DE102013008081A1

DE102013008081A1 - Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit Abgas-Nachexpansion

Info

Publication number: DE102013008081A1
Application number: DE102013008081.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Unter der Voraussetzung, dass es bei Verbrennungsmotoren möglich ist, elektronisch kontrolliert beliebige Gaswechsel-Steuerzeiten beispielsweise durch Schiebebüchsen erreichen zu können, wird nicht nur die Umschaltung von Zweitakt auf Viertakt-Verfahren im laufenden Betrieb ermöglicht, sondern auch durch Einfügen zusätzlicher Takte eine Nachexpansion der Verbrennungsgase ohne Aufwand an zusätzlichen Bauteilen. Im Fokus der Erfindung steht die hierbei mögliche Verbesserung der Effizienz, was insbesondere bei Motoren mit guter Wärmedichtheit, wie beispielsweise bei Gegenkolbenmotoren und besonders in Kombination mit einer Gaswechselsteuerung durch Schiebebüchsen sehr wirksam ist. Die freie Schiebebüchsen-Steuerung bietet auch für ansonsten herkömmlich konstruierte Motoren die Möglichkeit einer Nachexpansion der Abgase. Dies macht insbesondere dann Sinn, wenn nicht ständig die maximal mögliche Leistung des Motors erforderlich ist, denn bei zeitweise geringerer Leistungsanforderung macht ein Motor überflüssige Hübe, die jedoch für die Nachexpansion durch die erfindungsgemäße Ausführung und Taktfolge genutzt werden können. Bei Motoren, die ständig die volle Leistungsanforderung haben, empfiehlt sich erfindungsgemäß die Nachnutzung der im Abgas enthaltenen Energie durch einen separaten nachgeschalteten Motor, der rein nur der Nachexpansion dient und selbst keinen Kraftstoff verbraucht. Wird bei diesen Motoren das Prinzip der vorgenannten Wärmedichtheit und/oder Schiebebüchsensteuerung angewendet, kann auch hier die Nachexpansion mit geringeren Wärmeverlusten und damit besserer Effizienz genutzt werden. In Betracht gezogene Schriften: DE102004032452 (Gegenkolbenmotor mit gesteuertem Gaswechsel durch Schiebebüchsen) US2008/0115771(Opposed Piston Engine Mechanism) DE102009053723 (Hydraulische Büchsensteuerung) DE102012010982 (Gaswechsel mit VCR) DE102013002671 (Multi-Takt Verfahren)

Description

Die Nachexpansion der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen ist der Traum aller Techniker, die sich mit Thermodynamik befassen. Bei Hubkolbenmotoren mit innerer Verbrennung bleibt am Ende eines vollständig abgelaufenen Kreisprozesses bestehend aus Verdichtung, Zündung und Expansion immer eine Restmenge von ungenutzter Energie übrig, dies in der Form von Druck und Wärme im Abgas. Es gibt daher zahlreiche Entwicklungen und Erfindungen auf diesem Gebiet, die dieses Manko verringern sollen; viele davon sind seit langem bekannt und finden bereits Anwendungen in der Motorentechnik. Eine Verlängerung der Expansion kann zunächst durch einfache innermotorische Maßnahmen – insbesondere bei Viertaktmotoren – erreicht werden, beispielsweise durch den sog. Miller-Zyklus oder das Atkinson-Verfahren. Hier handelt es sich jedoch nicht wirklich um eine Verlängerung der Expansion, sondern eher um eine Verkürzung der Verdichtung. Ein heute weit verbreitetes Anwendungsfeld ist die Erzeugung von Energie durch Nutzung der Nachexpansion mittels Turboladung und auch mit Hilfe der Turbo-Compound Technologie können die Abgase weiter nutzbringend expandiert und die Leistung der Abgasturbine entweder über ein Getriebe mechanisch direkt auf die Kurbelwelle übertragen werden, oder durch Antrieb eines Generators elektrische Energie zur weiteren Nutzung erzeugt werden. Es gibt auch zahlreiche andere Ideen, beispielsweise das Einfügen von zusätzlichen Expansions- oder Verdichtungs-Zylindern, etwa beim sog. Fünftakt-Motor oder sog. Split-Engines wie der Scuderi-Motor und viele andere.
