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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Offenbarung betrifft allgemein Brennkraftmaschinen, die Brennkraftmaschinen
mit Fremdzündung
und Brennkraftmaschinen mit Kompressionszündung umfassen. Genauer befasst
sie sich mit einer Brennkraftmaschine, die doppelte Prozesse zur Kompression
und Expansion eines Luft/Kraftstoff-Gemisches anwendet.
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HINTERGRUND
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Die
Aussagen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation,
die mit der vorliegenden Offenbarung in Beziehung steht, und brauchen keinen
Stand der Technik zu bilden.
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Moderne
Brennkraftmaschinen sind im Allgemeinen vom Typ mit Fremdzündung und
vom Typ mit Kompressionszündung.
Während
des Betriebes hängt
der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine von vielen Faktoren ab,
die den volumetrischen und thermodynamischen Wirkungsgrad umfassen.
Um ersteren zu steigern, haben Konstrukteure seit Jahrzehnten Maschinen
mit Vorrichtungen zur Zwangsansaugung versehen, die Turbolader und
Ladegebläse
umfassen, die vorwiegend lediglich Zusätze an einer zugrunde liegenden
Maschinenkonstruktion sind. Obgleich sie relativ leicht zu warten
sind, können
diese Vorrichtungen problematisch sein und sind aufgrund verschiedener
Aspekte, die ihrer Konstruktion eigen sind, eingeschränkt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Brennkraftmaschine umfasst einen Kompressorzylinder, zumindest einen
Arbeitszylinder und einen Expanderzylinder. Jeder Zylinder weist eine
jeweilige Bohrung und einen darin verschiebbar angeordneten Kolben,
einen ventilgesteuerten Einlasskanal und einen ventilgesteuerten
Auslasskanal auf. Jeder entsprechende Kolben ist funktional mit
einer Kurbelwelle verbunden. Der Auslasskanal des Kompressorzylinders
ist mit einem Durchgang versehen, durch den Gas, das von dem Kompressorzylinder
ausgestoßen
wird, zu dem Einlasskanal des zumindest einen Arbeitszylinders gelenkt
wird. Der Auslasskanal des zumindest einen Arbeitszylinders ist
mit einem Durchgang versehen, durch den Gas, das von dem zumindest
einem Arbeitszylinder ausgestoßen
wird, zu dem Einlasskanal des Expanderzylinders gelenkt wird. Die
Maschine umfasst darüber
hinaus eine Nockenwelle, die funktional mit der Kurbelwelle in ausreichendem
Maße verbunden
ist, um zu bewirken, dass die Ventile, die an den Einlasskanälen und
den Auslasskanälen
des Kompressorzylinders und des Expanderzylinders vorhanden sind, jeweils
einen Offen-Geschlossen-Zyklus für
jede Umdrehung der Kurbelwelle erfahren, und um zu bewirken, dass
die Ventile, die an dem Einlasskanal und dem Auslasskanal von dem
zumindest einen Arbeitszylinder vorhanden sind, jeweils einen Offen-Geschlossen-Zyklus
für jede
zweite Umdrehung der Kurbelwelle erfahren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nun
werden beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen eine oder
mehrere Ausführungsformen
beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Maschine gemäß einer Ausführungsform
der Offenbarung veranschaulicht;
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2A–2F eine
Bewegung und eine Lage von Kolben und Ventilen in einer Maschine
gemäß einer
Ausführungsform
der Offenbarung in verschieden Stadien ihres Betriebes zeigen;
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3 eine
Druck/Volumen-Beziehung über einen
Zyklus für
das Arbeitsfluid in einer arbeitenden Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der Offenbarung veranschaulicht;
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4 Vergleiche
einer Druck/Volumen-Beziehung und einer Druck/Temperatur-Beziehung über einen
Zyklus für
einen Arbeitszylinder in einer arbeitenden Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der Offenbarung veranschaulicht; und
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5 eine
schematische Darstellung von Wärmeströmen liefert,
die in einer Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der Offenbarung vorhanden sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In
einer Ausführungsform
stellt die vorliegende Offenbarung eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine
bereit, die einen Zweitakt-Kompressorzylinder, einen Zweitakt-Expanderzylinder
und ein Paar Viertakt-Arbeitszylinder umfasst. Unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen, die lediglich als bei spielhafte Darstellungen
der Offenbarung und nicht, um selbige einschränkend aufzufassen, vorgesehen
sind, veranschaulicht 1 eine schematische Darstellung
einer Maschine 10 gemäß einer
Ausführungsform.
