WO2012113379A2 - Hybridisierung der brennkraftmotorsysteme nach dem additionsprinzip - Google Patents

Hybridisierung der brennkraftmotorsysteme nach dem additionsprinzip Download PDF

Info

Publication number
WO2012113379A2
WO2012113379A2 PCT/DE2012/000165 DE2012000165W WO2012113379A2 WO 2012113379 A2 WO2012113379 A2 WO 2012113379A2 DE 2012000165 W DE2012000165 W DE 2012000165W WO 2012113379 A2 WO2012113379 A2 WO 2012113379A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
injection
addition
work
combustion
pressure
Prior art date
Application number
PCT/DE2012/000165
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2012113379A9 (de
Inventor
Hrvoje Salinovic
Original Assignee
Hrvoje Salinovic
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hrvoje Salinovic filed Critical Hrvoje Salinovic
Publication of WO2012113379A2 publication Critical patent/WO2012113379A2/de
Publication of WO2012113379A9 publication Critical patent/WO2012113379A9/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B21/00—Engines characterised by air-storage chambers

Definitions

  • the invention relates to an expanded definition of the 'open active thermodynamic working process AMICES' and the further development of the derived, active Brennkraßmaschinensystems AMICES 'from the publication DE I02008008859A 1 (prior art).
  • the original active internal combustion engine system is based on the well-known accumulator technology of a corresponding proprietary Pro2ess Adjust and the derived from this 2 ⁇ AA compressionless active two-stroke piston engine.
  • the term active expresses that there is a positive work production in each cycle of the process cycle.
  • the continuously required quantity while driving precludes from the outset that a Nachftillung takes place only in the phases of vehicle standstill. In order to have the necessary stock of system air available at all times, therefore, an additional resource process is required. This is ensured by the original AMICES modular hybrid machine system with the aid of pole-specific recuperation and plug-in drive technology.
  • AMICES II Additional Modular Internal Combustion Engine System II.
  • AMICES II Additional Modular Internal Combustion Engine System II.
  • the term is actively replaced from the original publication by the more appropriate description, which becomes fairer to the essential facts.
  • AMICES II represents the paradigmatic addition process
  • AMICES II represents a radical change principles.
  • the innovative addition process is characterized by the addition of the pneumatic work of the highly compressed combustion components (oxidants and fuel) injected from the respective pressure accumulators and the combustion expansion work.
  • the practical implementation of the addition process is realized by the innovative primary and secondary injection technology of the 2-stroke and 2XA compression-free addition motor.
  • the advanced recuperative addition process characterized by the heat exchange system, the internal recuperative cooling through the secondary injection of the system (water), the backpressure system and the co-pound exhaust gas turbine, is the elemental core of the innovative AMICES Ii AHA hybrid unit. State of the art
  • the open active thermodynamic working process represents a non-compressive working principle, which includes only active stages of operation.
  • the working cycle of the open working process corresponds to the state changes of the working medium, starting with the high-pressure isobaric injection of the combustion components from the respective pressure accumulator, via the isochoric combustion and the adiabatic expansion of the combustion gases, up to the environmental compensation.
  • the accumulator is an indispensable prerequisite for such a work process.
  • the system ensures the necessary supply of system air in a secondary process. From this process process of the working medium, the simplified concept of the active internal combustion engine system is derived.
  • the active internal combustion engine system consists of the active two-stroke piston engine 2XA in parallel combination with the compound exhaust turbine AT, which are coupled together via a power distributor KV.
  • the active two-stroke engine 2XA provides for the production of primary work, while the compound exhaust gas turbine A T is intended for the production of secondary work by recuperation of the exhaust gases.
  • the secondary work produced can be used via KV either directly (in stationary operation) or via an electric transmission EM / G (in mobile operation) for the vehicle drive and the production of electric current.
  • the original active 2-stroke 2XA piston engine looks like a classic four-stroke engine, except that it has no compression chamber and no air intake valve. Instead of a classic intake valve, there is an injector LI as part of the multifunctional injection system ⁇ , MCCRS Multi -Component Common Rail System '); it ensures the simultaneous injection of system air and fuel at a constant pressure p ct .
  • the MCCRS is supplied with fuel and system air from the fuel tank KT and the system air structure tank SL-T via appropriate pressure regulators.
  • the duty cycle begins in the upper position of the piston (at top dead center TDC), with a simultaneous injection of air and fuel. Under a constant injection pressure p cr , the piston is pushed downwards (isobaric expansion). The injected amount of fresh charge is dependent on the part load (quantity regulation). Thanks to the injection of air and fuel under a high pressure and due to the convection of the heat from the cylinder walls, work is already being actively produced in this first injection phase (pneumatic injection work). In addition, the heat convection causes a homogenization of the injected air / fuel mixture, which is ignited by the spark plug 1.2 immediately after the injection phase. As usual, the hot combustion gas then completes the first stroke with adiabatic expansion work.
  • the primary work of the active piston machine 2XA is thus in the first cycle as the sum of pneumatic injection work (isobaric expansion) and combustion expansion work (adiabatic expansion).
  • This addition embodies the decisive advantage of the AMICES concept over the conventional motor technology characterizing subtraction.
  • the movement of the piston in the second cycle supports the outflow of the exhaust gases via the open exhaust valve 1.3.
  • these exhaust gases are recuperated via the compound exhaust gas turbine AT.
  • the AMICES active machine system completes a completely positive process cycle. Because the exhaust gas turbine has a high Efficiency, however, can only achieve a constant high number of revolutions, the concept of the parallel combination of active two-stroke piston engine 2XA and compound exhaust gas turbine AT should be considered according to the type of application (see original modular technology).
  • the produced secondary work is used for the drive and the active production of the electric current; This production takes place in a resource process.
  • the secondary work can take place via a power distributor KV either directly (stationary drive mode) or by means of an electrical transmission (mobile drive mode), the latter variant, in its various modular designs, better adapting to the changing driving conditions associated with road traffic.
  • the original AMJCES active engine system achieves high power density and consistently high efficiency both at partial and at full load. Compared to the conventional engine, more than five times more specific power and an efficiency of approximately 60 percent can be assumed. Because the original 2-stroke 2-stroke active piston machine does not have a compression chamber, the AM1CES concept also represents a turnaround in the principle of - the return to the originally compression-free combustion system.
  • thermodynamic comparison cycle The process of heat absorption, expansion (working) and return of the working medium to its initial state, either cyclically (piston engine) or continuously (turbomachine) for continuous delivery of mechanical work, which can be defined by a thermodynamic comparison cycle.
  • Comparison processes are thermodynamic cycles that indicate the optimum which, ideally, with these machines, i. H. with smooth state changes, is achievable.
  • grade The quality of the real achievable processes is referred to as grade. This results as a quotient of the thermal efficiency of the real machine and that of the ideal machine.
  • a comparative mennodynamic cycle is used for conventional Otto reciprocating engines with internal combustion, the 'gap process'.
  • thermodynamic cycle is a 'constant pressure' process, with modern diesel engines being defined by a combined Setzer process.
  • the French physicist Sadie Carnot establishes the thermodynamic theory of the idealized heat engine and thus provides the scientific explanation for why compression is essential to increase the difference between the combustion pressure and the ambient pressure in internal combustion processes. Since then, the said theory applies to thermodynamic equidistant processes based on ideal gases.
  • the combustion process is to be understood as a multiplication factor of the compression pressure used (factor 3 to 4, depending on the combustion temperature).
  • a high compression pressure is therefore the primary requirement for effective performance and high efficiency: only the pressure, as expressed by the design elements of an engine, e.g. acting on pistons, rotor blades, fins, shafts, etc., can be converted into power, resulting in work and performance.
  • the pressure increase is an indispensable prerequisite for optimizing the output of each work process.
  • Compaction Scenario I The adiabatic air compression
  • the adiabatic compression s-state change is integrated into the duty cycle of the internal combustion engine.
  • the four-stroke (petrol) engine with synchronized internal compression developed by Nikolaus Otto air or an air / fuel mixture is periodically compressed in the working space or fuel is injected into the hot compressed air, the mixture ignited and so the combustion of the fuel started.
  • An adiabatic state change is defined as a thermodynamic process in which a system is transitioned from one state to another without interchanging thermal energy with its environment. In this way, all the work done on the system goes completely into internal energy, which leads to an increase in temperature and pressure. The adiabatic compression of a gas is inevitably accompanied by an increase in its temperature.
  • Compaction scenario 2 The isothermal air compression
  • the isothermal state change is defined as a thermodynamic change of state in which the temperature remains unchanged.
  • the resulting compression heat must therefore be dissipated or, in the event of expansion, heat must be supplied with the attendant temperature drop. This can be achieved approximately by a heat bath.
  • the product of the pressure p and the volume V at constant temperature T also remains constant:
  • thermodynamic process of the traditional gasoline or diesel combustion engine is essentially based on two work-inductive processes, which are subtractive interlinked in the combustion cycle (drawing page 2, Fig.2 ..?). With each cycle (synchronously), the negative work of internal compression (1) subtracts from the positive work of combustion expansion (2), so the positive work of expansion expansion decreases by the negative work of internal compression.
  • the workflow turns out to be work-positive in only about a quarter of the process cycle. Which The resulting difference is available for practical external use and is referred to as effective work of the Brenr engine.
  • synchronized compression describes the timing relationship between compression and combustion expansion in a work cycle that is either serial (in the four-stroke engine) or parallel (in the two-stroke engine).
  • serial in the four-stroke engine
  • parallel in the two-stroke engine.
  • the negative role of synchronized air compression in a subtractive process and the potentially high air temperature associated therewith can not be overemphasized: although high temperature is ultimately indispensable, a certain limit must not be exceeded (knocking combustion, NOx emission, etc.).
  • internal (or internal) compression describes the local relationship between compression and combustion expansion in a work cycle and states that the two processes take place in a common combustion chamber. It is extremely important that a common local relationship of the two processes in this case can not proceed simultaneously or with a time lag. Thus, it would be outlandish to speak of an unsynchronized internal compression.
  • Two-stroke engines have disadvantages in terms of specific fuel consumption, exhaust emissions and low-noise and no-load running smoothness in addition to the advantages of low power weight and comparatively low construction costs. This is due to the so-called flushing losses and the insufficient flushing of the combustion gases in part-load and idle operation.
  • the simultaneous outflow of the exhaust gas and inflow of the fresh gas has a loss of fresh gas result, because inevitably parts of it are flushed directly into the exhaust. This emission of unburned hydrocarbons represents a not insignificant environmental impact.
  • one had expected the two-stroke principle in particular a better utilization of the working volume the real efficiency and the harmful exhaust emissions turned out to be primarily in the passenger car area.as a major handicap for the further development of two-stroke engines
  • the supercharged traditional gasoline and diesel engine is characterized by a double air processing - in the first phase by an external compression, in the second phase by a synchronized internal compression.
  • the external compression phase also runs in a reasonably synchronized manner. Similar to synchronized internal compression, synchronized external compression (with intercooling) also causes an inevitable reduction in the degree of compaction and a load inertia inertia.
  • turbomachinery provided that it is a four-stroke engine, also thanks to the increased boost pressure of the intake stroke as apply mutually positive.
  • the increase in power density and the increase in the efficiency of modern diesel turbo is therefore essentially due to the external compression.
  • the internal compression is referred to in the technical literature by the compression ratio ⁇ as a process volumetric determination:
  • V h denotes the stroke volume and V c the compression volume.
  • the compression ratio ⁇ is crucial for the effective efficiency of each conventional internal combustion engine.
  • the thermal efficiency ⁇ ⁇ directly depends on ⁇ : the higher the compression ratio, the higher the efficiency.
  • the nitrogen oxides increase due to the increased combustion temperatures in the combustion chamber, the HC emissions due to the greater fracture of the combustion chamber (ie because of the relatively larger proportion of gaps) and because of the increase in the ratio of combustion chamber surface to combustion chamber volume (surface volume). Relationship).
  • the compression temperature is of decisive importance, namely as a thermal barrier, which stands between the compression ratio which can be realized in practice and a significantly increased effective efficiency.
  • the Scattering Engine (Split Cycle ICE) (several references - prior art, literature) realizes separation of the air process from the combustion process by separate cylinders.
  • the synchronized sequence of the two processes takes place mechanically via a common crankshaft. This is due to the synchronized external air compression, a higher power density can be achieved than the traditional four-stroke engine.
  • External air processing is based on the adiabatic compression of the compression scenario 1, as is common in conventional brake motors. Due to the falling pressure gradient in the ignition after top dead center, one hopes for a higher compression ratio and thus an improved efficiency and a reduction of the NOx emission ( announced are up to 45 percent).
  • the Scwdm Breimkrafimotor still relies on a subtractive process, despite its external air compression due to the four-stroke Otto cycle process.
  • the characteristic of conventional engine technology thermal and temporal relationship between air and combustion process continues unchanged. Due to the repetitive implementation of the subtraction principle as well as the thermal barrier due to the adiabatic compression, the Scuderi-Brennkraflmoior shows all physical imperfections of traditional engine technology.
  • the engine design is characterized by an extremely difficult to control internal heterogeneous mixture formation after top dead center (part load control).
  • thermodynamic AMICES process (DE102008008859A1 - Drawings page Fig.1.1 prior art) proves to be a realistic possibility to solve the fundamental problems of traditional combustion engines - namely via an active one Compression-free work process, in which the synchronized internal compression of the fresh gas is completely dispensed with.
  • a pressure accumulator for the system air is required.
  • the accumulator allows the original AMICES machine system to separate the detrimental relationship between compression and compression temperatures.
  • the original parameters of the bivalent injection of the combustion components are always constant in the original active two-stroke piston engine 2XA, even in changeable operating situations and at partial load:
  • the original innovation AMICES (DE102008008859A1, prior art) represents a simplified illustration of the open working process and the machine system.
  • the problem areas such as injection structure, mixture formation, ignition and active internal cooling, which are crucial for the correct operation of the machine system, were only marginally addressed or were still unclear in this first concept. Therefore, it is necessary to further define and further develop the thermodynamic work process and the original AMICES engine system derived therefrom.
  • the mixture formation can be divided into two separate, but mostly intermeshing or parallel running processes are divided, the evaporation of the fuel and the subsequent mixture with the combustion air.
  • the mixtures which are present homogeneously at the time of ignition initiate complete vaporization of the fuel since only gas (or gas / vapor mixtures) can (or can) assume a homogeneous state.
  • the internal or heterogeneous mixture formation was developed, as is typical for diesel, but also modern gasoline engines.
  • This is the direct injection of the fuel into the combustion chamber.
  • the origin of the direct injection method goes back to Rudolf Diesel, who used for this purpose a fuel blasting by means of compressed air.
  • the fuel is injected directly into the cylinder.
  • Such engines develop a high torque even at low speeds and thus ensure both good performance and a relatively low fuel consumption.
  • the direct injection methods are similar in terms of their principle, however, differ the individual mixture formation variants.
  • the diesel engines are distinguished according to wall-distributing and air-distributing methods.
  • BDE gasoline direct injection
  • GDI Gasoline Direct Injection
  • BDE gasoline direct injection
  • GDI Gasoline Direct Injection
  • the direct injection gasoline engine In contrast to the diesel engine, in which the injection process takes place towards the end of the second power stroke, the direct injection gasoline engine, the main injection quantity is supplied during the second cycle.
  • the mixture formation of the direct injection technique is based on the hybrid or stratified charge process.
  • fast-switching electromagnetic injectors have been developed, which allow a flexible injection timing and the necessary high injection pressure.
  • the later the internal mixture formation takes place the more heterogeneous is the air / fuel mixture at the time of combustion initiation. While in the outer mixture formation therefore predominantly homogeneous mixtures are produced, there are increasingly heterogeneous mixtures in the internal mixture formation at the time of ignition initiation.
  • the degree of homogenization in the internal mixture formation depends strongly on the time of mixture formation.
  • the internal mixture formation is therefore also referred to as heterogeneous mixture formation.
  • the composition and extent of the raw emissions depend on the combustion proceeding after the ignition initiation.
  • the strategy of heterogeneous mixture formation in BDE gasoline engines is based on a different composition of the air / fuel mixture in the combustion chamber.
  • This charge layer and the ultra-lean combustion management aim to produce a flammable rich mixture with a controlled mixture guide on the spark plug while the remaining combustion takes place in the lean to ultra-lean region.
  • the traditional gasoline engine In order to be able to realize the low-consumption high air surplus at partial load, the traditional gasoline engine must be operated in the so-called stratified charge mode. In this mode, the mixture is concentrated around the spark plug centrally located in the combustion chamber, with clean air in the peripheral areas of the combustion chamber.
  • the gas / air mixture is in lean operation 1 .30 and in idle only 1:50. Ignitable is the mixture only in the area of the spark plug itself.
  • the associated consumption savings result on the one hand from the Entdrosselung of the engine, on the other hand to a considerable extent from the minimized heat losses, which are made possible by the running in the combustion chamber combustion with surrounding insulating air.
  • the goal is to be able to operate the engine unthrottled in the entire map (unthrottled operation).
  • the load control is quantitative as well as qualitative on the mixing ratio.
  • the total air ratio can be 2-3, without causing misfires.
  • the charge stratification has a "layer of air" (extremely lean mixture, A 30) as a thermal insulation against the Zyiinderschreibn.
  • a 30 extreme lean mixture
  • the increase in pressure due to the local flame propagation leads to a temperature increase in the entire mixture, even in the not yet reached by the flame outer lean mixture
  • the local heat radiation and heat conduction cause the temperature in the flame front to be higher than in the remainder of the mixture.
  • the BDE petrol and CR diesel engines are due to the rising temperature in the Lighter tail gas is particularly affected by a significantly increased formation of nitrogen oxides, not least because of the excess air, injection stratified charge engines produce more nitrogen oxides in the exhaust gas.
  • the bivalent injection ensures a much more dynamic internal mixing of the combustion components in the combustion chamber which adds up with the subsequent combustion expansion work, thus bivalent injection technology is fully at the service of labor production.
  • the AMICES II innovation introduces several different concepts of mixture formation, such as targeted primary injection of the combustion components. Due to the combined position and the number and arrangement of the injection valves on the one hand and the recuperative heat exchange system in the combustion chamber on the other hand, these concepts ensure optimum thermokinetic homogenization of the fresh gas.
  • a short burning time in other words a high burning speed, is crucial for high efficiency , "... the traditional internal combustion engines can be roughly divided into four groups, which differ in the degree of mixing of the fuel with the air in the cylinder and the way this mixture is ignited.”
  • the first group includes spark - ignited engines, where a premixed, homogeneous fuel-air mixture is ignited by a spark, including the "normal" gasoline engine.
  • the second group are engines in which a heterogeneous mixture is ignited by compression.
  • the diesel engine since the fuel is injected into the cylinder during the compression stroke, partially mixed with the air and then ignited at sufficiently high temperature.
  • the gasoline engine with direct injection is an example of the third group, engines in which an inhomogeneous mixture is spark-ignited.
  • the HCCI engine represents the fourth class. Here, a homogeneous, premixed fuel-air mixture is ignited by compression. "
  • the spark ignition takes place in two phases:
  • the first, the so-called ignition phase, runs between the ignition energy supply of the spark and the thermal reaction of the fuel-air mixture.
  • the flaming phase is approximately constant in time and only dependent on the mixture composition (air ratio ⁇ ). This entails an ignition delay, which increases with respect to the piston (° CA) with increasing engine speed and changes with the air ratio ⁇ With increasing speed and increasing air ratio ⁇ , therefore, the ignition timing must be advanced. These temporal advances are limited by the decreasing energy density of the mixture in the region of the electrodes. For this reason, combustion chambers must be made as compact as possible.
  • the second phase denotes the thermal process of the exothermic reaction of the fuel-air mixture.
  • the heat release must be ensured by the correct position and appropriate choice of the ignition timing.
  • the rate of heat release is determined by the flame speed and the surface covered by the flame (firing volume). Due to the diffusion processes in the Ftammfront, the flame speed depends on the mixture state (air ratio ⁇ and mixture temperature 7 ⁇ ) and the folding of the flame surface by turbulence and specifically generated flows such as spin, tumble or squish. The latter lead to an acceleration of the energy conversion. As they increase with speed, the folding of the flame surface also increases. This also makes it understandable why the heat release is accelerated with the speed, although the flame speed per defmitionem can not increase.
  • the ignition system must be capable of compressing the compressed mixture even during transient operating conditions, i. at conditions strongly changing with regard to mixture movement and air-fuel ratio, to reliably ignite at a given time.
  • the HCCI Homogeneous Charge Compression / Gnition
  • the HCCI engine characterized by its self-igniting controlled combustion - a bridge technology between today's diesel and gasoline internal combustion engines - can only be operated under optimal conditions.
  • the conventional spark ignition of internal combustion engines is characterized in that in the initial phase (laminar combustion phase,) only the fuel mixture located in the immediate vicinity of the spark plug is ignited. Subsequently, the flame spreads gradually laminar in the entire combustion chamber.
  • alternative methods to conventional ignition methods such as microwave and laser ignition, are still in the development phase, they promise a significant improvement and, above all, a shortening of the ignition process in the future.
  • the microwave which moves at the speed of light, covers the entire volume of a cylinder in an instant. This has the consequence that all particles (clusters) of the fuel mixture are ignited almost simultaneously.
  • MWl reduces the unproductive laminar phase of combustion to a minimum and almost immediately enters the efficient phase.
  • the graph clearly shows how the laminar phase is extremely shortened as a result of the nearly simultaneous ignition of all the fuel mixture particles in the combustion chamber. This shortening of the inefficient heating of the fuel mixture has immediate effects on consumption and Pollutant emission. Both are significantly reduced and yet the engine power remains the same. This opens up unforeseen perspectives for manufacturers and consumers, both economically and ecologically.
  • the laser ignition embodies a novel Zündsystera:
  • the principle is to focus the beam of a pulsed laser by means of suitable lens optics within a combustible mixture in the combustion chamber such that the resulting plasma ignites the fuel-air mixture, thus replacing a conventional spark plug. From an engine technology point of view, this means an increase in the thermodynamic efficiency with the lowest possible nitrogen oxide combustion of the fuel.
  • the efficiency of an internal combustion engine increases with the compression ratio ⁇ and the air ratio ⁇ .
  • the modern BDE lean-burn engines allow combustion with a higher air surplus (A), whereas this is limited by traditional spark-ignition ( ⁇ ⁇ 1.3).
  • An increase in the compression ratio implies an increase in the ignition pressure, which in turn results in increased thermal stress in conventional electrical ignition systems.
  • the laser ignition is based on a plasma formation, which favors the intermediate impact processes.
  • the minimum plasma energy, - the analog of the breakdown voltage in the electric spark ignition - decreases with increasing pressure.
  • the plasma wave sinks as a prerequisite for the optical breakthrough with longer wavelength and increasing pressure, which is particularly important in connection with the AM1CES engine system because of its high injection pressure.
  • the application of the classic spark ignition in the original active two-stroke piston engine 2 ⁇ is affected by the fact that the necessary ignition voltage increases with the prevailing at the time of ignition ignition gas pressure.
  • the expected pressure of the mixture before ignition initiation is at least twice that of the traditional gasoline engine (> 50 10 5 Pa).
  • laser ignition has a number of significant advantages that make its use in the active two-stroke piston engine 2XA particularly interesting. These are above all
  • the innovation uses the recuperative internal cooling by means of secondary injection. Since the exhaust gases still have a very high temperature when leaving the combustion chamber (gasoline> 1000 ° C, Dies1> 700 ° C), however, the extended thermal recuperation of the remaining exhaust heat remains the primary objective of the secondary injection.
  • the exhaust gases are expelled from the combustion chamber (exhaust stroke).
  • the exhaust valve is opened in bottom dead center (UT) and thus at the same moment the inner end of the combustion chamber is isochorically balanced with the ambient pressure.
  • the real two-stroke active piston engine 2XA just like its traditional counterparts just before bottom dead center (UT), opens the exhaust valve and, at supercritical pressure ratio during this pre-inflation, leaves around 50 percent of the combustion gases during the first stroke.
  • the camshaft begins between 45 ° and 60 ° CA before bottom dead center (UT) to open the exhaust valve.
  • the piston moving upwards ensures removal of the combustion gases from the combustion chamber during the ejection stroke. Because of the early opening of the exhaust valve part of the expansion work of the reciprocating engine is lost in the first cycle again.
  • the exhaust gases are not released directly into the atmosphere in the active two-stroke piston engine 2XA, but instead fed to the compound exhaust turbine AT. Therefore, the AM1CES active engine system during continued expansion is characterized by a tandem production of work, ie, a short-term simultaneous production of primary work by the active two-stroke piston engine 2XA and recuperative secondary work by the compound exhaust turbine AT. After bottom dead center is too low an amount of exhaust gases in Combustion chamber of the reciprocating engine available to support a significant production of secondary work by the piston movement.
  • the active two-stroke piston engine 2XA has a slight subtraction characteristic during the exhaust stroke.
  • the innovative AMS AMICES II engine system presents an improved ejection method based on the combination of secondary system air injection and backpressure system (BPS).
  • BPS backpressure system
  • AMICES II Additional Modulation Internal Combustion Engine System Ii.
  • FIG. 2.1 Conventional Lenoir Process (Prior Art)
  • AMICES II Concept of the engine system AMS (detail cylinder head)
  • Fig. 1 1 A MICES II: Primary injection, concept 1
  • Fig. 16.1 AMICES II Back pressure system BPS (Back Pressure System)
  • Fig. 16.2 AMICES II Back pressure system BPS (Back Pressure System)
  • Fig. 17 AMICES II Back pressure system BPS (Back Pressure System)
  • AMICES II AMS motor system effect of the partial load (load regulation principle) 3.0 AMICES II hybrid unit AHA
  • the working cycle of the original Lenoir reciprocating engine is in an open process (drawings of pages 2 and 3, Figs. 2.1 and 3.1) "double-sided" (to both sides) in two cycles, of which only a portion of the first cycle is work-productive.
  • the process begins in section 1 (VQ) at atmospheric vacuum with the long intake of an air / fuel mixture until the point in time Pkt. 2 (v,).
  • the open process management of the AMICES II addition process takes place in a hybrid environment characterized by a bivalent pressure state.
  • First pressure state pre-compression state of the combustion components according to compression scenario-2, characterized by the injection pressure p t (referred to as p a in DE102008008859A1 - prior art, hereinafter consistently referred to as>).
  • the precompressed combustion components are compressed in a secondary process, independently of the process sequence of the internal combustion engine system, and stored in containers at a balanced outside temperature (accumulator for system air / commercial fuel or oxygen / hydrogen) *.
  • the transformed process control of the reciprocating engine begins in point 1 (v 0 ) with the working-productive isobaric injection of the fresh charge at a pressure p t up to the ignition point point 2 (v.
  • PkL 2 v /
  • the piston returns with simultaneous ejection of the exhaust gases back into the starting position (PKL 6, v 0).
  • PDL 6, v 0 the passive return of the piston at top dead center as the only remaining negative working event.
  • the top dead center of the piston engine turns has in the PV diagram at the same time, a bivalent state, characterized by:
  • the permanent pressure difference of the hybrid environment closes the bivalent state through a virtual zero isochore between Pkt 6 and PkLl, thus defining the addition process as a comparison cycle for the advancement of the original active two-stroke piston engine 2XA. Therefore, in the text below, the innovative comparative cycle process will be referred to as the addition process and the original two-stroke active piston machine 2XA will be referred to as the addition motor 2XA.
  • the open process management of the working medium in drawing page 2, Fig.2.2 consisting of an isobaric (pts 1-2), an isochore (pts 2-3) and an adiabatic (pts 3-4-5 *), is true coincide with the original open active thermodynamic working process.
  • the open process management (Pkt.1-2-3-4-5 *) encloses the innovative recuperative addition process with the isobaric p t (Pts.5 * -6) and the virtual zero isochore (PkL6-PkLl) derived engine system AMS (originally the active engine system AM1CES).
  • FIG. 4.1 schematically illustrates the structure of the indicated addition work of the addition motor 2XA.
  • the working cycle Pkte.1-2-3-4-5-6-1 characterizes the innovative addition process.
  • the significant size of the indexed addition work of the addition motor 2XA results from the summation ('Additiori') of the positive working effects of the essential state changes.
  • the indicated addition work W 2 XA of the innovative addition process is equal to the sum of the pneumatic injection work W f and the combustion expansion work
  • W m W, + W ⁇ , (1.2-01) indicated addition level W 2 X A ⁇ Pneumatic exposure + combustion expansion work
  • the innovative addition principle is characterized by the fact that the total indexed addition work derived from this results from the cumulation of all state changes involved.
  • the subtraction principle underlying all traditional internal combustion engines has already been described in detail on page 6 (prior art).
  • the innovation is based on the paradigmatic addition principle.
  • the addition principle is the starting point and basis of the further development of the internal combustion process and the AMS engine system.
  • the area resulting from changes in state, surrounded by the points 4 - 5 * - 5 corresponds to the recuperative labor yield of the process control of the exhaust turbine A T. Due to the isobaric change in state between Pkt.4 and PkLS exchanges the heat energy of the exhaust gases between the addition engine 2XA and the compound turbine AT. After the labor-productive expansion of the exhaust gases through the exhaust gas turbine AT between Pkt. 4 and PkL 5 * takes place the dissipation of heat energy by an isobaric change in state between Pkt.5 * and PkL 5 according to the Second Law of Thermodynamics in the environment (temperature compensation). The area enclosed by state changes from points 4-5 * -5-4 corresponds to the derived indexed work of compound turbine A T.
  • FIG. 5 schematically illustrates the structure of the additive indexed work of the bivalent injection method.
  • the addition motor 2XA relies primarily on the bivalent injection of the combustion components (oxidant and fuel) into the combustion chamber. This is referred to below as the primary injection.
  • the injection process is described unstructured as a simultaneous injection of precompressed air and fuel.
  • the combustion components have a constant pressure p t and the ambient temperature. Mixture formation is assisted by the fast flows of the simultaneous dynamic injection of the fresh charge and by the thennical effect of the hot combustion chamber walls.
  • the primary injection independently produces the useful work W, also the phase of injection and mixture formation of the addition motor 2XA is fully in the service of additive labor production.
  • This primary injection work W s is composed of the pneumatic Einspritzabbeü W IP as a result of the injection pressure p, - and the thermal injection work W IH as a result of the expansion of the fresh gas due to the wall heat.
  • the pv diagram of the drawing on page 5 represents the indicated addition work of the recuperative addition process with the additional further structuring of the primary injection work.
  • the structured primary injection work fV t results from the addition of the purely pneumatic injection work W IP (FIG. Isobaric expansion between Pktl PkL2) and the thermal injection work W IH (isobaric expansion between Pkt.2 ⁇ md PkL2 *).
  • the power of an engine results as a product of the average working pressure in the cylinder, the displacement and the speed. Accordingly, the engine power increases with increasing speed and increasing mean working pressure.
  • the addition diagram shown illustrates the qualitative difference with regard to the achieved work of the individual state changes within a process sequence.
  • the entries of the overpressure in the direction of the ordinate marked as negative in the diagram stand for negative, i. Work consuming state changes. Conversely, the positively marked entries of the overpressure in the ordinate direction indicate positive, i.e., positive, positive values. Work-producing state changes.
  • Overpressure is defined as the pressure that is measured relative to the atmospheric pressure (atmospheric overpressure atü). This overpressure corresponds to the labor productivity of the respective state change and is entered accordingly in the positive or negative range of the ordinate.
  • the number of revolutions, the crank angle or the process time profile can be entered without this changing the graphic appearance of the addition diagram.
  • the areas shown in the addition diagram, which correspond to the individual state changes, are not a direct measure of the indexed work, as is the case, for example, with a /? - v diagram. However, the quality, extent and distribution of the indexed work during the course of the respective process cycle are reproduced quite realistically.
  • the engine concept of the HCCI (homogeneous charge compression ignition) engine is one of the drivers of engine development, with the HCCl engine producing extremely low levels of pollutants and eliminating the need for exhaust aftertreatment, but only under optimal conditions
  • the HCCl engine may not be able to bridge the gap between today's diesel and gasoline internal combustion engines and the extremely clean fuel cell vehicles of tomorrow, contrary to initial euphoric predictions its use as a stationary engine from realistic concepts - as far as combustion in the HCCl engine is concerned, there are still many questions left.
  • the following discussion discloses the subtractive nature of the thermal efficiency of conventional Brerink force processes.
  • the indexed work fVoao (and also Wiesen / ) corresponds to the exchanged heat, which results from the subtraction of the removed heat g w from the heat Qf +) .
  • the first quotient corresponds to the combustion expansion efficiency tj exp (expansion efficiency):
  • the second quotient corresponds to the subtraction decrement comp, which results from the integration of the compression work into the operating cycle of the internal combustion engine:
  • the subtraction decrement Acomp indicates the proportion of the compression work consumed in relation to the heat energy Q (+ j), as it arises in fuel combustion.
  • the thermal efficiency ⁇ ⁇ of traditional combustion processes is shown in the equation as the reduction of the efficiency of combustion expansion ⁇ ⁇ by the subtraction decrement at P of the negative compression work.
  • the thermal efficiency of the traditional combustion process depends solely on the compression ratio. This definition of the thermal efficiency proves to be no longer sufficient in the compression-free addition process.
  • the indexed work of the addition process is dependent not only on the heat exchanged in the combustion expansion work W ⁇ , but also on the pneumatic injection work W h, which expresses its hybrid property. Therefore, it is necessary to additionally define the efficiency of the addition process by the newly introduced thermo-pneumatic efficiency ' ⁇ ⁇ .
  • W2XA W eX p + Wl (1 .3-17) Equation [1 .3-17] shows the addition principle of innovative process control.
  • the work of combustion expansion in the sense of the Second Law of Thermodynamics takes place from the exchanged heat.
  • thermo-pneumatic efficiency the value for the efficiency of the addition process depends on the thermo-pneumatic efficiency:
  • the second quotient (as with the subtractive counterparts also) indicates the thermal efficiency of combustion expansion (expansion efficiency).
  • Equation 1 The first quotient in Equation 1, 3-20 corresponds to the addition increment made by the primary injection work W t :
  • the addition increment Ai denotes the proportion of the pneumatic injection work in relation to a heat energy Q (+) . Accordingly, for the Thertnopneumatic efficiency of the addition process:
  • thermo-pneumatic efficiency ⁇ ⁇ of the addition process thus results from the addition of the combustion expansion efficiency and the addition increment .
  • thermopneumatic efficiency t Tp of the innovative addition process compares the thermopneumatic efficiency t Tp of the innovative addition process with the thermal efficiency ⁇ ⁇ of a traditional subtraction process (gasoline diesel, prior art).
  • the diagram shows the efficiency in relation to the injection pressure of the fresh charge (addition process) or the degree of compression of the fresh charge (subtraction process). With balanced expansion efficiency, this theoretical comparison illustrates the significant advantages of the addition process in terms of performance and efficiency.
  • thermo-pneumatic efficiency presupposes that the expansion efficiency corresponding to the addition process is approximately identical to the expansion efficiency of the subtraction process.
  • the theoretical comparison highlights the considerable advantages of the addition process in terms of performance and efficiency.
  • DW is the sum of volume and friction work.
  • the combustion expression is theoretically an adiabatic change of state in which one state is transferred to another without exchanging thermal energy with its environment. Because there is no heat exchange with the environment, the internal energy is completely converted into work:
  • a heat engine can only do work when a proportion of the thermal energy is dissipated to the environment via the cooling system.
  • the thermal energy of each heat system consists of the 'exergy', the fraction of thermal energy that can be converted into mechanical work, and the 'anergy', the non-convertible portion of that energy, which is in equilibrium with the environment. Accordingly, only the exergy represents the useful portion of the thermal energy. For this reason, the thermal efficiency of the combustion expansion Tjexp ⁇ expansion efficiency) by the proportions of exergy and anergy is always smaller than 7:
  • the expansion efficiency is based on the difference between the maximum and minimum process temperature (Second Law of Thermodynamics). Accordingly, the desired positive engineering effect of the addition process will depend on the efficiency of the combustion process and therefore the focus of further development of the AMICES II AMS engine system will be to improve this efficiency. 2.
  • thermokinetic auto-ignition - question of the efficiency of ignition
  • system air system air / water or, in the case of hydrogen combustion, only water
  • the addition engine 2XA (* originally the active two-stroke piston engine 2XA) consists as usual of piston, cylinder and cylinder head together.
  • the design concept is broadly based on the traditional design of two-stroke, spiral fuel injection and cylinder rinsing diesel engines ( Figures 8.1 and 8.2).
  • TDC top dead center
  • the main elements of the original active two-stroke machine 2XA can be found essentially in the Further development, albeit in a different position and execution (Fig. S.3). These are, above all, the bivalent injection system of the precompressed combustion components A (MCCRS), the ignition system B and the exhaust valve system C.
  • CD combined nozzle Simultaneous air / fuel injection with mixing chamber
  • Reference List-2 The innovative addition motor 2XA is characterized by an additional heat exchange and back pressure system.
  • the two-stroke duty cycle of the engine system AMS begins with an addition cycle 'and concludes with the subsequent, Rekuper tion cycle * from. Consequently, the two terms refer to the derivation of the innovative engine system from the recuperative addition process.
  • the schematic p-v diagram of the drawing on page 7, FIG. 7, refers to the process sequence of the engine system AMS corresponding to the real recuperative addition process.
  • the addition cycle ' the primary work is produced in the addition motor 2XA by the addition process of the bivalent primary injection (Pkt.J-2 *), the ignition (Pkte, 2 * -3 / i ), the combustion expansion (Pkt. 3 ⁇ -4-4) and the recuperative Secondary Injection (pts.3 d ⁇ 4-4).
  • the term addition clock is derived from the derivative of the addition motor 2XA from the addition process (drawing page 7, Figure 7).
  • the longer working phase of the addition cycle is due to the constructive design of the addition motor 2XA in the form of a significantly extended stroke.
  • the resulting longer expansion of the combustion gases leads to a significant increase in efficiency, e.g. two-stroke crosshead marine diesel engines (S / D> 2.5 - not suitable for passenger cars).
  • S / D two-stroke crosshead marine diesel engines
  • S / D 1.2 - 1.5 stroke / bore
  • the "recuperation cycle” the secondary work is produced by recycling the exhaust gas energy via the compound exhaust gas turbine A T.
  • the original active two-stroke piston engine 2XA has the necessary support of the exhaust gas - Output caused by the upward movement of the piston a slight subtraction effect (Question 4 - in 'state of the art').
  • the AMICES II innovation finds the solution by means of the system's accumulator technology. In this way, the Schubertsyst m 'BPS ensures the positive secondary work of the two pillars of the engine system AMS, - the addition motor 2XA and the compound turbine A T. For this reason, the complete two-stroke duty cycle of the engine system AMS proves to be labor-efficient.
  • the high efficiency and high power density of the 2XA addition motor depend very much on effective combustion. It is essentially the fuel distribution, the composition of the fresh gas and the method of ignition, which determine both the sequence, as well as the efficiency and completeness of the combustion. This is simply a heat-related reaction between the fuel and the oxidant that converts chemical to thermal energy. Due to a jump in temperature high pressure difference of the fuel gases to the environment allows the beneficial labor production. In reality, combustion does not proceed in one step in the form of a single chemical reaction, but rather is the result of hundreds of elementary reactions involving a variety of chemical substances.
  • the thermokinetics of the particles of oxidant and fuel plays a major role, especially since this also causes the frequency of their collisions with each other.
  • the innovative strategy of mixture formation deviates from the usual concept of stratified charge in lean operation. Not least because of the excess air, injection stratified charge engines produce more nitrogen oxides in the exhaust gas. In view of the complexity of the traditional subtraction process and the heterogeneous layer charging, it can be foreseen that the classic monovalent direct injection technology is already reaching the limits of its power efficiency.
  • the innovative strategy intends to achieve the internal homogenization of the mixture in variable operating conditions in an optimal period of time. This is done by way of bivalent injection of the combustion components in the form of a highly turbulent mixture and by the thermal effect of the worm exchange system.
  • hydrocarbons When hydrocarbons are burned in the engine, unburned hydrocarbons occur in the exhaust gas in more or less high concentrations. These hydrocarbons mainly come from zones that are not or not completely covered by the combustion or the flame.
  • the gasoline engine are usually near-wall areas in which z. B. due to the high heat dissipation to the wall, the burning rate decreases sharply or the flame goes out. This process is called quenching effect.
  • the thermal absorption elements of the heat exchange system form an enclosed combustion zone BK in the upper zone of the cylinder, where the complete combustion takes place.
  • the high temperature (> 500 ° C) of this thermal insulation layer significantly reduces the harmful discharge of combustion heat and thus the quenching effect.
  • This heterogeneous charge stratification divides the LuhY fuel genre in the combustion chamber into different zones, depending on its composition: an ultramagous layer in close proximity to the combustion chamber walls and an ignitable, rich mixture near the spark plug.
  • the lean to ultramagere range reduces the dissipation of the mentioned peak heat.
  • the air ratio can be 2-3, without causing misfires. Due to the high temperature of this layer of air (tail gas state), however, an extremely harmful side effect arises in the form of a considerable increase in the emission of nitrogen oxides (Ox).
  • the thermally insulated by the heat exchange system part of the combustion chamber ⁇ combustion zone BK) is primarily intended the task of attenuating the harmful discharge and transmission of heat of combustion to the cooling system during and immediately after ignition.
  • the AMICES 11 concepts of mixture formation essentially follow the principle of internal thermokinetic homogenization of the stoichiometric fresh charge.
  • the regulation of the indicated peak temperature of the absorption ring 4.1 can take place via the temperature sensor 4.4 by means of the cooling effect of the expanding compression air K (FIG. 10.1). This is recuperated after its heating as K 2 in the compound exhaust gas turbine AT as further usable work.
  • the indirect temperature regulation of the moving parts of the heat exchange system, the thermal piston pot 4.2 and the exhaust valve 3.1 is carried out by the secondary injection of the same system air (system air / water or in the case of hydrogen combustion only of water), as used in the primary injection use finds ⁇ internal recuperative cooling).
  • system air system air
  • the connection between the injection system of the system air LES and the combustion chamber which leads via the regulation one-way valve 3.3, the valve guide 3.2 and the exhaust valve injection hole 3.1.
  • This indirect temperature regulation by secondary injection is quantitatively and load-dependent on the indicated temperature of the exhaust gases ⁇ temperature sensor 3.4).
  • the secondary injection is to be regarded as a priority solution of questions 3 and 4 (in .Stand the technique ').
  • the thermal absorption elements of the heat exchange system should have both a high specific heat capacity and a high thermal conductivity. While the specific heat capacity determines the amount of energy a substance can take up or release, the thermal conductivity is a parameter for the rapid absorption or release of this heat. In addition, it is extremely important to thermally insulate the elements of the heat exchange system from the engine walls ⁇ Thermal Insulation Layer 4.5 - Drawing page 10, Fig. 10.1). In order to optimally benefit from heat capacity, thermal conductivity and thermal insulation, it is advantageous to design the elements of the heat exchange system from a combination of different materials in a layered structure.
  • a combination of the transparent inner layer (refraction layer) of the combustion chamber side with the reflecting outer layer of the installation side ⁇ Reflekomsschichf ⁇ could be of particular advantage:
  • the simultaneous convective and Strahlgebowte delivery and absorption of heat between the heat exchange system and working fluid ensures a particularly fast and effective energy flow.
  • the reflective layer can additionally significantly reduce the damage to efficiency, as it results from the heat dissipation via the machine elements and the cooling system.
  • the evaporation takes place by exploiting the ignition delay.
  • This technique is based on the fact that a certain time - the so-called induction time - is required to ignite a mixture, which, however, decreases sharply with increasing temperature.
  • Premixing techniques that operate within the ignition delay therefore require very precise control of the temperature in the evaporator space. The control range of burners with this premix technique is therefore very limited.
  • a possible alternative to exploiting the ignition delay is the concept of producing a homogeneous fuel-air mixture by the so-called cold flame [Lucka 99]. It is exploited that it is before the actual ignition in the range of medium temperatures - eg at typical Hydrocarbons in light fuel oil at temperatures of 300 to 500 ° C - not yet comes to a self-ignition. However, due to chemical reactions, the long-chain hydrocarbons are already converted into short-chain molecules. The oxygen is reacted when using a nearly stoichiometric fuel-air mixture only a maximum of 20%, and the temperature stabilized in comparison to the inlet temperature at a 10 ° K to 150 ° K higher level. The course of the heat generation curve shows that below 300 ° C no reaction or
  • A) Primary injection method :
  • the innovation AMICES 11 in the form of the primary injection process offers the thermokinetic basis for the internal homogenous mixture.
  • the following concepts of mixture formation are based on the ordered swirl (flow process) of the targeted bivalent primary injection of the entire fresh charge. They all share internal thermokinetic mixture homogenization through spin-assisted on-line heat exchange, but differ in position, structure, and number of injectors.
  • the following description refers to the bivalent Primary Injection of system air and commercial fuel.
  • Drawing 11 schematically illustrates the concept 1 of internal homogeneous mixture formation by simultaneous primary injection.
  • drawings page t 10 and 14 are also relevant.
  • Concept-1 is based on the simultaneous primary injection of the total fresh charge by means of the injection system MCCRS ⁇ Multi Component Common Rail System) and the combination nozzle CD according to the original concept AMICES (DEI02008008859A1-prior art document).
  • the combination nozzle CD as part of the injection system MCCRS is designed like an injection valve that does not produce any pressure itself.
  • the injection system MCCRS as a pressure and load regulator between the pressure accumulator of the system air and the fuel tank on the one hand and the addition engine 2 ⁇ on the other hand ensures the supply of the two combustion components at a constant injection pressure p ⁇ . If the piston position is at top dead center (FIG.
  • the combination of the CD nozzle and injection of the partial load-related quantity of the stoichiometric combustion components takes place. Due to the pronounced turbulence in the mixing chamber M located directly at the outlet of the combination nozzle CD, premixing of the internal combustion components takes place here. From here, the premixed fresh charge passes as extremely fast turbulent flow in the circular gap channel 4.6 of the absorption ring 4.5. Via the gap channel 4.6, the fresh charge is distributed tangentially along the gap between the cylinder walls of the combustion chamber and the piston pot. The round-symmetrical cylindrical shape of the gap generates between the surfaces of the absorption ring 4.1 and the piston pot 4.2 an orderly rotational movement of the mixture, the so-called spin.
  • page 12 illustrates schematically concept-2 of the 'internal homogeneous mixture formation' by the separate primary injection.
  • Concept-2 combines the separate injection of precompressed system air with the proven direct injection techniques of modern BDE petrol and CR diesel engines.
  • Modulen gasoline engines also work with direct fuel injection and, depending on the time of injection, can form a homogeneous or inhomogeneous mixture, in which case one speaks of" internal mixture formation ", as used in the diesel engine.
  • the diesel engine does not compress a mixture but air.
  • the fuel is injected shortly before top dead center in this highly compressed and therefore hot combustion air.
  • the mixture formation thus proceeds in an extremely short time in the combustion chamber of the engine and the ignition takes place without external ignition source exclusively by transferring the heat from the compressed air to the fuel "...
  • This proven model is based on concept-2 bivalent Primary Injection, which is characterized by separate system air (LES) and fuel injection systems (KES).
  • the air injection system LES ensures the injection of the system air independently of changing operating states, this at a constant injection pressure pi ⁇ approx. > 50 10 5 Pa).
  • the separate air nozzle DL is provided for introducing the system air into the combustion chamber. This in turn is designed in the execution of an injection valve, which itself produces no pressure.
  • This makes it possible, for example, that during a cold start, - can be started due to the controllable ⁇ ffhungs- / closing times of the exhaust valves with the primary injection of Systemlufl before top dead center (TDC).
  • TDC top dead center
  • This compression supports the design of the initial heat (in concept 1 possible only with the help of the electric heater 4.3), which is a mandatory requirement for the further course of the internal homogeneous mixture formation.
  • the controlled overlap of exhaust and early injection timing allows for fine adjustment of the temperature of the thermal interface system and accelerates the heating of the injected system air.
  • This device takes the form of an extremely fast turbulent flow into the circular gap channel 4.6 of the absorption ring 4.5. Through the gap channel 4.6, the system air is distributed in an extremely fast rotating flow tangentially along the gap between the absorption ring 4.5 and the piston pot 4.2.
  • the partial-load injection of the fuel takes place either simultaneously or with a small overlap in time before the completed injection of the system air.
  • This is done - as in the conventional direct injection technique also - load-controlled via the fuel nozzle DK by means of a short powerful injection of fuel spray TS (at full load between 15 ° and 20 ° KWW after top dead center OT, Figure 7, before or after PkL2 ).
  • the fuel spray gets into the highly compressed and rapid swirl of the hot system air. This extremely fast rotary spiral flow proves to be a significant advantage over the conventional counterparts of the A ICES II injection technology.
  • the homogeneous fresh gas reaches the optimum ignition temperature (gasoline 450 ° to 500 ° C) and can therefore be ignited particularly quickly after the fuel injection by the spark plug 2.0 ⁇ Fig.7; between Pkt2-Pkt2 *).
  • the bivalent primary injection of the addition motor 2XA forms a predominantly homogeneous stoichiometric fresh gas under stable combustion conditions, which is easily inflamed in the case of traditional spark ignition.
  • the traditional spark ignition ultimately takes place in two thermal phases:
  • the first, approximately time-constant ignition phase of the ignition energy supply by a spark depends only on the composition of the mixture.
  • the latter entails an ignition delay, the duration of which is related to the increasing engine speed and air ratio ⁇ . Therefore, the ignition timing of gasoline engines with increasing speed and increasing air ratio ⁇ must be advanced.
  • the experience with the classic BDE gasoline engines shows on the other hand, that the spark ignition is only 40 ° to 50 ° KWW before top dead center (relative to the piston stroke in ° KWW).
  • the required air-fuel ratio dependent ignition energy for example, is only 0.2 mJ for stoichiometric gas / air mixtures, while rich and lean mixtures require up to 3 mJ per ignition.
  • the second phase, the heat release is determined by the flame speed of the exothermic reaction of the air / fuel mixture.
  • the flame speed depends on the type of fuel, the air ratio ⁇ , the temperature of the mixture, but also on the type of ignition.
  • ⁇ the temperature of the mixture
  • ⁇ the temperature of the mixture
  • ⁇ the temperature of the mixture
  • ⁇ the temperature of the mixture
  • ⁇ the temperature of the mixture
  • ⁇ the temperature of the mixture
  • the high flame velocity is also influenced by the correct output range of the heat release (FIG. 7, PkLS *).
  • the process of heat release by the flame propagation predefines the burning speed, which experiences a particular vehemence in the already rapid swirl through the additional ignition turbulence. Since the rapid swirl flows increase with the speed, the folding of the flame surface also increases. This makes it understandable why the heat release in traditional gasoline engines is accelerated with increasing speed, although by definition the flame speed can not increase. This is of paramount importance because of the dynamic flow processes in the AMICES engine concept.
  • the AMS engine system due to the stoichiometric composition of the homogeneous fresh gas due to the primary injection, the required ignition energy is extremely low and the flame speed very high.
  • these advantages are insufficient for a satisfactorily short burning time of the specific spark ignition in the addition motor 2XA alone.
  • the zeifkonstante ignition phase can be initialized immediately before the completion of bivalent primary injection (Fig.7, Pkt.2, about 15 ° -20 ° KWW), this is the focus of the heat release with about 50 ° to 60 ° KWW still too late At full load and a number of revolutions of n> 3000 U / min, however, about 25 ° -35 ° KWW are desired.
  • the combustion zone BK which is insulated by the heat exchange system ⁇ FIG. 10.1) substantially reduces the dissipation of the heat of combustion to the cooling system. As a result, the heating gradient also increases faster and the peak combustion temperature is still significantly higher even with delayed ignition than with traditional (subtractive) internal combustion engines.
  • the alternative laser ignition (eg HiPoLas' the company AVL) is a point ignition.
  • the laser candle 2 initializes the plasmatic ignition phase in the axial center of the combustion chamber and thereby favors the outward, very fast centrifugal propagation of the flame front in the combustion chamber (Drawings of pages 11 and 12).
  • the time-constant ignition phase can also be initialized immediately after completion of the primary injection (FIG. 7, point 2, approx. 15 ° -20 ° KWW).
  • the center of gravity PkLS the heat release before 30 ° KWW done.
  • the thermal self-ignition can take place as a result of the exothermic reaction of the cold flame by the controlled within narrow limits exceeding the autoignition temperature of the homogenized fresh gas.
  • the heat exchange system of the addition engine 2XA can ensure this tightly controlled temperature (gasoline> 550 ° C, diesel> 650 ° C) under unsteady operating conditions solely by the heat recuperation, will later prove computer simulations. Because of the cold start process, it is recommended to take advantage of the combination of thermal self-ignition and spark ignition.
  • the temperature of the exhaust gases produced by a traditional Otto reciprocating engine is over 900 ° C, with the diesel engine just over 700 ° C.
  • part of this pressure gradient is used to drive the turbocharger, which uses this energy to compress the air in the intake stroke of the engine.
  • the exhaust gas energy is used with the help of over the compound turbine recuperation in the form of secondary work as a standard solution for stationary and larger internal combustion engine systems (usually diesel systems).
  • the exhaust gases of corresponding turbo-compound diesel systems (Scania, Iveco, MAN) when leaving the manifold a temperature of almost 700 ° C.
  • the compound turbine turbine: 55,000 rpm
  • the AMS engine system is a tandem version consisting of the addition engine 2XA and the compound turbine AT, the piston engine producing the primary work while the turbine beneficially utilizes the residual energy of the exhaust gases as secondary work.
  • the importance of the right time for the outlet of the exhaust gases shows.
  • the opening in the traditional piston engine usually 60 ° to 45 ° KWW (Fig.7, Pk 4 ') before the bottom dead center (Fig .7, section 4). In this way it is achieved that at least 50 percent of the exhaust gases leave the combustion chamber in the first cycle. This procedure proves to be the "lesser evil", however, a part of the expansion work of the reciprocating engine is also lost in this case.
  • the discharge of the exhaust gases of the addition motor 2XA is characterized by the following sequence of functions: start of opening of the exhaust valve 3.1 in point 4 discharge of the exhaust gases during the first cycle between Pkt. 4 and PkL 4 ( Figure 7).
  • the addition engine 2XA and the compound turbine AT are in joint production (tandem work).
  • the exhaust gases are expanded via the compound turbine A T, which makes the resulting torque available in the form of secondary work.
  • This form of recuperation of exhaust energy is well known in the art.
  • the original AMICES recuperation concept (DE 102008008859 AI state of the art) can additionally use the water injection to further improve the recuperation of the residual thermal energy of the exhaust gases.
  • this exhaust / steam recuperation involves a considerable complication of the engine system.
  • the innovative AMS engine system offers a particularly simple, but extremely effective technical solution - in the form of secondary injection of the existing system air (optional System KunststoffJ Wasser or also only water).
  • Another advantage of the 2XA addition motor is its significantly smaller dimensions compared to conventional internal combustion engines. As a result, significantly more heat energy per structural mass per unit time is supplied.
  • the promising high power density in connection with the significantly higher mean pressure could also lead to a detrimental overheating effect (Research Question 3 in 'state of the art').
  • the secondary injection introduces the extension of the addition process during the addition clock.
  • the secondary injection I 2 starts in Pkt4 ** of the addition clock at an injection pressure p a (FIG. 14, pt diagram).
  • the time of injection start (position Pkt4 **) and the amount of injected system air is proportionally controlled in connection with the corresponding partial load.
  • the system air which flows strongly into the cylinder axis, strikes the hot surface of the olbentopf 4.2 and mixes with the combustion gases. From the mixture of injected system air ( ⁇ 20 ° C) and combustion gases (depending on the concept approx. ⁇ 1000 ° C), a cooled and compressed secondary gas mixture is created at constant pressure ⁇ in the combustion chamber (depending on the concept approx. ⁇ 600 ° C).
  • the Secondary Expansion simultaneously ensures an increasing work production of addition engine 2XA and compound turbine AT (tandem production of work: + W 1XA , + W AT , between Pkt4 * and bottom dead center Pki4 ).
  • the secondary injection I 2 causes a significant increase in the primary work of the addition motor 2XA during the addition stroke.
  • the indicated addition work W 2XA of the addition motor 2XA thus results as the sum of the primary injection work W n , the primary combustion expansion work fVap-prjm, the secondary injection work W, 2, and the secondary expansion work of the gas mixture W ⁇ p . ⁇
  • W 2XA Wn + W exp . prim + W 12 + Wnp-sec (2.2-01)
  • the indicated work of the addition motor 2XA is the sum of the cumulative pneumatic work W t and the combustion expansion work W Fjcp .
  • thermo-pneumatic efficiency of the 2XA active motor Increase of the secondary work of the compound turbine AT (recuperation operation, more in section 3.0)
  • Primary and secondary injection require a different injection direction of the air jet. While the primary injection requires a radial-tangential inflow due to the shape of the rotating swirl, the secondary injection aims cylinder-axially towards the center of the flask.
  • the spiral channels on the piston pot 4.2 thereby favor the thermokinetic transfer of the heat of absorption to the injected system air and the formation of the rotating swirl flow.
  • the drawing page 15, Fig.15 shows schematically the pt diagram of the combined primary and secondary injection and the combustion of the engine system AMS.
  • the rich composition of the fresh gas fi 0.7-0.9) can simultaneously reduce the peak pressure of the combustion and the Reaction time can be shortened:
  • the drawings on pages 16 and 17 illustrate the innovative backpressure system BPS (Back Pressure System) of the AMS engine system.
  • BPS Back Pressure System
  • the primary objectives of the innovative system are the work-productive activation of the second recuperation cycle of the addition motor 2XA, the temporal moderation of the pulsating work production and the engine braking with decreasing partial load (research question 4 in 'state of the art').
  • the two-stroke cycle of the conventional internal combustion engine piston engine according to Lenoir has adopted the "double-sided" design of the former reciprocating steam engines ('double-action'). Because this problem such as overheating, overload, lubrication and compression of moving parts must be considered, this solution proves to be structurally complex in view of the high performance of today's reciprocating engines.
  • the newer internal combustion piston engines therefore generally have a "one-sided” process sequence. The working production takes place by changing the volume of the internal cylinder combustion chamber between piston and cylinder head, whereas the piston shaft space does not produce any work and must therefore be considered passive.
  • the exhaust gases of conventional internal combustion engines at bottom dead center still have a relatively high pressure (> 5 bar at full load).
  • crankshaft space of the addition motor 2XA is first precompressed by the system air via the compression controller SJ.
  • an initial back pressure p B top dead center
  • This final discharge pressure reaches its maximum value p B2 at bottom dead center (UT).
  • the increasing pressure gradient corresponds to the compression ratio of the crankshaft space ( ⁇ 2), based on the ratio between the changing volume of the piston chamber and the unchanged volume of the crankshaft space:
  • the final relief pressure p B2 is essentially dependent on the structural design of the crank shaft space.
  • the drawing on page 16, Fig. 16.1-B illustrates in the time-related addition diagram ((p- ° KWW, overpressure crankshaft angle ⁇ ° diagram) schematically the effect of the innovative BPS back pressure system on the working production of the addition motor 2XA Backspace the work production during the edition clock [area (-), Fig. 16.1 (B)].
  • the corresponding work share goes but not lost, but is absorbed by the compressed air of the back room.
  • the latter therefore acts as a kind of "pneumatic spring", wherein the pre-compression of the rear space at top dead center (TDC) by the initial back pressure p BI works like a "spring bias".
  • the back pressure system BPS ensures the time-related harmonization of the working production of the addition motor 2XA, and also ensures the optimal support of the recuperative work of the compound turbine AT and the required engine braking with decreasing part load.
  • the initial discharge pressure p BI should be regulated in relation to the specific partial load.
  • the compression controller 5.1 regulates the pre-compression pressure and the decompression controller 5.2 the corresponding decompression pressure.
  • the back pressure force on the piston is regulated by the Vorkomprimienmgs setpoint p Bi via the compression controller 5.1 in proportion to the corresponding increasing part load and vice versa by a decompression setpoint p B2 via the decompression 5.2 in relation to the decreasing part load.
  • the air is recuperated from the crankshaft space via the decompression controller 5.2 by means of the compound turbine AT.
  • a modern BDE four-stroke gasoline engine (Fig.19.2) has only a low power density and a low effective efficiency due to its subtraction process.
  • the work Z produced by the pre-ignition proves partly negative.
  • the negative effect of the compression stroke K SI , the direct fuel injection E and in part also the pre-ignition Z thus accumulate to the adversely affecting negative subtraction work.
  • the time-related sparse labor production is strongly pulsating and part load dependent.
  • the AMS engine system (FIG. 19.1) differs quite fundamentally from this because of its recuperative addition process: the characteristic interaction of primary and secondary injection / combustion and the BPS pressure system enables a further significant increase in the power density and the effective efficiency. In addition, there is a fully positive and low-pulsation two-stroke work cycle.
  • the addition motor 2XA points to the extraordinary economic potential of the innovative addition process.
  • the application of the external compression according to the isothermal compression model in combination with the drive electrification by the modern hybrid mechatronic technique makes the final unbundling of the internal combustion process from the integrated compression according to the adiabatic compression model ⁇ subtraction principle) possible and necessary.
  • the direct control of the individual parameters of the mixture formation and the independence of the high injection pressure (50 to 100 10 5 Pa) from the temperature of the mixture is another of the unprecedented advantages of the innovative addition motor 2XA. Now is the increase in efficiency and power density no temperature barrier more contrary, only a constructive ßelastianassky the material of the internal combustion engine.
  • the diagram (drawing on page 20, FIG. 20) of the innovative motor system AMS shows a high degree of stability of indicated efficiency and power density at a varying partial load X.
  • the piston engine achieves a higher effective efficiency than the gas turbine.
  • the proportion of the addition motor 2XA increases in the combustion expansion and thereby also its additive thermo-pneumatic efficiency.
  • thermo-pneumatic efficiency is particularly favored by the constant primary injection pressure / temperature and the regulated secondary injection method.
  • the control of the partial load is thereby quantitatively regulated by variable injection times (direct metering of system air and fuel).
  • the regulation of the internal cooling by the secondary injection here in particular that of the piston pot and the exhaust gas vent, also takes place quantitatively.
  • the secondary injection is controlled as a function of the partial load via the indicated temperature of the exhaust gas by means of a temperature sensor 3.4 (FIG. 10.2).
  • the controllable opening / closing times of the exhaust valve 3.1 make it possible to further optimize the required engine braking of the BPS back pressure system. Since the initial heating of the heat exchange system at the cold start for the further course of the mixture formation is a mandatory requirement, it can occur through the early closure of the exhaust valve and the simultaneous initial injection of the system air before top dead center (TDC). The initial heating is similar to the case of the traditional subtraction motor by the adiabatic compression of the enclosed system air on the gap volume. The electrical heater 4.3 contributes to the required support. The elimination of the compression stroke opens up the possibility of using the AMS engine system for a variety of fuels (Wultifuel 'option).
  • the addition motor 2XA proves to be particularly suitable because of the bivalent injection for gaseous fuels;
  • the homogenization of the mixture in the absence of difficult internal evaporation of the liquid fuel is much easier only by the thermokinetic mixing of the combustion components.
  • the fully homogenized gas mixture thus literally arises at the same moment as the injection of system air and propellant gas. This makes the AMS engine system particularly suitable for the energization of natural gas and hydrogen.
  • the motor system AMS promises in execution of the electrified hybrid unit AHA a significantly reduced complexity, a significant reduction in weight and thus a significant reduction in production costs of the entire drive system. It also makes possible the multifunctional application of compressed air (eg for additional functions of the vehicle such as servo gear, polyvalent electric recuperation, air conditioning, etc.). Thanks to the paradigmatic addition process and the recuperation of the polyvalent forms of energy, in comparison to conventional engine systems it can be expected above all a significantly (> JJC) higher specific power and a load-independent effective efficiency of around 60 percent.
  • the hybrid unit AHA deals with the operational balance between the necessary replenishment of the pressure accumulator and the operating sequence of the AMS engine system from the point of view of the energy balance.
  • the hybrid AHA units are based on modular technology from the original innovation AMICES (DE102008008859A1-state of the art). All AHA hybrid units generally follow the following sentence:
  • AMICES II hybrid engine AHA AMS engine system + manifold pressure accumulator technology
  • the drawing page 22 and the drawing page 24 show schematically two basic concepts of the hybrid unit AHA. They are easily recognizable as a functional continuation of the described summation principle.
  • the two variants are composed of the actual engine system AMS and the different accumulator technology of fuel and oxidant (HO or LK).
  • Hybrid unit AHA / HO hydrogen / oxygen system (drawing page 22)
  • AHA / HO Engine System (AMS) + Pressure Control J Resource Aggregate (HO)
  • AHA / KL engine system (AMS) + accumulator technology / ancillary unit (LK)
  • the AMICES II AHA / HO hybrid unit represents the theoretical implementation of the pure addition principle, based on the combustion and pressure storage technology of hydrogen and oxygen.
  • the Nachftillung the pressure accumulator takes place from an external source (usual power grid) by means of a high-pressure electrolyzer.
  • the refilling of the accumulator essentially relates to a water tank H 2 0, a high-pressure water tank H 2 , a high-pressure oxygen tank 0 2 and a high-pressure electrolyzer HDEL.
  • the water water mix or water solution
  • the energizing of the concept system is done in the simplest way via a socket from the power grid.
  • the high-pressure electrolyzer HDEL feeds the water from the water tank H 2 0 via a high-pressure pump HP and splits it into hydrogen and oxygen.
  • the product gases which are already under the required pressure (> 350 bar) and therefore need no further treatment are stored in the respective containers via one-way valves (eg pressure accumulator 350-700 bar).
  • the addition motor 2XA feeds hydrogen, oxygen and water according to the described recuperative addition process.
  • the pneumatic energy of the stored gases is converted into useful work.
  • the simultaneous injection of the water is an indispensable prerequisite: A pure combustion of hydrogen in oxygen namely expires at too high a temperature (> 3500 ° C).
  • the combustion steam is converted back into liquid in a cooled discharge condenser C and at the end of this cycle flows back into the starting water tank HjO.
  • W AfiAmo W 2XA (effective primary work) + W AT (effective secondary work) (3.1-00)
  • the system is refilled via the high-pressure electrolysis unit HDEL by means of electric current from the socket. Since refilling can also be carried out without difficulty during the operating phases of the AMS engine system (recuperation of the environmental energy through wind, photovoltaics, etc.), the implementation of the AHA / HO hybrid unit in the production of electric current is particularly combined with regenerative sources conceivable.
  • the high effective work W AHAm0 promises a very favorable efficiency in relation to the supplied electrical energy E a :
  • the high-pressure electrolyzer HDEL can either be considered as the sole external device or as an integrated IES battery (Ntegrated Electrotytic Storag).
  • the second solution is based on the constructive integration of the opposing hydrogen HJ oxygen tank-0 2 and the high-pressure electrolyzer HDEL.
  • the IES batteries can be easily standardized for safety and production reasons (with the aim of saving weight through a common outer shell, a low battery content of high-explosive gases, low-cost mass production through standardization, etc.). They serve as building blocks for the assembly of any accumulator modules. Therefore, the IES batteries are only one of several possible forms of storage of electrical energy.
  • the AHA / HO hybrid unit can be considered as an innovative emission-free electric drive.
  • the different variants of the AMICES II AHA LK hybrid unit are based on the modular technology of the original innovation AMICES (DE 102008008859 AI state of the art) and consist of the AMS motor system and the various electrified ancillary components.
  • the drawing page 24, Fig. 24.1 illustrates schematically the process control of the hybrid unit AHA / LK.
  • This concept is intended in practice for the use of commercial fuels and air.
  • the Resource Side Process ⁇ LK provides the necessary supply of system air in the accumulator according to the isothermal compression model.
  • Such an accumulator can be installed in a simple manner in the form of a structural container, for example as a stiffening element in the body of each car (eg sills). In this way one achieves strength and weight saving at the same time ⁇ Pos.l, drawing page 25, Fig.25.1, and Fig.25.2).
  • a multi-stage compressor e.g., two-stage
  • intercooling e.g., two-stage
  • LK low-stage compressor
  • Fig. 23.2 intercooling
  • jittermittierend is to be understood at different intervals continuously repeating use of this accessory depending on the currently prevailing pressure accumulator internal pressure. It comes when reaching a certain minimum internal pressure for switching on and reaching a maximum internal pressure to turn off the auxiliary unit.
  • the continuous rotary compressors without cyclic operation are particularly suitable.
  • First and foremost lamella and screw compressors are used, both of which belong to the group of rotary compressors.
  • the oil injection into the compressor stage reduces the thermal and mechanical loss considerably.
  • the injected oil is removed in separators at the outlet of the compressor from the compressed air and returned to the compression process after cooling.
  • Screw compressors are simple in design, have small dimensions, a low mass and have a uniform, pulsation-free delivery and a quiet run. In multi-stage version, they reach up to 30 bar overpressure / stage. This makes them ideal for mobile use with an auxiliary unit.
  • the disadvantage, however, is the relatively high price of screw compressors.
  • the lamellae compressors which are uncomplicated in terms of design and operation, consist of less than half of moving parts and thus cause significantly lower maintenance costs and also significantly lower initial costs.
  • multi-disc compressors impress with their smooth work and a running time of around 100,000 to 150,000 hours, which is twice as long as the usual service life of screw compressors. Due to the self-adjusting vanes, vane compressors normally provide virtually unlimited performance throughout their lifetime.
  • multi-stage compressors can be easily designed (SMP 'Pneumofore SpA' and 'Hydrovane') - they are particularly suitable for mobile use due to their good price / performance ratio. In multi-stage design, they cause an approximately isothermal change in state due to oil and intermediate cooling of the system air stored in the bag tanks. As usual in compaction technology, the production of the required system air is automatically controlled by pressure sensors, depending on their level of supply.
  • Fig. 21.1 illustrates the required indexed Kompressionsie tion L K (kW) for the compression of a certain air flow G L (kg min) in function of the obtained compression pressure (corresponds to the injection pressure p, the addition process).
  • G L the required indexed Kompressionsie tion
  • the adiabatic change of state of the air in a single-stage compression process is considered only theoretically (ideal gas).
  • the energy balance of the innovative drive strategy with regard to the negative compression work is essentially based on waste heat and exhaust gas recuperation.
  • conventional internal combustion engines more than 60 percent of the combustion energy of the fuel remains unused, they escape in the form of waste heat through the exhaust gases and the cooling water.
  • the recovery of the lost exhaust gas energies alone by recuperation of the kinetic energy of the exhaust gas via an exhaust gas turbine for this purpose is not enough (recovery of the traditional compound exhaust gas 2 -7 percent of the effective engine power).
  • the position of Pk 4 in the p-v diagram can be regulated during the recuperative addition process of the AMS motor system! Due to the additional effect of the secondary injection of the system air and the back pressure system BPS, the thermokinetic gain of the compound exhaust gas turbine AT proves to be significantly higher (also more than 20 percent of the effective engine power possible).
  • the drawing page 24, Fig.24.2 shows the hybrid unit AHA LK as a further development of the original drive variant A V-4, TB / G from the innovation AMICES (DE 102008008859A1 -Stand the technology).
  • the unit consists of three work strands: a central drive train and two lateral side strands.
  • the powertrain receives the addition engine 2XA, the first lateral recuperation train the compound turbine AT.
  • the compression line lying opposite the recuperation line contains the compression unit LK.
  • the addition motor 2XA ensures through the addition process for the prime mover A 2 X A , the compound turbine AT through the exhaust gas recuperation for the secondary drive A T.
  • the compression line makes by the compression unit LK the compression work A K for refilling the accumulator with Systemlufl.
  • the compression work A K is achieved either by the mechanical torque transmission from the two work-productive strands (powertrain and Rekuperationsstrang) or by the electric motor / generator EM / G or by a combination of the two options.
  • the mechanical torque transmission between the strands is ensured by the power divider T. It performs the mechanical moment differentiation (possible is a fixed or a variable ratio) between the two lateral side strands and the drive train.
  • the arrows indicate the flow of work differentiation between the drive trains.
  • the sum of produced primary drive A 2XA and secondary drive A T is divided in the most frequent drive situations in the required compression work ⁇ ⁇ the drive work A.
  • the 2XA compression-free addition motor requires neither an idling nor an electric starter. Operation is started by the primary injection of the system air. If such is not available, the addition motor 2XA can not be started either.
  • a sufficient supply of system air in the pressure accumulator is therefore one of the obligatory initial conditions for the start of operation of the hybrid unit AHA / LK.
  • a second possible problem is associated with the efficiency of the compound exhaust turbine AT at low speeds. This has namely only in a limited working range between certain maximum and minimum rotational speeds over a favorable efficiency. Therefore, the energization of the secondary process in unsteady operating conditions alone by the mechanically fixed ratio between the drive trains is not an optimal solution.
  • the Hybrid Electric Vehicle (HEV) concept combines fuel economy, C02 and other pollutant emissions while increasing ride comfort.
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • the conventional hybrid drive mitigates the disadvantages of traditional Brennl raftmotoren, but only in certain operating conditions. It should not be forgotten that here too, depending on the drive strategy, a subtractive engine is switched on and usually operated at partial load.
  • the drive strategy designates the application concept mecanic in the respective hybrid vehicle with reference to the intended operating component and the role of the internal combustion engine on the one hand and the electric motor on the other.
  • the HEV concepts differentiate between microhybrid, mild hybrid and full hybrid. These electrification stages are also applicable to the innovative hybrid units AHA / LK.
  • the energizing of the compression work A K can be carried out mainly depending on the type of drive as:
  • recuperation operation (1) this kind of energy of the sub-process is called recuperation operation (1).
  • the sum of produced primary drive A 7XA and secondary drive A T is the sum of derived useful drive work A ⁇ and compression work A K
  • the usable drive work A (R) of the recuperation operation (R) depends on the difference between the secondary drive A T of the compound turbine AT and the compression work A K :
  • a (R) A2XA + (AT - AK) (3.2-03)
  • the effective efficiency of the hybrid unit AA / LK in the recuperation mode is referred to as the hybrid efficiency tjH (R). This is known to correspond to the quotient of useful drive work A ⁇ and the heat introduced by the fuel combustion Q (+
  • the first quotient denotes the effective efficiency ⁇ ⁇ of the addition motor 2XA
  • the second quotient corresponds to the recuperation supplement:
  • Additive recuperation operation At full load and high rotational speeds of the addition motor 2XA, the proportion of combustion expansion in the compound turbine AT increases and thus also increases the secondary work A T. In this case it can be expected that the secondary work A T (estimated> 20% of the effective power of the addition motor 2XA) will increase in spite of increasing consumption of system air than the required compression work Ag (estimated ⁇ 20% of the effective performance of the 2XA engine).
  • a T > A K - AR> 0 - + ⁇ ⁇ ( ⁇ ) > ⁇ ⁇ (3.2-n)
  • the additive recuperation operation (3) only has the most effective operating state. As already shown in the section "Recapitulation of the process flow" (page 42), the AMS engine system achieves a higher effective efficiency j / e at a smaller partial load. In order to avoid overheating of the addition motor 2XA, at higher part load due to the secondary injection and the consumption of system air (internal recuperative cooling) and thus the compression work ⁇ for the refilling of the pressure accumulator significantly.
  • a full load situation occurs only in extremely short periods of time (up to 1 min) and in less than 5 percent of the total journey time.
  • the drive differentiates itself for the necessary compression work Ag of the multi-plate compressor LK.
  • the effective driving work A fR) as the result of this differentiation corresponds to the effective work A 2 XA of the addition motor 2XA in the balance operation - by the balance between the secondary drive Ar of the exhaust recuperation and the compression work on the accumulator replenishment. According to (3.1-9), this also compensates for the hybrid efficiency ⁇ ⁇ ( ⁇ of the hybrid unit AHA / LK with the effective efficiency ⁇ ⁇ of the addition motor 2XA.
  • the aim is to achieve the stable energization of drive work A (ESi and compression work A K by means of electromotive assistance of the electrical recuperation operation (2).)
  • the aforementioned hybrid efficiency tj H m t does not express an overall energy balance, but only reflects the fuel efficiency of the hybrid unit AHA.
  • the efficiency supplement of the electric recuperation operation also has an additive value due to the double energization (exhaust gas recuperation + electric current):
  • the first quotient refers to the recuperation supplement according to (3.1-05).
  • the electric supplement ⁇ is the quotient of the electromotive assistance E K and the heat Q (+ f ) supplied by the raftstoffverbreiuiung This is also the reference value for the efficiency gain of the hybrid unit AHA / LK in the implementation of a plug-in This results in the possibility of compensating for the lack of recuperative secondary work A T by the electromotive work E K in unfavorable operating situations:
  • the drive strategy of electro-recuperation operation is to keep the sum of recuperative secondary work A T and electromotive work E K always greater than the negative compression work A K by an always positive efficiency supplement (addition principle]).
  • electrification In addition to supporting the refilling of system air, electrification also provides support for the drive and brake recuperation. In this case, as in the case of the classic hybrid powertrains, various stages of electrification of the hybrid unit AHA / LK conceivable. In addition, the electrical operation of the air compression before each start of operation ensures the necessary initial conditions by refilling the container with Systemlufi.
  • the hybrid AHA / LK engine follows the basic idea of an electro-hybrid drive in the sense of optimum electrification - but with a difference of decisive importance: it revolutionises the internal combustion process itself thanks to the addition principle!
  • the hybrid unit AHA / LK, Fig. 24.2 is shown in the embodiment of either a micro-type hybrid or a mild-type hybrid.
  • an electric motor / generator EM / G takes place between the two-stage multi-plate compressor LK and the power distributor T in the compression section.
  • electric motor / generator EM / G and power distributor KV is additionally the micro-coupling k. This makes possible by the decoupling of the Kompressssirangs the separate electrical production of the system air, which in case of system downtime and / or poor operating conditions (low number of revolutions and unfavorable part load) in turn ensures undisturbed refilling of the structure tank Pos.I (Fig. 26.1 and 26.2).
  • the drawing page 25, Fig. 25.1 introduces a hybrid unit AHA / LK as Voltsybrid aggregate, with the primary objective of stable electromechanical differentiation of the drive work.
  • the addition motor 2XA is again located in the central drive train and is coupled to the power distributor T via the clutch K m.
  • the drive strategy of the innovative full hybrid unit is based on a mechatronic system that manages changing driving situations through the interaction of mechanical, electronic and information technology elements and modules.
  • the electric motor is doing by the exhaust and Bremsrekuperation in the service of the necessary production of the system air.
  • the recuperation line takes up the electric motor / generator EM / G 1 between the compound exhaust gas turbine AT and the power distributor T. in the compression line, there is an electric motor / generator EM / G 2 between the two-stage multi-plate compressor LK and the Krafl distributor KV.
  • the electric motors / generators EM G 1 and 2 are provided on both sides (optional: one-sided) with the micro clutches k (electromagnetic or pneumatic). These allow the targeted decoupling and coupling of the secondary line or of the multi-plate compressor LK and the compound exhaust gas turbine AT.
  • the decoupling of the compression line from the power distributor T ensures during faulty operating states of the addition motor 2XA that the fully electric refilling of the system air can take place via the electric motor / generator EM / G 2.
  • the simultaneous decoupling of multi-disc compressor LK, compound exhaust turbine AT and addition engine 2XA finally allows a purely electric drive. It is of great importance that the coupling and uncoupling of the clutches is extremely gentle and imperceptible to the passengers. This task is the responsibility of the hybrid management by means of an electrical synchronization process *, wherein a revolution sensor supplies the data about the number of revolutions of the gears in the power distributor 7 * .
  • the electric motor / generator is initially accelerated passively to corresponding revolutions and then coupled via the micro clutches k "active" (* State of the art - Charging system for a hybrid engine - DE 10 2006 045 937.7-26) For this reason, the AHA / LK hybrid power unit uses smaller high-speed EM / G-1 electric motors / generators with low rotational masses.
  • the differentiated work of the recuperation line dA T results from the difference between the secondary work of the compound exhaust gas turbine W AT and the generation work of the electric current E AT .
  • the usable drive work of the full hybrid unit is obtained from the addition of the drive work A T X A of the addition motor 2XA (from the drive train) and the differentiated work of recuperation (dA T ) and compression train (dAg).
  • the full hybrid aggregal thus proves to be a further development of the drive variant AV-4 "T” from the publication AMICES DE102008008859AI (prior art).
  • two modules are provided for the required auxiliary functions: the module system air M2 and the exhaust gas recuperation module M3 (FIG. 25.2).
  • the addition motor 2XA (module M1) of the full hybrid unit is able to realize the high economic potential of the innovative addition process in practice.
  • the modern mechatronic hybrid technology thus realizes the problem-free implementation of the external compression by the drive electrification according to the isothermal compression model according to the addition principle.
  • the unresolved issues with regard to the pure electric drive are increasingly in the development of modern drive systems, the hybrid technology in the foreground.
  • the additional electric system of the conventional hybrid drive is used in connection with the regenerative braking method to drive support the internal combustion engine during acceleration of the vehicle or, on shorter distances, also for the pure electric drive. Due to the principle, the advantages of the hybrid drive are particularly evident in city driving with frequent stops and starts. Already at cross-country journeys shrink these advantages however, with highway driving one misses them completely. Apart from the cost-intensive construction complexity, the additional electric system of previous hybrid drives already proves to be a useless load during normal road travel and ultimately contributes its weight only to a considerable increase in the vehicle's total weight. A second decisive disadvantage: Even the modern hybrid technology continues to rely on the traditional Breririkraftmotor with its inefficient subtraction principle.
  • Brushnkraftmotorsysteme can achieve significantly better values in terms of a much higher and stable effective efficiency and in terms of torque and power.
  • the AMICES II AHA / LK hybrid power unit follows the basic idea of an electro-hybrid drive in the sense of optimal electrification - but with one essential difference: The addition principle revolutionises the internal combustion process itself.
  • hybrid AHA can be considered as the first genuine hybrid engine system, characterized by:
  • the electrified AHA hybrid unit is also conceivable as a microhybrid (electric motor up to 3 kW / t), as a mild hybrid (electric motor up to 10 kW / t) and as a full hybrid unit (electric motor over 10 kW / t).
  • the hybrid unit AHA is energized as Vollhybridaggregat not only on the fuel combustion, but in addition by way of the pneumatic effect of vorillerigen Systemlufi results according to the addition principle, a significantly high efficiency and a similar power density.
  • the drive strategy of the full hybrid unit is based on the mechatronic synergy of the 2XA addition motor and ancillary components in a modular design.
  • the electric motor provides primarily for the exhaust and Bremsrekuperation in the service of the required production of Systemlufi.
  • Direct electromotive drive support is currently of secondary importance to AMICES II hybrid technology due to the still low energetic capacity of today's batteries.
  • an AMICES II HEV (mid-range vehicle) is characterized by considerable fuel economy. With an estimated effective efficiency of approximately 60 percent, average fuel consumption is expected to be less than 2.5 l / W o km. In other words, an AMICES II HEV can reach a range of more than 1000 kilometers with a 25-liter fuel tank.
  • the plug-in technology (charging the battery from the electrical mains via a simple socket) also offers further options for the electrified AHA hybrid unit after extended electromotoric addition. In this way, a corresponding AMICES II PHEV experiences a double energization through fuel and electric current.
  • the drawing on page 26 illustrates the innovative concept of an AMICES II PHEV based on the modular full hybrid AHA unit. Thanks to the plug-in technology, the stored electric current enables a further reduction in fuel consumption, not only by the electromotive assistance in refilling the system air, but also by the support of the drive and the resulting purely electric drive (eg for short trips such as city trips, Stauroch or maneuvering).
  • the balance mode determines the optimum operating state for the definition of the hybrid unit AHA / LK. Accordingly, this operating condition is considered to be the reference value for the definition of the performance of the electric motor / generators EM / G-I and EM / G-2 as well as for the determination of the battery capacity of an AMICES II PHEV.
  • the operating state described below can serve as an orientation aid in this context.
  • an AMICES II PHEV with a speed of 120 km / h on a flat highway will have enough power of the respective electric motor / generator EM / G and EM / G-2 of approx. 3 kW for the purely electrical supply of the auxiliary functions.
  • the supply of system air from the accumulator as well as the e-current from the battery covers the periodic temporary full load.
  • the missing power for the secondary functions is logically diverted mechanically via the power distributor T from the addition motor 2XA.
  • equipping the AMICES II PHEV with maximum electromotive power to ensure secondary functions does not appear to be the optimal solution.
  • the AMICES II PHEV requires a maximum power of 6 kW in balance operation (road travel according to the above instructions) for continuous refilling of the system air.
  • a lithium-ion battery with a capacity of only 6 kWh (weight approx. 60 kg) enables an Mhtsitwisted-AMICES II PHEV to perform the following services:
  • Fuel consumption of less than 2 liters / 100km (while ensuring all auxiliary functions as well as electrical support when starting up and accelerating through the battery).
  • the Energetisiening the secondary functions is carried out by the additive effect of exhaust gas recuperation and battery drive.
  • the battery support during the refilling of the system can be planned as a function of the programmed travel distance and the capacity of the battery. As a result, the fuel consumption varies between 2 i and 2.5 l, depending on the load of the engine system through the planned route.
  • the innovative engine system offers both in comparison with modern hybrid systems and with traditional diesel and petrol engines Above all, the reduced complexity also requires a significant reduction in the weight and cost of the drive systems.
  • the innovative engine system allows the use of any liquid and gaseous fuel. Due to the bivalent injection, however, it proves to be particularly suitable for the use of natural gas and hydrogen. Moreover, it does not require fundamentally new technological knowledge, special raw materials or a new production infrastructure. Thus, the manufacturing costs of the innovative engine system should undoubtedly have a positive effect on the fact that existing production processes and routes can largely be retained unchanged.
  • the favorable economic aspect (including impressively low fuel consumption, possibly lower final costs of appropriately equipped vehicles) is on the one hand, the environmental aspect in times of climate change a no less important:
  • the innovative engine system leaves a previously unattained worldwide minimum of C02 emission expect and thereby takes account of the legitimate demand for environmentally friendly alternative drive technologies in an almost radical way.
  • the AHA / HO hybrid unit goes a long way into the future with the combustion of hydrogen and oxygen.
  • Fig. 23.1 illustrates a peak load power plant based on the hybrid unit AHA / HO.
  • the pressure accumulator modules store the surplus of E-power arising arbitrarily from regenerative sources by means of pressure electrolysis in the form of hydrogen and oxygen.
  • Traditional peak load power plants are commonly used to absorb short-term load changes and unpredictable emergencies, and allow power production to be quickly adjusted to demand.
  • the use of AMICES II Hydrogen Oxygen Power Plants is much cheaper and more environmentally friendly.
  • Fig. 23.2 illustrates a power plant based on the hybrid AHA / HO. This works according to the same principle and allows - but now by photovoltaic - a tailored to the individual needs of a household power supply. This emission-free combustion technology theoretically offers itself as an obvious alternative solution to fuel cell technology. Although this technique appears to be extremely interesting and promising, it must be acknowledged that the development of pressure electrolysis, in addition to a number of problems already known, such as the use of hydrogen / oxygen in internal combustion engines, both technically and economically raises a multitude of questions. For the same reason, the commercial use of this system is hardly predictable at the present time.
  • MICES and AMICES II stand for a fundamental change of principle in the internal combustion engine:

