Das technische Gebiet der Erfindung betrifft Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotoren für Wasserstoffgemische, nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip, wobei Bauteile mit Wasserkontakt in einer Wasserabteilung (48) und Bauteile mit Ölkontakt in einer Ölabteilung (49) angeordnet sind, wobei die Wasserabteilung (48) und die Ölabteilung (49) räumlich voneinander getrennt sind, für die Umwandlung von Wasserstoff in mechanische Energie für den Antrieb von Wellen.The technical field of the invention relates to four-stroke reciprocating internal combustion engines for hydrogen mixtures, according to the Otto or diesel principle, whereby components with water contact in a water department ( 48 ) and components with oil contact in an oil department ( 49 ) are arranged, with the water department ( 48 ) and the oil department ( 49 ) are spatially separated from each other for the conversion of hydrogen into mechanical energy for the drive of shafts.
Gewürdigt werden relevante Druckschriften betreffend den Stand der Technik: WO 2017/ 039 464 A1, WO 02/ 050 410 A1 , JP H11- 182 261 A sowie US 5 887 554 A.Relevant publications relating to the state of the art are recognized: WO 2017/039 464 A1, WO 02/050 410 A1 , JP H11- 182 261 A and US 5 887 554 A.
Von herkömmlichen, umgebauten Benzin-Viertakt-Otto-Motoren auf Wasserstoff wurde bekannt, dass der Verbrennungsprozess aus Wasserstoff und Luftsauerstoff einen technisch negativen Einfluss auf mit Öl geschmierte Zylinder, Kolben und Kolbenringe hat, ebenso auf das Schmieröl selbst. Begonnene Entwicklungen wurden abgebrochen. Aus dieser technischen Problemstellung leitet sich die vorgeschlagene Erfindung ab, einen Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor für Wasserstoffgemische nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip betriebssicher wie auch wirtschaftlich günstig zu gestalten. Die Lösung des Problems besteht darin, einen Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 für die Wasserstoff-Anwendung so zu bauen, dass kein Kontakt zwischen dem Verbrennungsprodukt Wasser und dem Schmieröl entsteht. Dies wird durch eine räumliche Trennung der Bauelemente mit Wasserkontakt und der Bauelemente mit Ölkontakt erreicht und dass ein Wärmeübergang von einem Kolben an ein strömendes wasserbasiertes Schmier- und Kühlmittel mittels einer Außenoberfläche des Kolbens zusammen mit einer Innenoberfläche des Kolbens erfolgt. Die gewerbliche Anwendung betrifft zumindest Kraftfahrzeuge.From conventional, converted gasoline four-stroke Otto engines to hydrogen, it became known that the combustion process from hydrogen and atmospheric oxygen had a technically negative influence on cylinders, pistons and piston rings lubricated with oil, as well as on the lubricating oil itself. Developments that had been started were canceled. The proposed invention is derived from this technical problem of designing a four-stroke reciprocating internal combustion engine for hydrogen mixtures based on the Otto or diesel principle that is operationally reliable and also economically advantageous. The solution to the problem is to build a four-stroke reciprocating internal combustion engine with the features of claim 1 for the hydrogen application in such a way that there is no contact between the combustion product water and the lubricating oil. This is achieved by spatial separation of the components with water contact and the components with oil contact and that heat is transferred from a piston to a flowing water-based lubricant and coolant by means of an outer surface of the piston together with an inner surface of the piston. The commercial application relates at least to motor vehicles.
Anhand der 1, 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor für Wasserstoffgemische dargestellt, Otto-Prinzip. Montage: Eine vormontierte Baugruppe bestehend aus einer Kolbenstange (33) aus CrNi-Stahl, einem Pleuel (21) mit Lagerungen und einem Kurbeltrieb (25) wird zusammen mit einer Ölpumpe (24) und einem Ölrohr (22) mechanisch mit einer Deckelplatte (23) verbunden. Ein Zwischenring (26) wird angesetzt, ein Lagerring (30) mit einem Gleitlager (28) plus Fixierung (27) über die Kolbenstange (33) geschoben und mit der Deckelplatte (23) und dem Zwischenring (26) verschraubt. Das Gleitlager (28) ist innen mit Weißmetallbeschichtet. Eine geteilte Dichtung (14) aus trockenlauffähiger Kunstkohle wird an der Kolbenstange (33), versehen mit einem Kleb- und Dichtstoff an den Teilflächen, montiert, ebenso ein geteilter Gehäusering (15) und ein geteilter Haltering (16), zusammen mit einem O-Ring (17), zuvor geschnitten und in einer Position rund um die Kolbenstange (33) geklebt.
