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Die
Erfindung betrifft eine Exergie-Verbrennungskraftmaschine, bei welcher
der Expansionshub deutlich größer ist
als der Kompressionshub, wobei die Realisierung der einzelnen Taktzyklen
mittels einer speziellen, erfindungsgemäßen Getriebe- und kombinatorischen
Dreh- und Kreiskolbentechnologie erfolgt.
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Die
Idee unterschiedlich langer geometrischer und/oder zeitlicher Arbeitstakte
von definierten Getriebe- bzw. Motorelementen (insbesondere Kolben)
ist bekannt. Im Falle von Verbrennungskraftmaschinen ergeben sich,
insbesondere thermodynamisch betrachtet, erhebliche Vorteile zum
allgemeinen bzw. sonstigen Stand der Technik. Vor allem die bessere
Druckenergieausnutzung durch den längeren Expansionszyklus ergibt
ein Verbesserungspotenzial des Nutzwirkungsgrades von weit über zehn Prozent.
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Beispielsweise
wird in dem Dokument
DE 43 03
692 eine Exergie-Verbrennungskraftmaschine
beschrieben, welche durch eine Freikolbensystem und einem, dem eigentlichen
Verbrennungskraftmaschinenprozeß nachgeschalteten,
Wasserdampfprozeß, mehr
Nutzen in Form von Druckenergie zur Verfügung stellen soll. Dabei wird
u.a. beschrieben, welche Verlustarten bei Verbrennungskraftmaschinen auftreten,
insbesondere sind dies folgende Einflüsse: Restenergie im Abgas,
Wärmeübergang
vom Arbeitsgas über
die Brennraumwände
ins Kühlwasser und
Schmieröl
sowie nicht ideale Verbrennung.
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Demzufolge
sind die beiden erstgenannten Einflüsse die hauptsächlichen
Ursachen, so dass dort an diesen beiden Punkten die Verbesserung
ansetzt.
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In
so weit ist diese Betrachtung grundsätzlich richtig. Ein großer Nachteil
ist jedoch die, infolge der Freikolben, ungenügende Möglichkeit der Umwandlung von
Prozessenergie in nutzbares Drehmoment: Es fehlt einfach an rotatorisch
betriebenen Bauelementen, so dass der Nutzen dieser Technologie
sehr stark eingeschränkt
ist.
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Weiterhin
wird dort die nicht ideale Verbrennung als Verlustfaktor zwar grundsächlich richtig
erkannt, jedoch wird der Grad des Einflusses an den Gesamtverlusten
sehr stark unterbewertet und somit dort nicht weiter verfolgt.
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Neben
den weiter oben genannten Verlustfaktoren setzt gerade auch hier
erfindungsgemäßer Grundgedanke
an und verbessert somit den Gesamtprozeß sehr weitgehend; d. h.: Der
idealen Verbrennung wird erfindungsgemäß ebenfalls erhöhte Aufmerksamkeit
gewidmet, da dieser Prozeß entscheidend
großen
Anteil an der Realisierung eines effektiven Exergie-Prozesses hat.
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Es
gibt andere Versuche, den Nutzwirkungsgrad in beträchtlicher
Größenordnung
zu erhöhen: durch
Modifizierung eines Kurbeltriebes. Sinn und Zweck des Einsatzes
dieser Getriebe ist ebenfalls eine Verbesserung des Leistungsbildes
von insbesondere Verbrennungskraftmaschinen. Beispielsweise wird
in dem Dokument
EP
0 292 603 B1 ein Beispiel entsprechender Maschinen gezeigt.
Bei dieser Maschine weist die Ortskurve des Kolbens im oberen Totpunkt
(OT) eine modifizierte Kurvencharakteristik auf, d.h. der Kolben
hat im oberen Totpunkt eine gewisse Verweilzeit. Hier besteht die
Modifizierung einerseits aus einer Zweiteilung des Pleuels und andererseits
aus einer Verlängerung
mit zusätzlichem
Gelenk an dem, dem Kolben abgewendeten, Pleuelbereich. Hier besteht
das Hauptaugenmerk auf Verbesserung der Verbrennungscharakteristik,
mit dem Ziel einer nahezu idealen Verbrennung. Nachteilig bei dieser
Ausführungsvariante
sind einerseits die immer noch zu kurze Zeit für eine vollständige, intensive Verbrennung
und andererseits die sehr großen
Massenkräfte,
welche das Drehzahlniveau drastisch beschränken.
