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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere für Verbrennungsmotoren, umfassend mindestens einen mittels Kurbelwelle innerhalb wenigstens eines Zylinderraumes antreibbaren Kolben sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenmaschine, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.
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Verbrennungsmotoren bekannter Bauart haben gemeinsam, dass für die Verdampfung und Verbrennung des Brennstoffs konstruktionsbedingt nur sehr kurze Zeitraumräume zur Verfügung stehen.
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Von Nachteil ist ferner, dass die Verbrennung nicht isochor, d.h. in einem volumenkonstanten Raum, sondern in einem Hubvolumen als isentrope Verbrennung abläuft. Der Zündzeitpunkt variiert dabei stark und liegt bei ca. –15° bis über 30° nach dem oberen Totpunkt, d.h. die Kolbenoberseite befindet sich nah am Zylinderkopf und der Kolben bewegt sich nicht mehr in axialer Richtung, vor. Hieraus resultieren wesentliche technische Nachteile wie beispielsweise die unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs, schädliche Abgasrückstände, giftige Abgase sowie reduzierte Motor-Wirkungsgrade.
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Insbesondere bei Kraftstoffen, welche längere Verbrennungszeiten beanspruchen, wie z.B. Diesel oder Biokraftstoffe, begrenzen die zuvor genannten Nachteile die Drehzahl, da mit steigender Motordrehzahl die für die Verbrennung verfügbare Zeit immer kürzer wird, wodurch die Qualität der Verbrennung mit steigender Drehzahl tendenziell abnimmt.
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Zur generellen Verbesserung des Wirkungsgrades von Dieselmotoren schlägt beispielsweise die Druckschrift
WO 83/02300 , auch veröffentlicht als
DE 32 49 290 T1 , einen vorgespannten, zusammengesetzten Kolben vor, der die Brennraumgestaltung optimiert, wobei mehrere Sitze des Kolbenkörpers zusammenwirken.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad der bekannten Betriebsverfahren weiter zu erhöhen, die Verbrennungszeiten zu erhöhen, sowie eine Kolbenmaschine bereitzustellen, welche neben der thermischen Verbrennungsenergie mit einer zusätzlichen Energie betrieben wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist zumindest ein erstes Kolbensegment vorgesehen, welches unabhängig vom Kurbelwellenhub frei bewegbar ist, welches zur vorherbestimmbaren Einstellung bzw. Steuerung wenigstens eines Volumens, welches zwischen dem mit der Kurbelwelle verbundenen zweiten Kolbensegment und dem frei bewegbaren ersten Kolbensegment gelegenen ist, ausgebildet ist.
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Bevorzugt sind dabei das erste und zweite Kolbensegment kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden.
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Zwischen den ersten und zweiten Kolbensegmenten ist vorzugsweise wenigstens ein Kraftelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus elektrischem Motor, Hydraulik- und/oder Pneumatik-Zylinder, Elektromagnet und/oder Permanentmagnet oder dgl. vorgesehen ist, welches zur vorherbestimmbaren Einstellung des jeweils zwischen dem ersten und zweiten Kolbensegment gelegenen Volumens bzw. des Verbrennungsdruckes ausgelegt sind.
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Ein Drucksensor ist dabei bevorzugt innerhalb des Zylinderraumes bzw. Verbrennungsraumes vorgesehen, welcher mit einer Auswertungs- und Steuereinheit verbunden ist, die in Abhängigkeit von gemessenen Druckwert und in Verbindung mit dem wenigstens einen Kraftelement zur Steuerung des Volumens zwischen erstem und zweitem Kolbensegment ausgelegt ist.
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Zwischen Kurbelwelle und einem Verbrennungsraum ist dabei mindestens eine Umlenkungseinheit vorgesehen.
