DE102009058970A1

DE102009058970A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009058970A1
Application number: DE102009058970A
Authority: DE
Original assignee: Rhp 31629 GmbH; RHP GmbH
Current assignee: Rhp 31629 GmbH; RHP GmbH
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, bei der die mit Brenngasen beaufschlagten Wände durch von außen nach innen strömendes Gas (Kohlendioxid, Luft oder Abgas) gekühlt werden und das Gas durch mikro- oder nanometergroße Öffnungen, welche sich in der Oberfläche der mit Brenngasen beaufschlagten Wände befinden, heraus gepresst wird. So entsteht eine stabile Grenzschicht, die isolierend wirkt. Nebeneffekt ist, dass zylindrische Kolben auf dieser Schicht ohne Schmiermittel fast reibungsfrei gleiten oder schweben können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei heutigen Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung gelangt ein großer Teil der eingesetzten Energie über Wärmeleitung in die Brennraumwand und anschließend ins Kühlsystem.
Es gibt sehr viele Ansätze die Wärmeübertragung in Wände und Bauteile, welche mit Brenngasen beaufschlagt werden, zu verringern. Es werden Keramikauskleidungen eingesetzt oder im Brennraum versucht über einen Luftdrall die heißen Gase von der Wand fernzuhalten. Leider geht bis heute ein Großteil der eingesetzten Energie ins Kühlwasser.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Wärmeverluste durch verschiedene technische Maßnahmen zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird hier eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei der die mit Brenngasen beaufschlagten Flächen wenigstens teilweise für Gase und Fluide durchlässig ausgebildet sind und durch von außen in den mit Brenngasen beaufschlagten Raum einströmendes Gas gekühlt werden, ähnlich der bei Turbinen eingesetzten Transpirationskühlung. Allerdings ist die Aufgabe hier eine andere. Bei Turbinen geht es in erster Linie darum die Bauteile zu kühlen und somit zu schützen. Hier geht es darum, den Wärmefluss in die das Brenngas begrenzenden Wände umzukehren. Die in die Wände eingeleitete Wärmemenge wird durch das Gas aufgenommen und in den Raum, der mit Brenngasen beaufschlagt wird, zurück transportiert. Das geschieht mit Kohlenstoffdioxid, gereinigter Umgebungsluft oder Abgasen der Brennkraftmaschine. Die Wahrscheinlichkeit ist hoch, das mittelfristig Verbrennungsmotoren mit CO₂-Abscheideanlagen ausgerüstet werden und ein geschlossener CO₂-Kreislauf realisiert wird oder das CO₂ in der Tiefsee oder in ehemaligen Erdgaslagern eingelagert wird. Somit wäre in der Nähe der Motoren ein Vorrat an flüssigem CO₂ vorhanden, dann böte es sich an mit CO₂ zu arbeiten. Man kann auch mit dem Abgas des Motors arbeiten, dem durch nachgeschaltete Technologien Energie entzogen wurde oder mit gereinigter Außenluft.
Das Gas wird durch die für Gase durchlässige Schicht aus einem offenporigen Metall- oder Keramikschaum, einem offenporigen Kohlenstoffschaum, einem Metall- oder Keramikgeflecht, einem offenporigen Sinterwerkstoff, aus mit Laserbohrungen versehenen Metallen oder Keramiken, aus Perlit-Gestein oder aus pyrogener Kieselsäure gepresst. Es bildet sich an den Austrittsöffnungen, also auf der mit Brenngasen beaufschlagten Fläche, eine dünne Isolierschicht aus, der Wärmeübergang in die Wand wird vermindert. Die Wärmemenge, die trotzdem in die Wand eindringt, wird im Inneren der porösen Schicht ans Gas übertragen und mit dem Gas wieder aus der Wand heraus transportiert. Die sich an der Oberfläche ausbildende Gasschicht wird durch turbulente Strömungen des Brenngases stark angegriffen, durch das kühlende Gas wird quasi eine künstliche Grenzschicht aufgebaut. Diese muss ständig aufrecht erhalten werden. Dazu werden kleine Poren, Bohrungen oder sonstige Öffnungen im Bereich von Nano- oder Mikrometern in der Oberfläche angeordnet. Durch turbulente Strudel aus der Grenzschicht abgelöstes Gas oder mit Brenngasen verdünntes Gas wird sofort durch nachströmendes ersetzt.
