-
Die
Erfindung betrifft Verfahren für einen thermo-dynamisch
nach einem Diesel- oder Seiliger-Kreisprozess arbeitenden Dieselmotor
betrieben mit einer Emulgator-Komposition in Kraftstoff-Wasser-Emulsionen aus
Mischanlagen unter Verwendung von Kraftstoff-Filtern am Motor aus
Papier oder Filz, einteiligen Leichtmetall-Kolben und Gebauten zweiteiligen
Kolben mit einer innen gekühlten Kolbenkrone aus Stahl.
-
Bekannt
sind wärmedichte (adiabatische) Motoren und der Emulsions-Betrieb.
Bisher scheiterte ihre allgemeine Einführung und auch des
Emulsions-Betriebs wegen Unzulänglichkeiten an Emulgatoren,
Emulsionen, Wasseranteil, Emulgier- und Tanksystemen, Emulgator-Preis
und Menge im Prozent-Bereich sowie vorhandenen Kolben-Konstruktionen.
-
Hinzu
kommen Defizite bei Grundlagen-Forschung, bewilligtem Zeitaufwand
für die Versuchs-Abteilungen der Industrie sowie Zusammenarbeit
von Ingenieuren und Chemikern.
-
In
Druckschriften wird berichtet von Emulgator-Kompositionen und Emulsionen
mit 15, 20, 40% Wasseranteil und fast 40% Anteilen an Emulgator-Lösungsmitteln
anstatt Kraftstoff, die erfahrungsgemäß ebenso wie
Mikro-Emulsionen mit hohem und teurem Emulgator-Anteil über
5% leicht herzustellen sind, aber im praktischen Fahrbetrieb beispielsweise
auf der Straße das gesamte Lastkollektiv nicht abdecken.
Allein der Preis von Emulgatoren im Prozent-Bereich verzehrt bereits
die Kosten-Einsparung der erzielten Kraftstoff-Verbrauchsenkung. Übrig
bleiben meistens nur eine Minderung sichtbaren Abgases und das ist
den Fahrzeug-Haltern zu wenig.
-
Unerwähnt
bleiben die heutigen Möglichkeiten, in Dieselöl-Emulsionen
den Dieselanteil, hergestellt aus überwiegend importiertem
Erdöl, teilweise oder ganz zu substituieren durch billigere
und krisensichere heimische Kraft- und Brennstoffe wie Bio-Ethanol,
Bio-Diesel und synthetisches Kohleöl. Unerkannt ist, der
Literpreis obiger Emulsionen liegt etwa 10% unter dem Dieselpreis.
Am billigsten sind jetzt Kohleöl-Emulsionen aus billig
hergestelltem Wasserstoff aus Offshore-Windkraftwerken, mittels
Elektrolyse automatisch im Turm jedes Windkraftwerks aus Seewasser
gewonnen, daselbst auf wenigstens 3–10 bar vorverdichtet
und an Land in neuen Hydrier-Werken an die heimische Kohle anhydriert.
Bekanntlich machte bisher die teure Wasserstoff-Gewinnung aus Wassergas, über
glühenden Koks geleiteter Wasserdampf und bei 1 000°C
dissoziiert, den halben Literpreis von synthetischen Kraftstoffen
aus.
-
Aus
80 l stromleitendem Seewasser lassen sich der Wasserstoff für
160 l synthetisches Kohle-Benzin/Kohleöl und der Sauerstoff
für 1 to Stahl gewinnen.
-
Beschrieben
werden in Druckschriften Misch- und Emulgier-Systeme mit statischen
Mischern, die zwar einfach und nur für nieder-viskose Emulsionen ähnlich
den in Kraftstoff-Normen festgelegten Viskositäten von
Dieselöl geeignet sind. Dazu Systeme für den Schweröl-Betrieb,
wobei zum Erhalt der Pumpfähigkeit Schweröl auf
130°C vorgewärmt wird, im Schweröl-Emulsions-Betrieb
sogar auf 150°C und 10 bis 15 bar Überdruck zwecks
Unterdrückung des Siedepunkts von Wasser.
-
Beschrieben
werden aufwendige und störanfällige bordeigene
Emulgier-Systeme für Straßen-Fahrzeuge, die praktisch
aus bis zu 3 Kraftstoff-Systemen für Bunkerung, Förderung,
Dosierung und Mischung von Wasser, Emulgator und Dieselöl
bestehen.
