WO2007042022A2 - Verbrennungsmotor - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine having an arrangement of a cylinder and a piston movable in the cylinder and capable of combustion of an air-fuel mixture, and having a control for the arrangement, wherein combustion occurs within a substantially through the cylinder and the piston formed and having inner walls combustion chamber by means of at least two working cycles having thermodynamic cycle process or work mechanical work is done. Furthermore, the present invention relates to an internal combustion engine with an arrangement suitable for combustion of an air-fuel mixture of a cylinder and a movable piston in the cylinder, wherein combustion within a substantially formed by the cylinder and the piston and having inner walls combustion chamber mechanical work is done to move the piston by means of a thermodynamic cycle or method of operation.
  • the present invention has for its object to provide an internal combustion engine with improved efficiency.
  • the heat generated on the inner walls of the combustion chamber during the combustion of the fuel can be used further and need not be dissipated unused with expensive cooling systems.
  • the heat is used in addition to driving the engine.
  • the engine could be designed as a three-stroke engine, in which a further crankshaft revolution without injection or combustion cycle is pushed as an additional cooling cycle in between.
  • This cooling cycle could be done or assisted by direct gas cooling of the combustion interior surface. Direct gas cooling of the combustion chamber inner surface avoids the heat dissipation via a heat conduction resistance of the cylinder wall and a heat transfer resistance between the cylinder wall and the cooling medium. Direct gas cooling of the combustion chamber internal surfaces or inner walls is much more efficient than cylinder external cooling in terms of efficiency.
  • the cooling medium could be a gas, which is preferably air.
  • the cooling medium could be a liquid.
  • the internal combustion engine could additionally be operated in the sense of a steam engine.
  • a liquid cooling medium are all liquids that pass under the heat absorption from the combustion chamber or cylinder chamber under volume increase in the vapor phase and can do expansion work.
  • the liquid could advantageously be water, alcohol or ether.
  • the liquid could be arranged in a tank or container. If, therefore, a cooling liquid is used instead of a cooling gas, then the liquid cooling medium could be carried in an optionally separate tank or container and filled up regularly depending on consumption.
  • the combustion gas could be washable or partially cleanable with the recovered water.
  • the scrubbed or partially purified combustion gas could then be feasible for at least partial afterburning into the combustion chamber.
  • even the combustion exhaust gas could be washed and partially cleaned with the combustion water in the exhaust gas line and be transported back to a partial afterburning in the combustion chamber via the cooling cycle.
  • the internal combustion engine according to the invention could be operable in the sense of a hybrid engine as a combined combustion and hot air engine.
  • the internal combustion engine in the sense of a hybrid engine could be operated as a combined combustion and steam engine.
  • the internal combustion engine in the sense of a hybrid engine could be operated as a combined combustion, hot air and steam engine.
  • thermodynamic efficiency could be achieved just by reducing the cooling power loss. Therefore, thermal insulation of the cylinder head is desirable as opposed to cylinder head external cooling.
  • external cooling especially as water cooling, the heat dissipated at usable coolant maximum temperature differences of 100 0 C is no longer recoverable.
  • the optionally heated to several 100 0 C cooling gas can continue to provide useful work in downstream turbomachines such as turbochargers.
  • the engine In the working cycle or cooling cycle, in which no fuel injection takes place, the engine is a hot-air engine.
  • the cooling gas then takes much of the desired Hot combustion chamber interior surfaces again amount of heat and can then perform additional expansion work.
  • the heated cooling gas then becomes working gas and the cooling energy lost in conventional engine designs is converted into working energy. Consequently, the cooling method described means an additional increase in the thermodynamic efficiency, but at the expense of maximum power output, because the power output of the hot air hybrid engine will be much lower in the cooling cycles than in the combustion cycles.
  • the combustion cycles represent the heat supply cycles of the hot air engine clocks. Consequently, heat is supplied to the inner walls of the combustion chamber from the inside and not from the outside, as in the case of conventional hot air engines.
