DE2641048A1 - Polytropengesteuerte verbrennungskraftmaschinen mit integrierter gas- expansion und innerer kuehlung - Google Patents

Description

Ing. Hans-Jürgen Hubner
6148 Heppenheim/Bergstr.

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Betrifft: P 25 16 953.3 - ¥ärmeverbundmotor als Kraftmaschine P 25 52 205.8 - Integriertes Gas-Expansionsverfahren

mit steuerbarem Polytropenverlauf

Anmeldungszusatz: Polytropengesteuerte Verbrenaungskraftmaschinen

mit integrierter Gas-Expansion u. innerer Kühlung

Das integrierte Gas-Expansionsverfahren mit steuerbarem Polytropen= verlauf, wie in P 25 52 205.8 allgemein beschrieben, bezieht sich physikalisch auch auf die Prozeßarten von Verbrennungsmotoren, zum Zweck thermodynamisch hochgradiger Verwertbarkeit der mit dem Kraft= stoff zugeführten Värmeenergie zur Umsetzung in mechanische Antriebs-Energie, - unter Umgehung bisheriger Temperaturgrenzen der Belastbar= keit von Hochleistungsmotoren sowie Beseitigung deren dissipativer Leistungsgrenzen, bei schadstoff- und geräuschemissionsfreiem Betriebs= verhalten, mit erzielbar hohen Drehmomenten niederer Drehzahl - als Grundsatzlösung aktueller Umweltschutz- u. Energiewirtschaftsprobleme.

Der Funktionsablauf des physikalischen Prozesses, in wärmetechnischer Anordnung nach Abb.1, und die gesteuerte Einspritzung von Flüssiggas (G2) hohen Druckes(P2), der lastabhängig vorgesteuerten Menge(M2) mit Temperatur(Τ2) und Yärmeinhalt(Q2), in den Expansionsablauf des zuvor als stark überhitztes Heißgas(G1) in den Expansionsräumen vorhandenen Verbrennungsgases der Molekularmasse bzw. der Menge(M1 ) mit dem An= fangsdruck = Enddruck der Verbrennungsphase(P1 ), der Anfangstemperatur

= Verbrennungstemperatur(T1) und dem Anfangswärmeinhalt(Q1), erfolgt analog der Beschreibung u. Patentanspruch 1 und 2 der Anmeldung P 25 52 205.8 :

Nach Abschluß der Verbrennungsphase steht das Verbrennungsabgas(G1 ) als stark überhitzte Heißgasmenge(M1 ) der spez. Masse(ml) mit ¥ärmeinhalt (Q1), Temperaturniveau(T1) und dem Druck(P1 ) vor Expansionsbeginn als Zylinderfüllung in den Dampf- bzw. Gasräumen der Motor-Expansionszy= linder. In diese stark überhitzte Heißgasmenge(M1) wird Flüssiggas(G2) sehr hohen Druckes(P2), und der Menge(M2) mit dem Wärmeinhalt(Q,2) und

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Temperaturniveau (T2), zwecks Vergasung innerhalb der Expansions= räume und der Abgabe zusätzlicher Arbeitsleistung, -während des Expansionsablaufes über Einspritzdüsen in den somit integriert ablaufenden Expansionsprozeß eingespritzt, wobei die je nach Maschi= nenbelastung gesteuert einzuspritzende Flüssiggas-Einspritzmenge (M2), die Einspritztemperaturen (T2), sowie der jeweilige Einspritzzeit= punkt und die Einspritzdauer - unter Berücksichtigung des Diffusionsbzw. Eingasungsverzugs - im Verhältnis zum lastabhängigen Verbren= nugsgas-Füllungsgrad der Expansionsräume, und mithin im Verhältnis zur jeweiligen Ladungs- Menge (M1) unter Berücksichtigung der ¥ärme= intensität (Q1 ) der Verbrennungsgase(G1 ) - gleichzeitig als Steue= rungsparameter für den lastabhängig synchron gesteuerten Polytropen= verlauf des integrierten Expansionsprozesses dienen, - andererseits als "Yärmeverbraucher" der außerordentlich hohen Prozeßabwärmemengen bekannter Verbrennungsmotor-Prinzipien.

Durch gesteuerte Eingasung der Flüssiggasmenge (M2) wird der Verbren= ungs-Heißgas-Füllungsmenge (M1) innerhalb der Expansionsräume der YärmeÜberschuß entzogen, wodurch die Enthalpie während des integrier= ten Prozeßablaufes heruntergesteuert und innerhalb des Expansions= ablaufes zusätzliche Partialdrücke aufgebaut werden. Die Maschine wird bei diesem Vorgang gesteuert von innen gekühlt, wobei die ver= bleibende Restwärme am jeweiligen Expansionsende der integriert abgelaufenen Gas-Expansion - anstatt als "Anergie großer Menge mit minderer Energiequalität", wie bisher bei Verbrennungsmotoren - als "Exergie kleiner Menge mit hoher Energiequalität" anfällt, was sich für diese Antriebsart im polytropengesteuerten Yärmeverbund in hohem Maße drehmoment- und Ieistungssteigernd auswirkt.

Die bis auf geringfügige Yärmetauschverluste ausschließliche Exergie der Prozeßabwärme des integrierten Expansionsverfahrens, die in vergleichsweise kleiner Menge anfällt, kann zur Druckgaserzeugung für den Antrieb in geschlossenem Gaskreislauf eines Turboladers oder sonstigen Aufladeaggregates verwendet werden. Durch letzteres lassen sich hohe Aufladeleistungen erzielen, ohne daß dabei die mögliche Leistungsabgabe der polytropengesteuerten Antriebskraftmaschine durch zu hohe Ausströmverluste, oder infolge Ausströmdrosselung bei direkt

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nachgeschaltetem Antrieb eines abgasbetriebenen Aufladeaggregates, durch hohe Gegendrücke eingeschränkt wird.

Die jeweilige Gesamtgasmenge (M1+M2) entspannt sich bei Ausschub auf geringen Gegendruck. Die Motor-Ausschubarbeit wird also klein gehalten, und damit auch die Ausstrb'm-Energieverluste. Das einge= steuerte Flüssiggas (G2) wird nach dem Ausschub hinter den Motor-Auslaßventilen, bei nahezu atmosphärischem Druck durch Kondensation verflüssigt, wobei die Flüssiggasmenge (M2) als "Värmeträger höherer Qualität" ihre Verdampfungswärme abgibt, die dem Druckgaskreislauf (G3) der Antriebsturbine vom Turbolader oder sonstigem Aufladeaggregat, mit gutem Wirkungsgrad über Wärmetauscher zugeführt wird. Somit werden der Värmeverbund-Kraftmaschine keine größeren Gegendrücke durch Drosselungswirkung als Teil-Energieverlust durch ein nachge= schaltete·s Aufladeaggregat oktroyiert.

Das Verbrennungsabgas (G1 ) wird beim Kondensationsvorgang des als "Wärmeträger" verflüssigten Gases (G2), von diesem abgeschieden und vollständig schadstoffemissionsfrei unter äußerst niedrigem und unmerklichem Geräuschpegel an die freie Atmosphäre abgegeben.

Der bei dieser Prozeßart als Anergie irreversible Energieverlust der wärmetechnischen Gesamtanordnung (Abb.1) fällt neben geringen Wir= kungs- und Gütegradverlusten nur in kleinem Umfang als Kondensations-Verlustwarme des geschlossenen Druckgaskreislaufes (G3) der Antriebs= turbine vom Turbolader — oder eines sonstigen Ladeaggregates - an, der sich bezogen auf die gesamte in mechanische Antriebsenergie umge= setzte Wärmemenge dieser polytropengesteuert integrierten Expansions-Prozeßart in sehr geringen Grenzen hält !

Außer gezielter Erhöhung der Verbrennungsluft-Menge großer Dichte (M1) durch hohe Aufladeluft-Leistungen bei hohen Kompressionsdrücken und infolgedessen erreichter Herabsetzung der Verbrennungstemperaturen (T1), wird durch Vorspritzmenge (Mi*) des Flüssiggases (G2) während der Lade- und der-Kompressionsphase eine weitere Erhöhung der spezif. Lade-Masse (m1+m2^ vor der eintretenden Verbrennungsphase erreicht, was sich für die integrierte Gas-Expansion sehr prozessgünstig auswirkt. Vor allem wird außerdem aber eine weitere innere Kühlung erreicht sowie annähernd isotherm-adiabate Verdichtung bei den zur Anwendung gelangenden hohen Kompressionsdrücken erzielt, was sich in der aufzubringenden Kompressionsenergie mindernd, also für den Kraft=

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maschinen-Prozessablauf günstig auswirkt. Die Größen der isothermen und adiabathen Teilverdichtungsphasen sind, je nach angewandter Verbrennungsprozeßart und damit verschiedener Flüssiggas-Einspritz= Steuergrößen, entsprechend unterschiedlich. Auch der Lade—Kompressionsvorgang wird durch gesteuerte Einspritz= kühlung mittels Flüssiggas (G2) optimiert, so daß andereseits auf diese ¥eise keine kosten- und platzaufwendigen Ladeluftkühler erfor= derlich sind, durch die Kompressions-Värmeenergien abgeführt, d.h. vernichtet wurden.

