DE102008046184A1 - Heat engine e.g. petrol engine, for e.g. passenger car, has pressure storage with porous burner having oxidation surface for combustion of fuel, and compressor-expander pair acting on shaft, where pair is supplied with fuel from storage - Google Patents
Heat engine e.g. petrol engine, for e.g. passenger car, has pressure storage with porous burner having oxidation surface for combustion of fuel, and compressor-expander pair acting on shaft, where pair is supplied with fuel from storage Download PDFInfo
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
- F02B41/02—Engines with prolonged expansion
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- F02B41/08—Two-stroke compound engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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Abstract
Description
KurzdarstellungSummary
Verdränger-Wärmekraftmaschine
laut
Wie
in
In
Anlehnung an das Patent
Die
hier gegenüber herkömmlichen Otto- oder Dieselmotoren
wesentlich verlängerte Zeit der Kraftstoffverbrennung führt
nicht nur zu besserer Kraftstoffausnutzung, sondern eröffnet
eine Aufweichung der Kraftstoffspezifikationen in die Richtung eines
problemlosen Vielstoffbetriebs. Die voneinander getrennten Kompressions-
und Expansionseinheiten zusammen mit der sogenannten Druckzelle
für kombinierte Kraftstoffverbrennung und Druckspeicherung
lassen, wie in
Weitere
Beschreibung in Anlehnung an
Die
Laderseite (
The loader side (
Die
Temperatur der im Kompressor (
Die Verweilzeit des erhitzten Treibgases im Druckraum der Druckzelle hängt von der abgeforderten Menge ab.The Residence time of the heated propellant gas in the pressure chamber of the pressure cell depends on the requested quantity.
Im
selben Moment, in dem das Einlassventil (
Im gleichen Sinn wie
der Kompressor-Kolben (
In the same sense as the compressor piston (
Die
Ventile (
Während die Verdichtungsarbeit durch gute Kühlung des Kompressors gemindert wird, sind Druckzelle und Arbeits-Zylinder gegen Wärmeverluste thermisch gut isoliert. Ein thermischer Energieverlust durch nutzlose Abwärme von z. B. 10% und mehr, wird so vermieden und der Umsetzung in mechanische Arbeit zugeführt.While the compression work by good cooling of the compressor is reduced, are pressure cell and working cylinder against heat loss thermally well insulated. A thermal energy loss through useless Waste heat from z. B. 10% or more, is avoided and the Implementation fed into mechanical work.
Während
der Expansionsphase des Arbeitszylinders (
Eine Abgasnachbehandlung erübrigt sich, weil in der unter Luftüberschuss stehenden Druckzelle eine ausreichend lange Zeit für eine gute und vollständige Kraftstoffverbrennung ohne Ruß, Kohlenmonoxid und unterhalb der Entstehungstemperatur von Stickoxiden zur Verfügung steht. Je nach Wahl der Druckzellen-Größe ergibt sich eine zehn bis hundertfach verlängerte Brennzeit gegenüber der heute üblichen Kraftstoff-„Verpuffung” bei Otto- und Dieselmotoren. Das hier gewählte Verfahren langdauernder Kraftstoffverbrennung verhindert die Entstehung der genannten Schadstoffe im Abgas, sie müssen also nicht nachträglich mit hohem Aufwand und Energieverlust beseitigt werden.A Exhaust gas aftertreatment is unnecessary, because in the under excess air standing pressure cell for a sufficiently long time for a good and complete fuel combustion without soot, Carbon monoxide and below the formation temperature of nitrogen oxides is available. Depending on the choice of pressure cell size results in a ten to a hundred times longer burning time compared to today's usual fuel "deflagration" Petrol and diesel engines. The method chosen here is longer lasting Fuel combustion prevents the formation of said pollutants in the exhaust, so they do not have to be with later high expenditure and energy loss are eliminated.
Um auch brennwertarme Kraftstoffe einsetzen zu können, wird eine besonders ausgiebige Verteilung der zugeführten Kraftstoffe auf die große Oxidationsoberfläche des Porenkörpers in der Hochdruck-Porenbrennkammer vorgenommen.Around also be able to use low-calorie fuels, is a particularly extensive distribution of the supplied fuels on the large oxidation surface of the pore body made in the high-pressure pore combustion chamber.
Zur
Nutzung der Abgas-Restwärme von 200 bis 300°C
liegt die nach außen thermisch hoch isolierte Druckzelle
(
Zusammen mit der ebenfalls zum Patent angemeldeten Membran-Einspritz-Anlage lässt sich die Druckzelle mit weitgehend allen brennbaren Flüssigkeiten versorgen.Together with the likewise patent-pending membrane injection system can the pressure cell with largely all flammable Supply fluids.
