DE102014017092A1 - Oxyhydrogen-Gegenstufenkolben-Zweitaktmotor mit Gasaufbereitung - Google Patents

Abstract

Zur Begrifflichkeit Oxyhydrogen: Im englischen Sprachraum ist Oxyhydrogen eine detonationsfähige Mischung von gasförmigem Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), in Deutschland oft mit Knallgas benannt. Gegenkolben-Zweitaktmotoren sind aus zahlreichen Patentschriften bekannt und auch bereits für den schadstoffarmen Einsatz konzipiert, wie in der Patentschrift DE 100 26 458 C2, welcher aber auch den Einsatz von anderen Fossil-Brennstoffen vorsieht (siehe dort unter 0015). Die Unterscheidung zu dieser hier benannten Erfindung liegt also in der strikten Befolgung der Anforderung für Oxyhydrogen. Die dringend erforderliche Nutzung von Wasserstoff für die Energiezukunftssicherung muss nicht näher erläutert werden, und ist Ziel zahlreicher Forschungsvorhaben. Nicht beachtet wurden bisher bei sog. H2-Motoren Erfordernisse für die Verbindung von H2 mit O2, sondern es wurde atmosphärische Luft dem H2 mit 80%-Anteilen an Stickstoff zugeführt. Den Details dieser Patentschrift ist erstmals ein durchgängiges Motorsystem mit schlüssiger Lösung aller Anforderungen für den Betrieb mit Oxyhydrogen und auch eine anteilige Selbsterzeugung für Oxyhydrogen zu entnehmen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Gegen-Stufen-Kolben-Motor (GSKM) für den Betrieb mit Oxyhydrogen (H2 + O2) gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 als OGSKM bezeichnet, der auf Grund seiner besonderen Merkmale bei Bedarf:
  mit pyrolytischer Gasaufbereitung dieses Gas sodann elektrolytisch über eine Hochtemperaturelektrolyse Oxyhydrogen aufbereitet und als Brennstoff nutzt, oder aber bereit gehaltenes Oxyhydrogen direkt zu nutzen.
• Der erfindungsgemäße Motor kann dem autarken Bedarf mobil (Fahrzeuge) oder immobil (Beispiel BHKW) dienen, bzw. überall dort eingesetzt werden, wo ein Bedarf an maschinellen Kräften besteht.
• Gegenkolben-Zweitaktmotoren arbeiten in der Regel ohne Ventile im Brennraum, da der gesamte Zylinder direkt bei jedem Takt, wenn sich die Kolben am unteren Totpunkt befinden, durchspült wird mit Frischgasen, welche die verbrannten Reststoffe mit austreiben. Die Vermeidung von Ventilen ist für den Einsatz von Oxyhydrogengasen durch die entstehenden hohen Temperaturen unbedingt erforderlich, da Ventile bei sehr hohen Temperaturen schwer zu kühlen sind.
• Das besondere Unterscheidungsmerkmal des erfindungsgemäßen, hier vorgestellten Motors, im Gegensatz zu dem beschriebenen Motor im Patent DE 100 26 458 C2 , beruht jedoch bei dem hier geschilderten Motor auf die Gasspülung und Gasaufbereitung. In dem bezeichneten Patent DE 100 26 458 C2 sind keine Stufenkolben angeordnet und die Spülsteuerung soll laut Patentschrift durch Flatterventile und zusätzliche Kolbensteuerung mit Ventilen im Kolbenboden erfolgen, wobei sich sehr hohe Temperaturen leider verbieten, da diese Ventile unmittelbar der hohen Zündtemperaturen bei solchen Gasentladungen ausgesetzt sind. Einige Patentschriften zu Gegenkolbenmotoren, wie DE 102 43 061 B4 , sehen eine Gassteuerung nur über die Kolben selbst vor, und besitzen aber wiederum eine Vorkomprimierung über zusätzliche Aggregate und die hohen Temperaturen am Gasauslasskolben stellen ein Problem dar.