Abstract

Ausnahmslos allen Otto- und Dieselmotoren liegt die mit jedem Zyklus erfolgende Subtraktion der negativen Arbeit der prozessintegrierten Kompression von der Verbrennungsexpansionsarbeit zu Grunde, - ein Arbeitsprinzip, das wir demzufolge als 'Subtraktionsprinzip' bezeichnen. Basierend auf der Umsetzung der Druckspeichertechnik von vorkomprimierter Luft präsentiert das innovative Hybridaggregat-AMICES II das im Vergleich hierzu wesentlich effizientere 'Additionsprinzip' (teillaststabiler Wirkungsgrad >50%, Leistungsdichte >400 kW/1000ccm durch Downsizing). Das Hybridaggregat besteht aus dem zweitaktigen kompressionslosen 'Additionsmotor', der Compound-Abgasturbine, dem Druckspeicher der vorkomprimierten Luft sowie den elektrifizierten Nebenaggregaten. Letztere stellen durch polyvalente Rekuperation und optionale Plug-In-Technik das ständige Vorhandensein von vorkomprimierter Luft sicher. Anstelle des negativen Ansaug- und ebenso negativen Kompressionstakts traditioneller Brennkraftmotorsysteme (durch,Subtraktion' 25 bis 50% Effizienz- und Leistungsverlust) leistet der eigene rekuperative Additionsprozess' mittels seiner innovativen 'bivalenten Einspritzung' der Brennkraftkomponenten (pruckspeichertechnik!) von sich aus eine zusätzliche, positive 'Einspritzarbeit', die sich mit der nachfolgenden Arbeit der Verbrennungsexpansion summiert (durch, Addition' etwa 10 % Effizienz- und Leistungsgewinn). Die Innovation bietet zudem die Option der emissionsfreien geschlossenen Verbrennung' von Wasserstoff und Sauerstoff und kommt in Zusammenhang mit der Druckelektrolyse als plausible Alternativlösung zur Brennstoffzellentechnologie in Betracht.