Durch all diese Maßnahmen kann theoretisch – oft auch praktisch – der Wirkungsgrad verbessert werden, besonders im Vollastbetrieb. Andererseits wird hier der Nutzen häufig durch erhöhte Reibung durch zusätzlich mitgeschleppte Kolbentriebe, Überström- und Wärmeverluste wieder gemindert oder aufgehoben, was sich insbesondere im Teillastbereich negativ bemerkbar macht.
Es ist daher reizvoll, auf diesem Gebiet die Vorteile zu nutzen, die neuere Motoren-Entwicklungen mit hoher Wärmedichtheit und einem besonders effizientem und variablen Gaswechsel mittels elektronischer Steuerung bieten. Aus der Schrift DE102004032452 und US2008/0115771 ist ein Gegenkolbenmotor mit gesteuertem Gaswechsel durch Schiebebüchsen bekannt, die hydraulisch entsprechend der Erfindung DE102009053723 bewegt werden. Auch herkömmliche Motoren können die gleiche Ausführung der Gaswechselorgane aufweisen; dies ist aus der Schrift DE102012010982 (Gaswechsel mit VCR) bekannt, wobei hier zusätzlich ein variables Kompressionsverhältnis besteht. Mit der in den vorgenannten Schriften offenbarten Technologie ist es möglich, beliebige Steuerzeiten zu verwirklichen, sowie auch insbesondere in Verbindung mit der Erfindung DE102013002671 eine Umschaltung zwischen Zwei- und Viertakt oder auch ein Multi-Takt-Verfahren darzustellen.
Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, die Vorteile einer Nachexpansion mit den Vorteilen einer verbesserten Wärmedichte – wie sie Gegenkolbenmotoren bieten – und insbesondere mit einer hocheffizienten und variablen Gaswechselsteuerung zu kombinieren, die elektronisch kontrollierte, beliebige Steuerzeiten und Taktabfolgen ermöglicht.
Ausgehend von der Erfahrung, dass mannigfaltige Anwendungen von motorischen Antrieben, insbesondere in Fahrzeugen, nicht ständig volle Leistung erfordern, sondern auch über längere Phasen nur bei geringer oder mittlerer Teillast betrieben werden, wird erfindungsgemäß während dieser Phasen der Gaswechselvorgang in Verbrennungsmotoren wie folgend beschrieben angepasst:
Üblicherweise wird der Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors in Takte aufgeteilt, wobei als Takt jeweils die Bewegung des Kolbens von einem Totpunkt zum anderen definiert ist. Erfindungsgemäß erfolgen in diesem Sinne zunächst Kompression und Expansion als normale Arbeitstakte, jedoch wird am Ende des Expansionstaktes das Gas nicht ausgestoßen, sondern ein Teil seines Druck- und Wärmniveaus zylindernahe zwischengespeichert. Der restliche Anteil wird im folgenden dritten Takt ausgeschoben. Nach Ende dieses Ausschubhubes wird das gespeicherte Gas wieder in den Zylinder eingeleitet und im folgenden vierten Takt, dem Nachexpansionshub weiter entspannt und erst im fünften Takt – dem zweiten Ausschubhub – endgültig aus dem Motor entlassen. Im sechsten Takt wird der Zylinder wieder mit Frischluft gefüllt, wonach ein neuer Arbeitszyklus mit Verdichtung und Zündung beginnen kann. Bei mehrzylindrigen Motoren kann die Steuerung und Kombination von Einlass und Auslass auch so erfolgen, dass einige Zylinder normal im Viertakt oder Zweitakt betrieben werden und andere Zylinder ausschließlich nachexpandieren, d. h. dass deren Umschaltung in den Leistungsmodus erst aufgrund höherer Leistungsanforderung erfolgt.
