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Der
Thermosmotor als isolierte Verbrennungs-Wärmekraftmaschine mit Diesel-Direkteinspritzung
und gesteuert integrierter Hochdruck-Heißdampfexpansion arbeitet nach
einem neuen thermodynamischen Konzept mit der Zielsetzung, bei verringerten
Kühl- u.
Abgas-Wärmeverlusten,
mit gesteuert innerer Kompressions-Direktkühlung u. herabgesetzten Verbrennungstemperaturen
in Temperaturbereiche wesentlich verringerter spezifischer Wärmeaufnahme
des Motor-Arbeitsgases, – primärseitig mit
schadstoffreier, d.h. ohne Abgaskatalysatoren mit vollständig stickoxid-
wie auch rußfrei
gewährleisteter
Abgasqualität, – bei höherer Leistungsdichte
verbesserte Wirkungsgrade zu erreichen.
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Der
Thermosmotor arbeitet bei rückgekühlt höherer Turboaufladung
mit Diesel-Direkteinspritzung
und leistungsgesteuert innerer Kompressions-Verdampfungskühlung, mit
dem Kompressionsverhältnis
von ε =
18 ÷ 20.
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Ohne äußere ungesteuerte
Motorkühlung, die
stets bei durchgehender Kühlung
für alle
Motorarbeitsphasen – nach
dem Stande der Technik – verlustreiche
Arbeitstaktkühlungen
mit beinhaltet, werden wesentlich verringerte Arbeitsdruck- und
Kühl-Wärmeverluste
in den thermodyn. Hauptarbeitsphasen durch quasi wärmedicht
isolierte und periodisch innengekühlte Verbrennungs- und Heißgasexpansionsräume (A)
und (B) oberhalb der Kolbenringpartie und der ölversorgten Kolbenringbahn
(s. 1) aus leitwärmeisolierenden
Materialien erreicht.
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Die
Brennraum-Innenwandungen aus leitwärmehemmenden Materialien werden
hierbei durch die leistungssynchron gesteuerte und periodisch während der
Kompressionshübe – oberhalb
der kolbenringführenden
Zylinderbahn – erfolgende
Einspritz-Druckwasser-Verdampfungskühlung temperaturkonstant
gehalten (s. 1), wobei
mit dem dadurch unter druckerhöhenden
Partialdampfdrücken motorintern
entstehenden Heißdampfanteil,
für die
je direkt anschließenden
Arbeitstakte jeweils ein temperaturabsenkend zusätzlicher, – volumetrisch prozeßgünstig größerer – Inertgasanteil
erzeugt wird!
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Die
Motorkolben werden zum Zweck der Brennraum-Wärmeisolierung, verbunden mit
einer hohen Materialstandfestigkeit unter größeren Massenkraft-, Arbeitsdruckkraft-
und Temperatur-Beanspruchungen, mit leitwärmeisolierend doppelwandigen
Thermos-Kolbenaufsätzen
(TK) in dünnwandiger Leichtbauweise
aus einer hochwärmefesten
und leitwärmehemmenden
Chrom-Nickel-Stahllegierung (oder W-Ti-Mo-Legierung o.ä.) ausgerüstet. Diese doppelwandigen
Thermos-Kolbenaufsätze
(TK) sind, – von
ihren kälter
gehaltenen Außenmänteln (M)
ausgehend, nach innen zu den zentrisch angeordneten heißeren Doppeldrall-Verbrennungsmulden
(A) hin, mit wärmeisolierend
evakuierten Thermos-Ringhohlräumen
(d + e) versehen. (1)
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Die
innerhalb der doppelwandigen Thermos-Kolbenaufsätze (TK) auf diese Weise konstruktiv
separierten und wärmeisoliert
ausgeführten, – sowie
verbrennungsfördernd
an den Innenwänden
heißeren – Doppeldrall-Verbrennungsmulden
(A) sind von der Muldenöffnungs-Strömungskante
aus um etwa 1/3 des Ringmulden-Rundprofildurchmessers hinterdreht
ausgeführt
und strömungstechnisch
mit einem konzentrisch angeordneten, sowie mit dem größeren Radius
des Ringmulden-Rundprofiles als Hohlkehle anlaufenden und nach oben
zu parabolisch ausgeformten Strömungs-Leitkegel (G) mit
etwa dem halben Muldenöffnungs-Durchmesser
und mit 4/5 der Muldenhöhe
ausgestattet (s. 1 u. 2).
