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 p _ct . 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 p _cr 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:

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:

Dabei bezeichnet V _h das Hubvolumen und V _c das Kompressionsvolumen. Das Verdichtungsverhältnis £ ist für den effektiven Wirkungsgrad jeder herkömmlichen Brennkraftmaschine von entscheidender Bedeutung. Von ε hängt nämlich direkt deren thermischer Wirkungsgrad η _τ ab: Je höher demnach das Verdichtungsverhältnis, desto höher auch der Wirkungsgrad.

, 1

η _τ = \ r

Eine wesentliche Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ε hat demnach zur Folge, dass auch der Kompressionsdruck p _B und die Temperatur T _H ansteigen.

† p _B = ρ _Α * ε" ^ ^" TB = TA * ε ^η~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 >500 ^D 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:

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:

p _t =konst. ; Tr=konst. =T _ümgebung

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 T ₀ 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 10 ⁵ 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 NO _x 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 (v _t ) 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, v ₀ ). 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—p _tt ] mithilfe des Druckspeichers.

Erster Druckzustand: Vorkomprimierungszustand der Brennkraftkomponenten gemäß Verdichtungsszenario-2, gekennzeichnet durch den Einspritzdruck p _t (bezeichnet als p _a 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 p _t 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 (v ₀ ) mit der arbeitsproduktiven isobarischen Einspritzung der Frischladung bei einem Druck p _t 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, v ₀ ) 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 (p _a ~ 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 p _t (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 W ₂ XA des innovativen Additionsprozesses gleich der Summe von pneumatischer Einspritzarbeit W _f und Verbrennungs-Expansionsarbeit

W _m = W, + W^, (1.2-01) indizierte Additionsarbeü W ₂ X _A ~ 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.

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 p _t 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 (W _AMS ) des Motorsystems AMS aus der Addition der indizierten Additionsarbeit W ₂ X _A des Additionsmotors 2XA und jener der Compound-Turbine ( W _AT ):

w _Am = W _2XA + W _AT = w, + W _AT (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 p _t - 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 W _s setzt sich zusammen aus der pneumatischen Einspritzarbeü W _IP als Folge des Einspritzdrucks p, - und der thermischen Einspritzarbeit W _IH als Folge der Ausdehnung des Frischgases aufgrund der Wandwärme.

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 fV _t aus der Addition der rein pneumatischen Einspritzarbeit W _IP (isobarische Expansion zwischen Pktl PkL2) und der thermischen Einspritzarbeit W _IH (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 η _τ (Otto: 40-55 %, Diesel: 50-65 %, thermodynamische Kerngröße)

- Gütegrad η _ΰ (75-85 % , physikalische -, konstruktive - und Verbrennungsverluste )

- Mechanischer Wirkungsgrad η _Μ , (85-95 % , interne Reibungsverluste der Maschine) f]e = ηη * ( ηι * η2 * η3* η4 - ^■ - * η^ * _m = * η _q * y _m 0-3-ο

Effektiver Wirkungsgrad: η _€ = * 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 η _η 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:

^£ 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 W _üiese/ ) entspricht der ausgetauschten Wärme, die sich aus der Subtraktion der abgeführten Wärme g _w 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:

Bekanntlich erhält man die indizierte Arbeit Wom (f^oiesei) traditioneller Otto- DieseIprozesse in jedem Arbeitszyklus als Ergebnis der Subtraktion der negativen Verdichtungsarbeit W _CBmp 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 tj _exp (Expansionseffizienz):

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(0 _ll o) = ⁷ ?e _Xp - ^A comp O ^3"13 )

Der thermische Wirkungsgrad η _η traditioneller Brennkraftprozesse zeigt sich in der Gleichung als die Verminderung des Wirkungsgrades der Verbrennungsexpansion η _αρ um das Subtraktionsdekrement am _P 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 W _h was seine hybride Eigenschaft zum Ausdruck bringt. Deshalb ist es notwendig, die Effizienz des Additionsprozesses zusätzlich durch den neu eingeführten Thermopneumatischen Wirkungsgrad' η _Τρ zu definieren.

Wie gezeigt ergibt sich die indizierte Additionsarbeit W _2XA 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 = W _eX p + 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 W _2XA 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:

Der zweite Quotient bezeichnet (wie bei den subtraktiven Pendants auch) den thermischen Wirkungsgrad der Verbrennungsexpansion (Expansionseffizienz).