Die erfindungsgemäße Ausführung hat den Vorteil, dass der Motor im Vergleich zu klassischen Verbrennungsmotoren mit separaten Expansionskolben, keine reibungserhöhenden und überflüssigen Zylinder mitschleppt. Im Gegensatz zum Miller- oder Atkinson-Zyklus – der mit den hier angewendeten flexiblen Steuerzeiten natürlich ebenfalls problemlos möglich ist – kann der Motor dabei das volle Hubvolumen für die maximale Leistung nutzen und bietet dennoch bei Teillast die Möglichkeit, dass dem Arbeitszyklus Takte hinzugefügt werden können, oder auch einzelne Zylinder nicht einfach nur abgeschaltet, sondern zusätzlich für die Nachexpansion genutzt werden können. Die verbleibenden arbeitenden Zylinder oder Arbeitstakte können so in einem effizienteren Kennfeldbereich betrieben werden, als bei geringer Last mit allen arbeitenden Zylindern möglich.
Die Erfindung ist nicht an bestimmte Kraftstoffe gebunden und ermöglicht sowohl einen Betrieb für fremdgezündete Kraftstoffe wie Benzin, als auch für eingespritzte und selbstzündende Kraftstoffe wie Dieselöl. Die erfindungsgemäße flexible Anpassung an die Erfordernisse für einen optimierten Verbrennungsablauf erleichtert auch die Anpassung für unterschiedliche Kraftstoffe, die im laufenden Betrieb gewechselt werden müssen. Große Fracht-Container- und Passagierschiffe beispielsweise müssen in Küstennähe von Schweröl auf Dieselöl oder LNG (verflüssigtes Erdgas) umstellen, wobei eine Optimierung der Steuerzeiten mittels elektronisch gesteuerter variabler Gaswechselorgane hilfreich ist, ebenso wie eine variable Verdichtung, wie sie die Erfindung DE102012010982 (Gaswechsel mit VCR) ermöglicht.
Als Zwischenspeicher bietet sich bei büchsengesteuertem Gaswechsel der ringförmig um den Zylinder führende Einlasskanal an, da er auf kürzest möglichem Weg und mit geringen Strömungs- und Wärmeverlusten mit dem Zylindervolumen verbunden werden kann. Durch sein Volumen wird der Expansionsgrad bestimmt. Ist beispielsweise das Speichervolumen ebenso groß wie das Zylindervolumen, so kann bei Öffnung des Zylinders im unteren Totpunkt die Hälfte des Abgases im Einlasskanal gespeichert werden. Davon steht wiederum die Hälfte für die Nachexpansion im gleichen Zylinder zur Verfügung. Das bedeutet, dass theoretisch 25% der Abgasenergie bei diesen genannten Volumina, idealen adiabatischen Verhältnissen und ohne Berücksichtigung von Strömungsverlusten genutzt werden. Der Wirkungsgrad kann gesteigert werden, wenn analog zur Technik eines Stirlingmotors im Zwischenspeicher ein Wärmetauscher zur Druckerhöhung des gespeicherten Gases eingebaut ist, durch den Abgas mit noch ausreichender Wärmeenergie des gleichen oder anderer Zylinder geführt wird, bevor es den Motor endgültig verlässt.
Die nachfolgenden Bilder und Bildbeschreibungen erläutern ausführlich anhand einiger Beispiele die Funktionsabläufe und Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
Bildbeschreibung:
1 zeigt den über die Zeitachse aufgetragenen gewöhnlichen Ablauf eines Viertaktverfahrens: Der Zyklus beginn hier im Arbeitstotpunkt OTa mit der Expansion. Kurz vor Ende des Arbeitshubes bei UT öffnet Auslass. Dabei geht das noch vorhandene Expansionspotential verloren, um dessen teilweise Rückgewinnung es in dieser Erfindung geht. Im Ausschubhub wird das verbrannte Gas ausgeschoben. Im Spültotpunkt OTs schließt Auslass und öffnet Einlass. Gemisch oder Frischgas wird angesaugt bis zum nächsten UT. Danach beginnt der Kompressionshub, der mit der Zündung nahe OTa abschließt.
2 zeigt den gleichen Ablauf des vorbeschriebenen Viertakt-Zyklus, jedoch um zwei weitere Takte verlängert: Der Zyklus beginnt wieder im Arbeitstotpunkt OTa. Am Ende des Expansionshubes im Bereich UT öffnet Einlass und entlässt einen Teil des noch nicht entspannten Gases in einen nach außen geschlossenen Zwischenspeicher ZS. Danach wird Einlass geschlossen und Auslass geöffnet.