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Bei
einer genaueren Betrachtung der Drehmomentübertragung zu sämtlichen
Zeiten eines Motorzyklus zeigt sich nämlich, dass in der Summe betrachtet
die Drehmomentübertragung
bei der gewählten
Ausführung
keineswegs optimal ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es also, bei einer Exergie-Verbrennungskraftmaschine
der eingangs genannten Art, den Prozessablauf örtlich und zeitlich derart
zu optimieren, dass bei einer gegebenen Anzahl von Arbeitszyklen
pro Zeiteinheit besonders für den
resultierenden Drehmomentenverlauf maximale Werte erreicht werden
können.
Weiterhin soll bei sicherer, zügiger
Entflammung der eingesetzten Medien bzw. Stoffe eine erweiterte
Verbrennungscharakteristik erzielt werden. Im Zusammenhang mit feinst-vernebeltem,
in den Zylinder eingedüsten Wasserdampf,
soll zudem das erhöhte
Temperaturniveau in Druckenergie umgewandelt werden und weitere
Expansionarbeit ermöglicht
werden. Damit gelingt es erfindungsgemäß, den exergetischen Wirkungsgrad
des Prozessablaufes erheblich zu vergrößern, welches im weiteren Verlauf
in 2b sichtbar gemacht ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
im Gegensatz zum vorzitierten Stand der Technik, eine Verbundmaschine
realisiert wird, welche insbesondere aus einem Drehkolben und zwei unterschiedlich
großen
Kreiskolben besteht.
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Im
vorbekannten Stand der Technik wird die Hubbewegung des Kolbens
in eine entsprechende translatorische Schubbewegung der ersten Pleuelstange umgesetzt,
wobei diese Schubbewegung in eine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange übertragen
wird, welche an der Kurbel der Kurbelwelle angelenkt ist. Bei einer
Drehung der Kurbel aufgrund der Schwungmassenbewegung wird im Bereich
des oberen Wendepunktes wie erwähnt
ein Stillstand des Kolbens erzeugt. Hierbei wird die ortsvariable
Drehachse, um die die Pleuelstange drehbeweglich ist, bevorzugter
Weise aufgrund ihrer Anlenkung, z.B. am Motorblock, mittels der
genannten Führungsstange
auf einer Kreisbahn verschoben. Damit gelingt zweifelsfrei bereits
eine, wenn auch unzureichende, Verbesserung der Verbrennung.
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In
dem Dokument
US 2, 373, 304 ist
repräsentativ
eine Verbrennungskraftmaschine mit drei Drehkolben gezeigt. Hierbei
ist der Expansionsteil vorteilhaft größer als der Kompressionsteil.
Hier wird potenziell zwar mehr nutzbare Energie gewonnen, jedoch
ergibt diese Ausführungsvariante
praktisch einen eklatanten Expansionsverlust infolge des sehr großen Schadvolumens
im oberen Totpunktbereich. Dieser Nachteil ist unvorteilhaft groß und bei
nahezu allen Maschinen dieses Typs anzutreffen.
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Gegenüber dem
Stand der Technik bietet der erfindungsgemäße Motor keinen Schadraum im
Bereich des oberen Totpunktes (streng genommen haben diese Maschinen
keine üblichen
Totpunkte); wegen der erfindungsgemäß gewählten Bauteileigenschaften
bzw. besonderen Kinematik. Weiterhin besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
eine zeitlich deutlich verlängerte
quasi kontinuierliche Einspritzphase vorzusehen, wobei der anfänglich eingespritzte
Kraftstoff zunächst
verdampft und zündet
vor dem Kraftstoff, der am Ende eines langen Einspritzintervalls
im Drehkolben-Zylinder verdampft. Dies bietet insbesondere für schwer
entflammbare Treibstoffe günstigere
thermodynamische Bedingungen, da diese eine längere Zeit zum Verdampfen und
Entflammen benötigen.
Daher kann in einem erfindungsgemäßen Motor auch Rohöl als Treibstoff
eingesetzt werden.
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Durch
entsprechende Längenverhältnisse bzw.
Geometrien zwischen den einzelnen Elementen und den weiteren Abständen der
einzelnen Anlenkstellen kann die Veränderung der Verweilumgebung des
Drehkolbens eingestellt werden, so dass günstige Kolbenaufdruckkräfte dann
wirken, wenn geometrisch betrachtet, an einem der Kreiskolben ein
günstiges
Drehmoment an einer Antriebswelle der Wärmekraftmaschine erzielt werden
kann.
