weiterhin besteht sie aus einer aktiven Zweitakt-Maschine 2XA (Modul M-1) und einem Abgasmodul M-2 (b-Variante) die parallel am selben Verteilermodul M-4 ”Y” gekoppelt sind. Auch hier sorgt eine aktive Zweitakt-Maschine 2XA (Modul M-1) für den Primärantrieb. Wie beim AV-1 und AV-2, wird die nötige Systemluft auch bei dieser Antriebsvariante separat über E-Strom von einem Systemluftmodul M-3 (a-Variante) produziert und gespeichert, exklusiv vom Vorrat im Strukturtank SLT abhängig. Das Abgasmodul M-2 (b-Variante), neben einer unentbehrlichen Abgasturbine AT, besteht aus zwei E-Motoren/Generatoren EM/G1 und EM/G2 die mit einer Zwischenkupplung k1 (elektromagnetisch-, pneumatisch-..usw.) gekoppelt sind. Dank einem Rotationsantrieb der Abgasturbine AT, findet im E-Motor/Generator EM/G1 eine Rekuperation der Abgasenergie im E-Strom statt. Ein Teil des produzierten E-Stroms wird in einer Batterie gespeichert (eine Vorsorge für die Produktion der Systemluft!), und der Rest wird über EM/G-2 in einen Sekundärantrieb umgewandelt. Für eine ausgewogene energetische Bilanz sorgt der Systemcomputer SC durch Modular-operational System MOS. Die Rekuperation der Bremsenergie leisten durch eine Ankoppelung der Mikrokupplung k1 beide E-Motoren/Generatoren (EM/G1 und EM/G-2) gleichzeitig. Bei einer Beschleunigung assistieren wieder beide E-Motoren/Generatoren und die Abgasturbine AT der aktiven Zweitakt-Maschine 2XA. Wegen eines Additions-Effekts bei Sonderlast (2XA + AT + EM/G1 + EM/G2), und einer bivalenten Rekuperation (Abgas + Bremsenergie) ist diese Antriebsvariante besonderes wirkungsvoll. Dank zusätzlichen sekundären Antrieb, geleistet durch eine Assistenz des Abgasmoduls M-2 (b-Variante) wird es möglich die Leistung bei einer konstruktiven Volllast der aktiven Zweitakt-Maschine zu reduzieren. Gleichzeitig verringern sich eine Einspeisung der Systemluft/Kraftstoff und eine schädliche Abgasemission.
Die AV-4 „AMICES-T/BG” an 11B stellt wieder ein Kombiniertenantrieb eines aktiven Modularensystems dar. Die Antriebsvariante AV-4 basiert auf einem Verteilermodul M-4 ”T” (c-Variante) und einem gewöhnlichen Getreibemodul M-5 (a-Variante). Weiter, besteht sie aus einer aktiven Zweitakt-Maschine 2XA (Modul M-1), einem Abgasmodul M-2 (b-Variante) und einem Systemluftmodul M-4 (b-Variante) die parallel an selben Verteilermodul M-4 ”T” gekoppelt sind. Auch hier, sorgt eine aktive Zweitakt-Maschine 2XA (Modul M-1) für den Primmärantrieb. Nach einer Ankoppelung der Mikrokupplung k1, wird die nötige Systemluft separat von einem E-Motor/Generator EM/G des Systemluftmoduls M-3 (b-Variante) produziert und gespeichert, -exklusiv vom Vorrat im Strukturtank SLT abhängig. Der gleiche Abgasmodul M-2 (b-Variante), wie bei AV-3, neben eine unentbehrlichen Abgasturbine AT besteht aus zwei E-Motoren/Generatoren EM/G1 und EM/G2 die mit einem Zwischenkupplung k1 (elektromagnetisch-, pneumatisch-..usw.) gekoppelt sind. Dank einem Rotationsantrieb der Abgasturbine AT, im E-Motor/Generator EM/G1 findet eine Rekuperation der Abgasenergie im E-Strom statt. Ein Teil des produzierten E-Stroms wird in einer Batterie gespeichert (eine Vorsorge für Produktion der Systemluft!), und der Rest wird über EM/G-2 in einen Sekundärantrieb umgewandelt. Für ein ausgewogenen energetischen Bilanz sorgt wieder derselben Systemcomputer SC durch Modular-operational System MOS. Die Rekuperation der Bremsenergie leisten durch eine Ankoppelung der Mikrokupplungen (k1, k2, k3) beide E-Motoren/Generatoren des Abgasmoduls M-2 (b-Variante: EM/G1 und EM/G-2), ein E-Motor/Generator EM/G3 und ein Hochdruckkompressor HDK des Systemluftmoduls M-3 (b-Variante) gleichzeitig. So wird beim Bremsverfahren neben dem E-Strom auch die Systemluft direkt rekuperiert. Bei einer Beschleunigung assistieren wieder beide E-Motoren/Generatoren, die Abgasturbine AT und ein E-Motor/Generator EM/G3 des Systemluftmoduls M-4 der aktiven Zweitakt-Maschine 2XA.
