DE19545397A1

DE19545397A1 - Schadstoffarmer Dieselelektroantrieb

Info

Publication number: DE19545397A1
Application number: DE19545397A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kordelle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 1997-06-26

Description

Nachteile bisheriger Verbrennungsmotore

Es entstehen bei der Verbrennung unter Druck mit Normalluft immer Schadstoffe, wie: Stickoxide, Ruß, Kohlenwasserstoffen HCN. Je höher der Verbrennungsdruck und je höher die Drehzahl = Hubzahl, desto mehr Stickoxide entstehen. Mit höherer Drehzahl steigt auch der Anteil nur teilweise verbrannter Kohlenwasserstoffe, weil nicht genug Zeit zur vollständigen Verbrennung zur Verfügung steht. Motore arbeiten nur innerhalb eines Drehzahlbereichs wirtschaftlich, d. h. der Ver brauch und die CO₂-Erzeugung sind nur in einem kleinen Dreh zahlbereich minimal. Bei höheren Drehzahlen entsteht mehr CO₂. Schadstoffe von Benzinmotoren können mit Katalysatoren verbrannt werden. Ruß von Dieselmotoren wird mit Filtern, die schnell verschleißen oder verstopfen, ausgefiltert.

Grundidee für den neuen Motor

Der Motor wird so gebaut und betrieben, daß bei der Verbrennung keine Schadstoffe außer CO₂ entstehen. Der Kolbenmotor muß immer im günstigsten Hubzahlbereich arbeiten, deshalb müssen Zylinder und Kolben zu- und abgeschaltet werden können; dies ist aber nur bei Motoren ohne Kubelwelle einfach. Der Treibstoff wird im Kolben mit möglichst O₂ rein verbrannt, damit Stickoxide nicht entstehen, die Verbrennung bei hoher Temperatur vollständig erfolgt und damit der Wirkungsgrad möglichst über 70% liegt. Kohlenwasserstoffe entzünden sich oft, wenn sie mit O₂ rein in Berührung kommen, deshalb kann man keinen Vergaser verwenden, es sind nur Einspritzmotore möglich. Die Flammtemperatur kann bis zu 5000°C sein, wodurch der Wirkungsgrad sehr hoch wird. Aber es gibt keinen festen Stoff, der so hohe Temperaturen aushält, auch nicht kurzzeitig. Es ist nötig, Zylinderkopf, Kolbendeckel und Zylinder gegen die heißen Verbrennungsgase zu isolieren. Eine Kurbelwelle ist bei Verwendung eines Lineargenerators pro Kolben oder Doppelkolben nicht nötig. Mehrere Gleichstrom generatore können einfach verschaltet werden (auch Generatore mit Gleichrichtern).

Brennluftaufbereitung

Mit einer mehrstufigen Gaszentrifuge wird O₂ auf möglichst 99% angereichert. Die Gaszentrifuge wird mit einem Unipolarmotor oder einem Drehstrommotor angetrieben. Die Gastrennung kann durch eine poröse Wand erfolgen, wo O₂-Moleküle schneller durchkommen, weil sie schwerer sind als N₂- Moleküle. Die Brennluft wird leicht verdichtet und in einem Luftbehälter (auch Luftballon) gespeichert, da eine Gas zentrifuge nur innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs funktioniert.

Wärmeisolation nach Fig. 1 und 2

1 = Zylinder, möglichst mit temperaturbeständiger Keramik beschichtet. Die Keramikbeschichtung entsteht bei einigen Metallegierungen (Verbindungen) von selbst bei der Herstellung oder wird durch Oberflächenbehandlung erreicht. 2 = Kolben, 3 = Zylinderkopf, 4 = Zylinderkopfbeschichtung aus hygro skopischer Keramik, 5 = Kolbenkopfbeschichtung aus hygro skopischer Keramik, 6 = Einspritzöffnung für Wasser mit Ver teilerkanälen zum Verteilen von Wasser über die ganze Fläche von 5, 19 Wassereinlaßventil für Wasser ist Richtungsventil für Einspritzpumpe oder Steuerventil, wenn keine Einspritzpumpe vorhanden ist, sondern Wasser unter Druck steht, 20 = Einlaßventil für Wasser mit Einspritzdüse; von 20 wird Wasser in 6 oder auf 5 gespritzt. 5 soll nicht nur den Kolbenkopf, sondern auch einen Teil des Zylindermantels bedecken. Nach jedem Arbeitshub muß das in 4 und 5 verdampfte Wasser ersetzt werden. Der Wasserdampf dient als Wärmeisolation. Durch die hohe Verdampfungswärme bleiben 5 und 4 relativ kalt, etwa 500 bis 900°C je nach Verdampfungstemperatur des Kristall wassers. Das Wasserverteilerkanalsystem von 4 und 5 ist nicht mit eingezeichnet, es entfällt auch, wenn die Einspritzdüsen Wasser auf die Oberflächen von 4 oder/und 5 spritzen, wie Einspritzdüse 20 in Fig. 2.

