DE102021126902A1

DE102021126902A1 - Druckerhöhungsanlage für die Verbrennung von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102021126902A1
Application number: DE102021126902.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-18
Filing date: 2021-10-17
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Nutzung der Verbrennungswärme, um mehr Druck und Arbeit im Motor zu erzeugen, indem während der Verbrennung kalte Luft mit hohem Druck direkt in die Brennkammer eingespritzt wird und die Verbrennungstemperatur gesenkt wird, um die Entstehung von Schadstoffen (NOx) zu verhindern sowie den thermischen Wirkungsgrad deutlich zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Ein Luftkompressor, der seine Kraft aus dem Motor bezieht, erzeugt einen relativ schwachen Druck, um den Druckbooster betreiben zu können, diese Luft wird dann durch den Ladeluftkühler abgekühlt und in den Booster geleitet. Dieser Booster bringt den Druck auf das gewünschte Niveau und speichert ihn in einem Drucklufttank, der mit dem Luftinjektor verbunden ist. Diese Injektoren spritzen die Druckluft durch das elektronische Motorsystem (ECU) zum richtigen Zeitpunkt während der Verbrennung ein.

Description

Technisches Bereich der verwandten Erfindungen:
Diese Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Verbrennungsmotoren, die den thermischen Wirkungsgrad des Systems erhöht.
Technisches Problem und Angabe der Ziele der Erfindung:
Der niedrige Wärmewirkungsgrad heutiger Verbrennungsmotoren und der relativ hohe Kraftstoffverbrauch zur Erzeugung von Leistung und damit zur Erhöhung der Umweltverschmutzung machen die Steigerung des thermischen Wirkungsgrads zu einer wichtigen Anforderung.
Beschreibung des Vorwissens und Geschichte des Fortschritts der beanspruchten Erfindung:
Edward L. Simonds schlug 1995 in seiner Erfindung Nr. 5381760 ein System vor, bei dem Hochdruckluft (3000 psi) während des Verbrennungszyklus in die Brennkammer eines Motors eingespritzt wird, um dessen Leistung und Drehmoment zu erhöhen. Bei diesem System öffnet sich bei Erreichen eines bestimmten Drucks in der Brennkammer ein Ventil zwischen der Brennkammer und einem Drucklufttank, wodurch Luft unter hohem Druck in die Brennkammer eingeblasen wird. Wenn der Druck in der Brennkammer sinkt, unterbricht das Ventil die Verbindung zwischen dem Tank und der Brennkammer durch die Kraft einer Feder. Die Überlegenheit der Verbrennungsdruckerhöhunganlage ist eine direkte Auswirkung auf die Verbrennung. Darüber hinaus wird die Luft durch einen elektronisch gesteuerten Injektor eingespritzt. Das System verfügt auch über einen Kompressor, der kontinuierlich das gewünschte Gas für die Einspritzung vorbereitet, der mit einer Druckerhöhungsanlage und einem 200-bar-Druckbehälter ausgestattet ist. Die positiven Auswirkungen dieses Systems können eine signifikante Steigerung des Verbrennungswirkungsgrads um nahezu 100% und des thermischen Wirkungsgrads um mehr als 80% und sogar noch höher sein. Dieses System hat eine Vielfalt in Bezug auf die Art des Gases (Luft, Kohlendioxid, Methan, etc.), die in den Motor eingespritzt und hat auch breitere Anwendungen, dh dieses System kann in einer Vielzahl von Benzin-und Dieselmotoren (PFI, GDI , HCCI) verwendet werden.
Bereitstellung einer Lösung für das bestehende technische Problem mit einer genauen, ausreichenden und integrierten Beschreibung der Erfindung:
In diesem System tritt die vom Kompressor kommende Luft durch den Ventileinlass (7) in das Stromregelventil (16) und durch den Stromregelkolben (10) in die Zuleitung (12) und (13) ein. Sie wird über dieselben Leitungen zum offenen Stromregelventil zurückgeführt und über die Ausgänge des Stromregelventils (8) zum Kompressor zurückgeführt. Dieses System wird von einer Magnetspule (11) gesteuert, der seinen elektronischen Befehl von den Druckknopfsensoren erhält. Wenn Luft von der Versorgungsleitung (12) zur Druckerhöhungsanlage strömt, bewirkt dieser Strom eine seitliche Bewegung des Treibers (14) im System. Dieser Treiber hat große und kleine Flächen, wodurch die Luft mit einem Druck von 30 bar in die Einheiten mit größerer Fläche (wie die Bereiche 5, 4, 3, 3 und 6) eindringt und in den Bereichen (1) und (2) eine größere Kraft und einen höheren Druck erzeugt. Wenn der Luftstrom durch die Versorgungsleitung (12) in die Druckerhöhungsanlage eintritt, bewegt sich der Treiber in den Bereich (1) und die Luft mit einem Druck von 200 bar tritt durch den Hochdruckauslass (17) und das einseitige Ventil (15) aus. Zu diesem Zeitpunkt kehrt die Luft auf der anderen Seite des Treibers durch eine andere Versorgungsleitung (13) zum Steuerventil und durch dessen Auslass (8) zum Kompressor zurück. Dadurch wird ein großer Teil der Arbeit des Kompressors an diesen zurückgegeben. Andererseits wird die Luft auf der anderen Seite der Zone (3) durch das Füllrohr (18) und das entsprechende Rückschlagventil (15) in die Zone (2) geleitet und lädt die Druckerhöhungsanlage für den nächsten Zyklus. Eine weitere Aufladungsröhre wird ebenfalls zu diesem Zweck verwendet, um den Bereich (1) aufzuladen (19). Die aus dem Hochdruckauslass (17) austretende Luft tritt über eine Hochdruckleitung (20), die direkt mit dem Hochdruckinjektor (22) verbunden ist, in den Hochdruckluftbehälter (21) ein und bläst Luft in die Brennkammer ein. Da eine große Luftmenge von der Druckerhöhungsanlage zum Kompressor zurückkehrt, gewinnt das System einen großen Teil der Arbeit zurück, was zu einem höheren Wirkungsgrad des Systems führt, was mehr nützliche Arbeit für den Motor bedeutet und dem System mehr Leistung und Drehmoment liefert.
Figurenliste