In 1 ist ein Kompressorzylinder 3 gezeigt,
der typischerweise eine Bohrung umfasst und in einer Ausführungsform
mit einem hin- und hergehenden Kolben ausgestattet ist, der funktional
mit einer rotierbaren Kurbelwelle mittels einer Pleuelstange verbunden
ist, wie solche Anordnungen in der Technik bekannt sind. Der Kompressorzylinder 3 weist
einen Kompressoreinlass 5 auf, an welchem Luft, in dem Fall
einer Maschine mit Kraftstoffeinspritzung, oder ein Luft/Kraftstoff-Gemisch,
wie in dem Fall einer Vergasermaschine, mit einem ersten Druck p1
eingelassen wird, der typischerweise Umgebungsdruck ist, aber in
anderen Ausführungsformen
irgendein vorgesehener Druck oberhalb Umgebungsdruck sein kann.
Der Kompressorzylinder 3 umfasst zusätzlich einen Kompressorauslass 7,
durch den vorhandene Gase von dem Kompressorzylinder 3 mit
einem zweiten Druck p2 aufgrund der Aufwärtsbewegung des hin- und hergehenden
Kolbens innerhalb der Zylinderbohrung überführt werden, wobei der zweite Druck
p2 vorzugsweise ein höherer
Druck als der erste Druck p1 ist. In bevorzugten Ausführungsformen
sind der Kompressoreinlass 5 und der Kompressorauslass 7 ventilgesteuerte
Durchgänge,
wobei die vorhandenen Ventile durch zumindest eine Nockenwelle oder
irgendein anderes bekanntes Mittel in funktionaler Wirkverbindung
damit betätigt
werden, um eine Ventilzeitsteuerung vorzusehen, die ausreicht, um
zu ermöglichen,
dass die Größe des zweiten
Drucks p2 infolge eines Aufwärtshubes
des vorstehend erwähnten
Kolbens den ersten Druck p1 übersteigt.
In einer Ausführungsform
sind die Ventile an dem Kompressoreinlass 5 und dem Kompressorauslass 7 herkömmliche
Ventile von dem in Brennkraftmaschinen verwendeten Typ, und der
Kompressorzylinder 3 wird zweitaktartig betrieben, wobei
ein Kompressionstakt für
jede Drehung der Kurbelwelle, mit der der Kolben verbunden ist,
erfolgt.
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Nachdem
sie aus dem Kompressorzylinder 3 herausgedrückt worden
sind, werden die komprimierten Gase zu dem Einlass eines Arbeitszylinders
gelenkt, wobei der Arbeitszylinder einen Kolben umfasst, der mit
einer Kurbelwelle verbunden ist, die in manchen Ausführungsformen
die gleiche Kurbelwelle wie die des Kolbens des Kompressorzylinders 3 ist.
Der Arbeitszylinder ist mit zumindest einem Einlassventil und zumindest
einem Auslassventil ausgerüstet,
wobei diese Ventile derart betätigt
werden, dass sie Zeitsteuerungsereignisse besitzen, die bewirken,
dass ermöglicht
wird, dass der Arbeitszylinder herkömmlich 4-taktartig arbeitet,
d. h. einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt für jede zweite Umdrehung der
Kurbelwelle aufweist. In einer Ausführungsform gibt es einen einzigen
Arbeitszylinder. In einer anderen Ausführungsform, wie etwa der, die
in 1 gezeigt ist, sind zwei Arbeitszylinder vorhanden,
nämlich
ein erster Arbeitszylinder 9 und ein zweiter Arbeitszylinder 15,
wobei der Kompressorzylinder 3 hinreichend dimensioniert
ist, um es zu ermöglichen,
dass er Einlassgas jedem von dem ersten Arbeitszylinder 9 und
dem zweiten Arbeitszylinder 15 in ausreichendem Maße zuführt, um
es zu ermöglichen,
dass er in einem herkömmlichen
4-Takt-Modus arbeitet; jedoch bietet die vorliegende Offenbarung jede
Zahl von Arbeitszylindern zwischen 1 und 4, einschließlich 1
und 4, die mit Gas gespeist werden, das einen einzigen Kompressorzylinder
verlässt.
