DE102018001517A1

DE102018001517A1 - Verfahren und Vorrichtung für einen umweltfreundlichen Vielstoff-Verbrennungsmotor

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Publication number: DE102018001517A1
Application number: DE102018001517.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-08-29

Abstract

Zur Rettung des Verbrennungsmotors wird ein neues, umweltfreundliches, Verbrennungsverfahren für einstufige bzw. zweistufige Betriebsweise vorgeschlagen. Der ideale Gleichdruckprozess wird durch das Ausschieben der verdichteten Luft aus dem Verbrennungszylinder V bzw. Vk in den Druckbehälter D3 realisiert und die Bildung von NOx vermieden. Bei zweistufiger Betriebsweise treten nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe infolge der langen Brenndauer und der mehrfachen Verwirbelung bei Luftüberschuss kaum auf. Ammoniak kann als Kraftstoff und allgemein als Energieträger eingesetzt werden. Dadurch entsteht bei der Verbrennung kein CO₂. Ein allmählicher Übergang zu Ammoniak als Energieträger und Energiespeicher ist möglich, da der Verbrennungsmotor mit allen gasförmigen und flüssigen Kraftstoffen und deren Mischungen läuft. Die Bremsenergiespeicherung und ein hohes Beschleunigungsvermögen zeichnen den Verbrennungsmotor beim Einsatz in Fahrzeugen aus. Bei gasförmigen Kraftstoffen wird ein relativ hoher Wirkungsgrad erreicht. Der Verbrennungsmotor ermöglicht es, flüssige Luft als Energiespeicher einzusetzen.