Die ¥ärmeverbund-Prozeßart macht über die in den polytropengesteuer= ten einzelnen Taktphasen gesteuerte innere Kühlung hinaus - hervor= gerufen durch die Yerdampfungswärme, Überhitzungswärme und durch die Expansionsarbeit eingesteuerten Flüssiggases (G2) - keine weitere gezielte Motorkühlung zur Abführung bisher immenser Prozeßabwärme= mengen von Verbrennungsmotoren mehr erforderlich - sondern die inte= griert arbeitende ¥ärmeverbund-Kraftmaschine ist demgegenüber voll= ständig gegen Abstrahlung wärmeisoliert, wie es bei allen anderen ¥ärmekraftmaschinenarten generell schon immer üblich war.

Die beim Verbrennungsablauf am höchsten temperaturbeanspruchten Teile, wie Einspritzdüsen, Kolbenboden mit Feuersteg, Stege zwischen den Ventilen im Zylinderkopf etc., werden beim polytropengesteuert inte= grierten Expansionsverfahren durch Flüssiggas-Einspritzung (G2) wie beschrieben, direkt gekühlt, wodurch die Aufgabe und Notwendigkeit der ¥ärmeabfuhr über Kolben und Kolbenringe, sowie schließlich über die Begrenzungswände von Verbrennungsräumen, wie z.B. über die ZyIin= derköpfe und Zylinderwände, vollständig entfallen. - Somit entfällt auch die Temperaturgrenze der Belastbarkeit polytropengesteuerter Hochleistungsmotore, die nach integriertem Gas-Expansionsverfahren arbeiten, mitsamt überhöhter Kühlwasserverluste !

Als Materialien für die Arbeitsraum-Begrenzungswände(Motorzylinder etc.) werden solche mit geringer ¥ärmeleitzahl empfohlen, wie Chrom-Nickel-Stahl oder Titanlegierungen.

Über die Rückgewinnung der Motorreibungswärme in reversible ¥ärme= * energie und dau\irch bedingte Ausschaltung des dissipativen Effektes ist in P 25 °Ό 215.2 auf den Seiten 6, 7 und 8 ausführlich geschrie= ben worden. Letztere gestaltet sich bei der hier vorliegenden ¥ärme=

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schaltung ganz einfach so, daß die im Kühlfunktion ausübenden Schmieröl aufgenommene Motorreibungswärme über den Ölkühler als Yärmetauscher zum Vorwärmen in der Flüssigphase des geschlossenen Druckgaskreislaufes (G3) der Auflade-Antriebsmaschine verwendet wird.

Damit ist die bisherige Leistungsgrenze von Verbrennungsmotoren, bei erstrebenswert hohem Gesamtwirkungsgrad zu diesem Zweck möglichst hoch erzielbarer Kompressions- und Verbrennungsdrücke, im Bezug auf sich dann ergebende evtl. zu hohe irreversible Reibungsverlust-Yärmeanteile unerheblich geworden ! - Letzteres allein schon dadurch, daß im Gegensatz zu bisherigen Aufladeprinzipien, ein ganz erheblicher Teil der Kompressionsarbeit vermittels Antrieb durch gesteuerte Prozeßabwärme hoher Energie-Qualität im Ladekompressor verrichtet wird, - für die Kraftmaschine treibende,potentielle Lade-Druckenergie!

Für die beschriebene Prozeßart kämen als Teilprozeß bekannte Verbren= nungsmotor-Prinzipien, wie z.B. das Diesel- oder das Otto-Verbrennugs= motor-Prinzip in Anwendung.

Yährend dem Dieselverfahren bei polytropengesteuert integrierter Expansion neben flacher verlaufender Teillast-Verbrauchscharakteristik der Vorteil größerer Elastizität in der Verwertbarkeit vermittels Prozessabwärme erzeugter größerer Luftlademengen zugesprochen werden muß, da sich bei Eigenzündung des Dieselverfahrens die kleinsten Brennstoffmengen in der durch Kompressionswärme hocherhitzten Ver= brennungsluft entzünden, wodurch auf keinerlei Fremdzündwilligkeit des Gemisches Rücksicht genommen werden muß und somit daher auch dem thermodynamisch als leistungs- und wirkungsgradsteigernd verwert= baren Luftüberschuß verbrennungstechnisch keine oberen Grenzen gesetzt sind, - muß beim Ottoverfahren, je nach endlicher Größe durch gesteu= erte Prozeß-Abwärme erzielbarer Aufladeleistung, die prozeßbedingt groß als günstig anzusehende Heissgas-Menge (M1) am Ende der Verbrennungs= phase mit niedriger Verbrennungstemperatur(T1 ) - bei kleinerem Luft= Überschuß durch eine größere, in Lade- und Kompressionsphase vorge= steuerte Flüssiggasmenge (M2') - gegenüber dem Dieselverfahren kompensiert werden, wodurch dann Selbstzündungen bei höheren Kompres= sionsdrücken außerdem vermieden sind.

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¥eitere technische Gesichtspunkte zur polytropengesteuerten Verbrennungskraftmaschinen-Prozessart mit integrierter Gas-Expansion

Maschinengütegrad

Infolge der gesteuerten inneren Kühlung, hervorgerufen durch die enthalpiegesteuerte integrierte Kompression und Expansion, sind Hochleistungsmotore selbst trotz hoher Aufladung, im Temperaturniveau prozessbedingt thermisch nicht sehr hoch belastet, so daß hierdurch selbst bei kleinen Passungstoleranzen - d.h. bei hohem Gütegrad der Maschinen — weder ein Pestgehen von Kolbenringen infolge Übertempera= türen und Verkokungen, noch das Durchbrennen von Ventilen oder Kolbenboden zu befürchten ist!

Leistungsgrenzen

Die Leistungsgrenzen polytropengesteuerter Yärmeverbundmotore mit integrierter Gas-Expansion liegen auf konstruktiver Ebene wie bisher, in der Auslegung maximal zulässiger Schubstangen- und Lagerkräfte — wobei allerdings großflächige gleichdruckähnliche p/v-Diagramme(Abb2)bei kaum erhöhten Verbrennungsdrücken vorliegen - desweiteren in der Schnellaufigkeit bezüglich maximal zulässiger mittlerer KoIbengeschwin= digkeiten, wobei der Triebwerks- und auch der volumetrische Ausnut= zungsgrad bei gleichförmigen Kolbendruckverläufen entscheidend verbessert sind, mit verfügbar großen Drehmomenten niederer Motordrehzahl! Die zweite Leistungsgrenze liegt auf physikalischer Ebene, nämlich einerseits bei kleinstmöglichem Zündverzug bzw. schnellstmöglicher Portschreitung der Plammenfront, andererseits die größtmögliche Eingasungs-Diffusionsgeschwindigkeit des integriert in den Expansions= prozess einzusteuernden Flüssiggases (G2) zu erreichen.

Kraftstoffverwendbarke it

Einen anderen Gesichtspunkt stellt die bei polytropengesteuert integriertem Dieselverfahren gegebene Möglichkeit der Verwendung verschiedener Kraftstoffe dar, die jedoch weitgehend säure— und schwefelfrei sein sollten. Im Fesentlichen müßten dann nur die jeweiligen Flüssiggas-Vorspritzmengen (M2') in der Auflade- und Kompressionsphase in Abhängigkeit veränderter Selbstzündtemperatur und veränderter Eigenverdampfungswärme verwendeter Alternativkraft=

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stoffe entsprechend lastsynchron verändert werden.

Schadstofffreie Abgasemissionen, keine Düsenverkokungen, •vollständige Verbrennung

Beim polytropengesteuerten Yärmeverbundverfahren halten sich die Motor-Verbrennungsräume durch riickstandfreie Verbrennung sauber. Verkrackungen der Einspritzdüsen sind infolge direkter innerer Kühlung durch Flüssiggas-Einspritzung (G-2) , auch beim integrierten Dieselverfahren, ausgeschlossen.