Eine
aufwändige Schalldämpfung der Abgasanlage (siehe
auch
Um
einen guten Rundlauf der Maschine zu erzielen, wird eine Anordnung
von mindestens zwei Zylindergruppen empfohlen. Der Motor (Expander)
arbeitet bei jedem Hub, also einmal pro Umdrehung und pro Zylindergruppe,
d. h. bei 4 Zylindergruppen alle 90°. Im Falle einer ausreichend
hoher Zylinderzahl (4 und höher) kann direkt aus dem Stand
angefahren werden, unter völligem Verzicht auf einen Bereitschafts-Leerlaufbetrieb (wie
grundsätzlich bei der Zellenrad-Version). Um dazu ein ausreichend
hohes Anzugs-Drehmoment zu erzeugen, wird – wie bei einer
Dampflokomotive – dem Arbeitszylinder beispielsweise zur
Verdopplung des Drehmoments die doppelte Gasladung durch einen entsprechend
längeren Öffnungsbogen von Ventil (
Der Verlauf des Drehmoments über der Drehzahl ist annähernd konstant, der Betrag ist abhängig von den Abmessungen der Kolben, Kurbeltriebe und von der Zylinderzahl.Of the The course of the torque over the speed is approximate constant, the amount depends on the dimensions of the Pistons, crank mechanisms and cylinder number.
Stand der TechnikState of the art
Die Brenndauer des Kraftstoffs während seines Abbrands liegt bei Otto- und Diesel-Hubkolbenmaschinen – je nach gegebener Drehzahl – im Bereich zwischen wenigen Millisekunden und Zehnteln davon. Diese kurze Brenndauer reicht nicht zur vollständigen Verbrennung aus, was Christian Eigenbrod < eigen@zarm10.zarm.uni-bremen.de > durch Brennversuche im Fallturm der Universität Bremen nachgewiesen hat. Die gegenwärtige thermische Antriebstechnologie ist somit durch unvollständige Kurzzeitverbrennung oder „Verpuffung” genau spezifizierter Kraftstoffe bei hohen Temperaturen gekennzeichnet, bei welchen aber bereits nennenswerte Stickoxidanteile aus der stark erhitzten Verbrennungsluft gebildet werden. Die Brenntemperatur wird hauptsächlich aus den folgenden zwei Gründen so hoch gewählt, wie das die verwendeten Materialien und die geforderte Lebensdauer der Antriebsmaschine sowie die Eigenschaften des Kraftstoffs zulassen:
- a) Die Brenngeschwindigkeit des Brenngases steigt mit seiner Temperatur. Die Verbrennung läuft also bei höherer Temperatur „etwas vollständiger” ab.
- b) Die hohe Brenntemperatur vergrößert zwar auch den relativ geringen Wirkungsgrad von Otto- und Dieselmotoren etwas, führt jedoch zu vermehrter Bildung ultraheißer Brennkerne im Flammenbereich. In diesen ultraheißen, weit über 1400 K annehmenden Brennkernen der inhomogenen Flamme verbinden sich die Luftbestandteile Sauerstoff und Stickstoff vermehrt zu schädlichen Stickoxiden.
- a) The burning rate of the fuel gas increases with its temperature. The combustion thus takes place at a higher temperature "somewhat more completely".
- b) Although the high firing temperature also somewhat increases the relatively low efficiency of gasoline and diesel engines, it leads to increased formation of ultra-hot firing cores in the flame region. In these ultra-hot, well over 1400 K assuming fuel cores of the inhomogeneous flame, the air components oxygen and nitrogen increasingly combined to harmful nitrogen oxides.
Ein
weiteres Kennzeichen der Otto- und Dieselmotoren ist der sequenzielle
Ablauf aller kalten und heißen Prozesstakte in jedem einzelnen
Zylinder und eine Kühlung der gesamten Maschine zum Schutz
der eingesetzten Werkstoffe. Ein und derselbe Zylinder beherbergt
also der Reihe nach in ständiger Wiederholung alle Einzeltakte
des Otto- oder Diesel-Prozesses. Das Zylinder-Volumenverhältnis
für den Kompressionsvorgang unterscheidet sich zwangsläufig
nicht von dem des Expansionsvorgangs. Daraus folgt ein relativ hoher, ungenutzter
Restdruck des Abgases beim Öffnen des Auslassventils am
Ende des Arbeitshubs. Die (zu) hohe Abgasenergie wird deshalb gerne
zum Antrieb einer nachgeschalteten Kleinturbine herangezogen, um
den abgasbedingten Verlust durch Ansaugen und Vorkomprimieren von
Ladeluft für den Ansaugzyklus teilweise wieder zu kompensieren.