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Desweiteren
sind die doppelwandig thermosisolierten Kolbenaufsätze (TK)
aus leitwärmehemmendem
Material (Chr-Ni-Stahl o.ä.)
mit ihrem verstärkten
Halterungsgrundring (H) am oberen äußeren Umfang des jeweiligen
Kolbengrundkörpers
(KG) aus der üblichen
Kolben-Leichtmetallegierung, entweder mittels einer in den verstärkten Halterungsgrundring
(H) hinein aus dem gleichen Kolben-Leichtmetall des jeweiligen Kolbengrundkörpers (KG)
eingegossenen Halterungsverbindung starr verbunden, – oder mittels
einer haltbaren Schrumpfverbindung in der Weise kraftübertragunsfähig starr
zusammengefügt,
daß der
Halterungsgrundring (H) schon mindestens zweimal seiner verstärkten bzw. verbreiterten
Wandstärke
(s) oberhalb des ersten Kompressions-Kolbenringes beginnend, kraftschlüssig in
starrer und haltbarer Festsitzverbindung greift (s. 1).
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Dadurch
wird die von den Verbrennungs- und Heißgasexpansionsräumen (A)
und (B) über
den längeren
Weg des Kolbenaufsatzmantels (M) mit "Wärmesperrquerschnitt" (q) sehr gering
zum Grundring (H) gelangende Restleitwärme schon oberhalb der Kolbenringpartie
in den hoch wärmeleitenden Kolbengrundkörper (KG)
eingeleitet. Dieser sehr geringe Verlustwärmeanteil wird auf diese Weise
ohne Leitwärmestau
vor den Kolbenringen, – durch
die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
des Kolbengrundkörpers
(KG), – von
letzterem sehr schnell fließend
absorbiert und unterwärts
an das Pleuelstangen-Schleuderöl
abgegeben (s. 1 u. 2).
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Zur
leitwärmeisoliert
problemlosen Kraftübertragung
der Verbrennungsdruckkräfte
vom betriebsheißen
Verbrennungsmuldenraum (A) her direkt auf den kälter gehaltenen Kolbengrundkörper (KG),
wird unterhalb von der heißeren
Doppeldrall-Verbrennungsmulde
(A) bis über
den Bereich der stark hinterdreht peripheren Hohlkehlen hinaus, eine
wärme-
und druckfeste Stützringplatte
(S) mit allerge ringster Wärmeleitfähigkeit
(Techn. Keramik o.ä.)
vorgesehen (s. 2).
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Zur
Sicherung gegen Massenkraft-Einwirkung werden die Thermos-Kolbenaufsätze (TK)
unterwärts
der Doppeldrall-Verbrennungsmulden (A) zusätzl. mit den Kolbengrundkörpern (KG)
zentrisch verankert (s. 1).
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Die
statischen und von innen verdampfungsgekühlten Thermos-Zylindereinsätze (TZ)
mit ihren Verbrennungs- und Heißgasexpansionsräumen (B), sind
aus einem Werkstoff mit der geringstmöglichen Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus temperaturbeständig, gasdruck-
und verschleißfester
Technischer Keramik (z.B. Zirkoniumoxid) mit der geringfügigen Wärmeleitzahl
von nur 2,1 gefertigt (s. 1).
