DE3812242A1

DE3812242A1 - Exergiemotor-hubkolbenverbrennungsmotor mit verringertem brennstoffbedarf

Info

Publication number: DE3812242A1
Application number: DE3812242A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Hein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-04-13
Filing date: 1988-04-13
Publication date: 1989-10-26

Description

Hubkolbenverbrennungsmotoren sind Energiewandler mit den z. Zt. höchsten thermodynamischen Wirkungsgraden. Auch größte Gas- oder Dampfturbinen erreichen nicht die bei Hubkolbenmotoren möglichen Wirkungsgrade.

Dazu trägt vor allem die bei der Verbrennung des Kraftstoffes im Innern des Zylinders mögliche hohe Verbrennungstemperatur von über 2500°K (u. a. bedingt durch eine über das Prinzip des periodischen Ladungswechsels mögliche hohe Verdichtung des Brennstoff-Luftge misches) bei.

Trotzdem wird in üblichen Motoren, vor allem unterhalb einer Leistung von ca. 800 kW nur rund ein Drittel der im Kraftstoff ent haltenen chemisch gebundenen Energie in mechanische Energie umge setzt.

Geht man den Verlustursachen nach, so findet man u. a. folgende Ein flüsse: Restenergie im Abgas, Wärmeübergang vom Arbeitsgas über die Brennraumwände ins Kühlwasser und Schmieröl, nicht ideale Ver brennung, Undichtigkeiten an den Kolbenringen, Drosselung beim Ladungswechsel, Reibung der relativ zueinander bewegten Teile, Antrieb von Hilfsaggregaten usw.

Dabei beinhalten die beiden zuerst genannten Einflüsse rund 90% der Verlustenergie, während die restlichen 10% sich über die übrigen Punkte verteilen und bei Motoren guter Konstruktion kaum bzw. nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand weiter reduzieren lassen.

Versuche für eine Verbesserung der Brennstoffnutzung müssen deshalb bei den ersten beiden Punkten ansetzen.

In der Praxis sind u. a. folgende Verfahren zur Restenergie-Nutzung bekannt:

2.1 Abgas-Turbo-Lader zur Luftverdichtung oder zur Verdichtung eines Luft-Gas-Gemisches,
2.2 Abgasturbinen zum Antrieb von Generatoren (Homopolargeneratoren)
2.3 Abgasturbinen mit Kopplung über mechanische oder hydraulische Getriebe an die Hauptwelle des Motors (Eta-booster)
2.4 Bottoming cycle (Umsetzung der Restenergie der Abgase über einen Wärme-Tauscher in einer Dampfturbine)

Grundgedanke des Exergie-Motors

Im Augenblick der Zündung des komprimierten Brennstoff-Luftgemisches ist noch die gesamte ursprünglich in chemischer Form gebundene Ener gie im Verbrennungsplasma enthalten.

Der bei der Expansion des Plasmas nach unten bewegte Kolben setzt einen Teil davon in mechanische Energie um. Der größte Teil der freigesetzten Energie geht als Wärme ins Kühlwasser und mit dem Auspuff-Hub ins Freie.

Die unter 2.1 bis 2.4 u. a. genannten Verfahren versuchen einen Teil vor allem im Abgas enthaltenen Exergie nochmals in mechanische Energie umzuwandeln. Exergie aus dem Kühlwasser wird nur in gerin gem Maße gewonnen, wenn man von Kraft-Wärme-Kälte-Prozessen (Nutzung der Kühlwasserwärme zu Heizzwecken und über Absorberaggregate zur Kälteerzeugung absieht).

Eine fast ohne Zusatzeinrichtungen arbeitende Methode, die am Punkt der höchsten Rest-Exergie nach dem Expansionshub ansetzt, ist ein EXERGIE-MOTOR genanntes Gas-Dampf-Verfahren im Zylinder des Hub kolbenmotors.

Anhand eines Viertakt-Otto-Motors sei das Prinzip erläutert (Bild 0):

Der Zylinder sei für mehr als den doppelten Hub des Kolbens, der zum "normalen" Betrieb erforderlich wäre, ausgelegt. (Für die Praxis relevante andere Möglichkeiten sind in den Patent-Ansprüchen ent halten).

