DE102015005139B4

DE102015005139B4 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102015005139B4
Application number: DE102015005139.3A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RHP GmbH
Current assignee: RHP GmbH
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: DE102015005139A1

Abstract

Verbrennungskraftmaschine bestehend aus mindestens einem Kolben (1), mindestens einem Zylinder (2), mindestens einer Brennkammer (3), einem Brenner (4) und einer den Durchlass von Strahlungsenergie steuerbaren Schicht (5), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Konzentrator (6) die von der Brennkammer abgestrahlte elektromagnetische Strahlung konzentriert und in Richtung eines Arbeitsgases (7) leitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungskraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Heutige Verbrennungskraftmaschinen arbeiten meist mit innerer Verbrennung. Sie haben den Nachteil, dass der eingebrachte Kraftstoff ein zusätzliches Volumen darstellt. Bei Kolbenmaschinen wird der Expansionsprozess daher im Unteren Totpunkt abgebrochen, es fehlt der notwendige Kolbenweg für eine vollständige Expansion. Aus diesem Grund und aus den Vorteilen, die sich durch eine kontinuierliche Verbrennung ergeben, ist es sinnvoll mit dem Prinzip der äußeren Verbrennung zu arbeiten, wie dieses beispielsweise beim Stirling-Motor oder bei Dampfmotoren geschieht. Deren Wirkungsgrade sind aber häufig niedriger als die von Otto- oder Dieselmotoren. Bei aktuellen Verbrennungskraftmaschinen wird in aller Regel weniger als 50% der eingesetzten Primärenergie in mechanische Energie umgesetzt. Der Rest wird häufig als Wärmeenergie ungenutzt in die Umgebung abgegeben. Das Ziel ist es somit eine Verbrennungskraftmaschine mit möglichst hohem Gesamtwirkungsgrad zu konstruieren, welche als Antrieb in Kraftfahrzeugen, Booten, Flugzeugen, Maschinen oder als Antrieb für mobile/stationäre Stromgeneratoren eingesetzt werden kann. In DE 10 2011 107 802 B4 und DE 10 2010 004 409 B4 wird solch eine Maschine vorgeschlagen, die aber hinsichtlich der übertragbaren Strahlungsleistung verbesserungswürdig ist. In DE 10 2008 008 768 B3 und DE 10 2010 004 409 B4 werden Motoren vorgeschlagen, welche mit transparenten und für Infrarotstrahlung im wesentlichen durchlässigen Laufbuchsen ausgestattet sind. Es wird dort Strahlungsenergie über einen Großteil des Kolbenhubes in den Zylinder eingestrahlt, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirkt, außerdem ist die Fläche zur Einstrahlung der Energie durch die Zylinderfläche begrenzt. Das Problem ist somit die maximal übertragbare Strahlungsleistung. Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es wird hier eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welche aus mindestens einem Kolben 1, mindestens einem Zylinder 2, mindestens einer Brennkammer 3, mindestens einem Brenner 4 und einer Schicht 5 besteht, wobei es diese Schicht erlaubt, den Durchlass von aus der Brennkammer abgegebener Strahlungsenergie in den oder die Zylinder zu steuern. Der Brenner ist vorzugsweise ein Hochtemperaturbrenner, welcher mit gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen, synthetisch hergestellten Kohlenwasserstoffen, mit Wasserstoff Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid betrieben wird. Ein Brennstoff oder ein Gemisch aus diesen Brennstoffen wird im Brenner mit Luft, sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff gemischt, beim Start gezündet und strömt dann kontinuierlich als heißes Brenngas 23 in die Brennkammer. Anzustreben sind Temperaturen von über 1800°C in der Brennkammer. Dementsprechend hohe Flammtemperaturen muss der Brenner liefern. Der Betrieb mit Sauerstoff anstatt mit Luft hat den Vorteil, dass keine Stickoxide entstehen. In jedem Fall wirkt sich die kontinuierliche Verbrennung positiv auf die Abgaswerte aus, die Verbrennung verläuft ruhiger und emissionsärmer als bei Maschinen mit interner Verbrennung. Der Brenner könnte auch mit Graphitpulver und Sauerstoff/Luft betrieben werden. Die Konstruktion des Brenners ist nicht Bestandteil dieser Patentanmeldung. Das Brenngas 23 erhitzt die Brennkammer 3, diese strahlt die Energie als elektromagnetische Strahlung in ein im Zylinder 2 befindliches Arbeitsgas 7. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Brennkammer 3 als Ring um den Zylinder 2 geführt wird (3, 5, 6 u. 7), auch mehrere Ringe sind möglich (11). Beim Durchströmen der Brennkammer 3 kühlt sich das Brenngas 23 um mehrere hundert Kelvin ab. Alternativ wird vorgeschlagen, die Brennkammer über dem Zylinderkopf zu platzieren. Auch dort wird das Brenngas in einer schneckenförmigen Heizschlange geführt, um einen ausreichend großen Wärmeaustausch zwischen dem Brenngas und der Brennkammer sicherzustellen (4). Die Brennkammer kann als eine Vakuumröhre 29 ausgeführt werden, das heißt, das Vakuum ist zwischen den Wänden der Röhre eingeschlossen, wie bei Vakuum-Solar-Kollektorröhren. Das Brenngas 23 strömt entweder entlang der inneren Wandung der Vakuumröhre 29 oder es wird in einer innenliegenden Röhre geführt, der eigentlichen Brennkammer 3, wie in 5 gezeichnet. Im ersten Fall (nur die Vakuumröhre) wird die Vakuumröhre zur Brennkammer. Diese Variante ist sinnvoll, damit die Strahlungsenergie des Brenngases 23 wenigstens teilweise ohne absorbiert zu werden durch die transparenten Brennkammerwände nach außen strahlen kann. Gase haben bei geringen Drücken nur sehr geringe Emissionswerte, daher muss für diesen Fall das Brenngas unter Druck gesetzt werden, damit sein Emissionswert steigt. Dieses geschieht abgasseitig durch eine Drosselwirkung der Komponenten, die der Brennkammer 3 nachgeschaltet sind. Undichtigkeiten des Vakuums sind durch das Verschmelzen der Absaugstelle an der Vakuumröhre ausgeschlossen. Ein Raum 13 um die Vakuumröhre herum wird vorzugsweise von einem Edelgas oder Elementgas durchströmt, um die Abwärme abzuleiten und im Niedertemperaturwärmetauscher 15 an ein Frischgas 16 abzugeben. An der von der Eintrittsapertur des Konzentrators 6 abgewandten Seite der Brennkammer, an der keine Strahlung abgeben werden soll, wird ein hochreflektierender Spiegel, ein keramischer Reflektor 24 (beispielsweise aus Al₂O₃) und/oder Isoliermaterial 19 (in 4 nicht dargestellt) angeordnet. Die Eintrittsapertur ist die Fläche des Konzentrators 6, auf die die von der Brennkammer 3 ausgehende Strahlung auftrifft, somit ist diese Fläche der Eingang des Konzentrators 6. Das Arbeitsgas 7 besteht vorzugsweise aus Wasserdampf, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxiden, Stickstoff, Schwefeldioxid, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen, Fluorchlorkohlenwasserstoffen, Bromoxid, Bromwasserstoff, Ozon, Luft, Abgas oder aus einer Mischung dieser Gase. Es kann auch feinste Kohlenstoff/Rußpartikel enthalten, um die einfallende Strahlung zu absorbieren. Es enthält einen Flüssig- oder Trockenschmierstoff oder der Kolben wird durch den Wasserdampf geschmiert. Eine Schmierung mit Wasserdampf in Zusammenhang mit Kolben aus Kohlenstoffkeramik ist bei modernen Dampfmotoren heute Standard. Vorgeschlagen wird hier, dass das Arbeitsgas 7 schon im Unteren Totpunkt unter einem Vordruck steht, damit es, wenn der Kolben sich im Oberen Totpunkt befindet, eine möglichst hohe Konzentration aufweist und dadurch ein Maximum an Strahlung absorbiert.