Description

In neuester Zeit ist der Verbrennungsmotor infolge des Schadstoffausstoßes und der Emission von CO₂ stark in die Kritik geraten. Nachteilig für den heutigen Verbrennungsmotor ist, dass sich 100 % des Kraftstoffes oder beim Einspritzen größere Teile des Kraftstoffes in der komprimierten Luft befinden, so dass bei der Verbrennung Druckspitzen entstehen, die zu hohen örtlichen Temperaturen und damit zu NOx-Bildung führen. Es wird In dieser Patentschrift ein Verbrennungsverfahren beschrieben, dass bei einstufiger bzw. zweistufiger Betriebsweise des Verbrennungsmotors Druckspitzen vermeidet, die Vielstofffähigkeit ermöglicht und die Umweltfreundlichkeit deutlich erhöht, indem auch Ammoniak als Kraftstoff verwendet werden kann, wodurch kein CO₂ ausgestoßen wird. Flüssige Luft kann als Kühlmittel und Energiespeicher eingesetzt werden. Beim Einsatz des Verbrennungsmotors in Fahrzeugen kann die Bremsenergie genutzt und eine hohe Beschleunigung realisiert werden.
Beschreibung
In der einstufigen Betriebsweise (s. Zeichnung 1) hat der Verbrennungsmotor einen oder mehrere Zylinder In denen die gleichen Prozesse ablaufen. Die angesaugte Luft wird im Filter (2) gereinigt und gelangt bei geöffnetem Ventil (V2) in den Zylinder (Z). Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens (K) und geschlossenen Ventilen (V1, V2, V3, V4) wird die Luft verdichtet. Vor der obersten Kolbenstellung (OT) wird das Ventil (V3) geöffnet und die verdichtete Luft wird über den Ventilraum (R3) In den Kanal (L3), der mit dem Druckbehälter (D3) verbunden ist, ausgeschoben. Das Schadraum-Hubraumverhältnis des Zylinders (Z) sollte so klein wie möglich sein. Nach der obersten Kolbenstellung öffnet das Kraftstoffventil (V4), das den Zylinder (Z) über den Kanal (L4) mit dem Druckbehälter (D4) verbindet. In den Kanal (L4) wird mit einer Kraftstoffpumpe (3) flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff unter Hochdruck gepumpt. Aufgrund der Umgebungswärme verdampft der flüssige Kraftstoff im Kanal (L4) und im Ventilraum (R4). Nach OT beginnt die Abwärtsbewegung des Kolbens (K) und Luft und Kraftstoff können in den Zylinder (Z) einströmen, da die Ventile (V3) und (V4) geöffnet sind. Das Kraftstoff-Luft Gemisch zündet von selbst oder wird von einer Zündkerze oder Glühkerze (4) zur Zündung gebracht. Bei der Verbrennung kann der ideale Gleichdruckprozess realisiert werden. Es strömen nur dann Luft und Kraftstoff in den Zylinder (Z), wenn der Druck im Zylinder unter dem der Druckbehälter (D3, D4) fällt. Somit können keine Druckspitzen entstehen, die zu hohen Temperaturen und NOx-Bildung führen. Ab einer gewissen Kolbenstellung schließen die Ventile (V3) und (V4). Die Verbrennung setzt sich fort und das Gas entspannt. Das Abgas wird aus dem Zylinder (Z) ausgeschoben.
Für dieses Verfahren des idealen Gleichdruckprozesses kann die Verbrennungszeit verlängert werden und die Verwirbelung und Mischung des Luft-Kraftstoffgemisches verbessert werden, indem nach dem Patent DD 228 321 A1 für eine umweltfreundliche Keramik-Brennkraftmaschine zweistufig verdichtet und zweistufig entspannt wird. In dieser Patentschrift wird das Verfahren so verändert, dass auf den Einsatz der In der letzten Zeit stark verteuerten Keramik verzichtet werden kann.
Ein Zylinderpaar besteht aus einem großen Zylinder (Zg) und einem kleinen Zylinder (Zk) (s. Zeichnung 2), die in der Kombination sowohl als zweistufiger Verdichter als auch als zweistufige Expansionsmaschine wirken. Der Verbrennungsmotor besteht in der kleinsten Ausführung aus einem Zylinderpaar, er kann aber auch aus mehreren Zylinderpaaren bestehen. Im großen Zylinder (Zg) wird bei geöffnetem Ventil (Vg2) und Abwärtsbewegung des Kolbens (Kg) die durch einen Luftfilter (2) gereinigte Luft angesaugt und anschließend zur ersten Stufe verdichtet. Die verdichtete Luft erster Stufe gelangt über den Kanal (L1), der mit dem Druckbehälter (D1) verbunden ist, in den kleinen Zylinder (Zk). Sie kann davor in