DE10323534A1 - Druckgasmotor für Fahrzeuge - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemäße Druckgasantrieb wird mit flüssiger Luft und mit handelsüblichem Brennstoff, die in separaten Tanks mitgeführt werden, betrieben. Die flüssige Luft wird in einer Druckkammer verdampft und durch die Verbrennung des Brennstoffes erhitzt. Über die Fahrpedalstellung wird der Betriebsdruck als Sollwert vorgegeben. Die Regelung des Betriebsdrucks und der Temperatur des Druckgases erfolgt durch ein elektronisches Regel- und Steuergerät. Druck und Temperatur stehen in funktionellem Zusammenhang. Das erhitzte Druckgas treibt einen 2-stufigen Drehschiebermotor, dessen zweite Stufe ein variables Expansionsverhältnis hat. DOLLAR A Aufgrund des günstigen Preisverhältnisses von flüssiger Luft zu Brennstoff ist der Antrieb wirtschaftlich vorteilhaft. Der CO¶2¶-Anteil im Abgas ist sehr viel niedriger als der eines herkömmlichen Verbrennungsmotors. Stickoxyde sind im Abgas nicht enthalten. DOLLAR A Der Antrieb ist in der Herstellung billiger und er ist leichter als ein Otto- oder Dieselmotor.

