DE102006043041A1

DE102006043041A1 - Internal combustion engine i.e. diesel engine, for use in vehicle, has gas-prevalent structure and particle filter filled in surrounding combustion, compression and expansion areas with high temperature levels

Info

Publication number: DE102006043041A1
Application number: DE200610043041
Authority: DE
Original assignee: RHP GmbH
Current assignee: RHP GmbH
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: DE102006043041B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung, bei der durch verschiedene technische Maßnahmen thermische Verluste verringert werden. Ein Teil der Energie, die bei heutigen Maschinen durch das Kühlmedium in die Umgebung abtransportiert wird, soll durch die vorliegende Erfindung in den Brennraum zurückgeleitet werden. Dieses wird erreicht durch Brenn- und Kompressionsraumwände mit variabler Energie- und Gasdurchlässigkeit und/oder eine Verlagerung von Teilen des Abgastraktes in die Regionen des Motors, in denen sich heute ein Kühlmedium befindet. In nächster Zukunft könnte sich der Weg der reinen Wasserstofftechnologie im Fahrzeugbau als Irrweg herausstellen. Sollten in Zukunft Solar-Erzeugter-Wasserstoff und durch Photosynthese erzeugter Kohlenstoff in Raffinerien zu Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden, so wären Verbrennungskraftmaschinen weiterhin Hauptantriebsaggregate der meisten Fahrzeuge. Die Voraussetzung hierfür wäre eine Annäherung der Wirkungsgrade solcher Maschinen an die Wirkungsgrade von Brennstoffzellen. Dieses Patent soll einen Schritt in diese Richtung darstellen.The invention relates to an internal combustion engine with internal combustion, in which thermal losses are reduced by various technical measures. A portion of the energy that is transported away in today's machines by the cooling medium in the environment is to be returned by the present invention in the combustion chamber. This is achieved by combustion and compression space walls with variable energy and gas permeability and / or a displacement of parts of the exhaust tract in the regions of the engine, in which there is a cooling medium today. In the near future, the path of pure hydrogen technology in vehicle construction could turn out to be the wrong path. In the future, if solar-generated hydrogen and carbon produced by photosynthesis are converted into hydrocarbons in refineries, internal combustion engines would continue to be the main engines of most vehicles. The prerequisite for this would be an approximation of the efficiencies of such machines to the efficiencies of fuel cells. This patent is meant to be a step in this direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung, bei der durch verschiedene technische Massnahmen thermische Verluste verringert werden.The The invention relates to an internal combustion engine, in the case of thermal losses due to various technical measures be reduced.

Stand der Technik ist, dass bei Verbrennungskraftmotoren mit innerer Verbrennung, also in der Regel bei Otto-, Diesel- oder Rotationskolbenmotoren (z.B. Wankelmotor), ein grosser Teil der eingesetzten Energie durch das Abgas oder das Kühlsystem in die Umgebungsluft gelangt und nicht in mechanische Energie umgesetzt wird. Es wird versucht mittels Turbolader, die im Abgas gespeicherte Energie, in den Motor zurückzuführen. Das funktioniert nur zum Teil, denn unterschiedlichste Verluste führen dazu, dass nur ein geringer Prozentsatz zurückgeführt werden kann.was standing the technique is that in internal combustion engines with internal combustion, So usually in gasoline, diesel or rotary piston engines (for example Wankel engine), a large part of the energy used the exhaust gas or the cooling system gets into the ambient air and not converted into mechanical energy becomes. It is tried by means of turbocharger, the stored in the exhaust Energy, due to the engine. The works only partially, because different losses lead to that only a small percentage can be reduced.