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Während der
Kolbenspiele fährt
der vorstehend beschriebene und doppelwandig thermosisoliert, sowie
massenkraftbeständig
ausgeführte
Thermos-Kolbenaufsatz (TK) oberhalb der kolbenringführenden
Zylinderbahn, mit dem äußeren und
kälter
gehaltenen Aufsatzmantel (M) in seiner ganzen Bauhöhe von etwa
1/3 des Kolbenhubweges, unter Einhaltung eines Ringraum-Luftspaltes
(C) von rundum etwa 0,4 bis 0,8 mm Breite – als Kompressionsluft-Schichtladungsringraum
(C) – (je
nach Kolbengröße), berührungsfrei
in den je zugeordnet statischen Verbrennungs- und Heißgas-Expansionsraum (B)
des aus hoch wärmeisolierendem
Material gefertigten Thermos-Zylindereinsatzes (TZ) ein und aus, der
in gleicher Bauhöhe
wie der jeweilige Thermos-Kolbenaufsatz (TK) ausgeführt und
zwischen bisherigem Motorzylinderblock und dem Zylinderkopf angeordnet
ist (s. 1 u. 2).
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Die
wärmeisoliert
statischen Verbrennungs- und Heißgas-Expansionsräume (B)
stellen zusammen mit den jeweils zugehörigen, und innerhalb der doppelwandigen
Thermos-Kolbenaufsätze
(TK) – gleichfalls
wärmeisoliert – angeordneten
Verbrennungsmulden (A), während
der abwärtsgehenden
Arbeits-Kolbenhübe
vom oberen Kolbentotpunkt aus bis zum jeweiligen Austauchen der
doppelwandigen Thermos-Kolbenaufsätze (TK)
aus (B), d.h. bis über 70° Kurbelwinkel
der Arbeitshübe
hinausgehend, für die
thermodynamischen Hauptarbeitsphasen der Kraftstoffverbrennung und
Heißgasexpansion
höherer
Arbeitsdrücke,
jeweils den quasi wärmedichten – und damit
den nahezu wärme-
und druckverlustfreien – Verbrennungs- und Heißgas-Expansionsraum
(A) plus (B) dar. (s. 2, 1 u. 3)
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Die
sehr gering wärmeleitenden
Innenwandungen (II) der statischen Verbrennungs- und Heißgasexpansionsräume (B)
von den Thermos-Zylindereinsätzen
(TZ) aus Techn. Keramik mit Wärmeleitzahl
~2,1 werden wegen ihrer Durchströmung
von der unter höherem
Ladedruck rückgekühlten Turboaufladung
während
der Zylinderfüllungen,
durch die periodische Einspritz-Druckwasser-Verdampfungskühlung auf
wesentlich niedrigerem Temperaturniveau konstant gehalten, als die – verbrennungsfördernd für die Randzonen – heißer gehaltenen
Innenwandungen (I) der mit Wä-Leitzahl
12 etwas wärmeleitfähigeren – jedoch
nach außen
zu thermosisolierten – Wandungen
der Doppeldrall-Verbrennungsmulden (A) aus Chr-Ni-Stahl (s. 1 u. 3).