Die Herausforderung bei der Übertragung der Strahlungsenergie in den Zylinder 2 besteht darin, dass die maximal übertragbare Leistung von der Temperatur der Brennkammer 3, beziehungsweise des Brenngases 23 und von der Fläche der Brennkammer, die in den Zylinder 2 einstrahlt, begrenzt wird. Es handelt sich um diffuse Strahlung, daher lässt sie sich über Linsen nicht bündeln. Deshalb wird hier ein Konzentrator 6 für das Konzentrieren der von der Brennkammer abgestrahlten Strahlung eingesetzt. Die Funktionsweise der Erfindung wird hier anhand von der heute verbreitetsten Variante des Hubkolbenmotors beschrieben. Sie ist aber auch anwendbar bei Rotationskolben-, Gegenkolben- und Freikolbenmotoren oder bei Stirling-Motoren. In der hier exemplarisch beschriebenen Variante wird das im Zylinder 2 befindliche Arbeitsgas 7 nach oben durch den Zylinderkopf und nach unten durch den Kolbenboden des Kolben 1 begrenzt. Der Kolben 1 ist über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden, verdichtet das Arbeitsgas 7 und überträgt anschließend die Expansionskraft über das Pleuel auf die Kurbelwelle. Die steuerbare Schicht 5 sorgt dafür, dass die von der Brennkammer 3 abgestrahlte Energie im Wesentlichen durchgelassen oder an dieser Schicht reflektiert wird. Das kann durch verschiedene Konstruktionen realisiert werden.
Hier vorgeschlagen und beschrieben wird eine Schicht bestehend aus Mikrospiegeln oder Micro-Blinds 8. Es können auch Spiegelstrukturen im Nanometerbereich eingesetzt werden, also Nanospiegel/Nano-Blinds 8. Mikrospiegel finden schon seit langem Anwendung in vielen Geräten, in denen Licht gelenkt werden soll, beispielsweise in Beamern. Neuerdings werden sie auch in Kraftfahrzeugscheinwerfern eingesetzt. Die hier vorgeschlagenen Spiegel sollen im geöffneten Zustand möglichst viel der auftreffenden Strahlung passieren lassen und schwenken daher weit auf oder rollen weit auf. Dieses geschieht durch das Anlegen oder Abschalten einer elektrischen Spannung und der daraus resultierenden elektrostatischen Kräfte. Solche Mikrospiegel sind für die Anwendung in intelligenten Gebäudefenstern in US 2006/0 196 613 A1 beschrieben und die Universität Kassel arbeitet an Mikrospiegeln für die Tageslichtlenkung, welche im Internet unter 'http://te.inakassel.de/index.php/mikrospiegel.html' beschrieben werden. Die möglichen Schaltfrequenzen solcher Spiegel für Gebäudefenster reichen für Verbrennungskraftmaschinen völlig aus, allerdings werden für die transparenten Elektroden dort Materialien eingesetzt, die infrarote Strahlung absorbieren. Daher werden hier für diese Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen Elektrodenmaterialien vorgeschlagen, die in einem breiten Wellenlängenbereich der von der Brennkammer 3 emittierten Strahlung hohe Transmissionswerte aufweisen. Für die transparenten Elektroden 9 wird hier vorgeschlagen, dass sie vorzugsweise aus Graphen, n- oder p-dotiertem Graphen, GraphExeter, Molybdänit, n- oder p-dotiertem Molybdänit, ITO (Zinn dotiertem Indiumoxid), ATO (Antimon dotiertem Zinnoxid), FTO (Fluor dotiertem Zinnoxid), AZO (Aluminium dotiertem Zinkoxid), anderen metallisch dotierten transparenten Oxiden (beispielsweise aus Niob dotiertem Titanoxid), Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs), metallischen Nanodrähten (vorzugsweise Ag NWs, Au NWs, Cu NWs, Al NWs), metallischen Nanogittern (vorzugsweise aus Ag, Au, Cu, Al), Schichten aus leitenden Polymeren, metallischen Dünnschichten oder aus einer Kombination dieser Materialien bestehen. Eingesetzt werden monolagige (monolayer) oder wenige Atomschichten dünne, vorzugsweise unter 100 nm dicke Elektroden. Es muss nicht die gesamte Fläche unter dem jeweiligen Spiegel mit einer transparenten Elektrode beschichtet werden. Es können auch Bereiche ausgespart werden, sodass die Strahlung den Mikrospiegel im geöffneten Zustand an diesen Stellen ohne Absorptionsverluste im Elektrodenmaterial passieren kann. Die Spiegel werden in einer Fläche, dicht an dicht angeordnet und ergeben dadurch ein Mikrospiegel-Array. Sie können auch noch kleiner sein, dann kommen Nanospiegeln oder Nano-Blinds zum Einsatz. Die Oberfläche der Mikrospiegeln oder Micro-Blinds 8 ist hochglänzend. Die Mikrospiegel bestehen aus Metallen, vorzugsweise aus Aluminium, Silber oder aus Gold oder sie bestehen aus Silizium und sind mit einem Metall beschichtet. Zusätzlich sind sie mit einem im Frequenzbereich der auftreffenden Strahlung im Wesentlichen transparenten Material 27 (z. B. mit Calciumfluorid, Magnesiumfluorid, Titanoxid oder Siliziumoxid) überzogen, vorteilhafter Weise beidseitig, um auch durch Rückstrahlung aus dem Arbeitsgas möglichst wenig Energie in den Spiegeln zu absorbieren. Vorteilhafte Beschichtungsmöglichkeiten/Verspiegelungen sind in der Dissertation 'Herstellung von Spiegelschichtsystemen auf der Basis von Aluminium oder Silber für den Einsatz in der Mikrosystemtechnik' beschrieben, zu finden auf: http://archiv.tu-chemnitz.de/pub/2003/0022. Einige mögliche Mikrospiegelformen sind in 1 skizziert.
Zwischen den Mikrospiegeln/Micro-Blinds 8 ist immer ein kleiner Abstand zum Nachbarspiegel vorhanden. Dieses ist durch den Herstellungsprozess und das für die Funktion notwendige Spiel bedingt. Diese Lücken werden auf dem Trägersubstrat metallisch verspiegelt, sodass das Mikrospiegelarray im geschlossenen Zustand nahezu keine Strahlung mehr passieren lässt. Anstatt der metallischen Verspiegelung auf dem Trägersubstrat wäre es auch möglich, die Mikrospiegel überlappend anzuordnen (produktionstechnisch anspruchsvoll), also das bewegliche Ende des Spiegels auf den fest angebrachten Teil des nächsten Spiegels aufzulegen (2) und die Spiegel möglichst breit auszulegen, um auch in der Breite einen geringen Fugenanteil zu realisieren.
