DE9316282U1

DE9316282U1 - Verbrennungsmotor

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Publication number: DE9316282U1
Application number: DE9316282U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-25
Filing date: 1993-10-25
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2003-10-26

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Problem bei bekannten Verbrennungsmotoren insbesondere Otto-Viertakt-Motoren, aber auch Dieselmotoren besteht darin, daß ihnen während jedes Arbeitstaktes ein Brennstoff-Luft-Luft gemisch zugeführt wird, welches bei der anschließenden Verbrennung auch Wärme erzeugt, so daß eine starke Motorkühlung erforderlich ist. Hierdurch wird beim Betrieb eines solchen Verbrennungsmotors vergleichsweise viel Brennstoff verbraucht, dessen Energieinhalt zu einem erheblichen Teil in an die Umgebung verlorene Wärme umgewandelt wird.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem die durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches erzeugte Wärme besser ausgenutzt und zu einem größeren Teil als bisher üblich in Bewegungsenergie umgesetzt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 vorgesehen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß zwischen zwei während jeweils zweier Umdrehungen der Kurbelwelle eines Viertaktmotors ablaufende Verbrennungs-Arbeitszyklen ein ebenfalls während zweier Umdrehungen der Kurbelwelle ablaufender Wasserdampfantriebszyklus geschaltet wird, bei welchem die während des Verbrennungstaktes erzeugte und an

den Motorblock abgegebene Wärme zum Teil dadurch wiedergewonnen wird, daß eingespritztes Wasser verdampft wird und nach anschließender Kompression beim Arbeitstakt des Kolbens Bewegungsenergie erzeugt. Eine besonders wirkungsvolle Expansion des im Verbrennungsraum eingeschlossenen komprimierten Wasserdampfes wird erzielt, wenn kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens ein energiereicher Funke innerhalb des Verbrennungsraums gezündet wird, der den Wasserdampf zusätzlich erhitzt und vorzugsweise überhitzt, wodurch die Arbeitsleistung beim anschließenden Arbeitstakt deutlich erhöht werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor sollen für die Kraftstoff-Verbrennungsluftzufuhr sowie die Wasserzufuhr und Wasserdampfabfuhr nach Möglichkeit getrennte Einlaßventile bzw. Einspritzdüsen und Auslaßventile vorgesehen sein. Die Steuerung der Einlaß- und Auslaßmittel für die Kraftstoff-Verbrennungsluftzufuhr muß also so gestaltet sein, daß sie nur nach jeweils vier Umdrehungen der Kurbelwelle und nicht wie bisher bei allen zwei Umdrehungen der Kurbelwelle betätigt werden.

Während der beiden Umdrehungen, wo die Einlaß- und Auslaßmittel für den Kraftstoff und die Verbrennungsluft bzw. die Abgase nicht betätigt werden, erfolgt über die Wasserzufunrund Wasserdampfabfuhrmittel bei geschlossenen Zufuhr- und Abfuhrmitteln für Kraftstoff/Verbrennungsluft bzw. Abgase die gesteuerte Wasserzufuhr während des Ansaugtaktes und die Wasserdampfabfuhr beim Ausstoßtakt des Kolbens.

Die Kraftstoff/Verbrennungsluft-Zufuhrmittel und Abgasabfuhrmittel sind also im ständigen Wechsel mit den Wasserzufuhr- und Wasserdampfabfuhrmitteln in Tätigkeit.

Da zwischen zwei Arbeitszyklen, die mit Verbrennung von Kraftstoff arbeiten, Wasser in den heißen Verbrennungsraum (Zylinder) gespritzt wird, entsteht Wasserdampf, der beim zweiten Arbeitstakt komprimiert wird. Im oberen Totpunkt des Kolbens zu der Zeit, zu der normalerweise der Zündfunke der üblichen Zündkerze von Otto-Motoren ausgelöst oder durch starke Kompression ein Öl-Luftgemisch von Dieselmotoren gezündet wird, wird erfindungsgemäß bevorzugt ein leistungsstarker HochspannungsZündfunke (Blitz) ausgelöst, der durch eine zusätzlich zu der üblichen Zündkerze vorgesehene leistungsstarke Zündvorrichtung erzeugt wird. Durch diese Hitzeenergie wird der Wasserdampf noch weiter erhitzt, wodurch der Druck ansteigt und über den Kolben beim dritten Arbeitstakt (Expansion) Arbeit leistet. Beim anschließenden vierten Arbeitstakt wird der Wasserdampf über das Auslaßventil und einen Kondensator in die Umgebung abgelassen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in einer erheblichen Kraftstoffersparnis und auch in einer geringeren Umweltbelastung, denn der erfindungsgemäß an die Stelle von Abgasausstoß tretende Wasserdampfausstoß belastet die Umwelt nicht.