Description

• 1. Allgemein
• Bei der nachstehend beschriebenen Erfindung handelt es sich um einen Antrieb mit einem mittels Druckgas betriebenen Expansionsmotor. Hier ist der Antrieb mit einem 2-stufigen Drehschiebermotor beschrieben.
• Druckgas- bzw. Druckluftmotore für Fahrzeuge wurden verschiedentlich gebaut. Sie stellen keine technische Besonderheit dar. Die verwirklichten Antriebe hatten jedoch den Nachteil, dass sie große Tankkapazitäten benötigten. Die Tanks nahmen viel Platz ein und waren schwer. Für Fahrzeuge, die im normalen öffentlichen Straßenverkehr fahren, ist der Kompromiss zwischen der erforderlichen Motorleistung, Raumbedarf und Gewicht der Tanks, sowie der Reichweite in den meisten Fällen nicht tragbar. Derartige Antriebe konnten sich deshalb nicht durchsetzen.
• Bei dem hier dargestellten und beschriebenen Antrieb wurde ein anderer Lösungsweg gefunden. Das für den Antrieb des Expansionsmotors benötigte Druckgas wird aus flüssiger Luft gebildet. Die in Tanks mitgeführte flüssige Luft wird in einer Druckkammer verdampft und erhitzt. Das durch Verbrennung eines üblichen Brennstoffes erhitzte Druckgas treibt einen Expansionsmotor. Hier wird der Antrieb mit einem speziell angepassten und modifizierten 2-stufigen Drehschiebermotor beschrieben.
• Der erfindungsgemäße Antrieb hat den praktikablen Vorteil, dass die Tankkapazitäten trotz des Zweistoffbetriebes für eine verkehrsgerechte Leistung und Reichweite annehmbar sind. Bei gleichem Tankvolumen kann mit flüssiger Luft etwa die 5-fache nutzbare Masse Luft gegenüber Druckluft gespeichert werden. Dabei ist berücksichtigt, daß bei Druckluftspeicherung der Behälterdruck (Tankdruck} während des Betriebes absinkt, so dass die maximale Leistung des Motors nur bis zu ca. 80% der maximal gespeicherten Luftmenge genutzt werden kann. Demgegenüber kann bei der Speicherung von flüssiger Luft das Tankvolumen bis zu 95% – bei voller Leistung und einem Betriebsdruck von 40 bar – genutzt werden. Das benötigte Tankvolumen für den Brennstoff ist sehr viel kleiner. Je nach Temperaturerhöhung des Druckgases ändert sich das Verhältnis von verbrauchter Luft zu verbrauchtem Brennstoff. Eine wirtschaftliche Betriebsweise ergibt sich bei einem maximalen Betriebsdruck von 40 bar und einer maximalen Temperatur von ca. 210 ° C. Dabei entstehen gegenüber Otto- oder Dieselmotoren erheblich weniger Verbrennungsgase Der wirtschaftliche Vorteil ergibt sich dadurch, dass flüssige Luft erheblich billiger ist als handelsüblicher Brennstoff. Ihre Herstellung ist zudem einfach und der Transport ungefährlich. Außerdem ergibt sich ein bedeutender Vorteil bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Antriebs. Das höhere Gewicht der Tanks und der mitgeführten Betriebsstoffe wird durch das geringere Gewicht der Motoreinheit kompensiert.
• Aufgrund der Konstruktion und der Betriebsweise ist der hier vorgestellte Antrieb besonders für Fahrzeuge im Kurzstreckenverkehr geeignet
• 2. Funktion und Betriebsweise.
• Auf Seite 6 ist im Abschnitt „A" das Prinzip des Antriebs in einem Schaltbild dargestellt. Die Funktion und die Betriebsweise sind im Folgenden vom „Start" bis zum Volllastbetrieb beschrieben:
  Mit Betätigung des Startschalters (11) werden über das Steuer- und Regelgerät (12) die Magnetventile (4), (8) und (15) geöffnet. Gleichzeitig wird die Hochdruckpumpe (3) gestartet. Über das Dosierventil (5) wird jetzt eine geringe Menge flüssiger Luft in die Verdampferkammer (6) gespritzt, wo sie verdampft. Gleichzeitig wird über das Dosierventil (7) eine sehr geringe Menge Brennstoff in die Kammer (6) gespritzt und elektrisch gezündet. Die " kleine" Verbrennung sorgt für das kontinuierliche „Glühen" des Glühstabes in der „Flammkerze" und für eine Erwärmung der jetzt gasförmigen Luft. Der sich einstellende geringe Überdruck in der Kammer (6) bewirkt eine sehr langsame Drehung des Motors und „kompensiert" die Leckverluste im Motor. Der nachgeschaltete hydrodynamische Wandler überträgt bei diesem "Leerlauf" kein Drehmoment.
• Damit im „Leerlauf" und beim Anfahren keine zu hohen Leckverluste entstehen, werden die „Schieber" in den Rotortaschen mittels Druckluft aus dem Beipass (14), (15) und (16) an die Laufbuchsen des Motors gedrückt.
• Wird das Fahrpedal betätigt, werden über das Steuer- und Regelgerät (12) die Dosierventile (5) und (7) verstellt. Der jeweiligen Fahrpedalstellung sind ein bestimmter Systemdruck und eine bestimmte Temperatur in der Kammer (6) zugeordnet. Druck und Temperatur sind in vorgegebener Weise funktionell voneinander abhängig und werden von dem Steuer- und Regelgerät (12) nach Vorgabe des Sollwertes durch die Fahrpedalstellung geregelt.
• Das von dem Drehschiebermotor abgegebene Drehmoment ist proportional druckabhängig und somit proportional der Fahrpedalstellung. Der zweckmäßigerweise nachgeschaltete hydrodynamische Wandler überträgt im „Leerlauf" kein Drehmoment und wirkt beim Anfahren in bekannter Weise wie ein Untersetzungsgetriebe. Das vom Motor abgegebene Drehmoment ist abhängig vom Expansionsverhältnis im Motor. Der maximale Wirkdruck wird erreicht, wenn das Gas mit Umgebungsdruck, also ca. 1 bar, ausströmt. Für ein festes Expansionsverhältnis kann das nur für einen bestimmten Betriebsdruck verwirklicht werden. Da jedoch die Drehmomentanforderung unterschiedlich ist, ist auch der erforderliche Betriebsdruck unterschiedlich. Infolgedessen muß auch das Expansionsverhältnis im Motor unterschiedlich sein. Das wird konstruktiv dadurch erreicht, dass die Expansionsverhältnisse in der 1. und in der 2. Stufe unterschiedlich sind, und zwar derart, dass die 1. Stufe das kleinere Expansionsverhältnis hat und die 2. Stufe das größere. Die 1. Stufe ist nicht geregelt und ist so ausgelegt, dass bei minimaler Drehmomentanforderung das Gas mit dem minimalen Betriebsdruck von etwa 2,5 bar (1,5 bar Überdruck) auf den Umgebungsdruck von ca. 1 bar expandiert.