Description

AMICES II: Hybridisierung der Brennkraftmotorsysteme
nach dem Additionsprinzip
Die Erfindung betrifft eine erweiterte Definition des ^offenen aktiven thermodynamischen Arbeitsprozesses AMICES' und die Weiterentwicklung des daraus abgeleiteten ,aktiven Brennkraßmaschinensystems AMICES' aus der Druckschrift DE I02008008859A 1( Stand der Technik).
Das ursprüngliche aktive Brennkraftmaschinensystem basiert auf der seit langem bekannten Druckspeicher-Technik einer entsprechenden eigenen Pro2essführung und der hiervon abgeleiteten kompressionslosen aktiven Zweitakt- Kolbenmaschine 2XA. Der Begriff aktiv bringt zum Ausdruck, dass in jedem Takt des Prozesszyklus eine positive Arbeitsproduktion stattfindet. Die eigene Prozessfuhrung (der ,offene aktive thermodynamische Arbeitsprozess ') setzt das ständige Vorhandensein von Systemluft (= vorkomprimierte Luft) in einem Druckspeicher als Initial- und Betriebsbedingung voraus. Die während der Fahrt fortlaufend benötigte Menge hiervon schließt von vorneherein aus, dass eine Nachftillung nur in den Phasen des Fahrzeugstillstands erfolgt. Um die notwendige Vorratsmenge an Systemluft jederzeit zur Verfugung zu haben, wird demnach ein zusätzlicher Ressourcen-Prozess erforderlich. Dafür sorgt das ursprüngliche modulare hybride Maschinensystem AMICES mit Hilfe der pol alenten Rekuperations- und Plug-in-Antriebstechnik.
Das weiterentwickelte Innovationskonzept wird als AMICES II bezeichnet {Additive Modular Internal Combustion Engine System II). Um den zentralen Grundgedanken von AMICES II noch deutlicher hervorzuheben, wird der Begriff aktiv aus der ursprünglichen Druckschrift durch die zutreffendere und dem essentiellen Sachverhalt gerechter werdende Bezeichnung additiv ersetzt.
Die indizierte Arbeitsbilanz von konventionellen Brennkraftmotoren entspricht theoretisch der Differenz aus positiver Verbrenn ungs-Expansionsarbeit und negativer adiabatischer Kompressionsarbeit. Die Innovation stellt dabei lediglich den betreffenden subtraktiven Arbeitsablauf in Frage, wohingegen der subtraktive Charakter der Arbeitsbilanz (energetischen Bilanz) als in der Natur der Sache liegende physikalische Tatsache außer Zweifel steht. Die in diesem Kontext neu eingeführten Begriffe ^Subtraktionsprozess' und ^Additionsprozess' nehmen somit Bezug ausschließlich auf den Ablauf der Arbeitsproduktion.
An Stelle des mit eklatanten "Nachteilen behafteten Subtraktionsprozesses repräsentiert die weiterentwickelte Innovation AMICES II den paradigmatischen Additionsprozess. Somit steht AMICES II für einen radikalen Prinzipien Wechsel:
Additionsprinzip statt Subtraktionsprinzip
Der innovative Additionsprozess ist durch die Addition der pneumatischen Arbeit der aus den jeweiligen Druckspeichern injizierten hochkomprimierten Verbrennungskomponenten (Oxydationsmittel und Kraftstoff) und der Verbrennungs-Expansionsarbeit gekennzeichnet. Die sich auf diese Weise ergebende indizierte Additionsarbeit ist ungleich größer als der entsprechende durch den Subtraktionsprozess erreichte Wert (»25 Prozent).
Die praktische Umsetzung des Additionsprozesses wird durch die innovative Primäre und Sekundäre Einspritztechnik des zweitaktigen und kompressionslosen Additionsmotors 2XA verwirklicht. Der erweiterte Rekuperative Additionsprozess, - gekennzeichnet durch das Wärmeaustauschsystem, die innere rekuperative Kühlung durch die Sekundäre Einspritzung der System iuft (Wasser), das Hinterdru'cksystem und die Co pound- Abgasturbine^r ist das elementare Kernstück des innovativen AMICES Ii Hybridaggregats AHA. Stand der Technik
Einführung 1 :
Ursprüngliche Innovation AMICES (DE 10200800885 AI, Stand der Technik)
Die Zeichnungen auf Seite / (Fig././ und Fig.7,2) veranschaulichen den offenen aktiven thermodynamischen Prozess AMICES (p-v-Diagramm) und das daraus abgeleitete aktive Brennkraftmaschinensystem AMICES (DE 102008008859A1 - Stand der Technik). Beide, der offene thermocfynamische Arbeitsprozess wie auch die konstruktive Ableitung des aktiven Brennkraftmaschinensystems, stellen lediglich eine Simplifizierung des Grundprinzips dar. Der Prozess des aktiven Brennkraftmaschinensystems wurde damit bislang nicht vollständig definiert und beschrieben.
Der offene aktive thermodynamische Arbeitsprozess stellt ein kompressionsloses Arbeitsprinzip dar, das ausschließlich aktive Operationsstufen beinhaltet. Der Arbeitszyklus des offenen Arbeitsprozesses entspricht den Zustandsänderungen des Arbeitsmediums, beginnend mit der isobarischen Hochdruckeinspritzung der Verbrennungskomponenten aus dem jeweiligen Druckspeicher, über die isochorische Verbrennung und die adiabatische Expansion der Verbrennungsgase, bis hin zum Umgebungsausgleich. Damit wird der Druckspeicher zur unabdingbaren Voraussetzung für einen derartigen Arbeitsprozess. Für den notwendigen Vorrat an Systemluft sorgt das System in einem Nebenprozess. Aus diesem Prozessvorgang des Arbeitsmediums ist das simplifizierte Konzept des aktiven Brennkraftmaschinensystems abgeleitet.
Das aktive Brennkraftmaschinensystem besteht aus der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA in paralleler Kombination mit der Compound- Abgasturbine AT, die über einen Kraftverteiler KV zusammengekoppelt sind. Die aktive Zweitakt-Maschine 2XA sorgt für die Produktion der Primärarbeit, während die Compound- Abgasturbine A T für die Produktion der Sekundärarbeit mittels Rekuperation der Abgase vorgesehen ist. Die produzierte Sekundärarbeit kann über KV entweder direkt (bei stationärem Betrieb) oder über eine elektrische Transmission EM/G (bei mobilem Betrieb) für den Fahrzeugantrieb und die Produktion des E-Stroms eingesetzt werden.
Auf den ersten Blick sieht die ursprüngliche aktive Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA wie eine klassische Viertaktmaschine aus, mit der Ausnahme, dass sie keinen Verdichtungsraum und kein Luft-Saugventil aufweist Anstelle eines klassischen Saugventils findet sich eine Einspritzdüse LI als Teil des multifunktionalen Einspritzsystems {,MCCRS Multi-Component Common Rail System'); sie gewährleistet die simultane Einspritzung von Systemluft und Kraftstoff bei stets konstantem Druck pct. Das MCCRS wird dabei über entsprechende Druckregler mit Kraftstoff und Systemluft aus dem Kraftstofftank K-T und dem Systemluft-Strukturtank SL-T versorgt.
Der Arbeitszyklus nimmt seinen Anfang in der oberen Position des Kolbens (im oberen Totpunkt OT), und zwar mit einer simultanen Injektion von Luft und Kraftstoff. Unter einem konstanten Einspritzdruck pcr wird der Kolben nach unten geschoben (isobarische Expansion). Dabei ist die eingespritzte Menge der Frischladung teillastabhängig (Quantitätsregulation). Dank der Einspritzung der Luft und des Kraftstoffs unter einem hohen Druck und aufgrund der Konvektion der Wärme aus den Zylinderwänden wird bereits in dieser ersten Einspritzphase aktiv Arbeit produziert (pneumatische Einspritzarbeit). Zusätzlich bewirkt die Wärmekonvektion eine Homogenisierung des eingespritzten Luft/Kraftstoff-Gemisches, welches unmittelbar nach der Einspritzphase durch die Zündkerze 1.2 gezündet wird. Wie üblich vollendet anschließend das heiße Verbrennungsgas den ersten Takt mit einer adiabatischen Expansionsarbeit. Die Primärarbeit der aktiven Kolbenmaschine 2XA stellt sich somit im ersten Takt als Summe von pneumatischer Einspritzarbeit (isobarische Expansion) und Verbrennungs-Expansionsarbeit (adiabatische Expansion) dar. Diese Addition verkörpert den entscheidenden Vorteil des AMICES-Konzepts gegenüber der die konventionelle Motortechnik kennzeichnenden Subtraktion.
Wie generell bei Kolbenmaschinen unterstützt im zweiten Takt die Bewegung des Kolbens die Ausströmung der Abgase über das geöffnete Abgasventil 1.3. Um den damit einhergehenden Verlust an großen Energiemengen zu minimieren (>30 Prozent der effektiven Verbrennungsenergie), werden diese Abgase über die Compound- Abgasturbine AT rekuperiert. Unter dem Gesichtspunkt der Arbeitsproduktion vollendet das aktive Maschinensystem AMICES damit einen komplett positiven Prozesszyklus. Da die Abgasturbine einen hohen Wirkungsgrad allerdings nur bei konstant hoher Umdrehungszahl erreichen kann, soll die Konzeption der parallelen Kombination von aktiver Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA und Compound- Abgasturbine AT entsprechend der Anwendungsart betrachtet werden (siehe ursprüngliche Modulartechnik). Die produzierte Sekundärarbeit wird für den Antrieb und die aktive Produktion des E-Stroms eingesetzt; diese Produktion findet in einem Ressourcen- Nebenprozess statt. Die Sekundärarbeit kann über einen Kraftverteiler KV entweder direkt (stationärer Antriebsmodus) oder mittels einer elektrischen Transmission (mobiler Antriebsmodus) erfolgen, wobei sich letztere Variante in ihren verschiedenen modularen Ausführungen den wechselhaften Antriebsbedingungen, wie sie der Straßenverkehr mit sich bringt, besser anpasst.
Das ursprüngliche aktive Brennkraftmaschinensystem AMJCES erreicht auf diese Weise eine hohe Leistungsdichte und einen konstant hohen Wirkungsgrad sowohl bei Teillast als auch bei Volllast: Im Vergleich zur herkömmlichen Brennkraftmaschine darf von mehr als dem Fünffachen an spezifischer Leistung und einem Wirkungsgrad von annähernd 60 Prozent ausgegangen werden. Weil die ursprüngliche aktive Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA über keinen Verdichtungsraum verfugt, steht das AM1CES Konzept gleichzeitig für eine Prinzipienwende, - für die Rückkehr zum ursprünglich kompressionslosen Brennkraftsystem.
Einführung 2:
Definition der Prozessführung der Brennkraftprozesse
Definition der offenen Prozessführung
Zur Verbrennung des aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoffs wird Sauerstoff benötigt, der üblicherweise mit der Luft zugeführt wird. Bei den traditionellen Otto-/Diesel-Hubkolbenmotoren findet diese Verbrennung im Arbeitsraum statt, wobei das Brenngas direkt als Arbeitsmedium Verwendung findet (innere Verbrennung). Infolge der Verbrennung wird das Arbeitsmedium (z.B. Oxidations ittel) verändert. Dementsprechend ist eine Rückführung in den Ausgangszustand nur durch den Austausch des Arbeitsmediums möglich. Man spricht in diesem Fall von einer offenen Prozessführung und einem Gaswechsel (Ausstoß der Brenngase und Zuführen der Frischladung) bei zyklischer Arbeitsweise. Die innere Verbrennung bedingt demnach stets eine offene Prozessfuhrung.
Definition des therm ody na mischen Vergleichs-Kreisprozesses
Der Vorgang von Wärmeaufnahme, Expansion (Arbeitsabgabe) und Rückführung des Arbeitsmediums in seinen Ausgangszustand, führt entweder zyklisch (Kolbenmotor) oder kontinuierlich (Strömungsmaschine) zur fortlaufenden Abgabe mechanischer Arbeit, was durch einen thermodynamischen Vergleichs-Kreisprozess definiert werden kann. Vergleichsprozesse sind thermodynamische Kreisprozesse, die das Optimum angeben, welches mit diesen Maschinen im Idealfall, d. h. bei reibungslosen Zustandsänderungen, erreichbar ist. Die Güte der real erreichbaren Prozesse wird als Gütegrad bezeichnet. Dieser ergibt sich als Quotient aus dem thermischen Wirkungsgrad der realen Maschine und jenem der idealen Maschine. Als mennodynamischer Vergleichs- Kreisprozess dient für herkömmliche Otto-Hubkolbenmotoren mit innerer Verbrennung der ,Gleichraumprozess'. Dieser umfasst die isentrope Verdichtung, die isochore Wärmezufuhr, die isentrope Expansion und die isochore Rückführung des idealen Arbeitsgases in den Ausgangszustand des Prozesses. Bei traditionellen Diesel- Hubkolbenmotoren dient als thermodynamischer Vergleichs-Kreisprozess hingegen ein ,Gleichdruckprozess', wobei die modernen Diesel-motoren durch einen kombinierten Seiliger-Prozess definiert sind.
Dementsprechend muss auch die ursprüngliche ,offene Prozess hrung' aus Druckschrift (DE102008008859A1 - Stand der Technik) über einen Vergleichs-Kreisprozess weiter definiert werden.
Einführung 3:
Die Rolle der Kompression bei traditionellen Brennkraftmaschinen
Im Jahr 1854 patentieren die Italiener Eugenio Barsanti und Feiice Matteucci in London als erste eine funktionsfähige Brennkraftmaschine (Patentnummer 1072).
1860 wird dem Belgier Jean Joseph Etienne Lenoir ein Patent (Zeichnung Seite 2, Fig.2.1) erteilt, das den eigentlichen Beginn der Verwendbarkeit und Nutzung von BrerLnkraftmaschinen in der Praxis markiert. Seine Erfindung führt zur Entwicklung des ersten kommerziellen, auf einem kompressionslosen Arbeitsprozess beruhenden Brennkraftmotors. Die hierdurch erreichte Leistungsdichte als auch der Wirkungsgrad von 3 bis 4 Prozent erweisen sich jedoch als äußerst gering. Dies führt zu der zwischenzeitlich seit langem etablierten wissenschaftlichen Erkenntnis, dass ohne Komprimierung der Verbrennungskomponenten weder eine zufriedenstellende Leistungsdichte noch ein befriedigender Wirkungsgrad erzielt werden können,
1824 begründet der französische Physiker Sadie Carnot die thermodynamische Theorie der idealisierten Wärmekraftmaschine und gibt damit die wissenschaftliche Erklärung dafür, warum die Kompression unabdingbar ist, um die Differenz zwischen dem Verbrennungsdruck und dem Umgebungsdruck bei Brennkraftprozessen zu erhöhen. Die besagte Theorie gilt seither für thermodynamische Gleichraumprozesse unter Zugrundelegung idealer Gase. Dabei ist der Verbrennungsprozess als Multiplikationsfaktor des eingesetzten Kompressionsdrucks zu verstehen (Faktor 3 bis 4, abhängig von der Verbrennungstemperatur). Ein hoher Kompressionsdruck ist demnach die primäre Voraussetzung für eine effektive Leistung und einen hohen Wirkungsgrad: Nur der Druck, wie er über die Konstruktionselemente eines Motors, z.B. über Kolben, Rotorflügel, Lamellen, Wellen etc. wirkt, kann so in Kraft umgewandelt werden, dass daraus Arbeit und Leistung resultiert. Damit wird die Druckerhöhung zur unverzichtbaren Voraussetzung für die Optimierung des Outputs eines jeden Arbeitsprozesses.
Rein theoretisch gibt es hinsichtlich der Verdichtung eines Gases und dem Verhältnis zwischen Druck und Temperatur zwei Basismodelle, hierbei sind zwei unterschiedliche Verdichtungsszenarien möglich:
Verdichtungsszenario I: Die adiabate Luftverdichtung
Hier wird die adiabate Kompression s-Zustandsänderung in den Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine integriert. In Anlehnung an den von Nikolaus Otto entwickelten Viertakt(Otto-)Motor mit einer synchronisierten inneren Verdichtung wird seitdem bei allen Hubkolbenmotoren im Arbeitsraum periodisch Luft oder ein Luft/Kraftstoff- Gemisch verdichtet bzw. Kraftstoff in die heiße verdichtete Luft eingespritzt, das Gemisch entzündet und so die Verbrennung des Kraftstoffs in Gang gesetzt.
Eine adiabate Zustandsänderung ist definiert als ein thermodynami scher Vorgang, bei dem ein System von einem Zustand in einen anderen überführt wird, ohne dass es dabei thermische Energie mit seiner Umgebung austauscht. Auf diese Weise geht die gesamte am System verrichtete Arbeit vollständig in innere Energie über, was zu einer Erhöhung von Temperatur und Druck fuhrt. Die adiabate Kompression eines Gases geht demzufolge zwangsläufig mit der Erhöhung seiner Temperatur einher.
Eine ideale adiabate Zustandsänderung setzt voraus, dass das System, welches die Zustandsänderung erfährt, vollständig gegen Wärmeeinflüsse jeglicher Art isoliert ist. In der Realität ist eine derart vollkommene Wärmeisolation nicht erreichbar, schon gar nicht im konkreten Fall einer Brennkraftmaschine, bei der eine schnelle Ableitung der Verbrennungswärme über die Systernkühlung unbedingt erforderlich ist. Die adiabatische Kompression ist ohnehin ein theoretischer Prozess; in der technischen Praxis spricht man in diesem Zusammenhang von einer polytropischen Zustandsänderung.
Für eine politropische Zustandsänderung gilt: P'V k~konst.
k = Politropenexponent (Isentropenexponent = 1.4)
Für die Temperaturerhöhung gilt: Tl = Tv e Q>w
Dabei besteht zwischen Druck und Temperatur folgende Relation:
Figure imgf000006_0001
Das beschriebene Verdichtungsszenario 1 gilt für alle gängigen Brennkraftmaschinen. Verdichtungsszenario 2: Die isotherme Luftverdichtung
Die isotherme Zustandsänderung ist definiert als eine thermodynamische Zustandsänderung, bei der die Temperatur unverändert bleibt. Bei der Verdichtung eines Gases muss die dabei entstehende Kompressionswarme also abgeführt bzw. bei einer Expansion mit dem damit einhergehenden Temperaturabfall Wärme zugeführt werden. Dies kann näherungsweise durch ein Wärmebad erreicht werden. Nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte und der Zustandsgieichung eines idealen Gases bleibt das Produkt aus dem Druck p und dem Volumen V bei konstanter Temperatur T ebenfalls konstant:
Relation zwischen Druck und Temperatur: p · V = R · T = konst.
Aus dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik {dU=Q; Änderung der inneren Wärme = 0) folgt, dass die entzogene bzw. zugeführte Wärme direkt der verrichteten Arbeit entspricht (dQ - - dW). Ähnlich wie im Fall der adiabatischen Kompression ist eine ideale isotherme Zustandsänderung in der Realität nicht erreichbar. Gegenüber der adiabatischen Zustandsänderung hat die isotherme Zustandsänderung den Vorteil, dass sie wesentlich weniger Arbeit benötigt.
w ( isothermal) ( adiabatic)
In der Realität weist ein väelstufiger Verdichtungsprozess, mit Interkühlung zwischen den einzelnen Stufen, eine annähernd isotherme Zustandsänderung auf. Diese erscheint bei einigen Neuerungen der letzten Jahre als mögliche Alternative zur adiab ten Luftverdichtung aus dem Verdichtungsszenario- 1 (z.B.: EP 0895565B1 Verbrennungsmotor - Stand der Technik, Literatur).
Allen traditionellen Otto- und Dieselmotoren liegt ausschließlich das adiabatische Verdichtungsmodell gemäß Verdichtungsszenario- 1 zu Grunde. In der Realität können diese Vorgänge nur dann annähernd adiabatisch ablaufen, wenn das Volumen des Systems sehr groß ist, so dass Wärroeströme in seinem Randbereich letztlich vernachlässigt werden können.
Im Jahr 1876 entwickelt Nikolaus Otto in Zusammenarbeit mit Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach auf der Grundlage von Verdichtungsszenario- 1 den Viertakt-Motor mit einer synchronisierten internen Verdichtung (homogenes Gemisch, Fremdzündung, isochorische Verbrennung). Basisprinzip ist die Subtraktion der Kompressionsarbeit von der Verbrennungsarbeit.
1879 erfindet Karl Benz einen leistungsfähigen Zweitakt-Motor, der auf dem selben Subtraktionsprinzip beruht. 1892 entwickelt Rudolf Diesel seine Brennkraftmaschine nach einem ähnlichen Prinzip (heterogenes Gemisch, Selbstzündung, isobarische Verbrennung).
Das Subtraktionsprinzip traditioneller Brennkraftmaschinen auf der Grundlage von Verdichtungsszenario 1 :
Der Arbeitsablauf konventioneller Brennkraftsysteme weist eine zykJisch-synchronisierte Subtraktion von zwei sich fortlaufend wiederholenden Prozessen auf:
1 ) Kompressionsprozess: ,interne Kompression ' (Zyklisch wiederholte negative Arbeit)
Brennkraftmaschine Otto/Diesel:
- Ansaugen von Luft aus der Umgebung (Passivprozess, negative Arbeit)
- Komprimieren der Luft (Passivprozess, negative Arbeit)
2) Expansionsprozess: , Verbrennungsexpansion ' (Zyklisch wiederholte positive Arbeit)
Brennkraftmaschine Otto/Diesel:
- Zündung und Expansion der Verbrennungsgase (Aktivprozess, positive Arbeit)
- Ausstoß der Abgase in Umgebung (Prozess nur bei Abgasturboaufladung teilweise aktiv!)
Der thermodynamische Prozess des traditionellen Otto- bzw. Diesel- Verbrennungsmotors basiert im Wesentlichen auf zwei arbeits induktiven Prozessen, die im Verbrennungszyklus subtraktiv miteinander verflochten sind (Zeichnung Seite 2, Fig.2..?). Dabei subtrahiert sich mit jedem Zyklus (synchron) die negative Arbeit der inneren Kompression (1 ) von der positiven Arbeit der Verbrennungsexpansion (2), vermindert sich die positive Arbeit der Verbre tnungsexpansion also um die negative Arbeit der inneren Kompression. Bei einem gewöhnlichen Viertakt- Motor erweist sich der Arbeitsablauf in nur etwa einem Viertel des Prozesszyklus als arbeitspositiv. Die sich ergebende Differenz steht für die praktische äußere Nutzung zur Verfügung und wird als effektive Arbeit der Brenrjkraftmaschine bezeichnet. Diesem Subtraktionsprinzip („Verminderungsprinzip") wird in der technischen Praxis der gesamten rund 150 Jahre Motorenentwicklung als Grundprinzip Folge geleistet. Aus den zahlreichen technischen Kompromissen, wie sie wegen der Verflechtung der beiden subtraktiven Prozesse eingegangen werden müssen, resultieren die überaus hohe Komplexität, die geringe Leistungsdichte und der unbefriedigende Wirkungsgrad selbst moderner Brennkraftmaschinen.
Analysiert man den Vorgang der Luftkompression in seiner zeitlichen und örtlicher Beziehung zur Verbrennungsexpansion, so erweist sich diese als die Ursache für eine Reihe zwangsläufiger technischer Kompromisse und konzeptioneller Hindernisse von traditionellen Brennkraftmaschinen.
In diesem Zusammenhang beschreibt der Begriff synchronisierte Kompression' die zeitliche Beziehung zwischen Kompression und Verbren ungsexpansion in einem Arbeitszyklus, die sich entweder seriell (beim Viertakt-Motor) oder parallel (beim Zweitakt-Motor) darstellt. Die negative Rolle der synchronisierten Luftkomprimierung in einem subtraktiven Ablauf und die damit möglicherweise einhergehende zu hohe Lufttemperatur kann nicht genug betont werden: Obwohl eine hohe Temperatur letztlich unverzichtbar ist, darf ein bestimmter Grenzwert nicht überschritten werden (klopfende Verbrennung, NOx- Emission usw.).
Der Begriff , interne (oder innere) Kompression' beschreibt die örtliche Beziehung zwischen Kompression und Verbrennungsexpansion in einem Arbeitszyklus und besagt, dass die beiden Vorgänge in einem gemeinsamen Brennraum stattfinden. Hierbei ist von überaus großer Bedeutung, dass eine gemeinsame örtliche Beziehung der beiden Prozesse in diesem Fall weder gleichzeitig noch zeitlich verschoben ablaufen kann. Demnach wäre es abwegig, von einer unsynchronisierten internen Kompression zu sprechen.
Ausnahmslos alle konventionellen Brennkraftmotoren weisen die synchronisierte interne Kompression in einem subtraktiven Arbeitsablauf auf. Entsprechend schließt der klassische Viertakt-Motor einen Arbeitszyklus durch serielle Integration des Luft- und Verbrennungsprozesses in zwei Umdrehungen ab. Dabei besteht der Arbeitszyklus aus drei arbeitsnegativen Takten und nur einem einzigen aktiven, also arbeitspositiven Takt, in einer fortlaufenden Serie (Zeichnung Seite 4, Fig. 4.2. B):
(- W) Ansaugen... (-W)Kompression... (+W) Verbrennungsexpansion...(-W)Ausstoß
Von zwei Umdrehungen eines Arbeitszyklus ist demnach beim Viertakt-Motor weniger als eine Umdrehungshälfte auch wirklich aktiv. Lediglich bei Maschinen mit Abgasturboaufladung ist im Ausstoßtakt noch ein geringer Anteil der Abgasenergie der letzten Umdrehungshälfte nutzbar. Das Diagramm in der Zeichnung Seite 4, Fig. 4.3B zeigt die Leistungsarmut eines traditionellen Viertaktmotors (Druck p/Umdrehungszahl n) in aller Deutlichkeit.
Um eine geringe Leistungsdichte wie im Fall des Viertakt-Motors zu vermeiden, schließt die klassische Zweitakt- Maschine einen Arbeitszyklus durch parallele Integration der Luft- und Verbrennungsprozessierung in nur einer Umdrehung ab. Zweitakt-Motoren haben neben den Vorteilen eines niedrigen Leistungsgewichts und vergleichsweise geringer Baukosten Nachteile in Bezug auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch, hinsichtlich der Abgasemissionen sowie der Laufruhe bei niedriger Belastung und im Leerlauf. Dies ist bedingt durch die sogenannten Spülverluste und die unzureichende Ausspülung der Verbrennungsgase im Teillast- und Leerlaufbetrieb. Das gleichzeitig ablaufende Ausströmen des Abgases und Einströmen des Frischgases hat einen Verlust an Frischgas zur Folge, weil zwangsläufig Anteile davon direkt in das Abgas gespült werden. Diese Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen stellt eine nicht unwesentliche Umweltbelastung dar. - Obwohl man sich vom Zweitaktprinzip insbesondere eine bessere Ausnutzung des Arbeitsvolumens erwartet hatte, erwiesen sich der reale Wirkungsgrad sowie die schädlichen Abgasemissionen vornehmlich im PKW-Bereäch.als großes Handicap für die weitere Entwicklung von Zweitaktmotoren
Die aufgeladene traditionelle Otto- und Dieselmaschine ist durch eine doppelte Luftprozessierung gekennzeichnet, - in der ersten Phase durch eine externe Kompression, in der zweiten Phase durch eine synchronisierte interne Kompression. Im Falle einer Abgas-Turboaufladung läuft auch die externe Kompressionsphase einigermaßen synchronisiert ab. Ähnlich wie die synchronisierte interne Kompression bewirkt auch die synchronisierte exteme Kompression (mit Zwischenkühlung) eine zwangsläufige Reduktion des Verdichtungsgrades und eine Trägheit bei Laständerung.
Diese Synchronisierung ist die Ursache einer Reihe erheblicher technischer Probleme, deren Beseitigung zur zunehmenden Komplexität moderner Turbomaschinen f hrt. Andererseits kann die Turbomaschine, - vorausgesetzt, es handelt sich hierbei um einen Viertakt-Motor -, dank des erhöhten Ladedrucks des Ansaugtakts ebenfalls als arbeitspositiv gelten. Die Erhöhung der Leistungsdichte und die Steigerung des Wirkungsgrades moderner Diesel- Turbos ist demnach im Wesentlichen der externen Kompression zu verdanken.
Analysiert man andererseits den physikalischen Charakter der internen Kompression nach dem adiabatischen Verdichtungsszenario- 1 , so erweist sie sich als der limitierende Faktor für Wirkungsgrad und Leistungsdichte konventioneller Brennkraftmaschinen.
Die interne Kompression wird in der technischen Literatur durch das Verdichtungsverhältnis ε als prozessvolumetrische Bestimmung bezeichnet:
Figure imgf000009_0001
Dabei bezeichnet Vh das Hubvolumen und Vc das Kompressionsvolumen. Das Verdichtungsverhältnis £ ist für den effektiven Wirkungsgrad jeder herkömmlichen Brennkraftmaschine von entscheidender Bedeutung. Von ε hängt nämlich direkt deren thermischer Wirkungsgrad ητ ab: Je höher demnach das Verdichtungsverhältnis, desto höher auch der Wirkungsgrad.
, 1
ητ = \ r
Eine wesentliche Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ε hat demnach zur Folge, dass auch der Kompressionsdruck pB und die Temperatur TH ansteigen.
† pB = ρΑ * ε" ^ " TB = TA * εη~χ
Bei der Verbrennung von Kraftstoffen in komprimierter Luft werden die dabei entstehenden Gase auf eine hohe Temperatur gebracht. Die steigende Temperatur wiederum verursacht bei einem geschlossenen Gasvolumen eine gleichzeitige Druckerhöhung.
Bekanntlich ist der Druck der eigentliche Auslöser, das wahre ,Agens\ einer jeden Arbeitsproduktion.
Die Temperatur selbst hingegen spielt bei Brennkraftmaschinen keine unmittelbare Rolle als Kraft und Arbeit produzierender Faktor. In der Realität zieht eine zu hohe Temperatur neben positiven auch negative Folgen nach sich. Rein theoretisch betrachtet, wirkt sich eine erhöhte Verbrennungs- und damit auch erhöhte Kompressionstemperatur positiv auf Wirkungsgrad und Leistungsdichte jeder Brennkraftmaschine aus (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik, T-S-Diagramm). In der Praxis zeigt sich allerdings, dass bei Ottomotoren mit steigender Kompressionstemperatur auch die Klopfheigung zunimmt. Der Verbesserung des Teillast- Wirkungsgrades durch die höhere Verdichtung steht somit die klopfende Verbrennung bei Volllast gegenüber. Von einer klopfenden Verbrennung spricht man, wenn das gesamte Endgas die Ziindtemperatur erreicht und als Ganzes schlagartig, d.h. ohne geordnete Flammenausbreitung, verbrennt (Kompressionstemperatur >500D C). Da das hochkomprimierte Endgas über eine sehr hohe Energiedichte verfügt, werden bei der klopfenden Verbrennung abrupt enorm hohe Wärmemengen freigesetzt. Die hierdurch lokal auftretenden extrem hohen Temperaturen gehen mit einer maximalen Beanspruchung der Motorbauteile einher. Die gewaltigen Energieumsätze bewirken nämlich extreme Druckspitzen, die sich mit enormer Geschwindigkeit in den Brennraum ausbreiten und an den bekannten kritischen Stellen wie etwa Kolben, Dichtung und Zylinderkopf zu ausgedehnten und nachhaltigen Defekten fuhren können. Die heute üblichen Verdichtungsverhältnisse (ε = 11 ... 13) machen deshalb die sichere und zuverlässige Erkennung und Vermeidung einer klopfenden Verbrennung notwendig.
Beim Diesel-Verbrennungsverfahreu wird Luft zunächst im Zylinder hoch verdichtet (Verdichtungsverhältnis e = 17 ... 24), wodurch sie eine Temperatur zwischen 700 und 900 Grad Celsius erreicht. Bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht, beginnt die Einspritzung und Feinstverteilung des Kraftstoffs in die heiße Luft des Brennraums. Die hohe Temperatur ist ausreichend, um den Kraftstoff von seiner Oberfläche aus beginnend zu verdampfen und das Dampf-Luft-Gemisch zu zünden. Dank der Eigenschaften des Kraftstoffs beim Dieseiprozess kommt es zu keiner Klopfheigung. Da beim Selbstzünder jedoch eine sehr hohe Kompressionstemperatur und ein großer Luftiiberschuss {X bis 2,5) erforderlich sind, nehmen mit steigender Verdichtung auch die NOx- und HC- Emissionen zu. Die Stickoxide steigen aufgrund der erhöhten Verbrennungstemperaturen im Brennraum an, die HC- Emissionen wegen der stärkeren Zerklüftung des Brennraums (d.h. wegen des relativ größeren Anteils an Spalten) und wegen der Zunahme des Verhältnisses von Brennraum-Oberfläche zu Brennraum- Volumen (Oberflächen- Volumen-Verhältnis). Dabei erweisen sich eine übermäßig steigende Kompressionstemperatur der verschiedenen Kraftstoffe, die Zusammensetzung der Luft mit einem überaus hohen Anteil an Stickstoff und die realiter gegebenen Konstruktionsfaktoren (u.a. Reibung, Festigkeit, Temperaturstandfestigkeit der Strukturteile) als erhebliches Hindernis für eine signifikante Verbesserung von Wirkungsgrad und Leistungsdichte.
Von den vorgenannten Kriterien kommt der Kompressionstemperatur die entscheidende Bedeutung zu, und zwar als thermische Barriere ', die zwischen dem in der Praxis realisierbaren Verdichtungsverhältnis und einem signifikant erhöhten effektiven Wirkungsgrad steht.
Adiabate Verdichtung bei einem Otto-/Diesel-Prozess:
Figure imgf000010_0001
Der relativ geringe Wirkungsgrad und die unbefriedigende Leistungsdichte konventioneller Brennkraftmotoren sind also zum einen durch das Subtraktionspritaip, zum anderen durch die thermische Barriere der adiabatischen Verdichtung, begründet (Zeichnungen Seite 2, Fig. 2.2 und Fig. 2.3). Zahlreiche technische Neuerungen der letzten Jahre versuchen diese Nachteile zu verringern. Die meisten von ihnen beruhen entweder auf der Trennung des Luftprozesses vom Verbrennungsprozess und oder auf der Druckspeichertechnik.
So verwirklicht zum Beispiel der ScMt/en-Brennkraftmotor (Split Cycle ICE) (mehrere Druckschriften - Stand der Technik, Literatur) eine Trennung des Luftprozesses vom Verbrennungsprozess durch separate Zylinder. Der synchronisierte Ablauf der beiden Prozesse erfolgt mechanisch über eine gemeinsame Kurbelwelle. Dadurch soll, bedingt durch die synchronisierte externe Luftverdichtung, eine höhere Leistungsdichte erreicht werden als beim traditionellen Viertakt-Motor. Die externe Luftprozessierung basiert - wie bei konventionellen Bremikraftmotoren üblich - auf der adiabatischen Kompression des Verdichtungsszenarios- 1. Auf Grund des fallenden Druckgradienten bei der Zündung nach dem oberen Totpunkt erhofft man ein höheres Verdichtungsverhältnis und dadurch einen verbesserten Wirkungsgrad sowie eine Verminderung der NOx-Emission (angekündigt sind bis 45 Prozent). Da Luft- und Verbrennungsprozess synchronisiert sind, beruht der Scwdm-Breimkrafimotor trotz seiner externen Luftverdichtung wegen des viertaktigen Otto-Kreisprozesses nach wie vor auf einem subtraktiven Prozess. Damit besteht der für die herkömmliche Motortechnik charakteristische thermische und zeitliche Zusammenhang zwischen Luft- und Verbrennungsprozess unverändert fort. Bedingt durch das sich fortlaufend wiederholende Umsetzen des Subtrakiionsprinzips sowie die thermische Barriere auf Grund der adiabatischen Kompression, zeigt auch der Scuderi-Brennkraflmoior alle physikalischen Unzulänglichkeiten der traditionellen Motortechnik. Darüber hinaus ist die Motorkonstruktion durch eine äußerst schwer kontrollierbare innere heterogene Gemischbildung nach dem oberen Totpunkt gekennzeichnet (Teillast-Regelung).
Die Druckschrift EP 0895565B1 Verbrennungsmotor (Stand der Technik, Literatur) stellt ein ähnliches Konzept (Split-Cycle) vor, ein Brennkraftmotorsystem mit äußerer Verbrennung: Gemäß einem eigenen Arbeitsprozess finden äußere Gemischbildung und Verbrennung in einer separaten Verbrennungskammer statt. Die äußere Verbrennung gibt es in zwei Varianten; sie läuft entweder kontinuierlich oder zyklisch ab. Bekanntlich verursacht eine Dislokation des Verbrennungsprozesses von der Brennkraftexpansion eine hohe konstruktive Komplexität sowie eine Erhöhung der thermischen Verluste. Zusätzlich wird die isothermische Kompression nach dem Verdichtungsszenario-2 erwähnt, wobei diese mit der Verbrennungsexpansion synchronisiert abläuft. Die Vorteile der Umsetzung der Zwischenspeicher der komprimierten Luft (Druckspeichertechnik) werden durch die Verluste des Austauschs der Verbrennungsgase zwischen der externen Verbrennungskammer und der Arbeitskammer deutlich geschmälert (ein bekannter Nachteil der äußeren Verbrennung!). Darüber hinaus bleibt die verbrauchte Energie für die Vorverdichtung der Luft völlig ungenutzt.
Obwohl beide Patentbeispiele teilweise ebenfalls die Druckspeichertechnik in Form von Zwischenspeichern für die komprimierte Luft einsetzen, folgen wegen der ihnen zugrunde liegenden synchronisierten Kompression auch sie dem Subtraktionsprinzip. Trotz aller bisherigen Anstrengungen, die bekannten Nachteile des klassischen Zweitakt- Prinzips auf dem Wege einer Trennung des Kompressionsprozesses vom Brennkraftprozess in separaten Zylindern zu umgehen, besteht der synchronisierte Subtraktions verlauf der passiven (arbeitsnegativen) und aktiven (arbeitpositiven) Arbeitsstufen fort (synchronisierte externe Kompression),
Als einzige theoretische Ausnahme von dieser Regel kann das ursprüngliche aktive Brennkraftmaschinensystem AMICES aus Druckschrift (DE102008008859A1, Zeichnungen Seite 1, Fig.2. und 2.2, Stand der Technik) gelten, dessen charakteristische Besonderheit die Druckspeichertechnik und das paradigmatische Additionsprinzip sind. Die bislang mit zum Teil gravierenden Nachteilen einhergehende Beziehung zwischen zwei fundamentalen Verfahren der Brennkraftmotortechnik kann dadurch als bewältigt gelten. ZU LÖSENDE TECHNISCHE AUFGABE:
Ausgehend von der Tatsache des mit vielerlei Schwächen und Mängeln behafteten Subtraktionsprinzips erweist sich der ursprüngliche offene thermodynamische AMICES Prozess (DE102008008859A1 - Zeichnungen Seite Fig.1.1 Stand der Technik) als realistische Möglichkeit, die grundlegenden Probleme traditioneller Verbrennungsmaschinen zu lösen, - und zwar über einen aktiven kompressionslosen Arbeitsprozess, bei dem auf die synchronisierte interne Kompression des Frischgases gänzlich verzichtet wird. Als Ersatz für die in diesem Falle fe lende innere Kompression wird allerdings ein Druckspeicher für die Systemluft erforderlich.
Der Druckspeicher ermöglicht dem ursprünglichen Maschinensystem AMICES die Trennung der abträglichen Beziehung zwischen Kompressionsdruck und Kompressionstemperatur. Die Ursprungsparameter der bivalenten Einspritzung der Verbrennungskomponenten sind bei der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA selbst bei wechselhaften Betriebssituationen und bei Teillast immer konstant:
pt=konst. ; Tr=konst. =Tümgebung
Dementsprechend erfolgt die notwendige Nachfüllung des Druckspeichers in einem separaten isothermischen Verdichtungsprozess gemäß Verdichtungsszenario-2. Für die erforderliche Energetisierung dieses Nebenprozesses sorgt die ursprüngliche Innovation mittels der polyvalenten thermischen Rekuperation und der Plug-in-Technik (modulare Hybridtechnik).
Wie in der technischen Praxis üblich, stellt die ursprüngliche Innovation AMICES (DE102008008859A1 , Stand der Technik) eine simplifizierte Veranschaulichung des offenen Arbeitsprozesses und des Maschinensystems dar. Die für einen einwandfreien Arbeitsablauf des Maschinensystems maßgeblichen Problemkreise wie Einspritzstruktur, Gemischbildung, Zündung und aktive interne Kühlung, wurden dabei nur marginal angesprochen oder aber waren in diesem ersten Konzept noch ungeklärt. Deswegen ist es erforderlich, den thermodynamischen Arbeitsprozess und das daraus abgeleitete ursprüngliche AMICES Brennkraftmaschinensystem genauer zu definieren und weiter zu entwickeln.
Fragestellungen
Ursprüngliche Innovation AMICES (DEW2 0800S859A1, Stand der Technik)
Wie beim Betreten technischen Neulands üblich, geht auch die ursprüngliche Innovation AMICES (DE102008008859A1, Stand der Technik) mit einer Reihe noch zu klärender Frage- und Problemstellungen einher.
Fraeestellune 1:
Unzureichende Definition der inneren Gemischbildung (Stand der Technik)
Die bislang unzureichende Beschreibung der kalten bivalenten Einspritzung und der wandgefuhrten Erwärmung der eingemischten Frischladung stellt noch keine stabilen thermokineti sehen Voraussetzungen für die optimale innere Homogenisierung des Gemisches dar.
In der frühen Phase des Arbeitszyklus werden Ablauf, Effizienz und Vollständigkeit der Verbrennung ganz wesentlich von der Gemischbildung (Zusammensetzung und Verteilung des Frischgases) bestimmt.
Energetisch effiziente und schadstoffarme V rbrennungsprozesse fiir gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe haben als gemeinsames Konstruktionsmerkmal eine technisch ausgeklügelte Gemischaufbereitung, da die Gemischbildung ein entscheidendes Kriterium fiir die Qualität der Verbrennung darstellt.
Inhomogenitäten - gleich welcher Art— führen stets zur verstärkten Bildung von Schadstoffen wie CO, NOx, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Ruß.
Bei flüssigen Brennstoffen, die sich naturgemäß mit Luft schwerer mischen bzw. nachfolgend verbrennen lassen als gasförmige wie etwa Erdgas, kann die Gemischbildung in zwei getrennte, meist jedoch ineinander greifende bzw. parallel ablaufende Prozesse gegliedert werden, die Verdampfung des Brennstoffes und die nachfolgende Mischung mit der Verbrennungsluft.
Dipl.lng. Oliver Hein: Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurswissenschaften / Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften / Rheinisch- Westfälische Technische Hochschule Aachen
Bei klassischen Vergaser-Ottomotoren wird nach der äußeren Gemischbildung das homogene Gemisch im Kompressionstakt auf ca. 20...30 bar (ε = 8...12) verdichtet. Die zum Zeitpunkt der Zündeinleitung homogen vorliegenden Gemische bedingen eine vollständige Verdampfung des Kraftstoffs, da nur Gas (bzw. Gas- Dampfmischungen) einen homogenen Zustand einnehmen kann (können).
Mit der Zielsetzung, den Gesamtwirkungsgrad des Brennkraftmotors weiter zu optimieren, wurde die innere bzw. heterogene Gemischbildung entwickelt, wie sie für Diesel-, aber auch moderne Ottomotoren, typisch ist. Dabei handelt es sich um die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum. Der Ursprung des Direkteinspritzverfahrens geht bereits auf Rudolf Diesel zurück, der sich zu diesem Zweck einer Kraftstoffemblasung mittels Druckluft bediente. Bei der heute üblichen Direkteinspritzung wird der Kraftstoff unmittelbar in den Zylinder injiziert. Solche Motoren entwickeln schon bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment und gewährleisten auf diese Weise sowohl gute Fahrleistungen als auch einen relativ geringen Kraftstoffverbrauch. Die Direkteinspritzverfahren ähnlich sich hinsichtlich ihres Prinzips, allerdings unterscheiden sich die einzelnen Gemischbildungsvarianten. Je nach Art der thermokinetischen Gemischbildung mittels der Direkteinspritzung werden die Dieselmotoren nach wandverteilenden und luftverteilender Verfahren unterschieden. Unter dem Begriff BDE {Benzindirekteinspritzung) oder GDI {Gasolin Direct Injection) wurden weltweit die ,strah Ige führten', , wandgeführten' oder , luftgeführten' heterogenen Gemischbildungsverfahren entwickelt, die allesamt mit einem Luftüberschuss arbeiten. Aufgrund der Innenkühlung durch die direkte Einspritzung können solche Motoren höher verdichtet werden. Beide Maßnahmen, - das Entfallen der Drosselung und die höhere Verdichtung -, führen im Vergleich zu homogenen Gemischen zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades. Im Gegensatz zum Dieselmotor, bei dem der Injektionsvorgang gegen Ende des zweiten Arbeitstakts erfolgt, wird beim direkteinspritzenden Ottomotor die Haupteinspritzmenge während des zweiten Taktes zugeführt. Im Ottomotor, und zwar sowohl beim Saugrohr- als auch beim Direkteinspritzer, muss die Gemischbildung zum Zeitpunkt der Zündung bereits abgeschlossen sein, um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten. Ein weiterer Unterschied zum Dieselmotor ist zudem der deutlich geringere Einspritzdruck, der beim BDE-Benziner zwischen 100 und 200 bar liegt, beim Common-Rail Diesel hingegen zwischen 1600-2000 bar (Stand 2009).
Die Gemischbildung der direkten Einspritzungstechnik basiert auf dem Hybrid- oder Schichtladeverfahren. Zu diesem Zweck wurden schnellschaltende Elektromagnet-Einspritzventile entwickelt, die einen flexiblen Einspritzzeitpunkt und den notwendig hohen Einspritzdruck erlauben. Je später die innere Gemischbildung erfolgt, desto heterogener ist das Luft/Kraftstoff-Gemisch zum Zeitpunkt der Verbrennungseinleitung. Während bei der äußeren Gemischbildung demnach überwiegend homogene Gemische erzeugt werden, liegen bei der inneren Gemischbildung zum Zeitpunkt der Zündeinleitung verstärkt heterogene Gemische vor. Der Grad der Homogenisierung bei der inneren Gemischbildung hängt dabei stark vom Zeitpunkt der Gemischbildung ab. Die innere Gemischbildung wird deshalb auch als heterogene Gemischbildung bezeichnet.
Sowohl bei der homogenen als auch bei der heterogenen Gemischbildung hängen Zusammensetzung und Umfang der Rohemissionen von der nach der Zündeinleitung ablaufenden Verbrennung ab. Die Strategie der heterogenen Gemischbildung bei den BDE Ottomotoren basiert auf einer in unterschiedliche Zonen aufgeteilten Zusammensetzung des Luft/Kraftstoff-Gemisches im Brennraum. Diese Ladungsschichturig und die ultramagere Verbrennungsführung zielen darauf ab, mit einer gesteuerten Gemischführung an der Zündkerze ein zündfähiges fettes Gemisch zu erzeugen, während die restliche Verbrennung im mageren bis ultra-mageren Bereich stattfindet. Um die verbrauchsgünstig wirkenden hohen Luftüberschüsse bei Teillast realisieren zu können, muss der traditionelle Ottomotor im sogenannten Schichtlademodus betrieben werden. Bei dieser Betriebsart wird das Gemisch um die zentral im Brennraum positionierte Zündkerze konzentriert, wobei sich in den Randbereichen des Brennraums reine Luft befindet. Das Benzin/Luft-Gemisch beträgt im Magerbetrieb 1 .30 und im Leerlauf lediglich 1 :50. Zündfreudiger ist das Gemisch nur im Bereich der Zündkerze selbst. Die damit verbundene Verbrauchseinsparung resultiert zum einen aus der Entdrosselung des Motors, zum anderen in nicht unerheblichem Maße aus den minimierten Wärmeverlusten, die durch die zentral im Brennraum ablaufende Verbrennung mit umgebender isolierender Lufthülle ermöglicht werden.
Weltweit finden sich gegenwärtig drei Direkteinspritzsysteme für Zweitakt-Ottomotoren auf dem Markt: Es sind dies die ,FFF, entwickelt von der Provenion GmbH in Deutschland, das .Orbitalsystem' der australischen Orbital Corporation Ltd und das ,CWI' System {Compression Wave Injection) von Cobb Design in Florida/USA, Da beim Zweitaktmotor mit Direkteinspritzung kein Benzin in das Kurbelgehäuse gesaugt wird, finden sich dort ausschließlich Luft und Öl, aber kein das Öl verdünnendes Benzin, - was wiederum zur Folge hat, dass deutlich weniger Schmierstoff benötigt wird. Der bleifreie Kraftstoff wird erst nach dem Schließen des Auspuffschlitzes direkt in den Verbrennungsraum injiziert, was verhindert, dass un verbranntes Benzin durch den Auspuffkanal geblasen wird. Das Ergebnis ist ein sauber verbrennender Motor mit deutlich weniger Treibstoffbedarf.
Für die Innovation AMICES II sind vor allem die Erfahrungen mit den Direkteinspritzungs-Systemen von Zweitaktmotoren von Bedeutung und hier vor allem die bivalente Direkteinspritzung des australischen Orbitalsystems (mit der simultanen Einspritzung von Luft und Kraftstoff).
Beim Orbital-Motor wird durch elektronisch gesteuerte Direkteinspritzung in einer Düsenkombination vorgemischtes Luft-Kraftstoff' Gemisch simultan direkt in den Brennraum injiziert, und zwar erst dann, wenn der Ausl ss-Schlitz geschlossen ist und nichts mehr in den Auspuff entweichen kann. Dies erzeugt eine extreme Zerstäubung (Tröpfchengröße nur ca. 8 Mikron), welche jedoch lediglich eine tausendstel Sekunde dauert. Die Nadel- und Rollenlager, die sich durch geringen Ölbedarf auszeichnen, werden über die angesaugte Luft mit Öl versorgt, das mit einer elektronisch geregelten Ölpumpe fein dosiert wird. Wie beim normalen Zweitakter wird auch beim Orbital-Motor der Zylinder mittels Frischgasspülung vom Altgas befreit. Da vor der Verbrennung nur mit reiner Luft gespült wird, gibt es Spülverluste nur in Form von in den Auspuff verlorenen Luftanteilen. Die reine Luft kann weder zu Fehlzündungen führen, noch kann sie die Umwelt verpesten. Die Euro-3-Normen werden laut Orbital erfüllt, und auch den sonst beim Zweitakter so kritischen Ölausstoß haben die Australier im Griff.
Direkteinspritzung : Die Wiederbelebung des Zweitakters http://www. motorroller-info. de/einspritzung. html
Bislang fand das Orbital-System noch keine nennenswerte Verbreitung auf dem internationalen Markt (Stand 2009). Mögliche Gründe hierfür sind die technische Komplexität, die damit verbundenen Mehrkosten (Luftkompressor, zwei Magnetventile pro Zylinder, 6 bar-Kraftstoffpumpe erforderlich) sowie mögliche technische Probleme bei hohen spezifischen Motorleistungen (mangelnde Kolbenkühlung).
Nachteile des klassischen Kraftstoff-Direkteinspritzungsverfahrens:
Bei der heterogenen inneren Gemischbildung moderner Motoren wird das Ziel verfolgt, den Motor im gesamten Kennfeld ungedrosselt betreiben zu können (ungedrosselter Betrieb). Die Lastregelung erfolgt quantitativ wie auch qualitativ über das Mischungsverhältnis. Das Gesamt-Luftverhältnis kann 2-3 betragen, ohne dass es zu Zündaussetzern kommt. Die Ladungsschichtung weist dabei eine„Luftschicht" (äußerst mageres Gemisch, A 30) als thermische Dämmung gegenüber den Zyiinderwänden auf. Die Drucksteigerung infolge der lokalen Flammausbreitung fuhrt zu einer Temperaturerhöhung im gesamten Gemisch, auch in dem von der Flamme noch nicht erreichten äußeren mageren Gemisch, das als Endgas bezeichnet wird. Die lokal vorhandene Wärmestrahlung und Wärmeleitung führen jedoch dazu, dass die Temperatur in der Flammfront höher ist als im restlichen Gemisch. Als Folge des Luftüberschusses und der Ladungsschichtung sind die BDE Otto- und CR Dieselmotoren durch die ansteigende Temperatur im mageren Endgas in besonderem Maße von einer deutlich erhöhten Bildung von Stickoxiden betroffen. Nicht zuletzt wegen des Luft-Überschusses erzeugen Einspritz-Schichtlademotoren mehr Stickoxide im Abgas. Dementsprechend müssen zur Reduktion der Stickstoffoxid-Emissionen ,Magerkatalysatoren' entwickelt werden.
Bisher bewirkt die direkte Einspritzung durch den Kühlungseffekt der Kraftstoffverdünstung den Einsatz einer höheren Verdichtung (<13, Ottomotor/Atkinsonprinzip) und führt so zu einer Steigerung des Wirkungsgrads. Deswegen kommt es mit der Erhöhung des Einspritzdruckes paradoxerweise zu keiner zusätzlichen Steigerung der Subtraktion durch die negative Einspritzarbeit. All dies hat allerdings auch eine erhöhte Komplexität und damit eine Verteuerung des Motorsystems zur Folge.