Die Poren, Bohrungen oder sonstigen mikro- und nanofeinen Öffnungen in der Wand, die die Brenngase begrenzen, können in Anzahl und Größe über das Volumen betrachtet variieren, um die gewünschte Verteilung an den Austrittsöffnungen und den gewünschten Volumenstrom zu realisieren. So ist es sinnvoll im Inneren der Schicht größere Strömungsquerschnitte zu schaffen, durch eine erhöhte Porosität oder in der Wand verlaufende Kanäle und an der Oberfläche viele kleine Öffnungen anzuordnen.
Im Brennraum herrschen Spitzendrücke, die deutlich höher liegen als der kritische Druck von Luft, Abgas oder Kohlendioxid. Will man auch in der Zündphase und dem sich direkt anschließenden Zeitraum die Wände kühlen, so wird anstelle des Gases ein überkritisches Fluid aus CO₂, Abgas oder Luft eingesetzt. Der Übergang in die gasförmige Phase findet erst in der Nähe der Austrittspunkte, also in der Nähe der Oberfläche statt, die mit Brenngasen beaufschlagt wird.
Damit das Gas nur brenngasseitig aus der Schicht austreten kann wird die Wand an der den Brenngasen abgewandten Oberfläche der Schicht gasundurchlässig ausgebildet.
Der Kolben kann konventionell mit Schmiermittel versorgt werden oder es wird ein Kohlenstoffkolben eingesetzt, der nicht geschmiert werden muss. Durch das aus der Zylinderwand austretende Gas bildet sich zwischen Zylinder und Kolben ein Luftpolster aus, auf dem der Kolben nahezu widerstandslos gleitet.
Bei zylindrischen Kolben können zwischen dem oberen und dem unteren Kolbenring ein oder mehrere Kolbenringe eingesetzt werden, die dann als Luftschürze dienen, für das Luftpolster zwischen Zylinderwand und Kolben, ähnlich wie bei einem Luftkissenfahrzeug. Wie beim Luftkissenfahrzeug können die Ringe auch flexibel aufgebaut sein, um sich bei Kippbewegungen des Kolbens dem veränderten Luftspalt anzupassen.
Bei zylindrischen Kolben wird der unterste Kolbenring sehr gut dichtend ausgelegt, damit er nur wenig kühlendes Gas passieren lässt und somit den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand abdichtet. Der Bereich der Zylinderwand, in dem sich der unterste Kolbenring bewegt, ist nicht gasdurchlässig, sonst würde das Gas ins Kurbelgehäuse gedrückt werden.
Bei Maschinen mit zylindrischen Kolben werden in OT die Öffnungen, durch die das kühlende Gas aus der Zylinderwand austritt, im Wesentlichen abgedeckt. Bei Kolben aus Kohlenstoff kann der obere Kolbenring entfallen, aus dem ohnehin sehr kleinen Spalt strömt dann das kühlende Gas in den Brennraum.
Der Kolben, aus Kohlenstoff oder aus Metall, wird durch die poröse Zylinderwand oder die mikro- oder nanofeinen Öffnungen in der Zylinderwand mit Gas versorgt, er weist zur Zylinderwand hin ebenfalls Öffnungen auf, das Gas strömt hier in den Kolben und gelangt über Kanäle oder eine poröse Struktur zur Kolbenoberseite und wird durch den brenngasseitig offenporigen Kolben ausgepresst.
