WO2001082983A1 - Vorrichtung und verfahren zur umwandlung von thermischer energie aus wärme-kraftmaschinen sowie abgasreinigung - Google Patents

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Definitions

  • a heat engine can be a heat and power piston machine in which a combustible fuel-air mixture inside a working cylinder is ignited and burned. The heat of combustion released increases the pressure of the pre-compressed gases. This combustion pressure moves the crankshaft via pistons.
  • the combustion takes place in a room separate from the working cylinder.
  • the heat of combustion is stored in a boiler in high-tension hot steam and fed to the working cylinder in this form.
  • the object of the invention was to develop methods and devices that are reliable
  • This object is achieved in that the amount of exhaust gas, pollutants, fuel losses, NO x , CO 2 is reduced by oxygen enrichment of the V-air, soot particles are avoided and the VM output is increased; the pressure and the temperature of the exhaust gases, together with sound wave energy and possibly cooling and braking energy (Kfe), are transformed into mechanical energy by an RT and used appropriately, but at the same time the gases are cleaned, including by molecular sieves or biotechnologically. How?
  • the tubular turbine works as a) turbine motor (energy converter) b) catalytic and / or thermal exhaust gas cleaner (afterburning) c) centrifugal gas cleaner (particles, ash, etc.) d) front silencer (heat generator, acoustic wave energy converter)
  • the invention is ingenious simply because the function of the V-engine is not disturbed by the automatic operation of the tubular turbine. As a result, every V-engine can be combined with a turbine engine, thus optimizing the overall efficiency to approx. 60% - 80% (stationary operation).
  • the gases exhaust gases and sound waves from a piston engine flow out of the combustion chamber (cylinder) via the exhaust pipe through a tubular turbine:
  • the thermal energy temperature and pressure of the gases
  • soot particles due to centrifugal force
  • the (stored) soot, tar etc. are burned energetically, the exhaust gases and tubular turbine cleaned, the sound (pressure waves) positive in mechanical Energy converted and thus effectively damped with little loss.
  • the cooling energy in the form of hot gases, steam, etc.
  • the tubular turbine can be used by the tubular turbine.
  • encapsulation of the V-engine is suitable.
  • the exhaust gas components unburned by the V-engine, oxygen, hydrogen, carbon oxide, methane, are a measure of the quality of the combustion. If combustion is poor, soot, tar, etc. remain.
  • the gasoline engine works at idle and low engine speeds with lack of air and over-rich mixture.
  • the catalytic and / or thermal exhaust gas cleaning afterburning of the unburned exhaust gas components
  • higher temperatures and gas pressures arise in the tubular turbine. Every increase in temperature in the tubular turbine inevitably leads to an increase in pressure, which is converted into mechanical energy by the tubular turbine.
  • the mechanical energy of the tubular turbine is converted into electrical energy and used as follows as required:
  • the exhaust gas pressure or energy for the tubular turbine can be generated and combined in V engines (VM) (VM + RT) with a high degree of efficiency. From the previous explanations it can be seen that the hot, powerful exhaust gases and sound waves from VM flow centrally in the shortest possible way into the tubular turbine, expand there and release their energy to the tubular turbine.
  • the internal gas ducts are thus heat insulated.
  • the exhaust pipe from the V-engine protrudes into the tubular turbine and is shaped so that the exhaust gas flow (pressure waves) obliquely onto the gas guide elements (if necessary automatically adjustable; for example by gas pressure or centrifugal force) inside the tubular turbine.
  • gas guide elements if necessary automatically adjustable; for example by gas pressure or centrifugal force
  • helical gas flows then act on the gas guide elements and drive the tubular turbine, also by rotating the gases.
  • the direction of rotation of the tubular turbine is primarily determined by thrust according to the recoil principle by means of radially acting gas nozzles, slots, etc. and reinforces the aforementioned helical force component.
  • the RT efficiency is optimized by synchronizing all force components from the gas inlet to the gas outlet of the tubular turbine.
  • V-Exhaust pipe from V-engine to tubular turbine may be insulated and with / without catalytic effect and can be equipped with valves for feeding in external substances (e.g. compressed air).
  • external substances e.g. compressed air
  • Exhaust pipe protrudes into the inner pipe of the pipe turbine and forms its axis of rotation.
  • the end of the pipe socket is designed so that the exhaust gases flow out of the pipe socket in a targeted manner - not straight - for example, angled pipe end, special pipe openings.
  • the pipe turbine is mounted on the pipe socket (gas inlet side), the lubrication can be done by exhaust gases.
  • the tubular turbine with balls, rollers etc. is mounted on the other end (power transmission side, for example PTO shaft for electric generator).
  • the pipe socket In connection with a slide bearing (carbon, ceramic, etc.), the pipe socket preferably functions as a gas pressure bearing, for example spiral gas guide grooves (swirl pipe ⁇ lubrication, if necessary, by exhaust gases.
  • a gas pressure bearing for example spiral gas guide grooves (swirl pipe ⁇ lubrication, if necessary, by exhaust gases.
  • the exhaust gas flows through a hollow PTO shaft towards the exhaust at a very high speed.
  • the tubular turbine is usually located in a housing, similar to a motor vehicle silencer.
  • the front of the housing serves as a bearing point for the tubular turbine, as an exhaust manifold with exhaust pipe to the exhaust, as a rear silencer and possibly an ash collector.
  • the exhaust pipe to the exhaust is appropriately arranged on the housing so that fluidic effects inside and outside the tubular turbine can be used positively.
  • the casing of the tubular turbine can be reinforced by grooves, beads, etc.
  • the tubular turbine normally rotates within the housing.
  • the pipes and gas guiding elements are preferably made of composite materials such as ceramic, carbon, metal.
  • light, heat-resistant materials e.g. carbon, ceramic
  • geometries e.g. carbon, ceramic
  • Wire brushes function as soot filters, which are automatically cleaned by the exhaust gases (pressure, temperature, friction) and sound waves when the VM power is increased.
  • various gas guiding elements are arranged in rows within the tubes.
  • the tubular turbine cleans the exhaust gases by centrifugal force, sound waves, pressure, heat, friction, chemical and possibly catalytic oxidation. Particles are deposited in the inner tube of the tubular turbine (exhaust gas inlet) when the V-engine power is weak, among other things by centrifugal force (pre-separator), which means that the following Gas release channels (with a catalytic effect if required) are largely kept free of contamination until the gas outlet (RT).
  • centrifugal force pre-separator
  • soot particles no longer form in the VM and the performance can be increased at the same time.
  • the oxygen enrichment of the V-air takes place through membrane separation processes, i.e. the V-air has to be pressed through molecular sieves arranged in tubes, whereby nitrogen is separated out. Even a small gas pressure drop, depending on the sieve area, can increase the oxygen content in the V-air to 22 - 25%.
  • the required pressure difference can easily be generated by negative pressure, compressors of all kinds, but also by stored compressed air (braking energy).
  • the exhaust gas NO ⁇ values can be adjusted, e.g. also reduce by perovskite, because this class of substances only selectively separates oxygen ions from other substances.
  • Perovskite preferably work at exhaust gas temperatures between 500 and 900 ° C and a pressure difference of about> 100 mbar. The oxygen obtained in this way, like the stored compressed air, can serve as V-air.
  • V-Luft The oxygen enrichment of V-Luft from VM in order to reduce pollutants and increase performance, among other things. through the use of oxygen-selective membranes (e.g. polymer membranes) are an emergency relief innovation.
  • Normal V-air consists of approx. 77 vol.% Nitrogen, which has not been used to date in the combustion of fuel, but is heated almost uselessly. This creates permanent energy losses.
  • V-air enriched with oxygen increases the combustion efficiency; reduces the amount of exhaust gas, thus also the pollutants (including NO Xl CO 2 ) and fuel losses , avoids soot particles; enables zero exhaust emissions.
  • pollutants including NO Xl CO 2
  • fuel losses avoids soot particles; enables zero exhaust emissions.
  • (zeolitic) molecular sieves which can sufficiently enrich V-air with oxygen even under slight overpressure, are used in motor vehicles.
  • substances e.g. TMS + Si dust
  • TMS + Si dust substances
  • Resulting substances such as sand are easily thrown out by centrifugal force and exhaust gas pressure.