Mit dem nun folgenden zweiten Takt wird das im Zylinder befindliche Gas ausgeschoben. Bei Erreichen des Nachexpansions-Totpunktes OTn wird Auslass geschlossen und über Öffnen von Einlass das zwischengespeicherte Gas während des nun folgenden Nachexpansionshubes in den Zylinder zur weiteren Expansion bis UT zurückgeführt, wonach Einlass wieder geschlossen wird. Danach wird der Zwischenspeicher nach außen geöffnet. Der folgende Ausschubhub befördert das Gas aus dem Zylinder bis der Spültotpunkt OTs erreicht ist. Dort schließt Auslass und öffnet Einlass und im folgenden Ansaughub wird Frischgas angesaugt bis zum nächsten UT. Danach beginnt der Kompressionshub, der mit der Zündung abschließt. Der mit EO bezeichnete schraffierte Balken unterhalb der Zeitachse stellt das Zeitfenster dar, in welchem der Zwischenspeicher offen ist für die Aufnahme von frischem Gas, das dann bei offenem Einlass in den Zylinder strömen kann.
3 zeigt den über die Zeitachse aufgetragenen gewöhnlichen Ablauf eines Zweitaktverfahrens: Der Zyklus beginnt wieder im Arbeitstotpunkt OTa mit der Expansion des verbrannten Gases. Kurz vor Ende des Expansionshubes öffnet Auslass und im Bereich von UT etwas später auch Einlass um den Zylinder zu spülen. Kurz nach UT schließt Auslass und dann auch Einlass und das durch die Spülung eingebrachte Gemisch oder Frischgas wird verdichtet und im Bereich des OTa gezündet. Danach beginnt wieder ein neuer Zyklus.
4 zeigt den gleichen Ablauf des vorbeschriebenen Zweitakt-Zyklus, jedoch um zwei weitere Takte verlängert: Der Zyklus beginnt wieder im Arbeitstotpunkt OTa. Am Ende des Expansionshubes im Bereich von UT öffnet Einlass und entlässt einen Teil des noch nicht entspannten Gases in einen nach außen geschlossenen Zwischenspeicher ZS. Danach wird Einlass geschlossen und Auslass geöffnet. Mit dem nun folgenden zweiten Takt wird das im Zylinder befindliche Gas ausgeschoben. Bei Erreichen des Nachexpansions-Totpunktes OTn wird Auslass geschlossen und über Öffnen von Einlass das zwischengespeicherte Gas während des nun folgenden Nachexpansionshubes in den Zylinder zur weiteren Expansion zurückgeführt. Kurz vor UT schließt Einlass und öffnet Auslass und das Restgas wird abgeführt. Gleichzeitig wird der Zwischenspeicher nach außen geöffnet. Im Bereich des UT öffnet Einlass erneut um den Zylinder mit Frischgas zu spülen, sodann schließt Auslass. Kurz nach UT schließt auch Einlass wieder und es beginnt der Kompressionshub, der mit der Zündung abschließt und einen neuen Zyklus einleitet. Die mit EO bezeichneten schraffierten Balken unterhalb der Zeitachse stellen das Zeitfenster dar, in welchem der Zwischenspeicher offen ist für die Aufnahme von frischem Gas, das dann bei offenem Einlass in den Zylinder strömen kann.
5 zeigt den Querschnitt eines Gegenkolbenmotors, wobei der Bereich des zweiten Kurbelgehäuses mit der zweiten Kurbelwelle hier nicht dargestellt werden muss, da er spiegelbildlich um die Motormitte ausgeführt ist. Die Kolben 1 und 2 bewegen sich in den Schiebebüchsen 3 und 4, die ihrerseits hydraulisch bewegt werden können und den Gaswechsel in folgender Weise steuern: Über die in einem Hydraulikventilblock 12 eingebauten elektrisch gesteuerten Ventile wird unter Druck stehendes Öl über den Anschluss 7 und die Zulaufbohrung 8 aus einem Druckspeicher zugeführt und über die Dreiwegeventile 9, 10 und 11 auf die anzusteuernden Hydraulikelemente verteilt. Je nach Schaltzustand des Ventils 11 wird die Leitung 13 mit der unter Druck stehenden Zulaufbohrung 8 oder dem drucklosen Rücklaufraum 17 verbunden. Soll die Einlass-Schiebebüchse 3 geöffnet werden um den Gasaustausch mit dem Einlasskanal 18 zu ermöglichen, fließt Drucköl über das Ventil 11 und die Druckleitung 13 in den Ringkanal 16 und drückt gegen mehrere um den Zylinder herum angeordnete kleine Hydraulikkolben 6 welche mit der Schiebebüchse 3 verbunden sind und diese bis zum Anschlag mitnehmen. Schaltet das Ventil 11 um, wird die Druckleitung 13 entlastet und die um den Zylinder herum angeordneten Federn 5 drücken die Schiebebüchse 3 zurück auf ihren Dichtsitz. Dabei fließt das zurückgeförderte Öl in den Rücklaufraum 17. Gleichzeitig wird die Verbindung vom Zylinder zum Einlasskanal 18 wieder geschlossen.