Trotz hohen Kompressionsdruckes wird die Verbrennungs-Temperaturer= höhung (4t) durch prozessgünstige, hohe Auflade-Luftüberschüsse gering gehalten, so daß die Abgasemissionen bei vollständiger Ver= brennung im hohen SauerstoffÜberschuß vollständig schadstofffrei bleiben einerseits, und andererseits darüberhinaus die temperatur= seitige Voraussetzungskomponente zur Bildung unerwünschter Nitrose= gase (NO_x-Gase) von vornherein entzogen ist.

Motorschnelläufigkeit durch minimierten Zündverzug

Die Zündverzugszeit wird im Sinne drehfreudigen Motorlaufes durch gezielte Maßnahmen auf ein besterreichbares Minimum reduziert. Diese Maßnahmen bestehen einesteils in der Einhaltung idealer Selbst= Zündtemperaturen als Kompressions-Endtemperatur, die z.B. bezogen auf Dieselkraftstoffe bei ca. 650-700⁰C liegen, bei anderenteils möglichst hoher Yärmeintensität aufgeladenen und hoch komprimierten Einspritzgas-Verbrennungsluft-Gemisches, und dritterseits in der Schaffung entsprechender Strömungsverhältnisse.

Zur Schaffung vorteilhafter Strömungsverhältnisse für Kompression und Verbrennung wird eine wie ein Stufenkolben mit dem Arbeitskolben auf und niedergehende, sowie mit Steuerkanten versehene Spezial-Kompressionskammer (Abb.3) vorgesehen, durch die bei geringfügigem als Wirbelenergie aufzubringenden Verwirbelungsarbeitsanteil u.a. eine ausgezeichnete Brennstoffverteilung erreicht wird. Die Kanal= drosselung ist hierbei vernachlässigbar klein, da die Steuerkante des mit dem Kolben niedergehenden, flachen Kompressionskammer-Unterteiles schon nach kleinem Hubweg den gesamten Kompressionskam= mer-Querschnitt zur Arbeitskolbenfläche hin freigibt, wodurch auch

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von der Seite her die Voraussetzungen zur Motorschnelläufigkeit bei geschmeidigem Motorlauf geschaffen sind.

Eine Erhöhung der Kompressionstemperatur oberhalb ca. 65O°C bringt beim Dieselverfahren allein keine weiteren Einflüsse auf den Zündverzug, während andererseits mithilfe hoher Kompressions-Enddrücke + hohem Aufladeleistungsgrad anschließende Gleichdruckverbrennung ermöglicht ist, wobei mit gezielter Steuerung bedeutende Leistungs- und Wirkungs= gradgewinne erbracht werden.

Aus diesem Grunde, wie auch in dem Bemühen um weitere Minimierung des Diesel-Zündverzugs als Voraussetzung geschmeidiger Motorschnell= läufigkeit, wird der Diesel-Kompressionsvorgang durch Flüssiggas-Einspritzung (G2) der Menge (M2') gleichfalls polytropengesteuert, wodurch bei Aufladung einerseits zusätzlich gute innere Kühlung der Maschine während des Ladehubes wie auch während des Kompressions-Anfangshubes erlangt wird, indem intensiver Abbau der restlichen Värme des massiven Kolbenbodens mit Feuersteg sowie der restlichen Zylinderkopf- und ZyIinderwandungswärme vom vorangegangenen Arbeits= hub her, gegeben ist, die vom vorgespritzten Flüssiggas (G2) aufge= nommen wird - und wodurch anderenteils wirtschaftliche isotherm adiabatische Verdichtung mit gesteuerter Zündtemperatur erlangt wird.

Es ergibt sich, daß bei dem großen Auflade-Leistungsgrad sowie den hoch erzielten Kompressionsdrücken bei demzufolge hoher Dichte der Verbrennungsluft, deren spezifische Lade-Masse (m1) durch das hinzu= kommend in Lade- und Kompressionshub eingesteuerte Flüssiggas (G2f), um dessen spezifische Lade-Masse (m2^ vor der Kraftstoffeinspritzung erhöht wird, auf die spezifische Gesamt-Lade-Masse (m1+m2^ des hoch komprimierten und homogenen Verbrennungsluft-Einspritzgas-Gemisches (G1+G2*), und damit auch dessen spezifische ¥ärme (cp), wodurch eine erhöhte ¥ärmeintensität auf geringerem Temperaturniveau — dem idealen Zünd-Temperaturniveau - vorliegt. Durch die erhöhte Värmeintensität wird die kurzzeitige und verbrennungsexnlextende Brennstoffverdampfung unterstützt, wodurch eine weitere zündverzugsreduzierende Komponente gegeben ist. Sogenannte Diesel-Schläge wie auch Verbrennungsdruck= spitzen auf die Triebwerke - wie überhaupt merkbare Zündgeräusche im allgemeinen, werden auf diese Veise vollständig vermieden!

Bei erzielter Schnellaufigkeit liegt Direkteinspritz-Gleichdruckver= brennungs—Charakter vor - durch hohe Kompression des bei großen Luft—

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Aufladegraden homogenen Verbrennungsluft-Einspritzgas-Gemisches und damit hoher Yärmeintensität, unter Yahrung idealer Selbstzündtempe= ratur, bei weiterhin durch die Spezial-Kompressionskammer wie durch besondere Verbrennungsluftführung minimiertem Zündverzug, unter Meldung drehzahleinschränkender Kanaldrosselungen.

Das Anfahren des Motors ohne Turbovorladung ist ohne fremde Zünd= hilfe möglich!

Leistungsgewinn durch zusätzliche Partialgasdrücke, günstigen cp/cv- ¥ert-Verlauf als Adiabatenexponent und prozessgünstiges Volldruck-Verhältnis

Außer benannter Gas-Steuerungsmaßnahmen und dadurch geschaffener sowohl thermisch, verbrennungstechnisch wie auch thermodynamisch vorteilhafter Voraussetzungen für den Kraftmaschinenprozess, bauen sich durch das während des Arbeitshubes, am Ende der Verbrennungs= phase, in das stark überhitzte Heißgas = Verbrennungsgas (G1 ) einge= steuerte und vergaste Flüssiggas (G2) zusätzliche Partialgasdrücke auf dem Grundvolumen des aufgeladenen Verbrennungsgases hoher Dichte auf, wodurch die aus zugrundeliegender Kraftstoffmenge erzielbare mechanische Antriebsenergie bei angehobenen Drehmomenten vergrößert wird.

Die Verdampfungswärme für das eingesteuerte Flüssiggas (G2) wird nach der Värmebilanz vorwiegend aus dem bisher abgestrahlten und durch Yasserkühlung abgeführten ¥ärmeüberschuß bezogen, und nur zu geringem Teil aus der aufgeladenen Verbrennungsgasmenge hoher Dichte, so daß der zusätzlich durch eingespritzte Gasmenge (G2) zu eingesteu= ertem Zeitpunkt aufgebaute Partialgasdruck in seiner Größe die in dem Einsteuerzeitpunkt geringe Druckeinbuße infolge sich abkühlenden Verbrennungsgas-Grundvolumens weit überwiegt. Letzteres ist unter Beachtung der Einspritz-, Verbrennungs-, Gasdiffusions- und Wärme= Übergangsgesetze physikalisch wie auch technisch einwandfrei steuerbar. Unter Berücksichtigung dessen, daß durch Verbrennungsgas (G1 ) zum Differential-Zeitpunkt merklich zusätzlicher Partialgasdrücke vom eingesteuerten Flüssiggas (G2) her, bereits schon der größte Teil seiner Schubkräfte an die Triebwerke abgegeben ist, und dieses auf einem Expansionsdruck liegt, der unterhalb 1/4 des Anfangs-Verbren=

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nungsdruckes beträgt, erscheint dieser Vorgang allgemeinverständlich.

Der Adiabatenexponent cp/cv des Verbrennungsgas-Einspritzgas-Gemisches wird, bezogen auf die großen integriert herunter zu expandierenden Gas-Druckverhältnisse, durch das eingesteuerte Flüssiggas (G2) in physikalisch erforderlicher und prozessgünstiger ¥eise verändert.

Das auf den thermischen Gesamtwirkungsgrad Einfluß ausübende Voll= druckverhältnis kann - trotz größerer Zylinderfüllungen bei großem Kompressionsverhältnis - in flexibler Veise durch die vermittels Abwärme zur Verfügung stehende hohe AufladeIeistung, prozessgünstig klein gehalten werden.