  • the sound waves and exhaust gases from piston engines are conducted directly from the outlet duct into the tubular turbine.
  • Sound waves from piston engines occur during the combustion of the compressed fuel-air mixture through complex, high-frequency consecutive compression and decompression phases. This creates intense gas vibrations, which are converted into mechanical vibrations by the exhaust gases.
  • So-called cavitation bubbles with high shear forces form, at the same time chemical reactions also take place in the cavitation bubbles at very high temperatures and pressures.
  • the water vapor contained in the bubbles is broken down into very reactive hydrogen and hydroxyl radicals. This creates new chemical compounds. In this way, halogen-containing pollutants can be dehalogenated and broken down into biodegradable compounds.
  • high-energy turbulence affects even the smallest cavities in the tubular turbine. Due to the cavitation effect, sound waves are an excellent alternative to cleaning particle filters, such as the tubular turbine or silencer.
  • the previous ATL is optimized (- * > better efficiency) and the excess mechanical energy is converted into electrical energy.
  • the hot exhaust gas presses into the tubular turbine or muffler even during the cold start phase.
  • the exhaust pipe from the engine outlet to the inlet tube turbine is insulated so that the catalytic converter - depending on the temperature - can take effect immediately after starting the V-engine.
  • the exhaust pipe on the cylinder head may have a larger cross section than the exhaust gas outlet duct of the cylinder head, namely u. for reasons of space by a polygonal tube, preferably a rectangular tube, which leads in the shortest possible way gas-tight into an "exhaust manifold", which replaces the previous "exhaust manifold" made of GG (reasons: too heavy, heats the engine compartment, temperature sensitive).
  • VM exhaust gases must be cleaned properly before they are released into the atmosphere.
  • Very fine particles, NO x , CO 2 still cause problems.
  • Molecular sieves, perovskites, bio and electret filters can help here.
  • the exhaust back pressure can even be positively reduced by eliminating the previous catalyst.
  • the exhaust gas back pressure is not increased because the exhaust gas flow is too weak to drive the tubular turbine (turbine engine).
  • the exhaust gas purification is carried out using a new method or, due to a reduced fuel consumption, the catalytic exhaust gas purification may possibly be omitted entirely; the environment will still be less polluted than before.
  • Electric motor also serves as a starter, so the previous starter is no longer required.
  • E-mode poses no problems for short, level routes. In peak times, vehicles are up to 85% of the operating time, with the VM being operated at idle.
  • Electric motor regulates the idle mode of the V-engine, the idle speed of which can be reduced enormously to save fuel and protect the environment.
  • V-engine When the Kfe is at a standstill, the V-engine can be stopped automatically if its operating conditions permit. Sudden switching off of a hot V-engine is harmful since heat, especially in the cylinder head, is not dissipated, which can lead to tension, unless the coolant pump continues to run when required, i.e. with electric operation.
  • the VM can be started without driving the auxiliary units in order to protect the battery ( ⁇ ).
  • • EM is preferably activated automatically at low VM speeds; otherwise this happens optionally •
  • VM / EM operation the specific fuel consumption is halved by lowering the maximum VM speed into the range of the favorable torque.
  • the engine heat which is not converted into mechanical energy, must be dissipated to the ambient air via the engine cooling system in order to avoid thermal overloading of VM.
  • Two systems are known for this: direct cooling by air or liquid / air cooling (is preferred today).
  • VM coolers which are arranged in Kfe in front of VM, or lay them in such a way that the heat dissipated through the cooler to the ambient air (wind, fan, etc.) cannot heat the VM and VM room. This also reduces the Kfe wind resistance and optimizes the VM air cooling and, if necessary, charge air cooling without additional energy expenditure.
  • Adjustable water pump output (power output only when required).
  • Step fan (adjustable) for cooling the VM surface and engine compartment.
  • Engine oil cooling one or two-circuit system, among other things, by increasing the amount of oil. Possibly. Install the pipe (radiator) below the body. Advantages: No anti-freeze
  • Oil change interval can be extended
  • Pipes dissipate heat better than oil sump, as does noise.
  • Liquid fuel and V-air cooling is carried out as described under II. 3. and II1 1.. 3. liquid fuel (including emulsions); after the fuel has flowed through and heat has been absorbed in the cooling channels, the fuel is injected into the V space as before.
  • the previous cooling water channels can advantageously be used as a separate fuel tank, for example for biodiesel or vegetable oil.
  • exhaust gas components such as CO 2 and NO x can be stored in biodiesel by processing the VM exhaust gases through the biodiesel and then burning biodiesel or vegetable oil, etc. in internal combustion engines (zero emissions).
  • the aforementioned methods are combined and multifunctional, for example to increase the efficiency, also of the tubular turbine and its exhaust gas cleaning from a cold start. At Kfe. exhaust heat is required for heating in winter.
  • the continuous coolant is conveyed - also in the circuit - electrically / pneumatically / hydraulically / mechanically. It is also possible to use gas / steam downstream by means of a gas / steam piston machine or a second tubular turbine.
  • tubular turbine can, for example
  • the thermal residual energy can be used economically as heating / steam energy.

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Abstract

Ziel der Erfindung ist es, die thermische Verlustenergie nebst Schallwellen und Bremsenergie von Verbrennungsmotoren, primär zum Betrieb von Kraftfahrzeugen, zu nutzen und deren Auspuffgase zu reinigen. Beispiel: aus einem Kolbenmotor strömen die Gase = Abgase und Schallwellen aus dem Verbrennungsraum (Zylinder) über die Abgasleitung durch eine Rohrturbine. Hier wird die thermische Energie (Temperatur und Druck der Gase) nebst Schallwellenenergie in mechanische Energie umgewandelt; durch Fliehkraft Russpartikel, Asche, etc. innerhalb der Rohrturbine bei Schwachlast des V-Motors gespeichert; bei erhöhter V-Motor-Leistung durch Schallwellen, Druck, Hitze, Reibung, chemische und/oder katalytische Reaktionen der (gespeicherte) Russ, Teer etc. energetisch verbrannt, die Abgase sowie Rohrturbine gereinigt, der Schall (Druckwellen) positiv in mechanische Energie umgewandelt und so zweckmässig verlustarm gedämpft. Im Innenrohr der Rohrturbine (Abgaseingang) erfolgt bei schwacher V-Motorleistung eine Partikelablagerung u.a. durch Fliehkraft (Vorabscheider), wodurch die nachfolgenden Gasentspannungskanäle (bei Bedarf mit katalytischer Wirkung) bis zum Gasaustritt weitgehend von Verschmutzung freigehalten werden. Ferner kann, falls wirtschaftlich, die Kühlenergie in Form von heissen Gasen, Dampf usw. durch die Rohrturbine genutzt werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus Wärme-Kraftmaschinen sowie Abgasreinigung.
Eine Wärme-Kraftmaschine kann eine Wärme-Kraft-Kolbenmaschine sein, bei der ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch im Innern eines Arbeitszylinders entzündet wird und verbrennt Die frei werdende Verbrennungswärme erhöht den Druck der vorverdichteten Gase. Dieser Verbrennungsdruck bewegt über Kolben die Kurbelwelle.
Bei anderen Wärme-Kraftmaschinen findet die Verbrennung in einem vom Arbeitszylinder getrennten Raum statt. So wird z.B. bei der Dampfmaschine die Verbrennungswärme in einem Kessel in hochgespanntem heißen Dampf gespeichert und in dieser Form dem Arbeitszylinder zugeleitet.
Ein wesentliches Ziel der Erfindung ist es, die thermische Verlust-Energie von Wärme-Kraftmaschinen, insbesondere von Verbrennungsmotoren (V- otoren), primär zum Betrieb von Fahrzeugen, aber auch stationär optimal zu nutzen. Gleichzeitig sollen die Auspuffgase gereinigt werden. Beide oben genannten Verfahren werden erfindungsgemäß effektiv kombiniert.