Der geteilte Gehäusering (15) und der geteilte Haltering (16) werden wie die geteilte Dichtung (14) zusammengefügt und mit einem Kleb- und Dichtstoff versehen. Der Kolben (1) aus CrNi-Stahl wird mit einem linken Kolbenring (40) aus CrNi-Stahl, einem mittleren Kolbenring (37) aus CrNi-Stahl und einem rechten Kolbenring (34) aus CrNi-Stahl komplettiert und dann mit der Kolbenstange (33) verschraubt. Ein Zylinderring (31) aus CrNi-Stahl wird mit einem Zylinder (2) aus CrNi-Stahl und mit einer Innenbeschichtung aus kohlenstofffaserverstärter Keramik verschraubt, anschließend über den komplettierten Kolben (1) geschoben und zwischen dem Zylinderring (31) und dem Lagerring (30) verschraubt. Dann erfolgt die Montage eines Zylinderkopfes (42) aus CrNi-Stahl mit dem Zylinder (2). Der Zylinderkopf (42) ist ausgestattet mit einem Einlassventil (43) aus CrNi-Stahl, einem Heizelement (44) aus CrNi-Stahl, einer Zündkerze (45) aus CrNi-Stahl, einer Einspritzdüse (46) aus CrNi-Stahl sowie einem Auslassventil (47) aus CrNi-Stahl. Danach erfolgt die Verrohrung für die Wasserschmierung und Wasserkühlung von dem Kolben (1), dem linken Kolbenring (40), dem mittleren Kolbenring (37), dem rechten Kolbenring (34) und dem Zylinder (2). Die Verrohrung umfasst Rohre aus CrNi-Stahl, ebenso eine obere Wasserpumpe (8) aus CrNi-Stahl, eine untere Wasserpumpe (39) aus CrNi-Stahl, einen Kühler (12) aus CrNi-Stahl mit einem Lüfter (13), einen Druckbehälter (6) mit Blase und einer Druckpumpe (7).Based on 1 , 2 and 3 an embodiment of a four-stroke reciprocating internal combustion engine for hydrogen mixtures is shown, Otto principle. Assembly: A pre-assembled assembly consisting of a piston rod ( 33 ) made of stainless steel, a connecting rod ( 21 ) with bearings and a crank drive ( 25th ) is used together with an oil pump ( 24 ) and an oil pipe ( 22nd ) mechanically with a cover plate ( 23 ) connected. An intermediate ring ( 26th ) is applied, a bearing ring ( 30th ) with a plain bearing ( 28 ) plus fixation ( 27 ) via the piston rod ( 33 ) pushed and with the cover plate ( 23 ) and the intermediate ring ( 26th ) screwed. The plain bearing ( 28 ) is coated with white metal on the inside. A split seal ( 14th ) made of dry-running synthetic carbon is attached to the piston rod ( 33 ), provided with an adhesive and sealant on the partial surfaces, mounted, as well as a split housing ring ( 15th ) and a split retaining ring ( 16 ), together with an O-ring ( 17th ), previously cut and in one position around the piston rod ( 33 ) glued.
