DE4303692A1 - Freikolben-Exergie-Verbrennungsmotor mit verringertem Brennstoffbedarf - Google Patents

Freikolben-Exergie-Verbrennungsmotor mit verringertem Brennstoffbedarf

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Description

Bei Kolbenverbrennungsmotoren geht trotz der an und für sich hohen thermodynamischen Wirkungsgrade rund zwei Drittel der chemisch im Brennstoff gebundenen Energie ins Kühlwasser und Abgas und wird nicht zur Erzeugung mechanischer Arbeit genutzt. Nachgeschaltete Einrichtungen zur Ausnutzung der im Abgas und Kühlwasser enthaltenen Arbeitsfähigkeit wie Gas- und Dampfturbinen bzw. Dampfmotoren sind relativ aufwendig und nur für größere Motoren geeignet.
Im angemeldeten Freikolben-Exergie Verbrennungsmotor wird dem Expansionsprozeß der Verbrennungsgase ein im Zylinder des Motors wirkender Dampfexpansionsprozeß nachgeschaltet, der seine Energie aus den Abgasen vor dem Auspuffhub, der Temperatur der Zylinderwände usw. gewinnt.
Eine Reduzierung des spezifischen Brennstoffbedarfs und eine Verbesserung der Abgasqualität sind die wichtigsten Ergebnisse.
Verwendungsmöglichkeiten bieten sich bei großen Stationärmotoren, Schiffsmotoren und Fahrzeugmotoren.
Beschreibung
Kolbenverbrennungsmotoren sind Energiewandler mit den z. Zt. höchsten thermodynamischen Wirkungsgraden. Auch größte Gas- oder Dampfturbinen erreichen nicht die bei Kolbenmotoren 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- Luftgemisches) bei.
Trotzdem wird in üblichen Motoren, vor allem unterhalb einer Leistung von ca. 800 kW nur rund ein Drittel der im Kraftstoff enthalten chemisch gebundenen Energie in mechanische Energie umgesetzt.
Geht man den Verlustursachen nach, so findet man u. a. folgende Einflüsse: Restenergie im Abgas, Wärmeübergang vom Arbeitsgas über die Brennraumwände ins Kühlwasser und Schmieröl, nicht ideale Verbrennung, Undichtigkeiten an den Kolbenringen, Drosselung beim Ladungswechsel, Reibung der relativ zueinander bewegten Teile, Antrieb von Hilfsaggregaten usw.
Dabei beinhalten die zuerst genannten Einflüsse rund 90% der Verlustenergie, während die restlichen 10% sich über die übrigen Punkte 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 Freikolben-Exergie-Verbrennungsmotors
Im Augenblick der Zündung des komprimierten Brennstoff-Luftgemisches ist noch die gesamte ursprünglich in chemischer Form gebundene Energie 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 der vor allem im Abgas enthaltenen Exergie nochmals in mechanische Energie umzuwandeln. Exergie aus dem Kühlwasser wird nur in geringem Maße gewonnen, wenn man von Kraft-Wärme- Kälte-Prozessen (Nutzung der Kühlwasserwärme zu Heizzwecken und über Absorberaggregate zur Kälteerzeugung) absieht.
Eine fast ohne Zusatzeinrichtung arbeitende Methode, die am Punkt der höchsten Rest-Energie nach dem Expansionshub ansetzt, ist ein EXERGIE-MOTOR genanntes Gas-Dampf- Verfahren im Zylinder des Kolbenmotors.
Anhand einer vereinfachten Version eines Freikolben-Exergie-Verbrennungsmotors sei das Prinzip erläutert (Bild 1):
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 Patentansprüchen enthalten.)
Das Brennstoff-Luftgemisch wird bei der Kolbenstellung A gezündet, der Druckverlauf im Zylinder über dem Volumen ist im unter 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-Wärmetauscher erhitzt und über den am Ende des ersten Halbhubes herrschenden 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 Brennstoffzufuhr) einen entsprechenden Schub.
Auspuffhub sowie Ansaug- und Verdichtungshub folgen wie bei normalen Viertaktmotoren.