• Der erfindungsgemäß hier vorgestellte GSKM (Gegen-Stufen-Kolben-Motor) hingegen spült die Gase durch eine Kolbenstufung im vergrößerten Durchmesser-Bereich des Brennraumes, wobei für Zweitaktmotoren ebenfalls zahlreiche Patente bereits mit Stufenkolben vorliegen (Beispiel DD 294 539 A5 ), aber die obere Stufe im Brennraumbereich bei anderen Patent-Schriften jedoch verkleinert ist, um den sich ergebenden Zwischen-Bereich des verkleinerten Kolbens im gleich großen Zylinderdurchmesser des größeren Kolbenbereiches für eine Komprimierung und Spülung zu nutzen, damit die bei älteren Zweitaktern benutzten Kurbelgehäuse wegen der Vermischung mit Ölen umgangen wird. Im benannten Patent DD 294 539 A5 handelt es sich jedoch nicht um einen Gegenkolbenmotor, wobei die Ladung auch nicht vollständig erfolgen kann durch zu spät erfolgende Gaszuführung. Wollte man wie im Patent DD 294 539 A5 die kleinere Stufe zum Brennraum hin in einem Gegenkolbenmotor nutzen, so erforderte diese Anordnung eine mindestens getrennte 2-zylindrige Anordnung mit gegenseitiger Spülung um der vollen Gasladung gerecht zu werden. Eine sinnvolle Nutzung der Temperaturen ergibt sich nicht und der Kolbenboden an der Auslassseite ist schwierig zu kühlen.
• Es ist Aufgabe der Erfindung Gase mit hohen Abbrandtemperaturen bei hohem Wirkungsgrad, hohen motorischen Kennwerten, nutzbar zu machen, bei Meidung der Nachteile ähnlicher Motoren nach dem Stand der Technik. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, die entstehenden hohen Temperaturen des erfindungsgemäßen Oxyhydrogenmotors zu nutzen, um eine Hochtemperaturelektrolyse mit hohem Wirkungsgrad einsetzen zu können.
• Einsatzmethoden mit und durch Verbrennungs-Motoren als Stand der Technik fanden sich bisher nicht für den Einsatz der Hochtemperaturelektrolyse (HTE), sondern waren eingeschränkt auf großtechnische Verfahren der Industrie, wie im Patent DE 10 2013 021 418 A1 , welche immer zusätzliche externe Energiequellen hinzuziehen müssen um hohe Pyrolysetemperaturen zur Verfügung zu haben. Durch zahlreiche Methanisierungszwischenschritte unter Hinzuführen von Wasser und wiederum Kohlenstoff erreicht man erst danach den erforderlichen Wasserstoff als Träger aller Energiegewinnungsmöglichkeiten, obwohl zuvor per Elektrolyse H2 bereits gewonnen wurde, um schließlich letztendlich wiederum 1 Teil CH4 mit 2 Teilen H2 zu mischen um dieses „Gas” z. B. dem Leitungs-Erdgassystem hinzu zu führen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10026458 C2 [0004]
• DE 10026458 C [0004]
• DE 10243061 B4 [0004]
• DD 294539 A5 [0005, 0005, 0005]
• DE 102013021418 A1 [0007]