  • At least one cooling cycle should follow after one or a predefined number of combustion cycles. If the internal combustion engine is operated at full load, then, for example, each combustion cycle could be followed by at least one cooling cycle. If the engine is operated in the idling range, so a certain number of combustion cycles could follow a cooling cycle.
  • the controller could be designed so that a certain temperature of the inner wall or inner surface of the combustion chamber can be reached or maintained by the combustion cycles. As a result, the heat transfer to the cooling medium can be optimized.
  • the remaining 15% loss of cooling capacity can be converted approximately half into useful working capacity.
  • This increases the overall efficiency of the Hybrid engine by 0.08 to 0.63. It should be noted that the actual efficiency of the hot air cycle is slightly less than 0.53, since there is a more constant pressure expansion due to the continuous heat absorption and the pumping loss for the cooling air charge is counterbalanced.
  • the combustion chamber surface in the compression space is increased.
  • an arrangement of ceramic pins are used, which have the advantage of poor thermal conductivity and prevent heat dissipation from the combustion chamber via the motor housing.
  • ceramics show a suitable tribological behavior, even at high material temperatures.
  • the heat transfer or the dissipatable amount of heat from the hot combustion chamber surfaces or the inner wall of the combustion chamber to the cooling medium is substantially better than when using cooling gas.

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Abstract

Ein Verbrennungsmotor mit einer zur Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Anordnung aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben sowie mit einer Steuerung für die Anordnung, wobei durch die Verbrennung innerhalb eines im Wesentlichen durch den Zylinder und den Kolben gebildeten und Innenwände aufweisenden Brennraums mittels eines mindestens zwei Arbeitstakte aufweisenden thermodynamischen Kreisprozesses oder Arbeitsverfahrens mechanische Arbeit geleistet wird, ist im Hinblick auf einen verbesserten Wirkungsgrad derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Steuerung derart ausgebildet ist, dass nach einem Verbrennungstakt mittels eines in den Brennraum eingebrachten Kühlmediums ein Kühltakt zur inneren Kühlung der Innenwände des Brennraums und zur Ausnutzung der durch das Kühlmedium aufgenommenen Wärmemenge in Form einer den Kolben bewegenden Expansion des bei der Kühlung erwärmten Kühlmediums durchführbar ist.

Description

VERBRENNUNGSMOTOR
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer zur Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Anordnung aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben sowie mit einer Steuerung für die Anordnung, wobei durch die Verbrennung innerhalb eines im Wesentlichen durch den Zylinder und den Kolben gebildeten und Innenwände aufweisenden Brennraums mittels eines mindestens zwei Arbeitstakte aufweisenden thermodynamischen Kreisprozesses oder Arbeitsverfahrens mechanische Arbeit geleistet wird. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer zur Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Anordnung aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben, wobei durch die Verbrennung innerhalb eines im Wesentlichen durch den Zylinder und den Kolben gebildeten und Innenwände aufweisenden Brennraums mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses oder Arbeitsverfahrens mechanische Arbeit zur Bewegung des Kolbens geleistet wird.
Verbrennungsmotoren der eingangs genannten Art sind seit Jahren aus der Praxis bekannt und werden beispielsweise mit Benzin oder Diesel betrieben. Bei allen bekannten Verbrennungsmotoren ist jedoch der Wirkungsgrad begrenzt.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit verbessertem Wirkungsgrad anzugeben.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor löst die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2.