Vorteile
  • 4.1 Die Zusatzeinrichtungen zur Nutzung der Restexergie im Abgas und im Kühlwasser sind relativ gering im Vergleich zu den Lösungen 2.1 bis 2.4.
  • 4.2 Es kann mehr Exergie genutzt werden, da sie unmittelbar umgesetzt 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 eingesetzt werden.

Claims (56)

1. Freikolben-Exergie-Verbrennungsmotor nach dem Otto- oder Dieselprinzip in Vier- oder Zweitaktausführung mit oder ohne Aufladung, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem durch die Verbrennung eines Kraftstoff(Gas)-Luftgemisches getätigten normalen Arbeitshub oder eines Teiles davon die im Plasma der Verbrennungsabgase noch enthaltene bzw. auf die Motorbauteile übergegangene Exergie zu einem weiteren Arbeitshub bzw. Fortsetzung des begonnenen Arbeitshubes ohne oder mit wesentlich reduzierten zusätzlichen Kraftstoffeinsatz dadurch genutzt wird, daß das Plasma der Verbrennungsgase mit einem Medium zur Druckerhöhung bei der erreichten Temperatur 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 Brennstoffeinsatz verhilft bzw. einen noch in Bewegung befindlichen Kolben zusätzlich beschleunigt.
3. Freikolben-Verbrennungs-Motor mit oder ohne Exergie-Eintrag nach Anspruch 1 und/oder 2 nach dem Otto- oder Dieselprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß Zylinder+Kolben als Doppelzylinder/Kolben ausgeführt sind (Bild 1).
4. Freikolben-Verbrennungs-Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 Doppelkolben über ein mechanisches oder hydsraulisches Gestänge (Pos. 3 in Bild 2) verbunden sind und dadurch auch für den Freikolbenmotor ein Viertaktbetrieb ermöglicht wird (bild 3).
5. Motor nach Anspruch 1 u./oder 2 u./o. 3 u./o. 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Kolben gestuft sind, d. h. verschiedene Kolbendurchmesser haben.
6. Motor nach Anspruch 1 u./o. 2. u./o. 3 u./o. 4 u./o. 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Kolben sowohl als Antriebskolben als auch als Kompressorkolben genutzt werden, wobei die in Bild 2 dargestellten Öffnungen (9, 10, 11, 12, u. 13) über eine Ventilkonstruktion oder über Schlitze, Kanäle u. ähnl. freigegeben bzw. verschlossen werden.
7. Motor nach Anspruch 2 in 2-Takt-Ausführung, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff- und Exergiekolben entkoppelt sind und dadurch eine Exergiewirkung des Plasmas ohne Umlenkung ermöglicht wird (Bild 4).
8. Motor nach Anspruch 2 in 2-Takt-Ausführung, dadurch gekennzeichnet, daß mit gekoppelten Brennstoff- und Exergie-Kolben gearbeitet und das Plasma über einen beheizten oder unbeheizten Überströmkanal bzw. ein beheiztes oder unbeheiztes Ringrohr um den Zylinder geführt wird.
9. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindüsung der Flüssigkeit bzw. des Dampfes an verschiedenen Stellen des Zylinders und in verschiedener Form (Strahl, Nebel, Tröpfchen, Impulsmengen usw.) erfolgen und dadurch eine Beeinflussung der Steilheit des Druckanstieges im Zylinder erreicht werden kann.
10. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl des Eindüs-Zeitpunktes eine Beeinflussung der Steilheit des Zusatzdruckanstieges im Zylinder erreicht wird.
11. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl der Eindüs-Temperatur eine Beeinflussung der Höhe des Druckanstieges erreicht werden kann.
12. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl der Eindüs-Menge eine Beeinflussung der Höhe des Druckanstieges und seiner Steilheit erreicht werden kann.
13. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl des Eindüs-Druckes eine Beeinflussung der Höhe des Druckanstieges und seiner Steilheit erreicht werden kann.
14. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Eindüsung vorgesehene Flüssigkeit bzw. Dampf in einen Abgas-Wärmetauscher auf eine gemäß Anspruch 5 gewählte Temperatur gebracht wird.
15. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Eindüsung vorgesehene Flüssigkeit bzw. Dampf in einem Abgas-Wärmetauscher oder einer Einspritzvorrichtung (z. B. Pumpe) auf einen gemäß Anspruch 12 gewählten Druck gebracht werden.
16. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Eindüsmedium die im Kühlkreislauf des Motors vorhandene Flüssigkeit benutzt wird.
17. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemäß Anspruch 15 benutzte Flüssigkeit über einen oder mehrere Abgas-Wärmetauscher geführt wird.
18. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Eindüs-Zeitpunkt-, Temperatur-, Menge- und Druck gemäß Anspruch 9, 10, 11 und 12 so gewählt werden, daß in Verbindung mit der unter die Resttemperatur beim Ende des Arbeitshubes lediglich aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch gesunkenen Temperatur am Ende des Exergie-Hubes eine Verbesserung der Abgasqualität und eine Senkung der Schadstoffanteile entsteht.
19. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unter die Resttemperatur am Ende des Kraftstoff-Luft- Gemisch-Arbeitshubes gesunkene Temperatur am Ende des Exergie-Hubes zur Innenkühlung des Motors, u. a. auch des Auslaßventiles genutzt wird.
20. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im untersten Teil des Zylinders (maximale Entfernung zum OT) Öffnungen (Schlitze) vorgesehen werden, die einen Teil des Abgas- Dampfgemisches unabhängig vom Auslaßventil entweichen lassen und den Auspuffhub und das Auslaßventil entlasten (Bild 5).
21. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Öffnungen einen Expansionseffekt und damit eine weitere Abkühlung des Abgas-Dampfgemisches bewirken.
22. Motor nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Expansionsöffnungen gemäß Anspruch 20 entweichende relativ kühle Abgasdampfgemisch zur Kühlung des Motors (z. B. entlang der äußeren Zylinderwand) genutzt wird (Bild 6).
23. Motor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß durch diese Maßnahme die Wasserkühlung ganz oder teilweise eingespart werden kann.
24. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß 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 6).
25. Motor nach Anspruch 2 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahmen zu einer Maximierung des Motorwirkungsgrades bei Minimierung des Bauvolumens genutzt werden.
26. Motor nach Anspruch 2 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei Umrüstung bestehender Motoren auf das EXERGIEMOTOR-Prinzip die vorhandenen Zylinder mit einer Innenhülse ausgerüstet werden, die das Verhältnis Hub zu Zylinderdurchmesser vergrößert.
27. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwandungen, besonders im Teil bis zur Stellung des Kolbens im Augenblick der Eindüsung des Flüssigkeits/Dampfgemisches mit einer Wärmebremse versehen sind (Bild 7).
28. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstirnflächen mit Wärmebremsen versehen und die Kolbenkompressions- und Ölabstreifringe so gestaltet und gelagert sind, daß wenig Wärme auf die Zylinderwandungen übergeht (Bild 8).
29. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus Düsenöffnungen des Kolbens beim Arbeitshub Wasser und/oder Wasserdampf bzw. Flüssigkeit und/oder Dampf einer Flüssigkeit austritt, an die Zylinderwandungen gelangt, hier allein oder zusammen mit dem Restölfilm eine wärmeisolierende Dampfschicht bildet und aus den heißen Verbrennungsgasen weniger Wärme auf die Zylinderwandungen übertreten läßt (Bild 8).
30. Motor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchsen aus keramischen Stoffen mit poröser Oberfläche bestehen, in der sich die Dampfschicht besser hält.
31. Motor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchsen aus Sintermetall bestehen.
32. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits/Dampfeindüsung über ein gesondertes, z. B. zwischen Ein- und Auslaßventil angeordnetes Ventil erfolgt.
33. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits/Dampfeindüsung in einem Sprühkegel an die heißen Zylinderwände erfolgt, denen dadurch Wärme entzogen wird (Bild 7).
34. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit/Dampfeindüsung in einem auf die Kolbenstirnseite gerichteten Strahl erfolgt, der diesem Wärme entzieht.