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Dieses
ist für
die unmittelbar an die periodische Innenwandungskühlung während der
Kompressionshübe,
je direkt anschließenden
Motor-Arbeitstakte ohne schädliche
Auswirkung, da während
der jeweils im Viertakt periodisch kurzzeitigen Arbeitshübe durch
die niedrige Wärmeleitzahl
von nur 2,1 der Thermos-Zylindereinsätze (TZ) aus Technischer Keramik,
bei den andererseits prozeßbedingt
stark reduzierten Verbrennungstemperaturen, sowie durch die zusätzlich – temperaturabsenkend
für die
Innenwandungen – vorgesehene
Wandungs-Schichtladung kälterer
Kompressionsluft, hierdurch während der
Arbeitstakte keine spürbar
wesentliche Wärmemenge
an die kühleren
und äußerst geringfügig wärmeleitenden
Innenwandungen der Heißgas-Expansionsräume (B)
abgeleitet wird! (s. 2 u. 3)
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Nach
den thermodynamischen Hauptarbeitsphasen innerhalb der periodisch
von innen verdampfungsgekühlten
Verbrennungs- und Heißgasexpansionsräume (A)
und (B) oberhalb der Kolbenbahn, herrschen im abwärts befindlich
kolbenringführenden Motorzylinderteil
bei jeweils weit fortgeschrittener Arbeitsgasexpansion fallend ermäßigte Gas-Expansionstemperaturen,
die den Zylinder-Innenwandungen mit ihrer innengeführt laminaren
und kälteren
Wandungsschichtladung, während
der Arbeitstakte wärmerückhaltend
fern gehalten werden. (s. 3)
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Der
Kompressionsluft-Schichtladungsanteil vom Schichtladungsringraum
(C) her, der nicht an der Motorverbrennung teilnimmt, expandiert – für sich dort
allein betrachtet, – parallel
zur Hauptarbeitsphase und wird während
der Arbeitshübe
durch den dünnwandigen
und kühleren
Mantel (M) des jeweiligen Thermos-Kolbenaufsatzes (TK) in ca. 0,5
mm Abstand abwärts
zu, bis zum unteren Kolbentotpunkt hin laminar an den inneren Zylinderwandungen
entlanggeführt.
Die Kompressionsluft-Schichtladung expandiert dabei im Wesentlichen
von den geringeren Kompressionstemperaturen ausgehend, an den inneren
Zylinderwandungen entlang auf tiefere Temperaturen herunter (2 u. 3), was sich während der Arbeitstakte temperaturentlastend
auf die Innenwandungen der Heißgas-Expansionsräume (B)
sowie der darunter befindlich ölgeschmierten
Kolbenringlaufbahn auswirkt!
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Infolge
der sehr geringen Werkstoff-Wärmeleitfähigkeit
der thermosisolierten Motorkompressions- und Brennraumwandungen
von (A) und (B), – die
während
des Motorbetriebes erst ab erreichter Betriebstemperatur innermotorisch
gekühlt
werden, – ist
beim Thermosmotor bis zu sehr tiefen Witterungs-Außentemperaturen
herunter mit prozeßgünstigem
Diesel-Kompressionsverhältnis
von ε =
18 bis 20, – ohne
notwendige Zündhilfe – eine ausgezeichnete
Kaltstart-Selbstzündfähigkeit
gewährleistet!
(s. 2)
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Durch
die innere, unter Betriebstemperatur leistungsgesteuert verdampfungsgekühlte Kompressions-Direktkühlung beim
Thermosmotor und durch prozeßbedingt
viel kleinere Verbrennungs-Druckspitzen, – sowie auch durch Entfallen
bisher hoher Kühl-Wärmedurchgangsverluste
während
der Arbeitstakte (insbesondere nahe OT), – wird für PKW-Thermosmotore gegenüber konventionellen PKW-Dieselmotoren – auf gleiche
Motordimensionierung mit gleich großem ε bezogen – eine höhere Aufladefähigkeit
mit wesentlich vergrößertem λ ermöglicht!
Das Lader-Antriebspotential ist für den Thermosmotor, u.a. durch
höhere
Expansionsenddrücke
am Motoraustritt (keine Kühl-Wärmedurchgangsverluste),
ebenfalls dementsprechend höher! – Der im
Arbeitsgas zusätzl.
enthaltene Heißdampfanteil
von volumetrisch ca. 23 % des Arbeitsgases (bezogen auf λ ~ 1,6) wird
nicht mit aufgeladen! Durch den für den Arbeitsprozeß des Thermosmotors
insgesamt zusätzl.
verfügbar
größeren Inertgasanteil,
können
die örtlich
maximalen Verbrennungstemperaturen für primär, ohne Katalysatoren stickoxid-
und rußfreie
Abgasemissionen – auch
bei größerer Motorleistungsdichte – leistungsgesteuert
unterhalb 1600°C
eingegrenzt werden.