einem Wärmetauscher (1) oder durch Zumischen von mit einer Hochdruckpumpe (6) geförderten Wassers oder durch Einpumpen von flüssiger Luft gekühlt werden. Im kleinen Zylinder (Zk) wird die Luft zur zweiten Stufe verdichtet. Vor dem oberen Totpunkt des kleinen Kolbens (Kk) wird das Ventil (Vk3) geöffnet und die zur zweiten Stufe komprimierte Luft wird über den Ventilraum (Rk3) in den Kanal (L3), der mit dem Druckbehälter (D3) verbunden ist, ausgeschoben. Das Schadraum-Hubraumverhältnls des Zylinders (Zk) sollte so klein wie möglich sein. Nach der obersten Stellung (OT) des Kolbens (Kk) öffnet das Ventil (Vk4), das den Zylinder (Zk) über den Kanal (L4) mit dem Druckbehälter (D4) verbindet. In den Kanal (L4) wird mittels einer Kraftstoffpumpe (3) flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff unter Hochdruck gepumpt. Aufgrund der Umgebungswärme verdampft der flüssige Kraftstoff im Kanal (L4) und im Ventilraum (Rk4). Nach OT beginnt die Abwärtsbewegung des Kolbens (Kk) und Luft und Kraftstoff können in den Zylinder (Zk) einströmen, da die Ventile (Vk3) und (Vk4) geöffnet sind. Das Kraftstoff-Luft Gemisch zündet von selbst oder wird von einer Zündkerze oder Glühkerze (4) zur Zündung gebracht. Bei der Verbrennung kann der ideale Gleichdruckprozess realisiert werden. Es strömen nur dann Luft und Kraftstoff in den Zylinder (Zk), wenn der Druck im Zylinder unter dem der Druckbehälter (D3, D4) fällt. Somit können keine Druckspitzen entstehen, die zu hohen Temperaturen und NOx-Bildung führen. Ab einer gewissen Kolbenstellung schließen die Ventile (Vk3) und (Vk4). Die Verbrennung setzt sich fort und das Gas entspannt. Das Abgas wird aus dem Zylinder (Zk) ausgeschoben und gelangt bei Aufwärtsbewegung des Kolbens (Kk) und geöffnetem Ventil (Vk1) in den Kanal (L2), der mit dem Druckbehälter (D2) verbunden ist. Befindet sich der große Kolben (Kg) in der obersten Kolbenstellung OT, so wird das Ventil (Vg4) geöffnet und das unter Druck stehende Abgas kann bei der Kolbenabwärtsbewegung in den großen Zylinder (Zg) strömen. Ab einer gewissen Kolbenstellung wird das Ventil (Vg4) geschlossen und das Abgas kann zur zweiten Stufe entspannen. Bei der folgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens (Kg) und geöffnetem Ventil (Vg1) wird das Abgas ausgeschoben. Die Verbrennung beginnt im kleinen Zylinder (Zk) und setzt sich im Kanal (L2) über eine relativ lange Zeit fort. Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis λ>1 ist, dann wird der Kraftstoff vollständig verbrennen und es werden auch ohne Filter keine nicht verbrannten Kohlenwasserstoffe ausgeschoben.
Bei der einstufigen bzw. bei der zweistufigen Betriebsweise kann der Kraftstoff über eine Hochdruckpumpe eingespritzt werden, wenn der Kolben (K) bzw. (Kk) die oberste Kolbenstellung OT erreicht. Auf die Kraftstoffventile (V4) bzw. (Vk4) kann damit verzichtet werden. Auch jetzt können keine Druckspitzen entstehen, obwohl Kraftstoff schon im Schadraum des Zylinders (Z) bzw. (Zk) ist. Luft zur Verbrennung strömt bei geöffnetem Ventil (V3) bzw. (Vk3) nur dann in den Zylinder (Z) bzw. (Zk) nach, wenn der Druck im Zylinder (Z) bzw. (Zk) unter dem des Druckbehälters (D3) fällt.
Mit dem vorzeitigen Schließen des Einlassventils (V2) bzw. (Vg2) kann erreicht werden, dass weniger Luft verdichtet wird und somit relativ zum Ansaugvolumen ein größerer Expansionsraum zur Verfügung steht, wodurch die Abgastemperatur etwas gesenkt wird und der Wirkungsrad steigt.
Die Druckbehälter (D1; D2; D3; D4) verhindern, dass es zu großen Druckschwankungen in den Zuleitungen und damit zu Wirkungsgradverlusten kommt.
Beim Einsatz des Verbrennungsmotors in Kraftfahrzeugen erfolgt die Leistungsregelung indem die Ventile (V3) und (V4) bzw. (Vk3) und (Vk4) früher oder später geschlossen werden oder, bei Einspritzung des Kraftstoffes, indem das Ventil (V3) bzw. (Vk3) früher oder später geschlossen wird und weniger oder mehr Kraftstoff eingespritzt wird. Die sich hebenden Ventile können durch Federn und Elektromagnete bewegt und abgebremst werden.