In Anbetracht des konventionellen Subtraktionsprozesses und der heterogenen Schichtaufladung ist abzusehen, dass die Technologie der Direkteinspritzung mit ihrem aktuellen Entwicklungsstand bereits an die Grenzen ihrer Leistungseffizienz stößt. Allerdings geht der Trend bei beiden Motorentypen (Otto und Diesel) in Richtung eines noch weiter steigenden Einspritzdrucks, um auf diese Weise die Kraftstoffzerstäubung durch Verwirbelung zu verbessern und damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und oder (je nach Auslegung) die Leistung zu optimieren. Die im Wesentlichen durch die Position von Zündkerze und Einspritzventil festgelegte Gemischbildung wird durch gezielt induzierte, - als Drall und Tumble bezeichnete -, Strömungsvorgänge des eingespritzten Kraftstoffs im Brennraum unterstützt. Während der durch Spiral- oder Tangentenkanäle erzeugte Drall vor allem eine Rotationsachse parallel zur Zylinderachse aufweist, hat der durch Füllungskanäle erzeugte Tumble eine hierzu senkrechte Achse.
Allerdings wird bei den traditionellen direkten Einspritzverfahren ausschließlich der Kraftstoff direkt in den Brennraum des Ottomotors (Benzin-Direkteinspritzung, kurz BDE) oder auch des Dieselmotors (CR oder TDI Diesel-Direkteinspritzung) injiziert. ... "Bei traditionellen BDE Motoren mit drallunterstützter Gemischhomogenisierung reicht die Gemischbildungsenergie des monovalenten Einspritzstrahles (nur Kraftstoff wird eingespritzt) alleine bei höheren Nenndrehzahlen und größeren Betriebsdrehzahlspannen für eine ausreichend gute und schnelle Gemischaufbereitung nicht mehr aus. Die Gemischbildung muss durch zusätzliche Luftbewegungen im Brennraum unterstützt werden. Dazu werden deutlich engere Kolbenmulden verwendet, um einerseits eine hochturbulente Quetschströmung aus dem Kolbenspalt in der Nähe der Einspritzstrahl- Auftreffpunkte zu erzeugen und andererseits die durch geeignete Gestaltung der Einlassorgane (Drall-Einlasskanäle) erzeugte Drehbewegung der Luftladung weiter zu beschleunigen. Die daraus resultierende Gesamt-Drehgeschwindigkeit der Zylinder-Luftmasse wird dabei so gewählt, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das sich aus dem aus der Düse austretenden Einspritzstrahl und der senkrecht dazu drehenden Luftwalze über die Einspritzdauer bildet, das stromabwärts liegende Brennraumsegment bis zum folgenden Einspritzstrahl voll ausfüllt und nutzt. Wird das Brennraumsegment nicht voll erfasst, leidet die Luftausnutzung and damit die Leistungsausbeute. Überstreicht das Gemisch mehr als den Strahlzwischenraum, tritt durch zu hohe örtliche Kraftstoffanhäufung und damit Luftmangel verstärkte Russbildung auf Diese brennraumbedingte Gemischbildung wird bei wechselhaften Betriebszuständen (niedrige Drehzahl und Teillast) durch äußert geringe Luft-Bewegung zusätzlich belastet. "...
-Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/ Bosch Braunschweig; Wiesbaden: Viehweg, 1999
Diese Ausführungen formulieren die Intention der bivalenten Einspritzungstechnik des ursprünglichen AMICES Maschinensystems: Demzufolge basiert die innere heterogene Gemischbildung von BDE Otto- und CR Dieselmotoren auf dem thermokinetischen Zusammenhang zwischen der monovalenten Einspritzung des Kraftstoffs und der Kompressionswärme der verdichteten Luft. Auf Grund der direkten Einspritztechnik und der inneren Gemischbildung ist eine gewisse Ähnlichkeit des AMICES Maschinensystems mit der traditionellen Direkteinspritzung von BDE Otto- und CR Dieselmotoren durchaus gegeben. Im Unterschied zur konventionellen Technik erfolgt bei der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA eine vollständige bivalente Einspritzung der kalten Verbrennungskomponenten aus dem Druckspeicher zu Beginn des kompressionslosen Arbeitszyklus. Der Begriff .bivalent' steht für die vollständige Einspritzung von Oxidationsmittel und Kraftstoff, während ,kalt' die Umgebungstemperatur bezeichnet. Die Luft und der Brennstoff liegen bei konstantem Einspritzdruck (pi und gleicher Umgebungstemperatur T0 immer im stöchiometrischen Mischungsverhältnis (1 =1 ) vor. Die bivalente Einspritzung gewährleistet eine wesentlich dynamischere innere Mischung der Verbrennungskomponenten im Brennraum. Zusätzlich erzeugt dieser Vorgang die so genannte pneumatische Einspritzarbeit, die sich mit der daran anschließenden Verbrennungs-Expansionsarbeit summiert. Auf diese Weise steht die bivalente Einspritzungstechnik vollständig im Dienst der Arbeitsproduktion.
Dieser Ablauf wird in der weiteren Beschreibung der Innovation AMICES II als Additionsprinzip gekennzeichnet und erweitert definiert.
In der ursprünglichen simplifizierten Darstellung des AMICES Motorsystems kam darüber hinaus auch die innere Gemischbildung und Homogenisierung der Frischladung nur peripher zur Sprache. Die erwähnte wandgeführte Erwärmung des Gemisches reicht für eine optimale Gemischtemperatur und einen bestmöglichen Homogenisierungsgrad nicht aus. Da die Hauptelemente des ursprünglichen AMICES Maschinensystems (Druckschrift DE 102008008859 AI - Stand der Technik), insbesondere das Einspritzsystem MCCRS, in einer starken vereinfachten Ausführung und einer ungeeigneten Lage dargestellt sind (Zeichnung Seite 10, Fig. 10.3), ist es auch notwendig, das Einspritz- und Gemischbildungssystem genauer zu definieren. In diesem Zusammenhang stellt die Innovation AMICES II mehrere unterschiedliche Konzepte der Gemischbildung vor, wie sie durch die gezielte Primäre Einspritzung der Verbrennungskomponenten erfolgt. Durch die kombinierte Lage sowie die Anzahl und Anordnung der Einspritzventile einerseits und das rekuperative Wärmeaustauschsystem im Brennraum andererseits, gewährleisten diese Konzepte eine optimale thermokinetische Homogenisierung des Frischgases.
Fraeestetlune 2:
Problem der Effizienz und der Dauer der Verbrennung in Zusammenhang mit der Spätzündung
Theoretisch stellt die Zündung bei Brennkraftmotoren aufgrund der thermischen Reaktion zwischen der Luft und dem Kraftstoff einen Multiplikationsfaktor des Kompressionsdrucks (Isochore, Arbeit=0) dar. Eine kurze Brenndauer, mit anderen Worten eine hohe Brenn geschwind igkeit, ist für einen hohen Wirkungsgrad von ausschlaggebender Bedeutung. "... die traditionellen Verbrennungsmotoren kann man grob in vier Gruppen unterteilen, welche sich durch den Grad der Vermischung des Brennstoffs mit der Luft im Zylinder sowie durch die Art, wie diese Mischung gezündet wird, unterscheiden. Die erste Gruppe umfasst funkengezündete Motoren, in denen eine vorgemischte, homogene Treibstoff-Luft- Mischung durch einen Funken gezündet wird. Hierzu gehört der„normale " Benzinmotor. Die zweite Gruppe sind Motoren, in denen ein heterogenes Gemisch durch Kompression gezündet wird. Zu diesen gehört der Dieselmotor, da hier der Treibstoff während des Kompressionstaktes in den Zylinder eingespritzt wird, sich teilweise mit der Luft mischt und dann bei ausreichend hoher Temperatur zündet. Der Benzinmotor mit Direkteinspritzung ist ein Beispiel für die dritte Gruppe, Motoren, in denen ein inhomogenes Gemisch funkengezündet wird. Der HCCI-Motor stellt die vierte Klasse dar. Hier wird ein homogenes, vorgemischtes Treibstoff-Luft-Gemisch durch Kompression gezündet. "
Quelle:
„Einsatz der las er induzierten Fluoreszenz organischer Moleküle zur Visualisierung von gemischbildungs- und Verbrennungsprozessen ": Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde der Naturwissenschaftlich-Mathematischen Gesamtfakultät /Ruprecht-Karls- Universität Heidelberg- Diplom-Chemikerin Nicole Graf (2003)
Die Fremdzündung läuft in zwei Phasen ab:
Die erste, die sogenannte Entflammungsphase, läuft zwischen der Zündenergiezufuhr des Zündfunkens und der thermischen Reaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches ab. Die Entflammungsphase ist ungefähr zeitkonstant und nur von der Gemischzusammensetzung (Luftzahl λ) abhängig. Dies bringt einen Zündverzug mit sich, der bezogen auf den Kolben weg (°KW) mit steigender Motordrehzahl anwächst und sich mit der Luftzahl λ ändert Mit zunehmender Drehzahl und größer werdender Luftzahl λ muss deshalb der Zündzeitpunkt vorverlegt werden. Dieser zeitlichen Vorverlegung sind durch die sich verringernde Energiedichte des Gemisches im Bereich der Elektroden Grenzen gesetzt. Aus diesem Grunde müssen Brennräume möglichst kompakt ausgeführt werden.
Die zweite Phase, die Wärmefreisetzung, bezeichnet den thermischen Ablauf der exothermen Reaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Wärmefreisetzung muss durch die richtige Lage und passende Wahl des Zündzeitpunkts sichergestellt werden. Die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung wird durch die Flammgeschwindigkeit und die von der Flamme erfasste Oberfläche (Brenn volumen) bestimmt. Wegen der Diffusionsvorgänge in der Ftammfront hängt die Flammgeschwindigkeit vom Gemischzustand (Luftzahl λ und Gemischtemperatur 7^) und der Faltung der Flammoberfläche durch Turbulenzen und gezielt erzeugte Strömungen wie Drall, Tumble oder Squish ab. Letztere führen zu einer Beschleunigung der Energieumsetzung. Da sie mit der Drehzahl zunehmen, nimmt auch die Faltung der Flammoberfläche zu. Damit wird auch verständlich, warum die Wännefreisetzung mit der Drehzahl beschleunigt wird, obwohl die Flammgeschwindigkeit per defmitionem nicht zunehmen kann.
Das Zündsystem muss imstande sein, das verdichtete Gemisch auch bei instationären Betriebszuständen, d.h. bei hinsichtlich Gemischbewegung und Luft-Kraftstoff-Verhältnis stark wechselnden Bedingungen, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zuverlässig zu entflammen. An diesen durch instationäre Betriebszustände verursachten wechselnden Bedingungen ist auch das HCCI- Motorenkonzept (Homogeneous Charge Compression /gnition) gescheitert, das für viele Experten als eine der großen Hoffnungen im Bereich der Motorentwicklung galt. Der HCCI-Motor, gekennzeichnet durch seine selbstzündende kontrollierte Verbrennung, - eine Brückentechnologie zwischen den heutigen Diesel- und Benzin- Verbrennungsmotoren -, kann jedoch nur unter optimalen Bedingungen betrieben werden.
Die herkömmliche Funkenzündung von Brennkraftmotoren ist dadurch charakterisiert, dass in der Anfangsphase (laminare Verbrennungsphase,) nur das in unmittelbarer Nähe der Zündkerze befindliche Kraftstoffgemisch gezündet wird. Anschließend breitet sich die Flamme nach und nach laminar im gesamten Verbrennungsraum aus. Altemativmethoden zum konventionellen Zündverfahren, wie beispielsweise die Mikrowellen- und Laserzündung, befinden sich zwar noch in der VeTSuchsphase, versprechen aber für die Zukunft eine wesentliche Verbesserung und vor allem Verkürzung des Zündungsvorgangs.
Die Mikrowelle, die sich in Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, deckt in einem Augenblick das gesamte Raumvolumen eines Zylinders ab. Das hat zur Folge, dass alle Teilchen (Cluster) des Kraftstoffgemischs nahezu gleichzeitig gezündet werden. Damit reduziert MWl die unproduktive laminare Phase der Verbrennung auf ein Minimum und steigt fast sofort in die effiziente Phase ein. Das Diagramm zeigt deutlich, wie als Folge der nahezu gleichzeitigen Zündung aller Treibstoffgemisch-Partikel im Verbrennungsraum die laminare Phase extrem verkürzt wird Diese Verkürzung des ineffizienten Aufheizens des Treibstoffgemischs hat unmittelbare Auswirkungen auf Verbrauch und Schadstoffemission. Beides wird entscheidend reduziert und dennoch bleibt die Motorleistung gleich. Für Hersteller und Verbraucher eröffnen sich damit ungeahnte Perspektiven, im wirtschaftlichen wie im ökologischen Sinne.
http://www. mwi-gmbh. com/
Auch die Laserzündung verkörpert ein neuartiges Zündsystera: Dir Prinzip besteht darin, den Strahl eines gepulsten Lasers mittels geeigneter Linsenoptik innerhalb eines brennbaren Gemisches im Verbrennungsraum derart zu fokussieren, dass das entstehende Plasma das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und so eine herkömmliche Zündkerze ersetzen kann. Aus motortechnischer Sicht bedeutet das eine Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades bei einer möglichst stickoxidarmen Verbrennung des Brennstoffs. Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors steigt mit dem Verdichtungsverhältnis ε und der Luftzahl λ an. Die modernen BDE Magermotoren ermöglichen die Verbrennung bei einem höheren Luftüberschuss (A), wohingegen dieser bei der traditionellen Funkzündung limitiert ist (λ<1.3). Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses impliziert gleichzeitig eine Erhöhung des Zünddrucks, was bei konventionellen elektrischen Zündsystemen wiederum eine erhöhte Durc bmchspannung zur Folge hat. Diese laut dem Paschen-Back-Gesetz erhöhte Spannung resultiert in einer stärker ausgeprägten Elektrodenerosion, welche die Lebensdauer einer Kerze drastisch reduziert. Außerdem erweisen sich extrem magere Kraftstoffgemische als ausgesprochen zünd unwillig und benötigen daher geometrisch optimale Zündverhältnisse; diese aber können durch die elektrische Funkenzündung nicht gewährleistet werden.
Die Laserzündung basiert auf einer Plasmabildung, was die Zwischenstoßprozesse begünstigt. Die minimale Plasmaenergie, - das Analogon zur Durchbruchspannung bei der elektrischen Funkenzündung -, nimmt mit steigendem Druck ab. Dabei sinkt die Plasmaschwelle als Voraussetzung für den optischen Durchbruch mit längerer Wellenlänge und steigendem Druck, was in Zusammenhang mit dem AM1CES Motorsystem wegen dessen hohen Einspritzdrucks besonders wichtig ist. Die Anwendung der klassischen Funkenzündung bei der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2ΧΛ wird dadurch beeinträchtigt, dass die notwendige Zündspannung mit dem zum Zeitpunkt der Zündeinleitung herrschenden Gasdruck ansteigt. Der erwartete Druck des Gemisches vor der Zündungseinleitung wird mindestens zweimal so hoch wie beim traditionellen Ottomotor (>50 105 Pa).
Im Vergleich zur konventionellen Funkenzündung weist die Laserzündung eine Reihe bedeutsamer Vorteile auf, die ihren Einsatz bei der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA besonders interessant machen. Dies sind vor allem
- ein wesentlich geringerer Zündverzug
- niedrigere Flammentemperaturen und Reduktion der thermischen NOx Bildung
- eine effektivere Energieabgabe an das Brennstoff-Luft-Gemisch (Entfallen des Q ench-Effekts)
- die freie Wahl des Fokuspunktes des Zündfunkens
- die mögliche Anwendung bei wesentlich höherem Kompressionsdruck (bei AMICES = Einspritzdruck)
- geringere Verschleißerscheinungen und damit ein reduzierter Wartungsaufwand
- Flammeneinleitung bei ungünstigem Luftüberschuss
Da die Zündung bei der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2ΧΛ spät nach dem oberen Totpunkt (ca. 15...30° KW) erfolgt, - ein Sachverhalt, der den Verbrennungsprozess traditioneller Otto-Motoren beeinträchtigen würde -, sind eine kurze Brenndauer und eine hohe Brenngeschwindigkeit wesentliche Voraussetzungen für einen hohen Wirkungsgrad. Die erfolgreiche Entwicklung alternativer Zündungsmethoden kann die Entwicklung der AMICES Motortechnik deshalb noch weiter verbessern.
Der Schwerpunkt der Wärmefreisetzung hegt bei BDI-Ottomotoren kurz (ca. 5...10°KW) nach dem oberen Totpunkt. Somit ist die Magergrenze der Entflammung, aber auch der frühestmögliche Zeitpunkt der Zündeinleitung, vorgegeben. Bei mit e = 8...12 verdichteten Motoren liegt dieser Bereich bei ca. 40...50 °KW vor OT. Bei der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA wird der Zündpunkt wegen der Einspritzung und der Gemischbildung nach dem oberen Totpunkt zeitlich nach hinten verlegt (voraussichtlich ca. 15...30° KW). Dementsprechend kann im Falle einer klassischen Funkenzündung der erwartete Schwerpunkt der Wärmefreisetzung sehr spät erfolgen (voraussichtlich ca. 30...60° KW). In der Kombination von unvollständiger Gemischbildung (Fragestellung 1) und der in der Praxis umstrittenen Funkenzündung nach dem oberen Totpunkt, könnten die optimale Flammeinleitung und die vollständige Wärmefreisetzung durch einen zu großen Zündverzug gekennzeichnet sein. In der frühen Konzeptphase des ursprünglichen AMICES Maschinensystems konnte wegen des spezifischen Einspritzsystems und der Undefinierten Gemischbildung über die tatsächliche Ausmaß dieses Verlustes (-dW) trotz reichlicher Erfahrung mit der Zündung bei BDE Ottomotoren nur spekuliert werden.
In Hinblick auf die Erfahrungen mit der Spätzündung bei traditionellen Otto-Motoren bestehen bei Experten wegen der laufenden Dekompression beträchtliche Vorurteile. Bekanntlich führt eine späte Wärmefreisetzung zu einer ungünstigen Wärmenutzung und zu hohen Abgastemperaturen. Deshalb könnte eine Zündung nach dem oberen Totpunkt bei der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2ΧΛ befürchten lassen, diese Spätzündung könnte die Vorteile des innovativen Additionsprinzips hinsichtlich Leistungsdichte und Wirkungsgrad möglicherweise dekrementieren. Aus diesem Grunde spielt die Schnelligkeit der Ziindungsverfahren eine entscheidende Rolle für den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA.
Für eine schnelle Verbrennung bei der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA sprechen hingegen ein überaus hoher Einspritzdruck, die thermische Erhitzung und die überaus turbulente Bewegung des Gemisches. Sowohl die Druckerhöhung als auch die gezielten Turbulenzen erlauben auf Grund der schnelleren Verbrennung in der Regel einen späteren Zündzeitpunkt. Die Ström ungs Vorgänge falten die Flammoberfläche auf and führen somit zu einer Beschleunigung der Energieumsetzung, Beim traditionellen, dem üblichen Subtraktionsprinzip folgenden Motor, erweist sich auch diese Verbrennungsarbeit durch Frühzündung teilweise als negativ (Siehe Z, Zeichnung Seite 19, Fig.19.2). Bei der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2ΧΛ hingegen ist aufgrund der Spätzündung die gesamte Verbrennungsarbeit positiv.
Da die Gemischzusammensetzung bei der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2ΧΛ immer konstant (konstante stöchiometrische Luftzahl 1=7) ist, erwartet man im Falle einer gelungenen vollhomogenen Gemischbildung (Luftzahl λ=7) einen entsprechend geringen Zündverzug. Mit zunehmender Drehzahl wird es (wie im Fall traditioneller BDE Ottomotoren auch) jedoch nötig, den Zündzeitpunkt vorzuverlegen. In diesem Sinne setzt die Innovation mehrere Konzepte der Gemischbildung und die aktuellen Erfahrungen mit der Zündungseinleitung im Rahmen der Laserplasma- und Mikrowellentechnik ein.
Fragestellung 3:
Problem der möglichen Überhüzung der Maschinenkomponenten auf Grund der hohen spezifischen Leistung
Laut dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik entspricht die ausgetauschte Wärme dQ eines Brennkraftprozesses seiner indizierten Arbeit. Die beeindruckend hohe Leistungsdichte in Zusammenhang mit dem wesentlich höheren Mitteldruck der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2ΧΛ (5 fach > Viertakt-Ottomotor) kann allerdings auch einen schädlichen Überhitzungseffekt erzeugen. Nach entsprechenden Erfahrungen mit BDE Zweitaktmotoren, insbesondere dem Orbital-Zweitaktmotor, muss der möglichen Gefahr der Überhitzung der Maschinenteile deshalb a priori ein besonderes Augenmerk gelten. So kann beispielsweise der erwähnte Orbital-Zweitaktmotor durch die erhöhte spezifische Motorleistung zu einer Überhitzung des beweglichen Kolbens fuhren, die sich mit konventionellen Kühlmaßnahmen nicht mehr optimal lösen lässt
Um die erwähnten Überhitzungsprobleme zu verhindern, ohne dabei gleichzeitig die nachteilige Wärmeableitung durch das Kühlungssystem zu vergrößern, setzt die Innovation mittels der Sekundären Einspritzung die rekuperative innere Kühlung ein. Da die Abgase beim Verlassen des Brennraums noch immer eine sehr hohe Temperatur aufweisen (Benzin>1000°C, Diese1>700°C), bleibt allerdings die erweiterte thermische Rekuperation der verbleibenden Abgaswärme das vorrangige Ziel der Sekundären Einspritzung.
Frasestelluns 4:
Problem der Abg s-Rekuperaüon und der passiven Kolbenrückführung während des Ausstoßtakts
Im zweiten Takt werden die Abgase aus dem Verbrennungsraum ausgestoßen (Ausstoßtakt). Beim theoretischen Prozessablauf der ursprüngbchen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA wird das Abgasventil in unteren Totpunkt (UT) geöffnet und dadurch im gleichen Augenblick der Innendmck des Brennraums isochorisch mit dem Umgebungsdruck ausgeglichen. Tatsächlich öffnet die reale aktive Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA ebenso wie ihre traditionellen Pendants kurz vor dem unteren Totpunkt (UT) das Auslassventil und verlassen bei berkritischem Druckverhältnis während dieses Vorauslassens rund 50 Prozent der Brenngase noch während des ersten Takts den Brennraum. Beim konventionellen Hubkolbenmotor beginnt die Nockenwelle zwischen 45° und 60° KW vor dem unteren Totpunkt (UT) das Abgasventil zu öffnen. Der sich nach oben bewegende Kolben sorgt während des Ausschubtakts für die Entfernung der Brenngase aus dem Brennraum. Wegen der Frühöffnung des Abgas ventils geht ein Teil der Expansionsarbeit des Hubkolbenmotors im ersten Takt wieder verloren. Die Abgase werden bei der aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA nicht direkt in die Atmosphäre freigesetzt, sondern stattdessen der Compound- Abgasturbine AT zugeführt. Deshalb ist das aktive Brennkraftmaschinensystem AM1CES während der fortgesetzten Expansion durch eine Tandemproduktion der Arbeit, d.h. eine kurzfristige simultane Produktion von Primärer Arbeit durch die aktive Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA und rekuperativer Sekundärer Arbeit durch die Compound- Abgasturbine AT charakterisiert. Nach dem unteren Totpunkt ist eine zu geringe Menge an Abgasen im Brennraum des Hubkolbenmotors vorhanden, um eine nennenswerte Produktion an Sekundärer Arbeit durch die Kolbenbewegung zu unterstützen. Um eine optimale ekuperation über die Abgasturbine zu gewährleisten, wird eine größere Anzahl an Arbeitszylindern erforderlich (beim ursprünglichen Motorkonzept wurde von mindestens drei Zylindern ausgegangen). Außerdem weist die aktive Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA während des Ausstoßtakts eine geringfügige Subtraktio seigenschaft auf.
Aus diesem Grunde präsentiert das innovative AMICES II Motorsystem AMS ein verbessertes Ausstoßverfahren, das auf der Kombination der Wirkung der Sekundären Einspritzung der Systemluft und jener des Hinterdrucksystems (BPS) beruht.
Das entsprechende Innovationskonzept wird weiterhin als AMICES II (Additive Moduiar Internal Combustion Engine System Ii) bezeichnet. Eine Weiterentwicklung und Verbesserung des ersten AMICES Konzepts (Stand der Technik) erfolgt in den folgenden Punkten:
1. ) AMICES II Rekuperativer Additionsprozess: Erweiterte Definition der offenen Prozessführung
(Zeichnung Seite 1, Fig.1.1, DE102008008859A1 - Stand der Technik) durch den Additionsprozess.
2. ) AMICES II Motorsystem AMS: Weiterentwicklung des ursprünglichen Maschinensystems
(Zeichnung Seite 1, Fig.1.2, DE102008008859A1 - Stand der Technik) durch das Motorsystem AMS
. ) AMICES II Hybridaggregat AHA: Weiterentwicklung des ursprünglichen Modularsystems
(Druckschrift DE102008008859A1 - Stand der Technik) durch das Hybridaggregat AHA
BESCHREIBUNG
Die Aufgabe wird durch die Merkmale in Patentanspruch- 1 gelöst. Das Innovationssystem wird als AMICES II bezeichnet (Additive Moduiar Internal Combustion Engine System II). Die Beschreibung bezieht sich auf die nachfolgenden spezifizierten Zeichnungen:
1. AMICES II Rekuperativer Additionsprozess :
ZEICHNUNGEN SEITE 1
Fig.1.1 Ursprüngliche offene aktive Prozessföhrung AMICES (DE I02008008859A 1 - Stand der Technik) Fig.1.2 Ursprüngliches aktives Brennkraftmaschinensystem AMICES (Stand der Technik)
ZEICHNUNGEN SEITE 2
Fig. 2.1 Herkömmlicher Lenoir-Prozess (Stand der Technik)
Fig. 2.2 Subtraktionsprozess: Otto-/Diesel-Prozess (Stand der Technik)
Fig. 2.3 Thermischer Wirkungsgrad: Otto-/Diesel-Prozess (Stand der Technik)
ZEICHNUNGEN SEITE 3
Fig. 3.1 Additionsprozess: Transformation des Lenoir-Prozesses - Ausgangslage
Fig. 3.2 Additionsprozess: Transformation des Lenoir-Prozesses - Ziellage
ZEICHNUNGEN SEITE 4
Fig. 4.1 Additionsprinzip: Additionsprozess
Fig. 4.2 Additionsprinzip: Rekuperativer Additionsprozess
Fig. 4.3 Additionsprinzip (A: Innovation) vs. Subtraktionsprinzip (B: Stand der Technik)
ZEICHNUNG SEITE 5
Fig. 5 AMICES II Rekuperativer Additionsprozess
ZEICHNUNGEN SEITE 6
Fig. 6.1 Gegenüberstellung: Indkierte Arbeit des Brennkraftprozesses Fig. 6.2 Additionsprozess: Thermopneumatischer Wirkungsgrad
ZEICHNUNG SEITE 7
Fig. 7 AMICES II: Realer Rekuperativer Additionsprozess
2. AMICES II Motorsystem AMS
ZEICHNUNGEN SEITE 8
Fig. 8.1 Ursprung des AMICES II Aktivmotors 2XA :
Traditioneller Diesel-Zweitaktmotor mit spiralförmiger Zylinder -Ausspülung (Stand der Technik) Fig. 8.2 Ursprung des AMICES II Aktivmotors 2XA:
Diesel-Zweitaktmotor mit spiralförmiger Kraftstoffeinspritzung (Stand der Technik)
Fig. 8.3 AMICES (Ursprung - Stand der Technik) vs. AMICES Ii-Innovation
ZEICHNUNGEN SEITE 9
Fig. 9.1 AMICES II: Konzept des Motorsystems AMS
Fig. 9.2 AMICES II: Konzept des Motorsystems AMS (Detail Zylinderkopf)
ZEICHNUNGEN SEITE 10
Fig. 10, 1 AMICES II: Konzept des Wärmeaustauschsystems
Fig. 10,2 AMICES II: Konzept der Sekundären Einspritzungstechnik
ZEICHNUNG SEITE 11
Fig. 1 1 A MICES II: Primäre Einspritzung, Konzept- 1
ZEICHNUNG SEITE 12
Fig. 12 AMICES II: Primäre Einspritzung, Konzept-2
ZEICHNUNGEN SEITE 13
Fig. 13.1 AMICES II: Primäre Einspritzungstechnik, Konzept-1
Fig. 13.2 AMICES II: Sekundäre Einspritzungstechnik
ZEICHNUNGEN SEITE 14
Fig. 14 Rekuperative innere Kühlung durch die Sekundäre Einspritzung - Variante 1
ZEICHNUNG SEITE 1
Fig. 15 Rekuperative innere Kühlung durch die Sekundäre Einspritzung - Variante 2
ZEICHNUNG SEITE 16
Fig. 16.1 AMICES II: Hinterdrucksystem BPS (Back Pressure System)
Fig. 16.2 AMICES II: Hinter drucksystem BPS (Back Pressure System)
ZEICHNUNG SEITE 17
Fig. 17 AMICES II: Hinterdrucksystem BPS (Back Pressure System)
ZEICHNUNGEN SEITE 18
Fig. 18.1 AMICES II: Primäre Einspritzung, Konzept-2B
Fig. 18.2 AMICES II: Kombinierte Verbrennungsverfahren, Konzept-2B
ZEICHNUNG SEITE 19
Fig. 19.1 AMICES II Motorsystem AMS: Additionsdiagramm ( mit Hinter drucksystem BPS) Fig. 19.2 Otto- Viertaktmotor: Subtraktionsdiagramm ( Stand der Technik)
Fig. 19.3 AMICES II 'Downsizing': Additionsmotor 2XA vs. BDE Ottomotor
ZEICHNUNGEN SEITE 20
Fig. 20 AMICES II Motorsystem AMS: Wirkung der Teillast (Lastregulationsprinzip) 3.0 AMICES II Hybridaggregat AHA
ZEICHNUNGEN SEITE 21
F ig. 21.1 A MICES II: Übersicht der Prozess- und Motorstruktur
Fig. 21.2 Zusammenhang zwischen Leistung, Druck und F ördermenge bei der adiabatischen Luftverdichtung ZEICHNUNGEN SEITE 22
Fig. 22.1 AMJCES II Hybridaggregat AHA/HO: Wasserstoff/Sauerstoff
Fig. 22.2 AMICES II Hybridaggregat AHA/HO: Wasserstoff/Sauerstoff
ZEICHNUNGEN SEITE 23
Fig. 23.1 AMICES I Wasserstoff: Regeneratives modulares Elektrizitätswerk
Fig. 23.2 AMICES II Wasserstoff: Photovoltaik-Heimwerk System
ZEICHNUNGEN SEITE 24
Fig. 24.1 AMICESII Hybridaggregat AHA/LK: Systemluft/ handelsübliche Kraftstoffe
Fig. 24.2 AMICES II Hybridaggregat AHA/LK: Mikrohybrid/Mildhybrid
ZEICHNUNGEN SEITE 25
Fig. 25.2 AMICES II Hybridaggregat AHA/LK: Vollhybrid
Fig. 25.2 AMICES II Hybridaggregat A HA/LK: Vollhybrid - Modulationsplan
ZEICHNUNGEN SEITE 26
Fig. 26.1 AMICES II PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) - Isometrische Ansicht
Fig. 26.2 AMICES II PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) - Draufsicht
1.0 AMICES II Rekuperativer Additionsprozess
Erweiterte Definition des ursprünglichen ,offenen aktiven thermodynamischen Arbeitsprozesses AMICES'
(Druckschrift DE 102008008859A1 - Stand der Technik)
1.1 Additionsprozess: Eine hybride Transformation des Lenoir-Prozesses
Die Zeichnungen Seite 3 (Fig.3.1 und 3.2) präsentieren im p-v-Diagramm die Grundlage für die erweiterte Definition des ,offenen aktiven thermodynamischen Arbeitsprozesses ' (Druckschrift DE102008008859A1 - Stand der Technik). Diese erweiterte Definition der offenen Prozessführung erfolgt durch Transformation aus einem herkömmlichen Lenoir-Prozess (Fig.3.1 und 3.2 Stand der Technik) und wird im Folgenden als AMICES II Additionsprozess bezeichnet.
Die Gegenüberstellung der zwei Arbeitsprozesse, - des originären Lenoir-Prozesses (Fig.3.1) und des innovativen Additionsprozesses (Fig.3.2.) -, offenbart deren funktionale Ähnlichkeit. Aus thermodynamischer Sicht beinhalten die beiden Arbeitsprozesse die gleichen Zustandsändemngen und zeigen auch einen ähnlichen Prozessablauf. Der wesentliche Unterschied zwischen ihnen ergibt sich aus der Lage und der essentiellen Bedeutung der Isobare Pktl- Pk 2 (Fig. 3.1. und Fig. 3.2.). Diese kennzeichnet die Ausgangszustandsänderung der beiden Prozesse. Während die Isobare PkH-Pkt2 (Fig. 3.1) beim herkömmlichen Lenoir-Prozess jedoch ein arbeitsnegatives Ansaugereignis bezeichnet, entspricht die Isobare PkLl-PkL2 (Fig. 3.2) des Additionsprozesses der arbeitspositiven Einspritzung der Frischladung.
Der Arbeitszyklus des originären Lenoir-Hubkolbenmotors erfolgt in einer offenen Prozessführung (Zeichnungen der Seiten 2 und 3, Fig. 2.1 und 3.1) "doppelseitig" (nach beiden Seiten) in zwei Takten, von denen nur ein Teil des ersten Takts arbeitsproduktiv ist. Der Prozess beginnt in Pkt. 1 (VQ) bei atmosphärischem Unterdruck mit dem langen Ansaugen eines Luft/Kraftstoff-Gemisches bis zum ZUndzeitpunkt Pkt. 2 (v,). Nach der Zündung kommt es zur isochorischen Druckerhöhung in Pkt 3 (vt) und zu einer kurzen arbeitsproduktiven adiabatischen Expansion bis zur Endposition der Kolbenbewegung in Pkt 4 (vj. Nach dem isochorischen Ausgleich mit dem atmosphärischen Außendruck in Pkt 5 (v^) vollzieht sich die lange passive Rückkehr des Kolbens in die Ausgangsposition bei gleichzeitigem Ausstoß der Abgase (Pkt. 6, v0). Damit besteht ein arbeitsinduktiver Lenoir-Vergleichsprozess aus einer isochoren Wärme2aifuhr zwischen Pkt 2 und Pkt 3, einer isentropen Expansion zwischen Pkt und Pkt.4 und einer wiederum isochoren Rückführung (Pkt.4 - Pkt 5) des Arbeitsmediums in den Ausgangszustand des Prozesses. Geschlossen wird der Kreisprozess durch eine virtuelle isobarische .Zustandsänderung' (PkLS - Pkt2). Die kleine durch die Zustandsänderungen umschlossene Fläche entspricht somit einer geringen effektiven Arbeit (äußerst arme Leistu gsdichte, kleiner Wirkungsgrad von nur 3 bis 4 Prozent).
Im Unterschied zum klassischen Lenoir-Prozess (und auch zum Otto- und Dieselprozess) verläuft die offene Prozessführung des AMICES II Additionsprozesses in einer Hybridumgebung, welche durch einen bivalenten Druckzustand gekennzeichnet ist. Dieser bivalente Druckzustand der Hybridumgebung gewährleistet eine permanente Druckdifferenz [dp=pi—ptt] mithilfe des Druckspeichers.
Erster Druckzustand: Vorkomprimierungszustand der Brennkraftkomponenten gemäß Verdichtungsszenario-2, gekennzeichnet durch den Einspritzdruck pt (bezeichnet als pa in Druckschrift DE102008008859A1 - Stand der Technik, im Folgenden durchgängig als >, bezeichnet). Die vorkomprimierten Brennkraftkomponenten werden in einem Nebenprozess, - unabhängig vom Prozessablauf des Brennkraftmaschinensystems verdichtet und bei einer ausgeglichenen Außentemperatur in Behältern gespeichert (Druckspeicher für Systemluft/handelsüblichen Kraftstoff oder Sauerstoff/Wasserstoff)*.
*mehr über den Nebenprozess in Kapitel 3.0 AMICES II Hybridaggregat AHA Zweiter Druckzustand: Natürliche Umwelt als Endumgebung, gekennzeichnet durch den normalen atmosphärischen Druck p,. Die reale Umwelt bleibt gemäß dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik das zwangsläufige Ziel der abgeführten thermischen Energie und Abgase.
Die qualitative Transformation des klassischen Lenoir-Prozesses ergibt sich aus der positiven Differenz zwischen dem Vorkomprimierungsdruck J, der eingespritzten Frischladung (Luft/handelsüblicher Kraftstoff oder Sauerstoff/ Wasserstoff) einerseits und dem atmosphärischen Umweltdruck auf der anderen Seite. Der eingesetzte Einspritzdruck pt der Frischladung bewirkt eine Verschiebung der isobarischen Zustandsändemng zwischen PkLl und Pkt2 (Fig. 3.1 und Fig. 3.2). Dadurch wird die negative isobarische Ansaugarbeit des originalen Lenoir- Prozesses (Fig. 3.1 : Isobare zwischen PkLl und Pkt2) in eine positive Einspritzarbeit (Fig. 3.2: Isobare zwischen PkLl und PkL2) umgewandelt.
Entsprechend beginnt die transformierte Prozessführung des Kolbenmotors (Fig.3.2) in Pkt. 1 (v0) mit der arbeitsproduktiven isobarischen Einspritzung der Frischladung bei einem Druck pt bis zum Zündpunkt Pkt. 2 (v . Nach der Zündung in PkL 2 (v/) erfolgt eine isochorische Druckerhöhung in Pkt 3 (vj und eine arbeitsproduktive adiabatische Expansion bis zur Endposition der olbenbewegung in PkL 4 (v^). Nach dem isochorischen Ausgleich des Brennraumzustands mit dem atmosphärischen Außendruck in PkL 5 fv^) kehrt der Kolben bei gleichzeitigem Ausstoß der Abgase in die Ausgangsposition (PkL 6, v0) zurück. Damit erweist sich die passive Rückkehr des Kolbens im oberen Totpunkt als das einzige noch verbliebene negative Arbeitsereignis. Der obere Totpunkt des Kolbenmotors weist im p-v-Diagramm gleichzeitig einen bivalenten Zustand auf, gekennzeichnet durch:
- PkL 6 als Endposition des Kolbens beim Ausstoß der Abgase (pa~ atmosphärischen Druck)
- PkL 1 als Startposition des Kolbens bei Einspritzung des Frischgases (p,= Einspritzdruck)
Die permanente Druckdifferenz der Hybridumgebung schließt den bivalenten Zustand durch eine virtuelle Null- Isochore zwischen Pkt 6 und PkLl, womit der Additionsprozess als Vergleichs-Kreisprozess für die Weiterentwicklung der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA definiert ist. Deshalb wird im weiteren Text der innovative Vergleichs-Kreisprozess als Additionsprozess und die ursprüngliche aktive Zweitakt- Kolbenmaschine 2XA als Additionsmotor 2XA bezeichnet.
Die offene Prozessführung des Arbeitsmediums in Zeichnung Seite 2, Fig.2.2, bestehend aus einer Isobare (Pkte. 1-2), einer Isochore (Pkte. 2-3) und einer Adiabate (Pkte. 3-4-5*), stimmt mit dem ursprünglichen offenen aktiven thermodynamischen Arbeitsprozess überein. Die offene Prozessführung (Pkte.1-2-3-4-5*) umschließt mit der Isobare pt (Pkte.5*-6) und der virtuellen Null-Isochore (PkL6-PkLl) den innovativen Rekuperativen Additionsprozess, Basis des daraus abgeleiteten Motorsystems AMS (ursprünglich das aktive Brennkraftmaschinensystem AM1CES).
Damit wird deutlich, dass die erweiterte Definition der offenen Prozessführung ihre Wurzeln in der klassischen Prozessführung des traditionellen Hubkolbenmotors nach Lenoir hat. Demzufolge ist es auch richtig, den innovativen Additionsprozess als Hybriden Lenoir-Prozess zu bezeichnen.
Die in einem Nebenprozess stattfindende Vorkomprimierung der Verbrennungskomponenten zum Nachfüllen des Druckspeichers nimmt an der Arbeitsproduktion des Additionsmotors 2XA nicht unmittelbar teil.
1.2 Definition der Struktur der yAdditionsarb W des Additionsprozesses
Die Zeichnung Seite 4 (Fig.4.1) veranschaulicht schematisch die Struktur der indizierten Additionsarbeit' des Additionsmotors 2XA. Der Arbeitszyklus Pkte.1-2-3-4-5-6-1 kennzeichnet dabei den innovativen Additionsprozess. Die signifikante Größe der indizierten Additionsarbeit des Additionsmotors 2XA ergibt sich aus der Summierung (,Additiori') der positiven Arbeitseffekte der wesentlichen Zustandsänderungen.
Die sich aufgrund der Zustandsänderungen ergebende, von den Punkten 1-2-3-4-5-6-1 umschlossene Fläche, entspricht der indizierten Additionsarbeit des Additionsmotors 2XA. Durch den Additionseffekt des pneumatischen Einspritzungs- und Verbrennungsverfahrens erzeugt der Additionsprozess eindeutig mehr Indizierte Arbeit als der herkömmliche Brennkraftprozess (Gegenüberstell ng der umschlossenen Flächen, Fig.3.1 und Fig.3.2). Die Indizierte Arbeit ergibt sich somit aus der Addition der einzelnen Arbeitseffekte der jeweiligen Zustandsänderungen: Isobare zwischen 1 -2 + positive Einspritzarbeit (Pneumatische Arbeit)
Isochore zwischen 2-3 Neutral Indizierte A rbeit= 0 (Zündung, Druck Erhöhung!)
Adiabate zwischen 3-4 + positive Expansionsarbeit (Verbrennungsexpansion)
Isochore zwischen 4-5 Neutral Indizierte Arbeit=0 (Ausgleich-Umweltdruck!)
Isobare zwischen 5-6 - negative Ausstoßarbeit (Pneumatische Arbeit)
Null-Isochore zw. 6-1 Neutral Indizierte Arbeit^O (Erfolgt aus dem Druckspeicher!)
Somit ist die indizierte Additionsarbeit W2XA des innovativen Additionsprozesses gleich der Summe von pneumatischer Einspritzarbeit Wf und Verbrennungs-Expansionsarbeit
Wm= W, + W^, (1.2-01) indizierte Additionsarbeü W2XA ~ Pneumatische Einsprüziirbeit + Verbrennungs-Expansionsarbeit
Generell gilt, dass das innovative Additionsprinzip dadurch charakterisiert ist, dass sich die gesamte hieraus gewonnene indizierte Additionsarbeit aus der Kumulation sämtlicher daran beteiligter Zustandsänderungen ergibt. Das Gegenteil hiervon, das allen traditionellen Brennkraftmaschinen zugrunde liegende Subtraktionsprinzip, wurde bereits auf Seite 6 (Stand der Technik) ausführlich beschrieben. An Stelle des Sublraktionsprinzips liegt dadurch der Innovation das paradigmatische Additionsprinzip zu Grunde.
Figure imgf000023_0001
Das Additionsprinzip ist Ausgangspunkt und Grundlage der Weiterentwicklung des Brennkraftprozesses und des Motorsystems AMS.
Struktur der indizierten Additionsarbeit des Motorsystems AMS {Additionsmotor 2XA + Compound-Turbine A T):
Die Zeichnungen der Seiten 4 und 5 Fig.4.2 und Fig.S veranschaulichen schematisch die Struktur der additiven Indizierten Arbeit des innovativen Motorsystems AMS.
Folgt man dem Arbeitsmedium ab PkL4 in einer offenen Prozessführung, so gleicht sich der Druck der Abgase durch die fortgesetzte adiabatische Expansion mit dem atmosphärischen Druck pt bei einer wesentlich höheren Temperatur in Pkt5* aus. Durch die an die Umwelt abgegebenen Abgase geht ein beträchtlicher Anteil an Wärmeenergie ungenutzt verloren. Um diese Verluste an Wärmeenergie und kinetischer Energie zu minimieren, wird der Additionsmotor 2XA über einen Kraftverteiler KV mit der Abgasturbine AT zusammengekoppelt (Zeichnung Seite 7, Fig.1.1 - Stand der Technik).
Die sich durch Zustandsänderungen ergebende, von den Punkten 4 - 5* - 5 umschlossene Fläche, entspricht der rekuperativen Arbeitsausbeute der Prozessführung der Abgasturbine A T. Durch die isobarische Zustandsänderung zwischen Pkt.4 und PkLS erfolgt ein Austausch der Wärmeenergie der Abgase zwischen dem Additionsmotor 2XA und der Compound-Turbine AT. Nach der arbeitsproduktiven Expansion der Abgase durch die Abgasturbine AT zwischen Pkt. 4 und PkL 5* erfolgt die Abfuhr der Wärmeenergie durch eine isobarische Zustandsänderung zwischen Pkt.5* und PkL 5 gemäß dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in die Umgebung (Temperaturausgleich). Die durch Zustandsänderungen von den Punkten 4-5*-5-4 umschlossene Fläche entspricht der abgeleiteten Indizierten Arbeit der Compound-Turbine A T.
Die Zeichnung Seite 4 (Fig.4.2) stellt die Struktur der additiven Arbeit des Motorsystems AMS dar. Demzufolge ergibt sich die gesamte Indizierte Arbeit (WAMS) des Motorsystems AMS aus der Addition der indizierten Additionsarbeit W2XA des Additionsmotors 2XA und jener der Compound-Turbine ( WAT):
wAm= W2XA+ WAT = w, + WAT (1.2-02) Struktur der indizierten Additionsarbeit des bivalenten Einspritzverfahrens {Primäre Einspritzarbeit).
Die Zeichnung Seite 5 (Fig.5) stellt schematisch die Struktur der additiven Indizierten Arbeit des bivalenten Einspritzverfahrens dar.
Der Additionsmotor 2XA ist in erster Linie auf die bivalente Einspritzung der Verbrennungskomponenten (Oxidationsmittel und Kraftstoff) in den Brennraum angewiesen. Diese wird im Weiteren als Primäre Einspritzung bezeichnet. Im Rahmen der simplifizierten Auslegung des ursprünglichen AMICES-Konzepts wird das Einspritzverfahren unstrukturiert als eine simultane Einspritzung von vorkomprimierter Luft und Kraftstoff beschrieben. Dabei weisen die Verbrennungskomponenten einen konstanten Druck pt- und die Umgebungstemperatur auf. Die Gemischbildung wird durch die schnellen Strömungen der simultanen dynamischen Einspritzung der Frischladung und durch die thennische Wirkung der heißen Brennraumwände unterstützt. Weil die Primäre Einspritzung eigenständig die nützliche Arbeit W, produziert, steht auch die Phase der Einspritzung und Gemischbildung des Additionsmotors 2XA voll im Dienst der additiven Arbeitsproduktion. Diese primäre Einspritzarbeit Ws setzt sich zusammen aus der pneumatischen Einspritzarbeü WIP als Folge des Einspritzdrucks p, - und der thermischen Einspritzarbeit WIH als Folge der Ausdehnung des Frischgases aufgrund der Wandwärme.
Figure imgf000024_0001
Das p-v-Diagramm der Zeichnung Seite 5 (Fig.5) stellt die indizierte Additionsarbeit des Rekuperativen Additionsprozesses mit der zusätzlichen Weiterstrukturierung der primären Einspritzarbeit dar. Wie gezeigt, ergibt sich die strukturierte primäre Einspritzarbeit fVt aus der Addition der rein pneumatischen Einspritzarbeit WIP (isobarische Expansion zwischen Pktl
Figure imgf000024_0002
PkL2) und der thermischen Einspritzarbeit WIH (isobarische Expansion zwischen Pkt.2 \md PkL2*).
,Additionsdiagramm' - Gegenüberstellung von Additionsprozess und Subtraktionsprozess:
Bekanntlich ergibt sich die Leistung eines Motors als Produkt aus dem mittleren Arbeitsdruck im Zylinder, dem Hubraum und der Drehzahl. Demnach erhöht sich die Motorleistung mit steigender Drehzahl und steigendem mittleren Arbeitsdruck.
Die Diagramme Seite 4, Fig.4.3A und Fig.4.3B, zeigen eine Gegenüberstellung des Ablaufs des Rekuperativen Additionsprozesses mit dem eines traditionellen Subtraktionsprozesses (Otto- Viertaktmotor).
"Neben dem längs des Kolbenweges entstehenden p- V-Diagramm, das den realen Arbeitsprozess, der im Motor abläuft, beschreibt, und das den mittleren Arbeitsdruck p im Zylinder während eines kompletten Arbeitszyklus rgibt, gibt es auch noch andere Diagramme, zum Beispiel ein Druck-Zeit-Diagramm (p-t) oder ein auf die Position der Kurbelwelle bezogenes Druck-Kurbelwinkel-Diagramm (p-a), deren Flächen zwar kein unmittelbares Maß für die indizierte Arbeit sind, die aber leichter zu erzeugen sind als das p-V Diagramm und die so wichtige Daten wie Zündzeitpunkt oder Spitzendruck während der Verbrennung sehr anschaulich vermitteln. "
-Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch (Horst Bauer) Braunschweig; Wiesbaden: Viehweg, 1999
Das gezeigte Additionsdiagramm verdeutlicht den qualitativen Unterschied hinsichtlich der erzielten Arbeit der einzelnen Zustandsänderungen innerhalb eines Prozessablaufs.
Die im Diagramm als negativ markierten Einträge des Überdrucks in Richtung der Ordinate stehen für negative, d.h. Arbeit verbrauchende Zustandsänderungen. Umgekehrt bezeichnen die als positiv markierten Einträge des Überdrucks in Richtung der Ordinate positive, d.h. Arbeit produzierende Zustandsänderungen.
Als Überdruck ist der Druck definiert, der relativ zum Atmosphärendruck gemessen wird (Atmosphären-Überdruck atü). Dieser Überdruck entspricht der Arbeitsproduktivität der jeweiligen Zustandsänderung und wird entsprechend im positiven bzw. negativen Bereich der Ordinate eingetragen.
Entlang der Abszisse können alternativ die Umdrehungszahl, der Kurbelwinkel oder auch der Prozess-Zeitverlauf eingetragen werden, ohne dass dies das graphische Erscheinungsbild des Additionsdiagramms verändert. Die im Additionsdiagramm dargestellten, den einzelnen Zustandsänderungen entsprechenden Flächen, sind kein direktes Maß für die Indizierte Arbeit, wie dies beispielsweise bei einem /?-v-Diagramm der Fall ist. Qualität, Ausmaß und Distribution der Indizierten Arbeit während des Ablaufs des jeweiligen Prozesszyklus werden durch sie jedoch durchaus realistisch wiedergegeben.
Sowohl der qualitative Unterschied hinsichtlich der erzielten Arbeit {Additionsdiagramm Fig. 4.3) als auch der Additionsprozess im p-v-Diagramm, Zeichnung Seite 6 (Fig. 6.1), lassen den wegweisenden Wirkungsvorteil des Additionprinzips gegenüber dem Subtraktionsprinzip herkömmlicher Brennkraftmaschinen (Otto- und Dieselmotoren) deutlich erkennen.
1.3 Additionsprozess: Definition des Thermopneumatischen Wirkungsgrads
Die Diagramme in den Zeichnungen Seite 6 (Fig.tf-7 und Fig.6.2) zeigen eine Gegenüberstellung von Addüionsprozess und traditionellem, d.h. subtraktivem Brennkraftprozess in Hinblick auf Arbeitsproduktion und Wirkungsgrad.
- Effektiver Wirkungsgrad von Brennkraftmotoren:
Der effektive Wirkungsgrad traditioneller Brennkraftmotoren ist im Wesentlichen als das Produkt der nachfolgend genannten Prozessfaktoren definiert:
-Thermischer Wirkungsgrad ητ (Otto: 40-55 %, Diesel: 50-65 %, thermodynamische Kerngröße)
- Gütegrad ηΰ (75-85 % , physikalische -, konstruktive - und Verbrennungsverluste )
- Mechanischer Wirkungsgrad ηΜ , (85-95 % , interne Reibungsverluste der Maschine) f]e = ηη * ( ηι * η2 * η3* η4 -■- * η^ * m = * η q * ym 0-3-ο
Effektiver Wirkungsgrad: η€ =
Figure imgf000025_0001
* η(η (1 .3-02)
Effektiver Wirkungsgrad = Thermischer Wirkungsgrad * Prozess-Gütegrad * Mechanischer Wirkungsgrad
Obwohl Gütegrad und mechanischer Wirkungsgrad in den rund 150 Jahren Motorenentwicklung bereits erhebliche Verbesserungen erfuhren, erweist sich die Effizienz der auf konventionellen Brennkraftmaschinen basierenden Antriebsysteme insbesondere wegen wechselhafter Betriebszustände nach wie vor als unzureichend (Straßenfahrzeuge < 25 Prozent).
Die von der Automobilindustrie in jüngster Zeit unternommenen Anstrengungen hinsichtlich einer signifikanten Verbesserung des effektiven Wirkungsgrads wird deshalb von zahlreichen Experten mit großer Skepsis beurteilt:
* " ...Auch das Motorenkonzept des HCCI-Motors (homogeneous Charge compression ignition) gehört zu den Hoffnungsträgern der Motorentwicklung. Der HCCl-Motor produziert extrem wenig Schadstoffe und könnte Abgasnachbehandlung überflüssig machen. Doch dies gelingt nur, sofern er unter optimalen Bedingungen betrieben wird Die Brückentechnologie zwischen den heutigen Diesel- und Benzin- Verbrennungsmotoren und den extrem sauberen Brennstoffzellen- Fahrzeugen von morgen wird der HCCl-Motor aber, entgegen der anfangs euphorischen Prognosen, möglicherweise nicht werden. Für den HCCi Motor gelten derzeit nur Kombinationen mit anderen Brennverfahren oder sein Einsatz als stationärer Motor ab realistische Konzepte. Was die Verbrennung im HCCl- Motor betrifft, sind noch viele Fragen offen. "
*lnaugural~Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde Diplom-Chemikerin Nicole Graf aus Heidelberg Universität Heidelberg, vorgelegt 18.07.2003
A) Der thermische Wirkungsgrad konventioneller Brennkraftprozesse (Stand der Technik - Otto/Diesel):
Dem effektiven Wirkungsgrad eines jeden konventionellen Brerjrikraftprozesses (Otto/Diesel) liegt der thermische Wirkungsgrad ηη als eine physikalische Kerngröße zugrunde. Bekanntlich ist der thermische Wirkungsgrad ausschließlich vom Verdichtungsverhältnis ε abhängig (Joule-Prozess). Demzufolge bewirkt die Erhöhung von e bei Otto- und Dieselmotoren eine entsprechende Steigerung des thermischen Wirkungsgrads (Zeichnung Seite 2, Fig.2.3). Bei der theoretischen Gegenüberstellung des thermischen Wirkungsgrads eines Otto- und eines Dieselprozesses liegen die eindeutigen Vorteile paradoxerweise beim Ottoprinzip, vorausgesetzt, beide Prozesse laufen bei gleichem Verdichtungsverhältnis ab. Aufgrund der realen Verbrennungseigenschaften des verwendeten Kraftstoffs und dem dadurch limitierten Verdichtungsverhältnis, steht dieses physikalische Ergebnis in Widerspruch zur praktischen Erfahrung. Die entsprechenden Basisgleichungen geben den thermischen Wirkungsgrad des herkömmlichen Otto- und Dieselprozesses in Relation zu ε wieder:
, 1
Ottoprozess: VmfOuo) = 1 ^3"03)
£Otto
Dieselprozess:
Figure imgf000026_0001
£Diesel
Da der Verbrennungsfaktor k des Dieselprozesses stets größer als 1 ist (k > /), gilt unter der Voraussetzung eines ausgeglichenen Verdichtungsverhältnisses ( Eotto = ^Diesel)'-
^Th(Olto) tfr fDieset) (1.3-05)
Ungeachtet der physikalischen Tatsache, dass hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrades zumindest theoretisch eindeutige Vorteile beim Ottoprinzip liegen, schneidet der Dieselprozess in der Praxis besser ab. Der Grund hierfür Hegt im deutlich höheren Verdichtungsverhältnis, was zeigt, dass ein hoher effektiver Arbeitsdruck die primäre Voraussetzung für einen effektiven Wirkungsgrad und eine entsprechende hohe Leistung ist.