Durch ¥ärmeisolation und Spezial-¥ärmetauscher fast vollständig unterbundene Geräuschemissionen mobiler Fahrzeuge

Durch Wärmeisolation des ¥ärmeverbundmotors, wie es im übrigen bei allen anderen Wärmekraftmaschinen allgemein üblich ist, und durch Einleitung des Verbrennungsabgases (G1) mitsamt eingesteuerten Flüssiggases (G2) hinter den Motorauslaßventilen in einen speziellen ¥ärmetauscher zwecks Abscheidung voneinander und Kondensation von (G2), werden in dieser Anordnung die Betriebsgeräuschemissionen auf ein Minimum reduziert, und sind bei mobilen Antrieben im Geräusch= pegel denen von Elektrofahrzeugen vergleichbar.

Klimatisierung, Betriebs- und Verschleißverhalten

Die ¥ärmekraftmaschine bleibt mitsamt nachgeschaltetem Wärmetauscher durch die vollständige ¥ärmeisolation bei Abstellen über längere Zeiträume hinweg betriebswarm, wodurch wiederholter Kaltstartver= schleiß - besonders auf Wintertage bezogen - in der Überzahl des Anfahrens vermieden ist. Zum anderen ist die Heizwärme für das Innere mobiler Fahrzeuge aus dem gleichen Grunde bei wiederholtem Start sofort verfügbar - ohne zusätzliche Anfahrheizzelle, oder erst etwa nach längerer Anfahrstrecke zum Motorwarmlauf.

Auf Sommertage bezogen, können Klimaanlagen mobiler Fahrzeuge an den Gaskreislauf angeschlossen werden.

Der Wärmeverbundmotor ist sehr elastisch und drehfreudig, und er arbeitet bei hohen mittleren Drücken mit gleichförmigen Kolbendruck= verlaufen,auch in unteren Drehzahlbereichen mit verfügbar großen Drehmomenten.

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Die polytropengesteuert integrierte Expansionsprozessart ist selbsttätig synchron zur Verbrennungsphase gesteuert, mithin in der Handhabung einfach und narrensicher, bekannten Verbrennungs-Motoren analog - und unterliegt hinsichtlich stetiger Sauberhaltung der Expansions= respektive Verbrennungsräume, infolge rückstand= freier und vollständiger Verbrennung einerseits - sowie durch Flüssiggas-Einspritzung (G2) und dadurch niedere mittlere Prozess= temperaturen andereseits, nur geringem Dauerverschleiß.

Der Värmeverbund beansprucht keine zusätzlichen aufwendigen Aufmerk= samkeiten. Letztere beschränken sich im ¥esentlichen auf gelegentliche, d.h. etwa allwöchentliche Kontrolle des Flüssiggases, die etwa bishe= riger Kühlwasserkontrolle bei Kraftfahrzeugen gleichkommt.

Anwendungsgebiete, ¥ärmebelastung der Umwelt

¥ärmeverbundmotore der beschriebenen Prozessart sind auf allen verbrennungsmotorischen Einsatzgebieten mit Einschränkung von Kleinantrieben wie z.B. Außenbord-Bootsmotore, Baumsägen oder Rasenmäher etc. einsetzbar.

Im Hinblick auf die unvorstellbare Vielzahl bislang existierender, - und weiterhin progressiv ansteigender - mobiler Antriebe wie PKW-, LKW-, Autobus-, Bahn- oder Schiffsantriebe, wie auch Antriebe stationärer Kraftstrom-Aggregate oder auch solcher von Arbeite= maschinen, wirkt sich, - neben dem geschilderten vorteilhaften Betriebsverhalten bei geräuscharmen Schallemissionen und schadstoff= freien Abgasemissionen, - vor allem auch die sehr geringe Värmebe= lastung der freien Atmosphäre - infolge zugrundeliegender kleiner Abwärmemengen der integrierten Yärmeverbund-Prozessart, die auf niederem Temperaturniveau anfallen - zu großem Vorteil für eine Normalisierung unserer Umweltverhältnisse aus!

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Erfindungswesentliches des physik, thermodyn. Prozessablaufes

Das Yesentliche dieser Erfindung besteht im gesteuerten Eingriff in Gas-Arbeitsabläufe, die sich innerhalb der Expansionsräume von Wärmekraftmaschinen vollziehen, durch vorgesteuert drosselverlust= freie Flüssiggas-Einspritzung sehr hoher Drücke, sowie Zerstäubung und Vergasung desselben während des Prozeßablaufes, wodurch zusatz= liehe Partialgasdrücke - sowie bezogen auf Verbrennungsmotore, gesteuerte innere Maschinenkühlung mit Herabsetzung der Prozeßabwärme + Umwandlung derselben in solche "höherer Qualität" erreicht werden. Die ffertgrößen des einzusteuernden Flüssiggases werden als Steuerungs-Parameter des integrierten Expansionsverlaufes in der Flüssigphase lastsynchron respektive lastabhängig vorgesteuert.

Mit der Gas-Einsteuerung vorgesteuerter Kenngrößen wird, von jeweiliger Differential-Heißgasenthalpie ausgehend, der beschriebene u. somit integriert verlaufende Kraftmaschxnenprozess steuernd beeinflußt und gleichzeitig die gesamte Yärmebilanz der Kraftmaschine mitsamt zusätzlicher Partialgasdrücke und innerer Maschinenkühlung - unter gesteuerte Kontrolle gebracht!

Die vom integrierten Expansionsprozess her, nach der Gasausströmung der ¥ärmeverbundmaschine verbleibende Abwärme mit heruntergesteuerter Rest-Enthalpie des homogenen Mischgases (G1+G2), stellt durch die enthaltene Verdampfungswärme des eingesteuerten Flüssiggases (G2), "Abwärme höherer Qualität" auf erwünscht niederem Temperaturniveau dar. Vermittels dieser Abwärme wird über Yärmetauscher und Gasstrom (G3) in geschlossenem Gaskreislauf der Ladekompressor-Antriebsmaschine, der überwiegende Teil der Kompressionsarbeit im Ladeaggregat verrichtet, - wodurch als erfindungswesentliche Voraussetzung, wiederum weitere technisch-physikalische Einflußgrößen innerhalb der Antriebskraft= maschine prozessgünstig gestaltet werden können.

Zum anderen wird der Kraftmaschine, entsprechend der Druckhöhe der vermittels Prozeßabwärme des Värmeverbundmotors erbrachten Auflade-Leistung des Ladeaggregates, während des Ladehubes zusätzlich treibend, potentielle Arbeitsenergie durch den Ladekompressor zugeführt!

Auf die als Aufgabenstellung für die entwickelte Värmeverbund-Prozeß= art resultierend erreichten Ziele einer vollständigen Lösung der aktuellen Umweltschutz- u. Energiewirtschafts-Probleme im Bezug auf Yärmekraftmaschinen, wird nachfolgend im Einzelnen eingegangen.

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Umweltschutz, Ökonomie und energiewirtschaftliche Vorteile

Bei der heutzutage weltweit allerorts herrschenden - und stetig weiter zunehmenden - Verkehrsdichte, wird der Umwelt gegenwärtig durch Verbrennungsmotor-Antriebe ein unerträgliches Maß an belästi= genden Geräusch- und schadstoffhaltigen Abgasemissionen aufgebürdet und zugemutet.

Dieses im Zusammenhang mit der zunehmend starken Yärmebelastung der Umwelt durch vergeudete Yärmeenergie in Form immenser Prozeßabwärme= mengen einer Unzahl kleinerer und großer Yärmekraftmaschinen, die entweder in die freie Atmosphäre abgeblasen oder auch Vasserläufen freier Natur aufgebürdet werden, stellt - neben zunehmender Verknap= pung und sich weltwirtschaftlich inflationär auswirkender fortschrei= tender Teuerung fossiler Kraftstoffe - unser umfangreichstes und ernsthaftestes Zivilisationsproblem dar!

Durch diese Einflüsse werden ernsthafte Erkrankungen sowie nervöse Störungen einer großen Anzahl unserer Mitmenschen in hohem Maße begünstigt, in vielen Fällen auch ursächlich hervorgerufen!

Schädliche Abgas- und Geräusch-Emissionswerte von Verbrennungsmotoren konnten bislang nur unter Hinnahme von Kraftstoff- und Leistungs-Einbußen herabgesetzt werden, während überaus großen und prozeßbe= dingten Abwärmemengen,dem Stande der Technik entsprechend,nur bedingt und in begrenzten Kompromissen begegnet werden konnte, wobei gewisse Grenzen nicht überschritten werden konnten, und es im Grunde hierdurch immer noch bei viel zu hohen Prozeßabwärmemengen blieb, bis heutigen Tages.