Somit liefert der Kompressorzylinder 3 Einlassgase für den Arbeitszylinder/die
Arbeitszylinder mit einem Druck, der im Allgemeinen größer als
Atmosphärendruck
ist, und in dieser Hinsicht fungiert der Kompressorzylinder analog
einem Turbolader oder Ladegebläse.
Der erste Arbeitszylinder 9 ist mit einem Einlassventil 11 und
einem Auslassventil 13 ausgerüstet, und ein zweiter Arbeitszylinder 15,
oder zusätzlicher
Arbeitszylinder, falls dieser vorhanden sind, ist ebenfalls mit einem
Einlassventil 17 und einem Auslassventil 19 ausgerüstet. Die
vorliegende Offenbarung umfasst auch Ausführungsformen mit mehr als einem
Einlassventil und/oder Auslassventil pro Arbeitszylinder. Ein weiteres
Merkmal einer Maschine 10 gemäß der Offenbarung ist das Vorhandensein
eines Expanderzylinders 21, der eine Bohrung umfasst und
in einer Ausführungsform
mit einem hin- und hergehenden Kolben ausgestattet ist, der funktional
mit einer rotierbaren Kurbelwelle mittels einer Pleuelstange verbunden
ist, wie solche Anordnungen in der Technik bekannt sind. In einer
Ausführungsform
ist die Kurbelwelle, mit der der Kolben des Expanderzylinders 21 verbunden
ist, die gleiche wie die Kurbelwelle, mit der die Kolben des Kompressorzylinders 3 und
des Arbeitszylinders/der Arbeitszylinder verbunden sind, wobei die
Exzenterhübe
an der Kurbelwelle derart ausgestaltet sind, dass sie einen Betrieb
der hierin vorgesehenen Maschine gemäß der Beschreibung ermöglichen,
die anhand der 2A–2F dargelegt
wird. Der Expanderzylinder 21 ist hinreichend dimensioniert,
so dass er in der Lage ist, Abgase der gewählten Zahl von Arbeitszylindern
aufzunehmen, deren ausgestoßene
Abgase zu dem Expanderzylinder 21 durch sein Einlassventil/seine
Einlassventile gelenkt werden, welche in einer Ausführungsform zwei
Arbeitszylinder ist. Die Vorkehrung für einen Durchgang von Gasen
durch die Einlass- und Auslassventile, wie sie hierin beschrieben
ist, wird durch integrale Durchgänge
bereitgestellt, die in Krümmern und
Zylinderköpfen
gegossen sind, und ein oder mehrere ventilbetätigende, rotierbare Nockenwellen oder
andere Ventilbetätigungsmittel
unter Verwendung von Techniken, die auf dem Gebiet allgemein bekannt
sind. In einer Ausführungsform
wird bewirkt, dass eine existierende kolbenbetriebene Mehrzylinder-Brennkraftmaschine
wie hierin beschrieben arbeitet, indem existierende Nockenwellenprofile
derart abgeändert
werden, dass ein oder mehrere existierende Zylinder als Kompressorzylinder
fungieren und ein oder mehrere existierende Zylinder als Expanderzylinder
fungieren, wobei geeignete Gasströmungsdurchgänge zwischen existierenden
Einlass- und Auslasskanälen
vorgesehen sind, wie es hierin beschrieben ist. In bevorzugten Ausfüh rungsformen wird
der Expanderzylinder 21 zweitaktartig betrieben. Nach Verlassen
des Expanderzylinders 21 werden die Maschinenabgase entweder
direkt an die Atmosphäre
abgegeben oder zu einem Abgasnachbehandlungssystem geführt, das
ein bekanntes System zum Verringern von Emissionen umfasst, welches
typischerweise Oxidations- und Reduktionskatalysatoren einschließt.