• Die 2. Stufe wird durch axial eingebaute „Schnüffelventile" (17) von „0" auf den vorgegebenen maximalen Expansionswert automatisch geregelt.
• Das geschieht folgendermaßen: Der Druck in einer Kammer der 2. Stufe sinkt durch Expansion des Treibgases bis auf den Umgebungsdruck ab. Wird der Umgebungsdruck in der jeweiligen Kammer unterschritten, dann öffnen die „ Schnüffelventile" (17) und es kommt zum Druckausgleich. Bei geringerem als dem maximalen Betriebsdruck wird damit ein Gegenmoment verhindert. Das konstruktiv vorgegebene, maximale Expansionsverhältnis der 2. Stufe ist so gewählt, dass der maximale Betriebsdruck ebenfalls auf den Umgebungsdruck expandiert. Die Eintrittstemperatur in der Druckkammer (6) wird zweckmäßigerweise so gewählt und gesteuert, dass die Abgastemperatur nicht unter 0° C sinkt. Damit wird eine Kondensation und Vereisung, bedingt durch die von außen in die Kammern der 2. Stufe eindringende feuchte Luft und dem im Brennstoff enthaltenen Wasser, vermieden. Im Fahrbetrieb wird der Motorblock durch körperliche Wärmeleitung eine Temperatur deutlich über 0° C annehmen, so dass ein Kondensatniederschlag verhindert wird.
• In dem folgenden Beispiel sind die thermischen Abhängigkeiten quantifiziert.
• Die Parameter sind: Der minimale Beriebsdruck, der zur Überwindung der inneren Widerstände erforderlich ist. Er betrage 2.5 bar (1.5 bar Überdruck). Der maximale Betriebsdruck betrage 40 bar. Das konstruktiv vorgegebene Expansionsverhältnis der 1. Stufe betrage 2.5, das der 2. Stufe maximal 5. Es handelt sich um eine polytrope Expansion. Der Polytropenexponent wird mit n = 1.3 angenommen.
• Die Rechnung ergibt: Bei dem Minimaldruck von 3 bar expandiert das Gas auf ca. 1 bar in der 1. Stufe. Die 2. Stufe wird nicht wirksam. Damit die Abgastemperatur 0° C erreicht, muß die Temperatur des Druckgases vor Eintritt in die 1.Stufe ca. 64 °C betragen. Bei dem maximalen Betriebsdruck von 40 bar expandiert das Gas bei voll wirksamer 2. Stufe auf ca. 1,4 bar. Die Eintrittstemperatur des Druckgases muss ca. 216 °C betragen, damit das Abgas nicht kälter als 0 °C ist. Die Temperatur des Druckgases in der Erhitzungskammer (6) wird in Abhängigkeit vom Systemdruck so geregelt, dass immer die Abgastemperatur von ca. 0 °C erreicht wird.
• 3.Kontruktiver Aufbau.
• Die Konstruktion und Bauweise ist im Abschnitt (B) auf Seite 6 dargestellt. Zunächst ist die Form der Sicherheits-Zellentanks (1, 2) gezeigt. Es handelt sich um Behälter, die in einzelne, abgeschlossene Zellen unterteilt sind. Diese Bauweise hat den Vorteil, dass bei einem Unfall nur einzelne Zellen beschädigt werden. Es können nur einzelne Zellen auslaufen bzw. ausströmen. Der hierbei entstehende Schaden ist gering. Die Tanks sind im Druckgussverfahren in Schalenbauweise hergestellt. Die Schalenhälften werden zusammengeschweißt. Die Herstellung kann weitgehend automatisch erfolgen. Wenige Baugrößen genügen; um Tankblöcke beliebiger Größe zusammenzuschließen. Jede Kammer der Tanks hat einen eigenen Füll- und Entleerungsanschluss. Diese sind außerhalb mit einer Sammelleitung verbunden.
• Die flüssige Luft gelangt durch eine Hochdruckleitung in eine Hochdruckpumpe (3), bekannter Bauart. Die Hochdruckpumpe pumpt die flüssige Luft über ein Magnetventil (4) und ein elektrisch verstellbares Dosierventil (5) in die Verdampferkammer (6). Die flüssige Luft wird mit Hochdruck in die Verdampferkammer eingespritzt und verdampft, d. h. sie wird gasförmig. Die gasförmige Luft strömt in die Erhitzerkammer der Pos. (6), wo sie durch die Verbrennung eines handelsüblichen Brennstoffes erhitzt wird. Der Brennstoff wird über das elektrisch verstellbare Dosierventil (7) eingespritzt und in der „Flammkerze" gezündet und verbrannt. Die Zündung erfolgt an dem Glühstab der „Flammkerze". Der Glühstab wird beim Start elektrisch aufgeheizt und glüht bei stetiger Verbrennung ohne Stromzufuhr weiter. Das in der Flammkerze verbrannte Gas vermischt sich in der Kammer mit der Restluft. Die Mischtemperatur wird durch das Einspritzen einer vom Dosierventil (7) dosierten, veränderlichen Menge Brennstoff auf einen von der Fahrpedalstellung vorgegebenen Wert von dem Regel- und Steuergerät (12) geregelt. Das Regel- und Steuergerät ist ein elektronisches Bauteil, in dem 2 Regelkreise (Folgeregelungen) miteinander verknüpft sind, die Druck und Temperatur in der Kammer (6) entsprechend der Fahrpedalstellung (Sollwert) regeln. Aus der Verdampfer- und Erhitzerkammer (6) strömt das erhitzte Druckgas in die 1. Stufe des Drehschiebermotors (10). Nach Expansion, entsprechend dem vorgegebenen Expansionsverhältnis, strömt das Gas in die 2. Stufe des Motors. Die Schieber in den Taschen der Rotoren werden über einen Beipass mit Druckluft, die durch eine Mittelbohrung in den Rotorachsen strömt beaufschlagt. Die Schieber werden dadurch bereits bei stillstehendem Motor an die Laufbuchsen gedrückt. Der Rotor der 2. Stufe erhält pro Zelle eine oder mehrere Bohrungen, die mit je einem axial eingebauten „Schnüffelventil" (17) verbunden sind. Die „Schnüffelventile" sind einfache Kugelventile, die „öffnen", wenn der Zellendruck unter den Umgebungsdruck absinkt. Damit wird ein variables Expansionsverhältnis in der 2. Stufe erreicht. Der Motorblock besteht aus einem Gussteil, in das verschleißfeste Laufbuchsen eingespresst sind. Die Buchsen sind im Bereich des Gasein- und -auslasses geschlitzt. Die Rotoren sind außen über ein Zahnradpaar miteinander, gegenläufig drehend, verbunden. Die Welle des Rotors der 2. Stufe ist mit dem Wandler verbunden.
• 4. Ausblick.
• Die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile wurden erwähnt.
• In nächster Zukunft wird Wasserstoff wegen seiner ökologischen Vorteile eine bedeutende Rolle spielen. Zudem ist Wasserstoff in unbegrenzter Menge verfügbar. Die Herstellung und der Transport von Wasserstoff sind jedoch vergleichsweise teuer, so dass auch in Zukunft der Gemischtbetrieb mit flüssiger Luft betriebswirtschaftliche Vorteile hat.