Der Subtraktionscharakter des thermischen Wirkungsgrads herkömmlicher Brennkraftprozesse:
Die nachfolgenden Ausführungen legen den Subtraktionscharakter des thermischen Wirkungsgrads herkömmlicher Brerinkraftprozesse offen. Die Indizierte Arbeit fVoao (und auch Wüiese/) entspricht der ausgetauschten Wärme, die sich aus der Subtraktion der abgeführten Wärme gw von der zugeführten Wärme Qf+) ergibt.
Indizierte Arbeit = Zugeführte Wärme [ Q(+j\ - Abgeführte Wärme[ Qf.j)] = Ausgetauschte Wärme
Somit ist die ausgetauschte Wärme ausschlaggebend für die Größe des thermischen Wirkungsgrads ff h-
(1.3-06)
Für das Verhältnis z ischen der in einem Brennkraftprozess ausgetauschten Wärme und der indizierten Arbeit gilt:
Wouo = WDiesel— Q(+)— Q(-) (1.3-07)
Damit gilt für den thermischen Wirkungsgrad auch:
Figure imgf000026_0002
Bekanntlich erhält man die indizierte Arbeit Wom (f^oiesei) traditioneller Otto- DieseIprozesse in jedem Arbeitszyklus als Ergebnis der Subtraktion der negativen Verdichtungsarbeit WCBmp von der positiven Arbeit der Verbrennungsexpansion W^: Subtraktionsprinzip (Zeichnung Seite 2, Fig. 2.2, Stand der Technik):
Wotto = Wexp - Wcomp (1.3-09) Gleichung [1.3 09] offenbart den s btr aktiven Charakter konventioneller Brennkraftprozesse.
Als subtraktive Formel für den thermischen Wirkungsgrad ergibt sich demzufolge:
Wexp— Wcomp Wexp Wcomp
V touo) = n = ^ -r— -3-10)
ö<+) ß<+) ß(+)
Der erste Quotient entspricht dem Wirkungsgrad der Verbrennungsexpansion tjexp (Expansionseffizienz):
Figure imgf000027_0001
Der zweite Quotient entspricht dem Subtraktionsdekrement comp , das aus der Integration der Kompressionsarbeit in den Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine hervorgeht:
. Wcomp
Subtraktionsdekrement (= Kompressionsverlust): Acomp = (1.3-12)
0(+)
Das Subtraktionsdekrement Acomp gibt den Anteil der verbrauchten Kompressionsarbeit im Verhältnis zur Wärmeenergie Q(+j an, wie sie bei der Kraftstoffverbrennung entsteht.
Als Folge hiervon geht in einem Otto-Kreisprozess durch die negative Kompressionsarbeit theoretisch ein Viertel der Verbrennungs-Expansionsarbeit verloren. Beim Diesel-Kreisprozess fällt diese negative Bilanz noch ungünstiger aus; hier beträgt der Verlust zwischen einem Drittel und zwei Fünftel der Verbrennungs-Expansionsarbeit. Angesichts der realen Kompressionseffizienz und einem erhöhten Luft/Kraftstoff-Verhältnis (Otto λ=1.4; Diesel bis λ=2.4), kann man das tatsächliche Ausmaß des subtraktiv bedingten Kompressionsverlustes nur vermuten.
Der thermische Wirkungsgrad des Subtraktionsprozesses tf γ$ QUO (Otto/Diesel) ist wie folgt definiert:
7?Th(0llo) = 7?eXp - Acomp O 3"13)
Der thermische Wirkungsgrad ηη traditioneller Brennkraftprozesse zeigt sich in der Gleichung als die Verminderung des Wirkungsgrades der Verbrennungsexpansion ηαρ um das Subtraktionsdekrement amP der negativen Kompressionsarbeit.
Aus den Gleichungen 1.3-09 und 1 .3-13 wird ersichtlich, dass das Subtraktionsprinzip nicht nur die Leistung, sondern im gleichen Maße auch den thermischen Wirkungsgrad betrifft.
B) Der , Thermopneumatische Wirkungsgrad' des Additionsprozesses (Innovation):
Der thermische Wirkungsgrad des traditionellen Brennkraftprozesses hängt ausschließlich vom Kompressionsverhältnis ab. Diese Definition des thermischen Wirkungsgrades erweist sich beim kompressionsiosen Additionsprozess als nicht mehr ausreichend. So ist die Indizierte Arbeit des Additionsprozesses nicht nur von der im Rahmen der Verbrennungs-Expansionsarbeit W^ ausgetauschten Wärme abhängig, sondern zusätzlich auch von der pneumatischen Einspritzarbeit Wh was seine hybride Eigenschaft zum Ausdruck bringt. Deshalb ist es notwendig, die Effizienz des Additionsprozesses zusätzlich durch den neu eingeführten Thermopneumatischen Wirkungsgrad' ηΤρ zu definieren.
Wie gezeigt ergibt sich die indizierte Additionsarbeit W2XA des Additionsprozesses in Abwesenheit der negativen Verdichtungsarbeit aus der Addition der Arbeit der Verbrennungsexpansion ^ und der pneumatischen Einspritzarbeit W{ (Zeichnung Seite 4, Fig. 4.1):
W2XA = WeXp + Wl (1 .3-17) Gleichung [1 .3- 17] lässt das Additionsprinzip der innovativen Prozessführung erkennen. Selbstverständlich erfolgt die Arbeit der Verbrennungsexpansion im Sinne des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik aus der ausgetauschten Wärme.
Das in Zeichnung Seite 6, Fig. 6.1 , dargestellte p-v-Diagramm stellt die der indizierten Additionsarbeit des Additionsprozesses entsprechende Fläche jener Fläche gegenüber, die der Indizierten Arbeit eines traditionellen Brennkraftprozesses entspricht. Es zeigt sich, dass die Arbeitsausbeute des Additionsprozesses erheblich größer ist.
W2XA = Wexp + Wl > Wotto(Diesel) = Wexp - Wcomp (1.3-18)
Die sich daraus ergebende größere indizierte Additionsarbeit W2XA und die Abwesenheit der negativen Verdichtungsarbeit begünstigen den Thermopneumalischen Wirkungsgrad des Additionsprozesses. Im Sinne des nötigen Anteils an eingesetztem Kraftstoff richtet sich der Wert für die Effizienz des Addiiionsprozesses nach dem Thermopneumalischen Wirkungsgrad:
Figure imgf000028_0001
Der zweite Quotient bezeichnet (wie bei den subtraktiven Pendants auch) den thermischen Wirkungsgrad der Verbrennungsexpansion (Expansionseffizienz).
Figure imgf000028_0002
Die abgeleitete Arbeit der Verbrennungsexpansion des Additionsprozesses erweist sich dank eines physikalisch unbegrenzt hohen Einspritzdrucks (voraussichtlich 50 -100 bar) als wesentlich größer als bei herkömmlichen Brennkrafrprozessen (Otto-/Diese]prozess).
w exp (Additionsprozess)
Figure imgf000028_0003
(Subtraktionsprozess) (1.3-22)
Der erste Quotient in Gleichung 1 ,3-20 entspricht dem Additionsinkrement das durch die primäre Einspritzarbeit Wt geleistet wird:
Additionsinkrement = Einspritzgewinn : Δ A/ = Wl (1.3-23)
ß(+)
Das Additionsinkrement Ai bezeichnet den Anteil der pneumatischen Injektionsarbeit im Verhältnis zur ein eführten Wärmeenergie Q(+). Dementsprechend gilt für den Thertnopneumatischen Wirkungsgrad des Additionsprozesses:
Figure imgf000028_0004
Der Thermopneumatische Wirkungsgrad ηΤρ des Additionsprozesses ergibt sich demnach aus der Addition des Wirkungsgrades der Verbrennungsexpansion und dem Additionsinkrement.
Das Diagramm in Zeichnung Seite 6, Fig.6.2, vergleicht den Thermopneumalischen Wirkungsgrad t Tp des innovativen Additionsprozesses mit dem thermischen Wirkungsgrad ηη eines traditionellen Subtraktionsprozesses (Otto- Diesel, Stand der Technik). Wie gewohnt stellt das Diagramm den Wirkungsgrad im Verhältnis zum Einspritzdruck der Frischladung (Additionsprozess) bzw. zum Verdichtungsgrad der Frischladung (Subtraktionsprozess) dar. Bei ausgeglichener Expansionseffizienz verdeutlicht diese theoretische Gegenüberstellung die signifikanten Vorteile des Additionsprozesses hinsichtlich Leistung und Effizienz.
Diese erwünschte positive Auswirkung des Thermopneumalischen Wirkungsgrades setzt allerdings voraus, dass die dem Additionsprozess entsprechende Expansionseffizienz annähernd identisch mit der Expansionseffizienz des Subtraktionsprozesses ist. Die theoretische Gegenüberstellung unterstreicht die beträchtlichen Vorteile des Additionsprozesses hinsichtlich Leistung und Effizienz.
Ήτρ(ΑΜΙ€Ε3) = tfexp + Δ; >
Figure imgf000029_0001
(1.3-25)
7JTp(AMICES) > ΉτΗ{θΗο, Diesel) (1.3-26)
Ther opneutnatischer Wirkungsgrad (Additionsprozess) > Thermischer Wirkungsgrad (Subtraktionsprozess)
Der Thermopneumatische Wirkungsgrad ist die zentrale physikalische Aussage der Innovation AMICES IL Demgemäß verspricht der Additionsprozess einen wesentlich höheren effektiven Wirkungsgrad, als er mit dem Subtraktionsprozess herkömmlicher Brennkraftmaschinen realisiert werden kann: (AM!CES) = Vrp ' ^q ' ^m » %(Otlo,Diesel) = ^Th ' ' (1-3-27)
Dieser Sachverhalt lässt beim innovativen Additionsmotor 2ΧΛ eine beträchtliche raftstofTeinsparung erwarten (mehr in Abschnitt-3, AMICES II Hybridaggregat AHA).
Nach dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Satz der Energieerhaltung) besitzt jedes System eine innere Energie V. Diese kann sich in Form von Arbeit W und Wärme Q über die Grenze des Systems hinaus verändern:
dU = dQ + dW (1.3-27)
Dabei ist dW die Summe aus Volumen- und Reibungsarbeit. Die Verbrennungsexpa sion ist theoretisch eine adiabatische Zustandsänderung, bei der ein Zustand in einen anderen überführt wird, ohne thermische Energie mit seiner Umgebung auszutauschen. Dadurch, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet, wird die innere Energie vollständig in Arbeit umgewandelt:
dQ = 0 ^> dU = dW (1.3-28)
Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann eine Wärmemaschire nur dann Arbeit verrichten, wenn ein Anteil der thermischen Energie über das Kühlungssystem an die Umgebung abgeführt wird. So besteht die thermische Energie eines jeden Wärmesystems aus der ,Exergie', - dem in mechanische Arbeit um wandelbaren Anteil der thermischen Energie -, und der ,Anergie', dem nicht umwandelbaren Anteil dieser Energie, der sich mit der Umgebung im Gleichgewicht befindet. Demgemäß stellt nur die Exergie den nützlichen Anteil der thermischen Energie dar. Aus diesem Grund ist auch der thermische Wirkungsgrad der Verbrennungsexpansion Tjexp {Expansionseffizienz) durch die Anteile der Exergie und Anergie immer kleiner als 7:
Exergie _ Exergie
η fεeΧxΒp = < 1 (1.3-29)
Th.Energie Exergie + Anergie
Diese Relation wird durch die Umgebungstemperatur T0 und die mittlere Prozesstemperatur weiter bestimmt;
,1
To
r?eXp = l - ~ ·3"30)
I mit
So richtet sich die Expansionseffizienz nach der Differenz zwischen maximaler und minimaler Prozesstemperatur (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Dementsprechend hängt die erwünschte positive technische Auswirkung des Additionsprozesses von der Effizienz des Verbrennungsprozesses ab und wird der Schwerpunkt der weiteren Entwicklung des AMICES II Motorsystems AMS deshalb in der Verbesserung dieser Effizienz liegen. 2. AMICES II Motorsystem AMS
Weiterentwicklung des ursprünglichen AMICES Maschinensystems
(Druckschrift DE102008008859A1 - Stand der Technik)
Das p-v-Diagramm der Zeichnung Seite 7, Fig.7, präsentiert einen realen Rekuperativen Additionsprozess, der die Schwerpunkte der Prozessführung bei der Weiterentwicklung des innovativen Motorsystems AMS deutlich macht. Die Größe der realen Arbeitsverluste (-dW) hängen im Wesentlichen von Ablauf, Effizienz und Vollständigkeit der Verbrennung in der frühen Phase des Arbeitszyklus ab. In diesem Zusammenhang bestimmt die Primäre Einspritzung durch die Verteilung und Zusammensetzung des Frischgases ganz wesentlich die Effizienz des realen Brennkraflprozesses (Inhomogenitätsgrad).
Ursachen der potenziellen Arbeitsverluste können ein unzureichender Spitzendruck, eine verringerte Spitzentemperatur und eine verlängerte Verbrennungsdauer als Folge des Inhomogenitätsgrades des Gemisches und auch als Folge der Zündungstechnik, sein. Hinzu kommen auch die Verluste durch die über das Kühlungssystem und die Abgase abgeleitete Wärme. Dementsprechend versinnbildlicht der indizierte Punkt Pkt3 die theoretischen Werte und der reale Punkt Pkt.3^ die praktischen Werte des Spitzendrucks und der Verbrennungstemperatur. Um diese Arbeitsverluste signifikant zu verringern, fuhrt die weiterentwickelte Innovation AMICES II durch das Motorsystem AMS folgende Lösungen ein:
- die innovative innere homogene Gemischbildung durch das vielgestaltige Primäre Einspritzverfahren und das rekuperative Wärmeaustauschsystem [rekuperative Wärme R(+)] - Frage der Inhomogenität des Frischgases
- die Umsetzung der Alternativtechniken der Fremdzündung (Laser oder MW) und innovativen thermokinetischen Selbstzündung - Frage der Effizienz der Zündung
- die innere rekuperative Kühlung durch die Sekundäre Einspritzung der Systemluft (Systemluft/Wasser oder im Fall der Wasserstoffverbrennung nur Wasser) - Frage der wesentlichen Wärmeverluste durch Kühlungssystem und Abgase
- das aktive rekuperative Ausstoßverfahren durch die kombinierte Wirkung von Sekundärer Einspritzung und Hinterdrucksystem (BPS) - Frage der wesentlichen Wärmeverluste durch Abgase
Da bei traditionellen Brennkraftmotoren mehr als 60 Prozent der zugefuhrten Wärme auf thermische Verluste entfallen, kommt der Wärmerekuperation beim innovativen Motorsystem AMS eine besondere Bedeutung zu.
2.1 Konstruktionskonzept des Motorsystems AMS
Die Zeichnungen der Seiten 8, 9 und 10 stellen das innovative Motorsystem AMS auf schematische Weise als Weiterentwicklung des ursprünglichen Maschinensystems* und der traditionellen Motortechnik vor. Die Fortentwicklung wird im Wesentlichen durch den rekuperativen Additionsprozess geprägt sowie durch die sich für die spezifischen Fragestellungen gefundenen Lösungen aus der Einführung von , Stand der Technik'. Das Grundkonzept des Motorsystems AMS ist auch weiterhin die beschriebene Tandemausfühnmg aus Additionsmotor 2XA und Compound-Abgasturbine A T. Bei dem aus der technischen Praxis bekannten Turbo-Compound handelt es sich um ein Brennkraftmotorsystem, bei dem die Energie der Abgase mit Hilfe der Rekuperationsturbine nutzbringend verwertet wird.
Der Additionsmotor 2XA (*ursprünglich die aktive Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA) setzt sich wie gewohnt aus Kolben, Zylinder und Zylinderkopf zusammen. Das Konstruktionskonzept geht im Großen und Ganzen auf die traditionelle Bauart von Zweitakt-Dieselmotoren mit spiraler Kraftstoffeinspritzung und Zylinderausspülung zurück (Fig. 8.1 und Fig. 8.2). Wie bereits bei der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Maschine 2XA schließt der Kolben in seiner oberen Position (oberer Totpunkt, OT) das Volumen des Brermkraftraums theoretisch auf Null. Mit Ausnahme des in der Praxis benötigten technischen Spalts ist kein Kompressionsraum vorhanden. Die Hauptelemente der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Maschine 2XA finden sich im Wesentlichen auch bei der Weiterentwicklung wieder, wenngleich auch in veränderter Position und Ausfuhrung (Fig. S.3). Es sind dies vor allem das bivalente Einspritzsystem der vorkomprimierten Verbrennungskomponenten A (MCCRS-Multi Component Common ail System*), das Zündsystem B und das Abgasventilsystem C.
(*DE 102008008859A 1, Zeichnungen Seite I, Fig. 1.2 - Stand der Technik)
Die Zeichnungen der Seiten 9 und 10 veranschaulichen die Struktur des Additionsmotors 2XA anhand der vorliegenden Bezugszeichenliste.
Bezugszeichenliste-l: Sie enthält alle bereits bei der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Maschine 2XA vorhandenen Konstruktionselemente, nunmehr allerdings in veränderter Lage und oder modifizierter Ausführung.
1.0 Bivalentes Einspritzsystem (MCCRS Multi-Component Common ail System)
CD Kombinierte Düse (Simultane Luft/Kraftstoff-Injektion mit Mischkammer)
DL Lufidüse
DK Kraftstoffdüse
KES Kraftstoff-Einsprilzsystem (Fuel , Common Kail System ')
LES Luft-Einspritzsystem (Air 'Common Rail System ')
2.0 Zündungssystem
2.0 Laserkerze (Funk, Laser, Plasma, Mikrowelle usw.)
3.0 A bgasventilsystem (Mitwirkung durch Wärmeaustauschsystem)
3.1 Abgasventil - mit Lufteinspritzkanal ( ekundäres Einspritzungs-System )
3.2 Ventilführung - mit Luftzufuhrkanal ( Sekundäres Einspritzungs-System )
3.3 Ventilsitzring - gekühlt
5.0 Hinterdrucksystem BPS (Back Pressure System)
5.1 Druckregulationsventil- Ein (Teillastregulationsdruck - Druckerhöhung)
5.2 Druckregulationsventil-A us (Teillastregulationsdruck - Drucksenkung)
6.0 Abg srekuperation
A T Abgasturbine AT
7.0 Kraftverteilungssystem
KV Kraftverteiler
EM/G Kombinierter Elektromotor/Generator EM/G
Bezugszeicfienliste-2: Der innovative Additionsmotor 2XA ist durch ein zusätzliches Wärmeaustausch- und Hinterdrucksystem gekennzeichnet.
4.0 Wärmeaustauschsystem (Thermokinetische H omogenisierung)
4.1 Thermischer Absorptionsring (Strömung- Spaltkanal 4.6)
4.2 Thermischer Kolbentopf
4.3 Elektrischer Heizer
4.4 Temperatursensor
4.5 Thermische Dämpfungsschicht (Isolation des Absorptionsrings)
5.0 Hinterdrucksystem BPS (Back Pressure System)
5.1 Kompressionsregler (T eillastregulationsdruck - Druckerhöhung)
5.2 Dekompressionsregler (Teillastregulationsdruck - Drucksenkung) 2.2 Der Prozessablauf des AMICES II Motorsystems AMS
Der zweitaktige Arbeitszyklus des Motorsystems AMS beginnt mit einem Additionstakt' und schließt mit dem nachfolgenden ,Rekuper tionstakt* ab. Konsequenterweise beziehen sich die beiden Begriffe auf die Ableitung des innovativen Motorsystems aus dem rekuperativen Additionsprozess.
Das schematische p-v-Diagramm der Zeichnung Seite 7, Fig.7, nimmt Bezug auf den ProzessabJauf des Motorsystems AMS entsprechend dem realen rekuperativen Additionsprozess. Diese grundsätzliche Bezugnahme wird in der nachfolgenden Beschreibung der Sekundären Einspritzung durch die schematischen p-V-Diagramme der Zeichnungen der Seiten 14 und 15 und in der Beschreibung des Hinlerdrucksystems BPS durch das p-a° -Diagramm der Zeichnungen der Seiten 16 und 19 ergänzt (a°= °KWW, Winkel der Kolbenwelle).
Im ersten Takt, dem Additionstakt', erfolgt die Produktion der Primärarbeit im Additionsmotor 2XA durch den Additionsvorgang der bivalenten Primären Einspritzung (Pkte.J-2*), der Zündung (Pkte,2*-3/i), der Verbrennungsexpansion (Pkte.3^-4-4) und der rekuperativen Sekundären Einspritzung (Pkte.3d~4-4). Logischerweise leitet sich der Begriff Additionstakt von der Ableitung des Additionsmotors 2XA aus dem Additionsprozess ab (Zeichnung Seite 7, Fig.7).
Die längere Arbeitsphase des Additionstakts ist bedingt durch die konstruktive Ausf hrung des Additionsmotors 2XA in Gestalt eines deutlich verlängerten Hubwegs. Die dadurch erreichte längere Expansion der Verbrennungsgase führt zur signifikanten Erhöhung des Wirkungsgrads z.B. von Zweitakt-Kreuzkopf- Schiffsdieselmotoren (S/D >2,5 - ungeeignet für PKWs). Eine derart extreme Verlängerung des Hubwegs wird beim Additionsmotor 2XA allerdings nicht erforderlich (Schätzung: S/D =1,2 - 1,5 Hubweg/Bohrung).
Im zweiten Takt, dem ,Rekuperationstakt', erfolgt die Produktion der Sekundärarbeit auf dem Wege der Verwertung der Abgasenergie über die Compound-Abgastwbine A T. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, dass bei der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA die notwendige Unterstützung des Abgas- Ausstoßes durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens einen geringfügigen Subtraktionseffekt verursachte (Fragestellung 4 - in , Stand der Technik'). Ein weiteres Mal findet die Innovation AMICES II die Lösung mittels der Druckspeichertechnik der Systemluft. Auf diese Weise gewährleistet das ,Hinterdrucksyst m' BPS die positive Sekundärarbeit der beiden Säulen des Motorsystems AMS, - des Additionsmotors 2XA und der Compound-Turbine A T. Aus diesem Grunde erweist sich der komplette zweitaktige Arbeitszyklus des Motorsystems AMS als arbeitsproduktiv.
Der hohe Wirkungsgrad und die hohe Leistungsdichte des Additionsmotors 2XA hängen ganz wesentlich von einer effektiven Verbrennung ab. Dabei sind es im Wesentlichen die Kraftstoffverteilung, die Zusammensetzung des Frischgases und die Methodik der Zündung, welche sowohl den Ablauf, als auch die Effizienz und Vollständigkeit der Verbrennung bestimmen. Diese stellt sich vereinfacht als eine mit Wärmeentwicklung einhergehende Reaktion zwischen dem Kraftstoff und dem Oxidationsmittel dar, bei der chemische in thermische Energie umgewandelt wird. Die durch einen Temperatursprung bedingte hohe Druckdifferenz der Brenngase zur Umgebung ermöglicht die nutzbringende Arbeitsproduktion. In der Realität läuft die Verbrennung nicht in einem Schritt in Form nur einer einzigen chemischen Reaktion ab, sondern stellt vielmehr eine Folge Hunderter von Elementarreaktionen dar, an denen eine Vielzahl chemischer Substanzen beteiligt ist. Dabei spielt die Thermokinetik der Partikel von Oxidationsmittel und Kraftstoff eine große Rolle, zumal diese auch die Häufigkeit von deren Zusammenstößen untereinander bedingt. Daher werden für einen effektiven unschädlichen Verbrennungsprozess eine schnelle homogene Gemischbildung von Kraftstoff Oxidationsmittel und geeignete Zündungsverfahren vorausgesetzt. Das besonders dynamische Einspritzverfahren und die innovative innere homogene Gemischbildung des Additionsmotors 2XA beruhen auf den aktuellen Erkenntnissen über die thermokinetischen Vorgänge in modernen CR Diesel- und BDE Ottomotoren, d.h. über die kinetische Wirkung des Zusammenstosses der Frisch ladungsteilchen bei Strahlinjektion und über die thermische Rekuperation der Wärmeenergie. Die Primäre als auch die Sekundäre Einspritzung spielen dabei eine wesentliche Rolle:
- Primäre Einspritzung der Verbrennungskomponenten (SystemlufifKiaüstoff):
Sie beruht auf der inneren Gemischbildung
- Sekundäre Einspritzung der Systemluft (optional Systemluft/Wasser oder nur Wasser) :
Sie beruht auf der rekuperativen inneren Kühlung Zur Realisierung der inneren Homogenisierung des Gemischs sind mehrere Konzepte der Primären Einspritzung möglich. Dementsprechend werden die Einspritzsysteme und die Gemischbildung des innovativen Additionsmotors 2XA in zwei unterschiedlichen Varianten vorgestellt (Konzept-1 und Konzept-2).
Die Zeichnungen Seite 11 und 13 präsentieren Konzept-1, die Zeichnungen Seite 12 und 13 Konzept-2 des Einspritzverfahrens. Für Konzept-2 gelten mit Ausnahme der Kombinierten-Düse CD auch die Konzeptschnitte aus den Zeichnungen der Seiten 9 und 10.
Gleichzeitig weicht die innovative Strategie der Gemischbildung vom gewohnten Konzept der Schichtladung im Magerbetrieb ab. Nicht zuletzt wegen des Luftüberschusses erzeugen Einspritz-Schichtlademotoren mehr Stickoxide im Abgas. Angesichts der Komplexität des traditionellen Subtraktionsprozesses und der heterogenen Schichtaufladung ist abzusehen, dass die klassische Technologie der monovalenten Direkteinspritzung bereits an die Grenzen ihrer Leistungseffizienz stößt. Die innovative Strategie hingegen beabsichtigt, die innere Homogenisierung des Gemisches bei wechselhaften Betriebszuständen in optimaler Zeitdauer zu erreichen. Dies geschieht auf dem Wege der bivalenten Einspritzung der Verbrennungskomponenten in Form einer höchst turbulenten Mischung und durch die thermische Wirkung des Würmeaustauschsystems.
Nachdem durch die Kühlsysteme eines Brennkraftmotors beträchtliche Mengen an Wärmeenergie verloren gehen (> 30 Prozent), ergibt sich der Einsatz eines rekuperativen Wärmeaustauschsystems beim Additionsmotor 2XA als folgerichtige Lösung, Bei traditionellen BDE Otto- und CR Dieselmotoren erfolgt die für eine thermokinetische Gemischbildung erforderliche Wärme durch die subtraktive Verdichtung der angesaugten Luft. Da der Additionsmotor 2XA auf einem kompressionslosen Arbeitsprozess basiert, steht eine derartige Wärmequelle nicht zur Verfügung. Deshalb sorgt das Wärmeaustauschsystem für die rekuperative Übertragung der Wärmeenergie vom vorausgegangenen auf den nachfolgenden Arbeitszyklus. Durch die Erwärmung der Frischladung hat das Wärmeaustauschsystem demnach in mehrfacher Hinsicht einen Nutzen, so u.a. durch die
- Rekuperation der Wärmeenergie in nützliche thermische Einspritzarbeit W,H
- Verdunstung des Kraftstoffs und Homogenisierung des Frischgases
- Reduktion einer zu hohen Spitzentemperatur bei Verbrennung
- direkte Kontrolle des Verlaufs der Prozesstemperatur
Aus den genannten Gründen ist das Wärmeausiauschsystem für die thermokinetische Homogenisierung der FrischJadung bei beiden AMICES II Konzepten der Einspritzung, Gemischbildung und Zündung (bzw. Fragestellung 1 und 2 - in ,Stand der Technik') vorhanden.
Die Zeichnungen der Seiten 9 und 10 verdeutlichen das Konzept des Wänneaustauschsystems des Additionsmoiors 2XA. Dieses besteht aus dem thermischen Absorptionsring 4.1 und dem Kolbentopf 4.2; beide sind durch eine hohe spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet. Das Abgasventil 3.1 kann zum Teil auch als das sekundäre Absorptionse!emerrt des Wärmeaustauschsystems betrachtet werden. Die Absorptionselemente werden mittels der Wärmedämmungsschicht 4.5 von der Motorstruktur (Zylinder, Zylinderkopf und Kolben) thermisch isoliert. Neben der rekuperativen Erwärmung und Homogenisierung des Gemisches haben die thermischen Absorptionselemente noch eine wichtige Aufgabe:
„Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen im Motor treten im Abgas unverbrannte Kohlenwasserstoffe in mehr oder weniger hohen Konzentrationen auf. Diese Kohlenwasserstoffe stammen überwiegend aus Zonen, die nicht oder nicht vollständig von der Verbrennung bzw. der Flamme erfasst werden. Das sind beim Ottomotor meist wandnahe Bereiche, in denen z. B. auf Grund der hohen Wärmeabfuhr an die Wand die Brenngeschwindigkeit stark abnimmt bzw. die Flamme erlischt. Diesen Vorgang nennt man Quench-Effekt. Insbesondere verlöscht die Flamme in Spalten, wie sie im Brennraum von Ottomotoren z. B. im Bereich der Zylinderkopfdichtung, und im Ringbereich vorliegen. Daher sind zur Minimierung der Kohlenwasserstoffemission kompakte Brennräume anzustreben. "
hiip://www. motorlexikon. de/Quench- Effekt
Die thermischen Absorptionselemente des Wärmeaustauschsystems bilden in der oberen Zone des Zylinders, - dort, wo die komplette Verbrennung stattfindet -, eine umschlossene Brennzone BK. Die hohe Temperatur (>500°C) dieser thermischen Dämmschicht verringert die schädliche Ableitung der Verbrennungshitze und damit den Quench- Effekt ganz wesentlich.
Beim Kaltstart gewährleisten die elektrischen Heizer 4.3 die Erwärmung des Absorptionsrings 4.1 auf die benötigte Temperatur. Die Eingänge der Einspritzdüsen münden in den zirkulär verlaufenden Verteilerkanal Kn, der für den schnellen Aufbau der gezielten Drall-Strömung unmittelbar nach der Injektion der Frischladung sorgt. Auf diese Weise schließen die thermischen Elemente des Wärmeaustauschsystems die Frischladung nach erfolgter Primärer Einspritzung im kontrollierten Brennzone BK ein. Nach der erfolgten Wärmefreisetzung durch die Zündung erreicht die Verbrennungstemperatur Höchstwerte von 2500-2800°C. Bei herkömmlichen Brennkraftmotoren findet der weitaus größte Teil der durch das Kühlungssystem bedingten thermischen Verluste gerade in dieser Prozessphase statt. Diesen Verlusten versucht man bei den BDE Ottomotoren mittels Schichtladung im Magerbetrieb zu begegnen. Diese heterogene Ladungsschichtung teilt das im Brennraum befindliche LuhYKraftstoff-Genrisch je nach seiner Zusammensetzung in unterschiedliche Zonen auf: eine ultramagere Schicht in unmittelbarer Nähe zu den Brennraum wänden und ein zündfähiges fettes Gemisch in der Nähe der Zündkerze. Der magere bis ultramagere Bereich verringert die Abfuhr der erwähnten Spitzenwärme. In dieser äußeren Schicht kann das Luftverhältnis 2-3 betragen, ohne dass es zu Zündaussetzern kommt. Infolge der hohen Temperatur dieser Luftschicht (Endgas- Zustand) stellt sich jedoch ein äußerst schädlicher Nebeneffekt in Form einer beträchtlichen Erhöhung der Emission an Stickoxiden ( Ox) ein.
Dem durch das Wärmeaustauschsystem thermisch isolierten Teil des Brennraums {Brennzone BK) ist in erster Linie die Aufgabe zugedacht, die schädliche Ableitung und Übertragung der Verbrennungswärme an das Kühlsystem noch während und unmittelbar nach der Zündung abzuschwächen. Um dies zu erreichen und gleichzeitig die NOx- Emissionen zu vermeiden, verfolgen die AMICES 11 Konzepte der Gemischbildung im Wesentlichen das Prinzip der inneren fhermokinetischen Homogenisierung der stöchiometrischen Frisch ladung.
Die Regulierung der indizierten Spitzentemperatur des Absorptionsrings 4.1 kann dabei über den Temperatursensor 4.4 mittels des Kühlungseffektes der expandierenden Kompressionsluft K, erfolgen (Fig. 10.1). Diese wird nach ihrer Erwärmung als K2 in der Compound-Abgasturbine AT als weiter nutzbare Arbeit rekuperiert. Die indirekt erfolgende Temperaturregulation der beweglichen Teile des Wärmeaustauschsystems, des thermischen Kolbentopfs 4,2 und des Abgasventils 3.1, erfolgt durch die Sekundäre Einspritzung derselben Systemluft (Systemluft/Wasser oder im Fall der Wasserstoffverbrennung nur von Wasser), wie sie bereits bei der Primären Einspritzung Verwendung findet {innere rekuperative Kühlung). Für die Sekundäre Einspritzung I2 sorgt die Verbindung zwischen dem Einspritzsystem der Systemlufi LES und dem Brennraum, die über das Regulations-Einwegventil 3.3, die Ventilführung 3.2 und das Abgasventil-Einspritzloch 3.1 führt. Diese indirekte Temperaturregulation mittels Sekundärer Einspritzung erfolgt quantitativ und lastabhängig über die indizierte Temperatur der Abgase {Temperatursensor 3.4). Die Sekundäre Einspritzung ist dabei als vorrangige Lösung der Fragestellungen 3 und 4 zu betrachten (in .Stand der Technik').
Die thermischen Absorptionselemente des Wärmeaustauschsystems sollen sowohl eine hohe spezifische Wärmekapazität als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Während die spezifische Wärmekapazität die Energiemenge festlegt, die ein Stoff aufnehmen bzw. abgeben kann, ist die Wärmeleitfähigkeit eine Kenngröße für die schnelle Aufnahme bzw. Abgabe dieser Wärme. Darüber hinaus ist es außerordentlich wichtig, die Elemente des Wärmeaustauschsystems von den Motorwänden thermisch zu isolieren {Wärmedämmungsschicht 4.5 - Zeichnung Seite 10, Fig. 10.1). Um aus Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Wärmedämmung optimalen Nutzen zu ziehen, ist es von Vorteil, die Elemente des Wärmeaustauschsystems aus einer Kombination von unterschiedlichen Stoffen in einer geschichteten Struktur auszuführen. So könnte zum Beispiel eine Kombination aus der transparenten inneren Schicht {Refraktionsschicht) der Brennraumseite mit der spiegelnden äußeren Schicht der Einbauseite {Reflektionsschichf) von besonderem Vorteil sein: Die gleichzeitige konvektive und strahlgefuhrte Abgabe und Aufnahme der Wärme zwischen Wärmeaustauschsystem und Arbeitsmedium gewährleistet einen besonders schnellen und effektiven Energiefluss. Neben der isolierenden Wirkung der Wärmedämmung 4.5 kann die Reflektionsschicht den Effizienzschaden, - wie er durch die Wärmeabfuhr über die Maschinenelemente und das Kühlungssystem entsteht -, zusätzlich signifikant verringern.
Zusätzlich unterstützt der Effekt der , Kalten Flamme' (>330aC) die Wirkung des Wärmeaustauschsystems und bewirkt so eine wesentlich schnellere Verdunstung des flüssigen Kraftstoffs und damit auch eine deutlich schnellere Homogenisierung des Frischgases. Hieraus resultiert eine beträchtliche Verkürzung der Zeitdauer von Zündung und Verbrennung (Fragestellung 2 in , Stand der Technik').
" Bei der Vormischtechnik für flüssige Brennstoffe können folgende Methoden unterschieden werden [Lucka 00/1 J:
Die Verdampfung erfolgt unter Ausnutzung des Zündverzuges. Diese Technik beruht auf der Tatsache, dass zur Zündung eines Gemisches eine bestimmte Zeit— die so genannte Induktionszeit - erforderlich ist, die mit zunehmender Temperatur allerdings stark abnimmt. Vormischtechniken, die innerhalb des Zündungsverzugs arbeiten, erfordern daher eine sehr präzise Steuerung der Temperatur im Verdampferraum. Der Regelbereich von Brennern mit dieser Vormischtechnik ist daher stark eingeschränkt.
Eine mögliche Alternative zur Ausnutzung des Zündverzuges ist das Konzept der Erzeugung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches durch die so genannte Kalte Flamme [Lucka 99] . Dabei wird ausgenutzt, dass es vor der eigentlichen Zündung im Bereich mittlerer Temperaturen - z.B. bei typischen Kohlenwasserstoffen in leichtem Heizöl bei Temperaturen von 300 bis 500 °C - noch nicht zu einer Selbstzündung kommt. Bedingt durch chemische Reaktionen kommt es aber bereits zu einer Umsetzung der langkettigen Kohlenwasserstoffe in kurzkettige Moleküle. Der Sauerstoff wird beim Einsatz eines nahezu stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Gemisches dabei nur maximal zu 20% umgesetzt, und die Temperatur stabilisiert sich im Vergleich zur Eintrittstemperatur auf einem um 10 °K bis 150 °K höheren Niveau. Der Verlauf der Wärmeerzeugungskurve zeigt, dass unterhalb von 300°C keine Reaktion bzw.
Wärmefreisetzung stattfindet. Bei etwa 330 °C* setzen die Reaktionen der Kalten Flamme ein und es kommt zunächst zu einem teilen Anstieg des erzeugten Wärmestromes. Bei Temperaturen von mehr als 400 °C geht der produzierte Wärmestrom dann allerdings deutlich zurück, bis es schließlich bei 550 °C zur thermischen Zündung des Systems kommt. Ursache dieses Verhaltens sind die komplexen Gleichgewichte unter Beteiligung von Alkylperoxyl-Radikalen. "
Dipl.lng. Oliver Hein(Literatur*) :
Umwandlung flüssiger Kohlenwasserstoffe in ein homogenes Brenngas-Luft-Gemisch mittels Kalter Flammen
l.Takt: Additionstakt des Motorsystem AMS
A) Primäres Einspritzverfahren:
Im Gegensatz zur herkömmlichen (subtraktiven) monovalenten Einspritzung produziert das Primäre Einspritzverfahren (Zeichnung Seite 7, Fig.7, zwischen Pktl und Pkt. 2*) gemäß dem Additionsprinzip von sich aus Einspritzarbeit und steht auf diese Weise vollständig im Dienst der Arbeitsproduktion. Diese Primäre Einspritzarbeit besteht aus der
-Pneumatischen Einspritzarbeit - als Folge des Einspritzdrucks der eingespritzten Frischladung (Pkt.l-Pkt.2) -Thermischen Einspritzarbeit - als Folge der Ausdehnung des Frischgases durch die rekuperative Wirkung des Wärmeaustauschsystems (PkL2-PkL2*)
Anstelle der inneren heterogenen Schichtladung der BDE Otto- und CR Dieselmotoren offeriert die Innovation AMICES 11 in Gestalt des Primären Einspritzverfahrens die thermokinetische Grundlage für die innere homogene Gemischbitdung. Die folgenden Konzepte der Gemischbildung basieren auf dem geordneten Drall (Strömungsvorgang) der gezielten bivalenten Primären Einspritzung der gesamten Frischladung. Ihnen allen ist die innere thermokinetische Gemischhomogenisierung durch die drallunterstützte onvektion mittels Wärmeaustauschsystem gemeinsam, sie unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Position, Struktur und Zahl der Einspritzventile. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die bivalente Primäre Einspr itzung von Systemluft und handelsüblichem Kraftstoff.
Konzept-l der 'inneren homogenen Gemischbildung^: Die simultane Primäre Einspritzung
Zeichnung Seite 11, Fig.11, veranschaulicht schematisch das Konzept-l der inneren homogenen Gemischbildung durch die simultane Primäre Einspritzung. In diesem Zusammenhang sind auch die Zeichnungen Seite t 10 und 14 von Relevanz.
Konzept-l beruht auf der simultanen Primären Einspritzung der gesamten Frischladung mittels der Einspritzanlage MCCRS {Multi Component Common Rail System) und der Kombidüse CD gemäß dem ursprünglichen Konzept AMICES (Druckschrift DEI02008008859A1-Stand der Technik). Die Kombidüse CD als Teil der Einspritzanlage MCCRS ist wie ein Einspritzventil konstruiert, das selbst keinen Druck produziert. Die Einspritzanlage MCCRS als Druck- und Lastregler zwischen dem Druckspeicher der Systemluft und dem Kraftstoffstank einerseits und dem Additionsmotor 2ΧΛ anderseits, gewährleistet die Versorgung mit den beiden Brennkraftkomponenten bei einem konstanten Einspritzdruck p{. Befindet sich die Kolbenposition im oberen Totpunkt (Fig.7, Pkt. /), erfolgt über die Kombidüse CD die Einspritzung der teillastbedingten Menge der in stöchiometrischem Verhältnis vorliegenden Verbrennungskomponenten. Aufgrund der ausgeprägten Turbulenz in der unmittelbar am Ausgang des Kombidüse CD gelegenen Mischkammer M findet bereits hier die Vormischung der Brennkraftkomponenten statt. Von hier aus gelangt die vorgemischte Frischladung als extrem schnelle turbulente Strömung in den kreisrunden Spaltkanal 4.6 des Absorptionsrings 4.5. Über den Spaltkanal 4.6 verteilt sich die Frischladung tangential entlang des Spalts zwischen den Zylinderwänden des Brennraums und dem Kolbentopf. Die rundsymmetrische Zylinderform des Spalts erzeugt zwischen den Oberflächen des Absorptionsrings 4.1 und des Kolbentopfs 4.2 eine geordnete Drehbewegung des Gemisches, den so genannten Drall. Der hohe Einspritzdruck p, der sich stetig fortbewegenden Frischladung zwingt den Kolben nach unten und produziert auf diese Weise die pneumatische Einspritzarbeit (Fig.7; Arbeit zwischen Pktl und Pkt2). Wegen der thermischen Konvektion zwischen der turbulent strömenden Frischladung und den heißen Wandoberflächen des Wärmeaustauschsystems (ca. 500°C, Absorptionsring 4.5, Kolbentopf 4.2, Abgasventil 3.1) überträgt sich die akkumulierte Wärme aus dem vorangegangenen Arbeitszyklus auf das strömende Gemisch. Die Einspritzung wird bei VolHast bei ca. 20°kWW abgeschlossen (Fig.7, Pkt2). In dieser Phase soll die Frischladung eine Mindesttemperatur von 330°C* erreichen (* Zitat S.32). Diese Temperatur gewährleistet die Aktivierungsenthalpie für die exotherme Reaktion der Kalten Flamme. Diese exotherme Reaktion unterstützt die Homogenisierung des Frischgases durch einen ,steilen Anstieg des erzeugten Wärmestroms ' in besonderem Maße (nur flüssige Kraftstoffe >330°C). Durch die Erwärmung erfährt die Rotationsgeschwindigkeit des Dralls eine zusätzliche Beschleunigung. Dies dient dazu, die zerstäubten Kraftstoffpartikel völlig zu verdunsten (E) und das homogenisierte Frischgas auf eine optimale Zündungstemperatur zu bringen (bei Benzin 450° bis 500°C). Die radiale und axiale thermische Strömungsausdehnung des Frischgases (als Folge der Erhitzung und Kraftstoffverdunstung) verursacht lokale Turbulenzen, welche eine besonders schnelle Verteilung des evaporierten Kraftstoffs (£) begünstigen. Die erwärmungsbedingte Ausdehnung des Frischgases produziert die zusätzliche thermische Einspritzarbeit (Fig.7, zwischen PkL2 und Pkt2*). Demgemäß ergibt sich wie schon beschrieben durch Addition die Primäre Einspritzarbeit (Fig.7: Arbeit zwischen Pktl und Pkt2*).
Konzept-1 der inneren homogenen Gemischbildung (Weiterentwicklung des ursprünglichen Konzepts AMICES) ermöglicht eine gute Luft KraftstofT-Vormischung und einfache thermokinetische Vollhomogenisierung des Frischgases. Dieses System ist vor allem für die gasförmigen und benzinartigen Kraftstoffe denkbar. Ob es allerdings ausreichend Zeit für die thermokinetische Vollhomogenisierung des Frischgases im Falle schwer verdunstender Kraftstoffarten bietet, ist fraglich. Die Verdunstung des Kraftstoffs (E) hat stets auch eine kühlende Wirkung. Die gleichzeitig stattfindende konvektive Erhitzung der Frischladung und Verdunstung des flüssigen Kraftstoffs bei einem relativ niedrigen konstanten Einspritzdruck p, (50-100* 105 Pa) kann sich in diesem Zusammenhang allerdings auch als Problem erweisen, weil durch die Verlangsamung der Wärmekonvektion die erforderliche Mindesttemperatur der Frischladung von 330°C am Ende des Einspritzverfahrens nicht erreicht wird. Wegen der relativ geringen Zerstäubung mancher Kraftstoffe und deren dadurch auch langsameren Verdunstung kann die limitierte Dauer der thermokinetischen Vollhomogenisierung überschritten werden. Das Wegfallen der exothermen Reaktion der Kalten Flamme verursacht so möglicherweise einen hohen Inhomogenitätsgrad der Frischgase mit schädlichen Folgen, so u.a. eine erschwerte Zündung, gefährliche Schadstoffemissionen und Effi zienzverluste.
Weil das für die Ausführung des integrierten Luft- und Kraftstoff-Einspritzsystems (MCCRS) und vor allem das für die Kombidüse CD erforderliche technische Knowhow gegenwärtig nur unzureichend zur Verfügung steht, erschwert dies realistische Planungen hinsichtlich Entwicklungsdauer und -kosten.
Konzept-2 der ''inneren homogenen Gemischbildung': Die separate Primäre Einspritzung
Die Zeichnung der Seite 12 veranschaulicht schematisch Konzept-2 der 'inneren homogenen Gemischbildung' durch die separate Primäre Einspritzung. In diesem Zusammenhang sind auch die Zeichnungen der Seiten 9 und 10 von Bedeutung. Konzept-2 kombiniert die separate Einspritzung der vorkomprimierten Systemluft mit den bewährten direkten Einspritztechniken moderner BDE Otto- und CR Dieselmotoren.
... "Moderne Ottomotoren arbeiten auch mit direkter Kraftstoffeinspritzung und können, je nach Einspritzzeitpunkt, ein homogenes oder inhomogenes Gemisch bilden. In diesen Fällen spricht man von„ innerer Gemischbildung", wie sie beim Dieselmotor Anwendung findet. Beim Dieselmotor wird kein Gemisch, sondern Luft verdichtet. Der Kraftstoff wird kurz vor dem oberen Totpunkt in diese hoch verdichtete und damit heiße Verbrennungsluft eingespritzt. Die Gemischbildung läuft also in extrem kurzer Zeit im Brennraum des Motors ab und die Zündung erfolgt ohne fremde Zündquelle ausschließlich durch Übertragung der Wärme von der komprimierten Luft an den Kraftstoff "...
Handbuch Dieselmotoren, 3., neubearbeitete Auflage,
Klaus Mollenhauer und Helmut Tschöke, Springer Berlin Heidelberg 2007
Auf diesem bewährten Modell beruht die bivalente Primäre Einspritzung des Konzepts-2, das durch separate Einspritzsysteme von Systemluft (LES) und Kraftstoff (KES) gekennzeichnet ist. Das Luft-Einspritzsystem LES sorgt für die Einspritzung der Systemluft unabhängig von wechselhaften Betriebszuständen, dies bei einem konstanten Einspritzdruck pi {ca. > 50 105 Pa). Für das Einleiten der System luft in den Brennraum ist die separate Luftdüse DL vorgesehen. Diese ist wiederum in der Ausführung eines Einspritzventils gestaltet, das selbst keinen Druck produziert. Für die direkte Einspritzung des Treibstoffs mittels des Kraftstoff-Einspritzsystems KES und der Kraftstoffdüse DK sorgt die bewährte Einspritztechnik der modernen BDE Otto- (ρΛ = 100 -150 10s Pä) und CR Dieselmotoren. {Common Rail, p& = 1000 -2000 10s Pa, Stand 2009). So läuft die Primäre Einspritzung zu Beginn des Additionstakts in zwei separaten Schritten ab:
In einem ersten Schritt wird die teillastbedingte Menge der Systemluft (= Oxydationsmittel) bei einem konstanten Einspritzdruck />, über die separate Lufidüse DL in den Brennraum injiziert. Dadurch wird beispielsweise möglich, dass bei einem Kaltstart, - bedingt durch die steuerbaren Öffhungs-/Schließzeiten der Abgasventile mit der Primären Einspritzung der Systemlufl vor dem oberen Totpunkt (OT) begonnen werden kann. Demzufolge kann nach der frühzeitigen Schließung des Abgasventils der geringe Anteil der eingespritzten Luft im Spaltvolumen adiabatisch verdichtet werden (ähnlich wie im Fall des traditionellen Subtraktionsmotors). Diese Verdichtung unterstützt die Gestaltung der Initialwärme (bei Konzept- 1 nur mit Hilfe des elektrischen Heizers 4.3 möglich), die für den weiteren Ablauf der inneren homogenen Gemischbildung eine zwingende Voraussetzung darstellt. Außerdem ermöglicht bei einem normalen Betrieb die kontrollierte zeitliche Überschneidung von Abgasausstoß und Früheinspritzung die Feinregulierung der Temperatur des Wärmeaustattschsystems und beschleunigt die Erwärmung der eingespritzten Systemluft. Diese gerät in Form einer extrem schnellen turbulenten Strömung in den kreisrunden Spaltkanal 4.6 des Absorptionsrings 4.5. Durch den Spaltkanal 4.6 verteilt sich die Systemluft in einer extrem schnell rotierenden Strömung tangential entlang des Spalts zwischen dem Absorptionsrings 4.5 und dem Kolbentopf 4.2. Wie schon bei Konzept- 1 beschrieben, bildet dadurch die rundsymmetrische Zylinderform des Spalts zwischen Oberfläche von Absorptionsring 4.1 und Kolbentopf 4.2 die geordnete Drehbewegung der eingespritzten Systemluft, den so genannten Drall. Der hohe Einspritzdruck pt- der sich stetig fortbewegenden Systemluft zwingt den Kolben nach unten und produziert damit die pneumatische Einspritzarbeit,
Aufgrund der thermischen Konvektion zwischen der turbulent strömenden Frischladung und den heißen Wandoberflächen des Wärmeaustauschsystems (ca. 500°C, Absorptionsring 4.5, Kolbentopf 4.2, Abgasventil 3.1) überträgt sich die akkumulierte Wärme aus dem vorhergehenden Arbeitszyklus auf die strömende Systemluft. Wegen der fehlenden Verdunstung des Kraftstoffs gleicht sich die Temperatur des erhitzten spiralförmigen Luftstroms der vorgegebenen Temperatur des Wärmeaustauschsystems wesentlich schneller an. Die separate Einspritzung der Systemluft wird so bei Volllast bei ca. 20° KWW und einer Mindesttemperatur von 400°C beendet. Die ohnehin schon extrem hohe Rotationsgeschwindigkeit des Dralls nimmt durch die erwärmungsbedingte Ausdehnung noch weiter zu, was den Kolben zusätzlich nach unten treibt. Wegen der monovalenten Einspritzung in der ersten Phase (nur Systemluft) erweist sich die Erwärmung als effizienter und als Folge hiervon die thermische Einspritzarbeit als wesentlich größer als bei Konzept- 1.
In einem zweiten Schritt erfolgt die teillastbedingte Injektion des Kraftstoffs entweder gleichzeitig oder mit einer geringen zeitlichen Überschneidung vor der abgeschlossenen Einspritzung der Systemluft. Dies geschieht - wie bei der herkömmlichen direkten Einspritztechnik auch -, lastgesteuert über die Kraftstoffdüse DK mittels einer kurzen kräftigen Injektion des Treibstoffssprays TS (bei einer Volllast zwischen 15° und 20° KWW nach dem oberen Totpunkt OT, Fig.7; vor oder nach PkL2). Das Treibstoffsspray gerät dadurch in den hoch verdichteten und rasanten Drall der heißen Systemluft. Diese extrem schnelle Dreh-Spiralströmung erweist sich gegenüber den konventionellen Pendants als signifikanter Vorteil der A ICES II Einspritzungstechnik. Ihr kommt dabei insofern eine große Bedeutung zu, als die Zerstäubung und Einmischung des Treibstoffsprays TS effektiver erfolgt, wenn die Kraftstoff-Einspritzrichtung und die Drehrichtung der Luft annähernd senkrecht zueinander verlaufen und Tropfenverdampfung vorliegt. Die radiale und axiale thermische Strömungsausdehnung des Frischgases durch Erhitzung und Kraftstoffverdunstung verursacht lokale Turbulenzen, die die besonders schnelle Verteilung des evaporierten Kraftstoffs und damit die Vollhomogenisierung des Frischgases noch zusätzlich begünstigen. Die Gemischbildung läuft also auf dem Wege des Aufeinandertreffens der winzigen Treibstofrpartikel mit der strömenden heißen Luft in der Brennzone BK des Motors in extrem kurzer Zeit ab. Die rasante thermokinetische Zerstäubung des Treibstoffssprays TS im heißen Drall der Systemluft ermöglicht eine augenblickliche Verdunstung der winzigen Kraftstofftropfen. Gleichzeitig erreicht das homogene Frischgas die optimale Zündungstemperatur (Benzin 450° bis 500°C) und kann deshalb umnittelbar nach der Kraftstoffeinspritzung durch die Zündkerze 2.0 besonders schnell entflammt werden {Fig.7; zwischen Pkt2-Pkt2*).
B) Zündungsverfahren (Pkt 2*- 3d)
Damit die kontrollierte Verbrennung ohne schädliche Verzögerung und nachteilige Ereignisse abläuft, sind ein hoher Homogenisierungsgrad, ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis sowie die Stabilität von Druck und Temperatur der Frischladung erforderlich. Genau diese Voraussetzungen bietet selbst bei wechselhaften Betriebsbedingungen und Teillast das Primäre Einspritzverfahren des Additionsmotors 2XA. Im Einzelnen sind dies: - stabile Verbrennungsbedingungen (konstanter Einspritzdruck pt- und regulierte Temperatur des Gemisches)
- eine vollhomogene stöchiometrische Zusammensetzung des Gemisches
So bildet die bivalente Primäre Einspritzung des Additionsmotors 2XA bei stabilen Verbrennungsbedingungen ein überwiegend homogenes stöchiometrisches Frischgas, das im Fall der traditionellen Fremdzündung leicht zu entflammen ist. In der Praxis erweist sich der Druckgradient der Verbrennung bei der nahezu stöchiometrischen Zusammensetzung des Gemisches (λ= 0.95-1) am steilsten, wie dies beim Additionsmotor 2XA der Fall ist. Aus diesem Grunde ist ein extrem hoher Verbrennungs-Spitzen druck zu erwarten (>200 105 Pa).
Eine weitere Bedingung für den hohen Wirkungsgrad und somit den geringen Kraftstoffverbrauch des Additionsmotors 2XA ist eine kurze Brenndauer. Trotz des ohnehin bereits außergewöhnlich hohen Thermopneumatischen Wirkungsgrades des theoretischen Additionsprozesses, erweist sich hinsichtlich der Effizienz des realen AMICES II Motorsystems AMS (Fragestellung 2) das Zündungsverfahren und vor allem dessen Brenndauer als die entscheidende Frage.