Für die Zwecke der Erfindung kann ein normaler Viertakt-Otto-Motor oder Dieselmotor umgebaut werden. Wegen der zwei verschiedenartigen Energieträger (Kraftstoff/Luft einerseits und Wasser/Wasserdampf andererseits) benötigt man zwei Systeme nebeneinander. An dem Kraftstoffsystem ändert sich nichts, d.h., daß es für den normalen Verbrennungsarbeitsvorgang ein Einlaßventil, ein Auslaßventil und die Zündkerze gibt.

Für das zweite System werden auch ein Einlaßventil oder eine Einspritzdüse für Wasser und ein Auslaßventil für Wasserdampf benötigt, welches über einen separaten Kanal zum Kon-

densator führt. Das Auslaßventil kann mit dem Auslaßventil für den Verbrennungsvorgang identisch sein. Auch ein im Auspuffsystem vorgesehener Katalysator kann ohne weiteres vom Wasser-Abdampf durchströmt werden. Erfindungsgemäß weist also der Zylinder eines umgebauten Otto- oder Diesel-Motors wenigstens drei und vorzugsweise vier Ventile auf. Die Einlaßventile für Kraftstoff bzw. Wasser können auch durch Einspritzdüsen ersetzt werden.

Das bisherige Zündsystem für den Kraftstoff des Otto-Motors bleibt unverändert, d.h. es liegt eine Zündspule sowie eine elektronische oder mechanische Zündverteilung und eine Zündkerze vor.

Für das Wassersystem können eine oder mehrere Einspritzdüsen vorgesehen sein. Es soll gewährleistet sein, daß in möglichst kurzer Zeit die Dampferzeugung erfolgt, und die Wärmemenge, die durch die vorangehende Kraftstoffverbrennung in der Zylinderwand, dem Kolben und dem Zylinderkopf gespeichert ist, möglichst optimal ausgenutzt wird. Der schädliche Nebeneffekt von Verbrennungsmotoren, daß die Aggregatteile zu viel Wärme bei dem Verbrennungsprozeß aufnehmen und deshalb gekühlt werden müssen, wird durch dieses System zu einem nützlichen Effekt umfunktioniert. Die Teile werden direkt dort gekühlt, wo die Wärme entstanden ist, d.h. im Verbrennungsraum, so daß das bisherige äußere Kühlsystem verkleinert oder sogar ganz weggelassen werden kann.

Von Vorteil ist es, wenn die Wasserzuleitung zu der Einspritzdüse bzw. den Einspritzdüsen einige Male um den Auspuffstutzen am Motor gewickelt ist, so daß das Einspritzwasser vorgeheizt wird.

Um kalkhaltiges Wasser zu vermeiden, sollte für die Zwecke der erfindungsgemäßen Wassereinspritzung destilliertes

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Wasser verwendet werden. Diesem sollte jedoch ein Stoff zugesetzt werden, der das destillierte Wasser elektrisch leitfähig macht. Der Zusatzstoff soll die chemische Eigenschaft haben, durch die Hitze, die durch den elektrischen Funken eingeleitet wurde, eine exotherme Verbrennung auszulösen. Durch die freiwerdende Energie (Hitze) soll der Wasserdampf noch mehr erhitzt werden, um den Druck so hoch wie möglich zu machen.

Bei diesem Prozeß der Wasserdampfaufheizung durch einen elektrischen Funken tritt ein weiterer erwünschter Effekt ein. Durch den Stromfluß im Wasserdampf wird eine gewisse Menge Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Wenn sich der Wasserstoff entzündet, kann dadurch die Verbrennungswärme zusätzlich den Dampfdruck steigern.