Folgendes Beispiel zeigt die Relevanz der Erfindung: Energieverteilung Diesel(D)- und Ottomotor (O) Verlustenergie (D) (O)
- Auspuffgase 30 % 35 %
- Schallwellen 3 % 5 %
- Kühlung 35 % 35 %
68 % 75 %
Nutzenerqie an Kurbelwelle 32 % 25 %
Kraftstoffenergie 100 % 100 %
Fast alle Kolbenmotoren, besonders aber schnellaufende und kurzhubige, wandeln die Gasentspannung beim Arbeitshub nur zu rund 30 % in mechanische Energie um; ca. 70 % der Gasentspannung geschieht nach dem Stand der Technik nutzlos über die Abgasleitung (Auspuff) und Kühlung des V-Motors (VM). In einigen Fällen erfolgt eine geringe Nutzung der Abgasenergie durch Abgasturbolader, wobei hier die Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum der Verbrennungsmotoren gepresst wird, um die Motorleistung zu steigern. Bei nicht aufgeladenen Motoren beträgt die Verlustenergie also rund 70 % der Kraftstoffenergie. Die Temperatur und Energie der Abgase hängt vom Grad der Gas-Entspannung beim Arbeitshub ab. Motoren mit höherem Verdichtungsverhältnis liefern deshalb weniger heiße Abgase (bei Diesel- Motoren im 0 500°C, bei Otto-Motoren 700°C).
Aufgabe der Erfindung war es, Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, die betriebssicher
• die thermische Verlustenergie soweit wie möglich in Nutzenergie umwandelt und gleichzeitig die Auspuffgase reinigt; die Kraftstoffkosten, den Energiebedarf, die Umweltbelastung, die Luftschadstoffe, den Geräuschpegel, die ozonbildenden Stickoxide, die CO2-Belastung, den Ressourcenverbrauch, die Geruchsbelästigung, die Treibhausgase, die Klima- und Ozonschichtbelastung drastisch senkt. Ferner den Naturhaushalt schont und eine umweltgerechte Mobilität ermöglicht. Zwecks Erreichung des Klimaziels sind eine effizientere Umwandlung und Anwendung von Energie dringend notwendig. Nutzen: Zusätzliche Arbeitsplätze, weniger Kosten, mehr Klimaschutz. Die Kraftstoffkosten werden in den nächsten Jahren stark ansteigen. Dies begünstigt die Entwicklung, den Bau und den wirtschaftlichen Betrieb der relevanten Motoren nebst Vorrichtungen. Beim nachstehend vorgestellten Verfahren handelt es sich um eine besonders saubere und lärmarme Technologie. Diese Aufgabe wird dadurch, gelöst, dass ggf. durch Sauerstoffanreicherung der V- Luft die Abgasmenge, Schadstoffe, Brennstoffverluste, NOx, CO2 reduziert, Rußpartikel vermieden, die VM-Leistung gesteigert; der Druck und die Temperatur der Auspuffgase nebst Schallwellenenergie sowie evtl. Kühl- und Bremsenergie (Kfe) durch eine RT in mechanische Energie transformiert und diese zweckentsprechend verwendet, aber auch gleichzeitig die Gase, u.a. durch Molekularsiebe bzw. biotechnologisch, gereinigt werden. Wie?
Indem die Abgasleitung erfindungsgemäß auch als Arbeitszylinder funktioniert. Falls erforderlich arbeitet die Rohrturbine als a) Turbinenmotor (Energieumwandler) b) katalytischer und/oder thermischer Abgasreiniger (Nachverbrennung) c) Fliehkraft-Gasreiniger (Partikel, Asche, etc.) d) Vorschalldämpfer (Hitzeerzeuger, Schallwellenenergieumwandler)
Genial ist die Erfindung allein schon deshalb, weil die Funktion des V-Motors durch den automatischen Betrieb der Rohrturbine nicht gestört wird. Folglich kann jeder V- Motor mit einem Turbinenmotor kombiniert und so der Gesamtwirkungsgrad auf ca. 60 % - 80 % (stationärer Betrieb) optimiert werden.
Beispiel: Aus einem Kolbenmotor strömen die Gase = Abgase und Schallwellen aus dem Verbrennungsraum (Zylinder) über die Abgasleitung durch eine Rohrturbine: Hier wird die thermische Energie (Temperatur und Druck der Gase) nebst Schallwellenenergie in mechanische Energie umgewandelt; durch Fliehkraft Rußpartikel; Asche, etc. innerhalb der Rohrturbine bei Schwachlast des V-Motors gespeichert; bei erhöhter V-Motor-Leistung durch Schallwellen, Druck, Hitze, Dampf, Reibung, chemische und/oder katalytische Reaktionen der (gespeicherte) Ruß, Teer etc. energetisch verbrannt, die Abgase sowie Rohrturbine gereinigt, der Schall (Druckwellen) positiv in mechanische Energie umgewandelt und so zweckmäßig verlustarm gedämpft. Ferner kann, falls wirtschaftlich, die Kühlenergie in Form von heißen Gasen, Dampf usw. durch die Rohrturbine genutzt werden. Hierzu eignet sich u.a. eine Kapselung des V-Motors. Die durch den V-Motor unverbrannten Abgasbestandteile Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenoxid, Methan sind ein Maß für die Güte der Verbrennung. Bei schlechter Verbrennung bleiben Ruß, Teer etc. übrig. Der Ottomotor arbeitet bei Leerlauf und kleinen Drehzahlen mit Luftmangel und überfettetem Gemisch. Infolge der katalytischen und/oder thermischen Abgasreinigung (Nachverbrennung der unverbrannten Abgasbestandteile) entstehen in der Rohrturbine höhere Temperaturen und Gasdrücke. Jede Temperaturerhöhung in der Rohrturbine führt dort zwangsläufig zu einem Druckanstieg, der durch die Rohrturbine in mechanische Energie umgewandelt wird.
Während des Schubbetriebs des Kfz erfolgt kein Kraftstoffverbrauch (Schubabschaltung); es wird Druckluft (evtl. durch Molekularsiebe Sauerstoff angereichert) gespeichert (Umwandlung von Bremsenergie) und/oder der Verbrennungsmotor (VM) dient hier als Bremse und diese Bremsenergie wird in Nutzenergie umgewandelt, indem der Gasstrom aus d. Zylinder(n) Gasspeicher (z.B. Rohrrahmen) füllt und/oder die Rohrturbine antreibt; diese Luft zuvor Hitze aus dem Verbrennungsraum des Motors abführt, also den V-Motor zweckmäßig kühlt, dadurch gleichzeitig das Gasvolumen und den Gasdruck in der Rohrturbine und deren Wirkungsgrad erhöht. Diese Bremsenergie ist zum Beispiel wie nachstehend beschrieben gemäß Ziff. 1. bis 6. verwendbar.
Nach Variante A wird die mechanische Energie der Rohrturbine in elektrische Energie umgewandelt und diese je nach Bedarf wie folgt verwendet:
1. Laufende Stromversorgung
2. Batterie(n) laden
3. Wasserpumpe antreiben (falls noch erforderlich)
4. Hydraulikpumpe antreiben, u.a. Lenkhilfe (evtl. elektrisch)
5. Druckluft-Kompressor antreiben (Umwandlung von Bremsenergie)
6. Klimaanlagebetrieb (elektrisch)
7. Kfz-Antrieb. Rohrturbine
Wie zuvor, unter anderem auf Blatt 1 Absatz 1 und 2 beschrieben, kann der Abgasdruck bzw. Energie für die Rohrturbine (RT) in V-Motoren (VM) erzeugt und kombiniert (VM + RT) mit einem hohen Wirkungsgrad genutzt werden. Aus den vorherigen Ausführungen ist ersichtlich, dass die heißen druckvollen Abgase nebst Schallwellen von VM auf kürzestem Wege zentral in die Rohrturbine strömen, dort expandieren und ihre Energie an die Rohrturbine abgeben.