Die mit dem relativ energiereichen Abgasausstoß verbundene,
starke Schallemission muss mit aufwändigen, mehrstufigen
Schalldämpfern oder – wie aktuell in der Fachpresse
(
Um die zahlreichen negativen Folgen der Kurzzeitverbrennung („Verpuffung”) zu mildern, werden heute sowohl die Ursachen als auch die Symptome mit relativ hohem technischem Aufwand bei bescheidenem Nutzen beeinflusst. Die dem heutigen Stand der Technik entsprechenden wesentlichsten Maßnahmen – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – sind:
- a) Ursächliche Maßnahmen gegen die Kurzzeitverbrennung, insbesondere zur Beschleunigung der Verbrennung: • Zeitlich und räumlich modulierte Hochdruck-Einspritzung des vorgewärmten Dieselkraftstoffs über mehrere Einspritzdüsen pro Zylinder, in feinster Zerstäubung. (Einsatz von Elektronik und schnell modulierbaren Einspritzventilen in Piezo- und Magnettechnik) • Das „FSI-Verfahren” (Fuel Stratified Injection = Geschichtete Kraftstoff-Einspritzung): Eine Schichtladung ist ein Verfahren der Ottomotortechnik, bei der der Kraftstoff (z. B. Benzin) so aufbereitet wird, dass im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch (Lambda = 0,5 bis 1,0) besteht, während der übrige Brennraum ein sehr mageres, schwer zündfähiges Gemisch (Lambda = 1,5 bis 3,0) aufweist. Das Gesamtluftverhältnis liegt bei Viertaktmotoren etwa zwischen 1,2 und 1,6. Erst nach der Zündung des fetten Teils des Gemisches ergeben sich Verhältnisse, die auch das restliche Gemisch entzünden. Bei dem sogenannten Schichtladungsverfahren werden heute vorrangig die Direkteinspritzung in den Zylinder und eine qualitative Regelung (ähnlich wie beim Dieselmotor) angewendet. • Elektronisches Motormanagement bei Otto- und Dieselmotoren. Schnelles, elektronisches Regelungssystem, das Eingangsparameter (Luft- und Kraftstoffmenge, div. Außen- und Innentemperaturen) und Betriebs- und Lastzustand des Motors erfasst und daraus Steuergrößen für den optimalen Zünd- bzw. Einspritzzeitpunkt und Ablauf sowie die Ventilstellungen ableitet und mit dem Ziel einer etwas effizienteren Kraftstoffverbrennung praktisch in Echtzeit an die entsprechenden Stellglieder weitergibt.
- b) Symptomatische Maßnahmen gegen die Folgen der Kurzzeitverbrennung durch Abgas-Nachbehandlungs-Systeme: Bei der allgemein üblichen Abgasnachbehandlung wird in der Regel verschwiegen, dass dabei Exergie in Anergie wechselt, also Energie verschwendet wird. Verwendbares Energiepotenzial, das eigentlich in mechanische Nutzenergie gewandelt werden könnte, wird aufgrund genannter Ursache im „Verpuffungsmotor” außerhalb des thermodynamischen Arbeitsprozesses verbraucht. • Katalysatoren und Rußfilter Bei dem heute gebräuchlichen Drei-Wege-Katalysator finden die Oxidation von CO und HmCn sowie die Reduktion von NOx parallel zueinander statt: Es werden HmCn mit O2 zu CO2 und H2O oxidiert, CO mit C2 zu CO2 oxidiert und NOx mit CO zu N2 und O2 reduziert. Die katalytischen Reaktionen finden an den fein auf großer Kontakt-Oberfläche (Keramik- oder Metall-Träger) aufgebrachten Schichten aus Platin, Rhodium und Palladium statt. Der Drei-Wege-Katalysator kann nur bei Fahrzeugen mit Ottomotor und Lambdaregelung eingesetzt werden, wobei ein konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1) von 14,7 Gramm Luft pro Gramm Benzin-Kraftstoff einzuhalten ist. Neuere Magermixmotoren (λ > 1) benötigen wegen des höheren Anfalls von Stickoxiden sogenannte Speicherkatalysatoren mit zusätzlichen chemischen Elementen, die eine Speicherung von Stickoxiden ermöglichen. Um die zukünftigen Abgasnormen einzuhalten, werden Diesel-Pkw mit solchen NOx-Speicherkatalysatoren ausgerüstet. Ist die NOx-Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, so wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt (circa zwei Sekunden). In diesem kurzen, fetten Zyklus werden die im Katalysator zwischengespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert und damit der Katalysator für den nächsten Speicherzyklus vorbereitet. Durch dieses Vorgehen ist es nun möglich, die Schadstoffemissionen sparsamer Magermixmotoren zu senken und gültige Grenzwerte einzuhalten. Die Aufnahmekapazität des NOx-Speichers wird durch einen NOx-Sensor überwacht. Partikelfilter absorbieren Rußpartikel ab einer bestimmten Minimalgröße aus dem Abgas von Dieselmotoren. Der Filter besteht aus einem keramischen oder sintermetallischen Körper mit wechselseitig geschlossenen Kanälen, durch die das Abgas strömt. Sobald die Kanäle soweit mit Rußpartikeln zugesetzt sind, dass der Kraftstoffverbrauch des Motors durch erhöhten Abgasdruck nennenswert ansteigt, muss der Filter regeneriert werden. Elektronisch gesteuert läuft dann ein Regenerationsprozess ab, bei dem die im Filter gespeicherten Rußpartikel (Kohlenstoff) zu Kohlendioxid und Wasserdampf verbrannt werden. Der entstehende kleine Aschenanteil verbleibt im Filter und muss nach längerer Nutzungsdauer in einer Servicewerkstatt entfernt werden. • „BlueTec” ist ein Abgasnachbehandlungskonzept von Mercedes-Benz für Diesel-Pkw- und -Nutzfahrzeugmotoren, das modular aufgebaut ist. Es wird in zwei Versionen angeboten und dient der Minderung von Stickoxiden (NOx). Im Pkw-Bereich werden Oxidations-Katalysator und Partikelfilter, mit einem NOx-Speicher sowie einem zusätzlichen SCR-Katalysator kombiniert. Im Nutzfahrzeugbereich wird zusätzlich noch eine als AdBlue bezeichnete wässerige Lösung auf Ammoniak-Basis verwendet. Diese wässerige Harnstofflösung wird bedarfsorientiert über ein Dosierventil pneumatisch in das Abgas eingedüst, so dass sich eine gleichmäßige Verteilung von AdBlue im Abgas ergibt. Dadurch wird Ammoniak freigesetzt, das im nachgeschalteten SCR-Katalysator bis zu 80% der Stickoxide reduziert. In Nutzfahrzeugen, in denen AdBlue-Tanks mit ca. 100 Liter Volumen eingebaut werden, ergeben sich damit Reichweiten von etwa 10.000 km. Voraussetzung für diese Technik ist, dass der Schwefelgehalt im Dieselkraftstoff kleiner als 15 ppm ist. Dieser schwefelarme Kraftstoff ist in Europa und USA flächendeckend eingeführt.
- a) Causal measures against short-term combustion, in particular for the acceleration of combustion: • Time and space modulated high-pressure injection of preheated diesel fuel through several injectors per cylinder, in fine atomization. (Use of electronics and quick-modulating injection valves in piezo and magnetic technology) • The "FSI process" (Fuel Stratified Injection): A stratified charge is a process of gasoline engine technology in which the fuel (eg gasoline ) is processed in such a way that in the area of the spark plug an ignitable mixture (lambda = 0.5 to 1.0) exists, while the remaining combustion chamber has a very lean, hardly ignitable mixture (lambda = 1.5 to 3.0). The total air ratio is approximately between 1.2 and 1.6 in four-stroke engines. Only after the ignition of the rich part of the mixture, conditions arise that ignite the rest of the mixture. In the so-called stratified charge method, priority is now given to direct injection into the cylinder and to qualitative control (similar to the diesel engine). • Electronic engine management for petrol and diesel engines. Fast, electronic control system, the input parameters (air and fuel, div. Outside and inside temperatures) and operating and load condition of the engine detected and derived therefrom control variables for the optimal ignition or injection timing and sequence and the valve positions and with the aim of Delivering more efficient fuel combustion virtually in real time to the appropriate actuators.