Die ins Kühlsystem eingebrachte Energie wird in aller Regel maximal zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes genutzt (im Winter). Strahlungsverluste des Motors und des Abgasstranges müssen sogar mit technischen Massnahmen von der Karosserie abgeschirmt werden. Wir sind also vom Idealfall, einem Motor, bzw. Abgasstrang ohne nennenswerte Wärmeverluste noch sehr weit entfernt.The into the cooling system introduced energy is usually maximum for heating the Vehicle interior used (in winter). Radiation losses of Engines and the exhaust line even need be shielded from the bodywork with technical measures. So we are from the ideal case, an engine, or exhaust system without significant heat losses still very far away.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Wärmeverluste durch verschiedene technische Massnahmen zu minimieren. Der Abgasstrang, insbesondere der Katalysator und der Partikelfilter sollen dicht an die Bereiche hohen Temperaturniveaus, also Brenn-, Kompressions- und Expansionsraum heranrücken, um die Gesamtoberfläche der Wärmeableitungsflächen des Motors zu minimieren.Of the Invention is the object of this heat losses through various to minimize technical measures. The exhaust system, in particular the catalyst and the particulate filter should be close to the areas high temperature levels, so zoom combustion, compression and expansion space to the total surface the heat dissipation surfaces of the Minimize motors.

Begriffsdefinition:Definition of terms:

Im folgenden werden Kompressions-, Expansions- und Brennraum definiert als „mit Brenngasen beaufschlagter Raum" (immer kursiv geschieben). Beim Hubkolbenmotor wird dieser Raum durch die Zylinderwände, den Zylinderkopf und durch die Oberseite des Kolbens eingeschlossen und begrenzt. Beim Rotationskolbenmotor wird dieser Raum durch die Innenflächen des den Rotationskolben umgebenden Gehäuses gebildet, also durch die Kammervolumina, auch durch die Kammer, in der Frischgas verdichtet wird.in the following are defined compression, expansion and combustion chamber as with Fuel gas charged space "(always in italics). When Hubkolbenmotor this space is through the Cylinder walls, enclosed the cylinder head and through the top of the piston and limited. In the rotary engine, this space is through the inner surfaces of the housing surrounding the rotary piston, that is, through the chamber volumes, also through the chamber, in which fresh gas is compressed.

Ferner wird im folgenden das den mit Brenngasen beaufschlagten Raum umgebende und durch die Aussenfläche des Motors eingeschlossene Volumen „Umgebungsraum" (immer kursiv) genannt.Further In the following, it will be the surrounding space occupied by fuel gases and through the outer surface The volume enclosed by the engine is called "surrounding space" (always italics).

Zwischen dem mit Brenngasen beaufschlagten Raum und dem Umgebungsraum soll eine gesteuerte/geregelte Energieübertragung erfolgen können. Das heisst, Wärmeenergie gelangt durch eine Wand mit steuerbarer Energiedurchlässigkeit vom mit Brenngasen beaufschlagten Raum in den Umgebungsraum und umgekehrt (je nach Temperaturgefälle). Des weiteren kann zwischen dem mit Brenngasen beaufschlagten Raum und dem Umgebungsraum eine Wand/Begrenzung mit steuerbarer Gasdurchlässigkeit eingesetzt werden, die es ermöglicht, dass Abgas direkt durch die Brenn- oder Expansionsraumwände oder bei Hubkolbenmaschinen auch durch den Kolben in den Umgebungsraum gelangt. Mit steuerbarer Gasdurchlässigkeit sind nicht herkömmliche Schlitze, Ventile oder Membranen gemeint (sind Stand der Technik), sondern steuerbare kleine und kleinste Auslassöffnungen, die in sehr grosser Anzahl in diese Wände integriert und z.B. durch Nanotechnologien hergestellt werden. Diese Auslassöffnungen können innerhalb von Sekundenbruchteilen geöffnet und wieder geschlossen werden. Der Umgebungsraum wird mit einer gasgängigen Struktur, z.B. der Wabenstruktur eines Katalysators und/oder mit einem Partikelfilter gefüllt, so dass Abgas entweder aus dem/den Auslassventil(en) über einen kurzen Abgaskanal durch diese Struktur hindurchströmt oder direkt durch die Begrenzung vom mit Brenngasen beaufschlagten Raum (beim Hubkolbenmotor durch die Zylinderwände oder durch den Kolben) in den Umgebungsraum gelangt. Ein Beispiel zum besseren Verständnis: Beim Hubkolbenmotor könnten die Zylinderbuchsen direkt in einen Metallkatalysator eingebettet werden, der Katalysator umschliesst somit ganz oder teilweise die Zylinderlaufbuchsen, der Katalysator befindet sich im Motor.Between the acted upon with fuel gases space and the ambient space a controlled / regulated energy transfer can take place. The means, heat energy passes through a wall with controllable energy transmission from the charged with fuel gases space in the ambient space and vice versa (depending on the temperature gradient). Furthermore, between the acted upon with fuel gases space and the surrounding space a wall / boundary with controllable gas permeability be used, which allows it Exhaust gas directly through the combustion or expansion space walls or in reciprocating engines also by the piston in the surrounding space arrives. With controllable gas permeability are not conventional Slits, valves or membranes meant (are prior art), but controllable small and smallest outlet openings, which in very large Number in these walls integrated and e.g. produced by nanotechnologies. These outlet openings can opened within fractions of a second and closed again become. The ambient space is provided with a gas-going structure, e.g. the honeycomb structure a catalyst and / or filled with a particulate filter, so that exhaust from either the / the outlet valve (s) via a short exhaust duct passes through this structure or directly by limiting the space occupied by fuel gases (in the reciprocating engine through the cylinder walls or through the piston) enters the surrounding space. An example for a better understanding: When Reciprocating engine could the cylinder liners embedded directly in a metal catalyst Thus, the catalyst encloses all or part of the Cylinder liners, the catalyst is in the engine.