Leistungsstarke Hochspannungszündgerate werden z.B. bei Tageslicht-Großscheinwerfern benutzt, um die Hochdrucklampe zu zünden. Erfindungsgemäß können solche Hochspannungszündgeräte verwendet werden, doch sollte die Leistung des Zündgerätes bis auf 1 kW gesteigert werden. Als Zündelektroden für das Hochspannungszündgerät eignen sich zwei oder vier Titan-Zündspitzen, die am Verbrennungsraum so angeordnet werden sollen, daß der elektrische Funke sich quer über den ganzen Zylinderdurchmesser erstreckt und so möglichst viel Hitze erzeugt.

Die eingespritzte Wassermenge bestimmt die Dampfart. Man kann mit gesättigtem oder trockenem, überhitzten Dampf arbeiten. Der Vorteil von gesättigtem Dampf besteht darin, daß er beim Komprimieren seinen Druck beibehält, d.h. dem Motor wird beim Komprimieren (zweiter Takt des Arbeitszyklus) keine Leistung entnommen, wie es dagegen beim Kraftstoff-Verbrennungsprozeß (Verdichtung 1 : 10) der Fall ist. Gesät-

tigter Dampf kann jedoch beim Komprimieren kondensieren und zu Naßdampf werden. Dieser erfordert wiederum mehr Hitze, um den Druck zu steigern. Demgegenüber besteht der Vorteil des überhitzten Dampfes darin, daß er sich wie ein Gas verhält. Beim Komprimieren bleibt er überhitzt und trocken. Allerdings wird bei Verwendung von überhitztem Dampf ein Druckanstieg beim Komprimieren erfolgen, so daß dem Motor etwas mehr Leistung entzogen wird.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinder eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors beim Ansaugvorgang,

Fig. 2 eine entsprechende Schnittansicht beim Verdichtungsvorgang,

Fig. 3 einen entsprechenden Schnitt beim Beginn des eigentlichen Arbeitstaktes, und

Fig. 4 einen entsprechenden Schnitt am Beginn des Wasserdampfausstoßvorganges .

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Viertakt-Verbrennungsmotor weist nach Fig. 1 bis 4 in üblicher Weise zumindest einen Zylinder 11 mit Kühlmantel 25 auf, in dem ein Kolben 14 verschiebbar angeordnet ist, der über eine Pleuelstange 13 die Kurbelwelle 12 beaufschlagt. Es ist eine übliche Steuervorrichtung 19 für nicht dargestellte Kraftstoff/Verbrennungsluft-Ein- und Abgas-Auslaßventile vorgesehen, die über Steuerelemente 21, 22 so angesteuert werden, daß sie nur alle vier Umdrehungen der Kurbelwelle 12 geöffnet und dann wieder geschlossen werden. Aufgrund dieser Steuerung liegen zwischen dem Ansaugtakt, Verdichtungstakt,

Arbeitstakt und Ausstoßtakt des Verbrennungszyklus des Otto zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 12, während der ein anhand der Fig. 1 bis 4 veranschaulichter Wasserdampfarbeitszyklus ausgeführt wird.

Hierzu weist der Motor in Abweichung von der üblichen
Ausbildung ein Wassereinlaßventil 17 und ein Wasserdampfauslaßventil 18 auf, die über ein Wasserzufuhr-Wasserdampfabfuhr-Steuergerät 2 0 so gesteuert werden, daß sie während
derjenigen beiden Umdrehungen der Kurbelwelle 12 in der aus den Fig. 1 bis 4 ersichtlichen Weise geöffnet und geschlossen werden, während der die nicht dargestellten Einlaß- und Auslaßventile für die Kraftstoff-Verbrennungsluft-Zufuhr
bzw. die Abgasabfuhr geschlossen sind.

Nachdem ein vom Steuergerät 19 ausgelöster Verbrennungszyklus abgeschlossen ist, öffnet das Wassereinlaßventil 17
und saugt dabei in geeigneter Weise an den Einlaßstutzen 23 zugeführtes Wasser an. Bevorzugt wird das Wasser statt durch ein Einlaßventil 17 durch eine geeignete Einspritzdüse
zugeführt.

Anschließend bewegt sich der Kolben 14 dann nach unten in
die Stellung der Fig. 2, wodurch das zugeführte Wasser mit
der Zylinderwand in der gesamten Höhe in Berührung kommt.
Aufgrund der starken Erhitzung der Zylinderwände und des Kolbens 14 verdampft das Wasser jetzt schlagartig, so daß beim anschließenden Kompressionstakt nach Fig. 3 im Verbrennungsraum 15 komprimierter Wasserdampf erzeugt wird.