Das Brennstoff-Luftgemisch wird bei der Kolbenstellung A gezündet, der Druckverlauf im Zylinder über dem Volumen ist im neben dem Zylinder stilisierten Diagramm angedeutet.

Das Plasma im Zylinder hat am Ende des ersten Halbhubes z. B. noch eine Temperatur von 500 bis 800°C.

Im Punkt B wird Wasser/Dampf eingedüst, der in einem Abgas-Wärme tauscher erhitzt und über den am Ende des ersten Halbhubes herrschen den Druck vorgespannt wurde.

Durch diese Wasser/Dampf-Eindüsung sinkt die Temperatur des Plasmas aber der Druck steigt durch die Überhitzung des Dampfes. Dadurch erhält der Kolben auch für den zweiten Halbhub (ohne neue Brenn stoffzufuhr) einen entsprechenden Schub.

Auspuffhub sowie Ansaug- und Verdichtungshub folgen wie bei nor malen Viertaktmotoren (Auf die Besonderheiten dieser beiden Takte bei Langhub-Motoren sei in diesem Gedanken-Modell nicht eingegangen.)

Vorteile

4.1 Die Zusatzeinrichtungen zur Nutzung der Rest-Exergie im Abgas und im Kühlwasser sind relativ gering im Vergleich zu den Lö sungen 2.1 bis 2.4.
4.2 Es kann mehr Exergie genutzt werden, da sie unmittelbar umge setzt wird und nicht erst über relativ lange verlustbehaftete Wege zu den Hilfsaggregaten transportiert werden muß.
4.3 Es sind Zusatzmaßnahmen möglich, die den Übertritt von Exergie ins Kühlwasser verringern.
4.4 Das Verfahren kann auch bei kleinen und mittleren Motoren ein gesetzt werden.

Claims

1. Hubkolbenverbrennungsmotor nach dem Otto- oder Dieselprinzip in Vier- oder Zweitaktausführung mit oder ohne Aufladung, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem durch die Verbrennung eines Kraft stoff (Gas) - Luftgemisches getätigten normalen Arbeitshub oder eines Teiles davon die im Plasma der Verbrennungsabgase noch ent haltene bzw. auf die Motorbauteile übergegangene Exergie zu einem weiteren Arbeitshub bzw. Fortsetzung des begonnenen Arbeits hubes ohne oder mit wesentlich reduziertem zusätzlichen Kraft stoff-Einsatz dadurch genutzt wird, daß das Plasma der Verbrennungs gase mit einem Medium zur Druckerhöhung bei der erreichten Tem peratur gemischt wird.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Teil oder vollständigen Ablauf des normalen Arbeitshubes in den Zylinder Wasser oder eine andere Flüssigkeit bzw. Wasserdampf oder Dampf einer anderen Flüssigkeit bzw. ein Gemisch aus Wasser und Wasserdampf oder Flüssigkeit und Dampf allgemein eingedüst und dadurch im heißen Abgasplasma ein Dampfdruck erzeugt wird, der den Kolben unmittelbar oder nach Ablauf eines oder mehrerer Zwischenhübe zu einem Arbeitshub ohne oder mit reduziertem Brenn stoff-Einsatz verhilft bzw. einen noch in Bewegung befindlichen Kolben zusätzlich beschleunigt.

3. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die Eindüsung der Flüssigkeit bzw. des Dampfes an verschiedenen Stellen des Zylinders und in ver schiedener Form (Strahl, Nebel, Tröpfchen, Impulsmengen usw.) er folgen und dadurch eine Beeinflussung der Steilheit des Druck anstieges im Zylinder erreicht werden kann.

4. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. durch die Wahl des Eindüs-Zeit punktes eine Beeinflussung der Steilheit des Zusatzdruckanstie ges im Zylinder erreicht werden kann.

5. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. durch die Wahl der Eindüs-Tempera tur eine Beeinflussung der Höhe des Druckanstieges erreicht w. k.

6. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. durch die Wahl der Eindüs-Menge eine Beeinflussung der Höhe des Druckanstieges und seiner Steil heit erreicht werden kann.

7. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. durch die Wahl des Eindüs-Druckes eine Beeinflussung der Höhe des Druckanstieges und seiner Steil heit erreicht werden kann.

8. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die für die Eindüsung vorgesehene Flüssigkeit bzw. Dampf in einem Abgas-Wärmetauscher auf eine gemäß Anspruch 5 gewählte Temperatur gebracht wird.

9. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die für die Eindüsung vorgesehene Flüssigkeit bzw. Dampf in einem Abgas-Wärmetauscher oder einer Einspritzvorrichtung (z. B. Pumpe) auf einen gemäß Anspruch 7 gewählten Druck gebracht werden.

10. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. als Eindüsmedium die im Kühlkreis lauf des Motors vorhandene Flüssigkeit benutzt wird.

11. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die gemäß Anspruch 10 benutzte Flüssigkeit über einen oder mehrere Abgas-Wärmetauscher geführt wird.

12. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. das Verhältnis von Kolben-Gesamt hub zu Zylinderdurchmesser größer 1,2 ist, um die aus dem Ab gasplasma gewonnene Energie auf einem genügend langen Kolben weg ausnutzen zu können.

13. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. der Zylinderdurchmesser nach der Stelle, die der Kolben im Augenblick der Flüssigkeits/Dampf eindüsung erreicht hat konstant bleibt oder größer gewählt wird.

14. Motor nach Anspruch 13, d. g. d. eine Veränderung des Zylinder durchmessers nach der Eindüsstelle (zeitl.) mit dem Ziel durch geführt wird, den Gesamthub des Kolbens zu verkleinern.

15. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. Eindüs-Zeitpunkt-, Temperatur-, -Menge- und -Druck gemäß Anspruch 4, 5, 6 und 7 so gewählt werden, daß in Verbindung mit der unter die Resttemperatur beim Ende des Arbeitshubes lediglich aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch ge sunkenen Temperatur am Ende des Exergie-Hubes eine Verbesserung der Abgasqualität und eine Senkung der Schadstoffanteile entsteht.

16. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die unter die Resttemperatur am Ende des Kraftstoff-Luft-Gemisch-Arbeitshubes gesunkene Tempe ratur am Ende des Exergie-Hubes zur Innenkühlung des Motors, u. a. auch des Auslaßventiles genutzt wird.

17. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. im untersten Teil des Zylinders (maximale Entfernung zur OT) Öffnungen (Schlitze) vorgesehen werden, die einen Teil des Abgas-Dampfgemisches unabhängig vom Auslaßventil entweichen lassen und den Auspuffhub und das Aus laßventil entlasten (Bild 2).

18. Motor nach Anspruch 17, d. g. d. die genannten Öffnungen einen Expansionseffekt und damit eine weitere Abkühlung des Abgas- Dampfgemisches bewirken.

19. Motor nach Anspruch 17 und 18, d. g. d. das durch die Expansions öffnungen gemäß Anspruch 17 entweichende relativ kühle Abgas- Dampfgemisch zur Kühlung des Motors (z. B. entlang der äußeren Zylinderwand) genutzt wird (Bild 2).

20. Motor nach Anspruch 19, d. g. d. durch diese Maßnahme die Wasser kühlung ganz oder teilweise eingespart werden kann.

21. Motor nach Anspruch 17, d. g. d. die genannten Öffnungen mit Feder- oder Gaspolster-belasteten Elementen (z. B. Ringen) verschlossen sind, erst bei einem bestimmten Druck in einem Überströmkanal freigegeben werden und damit Brennstoffverluste beim Ansaughub vermieden werden (Bild 2).

22. Motor nach Anspruch 2 bis 21, d. g. d. die Maßnahmen zu einer Maximierung des Motorwirkungsgrades bei Minimierung des Bau volumens genutzt werden.

23. Motor nach Anspruch 2 bis 21, d. g. d. bei Umrüstung bestehender Motoren auf das EXERGIE-MOTOR-Prinzip die vorhandenen Zylinder mit einer Innenhülse ausgerüstet werden, die das Verhältnis Hub zu Zylinderdurchmesser vergrößert.

24. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die Zylinderwandungen, beson ders im Teil bis zur Stellung des Kolbens im Augenblick der Eindüsung des Flüssigkeits/Dampfgemisches mit einer Wärme bremse versehen sind (Bild 3).

25. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die Kolbenstirnflächen mit Wärme bremsen versehen und die Kolbenkompressions- und Ölabstreif ringe so gestaltet und gelagert sind, daß wenig Wärme auf die Zylinderwandungen übergeht (Bild 4).

26. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. aus Düsenöffnungen des Kolbens beim Arbeitshub Wasser und/oder Wasserdampf bzw. Flüssigkeit und/oder Dampf einer Flüssigkeit austritt, an die Zylinderwan dungen gelangt, hier allein oder zusammen mit dem Restölfilm eine wärmeisolierende Dampfschicht bildet und aus den heißen Verbrennungsgasen weniger Wärme auf die Zylinderwandungen über treten läßt (Bild 4).

27. Motor nach Anspruch 26, d. g. d. die Zylinderlaufbuchen aus ke ramischen Stoffen mit poröser Oberfläche bestehen, in der sich die Dampfschicht besser hält.

28. Motor nach Anspruch 26, d. g. d. die Zylinderlaufbuchsen aus Sintermetall bestehen.

29. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die Flüssigkeits/Dampfeindüsung über ein gesondertes, z. B. zwischen Ein- und Auslaßventil an geordnetes Ventil erfolgt.

30. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die Flüssigkeits/Dampfeindüsung in einem Sprühkegel an die heißen Zylinderwände erfolgt, denen dadurch Wärme entzogen wird (Bild 3).

31. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die Flüssigkeits/Dampfeindüsung in einem auf die Kolbenstirnseite gerichteten Strahl erfolgt, der diesem Wärme entzieht.

32. Motor nach Anspruch 30 und 31, d. g. d. die Flüssigkeits/Dampf eindüsung auf die Kolbenstirnseite und die Zylinderseitenwände gerichteten Strahlen erfolgt.

33. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die Flüssigkeits/Dampfeindüsung über Kammern bzw. Kanäle erfolgt, die die Zylinderwände um schließen, von diesen aufgeheizt werden und in denen eine Ver dampfung der eingedüsten Flüssigkeit bzw. Aufheizung des ein gedüsten Dampfes erfolgen kann (Bild 5).

34. Motor nach Anspruch 33, d. g. d. die Kammern bzw. Kanäle in ihrem Aufbau so beschaffen sind (z. B. Windungen, Querschnitt, usw.) daß sie beim Kompressionshub eine wirksame Sperre gegen Brennstoff-Luftgemisch-Verluste darstellen.

35. Motor nach Anspruch 25, d. g. d. die Wärmebremse an der Stirn seite der Kolben aus beschichteter oder unbeschichteter Keramik besteht, die in Verbindung mit der Flüssigkeits/Dampfeindüsung oder unabhängig davon katalytische Eigenschaften entwickelt und den Schadstoffanteil der Abgase reduziert.

36. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. die Flüssigkeits/Dampfeindüsung über eine Vorkammer erfolgt, die vom Abgasstrom hinter den Auslaßventilen aufgeheizt wird.

37. Motor nach Anspruch 36, d. g. d. die Vorkammer aus wärmespeichern dem Material gefertigt oder damit ausgekleidet ist.

38. Motor nach Anspruch 36, d. g. d. die Vorkammer als Ringkammer um den oberen Teil des Zylinders ausgeführt wird.

39. Motor nach Anspruch 2, d. g. d. eine Dampfeindüsung derart er folgt, daß nicht der Dampfdruck und die Temperatur des ein gedüsten Dampfes unmittelbar die zusätzliche Kraftkomponente erzeugt, sondern der vom Abgasplasma und/oder den Zylinder- und Kolbenflächen aufgeheizte Dampf nach dessen Mischung mit dem Plasma der Verbrennungsabgase.

40. Motor nach Anspruch 1, d. g. d. nach dem Arbeitstakt die Ver brennungsabgase nicht über das Auslaßventil ins Freie entlassen, sondern nach Lösen der Verriegelung eines gesonderten Verdrän gerkolbens vom Arbeitskolben an Stelle des sonst üblichen Aus puffhubes in eine Ladungsverschiebungskammer gebracht werden, dort die Flüssigkeits/Dampf-Eindüsung erfolgt, die einen noch maligen Arbeitshub bewirkt und erst nach diesem durch Bewegungen des Arbeits- und Verdrängerkolbens über das normale Auslaß ventil ins Freie bzw. in einen Wärmetauscher entlassen werden (Bild 6).