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2A–2F zeigen
eine Relativbewegung und Relativlage von Kolben und Ventilen in
einer Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der Offenbarung in verschiedenen Stadien ihres Betriebes. Während des
Betriebes gibt es einen Einlasstakt A (2A), während dem
der Kolben in dem Kompressorzylinder sich in seiner Zylinderbohrung
nach unten bewegt, während
das Kompressoreinlassventil geöffnet
ist und sein Auslassventil geschlossen ist. Dies zieht Luft in den
Kompressorzylinder hinein. Der Kolben in dem Arbeitszylinder bewegt
sich nach oben, wobei sein Einlassventil geschlossen und sein Auslassventil
offen ist. Das Einlassventil des Expanderzylinders ist zu dem anderen
Arbeitszylinder hin offen, der eine zweite Expansion (E2) vollführt, was nachstehend
erläutert
wird, wobei sein Kolben sich nach unten bewegt, während sein
Auslassventil geschlossen ist.
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Während des
Kompressionstakts C1 (2B) ist das Einlassventil des
Kompressorzylinders geschlossen, und sein Auslassventil ist offen, was
zulässt,
dass das Gas, das in dem Kompressorzylinder vorhanden ist, in einen
Arbeitszylinder durch das offene Einlassventil des Arbeitszylinders
hineingedrückt
wird, wobei sein Auslassventil geschlossen ist. Aufgrund des größeren Volumens
des Kompressorzylinders bezüglich
des Arbeitszylinders wird dieses Gas auf einem Druck sein, der höher als
Atmosphärendruck
ist, und die Zylinder sind derart dimensioniert, dass dies vorzugsweise
jeder Druck im Bereich von zwischen 1,1 bar und 8,0 bar ist.
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Der
Kolben in dem Arbeitszylinder bewegt sich nach unten, wobei das
Gas von dem Kompressorzylinder eingelassen wird. Der Kolben in dem
Expanderzylinder bewegt sich nach oben, wobei sein Einlassventil
geschlossen ist und sein Auslassventil offen ist, um Gas, das zuvor
in dem Expanderzylinder vorhanden ist, auszustoßen.
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Ein
zweiter Kompressionstakt C2 ist in 2C gezeigt,
während
dem die Einlass- und Auslassventile des Arbeitszylinders beide geschlossen sind,
wobei sich sein Kolben in seiner Bohrung nach oben bewegt, um die
enthaltenen Gase vor der Zündung
weiter zu komprimieren, wobei die Zündung eine Kompressionszündung oder
eine Fremdzündung
sein kann. Während
der Aufwärtsbewegung des
Kolbens in der Arbeitszylinderbohrung bewegen sich beide Kolben
in dem Kompressorzylinder und Expanderzylinder nach unten in ihren
Bohrungen, wobei die Einlassventile dieser Zylinder beide offen sind
und die Auslassventile dieser Zylinder beide geschlossen sind.
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Dem
Kompressionstakt C2 folgt ein Expansionstakt E1 (2D),
während
dem die Gase, die infolge der Zündung
und Verbrennung in dem Arbeitszylinder erzeugt werden, den Kolben
in dem Arbeitszylinder nach unten drücken, wobei beide Ventile in dem
Arbeitszylinder während
dieses Arbeitstakts geschlossen sind. Während der Abwärtsbewegung
des Kolbens in der Arbeitszylinderbohrung bewegen sich beide Kolben
in dem Kompressorzylinder und Expanderzylinder in ihren Bohrungen
nach oben, wobei die Einlassventile dieser Zylinder beide geschlossen sind
und die Auslassventile dieser Zylinder beide offen sind.
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Im
Anschluss an den Arbeitstakt des Arbeitszylinders bewegt sich der
Kolben, der in dem Arbeitszylinder vorhanden ist, in seiner Bohrung
nach oben, wobei die im Wesentlichen verbrannten Gase innerhalb
seiner Um grenzungen zu dem Expanderzylinder durch sein offenes Auslassventil
ausgestoßen
werden. Während
der Aufwärtsbewegung
des Kolbens in der Arbeitszylinderbohrung in diesem zweiten Expansionstakt
E2 (2E) bewegen sich beide Kolben in dem Kompressorzylinder
und Expanderzylinder in ihren Bohrungen nach unten, wobei die Einlassventile
dieser Zylinder beide offen sind und die Auslassventile dieser Zylinder
beide geschlossen sind.
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Während des
zweiten Expansionstakts E2 ist das Auslassventil des Arbeitszylinders
offen und sein Einlassventil ist geschlossen, was zulässt, dass
das in dem Arbeitszylinder vorhandene Gas in den Expanderzylinder
durch das offene Einlassventil des Expanderzylinders gedrückt/expandiert
wird, wobei sein Auslassventil geschlossen ist. In einer Ausführungsform
ist der Expansionszylinder bezüglich
des Arbeitszylinders derart bemessen, dass dieses Gas auf einen
Druck expandiert wird, der ungefähr
ein bar Druck beträgt.