- b) Symptomatic measures against the consequences of short-term combustion by exhaust aftertreatment systems: In the generally customary exhaust aftertreatment is generally concealed that while exergy changes into anergy, so energy is wasted. Usable energy potential, which could actually be converted into mechanical useful energy, is consumed because of the stated cause in the "deflagration engine" outside the thermodynamic working process. • Catalysts and soot filters In today's three-way catalyst, the oxidation of CO and H m C n as well as the reduction of NO x take place parallel to one another: H m C n are oxidized with O 2 to CO 2 and H 2 O. , CO oxidized with CO 2 to CO 2 and reduced NO x with CO to N 2 and O 2 . The catalytic reactions take place on the layers of platinum, rhodium and palladium deposited finely on a large contact surface (ceramic or metal support). The three-way catalytic converter can only be used on vehicles with gasoline engine and lambda control, whereby a constant air-fuel mixture in the stoichiometric ratio (λ = 1) of 14.7 grams of air per gram of gasoline fuel must be maintained. Newer lean-burn engines (λ> 1) require so-called feed because of the higher accumulation of nitrogen oxides catalysed with additional chemical elements that allow storage of nitrogen oxides. To comply with future emission standards, diesel cars are equipped with such NO x storage catalytic converters. If the NO x absorption capacity of the catalyst is exhausted, the engine electronics temporarily set a rich, reducing exhaust gas mixture (about two seconds). In this short, fat cycle, the nitrogen oxides cached in the catalytic converter are reduced to nitrogen, thus preparing the catalyst for the next storage cycle. This procedure now makes it possible to reduce the pollutant emissions of lean-burn engines and to comply with valid limit values. The intake capacity of the NO x storage is monitored by a NO x sensor. Particulate filters absorb soot particles from a certain minimum size from the exhaust gas of diesel engines. The filter consists of a ceramic or sintered metal body with mutually closed channels, through which the exhaust gas flows. As soon as the channels are so far added with soot particles that the fuel consumption of the engine increases significantly by increased exhaust gas pressure, the filter must be regenerated. Electronically controlled then runs off a regeneration process, in which the soot particles stored in the filter (carbon) are burned to carbon dioxide and water vapor. The resulting small ash content remains in the filter and must be removed after a long service life in a service workshop. • "BlueTec" is an exhaust aftertreatment concept from Mercedes-Benz for diesel car and commercial vehicle engines, which has a modular design. It is available in two versions and serves to reduce nitrogen oxides (NO x ). In the passenger car sector, the oxidation catalytic converter and particulate filter are combined with a NO x reservoir and an additional SCR catalytic converter. In the commercial vehicle sector, an ammonia-based aqueous solution known as AdBlue is also used. This aqueous urea solution is pneumatically injected into the exhaust gas as required via a metering valve, so that there is a uniform distribution of AdBlue in the exhaust gas. As a result, ammonia is released, which reduces up to 80% of the nitrogen oxides in the downstream SCR catalytic converter. In commercial vehicles in which AdBlue tanks with a volume of approx. 100 liters are installed, this results in ranges of around 10,000 km. The prerequisite for this technique is that the sulfur content in diesel fuel is less than 15 ppm. This low-sulfur fuel has been introduced nationwide in Europe and the USA.
Weitere Maßnahmen kennzeichnen ebenfalls den aktuellen Stand der Technik, wie z. B. die schon zuvor erwähnte abgasgetriebene Ladeturbine oder der direkt vom Motor angetriebene Ladekompressor, die durch zusätzliches Ansaugen und Vorverdichten von Verbrennungsluft hauptsächlich zur Verbesserung des thermodynamischen Motoren-Wirkungsgrades beitragen. Auch der Einsatz elektrischer Ventile und elektrischer Kühlwasserpumpen tragen durch Verringerung der mechanischen Schleppleistung zur Wirkungsgradsteigerung der Motoren bei.Further Measures also indicate the current state of Technology, such as B. the previously mentioned exhaust-driven Charging turbine or the directly driven by the engine charging compressor, by additional suction and pre-compression of combustion air mainly to improve the thermodynamic engine efficiency contribute. Also the use of electrical valves and electrical Cooling water pumps contribute by reducing the mechanical Towing power to increase the efficiency of the engines.
Schließlich ist die heute allgemein sehr hohe und gleichbleibende mechanische Fertigungs-Präzision selbst unregelmäßiger Form-Geometrien aus funktionsgerecht gewählten homogenen, beschichteten, gesinterten oder oberflächenvergüteten Werkstoffen hervorzuheben. Diese reichhaltige Palette aus unterschiedlichen Werkstoffen und weitgehend automatisierten und speziellen Bearbeitungs-Fähigkeiten führen zu Motoren hoher Qualität, Zuverlässigkeit und Standzeit bei relativ niedrigem Gewicht und günstigen Herstellkosten. Insbesondere ist noch der auch für den Druckzellen-Motor wichtige, hervorragend gasdichte Abschluss zwischen Zylinder-Laufflächen, Kolbenringen und Kolben, aber auch der Ventile, anzumerken, weil gerade diese Eigenschaft eine verlustarme Beherrschung hoher Gasdrücken gewährleistet.After all is the today generally very high and constant mechanical Manufacturing precision even more irregular Shape geometries of functionally selected homogeneous, coated, sintered or surface-tempered Emphasize materials. This rich palette of different Materials and largely automated and special machining capabilities lead to high quality engines, reliability and durability at relatively low weight and favorable Production costs. In particular, that is also for the Pressure cell engine important, excellent gas-tight closure between Cylinder treads, piston rings and pistons, as well the valves, because just this property is a low-loss Control of high gas pressures ensured.