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Thermodynamische
Abläufe
innerhalb des Thermosmotors
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Für den neuartigen
Arbeitsprozeß des
Thermosmotors wird als günstigste
thermodynamische Ausgangsbasis die bereits erwähnte, motorintern durchgreifende
und gesteuerte Motorkompressions- und Brennraum-Verdampfungskühlung herbeigeführt. Durch
entstehende Partialdampfdrücke
werden zugleich – gegenüber rückgekühlt komprimierter
Verbrennungsluft allein – höhere Kompressionsenddrücke erreicht.
Wie nachstehend näher
erläutert,
wird zur periodischen Innenwandungskühlung der wärmeisolierten Arbeitsgasräume (A)
und (B) für
die thermodyn. Hauptarbeitsphasen, – mit zugleich innerer Kompressions-Direktkühlung, eine
motorleistungssynchron gesteuert intermittierende Einspritz-Druckwasser-Verdampfungskühlung vorgenommen:
Bei
dieselmotorisch prozeßgünstigem
Kompressionsverhältnis
von ε ~
20 und höherer
rückgekühlter Turboaufladung
wird dem Wärme-Kraftprozeß des Thermosmotors
nach erreichter Betriebstemperatur, vor und während der 2. Hälfte der
Kompressions-Kolbenhübe – vor und
während
der Hauptkompressionsphasen mit je bereits oberhalb der p-t-Wasserdampf-Sättigungslinie
erreichter Kompressions-Temperaturhöhe, – in etwa 3 ÷ 4-facher
Kraftstoffmenge leistungsdosiert vorgesteuertes und kalkfrei reines Kühleinspritz-Druckwasser
zwecks innerer Kompressions-Direktkühlung mit
zugleich leistungssynchron periodischer Innenwandungs-Verdampfungskühlung der
wärmeisolierten
Arbeitsgasräume
(A) und (B), oberhalb der kolbenringführenden Zylinderbahn zugeführt (1 u. 2).
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Zur
Arbeitsentlastung vom Einspritz-Dosiersteuerorgan (STO) wird das
Einspritz-Druckwasser während des
Motorbetriebes, zur Einsteuerung kontinuierlich durch die Flüssigkeitsdruckpumpe
(FDP) nach dem Common-Rail-Prinzip unter konstant höherem statischen
Vorlaufdruck (ca. 100 ÷ 120
bar) gehalten.
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Das
unter höherem
statischen Druck betriebswarme Einspritz-Druckwasser wird mittels
des Einspritz-Dosiersteuerorganes (STO) – den Lasterfordernissen entsprechend – pro Motorzylinder
mengenmäßig leistungsproportional
vorgesteuert, über einzeln
zugeordnete Druckwasser-Einspritzdüsen (DED) – periodisch, im Rhythmus ab
ca. 1/3 des jeweiligen Kompressions-Kolbenweges – unmittelbar in die oberen,
statischen Verbrennungs- und Heißgasexpansionsräume (B)
der Zylinderaufsätze
(TZ) oberhalb der ölversorgten
Kolbenringbahn, zur gesteuert inneren Kompressions-Direktkühlung und
zur Verdampfungskühlung
der aus leitwärmehemmenden
Materialien hergestellten Brennraum-Innenwandungen von (A) und (B),
leistungsgesteuert eingespritzt. Hierdurch erfolgt jeweils zum Kompressions-Hubende zugleich
der Aufbau druckerhöhender Partialdampfdrücke für die direkt
darauf anschließend
nachfolgenden Arbeitstakte (s. 1 u. 2).
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Das
Einspritz-Dosier-Steuerorgan (STO) kann als elektronisch angesteuertes
Magnetventil direkt mit Einspritzdüse (DED) integriert ausgeführt werden.
