EUROPEAN PATENTATTORNEYS EUROPEAN TRADEMARK ATTORNEYS DIPL-ING. VINCENZ v. RAFFAY D1PL.-CHEM. DR. THOMAS FLECK Neue Energie-Verwertungs¬ DIPL-PHYS. CASPAR v. EICHEL-STREIBER gesellschaft mbH TELEFON: (040) 478023 TELEFAX: (040) 4802502 raffay.fleck@t-online.de Norderstraße 1 D-25757 Albersdorf

6041/13

Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Vier-Takt- Verbrennungsmotors sowie Vier-Takt-Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Wir¬ kungsgrades eines Vier-Takt-Verbrennungsmotors nach dem 0- berbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Vier-Takt- Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Es ist bekannt, dass durch die Verbrennung von Kohlenwasser¬ stoff flüssiger oder gastförmiger Form oder reinem Wasser¬ stoff eine Temperatur von über 20000C erzeugt wird. Der ent¬ stehende Gasdruck treibt die Motoren, z.B. Ottomotoren, Die¬ selmotoren, Wankelmotoren an. Hierbei entstehen Wärmeverlus¬ te bis zu 75%. Entsprechendes lässt sich finden in Das blaue Buch von Aral, Teil 1, Der Motor, Seite 50 bis 51 bzw. in anderen Fachzeitschriften über Motoren.

In der US-Patentschrift 4,901,531 ist ein Dieselmotor be¬ schrieben, bei dem von ursprünglich sechs Verbrennungszylin¬ dern ein Zylinder aus der Verbrennung ausgenommen und statt¬ dessen als Expansionsraum für einen Rankine-Prozess verwen¬ det wird. Dieser Rankine-Prozess wird gemäß dieser Offenba- rung aus der Abwärme der Verbrennungszylinder gespeist. Das hier offenbarte Verfahren sowie der hier offenbarte Motor haben nach Wissen des Erfinders aufgrund technischer Schwie¬ rigkeiten niemals eine praktische Anwendung gefunden. Auch ist der Anteil der zur weiteren mechanischen Nutzung rückge¬ wonnenen Abwärme vergleichsweise gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Abwärme eines Vier-Takt- Verbrennungsmotors zur weiteren Gewinnung nutzbarer, mecha¬ nischer Energie zu nutzen und die Wärmeverluste noch weiter zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfah¬ ren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. durch einen Viertaktverbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruches 6.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den ab¬ hängigen Ansprüchen 2 bis 5, solche des Motors in den abhän¬ gigen Ansprüchen 7 bis 9 angegeben.

Erfindungsgemäß wird dem Verbrennungsmotor zumindest ein Zy¬ linder zugeordnet, in welchem nicht etwa eine Verbrennung stattfindet, sondern welcher nach Art einer „Dampfmaschine1" mit einem Expansionsmittel beaufschlagt wird. Dieses Expan¬ sionsmittel wird durch Erwärmen unter Druck gesetzt, wobei zum Erwärmen des Expansionsmittels die Abgase der Verbren¬ nungsräume des Motors verwendet werden. Dabei wird eine we¬ sentliche Steigerung der Leistung und der Effizienz des Mo¬ tors dadurch erreicht, dass der mit dem Expansionsmittel zu beaufschlagende Zylinder jedes Mal dann mit dem Expansions¬ mittel beaufschlagt wird, wenn sich der Kolben in einer o- bersten Stellung befindet (OT) . Damit leistet dieser Zylin¬ der anders als normale Vier-Takt-Verbrennungszylinder nicht nur bei jedem vierten Takt einen Arbeitstakt, sondern bei 005/004864

jedem zweiten. Man gewinnt in der Summe also mit jedem mit dem Expansionsmittel zu beaufschlagenden Zylinder einen zu¬ sätzlichen Arbeitstakt, was insgesamt zu einer Leistungs¬ steigerung des Motors bzw. einer Kraftstoffeinsparung führt. Dies ist auch aus Umweltgesichtspunkten zu begrüßen.

Grundsätzlich können bei einem erfindungsgemäß gestalteten Motor ein, aber auch mehrere Zylinder in der erfindungsgemä¬ ßen Weise mit einem Expansionsmittel zu beaufschlagen sein.