Dafür, warum eine längere Brenndauer der Effizienz des Additionsmotors 2ΧΛ so abträglich ist, gibt es eine Reihe von Gründen, die im Folgenden näher ausgeführt werden. Die Zündung des Additionsmotors 2XA findet nach dem oberen Totpunkt bei einer fortlaufenden Erweiterung des Brennraums statt. Läuft die Entflammung der Frischladung schneller ab, erfolgt die Verbrennungsexpansion im kleineren Brennraum. Der daraus resultierende Spitzendruck und die entsprechende Spitzenternperatur werden dadurch höher bzw. niedriger. Bekanntlich ist der thermische Wirkungsgrad eines jeden Brennkraftprozesses maßgeblich durch die Differenz aus maximaler und minimaler Temperatur festgelegt. Je schneller die Verbrennung vonstatten geht, desto höher ist auch die Spitzentemperatur und somit auch der Spitzendruck. Gleichzeitig resultiert aus der verlängerten Expansion durch den längeren Kolbenweg eine niedrigere Endtemperatur. Aus diesem Grund hat die verspätete Zündung aus thermodynamischer Sicht eine Verschlechterung des Wirkungsgrades zur Folge.
Die traditionelle Fremdzündung läuft ab dem Initialisierungspunkt letztlich in zwei thermischen Phasen ab: Die erste, ungefähr zeitkonstante Entflammungsphase der Zündenergiezufuhr durch einen Funken, ist nur von der Zusammensetzung des Gemisches abhängig. Letztere bringt einen Zündverzug mit sich, dessen Dauer in Relation zur steigenden Motordrehzahl und Luftzahl λ steht. Deshalb muss der Zündzeitpunkt bei Ottomotoren mit zunehmender Drehzahl und zunehmender Luftzahl λ vorverlegt werden. Die Erfahrung mit den klassischen BDE Ottomotoren zeigt andererseits, dass die Funkzündung erst 40° bis 50°KWW vor dem oberen Totpunkt (bezogen auf den Kolbenweg in °KWW) erfolgt. Die erforderliche, vom Luft Kraftstoff-Verhältnis abhängige Zündenergie, beträgt beispielsweise bei stöchiometrischen Benzin/Luft-Gemäschen nur 0,2 mJ, während fette und magere Gemische bis zu 3 mJ pro Zündung benötigen.
Die zweite Phase, die Wärmefreisetzung, ist durch die Flammgeschwmdigkeit der exothermen Reaktion des Luft/Kraftstoff-Gemisches bestimmt. Bekanntlich hängt die Flammgeschwindigkeit von der Art des Kraftstoffs, der Luftzahl λ, der Temperatur des Gemisches, aber auch von der Zündungsart ab. Sie ist aber auch von Diffusionsvorgängen in der Flammfront abhängig und hat bei Benzin-Luft-Gemischen bei ca. 10 Prozent Luftmangel (λ= 0,9) mit ca. 20...40 m s die höchsten Werte. Der Schwerpunkt der Wärmefreisetzung liegt bei den klassischen BDE Ottomotoren kurz nach dem oberen Totpunkt (ca. 5D-10°KWW).
Demnach wird die hohe Flammgeschwindigkeit auch durch den richtigen Ausgangsbereich der Wärmefreisetzung (Fig.7, PkLS*) beeinflusst. Darüber hinaus gibt der Ablauf der Wärmefreisetzung durch die Flammausbreitung die Brenngeschwindigkeit vor, die bei dem ohnehin schon rasanten Drall durch die zusätzliche Zündungsturbulenz eine besondere Vehemenz erfahrt. Da die rasanten Drallströmungen mit der Drehzahl zunehmen, nimmt auch die Faltung der Flammoberfläche zu. So wird verständlich, warum die Wärmefreisetzung bei traditionellen Ottomotoren mit steigender Drehzahl beschleunigt wird, obwohl die Flammgeschwindigkeit definitionsgemäß nicht zunehmen kann. Dies ist wegen der dynamischen Strömungsvorgänge beim AMICES Motorkonzept von außerordentlicher Bedeutung.
Im Falle einer traditionellen Funkzündung wird beim Motorsystem AMS dank der stöchiometrischen Zusammensetzung des homogenen Frischgases aufgrund der Primären Einspritzung, die erforderliche Zündenergie äußerst gering und die Flammgeschwindigkeit sehr hoch. Diese Vorteile reichen für eine zufriedenstellend kurze Brenndauer der spezifischen Spätzündung beim Additionsmotor 2XA alleine jedoch nicht aus. Bestenfalls ist ein noch immer zu großer Zündverzug von ca. 40°KWW zu erwarten (Volllast n>3000 u min-1). Obwohl die zeifkonstante Entflammungsphase auch unmittelbar vor dem Abschluss der bivalenten Primären Einspritzung initialisiert werden kann (Fig.7, Pkt.2, ca. 15°-20°KWW), kommt dadurch der Schwerpunkt der Wärme freisetzung mit ca. 50° bis 60° KWW noch immer zu spät Bei Volllast und einer Umdrehungszahl von n > 3000 U/min werden dagegen ca. 25°-35°KWW gewünscht.
Als Problem bei der Umsetzung der klassischen Funkenzündung erweist sich zudem auch der richtige Ausgangsbereich der Wärmefreisetzung. Bekanntlich hängen Flammgeschwindigkeit und -ausbreitung im Wesentlichen von Diffusionsvorgängen in der Flammfront ab. Die erwünschte Effizienz der Wärmefreisetzung erfordert deshalb eine zentrale Lage der Initialisierung. Für eine solche Positionierung der Funkkerze ist im Brennraum des Additionsmotors 2XA aber kaum Platz vorhanden. In diesem Sinne stellen der beträchtliche Zündverzug und die konstruktive Umsetzung der klassischen Funkenzündung für den optimalen Prozessvorgang des Motorsystems AMS eine Komplikation dar.
Für eine schnelle Verbrennung beim Additionsmotor 2XA sprechen hingegen der überaus große Einspritzdruck, die thermische Erhitzung und die überaus turbulente Bewegung des Gemisches. Sowohl die Druckerhöhung als auch die gezielten Turbulenzen erlauben auf Grund der daraus resultierenden schnelleren Verbrennung in der Regel einen späteren Zündzeitpunkt. Die Ström ungs Vorgänge falten die FlammoberfJäche auf und fuhren somit zu einer Beschleunigung der Energieumsetzung. Beim traditionellen, d.h. dem konventionellen Subtraktionsprinzip folgenden Motor, erweist sich durch die Frühzündung auch diese Verbrennungsarbeit teilweise als negativ (Siehe Z, Zeichnung Seite 1 , Fig. 1 .2). Beim Additionsmotor 2XA hingegen ist aufgrund der Spätzündung die gesamte Verbrennungsarbeit positiv. In Zusammenhang mit der thermischen Wirkung des Wärmeaustauschsystems stellt sich die Effizienz der Spätzündung sogar noch wesentlich vielversprechender dar:
1 ) Die durch das Wärmeaustauschsystem abgedämmte Brennzone BK {Fig. 10.1) vermindert im Wesentlichen die Ableitung der Verbrennungswärme auf das Kühlungssystem. Als Folge hiervon steigt auch der Erhitzungsgradient schneller an und liegt die Spitzentemperatur der Verbrennung selbst bei einer verspäteten Zündung noch immer signifikant höher als bei traditionellen (subtraktiv arbeitenden) Brennkraftmotoren.
2) Alternativmefhoden zur konventionellen Fremdzündung, wie etwa Mikrowellen- (MW) und Laserzündung, versprechen für die Zukunft eine weitere Verbesserung und vor allem eine beträchtliche Verkürzung des Zündungsvorgangs. Wie die traditionelle Funkenzündung stellt auch die alternative Laserzündung (z.B. HiPoLas' der Firma AVL) eine Punktzündung dar. Die Laserkerze 2 initialisiert die plasmatische Entflammungsphase im Axialen-Zentrum des Brennraums und begünstigt dadurch die nach außen gerichtete, überaus schnelle zentrifugale Ausbreitung der Flammenfront im Brennraum (Zeichnungen der Seiten 11 und 12). Um den Zündverzug zusätzlich zu verringern, kann die zeitkonstante Entflammungsphase auch unmittelbar nach Abschluss der Primären Einspritzung initialisiert werden (Fig.7, Pkt.2, ca. 15°-20°KWW). Laut Versprechungen der neuen Lasertechnik kann sogar im Fall hoher Umdrehungszahlen der Schwerpunkt PkLS? der Wärmefreisetzung vor 30° KWW erfolgen.
3) Neben der Fremdzündung mittels der kontrollierten Erhöhung der Temperatur des Wärmeaustauschsystems ist eine stabile thermische Selbstzündung denkbar. Hierbei behilflich sind die bisherigen Erfahrungen mit der homogenen Kompressionszündung HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, oder CAI - Controlied Auto Jgnition). Diese bezeichnet die im gesamten Brennraum gleichzeitig einsetzende kontrollierte Selbstzündung des homogenen Gemisches benzinartiger Kraftstoffe. Auf Grund der instabilen Verbrennungsbedingungen konventioneller und damit subtraktiver Brennkraftmotoren hat sich die HCCI Kompressionszündung bei wechselhafter Teillast in der Praxis nicht bewährt. Stabile Verbrennungsbedingungen des homogenen stöchiometrischen Gemisches bietet hingegen das innovative Primäre Einspritzverfahren des Additionsmotors 2XA. Insofern kann die thermische Selbstzündung in Folge der exothermen Reaktion der Kalten Flamme durch die in engen Grenzen kontrollierte Überschreitung der Selbstzündungstemperatur des homogenisierten Frischgases erfolgen. Ob das Wärmeaustauschsystem des Additionsmotors 2XA diese engmaschig kontrollierte Temperatur (Benzin >550°C, Diesel >650°C) bei instationären Betriebszuständen alleine durch die Wärmerekuperation gewährleisten kann, werden spätere Computersimulationen erweisen. Wegen der Vorgänge beim Kaltstart empfiehlt es sich, den Vorteil der Kombination von thermischer Selbstzündung und Fremdzündung zu nutzen.
C) Verbrennunssexp nsion und Sekundäres Einspritzverfahren
Die Zeichnungen Seite 10, Fig.10.1 und 10.2, und Seite 13, Fig.l3.2, veranschaulichen schematisch die rekuperative innere Kühlung durch das Sekundäre Einspritzungsverfahren (Fragesteliung~3 in , Stand der Technik'). In diesem Zusammenhang sind auch das p-v-Diagramm (v = spezifisches Volumen) der Zeichnung Seite 7 und die p-V- Diagramme (V = Arbeitsvolumen) der Zeichnungen der Seiten 14 und 15 von Bedeutung. Bei konventionellen Brennkraftsystemen gehen durch den passiven Ausstoß der Abgase sowie durch die Motorkühlung insgesamt rund 60 Prozent der produzierten Wärmeenergie verloren. Beim Öffnen der Austassventile weisen die Abgase einen höheren Druck als die Umgebungsluft auf und entweichen deshalb bei einem nicht aufgeladenen Motor ungenutzt. Die Temperatur der von einem traditionellen Otto-Hubkolbenmotor produzierten Abgase liegt bei über 900°C, beim Dieselmotor etwas über 700°C. Beim Turbomotor hingegen wird eiri Teil dieses Druckgefälles für den Antrieb des Turboladers genutzt, deT mit dieser Energie die Luft im Ansaugtakt des Motors komprimiert. Außerdem wird die Abgasenergie mit Hilfe der über die Compound-Turbine erfolgenden Rekuperation in Form der sekundären Arbeit als Standardlösung bei stationären und größeren Brennkraftmaschinensystemen (in der Regel Dieselsysteme) genutzt. Erfahrungsgemäß haben die Abgase entsprechender Turbo-Compound- Dieselsysteme (Scania, Iveco, MAN) beim Verlassen des Krümmers eine Temperatur von fast 700°C. Bei Erreichen der Compound-Turbine (Turbine: 55.000 U/min) weisen sie immer noch eine Temperatur von ca. 600° C auf, nach dem Austreten aus der Turbine ist die Temperatur der über die konventionelle Abgasanlage und den Schalldämpfer entweichenden Abgase auf weniger als 500°C gesunken (dTAT=ca.l00°C). Dies zeigt, dass der durch die Abgaswärme bedingte Wärmeverlust trotz Rekuperation noch immer beträchtlich ist. Die Compound-Turbine rekuperiert demnach nur einen kleinen Teil der in den Abgasen enthaltenen kinetischen Energie in nutzbare Arbeit (< 5 Prozent der effektiven Primärarbeit des Hubkolbenmotors-Diesel LKW). Die zusätzliche Rekuperation über Wasserdampf vermag dieses Ergebnis zwar noch weiter zu verbessern, dies gilt allerdings nur für stationäre Dieselsysteme (< 10 Prozent der effektiven Primärarbeit stationärer Compound-Dieselsysteme, MAN).
Das Motorsystem AMS liegt in seiner Grundform als eine aus dem Additionsmotor 2XA und der Compound-Turbine AT bestehende Tandernausführung vor, wobei der Kolbenmotor die Primärarbeit produziert, wahrend die Turbine die restliche Energie der Abgase nutzbringend als Sekundärarbeit verwertet. In diesem Zusammenhang zeigt sich die Bedeutung des richtigen Zeitpunkts für den Auslass der Abgase. Um während des zweiten Takts einen zusätzlichen Arbeitsverlust durch die Dämpfung der Kolbenbewegung beim Ausstoß der Abgase zu vermindern, beginnt die Öffnung beim traditionellen Kolbenmotor in der Regel 60° bis 45° KWW (Fig.7, Pk 4') vor dem unteren Totpunkt (Fig.7, Pkt.4). Auf diese Weise wird erreicht, dass mindestens 50 Prozent der Abgase den Brennraum noch im ersten Takt verlassen. Dieses Procedere erweist sich als das„kleinere Übel", allerdings geht auch hierbei ein Teil der Expansionsarbeit des Hubkolbenmotors verloren.
Der Ausstoß der Abgase des Additionsmotors 2XA ist durch die nachstehende Funktionsabfolge gekennzeichnet: Öffhungsbeginn des Auslassventils 3.1 in Pkt. 4 Ausstoß der Abgase während des ersten Takts zwischen Pkt. 4 und PkL 4 (Fig.7). Während des Entweichens der Abgase in der Schlussphase des ersten Takts befinden sich der Additionsmotor 2XA und die Compound-Turbine AT in gemeinsamer Arbeitsproduktion (Tandemarbeit). Die Abgase werden über die Compound-Turbine A T expandiert, welche das resultierende Drehmoment in Form der Sekundärarbeit nutzbar macht. Diese Form der Rekuperation der Abgasenergie ist in der technischen Praxis bestens bekannt. Das ursprüngliche AMICES Rekuperationskonzept (DE 102008008859 AI -Stand der Technik) kann zusätzlich die Wassereinspritzung einsetzen, um die Rekuperation der restlichen thermischen Energie der Abgase weiter zu verbessern. Diese Abgas/Dampf-Rekuperation geht jedoch mit einer beträchtlichen Komplizierung des Maschinensystems einher.
Um mögliche Komplikationen weitgehend zu vermeiden und gleichzeitig noch mehr thermische Energie aus den Abgasen zurück zu gewinnen, bietet das innovative Motorsystem AMS eine besonders einfache, jedoch überaus effektive technische Lösung, - und zwar in Form der Sekundären Einspritzung der vorhandenen Systemluft (optional SystemluftJ Wasser oder auch nur Wasser). Ein weiterer Vorteil des Additionsmotors 2XA sind seine im Vergleich zu konventionellen Brennkraftmaschinen signifikant geringeren Abmessungen. Dadurch wird erheblich mehr Wärmeenergie pro Konstruktionsmasse pro Zeiteinheit zugeführt. Die vielversprechend hohe Leistungsdichte in Zusammenhang mit dem wesentlich höheren Mitteldruck könnte allerdings auch zu einem schädlichen Überhitzungseffekt führen (Fragestellung-3 in ,Stand der Technik'). Die klassischen Brennkraftmotoren begegnen ihrer möglichen Überhitzung mithilfe der„äußeren" Kühlung (Wasser- oder auch Luftkühlung). Diese verursacht durch die passive Ableitung der Wärme über die Brennraumwände an die Umgebung mehr als 30 Prozent des Gesamtwärmeverlusts. Rund weitere 30 Prozent der produzierten Wärmeenergie gehen beim passiven Ausstoß der Abgase verloren. Das vorrangige Ziel der rekuperativen inneren Kühlung mittels der Sekundären Einspritzung I2 ist es deshalb, eine Überhitzung des Motorsystems AMS (Fragestellung-3 in , Stand der Technik') zu vermeiden und gleichzeitig die polytropischen Wärmeverluste der Verbrennungsexpansion durch das Kühlungssystem und die Abgase zu minimieren. Dabei bewirkt die Senkung der Abgastemperatur eine ganz wesentliche Steigerung der Motoreffizienz.
Die Zeichnungen der Seiten 10 und 13, Fig.10.2 und Fig.13.2, veranschaulichen neben dem Wärmeaustauschsystem das Konzept des Sekundären Einspritzverfahrens: Demgemäß wird während der adiabatischen Verbrennungsexpansion„kalte" Systemluft (Umgebungstemperatur des Druckspeichers + Expansionseffekt) über das Abgasventil 3.1 (integrierter Lufteinspritzkanal) in den Brennraum eingebracht. Eine Verbindung zwischen Brennraum und Luft-Einspritzsystem LES besteht in Form des axialen Lufteinspritzkanals im Abgasventil 3.1 und der Ventilführung 3.2 (integrierte Luftaufnahme). Auf diese Weise wird durch den Kü lungseffekt der eingespritzten Systemluft gleichzeitig die kontrollierte innere Temperierung von Abgasventil 3.1 und Kolbentopf 4.2 gewährleistet.
Entsprechend führt die Sekundäre Einspritzung die Erweiterung des Additionsprozesses während des Additionstakts ein. Die zusätzliche Systemluft ändert dabei die Menge und Zusammensetzung des Arbeitsmediums des rekuperativen Additionsprozesses. Diese veränderte Zusammensetzung erschwert durch den indirekt proportionalen Zusammenhang zwischen spezifischem Volumen (v = m3/kg) und Dichte (I/v = kg/m3) des Arbeitsmediums eine eindeutige Darstellung im gewöhnlichen p-v-Diagramm (v = spezifisches Volumen). Um diese Schwierigkeit der Darstellung zu umgehen, veranschaulicht die Zeichnung Seite 14 die Wirkung der Sekundären Einspritzung in einem schematischen ^K-Diagramm (V = Arbeitsvolumen , wobei // die Primäre Einspritzung und I2 die Sekundäre Einspritzung bezeichnet.
Die Sekundäre Einspritzung I2 beginnt in Pkt4** des Additionstakts bei einem Einspritzdruck pa (Fig. 14; p-t- Diagramm). Der Zeitpunkt des Einspritzbeginns (Lage Pkt4**) und die Menge der injizierten Systemluft wird dabei in Zusammenhang mit der entsprechenden Teillast proportional geregelt. Die kräftig zylinderaxial einströmende Systemluft trifft auf die heiße Oberfläche des olbentopfs 4.2 und vermischt sich mit den Verbrennungsgasen. Aus der Mischung von eingespritzter Systemluft (<20°C) und Verbrennungsgasen (konzeptabhängig ca. <1000°C) entsteht bei konstantem Druck ρ im Brennraum eine gekühlte und verdichtete sekundäre Gasmischung (konzeptabhängig ca. <600°C). Auf Grund der Sekundären Einspritzung I2 (zwischen Pkt 4** und Pkt. 4*) wird wie im Fall der Primären Einspritzung It (WJt, zwischen Pkt 0 und Pkt2*) erneut pneumatische Arbeit Wl2 verrichtet. Damit die Sekundäre Gasmischung den Brennraum in Richtung Compound-Turbine AT rechtzeitig verlassen kann, wird die Einspritzung vor der Öffnung des Abgasventils 3.1 (Pkt4*) abgeschaltet. Die unterbrochene primäre Verbrennungsexpansion (Pkt3 bis Pkt4*) setzt sich zwischen PkL4* und dem unteren Totpunkt PkL4 mit der Produktion der Sekundären Expansionsarbeit fort. Da die Wärmeableitung von der Temperaturdifferenz abhängig ist, reduziert die sinkende Temperatur der verdichteten Sekundären Gasmischung zugleich die Wärmeverluste durch das Kühlungssystem und die Umgebung. Auf diese Weise gewährleistet die Sekundäre Expansion dank eines höheren Koeffizienten der Politrope und der verdichteten Gasmischung gleichzeitig eine zunehmende Arbeitsproduktion von Additionsmotor 2XA und Compound-Turbine AT (Tandemproduktion der Arbeit: +W1XA, +WAT ; zwischen Pkt4* und dem unteren Totpunkt Pki4).
Trotz des üblichen Verlusts aufgrund der frühzeitigen Öffnung des Auslassventils bewirkt die Sekundäre Einspritzung I2 während des Additionstakts einen signifikanten Anstieg der Primärarbeit des Additionsmotors 2XA. Gemäß dem Additionsprinzip (1.2-01) ergibt sich die Indizierte Additionsarbeit W2XA des Additionsmotors 2XA somit als Summe aus der Primären Einspritzarbeit Wn, der Primären Verbrennungs-Expansionsarbeit fVap-prjm, der Sekundären Einspritzarbeit W,2 und der Sekundären Expansionsarbeit der Gasmischung W^p.^
W2XA = Wn + Wexp.prim+ W12+ Wnp-sek (2.2-01)
Die indizierte Arbeit des Additionsmotors 2XA ergibt sich als Summe aus der kumulierten Pneumatischen Arbeit Wt und der Verbrennungs-Expansionsarbeit WFjcp.
Figure imgf000041_0001
Zusätzlich begünstigen die größere Menge, der höhere Druck und die höhere Dichte der Sekundären Gasmischung eine signifikante Steigerung der Sekundärarbeit durch die Abgas-Rekuperation der Compound-Turbine A T. Dieser Aspekt der Sekundären Einspritzung ist in Zusammenhang mit dem Rekuperaüonsbetrieb (mehr hierzu siehe Abschnitt 3.0) von besonderer Bedeutung. Sie ermöglicht nämlich den regulativen Ausgleich zwischen der Sekundärarbeit der Compound-Turbine AT und der Energetisierung der Nachfüllung des Druckspeichers mit den Verbrennungskomponenten (mehr hierzu siehe Abschnitt 3.0). Damit steht gemäß dem Additionsprinzip die innere rekuperative Kühlung zur Gänze im Dienst der Arbeitsproduktion.
Obwohl die Sekundäre Einspritzung mit einem erhöhten Verbrauch an Systemluft einhergeht (teillastabhängig), erscheint dies durch die nachfolgend genannten Vorteile wettgemacht:
Innere rekuperative Kühlung von Brennraum, Kolben und Auslassventil
Innere Regulation der Temperatur des Wärmeaustauschsystems
Erhöhung der Primärarbeit des Aktivmotors 2XA
Erhöhung des Thermopneumatischen Wirkungsgrads des Aktivmotors 2XA Erhöhung der Sekundärarbeit der Compound-Turbine AT (Rekuperationsbetrieb, mehr in Abschnitt 3.0)
Darüber hinaus ermöglicht die Sekundäre Einspritzung die weitere konstruktive Optimierung des Konzepts-2 der inneren homogenen Gemischbildung. Die Zeichnungen Seite 18, Fig.18.1 und Fig.18.2, veranschaulichen schematisch diese weitere Variante als Konzept-2B. Beiden Konzepten (Konzept-2 und Konzept-2B) ist der gleiche Einspritzvorgang gemeinsam, der Unterschied besteht lediglich in der konstruktiven Ausführung. Bei Konzept-2B erfolgt die Injektion der Systemluft in den Brennraum über einen Lufteinspritzkanal, der in das Abgasventil 3.1 integriert wird (wird auch bei der Sekundären Einspritzung benutzt.)
Die doppelte Zuführung der Systemluft in den Brennraum, - zum Einen über die separate Luftdüse DL bei der Primären Einspritzung, zum Anderen über das Abgasventil 3.1 bei der Sekundären Einspritzung -, kann konstruktiv vermieden werden. Da neben dem Kolben auch das Abgasventil nach FragestelIung-3 einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, kann mit der Zielsetzung einer verbesserten Kühlung die gesamte Luft von Primärer und Sekundärer Einspritzung alternativ durch die gemeinsame Luftzufuhr über das Abgasventil 3.1 in den Brennraum geleitet werden. Der Verzicht auf eine separate Luftdüse DL würde die Konstruktion des Additionsmotors 2XA beträchtlich vereinfachen und sich somit auch als die zweifellos kostengünstigere Lösung erweisen.
Primäre und Sekundäre Einspritzung verlangen eine unterschiedliche Einspritzrichtung des Luftstrahls. Während die Primäre Einspritzung wegen der Formgebung des rotierenden Dralls eine radial-tangentiale Einströmung erfordert, zielt die Sekundäre Einspritzung zylinderaxial in Richtung des Zentrums des Kolbentopfs. Die Spiralkanäle auf dem Kolbentopf 4.2 begünstigen dabei die thermokinetische Übertragung der Absorptionswärme auf die eingespritzte Systemluft sowie die Entstehung der rotierenden Drall-Strömung.
Neben der stöchiometrischen Gemischbildung bietet die Kombination von Primärer und Sekundärer Einspritzung gemäß Konzept-2 zusätzlich die Möglichkeit der Bildung von mageren und fetten Gemischen. In der Praxis ist der Druckgradient der Verbrennung bei nahezu stöchiometrischer Zusammensetzung des Gemisches (λ= 0.95-1) am steilsten. Ein sich daraus ergebender zu hoher Verbrennungs-Spitzendruck (>200 105 Pa) kann allerdings auch nachteilige Folgen haben (Fragestellung-3 in , Stand der Technik'),
Die Zeichnung Seite 15, Fig.15, stellt schematisch das p-t-Diagramm der kombinierten Primären und Sekundären Einspritzung und der Verbrennung des Motorsystems AMS dar. Durch die fette Zusammensetzung des Frischgases fi= 0.7-0.9) können gleichzeitig der Spitzendruck der Verbrennung reduziert und die Reaktionszeit verkürzt werden:
„...Bei höherer Krqftstoßkonzentration und ansteigender Gemischtemperatur nimmt die Reaktionsintensität zu, und die Phasen der Reaktionsleitung und der Energieumsetzung laufen schneller ab. "
Die durchgeführte Versuchsreihe zeigte bei ansteigender Kraftstoffkonzentration eine zunehmende
Reaktionsintensität, die sich in einer früheren Selbstzündung und höheren Maxima der Energieumsetzungsrate auswirkte.... "
„ ....Jedoch stellen sich an der oberen Lastgrenze steile Druckanstiege und an der unteren Lastgrenze sehr hohe Kohlenmonoxid-Emissionen ein. "
Die Kompressionszündung magerer Gemische als motorisches Brennverfahren— Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur,
Universität Siegen, Dipl.-Ing. Rolf-Günther Nieberding
Traditionelle BDE Ottomotoren bevorzugen hingegen eine magere Zusammensetzung des Frischgases, was wiederum zu einer erhöhten NO -Emission fiihrt. Für diese Motoren ist eine fette Zusammensetzung des Gemisches extrem schädlich, weil hierdurch die Verbrennung unvollständig erfolgt und Verbrennungsarbeit verloren geht. Um diese gravierenden Nachteile beim innovativen Additionsmotor 2XA zu vermeiden, tritt unterhalb des primären Einspritzdrucks pt- die Sekundäre Einspritzung I2 in Kraft. Da die Verbrennungsgase zu diesem Zeitpunkt nach wie vor eine extrem hohe Temperatur aufweisen (>1500°C), findet während der Sekundären Einspritzung der Systemluft die ''Sekundäre Verbrennung' der unvollständig verbrannten Gasprodukte statt. Auf diese Weise kompensiert die Sekundäre Verbrennung die bei der vorausgegangenen Verbrennung entstandenen Arbeitsverluste und verhindert zudem umweltbelastende Schadstoffemissionen. 2.Takt: Rekuperationstakt des Motorsystems AMS
D) Die aktive Abgas-Rekuper tion durch das Hinterdrucksystem BPS:
Die Zeichnungen der Seiten 16 und 17 veranschaulichen das innovative Hinterdrucksystem BPS (Back Pressure System) des Motorsystems AMS. Vorrangige Ziele des innovativen Systems sind die arbeitsproduktive Aktivierung des zweiten Rekuperationstakts des Additionmotors 2XA, die zeitliche Moderiemng der pulsierenden Arbeitsproduktion und die Motorbremsung bei sinkender Teillast (Fragestellung 4 in , Stand der Technik').
Der zweitaktige Arbeitszyklus des herkömmlichen Brennkraft -Hubkolbenmotors nach Lenoir hat die "doppelseitige" Konstruktion von den seinerzeitigen Hubkolben-Dampfimaschinen übernommen ('double-action'). Weil dabei Problemstellungen wie Überhitzung, Überlastung, Schmierung und Verdichtung der beweglichen Teile in Betracht gezogen werden müssen, erweist sich diese Lösung angesichts der hohen Leistung heutiger Hubkolbenmotoren als konstruktiv aufwändig. Die neueren Brennkraft-Hubkolbenmotoren weisen deshalb in der Regel einen "einseitigen" Prozessablauf auf. Die Arbeitsproduktion erfolgt durch Veränderung des Volumens des internen Zylinder-Brennraums zwischen Kolben und Zylinderkopf, wohingegen der Kolbenwellen-Raum keine Arbeit produziert und demzufolge als passiv gelten muss. Andererseits verfügen die Abgase konventioneller Brennkraftmotoren im unteren Totpunkt noch immer über einen relativ hohen Druck (> 5 bar bei Volllast). Dadurch weisen konventionelle Hubkolbenmotoren auf dem Rückweg des Kolbens vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) wieder einen arbeitsnegativen Takt auf. Um diese Arbeitseinbußen zu minimieren, kombiniert man Schwungrad und Mehrzylindertechnik mit der erwähnten Frühöflhung des Abgasventils noch während des ersten Takts. Die beiden ersteren sorgen vor allem für die zeitliche Harmonisierung der pulsierenden Arbeitsproduktion jedes einzelnen Zylinders.
Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise hat die ursprüngliche aktive Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA AMICES (DE 102008008859A1 -Stand der Technik) mit traditionellen Hubkolbenmotoren gemeinsam. Die Zeichnung Seite 16, Fig. 16.1-A, verdeutlicht diesen Sachverhalt im zeitbezogenen Additionsdiagramm (p-°KWW, Überdruck- Kurbelwellenwinkel ά° -Diagramm). Die Darstellung kommt allerdings lediglich einer theoretischen Simplifizierung gleich; in der Realität finden sich aufgrund der Frühöffhung des Abgasventils und der deutlich kürzeren Zeitphase, in der die Abgase aus dem Brennraum entweichen, hierzu gewisse Divergenzen. Weil die Verbrennungsgase beim Motorsystem AMS der Compound-Turbine AT zugeführt werden, erweist sich letztere bei der Freisetzung der Abgase in die Umgebung (prinzipiell bezogen auf die Stauaufladung) als zusätzlicher Druckwiderstand. Da der Kolben einen Überdruck gegen die fortlaufende Expansion der Abgase aufbringen soll, wird eine Ausstoßarbeit {-WKM) erforderlich. Diese subtraktive Ausstoßarbeit bewirkt, dass die indizierte Arbeit des Additionsmotors 2XA (+WKM dabei durch die Melirzylindertechnik und die Rekuperationsarbeit der Compound- Turbine AT (-WUM) reduziert wird. Allerdings kann die negative Ausstoßarbeit des Rekuperationstakts als Folge der Sekundären Emspritztechnik während des Additionstakts noch weiter zunehmen.
Der im Druckspeicher vorhandene Vorrat an Systemluft bietet in Hinblick auf die negative Ausstoßarbeit des passiven Kolben-Rückwegs und der zeitlichen Harmonisierung der arbeitsproduktiven Prozessereignisse jedoch eine besonders einfache Lösung. Die Zeichnungen Seite 16, Fig. 16.1(B), Fig. 16.2(A) und 16.2(B), zeigen ein verbessertes Ausstoß verfahren auf der Grundlage des innovativen Hinterdrucksystems BPS.
Der Kurbel wellenraum des Additionsmotors 2XA wird durch die Systemluft über den Kompressionsregler S.J zunächst vorkomprimiert. Auf diese Weise herrscht hier zu Beginn des Additionstakts ein Initial-Hinterdruck pB, (oberer Totpunkt), Fig. 16.2-A, der durch die Abwärtsbewegung des Kolbens während des weiteren Prozess Verlaufs noch weiter ansteigt. Dieser End-Hinterdruck erreicht im unteren Totpunkt (UT) seinen maximalen Wert pB2. Der ansteigende Druckgradient entspricht dabei dem Verdichtungsverhältnis des Kurbelwellenraums (<2), bezogen auf das Verhältnis zwischen dem sich verändernden Volumen des Kolbenraums und dem unverändert bleibenden Volumen des Kurbelwellenraums:
Figure imgf000043_0001
Der End-Hinterdruck pB2 ist im Wesentlichen von der konstruktiven Ausführung des Kurbel wellenraums abhängig. Die Zeichnung Seite 16, Fig. 16.1-B, veranschaulicht im zeitbezogenen Additionsdiagramm ((p-°KWW, Überdruck- Kurbelwellenwinkel ά° -Diagramm) schematisch die Auswirkung des innovativen Hinterdrucksystems BPS auf die Arbeitsproduktion des Additionsmotors 2XA. Nachvollziehbarer Weise vermindert die Verdichtung des Hinterraums die Arbeitsproduktion während des A ditionstakts [Fläche (-), Fig. 16.1(B)]. Der entsprechende Arbeitsanteil geht jedoch nicht verloren, sondern wird von der komprimierten Luft des Hinterraums absorbiert. Letzterer wirkt demzufolge gewissermaßen als „pneumatische Feder", wobei die Vorverdichtung des Hinterraums im oberen Totpunkt (OT) durch den Initial-Hinterdruck pBI wie eine„Federvorspannung" funktioniert. Die während des Additionstakts absorbierte negative Arbeit [Fläche (-)] wird durch diese Vorspannung und die steigende Kompression des Hinterraums pB2 spiegelbildlich zur Vertikalen durch Pkt4 (unterer Totpunkt UT) in die positive Arbeit des Hinterdrucksystems BPS umgewandelt [Fläche (+), Fig. l6.1(B), Fig.l 6.2(B) und Fig.17]. Dieser während des (zweiten) Rek perationstakts ablaufende Vorgang hat im Vergleich mit der Mehrzylindertechiiik keine Subtraktion zur Folge, sondern bewirkt vielmehr die Aufteilung der produzierten Arbeit auf beide Takte, - er setzt also letztlich nur die Verlagerung eines gewissen Anteils der produzierten Arbeit des Additionstakts in den Rekuperationstakt um. Da der Einfluss der Verbrennungswärme auf die Temperatur des Hinterraums (>200°C) ungleich höher ist, erweisen sich die zusätzlichen thermischen Nebenverluste dieses adiabatischen Verdichtungsvorgangs als äußerst gering. Folglich stellt das Hinterdrucksystem BPS die zeitbezogene Harmonisierung der Arbeitsproduktion des Additionsmotors 2XA sicher, und gewährleistet darüber hinaus die optimale Unterstützung der rekuperativen Arbeit der Compound-Turbine AT sowie der benötigten Motorbremsung bei sinkender Teillast.
Der Hinterdruck weist bei Volllast durch den maximalen Wert des fnitial-Hinterdrucks ßt (geschätzt: PBJ = ca. 5-10 Prozent des Primären Einspritzdrucks pf) im unteren Totpunkt UT den höchsten Wert pB2 auf (2.2-03). Bei einer konstanten Last wird dabei nur die Initialverdichtung des Kurbelwellenraums erforderlich. Dafür wird beim stationären Betrieb kein weiterer Verbrauch an Sysiemlufi erforderlich.
Bei wechselhaften Betriebsbedingungen soll der Initial-Hinterdruck pBI in Relation zur spezifischen Teillast geregelt werden. Dabei regelt der Kompressionsregler 5.1 den Vorkompressionsdruck und der Dekompressionsregler 5.2 den entsprechenden Dekompressionsdruck. Die Hinterdruckkraft auf den Kolben wird durch den Vorkomprimienmgs-Sollwert pBi über den Kompressionsregler 5.1 im Verhältnis zur entsprechend zunehmenden Teillast geregelt und umgekehrt durch einen Dekomprimierungs-Sollwert pB2 über den Dekompressionsregler 5.2 in Relation zur abnehmenden Teillast. Bei abnehmender Teillast wird die Luft aus dem Kurbelwellenraum Uber den Dekompressionsregler 5.2 mittels der Compound-Turbine A T rekuperiert.
Dessen ungeachtet bleibt für eine effiziente Abgas-Rekuperation die Mehrzylindertechiiik auch weiterhin unverzichtbar (optimale Ausführung = Additionsmotor 2XA mit 3 Arbeitszylindern). Das Hinterdrucksystem BPS ist also nicht als Ersatz, sondern vielmehr als optimale Ergänzung der Mehrzylindertechnik vorgesehen. Die Vorteile dieser Technik beim Additionsmotor 2XA sind u.a.:
der gesamtpositive Arbeitszyklus eines jeden einzelnen Zylinders
die Moderierung des Ablaufs der Arbeitsproduktion durch die Verteilung der Expansionsarbeit auf Additions- und Rekuperationstakt
die Reduzierung der nötigen Schwungmassen zur Harmonisierung des pulsierenden Arbeitszyklus die Minderung des Öffhungswinkels des Abgasventils 3.1 vor dem Ende des Additionstakts (ca. 10-
20QKWW vor dem UT; Minderung der Expansionsverluste)
die Motorbremsung bei sinkender Teillast
die Unterstützung des Abgas-Ausstoßes durch den Hinterdruck des Kolbens
die weitere Erhöhung der Sekundärarbeit der Compound-Turbine A T (Rekuperationsbetrieb, mehr hierzu in Abschnitt 3.0)
Rekapitulation des Prozessabtaufs des Motorsystems AMS
Die Zeichnung Seite 19 stellt das schematische Additionsdiagramm des innovativen Motorsystems AMS (Fig.19.1) dem des traditionellen, also subtraktiv arbeitenden BDE Viertakt-Ottomotors, gegenüber (Fig.19.2).
Ein moderner BDE Viertakt-Ottomotor (Fig.19.2) verfügt aufgrund seines Subtraktionsprozesses nur über eine geringe Leistungsdichte und einen niedrigen effektiven Wirkungsgrad. In der Realität stellt die Zündung bei Brennkraftmotoren einen Multiplikationsfaktor des Kompressionsdrucks dar (theoretisch eine Isochore, Arbeit=0). Allerdings erweist sich die durch die Frühzündung erzeugte Arbeit Z zum Teil als negativ. Die negative Wirkung des Kompressionstakts KSI, der direkten Kraftstoffeinspritzung E und teilweise auch der Frühzündung Z kumulieren sich somit zu der sich nachteilig auswirkenden negativen Subtraktionsarbeit. Hinzu kommt, dass die zeitbezogene spärliche Arbeitsproduktion stark pulsierend und teillastabhängig verläuft.
Hiervon unterscheidet sich das Motorsystem AMS (Fig.19.1) aufgrund seines Rekuperativen Additionsprozesses ganz grundsätzlich: Das dafür charakteristische Zusammenwirken von Primärer und Sekundärer Einspritzung/Verbrennung sowie des Hinierdrucksystems BPS ermöglicht eine weitere signifikante Steigerung der Leistungsdichte und des effektiven Wirkungsgrads. Hinzu kommt ein vollpositiver und pulsationsarmer zweitaktiger Arbeitszyklus.
Der Additionsmotor 2XA weist aufgrund seiner weitgehend unkomplizierten Konstruktion sowie seiner hohen Effizienz und Leistungsdichte auf das außerordentliche wirtschaftliche Potential des innovativen Additionsprozesses hin. Die Anwendung der externen Kompression gemäß dem isothermischen Verdichtungsmodell in Kombination mit der Antriebselektrifizierung durch die moderne mechatronische Hybridtechnik macht die endgültige Entflechtung des Brennkraftprozesses von der integrierten Kompression nach dem adiabatischen Verdichtungsmodell {Subtraktionsprinzip) möglich und nötig. Die direkte Kontrolle der einzelnen Parameter der Gemischbildung und die Unabhängigkeit des hohen Einspritzdrucks (50 bis 100 105Pa) von der Temperatur des Gemisches ist ein weiterer der präzedenzlosen Vorzüge des innovativen Additionsmotors 2XA. Nunmehr steht der Erhöhung von Wirkungsgrad und Leistungsdichte keine Temperaturbarriere mehr entgegen, lediglich noch eine konstruktive ßelastbarkeitsgrenze des Materials der Brenn kraftmaschine.
Die Zeichnung Seite 19, Fig.19.2, stellt in diesem Zusammenhang einem traditionellen BDE Ottomotor (V8, 4200 ccm - Fig.19.2 B) den dreizylindrigen Additionsmotor 2XA (R3, 1000 ccm) gegenüber. Letzterer (Fig.19.2 A) erreicht laut Vorkalkulationen bei einem primären Einspritzdruck p,- von 50 105 Pa eine spezifische Leistungsdichte von ca. 400 KW/ 1000 cm3 (Voll last - 10000 u/min) und zeigt einen von Beginn an nahezu konstant hohen Verlauf des Drehmoments (konstanter Einspritzdruck p, = lastunabhängig). Durch das Wegfallen des Leerlaufs (Nativ Start- Stopp) und des üblichen Gasaustauschs (höhere Umdrehungszahl möglich) erweist sich zusätzlich auch der Arbeitsbereich als wesentlich breiter als bei herkömmlichen subtraktiven Motoren.
Das Diagramm (Zeichnung Seite 20, Fig. 20) des innovativen Motorsystems AMS zeigt eine weitgehende Stabilität von indiziertem Wirkungsgrad und Leistungsdichte bei einer wechselnden Teillast X. Infolgedessen ist es besonders wichtig, den jeweiligen Anteil zu betrachten, den der Additionsmotor 2XA und die Compo nd-Abgast rbine AT am der Expansionsarbeit haben. Bekanntlich erreicht der Kolbenmotor einen höheren effektiven Wirkungsgrad als die Gasturbine. So nimmt bei einer kleineren Teillast der Anteil des Additionsmotors 2XA an der Verbrennungs- Expansion zu und dadurch auch sein additiver Thermopneumatischer Wirkungsgrad. Auf diese Weise wird der weitgehend beständige effektive Wirkungsgrad des Motorsystems AMS, - ganz im Gegensatz zu konventionellen Brennkraftmaschinen -, bei einer niedrigeren Teillast höher als bei Volllast. In diesem wechselhaften Lastspektrum wird die Stabilität des Thermopneumatischen Wirkungsgrads durch den konstanten primären Einspritzdruck/ Temperatur und das geregelte Sekundäre Einspritzverfahren besonders begünstigt. Die Steuerung der Teillast wird dabei durch variable Injektionszeiten quantitativ reguliert (direkte Dosierung von Systemluft und Kraftstoff). Die Regelung der inneren Kühlung durch die Sekundäre Einspritzung, hier insbesondere die des Kolbentopfs und des Abgasventüs, erfolgt ebenfalls quantitativ. Die Sekundäre Einspritzung wird in Abhängigkeit von der Teillast über die indizierte Temperatur des Abgases mittels eines Temperatursensors 3.4 (Fig. 10.2) geregelt.
Bei abnehmender Teillast wird es durch die steuerbaren Öffnungs-/Schließzeiten des Abgasventils 3.1 möglich, die erforderliche Motorbremsung des Hinterdrucksystems BPS noch weiter zu optimieren. Da die Initialerwärmung des Wärmeaustauschsystems beim Kaltstart für den weiteren Ablauf der Gemischbildung eine zwingende Voraussetzung darstellt, kann sie durch die frühzeitige Schließung des Abgasventils und die gleichzeitige Initialeinspritzung der Systemluft vor dem oberen Totpunkt (OT) eintreten. Die Initialerwärmung entsteht ähnlich wie im Fall des traditionellen Subtraktionsmotors durch die adiabatische Verdichtung der eingeschlossenen Systemluft auf das Spaltvolumen. Dabei trägt der elektrische Heizer 4.3 zur erforderlichen Unterstützung bei. Das Entfallen des Kompressionstakts eröffnet die Möglichkeit, das Motorsystem AMS für verschiedenartige Kraftstoffe einzusetzen ( Wultifuel'-Option). Dabei erweist sich der Additionsmotor 2XA wegen der bivalenten Einspritzung für gasartige Kraftstoffe als besonders geeignet; hierbei erfolgt die Homogenisierung des Gemisches in Abwesenheit der schwierigen inneren Evaporation des flüssigen Kraftstoffs nur durch die thermokinetische Vermischung der Verbrennungskomponenten wesentlich einfacher. Die vollhomogenisierte Gasmischung entsteht so buchstäblich im gleichen Augenblick, in dem die Einspritzung der Systemluft und des Treibgases vonstatten geht. Damit zeigt sich das Motorsystem AMS für die Energetisierung durch Erdgas und Wasserstoff als ganz besonders geeignet.
Das Motorsystem AMS verspricht in Ausfuhrung des elektrifizierten Hybridaggregats AHA eine signifikant reduzierte Komplexität, eine wesentliche Reduzierung des Gewichts und somit auch eine deutliche Verminderung der Produktionskosten des gesamten Antriebssystems. Ebenso ermöglicht es die multifunktionale Anwendung der komprimierten Luft (u.a. für Zusatzfunktionen des Fahrzeugs wie Servogerate, polyvalente Elektrorekuperation, Klimatisierung usw). Dank des paradigmatischen Additionsprozesses und der Rekuperation der polyvalenten Energieformen lässt es im Vergleich zu konventionellen Motorsystemen vor allem eine wesentlich (>JJC) höhere spezifische Leistung und einen lastunabhängigen effektiven Wirkungsgrad von rund 60 Prozent erwarten.
3.0 AMICES II Hybridaggregat AHA
Weiterentwicklung des ursprünglichen AMICES Modularsystems
(Druckschrift DE102008008859A1 - Stand der Technik)
Die bisherige Beschreibung hatte das innovative Motorsystem AMS unter dem Gesichtspunkt der Arbeitsproduktion zum Inhalt. Wegen des kompressionslosen Arbeitsablaufs setzt diese Prozessführung das ständige Vorhandensein von vorkomprimierter Luft und deren permanente Verfügbarkeit als Initialisierungs- und Betriebsbedingung voraus (Druckspeichertechnik). Die innovative Prozessführung läuft demnach zwischen zwei Umgebungen ab, - einer künstlichen Umgebung in Gestalt des Druckspeichers für die Systemluft einerseits sowie der natürlichen Umwelt auf der anderen Seite. Entsprechend befasst sich das Hybridaggregat AHA unter dem Gesichtspunkt der energetischen Bilanz mit dem betriebsbedingten Zusammenhang zwischen der notwendigen Nachfüllung des Druckspeichers und dem Arbeitsablauf des Motorsystems AMS. Dabei basieren die Hybridaggregate AHA auf der Modulartechnik aus der ursprünglichen Innovation AMICES (DE102008008859A1 -Stand der Technik). Alle Hybridaggregate AHA folgen im Allgemeinen dem folgenden Satz:
AMICES II Hybridaggregat AHA = Motorsystem AMS + vielgestaltige Druckspeichertechnik
Die Zeichnung Seite 22 und die Zeichnung Seite 24 stellen schematisch zwei Basiskonzepte des Hybridaggregats AHA vor. Sie sind unschwer ais hmktionelle Fortsetzung des beschriebenen Additionsprinzips zu erkennen. Die zwei Varianten setzen sich aus dem eigentlichen Motorsystem AMS und der unterschiedlichen Druckspeichertechnik von Kraftstoff und Oxidationsmittel (HO oder LK) zusammen.
3.1) Hybridaggregat AHA/HO: Wasserstoff/ Sauerstoff-System (Zeichnung Seite 22)
AHA/HO = Motorsystem (AMS) + Druc peichertechnikJ Ressourcen- Aggregat (HO)
3.2) Hybridaggregat AHA/LK; übliche Kraftstoffe /Systeml ß (Zeichnung Seite 24)
AHA/KL = Motorsystem (AMS) + Druckspeichertechnik/ Nebenaggregat (LK)
3.1. Das AMICES II Hybridaggregat AHA/HO
Das AMICES II Hybridaggregat AHA/HO stellt die theoretische Umsetzung des reinen Additionsprinzips dar, basierend auf der Verbrennung und Druckspeichertechnik von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Nachftillung der Druckspeicher erfolgt dabei aus einer externen Quelle (übliches Stromnetz) mittels eines Hochdruck -Elektrolyseurs.
Die Zeichnungen Seite 22, Fig.22.1 und Fig.22.2, verdeutlichen schematisch das Effizienzpotential der innovativen Additionstechnik anhand des emissionsfreien (!) Wasserstoffkonzepts des Hybridaggregats AHA/HO. Als Brennkraftkomponenten sind in diesem Fall reiner hoch verdichteter Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen.
Die Nachfüllung der Druckspeicher betrifft im Wesentlichen einen Wassertank H20, einen Hochdruck- Wasser stoffbehälter H2, einen Hochdruck-Sauerstoffbehälter 02 und einen Hochdruck-Elektrolyseur HDEL. Das Wasser (Wasser-Mix oder Wasserlösung) findet in dem geschlossenen Kreisprozess des emissionsfreien Prozessablaufs als Hauptenergieträger Verwendung. Die Energetisierung des Konzeptsystems erfolgt auf einfachste Weise über eine Steckdose aus dem Stromnetz. Der Hochdruck-Elektrolyseur HDEL speist das Wasser aus dem Wassertank H20 über eine Hochdruckpumpe HP und spaltet es in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Die bereits unter dem geforderten Druck (>350 bar) stehenden und deshalb keiner weiteren Behandlung bedürfenden Produktgase werden über Einwegventile in den jeweiligen Behältern gespeichert (z.B. Druckspeicher 350-700 bar). Der Additionsmotor 2XA speist gemäß dem beschriebenen rekuperativen Addiiionsprozess Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser. Damit wird gemäß dem Additionsprinzip außer der Verbrennungsenergie auch die Pneumatikenergie der gespeicherten Gase in nützliche Arbeit umgewandelt. Dabei ist die gleichzeitige Einspritzung des Wassers unabdingbare Voraussetzung: Eine reine Verbrennung des Wasserstoffs in Sauerstoff läuft nämlich bei einer zu hohen Temperatur (>3500°C) ab. Im Anschluss an die durch den eingesetzten Wasseranteil kontrollierte Verbrennung und übliche Umwandlung der Expansion in Arbeit wird der Verbrennungsdampf in einem gekühlten Ausstoßkondensator C wieder in Flüssigkeit umgewandelt und mündet am Ende dieses Kreislaufs wieder in den Ausgangs- Wassertank HjO.
Die energetische Bilanz des Hybridaggregats AHA/HO weist dadurch keinen wirklich ins Gewicht fallenden negativen Arbeitsvorgang der Nebenprozesse auf. Deshalb bleibt die gesamte effektive Arbeit WAHAmo nutzbar.
WAfiAmo= W2XA (effektive Primärarbeit) + WAT (effektive Sekundärarbeit) (3.1-00)
Sind der Wasserstoff und der Sauerstoff aufgebraucht, wird das System über den Hochdruck-Elektrolysew HDEL mittels E-Strom aus der Steckdose erneut nachgefüllt. Da die Nachfüllung problemlos auch während der Betriebsphasen des Motorsystems AMS (Rekuperation der Umweltenergie durch Wind, Photovoltaik ....usw.) erfolgen kann, wird die Umsetzung des Hybridaggregats AHA/HO bei der Produktion von E-Strom insbesondere in Kombination mit regenerativen Quellen denkbar. Die hohe effektive Arbeit WAHAm0 verspricht in Relation zur zugeführten elektrischen Energie Ea einen überaus günstigen Wirkungsgrad:
Figure imgf000048_0001
Der Hochdruck-Elektrolyseur HDEL kann entweder als alleiniges externes Gerät oder als eine integrierte IES Batterie ( ntegrated Electrotytic Storag ') angesehen werden. Die zweite Lösung basiert auf der konstruktiven Integration der einander gegenüber liegenden Wasserstoff-HJSauerstoffbehälter-02 und des Hochdruck- Elektrolyseurs HDEL. Die IES Batterien lassen sich aus Sicherheits- und Produktionsgründen einfach standardisieren (mit dem Ziel der Gewichtseinsparung durch eine gemeinsame Außenhülle, einem geringen Batterieinhalt der hochbrisanten Gase, der günstigen Serienproduktion durch Standardisierung etc.). Sie dienen dabei als Bausteine für den Zusammenbau beliebiger Druckspeichermodule. Deshalb stellen die IES Batterien nur eine von mehrerer möglichen Formen der Speicherung von elektrischer Energie dar. Somit kann das Hybridaggregat AHA/HO als ein innovativer emissionsfreier Elektroantrieb gelten.
Diese emissionsfreie Verbrennungstechrtik bietet sich theoretisch als schlüssige Alternativlösung zur Brennstoffzellen-Technologie an. Obwohl diese Technik überaus interessant und vielversprechend zu sein scheint, wirft die Entwicklung der Druckelektrolyse neben einer Reihe bereits bekannter Probleme, wie sie der Einsatz von Wasserstoff/Sauerstoff bei Verbrennungsmotoren mit sich bringt, sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht noch eine Vielzahl von Fragen auf. Aus eben demselben Grund ist der kommerzielle Einsatz dieses Systems zum gegenwärtigen Zeitpunkt kaum planbar.
3.2 AMICES II Hybridaggregat AHA/KL
Die verschiedenen Varianten des AMICES II Hybridaggregats AHA LK basieren auf der Modulartechnik aus der ursprünglichen Innovation AMICES (DE 102008008859 AI -Stand der Technik) und setzen sich aus dem Motorsystem AMS und den verschiedenen elektrifizierten Nebenaggregaten zusammen.
Die Zeichnung Seite 24, Fig.24.1 , veranschaulicht schematisch die Prozessfuhrung des Hybridaggregats AHA/LK. Dieses Konzept ist in der Praxis für den Einsatz handelsüblicher Kraftstoffe und Luft vorgesehen. Die doppelte Prozessführung umfasst den rek perativen Additionsprozess des Motorsystems AMS (Arbeitsprozess) und den zweistufigen Kompressionsprozess mit Zwischenkühlung zum Nachfüllen des Druckspeichers mit Systemluft (Nebenprozess). Da die Systemlufi (stöchiometrische Relation: λ=1 ; 14,8 kg Luft /1kg Kraftstoff) während der Fahrt fortlaufend benötigt wird, schließt dies ein Befüllen des Druckspeichers nur in den Phasen des Fahrzeugstillstands a priori aus. Um die erforderliche Vorratsmenge hiervon ständig zur Verfügung zu haben, ergibt sich demnach die
Notwendigkeit eines zusätzlichen Ressourcen-Nebenprozesses (£Ä) des Kompressionsaggregates. In dieser Hinsicht bildet das Hybridaggregat AHA/LK keineswegs eine Ausnahme: So sind auch zahlreiche Arbeitsabläufe traditioneller Brennkraftmotoren auf Nebenprozesse angewiesen (Beispiele u. a. E-Strom, Kraftstoffzufuhr, Turboaufladung, Kühlung, Schmiersystem etc.). Der Ressourcen-Nebenprozesses {LK) sorgt für den nötigen Vorrat an Systemiuft im Druckspeicher gemäß dem isothermen Kompressionsmodell. Ein derartiger Druckspeicher kann dabei auf einfache Weise in Form eines Strukturbehälters z.B. als Versteifungselement in die Karosserie eines jeden Pkw eingebaut werden (z.B. Schweller). Auf diese Weise erreicht man Festigkeit und Gewichtseinsparung zugleich {Pos.l, Zeichnung Seite 25, Fig.25.1, und Fig.25.2).