-
Mit
der gesetzlich vorgeschriebenen Einführung von Dieselöl
mit 7% zugemischtem Bio-Diesel, Rapsöl aus heimischer Produktion,
und 3% ungenannten Additiven gegen die Entmischung von Dieselöl
(ρ = 0,825 g/ml) und Rapsöl (ρ = 0,91
g/ml) in den Tanks der Tankstellen, sank etwa ab März 2009
die Langzeit-Stabilität der Emulsionen.
-
Für
den Emulsions-Betrieb haben sich Filtereinsätze aus Papier
in Kraftstoff-Filtern nicht überall bewährt, da
für die Poren quellsicheres Filterpapier allgemein nicht
verwendet wird.
-
Beschrieben
werden voll- und teiladiabatische Motoren mit thermischen Isolierungen
von Kolben, die den ganzen Kolbenboden bedecken oder nur den Brennraum
auskleiden. Unerwähnt bleiben die Befestigung der Hitzeschilde
und Wege zur Beherrschung der Wärme-Spannungen und Wärme-Dehnungen.
-
Das
moderne Konstruktions-Prinzip Downsizing der Motor-Hersteller hat
sich erschöpft:
- Pkw: Quergestellter raumsparender
4-Zylinder-Motor
Einbezug der längeren 6-Zylinder
in den Fahrgastraum
Beide Maßnahmen ergaben Kraftstoff-Ersparnis
durch aerodynamisch günstige
Frontpartien: Typisch
Citroen-Picasso
Vans, Lieferwagen und Klein-Laster aller Auto-Hersteller
- Lkw: Aufgabe des vielzylindrigen luftgekühlten Diesels
wegen thermisch nicht beherrschbarer
Serien-Kolben mit größeren
Kolben-Durchmessern.
Raumsparende V-Motoren-Baureihen
-
Der
nächste Entwicklungsschritt ist vorerst nur machbar für
Nutzfahrzeuge wegen fehlender Infrastrukturen zum Tanken von Emulsionen
mit der Erfindung Partikelfreier Dampf-Diesel im Emulsion-Betrieb
mit größeren jetzt thermisch beherrschbaren Hitzeschild-Kolben
in thermo-elastischer Sandwich-Bauweise als teiladiabatische Komponente. Beispiel:
| | Kolben-⌀ | Drehzahl | Leistung | Hubraum |
| Taxi
2-Zylinder-Boxermotor | 110
mm | 2750
min–1 | 110
kW | 2
l |
| Bus
2-Zylinder-Boxermotor | 150
mm | 2000
min–1 | 220
kW | 4
l |
| Lkw
4-Zylinder Reihe | 150
mm | 2
000 min–1 | 440
kW | 8
l |
| quer
eingebaut | | | | |
-
Die
Aufgabe der Erfindung liegt im Auffinden aller Maßnahmen, überwiegend
in Fahrversuchen auf Straße und Schiene, für einen
künftigen Partikelfreien Dampf-Dieselmotor und störungsfreien
Emulsion-Betrieb mit jedem vorhandenen Dieselmotor (4)
ohne Motor-Umbauten oder -Anbauten.
-
Die
Beschreibung der beigefügten 3 Zeichnungen mit 1 bis 4 zeigen
eine Möglichkeit der Verwirklichung eines Dampf-Dieselmotors
in zwei thermo-dynamischen Dampf-Dieselprozessen semi oder komplett.
-
Zeichnungen
-
1:
Viskositäts-Kurve einer thixotropen WO-Emulsion (Anspruch
2.1) in Abhängigkeit vom Anteil Emulgator (Anspruch 1.1)
mit einem eingetragenen Dickpunkt an der Stelle der höchsten
Viskosität mit der höchsten Langzeit-Stabilität
im Zustand der Ruhe.
-
2:
Misch- und Emulgier-Anlage (Anspruch 3), vorgeschaltet einer konventionellen
Tanksäule mit Zapfventil (2 Pos. 3),
zur kontinuierlichen Herstellung einer Vormischung aus Wasser, Emulgator
und Ersatz-Kraftstoff E80 aus Bio-Ethanol und Benzin in einer Mischanlage
(Pos. 1). Dieser sind Kaskaden-Tanks (Pos. 2)
mit Rührwerken nachgeschaltet, die aus der Vormischung
und Dieselöl oder zusätzlich Pflanzenöl kontinuierlich
Dieselöl- und Pflanzenöl emulgieren.