B

Batterie

Fl

Freilauf

G

Getriebe

R

Retarder

W

Hydrodynamischer Wandler

1

Brennstofftank

2

Tank für flüssige Luft

3

Elektrische Hochdruckpumpe

4

Magnetventil

5

Elektrisches Dosierventil Für flüssige Luft

6

Verdampfer- und Erhitzerkammer

7

Elektrisches Dosierventil für Brennstoff, kombiniert mit „Flammkerze"

8

Magnetventil

9

Druckminderer

9a

Elektrische Hochdruckpumpe für flüssigen Brennstoff

10

2-Stufiger Drehschiebermotor

11

Zünd- und Startschalter

12

Elektronisches Regel- und Steuergerät

13

Fahrpedal

14

Druckminderer

15

Magnetventil

16

Elektrisch beheizter Verdampfer

Claims (10)

1. Druckgasantrieb gemäß (A) derart, dass ein erhitztes Druckgas einen Expansionsmotor antreibt.
2. Druckgasantrieb derart, dass das Druckgas aus flüssiger Luft gebildet wird.
3. Erhitzung des Druckgases derart, dass es durch Verbrennung eines Brennstoffes erhitzt wird.
4. Erzeugung des treibenden Druckgases derart, das die flüssige Luft in eine Druckkammer (6) (-rohr) eingespritzt wird, dort verdampft und durch Verbrennung eines Brennstoffes erhitzt wird.
5. Druckgasantrieb derart, dass das erhitzte Druckgas einen 2-stufigen Drehschiebermotor antreibt.
6. Druckgasaufbereitung derart, dass Druck und Temperatur des Gases entsprechend der Fahrpedalstellung von einem Regel- und Steuergerät in funktioneller Abhängigkeit voneinander geregelt werden.
7. 2-stufiger Drehschiebermotor derart konstruiert; dass das Expansionsverhältnis der 2.,Stufe durch den Einbau von "Schnüffelventilen" variabel ist.
8. Sicherheits-Drucktank (1, 2) derart gestaltet, dass der Tank in einzelne Zellen unterteilt ist.
9. Sicherheits-Drucktank derart konstruiert, dass er aus 2 Schalenhälften zusammengeschweißt wird
10. Sicherheits-Drucktank hergestellt im Druckgussverfahren. aus einer Leichtmetalllegierung.