In gleicher Weise geschieht dies auf der Auslassseite, wenn durch das Ventil 9 Druck auf die Leitung 15 kommt und damit die Auslass-Schiebebüchse 4 geöffnet wird und somit das Abgas aus dem Zylinder in den Auslasskanal 19 übertreten und durch den Abgaskrümmer 22 abfließen kann. Das Gasvolumen im Einlasskanal 18, der ringförmig um den Zylinder herum führt, kann durch eine vom Ventil gesteuerte Klappe 20 (hier geöffnet gezeichnet) vom Einlasskrümmer 21 abgeschottet werden. Mit dieser Ausführung können die in der Patentanmeldung DE102013002671 (Multi-Takt Verfahren) genannten Leerhübe zwecks Nachexpansion durch einen erweiterten Kreisprozesses in folgender Weise – hier beginnend im oberen Arbeitstotpunkt – genutzt werden:

1. Takt: Zündung des Gemisches oder Einspritzung von Kraftstoff im Bereich des oberen Totpunktes. Danach erfolgt die Kolbenbewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt. Das heiße Verbrennungsgas expandiert und leistet Arbeit. Die Einlass-Schiebebüchse 3 und die Auslass-Schiebebüchse 4 sind dabei geschlossen, die Klappe 20 ebenfalls.
2. Takt: Im Bereich des unteren Totpunktes wird Einlass geöffnet. Das noch nicht vollständig expandierte und noch unter Druck stehende Gas strömt teilweise in den zum Einlasskrümmer 21 hin verschlossenen Einlasskanal 18 bis sich innerhalb und außerhalb des Zylinders ein Druckausgleich einstellt. Danach wird das Gas im Einlasskanal 18 eingeschlossen, indem die Einlass-Schiebebüchse 3 wieder geschlossen wird, die Auslassbüchse 4 wird geöffnet und das verbliebene Gas im Zylinder durch den Ausschubhub in den Auslasskanal 19 und weiter in den Auslasskrümmer 22 geschoben.
3. Takt: Im oberen Totpunkt wird die Auslass-Schiebebüchse 4 geschlossen und die Einlass-Schiebebüchse 3 abermals geöffnet, sodass das verbliebene und noch unter Druck stehende Gas im Einlasskanal 18 während dieses Expansionshubes weiter entspannt wird und Arbeit leistet.
4. Takt: Im Bereich des unteren Totpunktes wird die Auslass-Schiebebüchse 3 geöffnet, so dass der Restdruck entweichen kann, danach wird die Einlass-Schiebebüchse 2 geschlossen und die den Einlasskanal 18 vom Einlasskrümmer 21 trennende Klappe 20 geöffnet. Durch den Hub vom unteren zum oberen Totpunkt wird das Restgasvolumen im Zylinder durch den Auslasskanal 19 und den Auslasskrümmer 22 ausgeschoben.
5. Takt: Die Einlass-Schiebebüchse 3 wird geöffnet. Durch den Ansaughub vom oberen zum unteren Totpunkt wird der Zylinder über den Einlasskrümmer 21 und Einlasskanal 18 mit Frischgas oder Gemisch gefüllt.