) Diese Abbildung zeigt eine perspektivische Ansicht der gesamten Erfindung
) Diese Abbildung zeigt das Stromregelventil mit Eingängen und Ausgängen.
) Dies ist ein Ausschnitt aus dem Stromregelventil von oben, der die Richtung des Luftstroms zeigt. Diese Abbildung zeigt das Magnetventil, das den Kolben bewegt und den Luftstrom zwischen dem Kompressor und der Druckerhöhungsanlage für die Verbrennung steuert.
) Diese Abbildung zeigt die Zuleitung der Druckerhöhungsanlage.
) Diese Abbildung zeigt eine Schnittdarstellung der Druckerhöhungsanlage von der Seite. Diese Abbildung zeigt die Richtung des Luftstroms aus der Zuleitung sowie die Richtung der Bewegung des Treibers.
) Diese Abbildung zeigt die Druckerhöhungsanlage in der Draufsicht sowie das Stromregelventil und seine Ausgänge, die Zuleitungen, die Füllleitungen und den Hochdruckausgang.
) Diese Abbildung zeigt eine Schnittdarstellung des Druckverstärkers in der Draufsicht. In dieser Abbildung ist die Richtung des Luftstroms aus dem Füllrohr vom Niederdruckbereich zum Hochdruckbereich und die Bewegungsrichtung des Treibers dargestellt.
) Diese Abbildung zeigt eine perspektivische Ansicht der Druckerhöhungsanlage und der Verbindungsstellen wie Stromregelventile, Zuleitungen, Füllrohre, Hochdruckauslässe, Tankfüllrohre, Tank und Injektor.
: Diese Abbildung ist ein Vergleichsdiagramm des Brennkammerdrucks bei herkömmlichen Motoren (PFI) und Motoren mit Druckerhöhungsanlage (CC). ) Diese Abbildung zeigt ein Vergleichsdiagramm der Brennkammertemperatur bei herkömmlichen Motoren (PFI) und Motoren mit Druckerhöhungsanlage (CC).
) Dieses Diagramm zeigt einen Vergleich der Kohlenmonoxidmenge in herkömmlichen Motoren (PFI) und Motoren mit Druckerhöhungsanlage (CC).
) Dieses Diagramm zeigt einen Vergleich der Stickstoffoxidmenge in herkömmlichen Motoren (PFI) und Motoren mit Druckerhöhungsanlage (CC).