Ein Teil der von der Brennkammer 3 emittierten Strahlung wird in einen Konzentrator 6 eingestrahlt. Es handelt sich um einen Fluoreszenzkollektor/Lumineszenzkollektor 10, einen CPC-Konzentrator (Compound-Parabolic-Concentrator) 11, eine Kugel 12 oder eine Kombination dieser Konzentratoren.
Der Konzentrator 6 besteht aus transparenten Polymeren, Borosilikatglas, Glas (z. B. Fluorid-Phosphatglas), Glaskeramik, Transparent-Keramik, Quarzglas, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-μm-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, Saphir, CaF₂, BaF₂, MgF₂, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, Ga₂O₃, Sc₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Lu₂O₃, Y₃Al₅O₁₂, Gd₃Al₅O₁₂, Lu₃Al₅O₁₂, YVO₄, GdVO₄, LuVO₄, CaSiO₄, SrSiO₄, BaSiO₄, SiO₂, CsI, CsCI, CsBr, KI, KCI, Kbr, AgCI, AgBr, As₂S₃, MgF₂, MnF₂, CdF₂, CaF₂, PbF₂, CdS, CdTe, SrF₂, TiO₂, MgO, NaF, NaBr, NaCI, NaI, TICI, TIBr, GaAs, Se, Si, LiF, LaF₃, BaF₂, KRS-5, KRS-6, ZnTe, InAs, LiNbO₃, Y₂O₃ oder aus verschiedenen dieser Materialien, wobei diese dann in Form von Lagen flächig übereinander angeordnet sind.
Der Fluoreszenzkollektor/Lumineszenzkollektor 10 besteht aus einem oder mehreren der eben aufgelisteten Materialien. In diese Materialien ist lumineszentes Material eingebettet oder als Schicht, vorzugsweise als Sol-Gel-Schicht, auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht. Einige Lumineszenzkollektoren sind in DE 33 05 853 A1 , DE 27 37 847 A1 , DE 10 2006 062 448 A1 , WO 2009/095 310 A1 und WO 2010/043 414 A2 beschrieben. Das lumineszente Material besteht aus Fluoreszenzfarbstoffen (z. B. aus organischen Leuchtstoffen) oder aus Fluoreszenzstoffen, vorzugsweise aus Seltenen-Erden-Metall-Ionen (Pr³⁺, Nd³⁺, Eu³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm³⁺, Yb³⁺, Sc³⁺, Y³⁺, Sm³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Gd³⁺, Pm³⁺, Ce³⁺, La³⁺, Lu³⁺, Gd³⁺⁾ und Metall-Ionen (Chrom, Zinn, Zink, Kupfer, Eisen, Titan, Mangan, Vanadium, Nickel, Kobalt, Aluminium, Gold, Silber, Platin, ...) oder metallischen Nanokristallen. Es kann auch in Zeolithe oder photonische Kristalle eingebettet und als dünne Schicht auf den Kollektor aufgebracht oder in den Kollektor eingearbeitet sein. Bei einer bevorzugten Variante wird ein transparentes Material, vorzugsweise eine sub-μm-Transparentkeramik, mit den Seltenen-Erden-Metall-Ionen und Metall-Ionen dotiert, wobei mehrere verschiedene Seltene-Erden-Ionen und Metall-Ionen eingesetzt werden. Diese können immer nur eine gewisse Bandbreite an elektromagnetischer Strahlung absorbieren und in einem anderen Wellenlängenbereich wieder abgeben. Um ein möglichst breites Spektrum aufnehmen zu können, werden verschiedene Seltene-Erden-Ionen und Metallionen als Nanopartikel eingesetzt, die unterschiedliche aufeinander abgestimmte Absorptionsspektren aufweisen. Einer Lage des Lumineszenzkollektors kann mit verschiedenen Dotierungen versehen sein. Damit der von einem Fluoreszenzstoff emittierte Wellenlängenbereich nicht vom nächsten Fluoreszenzstoff wieder absorbiert wird, wird vorzugsweise ein transparentes Material mit einem Fluoreszenzstoff dotiert und ein weiteres transparentes Material, mit einem anderen Fluoreszenzstoff, der ein dem ersten Fluoreszenzstoff angrenzendes Absorptionsband besitzt und die beiden Schichten/Lagen werden dann übereinander angeordnet. Der Vorgang kann mit weiteren Schichten/Lagen fortgesetzt werden, somit entsteht ein breitbandiger Fluoreszenzkollektor/Lumineszenzkollektor. Für den eben beschriebenen Fall, dass der Fluoreszenzkollektor/Lumineszenzkollektor aus mehreren Lagen besteht und die einzelnen Lagen unterschiedlich dotiert sind, werden die Lagen mit einem Abstand zwischen den Lagen (etwa 0,5–2 mm) angeordnet, damit die im ersten Kollektor absorbierte und transformierte Strahlung durch Totalreflexion zu den Rändern geleitet wird und nicht in die nächste Lage übertritt oder auskoppelt. Diese Trennung wird durch Abstandshalter (verspiegelt oder mit niedrigerem Brechungsindex als die zu trennenden Lagen) und den dadurch entstehenden Spalt realisiert. Das Gas oder das Vakuum im Spalt hat eine geringere optische Dichte als die zu trennenden Lagen, daher kommt es an den Grenzflächen zur Totalreflexion der Strahlen, die im richtigen Winkel auftreffen. Alternativ zu einem Abstand zwischen den Lagen ist zwischen den beiden Lagen flächig eine dünne transparente Trennschicht angeordnet, deren Brechungsindex niedriger liegt, als der Brechungsindex der zu trennenden Lagen.
Nachdem der Lumineszenzkollektor oder die Lumineszenzkollektoren 10 die von der Brennkammer 3 emittierte Strahlungsenergie wenigstens teilweise aufgenommen hat/haben, wird der transformierte Wellenlängenbereich durch Totalreflexion zu den Seitenrändern geleitet. Die Totalreflexion entsteht, weil das den Lumineszenzkollektor 10 umgebende Vakuum/Edelgas/Elementgas/Aerogel eine geringere optische Dichte aufweist als das Material des Lumineszenzkollektors und weil die Oberflächen des Kollektors zueinander parallel verlaufen, bei mehrlagigen Kollektoren zusätzlich dadurch, weil die transparente Trennschicht zwischen den einzelnen Lagen des Kollektors eine geringere optische Dichte aufweist als das Material in den Lagen. Die Seitenränder des Lumineszenzkollektors sind an den Stellen, an denen keine Strahlung austreten soll metallisch verspiegelt und an den Stellen, an denen die Strahlung austreten soll und in das Arbeitsgas 7 einstrahlt, nicht verspiegelt. Der Lumineszenzkollektor 10 kann entweder direkt mit dem Arbeitsgas 7 und dem Zylinder 2 in Kontakt stehen oder thermisch vom Zylinder 2 entkoppelt sein. In einer Variante werden mehr als zwei Lumineszenzkollektoren 10, die jeweils aus mehreren Lagen bestehen können, übereinander positioniert. Die Kollektoren weisen dabei gekrümmte Flächen auf (11). Allerdings dürfen die Krümmungen einen bestimmten Radius nicht unterschreiten, damit die Totalreflexion an den Grenzflächen nicht beeinträchtigt wird. Der Lumineszenzkollektor kann auch räumlich entfernt positioniert werden und die konzentrierte Strahlungsenergie wird über an den Seitenrändern des Lumineszenzkollektors angebrachte Lichtleitfasern/Glasfasern eingekoppelt und in den Zylinder geleitet. Der Lumineszenzkollektor 10 kann auch aus einem Bündel Lichtleitfasern/Glasfasern bestehen, die mit lumineszentem Material dotiert sind und die Strahlung durch Totalreflexion bis in den Zylinder leiten.