Nunmehr wird über die außer der normalen Zündkerze (die bei Otto-Motoren vorgesehen, jedoch nicht dargestellt ist) noch zusätzlich vorgesehene Zusatzzündvorrichtung 16 ein energiereicher Funke erzeugt, der den komprimierten Wasserdampf
zusätzlich erhitzt, so daß insgesamt stark überhitzter

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Wasserdampf im Verbrennungsraum 15 vorliegt, der dann beim anschließenden Arbeitstakt Bewegungsenergie erzeugen kann.

Nachdem der Kolben 14 den unteren Totpunkt durchlaufen hat, öffnet gemäß Fig. 4 das Wasserdampfauslaßventil 18, wodurch beim anschließenden Hochfahren des Kolbens 14 der entspannte Wasserdampf durch den Auslaßstutzen 24 ggf. über einen Kondensor und/oder Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben wird. Das Auslaßventil 18 kann dasselbe wie für die Abgase der Verbrennung sein.

Während der folgenden beiden Umdrehungen der Kurbelwelle 12 wird wieder Kraftstoff/Verbrennungsluft angesaugt, verbrannt und ausgestoßen, wodurch eine erneute Erhitzung der Wände des Verbrennungsraums 15 erfolgt. Die dabei entstehende Wärme wird dann beim nächsten Wasser/Wasserdampf-Arbeitszyklus teilweise in Bewegungsenergie umgewandelt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Kühlung durch Wasserverdampfung kann der Kühlmantel 25 wesentlich kleiner als üblich dimensioniert oder sogar ganz weggelassen werden.

S/RU-T 2696 Bezugszeichenliste

11 Zylinder

12 Kurbelwelle

13 Pleuelstange

14 Kolben

15 Verbrennungsraum

16 Zündmittel

17 Wasserzufuhrmittel

18 Wasserdampfabfuhrmittel

19 Steuermittel

2 0 Wasserzufuhr-Wasserdampfabfuhr-Steuermittel

21 Steuerelement

22 Steuerelement

23 Einlaßstutzen

24 Auslaßstutzen 2 5 Kühlmante1

Claims

Ansprüche

1. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder (11), in dem ein eine Kurbelwelle (12) über eine Pleuelstange (13) beaufschlagender Kolben (14) verschiebbar angeordnet ist, oberhalb von dem ein Verbrennungsraum (15) vorliegt, dem durch wenigstens ein Einlaßventil und/oder eine Einspritzdüse Kraftstoff und Verbrennungsluft zuführbar und aus dem durch ein Auslaßventil Abgase abführbar sind, wobei Zündmaßnahmen, insbesondere Zündmittel für das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsraum (15) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbrennungsraum (15) zusätzlich Wasserzuführmittel (17) und Wasserdampfabfuhrmittel (18) vorgesehen sind, durch welche abwechselnd mit der Kraftstoff-Luft-Zufuhr Wasser in den erhitzten Verbrennungsraum (15) einführbar und nach einem Arbeitshub des Kolbens (14) als Dampf wieder abführbar ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Steuermitteln (19) für die Kraftstoff-Verbrennngsluftzufuhr und Abgasabfuhr Wasserzufuhr-Wasserdampfabfuhr-Steuermittel (20) für die Wasserzufuhr und Wasserdampfabfuhr in Abwechslung mit der Kraftstoff-Verbrennungsluft-Zufuhr und Abgasabfuhr vorgesehen sind.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbrennungsraum (15) eine besonders energiereiche Zusatzzündvorrichtung (16) vorgesehen ist, die nach dem Einführen des Wassers den gebildeten Dampf im oberen Totpunkt des Kolbens oder kurz davor zusätzlich erhitzt.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzzündvorrichtung (16) durch ein Hochdrucklampen-Hochspannungszündgerät gebildet ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzzündvorrichtung (16) als Elektroden zwei oder vier Titan-Zündspitzen aufweist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Zusatzzündvorrichtung so am Verbrennungsraum (15) angeordnet sind, daß sich der gebildete elektrische Funke quer über den ganzen Durchmesser des Zylinders (11) erstreckt.

7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an die Wasserdampfabfuhrmittel (18) ein Kondensor vorgesehen ist.

8. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Wasserzufuhrmitteln (17) ein mit dem Auspuff des Verbrennungsmotors verbundener Wärmetauscher zur Vorerwärmung des zugeführten Wassers vorgesehen ist.