In einer anderen Ausführungsform
ist der Expansionszylinder bezüglich
des Arbeitszylinders derart bemessen, dass dieses Gas auf einen Druck
expandiert wird, der um irgendeinen Betrag im Bereich von zwischen
etwa 0,05 bar und etwa 0,5 bar, einschließlich alle Bereiche dazwischen, über Atmosphärendruck
liegt.
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Schließlich erfolgt
ein Auslasstakt F, wie er in 2F gezeigt
ist, während
dem beide Kolben in dem Kompressorzylinder und Expanderzylinder
sich in ihren Bohrungen nach oben bewegen, wobei die Einlassventile
dieser Zylinder beide geschlossen sind und die Auslassventile dieser
Zylinder beide offen sind, wobei das offene Auslassventil des Expanderzylinders
einen Ausstoß der
verbrannten, expandierten Gase aus der Maschine ermöglicht.
Der Kolben in dem Arbeitszylinder bewegt sich nach unten, wobei
sein Einlassventil offen ist, um eine frische Luftladung für eine nachfolgende
Verbrennung einzulassen, wobei der oben umrissene Zyklus (2A–2F)
während
des Betriebes einer Maschine wie hierin vorgesehen wiederholt wird.
Für Ausführungsformen,
bei denen ein zweiter Arbeitszylinder vorhanden ist, sind Zeitsteuerereignisse
der Maschine derart vorgesehen, dass der Ausstoß des Kompressorzylinders einen
ersten Arbeitszylinder von dem ersten Kompressionstakt des Kompressorzylinders
speist, und bei seinem nächsten
nachfolgenden Kompressionstakt des Kompressorzylinders seinen Ausstoß in den
zweiten Arbeitszylinder einspeist. Die Zeitsteuerereignisse, wie
sie oben umrissen sind, und unter allgemeinen Bedingungen vorgesehen
sind, die Ventilöffnungs-
und -schließereignisse,
ihr Nettohub an dem Ventil, Dauer und Überlappung sind einfach zugeschnitten,
um Grade einer Gasumkehr, eines Luftmassenträgheitsmanagements usw. zu erreichen,
wie es für
eine gegebene Endgebrauchsanwendung für eine so beschriebene Maschine
erwünscht
sein kann, wobei Berechnungen und Fertigungsverfahren verwendet
werden, die in der Technik allgemein bekannt sind.
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Somit
umfasst eine Maschine, wie sie hierin in einer Ausführungsform
vorgesehen ist, eine Brennkraftmaschine, in der die Kompressions-
und Expansionsprozesse in zwei Stadien durchgeführt werden, welche in einer
Kombination von zwei separaten Zylindern erfolgen. Während des
ersten Kompressionsstadiums wird Gas von einem relativ größeren Kompressorzylinder
zu einem relativ kleineren Arbeitszylinder komprimiert, wobei ein
Arbeitszylinder einen herkömmlichen
4-Taktzyklus vollführt.
Das zweite Expansionsstadium erfolgt zwischen einem Arbeitszylinder
und einem größeren Expanderzylinder,
wobei die Expansion einen erhöhten
thermodynamischen Wirkungsgrad durch Wiedergewinnung von chemischer
Energie und Wärme
ermöglicht,
die ansonsten verloren geht, wenn nicht gemäß dieser Offenbarung verfahren
wird. Außerdem
gewährt
das Vorhandensein eines Expanderzylinders, wie er hierin verwendet
wird, eine erhöhte
Anzahl von Betriebsvariablen, woraus Nutzen in Richtung einer Verringerung
von Maschinenemissionen durch eine Temperatursteuerung während der
Kompression gezogen werden kann.