Wegen eines Addition-Effekts bei einer Last-Erhöhung (2XA + AT + EM/G1 + EM/G2 + EM/G3), und eine gleichzeitige bivalente Rekuperation (Abgas + Bremsenergie) des E-Stroms und der Systemluft ist diese Antriebsvariante besonderes wirkungsvoll. Dank Additions-Effekts wird möglich die Leistung bei einer konstruktiven Volllast der aktiven Zweitakt-Maschine noch weiter zu reduzieren. Gleichzeitig verringern sich, in ein höheres Maß als bei AV-3, eine Einspeisung der Systemluft/Kraftstoff und eine schädliche Abgasemission.
Die Zeichnungen Seite-12, 12 stellt ein Anwendungskonzept der innovierten Modulartechnik ”AMICES” bei einem PKW dar. Die Konzept-Pkw AMICES-T/BDEGW basiert auf oben beschriebene Antriebsvariante AV-4 ”T”. Dadurch leistet das Konzept-Pkw eine bivalente Rekuperation (G-Abgasenergie, B-Bremsenergie) und ein Addition-Antrieb. Zusätzlich, die aktive Zweitakt-Maschinenmodul ist mit eine oben beschriebenen Wärmerekuperationssystem ausgerüstet (Buchstabe; ”W”). Außerdem der Ausstoß der Abgase wird über einer Bernoulli-Auspuffanlage BA wesentlich verbessert. Durch einen Tiefdruck im Auspuffrohr, erzeugt durch ein Fahrtwind über die Anlage BA ist ein Wirkungsgrad der Abgasturbine AT zusätzlich verbessert (Stand der Technik; De-10 2006 045 937.7 ). Damit ist noch eine weitere Fahrtwind-Rekuperation geleistet (Buchstabe; ”D”). Insgesamt wird bei dem innovativen Konzept-Pkw eine Vierfache-Rekuperation geleistet:

– 1.) B – Rekuperation der Bremsenergie
– 2.) D – Rekuperation der Fahrtwindenergie
– 3.) G – Rekuperation der Abgasenergie
– 4.) W – Rekuperation der Wärmeenergie

Außerdem, die Batterie kann aus einen festen elektrischen Strom-Netz über eine einfache Steckdose ESS aufgeladen werden. Damit wird möglich ein kurzfristige rein-elektrisches Fahrt (z. B. ein Staufahrt, Stadtfahrt, Manövrierung) oder unabhängigen Produktion der Systemluft während eine kurze Reise zu Gewehrleisten (Buchstabe: ”E”). Eine Gewichterhöhung zu vermeiden sind die Systemluft-Tanks in der Konstruktionsstruktur der Schweller als Festigkeitselemente integriert. Dank riesiger Spezifischen-Leistung der aktiven Zweitakt-Maschine 2XA, innovierten Antriebsystem AMICES soll leichter und unkomplexer als irgendeiner konventionellen Pandan werden.