-
3:
Hitzeschild-Kolben in einer thermo-elastischen Bauweise (Ansprüche
8 bis 10), in der die Dicke der Isoliermatte (3 Pos. 2)
den Wärmestrom durch das Kolben-Grundmaterial (Pos. 1)
um 25% verringert, im Kolbenboden sich eine gleichmäßige
Temperatur-Verteilung einstellt und in der glühenden Brennraum-Schale
(Pos. 3) eine zulässige Temperatur von 850–900°C,
so dass die glühende Brennraum-Schale als Heizfläche
zur weiteren Überhitzung des Dampfanteils im Brennraum
dient. Wärmespannungen und Relative Wärme-Dehnungen
aus Brennraum-Schale und Kolben werden über eine Dehnfuge
elastisch abgebaut.
-
4:
Vergleich der übereinander gezeichneten PV-Diagramme für
den Motorbetrieb bei unveränderter Einspritz-Menge an Dieselöl
und Emulsionen mit 10% Wasseranteil, wobei sich im Emulsion-Betrieb
nur eine Minderleistung von etwa 3% einstellt, die durch Verstellen
der Regelstange der Einspritzpumpe mit einer erhöhten Einspritz-Menge
bis auf 0% kompensiert oder um 30% im SDD-Prozess und 50% Mehrleistung
im KDD-Prozess bei unsichtbarem Abgas erhöht wird.
-
Die
Lösung der meisten Teil-Probleme des Emulsion-Betriebs
liegt in der Einführung eines thermo-dynamischen (4)
Semi-Dampf-Diesel-Prozesses (SDD) mit den Maßnahmen Emulgator-Komposition
im Promille-Bereich (1), bestehend aus 4 Haupt-Komponenten,
thixotropen Standard-WO-Emulsionen (Wasser-in-Öl) mit vorzugsweise
7 bis 12% Wasser, hergestellt in einer Kombinierten Misch- und Emulgier-Anlage (2),
die einer konventionellen Tanksäule mit Zählwerk
und Zapfventil vorgeschaltet ist, sowie Zumischung von Bio-Ethanol
und Bio-Diesel auf Rapsöl-Basis für die WO-Emulsionen
unter Verzicht einer teuren Vorwärm-Anlage zum Senken der
Viskosität von Rapsöl. Zur Gewährleistung
eines störungsfreien Emulsion-Betriebs bestehen die Kraftstoff-Filter
des Motors aus Metalltuch aus nicht-rostendem Stahl mit 25 bis 40 μm
Maschenweite anstatt Papier und die Filtergehäuse benötigen
keine Wasser-Ablassschraube.
-
Der
anders ablaufende Verbrennungs-Vorgang führt mit einer
Verminderung der kanzerogenen und mutagenen PAHs und Erhöhung
der harmlosen PAHs (Poly-aromatische Kohlenwasserstoffe) bei unsichtbarem
Abgas zum Partikelfreien Dampf-Dieselmotor.
-
In
einem Kompletten Dampf-Diesel-Prozess (KDD) liegt die Lösung
in der Übernahme der Komponenten des SDD-Prozesses und
Nutzung einer teiladiabatischen Komponente durch zusätzlichen
Einbau von Hitzeschild-Kolben in einer thermo-elastischen Sandwich-Bauweise
(3) mit einer gleichmäßigen Temperatur-Verteilung
im Kolbenboden dieses einteiligen ungekühlten Leichtmetall-Kolbens
und einer glühenden Brennraum-Schale als Heizfläche
zur Überhitzung des Wasserdampfs.
-
Mit
diesen Lösungen werden folgende Ziele verfolgt:
Unter ökologischen
Aspekten der Partikelfreie Dampf-Dieselmotor mit unsichtbarem Abgas
und verringerten gesundheitsschädlichen Kanzerogenen und
Mutagenen verbunden mit einer Senkung des spezifischen Kraftstoff-Verbrauchs.
Aus volkswirtschaftlicher Sicht Substitution (Anspruch 4) von bis
40 bzw. 100% der Diesel- und Heizöl-Importe durch heimische
Produkte, einschließlich synthetischen Kohleöls. Ökonomisch
gesehen neben Kraftstoff-Ersparnis und 10% niedrigerem Literpreis
der Emulsionen Verzicht auf teure Pflanzenöl-Vorwärm-Anlagen
und Abgas-Reinigungs-Anlagen, Erwartungen einer höheren
Lebensdauer von Einspritz-Anlagen und Motoren um 30% aufgrund der
besseren Schmierwirkung der verwendeten Emulsionen sowie Einstufung
in eine steuerlich günstigere Euro-Abgasklasse.