Die gasgängige Struktur kann auch aus porösem Material, einem Drahtgeflecht oder einem anderen Material bestehen, welches es den heissen Abgasen erlaubt hindurchzuströmen. Idealerweise ist das Material mit einer oder mehreren katalytischen Schichten beschichtet und bei Dieselmotoren teilweise als Partikelfilter ausgebildet.The gas common Structure can also be made of porous Material, a wire mesh or other material, which allows the hot exhaust gases to flow through. Ideally is the material with one or more catalytic layers coated and partially formed in diesel engines as a particle filter.

Die den mit Brenngasen beaufschlagten Raum umgebende Wand/Oberfläche kann auch ganz oder teilweise mit einer Schicht ausgestattet werden, die es ermöglicht den Durchlass von Strahlungsenergie zu verändern (z.B. photoelektrisch, durch Schichten mit Flüssigkristallen, ähnlich der Gläser in automatisch abblendenden Schweisshelmen). Für diesen Fall kann die Wand zwischen dem mit Brenngasen beaufschlagten Raum und dem Umgebungsraum ganz oder teilweise transparent ausgebildet und mit eben genannter Schicht ausgestattet werden.The the wall / surface surrounding fuel gas also be fully or partially equipped with a layer that allows to change the transmission of radiant energy (e.g., photoelectrically, by layers of liquid crystals, similar to the glasses in automatically dimming welding helmets). For this case, the wall can between the space occupied by combustion gases and the surrounding space completely or partially transparent and formed with just mentioned layer be equipped.

Die den Umgebungsraum umgebenden Wände können isoliert ausgebildet werden, damit der Motor nach aussen möglichst wenig Wärme abgibt.The surrounding the surrounding space walls can be formed isolated, so that the engine to the outside as possible little heat emits.

Der Umgebungsraum kann alternativ zur gasgängigen Struktur auch mit einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmespeicherkapazität gefüllt sein oder wie bei herkömmlichen Motoren mit Wasser, einem Wasser-Glykol-Gemisch, Öl oder Luft durchströmt werden.The ambient space can be used as an alternative to gas-filled structure also be filled with a material of high thermal conductivity and high heat storage capacity or as in conventional motors with water, a water-glycol mixture, oil or air are flowed through.