Die Rohrturbine besteht je nach Anwendungsfall und Gasvolumendurchsatz aus einem gelagerten Drehrohr (Rohre aus geeigneten Werkstoffen aller Art) oder einem gelagerten Mehrfach-Drehrohr (mehrere Einzelrohre mit unterschiedlichen Innen- und Außendurchmessern bzw. Geometrien aller Art.) mit gleicher Drehachse. Die Rohre können auch durch radial angeordnete Gasführungsrohre verbunden sein. Zum Beispiel kann sich über ein rundes Innenrohr ein Vielkantrohr mit Presspassung befinden; ebenso über ein Vielkantrohr ein rundes Außenrohr. Solche Mehrfach- Drehrohre haben mehrere axiale Gasentspannungskanäle, die durch aussermittige Gasaustrittöffnungen, radiale (Rückstossprinzip), aber auch axiale, die an den Stirnseiten der Rohrturbine miteinander verbunden sind. Prinzipiell sind sehr viele Rohrkombinationen bzw. Varianten möglich. Der sehr geringe Wärme- und Druckverlust der Abgase wird dadurch erzielt, dass die Abgase zuerst das Innenrohr der Rohrturbine durchströmen, an der Stirnseite dann radial in die das Innenrohr umgebenden Gaskanäle (ggf. mehrere Rohre = viele Kanäle) strömen. Somit sind die innen liegenden Gaskanäle hitzeisoliert. Beispiel eines Strömungsverlaufs innerhalb der Rohrturbine, die in einem geschlossenen Rohrsystem axiale und radiale Gasströmungskanäle aufweist: Gasstrom axial/radial bis zur Stirnseite des Innenrohres, bei Mehrfach-Drehrohr dann radial (Rückstossprinzip) in die umliegenden axialen Gaskanäle, axial (längs) zurück bis zur anderen Stirnseite, dann Überströmung radial in die umliegenden äußeren axialen Gaskanäle, usw. ■*•* Auspuff.
Die Abgasleitung vom V-Motor ragt in die Rohrturbine und ist so geformt, dass der Abgasstrom (Druckwellen) schräg auf die Gasleitelemente (ggf. automatisch verstellbar; zum Beispiel durch Gasdruck oder Fliehkraft) innerhalb der Rohrturbine wirkt. In den Gasführungskanälen beaufschlagen dann schraubenförmige Gasströmungen die Gasleitelemente und treiben, auch durch Rotation der Gase, die Rohrturbine an. Die Drehrichtung der Rohrturbine ist primär durch Schub nach dem Rückstossprinzip mittels radial wirkender Gasdüsen, Schlitze, etc. bestimmt und verstärkt die vorgenannte schraubenförmige Kraftkomponente. Optimiert wird der RT-Wirkungsgrad, indem eine Synchronisation aller Kraftkompoπenten vom Gaseintritt bis zum Gasaustritt der Rohrturbine erfolgt. Vom Gaseintritt bis zum Gasaustritt fällt die Temperatur und somit der Druck der Abgase in der Rohrturbine langsam ab. Bei abnehmender Gastemperatur = abnehmendes Gasvolumen, kann jedoch mit „kegeligen bzw. verengenden" Gaskanälen der Druck schwach sinkend bis zum Austritt aus der Rohrturbine gehalten werden. Gleichzeitig entstehen innerhalb der Rohrturbine Turbulenzen, Unterdruckzonen mit Sogwirkung, diverse große Gasgeschwindigkeiten, weil die Gase, konstruktiv gewollt, unterschiedliche Distanzen (Strecken/Wege) zurücklegen müssen, im Prinzip wie bei modernen Flugzeugflügeln. Dies geschieht zwecks Optimierung des energetischen Wirkungsgrads, der Partikelabscheidung, der GasreinigungΛUmwandlung, der Schall-Umwandlung und -Dämmung. Wenn die Rohrturbine in einem Gehäuse (Nachschalldämpfer) eingekapselt ist, kann der Gasaustritt aus dem Gehäuse an beliebiger Stelle zweckentsprechend erfolgen.
Wie bisher der Schalldämpfer bzw. Kat, kann eine Anpassung der Rohrturbine bzw. des Turbinenmotors an den V-Motor erforderlich sein. An welcher Stelle die Rohrturbine eingebaut wird, ist auch von den Platzverhältnissen sowie der Energieübertragung und Energieverwendung abhängig.
Die Rohrturbine ist ferner gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- Abgasleitung vom V-Motor zur Rohrturbine, ist evtl. isoliert sowie mit/ohne katalytischer Wirkung und kann mit Ventilen zur Einspeisung von externen Stoffen (u.a. Druckluft) ausgerüstet sein.
- Abgasleitung (Rohrstutzen) ragt in das Innenrohr der Rohrturbine und bildet deren Drehachse. - Das Rohrstutzenende ist so gestaltet, dass die Abgase gezielt - nicht gerade - aus dem Rohrstutzen ausströmen, zum Beispiel schräges Rohrende, spezielle Rohröffnungen.
- Die Rohrturbine ist auf dem Rohrstutzen (Gaseingangsseite) gelagert, die Schmierung kann durch Abgase erfolgen.
- Auf der anderen Stirnseite ist die Rohrturbine mit Kugeln, Rollen etc. gelagert (Kraftübertragungsseite, zum Beispiel Zapfwelle für E-Generator).
- Der Rohrstutzen fungiert in Verbindung mit einem Gleitlager (Kohlenstoff, Keramik, etc.) bevorzugt als Gasdrucklager, zum Beispiel spiralförmige Gasleitrillen (Drallrohr^Schmierung ggf. durch Abgase.
- Falls zweckmäßig durchströmt das Abgas eine hohle Zapfwelle in Richtung Auspuff mit sehr hoher Geschwindigkeit.
- Normalerweise befindet sich die Rohrturbine in einem Gehäuse, ähnlich eines Kfz-Schalldämpfers.
- Das Gehäuse dient stirnseitig als Lagerstelle der Rohrturbine, als Abgassammeitopf mit Abgasleitung zum Auspuff, als Nachschalldämpfer und evtl. Aschesammeitopf.
- Die Abgasleitung zum Auspuff ist am Gehäuse zweckentsprechend so angeordnet, dass strömungstechnische Effekte innerhalb und außerhalb der Rohrturbine positiv genutzt werden können.
- Das Gehäuse der Rohrturbine kann durch Rillen, Sicken etc. verstärkt sein.
- Die Rohrturbine rotiert im Normalfall innerhalb des Gehäuses.
- Die Rohre und Gasleitelemente sind vorzugsweise aus Verbundwerkstoffen, wie Keramik, Kohlenstoff, Metall.
Beispiel: Bei 6-kt bzw. 8-kt-Rohren sind die Gasleitelemente jeweils um 120° bzw. 90° versetzt durch die Flächen sowie Diagonalen innerhalb der Rohre befestigt. Diese Konstruktion ist sehr kostengünstig, erlaubt den Einsatz von leichten, hitzefesten Werkstoffen (zum Beispiel Kohlenstoff, Keramik) und folgende Geometrien: - Rohre, rund, vieleckig, kegelig, pyramidenförmig usw.
- Gasleitelemente, L-, T-, O-, Θ-, U-, C-, V-, D-Profile sowie Drahtbürsten, etc. U.a. funktionieren Drahtbürsten als Rußfilter, die bei erhöhter VM-Leistung durch die Abgase (Druck, Temperatur, Reibung) sowie Schallwellen automatisch gereinigt werden.
Innerhalb der Rohre sind je nach Zweck diverse Gasleitelemente in Reihe angeordnet.
Vorteile der Rohrturbine:
• Lange axiale und radiale, hochwirksame Gasentspannungskanäle mit geringem
Druck- und Wärmeverlust, kleine kompakte Baugröße, geringes Gewicht, niedrige Herstellkosten, lange Lebensdauer, multifunktional verwendbar, sehr stabile Filigran-Konstruktion, keine Toleranzprobleme, keine Betriebs- und Wartungskosten, geeignet für fast alle Kfz mit V-Motoren,
Schall-Energie-Umwandler und -Dämpfer, geräuscharm, hoher Wirkungsgrad,
Abgasreiniger,
Anordnung beliebig von vertikal bis horizontal.
Abgasreinigung, die Rohrturbine (RT) reinigt durch Fliehkraft, Schallwellen, Druck, Hitze, Reibung, chemische und evtl. katalytische Oxidation die Abgase. Im Iπnenrohr der Rohrturbine (Abgaseingang) erfolgt bei schwacher V-Motorleistung eine Partikelablagerung u.a. durch Fliehkraft (Vorabscheider), wodurch die nachfolgenden Gasentspannungskanäle (bei Bedarf mit katalytischer Wirkung) bis zum Gasaustritt (RT) weitgehend von Verschmutzungen freigehalten werden.
