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ANWENDUNGSBEREICH
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor verbunden ist, bei dem das kombinierte Kreislaufkonzept angewandt wird, das in GuDkombikraftwerken verwendet wird, und den Otto- oder Diesel-Zyklus mit dem Rankine-Zyklus kombiniert, das auf die Verbesserung der Wärmeausbeute abzielt und folglich die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs zur Folge hat. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung die Verbesserung der Qualität von Auspuffgasen, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, so dass die Konzentration von NOx und Partikelmaterial reduziert wird.
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren werden durch die Verbrennung von Treibstoff betrieben, das aus explosiven chemischen Substanzen besteht. Diese Explosion erfolgt im Innern der Verbrennungskammer (20), die besonders dafür konzipiert wurde, um die durch die Explosion freigesetzte Energie in eine mechanische Bewegung des Kolbens umgewandelt wird.
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Seit 1980 wurde das Konzept des Kombikreislaufs in GuDKombikraftwerken (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk) verwendet, und entsprechend wurde der fossile Brennstoff in Gasturbinen mit einer Effizienz von 30% verbrannt, so dass der Wärmeverlust bei der Verwendung von Dampf für das Betreiben von Dampfturbinen ca. 70% betrug. Das Wärmekraftwerk, das allein auf dem Rankine-Zyklus basiert, hat eine Ausbeute von 35% und die, die ein kombiniertes Kreislaufkonzept verwenden, erreichen eine Wärmeausbeute von 60%.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Verbrennungsmotoren wurden aufgrund der restriktiveren Anforderungen in Bezug auf CO- NOx- und SOX-Emissionen, drei Aspekte behandelt: Treibstoffqualität, Katalysator und insbesondere die Reduktion der Verbrennungstemperatur. Die Reduktion der Verbrennungstemperatur wird durch einen Überschuss an Verbrennungsluft (was Effizienzverluste verursacht) oder die Rückzirkulation der Verbrennungsgase (was volumetrische Effizienzverluste verursacht) erzielt.
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Die Verwendung von Otto-/Diesel-Kreisläufen und kombiniertem Rankine-Dampfkreislauf heutzutage wird durch ein Restwärmerückgewinnungssystem (Waste Heat Recovery oder WHR) erreicht, zurückgewiesen durch flüchtige Gase, um Dampf zu generieren, das als Antriebsflüssigkeit für eine Turbine benutzt wird. Dieses Konzept ist aufgrund des Bedarfs nach einer Behandlungsanlage für Speicherwasser nur in großräumigen Anlagen durchführbar, um die Anforderungen für den Turbinendampf zu erfüllen.
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Das Patent
EP0076885 schlug die Dampfinjektion in einem Viertaktmotor vor, der in einen Sechstaktmotor umgewandelt wird, Viertakt bei Otto- oder Diesel-Kreisläufen, mit zwei Takten der Dampfmaschine: Dampfinjektion und -freisetzung. Dieses Konzept hat den Nachteil, dass es viele Modifikationen am Verbrennungsmotorprojekt erfordert, mit besonderen Ventilen und Kontrollen, die sich von einem konventionellen Motor unterscheiden, neben dem Kollektorsystem für Entladungsdampf und seine Rückgewinnung, um das Prozesswasser zu ersetzen.