Beschreibung der erfinderischen Aufgabe und deren LösungDescription of the inventive Task and its solution
Aufgrund der beginnenden Verknappung der zur Gewinnung fossiler Treibstoffe geeigneten Erdvorräte steht eine deutliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs der neuen Wärmekraftmaschine bei gleichzeitiger Öffnung für alternative reine oder gemischte Pflanzenöle, Alkohole, Biogase und Wasserstoffgas, an vorderster Stelle. Diese Zielsetzung wird mit einem Bündel von Wirkungsgrad steigernden Maßnahmen umgesetzt:
- • Die erforderlichen Druck- und Temperaturniveaus werden verlustarm in hinreichend gasdichtem Kompressor und Expander in Hubkolbentechnik in Zusammenwirkung mit der Druckzelle erzeugt, gespeichert bzw. in mechanische Arbeit umgesetzt.
- • Innere Langzeitverbrennung gibt dem Kraftstoff genügend Zeit für eine vollständige Verbrennung und hält die thermodynamische Energie unmittelbar im Treibgas.
- • Verbrennung unter Luftüberschuss verhindert vor allem eine Bildung von CO-Anteilen.
- • Verbrennung des jeweiligen Kraftstoffs im Gleichraum bzw. im annähernden Gleichraum. Diese Energie sparende Bedingung wird durch synchronen Lauf von Kompressor und Expander, deren Geometrie einschließlich der zugehörigen Kurbeltriebe sowie durch eine geeignete Auslegung der elektronischen oder mechanischen Ventilsteuerung erreicht. Der Kompressor ist über eine gemeinsame Welle und Trennkupplung mit dem Expander verbunden, um zwischen beiden Synchronität herstellen zu können. Der synchrone Lauf von Kompressor und Expander dient, wie oben erwähnt, der Herstellung von Gleichraumbedingungen in der Druckzelle während der Auslassöffnung am Kompressor und der Einlassöffnung am Expander. Abweichungen davon erlaubt die Trennkupplung z. B. für den Anlassvorgang.
- • Zuordnung der thermodynamischen Prozesstakte auf
die drei speziellen, voneinander getrennten, simultan arbeitenden
Funktionseinheiten (siehe auch
3 Prozessdiagramm): (1) Kompressor, der Luft ansaugt, verdichtet und der Druckzelle zuführt; (2) die Druckzelle mit integriertem Porenbrenner. Dem Porenbrenner mit seiner sehr großen Oberfläche wird über eine universelle Pumpe Kraftstoff solange zur Verbrennung zugeführt, bis Druck und Temperatur des Treibgases in dem verbundenen Speicherraum ihre Sollwerte erreicht haben. Die entsprechenden Regelkreise sind in4 dargestellt. (3) der Expander, der den Druck des heißen Treibgases durch Volumenausdehnung in mechanische Drehenergie umsetzt. - • Eine Druckregelung nach
4 gewährt die Bereitstellung des Treibgases aus der Druckzelle für den Expander unter annähernd konstantem Druck, bei allen praktischen Betriebszuständen des Motors. - • Die Teilung des Druckzellen-Motors in drei Funktionseinheiten beschert eine Reihe von Konstruktions-Freiheitsgraden, die herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren verschlossen sind. Dazu gehört die Vergrößerung des UT-OT-Volumen verhältnisses beim Expander (größerer Hub oder/und Kolbendurchmesser) über das des Kompressors hinaus. Das vergrößerte Arbeitsvolumen des Expanders wandelt mehr von der im Treibgas enthaltenen Energie in mechanische Nutzenergie um und senkt entsprechend die Abgasverluste und damit auch die Schallemission.
- • Weitere Nutzeffekte der Auftrennung in drei Funktionseinheiten
sind zusätzlich optimierende, den Gesamtwirkungsgrad unterstützende
Maßnahmen, insbesondere die in
1 ersichtliche Kühlung des Kompressors und die Isolierung des Expanders und der Druckzelle gegen Wärmeverluste.
- • The required pressure and temperature levels are generated with low loss in a sufficiently gas-tight compressor and expander in reciprocating piston technology in cooperation with the pressure cell, stored or converted into mechanical work.
- • Long-term internal combustion gives the fuel enough time for complete combustion and keeps the thermodynamic energy directly in the propellant gas.
- • Excessive combustion prevents, above all, the formation of CO fractions.