Zur Regulierung der Temperatur kann an verschiedenen Stellen des Verbrennungsmotors Wasser und/oder flüssige Luft mit einer Hochdruckpumpe (6) eingedrückt werden. Flüssige Luft kann mit diesem Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung verwendet werden. Sie wird von einer Hochdruckpumpe durch einen Wärmetauscher, der gleichzeitig Kühlaggregat sein kann, gepumpt. Die hier erwärmte Druckluft strömt in den Kanal (L3) und bei geöffnetem Ventil (V3) bzw. (Vk3) In den Zylinder (Z) bzw. (Zk). Die Kraftstoffzufuhr kann für eine oder mehrere Motorumdrehungen unterbrochen werden. Ein angeschlossener Generator wird dann von der Druckluft angetrieben. Flüssige Luft kann somit als Energiespeicher genutzt werden. Die Druckluft wird im Verbrennungsmotor weiter erwärmt und kühlt ihn gleichzeitig ab.
Die Kühlung der Zylinder (Z) bzw. (Zg), (Zk) erfolgt, indem Wasser mit einer Hochdruckpumpe (6) in Druckräume oder Zylinderkränze (5), die die Zylinder umgeben und mit den Verbindungskanälen (L3) und/oder (L4) im Zylinderkopf verbunden sind, gepumpt wird. Die sich in den Druckräumen (5) bildenden Hochdruckdämpfe gelangen in die Zylinder (Z) bzw. (Zg), (Zk) zur Entspannung. Somit wird das Kühlwasser zur Arbeitsgewinnung genutzt, indem der Dampfmaschinenprozess integriert wird.
Das Abgas wird durch einen Kondensator geleitet. Das Wasser läuft im Kreislauf und zur Reinigung durch einen Aktivkohlefilter. Ebenso kann zur Verringerung der Energieverluste der Wärmetauscher (1) als Dampfkessel fungieren, indem Wasser unter Hochdruck in den Wärmetauscher (1) gepumpt wird und der entstehende Dampf dem Arbeitsgas im kleinem Zylinder (Zk) zugemischt wird. Auch Kraftstoff kann in die Zylinderkränze (5) zur Kühlung der Zylinder (Z) bzw. (Zg), (Zk) gepumpt werden, wenn er nicht in die Luftleitung (L3) und damit in den Druckbehälter (D3) gelangen kann.
Beim Einsatz des Verbrennungsmotors in Kraftfahrzeugen kann Bremsenergie gespeichert werden, indem beim Bremsvorgang die Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird und das Ventil (V3) bzw. (Vk3) im oberen Totpunkt oder kurz nach dem oberen Totpunkt des Kolbens (K) bzw. (Kk) geschlossen wird. Das Fahrzeug wird nun über den Verdichter abgebremst. Der Druck in den Druckbehältern (D) erhöht sich. Bei der anschließenden Beschleunigung wird Kraftstoff erst dann zugeführt, wenn der Druck in den Druckbehältern (D) wieder Normalwerte annimmt. Das Vorhandensein der Druckbehälter (D) ermöglicht eine hohe Beschleunigung der Fahrzeuge.
Aufgrund des hohen Druckes und der hohen Temperatur sowie der Zumischung von Wasser zersetzen sich Kohlenwasserstoffe (Kraftstoff) zu H₂ und CO₂ (Reforming). Ammoniak zerfällt bei einer Temperatur über 477 °C in H₂ und N₂. Im Grunde wird bei der Verbrennung mit dem vorgeschlagenen Verfahren unabhängig vom eingesetzten Kraftstoff hauptsächlich Wasserstoff verbrannt. Ammoniak kann mit Hilfe der Solarenergie und der Windenergie hergestellt werden. Es verflüssigt sich bei einem relativ niedrigen Druck von 8 bar und kann somit als Energieträger und Energiespeicher eingesetzt werden. Ein allmählicher Übergang zu Ammoniak als Energieträger, der die Installation von Ammoniakbehältern und entsprechenden Zapfsäulen an den Tankstellen erfordert, ist möglich, da der Verbrennungsmotor auch mit herkömmlichen Kraftstoffen betrieben werden kann.
Durch Vorschalten eines Druckzylinders (7) mit beweglichem abdichtenden Kolben (8) kann vermieden werden, dass Abgas in den Druckbehälter (D1) gelangt.
Der Kraftstoffdruckbehälter (D4) kann mit Stickstoff gefüllt werden und er kann eine Membran (11) enthalten die den Stickstoff vom Kraftstoff trennt.
Durch den Einbau von Rückschlagventilen (9) kann verhindert werden, dass Luft bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens Kg in die Abgasleitung L2 strömt und Abgas bei der Abwärtsbewegung des Kolbens Kg in den Luftkanal L1 strömt.
Bezugszeichenliste