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Die brasilianische Anwendung
BR 10 2012 013088-2 berichtet von einem Kombikreislaufmotor für einen Verbrennungsmotor mit Otto- und Diesel-Kreislauf, bei der der Hochdruckdampf in die Zylinder eingespritzt wird, um eine mechanische Leistung zu gewinnen, und der Dampf mit mittlerem Druck wird eingespritzt, um die Drucktemperatur zu senken. Die Einspritzung von Niedrigdruckdampf erhöht die Motordruckleistung, doch sie ist bei der Temperaturreduzierung im Vergleich zur Einspritzung von kondensiertem Dampf, wie es in diesem vorliegenden Patentantrag der Fall ist, nicht effektiv.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die 1 zeigt ein vollständiges Flussdiagramm eines Kombikreislaufprozesses dort, wo angegeben:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochdrucktrommel;
- 2
- Hochdruckdampffluss zu den Zylindern im Motorblock (3);
- 3
- Motorblock;
- 4
- Motorkühlsystem;
- 5
- Vorwärmer für Niedrigdruckkondensat;
- 6
- Niedrigdrucktrommel;
- 7
- Dampfstrahlpumpe für die Freisetzung von Gasen in den Zylindern;
- 8
- Ausstoßverteiler;
- 9
- Katalysator;
- 10
- Abhitzdampferzeuger (HRSG);
- 11
- Reinigungsfluss der Niedrigdrucktrommel;
- 12
- Förderpumpe;
- 13
- Kondensatpumpe;
- 14
- Kreislaufpumpe;
- 15
- Kondensator;
- 16
- Heizkörper; und
- 17
- Kondensat-Rückführfluss um die Kontrolle der Niedrigdrucktrommel auszugleichen;
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In den 2 bis 7 werden die Simulationsergebnisse angezeigt, und die folgende Benennung wurde für einen Viertakt-Verbrennungsmotor übernommen: Ansaugung (I), Verdichtung (C), Arbeit (P) und Ausstoß (E).
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Die 2, 3 und 4 stellen die Kurve für den absoluten Druck (bar abs) innerhalb der Zylinder in einer logarithmischen Skala dar, als Funktion des Kurbelwellenwinkels für alle vier Takte dar.
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Die 5, 6 und 7 stellen die Temperaturkurve (°C) innerhalb der Zylinder als Funktion des Kurbelwellenwinkels für alle vier Takte dar.
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Diese Erfindung basiert auf wiedergewonnener Wärmeenergie, die von einem konventionellen Verbrennungsmotor zurückgeworfen wird, entweder durch einen Ausstoß der Verbrennungsgase oder durch ein Kühlsystem, durch Verwendung einer Kombination aus fünf Techniken, die innovative sind, wenn wir sie mit Stand der Technik vergleichen:
- a) Innovation 1: Hochdruckdampfzyklus, bei dem Dampf in den Motor eingespritzt wird, um die Temperatur beim Arbeitstakt (P) zu senken, erhöht aber den inneren Druck in den Zylindern und erhöht den Leistungsertrag des Kolbens innerhalb der Verbrennungskammer (20). Die Senkung der Temperatur reduziert die Bildung von NOx;
- b) Innovation 2: Die Einspritzung des Reinigungsfluss der Niederdrucktrommel (6) innerhalb der Verbrennungskammer (20) am Ende des Ausstoßtakts (E). Die Einspritzung ermöglicht einen Auswurf des Verbrennungsgases am Ende des Ausstoßes (E) und kontrolliert die interne Temperatur der Zylinder unter Druck (C), wodurch eine höherer Druckrate und ein höherer Ertrag der Kolbenleistung erzielt wird;
- c) Innovation 3: Die Verwendung eines Dampfstrahlpumpes (7) beim Ausstoßgaskreislauf reduziert den Entladedruck durch Verwendung eines gesättigten Niedrigdruckdampfes (32) als Fahrtdampf, der bei der Beseitigung von Ausstoßgasen aus der Verbrennungskammer (20) behilflich ist und die Kolbenleistung reduziert, die für den Ausstoß von Verbrennungsgasen verwendet wird;
- d) Innovation 4: der Kondensator (15) arbeitet als ein Wassererneuerer im System und als ein Gasfilter oder als Gaswäscher, da die Gase auf der Unterseite des Kondensors (15) zum blubbern gebracht werden, während es durch die Kondensatsäule fließt, wo das Partikelmaterial, das in die Umwelt freigesetzt werden würde, zurückgehalten wird.
- e) Innovation 5: die Wärme im Katalysator (9), die durch die Oxidation von Kohlenwasserstoff erzeugt wird, der von der unvollständigen Verbrennung im Motor zurückbleibt, wird verwendet, um einen Hochdruckdampf zu erzeugen (10).
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Die zeigt eine mögliche vollständige Konstruktion eines Kombiverbrennungssystems.
