VERBRENNUNGSMOTOR

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer zur Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Anordnung aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben sowie mit einer Steuerung für die Anordnung, wobei durch die Verbrennung innerhalb eines im Wesentlichen durch den Zylinder und den Kolben gebildeten und Innenwände aufweisenden Brennraums mittels eines mindestens zwei Arbeitstakte aufweisenden thermodynamischen Kreisprozesses oder Arbeitsverfahrens mechanische Arbeit geleistet wird. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer zur Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Anordnung aus einem Zylinder und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben, wobei durch die Verbrennung innerhalb eines im Wesentlichen durch den Zylinder und den Kolben gebildeten und Innenwände aufweisenden Brennraums mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses oder Arbeitsverfahrens mechanische Arbeit zur Bewegung des Kolbens geleistet wird.

Verbrennungsmotoren der eingangs genannten Art sind seit Jahren aus der Praxis bekannt und werden beispielsweise mit Benzin oder Diesel betrieben. Bei allen bekannten Verbrennungsmotoren ist jedoch der Wirkungsgrad begrenzt.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit verbessertem Wirkungsgrad anzugeben.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor löst die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 2.

Durch den Einsatz eines weiteren Arbeitstakts in Form eines Kühltakts kann die an den Innenwänden des Brennraums bei der Verbrennung des Kraftstoffs erzeugte Wärme weiter genutzt werden und muss nicht mit aufwendigen Kühlsystemen ungenutzt abgeführt werden. Mit anderen Worten wird die Wärme zusätzlich zum Antrieb des Motors verwendet.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors könnte der Motor als Dreitaktmotor ausgelegt sein, bei dem eine weitere Kurbelwellenumdrehung ohne Einspritz- bzw. Verbrennungstakt als zusätzlicher Kühltakt dazwischen geschoben wird. Dieser Kühltakt könnte durch eine direkte Gaskühlung der Verbrennungsinnenraumoberfläche erfolgen oder unterstützt werden. Eine direkte Gaskühlung der Verbrennungsrauminnenoberfläche vermeidet die Wärmeabfuhr über einen Wärmeleitungswiderstand der Zylinderwand und einen Wärmeübergangswiderstand zwischen Zylinderwand und Kühlmedium. Eine direkte Gaskühlung der Verbrennungs- rauminnenoberflächen oder -innenwände ist wirkungsgradbezogen wesentlich effizienter als eine Zylinderaußenkühlung.

Im Konkreten könnte das Kühlmedium ein Gas sein, das vorzugsweise Luft ist.

Alternativ hierzu könnte das Kühlmedium eine Flüssigkeit sein. Dabei könnte der Verbrennungsmotor zusätzlich im Sinne einer Dampfmaschine betrieben werden. Als flüssiges Kühlmedium eignen sich alle Flüssigkeiten, die unter der Wärmeaufnahme aus dem Brennraum oder Zylinderraum unter Volumenvergrößerung in die Dampfphase übergehen und dadurch Expansionsarbeit leisten können. Die Flüssigkeit könnte in vorteilhafter Weise Wasser, Alkohol oder Ether sein.

In besonders einfacher Weise könnte die Flüssigkeit in einem Tank oder Behälter angeordnet sein. Sollte also an Stelle eines Kühlgases eine Kühlflüssigkeit verwendet werden, so könnte das flüssige Kühlmedium in einem gegebenenfalls separaten Tank oder Behälter mitgeführt werden und je nach Verbrauch regelmäßig aufgefüllt werden.

Einen besonderen Fall stellt jedoch die Verwendung von Wasser als flüssiges Kühlmedium dar. Dieses fällt bereits bei der Treibstoffverbrennung zu einem gewissen Anteil als Verbrennungsprodukt an. Falls die Flüssigkeit somit Wasser ist, könnte sie über mindestens einen dem Verbrennungsmotor zugeordneten Kondensator gewinnbar sein. Dieser mindestens eine Kondensator könnte in besonders wirksamer und einfacher Weise in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet sein. Somit ist eine einfache Abtrennung oder Rückhaltung des Wassers möglich, wobei das Wasser zur Kühlung wieder in den Brennraum zurückgespeist werden

könnte. Diese Technik könnte beispielsweise im Falle der Verwendung von Wasserstoff oder Methan als Treibstoff optimal ausgenutzt werden, da mit diesen Treibstoffen eine große Wassermenge als Verbrennungsprodukt anfällt.

In weiter vorteilhafter Weise könnte mit dem gewonnenen Wasser das Verbrennungsgas waschbar oder teilweise reinigbar sein. Das gewaschene oder teilweise gereinigte Verbrennungsgas könnte dann zu einer zumindest teilweisen Nachverbrennung in den Brennraum führbar sein. Mit anderen Worten könnte mit dem Verbrennungswasser im Abgasstrang sogar das Verbrennungsabgas gewaschen und teilgereinigt werden und über den Kühltakt wieder zu einer teilweisen Nachverbrennung in den Brennraum transportiert werden.