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Nach
anfänglich,
zum Beginn der Motorkompression mit teilweiser Kühleinspritzung während der Vorkompression – der rückgekühlt turboaufgeladenen
Zylinderfüllungen – auf ~
7 ÷ 10
bar mit polytropischem Kompressionsverlauf, wird anschließend während etwa
einem Drittel der Kompressionshub-Kolbenwegstrecke, und zwar während der
mittels gesteuerter Einspritz-Druckwasser-Verdampfungskühlung leistungsdosiert
intensiv gekühlten Hauptkompressionsphasen,
unter progressiv ansteigenden Kompreßionsdrücken, bis kurz vor OT eine vorwiegend
isothermische Kompressionsluft-Verdichtung erreicht, wobei der Kompressionsluft-Kühlanteil
des Einspritz-Druckwassers durch die Aufnahme von Kompressionswärme verdampft
und dabei dementsprechende Partialdampfdrücke ausbildet. Zum Abschluß bis zum
Kompressionsende hin im OT, findet eine vorwiegend adiabathische
Kompressionsluft-Verdichtung auf je lastsynchron vorgesteuert – ohne erhöhte Zündverzüge – kleinstmöglich ideale
Kompressions-Endtemperaturen statt.
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Der
weitere und restliche Anteil der periodisch im jeweiligen Kompressionshub – motorleistungssynchron
gesteuert – eingespritzten
Druckwassermenge wird inzwischen in feinerer Tropfenform mit der
hochkomprimierenden und dabei aufwärts rundwirbelnden Verbrennungsluft – oberhalb
der kolbenringführenden
Zylinderbahn – zwecks
Verdampfungskühlung
gegen die hoch wärmeisolierenden
Innenwandungen der statischen Verbrennungs- und Heißgasexpansionsräume (B)
zentrifugiert sowie – gleichfalls
während
der Hauptkompressionsphasen, – über die
Einströmkante
der thermosisolierten Doppeldrall-Verbrennungsmulden (A), kühlend gegen
deren heißere
Innenwandungen zentrifugiert, wobei der leistungsproportional vorgesteuerte
und zur Innenwandungskühlung
von (A) und (B) eingespritzte Druckwasser-Tropfennebelanteil vor
dem Kompressionsende im oberen Kolbentotpunkt, bzw. vor Zündbeginn
für die
je direkt anschließenden
Motorarbeitstakte, vollständig
verdampft ist. Hierbei werden die Kompressionsenddrücke der
leistungsgesteuert innengekühlt
komprimierten Motor-Verbrennungsluft – mittels der so erzeugten
Partialdampfdrücke
druckkompensierend erhöht!
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Auf
die inneren Wandungsoberflächen
von den nach außen
hin wärmeisolierten
Motorverbrennungs- sowie Heißgasexpansionsräumen (A)
und (B) als Verdampfungs-Wärmetauschflächen, wirkt
sich diese leistungsabhängig
vorgesteuert periodisch und innermotorisch direkt erfolgende Oberflächen-Verdampfungskühlung, – durch
elektronisch gekoppelte Zu- und Abschaltsteuerung ohne Restkondensat
innerhalb der Maschine, – durchgreifend
temperaturstabilisierend aus!
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Der
durch die innere Druckwasser-Verdampfungskühlung verringerte, – periodisch
während
der Hauptkompressionsphasen – mit
der inneren Kompressions- und Brennraum-Wandungskühlung motorintern
aufgenommene Kühl-Wärmeanteil
verbleibt somit innerhalb der wärmeisolierten
Motorzylinder. Dieser wird dem thermodynamischen Motorarbeitsprozeß durch
damit erzeugtem und volumetrisch größerem Heißdampfanteil der von innen
gekühlt
komprimierten Verbrennungsluft, – mit dadurch zugleich zur
Zündung
gesteuert kleinstmöglich
idealen Kompreßionstemperaturen, – sowie
mit der zum Kompressionsende im oberen Totpunkt zusätzlich erzeugten,
potentiellen Partialdampfdruckenergie, für den jeweils direkt anschließenden Motorarbeitstakt nutzbar
gemacht.