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In 3 ist
eine Druck/Volumen-Beziehung über
einen Zyklus für
das Arbeitsfluid in einer arbeitenden Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der Offenbarung, besonders anhand des Zyklus, der unter Bezugnahme
auf 2 gezeigt und beschrieben ist,
veranschaulicht. In jedem Stadium des Graphen sind diejenigen Abschnitte
markiert, die den zuvor beschriebenen Takten (A, C1, C2, E1, E2
und F) entsprechen. Somit ist eine Maschine gemäß dieser Ausführungsform
eine Sechstaktmaschine mit 1080 Kurbelwinkelgraden (CAD) pro Zyklus,
die aber eine 360 CAD-Überlappung
zwischen Zyklen relativ zu jedem Paar Arbeitszylindern entsprechend
jedem Kompressor- und Expanderzylinderpaar aufweist.
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Ein
Vorteil einer Maschine, wie sie beschrieben ist, ist, dass es möglich ist,
Wärme von
dem Expanderzylinder mittels eines Wärmetauschers zurückzugewinnen
und diese Wärme
zu benutzen, indem sie auf das Einlassgas des Arbeitszylinders in einem
Wärmerekuperationsprozess übertragen
wird. Bei herkömmlichen
Brennkraftmaschinen wird diese Wärmeenergie
im Wesentlichen dadurch vergeudet, dass sie nicht in der Lage ist,
irgendeine Druck*Volumen-Arbeit zu erfüllen. Durch Rekuperation der
ansonsten vergeudeten Wärme
in das Gas, das für
die Verbrennung eingeleitet wird, ist der thermodynamische Wirkungsgrad
einer Maschine gemäß der Offenbarung
höher als
bei Maschinen, die dieses Merkmal nicht umfassen. Dies ist in 4 deutlicher
veranschaulicht, die Vergleiche einer Druck/Volumen-Beziehung und
einer Druck/Temperatur-Beziehung über einen Zyklus für das Arbeitsfluid
in einer so beschriebenen arbeitenden Maschine veranschaulicht.
Aus diesen Graphen ist ersichtlich, dass die effektive Fläche innerhalb
der P-V-Kurve, die die Nutzarbeit darstellt, für einen Zyklus mit Rekuperation, wie
er hierin beschrieben ist, größer ist.
Ein weiterer Vorteil wird erreicht, indem der isotherme Charakter der
Kompression, die in dem Kompressorzylinder erfolgt, erhöht wird,
indem eine flüssige
Substanz, die ohne Einschränkung
Wasser umfasst, während
des Maschinenbetriebs in den Kompressorzylinder eingespritzt wird.
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In
einem alternativen Betriebsmodus wird der oben erwähnte Wärmetauscher
dazu verwendet, die Gase, die die Einlassladung für den Arbeitszylinder/
die Arbeitszylinder umfassen, zu kühlen. Ein derartiges Kompressionskühlen ist,
wenn es angewandt wird, in Richtung einer Verringerung jeglicher
vorhandener Tendenzen in Richtung einer Vorzündung in fremdgezündeten Maschinen
oder funkenunterstützten
Kompressionsmaschinen vorteilhaft. 5 liefert eine
schematische Darstellung von Wärmeströmungen,
die in einer Maschine gemäß einer
Ausführungsform
der Offenbarung vorhanden sind, welche die beschriebenen Merkmale
enthält,
und ferner einen Katalysator zeigt, der zwischen dem Auslass eines
Arbeitszylinders und dem Einlass des Expanderzylinders vorhanden
ist. Für
Fälle,
in denen die Gase, die den Arbeitszylinder im Anschluss an eine
Zündung/Verbrennung
verlassen, unverbrannten Kraftstoff enthalten, sorgt das Vorhandensein
eines Katalysators in diesem Stadium für die Erzeugung zusätzlicher
Wärme über eine
vollständigere
Verbrennung, welche typischerweise in einer Oxidationskatalysatorstufe
als Teil eines Abgasnachbehandlungssystems verloren ginge. Die Rückgewinnung
chemischer Energie aus katalytischer Oxidation in diesem Stadium
steigert den Wirkungsgrad der Maschine. Der Katalysator kann irgendein
herkömmlicher
heterogener Katalysator sein, der auf eine herkömmliche Weise angeordnet ist,
wie etwa auf einem Bett oder einem Monolithen, oder kann selbst
durch Einspritzen von Gasen oder Flüssigkeiten, wie etwa komprimierter
Luft, unterstützt
sein.