-
Semi-Dampf-Dieselprozess (SDD)
-
Emulgator-Lösung
aus 4 Haupt-Komponenten (Anspruch 1.1):
38% Vormischung aus
etwa 11% Natrium-Oleat, gelöst in 14% Wasser ohne Schmierwirkung,
etwa 7% Glycerin 99,5 als Schmiermittel und etwa 6% Propylen-Glykol
als Frostschutzmittel.
-
Dazu
drei Stütz-Emulgatoren:
6% Ölsäure
ethoxyliert aus Kokos-Verbindungen mit Di-ethanol-amin.
8%
Fettsäure-amid-polyglykol-ether und etwa 48% Poly-oxyethylen-20-sorbatum-monooleat.
-
Das
sind 100% Emulgator-Lösung, erstmalig mit 0,5–3,5‰ im
Promille-Bereich in Emulsionen.
-
Der
Tragende Emulgator Natrium-Oleat ist ein Hydrophobier-Mittel Cas.-Nr.
Bezeichnung 67701-11-5 Fettsäuren, C14-18 und C16-18 ungesättigt
mit Natrium-Salzen, das erstmalig erlaubt, bezogen auf fertige Emulsionen,
mit der Emulgator-Lösung aus dem Prozent-Bereich in den
billigeren Promille-Bereich einzudringen. Wegen seiner schmalen
Bandbreite der Emulgier-Wirkung sind als Stützemulgatoren
obige Ölsäure, Fettsäure und das Poly-oxyethylen
erforderlich zur Sicherstellung einer stabilen Bandbreite, wobei
erstmalig ein Emulgator, hier das Tragende Natrium-Oleat mit 60–400
ppm im ppm-Bereich erscheint. Weiterhin hat sich erfindungsgemäß das
Verhältnis hydrophiler zu hydrophoben Komponenten von üblich
1:4 nach 1:1 verschoben. Erkenntnis:
Der hydrophile Anteil
muss so groß sein, dass nach 3 bis 6 Monaten Lagerung der
Emulsion sich am Boden kein Wasser oder nur wenige Millimeter abscheiden,
die bei Inbetriebnahme des Motors wieder von selbst in Lösung
gehen.
-
Die
Emulgator-Lösung bildet thixotrope WO-Emulsionen (Ansprüche
2, 2.1 und 2.2), erkennbar am Dickpunkt (
1) im Ruhezustand
der Emulsion, der höchsten und langzeit-stabilsten Viskosität
in Abhängigkeit vom Anteil Emulgator-Lösung. Als
billigste Standard-Emulsionen haben sich 2 Emulsionen ergeben als Beispiel:
| Standard-WO-Emulsion
D85 | Standard-WO-Emulsion
DR60 |
| ohne
Rapsöl | mit
Rapsöl |
| 10
Vol.-% Wasser | 10
Vol.-% Wasser |
| 5 Vol.-%
E80 Ersatz-Kraftstoff | 8
Vol.-% E80 |
| 85
Vol.-% synthetisches Kohleöl | 22
Vol.-% Rapsöl |
| oder
mineralisches Dieselöl | 60
Vol.-% synthetisches Kohleöl |
| | oder
mineralisches Dieselöl |
| 100 Vol.-% | |
| | 100 Vol.-% |
| +0,5‰ Emulgator-Lösung | +0,7‰ (pro
mille) |
| für
normalen Diesel-Kraftstoff und | für
normalen Diesel-Kraftstoff und |
| +1,3 ‰ | +3,30‰ |
| für
Diesel-Kraftstoff, der gemäß Gesetz mit 7% Bio-Diesel
+3% unbekannten Zusätzen aus heimischer Produktion angereichert
ist. |
-
Mit
diesen Emulsionen können sofort bis zu 40% und nach Inbetriebnahme
neuer Hydrier-Werke zur Herstellung synthetischen Kohleöls
bis zu 100% der Dieselöl-Importe durch heimische Produkte
substituiert (Anspruch 4) werden.
-
Bio-Ethanol
E80, ein neuer Tankstellen-Kraftstoff für Otto-Motoren
auf der Basis 80% heimisches Bio-Ethanol plus 20% Benzin zum Erleichtern
des Motor-Anlassens im Winter, hat privatwirtschaftlich noch 3 Vorteile:
- 1. Die verdünnende Wirkung von E80 übernimmt
die Senkung der Viskosität der Emulsionen.
- Daher kann bei Rapsöl enthaltenden Emulsionen erfindungsgemäß erstmalig
auf den Einbau einer teuren Rapsöl-Vorwärm-Anlage über
Wärme-Tauscher der Abgas-Leitung verzichtet werden.