Klare und genaue Beschreibung der Vorteile der behaupteten Erfindung gegenüber bisherigen Erfindungen:
Zu den Vorteilen dieses Systems gehören eine deutliche Erhöhung des Brennkammerdrucks, ohne dass mehr Kraftstoff benötigt wird, und eine Senkung der Brennkammertemperatur, was zu einer Steigerung von Drehmoment und Leistung sowie zu einer Verringerung der Schadstoffbelastung führt. Denn einer der Gründe für die Entstehung von Stickoxiden (NO_x) ist die hohe Verbrennungstemperatur. Auch Kohlenmonoxidgas, das durch Sauerstoffmangel bei der Verbrennung entsteht, wird in diesem System vollständig eliminiert, da immer ein Luftüberschuss vorhanden ist. Da bei jeder Drehzahl und Last des Motors zusätzliche Luft im System vorhanden ist, ist der Volumenwirkungsgrad des Systems immer höher als 100 %, was bedeutet, dass das Drehmoment bei jeder Drehzahl konstant bleibt. Der wichtigste Faktor für die Überlegenheit dieses Systems gegenüber früheren Systemen ist sein hoher thermischer Wirkungsgrad. Das bedeutet, dass ein größerer Prozentsatz der Brennstoffmasse in mechanische Energie umgewandelt wird (etwa 80 % bis 90 %) und eine geringere Menge als Wärme verschwendet wird (etwa 10 % bis 20 %). Der höchste Wirkungsgrad heutiger Motoren liegt jedoch bei etwa 50 %, was einen großen Fortschritt im Bereich der Verbrennungsmotoren darstellt (zu diesem Zweck wurden Diagramme erstellt, die mit der Software CONVERGE CFD simuliert wurden, einer leistungsstarken Software im Bereich der Simulation von Verbrennungsmotoren).
Erläuterung von mindestens einer praktischen Methode zur Anwendung der Erfindung:
Um dieses System zu betreiben, müssen wir lediglich einen Luftkompressor, Durchflussrohre, ein Steuerventil, einen Booster und einen Luftinjektor in den Motor einbauen. Alle diese Einrichtungen sind bereits vorhanden und müssen nicht neu entwickelt werden. Nur Autofirmen sollten dafür Geld ausgeben. Auch für die elektronische Steuerung muss dem Motorsteuergerät (ECU) ein neues Programm hinzugefügt werden, um die bestmögliche Verbrennung zu gewährleisten.
Erwähnung der industriellen Anwendung der Erfindung:
Alle Verbrennungsmotoren (außer Turbinenmotoren) wie Benzinmotoren, Frachtmotoren, Rennmotoren und verschiedene Arten von industriellen Dieselmotoren, einschließlich Bergbaumaschinen, Landwirtschaft, Schiffen und sogar der Militärindustrie gehören zu den Anwendungen, in denen dieses System eingesetzt werden könnte. Dieses System ist in der Lage, den thermischen Wirkungsgrad all dieser Maschinen zu erhöhen. Das Hauptziel dieses Systems ist jedoch neben einem hohen thermischen Wirkungsgrad eine deutliche Verringerung der Umweltverschmutzung. Wenn es uns in Zukunft gelingt, einen Kohlendioxid-Katalysator herzustellen (ein Katalysator, der Kohlendioxid in Sauerstoff und Kohlenstoff umwandelt), wird dieses System auch mit Elektrofahrzeugen konkurrieren können, ohne die Umwelt zu belasten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 5381760 [0003]