6. Takt: Die Einlass-Schiebebüchse 3 wird wieder geschlossen. Ebenso die Klappe 20. Durch die Kolbenbewegung vom unteren zum oberen Totpunkt wird das Frischgas komprimiert. Mit der Zündung des Gemisches, bzw. mit der Kraftstoffeinspritzung im Bereich des oberen Totpunktes beginnt ein neuer Arbeitszyklus.

6 zeigt den Querschnitt eines Verbrennungsmotors, dessen Gaswechselorgane exakt so ausgeführt sind und funktionieren, wie bei dem in vorgenannter 5 beschriebenen Gegenkolbenmotor. Es handelt sich indes hier nicht um einen Gegenkolbenmotor, da nur einer der beiden Kolben Arbeit an die Kurbelwelle abgibt, während der zweite Kolben für die Änderung des Verdichtungsverhältnisses vorgesehen ist. Der Kolben 1 bewegt sich in der Schiebebüchsen 3, der der Verdichtungsänderung dienende Kolben 2 befindet sich in der Schiebebüchse 4. Beide Schiebebüchsen werden hydraulisch bewegt und steuern den Gaswechsel analog zur Beschreibung in 5 in folgender Weise:
Über die in einem Hydraulikventilblock 12 eingebauten elektrisch gesteuerten Ventile wird unter Druck stehendes Öl über den Anschluss 7 und die Zulaufbohrung 8 aus einem Druckspeicher zugeführt und über die Dreiwegeventile 9, 10 und 11 auf die anzusteuernden Hydraulikelemente verteilt. Je nach Schaltzustand des Ventils 11 wird die Leitung 13 mit der unter Druck stehenden Zulaufbohrung 8 oder dem drucklosen Rücklaufraum 17 verbunden. Soll die Einlass-Schiebebüchse 3 geöffnet werden um den Gasaustausch mit dem Einlasskanal 18 zu ermöglichen, fließt Drucköl über das Ventil 11 und die Druckleitung 13 in den Ringkanal 16 und drückt gegen mehrere um den Zylinder herum angeordnete kleine Hydraulikkolben 6 welche mit der Schiebebüchse 3 verbunden sind und diese bis zum Anschlag mitnehmen. Schaltet das Ventil 11 um, wird die Druckleitung 13 entlastet und die um den Zylinder herum angeordneten Federn 5 drücken die Schiebebüchse 3 zurück auf ihren Dichtsitz. Dabei fließt das zurückgeförderte Öl in den Rücklaufraum 17. Gleichzeitig wird damit die Verbindung vom Zylinder zum Einlasskanal 18 wieder geschlossen.
In gleicher Weise geschieht dies auf der Auslassseite, wenn durch das Ventil 9 Druck auf die Leitung 15 kommt und damit die Auslass-Schiebebüchse 4 geöffnet wird und somit das Abgas aus dem Zylinder in den Auslasskanal 19 übertreten und durch den Abgaskrümmer 22 abfließen kann. Das Gasvolumen im Einlasskanal 18, der ringförmig um den Zylinder herum führt, kann durch eine vom Ventil gesteuerte Klappe 20 (hier geschlossen gezeichnet) vom Einlasskrümmer 21 abgeschottet werden.
Mit der vorbeschriebenen Ausführung können die in der Patentanmeldung DE102013002671 (Multi-Takt Verfahren) genannten Leerhübe zwecks Nachexpansion durch einen erweiterten Kreisprozesses in folgender Weise – hier beginnend im oberen Arbeitstotpunkt – genutzt werden:

1. Takt: Zündung des Gemisches oder Einspritzung von Kraftstoff im Bereich des oberen Totpunktes. Danach erfolgt die Kolbenbewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt. Das heiße Verbrennungsgas expandiert und leistet Arbeit. Die Einlass-Schiebebüchse 3 und die Auslass-Schiebebüchse 4 ist dabei geschlossen, die Klappe 20 ebenfalls.
2. Takt: Im Bereich des unteren Totpunktes wird Einlass geöffnet. Das nicht vollständig expandierte und noch unter Druck stehende Gas strömt in den zum Einlasskrümmer 21 hin verschlossenen Einlasskanal 18 bis sich innerhalb und außerhalb des Zylinders ein Druckausgleich einstellt. Danach wird das Gas im Einlasskanal 18 eingeschlossen, indem die Einlass-Schiebebüchse 3 wieder geschlossen wird, die Auslass-Schiebebüchse 4 wird geöffnet und das verbliebene Gas im Zylinder durch die Kolbenbewegung vom unteren zum oberen Totpunkt in den Auslasskanal 19 und weiter in den Auslasskrümmer 22 geschoben.