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Beim Kombiverbrennungsmotorprozess wird das Luft-Treibstoff-Gemisch (21) in der Verbrennungskammer (20) durch die gleichzeitige Einspritzung von Reinigungsfluss (11) in die Niedrigdrucktrommel (6), in das Ende des Ausstoßtaktes (E) beim Otto- oder Dieselkreislauf, Innovation 2.
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Danach, am Ende des Verdichtungstakts (c), wird der Hochdruckdampf (2) im Hochdrucktank (1) in die Verbrennungskammer (20) eingespritzt, Innovation 1.
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Dadurch befinden sich während des Arbeitstakts (P) innerhalb der Verbrennungskammer (20): die Luft und der Treibstoff, die in Verbrennungsgase umgewandelt werden, ein Teil des eingespritzten Reinigungsfluss (11) aus der Niedrigdrucktrommel (2), das den Ausstoßgasfluss des kombinierten Verbrennungsmotors ausmacht.
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Beim Ausstoß (e) werden die Ausstoßgase in den Ausstoßverteiler abgelassen (8) und fließen zum Katalysator (9), wo sie die Wärme absorbieren, die in dieser Anlage generiert wird bevor der Abhitzdampferzeuger – HRSG (10) erreicht wird, Innovation 4.
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Im Abhitzdampferzeuger – HRSG (10) findet der Wärmeaustausch zwischen den Austauschgasen (8–23) und dem Speisewasser, das Teil der Reinigung (33–34) aus der Niedrigdrucktrommel (6) ist, wodurch der Hochdruckdampf erzeugt wird (1–34).
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Die Freisetzung der Ausstoßgase (23) aus dem Abhitzdampferzeuger – HRSG (10) fließt dann zum Vorheizer (5).
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Vom Vorheizer (5) werden die gekühlten Ausstoßgase (24) vom Dampfstrahlpumpe angesaugt (7), und mischen sich mit dem Antriebsdampfstrom aus der Niedrigdrucktrommel (32), wodurch ein Ausstoßgasstrom (25) erzeugt wird, Innovation 3.
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Der Ausstoßgasstrom (25) wird auf dem Bodes des Kondensators zum Kochen gebracht (15), wodurch der größte Teil des Wasserstroms kondensiert, dessen Ebene durch einen Überlauf aufrechterhalten wird (35). Nach einem Fluss durch die Flüssigkeit, wird der nicht kondensierbare Teil der Abstoßgase in die Atmosphäre (26) abgelassen, nachdem es im Kondensator (15) gewaschen wurde, Innovation 4.
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In 1 wird Wasser im Kondensator (15) vom Boden (28) abgeführt und durch die Zirkulationspumpe (14) in den Radiator (16) gepumpt, wo die Hitze verloren geht und wieder an die Spitze des Kondensators (15) als ein “Spray” zurückkehrt.
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Die Kondensatpumpe (13), die an den Auslass der Zirkulationspumpe (14) angeschlossen ist, pumpt die Flüssigkeit (29) durch den Vorheizer (5), wo sie die Wärme empfängt, und fließt (30) zum Motorkühlsystem (4), wobei es die Niedrigdrucktrommel (6) mit einem zweiphasigen Fluss speist (31). Diese Trommel bietet einen gesättigten Strom, den Antriebsstrom des Dampfstrahlpumpes, Innovation 3, und das Kondensat, das die Einspritzung von Innovation 2 und die Wasserpumpe (12) speist.
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Die Förderpumpe (12) speist den Abhitzdampferzeuger – HRSG (10) und die Hochdrucktrommel (1) mit überhitztem Dampf.
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Um den Kreislauf abzuschließen wird dieser Dampf ins Innere der Verbrennungskammer (20) in den Motorblock (3) eingespritzt, wo er mit der Luft und dem Kraftstoff am Ende des Verdichtungstakts (C) zusammenkommt, was durch den Fluss (2) in dargestellt wird, Innovation 1.