Durch den Einsatz eines weiteren Arbeitstakts in Form eines Kühltakts kann die an den Innenwänden des Brennraums bei der Verbrennung des Kraftstoffs erzeugte Wärme weiter genutzt werden und muss nicht mit aufwendigen Kühlsystemen ungenutzt abgeführt werden. Mit anderen Worten wird die Wärme zusätzlich zum Antrieb des Motors verwendet. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors könnte der Motor als Dreitaktmotor ausgelegt sein, bei dem eine weitere Kurbelwellenumdrehung ohne Einspritz- bzw. Verbrennungstakt als zusätzlicher Kühltakt dazwischen geschoben wird. Dieser Kühltakt könnte durch eine direkte Gaskühlung der Verbrennungsinnenraumoberfläche erfolgen oder unterstützt werden. Eine direkte Gaskühlung der Verbrennungsrauminnenoberfläche vermeidet die Wärmeabfuhr über einen Wärmeleitungswiderstand der Zylinderwand und einen Wärmeübergangswiderstand zwischen Zylinderwand und Kühlmedium. Eine direkte Gaskühlung der Verbrennungs- rauminnenoberflächen oder -innenwände ist wirkungsgradbezogen wesentlich effizienter als eine Zylinderaußenkühlung.
Im Konkreten könnte das Kühlmedium ein Gas sein, das vorzugsweise Luft ist.
Alternativ hierzu könnte das Kühlmedium eine Flüssigkeit sein. Dabei könnte der Verbrennungsmotor zusätzlich im Sinne einer Dampfmaschine betrieben werden. Als flüssiges Kühlmedium eignen sich alle Flüssigkeiten, die unter der Wärmeaufnahme aus dem Brennraum oder Zylinderraum unter Volumenvergrößerung in die Dampfphase übergehen und dadurch Expansionsarbeit leisten können. Die Flüssigkeit könnte in vorteilhafter Weise Wasser, Alkohol oder Ether sein.
In besonders einfacher Weise könnte die Flüssigkeit in einem Tank oder Behälter angeordnet sein. Sollte also an Stelle eines Kühlgases eine Kühlflüssigkeit verwendet werden, so könnte das flüssige Kühlmedium in einem gegebenenfalls separaten Tank oder Behälter mitgeführt werden und je nach Verbrauch regelmäßig aufgefüllt werden.
Einen besonderen Fall stellt jedoch die Verwendung von Wasser als flüssiges Kühlmedium dar. Dieses fällt bereits bei der Treibstoffverbrennung zu einem gewissen Anteil als Verbrennungsprodukt an. Falls die Flüssigkeit somit Wasser ist, könnte sie über mindestens einen dem Verbrennungsmotor zugeordneten Kondensator gewinnbar sein. Dieser mindestens eine Kondensator könnte in besonders wirksamer und einfacher Weise in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet sein. Somit ist eine einfache Abtrennung oder Rückhaltung des Wassers möglich, wobei das Wasser zur Kühlung wieder in den Brennraum zurückgespeist werden könnte. Diese Technik könnte beispielsweise im Falle der Verwendung von Wasserstoff oder Methan als Treibstoff optimal ausgenutzt werden, da mit diesen Treibstoffen eine große Wassermenge als Verbrennungsprodukt anfällt.
In weiter vorteilhafter Weise könnte mit dem gewonnenen Wasser das Verbrennungsgas waschbar oder teilweise reinigbar sein. Das gewaschene oder teilweise gereinigte Verbrennungsgas könnte dann zu einer zumindest teilweisen Nachverbrennung in den Brennraum führbar sein. Mit anderen Worten könnte mit dem Verbrennungswasser im Abgasstrang sogar das Verbrennungsabgas gewaschen und teilgereinigt werden und über den Kühltakt wieder zu einer teilweisen Nachverbrennung in den Brennraum transportiert werden.
Es ist auch die Verwendung von einem gasförmigen und einem flüssigen Kühlmedium denkbar.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor könnte im Sinne eines Hybridmotors als kombinierter Verbrennungs- und Heißluftmotor betreibbar sein. Alternativ hierzu könnte der Verbrennungsmotor im Sinne eines Hybridmotors als kombinierte Verbrennungs- und Dampfmaschine betreibbar sein. Bei einer weiteren Alternative könnte der Verbrennungsmotor im Sinne eines Hybridmotors als kombinierte Verbrennungs-, Heißluft- und Dampfmaschine betreibbar sein.