41. Motor nach Anspruch 40, d. g. d. der Verdrängerkolben nach dem Brennstoffarbeitstakt des Arbeitskolbens aus einer den Arbeits zylinder abschließenden Stellung, gesteuert von der Nockenwelle oder einem mit der Kurbelwelle synchron laufenden elektromagne tischen oder elektrischen Geber, mechanisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch entriegelt und nach Beendigung des zweiten Arbeitstaktes (Exergietakt) über die Nockenwelle oder eine der Nockenwelle ähnliche Hilfswelle oder elektromagne tische, hydraulische oder pneumatische Stellglieder wieder in die Verriegelungsstellung gebracht wird, wo er während des Kompressions- und Auspuffhubes in verriegelter Stellung ver bleibt.

42. Motor nach Anspruch 41, d. g. d. die Verriegelung in Form einer Kugelsperre ausgeführt ist, bei der die Kugel(n) Kräfte auf die Zylinder übertragen (Bild 6).

43. Motor nach Anspruch 41, d. g. d. von der Nockenwelle neben der Ventilsteuerung auch die Steuerung der Sperrglieder und der Rück- und Vorschub des Verdrängerkolbens übernommen wird.

44. Motor nach Anspruch 41, d. g. d. die Ventilsteuerung, die Steu erung der Sperrglieder des Verdrängerkolben und der Rückstel lung des Verdrängerkolbens in die Verriegelungsstellung von elektromagnetischen, pneumatischen oder hydraulischen Stell einrichtungen vorgenommen wird.

45. Motor nach Anspruch 40, d. g. d. die Ladungsverschiebungskammer ein dem Volumen des Arbeitszylinders und dem gewählten Rest druck und Temperatur nach Beendigung des ersten Arbeitstaktes angepaßtes Volumen hat.

46. Motor nach Anspruch 45, d. g. d. die Ladungsverschiebungskammer in beliebiger geometrischer Form über, unter, neben oder um den Arbeitszylinder angeordnet sein kann.

47. Motor nach Anspruch 40, d. g. d. mit dem System der Ladungsver schiebungskammer bei ursprünglichen Viertakt-Motoren ein 6-Takt-System entsteht:

1. Erster Arbeitstakt (Brennstoff-Luft-Gemisch)
2. Ladungsverschiebung
3. Zweiter Arbeitstakt (Abgas-Dampf-Gemisch)
4. Auspuffhub
5. Ansaughub (Brennstoff-Luft-Gemisch)
6. Kompression

48. Motor nach Anspruch 40, d. g. d. bei ursprünglichen Zweitakt motoren ein dem Anspruch 47 analoges nach dem Zweitaktver fahren arbeitendes System entsteht.

49. Motor nach Anspruch 40, d. g. d. die Bewegung des Verdrängerkol bens in zwei oder mehreren Teilschritten erfolgt, wobei bei jedem Arbeitshub aus dem Abgas/Dampfgemisch erneut Flüssigkeit/Dampf analog Anspruch 40 eingedüst wird und dadurch die beim zweiten Arbeitshub noch nicht vollständig genutzte Exergie in weiteren zusätzlichen Hüben in Arbeit umgesetzt werden kann (Bild 7).

50. Motor nach Anspruch 1 und analog Anspruch 40, d. g. d. die Exergie nutzung in einem oder mehreren getrennten im Querschnitt den Gas-Dampf-Volumina angepaßten Zylindern erfolgt (Bild 8).

51. Motor nach Anspruch 50, d. g. d. zwei oder mehrere Brennstoff zylinder gemeinsam auf einen oder mehrere Exergiezylinder arbeiten.

52. Motor nach Anspruch 40 bis 49, d. g. d. die in den Ansprüchen 2 bis 39 genannten Merkmale auf das System der Verdrängerkolben plus Ladungsverschiebungskammer sinngemäß angewandt werden.

53. Motor nach Anspruch 50 und 51, d. g. d. die in den Ansprüchen 2 bis 39 genannten Merkmale auf das System der getrennten Exergiezylinder sinngemäß angewandt werden.