Claims

Es handelt sich um eine Druckerhöhungsanlage, das seine Startkraft aus einem Kompressor bezieht und Hochdruckluft über Verbindungsleitungen und ein Durchflussregelventil in einen Hochdrucktank leitet. Dieser Tank ist mit dem Druckluftinjektor verbunden und spritzt während der Verbrennung Druckluft in den Motor ein.
Es wird beansprucht, dass die Einspritzung von kalter Druckluft in das System den Verbrennungsdruck erhöht, die Verbrennungstemperatur senkt, was zu einer Verringerung der Schadstoffbelastung führt und Leistung und Drehmoment erhöht, ohne dass zusätzlicher Kraftstoff für den Motor benötigt wird.
Nach Anspruch 1 saugt der in diesem System verwendete Kompressor, der die erforderliche Leistung vom Motor (Riemen oder Kupplung) bezieht, die Umgebungsluft an und bringt ihren Druck auf maximal 30 bar, und diese Luft wird über Verbindungsleitungen und ein Durchflussregelventil in die Leitungen geleitet.
Nach Anspruch 3 steuert das elektronisch angesteuerte Stromregelventil den Durchfluss zur Druckerhöhungsanlage durch einen Kolben, der sich hin- und herbewegt und an seiner Oberfläche eine besondere Form aufweist. Die Rückluft von der Druckerhöhungsanlage zum Kompressor wird ebenfalls durch dieses Ventil geregelt.
Gemäß Anspruch 1 erhält die Druckerhöhungsanlage, die wie ein Zylinder mit getrennten kleinen und großen Kammern ist, Luft durch das Durchflussregelventil. Nachdem das Steuerventil die Strömungsrichtung bestimmt hat, bewegt sich der Treiber in der Druckerhöhungsanlage, die Druckluft mit einem Druck von mindestens 200 bar erzeugt und an den Hochdruckluftbehälter weiterleitet.
Gemäß Anspruch 5 wird die Druckerhöhungsanlage so betrieben, dass Luft mit einem Druck von 30 bar vom Durchflussregelventil und durch die entsprechenden Leitungen in den Teil des Treibers eintritt, der eine größere Oberfläche (Niederdruckbereich) aufweist. Dieser Teil besteht aus vier Zonen, wodurch eine viel größere Kraft im System erzeugt wird und die Luft in den kleinen Bereichen des Treibers (Hochdruckbereich), der zwei Zonen umfasst, stark erhöht und zum Hochdrucktank geleitet wird.
Nach Anspruch 5 durchläuft der Treiber jedes Mal, wenn er sich seitwärts bewegt (lineare Bewegung nach links und rechts), einen Übertragungszyklus. Dies bedeutet, dass das Stromregelventil jedes Mal die Richtung des Luftstroms ändert. Außerdem kehrt die Luft auf der anderen Seite des Treibers durch die entsprechenden Rohre zum Stromregelventil zurück, das wieder in den Kompressor eintritt. Außerdem wird ein Teil dieser Luft aus dem Niederdruckbereich des Treibers geschickt, um die Hochdruckbereiche des Treibers aufzuladen und das System auf den nächsten Zyklus vorzubereiten.
Nach Anspruch 1 wird die von der Druckerhöhungsanlage gelieferte Hochdruckluft über Hochdruckleitungen in einen Tank geleitet, aus dem der komprimierten Luft Wärme entzogen wird. Die Luft wird dann während der Verbrennung über die entsprechende Leitung, die direkt mit dem Luftinjektor verbunden ist und elektronisch gesteuert wird, in den Motor eingespritzt.
Nach Anspruch 7 wird durch die Rückluft aus der Druckerhöhungsanlage, die über das Stromregelventil zum Kompressor zurückgeführt wird, ein großer Teil der Kompressorarbeit wiederhergestellt. Das bedeutet weniger Energieverbrauch für die Erzeugung von Luft mit 30 bar Druck. Ein Kompressor mit niedrigerer Drehzahl kann einen höheren Massenstrom zum Betrieb der Druckerhöhungsanlage erzeugen.
Nach Anspruch 2 bewirkt die Injektion von Hochdruckluft in die Brennkammer durch Hochdruck- und Hochgeschwindigkeits-Lufteinblasung (Ultraschall) in konstantem Volumen bei Benzinmotoren (Fremdzündung) einen deutlichen Anstieg des Verbrennungsdrucks und hält auch bei Dieselmotoren mit konstantem Druck (Selbstzündung) den Druck auf den Kolben über einen längeren Zeitraum aufrecht, ohne dass zusätzlicher Kraftstoff verwendet wird. Dies führt zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad und zu mehr Leistung und Drehmoment für das System.
Nach Anspruch 2 wird durch die im Vergleich zur Verbrennungstemperatur kältere Temperatur der in den Motor eingespritzten Luft die Endtemperatur der Brennkammer gesenkt, was die Bildung von Schadgasen wie Stickoxiden aufgrund hoher Verbrennungstemperaturen verhindert. Sie verhindert auch die Bildung von Kohlenmonoxid, das durch Luftmangel in der Brennkammer verursacht wird, weil zu viel Luft in der Brennkammer vorhanden ist.
Gemäß Anspruch 10 wird durch die Einspritzung von Luft mit Überschallgeschwindigkeit die Kraftstoff-Luft-Mischung und deren Verdampfung im Benzinmotor erheblich verbessert, so dass die Verbrennungsqualität das höchste Niveau erreicht. Der Verbrennungswirkungsgrad kann als nahezu 100 % angesehen werden, was im Dieselmotor auch die Geschwindigkeit des Luftstroms in der Brennkammer erhöht, was die Verbrennungsgeschwindigkeit in diesem Motor erhöht und das Problem der Drehzahlbegrenzung im Dieselmotor vollständig beseitigt. Außerdem liegt der volumetrische Wirkungsgrad dieser Motoren aufgrund der Lufteinspritzung immer über 100 %, was bedeutet, dass das Drehmoment, das eine Funktion des volumetrischen Wirkungsgrads ist, konstant bleibt.