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Der
zündunterstützend homogene
Heißdampfanteil
der innengekühlt
komprimierten Verbrennungsluft wird gasströmungs- und ventildrossel-verlustfrei,
durch die Druckwasser-Kühleinspritzung
vor und während
der Hauptkompressionsphasen zur inneren Verdampfungskühlung, – leistungsgesteuert
in flüssigem
Aggregatzustand in die Motorzylinder eingebracht, und innerhalb
der unmittelbar nachfolgenden Kraftstoff-Verbrennungsphasen der anschließenden Arbeitstakte
als hoch erhitzter und volumetr. größerer Hochdruck-Heißdampfanteil
und somit als zusätzlich
größerer Inertgasanteil, – verbrennungstemperaturabsenkend
für stickoxidfreie Abgas-Emissionen
und wesentlich verringerte spezifische Kraftstoff-Verbrauchswerte,
in den Motorarbeitsprozeß integriert
(s. 1, 2 u. 3).
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Mit
abgesenkten Abgastemperaturen wird beim Thermosmotor anstatt eines
großvolumigen Wasserkühlers eine
Abgas-Nachkühlung
(ANK) installiert, wodurch der im Abgas enthaltene Dampfanteil auskondensiert
und wieder verflüssigt, – jeweils bis
zum Einspritzwasser-Austausch bei Kraftstoffbetankung (je 1/2 Wassermenge)
bzw. nach je 6÷8-maligem
Gebrauchsumschlag, – im
Kreislauf zur gesteuerten Druckwasser-Innenverdampfungskühlung wieder
Verwendung findet.
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Neuwertig
vorteilhafte Auswirkungen der geschilderten Maßnahmen
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Die
Verbrennungs-Temperaturen werden mithilfe der gesteuert inneren
Kompressions-Direktkühlung
und höherer
Aufladung, bei vergrößertem Luft-Überschußverhältnis λ, sowie infolge
der periodisch inneren Kompressions- + Brennraum-Verdampfungskühlung der quasi wärmedicht
isolierten Gasarbeiträume
(A) und (B) oberhalb der Kolbenringbahn, – mit zusätzlich innermotorisch erzeugtem
und volumetrisch größerem Hochdruck-Heißdampfanteil als
zusätzlich
größerer Inertgasanteil
für die
je direkt nachfolgenden Arbeitstakte, – in abgesenkt günstigere
Temperaturbereiche wesentlich veringerter spezifischer Wärmeaufnahme
des Motorarbeitsgases verlagert! Durch die quasi wärmedichten
Arbeitsgasräume
(A) und (B) entfallen im Arbeitstakt die bisher großen Kühl-Wärmedurchgangsverluste,
bzw. die dementsprechenden Arbeitsdruckverluste von bislang ~ l2%
nahe OT + 3% bis UT, die dann so nicht eintreten können! Stattdessen
wird mit der gesteuert periodischen Innenwandungs- + Kompressions-Verdampfungskühlung neben
den nutzbar druckerhöhenden Partialdampfdrücken eine
höhere
Aufladung möglich!
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Für den Turbolader
des – bei
prozeßgünstigem
Verdichtungsverhältnis
von ε =
18 bis 20 und gesteuert von innen kompressionsgekühlt, höher aufladefähigen PKW-Thermosmotors, ist
das am Motoraustritt verfügbare
Abgasantriebpotential durch die periodisch innengekühlt, quasi
wärmedichten Verbrennungs-
und Gasarbeitsräume
und die damit während
der Arbeitstakte wesentlich verringerten Druckverluste, bei höheren Expansions-Enddrücken am
Motoraustritt und durch den zusätzlichen
Abgas-Heißdampfanteil
erheblich vergrößert, so
daß die
Turboaufladung mit flexibel gestaltetem Laderkennfeld, unter größeren Drehmomentbelastungen schon
im unteren Drehzahlbereich mit höheren
Ladedrücken
einsetzt! – Dampfanteil
wird nicht mit aufgeladen!