Die Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads könnte gerade durch die Reduzierung der Kühlverlustleistung erreicht werden. Daher ist eine Wärmeaußenisolierung des Zylinderkopfs wünschenswert im Gegensatz zu einer Zylinderkopfau- ßenkühlung. Bei einer Außenkühlung vor allem als Wasserkühlung ist die abgeführte Wärme bei nutzbaren Kühlmittelmaximaltemperaturdifferenzen von 1000C nicht mehr rückgewinnbar. Bei einer Verbrennungsrauminnengaskühlung kann jedoch das auf gegebenenfalls mehrere 1000C aufgeheizte Kühlgas weiter Nutzarbeit in beispielsweise nachgeschalteten Strömungsmaschinen wie beispielsweise Turboladern leisten.
In dem Arbeitstakt bzw. Kühltakt, in dem keine Kraftstoffeinspritzung erfolgt, stellt der Motor einen Heißluftmotor dar. Das Kühlgas nimmt dann von den gewünschten sehr heißen Verbrennungsrauminnenoberflächen wieder Wärmemenge auf und kann dann zusätzliche Expansionsarbeit leisten.
Das aufgeheizte Kühlgas wird dann zum Arbeitsgas und die bei herkömmlichen Motorenkonstruktionen verlorene Kühlenergie wird hier in Arbeitsenergie umgewandelt. Folglich bedeutet das beschriebene Kühlverfahren eine zusätzliche Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads, allerdings auf Kosten der maximalen Leistungsausbeute, denn die Leistungsausbeute des Heißlufthybridmotors wird in den Kühltakten wesentlich geringer sein als in den Verbrennungstakten. Die Verbrennungstakte stellen die Wärmezufuhrtakte der Heißluftmotorentakte dar. Es erfolgt dabei folglich eine Wärmezufuhr zu den Innenwänden des Brennraums von innen und nicht wie bei herkömmlichen Heißluftmotoren von außen.
Für einen maximalen thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors sollte sich mindestens ein Kühltakt nach einem oder einer vorgebbaren Anzahl von Verbrennungstakten anschließen. Wird der Verbrennungsmotor im Volllastbereich betrieben, so könnte sich beispielsweise jedem Verbrennungstakt mindestens ein Kühltakt anschließen. Sollte der Motor im Leerlaufbereich betrieben werden, so könnte einer bestimmten Anzahl von Verbrennungstakten ein Kühltakt folgen.
Die Steuerung könnte derart ausgelegt sein, dass durch die Verbrennungstakte eine bestimmte Temperatur der Innenwand oder Innenoberfläche des Brennraums erreicht oder gehalten werden kann. Hierdurch kann die Wärmeabgabe an das Kühlmedium optimiert werden.
Unter der Annahme, dass die Verbrennungsraumoberflächen auf 6000C gebracht und gehalten werden können, ergibt die Berechnung des thermodynamischen Wirkungsgrads mit den gleichen Parameterannahmen wie im Verbrennungstakt einen recht hohen Wirkungsgrad von 0,53. Diesem Ergebnis ist eine optimale Wärmeaufnahme vom Kühlgas, eine adiabatische Expansionsendtemperatur von ca. T1 = 1400C und eine Expansionsvolumenänderung von 40:1 zugrunde gelegt.
Damit können im Grenzfall die verbliebenen 15% Kühlleistungsverlust ca. zur Hälfte in Nutzarbeitsleistung umgesetzt werden. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad des Hybridmotors um 0,08 auf 0,63. Zu beachten ist dabei, dass der tatsächliche Wirkungsgrad des Heißlufttaktes etwas geringer ist als 0,53, da wegen der kontinuierlichen Wärmeaufnahme eine eher Gleichdruckexpansion vorliegt und der Pumparbeitsverlust für die Kühlluftbeladung gegenzurechnen ist.