Der hierfür nötige Druck wird mittels eines Kompressors erzeugt oder es befindet sich bereits ein Kohlenstoffreservoir in der Nähe des Motors. Man könnte den Druck auch aus dem sich zyklisch aufbauenden Verbrennungsdruck abgreifen.
Sollte der Druck im Brenngas zu bestimmten Zeiten höher sein, als der im kühlenden Gas, so werden die zur porösen gasgängigen Schicht führenden Kanäle oder in dieser Schicht verlaufenden Kanäle mit Rückschlagventilen versehen.
Da Ventile aber immer eine Schwachstelle darstellen, sollte man diese vermeiden, und zwar so:
Der Druck des kühlenden Gases in der Schicht wird geregelt, er ändert sich während eines einzelnen Arbeitstaktes und wird so eingestellt, dass er über dem Druck liegt, der in dem mit Brenngasen beaufschlagten Raum herrscht. Während des Ansaug- oder Verdichtungstaktes sind in der Zylinderwand natürlich wesentlich geringere Drücke erforderlich, um das kühlende Gas in den Hubraum einzupressen.
Der Speisedruck des kühlenden Gases oder der des überkritischen Fluides in der offenporig porösen Struktur/Schicht der zu kühlenden Bauteile kann zur gleichen Zeit unterschiedlich hoch sein, um thermisch belastete Stellen besser zu versorgen.
Wird mit überkritischen Fluiden gearbeitet, so setzt eine Hochdruckpumpe verflüssigtes Abgas oder flüssiges Kohlenstoffdioxid unter Druck und presst dieses überkritsche Fluid in die für Gase und Fluide durchlässige Schicht ein.
Der Druck, mit dem dieses geschieht, wird über die Hochdruckpumpe, Druckminderer oder zwischengeschaltete Ventile geregelt. Es kann ausreichen in die porösen Brennraumwände etwa zeitgleich mit der Zündung eine bestimmte Menge überkritisches Fluid einzupressen, welches sich dann, gebremst durch den Innenwiderstand der porösen Schicht und durch den Gegendruck der Brenngase, in etwa parallel zum Druckverlauf der Brenngase entspannt.
Wird mit Abgas als Kühlmedium gearbeitet, so kann es zu Ablagerungen in der gasgängigen Schicht kommen, auch durch den Einsatz von Schmierstoffen kann es zu Ablagerungen in der Nähe der Austrittsöffnungen kommen.
Um dem vorzubeugen, kann die Motortemperatur kurzzeitig erhöht werden, über zusätzlich eingespritzte Kraftstoffmengen oder eine höhere Temperatur des eingeleiteten kühlenden Gases, um ein Freibrennen der Poren, Öffnungen und Kanäle in der für Gase und Fluide durchlässigen Schicht zu erreichen. Die anfallende Asche wird durch den hohen Druck in Richtung Brenngas gepustet. Sollten auf den Kolben, wie heute zumindest bei Hubkolbenmaschinen üblich, durch die Abstützung an der Zylinderwand seitliche Kräfte einwirken, so werden an diesen Stellen vermehrt Laserbohrungen angeordnet, um ein ausreichendes Luftpolster zwischen Kolben und Zylinderwand zu schaffen.