Die einzelnen Lichtleitfasern/Glasfasern decken durch unterschiedliche Lumineszenzstoffe jeweils bestimmte Wellenlängen der von der Brennkammer emittierten Strahlung ab. Die Lichtleitfasern/Glasfasern sind von außen mit einem dielektrischen Material ummantelt, welches einen geringeren optischen Brechungsindex aufweist, als der dotierte Kern der Fasern. Die Lichtleitfasern/Glasfasern werden vor der Brennkammer großflächig verteilt (mehrere Lagen übereinander), damit sie viel der abgestrahlten Energie aufnehmen können. Ein Ende der Fasern leitet die Strahlung in den Zylinder, das andere Ende wird verspiegelt. Eine alternative Variante zum Lumineszenzkollektor ist der Einsatz eines kegelstumpfförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Lichttrichters. Die Idealform eines solchen Lichtsammeltrichters ist die eines Paraboloidstumpfes. Daher wird hier der Einsatz eines CPC-Konzentrators (Compound-Parabolic-Concentrators) 11 oder mehrerer CPC-Konzentratoren (4) vorgeschlagen. Solche CPC-Konzentratoren (im folgenden CPC genannt) sind in der Dissertation „Nichtabbildende Konzentratoren für den Sonnenschutz in Gebäuden”, von Thomas Kuckelkorn (TU München), S. 43 und folgende, beschrieben. Diese CPC bestehen entweder aus metallisch verspiegelten Trichtern mit parabelförmiger Außenwand, wobei dann im Wesentlichen transparente Fenster 28 im Zylinder/Zylinderkopf angeordnet sind, um den Raum 13 vom Arbeitsgas 7 zu trennen, oder die CPC sind massive im Wesentlichen transparente Paraboloidstümpfe, die mit Totalreflexion an der Grenzschicht zum sie umgebenden optisch dünneren Medium (Vakuum, Edelgas oder Aerogel) arbeiten. Im Fall der massiven Paraboloidstümpfe oder eines massiven Paraboloidringes ist die Ausgangsapertur des CPC im Zylinder/Zylinderkopf verbaut und ersetzt somit das Fenster 28. Die Fläche der Ausgangsapertur ist leicht gekrümmt (Wölbung Richtung Arbeitsgas), dadurch wird ein Teil der bei der Auskopplung unerwünschten Totalreflexion vermieden. Die Eintrittsapertur kann ebenfalls gekrümmt sein. Sie kann mit einem Material beschichtet werden, welches eine Abwärtskonversion (Down-Conversion) oder Hochkonversion (Up-Conversion) der auftreffenden Strahlung ermöglicht. Bei der Variante mit Fenstern wird die steuerbare Schicht auf diesen Fenstern 28 angeordnet oder auf einem transparenten Trägersubstrat, welches zwischen Brennkammer 3 und CPC 11 positioniert ist. Bei einer Ausführungsform wird der CPC als Trog/Ring um den Zylinder 2 geführt werden (5). Der CPC wird als metallisch verspiegelte Rinne mit parabelförmigen Reflektorwänden oder als massiver im Wesentlichen transparenter ringförmiger CPC um den Zylinder angeordnet. Im Fall der metallisch verspiegelten Rinne wird ein umlaufender Fensterring aus im Wesentlichen transparentem Material zwischen Zylinderkopf und Zylinder eingespannt, der den Raum 13 vom Arbeitsgas 7 trennt. Beim massiven CPC-Ring werden in radialer Richtung dünne Spalte 32 (0,5–2 mm) angebracht, die dafür sorgen, dass die Strahlung durch Totalreflexion an der Grenzschicht dieser Spalte bis in den Zylinder gelangt und nicht an ihm vorbei strahlt (6). Beim ungefüllten verspiegelten CPC-Trog wird diese Aufgabe durch verspiegelte radial angeordnete Zwischenwände erfüllt. Bei einer vereinfachten Ausführungsform des CPC wird die parabelförmige Seitenlinie durch eine gerade oder mehrere gerade Teilstücke ersetzt, was aber zu einem schlechteren Wirkungsgrad führt. Auch kann die Eintrittsapertur des massiven CPC-Ringes aus mehren ebenen aneinandergesetzten Teilflächen bestehen, um das Aufbringen der steuerbaren Schicht 5 zu erleichtern. Der Brechungsindex der massiven im Wesentlichen transparenten CPC ist größer 1,1, vorteilhafterweise größer 1,4. Die Eintrittsapertur zeigt zur Brennkammer 3, berührt diese nicht und ist deutlich größer als die Austrittsapertur. Es können mehrere CPC pro Zylinder eingesetzt werden (4) oder die CPCs werden mehrstufig ausgeführt, also hintereinander angeordnet. Die massiven CPC oder der massive CPC-Ring sind von einem metallischen oder vorzugsweise einem keramischen Reflektor 24 umgeben. Dieser Reflektor ist in einem kleinem Abstand (etwa 0,5 bis wenige mm) zur parabelförmigen Außenfläche des CPC angeordnet. Die Außenfläche des CPC(-Ringes) ist mit einer Antireflexschicht versehen. Strahlung, die den Akzeptanzwinkel des CPC überschreitet, unterliegt nicht mehr der Totalreflexion, koppelt über die Seitenwand aus und fällt auf den Reflektor. Durch die diffuse Emission des keramischen Reflektors 24, kann die wieder in den CPC eingekoppelte Strahlung nun wenigstens teilweise ins Arbeitsgas 7 gelangen. Alle CPCs können auch mit verkürzten Parabel-Profilen realisiert werden. Der Konzentrator 6 kann auch aus einer Mischung aus CPC und Lumineszenzkonzentrator bestehen, aus einem Lumineszenzkonzentrator, der sich zum Zylinder hin parabelförmig auf mehrere rechteckige Zylindereintrittsflächen verjüngt (7). Sind mehrere dieser Konzentratoren übereinander angeordnet, werden ihre Austrittsaperturen zwischen Zylinder und Zylinderkopf so eingespannt, dass sie in einer Ebene unter dem Zylinderkopf nebeneinander liegen. Der Konzentrator kann auch eine aus einem oder mehreren im Wesentlichen transparenten Materialien bestehende Kugel 12 sein (8) oder eine Mischung aus einer Kugel und einem massiven transparenten CPC-Konzentrator (Paraboloid) 31, wobei dann die obere Hälfte der Kugel die Eintrittsapertur darstellt (9). Dort, wo der Konzentrator 6 in den Zylinder 2 übergeht und der Konzentrator mit dem Zylinder in Kontakt steht, weil er beispielsweise eingespannt wird, ist die Oberfläche des Konzentrators mit einer optisch dünneren dielektrischen Schicht versehen (dünner als die des Konzentrator-Materials). Die Austrittsapertur des Konzentrators wird mit selektiven Schichten/Filtern ausgestattet, beispielsweise mit einem Interferenzfilter, oder es wird ein Polfilter zusammen mit einer mikro- oder nanostrukturierten prismatischen Oberfläche eingesetzt, damit nur wenig Strahlung aus dem Arbeitsgas 7 zurück in den Konzentrator gelangt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Mikrospiegel/Micro-Blinds 8 auf der Oberfläche des Konzentrators 6 angeordnet sind. Dort sind sie durch das Vakuum oder das Edelgas vor oxidativen Einflüssen geschützt, denn der Raum 13, der die Brennkammer 3 und den Konzentrator 6 umgibt, ist mit einem Edelgas, einem Edelgasgemisch oder einem Elementgas gefüllt oder in diesem Raum herrscht ein Vakuum.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Außenfläche der Brennkammer 3 mit einer Schicht versehen ist, die eine Hochkonversion (Up-Conversion) der elektromagnetischen Strahlung bewirkt und/oder dass diese Schicht die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung zurück in die Brennkammer reflektiert, die sonst im Konzentrator 6 oder in der transparenten Elektrode 9 absorbiert würden. Bei einer Hochkonversion werden zwei oder mehrere niederenergetische Lichtquanten in ein höherenergetisches Photon umgewandelt. Auch der Einsatz von Schichten, die eine Abwärtskonversion (Down-Conversion) bewirken ist möglich, beispielsweise um im Strahlungsgang nachfolgende Gläser gegen UV-Strahlung zu schützen.