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Die Tabelle 1 zeigt die simulierten Fälle im Hinblick auf Masse und Energiebilanzberechnungen, deren Ergebnisse die Anwendung der Erfindung begründen.
| A | Referenz Otto-Taktmotor, nachfolgend beschrieben |
| B | Kombinierter Taktmotor – Prototyp (modifizierter Referenzmotor) |
| O | Kombinierter Taktmotor – optimiert (modifizierter Referenzmotor) |
Tabelle 1 – Berechnete Fälle
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Die mechanischen Eigenschaften eines Referenz-Otto-Taktmotors (A), zusammengefasst in Tabelle 2, wurden auch für den Prototyp des Taktmotors (B) und des optimierten Motors (O) verwendet (außer Verdichtungsrate).
| 2.1 | Gesamthubraum | 1.795,6 cm3 |
| 2.2 | Anzahl Zylinder | 4 in Linie |
| 2.3 | Verdichtungsrate | 10,5:1 |
| 2.4 | Kolbenweg | 88,2 mm |
| 2.5 | Kolbendurchmesser | 80,5 mm |
| 2.6 | Anzahl Ventile pro Zylinder | 2 |
Tabelle 2 – Motoreigenschaften
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Im Falle eines Referenz-Otto-Taktmotors (A), wurden der Wärmeertrag im Motor, die Effizienz des Ausdehnungsprozesses der Verdichtungsgase, die Wärmeübertragungsfaktoren, die Flussratenkapazität des Entladungsventils und die Referenztemperatur, um eine Selbstentzündung zu vermeiden (Detonation).
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Die gemessenen operative Daten, die benutzt wurden, waren:
| 3.1 | Rotation | 3.600 RPM |
| 3.2 | Gemessene Netzleistung | 53,00 kW |
| 3.3 | Spezifischer Benzinverbrauch | 283,91 g/kW |
| 3.4 | Luft/Kraftstoff-Verhältnis | 13.6 [g/g] |
| 3.5 | Druck am Ansaugkrümmer | 0,915 bar abs |
| 3.6 | Temperatur am Ansaugkrümmer | 25,3°C |
| 3.7 | Druck am Ausstoßkrümmer | 1,157 bar abs |
| 3.8 | Temperatur im Ausstoßgas im Katalysator | 907°C |
| 3.9 | Entzündungs-Punkte | 20,7° |
| 3.10 | Kühlwasser-Temperatur | 92.3°C |
Tabelle 3 – Betriebliche Daten für Referenz-Otto-Taktmotor (A)
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Die folgenden Parameter wurden für den Referenz-Otto-Taktmotor (A) geschätzt:
| 4.1 | Temperatursturz im Zylinder-Ausstoßkrümmer | 10° |
| 4.2 | Verbrauch der Motorkomponenten (Pumpen, Lüfter, Ventilsteuerung, Verschleiß, usw., ...) | 2,12 kW |
| 4.3 | Verbrennungseffizienz | 99,5% |
| 4.4 | Druck am Oberen Totpunkt (TDC) – Ende des Ausstoßes (Durchschnitt zwischen den Druckaus- und -einlasskrümmern). | 1,036 bar abs |
| 4.5 | Druck am Unteren Totpunkt (BDC) – Ende der Aufnahme (RAM-Effekt proportional zum Quadrat der Rotation) | 0,967 bar abs |
| 4.6 | Zusammensetzung des Restgases bei TDC – Ende des Ausstoßes von Verbrennungsluft/(Verbrennungsluft + Verbrennungsgas) | 10% |
Tabelle 4 – Geschätzte Daten (müssen experimentell bestätigt werden)
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Die Messungen wurden unter den folgenden Umgebungsbedingungen vorgenommen:
| 5.1 | Atmosphärischer Druck | 0,95377 bar abs |
| 5.2 | Umgebungstemperatur | 17,2° |
| 5.3 | Relative Luftfeuchtigkeit | 63,3% |
Table 5 – Umgebungsbedingungen
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Die Ergebnisse der Massen und Energiebilanzberechnung in Bezug auf den Taktmotor werden zusammengefasst in der nachfolgenden Tabelle und in den und dargestellt.