Die eben aufgezählten Lösungen dienen dazu, eine Verbrennungskraftmaschine zu bauen, die trotz geringer Wärmeabgabe nach aussen (aus dem Umgebungsraum in den Motorraum oder das Motorumfeld) einen ausgeglichenen Wärmehaushalt aufweist. Die mit Brenngasen in Kontakt stehenden Flächen können gezielt, insbesondere an kritischen Stellen, gekühlt oder beheizt werden. Die im Abgas enthaltene Wärmeenergie wird teilweise in den Kompressions- und Expansionsraum oder die Arbeitskammer zurückgeleitet, ohne dabei den Wirkungsgrad durch Erwärmen der Ansaugluft oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu verringern. Die Luft/das Gemisch wird also erst nach Eintritt in den Kompressionsraum mit Wärme beaufschlagt, somit werden der Liefergrad (Füllgrad) und die Temperatur des Gemisches vor der Verbrennung nicht negativ beeinflusst.The just listed solutions serve to build an internal combustion engine that despite low heat emission to the outside (from the surrounding space into the engine compartment or the engine environment) has a balanced heat balance. The surfaces in contact with fuel gases can be targeted, in particular at critical points, cooled or heated. The heat energy contained in the exhaust gas is partially in the compression and expansion space or the working chamber returned, without affecting the efficiency by heating the intake air or the Reduce fuel-air mixture. The air / mixture becomes So only after entering the compression chamber with heat applied, thus the degree of delivery (degree of filling) and the temperature of the mixture before combustion is not negative affected.

Claims

Internal combustion engine with internal combustion, in which thermal losses are minimized by the fact that the environmental space with a gas-going Structure, e.g. the honeycomb structure of a catalyst and / or with a particle filter is filled, so that exhaust either from the / the outlet valve (s) via a short exhaust duct passes through this gas-permeable structure or directly through the limitation of the acted upon with fuel gases Space (in the reciprocating engine through the cylinder walls or through the piston) enters the surrounding space.

increase the thermal efficiency of an internal combustion engine after Claim 1, characterized in that the gas-permeable structure also made of porous Material, a wire mesh or other material can, which allows the hot exhaust gases to flow through.

increase the thermal efficiency of an internal combustion engine after one or more of the preceding claims, characterized that the gas-going Structure is coated with one or more catalytic layers and is partially designed as a particulate filter in diesel engines.

Internal combustion engine with internal combustion, in which thermal losses are minimized by that between the charged with fuel gases space and the surrounding space a Wall / boundary is used with controllable gas permeability, the it allows that Exhaust gas directly through the combustion or expansion space walls or in reciprocating engines also by the piston in the surrounding space with controllable gas permeability not conventional Slits, valves or membranes are meant (prior art), but controllable small and smallest outlet openings, which in very large Number (n> 50) in these walls be integrated and opened within fractions of a second and can be closed again.

Internal combustion engine with internal combustion, in which thermal losses are minimized by that between the charged with fuel gases space and the surrounding space a controlled / regulated energy transfer he follows. That means, heat energy can through a limiting the fuel gases space bounding wall with controllable thermal conductivity enter the environmental space and vice versa (depending on the temperature gradient).

Internal combustion engine with internal combustion, in which thermal losses are minimized by the fact that the Room with surrounding wall / surface acted upon by fuel gases entirely or partially equipped with a layer that makes it possible to change the passage of radiant energy.

increase the thermal efficiency of an internal combustion engine after Claim 6, characterized in that in this case the wall between the charged with fuel gases space and the ambient space completely or partially transparent and formed with just mentioned layer can be equipped.

increase the thermal efficiency of an internal combustion engine after one or more of the preceding claims, characterized that the ambient space as an alternative to the gas-permeable structure with a Material of high thermal conductivity and high heat storage capacity can or as with conventional Engines of water, a water-glycol mixture, oil or air flows through becomes.

increase the thermal efficiency of an internal combustion engine after one or more of the preceding claims, characterized that the exhaust line, in particular the catalyst and the particulate filter close to the areas of high temperature levels, ie to the combustion, Compressing and expanding space approach to the total surface of the Heat dissipation surfaces of the Minimize motors.

Increase of the thermal efficiency an internal combustion engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the walls surrounding the surrounding space are formed in isolation, so that the engine emits as little heat to the outside.