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) (Subtraktionsprozess) (1.3-22)

Der erste Quotient in Gleichung 1 ,3-20 entspricht dem Additionsinkrement das durch die primäre Einspritzarbeit W _t 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:

Der Thermopneumatische Wirkungsgrad η _Τρ 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 η _η 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 _; > (1.3-25)

7JT _p (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 f _ε e _Χ x _Β p = < 1 (1.3-29)

Th.Energie Exergie + Anergie

Diese Relation wird durch die Umgebungstemperatur T ₀ und die mittlere Prozesstemperatur weiter bestimmt;

,1

To

r?e _Xp = ^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.3 ^d ~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 K ₂ 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 I ₂ 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' (>330 ^a C) 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* 10 ⁵ 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 10 ⁵ 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- (ρ _Λ = 100 -150 10 ^s Pä) und CR Dieselmotoren. {Common Rail, p _& = 1000 -2000 10 ^s 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 p _t - 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*- 3 ^d )

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 p _t - 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 10 ⁵ 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. 5 ^D -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 (dT _AT =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 I ₂ 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 = m ³ /kg) und Dichte (I/v = kg/m ³ ) 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 I ₂ die Sekundäre Einspritzung bezeichnet.

Die Sekundäre Einspritzung I ₂ beginnt in Pkt4** des Additionstakts bei einem Einspritzdruck p _a (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 I ₂ (zwischen Pkt 4** und Pkt. 4*) wird wie im Fall der Primären Einspritzung I _t (W _Jt , zwischen Pkt 0 und Pkt2*) erneut pneumatische Arbeit W _l2 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: +W _1XA , +W _AT ; zwischen Pkt4* und dem unteren Totpunkt Pki4).

Trotz des üblichen Verlusts aufgrund der frühzeitigen Öffnung des Auslassventils bewirkt die Sekundäre Einspritzung I ₂ während des Additionstakts einen signifikanten Anstieg der Primärarbeit des Additionsmotors 2XA. Gemäß dem Additionsprinzip (1.2-01) ergibt sich die Indizierte Additionsarbeit W _2XA des Additionsmotors 2XA somit als Summe aus der Primären Einspritzarbeit W _n , der Primären Verbrennungs-Expansionsarbeit fVap-prjm, der Sekundären Einspritzarbeit W, ₂ und der Sekundären Expansionsarbeit der Gasmischung W^ _p .^

W _2XA = Wn + W _exp . _prim + W ₁₂ + Wnp-sek (2.2-01)

Die indizierte Arbeit des Additionsmotors 2XA ergibt sich als Summe aus der kumulierten Pneumatischen Arbeit W _t und der Verbrennungs-Expansionsarbeit W _Fjcp .

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 10 ⁵ 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 p _t - die Sekundäre Einspritzung I ₂ 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 p _B , (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 p _B2 . 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:

Der End-Hinterdruck p _B2 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 p _BI wie eine„Federvorspannung" funktioniert. Die während des Additionstakts absorbierte negative Arbeit [Fläche (-)] wird durch diese Vorspannung und die steigende Kompression des Hinterraums p _B2 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 p _B2 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 p _BI 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 p _Bi über den Kompressionsregler 5.1 im Verhältnis zur entsprechend zunehmenden Teillast geregelt und umgekehrt durch einen Dekomprimierungs-Sollwert p _B2 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-

20 ^Q KWW 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 K _SI , 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 10 ⁵ Pa) 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 10 ⁵ Pa eine spezifische Leistungsdichte von ca. 400 KW/ 1000 cm ³ (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 H ₂ 0, einen Hochdruck- Wasser stoffbehälter H ₂ , einen Hochdruck-Sauerstoffbehälter 0 ₂ 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 H ₂ 0 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 W _AH Amo nutzbar.

W _AfiAmo = W _2XA (effektive Primärarbeit) + W _AT (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 W _AHAm0 verspricht in Relation zur zugeführten elektrischen Energie E _a einen überaus günstigen Wirkungsgrad:

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-0 ₂ 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 L _K (kW) für die Verdichtung einer bestimmten Luftmenge G _L (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. p _climi rQ.2 10 ⁵ Pa), PkL2 den entsprechenden Zustand beim Additionsprozess (Einspritzdruck ca. p,—50 10 ⁵ 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 -dA _K (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 L _N ) eines Mittelkiasse-Autos weniger als 20 Prozent der Leistung (L ₂ x _A ) des Additionsmotors 2X4 benötigt werden (Wirkungsgrad des Kompressors ca. > 75 Prozent). Dadurch gilt für das Hybridaggregat AHA/LK als Faustregel:

L _f^ 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 A ₂ X _A , die Compound-Turbine AT durch die Abgas-Rekuperation für den Sekundärantrieb A _T . Der Kompressionsstrang leistet durch das Kompressionsaggregat LK die Kompressionsarbeit A _K zur Nachfüllung des Druckspeichers mit Systemlufl. Die Kompressionsarbeit A _K 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 A _2XA und Sekundärantrieb A _T 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 A _K kann je nach Antriebsart hauptsäch lieh erfolgen als:

(A) Rekuperationsbetrieb

- mechanische Differenzierung von Antrieb A _m und Kompressionsarbeit A _K

(B) Elektro-Rekuperationsbetrieb

- elektromechanische Differenzierung von Antrieb A^ und Kompressionsarbeit A _K

( Plug-in durch den elektrischen Batteriebetrieb E).