In vorteilhafter Weise wird das Expansionsmittel in einem Kreislauf geführt, in welchem es nach dem Verlassen des Zy¬ linders gekühlt wird. Durch diese Ausgestaltung der Erfin¬ dung ist es nicht erforderlich, permanent Expansionsmittel zuzuführen, dieses kann ähnlich wie beispielsweise ein Kühl¬ mittel bei einem normalen Motor in einem Vorratsbehälter be¬ vorratet und in dem erwähnten Kreislauf geführt werden.

Eine besonders hohe Effizienzsteigerung des Motors ergibt sich, wenn man sowohl Abwärme aus einem Kühlmittelkreislauf als auch Abwärme der heißen Abgase der Verbrennungsräume nutzt, um das Expansionsmittel zu erhitzen.

Als Expansionsmittel wird bevorzugt ein unter hohem Druck stehendes, verflüssigtes Gas verwendet. Als ein mögliches und geeignetes entsprechendes Gas hat sich n-Butan erwiesen, welches vorzugsweise unter einem Druck von 20 bis 30 bar verwendet wird.

Um den bzw. die zusätzlichen Zylinder, welche mit dem Expan¬ sionsmittel zu beaufschlagen sind, entsprechend anzusteuern, wird vorzugsweise eine geänderte Nockenwelle verwendet. Die¬ se weist im Bereich des/der mit dem Expansionsmittel zu be¬ aufschlagenden Zylinder(s) zusätzlich Nocken auf, so dass Einlass bzw. Auslaßventil dieses Zylinders mit doppelter 5 004864

Frequenz geöffnet werden, um so den zusätzlichen Arbeitstakt zu erreichen.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Prinzip zunächst dar¬ gestellt an einem Vierzylinder-Vier-Takt-Ottomotor:

Der vierte Zylinder wird vom Ansaug- und Abgaskanal ge¬ trennt, sodass ein Dreizylinder-Ottomotor mit herkömmlicher Technik verbleibt.

Der gesamte Kühlwasserkreislauf mit Kühler und Wasserpumpe wird entfernt. Die Nockenwelle bekommt im Bereich des vier¬ ten Zylinders vier neue aber kleinere Nocken. Der vierte Kolben wird mit neuen, spaltlosen aus Kunststoff bestehenden Kolbenringen bestückt. Dieses ist möglich und notwendig, da in diesem Zylinder keine Verbrennung stattfindet. Der Ver¬ dichtungsraum des vierten Zylinders wird entfernt, da keine Verdichtung mehr stattfindet. Die Ventilschächte des vierten Zylinders werden mit einer Dichtung versehen.

Dem Expansionsmittel wird Silikonöl beigegeben, damit die Spezialdichtungen des Kolbens und der Ventile in dem für mit dem Expansionsmittel zu beaufschlagenden Zylinder nicht tro¬ cken laufen.

Der Auspuffkrümmer des ersten, zweiten und dritten Zylinders wird mit einem Wärmetauscher versehen.

Die Abgasanlage wird durch eine stark vereinfachte Anlage ersetzt, da das Abgas vom Wärmetauscher bis auf < 1000C ab¬ gekühlt wird.

Wirkungsweise:

Hier dargestellt an einem Vierzylinder-Vier-Taktmotor. 64

Der Motor mit den verbliebenen drei Zylindern wird normal gestartet, die entstehende Wärme im Motorgehäuse und im Zy¬ linderkopf wird durch Zuführung eines Flüssiggases durch ei¬ nen geschlossenen Kreislauf auf die gewünschte Temperatur mittels eines Thermostaten von etwa 100°C gehalten, wobei ein Gasdruck von 20 bis 30 bar erreicht wird, welcher in ei¬ nen kleinen Druckbehälter geleitet wird. Dieser Druckbehäl¬ ter ist mit dem Abgaskanal im Zylinderkopf des vierten Zy¬ linders verbunden. Hier wird bei OT des vierten Zylinders das Ventil über die geänderte Nockenwelle geöffnet und der Kolben mit einem Druck von 20 bis 30 bar beaufschlagt. Bei UT öffnet das andere Ventil und das Gas wird durch den Kol¬ ben ausgestoßen und einem Kühler zugeführt, wo es sich ver¬ flüssigt. Eine Pumpe fördert das Flüssiggas durch druck- und/oder thermisch gesteuerte Ventile an den bzw. die Wärme¬ tauscher. Das Flüssiggas wird in dem oben beschriebenen Wär¬ metauscher im Abgaskrümmer weiter erwärmt. Das hierbei ent¬ stehende Druckgas wird dann dem vierten Zylinder zugeführt.