Um das isotherme Verdichtungsmodell annähernd in die reale Praxis umzusetzen, wird ein vielstufiger Kompressor (z.B. zweistufig) mit Zwischenkühlung eingesetzt (LK), Fig.23.2. Er gewährleistet in Abhängigkeit vom jeweiligen Vorratszustand des Dmckspeichers dessen intermittierende' Nachfüllung mit Systemiuft. Unter dem Begriff jintermittierend' ist der sich mit unterschiedlichem zeitlichen Abstand stetig wiederholende Einsatz dieses Nebenaggregats in Abhängigkeit vom aktuell herrschenden Druckspeicher-Innendruck zu verstehen. Dabei kommt es bei Erreichen eines bestimmten inneren Minimaldrucks zur Einschaltung und bei Erreichen eines maximalen inneren Drucks zum Ausschalten des Nebenaggregats.
Für diese Aufgabe sind die kontinuierlichen Rotationskompressoren ohne zyklischen Vorgang besonders geeignet. In erster Linie werden Lamellen- und Schraubenverdichter eingesetzt, die beide zur Gruppe der Rotationsverdichter gehören. Dabei senkt die Olein spritzung in die Kompressorstufe den thermischen und mechanischen Verlust ganz erheblich. Das injizierte Öl wird in Separatoren am Auslauf des Kompressors aus der verdichteten Luft entfernt und nach erfolgter Kühlung wieder in den Kompressionsprozess zurückgeführt. Schraubenkompressoren sind einfach aufgebaut, verfügen über kleine Abmessungen, eine geringe Masse und weisen eine gleichmäßige, pulsationsfreie Förderung sowie einen ruhigen Lauf auf. In mehrstufiger Ausführung ereichen sie bis zu 30 bar Überdruck/Stufe. Damit sind sie für den mobilen Einsatz bei einem Nebenaggregat bestens geeignet. Von Nachteil ist allerdings der relativ hohe Preis von Schraubenkompressoren. Im Vergleich mit den komplexen Schraubenverdichtern bestehen die hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise unkomplizierten Lamellenkompressoren aus weniger als der Hälfte an beweglichen Teilen und verursachen somit einen deutlich geringeren Wartungsaufwand und auch wesentlich niedrigere Anschaffungskosten. Lamellenkompressoren überzeugen zudem durch ihre reibungslose Arbeit sowie eine Laufzeit von etwa 100.000 bis 150.000 Stunden, was etwa dem Doppelten der üblichen Lebensdauer von Schraubenverdichtern entspricht. Auf Grund der sich selbst anpassenden Lamellen gewährleisten Lamellenkompressoren normalerweise während ihrer gesamten Lebensdauer eine weitestgehend uneingeschränkte Leistung. Hinzu kommt, dass sich Lamellenkompressoren konstruktiv sehr einfach als mehrstufig ausfuhren lassen (SMP 'Pneumofore SpA' und 'Hydrovane')- Für den mobilen Einsatz sind sie aufgrund ihres guten Preis- Lcistungsverhältnisscs besonders geeignet. In mehrstufiger Ausführung bewirken sie durch Öl- und Zwischenkühlung der in den SüTikturtanks gespeicherten Systemluft eine annährend isotherme Zustandsänderung, Wie in der Verdichtungstechnik üblich, wird die Produktion der benötigten Systemluft - je nach deren Vorratsstand - über Drucksensoren automatisch gesteuert.
In diesem Zusammenhang zeigt sich die Notwendigkeit, die negative Kompressionsleistung des Nebenprozesses in Abhängigkeit von Druck und Menge der komprimierten Luft zu betrachten. Das Diagramm Seite 21 , Fig. 21.1, verdeutlicht die erforderliche indizierte Kompressionsie istung LK (kW) für die Verdichtung einer bestimmten Luftmenge GL (kg min) in Abhängigkeit vom erzielten Verdichtungsdruck (entspricht dem Einspritzdruck p, beim Additionsprozess). Hierbei wird die adiabatische Zustandsänderung der Luft in einem einstufigen Verdichtungsprozess lediglich theoretisch (Idealgas) betrachtet. Pktl bezeichnet den Zustand beim Ottoprozess (Verdichtungsverhältnis = 10, Kompressionsdruck ca. pclimirQ.2 105 Pa), PkL2 den entsprechenden Zustand beim Additionsprozess (Einspritzdruck ca. p,—50 105 Pa). Ein besonderes Augenmerk verdient dabei das Verhältnis zwischen Druck und Menge der produzierten Systemluft. So steigt bei einer Verdoppelung der Luftmenge die negative Kompressionsleistung etwa um das Doppelte an, wohingegen das Halbieren der Luftmenge bei gleicher Leistung einen vier- bis fünffachen Luftdruck ermöglicht. Dank des unproblematischen Einsatzes eines erhöhten Einspritzdrucks (+dp) ermöglicht der Additionsprozess durch die entsprechende Erhöhung des T ermopneumatischen Wirkungsgrads (Fig. 6.2) eine signifikante Reduktion des Verbrauchs an Kraftstoff als auch an Luft, dies bei gleichzeitiger Verminderung der negativen Kompressionsleistung -dAK (z.B. Fig. 22.1 : ca. 30 Prozent).
Beim Ottoprozess gehen mehr als 25 Prozent der Indizierten Arbeit durch die adiabatische Verdichtung verloren. Beim realen Ottomotor erweist sich die negative Kompressionsarbeit als noch bedeutend größer, weil der effektive Wirkungsgrad der internen Verdichtung teillastabhängig im Durchschnitt auf deutlich unter 50 Prozent geschätzt wird.
Im Gegensatz hierzu fällt beim Additionsprozess aufgrund der Erhöhung des Einspritzdrucks und des mehrstufigen Verdichtungsprozesses (isothermes externes Kompressionsmodell) der Anteil der negativen Kompressionsarbeit an der indizierten Arbeit deutlich unter 20 Prozent aus. Zusätzlich erreichen die realen vielstufigen Kompressoren einen effektiven Wirkungsgrad von nahezu 80 Prozent. Gemäß erster Vorkalkulationen kann davon ausgegangen werden, dass für die Nebenfunktionen LN) eines Mittelkiasse-Autos weniger als 20 Prozent der Leistung (L2xA) des Additionsmotors 2X4 benötigt werden (Wirkungsgrad des Kompressors ca. > 75 Prozent). Dadurch gilt für das Hybridaggregat AHA/LK als Faustregel:
Lf^rO.l x L^ (3.2-01)
Die energetische Bilanz der innovativen Antriebstrategie bezüglich der negativen Verdichtungsarbeit orientiert sich im Wesentlichen an der Abwärme- und Abgas-Rekuperation. Bei konventionellen Brennkraftmotoren bleiben mehr als 60 Prozent der Verbrennungsenergie des Kraftstoffs ungenutzt, sie entweichen in Form von Abwärme über die Abgase und das Kühlwasser. Da für die Produktion der Systemluft ca. 20 Prozent der effektiven Leistung des Additionsmotors 2X4 benötigt werden, reicht die Rückgewinnung der verlorenen Abgasenergien alleine durch die Rekuperation der kinetischen Energie des Ausstoßgases über eine Abgasturbine für diesen Zweck nicht aus (Rückgewinnung der traditionellen Compound- Abgasturbine 2-7 Prozent der effektiven Motorleistung). Im Gegensatz dazu wird beim Rekuperatrven Additionsprozess des Motorsystems AMS die Lage von Pk 4 im p-v Diagramm regulierbar! Durch die zusätzliche Wirkung der Sekundären Einspritzung der Systemluft und des Hinterdrucksystems BPS erweist sich der thermokinetische Gewinn der Compound-Abgasturbine AT als signifikant höher (auch mehr als 20 Prozent der effektiven Motorleistung möglich).
Die Zeichnung Seite 24, Fig.24.2, zeigt das Hybridaggregat AHA LK als Weiterentwicklung der ursprünglichen Antriebsvariante A V-4, TB/G aus der Innovation AMICES (DE 102008008859A1 -Stand der Technik). Das Aggregat besteht aus drei Arbeitssträngen: einem zentralen Antriebsstrang und zwei seitlichen Nebensträngen. Der Antriebsstrang nimmt den Additionsmotor 2XA auf, der erste seitliche Rekuperationsstrang die Compound- Turbine AT. Der dem Rekuperationsstrang gegenüber liegende Kompressionsstrang enthält das Kompressionsaggregat LK. Der Additionsmotor 2XA sorgt dabei durch den Additionsprozess für den Primärantrieb A2XA, die Compound-Turbine AT durch die Abgas-Rekuperation für den Sekundärantrieb AT. Der Kompressionsstrang leistet durch das Kompressionsaggregat LK die Kompressionsarbeit AK zur Nachfüllung des Druckspeichers mit Systemlufl. Die Kompressionsarbeit AK kommt entweder durch die mechanische Momentübertragung aus den beiden arbeitsproduktiven Strängen (Antriebsstrang und Rekuperationsstrang) oder durch den Elektromotor/Generator EM/G oder auch durch eine Kombination der beiden Optionen zustande. Die mechanische Momentübertragung zwischen den Strängen wird durch den Krafiverteiler T gewährleistet. Er leistet die mechanische Momentdifferenzierung (möglich ist eine feste oder auch eine variable Übersetzung) zwischen den beiden seitlichen Nebensträngen und dem Antriebsstrang. Die Pfeile bezeichnen dabei den Fluss der Arbeitsdifferenzierung zwischen den Antriebssträngen. Die Summe aus produziertem Primärantrieb A2XA und Sekundärantrieb AT teilt sich in den häufigsten Antriebssituationen in die erforderliche Kompressionsarbeit Αχ υαά die Antriebsarbeit A auf.
Im Gegensatz zu konventionellen Brennkraftmotoren erfordert der kompressionslose Additionsmotor 2XA weder einen Leerlauf noch einen elektrischen Anlasser. Der Betriebsstart erfolgt durch die Primäre Einspritzung der vorrätigen Systemluft. Ist eine solche nicht vorhanden, kann der Additionsmotor 2XA auch nicht gestartet werden. Ein ausreichender Vorrat an Systemlufl im Druckspeicher gehört demzufolge zu den obligaten Initialbedingungen für den Betriebsstart des Hybridaggregats AHA/LK. Eine zweite mögliche Problematik ist mit der Effizienz der Compound-Abgasturbine A T bei niedrigen Drehzahlen verbunden. Diese verfügt nämlich nur in einem eingeschränkten Arbeitsbereich zwischen bestimmten maximalen und minimalen Umdrehungszahlen über einen günstigen Wirkungsgrad. Deshalb ist die Energetisierung des Nebenprozesses bei instationären Betriebszuständen alleine durch die mechanisch feste Übersetzung zwischen den Antriebssträngen keine optimale Lösung. Die moderne Hybridtechnik bietet allerdings die mechatronische Integration der beiden Antriebstechniken, - die Kombination von traditioneller Brennkraftmaschine und Elektromotorik. Das Konzept von Hybridfahrzeugen (Hybrid Electric Vehicle, HEV) verbindet Kraftstoffeinsparung, Reduzierung von C02- und anderen Schadstoffemissionen und gleichzeitig eine Erhöhung des Fahrkomforts. Für die im Straßenverkehr gewöhnlich vorliegenden instationären Betriebszustände zeigt die höhere Elektrifizierungsstufe Vorteile hinsichtlich Leistung und Effizienz. Dabei gibt es eine Vielzahl von HEV-Konfigurationen (seriell, parallel etc.), welche zum Teil verschiedene Optimierungsziele verfolgen und die elektrische Energie auf unterschiedliche Weise zum Antrieb des Fahrzeugs nutzen. Der konventionelle Hybridantrieb mildert die Nachteile traditioneller Brennl raftmotoren ab, dies allerdings nur in bestimmten Betriebszuständen. Dabei darf nicht außer Acht gelassen werden, dass auch hier, je nach Antriebsstrategie, ein subtraktiver Brennkraftmotor zugeschaltet und üblicherweise in Teillast betrieben wird. Die Antriebsstrategie bezeichnet dabei das beim jeweiligen Hybridfahrzeug vorliegende Anwendungskonze ζ bezogen auf den vorgesehenen Betriebsanteil und die Rolle des Brennkraftmotors einerseits und des E-Motors auf der anderen Seite. Je nach Zielsetzung durch die jeweilige Elektrifizierungsstufe unterscheidet man bei den HEV- Konzepten nach Mikrohybrid, Mildhybrid und Vollhybrid. Diese Elektrifizierungsstufen sind auch bei den innovativen Hybridaggregaten AHA/LK anwendbar. Die Energetisierung der Kompressionsarbeit AK kann je nach Antriebsart hauptsäch lieh erfolgen als:
(A) Rekuperationsbetrieb
- mechanische Differenzierung von Antrieb Am und Kompressionsarbeit AK
(B) Elektro-Rekuperationsbetrieb
- elektromechanische Differenzierung von Antrieb A^ und Kompressionsarbeit AK
( Plug-in durch den elektrischen Batteriebetrieb E).
(A) Rekuperationsbetrieb des Hyhridaggregats AHA/KL;
In diesem Fall leistet das Hybridaggregat AHA/KL die Kompressionsarbeit AK zum größten Teil durch Abgas- Rekuperation. Demzufolge wird diese Energetisiemngsart des Nebenprozesses als Rekuperationsbetrieb (1 ) bezeichnet. Hinsichtlich der Arbeitsbilanz entspricht die Summe von produziertem Primärantrieb A7XA und Sekundärantrieb AT der Summe von abgeleiteter nutzbarer Antriebsarbeit A^ und Kompressionsarbeit AK
Aß) + AK— Ä2XA + Ar (3.2-02)
Die nutzbare Antriebsarbeit A(R) des Rekuperationsbetriebs (R) hängt dabei von der Differenz aus dem Sekundärantrieb AT der Compound-Turbine A T und der Kompressionsarbeit AK ab:
A(R) = A2XA + (AT - AK) (3.2-03)
Der effektive Wirkungsgrad des Hybridaggregats A A/LK im Rekuperationsbetrieb wird als Hybrider Wirkungsgrad tjH(R) bezeichnet. Dieser entspricht bekanntlich dem Quotienten aus nutzbarer Antriebsarbeit A^ und der durch die Kraftstoffverbrennung eingeführten Wärme Q(+
Am
Wffi = - — (3.2-04)
Figure imgf000051_0001
Der erste Quotient bezeichnet den effektiven Wirkungsgrad ηβ des Additionsmotors 2XA, der zweite Quotient entspricht dem Rekuperationssupplement:
Rekuperationssupplement: (3.2-06)
Figure imgf000051_0002
Entsprechend ergibt sich der Hybride Wirkungsgrad 1JH m aus der Addition von effektivem Wirkungsgrad tfe des Additionsmotors 2XA und Rekuperationssupplement AR -
Figure imgf000051_0003
Das Rekuperationssupplement kann dabei durch die differenzierte Rekuperationsarbeit dAR entweder einen negativen oder einen positiven Wert oder auch den Wert Null annehmen: dA(R yj = AT - AK (3.2-08)
Da der Kolbenweg immer einen konstanten Wert aufweist, teilt sich der Anteil der Verbrennungsexpansion in Abhängigkeit von wechselhaften Betriebszuständen und Umdrehungszahlen in unterschiedlichem Maße zwischen dem Additionsmotor 2XA und der Compound-Abgasturbine A T auf. Aus diesem Grunde ist durch die Betriebsvariationen auch das Rekuperationssupplement Schwankungen unterworfen und damit auch der Hybride Wirkungsgrad.
1)
Figure imgf000052_0001
Wirkungsgrad jy^ des Additionsmotors 2XA.
AT < AK — » ΔΛ < 0 ^> ηΗ(Κ} < ηβ (3.2-09)
2) Balance-Rekuperationsbetrieb: Bei einer bestimmten Teillast und moderaten Umdrehungszahlen des Additionsmotors 2XA befinden sich Sekundärarbeit AT und Kompressionsarbeit AK im Gleichgewicht. Folglich nimmt das Rekuperationssupplement den Wert 0 an. Dadurch gleichen sich Hybrider Wirkungsgrad ηΗ(^ und Effektiver Wirkungsgrad des Additionsmotors 2XA aus.
AT = AK -> Δ* = 0 -> ηΗ(Κ) = ηε (3.2-10)
3) Additiver Rekuperationsbetrieb: Bei Volllast und hohen Umdrehungszahlen des Additionsmotors 2XA wird der Anteil der Verbrennungsexpansion in der Compound-Turbine AT größer und nimmt damit auch die Sekundärarbeit AT zu. In diesem Fall ist zu erwarten, dass die Sekundärarbeit AT (geschätzt >20 Prozent der effektiven Leistung des Additionsmotors 2XA) trotz steigenden Verbrauchs an Systemluft größer wird als die dazu benötigte Kompressionsarbeit Ag (geschätzt < 20 Prozent der effektiven Leistung des ditionsmotors 2XA).
AT > AK - AR > 0 -+ ηΗ(η) > ηε (3.2-n)
Der Additive Rekuperationsbetrieb (3) weist dabei nur anscheinend den effektivsten Betriebszustand auf. Wie im Abschnitt Rekapitulation des Prozessablaufs' (Seite 42) schon gezeigt, leistet das Motorsystem AMS bei einer kleineren Teillast ein höheren Effektiven Wirkungsgrad j/e. Um eine Überhitzung des Additionsmotors 2XA zu vermeiden, nimmt bei höherer Teillast aufgrund der Sekundären Einspritzung auch der Verbrauch an Systemluft (innere rekuperative Kühlung) und damit auch die Kompressionsarbeit Αχ für die Nachfüllung des Druckspeichers signifikant zu. Die Definition des Balance-Rekuperationsbetriebs (= Balancebetrieb) legt darüber hinaus den jeweiligen optimalen Betriebszustand und die jeweilige konstruktive Auslegung des Hybridaggregats AHA/LK fest. So befindet sich beispielsweise ein mit einer konstanten Geschwindigkeit von 130 km/h auf ebener Straße fahrender Pkw im Balance-Betriebzustand. Eine der Volllast entsprechende Situation kommt dabei nur in äußerst kurzen Zeitphasen (bis zu 1 min) und in weniger als 5 Prozent der gesamten Fahrtdauer vor. Ausgehend vom Additionsergebnis des Primärantriebs A2XA des Additionsmotors 2XA und des Sekundärantriebs AT der Compound- Abgasturbine A T differenziert sich der Antrieb für die nötige Kompressionsarbeit Ag des Lamellenkompressors LK. Die effektive Antriebsarbeit AfR) als das Ergebnis dieser Differenzierung entspricht beim Balancebetrieb - durch den Ausgleich zwischen dem Sekundärantrieb Ar der Abgas-Rekuperation und der Kompressionsarbeit An der Druckspeichernachfullung - der effektiven Arbeit A2XA des Additionsmotors 2XA. Gemäß (3.1-9) gleicht sich dadurch auch der Hybride Wirkungsgrad ηΗ(^ des Hybridaggregats AHA/LK mit dem Effektiven Wirkungsgrad ηβ des Additionsmotors 2XA aus.
Hieraus wird ersichtlich, dass eine vollständige Energetisierung der Kompressionsarbeit AK bei in stationären Betriebszuständen einzig und alleine durch die Rekuperationsarbeit der Compound-Abgasturbine AT, also ohne mechanische Unterstützung des Additionsmotors 2XA, realistischerweise nicht zu erwarten ist. Insofern erweist sich eine höhere Elektrifizierungsstufe als bessere Lösung.
- (B) ELEKTRO- Rekuperationsbetrieb des Hybridaggregats AHA/KL:
Hierbei wird das Ziel verfolgt, die stabile Energetisierung von Antriebsarbeit A(ESi und Kompressionsarbeit AK mittels elektromotorischer Unterstützung des Elektro-Rekuperationsbetriebs (2) zu erreichen. Dadurch weist die Arbeitsbilanz im Elektro-Rekuperationsbetrieb eine zusätzliche elektromotorische Arbeit EK auf: Ä2XA + Ar + Εκ = AK + A (ER) (3.2-12)
Ähnlich wie im Fall des Rekuperationsbetriebs gilt auch für den Elektro-Rekuperationsbetrieb: f?N(ER) = r?e + A ER .2-13)
Der vorgenannte Hybride Wirkungsgrad tjHmt) bringt dabei keine gesamte energetische Bilanz zum Ausdruck, sondern gibt lediglich die Kraftstoffeffizienz des Hybridaggregats AHA wieder. Das Effizienzsupplement des Elektro-Rekuperationsbetriebs weist durch die doppelte Energetisierung (Abgasrekuperation + E-Strom) ebenfalls einen additiven Wert auf:
Figure imgf000053_0001
Der erste Quotient bezeichnet gemäß (3.1-05) das Rekuperaüonssupplement. Das Elektrosupplement ΔΕ (Elektromotorik) ergibt sich als Quotient aus der elektromotorischen Unterstützung EK und der durch die raftstoffverbreiuiung zugeführten Wärme Q(+f. Dabei handelt es sich auch um den Referenzwert für den Effizienzgewinn des Hybridaggregats AHA/LK in Ausführung eines Plug-in Systems durch die Elektromotorik. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, bei ungünstigen Betriebssituationen die fehlende rekuperative Sekundärarbeit AT durch die elektromotorische Arbeit EK zu kompensieren:
dA(ER) = Ar— AK + EK > 0 (3.2- 15)
Die Antriebsstrategie des Elektro-Rekuperationsbetriebs besteht darin, die Summe von rekuperativer Sekundärarbeit AT und elektromotorischer Arbeit EK durch ein stets positives Effizienzsupplement immer größer als die negative Kompressionssarbeit AK zu halten (Additionsprinzip]).
Figure imgf000053_0002
Auf diese Weise gewährleistet die innovative Hybridtechnik mittels Plug-in-System trotz instationärer Betriebszustände eine noch höhere permanente Effizienz:
Plug-in Elektro-Rekuperationsbetrieb: (ER) — ΉΒ(2ΧΑ) (3.2-17)
Neben der Unterstützung der Nachfüllung der Systemluft bietet die Elektrifizierung auch die Unterstützung des Antriebs und der Bremsrekuperation. Dabei werden, wie im Fall der klassischen Hybridantriebe, verschiedene Stufen der Elektrifizierung des Hybridaggregates AHA/LK denkbar. Außerdem gewährleistet der elektrische Betrieb der Luftkompression vor jedem Betriebsstart die hierfür erforderlichen Initialbedingungen durch die Nachfüllung des Behälters mit Systemlufi.
So innovativ und zukunftsweisend die gegenwärtige Hybridtechnologie sich auf den ersten Blick darstellen mag, so bricht sie doch nicht mit dem entscheidenden Nachteil traditioneller Brernikraftmotoren: Tatsächlich übernahmen bislang alle auf dem Markt befindlichen Hybridmotoren deren ineffizientes Subtraktionsp inzjp (zyklisch erfolgende Verminderung der Ansaug- und Kompressionsarbeit der integrierten Luftprozessierung). Neben dem abträglichen Subtraktionsprinzip leidet die moderne Hybridtechnik zunehmend auch unter der aus mehreren Gesichtspunkten als unvernünftig zu bewertenden "Elektrifizierung um jeden Preis". Diese Entwicklung führt nicht zuletzt auch dazu, dass Hybridautos immer schwerer, immer unwirtschaftlicher und alles in allem auch zu teuer werden.
Nicht anders als herkömmliche Hybridmotoren folgt auch das Hybridaggregat AHA/LK dem Grundgedanken eines elektro-hybriden Antriebs im Sinne einer optimalen Elektrifizierung, - dies allerdings mit einem Unterschied von entscheidender Bedeutung: Durch das Additionsprinzip revolutioniert es den Brennkraftprozess selbst!
Das Hybridaggregat AHA/LK, Fig. 24.2, zeigt sich in Ausführung entweder eines Mikroltybrids oder eines Mildltybrids. Hierbei findet im Kompressionsstrang ein Elektromotor/Generator EM/G zwischen dem zweistufigen Lamellenkompressor LK und dem Kraftverteiler T Platz. Zwischen Elektromotor/Generator EM/G und Kraftverteiler KV befindet sich zusätzlich die Mikrokupplung k. Diese ermöglicht durch die Abkoppelung des Kompressionssirangs die separate elektrische Produktion der Systemluft, welche bei Systemstillstand und/oder mangelhaften Betriebszuständen (niedrige Umdrehungszahl und ungünstige Teillast) wiederum für eine ungestörte Nachfüllung des Strukturtanks Pos.I (Fig. 26.1 und 26.2) sorgt. Der auf diese Weise jederzeit ausreichend vorhandene Vorrat an Systemluft garantiert so in allen Situationen den problemlosen Betriebsstart des Hybridaggregats A A/LK. Zusätzlich zur Produktion der Systemluft durch die gewöhnliche mechanische Differenzierung der Arbeit des Additionsmotors 2XA und der Compound-Abgasturbine AT, ermöglicht die Einschaltung des Kompressionsstrangs zusätzlich die Produktion des E-Stroms (Generatorbetrieb des EM/G). Im Rekuperationsstrang ist zwischen Compound-Turbine AT νηά Kraftverteiler 7" ein variables Zwischengetriebe VR untergebracht, das für die Regulierung der Umdrehungszahlen der Compound-Turbine AT ' in Abstimmung mit den Umdrehungszahlen des Additionsmotors 2XA sorgt
Die Zeichnung Seite 25, Fig. 25.1 , stellt ein Hybridaggregat AHA/LK als Volthybrid-Aggregat vor, mit dem vorrangigen Ziel der stabilen elektromechanischen Differenzierung der Antriebsarbeit. Der Additionsmotor 2XA findet sich wiederum im zentralen Antriebsstrang und ist über die Kupplung K m den Kraftverteiler T angekoppelt. Die Antriebstrategie des innovativen Vollhybrid-Aggregats basiert auf einem mechatronischen System, das durch das Zusammenwirken von mechanischen, elektronischen und infoirnationstechnischen Elementen und Modulen wechselhafte Fahrtsituationen managt. Die Elektromotorik steht dabei durch die Abgas- und Bremsrekuperation im Dienst der nötigen Produktion der Systemluft.
Der Rekuperationsstrang nimmt zwischen der Compound-Abgasturbine AT und dem Kraftverteiler T den Elektromotor/Generator EM/G 1 auf. im Kompressionsstrang findet sich zwischen dem zweistufigen Lamellenkompressor LK und dem Kraflverteiler KV ein Elektromotor/Generator EM/G 2, Die Elektromotoren/Generatoren EM G 1 und 2 sind beidseits (optional: einseitig) mit den Mikrokupplungen k (elektromagnetisch oder pneumatisch) versehen. Diese ermöglichen die zielgerichtete Ab- und Ankoppelung des Nebenstrangs bzw. des Lamellenkompressors LK und der Compound-Abgasturbine AT.
Durch die Abkoppelung des Rekuperationsstrangs vom Kraftverteiler T wird beispielsweise während mangelhafter Betriebszustände des Additionsmotors 2XA (niedrige Umdrehungszahl, ungünstige Teillast) durch den Elektromotor/Generator EM/G 1 eine moderate Produktion des E-Stroms möglich.
Die Abkoppelung des Kompressionsstrangs vom Kraftverteiler T hingegen gewährleistet während mangelhafter Betriebszustände des Additionsmotors 2XA, dass über den Elektromotor/Generator EM/G 2 die vollelektrische Nachfullung der Systemluft erfolgen kann. Die gleichzeitige Abkoppelung von Lamellenkompressor LK, Compound- Abgasturbine AT und Additionsmotor 2XA schließlich ermöglicht eine rein elektrische Fahrt. Dabei ist es von großer Bedeutung, dass die An- und Abkopplung der Kupplungen extrem sanft und für die Autoinsassen nicht wahrnehmbar erfolgt. Diese Aufgabe obliegt dem Hybridmanagement mittels eines elektrischen Synchronisierungs- Prozesses*, wobei ein Umdrehungssensor die Daten über die Umdrehungszahlen der Zahnräder im Kraftverteiler 7* liefert. Um bei den jeweiligen Fahrtsituationen unauffällig mitwirken zu können, wird der Elektromotor/Generator zunächst im Passivlauf augenblicklich auf entsprechende Umdrehungszahlen beschleunigt und anschließend über die Mikrokupplungen k„aktiv" angekoppelt (*Stand der Technik - Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine in Hybridausführung - Druckschrift DE 10 2006 045 937.7-26). Aus diesem Grunde setzt das Hybridaggregat AHA/LK kleinere hochdrehbare Elektromotoren/Generatoren EM/G-1 mit geringen Rotationsmassen ein.
Die kombinierte elektromechanische Differenzierung von Primärem und Sekundärem Antrieb, - mechanisch über den Kraßverteiler T und elektrisch über die Elektromotoren/Generatoren EM/G-1 und EM/G-2 -, ermöglicht den erwünschten stabilen Elektro-Rekuperationsbetrieb trotz instationärer Betriebszustände:
Figure imgf000054_0001
Die erste Stufe der Arbeitsdifferenziemng erfolgt bereits innerhalb des Nebenstrangs. Im Balancebetrieb ergibt sich die differenzierte Arbeit des Rekuperationsstrangs dAT aus der Differenz der Sekundärarbeit der Compound- Abgasturbine WAT und der Generierungsarbeit des E-Stroms EAT. Die nutzbare Antriebsarbeit des Vollhybrid- Aggregats erhält man aus der Addition der Antriebsarbeit ATXA des Additionsmotors 2XA (aus dem Antriebsstrang) und der differenzierten Arbeit von Rekuperations- (dAT) und Kompressionsstrang (dAg). Die Zeichnungen Seite 25, Fig.25.2, präsentieren das Hybridaggregat AHA LK in der Ausführung eines Vollhybrid- Aggregats als Motorsystera, das sich durch einfache Ankopplung Uber ein herkömmliches Getriebe in ein Fahrzeug einbauen lässt. Das Vollhybrid-Aggregal erweist sich somit als Weiterentwicklung der Antriebsvariante AV-4 "T" aus Druckschrift AMICES DE102008008859AI (Stand der Technik). Für die erforderlichen Nebenfunktionen sind im Wesentlichen zwei Module vorgesehen: das Modul Systemluft M2 und das Modul Abgas-Rekuperation M3 (Fig.25.2). Wie gezeigt, ist der Additionsmotor 2XA (Modul Ml) des Vollhybrid-Aggregats aufgrund seiner weitgehend unkomplizierten Konstruktion und seiner Effizienz und Leistungsdichte in der Lage, das hohe wirtschaftliche Potential des innovativen Additionsprozesses in praxi zu verwirklichen. Die moderne mechatronische Hybridtechnik verwirklicht damit die problemlose Umsetzung der externen Kompression durch die Antriebselektrifizierung gemäß dem isothermischen Verdichtungsmodell laut Additionsprinzip.
Wirkungen der Innovation AMICES II
Vor dem Hintergrund vielleicht nur noch für wenige Jahrzehnte ausreichender Erdöl-Ressourcen ist vor allem die Autoindustrie gefordert, sich den aus diesem Sachverhalt zwangsläufig ergebenden Herausforderungen zu stellen. Nachdem der Verbrennungsmotor nach Uberwiegender Meinung von Experten noch lange Zeit die dominierende Antriebstechnologie sein wird, gilt die verstärkte Entwicklung Energie sparender, also verbrauchsgünstiger und damit zugleich umweltschonender Breniikraftmaschinen als vorrangige Pflichtaufgabe der Autohersteller.
Unter dem Gesichtspunkt der Arbeitsproduktion wirkt bei traditionellen Brennkraftmotoren die prozessintegrierte adiabatische Kompression aufgrund der negativen Verdichtungsarbeit der Verbrennungsexpansion prinzipiell entgegen. Wenngleich Otto- und Dieselmotoren in den rund 150 Jahren Motorenentwicklung eine Reihe beachtenswerter und auch bedeutsamer Verbesserungen erfuhren, kranken sie bis heute an diesem ineffizienten Subtraktionsprinzip.
Nachdem die Mehrzahl der Fachleute auch für die Zukunft keine wirklich nennenswerte Steigerung der Effizienz konventioneller, d.h. dem Subtraktionsprinzip folgender Motorsysteme erwartet, hat es den Anschein, als drängte nach der Politik nun auch die Autoindustrie auf eine alsbaldige Ablösung des traditionellen Brennkraftantriebs durch den Elektroantrieb.
Die Elektrifizierung der Automobile scheint demnach bereits mittelfristig eine zunehmend wichtigere Rolle zu spielen: Während ein moderner Elektromotor/Generator problemlos einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent erreicht, schafft ein ebenso moderner Pkw aufgrund seines subtraktiven Brennkraftmotors kaum einen effektiven Wirkungsgrad von 25 Prozent. Vergleicht man allerdings die energetische Kapazität eines handelsüblichen Kraftstoffs mit dem einer Lithium-Ionen-Batterie, so offenbart alleine dies die Schwachpunkte des rein elektrischen Antriebs (klassischer Kraftstoff: ca. J1.2 kWh/kg - Li-Ionen- Batterie: 0.2 kWh/kg). Wegen der nach wie vor geringen Kapazität der gegenwärtigen elektrischen Speichertechnik überwiegen trotz aller hypothetischen Vorteile des Elektroantriebs vorerst noch dessen Nachteile, so vor allem unbefriedigende Reichweiten, das hohe Gewicht und die beträchtlichen Kosten der Batterien, auch die nicht völlig von der Hand zu weisenden Sicherheitsrisiken der Lithium-Batterie-Systeme. Die Wirtschaftlichkeit des reinen Elektroantriebs ist somit im Wesentlichen eng mit einer erfolgreichen Weiterentwicklung optimierter Batteriesysteme verknüpft.
Die noch ungelösten Fragen in Hinblick auf den reinen Elektroantrieb lassen bei der Entwicklung moderner Antriebsysteme zunehmend die Hybridtechnik in den Vordergrund treten. Das zusätzliche Elektrosystera des herkömmlichen Hybridantriebs wird in Zusammenhang mit dem regenerativen Bremsverfahren zur Antriebsunterstützung des Brennkraftmotors bei Beschleunigung des Fahrzeugs oder, auf kürzeren Strecken, auch für den reinen Elektroantrieb benutzt. Prinzipbedingt zeigen sich die Vorteile des Hybridantriebs vor allem bei Stadtfahrten mit häufigem Halten und Anfahren. Bereits bei Überlandfahrten schrumpfen diese Vorteile jedoch, bei Autobahnfahrten vermisst man sie gänzlich. Von der kostenintensiven Konstruktion skomplexität einmal ganz abgesehen, erweist sich das zusätzliche Elektrosystem bisheriger Hybridantriebe schon bei normaler Straßenfahrt als nutzlose Last und trägt dessen Gewicht in diesem Fall letztlich nur zur erheblichen Steigerung des Fahrzeug- Gesamtgewichts bei. Ein zweiter entscheidender Nachteil: Selbst die moderne Hybridtechnik greift unverändert auf den traditionellen Breririkraftmotor mit seinem ineffizienten Subtraktionsprinzip zurück.
Brerjnkraftmotorsysteme können in Form eines wesentlich höheren und stabilen effektiven Wirkungsgrads und in Hinblick auf Drehmoment und Leistung signifikant bessere Werte erreichen.
Die entscheidende Rolle hierbei spielt die konsequente Hybridisierung durch das innovative Additionsprinzip, basierend auf der Umsetzung der Druckspeichertechnik und der polyvalenten Rekuperation der Wärmeenergie. Mit diesem zukunftsweisenden Wirkprinzip vollzieht sich ein Paradigmen Wechsel in der Motorenentwicklung, erfolgt die endgültige Abkehr vom subtraktiven Funktionsprinzip des Otto- und Dieselmotors und wird dieses durch das additive Funktionsprinzip des hybridisierten Motorsystems AMICES Ii Hyhridaggregat AHA ersetzt. Der konipressionslose zweitaktige Additionsmotor 2XA als Herzstück dieses hybridisierten Motorsystems verspricht neben einer deutlich reduzierten Komplexität der konstruktiven Umsetzung ein bis jetzt noch nicht erreichtes Maß an effektivem Wirkungsgrad und Leistungsdichte sowie ein vom Start an nahezu konstant hohes Verlaufsniveau des Drehmoments. Das Entfallen des Leerlaufs und des üblichen Gaswechsels (kein Ansaug- und Kompressionstakt - höhere Umdrehungszahl möglich!) ermöglicht zudem einen im Vergleich zum klassischen, also subtraktiven Brer ikraftmotor, wesentlich breiteren Arbeitsbereich.
Nicht anders als„konventionelle", also herkömmliche Hybridmotoren, folgt auch das AMICES II Hybridaggregat AHA/LK dem Grundgedanken eines elektro-hybriden Antriebs im Sinne einer optimalen Elektrifizierung, - dies allerdings mit einem essentiellen Unterschied: Durch das Additionsprinzip revolutioniert es den Brennkraftprozess selbst.
Geht man von des Wortes ureigener Bedeutung aus, kann das Hybridaggregat AHA zutreffend als das erste genuine Hybridmotorsystem betrachtet werden, gekennzeichnet durch:
■ eine bivalente Umgebung Vorkomprimierungszustand + Umwelt
■ eine bivalente Einspritzung Luft + Kraftstoff
eine bivalente Energetisierung Kraftstoff + elektrischer Strom
eine bivalente Arbeitstruktur Therm opneumatische Jnjektionsarbeit + Verbrennungsexpansion ein bivalentes Motorsystem Tandemsystem {Compound) = Additionsmotor 2XA + Abgasturbine AT
Wie bei den klassischen Hybridantrieben ist auch das elektrifizierte Hybridaggregat AHA als Mikrohybrid (Elektromotorik bis 3 kW/t), als Mildhybrid (Elektromotorik bis 10 kW/t) und als Vollhybridaggregat (Elektromotorik über 10 kW/t) denkbar.
Da das Hybridaggregat AHA als Vollhybridaggregat nicht nur über die Kraftstoffverbrennung, sondern zusätzlich auf dem Wege der pneumatischen Wirkung der vorrätigen Systemlufi energetisiert wird, ergibt sich nach dem Additionsprinzip ein signifikant hoher Wirkungsgrad und eine ebensolche Leistungsdichte. Die Antriebstrategie des Vollhybridaggregats basiert auf der mechatronischen Synergie von Additionsmotor 2XA und Nebenaggregaten in modularer Ausführung. Die Elektromotorik sorgt dabei primär für die Abgas- und Bremsrekuperation im Dienste der erforderlichen Produktion der Systemlufi. Eine direkte elektromotorische Antriebsunterstützung ist für die AMICES II Hybridtechnik wegen der nach wie vor geringen energetischen Kapazität heutiger Batterien gegenwärtig von nachrangiger Bedeutung. Für die kontinuierliche Produktion der Systemluft durch einen doppelstufigen Lamellenkompressor LK sowie deren Zwischenkühlung und Speicherung werden ca. 20 Prozent der Leistung des Additionsmotors 2XA benötigt {15 Prozent für den Antrieb + 5 Prozent für Zusatzfunktionen des Wagens; Wirkungsgrad des Kompressors > 75 Prozent).
Aufgrund des hohen und stabilen effektiven Wirkungsgrads des Vollhybrid-Aggregats zeichnet sich ein AMICES II HEV (Mittelklasse-Fahrzeug) durch eine erhebliche Sparsamkeit im Verbrauch aus. Bei einem geschätzten effektiven Wirkungsgrad von annähernd 60 Prozent ist ein durchschnittlicher Benzinverbrauch von weniger als 2,5 1 /WO km zu erwarten. Mit anderen Worten: Ein AMICES II HEV kann mit einem 25 Liter fassenden Kraftstofftank eine Reichweite von mehr als 1000 Kilometern erzielen.
Darüber hinaus bietet die Plug-in-Technik (Aufladen der Batterie aus dem elektrischen Stromnetz über eine einfache Steckdose) auch für das elektrifizierte Hybridaggregat AHA nach erweiterter Additionsarbeit der Elektromotorik noch weitere Optionen. So erfährt ein entsprechendes AMICES II PHEV auf diesem Wege eine doppelte Energetisierung durch Kraftstoff und E- Strom.
„Eine Erweiterung der Hybrid-Technik stellen die Plug-in-Hybride (PHEV) dar, die versuchen, den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken, indem die Akkus nicht mehr ausschließlich durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich auch am Stromnetz aufgeladen werden können. Bei diesem Konzept wird gesteigerter Wert auf eine Vergrößerung der Akkukapazität gelegt, um auch größere Strecken ohne lokale Emissionen zurücklegen zu können. Bei ausreichender Kapazität (etwa 60-80 Kilometer) können Kurzstrecken so ausschließlich im Elektrobetrieb zurückgelegt werden, während der Verbrennungsmotor lediglich als Generator zum Nachladen der Batterien verwendet wird, um auch größere Strecken zu ermöglichen. Dieser Technologie wird im Rahmen der Diskussion um die Eiektromobilität eine große Zukunft vorhergesagt, da über 80 Prozent aller im Alltag gefahrenen Strecken innerhalb dieser Batterien-Reichweite liegen. "
Quelle: http: //de. wikipedia.org/wiki/Hybridelektrokrqftfahrzeug
Die Zeichnung Seite 26 verdeutlicht das innovative Konzept eines AMICES II PHEV, basierend auf dem modularen Vollhybrid- Aggregat AHA. Dank der Plug-in-Technik ermöglicht der gespeicherte elektrische Strom eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, - dies zum einen durch die elektromotorische Unterstützung der Nachfullung der Systemluft, darüber hinaus aber auch durch die Unterstützung des Antriebs sowie die dadurch möglich werdende rein elektrische Fahrt (z.B. bei Kurzstrecken wie Stadtfahrten, Staufahrt oder Manövrieren).
Beispiel zum AMICES II PHEV:
Die Zeichnungen Seite 26, Fig.26.1 und Fig.26.2, bilden ein AMICES II PHEV ά τ Mittelklasse ab, mit einem zu Grunde gelegten Gesamtgewicht von weniger als 1300 kg. Letzteres ist vor allem in Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und damit die Reichweite des Fahrzeugs von Bedeutung,
Additionsmotor 2XA * (Benzin, Arbeitsvolumen 500 ccm, Drei-Zylinder S/D =1.27, S=70mm, D=55mm, Gemischbildung nach Konzept-2 mit Sekundärer Einspritzung und Hinterdrucksystem BPS, primärer Einspritzdruck der Systemluft pi=50xl05Pa (erwartete Leistungsdichte ca. 400 kw/1000cm bei 10.000 U/min).
Für eine rein elektrische Nachfüllung der Systemluft (Kompressionsleistung L KMai) werden gemäß (F. 3.1-01, siehe S.45) ungefähr 20 Prozent der Vollleistung des Additionsmotors 2XA VOn Ca. L,2XA-Mta =200 kW / 10.000 U/min benötigt:
£ K- inx = 0,2 . L 2XA-Max = 40 kW (3.2-18)
Wie gezeigt (S.46), legt der Balancebetrieb den optimalen Betriebszustand für die Definition des Hybridaggregats AHA/LK fest. Dementsprechend gilt dieser Betriebszustand als Referenzwert für die Definition der Leistung der Elektromotoren/Generatoren EM/G-I und EM/G-2 wie auch für die Bestimmung der Batteriekapazität eines AMICES II PHEV. Der nachfolgend beschriebene Betriebszustand kann in diesem Zusammenhang ab Orientierungshilfe dienen.
„Moderne Fahrzeuge mit günstigem Luftwiderstandsbeiwert brauchen nur ca. 30 kW für 120 km/h auf ebener Autobahn. Wenn die höhere Leistung nur zeitlich begrenzt und nicht dauerhaß eingesetzt wird, hat der Hybridantrieb mit zunehmendem Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung und -speicherung eine Zukunft. Hier sind kleine Triebwerke
Figure imgf000057_0001
denkbar, deren Drehmomentschwäche im unteren Bereich durch zusätzlichen Elektroantrieb verbessert wird. Der Hybridantrieb muss auch im Überlandverkehr attraktiv werden, "
Zitat: www.kfz-tech.de
Dementsprechend benötigt man für den vorstehend definierten Balancebetrieb (Zitat) ungefähr 20 Prozent der Leistung des Additionsmotors 2XA für die Nachfüllung der Systemluft (davon ca. 15 Prozent für die Versorgung des Additionsmotors 2XA + 5 Prozent für die Zusatz funkt innen des Wagens, bei einem erwarteten Wirkungsgrad des zweistufigen Lamellenkompressors von ca. > 75 Prozent). Um diese Nebenfunktionen rein elektrisch zu gewährleisten, errechnet sich die summierte Mindestleistung L K.Min der Elektromotoren Generatoren EM/G-I und EM G-2 in Nebensträngen über den Kraftverteiler T wie folgt:
K-Min ~ LK-Min EM G-i + EK.Mm EM!C-2 = 0,2 . L 2XA-Balance = 30 kW X 0,2 = 6 kW (3.2-19)
Demzufolge reicht einem AMICES II PHEV bei der Geschwindigkeit von 120 km/h auf ebener Autobahn eine Leistung des jeweiligen Elektromotors/Generators EM/G- und EM/G-2 von ca. 3 kW für die rein elektrische Versorgung der Nebenfunktionen völlig aus. Außerdem deckt der Vorrat an Systemluft aus dem Druckspeicher sowie des E-Stroms aus der Batterie die periodische temporäre Volllast. Bei unzureichendem Vorratsstand wird die fehlende Leistung für die Nebenfunktionen logischerweise mechanisch über den Kraftverteiler T vom Additionsmotor 2XA abgezweigt. Weil derartige Fahrtsituationen jedoch vergleichsweise selten vorkommen, erscheint die Ausstattung des AMICES II PHEV mit einer maximalen Elektromotorik zur Gewährleistung der Nebenfunktionen nicht als optimale Lösung.
lK-M>n = 6 kW « L K_Mai = 40 kW (3.2-20) Um hingegen eine rein elektrische Fahrt zu ermöglichen (definierter Fahrtzustand des Mittelklasse-PKW, Zitat), wird es erforderlich, für die Elektromotoren/Generatoren EM/G-1 und EM/G-2 eine Leistung von 15 kW zu kalkulieren. Laut der bisherigen Erfahrungsberichte über die derzeitigen Elektrofahrzeuge (z.B. Tesla: 1300 kg) wird für die rein elektrische Fahrt eine Batteriekapazität von 14 kw /lOQkm benötigt, wobei das Lithium- lonen- Batteriesystem über eine Leistungsdichte von etwa lkwh/lOkg verfügt. Das AMICES II PHEV hingegen benötigt im Balancebetrieb (Straßenfahrt gemäß obigen Ausfuhrungen) zur kontinuierlichen Nachfüllung der Systemluft eine Leistung von maximal 6 kW. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von nur 6 kWh (Gewicht ca. 60 kg) ermöglicht einem Mhtsiklasse-AMICES II PHEV damit die folgenden Leistungen:
A) Eine rein elektrische Fahrt über eine Streckenlänge von bis zu 30 km nach Vollladung
B) Im additiven Rekuperationsbetrieb eine Fahrt über eine Streckenlänge von 100 km bei einem
Kraftstoffverbrauch von weniger als 2 Liter/iOOkm (bei gleichzeitiger Gewährleistung aller Nebenfunktionen sowie der elektrischen Unterstützung beim Anfahren und Beschleunigen durch die Batterie).
C) Im programmierbaren Rekuperationsbetrieb eine Fahrt über eine Streckenlänge von 100 km bis
1000 km. Die Energetisiening der Nebenfunktionen erfolgt durch die additive Wirkung von Abgas-Rekuperation und Batterieantrieb. Die Batterieunterstützung bei der Nachfüllung der Systemi fi wird dabei in Abhängigkeit von der programmierten Fahrstrecke und der Kapazität der Batterie planbar. Dadurch variiert der Kraftstoffverbrauch zwischen 2 i und 2,5 l, je nach Beanspruchung des Motorsystems durch die geplante Fahrtstrecke.
Auf Grund des selbst bei Teillast stabilen Wirkungsgrads stellt ein
Figure imgf000058_0001
// PHEV auch bei wechselhaften Betriebsbedingungen einen Durchschnittsverbrauch von weniger als 2 Liter/100 km in Aussicht, Ebenso ermöglicht es die multifimktionale Anwendung der vorhandenen Systemluft aus dem Druckspeicher (Zusatzfunktionen des Wagens wie Servogeräte, polyvalente Elektrorekuperation, Klimatisierung usw).
Aufgrund seiner beeindruckenden Leistungsdichte (> 400 kW/1000 ccm Hubraum, Downsizing) und der überaus hohen Effizienz (deutlich mehr als 50 Prozent) lässt das innovative Motorsystem sowohl im Vergleich mit den modernen Hybridsystemen als auch dem mit traditionellen Diesel- und Otto- Maschinen neben der reduzierten Komplexität vor allem auch eine signifikante Reduktion des Gewichts und der Kosten der Antriebsysteme erwarten.
Darüber hinaus erlaubt das innovative Motorsystem den Einsatz jedweden flüssigen und gasartigen Kraftstoffs. Durch die bivalente Einspritzung erweist es sich allerdings für den Einsatz von Erdgas und Wasserstoff als besonders geeignet. Außerdem setzt es keine grundlegend neuen technologischen Kenntnisse, keine speziellen Rohstoffe oder eine neue Produktionsinfrastruktur voraus. So dürfte sich auf die Herstellungskosten des innovativen Motorsystems zweifellos positiv auswirken, dass bisherige Fertigungsabläufe und -wege im Großen und Ganzen unverändert beibehalten werden können.
Der günstige ökonomische Gesichtspunkt (u.a. ein beeindruckend geringer Kraftstoffverbrauch, eventuell niedrigere Endkosten entsprechend ausgestatteter Fahrzeuge) ist die eine Seite, der ökologische Aspekt in Zeiten des Klimawandels eine nicht minder wichtige: Das innovative Motorsystem lässt ein bislang weltweit noch nicht erreichtes Minimum an C02-Emission erwarten und trägt damit der berechtigten Forderung nach umweltschonenden alternativen Antriebstechnologien auf geradezu radikale Weise Rechnung.
Noch einen beträchtlichen Schritt weiter in die Zukunft geht das Hybridaggregat AHA/HO durch die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff.
Fig. 23.1 veranschaulicht ein Spitzenlastkraftwerk auf der Grundlage des Hybridaggregats AHA/HO. Die Druckspeichermodule speichern dabei den sich willkürlich aus regenerativen Quellen ergebenden Überschuss an E- Strom mittels Druckelektrolyse in Form von Wasserstoff und Sauerstoff. Traditionelle Spitzenlastkraftwerke werden üblicherweise für die Aufnahme von kurzzeitigen Laständerungen und für unvorhersehbare Notfälle eingesetzt, und erlauben es, die Stromproduktion schnell dem Bedarf anzupassen. Im Gegensatz hierzu erweist sich der Einsatz der AMICES II Wasserstoff Sauerstoff-Kraftwerke wesentlich günstiger und umweltfreundlicher.
Fig. 23.2 veranschaulicht ein Stromerzeugungsaggregat auf der Grundlage des Hybridaggregats AHA/HO. Dieses funktioniert nach dem gleichen Prinzip und ermöglicht - jetzt allerdings durch Photovoltaik -, eine auf den individuellen Bedarf eines Haushalts abgestimmte Stromversorgung. Diese emissionsfreie Verbrennungstechnik bietet sich theoretisch ais nahe liegende Alternativlösung zur Brennstoffzellen-Technologie an. Obwohl diese Technik überaus interessant und vielversprechend zu sein scheint, muss eingeräumt werden, dass die Entwicklung der Druckelektrolyse neben einer Reihe bereits bekannter Probleme, wie sie der Einsatz von Wasserstoff/Sauerstoff bei Verbrennungsmotoren mit sich bringt, sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht noch eine Vielzahl von Fragen aufwirft. Aus eben demselben Grund ist der kommerzielle Einsatz dieses Systems zum gegenwärtigen Zeitpunkt kaum planbar.
Schlusswort
Die Innovationen A MICES und AMICES II stehen für einen grundsätzlichen Prinzipienwechsel in der Brennkraftmotori k:
Additionsyrm' zin statt Subtraktionsprinzip
Wie in der Wissenschaft üblich, bedarf es im Weiteren einer intensiven theoretischen und praktischen Auseinandersetzung mit dem innovativen Konzept, wobei alle relevanten Erkenntnisse und Erfahrungen der damit befassten technischen Fachbereiche Berücksichtigung finden müssen. Die Weiterentwicklung und Implementierung des Additionsprozesses in Gestalt des AMICES II Motorsystems sind in erster Linie vom Erfolg künftiger Simulationen und Experimente zur Innovation abhängig. In diesem Zusammenhang dürften vor allem die Gemischbildung und der Zündungsvorgang im Focus des Interesses stehen.
„In Hinblick auf den Multiplikationseffekt der Spätzündung bei einer laufenden Dekompression nach dem oberen Totpunkt, bestehen bei Experten, - aufgrund entsprechender Erfahrungen mit den traditionellen Ottomotoren -, beträchtliche Vorurteile. Aus diesem Grunde spielt die Schnelligkeit der Zündungsverfahren eine entscheidende Rolle für den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte des Additionsmotors 2XA. "
(S.26, Fragestellung 2: Zündungstechnik— Dauer der Verbrennung)
Die größte Herausforderung im Rahmen des zu berechtigten Hoffhungen Anlass gebenden Additionsprozesses stellt voraussichtlich die Spätzündung des Additionsmotors 2XA dar. So geht in der Realität jeder Prozess mit einer zeitlichen Verzögerung einher; ganz besonders gilt dies für die Gemischbildung und die Zündung. Sind die thermischen Bedingungen erfüllt, hängt der Grad der Homogenisierung bei der inneren Gemischbildung und Zündung in hohem Maße von deren Zeitdauer ab. Theoretisch stellt die Zündung bei Brennkraftmotoren einen Multiplikationsfaktor des Kompressionsdrucks dar. Die traditionelle Funkenzündung könnte deshalb für eine optimale Flammeinleitung und die vollständige Wärmefreisetzung nach dem oberen Totpunkt (teillastabhängig bis 35°KW) durch einen zu großen Zündverzug und die dadurch bedingte Reduktion des Multiplikationseffekts von Nachteil sein. Über das tatsächliche Ausmaß dieses Verlustes können, - trotz zwischenzeitlich reichlicher Erfahrung mit der Zündung bei BDE Ottomotoren -, ohne entsprechende Computersimulationen und praktische Experimente zum gegenwärtigen Zeitpunkt nur Mutmaßungen angestellt werden. Aus diesem Grunde wird die Emführung des AMICES II Motorsystems in gewisser Weise auch durch die Weiterentwicklung alternativer Zündungstechniken beeinflusst werden, so im Wesentlichen die der
- Selbstzündung: Thermokinetische Selbstzündune (anstelle von heterogener Kompressionszündung und
HCCI)
- Fremdzündung: Laser oder Mikrowelle (anstelle der Funkzündung)
Zusammenfassend kann das Fazit gezogen werden, dass die vorliegende erste Weiterentwicklung des Additionsprozesses und des daraus abgeleiteten Motorsystems die Erwartungen der ursprünglichen, hinsichtlich verschiedener Teilbereiche noch simplifiziert dargestellten Innovation AMICES (DE 102008008859A1 -Stand der Technik) erfüllt und bestätigt hat. Auf keinen Fall kann und darf die Innovation jedoch als eine bereits zum gegenwärtigen Zeitpunkt perfekte und abgeschlossene Fertiglösung verstanden werden, sondern vielmehr als Ausgangspunkt und Plattform für die Erforschung und Weiterentwicklung zukunftsweisender Brennkraftsysteme.