Die Strahlungseintrittsfläche des Konzentrators 6 wird mit einer selektiven Schicht oder einem Filter, vorzugsweise einem Interferenzfilter, versehen, die/der im Wesentlichen die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung reflektiert, die sonst im Konzentrator 6 oder in der transparenten Elektrode 9 absorbiert würden. Es kann auch eine Antireflexschicht auf der Strahlungseintrittsfläche aufgebracht sein.
Die Strahlungsaustrittsfläche des Konzentrators 6 ist mit einer selektiven Schicht oder einem Filter, vorzugsweise einem Interferenzfilter, versehen, die/der im Wesentlichen die Wellenlängenbereiche der vom Arbeitsgases 7 zurückgestrahlten elektromagnetischen Strahlung reflektiert, die sonst im Konzentrator oder in der transparenten Elektrode 9 absorbiert würden.
Die Brennkammer 3 ist mit Emissionsflächen 14 versehen, die wenigstens teilweise aus einem Material mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen oder damit beschichtet sind, vorzugsweise mit Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren. Man kann sich die Emissionsflächen wie verlängerte Kühlrippen vorstellen, die beidseitig von einem Fluoreszenzkollektor umgeben sind. Zur besseren Wärmeübertragung vom Brenngas 23 in die Brennkammerwand können an ihrer Innenseite ebenfalls Rippen 22 angebracht werden oder der Innenraum der Brennkammer wird mit einer wabenförmigen oder wellenförmigen dünnwandigen Struktur gefüllt, wie bei Abgaskatalysatoren, wobei die Struktur mit der Außenwand direkt in Verbindung steht.
Das aus dem Zylinder 2 ausströmende Arbeitsgas 7 wird in einen Niedertemperaturwärmetauscher 15 geleitet, gibt dort seine Wärme im Gegenstromverfahren an einen Teilstrom des Frischgases 16 ab und wird wieder in den Zylinder 2 eingeleitet.
Das aus der Brennkammer 3 ausströmende Brenngas wird durch einen Hochtemperaturwärmetauscher 17 geleitet (10), dort gibt es im Gegenstromverfahren Wärmeenergie an den Hauptstrom das Frischgases 16 ab und anschließend wird es in ein Abgassystem eingeleitet. Der Volumenstrom des Frischgases 16, welcher bereits im Niedertemperaturwärmetauscher 15 vorgewärmt wurde, wird erst an der Stelle in den Hochtemperaturwärmetauscher 17 eingeleitet, an der der Hauptvolumenstrom des Frischgases im Hochtemperaturwärmetauscher die gleiche Temperatur erreicht hat. Ab dieser Stelle werden beide Teilströme des Frischgases zusammen durch den Hochtemperaturwärmetauscher geleitet. Der Hochtemperaturwärmetauscher 17 kann mit der Brennkammer 3 auch zu einem Bauteil verschmelzen. Zur besseren Wärmeübertragung zwischen dem Brenngas 23 und dem Frischgas 16 wird der Innenraum des Niedertemperaturwärmetauscher 15 und des Hochtemperaturwärmetauscher 17 mit einer wabenförmigen oder wellenförmigen dünnwandigen Struktur gefüllt, um eine große innere Wärmeübertragungsfläche zu realisieren. Diese Struktur wird auf der Brenngasseite mit einer katalytischen Oberflächenbeschichtung (Palladium, Platin, etc.) versehen, welche eine Abgasreinigung bewirkt.
In den Kreislauf des Arbeitsgases 7 ist mindestens ein Ausgleichsbehälter/Pufferspeicher 18 eingebunden, der die Ausdehnung des Arbeitsgases bei Temperaturerhöhung auffängt, Druckerhöhungen abpuffert und durch Undichtigkeiten entwichenes Arbeitsgas ausgleicht.
Das im Niedertemperaturwärmetauscher 15 anfallende Kondensat wird mit einer Kondensatpumpe wieder in den Zylinder eingespritzt oder eingedüst. Sollte es mit Schmiermitteln belastet sein, so werden diese zuvor durch einen Ölabscheider abgeschieden.
Das Frischgas 16 wird durch einen Luftfilter gereinigt in einem Frischluftgebläse 26 verdichtet. Es besteht entweder aus Luft, aus mit Sauerstoff angereicherter Luft oder aus Sauerstoff, der in einem Sauerstoffkonzentrator abgeschieden und verdichtet wird. Wenn man mit Sauerstoff anstatt mit Luft arbeitet, erspart man sich die Stickoxid-Behandlung des Abgases und das Temperaturniveau der Verbrennung erhöht sich. Bei Verwendung von Luft als Frischgas 16 wird in den Abgasstrom Harnstoff/Ammoniak eingespritzt oder eingedüst und somit die Stickoxidbelastung im Abgas reduziert.
Im Abgasstrom, vorzugsweise vor dem oder in dem Hochtemperaturwärmetauscher 17 ist mindestens eine keramische Membran angeordnet, deren Porengröße so gewählt wurde, dass durch hohe Verbrennungstemperaturen und damit verbundener Dissoziation in der Brennkammer 3 im Brenngas enthaltenes Kohlenmonoxid oder enthaltener Wasserstoff abgeschieden und dem Brenner 4 wieder zugeführt werden. Auf die gleiche Weise kann in einem weiteren Filter dissoziierter Sauerstoff herausgefiltert und dem Brenner wieder zugeführt werden. Seit kurzem sind porenfreie keramische Hochtemperaturmembranen in der Entwicklung, die aus Rauchgasen reinen Sauerstoff gewinnen. Diese Technik kann auch hier Anwendung finden. Sollten die abgeschiedenen Kraftstoffe noch hohe Temperaturen aufweisen, so werden sie durch einen Wärmetauscher geleitet und geben Wärmeenergie an das Frischgas 16 ab oder die Membran ist im Wärmetauscher zwischen dem Brenngas und dem Frischgas angeordnet und der dissoziierte Kraftstoff gelangt vom Brenngas direkt ins vorbeiströmende Frischgas. Auch im Arbeitsgas 7 dissoziiertes Kohlenmonoxid oder dissoziierter Wasserstoff kann auf diese Weise abgeschieden und (zusammen mit Sauerstoff) dem Brenner 4 zugeführt werden. Das nun im Arbeitsgas fehlende Kohlenmonoxid oder der fehlende Wasserstoff kann durch Einbringen von Wasser oder Kohlendioxid in den Zylinder 2 ersetzt werden. Kraftstoff 30, der dem System mit Umgebungstemperatur aus dem Kraftstofftank zugeführt wird, wird im Niedertemperaturwärmetauscher 15 und/oder im Hochtemperaturwärmetauscher 17 vorgewärmt und anschließend in thermisch isolierten Leitungen zum Brenner 4 geleitet.