Ein Überdruckventil am Druckbehälter ist mit dem Kühlkreis¬ lauf verbunden. Da der Ansaug- und Verdichtungstakt im vier¬ ten Zylinder entfällt, wird bei jedem OT des Kolbens ein Ar¬ beitstakt hergestellt, das hat zur Folge, dass dieser Vier¬ zylindermotor fünf Arbeitstakte erzeugt. Da der vierte Zy¬ linder kein Kraftstoff benötigt, ergibt sich eine Kraft¬ stoffeinsparung von 25 %.

Der durch diese Erfindung zusätzlich erzeugte Arbeitstakt im vierten Zylinder hat eine Leistungssteigerung zur Folge.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin:

1. dass der Kraftstoffverbrauch etwa halbiert wird bei erhöhter Leistung; 2. dass grundsätzlich keine neuen Motoren entwickelt werden müssen, sondern auf die weltweit vorhandene Motortechnik erfindungsgemäß aufgebaut werden kann;

3. dass nicht nur Vierzylinder-Motoren, sondern alle Motoren bis zum Zwölfzylinder-Motor entsprechend abgewandelt werden können, wobei dann mehrere Zy¬ linder erfindungsgemäß umgebaut werden können;

4. dass die mit einem Motor gemäß dieser Erfindung versehenen Fahrzeuge durch eine leichtere Abgasan¬ lage weniger Gewicht, auf die Waage bringen;

5. dass grundsätzlich alle Gebrauchtfahrzeuge umge¬ rüstet werden können;

6. dass jegliche Wärme ab 80°C aufwärts in mechani¬ sche Nutzenergie umgewandelt werden kann;

7. dass grundsätzlich keine jahrelange Entwicklung notwendig ist sondern mit dem vorhandenen techni¬ schen Wissen eine sofortige Umsetzung erfolgen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zum Erwärmen des Flüssiggases auch ein in den „norma¬ len" Kühlkreislauf des Motors integrierter Wärmetauscher verwendet wird. Diese Weiterbildung ermöglicht es, den Kühl¬ wasserkreislauf unangetastet zu lassen und nur den Kühler durch einen Wärmetauscher zu ersetzen. Die normalerweise ü- ber den Kühler an die Umgebungsluft abgegebene Wärme kann so in nutzbare Energie umgewandelt werden. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Prinzip noch einmal anhand eines entsprechend aufgebauten Sechszylinder-Motors unter Verweis auf die einzig beigefügte Figur erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch, den Aufbau eines erfindungsgemäße Vier- Takt-Verbrennungsmotors mit β Zylindern, von denen zwei als mit dem Expansionsmittel zu beaufschlagende Expansionszylinder gestaltet sind.

Nachfolgend wird das Prinzip der Erfindung noch einmal an¬ hand der Figur 1 erläutert. In dieser Figur ist schematisch ein erfindungsgemäß aufgebauter Vier-Takt-Sechszylindermotor dargestellt. Dabei sind vier der insgesamt sechs Zylinder als normale Verbrennungsräume ausgebildet. Dies sind die mit 1 bezifferten Zylinder. Zwei weitere Zylinder 2 sind aus dem Verbrennungsprozess ausgenommen und werden nach Art einer „Dampfmaschine" mit einem Expansionsmittel angetrieben. Alle sechs Zylinder wirken in bekannter Weise auf einer gemeinsa¬ men Kurbelwelle, um mechanische Energie auf einen Antrieb zu übertragen.