35. Motor nach Anspruch 33 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkeits/Dampfeindüsung auf die Kolbenstirnseite und die Zylinderseitenwände gerichteten Strahlen erfolgt.
36. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit/Dampfeindüsung über Kammern bzw. Kanäle erfolgt, die die Zylinderwände umschließen, von diesen aufgeheizt werden und in denen eine Verdampfung der eingedüsten Flüssigkeit bzw. Aufheizung des eingedüsten Dampfes erfolgen kann (Bild 9).
37. Motor nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern bzw. Kanäle in ihrem Aufbau so beschaffen sind (z. B. Windungen, Querschnitt, usw.) daß sie beim Kompresssionshub eine wirksame Sperre gegen Brennstoff-Luftgemisch-Verluste darstellen.
38. Motor nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebremse an der Stirnseite 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.
39. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit/Dampfeindüsung über eine Vorkammer erfolgt, die vom Abgasstrom hinter den Auslaßventilen aufgeheizt wird.
40. Motor nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer aus wärmespeicherndem Material gefertigt oder damit ausgekleidet ist.
41. Motor nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer als Ringkammer um den oberen Teil des Zylinders ausgeführt wird.
42. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressorteil zur Druckluft(Gas)erzeugung, zur Umsetzung in Druckhydraulik u./o. zur Dämpfung der Kolbenbewegungen am Ende des jeweiligen Hubes genutzt wird.
43. Motor nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft(Gas)- bzw. Druckflüssigkeit in mehreren parallel oder hintereinander geschalteten Druckstufen erzeugt wird, wobei 2 oder mehrere Zylinderteile mit Kolben gleichen oder verschiedenen Durchmessers verbunden werden.
44. Motor nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugende Druckluft(Gas) oder ein Teil davon zur Aufladung für den Verbrennungshub(Ansaughub) verwendet wird.
45. Motor nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Kompression entstehende Wärme im Kühlsystem der Zylinder aufgenommen und genutzt wird.
46. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Kraftstoff gewonnene Energie in Form von verdichteter Luft oder Gas aus dem mit einem als Antriebs- und Kompressorkolben arbeitenden Motor abgeführt wird.
47. Motor nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichteten Luft(Gas) Dampf, der über einen Abgas- Wärmetauscher gewonnen wird, beigemischt und dadurch der Energieinhalt der erzeugten Druckluft(Gas) vergrößert wird.
48. Motor nach Anspruch 46 u. 47, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem oder mehreren Zylindern gewonnene verdichtete Luft(Gas) zum Antrieb einer Turbine oder eines Entspannungsmotors benutzt wird.
49. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Kraftstoff gewonnene Energie in Form einer komprimierten Flüssigkeit z. B. Öl aus dem Motor, der mit einem oder mehreren Kolben, die gleichzeitig als Antriebs- und Kompressorkolben arbeiten, ausgestattet ist, abgeführt wird.
50. Motor nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Flüssigkeit über einen Abgas-Wärmetauscher direkt oder indirekt zusätzlich aufgeheizt und damit deren Energieinhalt vergrößert wird.
51. Motor nach Anspruch 49 u. 50, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem oder mehreren Zylindern gewonnene verdichtete Flüssigkeit zum Antrieb einer Turbine oder eines Entspannungsmotors benutzt wird.
52. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Festlager des Kupplungsgestänges mit einem Pendelgenerator verbunden ist, in welchem elektrischer Strom erzeugt wird.
53. Motor nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Ratschengetriebe der Drehwinkel des Pendelgenerators beeinflußt wird.
54. Motor nach Anspruch 52 u. 53, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines doppelt wirkenden Ratschengetriebes im Festlager des Kupplungsgestänges eine kontinuierliche Drehbewegung erzeugt wird.
55. Motor nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, daß dem doppelt wirkenden Ratschengetriebe ein Schwungrad zugeordnet ist.
56. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Festlager des Kupplungsgestänges 2 einfach wirkende Ratschengetriebe angeordnet sind, die 2 Generatoren mit verschiedenen Drehrichtungen (mit oder ohne Schwungrad) antreiben.
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