Beschreibung nach Fig. 1

1 = Zylinder, 2 = Kolben, 3 = Zylinderkopf, 4 und 5 = hygro skopische Beschichtung, 6 = Wassereinlaßöffnung (-trichter), 7 = Kolbenstange, 8 = veschiebbarer Zylinderdeckel mit Bohrung und Dichtung für 7 zum Verstellen der Füllmenge und damit der Kompession in 30, 9 = Anker, 10 = Polschiene. Es soll möglichst ein Lineargenerator nach Fig. 3 verwendet werden. 11 = Anschlagfeder (eine Ringfeder oder mehrere), 12 = An schlag, auch als Ring ausgeführt. 13 = Verbindungsstück der beiden Zylinder 1 und 101. Die Zylinder sollen möglichst noch veränderlichen Abstand zueinander haben. 7 verbindet die Kolben 2 und 102. Durch den veränderlichen Zylinder abstand bei gleichem Kolbenabstand läßt sich die Füllmenge mit 8 bei gleichem Höchstdruck in 31 ändern. 14 = Einlaß ventil als Richtungsventil, 15 = gesteuertes Auslaßventil, 15 und 16 sind für Brennluft (O₂), 16 = Auslaßventil, günstiger im Zylinderkopf, 17 = Einlaßventil für Brennluft mit Einlaßdüse oder Einlaßdüsenring. 17 ist mit 15 oder/und 115 verbunden, 18 = Kraftstoffeinspritzdüse mit Richtungsventil mit (für Einspritzpumpe oder gesteuertem Ventil bei Kraftstoff) steht unter Druck, 19 = Wassereinlaufventil mit Einspritzöffnung) (ist Richtungsventil bei Einspritzpumpe oder gesteuertes Richtungsventil). Pfeile geben Strömungsrichtung an. 30 = Kompressorraum für Brennluft, 31 = Verbrennungsraum.

Funktionsweise

1. Takt: Verbrennung in 31, 2 geht von A nach B, in 30 erfolgt Verdichtung, von 15 strömt O₂ über 117 in 131, wobei in 9 Spannung induziert wird.

2. Takt: In 131 erfolgt Zündung durch Einspritzen, 6 läuft von B nach A und es erfolgt Auspuff über 16, gleichzeitig erfolgt Kompression von O₂ in 130. Kurz vor oder schon während des Auspuffs strömt O₂ aus 115 über 17 in Brennraum 31. Beim Einspritzen erfolgt Zündung.

Der Motor arbeitet fast wie ein normaler Zweitaktdiesel, wenn man davon absieht, daß O₂ immer in den gegenüberliegenden Brennraum des gegenüberliegenden Zylinders gepreßt wird. Aus Motor kann jedoch auch ein normaler 2-Taktdiesel gemacht werden. Durch die verstellbare Kompression (wird durch 8 oder/und verschiebbare Zylinder erreicht) kann der Motor fast schadstofffrei arbeiten. Die Verbrennung erfolgt fast voll ständig, weil mit O₂ Überschuß verbrannt wird.

Motor mit Behälterkolben nach Fig. 2

Die Verbrennung erfolgt noch vollständiger, wenn Kraftstoff und O₂ aufeinander zuströmen und sich Wirbel bilden.

24 = Behälterkolben, 32 = Hohlraum, 14 = Richtungsventil, 33 = Richtungsventil, 17 = gesteuertes Ventil mit Luftein spritzdüse oder mehreren.

1. Takt: Verbrennung in 31, Kolben 24 geht von A nach B und verdichtet O₂ im Kompressorraum 30, durch 33 strömt O₂ in den Vorratsbehälter 32.

2. Takt: 24 wird durch 124 zurückgeschoben nach A. Es erfolgt Auspuff durch 16. Kurz vor oder kurz nach beendetem Auspuff wird 17 geöffnet und durch 18 Kraftstoff eingespritzt. 17 ist gesteuertes Richtungsventil, möglichst Magnetventil.

Es soll immer ein Doppelkolben, bestehend aus 2 an den Enden der Kolbenstange 7 angebrachten Kolben, verwendet werden. Der Gegenkolben (Indexe ab 100) 124 schiebt 24 zurück. Der Gegenkolben kann durch eine Feder ersetzt werden.

Weil Kraftstoff und Luft entgegengesetzt strömen, erfolgt eine vollständigere Verbrennung als beim Motor nach Fig. 1, auch weil die Flammtemperatur höher ist. Die Steuereinrichtungen für Ventile 17 und 117 befinden sich in der hohlen Kolben stange 7.

Anschlag 12 und Feder 11 verhindern Beschädigungen bei falscher Einstellung von 8 oder/und 12.

Generator nach Fig. 3

50 = geschlossener Magnetkreis, 51 = angesetzter Magnetkreis, muß nicht vorhanden sein, 40 = Erregerwicklung, 42 = Anker ohne Eisen, 41 = andere Hälfte der Erregerwicklung, 43 = Anker 2. Mit einem Generator nach Fig. 3 kann nur Wechselstrom veränderlicher Frequenz erzeugt werden, da sich die Geschwindigkeit von 50 ständig ändert. Der Generator nach Fig. 3 hat die kleinstmögliche Eisenkupfermasse für einen Linear generator. Soll die Masse der bewegten Teile klein sein, so steht 50 und 51 fest, und nur die Anker 42 und 43 werden bewegt.