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Bei
der erfindungsgemäßen Maschine
wird eine optimale Betriebsart erreicht, insbesondere auch durch
eine passende Art der Steuerung des Prozessablaufes. Der Bedingung
einer optimalen Drehmomentübertragung
wird die Ausbildung von speziellen Wirkflächen der erfindungsgemäßen Konstruktion
gerecht, welche zusammen mit Koppelelementen den Prozess räumlich und
zeitlich vorgeben, wobei über
die Formgebung und räumliche
Platzierung hinausgehend auch das Ausmaß einer Bewegungsbahn berücksichtigt
werden kann.
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Bei
einer üblichen
Betrachtungsweise des Geschehens während eines Verbrennungsprozesses in
einem Verbrennungsmotor bestimmt bei Verbrennungsvorgängen eine
bestimmte Reaktionszeit bzw. Trägheit
die sogenannte Wärmeexplosion
von Medien bzw. Stoffen und damit deren zeitliche und auch räumliche
Ausdehnung. Zur Optimierung der Verbrennungsprozesse gibt es Lösungsansätze, die
diesen zeitlichen Faktor insofern berücksichtigen, dass dem Kolben
einer Expansionsmaschine im Bereich seiner oberen Totpunktstellung
mehr Zeit für
die Umkehrung seiner Bewegungsbahn gegeben wird, der Kolben also
im oberen Totpunkt verweilt, wobei die Verbrennung in diesem Punkt
beginnen kann. Dieser Vorgang kann dann als statisch bezeichnet
werden, wenn ein wirklicher Stillstand des Kolbens im oberen Totpunkt über einen
längeren
Zeitraum erreicht werden kann.
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Eine
deutliche Verlängerung
des Expansionstaktes über
einen Winkelbereich von insbesondere 360° der Exzenterwelle kann mit
der erfindungsgemäßen Konstruktion
erreicht werden, so dass gegenüber
dem allgemeinen und auch dem erwähnten, speziellen
Stand der Technik eventuelle durch Frühzündung erhöhte negative Anfangsmomente
an der Abtriebswelle entfallen und demzufolge die Energie der Wärmeexplosion
nicht mehr einer Kolbenbewegung entgegen steht.
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Der
Expansions-Kreiskolben wird erfindungsgemäß hierbei deutlich größer ausgelegt
als der Kompressions-Kreiskolben. Dadurch ist das Expansionsvolumen
wesentlich größer als
das Kompressionsvolumen. Es sind damit sehr hohe Verdichtungs- bzw.
Expansionsverhältnisse
möglich,
etwa ε ∼ 40. Allein
hierdurch ist ein erheblicher Anstieg des thermodynamischen Wirkungsgrades
möglich.
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Bedingt
durch den im Drehkolben lange Zeit verschlossenen Prozeßraum ist
eine vollständige Verbrennung
bei konstantem Volumen möglich
(isochore Verbrennung). Hierdurch ist ebenfalls eine drastische
Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades möglich. Darüber hinaus
wird es hierdurch möglich,
insbesondere Wasser-/ÖL – Emulsionen
selbstständig
zu zünden
(HCSI = High Compression Self Ignition). Das Wasser kann alternativ
auch nach der vollständigen
Verbrennung eingedüst
werden. Diese Maßnahmen
nutzen das Temperaturpotenzial des thermodynamischen Prozesses weitgehend
aus. Erfindungsgemäß gelingt
damit auch die Zündung
extrem träger
Medien bzw. Brennstoffen oder Emulsionen bzw. Ärosole. Aus Zeitmangel im oberen
Totpunkt ist dies beim Stand der Technik nicht möglich.
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Da
erfindungsgemäß das Temperaturniveau der
Verbrennung stark reduziert wird, finden sich im Abgas auch wesentlich
geringere Anteile an Stickoxiden (NOx) bzw. anderer Komponenten
wie Kohlendioxid (CO2) oder Kohlenwasserstoffen
(HC).
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den nachfolgenden Abbildungen 1, 2a und 2b sowie
den Patentansprüchen
beschrieben.
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1:
Gezeigt wird in schematischer Darstellung ein Kerngedanke der erfindungsgemäßen Exergie-Verbrennungskraftmaschine:
Der Kreiskolben 1 besitzt anstelle der Zahnradsynchronisierung (wie
bei der WANKEL-Technologie) eine Ausnehmung 2, welche mit
einem (Gehäuse-)
ortsfesten Zapfen 3 und dem Exzenter 4b einer
Exzenterwelle 4a in Antriebsverbindung steht. Dabei entsteht
eine Exzentrizität
e, welche den Kolben auf seine Kreisbahn führt. Gegenüber der WANKEL-Technologie
ergibt sich hierin der große
Vorteil, dass der Kerndurchmesser der Exzenterwelle wesentlich größer ausgeführt werden
kann, nämlich
D2 > D1 (Anmerkung:
Die WANKEL-Technologie konnte deshalb keine Verbrennungskraftmaschine
mit dem sogenannten 1:2 System realisieren, da die Zahnradgeometrie
und der Exzenter dies nicht in dem erforderlichen Ausmaß zuließ: die Biegespannungen
waren zu groß).