Die Wand des Raumes 13 von innen, die Lauffläche des Zylinders 2 sowie die mit dem Arbeitsgas 7 in Kontakt befindliche Kolbenfläche/der Kolbenboden sind mit einer hochreflektierenden Oberfläche oder einer keramischen Reflexionsschicht ausgestattet. Im Raum 13 können sich hochreflektierende Spiegel 24 oder ein keramischer Reflektor 24 befinden, die Strahlung zum Konzentrator 6 lenken. Ebenso wird die mit Arbeitsgas 7 beaufschlagte Fläche des Zylinderkopfes im Wesentlichen hochreflektierend oder als eine keramische Reflexionsschicht ausgeführt. Der Hochtemperaturwärmetauscher 17 und/oder der Niedertemperaturwärmetauscher 15 sind mit Wänden umgeben, welche an der Innenseite eine hochreflektierende Oberfläche aufweisen und die ein Vakuum umschließen. Sie können auch mit Aerogel thermisch isoliert sein. Alle eben genannten hochreflektierenden Oberflächen sind entweder metallisch verspiegelt und mit einer dielektrischen Schicht überzogen oder sie bestehen aus einer Struktur aus flächig angeordneten mehrstufigen CPCs, wobei jeweils die Austrittsapertur des letzten CPC mit einem metallischen Spiegel versehen wird. Solch eine Struktur wird in EP 0 810 409 A1 beschrieben.
Die mit Arbeitsgas beaufschlagten Flächen des Kolbens, des Zylinders und des Zylinderkopfes werden vorzugsweise mit einem Material beschichtet, welches eine Abwärtskonversion (Down-Conversion) oder Hochkonversion (Up-Conversion) der auftreffenden Strahlung ermöglicht.
Eine Vakuumpumpe ist über Schläuche/Kanäle mit dem Vakuum in Raum 13, mit dem Vakuum um den Hochtemperaturwärmetauscher 17 und/oder mit dem Vakuum um den Niedertemperaturwärmetauscher 15 verbunden, hält das Vakuum aufrecht und gleicht somit kleine Undichtigkeiten aus.
Eine Regelung empfängt Messwerte von an der Verbrennungskraftmaschine angebrachten Temperatur-, Druck- und Drehzahlsensoren, wertet diese aus und steuert den Brenner 4, den Sauerstoffkonzentrator, die Kondensatpumpe, die Mikrospiegel/Micro-Blinds 8, die Vakuumpumpe, das Frischluftgebläse 26, ein Ventil zum Absperren der Frischluftzufuhr, den elektrischen Anlasser sowie die weitere Peripherie.
Die hochreflektierenden Oberflächen bestehen aus Metallen mit einer sehr glatten Oberfläche und sind mit dielektrischen Schichten überzogen oder mit einem CPC-Array, welches mit einer dielektrischen Schicht überzogen/gefüllt ist.
Die Lagerung oder Befestigung und die Isolierung der Brennkammer 3, des Konzentrators 6, des Hochtemperaturwärmetauschers 17 und anderer thermisch hochbelasteter Bauteile erfolgt in einem Isoliermaterial 19, welches für diese hohe Temperaturen ausgelegt ist. Als Isoliermaterial kommen Aerogel (vorzugsweise auf Silikatbasis), Keramikschaum, Keramikfasern oder andere für höchste Temperaturen ausgelegte Isoliermaterialien zum Einsatz. Poröse oder faserige Materialien erhalten nach außen hin geschlossene, gasdichte Flächen. Das Aerogel wird, bedingt durch seine Transparenz und seinen niedrigen Brechungsindex, dort als Abstandshalter oder Lagerung eingesetzt, wo der Konzentrator 6 thermisch vom Spiegel/Reflektor 24 entkoppelt wird, aber die Totalreflexion an der Oberfläche nicht beeinträchtigt werden soll. Der Niedertemperaturwärmetauscher 15, der Hochtemperaturwärmetauscher 17, die Brennkammer 3, brenngasführende Kanäle/Leitungen 20, die Photovoltaikzellen und alle mit heißen Gasen in Kontakt befindlichen Bauteile bestehen aus einer Hochtemperaturkeramik, einer metallischen Hochtemperaturlegierung (aus Wolfram, Titan, Tantal, Molybdän) oder aus einem Kohlenstoffwerkstoff (zum Beispiel aus Elektrographit, Kohlenstoffgraphit oder aus Glaskohle). Als Hochtemperaturkeramiken können beispielsweise Magnesiumoxid, Berylliumoxid, Thoriumoxid, Zirkoniumoxid, Zirkon, Spinell, Mullit, Sillimanit, Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Tantalcarbid, Tantalhafniumkarbid, Tantalnitrid, Tantaloxid, Hafniumkarbid, Hafniumnitrid, Tantalhafniumnitrid, Hafniumoxinitrid, Tantaloxinitrid, Yttriumoxid, Yttriumnitrid oder eine Transparentkeramik eingesetzt werden. Die Oberfläche der metallischen Hochtemperaturlegierung oder der Kohlenstoffwerkstoffe kann zum Schutz gegen Oxidation mit einer Hochtemperaturkeramik versehen sein. Je nach Werkstoffauswahl kann hierfür der Einsatz einer weiteren Schicht als Haftvermittler notwendig sein.
Eine Variante sieht vor, dass in der Brennkammer 3 oder im Hochtemperaturwärmetauscher 17 Photovoltaikzellen/Photovoltaikmodule oder Thermoelektrische Generatoren oder AMTEC-Konverter angeordnet sind, die aus der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung elektrische Energie generieren.
Eine Ausführungsform für eine Verbrennungskraftmaschine mit interner oder externer Verbrennung, bestehend aus mindestens einem Kolben 1 und mindestens einem Zylinder 2, ist, dass die Zylinderlauffläche und/oder der Kolbenboden aus mindestens einer transparenten Schicht besteht, vorzugsweise aus Borosilikatglas, Glaskeramik, Transparent-Keramik, Glas, Quarzglas, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-μm-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, Saphir, CaF₂, BaF₂, MgF₂, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, Ga₂O₃, Sc₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Lu₂O₃, Y₃Al₅O₁₂, Gd₃Al₅O₁₂, Lu₃Al₅O₁₂, YVO₄, GdVO₄, LuVO₄, CaSiO₄, SrSiO₄, BaSiO₄, SiO₂, CsI, CsCI, CsBr, KI, KCI, Kbr, AgCI, AgBr, As₂S₃, MgF₂, MnF₂, CdF₂, CaF₂, PbF₂, CdS, CdTe, SrF₂, TiO₂, MgO, NaF, NaBr, NaCI, NaI, TICI, TIBr, GaAs, Se, Si, LiF, LaF₃, BaF₂, KRS-5, KRS-6, ZnTe, InAs, LiNbO₃, Y₂O₃, aus transparenten Polymeren oder aus verschiedenen dieser Materialien. Diese Schicht ist oder mehrere dieser Schichten übereinander sind mit lumineszentem Material, vorzugsweise mit Seltenen-Erden-Ionen, Metall-Ionen, halbleitenden Nanopartikeln oder Nanokristallen dotiert.