- 2. Die emulgierende Wirkung (Anspruch 1.2) von E80 halbiert
in etwa den Emulgator-Anteil.
- 3. Bio-Ethanol oder andere Alkohole übernehmen den
Frostschutz für die gesamte Emulsion.
-
Erschwerend beim Emulgieren von Bio-Ethanol:
-
In
landwirtschaftlichen Betrieben aus oft undefinierbaren Abfällen
hergestelltes Ethanol enthält laut Spezifikation über
30 Fremdstoffe im Gegensatz zu jahrtausendealtem Dieselöl
aus Erdöl.
-
Die
Promille-Anteile der Emulgator-Lösung von bisher 0,5 bis
0,7‰ mussten erhöht werden, da laut Gesetz dem
importiertem mineralischem Dieselöl 10% Bio-Diesel, bestehend
aus 7% Rapsöl aus ländlicher Produktion plus 3%
unbekannte Additive, zugemischt werden, da sich Diesel- und Rapsöl
allein nach erfolgter Mischung wieder trennen.
-
Im
Gegensatz zu OW-Emulsionen (Öl-in-Wasser) und Mikro-Emulsionen,
die alle einfacher herstellbar, aber verbrennungs-technisch ungeeignet
sind, bildet die Emulgator-Lösung thixotrope WO-Emulsionen (Wasser-in-Öl),
die auch größere motorisch günstigere
Wassertropfen enthalten. Beim Einspritzen der WO-Emulsion (Anspruch
2.1) in die 550 bis 750°C heiße verdichtete Luft
und anschließender Entzündung des Ölmantels
aus Diesel- oder Pflanzenöl, der den Wassertropfen umhüllt,
wird der Wassertropfen überwiegend durch Wärmestrahlung
detonationsartig von der flüssigen in die überhitzte
gasförmige Wasserdampf-Phase überführt.
Ursache ist eine etwa 100-fache Volumen-Zunahme des Tropfens gemäß Extrapolierung
der Volumen-Kurven in einem is-Diagramm für Wasserdampf
auf die maximale Verbrennungs-Temperatur von etwa 2000°C.
Dadurch wird der Ölmantel aufgerissen, wirkend wie eine
zusätzliche feine Zerstäubung des Kraftstoffs,
der Angriff des Sauerstoffs setzt intensiver ein und die Rauchwerte
eines Dieselmotors sinken augenblicklich unter die Sichtbarkeits-Grenze
nach Bosch-Zahl RB = 0,4.
-
Damit
kann erfindungsgemäß jeder vorhandene Dieselmotor
ohne Umbauten, ohne Zusatz-Aggregate am Motor und ohne Mehrkosten
zum Partikelfreien Dampf-Dieselmotor werden und die Kosten für
teure Pflanzenöl-Vorwärm-Anlagen und Rußfilter
oder komplette Abgas-Reinigungs-Anlagen einsparen sowie den Motor in
eine höhere steuerlich günstigere Euro-Abgasklasse
einbringen helfen.
-
In
einer Kombinierten Misch- und Emulgier-Anlage (2),
die einer vorhandenen Tanksäule einer Tankstelle vorgeschaltet
ist, wird in Station 1 Wassertank (Pos. 1) einer Mischanlage
(Anspruch 3) Wasser, Ersatz-Kraftstoff E80 aus Bio-Ethanol und Emulgator-Lösung
kontinuierlich gemischt und der Station 2 Emulgier-Anlage (Anspruch
4), bestehend aus in Reihe geschalteten Kaskaden-Tanks (Pos. 2),
unter Zuführung von Dieselöl und/oder Pflanzenöl
zum ebenfalls kontinuierlichem Emulgieren zugeführt. Zur
Erzielung homogener Emulsionen frei von Agglomeraten aus Klumpen-Bildung
beträgt das Durchmesser-Verhältnis Kaskaden-Tank
zu Rührflügel-Durchmesser weniger als 3. Zur Nutzung
der langzeit-stabilsten Viskosität der Emulsion im Zustand
der Ruhe werden die Rührwerke in Station 1 und 2 nur eingeschaltet,
wenn durch Betätigen des Zapfventils (Pos. 3)
einer Tanksäule dieses zum Tanken geöffnet ist.
-
Der
Betrieb der Misch- und Emulgier-Anlage läuft nach einem
Zeit-Volumen-Programm ab. Beispielsweise liefert ein Zapfventil
einer Lkw-Tanksäule 150 l/min Kraftstoff. In dieser Zeit
müssen die Rührwerke aller Tanks 150 l Emulsion
gemischt und emulgiert haben. Erfindungsgemäß benötigt
man zum Emulgieren 3 Minuten Zeit. Der Inhalt der Kaskaden-Tanks
(Pos. 2) fasst 3 × 150 = 450 Liter.