Der Kraftmaschinen-Antrieb mobiler Fahrzeuge, wie stationärer Aggregate durch polytropengesteuerte Yärmeverbundmotore stellt eine vollständige und kompromißlose Grundsatζlösung dieser ernsthaften Probleme dar, wobei jegliche Schadstoff- und Geräuschemission von vornherein ver= mieden ist! Vor allem aber auch fällt bei sehr gutem Gesamtwirkungs= grad - unter bislang ungewöhnlich hoher Kraftstoffausnutzung - nur geringfügige Prozeßabwärme der integrierten Expansions-Prozeßart auf niederem Temperaturniveau an, so daß dadurch bei hohem Energie-Aus= nutzungsgrad keinerlei Umwelt-Yärmebelastungen verursacht werden.

Die vordringlichen Erfordernisse unserer stark fortschreitend motori= sierten Menschheitszivilisation, hinsichtlich sehr aktueller Umwelt=

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schutz- und Energiewirtschaf tsgesich~bspunk"be, sind bei der beschrie= benen Wärme-Kraft-Prozeßart entsprechend in ausschlaggebender Weise berücks ichtigt.

Die hohe Ökonomie der polytropengesteuert integrierten Expansions-Prozessart ist neben allen übrigen technischen Gegebenheiten, durch die herausragende Kraftstoffersparnis bzw. Kraftstoffnutzung, von großer Bedeutung, - einer Bedeutung, die sich in Veitenergiewirtschaft= licher, wie in volkswirtschaftlicher Hinsicht, innerhalb kurzer Zeit bahnbrechend auswirken wird.

Zusammenfassung ineinandergreifender Funktionsweise

¥ie vorstehend aufgeführter Theorie zu entnehmen ist, zielt die geschilderte thermodynamisch^ Prozessart auf die gebotenen Erforder= nisse ab, die Värmekraftmaschinen mit dem Kraftstoff zugeführte Wärmeenergie - ohne Hinnahme immenser Prozeß-Abwärmemengen - geräusch= arm und bei schadstoffreien Abgasemissionen, gesteuert in größtmög= liehe mechanische Antriebsenergie umzusetzen.

Die gewählte thermodynamisch^ Prozessart der polytropengesteuert integrierten Gas-Expansion beinhaltet außer dem Aufbau zusätzlicher Partialgasdrücke während der Arbeitsphasen im Wärmeverbund, eine gesteuerte - und vor allem vollständig ausreichende — Innenkühlung der Maschine durch Flüssiggas-Einspritzung, wobei die geringe Abwärme= menge des integrierten Kraftmaschinenprozesses in verwendbar hoch= wertiger Qualität anfällt. Diese Abwärme größerer Intensität der Wärmeverbund-Kraftmaschine, wird wiederum zur Erzeugung hoher Auflade= leistungen,durch Druckgas-Antrieb des Ladeaggregates in geschlosse= nem Kreislauf über Wärmetausch,herangezogen, unter Umgehung bislang üblicher Direktnachschaltung von abgasbetriebenen Aufladeaggregaten, was sich durch noch höher erzielbare Leistung der Antriebskraftma= schine infolge entfallender Drosselwirkung für das Motorausströmgas und damit auch entfallender höherer Motorgegendrücke - leistungsstei= gernd und vor allem weiterhin wirkungsgradsteigernd auswirkt!

Die polytropengesteuerte Prozessart ermöglicht ferner, unter Umgehung bisheriger thermischer und dissipativer Leistungsgrenzen sowohl mit sehr hohen Kompressionsdrücken, als auch mit hohem Luft-Aufladegrad,

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bei gesteuerten, annähernd isothermen und adiabatischen Kompressions= phasen zu fahren. Die polytropengesteuerte Betriebsweise ergibt für
die Ladungen größere spezifische Verbrennungsluft-Einspritzgas-Massen (m1+m2')· Dieses bedeutet bei hoher Dichte verkleinerten Zündverzug
durch erhöhte ¥ärmeintensität, zum anderen bei hohen Kompressions=
drücken - entsprechend der großen spezifischen Gas-Masse der Ladungen eine geringere Verbrennungs-Temperaturerhöhung (4t).

Desweiteren kann das Verdichtungsverhältnis ^=V₁ /V« der Wärmeverbund-Kraftmaschine (Abb.2), infolge der hohen Vorkompressions- bzw. Auflade= drücke, die vom vermittels Prozeßabwärme betriebenen Kraftmaschinen-Ladeaggregat bei hohem Luft-Aufladegrad erbracht werden, - trotz prozeß= günstig hoher Kompressions-Enddrücke - innerhalb der Wärmeverbund-Kraft= maschine selbst, kleiner gehalten - und damit der Kompressionsraum V₉ größer gehalten werden. Damit wird das den thermodynamischen Gesamt= wirkungsgrad wesentlich beeinflussende Volldruckverhältnis ^l=VoZV₂ trotz größerer Gleichdruck-Verbrennungsperiode (V~-V~)_s d.h. trotz
größerer Füllungen bei voller Motorbelastung - durch größeres V_ im
Verhältnis prozeßgünstig kleiner, - während die sich bei Kraftmaschi= nen-Vollast ergebende Verkleinerung vom Ausdehnungsverhältnis Q=V₁/V„ für den polytropengesteuert integrierten Expansionsvorgang keinen im
Wirkungsgrad verschlechternden Einfluß ausübt, da der Adiabatenexponent X=cp/cv durch das eingesteuerte Flüssiggas (G2) jeweils während der
integrierten Expansionsperiode in der physikalisch erforderlich, prozeß= günstigen Größe verändert wird.

Durch diese ineinandergreifend voneinander funktionsabhängigen physi= kaiisch - technischen Voraussetzungen, ist für die Verbrennungsphase
Gleichdruckverbrennung auf hohem Druckniveau ermöglicht, was sich allein schon bezogen auf den Verbrennungs-Teilprozeß stark wirkungsgradstei= gernd auswirkt. Durch hinzukommend nach der Verbrennungsphase, während des Arbeitshubes von (G2) her aufgebaute Partial-Gasdrücke, sind ver= fügbar große Drehmomente der Wärmeverbund-Kraftmaschine bei hohem
thermischen Gesamtwirkungsgrad des Antriebsystems gewährleistet.

Neben hoher Leistungsausbeute, in mechanische Antriebsenergie umgesetz= ter Wärmeenergie, werden unter großem SäuerstoffÜberschuß eine absolut vollständige Kraftstoffverbrennung und demzufolge auch vollständig
schadstoffreie Abgasemissionen erzielt. Infolge der sich bei dieser
Prozeßart ergebenden, verhältnismäßig geringen Temperaturerhöhung

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in der Verbrennungsphase, ist andererseits jegliche Entstehung uner= wünschter Nitrosegase (NO -Gase) nachhaltig unterbunden, da letzteren die Entstehungskomponente höherer Verbrennungstemperaturen entzogen ist!

Geräuscharmer Motorlauf ist durch vollständige Wärmeisolation des Motors sowie durch die beschriebene Herabsetzung von Zündgeräuschen, bei austrittsseitig nachgeschaltetem Wärmetauscher, gewährleistet!

Der integrierte Expansionsprozeß in polytropengesteuertem Wärmeverbund der beschriebenen Weise, beinhaltet trotz hoher Auflade-Leistungen dem Wesen nach - im Vergleich zu reinem Verbrennungsmotor-Betrieb geringe thermische Belastungen der Motore, so diese Prozeßart im Bezug auf Hochleistungsmotore weder durch Temperatur-Grenzen - oder solcher, durch maschinenbautechnische Materialfragen aufgezwungener hoher Kühlverluste - noch durch Grenzen dissipativer Verlustenergieen ein= geschränkt ist!

Wie beschrieben, wird der überwiegende Teil der Kompressionsarbeit vermittels der Prozeßabwärme hoher Energiequalität durch Wärmetausch= übertragung, im Kraftmaschinen-Aufladeaggregat verrichtet, wodurch dem Wärme-Kraft-Prozeß des Wärmeverbundmotors außerdem vom Kraftma= schinen-Aufladeaggregat her erhebliche, zusätzlich potentielle Lade= druck-Energieen zugeführt werden!