Die Zeichnungen Seite-13, 13 stellt ein Konzept-Antrieb ”AMICES-H-V/BEGW” als ein Emissionsfrei-Wasserstoff „Plug & Drive” Modularsystem dar. Ein Ressourcenmodul R-M besteht aus einem Wassertank, Hochdruck-Wasserstofftank und einem Hochdruck-Sauerstofftank. Das Wasser (Wasser-Mix oder Wasserlösung) wird dabei als die Hauptenergieträger in einem geschlossenen Kreisprozess benutzt. Das Konzeptsystem wird über eine Steckdose aus einem Festnetz beim Stillstand besonderes einfach energisiert. Ein Hochdruck-Elektroliesenmodul M-EL speist daß Wasser aus dem Wassertank über eine Hochdruckpumpe HDP und spaltet sie in Wasserstoff und Sauerstoff. Die Produktgasse, die stehen schon unter einen geforderten Druck und verlangen keine weiteren Behandlung, werden über die Einwegventilen in jeweiligen Tanks gespeichert. Aus Sicherheitsgründen werden die H₂ und O₂ Tanks doppelwandig. Der Zwischenraum wird unter einem Hochendruck mit einem Innert-Gas IG ausgefühlt (N2, CO2 usw.), dass ein maximaler Speicherungsdruck der Tanks übertrifft. Bei einer Fahrt speist die aktive Zweitakt-Maschine über eine multifunktionale Einspritzanlage MCRS Wasserstoff, Sauerstoff und das Wasser. Nach dem Verbrennung und eine kombinierten Wärmerekuperation, der Dampf wird wieder in einem gekühlten Ausstoßkondensator KD wieder in das flüssige Wasser kondensiert. Ein Teil des Wassers wird danach im dieselben Wassertank zurück gespeichert, weil die übrige Teil wird im verlauf der Wärmerekuperation über die Hochdruckpumpe von multifunktionale Einspritzanlage MCRS wieder gespeist. Nach dem verbrauch des Wasserstoffs und Sauerstoff das System wird wieder beim Stillstand über einen Hochdruck-Elektroliesenmodul M-EL mittels E-Strom am eine Steckdose erneut Nachgefühlt. Ein Hochdruck-Elektroliesenmodul M-EL kann aus kostengrunden weder als ein Alainstehendenmodul oder als ein Eingebautenmodul betrachtet werden. Die Konzept ”AMICES-H-V/BG” basiert auf oben beschriebene Antriebsvariante AV-3 ”Y”. Dadurch erbt das Antriebskonzept eine bivalente Rekuperation (G-Abgasenergie, B-Bremsenergie) und ein Addition-Antrieb. Wie geagt, die aktive Zweitakt-Maschinenmodul ist wieder mit eine oben beschriebenen kombinierten Wärmerekuperationssystem ausgerüstet (Buchstabe; ”W”). Insgesamt wird bei dem innovativen Konzept ”AMICES-H-Y/BGW” eine Dreifache-Rekuperation geleistet:

– 1.) B – Rekuperation der Bremsenergie
– 2.) G – Rekuperation der Abgasenergie
– 3.) W – Rekuperation der Wärmeenergie

Außerdem, die Batterie kann auch parallel mit dem Elektrolysenprozess aus derselben Steckdose aufgeladen werden. Damit wird wieder möglich eine kurzfristige rein-elektrische Fahrt (Buchstabe: ”E”; z. B. ein Staufahrt, Stadtfahrt, Manövrierung). Bei diesem Antriebskonzept ist keine Systemluftproduktion mehr nötig! Das Antriebsystem ”AMICES-H-Y/BGW” funktioniert bei einem Wirkungsgrad das leicht übertrifft 70% absolut emissionsfrei!
Wirkungen der „AMICES”-Innovation.
Ein aktives modulares Brennkraftmaschinensystem AMICES, basierend auf bekannten physikalischen Gesetzen und bestehenden technischen und technologischen Wissensstand. In einer Komparation mit konventionellen Brennkraftmaschinen weist die Innovation eine reduzierte Komplexität, Gewicht und trotzdem eine unvergleichbar höhere Leistung und Wirkungsgrad auf.
Das Diagramm an der Zeichnungen Seite 14, 14A stellt die benötigte Leistung für die Komprimierung einer bestimmten Menge Luft in einer Minute auf einen bestimmten Druck dar.
Am gleichen Blatt stellt 14B eine Abhängigkeit zwischen dem Wirkungsgrad einer konventionellen Brennkraftmaschine und dem Verdichtungsverhältnis dar. Eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrads bei einem konventionellen Brennkraftmaschinensystem ist nur durch eine entsprechende Erhöhung das Verdichtungsverhältnis zu erreichen. Ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis verursacht neben einem erhöhten Druck eine unerwünschte Erhöhung der Temperatur. Deswegen ist eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrads beim konventionellen Brennkraftmaschinensystem nicht geben!