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Verfahrensseitig umfasst die Erfindung zum Betrieb einer Kolbenmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, bei dem durch rasche Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisches ein Kolben bewegt wird, folgende Schritte:
- – Ansaugen eines Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinderraum,
- – Verdichten des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinderraum,
- – Zünden und Verbrennen des Kraftstoff-Luftgemisch in wenigstens einem Verbrennungsraum, und
- – Ausblasen der Verbrennungsprodukte, wobei
- – ein zusätzlichen Volumens zwischen einem ersten Kolbensegment, welches unabhängig von einem Kurbelwellenhub frei bewegt wird, und wenigstens einem mit der Kurbelwelle verbundenen zweiten Kolbensegment erzeugt wird, und/oder
- – eine vorherbestimmbare Einstellung bzw. Steuerung des wenigstens einem zwischen dem zweiten Kolbensegment und dem frei bewegbaren ersten Kolbensegment gelegenen Volumens erfolgt.
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Vorzugsweise wird dabei die Einstellung bzw. Steuerung des zwischen dem zweiten Kolbensegment und dem frei bewegbaren ersten Kolbensegment erzeugten Volumens durch wenigstens ein Kraftelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus elektrischem Motor, Hydraulik- und/oder Pneumatik-Zylinder, Elektromagnet und/oder Permanentmagnet oder dergleichen ausgeführt.
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Das Erzeugen des zusätzlichen Volumens zwischen dem ersten Kolbensegment und dem wenigstens einen mit der Kurbelwelle verbundenen zweiten Kolbensegment erfolgt durch die Zündung bzw. Verbrennung, wobei bevorzugt die durch das Kraftelement eingeleitete Einstellungs- und Steuerkraft der aus der Zündung bzw. Verbrennung stammenden Kolbenkraft vektoriell entgegengesetzt ist, und auf zumindest einer Seite von einer Kurbelwelle und auf zumindest einer anderen Seite von der Verbrennungskraft (Verbrennungsdruck x Kolbenfläche) gestützt wird.
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Vorzugsweise wird die durch das Kraftelement eingeleitete Einstellungs- und Steuerkraft zur Leistungsübertragung des Motors genutzt.
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Die durch das Kraftelement eingeleitete Einstellungs- und Steuerkraft wird bevorzugt aus der Kolbenmaschine und/oder oder von einer außerhalb der Kolbenmaschine liegenden Quelle erzeugt.
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Dabei beträgt die zwischen den ersten und zweiten Kolbensegmenten erzeugte Volumenbreite vorzugsweise zwischen 0 mm und einer Kolbenhublänge.
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Zur Einstellung bzw. Steuerung des Verbrennungsdruckes bzw. des Volumens im Verbrennungsraum wird der jeweilige Verbrennungsdruck durch wenigstens einen Drucksensor gemessen und mittels einer Auswertungs- und Steuereinheit, die in Verbindung mit dem wenigstens einen Kraftelement zur Steuerung des Volumens zwischen erstem und zweitem Kolbensegment steht, verarbeitet.
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Bevorzugt ist die zwischen den ersten und zweiten Kolbensegmenten erzeugte Volumenbreite durch die Steuereinheit zwischen 0 mm und der maximalen Hublänge einstellbar.
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Der erfindungsgemäße Kolben besteht demnach aus mindestens 2 Segmenten, vorzugsweise aus 2 Hälften, welche kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Um jedoch den starken Beschleunigungskräften entgegenzuwirken, kann deren Verbindung auch formschlüssig gesichert werden.
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Zwischen diesen Kolbensegmenten befindet sich mindestens ein Kraftelement, welches hydraulischen, pneumatischen, mechanischen oder bevorzugt elektromagnetischen Ursprungs ist und mindestens ein Spaltvolumen steuerbarer Größe bzw. Breite zwischen beiden Kolbensegmenten bzw. Kolbenhälften erzeugen kann und direkt oder indirekt zwischen beiden Kolbensegmenten bzw. Kolbenhälften eingebaut ist.