Claims (1)

1. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die aufgezeigten Merkmale den Stand der Technik erhöhen und die vorgenannten Probleme lösen, insbesondere durch Stufenkolben bei Gegenkolbenmotoren und die Möglichkeit der Temperaturnutzung am, bzw. im Kolben durch einen „aufgesetzten größeren, durchspülten Kolben mit vergrößertem Querschnitt” zur Nutzung der Wandlungstemperaturen und ebenso eine Eingrenzung gegen berhitzung ermöglicht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemäße Motor also in der Lage ist Energiequellen durch entsprechende Tankeinrichtungen zu nutzen um diese evtl. nach Bedarf einer Hochtemperaturelektrolyse (HTE) zuzuführen: (1 dient der bersichtlichkeit als Ablaufdiagrammzeichnung zu den hier benannten Tanks als Behälter: siehe T1 bis T4) T1: – als Wasserstoff-Speichertank und Methan als LOHC-Trägermittel nach Fachleuten bekannten Verfahren zwecks Umwandlung per Pyrolyse für die Abspaltung des H2 mit Strömungskreislauf; T2: – Wasser-Vorratstank mit Vorbereitung der Aufspaltung durch den Motor über gestufte Temperaturnutzung durch Zylinderwärmetauscher, Abgaswärmetauscher und letztendlich Stufenkolbenoberbodentemperaturaufnahme zwecks Zuführung für .. die Hochtemperaturelektrolyse. T3: – als Sauerstoff-Speichertank. T4: – CH4-Tank als sog. Starttank Hiermit ist eine in Situ-Lösung möglich, welche nach dem Sabatierprozess bereits von der NASA für Raumfahrzeuge genutzt wird, allerdings ohne Motoren. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben an der Abgas-Auslaßseite die dem Kolben durchströmenden Medien durch seine Bauart auf sehr hohe Temperaturen anhebt entsprechend der Darstellung in 2, bezeichnet mit 3 in Durchströmungsrichtung zu 5. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben auf der Brennraumseite in einen größeren Zylinderquerschnitt ausfüllen, als an der Kurbelwellenraum verschließenden Seite, in 2 bezeichnet mit 1, mit einem kleineren Querschnitt, bezeichnet mit 4. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben zur Brennraumseite hin mit ihrem größeren Querschnitt sich mit Lamellen auf den Teil der Kolben mit dem kleineren Querschnitt abstützen, wie in 2 dargestellt. Bei sehr kleinen Motoen können diese Lamellen entfallen. Ausschlaggebend ist die Art der vorgesehenen Brennstoffzuführung, bzw. Vorbereitung von Gasen für die Hochtemperatur-Elektrolyse. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben einen Plasmazündungshut besitzen, welcher nicht einem Verschleiß unterliegt und in 2 mit 2 bezeichnet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Gase wie folgt gesteuert werden: Stufenkolben an der Auslaßseite: Abgas-Auslaß: diese werden mit Rollenventilen für Abgase bei Kolbenstellung auf unterem Totpunkt gesteuert, welche die Abgase zum Abgas-Wärmetauscher für nachlaufendes Frischwasser führen. Lamellen-Durchspülung im Kolben: Einlaßgasweg (Vorbereitung H2 + O2 < H2O): vom Abgaswärmetauscher (Beispiel: EP 1 691 065 A1) zum Zylinderwandwäremetauscher (Beispiel WO 2008/000004 A1) über Flatterventile durch die Lamellen zum Hochtemperaturelektrolyseur (nach Beispiel HotElly über der Zylinderwand liegend, aber nach Beispiel EP 1 691 065 A1). Stufenkolben an der Einlaßseite: Aus dem H2-Vorratstank (T1) kommendes H2-Gas geht über Flatterventile in den Zylinder durch entsprechende Zylinderbohrungen. Aus dem O2-Vorratstank (T3) werden die O2-Gase erst später per Rollenventile zugeführt und mischen sich im Zylinder mit dem bereits vorhandenem H2. Durch diese Anordnung ist eine Unterdrucknutzung nach der Verbrennung möglich. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die linearen Kräfte ohne große Seitenkräfte vorteilhaft auf die Zylinderwände in Rotationskräfte gewandelt werden. Gerade bei der Anwendung von schnellen Gasen ist es besonders wichtig die auftretenden Kräfte kurz nach der Auslösung der Gasumwandlung möglichst schonend für Kolben und Zylinderwände in Rotationskräfte umzuwandeln. Immer wieder wurden bereits zahlreiche Konstruktionen zu dem Zweck erfunden, diesem Ziel der Kraftablenkung näher zu kommen. Die ideale Lösung bieten Turbinen an, jedoch ist die Verlustleistung bei Turbinen mit abnehmendem Volumen zunehmend und bei Kolbenmotoren ist die Verlustleistung mit abnehmendem Volumen demgegenüber entgegengesetzt abnehmend. Stand der Technik ist bei Kolbenmotoren mit einem Zylindervolumen von nur 5 ccm 3,677 kW. Für den Turbineneinsatz lohnt sich erst ein Einsatz ab einem Gasvolumen von mehr als 5 m³/min, wobei jedoch auch mit Turbinen die hohen Abgastemperaturen zur Gasaufbereitung genutzt werden kann und als Anspruch mit einbezogen wird. Welche Technik letztendlich für den Einsatz beim erfindungsgemäßen Oxyhydrogen-Gegenstufenkolben-Zweitaktmotor zum Einsatz kommt, hängt auch hier wiederum von der geplanten Größenordnung der einzusetzenden Gasmengen ab. Denkbar sind hier: – Russel Bourke (wenn keine Einschränkungen im Platzbedarf vorliegen) – Yoke-Arm nach US 732 8682 B2 (auch ein Platzproblem) – Kreuzkopf-Führungen, eine Lösungsmöglichkeit für Kleinmotoren – Exzenterausführung neuerer Bauart scheinen bei größeren Motoren Vorteile zu zeigen Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die hohen Motortemperaturen der geforderten Hochtemperatur-Elektrolyse zugute kommt, welche das Unternehmen Ceramatec bereits mit über 135% benennt laut Auskunft der DLR. Das zu Anfang der 1980 Jahre begonnene HotElly Projekt scheiterte noch an Material-Problemen und dem Überschuß von sehr preiswertem H2 am Markt durch die Petrochemie, welche H2 als „Abfall” liefern konnten. Der Einsatz von Elektrolysen unter 800°C ist bei den derzeitigen schlechten Wirkungsgraden von weit unter 100% nicht sinnvoll für autarke Energieversorgung mit Verbrennungsmotoren. Die hier vorliegende Erfindung hat jedoch dieses Problem durch die HTE hinreichend gelöst.

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