Es ist auch die Verwendung von einem gasförmigen und einem flüssigen Kühlmedium denkbar.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor könnte im Sinne eines Hybridmotors als kombinierter Verbrennungs- und Heißluftmotor betreibbar sein. Alternativ hierzu könnte der Verbrennungsmotor im Sinne eines Hybridmotors als kombinierte Verbrennungs- und Dampfmaschine betreibbar sein. Bei einer weiteren Alternative könnte der Verbrennungsmotor im Sinne eines Hybridmotors als kombinierte Verbrennungs-, Heißluft- und Dampfmaschine betreibbar sein.

Die Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads könnte gerade durch die Reduzierung der Kühlverlustleistung erreicht werden. Daher ist eine Wärmeaußenisolierung des Zylinderkopfs wünschenswert im Gegensatz zu einer Zylinderkopfau- ßenkühlung. Bei einer Außenkühlung vor allem als Wasserkühlung ist die abgeführte Wärme bei nutzbaren Kühlmittelmaximaltemperaturdifferenzen von 100 ⁰ C nicht mehr rückgewinnbar. Bei einer Verbrennungsrauminnengaskühlung kann jedoch das auf gegebenenfalls mehrere 100 ⁰ C aufgeheizte Kühlgas weiter Nutzarbeit in beispielsweise nachgeschalteten Strömungsmaschinen wie beispielsweise Turboladern leisten.

In dem Arbeitstakt bzw. Kühltakt, in dem keine Kraftstoffeinspritzung erfolgt, stellt der Motor einen Heißluftmotor dar. Das Kühlgas nimmt dann von den gewünschten sehr

heißen Verbrennungsrauminnenoberflächen wieder Wärmemenge auf und kann dann zusätzliche Expansionsarbeit leisten.

Das aufgeheizte Kühlgas wird dann zum Arbeitsgas und die bei herkömmlichen Motorenkonstruktionen verlorene Kühlenergie wird hier in Arbeitsenergie umgewandelt. Folglich bedeutet das beschriebene Kühlverfahren eine zusätzliche Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads, allerdings auf Kosten der maximalen Leistungsausbeute, denn die Leistungsausbeute des Heißlufthybridmotors wird in den Kühltakten wesentlich geringer sein als in den Verbrennungstakten. Die Verbrennungstakte stellen die Wärmezufuhrtakte der Heißluftmotorentakte dar. Es erfolgt dabei folglich eine Wärmezufuhr zu den Innenwänden des Brennraums von innen und nicht wie bei herkömmlichen Heißluftmotoren von außen.

Für einen maximalen thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors sollte sich mindestens ein Kühltakt nach einem oder einer vorgebbaren Anzahl von Verbrennungstakten anschließen. Wird der Verbrennungsmotor im Volllastbereich betrieben, so könnte sich beispielsweise jedem Verbrennungstakt mindestens ein Kühltakt anschließen. Sollte der Motor im Leerlaufbereich betrieben werden, so könnte einer bestimmten Anzahl von Verbrennungstakten ein Kühltakt folgen.

Die Steuerung könnte derart ausgelegt sein, dass durch die Verbrennungstakte eine bestimmte Temperatur der Innenwand oder Innenoberfläche des Brennraums erreicht oder gehalten werden kann. Hierdurch kann die Wärmeabgabe an das Kühlmedium optimiert werden.

Unter der Annahme, dass die Verbrennungsraumoberflächen auf 600 ⁰ C gebracht und gehalten werden können, ergibt die Berechnung des thermodynamischen Wirkungsgrads mit den gleichen Parameterannahmen wie im Verbrennungstakt einen recht hohen Wirkungsgrad von 0,53. Diesem Ergebnis ist eine optimale Wärmeaufnahme vom Kühlgas, eine adiabatische Expansionsendtemperatur von ca. T ₁ = 140 ⁰ C und eine Expansionsvolumenänderung von 40:1 zugrunde gelegt.

Damit können im Grenzfall die verbliebenen 15% Kühlleistungsverlust ca. zur Hälfte in Nutzarbeitsleistung umgesetzt werden. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad des

Hybridmotors um 0,08 auf 0,63. Zu beachten ist dabei, dass der tatsächliche Wirkungsgrad des Heißlufttaktes etwas geringer ist als 0,53, da wegen der kontinuierlichen Wärmeaufnahme eine eher Gleichdruckexpansion vorliegt und der Pumparbeitsverlust für die Kühlluftbeladung gegenzurechnen ist.

Für eine optimale Wärmeaufnahme vom Kühlgas wird die Verbrennungsraumoberfläche im Kompressionsraum vergrößert. Hierzu kann eine Anordnung von Keramikstiften dienen, die den Vorteil einer schlechten Wärmeleitfähigkeit haben und den Wärmeabfluss aus dem Verbrennungsraum über das Motorengehäuse verhindern.

Daneben zeigt Keramik ein geeignetes tribologisches Verhalten, selbst bei hohen Materialtemperaturen.

Bei der Verwendung eines flüssigen Kühlmediums ist der Wärmeübergang oder die abführbare Wärmemenge von den heißen Verbrennungsraumoberflächen oder der Innenwand des Brennraums auf das Kühlmedium wesentlich besser als bei der Verwendung von Kühlgas.