Claims

Patentansprüche AMICES II:
Innovation AMICES II, gekennzeichnet durch die erweiterte Definition und Weiterentwicklung der ursprünglichen Innovation AMICES aus Druckschrift DE102008008859A1 (Stand der Technik). Dabei stellt der AMICES II Rekuperative Additionsprozess die erweiterte Definition des ursprünglichen offenen aktiven thermodynamischen Prozesses und das AMICES II Motorsystem AMS die Weiterentwicklung des ursprünglichen aktiven Zweitakt-Brennkraflmaschinensystems dar. Entsprechend stellt das AMICES II Hybridaggregat AHA (Motorsystem AMS, erweitert durch notwendige Nebenaggregate) eine Weiteretitwicklung des ursprünglichen aktiven modularen Brennkraftmaschinensystems dar. Der Rekuperative Additionsprozess ist dabei im >-v-Diagramm durch die obere Randbegrenzung zwischen den Punkten l-2*-3-4-5* (Zeichnung Seite 5, Fig.5) des ursprünglichen offenen aktiven thermodynamischen Prozesses des Arbeitsmediums (Zeichnung Seite 1 , Fig.1.1 ) gekennzeichnet.
AMICES II Rekuperativer Additionsprozess und das daraus abgeleitete AMICES II Motorsystem AMS nach Anspruch 1, gekennzeichnet vor allem durch die bivalente additive Einspritzung.
Der Begriff bivalent kennzeichnet dabei die Einspritzung der gesamten Frischladung, d.h. des Kraftstoffs und des vorkomprimierten Oxidationsmittels aus jeweils separaten Druckspeichern. Die vorkomprimierte Luft (Oxidationsmittel) aus dem betreffenden Druckspeicher wird im Folgenden als Systemluft bezeichnet. Das Arbeitsprinzip setzt eine Hybridumgebung voraus, d.h. zwischen dem Vorkomprimierungszustand der Brennkraftkomponenten im Druckspeicher (,Quellen-Umgebung') und dem natürlichen Umweltdruck (,Endumgebung') muss eine Druckdifferenz bestehen.
Nächstes Merkmal dieser bivalenten Einspritzung ist ihre Arbeitsproduktivität. Im Gegensatz zum negativen Arbeitsvorgang der monovalenten Einspritzung bei den herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren, produziert dieses innovative Einspritzverfahren von sich aus Einspritzarbeit und steht auf diese Weise vollständig im Dienste der Arbeitsproduktion. Diese Einspritzarbeit besteht aus der
•Pneumatischen Einspritzarbeit - als Folge des Einspritzdrucks der injizierten Frischladung
-Thermischen Einspritzarbeit - als Folge der Ausdehnung des Frischgases durch dessen
Erwärmung
Der Begriff additiv kennzeichnet dabei die Addition von produzierter Einspritzarbeit und der sich ihr anschließenden Arbeit der Verbrennungsexpansion. Die Arbeitsproduktion des Rekuperativen Additionsprozesses (und des Motorsystems AMS) ist dementsprechend als Additionsprinzip gekennzeichnet (Gleichung 1.3-09, S. 24).
Das Gegenteil hiervon, das allen traditionellen Otto- und Dieselmotoren zugrunde liegende Subtraktionsprinzip, entspricht der zyklisch-synchronisierten Subtraktion der negativen Arbeit der integrierten adiabatischen Kompression von der Verbrenn ungsexpansionsarbeit. Als besonders nachteilig erweist sich dabei, dass diese negative Arbeitsbilanz sich mit jedem Arbeitsablauf zyklisch wiederholt. Durch den negativen Arbeitseffekt des Subtraktionsprinzips weisen auch die übrigen daran beteiligten Prozessereignisse, - wie das Ansaugen der Luft, die Kraftstoffeinspritzung, teilweise die Zündung, die externe Kühlung und der passive Ausstoß der Abgase, einen subtraktiven Charakter auf.
Dementsprechend sind die Hybridumgebung durch die bivalente Einspritzung (im Weiteren als Primäre Einspritzung bezeichnet) und das Additionsprinzip die Hauptmerkmale der Innovation AMICES II.
(Zeichnung Seite 2, Fig.2.2, Zeichnung Seite 4, Fig.4.3B, Zeichnung Seite 19, Fig.19.2 )
AMICES II Additionsprinzip nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet auch durch die erweiterte Definition der Arbeitsproduktion der Brennkraftmotoren mittels Arbeitssummierung sämtlicher daran beteiligter Prozess- und Rekuperationsereignisse (= geordnete Kumulation der arbeitsproduktiven Wirkungen).
(Zeichnungen Seite 4, Fig.4.1 und Fig.4.2, Gleichungen 1.2-01 bis 1.2-03, S. 21 und Gleichung 1.3-17, S.25).
Der Prozessablauf nach dem Additionsprinzip kann hinsichtlich der erzielten Arbeitsproduktion der einzelnen Zustandsänderungen innerhalb des Brennkraftprozesses in einem Additionsdiagramm qualitativ dargestellt werden. Die im Diagramm als negativ markierten Einträge des Überdrucks in Richtung der Ordinate stehen für negative, d.h. Arbeit verbrauchende Zustandsänderungen. Entsprechend bezeichnen als positiv markierte Einträge des Überdrucks positive, d.h. Arbeit produzierende Zustandsänderungen. Entlang der Abszisse können fakultativ die Umdrehungszahl, der Kurbelwinkel oder auch der Prozess- Zeitverlauf eingetragen werden, ohne dass dies das graphische Erscheinungsbild des Additionsdiagramms verändert.
(Beschreibung S. 22, Zeichnung Seite 4, Fig. 4.3, und Zeichnungen Seite 19, Fig. 19.1 und Fig. 19.2)
AMICES II Rekuperativer Additionsprozess nach Ansprüchen 1 bis 3 (Zeichnung Seite 5, Fig.5: Kurve zwischen den Punkten l-2*-3-4-5*-6~), gekennzeichnet durch die Zusammensetzung von Additionsprozess (Fig.5: Kurve zwischen den Punkten l-2*-3-4-5-6) und rekuperativem Abgasprozess (Fig.5: Kurve zwischen den Punkten 4-5*-5). Der Additionsprozess stellt dabei einen eigenen Vergleichs-Kreisprozess des AMICES II Additionsmotors 2XA dar, der rekuperative Abgasprozess einen Arbeitsprozess der Compound- Turbine A T.
Dieser in der technischen Praxis bestens bekannte ,Turbo-Compound' bezeichnet das AMICES II Motorsystem AMS.
(Zeichnung Seite 5)
AMICES II Motorsystem AMS nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zweitaktigen Arbeitszyklus, den Additionstakt und den Rekuperationstakt. Die beiden Begriffe beziehen sich folgerichtig auf die Ableitung des innovativen Motorsystems AMS aus dem Rekuperativen Additionsprozess.
Im ersten Takt, dem Additionstakt, erfolgt die Produktion der Primärarbeit im Additionsmotor 2XA durch den Vorgang der Addition von bivalenter Primärer Einspritzung (Pkte.1-2*), Zündung (Pkte.2*-3d), Verbrennungsexpansion (Pkte.3ä-4-4) und rekuperativer Sekundärer Einspritzung (Pkte.3d-4-4). Der Begriff Additionstakt beruht auf der Ableitung des Additionsmotors 2XA aus dem Additionsprozess (Zeichnung Seite 7, Fig.7).
Im zweiten Takt, dem Rekuperationstakt, erfolgt die Produktion der Sekundärarbeit auf dem Wege der Verwertung der Abgasenergie über die Compound-Abgasturbine A T. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, dass bei der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA die notwendige Unterstützung des Abgas- Ausstoßes durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens einen geringfügigen Subtraktionseffekt verursachte. Das Motorsystem AMS hingegen ist aufgrund des Hinterdrucksystems BPS durch die positive Sekundärarbeit seiner beiden Hauptelemente, des Additionsmotors 2XA und der Compound-Turbine AT, gekennzeichnet. Aus diesem Grunde erweist sich der komplette zweitaktige Arbeitszyklus des Motorsystems AMS als arbeitsproduktiv.
6) AMICES II Additionsprozess nach Ansprüchen 1 bis 5 (Fig. 3.2), im p-v-Diagramm gekennzeichnet durch eine Transformation des traditionellen Lenoir-Prozesses (Fig. 3.1). Die Transformation erfolgt durch die Verschiebung pi der isobarischen Zustandsänderung (Fig. 3.1 und Fig. 3.2: Verschiebung der Kurve zwischen Pk l und Pk 2 entlang der Null-Isochore).
Die Verschiebung pt ist durch die bivalente Einspritzung von Systemluft und Kraftstoff aus ihren jeweiligen Druckspeichern gekennzeichnet, p( kennzeichnet dabei die qualitative Umwandlung der negativen isobarischen Ansaugarbeit (Fig. 3.1 : Kurve zwischen PkLl und Pk 2) in positive Arbeit (Fig. 3.2: Kurve zwischen Pktl und Pkt2)
(Zeichnung Seite 3)
7) AMICES II Additionsprozess nach Ansprüchen 1 bis 6, im /7-v-Diagramm gekennzeichnet durch die nachfolgenden Zustandsänderungen:
- Isobare Zustandsänderung von Pktl bis Pkt2* {innere homogene Gemischbildung):
Von Pktl bis Pkt2 erfolgt die Primäre Einspritzung , anschließend
von Pkt2 bis Pkt2* die thermische rekuperative Erwärmung der Frischladung.
- Isochore Zustandsänderung von Pkt2* bis Pkt3 (optional auch eine Isobare):
Sie entspricht der Zündung und Verbrennung.
- Adiabate Zustandsänderung von Pkt3 bis Pkt4 (in der Realität eine Polytrope):
Sie entspricht der Expansion der Verbrennungsgase. - Isochore Zustandsänderung von Pkt.4 bis PktS:
Sie entspricht dem Ausgleich des Brennraumszustands mit dem atmosphärischen Außendruck (entweder direkt oder Uber die Compound-Ttirbine A T).
- Isobare Zustandsänderung von PkLS bis Pkt6:
Sie entspricht der Rückkehr des Kolbens zum oberen Totpunkt.
-„Null-Isochore"- virtuelle Zustandsänderung von Pkt6 bis Pktl:
Sie entspricht der Hybridumgebung (Anspruch 2). Die virtuelle„Null- Isochore"
gibt dabei die positive Verschiebung pt aus Anspruch 6 wieder.
[Zeichnung Seite 5, Fig.5, Druck p (Pa) und spezifisches Volumen v (m /kg)]
8) AMICES II Erweiterter Addiüonsprozess nach Ansprüchen 1 bis 7, im p- -Diagramm gekennzeichnet durch die nachfolgenden Zustandsänderungen:
- Isobare Zustandsänderung von Pktl bis Pkt.2* ( innere homogene Gemischbildung):
Sie entspricht von PkLl bis Pkt2 der Primären Einspritzung und
von Pkt2 bis Pkt2* der thermischen rekuperativen Erwärmung der Frischladung.
- Isochore Zustandsänderung von PkL 2* bis Pkt 3 (optional auch eine Isobare):
Sie entspricht der Zündung und Verbrennung.
- Adiabate Zustandsänderung von Pkt 3 bis Pkt4** (in der Realität eine Polytrope):
Sie entspricht der Expansion der Verbrennungsgase.
- Isobare Zustandsänderung von Pkt 4** bis Pkt 4* {innere rekuperative Kühlung).
Sie entspricht der Sekundären Einspritzung.
- Adiabate Zustandsänderung von Pkt.4* bis Pkt4 (in der Realität eine Polytrope):
Sie entspricht der fortgesetzten Expansion der Sekundären Gasmischung.
- Isochore Zustandsänderung von Pkt4 bis Pkt 5:
Sie entspricht dem Ausgleich des Brennraumszustands mit dem atmosphärischen Außendruck (entweder direkt oder über der Compound-Turbine A T).
- Isobare Zustandsänderung von PktS bis Pkt6:
Sie entspricht der Rückkehr des Kolbens zum oberen Totpunkt
-„Null-Isochore"- virtuelle Zustandsänderung von Pkt6 bis Pktl:
Sie entspricht der Hybridumgebung (Anspruch 2). Die virtuelle„Null-Isochore"
gibt dabei die positive Verschiebung pt aus Anspruch 6 wieder.
[Zeichnungen Seite 14 und 15, Fig.H und 15, Druck p (Pa) und Volumen fm1)]
9) AMICES II Addiüonsprozess nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch den thermopneumatischen Wirkungsgrad als physikalische Effizienzgröße. Der thermopneumatische Wirkungsgrad (Gleichung 1,3- 24, S.26) ist gekennzeichnet durch die Addition des Wirkungsgrads der Verbrennungsexpansion (Gleichung 1.3-30, S.27) und des Addüionsinkrements (Gleichung 1 .3-23, S.26). Das Additionsinkrement ist gekennzeichnet durch den Quotienten aus Einspritzarbeit und zugefiihrter Wärmeenergie.
Das Gegenteil hiervon, der sämtlichen traditionellen Brennkraftmaschinen zugrunde liegende thermische Wirkungsgrad (Gleichung 1.3-13, S.25), weist stets ein negatives, vom Verdichtungsverhältnis abhängiges Subtraktionsdekrement (Gleichung 1.3-12, S.25) auf. Das Subtraktionsdekrement gibt den Anteil der verbrauchten Kompressionsarbeit im Verhältnis zur zugeführten Wärmeenergie an, wie sie bei der Kraftstorrverbrennung entsteht.
(Zeichnung Seite 6, Fig. 6.2)
10) AMICES II Additionsmotor 2XA nach Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Weiterentwicklung der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Kolbenmaschine 2XA aus Druckschrift (*DE 102008008859 A I, Zeichnungen Seite 1, Fig. 1.2 - Stand der Technik*). Der Additionsmotor 2XA ist durch die heute üblichen konstruktiven Merkmale der Kolbenmotore, z.B. von Otto- Dieselmotoren, gekennzeichnet (Zylinder- Kolben-Ausführung, Abgasventile, Zündungsanlage, Kühlungssystem etc.). Das innovative Konstruktionskonzept ist des Weiteren gekennzeichnet durch die konventionelle Bauweise von Zweitakt- Dieselmotoren mit spiralförmiger Kraftstoffeinspritzung und Zylinderausspülung (Fig. 8.1 und Fig. 8.2). Wie schon in der ursprünglichen Konzeption, schließt der Kolben dabei in seiner oberen Position (oberer Totpunkt, OT) das Volumen des Brennkraftraums theoretisch auf Null. Mit Ausnahme des in der Praxis benötigten technischen Spalts ist kein ompressionsraum vorhanden. Demzufolge entfallen auch die Luft- Ansaugventile. Die Hauptelemente der ursprünglichen aktiven Zweitakt-Maschine 2XA finden sich im Wesentlichen auch beim weiterentwickelten Additionsmotor 2XA wieder, wenngleich auch in veränderter Position und Ausführung. Es sind dies vor allem das bivalente Einspritzsystem der vorkomprimierten Verbrennungskomponenten (ursprünglich bezeichnet als MCCRS: Multi Component Common Rail System*), die Zündkerze (z.B. Funk, Plasma, Laser, Mikrowellen etc.) und das weiterentwickelte Abgasventil (Fig. 8.3).
(Zeichnungen Seite 8)
AMICES II Additionsmotor 2XA nach Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch das weiterentwickelte Bivalente Einspritzsystem MCCRS. Dieses ist wie bei der ursprünglichen Konzeption (MCCRS - Multi Component Common Rail System, Druckschrift DE 102008008859A1) durch die Integration des Kraßstoff- Einspritzsystems KES und des Luft-Einspritzsystems LES gekennzeichnet. Das Kraftstoff-EinsprUzsyslem KES ist durch die heute üblichen konstruktiven Merkmale der Einspritztechnik moderner BDE Otto- (pik = 100 -150 103 Pa) und CR Dieselmotoren (Com on-Rail, ρΆ = 1000 -2000 105 Pa, Stand 2009) gekennzeichnet. Über das Luft-Einspritzsystem LES erfolgt die Injektion der Systemluft in den Brennraum, dies mit einem geregelter konstanten Einspritzdruck ps. Der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ist deshalb entweder mit einer kombinierten Einspritzdüse CD oder aber mehreren separaten Einspritzdüsen versehen, so z.B. die Einspritzdüse DL für die Systemluft und die Einspritzdüse DK für den Kraftstoff. Hierfür besteht in Form des axialen Lufteinspritzkanals im Abgasventil 3.1 und in Form der Ventilführung 3.2 eine zusätzliche Verbindung zwischen Brennraurn und Luft-Einspritzsystem LES.
(Zeichnungen der Seiten 9, 10, 1 1 und 12).
12) AMICES II Additionsmotor 2XA nach Ansprüchen 1 bis 1 1, zusätzlich gekennzeichnet durch das rekuperative Wärmeaustauschsystem. Dessen thermische Absorptionselemente sorgen für die rekuperative Übertragung der absorbierten Wärmeenergie vom vorausgegangenen Arbeitszyklus auf die injizierte Frischladung des nachfolgenden Arbeitszyklus. Dadurch bilden sie im oberen Zylinderraum, - dort, wo die komplette Verbrennung stattfindet -, eine thermisch umschlossene Brennzone BK. Zu den thermischen Absorptionselementen gehören der in den Zylinderkopf integrierte thermische Absorptionsring 4.1, der Kolbentopf 4.2 und zum Teil das Abgasventil 3.1. Die Eingänge der Einspritzdüsen (entweder CD bzw. DL und DK) münden tangential in den zirkulär verlaufenden Verteilerkanal Kn. Nach der erfolgten Primären Einspritzung schließen die thermischen Absorptionselemente des Wärmeaustauschsystems die Frischladung in der Brennzone BK ein. Die Materialien der Absorptionselemente sind durch eine hohe spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet. Die Absorptionselemente selbst sind von der Motorstruktur (Zylinder, Zylinderkopf und Kolben) thermisch isoliert {Wärmedämmungsschicht 4.5). Die thermischen Absorptionselemente können in einer geschichteten Struktur aus verschiedenen Materialien ausgeführt werden. Die elektrische Heizer 4.3 sorgt beim Kaltstart des Additionsmotors 2XA für die Erwärmung des Absorptionsrings 4.1 auf die benötigte Arbeitstemperatur. Die Regulierung der indizierten Spitzentemperatur des Absorptionsrings 4.1 erfolgt dabei über den Temperatursensor 4.4. Dementsprechend ist die Nutzung des Wärmeaustauschsystems durch die Verminderung der Wärmeverluste bei der Verbrennung, eine signifikante Verringerung des schädlichen Quentch-Effektes, die thermische Homogenisierung des Frischgases, die regulierbare Spitzentemperatur der Verbrennung und die Rekuperation der Wärmeenergie in nützliche thermische Einspritzarbeit W,H gekennzeichnet. Zusätzlich bewirkt die Nutzung des Wärmeaustauschsystems durch den Effekt der ,Kalten Flamm ' (>330°C) eine wesentlich schnellere Verdunstung des flüssigen Kraftstoffs und somit der Homogenisierung des Frischgases. Hieraus resultiert eine erhebliche Verkürzung der Zeitdauer von Zündung und Verbrennung.
(Zeichnungen der Seiten 9, I G, 1 1 und 12).
13) AMICES II Additionsmotor 2XA, nach Ansprüchen 1 bis 12, gekennzeichnet durch die innere homogene Gemischbildung. Diese erfolgt aufgrund der außerordentlich turbulenten Vermischung der kalten Brennkraftkomponenten durch deren Primäre Einspritzung (kinetische Wirkung von Drall oder Tumble) sowie infolge der Erwärmung des Gemisches durch die rekuperative Wirkung des Wärmeaustauschsystems (thermische Wirkung). Kinetisch betrachtet bewirkt die bivalente Primäre Einspritzung der gesamten Frisch ladung eine erheblich bessere Vermischung und Kraftstoffzerstäubung als im Fall der monovalenten Einspritzung herkömmlicher Motoren mit der Injektion lediglich des Kraftstoffs. Die Zusammenstösse der jeweiligen Partikel der beiden Brennkraftkomponenten finden aufgrund der außerordentlichen Turbulenz wesentlich häufiger und auch vehementer statt. An Stelle der herkömmlichen subtraktiven Erwärmung mittels Verdichtung der angesaugten Luft findet beim Additionsmotor 2XA die rekuperative Erwärmung der Frischladung durch das Wärmeaustauschsystem statt.
Zur Realisierung der inneren homogenen Gemischbildung sind mehrere verschiedene Konzepte möglich, weswegen die Einspritzsysteme und die Gemischbildung des Additionsmotors 2XA in zwei unterschiedlichen Varianten vorgestellt werden {Konzept-1 und Konzept-2). Sie unterscheiden sich hinsichtlich des Ablaufs der primären Einspritzung und der Position, Struktur und Zahl der Einspritzventile.
14) Konzept-1 der inneren homogenen Gemischbildung nach Ansprüchen 1 bis 13, gekennzeichnet durch die simultane primäre Einspritzung' der gesamten Frischladung. Ihre beiden Komponenten sind durch den gleichen Einspritzdruck gekennzeichnet. Konzept-} ist vor allem für gasförmige und benzinartige Kraftstoffe gedacht.
Konzept-1 der inneren homogenen Gemischbildung beruht auf der simultanen bivalenten Einspritzung der gesamten Frischladung Uber die Kombidüse CD gemäß dem ursprünglichen Konzept AMICES (Druckschrift DE102008008859A1). Die Kombidüse CD als Teil des bivalenten Einspritzsystems MCCRS ist wie ein Einspritzventil konstruiert, das selbst keinen Druck produziert. Das bivalente Einspritzsystem MCCRS als Druck- und Lastregler zwischen dem Druckspeicher der Systemlufl und dem Kraftstofftank einerseits und dem Aktivmotor 2XA anderseits, gewährleistet die Versorgung mit den beiden Brennkraftkomponenten bei einem konstanten Einspritzdruck ps {ca. 50- 00 bar). Befindet sich die Kolbenposition zu Beginn des Additionstakts im oberen Totpunkt (Fig.7, Pktl), erfolgt die simultane primäre Einspritzung der teillastbedingten Menge der in einem stöchiometnschen Verhältnis vorliegenden Brennkraftkomponenten. Aufgrund der ausgeprägten Turbulenzen in der unmittelbar am Ausgang der Kombidüse CD gelegenen Mischkammer M findet bereits hier die Vormischung der Brennkraftkomponenten statt. Von hier aus gelangt die vorgemischte Frischladung als extrem schnelle turbulente Strömung in den kreisrunden Spaltkanal 4.6 des Absorptionsrings 4,5. Über den Spaltkanal 4,6 verteilt sich die Frischladung tangential entlang des Spalts zwischen der Oberfläche des Absorptionsrings 4,5 und der des Kolbentopfs 4,2. Die rundsymmetrische Zylinderform des Spalts erzeugt zwischen den Oberflächen des Absorptionsrings 4.1 und des Kolbentopfs 4,2 eine geordnete Drehbewegung des Gemisches, den so genannten Drall. Der hohe Einspritzdruck />,· der sich stetig fortbewegenden Frischladung zwingt den Kolben nach unten und produziert auf diese Weise die Pneumatische Einspritzarbeit (Fig.7; Arbeit zwischen Pktl und Pkt.2). Wegen der thermischen Konvektion zwischen der turbulent strömenden Frischladung und den heißen Wandoberflächen des Wärmeaustauschsystems (ca. 500°C, Absorptionsring 4.5, Kolbentopf 4.2, Abgasventil 3.1) überträgt sich die akkumulierte Wärme aus dem vorausgegangenen Arbeitszyklus auf das strömende Gemisch. Die Primäre Einspritzung wird bei Volllast bei ca. 20°KWW abgeschlossen (Fig.7, Pk 2). In dieser Phase soll die Frischladung eine Mindesttemperatur von 330°C* erreichen (*Zitat S.33). Diese Temperatur gewährleistet die Aktivierungsenthalpie für die exotherme Reaktion der Kalten Flamme. Diese exotherme Reaktion unterstützt die Homogenisierung des Frischgases in besonderem Maße (nur für flüssige Kraftstoffe >330°C). Durch die Erwärmung erfährt die Rotationsgeschwindigkeit des Dralls eine zusätzliche Beschleunigung. Dies dient dazu, die zerstäubten Kraftstoffpartikel völlig zu verdunsten ( ) und das homogenisierte Frischgas auf eine optimale Zündungstemperarur zu bringen (bei Benzin 450° bis 500°C). Die radiale und axiale thermische Strömungsausdehnung des Frischgases als Folge der Erhitzung und KraftstoffVerdunstung verursacht lokale Turbulenzen, welche eine besonders schnelle Verteilung des evaporierten Kraftstoffs (£ begünstigen. Die erwärmungsbedingte Ausdehnung des Frischgases produziert die zusätzliche Thermische Einspritzarbeit (Fig.7, zwischen Pkt.2 und Pkt2*). Demgemäß ergibt sich die Primäre Einspritzarbeit aus der Addition der pneumatischen und der thermischen Komponente (Fig.7: Arbeit zwischen Pktl und Pkt.2 plus Arbeit zwischen Pkt2 und PkL2*).
(Zeichnung der Seite 11. In dem Zusammenhang sind auch die Zeichnungen der Seiten 9, 10 und 14 von Relevanz.)
15) Konzept-2 der inneren homogenen Gemischbildung nach Ansprüchen 1 bis 14, gekennzeichnet durch die 'separate bivalente primäre Einspritzung' der gesamten Frischladung.
Konzept-2 der inneren homogenen Gemischbildung kombiniert die Einspritzung der Systemluft mit den bewährten direkten Einspritztechniken des Kraftstoffs bei modernen BDE Otto- und CR Dieselmotoren. Hierauf beruht die primäre Einspritzung des Konzepts-2, das durch ein jeweils separates Einspritzsystem für die Systemluft {LES und den Kraftstoff {KES) gekennzeichnet ist. Das Luft-Einspritzsystem LES sorgt für die primäre Einspritzung der Systemluft unabhängig von wechselhaften BetriebszustSnden, dies bei einem konstanten Einspritzdruck pi {ca. > 50 105 Pa). Für die Einleitung der Systemluft in den Brennraum ist bei Konzept-2 die Luftdüse DL vorgesehen. Diese ist in der Ausführung eines Einspritzventils gestaltet, das selbst keinen Druck produziert. Für die Primäre Einspritzung des Treibstoffs mittels des Kraftstoff- Einspritzsystems KES und der Kraftstoffdüse DK sorgt die Einspritztechnik der modernen BDE Otto- (pik = 100 -150 105 Pä) und CR Dieselmotoren. {Common-Rail, pik = 1000 -2000 10s Pa, Stand 2009).
Die primäre Einspritzung des Konzepts-2 erfolgt zu Beginn des Additionstakts in zwei separaten, zeitlich versetzten Schritten.
In einem ersten Schritt wird die teillastbedingte Menge der Systemluft über die Luftdüse DL in den Brennraum injiziert. Dadurch wird beispielsweise möglich, dass bei einem Kaltstart, - bedingt durch die steuerbaren Öffhungs-/Schließzeiten der Abgasventile -, mit der Primären Einspritzung der Systemluft vor dem oberen Totpunkt (OT) begonnen werden kann. Dadurch kann der geringe Anteil der eingespritzten Luft wegen der frühzeitigen Schließung des Abgasventils im Spaltvolumen adiabatisch verdichtet werden. Diese Verdichtung unterstützt die Gestaltung der Initialwärme (bei Konzept-1 nur mit Hilfe des elektrischen Heizers 4.3 möglich), die für den weiteren Ablauf der homogenen Gemischbildung eine zwingende Voraussetzung darstellt. Außerdem ermöglicht bei einem normalen Betrieb die kontrollierte zeitliche Überschneidung von Abgasausstoß und Früheinspritzung der Systemluft (kurz vor dem oberen Totpunkt) die Feinregulierung der Temperatur des Wärmeaustauschsystems und beschleunigt die Erwärmung der eingespritzten Systemluft. Letztere gerät in Form einer extrem schnellen turbulenten Strömung in den kreisrunden Spaltkanal 4.6 des Absorptionsrings 4.5. Durch den Spaltkanal 4.6 verteilt sich die Systemluft in einer rotierenden Strömung tangential entlang des Spalts zwischen den Oberflächen des Absorptionsrings 4.5 und denen des Kolbentopfs 4.2. Wie schon bei Konzept-1 beschrieben, formt die rundsymmetrische Zylinderform des Spalts die geordnete Drehbewegung der eingespritzten Systemluft, den so genannten Drall.
Der hohe Ei spritzdruck p, der sich stetig fortbewegenden Systemluft zwingt den Kolben nach unten und produziert auf diese Weise die Pneumatische Einspritzarbeit. Aufgrund der thermischen Konvektion zwischen der turbulent strömenden Frischladung und den heißen Wandoberflächen des Wärmeaustauschsystems (ca. 500°C, Absorptionsring 4.5, Kolbentopf 4.2, Abgasventil 3.1) überträgt sich die akkumulierte Wärme aus dem vorhergehenden Arbeitszyklus auf die strömende Systemluft. Wegen der fehlenden Verdunstung des Kraftstoffs gleicht sich die Temperatur des erhitzten spiralförmigen Luftstroms der vorgegebenen Temperatur des Wärmeaustauschsystems wesentlich schneller an. Die Primäre Einspritzung wird so bei Volllast bei ca. 20°KWW wd einer Mindesttemperatur der System luft von 400°C beendet. Die ohnehin schon extrem hohe Rotationsgeschwindigkeit des Dralls nimmt durch die erwännungsbedingte Ausdehnung noch weiter zu, was den Kolben zusätzlich nach unten treibt. Wegen der Einspritzung der Systemluft in der ersten Phase wird die Erwärmung effizienter und als Folge die Thermische Einspritzarbeit wesentlich höher als bei Konzept-1. Demzufolge ist eine noch höhere primäre Einspritzarbeit aus der Addition der pneumatischen und der thermischen Komponente zu erwarten als bei Konzept-1 {Fig.7: Arbeit zwischen Pktl und PkL2 + Arbeit zwischen Pkt2 und Pkt.2*).
In einem zweiten Schritt erfolgt die teillastbedingte Injektion des Kraftstoffe entweder gleichzeitig mit der Beendigung der Einspritzung der Systemluft oder kurz davor. Dies geschieht - wie bei der herkömmlichen direkten Einspritztechnik auch -, lastgesteuert über die Kraftstoffdüse DK mittels einer kurzen kräftigen Injektion des Treibstoffsprays TS (bei einer Volllast zwischen 75° und 20°KWW nach dem oberen Totpunkt OT, entweder vor oder nach Pkt2 (Fig.7). Das Treibstoffspray gerät dadurch in den hoch verdichteten und rasanten Drall der heißen System luft. Diese extrem schnelle Dreh-Spiralströmung erweist sich gegenüber konventionellen Pendants als signifikanter Vorteil der AMICES II Einspritztechnik. Die radiale und axiale thermische Strömungsausdehnung des Frischgases durch Erhitzung und Kraftstoffverdunstung verursacht lokale Turbulenzen, welche die besonders schnelle Verteilung des evaporierten Kraftstoffs und damit die Vollhomogenisierung des Frischgases noch zusätzlich begünstigen: Durch das Aufeinandertreffen der winzigen Treibstofl artikei mit der strömenden heißen Luft in der Brennzone BK läuft die Gemischbildung in extrem kurzer Zeit ab. Das Treibstoffspray TS ermöglicht nämlich eine augenblickliche Verdunstung der winzigen Kxaftstofftropfen in der heißen Systemluft. Gleichzeitig erreicht das homogene Frischgas die optimale Zündungstemperatur (Benzin 450° bis 500°C) und kann deshalb unmittelbar nach der Kraftstoffeinspritzung durch die Zündkerze 2.0 besonderes schnell entflammt werden (Fig.7; zwischen Pk 2-Pkt2*).
(Zeichnungen der Seiten 12 und 13, in diesem Zusammenhang sind auch die Zeichnungen der Seiten 9 und 10 von Bedeutung.) AMICES II Additionsmotor 2XA nach Ansprüchen 1 bis 15, gekennzeichnet durch verschiedene Zundungsmöglichkeiten als MM// /«e/-Brennkraf-rnotor. Dementsprechend ist der Additionsmotor 2XA entweder durch eine Fremdzündung oder durch eine thermokinetische Selbstzündung gekennzeichnet. Im Fall von Benzin und gasartigen Kraftstoffen wird eine Fremdzündung (Funkzündung, Laser oder Mikrowelle) verwendet. Wegen der Stabilität der Verbrennungsbedingungen kann die thermokinetische Selbstzündung infolge der thermischen Reaktion der ,Kalten Flamme' durch die in engen Grenzen kontrollierte Überschreitung der Selbstzündungstemperatur des homogenisierten Frischgases erfolgen. Dementsprechend kann bei den meisten Kraftstoffen durch die kontrollierte Erhöhung der Temperatur des Wärmeaustauschsystems eine stabile thermokinetische Selbstzündung eingesetzt werden (minimale Temperatur > Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffs). Wegen der thermisch instabilen Vorgange beim Kaltstart des Additionsmotors 2XA empfiehlt es sich jedoch, den Vorteil der Kombination von thermokinetischer Selbstzündung und Fremdzündung zu nutzen.
AMICES II Additionsmotor 2XA nach Ansprüchen 1 bis 16, weiterhin gekennzeichnet durch das Sekundäre Einspritzsystem. Konventionelle Brennkraftmotoren begegnen ihrer möglichen Überhitzung mithilfe einer„äußeren" Kühlung (Wasser- oder auch Luftkühlung). Das vorrangige Ziel des Sekundären Einspritzsystems ist die innere rekuperative Kühlung des Additionsmotors 2XA. Diese soll eine potentielle Überhitzung des Additionsmotors 2XA vermeiden und zugleich die polytropischen Wärmeverluste der Verbrennungsexpansion durch Kühlungssystem und Abgase minimieren. Insgesamt ist die Arbeitsproduktion des mit dem Sekundären Einspritzsystem ausgestatteten Additionsmotors 2XA gekennzeichnet durch:
- die innere rekuperative Kühlung von Brennraum, Kolbentopf 4,2 und Abgasventil 3.1
- die Regulation der Temperatur der beweglichen Absorptionselemente des Wärmeaustauschsystems (Abgasventil 3.1 und Kolbentopf 4.2)
- die zusätzliche Erhöhung des Thermopneumatisc en Wirkungsgrads durch Senkung der
Abgastemperatur
- die Erhöh ung der Sekundärarbeit der Compound-T rbine A T
• die zusätzliche Steigerung von Leistung und effektivem Wirkungsgrad des Motorsystem AMS
Das Sekundäre Einspritzsystem ist durch die eingeordnete Einspritzung der„kalten" Systemluft (optional Systemluft/Wasser oder auch nur Wasser) in den Brennraum gekennzeichnet. Diese erfolgt zylinderaxial zum Kolbenzentrum über das Abgasventil 3.1. Wegen der Expansionswirkung sinkt dabei die Temperatur der eingespritzten Systemluft noch weiter. Eine Verbindung zwischen Brennraum und Luft-Einspritzsystem LES besteht in Form des axialen Lufteinspritzkanals im Abgasventil 3.1 und der Ventilführung 3.2 (integrierte Luftaufnahme). Auf diese Weise wird durch den Kühleffekt der eingespritzten Systemluft gleichzeitig die kontrollierte innere Temperierung von Abgasventil 3.1 und Kolbentopf 4.2 gewährleistet. Das Sekundäre Einspritzsystem stellt zudem eine indirekte Temperaturregulierung der beweglichen Teile des Wärmeaustauschsystems, also des thermischen Kolbentopfs 4.2 und des Abgasventils 3.1, sicher. Diese erfolgt quantitativ und lastabhängig über die indizierte Temperatur der Abgase (Temperatursensor 3.4).
Die Sekundäre Einspritzung l2 beginnt in Pkt4** des Additionstakts noch während der adiabatischen Verbrennungsexpansion bei einem Einspritzdruck pa (Fig. 14: p-V-Diagramm). Der Zeitpunkt des Einspritzbeginns und die Menge der injizierten Systemluft werden dabei in Zusammenhang mit der entsprechenden Teillast proportional geregelt. Die zylinderaxial kräftig einströmende Systemluft trifft auf die heiße Oberfläche des Kolbentopfs 4.2 und vermischt sich mit den Verbrennungsgasen. Diese zusätzlich eingespritzte Systemluft (optional Systemluft/Wasser oder auch nur Wasser,) verändert die Menge und Zusammensetzung des VerbTennungsgase. Aus der Mischung von eingespritzter Systemluft (<20°C) und Verbrennungsgasen (konzeptabhängig ca. <1000°C) entsteht bei konstantem Druck pl2 im Brennraum eine gekühlte und verdichtete sekundäre Gasmischung (konzeptabhängig ca. <600°C). Aufgrund der Sekundären Einspritzung I2 (zwischen PkL 4** und Pkt 4*) wird wie im Fall der Primären Einspritzung (Wih zwischen Pkt 0 und Pkt2*) wieder pneumatische Arbeit Wl2 verrichtet. Damit die sekundäre Gasmischung den Brennraum in Richtung Compound-Turbine AT rechtzeitig verlassen kann, wird die Einspritzung vor der Öffnung des Auslassventils (Pkt4*) abgeschaltet. Die unterbrochene primäre Verbrennungsexpansion (PkL3 bis Pkt4*) setzt sich zwischen Pkt4* und dem unteren Totpunkt Pkt.4 mit der Produktion der sekundären Expansionsarbeit fort. Da die Wärmeableitung von der Temperaturdifferenz abhängig ist, reduziert die sinkende Temperatur der verdichteten sekundären Gasmischung zugleich die Wärme Verluste durch Kühlsystem und Umgebung. Auf diese Weise gewährleistet die sekundäre Expansion dank eines höheren Koeffizienten der Politrope und der verdichteten sekundären Gasmischung zugleich eine zunehmende Arbeitsproduktion von Additionsmotor 2XA und Compound-Turbine AT. Die Sekundäre Einspritzung I2 hat während des Additionstakts einen signifikanten Anstieg der Arbeitsausbeute des Additionsmotors 2XA gemäß dem Additionsprinzip (Gleichung 2.2-01, S. 39) zur Folge. Zusätzlich begünstigen die erhöhte Menge, der höhere Druck und die höhere Dichte der sekundären Gasmischung eine relevante Steigerung der Sekundärarbeit durch die Abgas-Rekuperation der Compound-Turbine AT.
[Zeichnungen der Seiten 9, 10 (Fig.10.1 und 10.2) und der Seite 13 (Fig.13.2),
p-V-Diagramme der Zeichnungen der Seiten 14 und 15]
Eine weitere Variante macht es möglich, das Sekundäre Einspritzsystem auch für die bivalente Primäre Einspritzung zu nutzen. Dadurch entfällt die separate Luftdüse DL {innere homogene Gemischbildung, Konzept-2, Anspruch 15). Mit der Zielsetzung einer noch effektiveren inneren Kühlung wird hierbei die gesamte Luftzufuhr von Primärer und Sekundärer Einspritzung über das Abgasventil 3.1 in den Brennraum geleitet. Dabei begünstigen die Spiralkanäle auf dem Kolbentopf 4.2 die thermokinetische Übertragung der Absorptionswärme auf das eingespritzte Medium sowie die Entstehung der rotierenden Drall-Strömung.
(Zeichnungen der Seite 18, Fig.18.1 und Fig.18.2)
AMICES II Additionsmotor 2XA nach Ansprüchen 1 bis 17, gekennzeichnet durch den arbeitsproduktiven Rekuperationstakt mittels des Hinterdrucksystems BPS {,Hintet druck = vorkomprimierter Kurbelwellenraum hinter dem Kolben; BPS = 'Back Pressure Syste ').
Vorrangige Ziele des innovativen Hinterdrucksystems BPS sind die arbeitsproduktive Aktivierung des zweiten Rekuperationstakts des Additionsmotors 2XA und die Motorbremsung bei sinkender Teillast. Insofern ist der mit dem Hinterdrucksystem BPS ausgestattete Additionsmotor 2XA gekennzeichnet durch: einen gesamtpositiven Arbeitszyklus jedes einzelnen Zylinders
die Moderierung des Ablaufs der Arbeitsproduktion durch die Verteilung der Expansionsarbeit auf Additions- und Rekuperationstakt
die Reduzierung der nötigen Schwungmassen zur Harmonisierung des pulsierenden Arbeitszyklus die Minderung des Öffhungswinkels des Abgasventils 3.1 vor dem Ende des Additionstakts (ca. 10-20°KWW vor dem UT; Minderung der Expansionsverluste)
die Motorbremsung bei sinkender Teillast
die Unterstützung des Abgas-Ausstoßes durch den vorkomprimierten Kurbelwellenraum eine zusätzliche Erhöhung der Sekundärarbeit der Compound-Turbine A T
Der Kurbelwellenraum des Additionsmotors 2XA ist über den Kompressionsregler 5.7 mit dem Druckspeicher der Systemluft verbunden. Dadurch ist es möglich, den Kurbelwellenraum teillast-abhängig auf einen Druck pBI zu vorkomprimieren. Auf diese Weise herrscht hier zu Beginn des Additionstakts ein Hinterdmck pB, (Initial Verdichtung im oberen Totpunkt OT), Fig. 16.2 (A), der durch die Abwärtsbewegung des Kolbens während des weiteren Prozessverlaufs noch weiter zunimmt. Dieser Hinterdruck erreicht im unteren Totpunkt (UT) seinen maximalen Wert pR2- Der ansteigende Druckgradient entspricht dabei dem Verdichtungsverhältnis des Kurbelwellenraums (ca. < 2), also dem Verhältnis zwischen dem sich verändernden Volumen des Kolbenraums und dem unverändert bleibenden Volumen des Kurbelwellenraums. Dadurch ist der Hinterdruck pB2 von der konstruktiven Ausführung des Kurbelwellenraums abhängig. Logischerweise vermindert die Verdichtung des Hinterraums die Arbeitsproduktion während des Additionstakts [Fläche(-), Fig. 16.1 (B)]. Der betreffende Arbeitsanteil geht jedoch nicht verloren, sondern wird von der komprimierten Luft des Hinterraums absorbiert. Letzterer wirkt demzufolge gewissermaßen als„pneumatische Feder", wobei die Vorverdichtung des Hinterraums im oberen Totpunkt (OT) durch den Initialdruck pB, wie eine„Federvorspannung" funktioniert. Die während des Additionstakts absorbierte negative Arbeit [Flächef-)] wird durch diese Vorspannung und die steigende Kompression des Hinterraums pB2 spiegelbildlich zur Vertikalen durch PkL4 (unterer Totpunkt UT) in die positive Arbeit des Hinterdrucksystems BPS umgewandelt [Fläche (+), Fig.16.1 (B), Fig.16.2(B) und Fig.17].
Dieser während des (zweiten) Rekuperationstakts ablaufende Vorgang hat im Gegensatz zur Mehrzylindertechnik keine Subtraktion zur Folge, sondern bewirkt vielmehr die Aufteilung der produzierten Arbeit auf beide Takte, - er setzt damit letztlich nur die Verlagerung eines gewissen Anteils der produzierten Arbeit des Additionstakts in den Rekuperationstakt um. Da der Einfluss der Verbrennungs wärme auf die Temperatur des Hinterraums (>200°C) ungleich höher ist, erweisen sich die zusätzlichen thermischen Nebenverluste dieses adiabatischen Verdichtungsvorgangs als äußerst gering. Folglich stellt das Hinterdrucksystem BPS die zeitbezogene Harmonisierung der Arbeitsproduktion des Additionsmotors 2XA, aber auch die optimale Unterstützung der rekuperativen Arbeit der Compound- Turbine A T ' sowie die benötigte Motorbremsung bei sinkender Teillast, sicher.
Der Hinterdruck weist bei Volllast durch den maximalen Wert der Initial Verdichtung pBt (geschätzt ca. PBJ =5A0% des Primären Einspritzdrucks p,) im unteren Totpunkt UT den höchsten Wert pB2 auf (2.2-03). Das Hinterdrucksystem BPS wirkt bei stationärem Betrieb durch die Initial Verdichtung des Hinterraums. Dafür wird bei einer konstanten Last kein weiterer Verbrauch an Systemluß erforderlich. Bei wechselhaften Betriebsbedingungen soll die Initialverdichtung pBI in Relation zur spezifischen Teillast geregelt werden. Dabei regelt der Kompressionsregler 5.1 den Vorkompressionsdruck und der Dekompressionsregler 5.2 den entsprechenden Dekompressionsdruck. Die Hinterdruckkraft auf den Kolben wird durch den Vorkomprimierungs-Sollwert pBI über den Kompressionsregler 5.1 in Relation zur entsprechend zunehmenden Teillast geregelt und umgekehrt durch einen Dekomprimierungs-Sollwert pB2 über die Dekompressionsregler 5.2 in Relation zur abnehmenden Teillast. Bei abnehmender Teillast wird die Luft aus dem Hinterraum Uber die Dekompressionsregler 5.2 durch die Compound-Turbine A T rekuperiert. Dessen ungeachtet bleibt die Mehrzylindertechnik für eine effiziente Abgas-Rekuperation auch weiterhin unverzichtbar (optimale Ausführung: Additionsmotor 2ΧΛ mit 3 Arbeitszylindern). Das Hinterdrucksystem BPS ist also nicht als Ersatz, sonst vielmehr als optimale Ergänzung der Mehrzylindertechnik vorgesehen.
(Zeichnungen der Seiten 16 und 17)
AMICES II Hybridaggregat AHA nach Ansprüchen 1 bis 18, gekennzeichnet als Motorsystem AMS, erweitert durch die notwendigen Ressourcen-Nebenaggregate. Diese Kraftstoff- und Oxidationsmittel- Nebenaggregate sorgen in elektrifizierter modularer Ausführung durch unterschiedliche Druckspeichertechnik für die Gestaltung der Initial- und Prozessbedingungen der ,Hybridumgebung' nach Anspruch 2. Während die Kraftstoff-Nebenaggregate dem Stand der Technik auch von traditionellen Brennkraftmotoren entsprechen, kennzeichnet die unterschiedliche Umsetzung der Druckspeichertechnik bezüglich des Oxidationsmittels zwei Gruppen der innovativen Hybridaggregate AHA:
(1) Verbrennung an Sauerstoß' (Wasserstoff): Hybridaggregat AHA/HO
(Zeichnung Seite 21)
(2 ) Verbrennung an Systemluft (Übliche Kraftstoffe) : Hybridaggregat AHA/LK
(Zeichnung Seite 23)
Die verschiedenen Varianten des Hybridaggregats AHA sind die Weiterentwicklung der Modulartechnik aus der ursprünglichen Druckschrift AMICES (DE 102008008859 AI -Stand der Technik).
AMICES II Hybridaggregat AHA/HO nach Ansprüchen 1 bis 19, gekennzeichnet durch die Druckspeichermodule für den hochverdichteten Wasserstoff und Sauerstoff. Dieses stellt eine Weiterentwicklung der Antriebsvariante AMICES H-Y/BGW aus der ursprünglichen Druckschrift DEJ02008008859AJ (Stand der Technik) dar. Hierbei erfolgt die Nachfüllung der Druckspeicher bekanntlich entweder direkt aus der entsprechenden externen Wasserstoff-/Sauerstoff-lnfrastruktur (ein offenes Hybridsystem mit Wasseremission) oder aus dem üblichen Stromnetz mittels eines Hochdruck- Elektrolyseurs HDEL (emissionsfreies geschlossenes Hybridsystem - Fig.22.1 und Fig.22.2).
Das Druckspeichermodul besteht im Wesentlichen aus einem Wassertank Hfi, einer Hochdruckpumpe HP, einem Hochdruck-Elektrolyseur HDEL, einem Hochdruck-Wasserstoffbehälter H2 und einem Hochdruck-Sauerstoffbehälter 02. Das Wasser (Wasser-Mix oder Wasserlösung) findet in dem geschlossenen Kreisprozess des emissionsfreien Prozessablaufs als Hauptenergieträger Verwendung (bekannt in technischer Praxis - Stand der Technik). Der Hochdruck-Elektrolyseur HDEL speist das Wasser aus dem Wassertank H20 über die Hochdruckpumpe HP und spaltet es in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Die bereits unter dem geforderten Druck (>350 bar) stehenden und deshalb keiner weiteren Behandlung bedürfenden Produktgase werden über Einwegventile in den jeweiligen Behältern gespeichert (z.B. heute übliche Behältersysteme von 350 bis 700 105 Pa). Im Gegensatz zur beschriebenen bivalenten Primären Einspritzung des Kraftstoff/Luft-Systems, findet beim Hybridaggregat AHA/HO eine trivalente Primäre Einspritzung statt. Dabei speist der Additionsmotor 2XA gemäß dem beschriebenen rek perativen AddUionsprozess Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser. Dabei erweist sich die gleichzeitige Einspritzung des Wassers allerdings als unverzichtbar, da eine reine Verbrennung des Wasserstoffs in Sauerstoff bei einer zu hohen Temperatur (>350O°C) abläuft. Gemäß Additionsprinzip (Anspruch 2 und 3) wird dabei neben der Verbrennungsenergie auch die Pneumatikenergie der gespeicherten Gase in nützliche Arbeit umgewandelt. Für die optionale Sekundäre Einspritzung wird dieses Mal reines Wasser benutzt (Anspruch 17). Im Anschluss an die mittels des eingesetzten Wasseranteils kontrollierte Verbrennung und übliche Umwandlung der Expansion in Arbeit wird der Verbrennungsdampf in einem gekühlten Ausstoßkondensator C wieder in Flüssigkeit umgewandelt und mündet am Ende dieses Kreislaufs wieder in den Ausgangs- Wassertank H20.
Sind der Wasserstoff und der Sauerstoff aufgebraucht, wird das System über den Hochdruck-Elektrolyseur HDEL mittels E-Strom aus der Steckdose erneut nachgefüllt.
Die Druckspeichermodule von Wasserstoff und SauerstofF setzen sich aus IES Batterien zusammen. Diese sind durch die konstruktive Integration der einander gegenüber liegenden Wasserstoff/Sauerstoff- Behälter und des Hochdruck-Elektrolyseurs HDEL gekennzeichnet. Die IES Batterien lassen sich aus Sicherheits- und Produktionsgründen einfach standardisieren (mit dem Ziel der Gewichtseinsparung durch eine gemeinsame Außenhülle, einen geringen Batterieinhalt der hochbrisanten Gase, eine günstige Serienproduktion durch Standardisierung etc.) und bilden die Bausteine für den Zusammenbau beliebiger Druckspeichermodule. Weil die IES Batterien eine mögliche Form der Speicherung von elektrischer Energie darstellen, kann das Hybridaggregat AHA/HO als ein emissionsfreier Elektroantrieb gekennzeichnet werden kann (geschlossenes Motorsystem ohne Emission).
Die energetische Bilanz des Hybridaggregats AHA/HO ist dadurch durch keinen wirklich ins Gewicht fallenden negativen Arbeitsvorgang der Nebenprozesse gekennzeichnet. Deshalb bleibt die gesamte effektive Arbeit des Motorsystems nutzbar (S. 45, Gleichung 3.1 -00).
(Zeichnungen der Seiten 22 und 23)
21) AMICES II Hybridaggregat AHA LK nach Ansprüchen 1 bis 19, gekennzeichnet durch ein Kompressions-Nebenaggregat {LK) und die Druckspeichertechnik der Systemlufi (Verbrennung der handelsüblichen Kraftstoffe an Luft). Nach Anspruch 2 sorgt das Kompressions-Nebenaggregat (LK) gemäß dem isothermen Kompressionsmodel] für den notwendigen Vorrat an Systemluft im Druckspeicher.
Dadurch sind unterschiedliche Hybridaggregate AHA/LK durch eine doppelte Prozessführung gekennzeichnet. Letztere besteht aus dem rekuperativen AddUionsprozess als Arbeitsprozess und dem isothermischen Kompressionsprozess zum Nachfüllen des Druckspeichers mit Systemlufi als Nebenprozess. Um das isotherme Verdichtungsmodell annähernd in die reale Praxis umzusetzen, wird ein vielstufiger Kompressor mit Zwischenkühlung eingesetzt LK. Er gewährleistet - in Abhängigkeit vom jeweiligen Vorratszustand - die ^termittierende1 Nachfüllttng des Druckspeichers mit Systemlufi. Unter dem Begriff .intermittierend* ist der sich mit variierendem zeitlichen Abstand fortlaufend wiederholende Einsatz dieses Nebenaggregats in Abhängigkeit vom aktuell herrschenden Druckspeicher-Innendruck zu verstehen. Dabei kommt es bei Erreichen eines bestimmten inneren Minimaldrucks zur Einschaltung, und bei Erreichen eines maximalen inneren Drucks zur Ausschaltung des Nebenaggregats.
(Zeichnung Seite 23)
Das Hybridaggregat AHA/LK ist durch die mechatronische Integration zweier Antriebstechniken, nämlich die Kombination von BrennlaTiftaiaschine und Elektromotorik, gekennzeichnet. So stellt es in seiner elektrifizierten Ausfuhrung die Weiterentwicklung der Antriebsvariante 'AMICES V-4 -T aus der ursprünglichen Druckschrift DE102008008859 AI (Stand der Technik) dar. Das weiterentwickelte Aggregat besteht wieder aus drei Arbeitssträngen (Ursprung in der Druckschrift 10 2006 045 937.7 Stand der Technik): einem zentralen Antriebsstrang und zwei seitlichen Nebensträngen. Der Antriebsstrang enthält den Additionsmotor 2XA, der erste seitliche Rekuperationsstrang die Compound-Turbine AT. Der dem Rekuperationsstrang gegenüber liegende Kompressionsstrang nimmt das Kompressions aggregat LK auf. Der Additionsmotor 2XA sorgt dabei durch den AddUionsprozess für den Primärantrieb A2XA, die Compound-Turbine AT durch die Abgas-Rekuperation für den Sekundärantrieb Αχ. Der Kompressionsstrang leistet durch das Kompressionsaggregat LK die Kompressionsarbeit AK zur Nachfüllung des Druckspeichers mit Systemluft. Die Kompressionsarbeit AK kommt entweder durch die mechanische Momentübertragung aus den beiden arbeitsproduktiven Strängen (Antriebsstrang und Rekuperationsstrang) oder durch den Elektromotor/Generator EM/G oder auch durch eine Kombination der beiden Optionen zustande. Die mechanische Momentübertragung zwischen den Strängen wird durch den Krafiverteiler T gewährleistet Er leistet die mechanische Monientdifferenzierung (möglich ist eine feste oder auch eine variable Übersetzung) zwischen den beiden seitlichen Nebensträngen und dem Antriebsstrang. Die Pfeile bezeichnen dabei den Fluss der Arbeitsdifferenzierung zwischen den Antriebssträngen. Die Summe aus produziertem Primärantrieb A2XA und Sekundärantrieb AT teilt sich in den häufigsten Antriebssituationen in die erforderliche Kompressionsarbeit AK und die Antriebsarbeit A auf. Im Gegensatz zu konventionellen Brennkraftmotoren erfordert der kompressionslose Additionsmotor 2XA weder einen Leerlauf noch einen elektrischen Anlasser. Der Betriebsstart erfolgt durch die Primäre Einspritzung der vorrätigen Systemlufi. Die Energetisierung der notwendigen Kompressionsarbeit kann je nach Antriebsart hauptsächlich erfolgen als:
(A) Rekaperationsbetrieb
- mechanische Differenzierung von Antrieb Am und Kompressionsarbeit
(B) Elektro-Rekuperationsbetrieb
- elektromechanische Differenzierung von Antrieb Α(Κ) und Kompressionsarbeit AK
( Plug-in durch elektrischen Batteriebetrieb E).
Diese sind durch die Formeln 3.2-01 bis 3.2-17 mathematisch gekennzeichnet.
(Zeichnungen der Seiten 24 und 25)
PCT/DE2012/000165 2011-02-23 2012-02-20 Hybridisierung der brennkraftmotorsysteme nach dem additionsprinzip WO2012113379A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011012095.5A DE102011012095B4 (de) 2011-02-23 2011-02-23 AMICES II : Hybridisierung der Brennkraftmotorsysteme nach dem Additionsprinzip
DE102011012095.5 2011-02-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2012113379A2 true WO2012113379A2 (de) 2012-08-30
WO2012113379A9 WO2012113379A9 (de) 2012-12-13

Family

ID=46516474

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2012/000165 WO2012113379A2 (de) 2011-02-23 2012-02-20 Hybridisierung der brennkraftmotorsysteme nach dem additionsprinzip

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102011012095B4 (de)
WO (1) WO2012113379A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116499882A (zh) * 2023-06-28 2023-07-28 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 一种建筑物的压力测量方法及设备

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015006365B4 (de) 2015-05-20 2021-09-30 Deutz Aktiengesellschaft Brennkraftmaschine mit mindestens einem Elektromotor
US11834983B2 (en) 2019-07-15 2023-12-05 The Research Foundation For The State University Of New York Method for control of advanced combustion through split direct injection of high heat of vaporization fuel or water fuel mixtures
DE102019214578B4 (de) * 2019-09-24 2021-07-22 Vitesco Technologies GmbH Verfahren zum Kompensieren von Druckspitzen in einem flüssigkeitsführenden System

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0895565B1 (de) 1997-02-14 2000-05-17 Kalin Andonov Verbrennungsmotor
DE102008008859A1 (de) 2008-02-13 2009-09-03 Salinovic, Hrvoje Das aktive modulare Brennkraftmaschinensystem-AMICES

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT117755B (de) * 1927-05-06 1930-05-26 Industriegasverwertung Mbhg Verfahren zum Betriebe von Brennkraftmaschinen.
US6543225B2 (en) 2001-07-20 2003-04-08 Scuderi Group Llc Split four stroke cycle internal combustion engine
MY138166A (en) 2003-06-20 2009-04-30 Scuderi Group Llc Split-cycle four-stroke engine
US6986329B2 (en) 2003-07-23 2006-01-17 Scuderi Salvatore C Split-cycle engine with dwell piston motion
DE102004037763B4 (de) 2004-08-04 2009-04-02 Hrvoje Salinovic Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine
WO2007042022A2 (de) 2005-10-14 2007-04-19 Ip2H Ag Verbrennungsmotor
DE102006045937B4 (de) 2006-09-28 2019-11-07 Hrvoje Salinovic Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine in Hybridausführung
DE102009034510A1 (de) * 2009-07-24 2011-04-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrzeug mit aufgeladenem Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit aufgeladenem Verbrennungsmotor
US20120186241A1 (en) * 2009-10-15 2012-07-26 Paulo Emilio Valadao De Miranda Method for recovering kinetic energy of hybrid electric vehicles, and energy accumulator using compressed air

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0895565B1 (de) 1997-02-14 2000-05-17 Kalin Andonov Verbrennungsmotor
DE102008008859A1 (de) 2008-02-13 2009-09-03 Salinovic, Hrvoje Das aktive modulare Brennkraftmaschinensystem-AMICES

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KLAUS MOLLENHAUER; HELMUT TSCHOKE: "Handbuch Dieselmotoren, 3., neubearbeitete Auflage,", 2007, SPRINGER

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116499882A (zh) * 2023-06-28 2023-07-28 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 一种建筑物的压力测量方法及设备
CN116499882B (zh) * 2023-06-28 2023-09-22 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 一种建筑物的压力测量方法及设备

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012113379A9 (de) 2012-12-13
DE102011012095B4 (de) 2015-07-02
DE102011012095A1 (de) 2012-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69735846T2 (de) Gemischverdichtende dieselbrennkraftmaschine mit optimaler verbrennungsregelung
EP2462328B1 (de) Turboaufgeladene hubkolbenkraftmaschine mit angeschlossenem drucktank zur turbolochüberbrückung und verfahren zum betrieb derselben
DE112015002867T5 (de) Implementieren der Zündungsauslassung mit Start-/Stoppmerkmal
DE102005006340B4 (de) Freikolben-Energieerzeuger
DE102014203262A1 (de) Verfahren und systeme für das bedingte eintreten in einen triebstrangsegelmodus
DE102014203286A1 (de) Verfahren und systeme zum bereitstellen von triebstrangbremsen
DE102014203288A1 (de) Verfahren und systeme zum betreiben einer triebstrangtrennkupplung als reaktion auf kraftmaschinenbetriebsbedingungen
DE102011012095B4 (de) AMICES II : Hybridisierung der Brennkraftmotorsysteme nach dem Additionsprinzip
DE102015000590A1 (de) Benzindirekteinspritzmotor, Regel- bzw. Steuervorrichtung hierfür, Verfahren zum Regeln bzw. Steuern eines Motors und Computerprogrammprodukt
DE112012006913T5 (de) Verfahren zum Steuern einer Fahrzeugantriebsvorrichtung
DE102016008916A1 (de) Mit Vormischungsbeschickung und Kompressionszündung arbeitender Motor, Steuer- bzw. Regeleinrichtung hierfür, Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Motors und Computerprogrammerzeugnis
DE202006021157U1 (de) Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Verbrennungsmotoren
DE10322361A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern des Startverhaltens eines Verbrennungsmotors
WO2010145628A1 (de) Kraftfahrzeug mit einer brennkraftmaschine sowie einem elektromotor
AT502605A1 (de) Verfahren zur erzeugung elektrischer energie, verfahren zum betrieb eines elektrisch betriebenen kraftfahrzeuges, sowie vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie und elektrofahrzeug
DE102005022961B4 (de) Verfahren zum bivalenten Betreiben von Verbrennungsmotoren mit konventionellen Kraftstoffen und Druckgas
DE102012011993B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine
DE102006028807A1 (de) Wärmekraftmaschine, Membranpumpe, Dichtsystem und ein Verfahren zum Betreiben der Wärmekraftmaschine
DE102008008859A1 (de) Das aktive modulare Brennkraftmaschinensystem-AMICES
DE4134404A1 (de) Verfahren zur umwandlung von waermeenergie in mechanische bewegungsenergie sowie vorrichtung zum druchfuehren dieses verfahrens
EP2456954A2 (de) Axialkolbenmotor, verfahren zum betrieb eines axialkolbenmotors sowie verfahren zur herstellung eines wärmeübertragers eines axialkolbenmotors
DE102016200057A1 (de) Verbrennungsmotor
DE4120167C2 (de) Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie
WO2023213358A1 (de) Antriebssystem für ein fahrzeug und ein damit ausgerüstetes fahrzeug
DE3326862A1 (de) Erhoehung des thermischen wirkungsgrades von verbrennungsmotoren

Legal Events

Date Code Title Description
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12735769

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2