- • Combustion of the respective fuel in the space or in the approximate equal space. This energy-saving condition is achieved by synchronous running of the compressor and expander, whose geometry is one finally achieved the associated crank mechanisms and by a suitable design of the electronic or mechanical valve control. The compressor is connected to the expander via a common shaft and disconnect clutch to make synchronism between both. The synchronous running of the compressor and expander, as mentioned above, serves to establish equalization conditions in the pressure cell during the outlet opening on the compressor and the inlet opening on the expander. Deviations from this allowed the separating clutch z. B. for the starting process.
- • Assignment of the thermodynamic process cycles to the three special, separate, simultaneously operating functional units (see also
3 Process diagram): (1) compressor that sucks in air, compresses and supplies to the pressure cell; (2) the pressure cell with integrated pore burner. The pore burner with its very large surface fuel is supplied via a universal pump for combustion until the pressure and temperature of the propellant gas in the connected storage space have reached their nominal values. The corresponding control circuits are in4 shown. (3) the expander, which converts the pressure of the hot propellant gas by volume expansion into mechanical rotational energy. - • One pressure control after
4 provides the supply of the propellant gas from the pressure cell for the expander under approximately constant pressure, in all practical operating conditions of the engine. - • The division of the pressure cell motor into three functional units provides a range of design degrees of freedom, which are closed to conventional gasoline and diesel engines. This includes increasing the UT-OT volume ratio on the expander (larger stroke and / or piston diameter) beyond that of the compressor. The increased working volume of the expander converts more of the energy contained in the propellant gas into mechanical useful energy and accordingly reduces the exhaust gas losses and thus also the noise emission.
- • Further benefits of separation into three functional units are additional optimizing measures that support the overall efficiency, in particular those in
1 apparent cooling of the compressor and the insulation of the expander and the pressure cell against heat loss.
Während
die beschriebenen Maßnahmen vor allem den Kraftstoffverbrauch
senken und den direkten Betrieb mit alternativen Kraftstoffen zulassen,
sowie eine „saubere” Verbrennung ohne die Entstehung
von Ruß, CO, CmHn,
NOx und eine reduzierte Schallemission ergeben,
...
... wird mit den folgenden Lösungs-Maßnahmen
hauptsächlich ein günstigeres Betriebsverhalten
des Druckzellen-Motors im Teillastbetrieb, beim Starten, Beschleunigen
und ein Verzicht auf Leerlauf angestrebt:
- • Die Versorgung des Expanders mit Treibgas aus der Druck geregelten Druckzelle hat einen (annähernd) gleichbleibend hohen Energie-Wirkungsgrad in allen Betriebszuständen des Motors, also von einer Teil- bis zur Volllast zur Folge.
- • Weiter bewirkt die Druck geregelte Druckzelle, dass der Expander über den gesamten Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment erzeugt, das z. B. auch für den Start aus dem Stand und bei Beschleunigung zur Verfügung steht. Gegebenenfalls kann dem Expander durch eine bedarfsmäßig verlängerte Öffnungszeit seines Einlassventils mehr Treibgas zum temporären Überhöhen des Drehmoments zugeführt werden.
- • Die Druck geregelte Druckzelle gestattet auch den Verzicht auf Energie verschwendenden Leerlaufbetrieb, weil das konstante Drehmoment bereits bei Drehzahl null für den Anlauf der Maschine zur Verfügung steht
... the following solution measures are aimed primarily at a more favorable operating behavior of the pressure cell engine in partial load operation, during starting, acceleration and no idling:
- • Supplying the expander with propellant gas from the pressure-controlled pressure cell results in (almost) consistently high energy efficiency in all operating states of the engine, ie from partial to full load.
- • Furthermore, the pressure-controlled pressure cell causes the expander to generate a constant torque over the entire speed range. B. is also available for starting from a standstill and acceleration. Optionally, the expander can be supplied by a need-extended opening time of its inlet valve more propellant gas for temporary overshoot of the torque.
- • The pressure-controlled pressure cell also eliminates the need for energy wasted idling operation, because the constant torque is already available at zero speed for the start of the machine
Antrag auf Erteilung eines Patents „KOLBEN-DRUCKZELLEN-MOTOR”Application for a patent "PISTON PRESSURE CELL MOTOR"
Kurzhinweise zu den Bildern und Tabellen:Short hints to the pictures and tables:
Die drei Funktionseinheiten
des Druckzellen-Motors sind:
(1) Der Kompressor, gekühlt
(k)
Takt 1: Luft (a) ansaugen
Takt 2: Verdichten
(2)
Die Druckzelle, wärmeisoliert (i)
Kraftstoff (f) verbrennen,
Druck erzeugen und speichern
(3) Der Expander, wärmeisoliert
(i)
Takt 3: Druck in mechanische (Dreh-)Energie wandeln. Synchroner
Antrieb des Kompressors über gemeinsame Welle (W). Kurze
Trennung durch eine Kupplung (c) z. B. beim Anlassen
Takt 4:
Abgas (e) ausstoßen
The three functional units of the pressure cell motor are:
(1) The compressor, cooled (k)
Clock 1: suck in air (a)
Clock 2: compacting
(2) The pressure cell, thermally insulated (i)
Burn fuel (f), generate pressure and save
(3) The expander, thermally insulated (i)
Step 3: Convert pressure into mechanical (rotary) energy. Synchronous drive of the compressor via common shaft (W). Short separation by a coupling (c) z. B. when starting
Step 4: Eject exhaust gas (s)
Hubkolbentechnik
mit Ventilen (
Hub piston technology with valves (
Die Abszisse stellt die Dimension des
Volumens V und die Ordinate die des Drucks P dar.