The split housing ring ( 15th ) and the split retaining ring ( 16 ) are like the split seal ( 14th ) and provided with an adhesive and sealant. The piston ( 1 ) made of stainless steel is fitted with a left piston ring ( 40 ) made of stainless steel, a middle piston ring ( 37 ) made of stainless steel and a right piston ring ( 34 ) made of stainless steel and then with the piston rod ( 33 ) screwed. A cylinder ring ( 31 ) made of stainless steel is fitted with a cylinder ( 2 ) made of stainless steel and screwed with an inner coating made of carbon fiber reinforced ceramic, then over the completed piston ( 1 ) and pushed between the cylinder ring ( 31 ) and the bearing ring ( 30th ) screwed. Then the assembly of a cylinder head takes place ( 42 ) made of stainless steel with the cylinder ( 2 ). The cylinder head ( 42 ) is equipped with an inlet valve ( 43 ) made of stainless steel, a heating element ( 44 ) made of stainless steel, a spark plug ( 45 ) made of stainless steel, an injection nozzle ( 46 ) made of stainless steel and an outlet valve ( 47 ) made of stainless steel. This is followed by the piping for the water lubrication and water cooling of the piston ( 1 ), the left piston ring ( 40 ), the middle piston ring ( 37 ), the right piston ring ( 34 ) and the cylinder ( 2 ). The piping includes pipes made of stainless steel, as well as an upper water pump ( 8th ) made of stainless steel, a lower water pump ( 39 ) made of stainless steel, a cooler ( 12th ) made of stainless steel with a fan ( 13th ), a pressure vessel ( 6th ) with bladder and a pressure pump ( 7th ).
Wirkungsweise: Der in Bewegung befindliche Kolben (1) von OT kommend saugt über das geöffnete Einlassventil (43) Luft an. Befindet sich der Kolben (1) auf UT, schließt das Einlassventil (43) und eine Verdichtung der Luft beginnt, bis ein zeitlich neuer OT erreicht ist. Wasserstoff wird über die Einspritzdüse (46) eingespritzt, die Zündkerze (45) zündet ein Wasserstoff-Luft-Gemisch, wobei auf den Kolben (1) eine Kraft ausgeübt und über die Kolbenstange (33), das Pleuel (21) mit Lagerungen auf den Kurbeltrieb (25) übertragen wird und ein Drehmoment ausübt. Der Kolben (1) erreicht UT, das Auslassventil (47) öffnet, das Verbrennungsprodukt Wasserdampf wird aus dem Verbrennungsraum (41) geschoben. Bei Erreichen eines zeitlich wieder neuem OT schliesst das Auslassventil (47), das Einlassventil (43) öffnet und ein neuer Viertakt-Zyklus beginnt.How it works: The moving piston ( 1 ) Coming from TDC sucks through the open inlet valve ( 43 ) Air. Is the piston ( 1 ) to BDC, the inlet valve closes ( 43 ) and a compression of the air begins until a new TDC is reached. Hydrogen is injected through the injection nozzle ( 46 ) injected, the spark plug ( 45 ) ignites a mixture of hydrogen and air, with the flask ( 1 ) a force is exerted and via the piston rod ( 33 ), the connecting rod ( 21 ) with bearings on the crank drive ( 25th ) is transmitted and exerts a torque. The piston ( 1 ) reaches UT, the exhaust valve ( 47 ) opens, the combustion product water vapor is released from the combustion chamber ( 41 ) pushed. When a new TDC is reached, the exhaust valve closes ( 47 ), the inlet valve ( 43 ) opens and a new four-stroke cycle begins.
Der linear oszillierende Kolben (1) mit dem linken Kolbenring (40),
dem mittleren Kolbenring (37), dem rechten Kolbenring (34) bilden zusammen mit dem Zylinder (2) mit kohlenstofffaserverstärter Keramik als Innenbeschichtung die Gleitpartner, geschmiert mit Wasser. Damit sich das Wasser stets im flüssigen Aggregatzustand befindet, ist eine gesamte Wasserzirkulation einerseits als Drucksystem ausgebildet, andererseits als Kühlsystem. Die Druckpumpe (7) sorgt zusammen mit dem Druckbehälter (6) mit Blase in der gesamten Wasserzirkulation für einen Überdruck, damit ein Siedepunkt des Wassers nicht erreicht wird. Eine Kühlwirkung für den Zylinder (2) und den Kolben (1) erfolgt durch intensive Durchströmung des mit dem Kühler (12), dem Lüfter (13) und dem Fahrtwind gekühltem Wasser im Innenraum des Zylinders (2), sowie an einer Außen- und Innenoberfläche des Kolbens (1).