Diese erfindungsgemäße Art der
Führung
hat im Wesentlichen nur steuernden Charakter, so dass die eigentliche
Nutzkraftübertragung
ausschließlich über die
Exzenterwelle erfolgt.
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2a:
Hier ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
erfindungsgemäßer Verbundmaschine gezeigt.
Der Kompressionskreiskolben ist mit 1, 20 markiert;
der Expansionskreiskolben mit 1, 22, des weiteren
die Exzenterwellen mit 4a, 4b, 21 bzw. 4a, 4b, 23.
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Die
Kolben bewegen sich mit ihren Enden entlang der Konturen K1 bzw.
K2 des Gehäuses 28. Diese
Konturen sind im einfachsten Fall leicht und kostengünstig zu
fertigende Kreise (gegenüber
konventioneller Trochoide). Dann führen die (hier nicht näher gezeigten,
WANKEL-ähnlichen)
Dichtleisten einen kleinen Hub aus, welcher jedoch zugelassen werden
kann und zudem (mit den Kreiskonturen zusammen) vorteilhaft keinen
Schadraum im oberen Totpunkt zulassen (auch die WANKEL-Systeme,
insbesondere 1:2 und 2:3 haben diesen Schadraum), der prozesstechnisch
unbedingt vermieden werden muß.
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Prozesstechnisch
wird Frischluft mittels des Kompressionskreiskolben durch die Öffnung 40 angesaugt
und über
den Durchlaß 41 dem
(aus dem Stand der Technik bekannten) Drehkolben 14 (mit dem
Drehzentrum Z und den Kammern 15) zugeführt. Nicht näher bezeichnete
Treibmittelzuführungs- bzw.
Zündeinrichtungen 5 und 6 erlauben
die gewünschte
Prozessführung;
ggf. kann eine Einrichtung 33 für die Wassereindüsung angebracht
werden. Im weiteren Verlauf besteht eine Übertrittsöffnung 42 zum Expansionskolben 1, 22.
Letzterer gewährleistet
die Umsetzung des Prozessdruckes in nutzbares Drehmoment. Über die
Austrittsöffnung 43 wird
das Abgas ausgeschoben. Interessanterweise und sehr vorteilhaft
sind für
den aufgezeigten Prozeß keinerlei
Ventiltriebe erforderlich.
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Deshalb
es bei dem erfindungsgemäßen Motor
möglich
ist, einen weitaus größeren Anteil
an Energie aus dem Kraftstoff oder dem Kraftstoffgemisch zu gewinnen,
als es bei üblichen
Motoren der Fall ist (d. h., dass der Exergieanteil des erfindungsgemäßen Kreisprozesses
wesentlich besser ausgenutzt wird) zeigt
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2b:
Mit 50 ist ein konventionelles Druck (p)-Volumen (V)-Indikatordiagramm
gezeigt. Konventionelle Verbrennungskraftmaschinen weisen in etwa diesen
Verlauf auf, mit der Eigenschaft, dass der thermodynamische Wirkungsgrad
dieser Maschinen ca. 40 % betragen kann.
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Infolge
der erfindungsgemäßen isochoren Verbrennung
erhöht
sich dieser Wirkungsgrad schon um etwa 25 %, was durch den größeren Flächenanteil 51 repräsentiert
ist.
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Die
Expansion endet normalerweise beim Druck pe.
Hierdurch entsteht ein Verlust. Bedingt sind diese Verluste durch
die begrenzte Zylinderlänge,
die eine weitere Entspannung des Prozessgases unmöglich macht.
Dieser Verlust beträgt
ca. 13 %. Im Umkehrschluß gewinnt
die Erfindung diesen Flächenanteil 52 durch
den, gegenüber
dem Kompressionskreiskolben, viel größeren Expansionskreiskolben.
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Bei
der Entspannung bis zum Druck pee kann zwar
das Druckgefälle
genutzt werden, jedoch hat das Gas noch eine erhöhte Temperatur. Die darin enthaltene
Restenergie wird erfindungsgemäß durch die
vorteilhafte Prozessführung
(wie oben beschrieben) genutzt. Der Gewinn beträgt etwa 22 % und wird durch
die Fläche 53 repräsentiert.
