DE4141465A1

DE4141465A1 - Waermekraftmaschine

Info

Publication number: DE4141465A1
Application number: DE19914141465
Authority: DE
Inventors: Thomas Abdou
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1993-06-17

Description

1. Einleitung

Die Grundidee besteht darin eine Wärmekraftmaschine zu konstru ieren, bei der der Wärmeverlust auf ein Minimum beschränkt ist. Bei einem normalen Otto-Motor liegt der Wirkungsgrad aufgrund des hohen Wärmeverlustes bei etwa (20-30)%. (70-80)% des zugeführten Kraftstoffes werden in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben.

2. Arbeitsprinzip der kombinierten Wärmekraftmaschine

Je nach höherem Wirkungsgrad (eine Frage der Optimierung) wird entweder ein veränderter 4-Taktmotor bzw. ein neu zu konstruierender 6-Takt-Motor verwendet.

Im Prinzip funktioniert der Motor genauso wie ein Otto-Motor mit dem Unterschied, daß durch eine zusätzliche Eintrittsöffnung zu entsprechenden Zeiten eine bestimmte Menge Hoch druckluft in den Zylinder eingegeben wird.

Diese Kleine Menge Luft entströmt einer kleinen Vorkammer kurz vor der Eintrittsöffnung zum Zylinder. Aufgrund des während der Druckluft-Entnahme sinkenden Druckes im Druck lufttank und der schwankenden Umgebungstemperatur ist es zweckmäßig die Größe der Vorkammer in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zu variieren.

Die Luftmenge (etwa 1-2 cm³) dehnt sich nach dem Eintreten in den Zylinder aus und nimmt bei ihrer Expansion die durch das Kraftstoff-Luftgemisch freigesetzte Wärmemenge vollständig auf. Der Motorblock erwärmt sich somit nicht.

Aus Gründen der Optimierung kann es jedoch erforderlich sein eine gewisse Temperaturerhöhung bzw. Erniedrigung des Motor blockes zuzulassen.

Der theoretische Wirkungsgrad liegt bei 100% (abgesehen von mechanischen Reibungsverlusten die etwa (5-7)% betragen).

Die Druckluft wird einem Drucktank entnommen der vorzugsweise aus einer Titanlegierung (z. B. TiAl6V4) zu fertigen ist. Bei einem zulässigen Innendruck von 300·10⁵ Pa bzw. 300 Bar und einem Inhalt von etwa 0.3 m³ ergibt sich eine ungefähre Wandstärke von 15 mm (bei 2facher Sicherheit) und ein Leer gewicht von etwa 100 kg. Da die Luft bei diesem Druck etwa 75 kg wiegt errechnet sich ein Gesamtgewicht von 175 kg.

Durch die Vorteile der neuen Technik wird dieses Mehrgewicht ausgeglichen. Die Vorteile sind unter anderem:

1. Keine Wasserkühlung des Motorblockes erforderlich, dadurch ist eine Gewichtsreduzierung des gesamten Motors möglich.
2. Kein Lüfter und Wärmetauscher notwendig.
3. Wegfall des Anlassers, dadurch Verkleinerung der Batterie.
4. Verkleinerung des Treibstofftankes um etwa 70%.

3. Wirtschaftliche Erzeugung der Druckluft

Die Druckluft kann z. B. in einem mehrstufigen Kolbenverdichter erzeugt werden. Die dabei freigesetzte Wärmemenge ist nutzbar. Mit einer einfachen Energiebilanz kann bewiesen werden, daß zur Erzeugung der Druckluft kein Arbeitsaufwand erforderlich ist.

Bei Erzeugung in einem Kraftwerk kann die entstehende Wärmemenge zur Dampferzeugung genutzt werden. Bei einem Verdichter der z. B. durch einen Dieselmotor angetrieben wird kann die entstehende Wärmemenge z. B. in das Fernwärmenetz eingespeist werden.

Somit sollte sich eine Tankstelle möglichst in der Nähe einer Fernwärmeleitung befinden.

Bei einer optimalen Ausnutzung der freiwerdenden Wärmemenge erhält man die Druckluft somit äußerst preiswert (beinahe um sonst).

4. Arbeitsweisen 1. Als 4-Taktmotor

1. Takt: Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugen (etwa 25% der normal benötigten Menge).
2. Takt: Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichten.
3. Takt: Kraftstoff-Luft-Gemisch zünden und kurz danach Zugabe der Druckluftmenge (der Zeitpunkt der Zugabe ist eine Frage der Optimierung).
4. Takt: Abgas ausstoßen durch geöffnetes Auslaßventil.

2. Als 6-Taktmotor

1. Takt: Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugen (etwa 10%-20% der normal benötigten Menge).
2. Takt: Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichten.
3. Takt: Kraftstoff-Luft-Gemisch zünden und Entspannen. Keine Druckluftzugabe.
4. Takt: Abgas verdichten und Druckluftzugabe kurz vor bzw. nach dem oberen Totpunkt.
5. Takt: Entspannen. Auf möglichst 1 Bar.
6. Takt: Abgas ausstoßen durch geöffnetes Auslaßventil.

Durch die zusätzlichen Takte wird ein besserer Wärmeübergang zwischen der expandierenden Druckluft und der Verbrennungsgase erreicht. Auch findet eine bessere Verbrennung des Kraftstoff- Luftgemisches statt. Durch den zusätzlichen Takt sinkt der Wirkungsgrad etwas.

3. Als 4-Takt Kombination

Hierunter ist ein Motor zu verstehen, bei dem jeweils 2 Zylinder zusammenarbeiten. Wobei der eine Viertaktzylinder als reiner Verbrenner arbeitet und dem anderen Viertakter seine heißen Abgase zur Druckluftentspannung zur Verfügung stellt. Wegen der Erwärmung des einen Zylinders ist es zweckmäßig, zwischen beiden ein Kühlmittel strömen zu lassen. Bei dieser Konstruktion wird der Motorblock theoretisch eben falls nicht erwärmt. Der Einsatz eines Katalysators ist möglich.

5. Leistungsfähigkeit eines so ausgestatteten Fahrzeuges

Unter der Verwendung der entsprechenden Gleichungen für reale Gase zeigt sich, daß die Druckluft in einem Drucklufttank der oben angegeben Größe bei ihrer Expansion eine Arbeitsmenge ab gibt, die gleichbedeutend ist mit einer Leistungsabgabe von 4650 Watt über einen Zeitraum von 2 Stunden. Da diese Leistung natürlich zu Lasten der Umgebungstemperatur im Zylinder geht wird etwa eine Treibstoffmenge von 1 l/100km benötigt. Selbstverständlich trägt der Treibstoff in gewisser Weise (durch Erzeugung von CO₂ bei der Verbrennung) zur Leistungserhöhung bei. Bei kontinuierlicher Fahrt und einer Schattenfläche von 1 m², einem Widerstandsbeiwert von etwa 0,5, sowie einer Rollreibung von 20% der Gesamtleistung wird etwa eine Fahrzeuggeschwindigkeit von 81 km/h erreicht. Die Reichweite mit einer Drucktankfüllung liegt bei etwa 162 km auf der Autobahn, in der Stadt bei etwa 100 km.

Claims

Kombinierter Druckluft- Treibstoffantrieb für Kraftfahrzeuge, wobei die Druckluft aus einem Drucktank über eine Vorkammer in den Zylinder des Motors geleitet wird und zusammen mit dem eingebrachten Treibstoff- Luftgemisch für eine möglichst isotherme Expansion der eingebrachten Gase sorgt.