Vom Kühler (12) kommend fließt Wasser über die obere Wasserpumpe (8) und einem oberen Wassereintritt (9) kontinuierlich in Außenhohlraum (5), analog über die untere Wasserpumpe (39) und einem unteren Wassereintritt (38).
Vom Außenhohlraum (5) fließt das Wasser in einen Innenhohlraum-Wassereintritt (3), von dort in einen Innenhohlraum (4) bis zu einem oberen Innenhohlraum-Wasseraustritt (10) sowie einem unteren Innenhohlraum-Wasseraustritt (36) und fließt über einen weiteren Außenhohlraum durch einen oberen Wasseraustritt (11) sowie einem unteren Wasseraustritt (35) kontinuierlich zurück zum Kühler (12). Die Wasserkühlung insbesondere des Kolbens (1) mit großen Wärmeübergangsflächen außen und innen gibt relativ viel Wärme hin zum Kühler (12) ab.The linearly oscillating piston ( 1 ) with the left piston ring ( 40 ),
the middle piston ring ( 37 ), the right piston ring ( 34 ) together with the cylinder ( 2 ) with carbon fiber reinforced ceramic as an inner coating the sliding partners, lubricated with water. So that the water is always in a liquid state, the entire water circulation is designed on the one hand as a pressure system and on the other hand as a cooling system. The pressure pump ( 7th ) together with the pressure vessel ( 6th ) with a bubble in the entire water circulation for an overpressure so that a boiling point of the water is not reached. A cooling effect for the cylinder ( 2 ) and the piston ( 1 ) is carried out by intensive flow of the cooler ( 12th ), the fan ( 13th ) and the airflow chilled water in the interior of the cylinder ( 2 ), as well as on an outer and inner surface of the piston ( 1 ).
From the cooler ( 12th ) incoming water flows over the upper water pump ( 8th ) and an upper water inlet ( 9 ) continuously in the outer cavity ( 5 ), analogously via the lower water pump ( 39 ) and a lower water inlet ( 38 ).
From the outer cavity ( 5 ) the water flows into an interior cavity water inlet ( 3 ), from there into an inner cavity ( 4th ) to an upper inner cavity water outlet ( 10 ) and a lower inner cavity water outlet ( 36 ) and flows through another outer cavity through an upper water outlet ( 11 ) and a lower water outlet ( 35 ) continuously back to the cooler ( 12th ). The water cooling especially of the piston ( 1 ) with large heat transfer surfaces outside and inside gives a relatively large amount of heat to the cooler ( 12th ) from.
Zusätzlich zum beschriebenen Schmier- und Kühlsystem mit Wasser ist ein Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor für Wasserstoffgemische mit einem Kühlsystem gemäß dem Stand der Technik ausgestattet.In addition to the described lubrication and cooling system with water, a four-stroke reciprocating internal combustion engine for hydrogen mixtures is equipped with a cooling system according to the prior art.