(A) Rekuperationsbetrieb des Hyhridaggregats AHA/KL;

In diesem Fall leistet das Hybridaggregat AHA/KL die Kompressionsarbeit A _K 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 A _7XA und Sekundärantrieb A _T der Summe von abgeleiteter nutzbarer Antriebsarbeit A^ und Kompressionsarbeit A _K

Aß) + AK— Ä2XA + Ar (3.2-02)

Die nutzbare Antriebsarbeit A _(R) des Rekuperationsbetriebs (R) hängt dabei von der Differenz aus dem Sekundärantrieb A _T der Compound-Turbine A T und der Kompressionsarbeit A _K 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)

Der erste Quotient bezeichnet den effektiven Wirkungsgrad η _β des Additionsmotors 2XA, der zweite Quotient entspricht dem Rekuperationssupplement:

Rekuperationssupplement: (3.2-06)

Entsprechend ergibt sich der Hybride Wirkungsgrad 1J _{H m} aus der Addition von effektivem Wirkungsgrad tf _e des Additionsmotors 2XA und Rekuperationssupplement AR -

Das Rekuperationssupplement kann dabei durch die differenzierte Rekuperationsarbeit dA _R entweder einen negativen oder einen positiven Wert oder auch den Wert Null annehmen: dA _{(R yj} = A _T - A _K (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)

Wirkungsgrad jy^ des Additionsmotors 2XA.

AT < AK — » ΔΛ < 0 ^> η _Η(Κ} < η _β (3.2-09)

2) Balance-Rekuperationsbetrieb: Bei einer bestimmten Teillast und moderaten Umdrehungszahlen des Additionsmotors 2XA befinden sich Sekundärarbeit A _T und Kompressionsarbeit A _K im Gleichgewicht. Folglich nimmt das Rekuperationssupplement den Wert 0 an. Dadurch gleichen sich Hybrider Wirkungsgrad η _Η( ^ und Effektiver Wirkungsgrad des Additionsmotors 2XA aus.

A _T = A _K -> Δ* = 0 -> η _Η(Κ) = η _ε (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 A _T zu. In diesem Fall ist zu erwarten, dass die Sekundärarbeit A _T (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).

A _T > A _K - AR > 0 -+ η _Η( η ₎ > η _ε (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 A ₂ X _A des Additionsmotors 2XA und des Sekundärantriebs A _T der Compound- Abgasturbine A T differenziert sich der Antrieb für die nötige Kompressionsarbeit Ag des Lamellenkompressors LK. Die effektive Antriebsarbeit A _fR) 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 A ₂ XA des Additionsmotors 2XA. Gemäß (3.1-9) gleicht sich dadurch auch der Hybride Wirkungsgrad η _Η( ^ des Hybridaggregats AHA/LK mit dem Effektiven Wirkungsgrad η _β des Additionsmotors 2XA aus.

Hieraus wird ersichtlich, dass eine vollständige Energetisierung der Kompressionsarbeit A _K 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 A _K mittels elektromotorischer Unterstützung des Elektro-Rekuperationsbetriebs (2) zu erreichen. Dadurch weist die Arbeitsbilanz im Elektro-Rekuperationsbetrieb eine zusätzliche elektromotorische Arbeit E _K 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 tj _H m _t ) 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:

Der erste Quotient bezeichnet gemäß (3.1-05) das Rekuperaüonssupplement. Das Elektrosupplement ΔΕ (Elektromotorik) ergibt sich als Quotient aus der elektromotorischen Unterstützung E _K 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 A _T durch die elektromotorische Arbeit E _K zu kompensieren:

dA(ER) = Ar— AK + EK > 0 (3.2- 15)

Die Antriebsstrategie des Elektro-Rekuperationsbetriebs besteht darin, die Summe von rekuperativer Sekundärarbeit A _T und elektromotorischer Arbeit E _K durch ein stets positives Effizienzsupplement immer größer als die negative Kompressionssarbeit A _K zu halten (Additionsprinzip]).

Auf diese Weise gewährleistet die innovative Hybridtechnik mittels Plug-in-System trotz instationärer Betriebszustände eine noch höhere permanente Effizienz:

Plug-in Elektro-Rekuperationsbetrieb: (ER) — Ή _Β (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:

Die erste Stufe der Arbeitsdifferenziemng erfolgt bereits innerhalb des Nebenstrangs. Im Balancebetrieb ergibt sich die differenzierte Arbeit des Rekuperationsstrangs dA _T aus der Differenz der Sekundärarbeit der Compound- Abgasturbine W _AT und der Generierungsarbeit des E-Stroms E _AT . Die nutzbare Antriebsarbeit des Vollhybrid- Aggregats erhält man aus der Addition der Antriebsarbeit A _T X _A des Additionsmotors 2XA (aus dem Antriebsstrang) und der differenzierten Arbeit von Rekuperations- (dA _T ) 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 p _i =50xl0 ⁵ Pa (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 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 + E _K . _{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.

l _K -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 // 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.