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Für die Motorleistung, die in den Tabellen 2 und 3 dargestellt wird, wurden die folgenden Parameter festgestellt:
| 6.1 | Verbrennungs-/Ausdehnungseffizienz | 95,4% |
| 6.2 | Gesamtwärmeeffizienz | 29,12% |
| 6.3 | Thermische Verbrennungsleistung | 182,0 kW |
| 6.4 | Benzinverbrauch | 17,9 l/h |
| 6.5 | Bei der Ausdehnung generierte mechanische Energie | 103,6 kW |
| 6.6 | Bei der Verdichtung verwendete mechanische Energie | 37,5 kW |
| 6.7 | Beim Auslass verwendete mechanische Energie | 7,6 kW |
| 6.8 | Beim Einlass verwendete mechanische Energie | 3,3 kW |
| 6.9 | Thermische Leistung, die im Radiator abgeleitet wird | 54,7 kW |
| 6.10 | Thermische Leistung, die durch den Schalldämpfer entladen wird | 52,8 kW |
| 6.11 | Referenztemperatur für die autom. Zündung (Detonation) | 564,3° |
Tabelle 6 – Ergebnisse der Massen- und Energiebilanz im Referenzmotor
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Die Massen- und Energiebilanzen im Kombizyklusmotor-Prototyp (B) wurden durchgeführt unter der Annahme von Daten in konservativer Auslegung, um experimentelle Daten für ein fortschrittliches und optimiertes Auslegung in einem kombinierten Zyklusmotor (O) zu erhalten. Die angenommenen Projektdaten waren:
| 7.1 | Verdichtungsrate | 14:1 |
| 7.2 | Zusammensetzung des Restgases bei TDC – Ende des Ausstoßes – Verdichtungsluft/(Verdichtungsluft + Verdichtungsgas) | 90% |
| 7.3 | Temperatursturz zwischen der Zylinderentladung und dem Abhitzdampferzeuger – HRSG | 10° |
| 7.4 | Minimaler Temperaturunterschied im HRSG (“Pinch Point”) | 30° |
| 7.5 | Druck im Entladungsverteiler | 0,88 bar abs |
| 7.6 | Druckabfall in HRSG | 0.1 bar abs |
| 7.7 | Druck bei Hochdruckdampf (VA) | 225 bar abs |
| 7.8 | Effizienz bei Hochdruckdampfausdehnung | 60% |
| 7.9 | Effizienz bei Niedrigdruckdampfausdehnung | 60% |
| 7.10 | Pumpeneffizienz | 50% |
Tabelle 7 – Projektdaten im Kombizyklusmotor-Prototyp (B)
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In der folgenden Tabelle werden die Hauptbilanzergebnisse für die Masse und Energie im Kombizyklusmotor-Prototyp (B) aufgeführt. In Klammern ist die Differenz zu einem Otto-Taktmotor (A) aufgeführt:
| 8.1 | Netzleistung | 82,4 kW (55,5%) |
| 8.2 | Gesamtwärmeeffizienz | 42,9% (47,4%) |
| 8.3 | Thermische Verbrennungsleistung | 192,0 kW (5,5%) |
| 8.4 | Benzinverbrauch | 18,9 l/h (5,5%) |
| 8.5 | Temperatur der Motorauspuffgase (HRSG-Einlass) | 654° |
| 8.6 | Hockdruckdampfflussrate | 0,0219 kg/s |
| 8.7 | Temperatur des Hochdruckdampfes | 624° |
| 8.8 | Niedrigdruckdampfflussrate | 0,0142 kg/s |
| 8.9 | Kondensattemperatur (Niedrigdruckdampf) | 168° |
| 8.9 | Kondensatdruck (Niedrigtemperaturdampf) | 7,5 bar abs |
| 8.10 | Flussrate der Niedrigdruckkondensat-Einspritzung | 0,00332 kg/s |
| 8.11 | Leistung des Antriebsstrom | 3,0 kW |
| 8.12 | Wärmebelastung im Kondensator (Heizkörper) | 97 kW |
| 8.13 | Leistung der Speiswasserpumpe | 1,1 kW |
Table 8 – Ergebnisse der Massen- und Energiebilanz im Kombizyklusmotor-Prototyp (B).