Dank einer separaten Luftprozessierung, fällt bei der Innovation AMICES dieses Problem aus. Man kann den Kompressionsdruck erhöhen bis eine Belastbarkeitsgrenze des Materials der Brennkraftmaschine erreicht ist. Aus diesem Grund erreicht das innovierte aktive modulare Brennkraftmaschinensystem AMICES einen unvergleichbar höheren Wirkungsgrad und eine höhere spezifische Leistung! Wegen einer proportionalen Lastregulation basierend auf einem konstanten Einspritzdrucks der Verbrennungs-Komponenten weicht bei einer Teillast der Wirkungsgrad gering von einem Maximalwert ab. Dabei charakterisiert AMICES einen konstanten Moment und eine lineare Leistung bei einer spezifischen Last, was eine Fahrt in Kombination mit E-Motoren erleichtert.
Der Innovation AMICES gelingt es, durch polyvalente Rekuperation in modularer Weise für das Antriebssystem wichtige Mittel zu produzieren und zusätzlich einen elektrischen Additionsantrieb im Stadt und Überlandsverkehr zu schaffen.
Die Erfindung, basierend auf bekannten physikalischen Gesetzen, bringt eindeutige Vorteile:

– eine wesentliche Verringerung des Kraftstoffsverbrauchs beim einen Wirkungsgrad bis 70%
– eine revolutionäre Verringerung der Schadstoff-Emission im Betrieb mit fossilen Kraftstoffen
– absolut keine Emission im Betrieb mit Wasserstoff/Sauerstoff „Plug & Drive”!
– eine wesentliche Erhöhung der spezifischen Leistung der Brennkraftmaschine (5X)
– ein natürliches, kontantes Drehmoment der Brennkraftmaschine, bessere Abstimmung mit E-Motoren in einem kombinierten Modularantrieb
– eine Verringerung des Gesamtgewichts des Wagens
– die übrigen Komfortfunktionen im Wagen, wie z. B. Klima, Servo usw., sind statt elektrisch, auch pneumatisch lösbar
– die Ansprechbarkeit des Antriebsystems ist kein Thema mehr!
– ein verbesserter, sportlicher Straßenfahrtcharakter (ausgezeichnetes „Quer-bursting”)

LITERATUR:

– Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch; Braunschweig; Wiesbaden: Viehweg, 1999
– Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik/mehrere Autoren; Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co., 42781 Haan-Gruiten 1999
– Turbo- und Kompressormotoren Entwicklung, Technik, Typen/Hack-Langkabel; Motorbuch Verlag, Postfach 103743, 70032 Stuttgart 1999
– DE-Fachbuch: Rautenberg, Manfred (Herausgeber): Aufladung von Verbrennungsmotoren: Entwicklung, Regelung und Stand der Technik. Braunschweig (u. A.) Viehweg, 1990 (Fortschritt der Fahrzeugtechnik; Band 6)
– Disertation (Dr-Ing)-Untersuchung von Verbesserungspotentialen hinsichtlich Verbrauch und Drehmoment bei Ottomotoren mit Hilfe 1-dimensionaler Simulationsrechnung/Dipl. Ing. Gert Schreiber, Technische Universität Kaiserslautern 26.01.2006
– Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren/Verbrennungsmotoren-Lehrbrief V7; Verfasser: Prof. Dr.-Ing. habil. E. Bach (unter Mitwirkung von Dr.-Ing. P. Pfeiffer)/Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH)
– Offenlegungsschrift: US 6,543,225 B2 Split Four-Stroke Cycle Internal Combustion Engine (08.04.2003)
– Offenlegungsschrift: US 2004/0255882 A1 Split-Cycle Four-Stroke Engine (23.12.2004)
– Offenlegungsschrift: US 2005/0016475 A1 Split-Cycle Engine With Dwell Piston Motion (27.01.2005)
– Offenlegungsschrift: US 6,883,325 B2 Method of Utilizing Waste Heat In Turbocharger Unit Of An Internal Combustion Engine And Internal Combustion Engine Arrangement (26.04.2005)
– Offenlegungsschrift: DE 10 2005 049 728.4 Verbrennungsmotor (14.10.2005)
– Offenlegungsschrift: DE 10 2004 037 763 A1 ”ARTS” (04.08.2004)
– Offenlegungsschrift: DE 102 006 045 937.7 ”HARTS” (01.10.2006)
– DOE Hydrogen Program: 2007 Annual Progress Report – U.S. Department of Energy; Low-Cost, High-Pressure Hydrogen Generator, Cecelia Cropley, Giner – Electrochemical Systems, LLC; (http://www.hydrogen.energy.gov/annual_progress07.html)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006045937 [0018, 0079, 0099]

Claims

Ein geöffneter aktiver thermodynamischer Arbeitsprozess, gekennzeichnet dadurch, dass ein Operationszyklus nur aus aktiven Operationsstufen besteht, wobei der Begriff „aktiv” die „Arbeitsproduktion” meint.