Oder infolge einer Sauerstoffanreicherung der V-Luft (N-Reduzierung) bilden sich im VM keine Rußpartikel mehr und die Leistung kann gleichzeitig gesteigert werden. Die Sauerstoffanreicherung der V-Luft geschieht durch Membrantrennprozesse, das heißt die V-Luft muss durch in Rohre angeordnete Molekularsiebe gedrückt werden, wobei Stickstoff abgeschieden wird. Schon ein geringes Gasdruckgefälle kann, je nach Siebfläche, den Sauerstoffgehalt in der V-Luft auf 22 - 25 % erhöhen. Die erforderlich Druckdifferenz lässt sich leicht durch Unterdruck, Kompressoren aller Art, aber auch durch gespeicherte Druckluft (Bremsenergie) erzeugen. Ferner lassen sich die Abgas-NOχ-Werte bei Bedarf, z.B. auch durch Perovskite reduzieren, weil diese Stoffklasse hochselektiv nur Sauerstoffionen von anderen Stoffen trennt. Perovskite funktionieren vorzugsweise bei Abgastemperaturen zwischen 500 und 900°C und einer Druckdifferenz von etwa > 100 mbar. Der hierbei gewonnene Sauerstoff kann ebenso wie die gespeicherte Druckluft als V-Luft dienen.
Die Sauerstoffanreicherung der V-Luft von VM zwecks Schadstoffminderung und Leistungssteigerung, u.a. durch die Verwendung von sauerstoffselektiven Membranen (z.B. Polymermembranen) sind eine Not lindernde Innovation. Normale V-Luft besteht zu ca. 77 Vol.- % aus Stickstoff, der bei der Verbrennung von Kraftstoff bisher nicht benötigt, aber fast nutzlos mit erhitzt wird. Dadurch entstehen permanente Energieverluste.
Sauerstoff angereicherte V-Luft erhöht den Verbrennungswirkungsgrad; reduziert die Abgasmenge, somit auch die Schadstoffe (u.a. NOXl CO2) und Brennstoffverluste, vermeidet Rußpartikel; ermöglicht Null-Abgas-Emissionen. Mir ist nicht bekannt, dass (zeolithische) Molekularsiebe, die schon bei leichtem Überdruck V-Luft ausreichend mit Sauerstoff anreichern können, in Kfz eingesetzt werden.
Besser erscheint es aber, die Energie der Abgase mechanisch zu nutzen, anschließend deren H2O und N-Gehalt - falls notwendig - zu reduzieren und dann die verbliebenen Abgasbestandteile, zum Beispiel in Biodiesel bzw. diverse ungesättigte Stoffe (Fettsäuren) zu binden. Dies kann in Kombination mit vorgenannten Verfahren, aber auch separat, geschehen, wobei die Abgase zum Beispiel Biodiesel vergasen, wie unter III. 3.-6. beschrieben (Null-Emissionen).
Ferner können hilfsweise Stoffe (z.B. TMS + Si-Staub) insbesondere bei hohen Abgastemperaturen in die Abgasleitung vom VM zur RT bei Bedarf eingedüst und verbrannt werden - zwecks Leistungssteigerung und Reinigung der RT sowie Behandlung der Abgase. Resultierende Stoffe, wie Sand, werden durch Fliehkraft und Abgasdruck problemlos ausgeschleudert.
Stoffe, die Sauerstoff aufnehmen, reduzieren NOx. Erfindungsgemäß sollen die (VM-) Abgase, die bei der landwirtschaftlichen Bodenbearbeitung entstehen gleich in den Boden, z.B. durch ein flexibles Abgasrohr, eingeleitet und gespeichert werden (Entsorgung und Bodendüngung).
Normalerweise werden erfindungsgemäß die Schallwellen und Abgase von Kolbenmotoren vom Auslasskanal direkt zentral in die Rohrturbine geleitet. Schallwellen von Kolbenmotoren entstehen während der Verbrennung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches durch komplexe, hochfrequent aufeinanderfolgende Kompressions- und Dekompressionsphasen. Es entstehen hierdurch intensive Gasschwingungen, die durch die Abgase in mechanische Schwingungen umgewandelt werden. Hierbei bilden sich sogenannte Kavitationsblasen mit großen Scherkräften, gleichzeitig finden auch chemische Reaktionen in den Kavitationsblasen bei sehr hohen Temperaturen und Drücken statt. Dadurch wird der in den Bläschen enthaltene Wasserdampf in sehr reaktive Wasserstoff- und Hydroxyl-Radikale zerlegt. Es entstehen dadurch neue chemische Verbindungen. Auf diese Weise können halogenhaltige Schadstoffe dehalogeniert und in biologisch abbaubare Verbindungen zersetzt werden. Andererseits wirken energiereiche Turbulenzen bis in kleinste Hohlräume der Rohrturbine. Schallwellen sind auf Grund des Kavitationseffektes eine vorzügliche Alternative zum Reinigen von Partikelfiltern, wie die Rohrturbine oder Schalldämpfer.
Sehr vorteilhaft ist die Rohrturbine auch deshalb, weil während des Kfz-Stadtbetriebs die Abgaspartikel (meistens Kohlenstoffverbindungen) bei schwacher V-Motorleistung in der Rohrturbine gespeichert und erst bei erhöhter Motorleistung verbrannt werden; dies wiederum führt zu einem Druckanstieg in der Rohrturbine und folglich zu einer Leistungssteigerung des Turbinenmotors zur rechten Zeit. Ablagerungen innerhalb der Rohrturbine dämpfen ferner zusätzlich Motorgeräusche und dies ist insbesondere in Wohngebieten erwünscht. All dies geschieht wie von selbst, ohne empfindliche und teure Regler, ohne umweltbelastende Additivs. Die katalytisch wirksame Innenfläche der Rohrturbine kann die Aufgaben des bisherigen Kat voll übernehmen. Infolge der extremen Abgasverwirbelung (auch Sauerstoff) innerhalb der Rohrturbine erfolgt eine optimale chemische bzw katalytische Gasreinigung/Gasumwandlung).
Bei einer anderen Variante wird der bisherige ATL optimiert (-*> besserer Wirkungsgrad) und die überschüssige mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Abgasströmungsverlauf: VM → Abgasrohr -> ATL → Schalldämpfer bis an dessen Stirnwand, dann 180° Umlenkung → Auspuff. Auf der Stirnwand, z.B. Keramik (Schaum), werden Rußpartikel abgelagert und, oder vorher, bei höheren Gastemperaturen verbrannt; die Asche fällt nach unten. Das Abgasrohr endet im Schalldämpfer oder kurz vor dessen Stirnwand, so dass zwischen Abgasrohrende und Stirnwand die Abgase im Schalldämpfer jederzeit umgelenkt, mit Druck und eventuell Gegendruck gesiebt, gereinigt und umgewandelt werden können.
So ist bei einer weiteren Ausführung das Abgasrohr an einem Ende (Sackloch) deshalb geschlossen, damit durch den Abgasdruck die Abgaspartikel axial in das Sackloch geschossen, dort durch Abgasdruck und -Gegendruck zerrieben, erhitzt, sowie durch Abgashitze, Schallwellen zu CO2 vergast und gegebenenfalls gesiebt werden. Das ungesiebte Gas strömt gezielt aus dem Abgasrohr über dessen radiale Öffnungen.
Schon während der Kaltstartphase drückt das heiße Abgas (300/400°C) in die Rohrturbine bzw. Schalldämpfer. Wenn notwendig, ist die Abgasleitung vom Motorauslass bis Eingang-Rohrturbine isoliert, damit der Kat - temperaturabhängig - nach Starten des V-Motors seine Wirkung umgehend entfalten kann. Ermöglicht wird dies auch dadurch, weil gegebenenfalls die Abgasleitung am Zylinderkopf einen größeren Querschnitt als der Abgasauslasskanal des Zylinderkopfes aufweist, nämlich u a. aus Platzgründen durch ein Vielkantrohr, vorzugsweise Rechteckrohr, das auf kürzestem Wege gasdicht in einen „Abgassammler" mündet, das den bisherigen „Auspuffkrümmer" aus GG ablöst (Gründe: u.a. zu schwer, heizt den Motorraum, temperaturempfindlich).