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Die volumetrische Kapazität, d.h. die Verbrennungskapazität des Kombizyklusmotor-Prototyp (B) ist um 5,5% großer als beim Otto-Takt-Motor (A) als Ergebnis der folgenden Faktoren:
| Zugunsten von Kombizyklusmotor-Prototyp (B) | Zugunsten von Otto-Takt-Motor (A) |
| Geringere Temperatur am Ende der Aufnahme | Weniger Dampf am Ende der Einnahme |
| Luft im Restgas (geschätzte 90% gegenüber 10%), muss experimentell angepasst werden | Größeres Volumen in der Verbrennungskammer (20) (geringere Verdichtungsrate) |
Tabelle 9 – Parameter, die die volumetrische Kapazität des Motors
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Bei Berechnungen wurde die RAM-Effektvariation nicht berücksichtigt, bei der es sich um die Trägheit der Verbrennungsluft beim Einlass handelt – der interne Druck in den Zylindern ist am Ende der Ansaugung höher als der Druck am Ansaugkrümmer. Während in beiden Fällen die gleiche Rotation berücksichtigt werden sollte, sollte dieser Effekt beim Kombizyklusmotor-Prototyp (B) aufgrund der Kondensateinspritzung während der Öffnung des Ansaugventils und des geringeren Drucks im Ausstoßkrümmer höher sein. Bei theoretischen Berechnungen wird dieser Effekt ignoriert. Dies sollte experimentell geprüft werden.
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Im Falle des optimierten Kombizyklusmotors (O) wurden die Massen- und Energiebilanzen ermittelt, um die Grenze der Wirksamkeit des Kombizyklusmotors einzuschätzen. Die folgenden Daten für den optimierten Motor (O) wurden benutzt:
| 10.1 | Verdichtungsrate | 25:1 |
| 10.2 | Temperatursturz zwischen der Zylinderentladung und dem Abhitzdampferzeuger – HRSG | 1° |
| 10.3 | Minimaltemperaturunterschied im HRSG (“Pinch Point” – Druckverlust 0,2 bar | 3° |
| 10.4 | Druck bei Hochdruckdampf (VA) | 400 bar abs |
| 10.5 | Effizienz der Hochdruckdampfausdehnung | 90% |
| 10.6 | Effizienz der Niedrigdruckdampfausdehnung | 90% |
| 10.7 | Pumpeneffizienz | 80% |
Tabelle 10 – Projektdaten des optimierten Kombizyklusmotors (O)
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In der folgenden Tabelle werden die Hauptmassen- und Energiebilanzergebnisse im optimierten Kombizyklusmotor (O) zusammengefasst. In Klammern ist die Differenz für einen Referenz Otto-Taktmotor (A) angegeben:
| 11.1 | Netzleistung | 84,3 kW (59 %) |
| 11.2 | Gesamtwärmeeffizienz | 44,9% (54.3%) |
| 11.3 | Verbrennungswärmeleistung | 187,6 kW (3.1%) |
| 11.4 | Benzinverbrauch | 18,5 l/h (3.1%) |
| 11.5 | Temperatur der Motorauspuffgase (HRSG-Einlass) | 558° |
| 11.6 | Hockdruckdampfflussrate | 0,0185 kg/s |
| 11.7 | Temperatur des Hochdruckdampfes | 555° |
| 11.8 | Niedrigdruckdampfflussrate | 0,156 kg/s |
| 11.9 | Kondensattemperatur (Niedrigdruckdampf) | 163° |
| 11.10 | Kondensatdruck (Niedrigtemperaturdampf) | 6,6 bar abs |
| 11.11 | Flussrate der Niedrigdruckkondensat-Einspritzung | 0,00553 kg/s |
| 11.12 | Leistung des Antriebsdampfes (VB) | 4,6 kW |
| 11.13 | Wärmebelastung im Kondensator (Radiator) | 94,3 kW |
| 11.14 | Leistung der Speiswasserpumpe | 1,0 kW |
Tabelle 11 – Ergebnisse der Massen- und Energiebilanz im fortgeschrittenen Kombizyklusmotor.