Die bei integrierter Expansionsprozeßart als entfallend bezeichneten Leistungsgrenzen von Verbrennungsmotoren, sind aber gerade diejenigen, die der Antriebsmotor-Technik - selbst bei heutigem hohen technischen Entwicklungsstand - bislang alle Maßstäbe setzen, mit allen beklagens= werten Begleitübeln zu geringer Kraftstoffausnutzung, unzulänglicher u. umweltvergiftender Abgasemissionen, unerträglich hoher Lärmbelästi= gungen etc. mitsamt allen hieraus resultierend einschneidenden Folge= erscheinungen!

Da im bisherigen praktischen Betrieb von Verbrennungsmotoren die Gren= zen thermisch höchstzulässiger Materialbeanspruchung aber weit vor den Grenzen heutzutage konstruktiv beherrschbarer maschinenbautech= nischer Leistungsgrenzen der Festigkeit, wie z.B. hoher Kolben-, Kolbenstangen-, Schubstangen- und Lagerdrücke, oder beherrschbar großer oszillierender Kräfte, Massenkräfte aller Ordnungen etc. erreicht werden, ergibt sich hieraus folgernd, daß unter Umgehung bisheriger

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thermischer und dissipativer Leistungsgrenzen üblicher Verbrennungs= motore, erheblich größere Leistungen mit vorgegebenen Maschinengrö= ßen erzielt werden können, was ohne höhere Materialbeanspruchung ein mehrfaches des mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren Erreichten aus= macht.

Durch die bei der beschriebenen Prozeßart gesteuert mögliche, thermo= dynamisch hochgradige Verwertbarkeit von ¥ärmeenergie zur Umsetzung in mechanische Antriebsenergie, und durch die unkomplizierte wärme= technische Gesamtanordnung — sowie durch die sich bei gleichförmigen und großen Kolben-Druckverläufen unter hohen Triebwerks- wie auch hohen volumetrischen Ausnutzungsgraden in allen Drehzahlbereichen ergebenden großen Drehmomente, wird physikalisch wie technisch das erreichbar mögliche Optimum erzielt. Damit steht die thermische wie technisch allgemeine Überlegenheit der polytropengesteuert integrier= ten Kraftmaschinen-Prozeßart gegenüber bislang bekannten und üblichen ¥ärmekraftprozessen außer Präge!

Erläuterungen zum Funktionsschema(Abb. 1 ) der unkomplizierten wärmetechnischen Gesamtanordnung

Zur gesteuerten Flüssiggas-Einspritzung(G2) in der Auflade- und Motor-Kompressionsphase, wie in den integrierten Expansionsablauf, ist pro Einspritz-Einzelfunktion je eine zu den entsprechenden Kurbelstellun= gen,d.h. je eine zur Kurbelwelle synchron betriebene oder synchron elektrisch geschaltete Steuereinheit erforderlich. Die Einspritz-Steu= erung kann, wie im Funktionsschema(Abb.1) dargestellt, durch kontinu= ierlich von Null- bis Vollast regelnde Dosier-Kolbenpumpen(EP1 ) für die Lade- u. Kompressionsphase, und (EP2) für den integrierten Expan= sions-Arbeitstakt, mit je einem Steuerkolben pro Einspritzfunktion u. Motorzylinder, erfüllt werden - oder durch elektronische Digital-Steuerung bei statischem Flüssiggas(G2)-Einspritzvordruck(P2) und kontinuierlicher Flüssiggas-Förderung.

Als weitere Alternative kann das Flüssiggas(G2^ für die Auflade- u. Kompressionsphase mengenproportional der Turbolader-Drehzahl - und damit in Abhängigkeit der jeweiligen Luftauflade-Leistung - gefördert, und über eingestellte Einspritzorgane kontinuierlich in den Auflade-

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Verbrennungsluftstrom eingespritzt werden, wobei dann Steuerpumpe(EP1) gegen eine unkompliziert über Drehzahl geregelte und kontinuierlich fördernde Zahnrad- oder Kreiselpumpe entfällt. In diesem Falle bekommt die Kraftmaschine bei gekühlter Ladungsluft einen großen Aufladegrad. ¥eitere gesteuerte Flüssiggas-Einspritzung (G2^ während des Motor-Kompressionshubes könnte dann entfallen, da sich die Zündtemperatur durch entsprechend lastsynchron eingestellte Ladeluft-Einspritzung von (G2^,unter Motor-Lastwechsel konstant halten läßt. In den Expansions-Arbeitshub wird (G2) vorgewärmt eingesteuert.

Das Anlassen wie auch die Regelung des Värmeverbundmotors(YM) erfolgen in für Kraftfahrzeuge üblicher Veise über Anlasser u.Kraftstoffregelung

Die Flüssiggas-Einspritz-Mengenregelung der Steuerpumpen (EP1) für die Kompressionshub- und (EP2) für die integrierte Expansionshub-Einspritzung des Flüssiggases(G2) erfolgt stufenlos, synchron zur lastabhängigen Regelung der Kraftstoff-Einspritzpumpe(KP) bzw. zur Brennstoffregelung, bei lastsynchron vorgegebenen Steuerpunkten.

Nach erfolgtem Arbeitshub der gesteuert integrierten Gas-Expansion gelangt das homogene Verbrennungsabgas-Einspritzgas-Gemisch (G1+G2) nach Motoraustritt in den Yärmetauscher (YT), in dem (G2) unter Abgabe seiner Verdampfungswärme auskondensiert, wonach (G1) abgeschieden und auf niederem Temperaturniveau, unterwärts in die freie Atmosphäre austritt. Mittels von (G2) bei Verflüssigung abgegebener Verdampfungs= wärme wird im Wärmetauscher (YT) im indirekten Yärmetausch Druckgas(G3) erzeugt und unter Druck gehalten. - Vom Sammelbehälter des Yärmetau= schers(YT) aus, wird das durch Kondensation verflüssigte Einspritzgas (G2) wieder zu den Einspritz-Steuerpumpen (EP1) und (EP2) gefördert.

Druckgas(G3) wird in flüssigem Aggregatzustand vom Kondensator(KS) kommend, durch Zahnradpumpe(ZP) über den Kraftmaschinen-Ölkühler(OK) zwecks Vorwarnung durch Aufnahme der Motorreibungswärme - und von (OK) zum Yärmetauseher(YT) gepumpt, in welchem (G3) mithilfe der durch Flüssiggas(G2) bei Kondensation und Verflüssigung abgegebenen Ver= dampfungswärme, im indirekten Yärmetausch vergast und unter Druck gehalten wird. Von Yärmetauseher(YT) aus strömt Druckgas(G3) zwecks Verrichtung von Arbeitsleistung in die Antriebs-Einheit(ET) des Kraft= maschinen-Aufladeaggregates, im Schema als Expansionsturbine(ET) dar= gestellt, wonach (G3) in expandiertem Zustand zum Kondensator(KS) zur

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Verflüssigung zurückströmt.

Die mittels Druckgas(G3) betriebene Auflade-Antriebseinheit, die Expansionsturbine(ET) treibt den Ladekompressor(LK) an, durch den die Verbrennungsluft(VL) vom Luftfilter(LP) kommend, stark vorkom= primiert wird. Vom Ladekompressor(LK) aus strömt die stark vorkom= primierte Verbrennungsluft(VL) während des Ladehubes zur Aufladung in die Zylinder des Wärmeverbundmotors (WM), wonach die Verbrennungs= luft(VL) mitsamt eingespritzten Flüssiggases(G2) während des Motor-Kompressionshubes hochkomprimiert wird.

In der Kompressions-Endphase des Motor-Kompressionshubes wird der Kraftstoff durch Kraftstoffpumpe(KP) in die Arbeitszylinder einge= spritzt, der zunächst in die beschriebene Spezial-Kompressionskammer gelangt, und infolge beschriebener Maßnahmen während der Einspritzung verzugsfrei zündet.

Bei Motor-Lastwechsel wird der Wärmetauscher(¥T) je nach Motorlast, mehr oder weniger mit abwärmeführendem Verbrennungsabgas-Einspritzgas— Gemisch (G1+G2) beaufschlagt, und demzufolge bei indirektem Wärmetausch, durch die gesteuerte Prozeßabwärme des Wärmeverbundmotors(WM) mehr oder weniger Druckgas(G3) höheren oder geringeren Gasdruckes für den Antrieb durch Expansionsturbine(ET) des Kraftmaschinen-Aufladeaggre= gates erzeugt, wodurch dieses wiederum dementsprechend mehr oder weniger Luftauflade-Leistung höheren oder geringeren Ladedruckes erbringt,d.h. der Ladeluft-Kompressor(LK) fördert motorlastabhängig in Menge und Ladedruck, durch die antreibende Expansionsturbine(ET) über gesteuerte Prozeßabwärme geregelt.