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Durch
den prozeßbedingt
volumetrisch größeren Heißdampfanteil
des Arbeitsgases bei vergrößertem Luftverhältnis λ, ist die
Begrenzung der örtlich maximalen
Verbrennungstemperaturen unterhalb 1600°C, lastsynchron gesteuert – auch bei
voller Motorleistung – gegeben.
Hierdurch sind ohne Abgas-Katalysatoren voll ständig stickoxidfreie Abgas-Emissionen
gewährleistet!
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Fazit:
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Die
spezifische Kraftstoffeinsparung gegenüber den bekannten Dieselverfahren
(Common Rail mit ~ 2400°C
Verbren.-Temp.) beträgt
durch wesentlich verringerte spez. Wärmeaufnahme des Gases bei 1500°C (Prof.
Pflaum) sowie durch entfallende Wärmedurchgangs- u. Kat.-Leistungsverluste
+ reduz. Ko.-Arbeit etc. über
25 %, was entgegen bisherigem λ ca.
1,25 bei gleichem Aufladegrad λ =
1,67 entspricht + 3,5 Kg Heißdampf
pro Kg Kraftstoff ≙ λ'vol. =
2,15 ε =
19,2 2000 ccm Hubr. 4000 UpM N = 100 KW; bei 10% höherer Aufladung ε = 18,6 N
= 150 PSe ≙ 110
KW Bei größerem Luftverhältnis λ ≧ 1,6 + größerem Hochdruck-Heißdampfanteil
von volumetr. ~ 23% des Arbeitsgases, liegen die örtl. max.
Verbrennungstemperaturen geregelt unterhalb 1600°C (Vollast) bei somit primär – ohne Abgaskatalysator – sauberer,
stickoxid- und rußfrei
gewährleisteter
Abgasqualität!
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Zusammenfassende Abschlußbetrachtung,
Umweltfreundlichkeit
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Für den beschriebenen
Wärme-Kraftprozeß liegen
damit genau alle physikalischen Voraussetzungen zur Erlangung der
eingangs benannten Zielsetzungskomponenten, für stark reduzierten spezifischen
Kraftstoffbedarf und – ohne
nachzuschaltenden Katalysator oder andere Abgas-Reinigungsapparate – mit primärseitig
sauber, stickoxid- und rußfrei
vollständiger
Motorverbrennung zugrunde.
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Für alle Lastbereiche
des Thermosmotors ist eine total stickoxidfreie Abgasqualität gewährleistet! Für die Entstehung
von natur- und gesundheitsschädigendem
Ozonsmog (an sonnenreichen Sommertagen) ist vom sauberen Abgas des
ausführlich
beschriebenen Wärme-Kraftprozesses
her, – als
vordergründig
wesentliches Ziel, – von
vornherein jegliche Entstehungsgrundlage entzogen!
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Desweiteren
sind im Bezug auf das Schwingungsverhalten und den Schallpegel des
Thermosmotors als Direkteinspritzer, durch das vergrößerte Luftverhältnis λ + dem volumetrisch
größeren Hochdruck-Heißdampfanteil
als zusätzlich
hinzukommender Inertgasanteil, mit damit verbundenem sanfteren Arbeitsdruckverlauf, – für PKW-Motorantriebe
keine aufwendigeren Sekundär-Maßnahmen
zur Körperschall- und Schwingungs-Abdämmung zum PKW-Fahrgastraum
hin erforderlich!
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Insgesamt
gesehen wird durch diese Kraftmaschinen-Konzeption mit dem beschriebenen
Wärme-Kraftprozeß des Thermosmotors,
bei höherer Motorleistungsdichte
eine drastische thermodynamische Prozeßverbesserung mit merklich
verbesserten Wirkungsgraden und dementsprechend beträchtlich reduziertem
spezifischem Kraftstoffbedarf, – sowie ohne
Abgaskatalysatoren mit unverkennbar unschädlichen, d.h. schadstoffrei
umweltfreundlichen Abgaseigenschaften erbracht.