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SIMULATIONSERGEBNISSE
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In den 2 bis 7 folgen die Kurven dem Otto- oder Diesel-Zyklus, beginnend mit der Ansaugung (I). Sie geht nach rechts bis zum Beginn der Verdichtung (c). Dann folgen die Arbeit (P) und der Ausstoß (E), bis zum erneuten Beginn der Ansaugung (I).
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Die zeigt die Kurven für den Gasdruck innerhalb der Verbrennungskammer (20) in bar abs, al seine Funktion des Kurbelwellenwinkels für alle vier Takte eines Referenz-Otto-Taktmotors (A).
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Die Öffnung des Aufnahmeventils (80) erfolgt kurz vor dem Ausstoß (E), und ist während des gesamten Aufnahmetakts (I) offen und schließt sich (81) zu Beginn der Verdichtung (c). Die Öffnung des Ausstoßventils (85) erfolgt vor dem Ende der Arbeit (P) und bleibt während des gesamte Ausstoßtaktes (E) offen, und schließt (86) zu Beginn der Aufnahme (I). Somit bleiben beide Ventile für einen kurzen Zeitraum, zwischen der Öffnung des Aufnahmeventils (8) und der Schließung des Ausstoßventils (86) geöffnet.
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In werden die Druckkurven innerhalb des Zylinders eines Referenz-Otto-Taktmotors (A) und denen des Prototyps des Kombibitaktmotors (B) während der vier Takte gezeigt.
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Durch Benutzung des Dampfstrahlpumpes (7), Innovation 3, ist der Druck im Ausstoßkrümmer geringer als der Druck des Ansaugkrümmers, der beim Fluss der ausgestoßenen Gase behilflich ist. Bei einem konventionellen Motor, ist der Ausstoßdruck höher als der Ansaugdruck, was eine größere Kolbenarbeit erforderlich macht, um die Ausstoßgase zu pumpen. Daher, wie in dargestellt, ist der Druck im Zylinder zu Beginn der Aufnahme (50) beim Prototyp des Kombizyklusmotors (B) geringer als der Druck in einem Referenz-Otto-Taktmotor (A).
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Am Ende der Aufnahme (51) sind die Druckwerte gleich, da bei beiden Motoren vom gleichen RAM-Effekt ausgegangen wurde (siehe Erläuterung der Tabelle 9). Der endgültige Verdichtungsdruck (52) in einem Prototyp des Kombizyklusmotors (B) ist aufgrund des höheren Verdichtungsdrucks (von 14:1 zu 10,5:1) höher als in einem Referenz-Otto-Taktmotor (A).
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Neben einer geringeren Innentemperatur im Innern der Zylinder des Prototyps des Kombizyklusmotors (B) während der Verdichtung (siehe ), ist der Innendruck höher als beim Referenz-Otto-Taktmotor (A), ausgelöst durch eine größere Verdichtungsrate und vor allem durch eine Hochdruckdampfeinspritzung, vorzugweise über dem kritischen Druck am Ende der Verdichtung bis zum Beginn der Verbrennung, Innovation 1. In den gleichen Kurven, innerhalb einer Reichweite von 140 bis 150 Grad, wird die Auswirkung der Öffnung des Ausstoßventils (54) berücksichtigt, was zu einem erhöhten Druckabfall führt. Am Ende dieses Arbeitstakts (P) erfolgt der kritische Fluss, und der Entladungsfluss hängt nur von den Bedingungen vor dem Ausstoßventil ab.
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In den Ausstoß Druckkurven (E) wird erneut die Auswirkung des niedrigeren Drucks im Ausstoßkrümmer (8) des Prototyps des Kombizyklusmotors (B) festgestellt, wenn der Fluss durch das Ventil nicht mehr kritisch ist und die Entladeflussrate proportional zum Druckunterschied ist. Der Innendruck des Prototyps des Kombizyklusmotors (B) sinkt schneller als der Referenz-Otto-Taktmotor (A).