Mit 3 ist eine Kraftstoffleitung bezeichnet, über welche den regulären Verbrennungszylindern 1 Kraftstoff zugeführt wird. Die aufgrund der Verbrennung entstehenden heißen Abgase ver¬ lassen die Zylinder 1 über Abgasleitungen 4. Die Abgaslei- tungen werden durch in diesem Beispiel insgesamt zwei mit 5 schematisch angedeutete Wärmetauscher geführt. Dort werden die heißen Verbrennungsabgase abgekühlt bis auf Temperaturen von unter 100°C. Die so abgekühlten Abgase werden über eine Leitung 6 einer weiteren Abgasbehandlung zugeführt, die hier nicht näher dargestellt ist. Die aus der Verbrennung ausge¬ nommenen Zylinder 2 werden mit einem Expansionsmittel be¬ trieben. Hierzu ist ein Expansionsmittelreservoir 7 mit ei- T/EP2005/004864

ner Menge des Expansionsmittels gefüllt. Aus dem Reservoir gelangt das Expansionsmittel in eine Hochdruckpumpe 8, die das Expansionsmittel auf einen gewünschten Druck vorverdich¬ tet. Wird n-Butan als Expansionsmittel gewählt, wird dieses auf einen Druck von ca. 10 bis ca. 40 bar vorverdichtet. Die Hochdruckpumpe 8 wird vorzugsweise mit von dem Motor erzeug¬ ter mechanische Energie angetrieben. Aus der Hochdruckpumpe 8 wird das vorverdichtete Expansionsmittel über eine Leitung 9 einem Wärmetauscher 10 zugeführt. Dieser Wärmetauscher 10 ist mit einem Kühlmittelkreislauf 11 verbunden, welcher zum Kühlen der Verbrennungszylinder 1 eingesetzt ist. In diesem Wärmetauscher 10 wird das mittels der Hochdruckpumpe 8 vor¬ verdichtete Expansionsmittel vorerwärmt, wobei von den Ver¬ brennungszylindern 1 an das Kühlmittel übertragene Wärme¬ energie rückgewonnen und in später zu erläuternder Weise zur Gewinnung weiterer mechanischer Energie eingesetzt wird. Das so vorerwärmte Expansionsmittel verlässt den Wärmetauscher 10 über eine Leitung 12 und wird den oben bereits genannten Wärmetauschern 5 zugeführt. Dort dient das Expansionsmittel dem Abkühlen der die Verbrennungszylinder 1 über die Abgas- leitungen 4 verlassenden Verbrennungsabgase. Dabei wird das Expansionsmittel weiter erwärmt und auf diese Weise unter zusätzlichen Druck gesetzt. Das so unter Druck stehende Ex¬ pansionsmittel wird dann zu einem Zeitpunkt OT jeweils in den Zylinder 2 eingebracht. Dort entspannt sich das Expansi¬ onsmittel und treibt den Kolben dieser Zylinder an, um so weitere mechanische Arbeit zu verrichten. Die Kolben der Zy¬ linder 2 werden dabei bei jedem OT mit dem unter Druck ste¬ henden Expansionsmittel beaufschlagt, so dass sie bei jedem zweiten Takt einen Arbeitstakt leisten. Nach erfolgter Ex¬ pansion wird das Expansionsmittel in die Leitung 13 ausge¬ stoßen. In dieser Leitung wird das Expansionsmittel einem Kühler 14 zugeführt, in welchem es weiter abgekühlt wird, bis zu einer Temperatur, in der es wieder in das Reservoir 7 gegeben werden kann. Dort beginnt der Kreislauf von neuem.

Der Motor wird über Thermostate vorzugsweise derart gesteu¬ ert, dass die in der Leitung 6 geführten Abgase eine Tempe¬ ratur von 100°C oder weniger aufweisen. Auf diese Weise wird ein maximaler Anteil der Abwärme der Verbrennungszylinder 1 genutzt, um in den zusätzlichen Zylindern 2 weitere mechani¬ sche Arbeit zu verrichten.

Die zusätzlichen Zylinder 2 können durch Umbau eines her¬ kömmlichen Sechszylinderverbrennungsmotors entstanden sein, indem zwei der ursprünglich sechs Verbrennungszylinder von der Verbrennung ausgenommen und für eine Beaufschlagung mit dem Expansionsmittel umgerüstet worden sind, sie können aber auch einem herkömmlichen Vier-Zylinder-Motor hingefügt wor¬ den sein. Bezugszeichenliste Zylinder Zylinder Kraftstoffleitung Abgasleitung Wärmetauscher Abgasleitung Reservoir Hochdruckpumpe Leitung Wärmetauscher Kühlmittelkreislauf Leitung Leitung Kühler