-
Im
Semi-Dampf-Dieselprozess (SDD) mit thixotropen WO-Emulsionen wird
dieselbe Motor-Leistung des Diesel-Betriebs (ähnlich 4)
bei niedrigerer Abgas-Temperatur und unsichtbarem Abgas erreicht.
-
Infolge
eines anders ablaufenden Verbrennungs-Vorgangs (Anspruch 5) verringern
sich im Abgas die PAHs (Poly-aromatische Kohlenstoffe). Innerhalb
der Gesamtmenge PAHs verschieben sich die Anteile der kanzerogenen
und mutagenen PAHs zu den in ihrer Biologischen Wirkung harmlosen
PAHs, die zwei gefährlichsten das Benz-a-pyren und das
1-Nitro-pyren verringern sich um 80 und 97%.
-
Dazu
sind Leistungssteigerungen bis zu etwa 30% mit unverändertem
Kolben-Durchmesser des Serien-Kolbens durch Verstellen der Anschlagschraube
der Regelstange in der Einspritz-Pumpe auf Mehrförderung
machbar. Teilweise ist die Mehrleistung durch Nutzung der fast doppelt
so hohen Gaskonstante für Wasserdampf gegenüber
Verbrennungsgasen gemäß Allgemeiner Gasgleichung
der Physik P·V = G·R·T erklärbar.
-
Bei
Bedarf ist am Boden des Tanks, gefüllt mit fertiger Emulsion,
ein Kraftstoff-Schlauch zu verlegen, der im Abstand von 50 mm perforiert
ist und in Zeitabständen von einem Tag kurzzeitig für
5–10 sec mit Pressluft beaufschlagt wird. Nach dem Prinzip
der Mammut-Pumpe in Bergwerken erzeugen die aus dem Kraftstoffschlauch
aufsteigenden Luftblasen ein spezifisch leichteres Gemisch aus Luft
und Wasser, das sich aus der Emulsion am Tankboden abgesetzt hat,
und das Wasser emulgiert erneut.
-
Die
Kraftstoff-Filter am Motor bestehen vorzugsweise aus Metalltuch
aus nicht-rostendem Chrom-Nickelstahl mit 25–40 μm
Maschenweite.
-
Kompletter Dampf-Dieselprozess (KDD)
-
Im
Kompletten Dampf-Dieselprozess (KDD), bestehend aus obigem SDD-Prozess
und Einführung einer teiladiabatischen Komponente durch
zusätzlichen Einbau eines Hitzeschild-Kolbens in einer
thermo-elastischen Sandwich-Bauweise (3), wird
dieselbe Motor-Leistung (ähnlich 4) des Diesel-Betriebs
bei noch höherer Kraftstoff-Ersparnis als im SDD-Prozess
erzielt.
-
Folgende
Leistungssteigerungen (Anspruch 7) sind erreichbar bei unsichtbarem
Abgas:
Serien-Kolben mit unverändertem Kolben-Durchmesser:
30% im SDD-Prozess
Hitzeschild-Kolben mit demselben Kolben-Durchmesser:
50% im KDD-Prozess
Hitzeschild-Kolben mit größerem
Kolben-Durchmesser: 100% im KDD-Prozess
-
Die
50 und 100% Mehrleistung sind erfindungsgemäß durch
die Motor-Innenkühlung mittels Wasseranteil der Kraftstoff-Emulsion
und die gleichmäßigere Temperatur-Verteilung im
Kolbenboden durch den Hitzeschild machbar.
-
Doppelwandige
Brennraum-Auskleidungen in Diesel-Kolben beispielsweise als Verdampfungsschalen für
aufgespritzten Diesel-Kraftstoff und zur Verringerung des Zündverzugs
sind bekannt, haben sich aber nicht dauerhaft durchgesetzt. Der
Erfindung hier liegen andere Zielsetzungen zugrunde:
- 1. Reduzierung des Wärmestroms um etwa 25% (Anspruch
8) durch den Kolbenboden (3 Pos. 1) über Kolbenhemd
und Zylinderrohr ins Kühlmedium.