Die vorgeschlagene neue Abgasleitung verringert durch einen größeren Querschnitt unter anderem den negativen Hitze-Staudruck am Zylinderkopf, kann innen und außen problemlos isoliert werden, erlaubt innen einen Katalysator, verbrennt infolge eines gesteuerten Abgasstroms Rußpartikel, die sich in Ecken konzentrieren, schon im isolierten „Abgassammler", heizt nicht an falscher Stelle.
Falls sinnvoll können elektromagnetische Felder die Gasreinigung optimieren. VM- Abgase müssen vorschriftsmäßig gereinigt werden, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Feinstpartikel, NOx, CO2 bereiten immer noch Probleme. Abhilfe können hier Molekularsiebe, Perovskite, Bio- und Elektretfilter schaffen.
Der Abgasgegendruck lässt sich durch den Wegfall des bisherigen Kat sogar positiv verringern. Beim Anlassen des V-Motors wird der Abgasgegendruck nicht erhöht, weil der Abgasstrom zu schwach ist, um die Rohrturbine (Turbinenmotor) anzutreiben. Wie dargelegt, erfolgt die Abgasreinigung nach einem neuen Verfahren bzw. durch einen verringerten Kraftstoffverbrauch kann die katalytische Abgasreinigung evtl. ganz entfallen; die Umwelt wird dann trotzdem geringer als bisher belastet.
Bisherige Abgasreinigungssysteme bringen nicht den notwendigen Erfolg. Nachteile: Hochgiftige Ruß- und Aschepartikel belasten Mensch und Umwelt. Kat und Rußfilter sind hier wirkungslos. Während der Kaltstartphase und bei hoher V- Motorleistung ist die Wirkung des jetzigen Kat, der den spezifischen Energieverbrauch deutlich erhöht, sehr gering. Problematische, toxische und teure Werkstoffe, Schwermetälle, hohe brandgefährliche Temperaturen, extremer Sauerstoffverbrauch, beschränkte Lebensdauer, verlangen nach besseren Lösungen. Aπwendungsbeispiel: In Kombination mit den Vorteilen von V-Motoren bringt der zusätzliche E-Betrieb optimale Kfz-Betriebsbedingungen. Bisherige Kfz können zum Beispiel, wie nachstehend beschrieben, zweckentsprechend umgerüstet werden: Kat ausbauen, dort Rohrturbine mit E-Generator einbauen, E-Generator am V-Motor ausbauen, dort E-Motor oder E-Motor/-Generator einbauen (Riemenkraftübertragung).
Nutzen bei Hybridbetrieb
• E-Motor dient auch als Anlasser, deshalb ist der bisherige Anlasser nicht mehr erforderlich.
• Für kurze ebene Strecken bereitet ein E-Betrieb keine Probleme. In Stosszeiten stehen Kfz bis zu 85 % der Betriebszeit, wobei der VM im Leerlauf betrieben wird.
• E-Motor reguliert den Leerlaufbetrieb des V-Motors, dessen Leerlauf-Drehzahl kann dadurch enorm gesenkt werden um Kraftstoff zu sparen und die Umwelt zu schonen.
• Anfahren eines Kraftfahrzeugs bei zugeschaltetem Elektromotor ist fast so angenehm wie bei Automatikgetriebe, denn das Drehmoment wird stark erhöht bei niederen VM-Drehzahlen und geringen Geräuschen.
• Bei Kfe-Stillstand kann der V-Motor automatisch gestoppt werden, wenn dessen Betriebsbedingungen es erlauben. Plötzliches Abstellen eines heißen V-Motors ist schädlich, da Hitze, insbesondere im Zylinderkopf nicht abgeführt wird, was zu Verspannungen führen kann, es sei denn die Kühlmittelpumpe läuft bei Bedarf weiter, also mit E-Betrieb.
• Ein Starten des VM ist ohne Antrieb der Nebenaggregate möglich, um die Batterie(π) zu schonen.
• VM-Magerbetrieb kann nunmehr von Leerlauf bis Voll-Last sehr vorteilhaft erfolgen.
• Kfe-Hybridbetrieb (VM + EM + Automatikgetriebe) erhöht den Fahrkomfort signifikant.
• EM wird vorzugsweise bei geringen VM-Drehzahlen automatisch aktiviert; ansonsten geschieht dies wahlweise • Der spezifische Kraftstoffverbrauch wird bei VM-/EM-Betrieb durch Absenken der VM-Höchstdrehzahl in den Bereich des günstigen Drehmoments halbiert.
• Die Kfz-Betriebskosten sinken rapide, auch durch weniger Verschleiß.
• Verkehrssicherheit wird bei Hybridbetrieb deutlich erhöht.
• Blei-/schwefelfreier Kraftstoff ist nicht unbedingt erforderlich.
Kühlenergie-Verbrennungsmotoren (VM)
Die Motorwärme, die nicht in mechanische Energie umgewandelt wird, muss über das Motorkühlsystem an die Umgebungsluft abgeführt werden um eine thermische Überbeanspruchung von VM zu vermeiden. Hierfür sind zwei Systeme bekannt: Direktkühlung durch Luft oder Flüssigkeits-/Luftkühlung (wird heute bevorzugt angewendet).
Erfindungsziel: Reduzierung des Kühlaufwands und Nutzung der Kühlenergie zwecks Erhöhung des Wirkungsgrads von VM. Die effektive Verwertung thermischer Verlustenergie reduziert den spezifischen Kraftstoffverbrauch erheblich. Folglich sinkt auch der Kühlbedarf der VM; die bisherige VM-Kühlung ist bei Ralisierung der beschriebenen Erfindung überdimensioniert. Aus dieser Erkenntnis resultieren folgende Verbesserungsmöglichkeiten:
I. Reduzierung des Kühlaufwands durch:
1. VM-Kühler, die in Kfe vor VM angeordnet sind ganz einsparen oder so verlegen, dass die durch den Kühler an die Umgebungsluft abgeführte Wärme (Fahrtwind, Lüfter, etc.) den VM und VM-Raum nicht heizen können. Dadurch werden auch der Kfe-Windwiderstand reduziert und die VM- Luftkühlung sowie ggf. Ladeluftkühlung ohne zusätzlichen Energieaufwand optimiert.
2. Regelbare Wasserpumpenleistung (Leistungsabgabe nur bei Bedarf).
3. Stufenlüfter (regelbar) zwecks Kühlung der VM-Oberfläche und Motorraum. 4. Motorölkühlung (Ein- oder Zweikreissystem) u.a. durch Vergrößerung der Ölmenge. Evtl. Rohrleitung (Kühler) unterhalb der Karosserie installieren. Vorteile: Kein Frostschutzmittel
Höhere VM-Temperaturverträglichkeit
Ölwechselintervall verlängerbar
Wärmetauscher-Abgas/Motoröl für Heizzwecke möglich
Rohre führen Wärme besser ab als ölwanne, ebenso Geräusche.
Nutzung der Kühlenergie
Eine hohe VM-Leistung wird durch eine optimale Zylinderfüllung (Sauerstoff + Kraftstoff) erzielt. Evtl. Molekularsieb (N-Reduzierung) verwenden. Die Sauerstoffanreicherung der V-Luft von VM zwecks Schadstoffverminderung und Leistungssteigerung durch die Verwendung von sauerstoffselektiven Membranen (z.B. Polymermembrane, aus Silikon [PDMS]) ermöglicht die v.g. Zielsetzung. Kalte V-Luft ist zwar dichter und sauerstoffhaltiger als warme, erhöht also theoretisch die Energiedichte bzw. VM-Leistung; andererseits sinkt aber der Verbrennungswirkungsgrad bei kalter (insbesondere dünner) Luft, weil dann die Kraftstoffverdampfung bzw. Kraftstoffmischung mit Sauerstoff nicht bestens funktioniert. Deshalb erfolgt eine V-Luftanwärmung. Deren Nachteile sind unerheblich durch folgende Vorteile:
- Kraftstoffnutzung und Wirkungsgrad optimiert
- Schadstoffe und Geräusche minimiert
- V-Luftdurchsatz und Gasdurchsatz der Rohrturbine größer, wodurch die Kühlenergie positiv genutzt und die Energiebilanz deutlich verbessert wird. Ferner ist damit der Zweck einer Abgasrückführung bereits erfüllt.