Bei höheren Außentemperaturen und Erfordernis durch längeren Motor-Vollastbetrieb, d.h. bei größeren, von der Antriebs-Einheit(ET) des Kraftmaschinen-Aufladeaggregates her, expandiert anfallenden und zu kondensierenden Druckgasmengen(G3), schaltet sich Elektro-Kühllüfter (EL) des luftgekühlten Kondensators(KS) thermostatisch geregelt automatisch zu.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   . Polytropengesteuerte Verbrennungskraftmaschinen mit integrierter Gas-Expansion u. innerer Kühlung als Wärmeverbundmotore, zum Zweck thermodynamisch hochgradiger Verwertbarkeit der mit dem Kraftstoff zugeführten Värmeenergie zur Umsetzung in mechanische Antriebs= energie, unter Fortfall bisheriger Temperaturgrenzen der Beiast= barkeit von Hochleistungsmotoren sowie Beseitigung deren bisheriger dissipativer Leistungsgrenzen, bei schadstoff- und geräuschemis= sionsfreiem Betriebsverhalten, - mit erzielbar hohen Drehmomenten niederer Drehzahl - als Grundsatzlösung aktueller Umweltschutz- und Energiewirtschaftsprobleme, dadurch erreicht und gekennzeichnet, daß in die Expansionsabläufe des als Heißgas innerhalb der Expan= sions-Arbeitsräume von Verbrennungskraftmaschinen verschiedener Prinzipien (Diesel- oder Otto-Verbrennungsmotore etc. ) auftreten= den Verbrennungsgases (G1), ein steuernder Eingriff vorgenommen wird, durch lastabhängig vorgesteuerte Einspritzung geeigneten Flüssiggases (G2) hoher Drücke, sowie Zerstäubung und Vergasung desselben während des ablaufenden Expansionsprozesses, wodurch dieses gesteuert eingespritzte Flüssiggas (G2) mithilfe seiner Verdampfungswärme und zunächst steigenden Enthalpie die überschuss sige Prozeßabwärmemenge der Verbrennungsphase aufnimmt, und - mit Flüssiggas-Einspritzzeitpunkt, -Einspritzmenge, -Einspritzdauer und -Einspritztemperatur als Steuerungsparameter - während des somit polytropengesteuert integrierten Expansionsablaufes - nach geleisteter Haupt—Schubarbeit des Verbrennungsgases (G1 ) - durch sein (G2)-Eigenvolumen in gasförmigem Zustand zusätzliche Partial-Gasdrücke auf dem Grundvolumen des aufgeladenen und größtenteils bereits expandierten Verbrennungsgases (G1), zwecks Abgabe zusatz= licher Arbeitsleistung und Erhöhung erbrachter Drehmomente aufbaut, den Adiabatenexponenten cp/cv des homogenen Verbrennungsgas-Ein= spritzgas-Gemisches (G1+G2) bezogen auf große, integriert herunter zu expandierende Druckverhältnisse, in der physikalisch erforder= lieh prozeßgüiistigen ¥eise gegen Expansionsende zunehmend verklei= nert, - und durch die vermittels seiner aufgenommenen Yärmemenge,

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   bestehend aus (G2)-Verdampfungswärme + zunächst ansteigender (G2)-Enthalpie minus anschließend integrierter (G2)-Expansions= arbeit, ausgelöste Innenkühlung des Värmeverbundmotors, dessen gesamte Värmebilanz enthalpiegesteuert unter Kontrolle hält, womit die bisherigen, materialbedingten Temperatur-Leistungsgren= zen von Hochleistungs-Verbrennungsmotoren umgangen sind, und die Yärmeverbund-Kraftmaschine unter Vermeidung energieabführender Außenkühlung wärmeisoliert werden kann, - um als motorkühlender "¥ärmeträger höherer Qualität" am jeweiligen Expansionsende die durch integrierten Expansionsablauf und direkte Motor-Innenkühlung erheblich herabgesetzte Prozeßabwärmemenge als Exergie in Form konzentrierter Kondensationswärme, auf erwünscht niederem Tempera= turniveau zu präsentieren, - durch diese wird wiederum bei Auskon= densation u. Verflüssigung des Einspritzgases (G-2), welches ver= flüssigt im Kreislauf zur erneuten Einspritzung zurückgepumpt wird, unter Abgabe der Verdampfungswärme des ¥ärmeträger-Einspritzgases (G2) und Abscheidung des Verbrennungsabgases (G1) im Värmetauscher, über denselben der geschlossene Gaskreislauf (G3) beheizt, hierdurch Druckgas (G3) größerer Betriebsdrücke zwecks Betreibung einer wei= teren Gasexpansions-Kraftmaschine - oder der Antriebs-Einheit des Kraftmaschinen-Ladeaggregates in geschlossenem Gaskreislauf - er= zeugt, wobei in letzterem Falle, vorteilhafterweise ohne leistungs= einschränkende Gegendruckerhöhung der Hauptkraftmaschine, hohe Verbrennungsluft-Aufladeleistungen vermittels der Prozeßabwärme "höherer Qualität" im Kraftmaschinen-Aufladeaggregat erbracht werden, womit vollständige Kraftstoffverbrennung im Sauerstoffüberschuß gewährleistet ist, - und zum anderen hierdurch als wesentlich,trotz relativ größerer Verbrennungsgas-Füllungen bei prozeßbedingt günstig hohen Kompressions-Enddrücken, das auf den thermischen Gesamtwir= kungsgrad Einfluß ausübende Volldruckverhältnis respektive das Füllungsverhältnis, bei ermöglichter Gleichdruckverbrennung des Värmeverbundmotors, in flexibler Veise prozeßgünstig klein gehalten werden kann, - wobei darüberhinaus dem Värme-Kraft-Prozeß des Värmeverbundmotors durch das vermittels gesteuerter Prozeßabwärme betriebene Kraftmaschinen-Aufladeaggregat, während des Ladehubes der Hauptkraftmaschine, als antreibend direkter Abwärme-Arbeits= rückgewinn zusätzlich erhebliche, potentielle Ladedruck-Energien zugeführt werden.

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2. 2. Anspruch zu 1, Beseitigung bisheriger dissipativer Leistungsgrenzen, gekennzeichnet dadurch, daß der für den Antrieb des Kraftmaschi= nen-Aufladeaggregates vorgesehene geschlossene Druckgaskreislauf (G3),in der Flüssigphase vom Kondensator kommend, im reibungs= "wärmeabführenden Ölkühler der Värmeverbund-Kraftmaschine durch ¥ärmetausch vorgewärmt "wird, und hierdurch die dissipativen Ener= gieen der Haupt-Kraftmaschine auf diese Yeise durch Umwandlung in reversible Yärmeenergie, dem Kraftmaschinenprozeß nutzbar gemacht werden, wodurch die bisherige Leistungsgrenze zu hoher irreversibler Reibungsverlust-Yärmeanteile von Hochleistungs-Verbrennungsmotoren - hervorgerufen durch prozeßgünstig hohe Kompressions-Enddrücke - umgangen ist, allein auch schon dadurch, daß im Gegensatz zu bisherigen Aufladeprinzipien, ein ganz erheb= licher Teil der Kompressionsarbeit vermittels Ladeaggregat-Antrieb durch die gesteuerte Yärmeverbund-Prozeßabwärme hoher Energie= qualität verrichtet wird.
3. 3. Anspruch zu 1 , dadurch gekennzeichnet, daß durch gesteuerte Ein= spritzung von Flüssiggas (G20 während der Verbrennungsluft-Lade= kompression und während des Kraftmaschinen-Aufladehubes, gesteuert prozeßgünstige und damit kraftsparende isotherm - adiabatische Kompressionsphasen erzielt werden, und zum anderen in der Yärme= verbund-Kraftmaschine vom vorangegangenen Arbeitshub her noch vorhandene überschüssige Rest-Yärmemengen der Kolben und Verbren= nungsraumwände, während des Ladehubes zum Zwecke vollständig ausreichender Maschinen-Innenkühlung gleichfalls durch vorgesteu= ertes Flüssiggas (G20 aufgenommen werden, wobei gleichzeitig die Verbrennungsluft-Einspritzgas-Molekularmasse bzw. die spezifische Gas-Masse (m1+m2' ) der Aufladungs-Füllung vor der Verbrennungs= phase vergrößert wird — was sich in prozeßgünstiger Yeise zünd= verzugsreduzierend auswirkt - und andererseits außerdem hierdurch kosten- und platzaufwendige, sowie prozeßschädliche Ladeluftkühler vermieden werden können.
4. 4. Anspruch zu 1, Verwendung außerordentlich prozeßunterstützenden Flüssig- bzw. Druckgases, dadurch gekennzeichnet, daß dieses neben hoher thermischer Stabilität im Bereich der Arbeite- und