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Obgleich
die vorstehende Beschreibung anhand einer Maschine mit vier Zylindern
angegeben worden ist, ist nun von einem Fachmann festzustellen,
nachdem er diese Beschreibung betrachtet hat, dass die Offenbarung
inhärent
und leicht zusätzliche Maschinen
gemäß ihren
Lehren ermöglicht,
die ausgestaltet sind, um in einer Achtzylinderkonfiguration, einer
Zwölfzylinderkonfiguration
oder im Wesentlichen jeglichen Konfigurationen, die ein integrales Vielfaches
der beschriebenen vier Zylinder umfassen (d. h. Gruppen von einem
Kompressorzylinder, zwei Arbeitszylindern und einem Expanderzylinder
[engl.: i = one expander cuylinder]), durch die Verwendung herkömmlicher
Guss- und Bearbeitungstechniken, die allgemein bekannt sind und
in der Motorblock- und Motorbauteilefertigungstechnik angewandt
werden, zu existieren.
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Indem
die relativen Verhältnisse
der Hubräume
der Kolben in ihrer Bewegung innerhalb der Bohrungen der Zylinder,
in denen sie angeordnet sind, d. h. die effektiven Hubräume der
Zylinder, gesteuert werden, ist es leicht möglich, wenn eine Maschine gemäß dieser
Offenbarung bereitgestellt wird, einen breiten Bereich von möglichen
Kompressionsverhältnissen
des Arbeitszylinders vorzusehen, wodurch der volumetrische und thermodynamische
Wirkungsgrad gesteuert wird. Ein Kompressorzylinder einer Maschine
gemäß manchen
Ausführungsformen
der Offenbarung ist relativ zu einem Arbeitszylinder derart bemessen,
dass das Verhältnis
des Hubraums eines Kompressorzylinders zu dem eines Arbeitszylinders
irgendein Verhältnis
im Bereich von zwischen etwa 5:1 bis etwa 1,1:1, einschließlich aller
Verhältnisse
und Bereiche von Verhältnissen
dazwischen, ist. Der Expanderzylinder ist bezüglich des Arbeitszylinders
in einer Maschine gemäß manchen
Ausführungsformen
der Offenbarung derart bemessen, dass das Verhältnis des Hubraums des Expanderzylinders zu
dem des Arbeitszylinders irgendein Verhältnis im Bereich von zwischen
etwa 5:1 bis etwa 1,1:1, einschließlich aller Verhältnisse
und Bereiche von Ver hältnissen
dazwischen, ist. In manchen Ausführungsformen
sind die Hubräume
der Expander- und Kompressorzylinder im Wesentlichen gleich. In
einer alternativen Ausführungsform
ist der Hubraum des Kompressorzylinders größer als der des Expanderzylinders.
In einer anderen Ausführungsform
ist der Hubraum des Kompressorzylinders kleiner als der des Expanderzylinders.
In manchen Ausführungsformen
ist das Verhältnis
des Hubraums des Expanderzylinders zu dem des Kompressorzylinders
irgendein Verhältnis
im Bereich zwischen etwa 5:1 bis etwa 1:5, einschließlich aller
Verhältnisse
und Bereiche von Verhältnissen
dazwischen. Aufgrund der breiten Variabilität der Hubvolumina der vorhandenen
Zylinder kann ein breiter Bereich von Kompressionsverhältnissen
bereitgestellt werden, was höhere
Druckverhältnisfähigkeiten
und höhere
thermodynamische Wirkungsgrade als bei mit einem Turbolader oder
Ladegebläse
ausgerüsteten
Maschinen ergibt. Dies wird zum Teil wenigstens durch die Vorkehrung
verstärkt,
dass während
des Betriebs einer Maschine gemäß der Offenbarung
die Übertragung
des Gases von einem Zylinder zu einem anderen während des Kompressionsprozesses
die Fähigkeit
einführt,
Wärme zu
oder von dem Ladungsgas während
des geschlossenen Abschnitts des Kompressionsprozesses zu übertragen.
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Eine
Maschine, wie sie hierin vorgesehen ist, kann unter Verwendung irgendeines
brennbaren Kraftstoffs betrieben werden, der ohne Einschränkung die
herkömmlichen
Kraftstoffe umfasst: Wasserstoff, aliphatische Kohlenwasserstoffe,
aromatische Kohlenwasserstoffe, Öle,
Wachse, Dieselkraftstoffe, Benzine und sauerstoffhaltige Kraftstoffe,
einschließlich
Alkohole, Ether und Ester, und einschließlich Mischungen der vorstehenden.