Für eine optimale Wärmeaufnahme vom Kühlgas wird die Verbrennungsraumoberfläche im Kompressionsraum vergrößert. Hierzu kann eine Anordnung von Keramikstiften dienen, die den Vorteil einer schlechten Wärmeleitfähigkeit haben und den Wärmeabfluss aus dem Verbrennungsraum über das Motorengehäuse verhindern.
Daneben zeigt Keramik ein geeignetes tribologisches Verhalten, selbst bei hohen Materialtemperaturen.
Bei der Verwendung eines flüssigen Kühlmediums ist der Wärmeübergang oder die abführbare Wärmemenge von den heißen Verbrennungsraumoberflächen oder der Innenwand des Brennraums auf das Kühlmedium wesentlich besser als bei der Verwendung von Kühlgas.

Claims

Patentansprüche
1. Verbrennungsmotor mit einer zur Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Anordnung aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben sowie mit einer Steuerung für die Anordnung, wobei durch die Verbrennung innerhalb eines im Wesentlichen durch den Zylinder und den Kolben gebildeten und Innenwände aufweisenden Brennraums mittels eines mindestens zwei Arbeitstakte aufweisenden thermodynamischen Kreisprozesses oder Arbeitsverfahrens mechanische Arbeit geleistet wird, dadurch geken nzeichnet, dass die Steuerung derart ausgebildet ist, dass nach einem Verbrennungstakt mittels eines in den Brennraum eingebrachten Kühlmediums ein Kühltakt zur inneren Kühlung der Innenwände des Brennraums und zur Ausnutzung der durch das Kühlmedium aufgenommenen Wärmemenge in Form einer den Kolben bewegenden Expansion des bei der Kühlung erwärmten Kühlmediums durchführbar ist.
2. Verbrennungsmotor mit einer zur Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Anordnung aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben, wobei durch die Verbrennung innerhalb eines im Wesentlichen durch den Zylinder und den Kolben gebildeten und Innenwände aufweisenden Brennraums mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses oder Arbeitsverfahrens mechanische Arbeit zur Bewegung des Kolbens geleistet wird, dad u rch g eken nzeichnet, dass nach einem Verbrennungstakt mittels eines in den Brennraum eingebrachten Kühlmediums ein Kühltakt zur inneren Kühlung der Innenwände des Brennraums und zur Ausnutzung der hierdurch durch das Kühlmedium aufgenommenen Wärmemenge in Form einer den Kolben bewegenden Expansion des bei der Kühlung erwärmten Kühlmediums durchführbar ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium ein Gas ist.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Luft ist.
5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium eine Flüssigkeit ist.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser, Alkohol oder Ether ist.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in einem Tank oder Behälter angeordnet ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser ist und über mindestens einen dem Verbrennungsmotor zugeordneten Kondensator gewinnbar ist.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kondensator in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem gewonnenen Wasser das Verbrennungsgas waschbar oder teilweise reinigbar ist.
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das gewaschene oder teilweise gereinigte Verbrennungsgas zu einer zumindest teilweisen Nachverbrennung in den Brennraum führbar ist.
12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Kühltakt nach einem oder einer vorgebbaren Anzahl von Verbrennungstakten anschließt.
13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung derart ausgelegt ist, dass durch die Verbrennungstakte eine bestimmte Temperatur der Innenwand oder Innenoberfläche des Brennraums erreicht oder gehalten werden kann.
14. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor im Sinne eines Hybridmotors als kombinierter Verbrennungs- und Heißluftmotor betreibbar ist.
15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor im Sinne eines Hybridmotors als kombinierte Verbrennungs- und Dampfmaschine betreibbar ist.
16. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor im Sinne eines Hybridmotors als kombinierte Verbrennungs-, Heißluft- und Dampfmaschine betreibbar ist.
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