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In seiner Kraftrichtung wirkt dieses Kraftelement der aus der Verbrennung resultierenden Kolbenkraft vektoriell entgegengesetzt und kann beide Kolbenhälften zusammenhalten oder auseinander drücken.
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Sobald in der Verbrennungskammer ein komprimiertes Brennstoff-Luftgemisch zündet und damit den Arbeitstakt einleitet, steigt der Druck in der Verbrennungskammer. Dabei kann der steigende Druck zweckmäßig als Istwert mit Hilfe eines Drucksensors gemessen, in einer elektronischer Steuerung ausgewertet, sowie mit einem Sollwert verglichen werden. Vorteilhaft sollen ab einem bestimmten Grenzdruck mittels der beschriebenen Kraftquelle beide Kolbenteile gesteuert auseinander gedrückt und somit zwischen beiden Kolbensegmenten ein Volumen bzw. Spaltvolumen erzeugt werden.
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Hierbei wandert die eine Kolbenhälfte bzw. Kolbensegment, welche mit der Kurbelwelle starr verbunden ist, in Richtung des untereren Totpunktes, an dem die Kolbenoberseite vom Zylinderkopf entfernt gelegen ist. Zur gleichen Zeit wird die andere Kolbenhälfte bzw. Kolbensegment, welche in Kontakt zur Verbrennungskammer steht, durch die rasche Vergrößerung des Spaltvolumens in ihrer absoluten Geschwindigkeit abgebremst oder bleibt gegebenenfalls für kurze Zeit, d.h. den Bruchteil einer Sekunde, stehen. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass der Verbrennungsdruck und/oder die Größe des Verbrennungsraums mit Hilfe der Kraftquelle und der frei beweglichen Kolbenhälfte steuerbar sind.
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Weiterhin kann die Verbrennung in einem nahezu volumenkonstanten Raum, d.h. isochor, erfolgen. Die Breite des Spaltvolumens zwischen den Kolbensegmenten kann dabei zwischen 0 Millimetern und maximal die Länge des gesamten Kolbenhubes erreichen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch die beschriebene rasche Spaltvolumenbildung mehr Zeit für die Kraftstoffverbrennung zur Verfügung steht, da die Geschwindigkeit der frei beweglichen Kolbenhälfte herabgesenkt wird. Weiter kann der Zündzeitpunkt unabhängig von der Motordrehzahl stets im für die Verbrennung optimalen Bereich eingestellt bzw. vorherbestimmt werden.
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Sobald ein Arbeitstakt abgeschlossen ist, können beide Kolbenhälften mit Hilfe der Kraftquelle wieder kraftschlüssig und/oder zusätzlich auch formschlüssig miteinander verbunden werden. Bei allen anderen Takten außer dem Arbeitstakt, bleiben die Kolbensegmente bevorzugt miteinander verbunden.
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Der gesamte Kreisprozess kann zur Veranschaulichung in einem p, V-Diagramm dargestellt und mit einem herkömmlichen Verfahren, beispielsweise mit dem Otto Kreisprozess, verglichen zu werden.
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Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor, welche in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Dabei zeigen:
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1 einen teilweisen Querschnitt einer herkömmlichen Kolbenmaschine eines Ottomotors mit einer grafischen Darstellung des zugehörigen Keisprozesses mit vier Takten;
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2 einen teilweisen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine eines Verbrennungsmotors mit einer grafischen Darstellung des zugehörigen Keisprozesses mit fünf Takten;
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3 einen teilweisen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Kolbenmaschine eines Verbrennungsmotors mit einer grafischen Darstellung des zugehörigen Keisprozesses mit fünf Takten; und
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4 einen teilweisen Querschnitt einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kolbenmaschine eines Verbrennungsmotors.