Die linear oszillierende Kolbenstange (33) ist mit der geteilten Dichtung (14) abgedichtet, welche zusammen mit dem geteilten Gehäusering (15) und dem geteilten Haltering (16) plus dem O-Ring (17) eine Trennwand bildet zwischen der Abteilung mit Bauelementen mit Wasserkontakt, einer Wasserabteilung (48) und der Abteilung mit Bauelementen mit Ölkontakt, einer Ölabteilung (49). Die geteilte Dichtung (14) ist so ausgelegt, aufgrund radialer Beweglichkeit eventuellem Versatz der Kolbenstange (33) zu folgen. Der O-Ring (17) ist angeordnet, um einen Leckweg der zu trennenden Medien Wasser und Öl auszuschließen. Über eine Entwässerung (32) fließen eventuelle Leckflüssigkeiten ab. Die Entwässerung (32) wirkt gleichzeitig als Belüftung. In der Ölabteilung (49) wird die Kolbenstange (33) in dem Gleitlager (28) geführt. Die Ölpumpe (24) mit dem Ölrohr (22) versorgt das Gleitlager (28), das Pleuel (21) mit Lagerungen sowie den Kurbeltrieb (25) mit Schmieröl. Durch eine Ölbohrung (19) tropft Öl ins Lager des Pleuels (21). Eine Belüftungsbohrung (18) ist vorgesehen, ebenso eine Druckausgleichbohrung (20), sowie eine Verbindungsbohrung (29) für den Ölfluss hin zum Ansaugstutzen der Ölpumpe (24). Ein Schmier- und Kühlmittel Wasser ist bei einer Kfz-Anwendung nur für Umgebungstemperaturen über dem Gefrierpunkt geeignet. Im Winterbetrieb ist das Schmier- und Kühlmittel Wasser mit Natriumchlorid zu versehen. Das einzige Wasser, welches im Winterbetrieb zu Eis werden könnte, ist das Verbrennungsprodukt Wasser im Verbrennungsraum (41). Für die Betriebsbereitschaft eines Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotors für Wasserstoffgemische muss daher vorher das elektrisch betriebene Heizelement (44) aktiviert werden, damit im Verbrennungsraum (41) befindliches Eis einen flüssigen Aggregatzustand annimmt. Für eine Kfz-Anwendung besteht die Option, das Verbrennungsprodukt Wasserdampf über einen Kondensator zu führen, wobei das aus Wasserdampf kondensierte Wasser gesammelt wird bis zur nächsten Abgabestelle. Bei niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit ist ein solches quasi emissionsfreies Fahrzeug von Vorteil, insbesondere in Ballungsgebieten. Insgesamt könnte die vorgeschlagene Erfindung einen technischen Beitrag dafür leisten, die bisherigen Emissionen aus der Kohlenwasserstoffverbrennung zu verringern, und das als wirtschaftliche Alternative.The linearly oscillating piston rod ( 33 ) is with the split seal ( 14th ), which together with the split housing ring ( 15th ) and the split retaining ring ( 16 ) plus the O-ring ( 17th ) forms a partition between the department with components with water contact, a water department ( 48 ) and the department with components with oil contact, an oil department ( 49 ). The split seal ( 14th ) is designed in such a way that, due to radial mobility, any displacement of the piston rod ( 33 ) to follow. The O-ring ( 17th ) is arranged to exclude a leakage path of the media to be separated water and oil. Via a drainage ( 32 ) any leakage fluids drain away. The drainage ( 32 ) also acts as ventilation. In the oil department ( 49 ) the piston rod ( 33 ) in the plain bearing ( 28 ) guided. The oil pump ( 24 ) with the oil pipe ( 22nd ) supplies the plain bearing ( 28 ), the connecting rod ( 21 ) with bearings and the crank mechanism ( 25th ) with lubricating oil. Through an oil well ( 19th ) oil drips into the bearing of the connecting rod ( 21 ). A ventilation hole ( 18th ) is provided, as well as a pressure compensation hole ( 20th ), as well as a connecting hole ( 29 ) for the oil flow to the intake port of the oil pump ( 24 ). A lubricant and coolant, water, is only suitable for use in a motor vehicle for ambient temperatures above freezing point. In winter operation, the lubricant and coolant water must be provided with sodium chloride. The only water that could turn into ice in winter is the combustion product water in the combustion chamber ( 41 ). For the operational readiness of a four-stroke reciprocating internal combustion engine for hydrogen mixtures, the electrically operated heating element ( 44 ) are activated so that in the combustion chamber ( 41 ) the ice that is in it assumes a liquid state. For a motor vehicle application there is the option of passing the combustion product water vapor over a condenser, whereby the water condensed from water vapor is collected to the next delivery point. At low temperatures and high humidity, such a virtually emission-free vehicle is advantageous, especially in urban areas. Overall, the proposed invention could make a technical contribution to reducing the previous emissions from hydrocarbon combustion, and that as an economical alternative.