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Wegen
der langen Verweilzeit des Treibmediums im Drehkolben passen die
Verbrennung des Treibstoffes einerseits und der Verbrennungsablauf andererseits
optimal zusammen. Die Energie der Verbrennungsabgase wirkt einer
Kolbenbewegung nicht entgegen, statt dessen kann die Energie in Richtung
der Kolbenbewegung wirken. Die bessere Energieausnutzung resultiert
in einer geringeren Erwärmung
des Motors und in einer niedrigeren Abgastemperatur. Darüber hinaus
sind die Abgasbestandteile deutlich vermindert im Vergleich zu einer
konventionellen Maschine, so dass unter Umständen auch auf den Einsatz eines
Katalysators verzichtet werden kann.
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Ein
erfindungsgemäßer Motor
weist dann dementsprechend ein Verbesserungspotenzial von 60 % auf,
so dass weniger Treibstoff verbraucht und mehr Leistung erbracht
wird als ein konventioneller Vergleichsmotor. Die Erwärmung des
Motors sowie der Abgase kann um wenigstens 25 % verringert werden.
Aus diesem Grunde enthalten die Abgase auch weniger schädliche Stoffe.
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Neben
dem geringeren Treibstoffverbrauch, welches ein hohes Einsparpotential
an Betriebskosten bildet, ist auch ein hohes Verdichtungsverhältnis im
Motor möglich.
Beispielsweise können
Verdichtungen von 1:40 erreicht werden, so dass auch bei benzinbetriebenen
Ottomotoren z.B. eine Selbstzündung
ohne Zündanlage
möglich
sein kann. Der erfindungsgemäße Motor
kann mit Dieselöl,
Gas oder anderen, auch minderwertigen Treibstoffen betrieben werden.
Es können
neben den bekannten Treibstoffen Pflanzenöle, Wasserstoff oder andere
Treibstoffe minderer Qualität
gezündet
werden. Auch ist eine Zündung
von heterogenen Fluiden, beispielsweise mit definierten Wasseranteilen
als Ärosol
möglich.
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Auch
können
beispielsweise Wandwärmeverluste
in Höhe
von ca. 25 % vermieden werden, die bei konventionellen Maschinentypen
im weit geöffneten
Expansionsraum auftreten, nicht mehr in Druckenergie umgesetzt werden
und somit dem eigentlichen Kreisprozess verloren gehen.
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Dagegen
resultiert aus der „vollkommenen Verbrennung" bereits im Prozeßraum der
erfindungemäßen Verbrennungskraftmaschine
eine wesentlich größere Druckenergie
zur Umwandlung in mechanische Nutzleistung, da auch die thermische
Energie durch Wasserfeinstvernebelung besser genutzt werden kann.
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Ein
erfindungsgemäß betriebenes
Verfahren hat somit als Ergebnis ein praktisches Indikatordiagramm,
welches um den Betrag des stark erweiterten Expansionsverhältnisses
verlängert
ist und somit schon theoretisch über
signifikante Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades erfindungsgemäßer Verbrennungskraftmaschinen
verfügt.
Diese Art des Betriebsverfahrens ist mit der erfindungsgemäßen Getriebekinematik
günstig
zu erreichen.
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Durch
die bessere Energieausnutzung kann auch ein niedrigeres Drehzahlniveau
angestrebt werden, was sich positiv auf die Lebensdauer des Motors auswirkt.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen
Motor ist typisch, dass konventionelle Motoren bereits vor Erreichen
des oberen Totpunktes Kraftstoff in das Zylindervolumen einspritzen
und zur Zündung
bringen. Dementsprechend ergibt sich eine signifikante freigesetzte
Wärmeenergie,
die eine Zylinderinnendruckerhöhung
erzeugt, welche als Kraft dem in Richtung oberen Totpunkt strebenden
Kolben entgegenwirkt.
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Außerdem kann
erfindungsgemäß ein kompletter
4-Takt-Betrieb während
einer einzigen Exzenterwellenumdrehung ablaufen; während konventioneller
Stand der Technik hierfür
2 Umdrehungen der Kurbelwelle benötigt. D. h.: Erfindungsgemäß ist bei halber
Drehzahl sogar eine höhere
Leistung verfügbar.
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Die
Energieausnutzung bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist dementsprechend
deutlich effizienter als bei einem vergleichbaren konventionellen
Motor.
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Insgesamt
ergibt erfindungsgemäßer Exergie-Prozeßverlauf
einen praktikablen, einfachen, robusten, kostengünstigen und effektiven Mechanismus
für die
Realisierung von insbesondere Verbrennungskraftmaschinen.