3. Takt: Im oberen Totpunkt wird die Auslassbüchse 4 geschlossen und die Einlassbüchse 3 abermals geöffnet, sodass das verbliebene und noch unter Druck stehende Gas im Einlasskanal 18 während der Kolbenbewegung zum unteren Totpunkt weiter entspannt wird und Arbeit leistet.
4. Takt: In Nähe des unteren Totpunktes wird die Auslass-Schiebebüchse 4 geöffnet, und der Restdruck entweicht, danach wird die Einlass-Schiebebüchse 3 geschlossen und die den Einlasskanal 18 vom Einlasskrümmer 21 trennende Klappe 20 geöffnet. Im folgenden Ausschubhub wird das Restgas im Zylinder durch den Auslasskanal 19 und den Auslasskrümmer 22 ausgeschoben.
5. Takt: Die Einlass-Schiebebüchse 3 wird geöffnet. Durch den Ansaughub wird der Zylinder über den Einlasskrümmer 21 und Einlasskanal 18 mit Frischgas oder Gemisch gefüllt.
6. Takt: Die Einlass-Schiebebüchse 3 wird wieder geschlossen. Ebenso die Klappe 20. Durch den Hub vom unteren zum oberen Totpunkt wird das Frischgas komprimiert. Mit der Zündung des Gemisches, bzw. mit der Kraftstoffeinspritzung im Bereich des oberen Totpunktes beginnt ein neuer Arbeitszyklus.

7 und 8 zeigen Motoren, insbesondere solche wie in 5 und 6 beschriebene als Maschinen, die einem abgaserzeugenden Verbrennungsmotor nachgeschaltet sind und ausschließlich der Nachexpansion dienen und daher keine eigene Zündung aufweisen. Vom Verbrennungsmotor 28 wird das von einem seiner Zylinder kommende Abgas über das Rohr 23 und das umschaltbare Dreiwegeventil 24 zum Auspuff 25 geführt. Im Moment der Auslassöffnung wird dieses Ventil 24 – wie in 8 gezeigt – umgeschaltet, versperrt den Weg zum Auslass 25 und öffnet den Weg in den Druckspeicher 26, dessen Anschluss 27 mit dem Einlass eines zweiten Motors 29 verbunden ist. Dieser Motor wird nicht gezündet, sondern arbeitet ähnlich wie ein mit Pressluft betriebener Hubkolbenmotor durch das Druckgefälle, das zwischen Einlass und Auslass dieses Motors besteht. Ist der vom Rohr 23 kommende Druck auf einen Wert gesunken, der geringer ist als der im Behälter 26 herrschende Druck, wird der Weg zum Auspuff 25 mittels des Ventils 24 wieder freigegeben und der Eingang des Behälters 26 wieder verschlossen. Auf diese Weise kann sowohl die dynamische Energie sowie ein Teil des herrschenden Druckgefälles beim Öffnen des Auslassventils oder der Auslass-Schiebebüchse des gezündeten Motors genutzt werden, ohne dass diese teilweise dadurch wieder verloren geht, dass der Ausschubhub des gezündeten Kolbens gegen den Behälterdruck arbeiten muss. Natürlich können auch mehrere Zylinder des Motors 28 in den Behälter 26 münden.
9 zeigt, dass auch die Wärmeenergie des direkt vom Motor 28 zum Auspuff 25 fließenden Gases noch genutzt werden kann, indem dieses in der Art eines Wärmetauschers durch den Behälter 26 geleitet wird, einen weiteren Teil seiner Wärme dort abgibt und damit den Druck im Behälter 26 erhöht. Der nachexpandierende Motor 29 kann wesentlich kleiner ausgeführt sein als Motor 28, da er nicht die volle Abgasmenge erhält und dazu mit wesentlich höherer Drehzahl betrieben wird.