Die Stirnfläche/n der transparenten Schicht/en ist/sind zylinderkopfseitig metallisch oder keramisch verspiegelt. An der kurbelwellenseitigen Stirnfläche sind Photovoltaikzellen oder photovoltaische Schichten angeordnet, welche aus der vom Brenngas abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung elektrische Energie generieren. Bereiche der kurbelwellenseitigen Stirnfläche, an denen keine PV-Zellen angekoppelt werden, sind metallisch verspiegelt. Zwischen der Zylinderwand und dem eben beschriebenen zylindrischen Lumineszenzkollektor wird eine dielektrische Schicht angeordnet, die einen geringeren Brechungsindex aufweist als der Lumineszenzkollektor, so wird bei ausreichend großen Zylinderdurchmessern Totalreflexion im Kollektor erreicht. Der Kolbenboden wird ebenfalls mit solch einem Lumineszenzkollektor ausgestattet. Zwischen diesem Kollektor und dem Kolbenboden befindet sich eine transparente Schicht mit einem geringeren Brechungsindex als ihn der darüber liegende Lumineszenzkollektor aufweist. Die in diesen Kollektor einfallende Strahlung wird transformiert, teilweise bis zum Lumineszenzkollektor der Zylinderlauffläche geleitet und in diesen eingekoppelt. Kabel/Leiterbahnen, durch die die in den Photovoltaikzellen, photovoltaischen Schichten oder Thermischen Photovoltaikzellen generierten Ströme fließen, bestehen aus Elektrographit, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Molybdänit oder aus anderen Kohlenstoffmaterialien, wobei die eben genannten Materialien durch eine dünne keramische Schutzschicht gegen Oxidation geschützt sind. Sie können aber auch aus einer elektrisch leitenden Keramik (beispielsweise Si-infiltriertem SiSiC) bestehen, diese kann mit einer elektrisch nichtleitenden Keramik beschichtet sein. Alle oben beschriebenen Maschinen können im Zweitakt- oder Viertaktverfahren betrieben werden. An thermisch belasteten Stellen erfolgt die Kühlung durch Kühlkanäle 25, in denen Frischgas 16 strömt, welches anschließend durch den Niedertemperaturwärmetauscher 15 strömt und dort weitere Wärmemengen aufnimmt. Metallische Reflektoren haben selten einen Reflexionsgrad größer 95%, daher kann unter allen hochreflektierenden Oberflächen oder auf der Rückseite der metallischen Reflektoren eine Schicht aus Isoliermaterial angebracht werden, die eine Abstrahlung der vom Reflektor absorbierten Wärme in diese Richtung minimiert. Eine vorteilhafte Ausführungsform für alle hochreflektierenden Oberflächen ist eine dünne Silberschicht, welche mit einem transparenten Material überzogen ist.

Claims

Verbrennungskraftmaschine bestehend aus mindestens einem Kolben (1), mindestens einem Zylinder (2), mindestens einer Brennkammer (3), einem Brenner (4) und einer den Durchlass von Strahlungsenergie steuerbaren Schicht (5), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Konzentrator (6) die von der Brennkammer abgestrahlte elektromagnetische Strahlung konzentriert und in Richtung eines Arbeitsgases (7) leitet.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Schicht (5) aus Mikrospiegeln/Micro-Blinds (8) oder aus Nanospiegeln/Nano-Blinds besteht, angeordnet als Spiegel-Array, wobei die Spiegel mit einer hochreflektierenden Oberfläche versehen sind und die für die auftreffende Strahlung im Wesentlichen transparenten Elektroden (9) aus Graphen, n- oder p-dotiertem Graphen, GraphExeter, Molybdänit, n- oder p-dotiertem Molybdänit, ITO (Zinn dotiertem Indiumoxid), ATO (Antimon dotiertem Zinnoxid), FTO (Fluor dodiertem Zinnoxid), AZO (Aluminium dotiertem Zinkoxid), anderen metallisch dotierten transparenten Oxiden (beispielsweise aus Niob dotiertem Titanoxid), Kohlensoll-Nanoröhren (CNTs), metallischen Nanodrähten (Ag NWs, Au NWs, Cu NWs, Al NWs), metallischen Nanogittern (aus Ag, Au, Cu, Al), Schichten aus leitenden Polymeren, metallischen Dünnschichten oder aus einer Kombination dieser Materialien bestehen.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche des Trägersubstrates der Mikrospiegel/Micro-Blinds (8) metallisch verspiegelt werden, die im geschlossenen Zustand der Mikrospiegel/Micro-Blinds, bedingt durch die bei Bewegung der Spiegel notwendigen Abstände untereinander, vorhanden sind.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator (6) ein Fluoreszenzkollektor/Lumineszenzkollektor (10), ein CPC-Konzentrator (Compound-Parabolic-Concentrator) (11) oder eine Kugel (12) ist oder aus einer Kombination dieser Konzentratoren besteht.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator (6) aus transparenten Polymeren, Borosilikatglas, Glas, Glaskeramik, Transparent-Keramik, Quarzglas, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-μm-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, Saphir, CaF₂, BaF₂, MgF₂, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, Ga₂O₃, Sc₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Lu₂O₃, Y₃Al₅O₁₂, Gd₃Al₅O₁₂, Lu₃Al₅O₁₂, YVO₄, GdVO₄, LuVO₄, CaSiO₄, SrSiO₄, BaSiO₄, SiO₂, CsI, CsCI, CsBr, KI, KCI, Kbr, AgCI, AgBr, As₂S₃, MgF₂, MnF₂, CdF₂, CaF₂, PbF₂, CdS, CdTe, SrF₂, TiO₂, MgO, NaF, NaBr, NaCI, NaI, TICI, TIBr, GaAs, Se, Si, LiF, LaF₃, BaF₂, KRS-5, KRS-6, ZnTe, InAs, LiNbO₃, Y₂O₃ besteht oder aus verschiedenen dieser Materialien.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Fluoreszenzkollektor/Lumineszenzkollektor (10) lumineszierende Materialien eingebettet sind oder als Schicht aufgebracht sind, vorzugsweise Seltene-Erden-Ionen, wobei mehrere verschiedene lumineszierende Materialien eingebettet/aufgebracht sind, die unterschiedliche Absorptionsspektren aufweisen und der Fluoreszenzkollektor/Lumineszenzkollektor mit metallischen Nanopartikeln dotiert ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluoreszenzkollektor/Lumineszenzkollektor oder die Fluoreszenzkollektoren/Lumineszenzkollektoren (10) die von der Brennkammer (3) emittierte Strahlungsenergie wenigstens teilweise aufnimmt/aufnehmen und durch Totalreflexion zu den Seitenrändern leitet/leiten, wobei die Seitenränder an den Stellen, an denen keine Strahlung austreten soll, metallisch verspiegelt sind und an den Stellen, an denen die Strahlung austritt und in das Arbeitsgas (7) einstrahlt, nicht verspiegelt sind.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrospiegel (8) auf der Oberfläche des Konzentrators (6) angeordnet sind.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (13), der die Brennkammer (3) und den Konzentrator (6) umgibt, wenigstens teilweise mit einem Edelgas, einem Edelgasgemisch, einem Elementgas oder mit einem Aerogel gefüllt ist und/oder dass in diesem Raum wenigstens teilweise ein Vakuum herrscht.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Brennkammer (3) mit einer Schicht versehen ist, die eine Hochkonversion (Up-Conversion) der elektromagnetischen Strahlung bewirkt und/oder dass die Schicht die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung zurück in die Brennkammer reflektiert, die sonst im Konzentrator (6) oder in der transparenten Elektrode (9) absorbiert würden.