Der Reitz-Müller-Prozess
erweitert die klassischen Otto- bzw. auch Seiliger-Prozesse nach
zwei markierten Richtungen. Dadurch vergrößert
sich die insgesamt eingeschlossene P-V-Fläche und damit
entsprechend der Wirkungsgrad des Druckzellen-Motors:
• Fläche
(4–4'–1):
• Größeres
Expansionsverhältnis unabhängig vom Kompressions-Verhältnis,
ist integraler Bestandteil des Reitz-Müller-Prozesses.
• Vom
Otto- und Dieselmotor nur z. B. durch zusätzlichen Turbo-Lader
erreichbar.
• Fläche (2–2'–3):
• Wechselwirkung
des Kompressors mit der Druckzelle als Besonderheit des Druckzellen-Motors!
• Übliche
Prozesse der Kolbenmaschinen nach Otto und Diesel oder Gasturbinen
können das prinzipiell nicht!
The abscissa represents the dimension of the volume V and the ordinate represents the pressure P.
The Reitz-Müller process extends the classic Otto or also Seiliger processes according to two marked directions. This increases the total enclosed PV area and thus corresponding to the efficiency of the pressure cell motor:
• Area (4-4'-1):
• Greater expansion ratio, regardless of the compression ratio, is an integral part of the Reitz-Müller process.
• From gasoline and diesel engine only z. B. accessible by additional turbo-charger.
• Area (2-2'-3):
• Interaction of the compressor with the pressure cell as a special feature of the pressure cell motor!
• Usual processes of piston engines after Otto and diesel or gas turbines can not do this!
Die
von den Messfühlern P und T erzeugten Messgrößen
für den Druck P und die Temperatur T werden nach Aufbereitung
mit den maximal zulässigen Äquivalenzwerten Tmax und Pmax verglichen.
Aktuelle Überschreitungen dazu lösen ein Steuersignal
(q) aus, das die Dosierung (Q) der Kraftstoffeinspritzung aus der
Einspritzpumpe (I) in die Druckzelle (
Priorität auf P oder T und deren Referenzwerte
sind wählbar.
The measured variables for the pressure P and the temperature T generated by the measuring sensors P and T are compared after preparation with the maximum permissible equivalence values T max and P max . Current overshoots trigger a control signal (q), the dosage (Q) of the fuel injection from the injection pump (I) in the pressure cell (
Priority on P or T and their reference values are selectable.
Tab. 1: Tabellarische Zusammenfassung der erfinderischen Aufgaben und Lösungen Selbsterklärend.Tab. 1: Tabular summary of the inventive tasks and Solutions Self-explanatory.
Tab. 1 Tab. 1
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 4304423 [0003] - DE 4304423 [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - „Gegenschall drückt Auspufflärm, VDI-nachrichten vom 15.09.07” [0016] - "Gegenschall expresses exhaust noise, VDI news from 15.09.07" [0016]
- - VDInachrichten vom 15.09.2007 [0020] - VD news from 15.09.2007 [0020]
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102008046184A DE102008046184A1 (en) | 2008-03-15 | 2008-09-06 | Heat engine e.g. petrol engine, for e.g. passenger car, has pressure storage with porous burner having oxidation surface for combustion of fuel, and compressor-expander pair acting on shaft, where pair is supplied with fuel from storage |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102008014554 | 2008-03-15 | ||
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ID=40953166
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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Citations (1)
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---|---|---|---|---|
DE4304423A1 (en) | 1993-02-13 | 1994-08-18 | Irm Antriebstech Gmbh | Heat engine |
-
2008
- 2008-09-06 DE DE102008046184A patent/DE102008046184A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4304423A1 (en) | 1993-02-13 | 1994-08-18 | Irm Antriebstech Gmbh | Heat engine |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
"Gegenschall drückt Auspufflärm, VDI-nachrichten vom 15.09.07" |
VDInachrichten vom 15.09.2007 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |
Effective date: 20110610 |