1. VM-Kurbelgehäuse von innen kühlen, indem die V-Luft dazu benutzt wird (Unterdruckabsaugung mit E-Turbolader) und/oder Flüssigkraftstoff auch als Kühl- und Schmiermittel dient, das im Durchlauf nach Wärmeaufnahme in den Verbrennungsmotor eingedüst wird. 2. Zylinderkopf sowie Ventile kühlen, indem die V-Luft die Wärme aus dem Ventilraum abführt (Unterdruckabsaugung mit E-Turbolader) und/oder wie unter II. 1. beschrieben.
3. Eine Teilmenge Flüssigkraftstoff (auch Emulsionen) oder Brenn-/Erdgas im V- Luft-Kanal vergasen; die andere Teilmenge Flüssigkraftstoff wird direkt in d. Zyl. eingespritzt.
Vorteil: Vermischung von Sauerstoff mit Kraftstoff, Klopffestigkeit, Verbrennung des Gases, Geruchsemissionen, Abgaswerte, Motorgeräusche und VM-Wirkungsgrad schon ab Kaltstart fundamental besser.
III. Wasserkühlkanäle in Luft- oder Luft-/Flüssigkraftstoffkanäle umfunktionieren Nachstehende Formel ist ebenso für die Ausführungen unter II. zutreffend.
Formel: VM-Leistung > = V-Luftmenge > = Abgasvolumen > = RT-Leistung > Fazit: Je größer die V-Luftmenge desto höher ist auch die Wärmeabfuhr durch V- Luft bzw. Flüssigkraftstoff.
1. Luftkühlung
Anstatt Kühlflüssigkeit durchströmt - falls erforderlich -V-Luft mit Überdruck die bisherigen Kühlwasserkanäle - auch im Kreislauf - und wird danach bei Bedarf mit E-Stufenlader in den Verbrennungsraum des VM gepresst. Die V- Luft verlässt als Abgas den VM und treibt die RT an. Überschüssige Kühlluft kann über eine Bypasleitung direkt in der RT verwertet werden. Auch gespeicherte Druckluft lässt sich ebenso verwenden, sogar ohne Betrieb eines VM, zum Beispiel zum Starten eines VM. Vorteile: Kaltstartphase, Gewicht, Verlustenergie, Schadstoffe werden erheblich reduziert.
2. Flüssigkraftstoff- und V-Luft-Kühlung erfolgt wie unter II. 3. und II1 1. beschrieben. 3. Flüssigkraftstoff (auch Emulsionen); nach Durchfluss des Kraftstoffes und Wärmeaufnahme in den Kühlkanälen wird der Kraftstoff wie bisher in den V- Raum eingedüst.
4. Flüssigkeiten verdampfen und im Kreislauf nutzen.
5. Die bisherigen Kühlwasserkanäle können vorteilhaft als separater Kraftstofftank genutzt werden, zum Beispiel für Biodiesel oder Pflanzenöl.
6. Zum Beispiel lassen sich Abgasbestandteile, wie CO2 und NOx in Biodiesel speichern, indem die VM-Abgase aufbereitet durch den Biodiesel geführt und anschließend Biodiesel oder Pflanzenöl, etc. in Verbrennungsmotoren verbrannt werden (Null-Emissionen).
Vorgenannte Verfahren sind kombiniert und multifunktionell möglich, zum Beispiel zwecks Erhöhung des Wirkungsgrads, auch der Rohrturbine und deren Abgasreinigung schon ab Kaltstart. Bei Kfe. wird im Winter Abgaswärme zum Heizen benötigt. Die Förderung des Durchlaufkühlmittels geschieht - auch im Kreislauf - elektrisch/pneumatisch/hydraulisch/mechanisch. Möglich ist auch eine nachgeschaltete Gas-Dampf-VenΛ/ertung durch eine Gas-/Dampf-Kolbenmaschine bzw. zweite Rohrturbine.
Bei weiteren Varianten kann die Rohrturbine zum Beispiel zum
• mechanischen Antrieb von Wasserfahrzeugen
• Betrieb und Steuerung von Heißluftballons
• mechanischen Antrieb von Wellen, etc.
• hydraulischen und/oder pneumatischem Antrieb
• Betrieb von BHKW, Pumpen etc. sowie
• die thermische Restenergie als Heiz-/Dampfenergie wirtschaftlich genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus Wärme-Kraftmaschinen sowie Abgasreinigung, dadurch gekennzeichnet, dass fast die gesamte thermische Energie von Wärme-Kraftmaschinen, insbesondere Kolbenmotoren, nebst deren Schallwellen sowie Kühl- und Bremsenergie in mechanische / elektrische / pneumatische / chemische Energie umgewandelt, zweckentsprechend verwendet und gleichzeitig die Gase gereinigt werden.
2. Verfahren (V) nach (n) Anspruch (A) 1, dadurch gekennzeichnet, dass die heißen, druckvollen Gase nebst Schallwellen von Kolbenmotoren auf kurzem Wege zentral in eine Rohrturbine strömen, dort expandieren und ihre Energie an die Rohrturbine abgeben.
3. V n A 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rußpartikel schon im Abgassammler („Auspuffkrümmer") in Zylinderkopfhähe gezielt verbrannt werden.
4. V n A 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohrturbine die thermische Verlustenergie in Nutzenergie umwandelt und gleichzeitig die Abgase reinigt.
5. V n A 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schall (Druckwellen) innerhalb der Rohrturbine positiv in mechanische Energie umgewandelt und gedämpft wird.
6. V n A 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlenergie in Form von heißen Gasen durch die Rohrturbine in mechanische Energie umgewandelt wird.
7. V n A 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der E-Generator am V-Motor (VM)durch einen E-Motor (EM) oder EM/E- Generator ersetzt wird.
8. Verfahren (V) nach (n) Anspruch (A) 1 , 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die katalytische und/oder thermische Abgasreinigung zusätzlich Hitze erzeugt wird, wodurch der Wirkungsgrad der Rohrturbine sich verbessert.
9. V n A 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine kleine Teilmenge Flüssigkraftstoff / Emulsion im V-Luftkanal vergast bzw. Brenngas verwertet wird, die andere große Teilmenge Flüssigkraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt wird.
10.V n A 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Energie der Rohrturbine in elektrische / chemische / pneumatische Energie umgewandelt wird.
11.V n A 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird.
12. V n A 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrturbine einen Elektrogenerator antreibt.
13.V n A 1, 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Im VM-Raum ein EM mit Freilauf, nicht nur als Starter einen Verbrennungsmotor (VM) antreibt.
14. V n A 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein E-Motor mittels Riemenkraftübertragung einen VM antreibt.
15.V n A 1, 13, 14, dadurch gekennzeichnet, dass der E-Motor den Leerlaufbetrieb des VM regelt.
16.V n A 1, 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufdrehzahl des VM dadurch enorm gesenkt werden kann um Kraftstoff zu sparen und die Umwelt zu schonen. go
17. Verfahren (V) nach (n) Anspruch (A) 1, 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftfahrzeug wahlweise mit VM und/oder EM betrieben werden kann.
18.V n A 1, 13, 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment bei niederen VM-Drehzahlen und geringen Geräuschen stark erhöht wird.
19. V n A 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren eines Kraftfahrzeugs mit VM bei zugeschaltetem Elektromotor erleichtert wird.
20. V n A 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bisherigen Kühlwasserkanäle multifunktionell als Kraftstoff- und/oder V- Luftzuleitungen genutzt werden.
21. V n A 1, 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrturbine sich selbst und die Abgase thermisch und/oder katalytisch sowie durch Fliehkraft reinigt
22. V n A 1, 4, 5, 8, 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußpartikel in innerhalb der Rohrturbine bei Schwachlast des VM gespeichert; bei erhöhter VM-Leistung durch Hitze, Druck, Reibung, Schallwellen, chemische und/oder katalytische Oxidation die Rußpartikel energetisch verbrannt und die Abgase und Rohrturbine gereinigt werden.