- 2. Aufheizung (Anspruch 7) der Brennraum-Schale (Pos. 3)
aus hochwarmfestem austenitischem Stahl mit demselben Linearen Wärme-Ausdehnungs-Koeffizient
des Kolben-Grundmaterials und sehr niedriger Wärmeleitzahl
durch Wärmestau und Begrenzung der Oberflächen-Temperaturen
unter Berücksichtigung der zulässigen Langzeit-Warmfestigkeit
des Stahls auf etwa 900°C im Zweitakt und etwa 850°C
im Viertakt.
- 3. Aufheizung der verdichteten Luft bei unverändertem
Kompression-Verhältnis (Anspruch 7.1) zur Erhöhung
von Verdichtungs- und maximalem Verbrennungsdruck um etwa 10% zur
Verbesserung des Kreisprozesses.
-
Diese
Zielsetzungen erfordern erfindungsgemäß konstruktive
und metallurgische Maßnahmen:
- 1. Einen
Hitzeschild (3) in einer thermo-elastischen
Sandwich-Bauweise als teiladiabatische Komponente.
- 2. Eine Isolier-Matte (Pos. 2), gegossen oder faserig, übernimmt
die Wärme-Isolierung. Ihre Dicke bestimmt den um 25% verringerten
Wärmestrom durch den Kolbenboden ins Kühlmedium
bei gleichzeitig an der Oberfläche (Anspruch 8) der Brennraum-Schale
(Pos. 3) zulässigen Temperaturen von 850 bis 900°C
und maximal 400°C am Kolben-Grundmaterial (Pos. 1)
bei üblichen ungekühlten Leichtmetall-Kolben.
- 3. Die glühende Brennraum-Schale (Pos. 3)
dient als Heizfläche (Anspruch 7) zur weiteren Überhitzung
des Dampfes aus den verbrannten Kohlenwasserstoff-Verbindungen des
Kraftstoffs und dem Wassergehalt der Emulsion.
-
Laut
PV-Diagramm (ähnlich 4) baut
sich der Spitzendruck im OT bei derselben Leistung von Diesel- und
Emulsion-Betrieb lager-schonend ab und verschiebt sich um einige
Kurbelwinkel-Grade in die Expansion-Kurve. Das führt zu
einem weicheren Einsetzen der Verbrennung und nähert sich
der wirtschaftlicheren Gleichdruck-Verbrennung. Aufgrund des großen
Wärme-Übergangs von der glühenden Brennraum-Schale auf
die verdichtete Luft erhöhen sich automatisch Verdichtungs-
und Verbrennungsdruck (Anspruch 7.1) um etwa 10% und die Polytrope
der Expansion verschiebt sich zur flacheren Isotherme. Ebenfalls
steigen der Abgasdruck um etwa 25% und die Abgas-Temperatur um etwa
100°C.
-
Diese
thermo-dynamischen Abläufe führen zu einer höheren
Indizierten Leistung, erkennbar an einem fülligeren PV-Diagramm,
dessen Flächeninhalt ein Maß für die
Indizierte Leistung darstellt. Der verschobene Spitzendruck erhöht
den Mechanischen Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Motors steigt
um etwa 30%. Der höhere Abgasdruck führt in einer
neuen Generation Dieselmotoren durch Verlängerung (Anspruch
7.1) von Expansion und Kolbenhub um etwa 10% zu weiterer Mehrleistung
bei niedrigerem Kraftstoff-Verbrauch.
-
Die
Isoliermatte (Pos. 2) vergleichmäßigt
(Anspruch 11) über den Kolben-Durchmesser Wärmestrom und
Kolben-Temperatur bei gleichzeitigem Wärmestau in der Brennraum-Schale
(Pos. 3). Dieses thermische Verhalten des Hitzeschild-Kolbens
erlaubt, ungekühlte Leichtmetall-Kolben mit größeren
Kolben-Durchmessern und höherer Zylinder-Leistung zu bauen.
Beispielsweise sind bei Lkw-Motoren wegen der thermischen Belastung
der luftgekühlte Viertakt-Dieselmotor bei 128 mm Kolben-⌀,
der luftgekühlte Zweitakt-Diesel bei 110 mm ⌀ und
der wassergekühlte Viertakt-Motor bei 140 mm ⌀ thermisch
am Ende und führte zu Vielzylindrigkeit bis zu 10- und
12-Zylinder-Motoren. Mit Hitzeschild-Kolben und halber Zylinderzahl
kann ein moderner Lkw-Dampf-Dieselmotor mit 4-Zylindern, 150 mm
Bohrung und 450 kW den gegenwärtigen 8-Zylinder-Diesel ablösen.