Z: Zylinder
Zg: großer Zylinder
Zk: kleiner Zylinder
R, R3, R4, Rg3, Rg4, Rk1, Rk2, Rk3, Rk4: abgeschlossene, druckdichte Ventilräume im Zylinderkopf
L, L1, L2, L3, L4: Kanäle im Zylinderkopf und/oder Rohrleitungen
V1, V2, Vg1, Vg2, Vk1, Vk2: sich senkende Ventile
V3, V4, Vg3, Vg4, Vk3, Vk4: sich hebende Ventile
D, D1, D3, D4: Druckbehälter
K, Kg, Kk: Kolben
1: Wärmetauscher
2: Luftfilter
3: Kraftstoff-Hochdruckpumpe
4: Zündkerze oder Glühkerze
5: Druckräume oder Zylinderkranz
6: Hochdruckpumpe
7: Druckraum
8: beweglicher, abdichtender Kolben im Druckraum 7
9: Rückschlagventil
10: Pleuel
11: Membran

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

DD 228321 A1 [0003]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung im Verbrennungszylinder stattfindet und dass die verdichtete Luft vor der Verbrennung bei geöffnetem hebendem Ventil V3 oder Vk3 aus dem Zylinder Z oder Zk in den Druckbehälter D3 ausgeschoben wird.
Verbrennungsmotor nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei einstufiger Betriebsweise die verdichtete Luft aus dem Zylinder Z durch Öffnen des Ventils V3 vor Erreichen der obersten Kolbenstellung OT des Kolbens K in den Druckbehälter D3 ausgeschoben wird und dass bei der obersten Stellung OT des Kolbens K das Kraftstoffventil V4 öffnet, das den Zylinder Z mit dem Kraftstoffdruckbehälter D4 verbindet, dessen Druck durch Förderung von Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe 3 aufrecht erhalten wird, oder Kraftstoff über eine Kraftstoffpumpe in den Zylinder Z eingespritzt wird und dass bei Abwärtsbewegung des Kolbens K bei einer gewissen Kolbenstellung die beiden Ventile V3, V4 oder bei Kraftstoffeinspritzung das Ventil V3 geschlossen wird wonach sich die Verbrennung, die durch Selbstzündung oder durch Zündung mittels Zündkerze oder Glühkerze 4 begann, fortsetzt und die Expansion beginnt.
Verbrennungsmotor nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei zweistufiger Betriebsweise in einem Zylinderpaar, das aus einem großen Zg und einem kleinen Zk Zylinder besteht, sowohl eine zweistufige Verdichtung der angesaugten Luft als auch eine zweistufige Expansion des Abgases stattfindet und dass die im großen Zylinder Zg verdichtete Luft im kleinen Zylinder weiter verdichtet wird und bei geöffnetem Ventil Vk3 aus dem Zylinder Zk in den Druckbehälter D3 ausgeschoben wird und dass bei der obersten Stellung OT des Kolbens Kk das Kraftstoffventil Vk4 öffnet, das den Zylinder Zk mit dem Kraftstoffdruckbehälter D4 verbindet, dessen Druck durch Förderung von Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe 3 aufrecht erhalten wird, oder Kraftstoff über eine Kraftstoffpumpe in den Zylinder Zk eingespritzt wird und dass bei Abwärtsbewegung des Kolbens Kk bei einer gewissen Kolbenstellung die beiden Ventile Vk3, Vk4 oder bei Kraftstoffeinspritzung das Ventil Vk3 geschlossen wird wonach sich die Verbrennung, die durch Selbstzündung oder durch Zündung mittels Zündkerze oder Glühkerze 4 begann, fortsetzt und die Expansion beginnt, und das Abgas über den Kanal L2 bei geöffnetem Ventil Vg4 in den Zylinder Kg gelangt, hier nach Schließen des Ventils Vg4 zur zweiten Stufe expandiert und bei Aufwärtsbewegung des Kolbens Kg und geöffnetem Ventil Vg1 ausgeschoben wird.
Verbrennungsmotor nach Punkt 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Zylinder Zg verdichtete Luft erster Stufe in einem Wärmetauscher (1) und/oder durch Zugabe flüssiger oder kalter Luft oder Wasser hohen Druckes gekühlt wird, bevor sie im Zylinder Zk zur zweiten Stufe verdichtet wird.
Verbrennungsmotor nach Punkt 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder Z bzw. Zg und Zk an zu kühlenden Stellen von Druckräumen oder Zylinderkränzen 5 umgeben sind in die unter Hochdruck Wasser und/oder Kraftstoff mittels Hochdruckpumpen 6 gepumpt wird und dass die sich bildenden Dämpfe den Verbrennungsgasen in den Verbrennungszylindern Z bzw. Zk zur Entspannung und Arbeitsverrichtung zugeführt werden.
Verbrennungsmotor nach Punkt 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile V2 bzw. Vg2 und/oder Vk2 vor Erreichen des oberen Totpunktes der Kolben K bzw. Kg und/oder Kk geschlossen werden.
Verbrennungsmotor nach Punkt 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass Ammoniak als Kraftstoff eingesetzt wird und/ oder beliebige flüssige oder gasförmige Kraftstoffe und/oder beliebige Mischungen aus ihnen.
Verbrennungsmotor nach Punkt 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass er im Wechsel eine oder mehrere Umdrehungen mit Kraftstoffzufuhr und Verbrennung in den Verbrennungszylindern Z bzw. Zk läuft und dass er anschließend eine oder mehrere Umdrehungen ohne Kraftstoffzufuhr mit Druckluft aus dem Druckbehälter D3 läuft, in den unter Hochdruck flüssige Luft gepumpt wird, die zuvor in Wärmetauschern erwärmt wurde.
Verbrennungsmotor nach Punkt 1 und 3 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass Rückschlagventile 9 verhindern, dass Luft bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens Kg in die Abgasleitung L2 strömt und Abgas bei der Abwärtsbewegung des Kolbens Kg in den Luftkanal L1 strömt und verhindern, dass Luft in die Kraftstoffleitung L4 strömt.