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1 zeigt anhand des p, V-Diagramms den Kreisprozess eines herkömmlichen Ottomotors, welcher üblicherweise aus folgenden Takten besteht:
- 1 Takt: Ansaugen, Punkt 0 bis 1;
- 2 Takt: Verdichten, Punkte 1 bis 2;
- 3 Takt: Arbeitstakt – Verbrennen, Punkte 2 bis 3; und
- 4 Takt: Ausblastakt – Ausblasen, Punkte 3 bis 4.
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Jene Fläche, welche mit den Punkten 1–2, 2–3, 3–4 sowie 4–1 beschrieben wird, zeigt die Arbeit des Ottomotor-Prozesses pro Takt.
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2 und 3 zeigen das erfindungsgemäße Verfahren mit 5 Takten als Kreisprozess anhand des p, V-Diagramms sowie die entsprechende Kolbenmaschine:
- 1. Takt: Ansaugen, Punkt 0 bis 1 – Die Kolbensegmente sind miteinander verbunden, siehe auch die Kolbensegmente 25a sowie 26a in 3
- 2. Takt: Verdichten, Punkt 1 bis 2 – Kolbensegmente miteinander verbunden, siehe 3, Stellung beider Kolbensegmente 27 im oberen Totpunkt
- 3. Takt: Arbeitstakt – Verbrennen, Punkt 2 bis 3 – Kolbensegmente miteinander verbunden, siehe 3, Stellung beider Kolbensegmente 27 im oberen Totpunkt
- 4. Takt: Einleiten der Steuer bzw. Hilfskraft, Punkt 3 bis 4 – Kolbensegmente werden auseinander gedrückt, siehe 2, wo der Permanentmagnet 18 mit dem Südpol gegen den Südpol des Elektromagneten 17 drückt, und so zwischen beiden Kolbensegmenten eine Abstoß-Kraft entsteht durch welche zwischen beiden Kolbensegmenten 18a und 17a sich ein Spaltvolumen ausbildet.
- 5. Takt: Ausblastakt – Ausblasen, Punkt 4 bis 5 – Kolbenteile miteinander verbunden, siehe 3, Kolbensegmente 25a und 26a sind miteinander durch die Magnetkraft verbunden. Hier zieht der Permanentmagnet 26 den Eisenkern des Elektromagneten 25 an. Alternativ kann der Elektromagnet auf Gegenpol zum Permanentmagneten gestellt werden, somit kann die Anziehungskraft verstärkt werden.
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Die deutliche Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber dem Otto-Prozess aus dem Stand der Technik wird aus dem p, V Diagramm in 2 aus der zusätzlichen Fläche ersichtlich, welche mit den Punkten 3–4, 4–5 sowie 5–3 beschrieben bzw. begrenzt ist. Diese Fläche ist im p, V-Diagramm des Otto-Motors aus 1 nicht existent und markiert eine Mehrarbeit gegenüber den heute bekannten Kreisläufen nach Otto, Diesel und dergleichen.
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Das erfindungsgemäße Vefahren läßt sich selbstverständlich auch in einem bekannten 2-Takt Prozess anwenden, wobei dieser ebenfalls durch den Zusatztakt des Einleitens einer Steuer bzw. Hilfskraft ergänzt und so zu einem 3-Takt Prozess wird. Zwischen beiden zuvor beschriebenen Kolbenhälften befindet sich besonders bevorzugt ein Kraftelement mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften.
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Eine bevorzugte Ausführungsform wird in 2 dargestellt. Die mit der Kurbelwelle verbundene Kolbenhälfte 17a beinhaltet als Kraftelement mindestens einen Elektromagneten mit zumindest einem Eisenkern 17. Die Drahtwicklung des Elektromagneten ist über eine H-Brücke 21 mit einer Stromquelle 22 verbunden. Die frei bewegliche Kolbenhälfte 18a, welche an den Brennraum angrenzt, beinhaltet dabei mindestens einen starken Permanentmagneten 18.