Ein geöffneter aktiver thermodynamischer Arbeitsprozess nach Anspruch 1, gekennzeichnet, in einem Diagramm „p-v” (Druck-Spec.Volumen_Fig.3), dadurch, dass ein Arbeitszyklus aus einer Isobarische-Hochdruck-Einspritzung, einer Isochorischen-Verbrennung (optional-isobarische) und einer Adiabatischen-Expansion (Polytropischen) besteht. Eine Voraussetzung für einen thermodynamischen Arbeitsprozess nach Anspruch 1 wird einen Vorrat-Tank der Hochdruck-Luft oder Sauerstoff.
Eine aktive Maschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die aktive Maschine eine Brennkraftmaschine ist.
Eine aktive Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen zweitaktigen Operationszyklus.
Eine aktive Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch eine gewöhnliche Zylinder-Kolben Ausführung.
Eine aktive Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass ein Kolben im oberen Wende-Punkt ein Arbeitsvolumen des Zylinders theoretisch auf null schließt und dadurch die aktive Kolbenmaschine theoretisch keinen Verdichtungsraum aufweist.
Eine aktive Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass in jedem Zylinder der aktiven Kolbenmaschine die Einspritzdüsen für eine Injektion der Verbrennungs-Komponenten (nur eine oder mehrere) und Abgasventile für einen Ausstoß der Abgasen (nur eins oder mehrere) integriert (absolut keine Saug-Ventile vorhanden!) sind.
Ein aktives Multikomponenten-Einspritzsystem nach Anspruch 1 und 6, gekennzeichnet dadurch, dass man mehrere Verbrennungs- und Rekuperations-Komponenten in einem Zylinder der aktiven Kolbenmaschine über die Einspritzdüsen (nur eine oder mehrere pro Zylinder) gleichzeitig oder separat einspritzen kann; – Verbrennungs-Komponenten: Die Luft oder reiner Sauerstoff und alle Arten der Kraftstoffen. – Rekuperations-Komponenten: Das Wasser und die auf Wasser basierende Mischungen
Ein aktives Multikomponenten-Einspritzsystem nach Anspruch 1, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, dass alle Verbrennungs- und Rekuperations-Komponenten aus den jeweiligen Tanks über jeweiligen Druckregelungs-Einheiten (Regulationsventilen, Pumpen oder Regelungsanlagen) in das jeweilige Komponenten-Rohr unter einem gleichen konstanten hohen Druck geliefert werden. Danach werden diese Komponenten in einem steuerbaren Zeitabschnitt über die Einspritzdüsen (nur eine oder mehrere pro Zylinder) in den Zylinder einer aktiven Kolbenmaschine eingespritzt.
Eine Konstantdruck-Regulation der Last bei einer aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 6, 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, dass alle Verbrennungs- und Rekuperations-Komponenten unter einem gleichen, konstant hohen Druck in eine proportionale, variierte Menge zu einer unterschiedlichen Last in einen Zylinder einer aktiven Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Dabei findet der Anfangspunkt einer Einspritzung immer in einem oberen Wendepunkt des Kolbens und das Ende einer Einspritzung findet Lastabhängig in einem steuerbaren Abstand des Kolbens vom oberen Wendepunkt statt.
Eine aktive Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass am Anfang eines ersten Takts die Verbrennungs-Komponenten, über ein aktives Multikomponenten-Einspritzsystem in den Zylinderarbeitsraum, eingespritzt werden und dadurch eine erste Sekundär-Arbeit erzeugt wird. Nach einer Zündung der Komponentenmischung und der daraus folgenden Expansion der Verbrennungsgase wird eine Primärarbeit erzeugt.