Claims

Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und wenigstens einem Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkraftmaschine die mit Brenngasen beaufschlagten Flächen wenigstens teilweise für Gase und Fluide durchlässig ausgebildet sind und durch von außen in den mit Brenngasen beaufschlagten Raum einströmendes Gas gekühlt werden, wobei es sich bei dem Gas um Kohlenstoffdioxid, gereinigte Umgebungsluft, Abgas oder eine Mischung dieser Gase handelt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für Gase durchlässige Schicht aus einem offenporigen Metall- oder Keramikschaum, einem offenporigen Kohlenstoffschaum, einem Metall- oder Keramikgeflecht, einem offenporigen Sinterwerkstoff, aus mit Laserbohrungen versehenden Metallen oder Keramiken, aus Perlit-Gestein, aus pyrogener Kieselsäure oder einer Kombination aus ein oder mehreren der vorgenannten Materialien in übereinander angeordneten Schichten besteht.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren, Bohrungen oder sonstigen Öffnungen in der mit Brenngasen beaufschlagten Fläche sehr kleine Durchmesser im Bereich von Nanometern oder Mikrometern aufweisen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren und Bohrungen in der Wand, die die Brenngase begrenzt, in Anzahl und Größe über das Volumen betrachtet variieren, um die gewünschte Verteilung an den Austrittsöffnungen und den gewünschten Volumenstrom zu realisieren.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wand Kanäle verlaufen, um das Gas in der Wand zu verteilen und bis nahe vor die Austrittsöffnungen zu geleiten.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlende Medium als überkritisches Fluid gespeichert wird, durch die für Gase und Fluide durchlässige Schicht geleitet wird und sich erst in der Nähe der Austrittspunkte aus dieser Schicht entspannt und in die Gasphase übergeht.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand an der den Brenngasen abgewandten Oberfläche gasundurchlässig ist und somit der Austritt der kühlenden Gase nur brenngasseitig erfolgen kann.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenanntem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das einströmende Gas ein Luftpolster bildet, auf dem der Kolben gleitet.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zylindrischen Kolben zwischen dem oberen und dem unteren Kolbenring mindestens ein weiterer Kolbenring Einsatz findet, der als Luftschürze für das Luftpolster zwischen Zylinderwand und Kolben dient.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zylindrischen Kolben der unterste Kolbenring nur sehr wenig kühlendes Gas passieren lässt, somit den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand abdichtet.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Maschinen mit zylindrischen Kolben, der Kolben die Öffnungen für das kühlende Gas in der Zylinderwand abdeckt, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunktes befindet oder im unteren Totpunkt im Wesentlichen freigibt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben durch die poröse Zylinderwand oder die mikro- oder nanofeinen Öffnungen in der Zylinderwand mit Gas versorgt wird, indem das Gas in die auf der Zylinderwand gleitenden Kolbenflächen, welche gasdurchlässig sind, eingeleitet wird, dann durch den Kolben strömt und durch den brenngasseitig offenporigen Kolben ausgepresst wird.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in oder an der Brennkraftmaschine ein Kompressor befindet, der das Gas durch die Poren und mikro- oder nanofeinen Öffnungen presst.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur porösen gasgängigen Schicht führenden Kanäle oder in dieser Schicht verlaufenden Kanäle mit Rückschlagventilen versehen werden, die schließen, sobald der Druck im Brenngas höher ist als der im kühlenden Gas.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des kühlenden Gases geregelt wird, sich während eines einzelnen Arbeitstaktes ändert und so eingestellt wird, dass er über dem Druck liegt, der in dem Raum herrscht, welcher mit Brenngasen beaufschlagt wird.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speisedruck des kühlenden Gases oder der des überkritischen Fluides in der porösen Struktur der zu kühlenden Bauteile zur gleichen Zeit unterschiedlich hoch ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruckpumpe verflüssigtes Abgas oder flüssiges Kohlenstoffdioxid unter Druck setzt, dieses überkritsche Fluid in die für Gase und Fluide durchlässige Schicht einpresst und der Druck, mit dem dieses geschieht über die Hochdruckpumpe, Druckminderer oder zwischengeschaltete Ventile geregelt wird.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motortemperatur kurzzeitig erhöht wird, über zusätzlich eingespritzte Kraftstoffmengen oder eine höhere Temperatur des eingeleiteten kühlenden Gases, um ein Freibrennen der Poren, Öffnungen und Kanäle in der für Gase und Fluide durchlässigen Schicht zu erreichen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stellen, auf die durch den Kolben auf die mit Brenngasen beaufschlagte Wand besonders große Kräfte ausgeübt werden vermehrt Laserbohrungen angeordnet sind, um ein ausreichendes Luftpolster zu schaffen.