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Über die H-Brücke 21 können die Pole des Elektromagneten 17 durch gezieltes Takten der 4 Transistoren 21a beliebig gewechselt werden. Somit können 3 Zustände herbeigeführt werden:
Erstens kann der Elektromagnet einen Gegenpol zum Permanentmagneten erzeugen, wodurch eine starke Anziehung erfolgt.
Zweitens kann der Elektromagnet einen Gleichpol zum Permanentmagneten erzeugen, wodurch eine starke Abstoßung erfolgt.
Drittens kann der Elektromagnet stromlos sein, wobei der Permanentmagnet den Eisenkern des Elektromagneten anzieht.
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Ein Drucksensor 19 steht in Kontakt zur Verbrennungskammer 49 und kann Drucksignale in elektrische Signale umwandeln und diese an eine elektronische Steuerung 20 weiterleiten. Die elektrische Regelung 20 verarbeitet diese Drucksignale und trifft vorherbestimmbare bzw. rechnergesteuerte Entscheidungen, welcher der zuvor genannten elektromagnetischen drei Betriebszustände zum Einsatz kommt, indem der Elektromagnet gezielt mit Strom beflutet wird, um im Arbeitstakt mit Hilfe des regelbaren Spaltvolumens eine möglichst effiziente Verbrennung zu erreichen.
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Die Stärke der Magnetfelder des Elektromagneten können vorteilhaft dadurch beeinflusst werden, dass die Bestromung des Elektromagneten mit Hilfe eines PWM Signals, d.h. durch Pulsweitenmodulation, erfolgt.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine zeigt der in 4 dargestellte Motor, wobei der an der Verbrennung teilhabende Kolbenteil 41 nicht direkt auf die Kurbelwelle drückt, sondern sich bevorzugt zwischen der Kurbelwelle und dem Kolben eine Hebelübersetzung 39, 37 sowie 49 mit dem Umlenke-Punkt 38 befindet. Das Kraftelement 17, 19 ist bei dieser Anordnung vorteilhafterweise direkt mit der Kurbelwelle 48 über das Pleuel 47 verbunden und damit nur indirekt über die genannte Hebelübersetzung mit dem an der Verbrennung teilhabenden Kolbenteil in einer Wirkbeziehung stehend. Wesentlicher Vorteil dieser Ausführung sind geringere Temperaturen am Permanentmagneten 34, sowie die Möglichkeit, den Kolbenhub durch eine mechanische Sperre 49 zu begrenzen.
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Sämtliche in den Anmeldeunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht.
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Bezugszeichenliste
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- 6
- Zylinder
- 7
- Kolben in Bewegung in Richtung unterer Totpunkt
- 8
- Verbrennungskammer Kolbenstellung im oberen Totpunkt
- 9
- Einlassventil Kolbenstellung im unteren Totpunkt
- 10
- Auslassventil
- 12
- Kolbenposition im oberen Totpunkt
- 13
- Kolbenposition im unteren Totpunkt
- 14
- Pleuel
- 15
- Kurbelwelle
- VK
- Kompressionsvolumen
- VH
- Hubvolumen
- 15
- Zylinderraum
- 16
- Position beider Kolbensegmente im unteren Totpunkt
- 17
- Elektromagnet mit Eisenkern mit Verbindungsleitungen zur H-Brücke 21
- 17a
- Kolbensegment starr mit der Kurbelwelle 24 verbunden, mit integriertem Elektromagneten 17
- 18
- Permanentmagneten
- 18a
- Kolbensegment mit Kontakt zur Verbrennungskammer
- 19
- Drucksensors
- 20
- Elektronische Steuerung
- 21
- H-Brücke mit Transistoren T1, T2, T3 sowie T4
- 22
- Elektrische Spannungsversorgung
- 23
- Pleuel
- 24
- Kurbelwelle
- VK
- Kompressionsvolumen
- VH
- Hubvolumen
- VS
- Geregelte Spaltvolumen zwischen den Kolbensegmenten 17a und 18a
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 83/02300 [0005]
- DE 3249290 T1 [0005]