In alternativen Ausführungsformen
kann eine Maschine gemäß der Offenbarung
auch unter Verwendung nicht herkömmlicher
Kraftstoffe betrieben werden, die ohne Einschränkung Kohlenstaub, Altöle und Biomassederivate
umfassen.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
wird der brennbare Kraftstoff an die Brennkammer des Arbeitszylinders
geliefert. In alternativen Ausführungsformen
wird der brennbare Kraftstoff an einen Ort benachbart zu dem Einlassventil
des Arbeitszylinders geliefert, der dessen Einlass in den Arbeitszylinder während des
Betriebes sicherstellt.
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In
anderen alternativen Ausführungsformen wird
ein brennbarer Kraftstoff an den Expanderzylinder oder an einen
Ort benachbart zu seinem Einlassventil geliefert, der dessen Einlass
in den Expanderzylinder während
des Betriebes sicherstellt. Ausführungsformen,
bei denen ein brennbarer Kraftstoff in den Expanderzylinder eingespeist
wird, können
vorteilhafterweise als Nachbrenner verwendet werden, um Emissionen
zu verringern und Wirkungsgradzunahmen zu gewinnen.
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In
weiteren alternativen Ausführungsformen wird
der brennbare Kraftstoff an den Kompressorzylinder geliefert. In
alternativen Ausführungsformen wird
der brennbare Kraftstoff an einen Ort benachbart zu dem Einlassventil
des Kompressorzylinders geliefert, der dessen Einlass in den Kompressorzylinder während des
Betriebes sicherstellt.
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In
manchen alternativen Ausführungsformen wird
bewirkt, dass eine Nachbehandlungslösung in den Expanderzylinder
eingelassen wird, die ohne Einschränkung Lösungen mit Harnstoff oder anderen bekannten
Reduktionsmitteln einschließt,
die zum Senken von Partikelemissionen und/oder Stickoxidemissionen
von der Maschine nutzbar sind. Bekannte Reduktionsmittel umfassen
Lösungen
von organischen Stickstoffverbindungen und anorganischen Stickstoffverbindungen.
Eine derartige vorteilhafte Nutzung von Reduktionsmitteln verringert
die Belastung, die Emissionsbehandlungssystemen oder -vorrichtungen,
die unterstromig des Expanderzylinders für Kraftfahrzeuge oder anderen
Erzeugnissen, die erwünschtermaßen eine
Emissionsbehandlungsausrüstung
besitzen, angeordnet sind, auferlegt wird.
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Weitere
Zunahmen des Wirkungsgrades einer Maschine gemäß irgendeiner der hierin bereitgestellten
Ausführungsformen
können
vorgesehen werden, indem eine Lage eines wärmeisolierenden Materials an
irgendeinem Abschnitt einer Maschine gemäß der Offenbarung, beispielsweise
dem Gasübertragungskanal,
der zwischen einem Arbeitszylinder und einem Expanderzylinder angeordnet
ist, dem Gasübertragungskanal,
der zwischen einem Arbeitszylinder und einem Kompressorzylinder
angeordnet ist, dem Expanderzylinder selbst und dem Arbeitszylinder
selbst, vorgesehen wird. In einer Ausführungsform ist die Isolierung
irgendein geeignetes keramisches Material, das in der Form einer
Beschichtung an den Innenflächen
oder Außenflächen der
Kanäle, Zylinder,
Kolben oder irgendeines anderen Abschnitts einer Maschine, wie sie
hierin vorgestellt ist, vorgesehen sein kann. Jedoch kann jedes
andere geeignete wärmeisolierende
Material, das in der Technik bekannt ist, angewandt werden.
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Die
Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen
daran beschrieben. Weitere Abwandlungen und Abänderungen können anderen beim Lesen und
Verstehen der Beschreibung in den Sinn kommen. Daher ist beabsichtigt,
dass die Offenbarung nicht auf die besondere Ausführungsform/besonderen
Ausführungsformen,
die als die beste Ausführungsart
offenbart sind, die in Betracht gezogen wird, um diese Offenbarung auszuführen, begrenzt,
sondern die Offenbarung wird alle Ausführungsformen umfassen, die
in den Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche
fallen.