Vorteil

Je nach Energiebedarf können beliebig viele Doppelkolben mit Kolbenstange 7 zu- oder abgeschaltet werden. Die Kopplung der Generatoren erfolgt über Gleichstrom. Material für 50 möglichst Dynamoglaseisenkies, da dann 50 aus mehreren preßverschweißbaren Teilen besteht und die Spulen einfach vorgefertigt und aufgesteckt werden.

Claims

1. Betrieb eines Einspritzmotors mit Brennluft, in der O₂ auf über 21% angereichert ist, um Schadstoffausstoß gering zu machen.

2. Verwendung einer mehrstufigen Gaszentrifuge zur O₂-Anreicherung für Verbrennungsmotore.

3. Betrieb eines Einspritzmotors mit möglichst O₂ rein, um vollständige Verbrennung und geringen Schadstoffausstoß zu erreichen.

4. Beschichtung von Zylinderkopf und Kolbendeckel mit hygro skopischer Keramik, um Beschädigungen von Zylinderkopf, Kolbendeckel und Kolbenringen zu vermeiden.

5. Wassereinlaßventile 19 (Einlaßröhren), um hygroskopische Keramik über ein Kanalsystem mit Wasser zu versorgen.

6. Wassereinlaßöffnung (= Trichter) 6 auf Kolben 2, in die durch eine Einspritzdüse 20 Wasser eingespritzt wird und über ein Kanalsystem über 5 verteilt wird.

7. Einspritzdüsen 20, mit denen Wasser auf die hygroskopische Keramik gespritzt wird, um verdampftes Kristallwasser zu ersetzen.

8. Form des Kolbens nach Fig. 1 und 2, gekennzeichnet durch eine konkave Oberfläche, um die heißen Verbrennungsgase so lange wie möglich von der Zylinderwand 1 fernzuhalten.

9. Form des Zylinderkopfs, gekennzeichnet durch eine konkave Oberfläche, um heiße Verbrennungsgase so lang wie möglich von 1 fernzuhalten, nach Fig. 1 und 2.

10. Verwendung eines Speicherkolbens 24 nach Fig. 2, um durch Gegenströmung von Kraftstoff und O₂ (Luft) eine vollständige Verbrennung zu erreichen.

11. Luftauslaßventil 17 im Behälterkolben, gesteuert durch eine Vorrichtung in der hohlen Kolbenstange 7.

12. Verwendung von 2 gegeneinander gesetzten Zylindern und Doppelkolben (2 und 102) zur Erzeugung einer hin- und her gehenden Bewegung.

13. Verstellteil 8 (verschiebbar), um Füllmenge zu ver ändern, um Motor dem Luftdruck und der Leistung anzupassen.

14. Gegeneinandergesetzte, zueinander verschiebbare Zylinder zur Regelung der Füllmenge.

15. Ersatz des Gegenzylinders (und des halben Doppelkolbens) durch eine Feder, um Material einzusparen.

16. Verwendung eines Lineargenerators zur Stromerzeugung.

17. Verwendung eines luftspaltlosen Lineargenerators zur Elektroenergieerzeugung.

18. Luftspaltloser Lineargenerator nach Fig. 3, gekenn zeichnet durch einen geschlossenen Magnetkreis, der beweglich zu den Ankern 43 und 42 angeordnet ist, um Masse gering zu halten.

19. Erregung der Erregerwicklung 40 und 41 mit Wechselstrom, um Masse zu verringern beim Lineargenerator nach Fig. 3.

20. Ansprüche 1 bis 19 gelten auch, wenn mehrere beschriebene Teile verwendet werden.

21. Kanalwasserverteiler zwischen hygroskopischer Keramik und damit bedeckter Oberfläche zur gleichmäßigen Verteilung.

22. Gefederter Anschlag, bestehend aus Anschlag 12 und Feder 11, um Beschädigungen der Keramikbeschichtungen zu vermeiden und auch andere Beschädigungen.

23. Beschichtung der inneren Hohlzylindermantelfläche mit hygroskopischer Keramik, um Überhitzung zu vermeiden.

24. Beschichtung der inneren Hohlzylindermantelfläche mit temperaturbeständiger Keramik, um Beschädigung zu vermeiden und die Oberfläche lange glatt zu halten.

25. Wassereinspritzung auf oder in die hygroskopische Keamik nach jedem Arbeitstakt, um verdampftes Kristallwasser zu ersetzen.

26. Verwendung einer anderen geeigneten Flüssigkeit als Wasser, die den gleichen Zweck erfüllt.

27. Ersatz des Wassers durch ein geeignetes Gas oder Gasgemisch, welches den gleichen Zweck erfüllt.

28. Kraftstoffeinspritzung durch den bewegten Kolbendeckel für bessere Wirbelbildung und vollständigere Verbrennung.