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In 4 werden die Druckkurven innerhalb des Zylinders des Referenz-Otto-Taktmotors (A), die Kurven des Prototyps des Kombizyklusmotors (A) und die Kurven des optimierten Kombizyklusmotors (O) während der vier Takte dargestellt. Die Verdichtungsrate im optimierten Motor (O) ist höher als in einem Prototyp des Kombizyklusmotors (B) und daher ist der Druck am Ende der Verdichtung höher (55).
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5 zeigt die Kurven der Innentemperatur im Innern der Zylinder des Referenz-Otto-Taktmotors (A), in Grad Celsius, als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels für die vier Takte (I, C, P und E).
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In 6 werden die Innentemperaturkurven für das Innere der Zylinder eines Referenz-Ottotaktmotors (A) und die Kurven im Prototyp des Kombizyklusmotors (B) während der vier Takte (I, C, P und E) dargestellt.
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Aufgrund der Niedrigdruckkondensat-Einspritzung am Ende des Ausstoßes (E) und zu Beginn der Aufnahme (I), Innovation 2, ist die Gastemperatur zu Beginn der Aufnahme (56) in einem Prototyp des Kombizyklusmotors (B) viel geringer als bei einem Referenz-Otto-Taktmotor (A).
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Ein Teil des eingespritzten Kondensats verdampft aufgrund des geringeren Drucks innerhalb der Zylinder in Bezug auf den Druck in der Trommel (6), die das Verbrennungsgas vom Zylinder treibt. Der andere Teil des gesättigten Kondensats, das eingespritzt wird, bleibt im flüssigen Zustand, als Tröpfchen, die nur am Lufteinlass verdampfen und so die relative Luftfeuchtigkeit nach dem Sättigungsgrad halten. In diesem Moment (56) ist die Verbrennungskammer mit gesättigtem Dampf, einer geringen Menge an restlichem Verbrennungsgas und aufgeflammtem Kondensat gefüllt. Neben der hohen Temperatur im Motorblock (3) hält die Verdampfung des Kondensats die Temperatur des Luft/Kraftstoffgemisches im Innern der Zylinder während des Aufnahmezeitraums (I) gering. Die geringe Temperatur und die Anwesenheit von weniger Restausstoßgas am Ende der Aufnahme (I) erhöht die volumetrische Kapazität des Kombizyklusmotors im Vergleich zum Referenz-Otto-Motor, und verfügt somit über eine höhere Verbrennungskapazität.
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Mit der geringeren Temperatur am Ende der Aufnahme und einem kleinen Rest an aufgeflammtem Kondensat kann die Verdichtungsrate des Kombizyklusmotors sich ohne eine Verbrennung erhöhen. Anhand der Kurven zur Verdichtungstemperatur (C) in der Abbildung, kann neben den Verdichtungsraten (14:1 und 10,5:1) der Augenblick der Entzündung (58) festgestellt werden, wenn die Gastemperatur im Kombizyklusmotor (B) und im Referenz Otto-Takt-Motor (A) gleich sind. Während der Arbeit (P) kann die Auswirkung des Kondensats und der Hochdruckdampfeinspritzungen beobachtet werden. Die Innentemperatur des Kombizyklusmotors (B) ist substantiell geringer als der Druck im Otto-Taktmotor (A), wodurch entsprechend die Bildung von NOx verringert wird.
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In 7 werden die Temperaturkurven im Innern des Zylinders des Referenz-Otto-Taktmotors (A), die Kurven des Prototyps des Kombizyklusmotors (B) und vom optimierten Kombizyklusmotor (O) während der vier Takte aufgeführt. Durch eine effizientere Dampferzeugung, ist die Produktion von Hochdruckdampf proportional beim optimierten Kombizyklusmotor (O) höher als beim Prototyp des Kombizyklusmotors (B) und folglich ist auch die Reduktion der Verbrennungstemperatur höher. Neben der höheren Verdichtungsrate (25:1) im optimierten Kombizyklusmotor (O) ist die Innentemperatur in den Zylindern bei der Entzündungs-Punkte gleiche wie beim optimierten Kombizyklusmotor und beim Referenz-Otto-Taktmotor (A).