-
Die
Verbindung (Anspruch 9) thermo-elastischer Hitzeschild (3 Pos. 1 und 3)
mit dem Kolben-Grundmaterial (Pos. 1) erfolgt starr über
innere Ankerborde (Pos. 5) in Kolbenmitte und äußere
am Umfang sowie beweglich über Gleitringe (Pos. 4).
An den starren Einspannstellen muss die Werkstoff-Paarung Ankerborde
und Kolben erfindungsgemäß dieselbe Temperatur
und denselben Linearen Wärme-Ausdehnungs-Koeffizienten
aufweisen. Die Wärmespannungen aus den unterschiedlichen
Temperaturen und Wärme-Dehnungen von glühender
Brennraum-Schale (Pos. 3) und kälterem Kolben-Grundmaterial
(Pos. 1) werden durch elastische Verformung der Brennraum-Schale
vom äußeren Gleitring (Pos. 4) bis zur
Dehnfuge und von dieser bis zum äußeren Ankerbord
(Pos. 5) abgebaut.
-
Brennraum-Schale
und Kolben-Grundmaterial haben bei Raumtemperatur denselben Temperatur-Ausdehnungs-Koeffizienten,
daher liegen die relativen Wärme-Dehnungen in der Dehnfuge
beispielsweise bei einer Lkw-Brennraum-Schale (Pos. 3)
130 mm ⌀ bei beherrschbarem 1 zehntel Millimeter.
-
Die
Dehnfuge umgibt ein Bund (Anspruch 10) aus Kolben-Grundmaterial
(Pos. 1) von der Breite B zum Schutz des Ölfilms
an der Zylinder-Lauffläche vor der Wärme-Strahlung
der glühenden Brennraum-Schale (Pos. 3).
-
Für
Kolben mit D > 150
mm (3) wird die dargestellte Brennraum-Schale bis
etwa 130 mm Schalen-⌀ zum Zentralteil des Hitzeschilds
(Anspruch 12). Größere Schalen-⌀ sind
sicherheitshalber nicht zu empfehlen, da nicht erprobt. Daher wird
das Zentralteil von ein oder mehreren etwa 50–70 mm breiten
konzentrischen Ringplatten aus demselben Chrom-Nickel-Stahl und
Niob stabilisiert umgeben, die ähnlich Ankerborden (Pos. 5)
innen und außen starr verankert sind. Analog nimmt eine
Dehnfuge am äußeren Umfang jeder Ringplatte die
Relativ-Wärme-Dehnung elastisch auf. Bei Erreichen der
Betriebs-Temperatur des Hitzeschild-Kolbens sind die Dehnfugen geschlossen.
Mit diesen zusätzlichen Ringplatten zum Zentralteil des
Hitzeschilds sind ungekühlte Leichtmetall-Kolben bis etwa
250 mm Kolben-Durchmesser thermisch beherrschbar und sollten übliche
Gebaute Diesel-Kolben mit aufgeschraubten und innen mit Öl
oder Wasser gekühlten Kolben-Oberteilen aus Stahl, zugeführt
durch eine hohlgebohrte Pleuelstange, ersetzen.
-
In
Betracht gezogene Druckschriften:
- Deutsche Patentschriften Nr. 25 20
971 B2 , 693
10 901 T2 , 1
115 518 A 1
017 849 A , 30
23 372 A1 , 196
30 141 A1 , 197
47 240 C2 , 35
04 699 A1 39
24 013 C1
- Europäische
Patentschriften Nr. 1 381 658 B1 , 0 897 945 A2 0 071 672 A1 , 0 895 564 B1 , 0 028 287
- Englische Patentschrift
Nr. 1 395 418 A
- Amerikanische Patentschriften
Nr. 4 998 517 , 4 667
630 4 800 853 , 4 921 734
- Japanische Patentschriften
Nr. 62 099 618 , 59
122 765
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2520971
B2 [0054]
- - DE 69310901 T2 [0054]
- - DE 1115518 A [0054]
- - DE 1017849 A [0054]
- - DE 3023372 A1 [0054]
- - DE 19630141 A1 [0054]
- - DE 19747240 C2 [0054]
- - DE 3504699 A1 [0054]
- - DE 3924013 C1 [0054]
- - EP 1381658 B1 [0054]
- - EP 0897945 A2 [0054]
- - EP 0071672 A1 [0054]
- - EP 0895564 B1 [0054]
- - EP 0028287 [0054]
- - GB 1395418 A [0054]
- - US 4998517 [0054]
- - US 4667630 [0054]
- - US 4800853 [0054]
- - US 4921734 [0054]
- - JP 62099618 [0054]
- - JP 59122765 [0054]