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseintrittsfläche des Konzentrators (6) mit einer selektiven Schicht oder einem Filter, vorzugsweise einem Interferenzfilter, versehen ist, die/der im Wesentlichen die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung reflektiert, die sonst im Konzentrator oder in der transparenten Elektrode (9) absorbiert würden.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsaustrittsfläche des Konzentrators (6) mit einer selektiven Schicht oder einem Filter, vorzugsweise einem Interferenzfilter, versehen ist, die/der im Wesentlichen die Wellenlängenbereiche der vom Arbeitsgases (7) abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung reflektiert, die sonst im Konzentrator oder in der transparenten Elektrode (9) absorbiert würden.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (3) mit Emissionsflächen (14) versehen ist, die wenigstens teilweise aus einem Material mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen oder damit beschichtet sind, vorzugsweise mit Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Zylinder (2) ausströmende Arbeitsgas (7) in einen Niedertemperaturwärmetauscher (15) geleitet wird, dort seine Wärme an das im Gegenstrom vorbeiströmende Frischgas (16) abgibt und wieder in den Zylinder (2) eingeleitet wird.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Brennkammer (3) ausströmende Brenngas durch einen Hochtemperaturwärmetauscher (17) geleitet wird, dort Wärmeenergie an das im Gegenstrom vorbeiströmende Frischgas (16) abgibt und anschließend in ein Abgassystem eingeleitet wird.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kreislauf des Arbeitsgases (7) mindestens ein Ausgleichsbehälter/Pufferspeicher (18) eingebunden ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das im Niedertemperaturwärmetauscher (15) anfallende Kondensat mit einer Pumpe wieder in den Zylinder eingespritzt oder eingedüst wird.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas (16) aus in einem Frischluftgebläse (26) verdichteter und durch einen Luftfilter gereinigter Luft oder aus in einem Sauerstoffkonzentrator abgeschiedenen und verdichteten Sauerstoff-Luft-Gemisch oder aus Sauerstoff besteht.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom vor dem oder in dem Hochtemperaturwärmetauscher (17), mindestens eine keramische Membran angeordnet ist, deren Porengröße so gewählt wurde, dass durch hohe Verbrennungstemperaturen und damit verbundener Dissoziation in der Brennkammer (3) im Brenngas enthaltenes Kohlenmonoxid und/oder enthaltener Wasserstoff abgeschieden und dem Brenner (4) wieder zugeführt werden/wird.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Raumes (13) von innen und die Lauffläche des Zylinders (2) sowie die mit dem Arbeitsgas (7) in Kontakt befindliche Kolbenfläche/der Kolbenboden mit einer reflektierenden oder hochreflektierenden Oberfläche oder einer keramischen Reflexionsschicht ausgestattet sind.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturwärmetauscher (17) und/oder der Niedertemperaturwärmetauscher (15) mit einer Wand umgeben sind/ist, welche an der Innenseite eine hochreflektierende Oberfläche oder eine keramische Reflexionsschicht aufweist und die ein Vakuum umschließt.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Arbeitsgas (7) beaufschlagten Flächen des Kolbens (1), des Zylinders (2) und des Zylinderkopfes mit einem Material beschichtet sind, welches eine Abwärtskonversion (Down-Conversion) oder Hochkonversion (Up-Conversion) der auftreffenden Strahlung bewirkt.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vakuumpumpe über Schläuche/Kanäle mit dem Vakuum in Raum (13), mit dem Vakuum um den Hochtemperaturwärmetauscher (17) und/oder mit dem Vakuum um den Niedertemperaturwärmetauscher (15) verbunden ist, das Vakuum aufrecht erhält und somit kleine Undichtigkeiten ausgleicht.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung Messwerte von an der Verbrennungskraftmaschine angebrachten Temperatur-, Druck- und Drehzahlsensoren empfängt, diese auswertet und den Brenner (4), den Sauerstoffkonzentrator, die Kondensatpumpe, die Mikrospiegel/Micro-Blinds (8), die Vakuumpumpe, das Frischluftgebläse (26), ein Ventil zum Absperren der Frischluftzufuhr sowie die weitere Peripherie steuert.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass die hochreflektierenden Oberflächen aus Metallen mit sehr glatter Oberfläche bestehen und mit dielektrischen Schichten überzogen sind oder mit einem CPC-Array, welches mit einer dielektrischen Schicht überzogen/gefüllt ist, versehen sind.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lagerung/Befestigung und Isolierung der Brennkammer (3), des Hochtemperaturwärmetauschers (17), des Konzentrators (6) und anderer thermisch hochbelasteter Bauteile in Isoliermaterial (19) erfolgt, welches für diese hohe Temperaturen ausgelegt ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (3) oder im Hochtemperaturwärmetauscher (17) Photovoltaikzellen/Photovoltaikmodule oder Thermoelektrische Generatoren oder AMTEC-Konverter angeordnet sind, die aus der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung elektrische Energie generieren.
Verbrennungskraftmaschine bestehend aus mindestens einem Kolben (1) und mindestens einem Zylinder (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche aus mindestens einer im Wesentlichen transparenten Schicht besteht, vorzugsweise aus Borosilikatglas, Glaskeramik, Transparent-Keramik, Quarzglas, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-μm-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, Saphir, CaF₂, BaF₂, MgF₂, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, Ga₂O₃, Sc₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Lu₂O₃, Y₃Al₅O₁₂, Gd₃Al₅O₁₂, Lu₃Al₅O₁₂, YVO4, GdVO₄, LuVO₄, CaSiO₄, SrSiO₄, BaSiO₄, SiO₂, CsI, CsCI, CsBr, KI, KCI, Kbr, AgCI, AgBr, As₂S₃, MgF₂, MnF₂, CdF₂, CaF₂, PbF₂, CdS, CdTe, SrF₂, TiO₂, MgO, NaF, NaBr, NaCI, NaI, TICI, TIBr, GaAs, Se, Si, LiF, LaF₃, BaF₂, KRS-5, KRS-6, ZnTe, InAs, LiNbO₃, Y₂O₃, transparenten Polymeren oder aus verschiedenen dieser Materialien und diese Schicht mit lumineszierendem Material dotiert ist, vorzugsweise mit Seltenen-Erden-Ionen und Metall-Ionen.
Verbrennungskraftmaschine nach vorgenanntem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche der transparenten Schicht zylinderkopfseitig metallisch oder keramisch verspiegelt ist und dass an der kurbelwellenseitigen Stirnfläche Photovoltaikzellen oder photovoltaische Schichten angeordnet sind, welche aus der vom Brenngas abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung elektrische Energie generieren.