Ein aktives Zweitakt-Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 1, 4 und 10, gekennzeichnet dadurch, dass das aktive Maschinensystem aus einer aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschine und einer Abgasturbine besteht. Dadurch werden in einem zweiten Takt die Abgase in der Abgasturbine ausgestoßen und damit eine zweite Sekundär-Arbeit erzeugt.
Eine Wärmerekuperation des aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschinensystems nach Anspruch 1, 7 und 11, gekennzeichnet dadurch, dass das Wasser oder die auf Wasser basierende Mischungen über das aktive Multikomponenten-Einspritzsystem gleichzeitig mit den Verbrennungs-Komponenten in einen Zylinder der aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Eine Wärmerekuperation des aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschinensystems nach Anspruch 1, 7 und 11, gekennzeichnet dadurch, dass das Wasser oder die auf Wasser basierende Mischungen über das aktive Multikomponenten-Einspritzsystem am Anfang des zweiten Takts (Ausstoß) in die Zylinder der aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Eine Wärmerekuperation des aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschinensystems nach Anspruch 1, 7 und 11, gekennzeichnet dadurch, dass das Wasser oder die auf Wasser basierende Mischungen über die in einem Abgassammler integrierten Sammelrohr in das Abgaszufuhr-Rohr vor einer Abgasturbine eingespritzt wird.
Eine Wärmerekuperation des aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschinensystems nach Anspruch 1, 7 und 11, gekennzeichnet durch eine Kombination zwischen Prozessen unter Anspruch 12, 13 und 14.
Eine Wärmerekuperation des aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschinensystems nach Anspruch 1, 10 bis 14, gekennzeichnet dadurch, dass als Folge der Verbrennung Dampf entsteht, der mit den vermischten Abgasen eine verbesserte Sekundärarbeit in der Abgasturbine erzeugt und danach in einem gekühlten Katalytischen-Kondensator im Auspuffstrang wieder in flüssiges Kondensat umgewandelt wird.
Eine Wärmerekuperation im katalytischen Kondensator des aktiven Zweitakt-Brennkraftmaschinensystems nach Anspruch 1, 10 bis 15, gekennzeichnet dadurch, dass das ein Teil des Kühlungswassers (oder die auf Wasser basierende Mischungen) des katalytischen Kondensators nach einer Entnahme der in den Abgasen noch verbleibende Wärme über eine Hochdruckpumpe im Einspritzprozess nach einem Anspruch 11 bis 14 geleitet wird. Der übrige Teil und das Kondensat werden über eine Kondensationspumpe und einen katalytischen Filter nach einem Kühler geführt.
Ein aktives modulares Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 1 und 11, gekennzeichnet durch einen Zusammenbau des Systems aus standardisierten Modulen, die eine effektive polyvalente Rekuperation der verfügbaren freien energetischen Formen im Zusatzantrieb, E-Strom und Systemluft möglich machen um die Voraussetzung aus Anspruch 1 und 2 zu erfüllen. Die Module sind entsprechend ihrer spezifischen Funktion im Antriebsystem aufgeteilt. Eine Antriebsvariante läst sich für eine spezifische Anwendung aus diesen Modulen in einem optimalen Komplexitätsgrad zusammenstellen und modifizieren.
Ein aktives modulares Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 1 und 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Funktionsmodule mit einem digitalen Kontroller ausgestattet sind.
Ein aktives modulares Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 1 und 11, gekennzeichnet dadurch, dass die Installation, Regulation und Steuerung des modularen Systems über ein modulares operationales System des Systemcomputers nach Bedarf einer Fahrtregime stattfindet.
Ein emissionsfreier Wasserstoff „Plug & Drive” Modularsystem nach Anspruch 1 bis 20, gekennzeichnet dadurch, dass ein aktives Modular-Brennkraftmaschinensystem ausgestattet mit einer Wärmerekuperation nach den Ansprüchen 12 bis 17 durch die Vorratstanks der Hochdruck-Wasserstoff und Sauerstoff und einem Vorratstank des Wassers in einem geschlossenen Arbeitskreis funktioniert. Dabei wird ein Hochdruck-Elektrolysemodul optional integriert, um eine Energisierung des Systems aus einem festen elektrischen Stromnetz zu ermöglichen.