23. V n A, 22, dadurch gekennzeichnet, dass
Drahtbürsten auch als Russfilter funktionieren, die bei erhöhter VM-Leistung durch die Abgase sowie Schallwellen automatisch gereinigt werden.
24. V n A 21 , 22, 23,dadurch gekennzeichnet, dass im Innenrohr der Rohrturbine bei schwacher VM-Leistung eine Partikelablagerung durch Fliehkraft erfolgt, wodurch die nachfolgenden Gasentspannungskanäle bis zum Gasaustritt weitgehend von Verschmutzungen freigehalten werden.
25. Verfahren (V) nach (n) Anspruch (A) 1, 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas die hochgiftige Asche aus der Rohrturbine in einen Sammeltopf
' pustet.
26. V n A 1, dadurch gekennzeichnet, dass
Abgasbestandteile in ungesättigten Stoffen, wie Biodiesel, gebunden und in VM verbrannt werden.
27. V n A 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt in der Verbrennungsluft durch Molekularsiebe reduziert wird.
28. V n A 26, 27, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Anteil im Abgas dadurch unbedeutend wird.
29. V n A 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsenergie von Kraftfahrzeugen durch Hubkolbenmotoren in Nutzenergie umgewandelt wird, indem der Gasstrom (Luft) aus d. Zyl. die Rohrturbine antreibt oder Gasspeicher füllt.
30. V n A 29, dadurch gekennzeichnet, dass durch Bremsenergie sauerstoffangereicherte Druckluft gespeichert wird.
31. V n A 1, 29 dadurch gekennzeichnet, dass
Druckluft über Molekularsiebe sauerstoffangereicherte V-Luft erzeugt.
32. V n A 1, 29, dadurch gekennzeichnet, dass Batterie(n) primär durch Bremsenergie geladen werden.
33. V n A 1, 6, 9, 20, 29, dadurch gekennzeichnet, dass Kolbenmotoren von innen mit Luft gekühlt werden.
34. V n A 1, 6, 9, 20, 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und/oder Schmiermittel des VM ein Kraftstoff ist, der in den VM eingedüst und verbrannt wird.
35. Verfahren (V) nach (n) Anspruch (A) 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der VM gleichzeitig mit unterschiedlichen Kraftstoffen (im Kühlkreislauf und/oder Schmierkreislauf und/oder im V-Luftkanal) betrieben werden kann.
36. Vorrichtung (Vor) zur Umwandlung von thermischer Energie aus Wärme- Kraftmaschinen sowie Abgasreinigung zwecks Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass sie besteht aus:
Rohrturbine, Abgasleitung, evtl. E-Generator und E-Motor sowie ggf. E- Turbolader bzw. Stufenlüfter, Gas-Molekularsiebe.
37. Vorrichtung (V) nach (n) Anspruch (A) 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrturbine aus einem gelagerten Drehrohr (Zylinder) besteht.
38. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrturbine aus einem gelagerten Mehrfach-Drehrohr mit gleicher Drehachse besteht.
39. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrturbine aus geeigneten Werkstoffen aller Art besteht.
40. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr rund, oder vieleckig, oder kegelig oder pyramidenförmig sein kann.
41. V n A 38, dadurch gekennzeichnet, dass über ein rundes Rohr ein Vielkantrohr gepresst ist.
42. V n A 38, dadurch gekennzeichnet, dass in ein rundes Rohr ein Vielkantrohr gepresst ist.
43. V n A 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrturbine mehrere koaxiale Gasentspannungskanäle hat.
44. Vorrichtung (V) nach (n)_ Anspruch (A) 38, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Gasentspannungskanäle durch radial angeordnete Gasführungkanäle verbunden sind.
45. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der Rohrturbine auch durch Schub nach dem Rückstossprinzip bestimmt ist.
46. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre und Gasleitelemente vorzugsweise aus Verbundwerkstoffen, wie Keramik, Kohlenstoff, Metall sind.
47. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass auch Faser-Keramik und -Kohlenstoff verwendet werden kann.
48. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Rohrturbine (RT) Gasleitelemente befestigt sind.
49. V n A 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitelemente innerhalb der Vielkantrohre an winkligen Innenflächen sowie in Ecken befestigt sind.
50. V n A 49, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Gasleitelemente vorzugsweise durch Emaille erfolgt.
51. V n A 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitelemente L-, T-, O-, Θ-, U-, C-, V-, D-Profile sowie Drahtbürsten sind.
52. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitelemente in Reihe angeordnet sind.
53. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die RT ein Vorschalldämpfer ist.
54. Vorrichtung (V) nach (n) Anspruch (A) 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrturbine in einem Gehäuse (Nachschalldämpfer) eingekapselt ist.
55. V n A 36, 54, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasaustritt aus dem Gehäuse an beliebiger Stelle zweckentsprechend erfolgen kann.
56. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung vom V-Motor zur Rohrturbine isoliert eventuell emailliert sowie mit / ohne katalytische Wirkung ist.
57. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (Rohrstutzen) in das Innenrohr der Rohrturbine ragt und deren Drehachse bildet.
58. V n A 36, 57, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstutzenende so gestaltet ist, dass die Abgase gezielt - nicht gerade - aus dem Rohr ausströmen.
59. V n A 36, 58, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstutzenende schräg ist bzw. spezielle Rohröffnungen hat.
60. V n A 36, 57, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrturbine auf dem Rohrstutzen (Gaseingangsseite) gelagert ist
61. V n A 36, 60, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Gleitlager aus Kohlenstoff oder Keramik ist, das durch die Abgase geschmiert wird.
62. V n A 36, 61, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager auch als Gasdrucklager ausgeführt sein kann.
63. Vorrichtung (V) nach (N)_Anspruch (A) 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas eine hohle Zapfwelle in Richtung Auspuff mit sehr hoher Gasgeschwindigkeit durchströmt.
64. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung zum Auspuff zweckentsprechend so gestaltet ist, dass strömungstechnische Effekte innerhalb und außerhalb der Rohrturbine positiv genutzt werden können.
65. V n A 36, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskamin von Blockheizkraftwerken eine Turbine arbeitet.
66.V.n.A 36, 58, 59, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (Rohr) in einen Schalldämpfer mündet und an einer Stirnseite geschlossen sein kann (Sackloch).
67.V.n.A. 66, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung vorzugsweise im Schalldämpfer zentral angeordnet ist.
68.V.n.A. 66, 67, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung drallgebende radiale Gasleitöffnungen besitzt.
69. V n A 68, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitöffnungen aus dem Abgasrohr ausgeklinkte Gasleitbleche sind.
70.V.n.A. 68, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitöffnungen schrauben- bzw. strahlförmig sind.
71.V.n.A. 68, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Abgasrohr sich Gasleitscheiben zwischen den Gasleitöffnungen befinden.
72.V.n.A. 71 , dadurch gekennzeichnet, däss die Gasleitscheiben Öffnungen besitzen.
73. Vorrichtung (V) nach (N^Anspruch (A) 71, 72, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben aus Keramik (Schaum) sind.
74.V.n.A. 72, 73, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikschaum ein Katalysator ist.
75.V.n.A. 67, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung ein Drallrohr (Zyklon) ist.
76.V.n.A. 71, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr vorzugsweise vielkantig ist.
77.V.n.A. 66, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung vom Zylinderkopf zum Abgassammler („Auspuffkrümmer") einen größeren Querschnitt als der Abgasauslasskanal (Zylinderkopf) aufweist.
78.V.n.A. 77, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung vielkantig und evtl. isoliert ist.
79.V.n.A. 77, 78, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung vorzugsweise rechteckig ist.
80. V n A 77, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung vom Abgassammler zum Schalldämpfer bzw. Rohrturbine ein Katalysator ist.
81.V.n.A. 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfermantel innen vorzugsweise rauh bzw. vielkantig sowie isoliert ist.
82.V.n.A. 36, 81, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfermantel innen, [durch Keramik (Schaum)] isoliert sowie evtl. katalytisch ist.
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