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   Kondensationstemperaturen sowohl phasen- wie auch temperatur- u. druckabhängige polymere exotherme, wie monomere endotherme Atomar= reaktionen bei großen Molekel-Dipolmomenten, d.h. bei hohen inneren Assoziations- und Dissoziationskräften, aufweist - sowie eine ausgezeichnete innere Yärmeleitfähigkeit bei geringer dynamischer Zähigkeit, - wodurch in prozeßunterstützender Yeise neben annähernd verzögerungsfreien Värmeübergangs-Reaktionen bei ausgezeichnetem Gas-Gütegrad, im Gas-Überhitzungszustand entsprechend der monomeren Gasstruktur ein erwünscht großer Adiabatenexponent gewährleistet ist, der sich mit abnehmender Gastemperatur und sinkendem Druck, bei zunehmender Polymerisation durch vorrangige Zunahme höherer Zähligkeiten der Gasmoleküle, gegen Expansionsende prozeßgünstig zunehmend verkleinert, wobei außerdem durch die mit sinkender Temperatur rasch zunehmende Polymerisation bei sich vergrößernden spezifischen Gasgewichten, im Kondensator exotherme Implosions= effekte hervorgerufen werden, wodurch der Kondensator zur Gas-Verflüssigung relativ klein gehalten werden kann, - im Verhältnis der zur gleichen Zeit zwecks Verrichtung von Expansionsarbeit in der monomolekularen Gasphase unter Arbeitsdruck verfügbaren großen Arbeitsgas-Volumina gleichen Mengen-Gewichtes, - wonach dann in flüssigem Aggregatzustand durch weiter zunehmende Polymerisation ein mehrfaches Molekulargewicht gegenüber gasförmigem Aggregat= zustand zugrunde liegt, - während das Arbeitsgas andererseits, wie bereits ausgeführt, in gasförmigem Aggregatzustand druck- und temperaturabhängig in monomolekularen Zustand übergeht, wodurch bedingt die Verdampfungswärme des verwendeten Gases um ein viel= faches geringer ist, als es der Molekularstruktur in dampfförmi= gem Zustand entspricht.
5. 5. Anspruch zu 1, zweiteilige Spezial-Kompressionskammer (Abb.3) zur Reduzierung des Zündverzugs u. Herabminderung von Zündgeräuschen, bei geringem Virbel-Arbeitsaufwand unter Vermeidung von Kanaldros= seiungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiteilige Kompressions= kammer aus einem im Zylinderkopf untergebracht feststehenden Ober= teil,und einem auf dem Arbeitskolben befestigten und mit diesem beweglichen Unterteil besteht, wobei die Kompressionskammer-Unter= halfte muldenartig ausgebildet ist, strömungsmäßig vorteilhafter

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   Yeise auf leicht dachförmig geschrägtem, d.h. leicht stumpfkegeli= gern Kolbenboden befestigt und mit Labyrinthrillen versehenem zylin= drischen Außenmantel geringer Höhe ausgestattet ist, der -wie ein Stufenkolben bzw. eine Stufenkolben-Mulde in kurzer Höhe über dem Kolbenboden hervorsteht, um mit dem Arbeitskolben auf und nieder zu gehen, und sich in der Kompressions-Endphase gegen obere Tot= punktlage zu - mit der zylindrischen, durch Labyrnthrillen und Passungsspiel dichtenden, kurzen Kammeraußenwand - teleskopartig in die im Zylinderkopf befindliche, feststehende Kompressionskammer-Hälfte zu schieben, wonach die hochkomprimierte Verbrennungsluft in der Kompressions-Endphase durch den Arbeitskolben über Durch= trittsbohrungen, die an unterster Stelle der beweglichen Kompres= sionskammer-Hälfte rundum angebracht sind, in die nunmehr teleskop= artig ineinander geschobene Kompressionskammer gedrückt wird, wodurch in der Endkompressionsphase, bei geringem Aufwand an Yirbelarbeit, eine durchgreifende Verbrennungsluft-Yirbelströmung für verzöge= rungsfrei gleichmäßige Kraftstoffverteilung in der hochkomprimier= ten Verbrennungsluft und damit eine gleichmäßige Verbrennung erzielt werden, - wohingegen nach erfolgter Zündung die Kanaldrosselungen, aus der Kompressionskammer über die unteren Durchtrittsbohrungen,der bei Verbrennungsbeginn in den Zylinderraum und vor den Arbeitskol= ben tretenden- Verbrennungsgase, dadurch kaum merklich sind, daß die Durchtrittsbohrungen bei extremer Kürze keine Drosselstrecken auf= weisen, und zum anderen als wesentlich - das bewegliche Kompres= sionskammer-Unterteil direkt nach dem Zünden, bei Abwärtsgang zusam= men mit dem Arbeitskolben, nach geringem Arbeitshubweg, während der Verbrennungsphase wieder aus dem feststehenden und im Zylinderkopf angeordneten Kompressionskammer-Oberteil teleskopartig austaucht, und mit der oberen Begrenzungskante des niedrigen, außen zylindri= sehen Kammerunterteiles als Steuerkante - den gesamten Kompressions= kammer-Querschnitt für das Verbrennungsgas zur vollen Arbeitskolben= fläche hin freigibt, während für den geringen Arbeitshubweg gleich nach oberem Totpunkt, beim beginnenden Verbrennungsvorgang das Kompressionskammer-Unterteil als Teil-Kolbenfläche sofort mit vol= lern Verbrennungsgas leistungsabgebend beaufschlagt ist.

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6. 6. Nebengeordneter Anspruch zu Anspruch 1, leistungs- und wirkungs= gradsteigernde Abwärmeverwertung von Verbrennungsmotoren zwecks Verbesserung des Warme-Kraft-Prozesses durch Erzeugung zusätzli= eher mechanischer Antriebsleistung, gekennzeichnet dadurch, daß die bislang verlorenen großen Abwärmemengen von Verbrennungsmoto= ren, bestehend aus erheblichen Abstrahlungs- und Abgas-Värmemengen, zur Erzeugung von Arbeitsdruckgas über Värmetausch in geschlosse= nem Gaskreislauf herangezogen werden - zum Beispiel durch Motor= kühlung vermittels als Kühlmedium in den Motorkühlmänteln aufge= heizten Flüssiggases als Arbeitsdruckgas mit anschließender, durch Verbrennungsabgas-Beheizung erzeugter Überhitzung desselben, oder durch Aufheizung des Druckgases vermittels anderer Motorkühlmedien und des Verbrennungsabgases - zwecks Erzeugung zusätzlicher mecha= nischer Antriebsleistung durch Betreibung einer zugeschalteten Expansionsmaschine oder eines Motor-Gasexpansions-Maschinenteiles mit geschlossenem Druckgas-Kreislauf - oder als wesentlich, zwecks Betreibung der Antriebseinheit für ein Kraftmaschinen-Aufladeaggre= gat, um auf diese Yeise den Verbrennungskraftmaschinen-Prozess zu verbessern, wobei außer a) der nutzbaren Abwärmeverwertung von Verbrennungsmotoren durch Erzeugung größerer Kraftmaschinen—AufIa= deleistungen vermittels durch Prozeßabwärme erzeugten Druckgases, sich noch zwei weitere Värme-Kraft-Prozess verbessernde Einfluß= größen positiv bemerkbar machen, indem b) die Hauptkraftmaschine unter Auflade-Voraussetzung, zusätzlich von erhöhter Austritts= drosselung infolge erhöhten Gegendruckes durch direkt nachgeschal= tetes und abgasbetriebenes Auflade-Aggregat - wie bislang üblich entlastet wird, und c) der Hauptkraftmaschine während des Lade= hubes, vom Ladeaggregat her außerdem zusätzlich antreibend poten= tielle Ladedruck-Energieen zugeführt werden, - was sich insgesamt für die Hauptkraftmaschine unter Auflade-Voraussetzung, nicht nur weitergehend leistungssteigernd auswirkt, sondern vor allem den thermischen Virkungsgrad der wärmetechnischen Kraftmaschinen-Gesamt= anordnung stark anhebt.

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