10 zeigt eine Abfolge der Zyklen des nachexpandierenden Motors ohne eigene Zündung, beginnend ab dem oberen Totpunkt OT, der Expansion bis zum unteren Totpunkt UT und dem Ausschub des nachexpandierten Gases bis zurück zum oberen Totpunkt, wo dann ein neuer Zyklus beginnt. Diese Ausführung kann auch anstelle oder hinter einem Turbolader des Abgas erzeugenden Motors angebracht sein. Die Abgase können damit je nach Größe und Drehzahl dieses Motors beliebig weiter expandiert werden. Die Drehzahl, bzw. die Anzahl der Takte ist hier nicht abhängig von der Drehzahl des Abgas erzeugenden Motors.
11 zeigt einen Sechszylindermotor mit gemischter Nutzung der einzelnen Zylinder. Bei Volllast arbeitet der hier als Beispiel gezeigte Motor im Viertaktverfahren mit der Zündfolge 1-5-3-6-2-4. Im Teillastbetrieb kann beispielsweise auf das hier gezeigte Schema umgeschaltet werden mit der Zündfolge 1-2-6-5, wobei die mittleren Zylinder 3 und 4 nicht gezündet werden, sondern nur der Nachexpansion dienen in ähnlicher Weise wie vorbeschrieben. Die jeweils im Zylinder 3 mündenden langen Pfeillinien zeigen den Weg, den das Gas in der kurzen Vorab-Auslass-Phase vor dem unteren Totpunkt des Expansionshubes von Zylinder 1 oder 2 durch deren geöffnetes Einlass nimmt direkt in den jeweils nächstfolgenden Einlass von Zylinder 3, wo es nachexpandiert wird. Analog geschieht es bei Zylinder 6 und 5, deren Vorauslass im Zylinder 4 nachexpandiert wird. Optional sind weitere zahlreiche Kombinationen möglich, abhängig von der Anzahl der Zylinder und der jeweils erforderlichen momentanen Antriebsleistung.
12 zeigt eine Variante der 5 und 6. Ein separater Einlasskanal entfällt bei dieser Abwandlung. Anstelle dessen tritt ein gemeinsamer Einlass- und Auslasskanal 19, der an zwei verschiedenen Stellen am Umfang des Zylinders zugänglich ist. An einer dieser Stellen sitzt ein Einlasskrümmer 21, an einer anderen Stelle ein Auslasskrümmer 22, beide hier jedoch aus Darstellungsgründen an der gleichen Stelle gezeigt. Sie können jeweils mit einer Klappe 20 oder 30 zum Kanal 19 hin geöffnet oder geschlossen werden. Anstelle des Einlasskanals tritt der Zwischenspeicher 18, der durch die Schiebebüchse 3 zum Zylinder hin geöffnet werden kann. Die Abfolge der Takte ist ähnlich wie in 5 und 6 geschildert, jedoch wird das frische Gas nicht mehr über den Zwischenspeicher zugeführt, sondern über den Einlasskrümmer 21. Die Schiebebüchse 3 steuert nunmehr ausschließlich den Zugang zum Zwischenspeicher 18, während die Steuerzeiten für Einlass und Auslass nun durch eine Kombination der Steuerung für die Schiebebüchse 4 und den Klappen 20 und 30 verwirklicht werden. Dies geschieht in der Weise, dass am Ende des Arbeits- und Expansionshubes die Schiebebüchse 3 geöffnet wird und ein Druckausgleich mit den Zylindervolumen hergestellt wird. Danach wird diese Schiebebüchse 3 wieder geschlossen und die Schiebebüchse 4 sowie die Klappe 30 am Auslasskrümmer geöffnet. Die Schiebebüchse 4 wird am Ende des darauffolgenden Ausschubhubes – welcher das Abgas zum Auslasskrümmer hinaus befördert – wieder geschlossen, bevor die Schiebebüchse 3 wieder geöffnet wird zwecks Druckausgleichs des Zwischenspeichers 18 mit dem Zylindervolumen, welches nun im folgenden Nachexpansions-Hub weiter entspannt wird und Arbeit leistet. Am Ende dieses Hubes wird der Zwischenspeicher 18 wieder durch die Schiebebüchse 3 verschlossen und im danach folgenden Ausschubhub das verbliebene Abgas über den Kanal 19 und den Auslasskrümmer 22 abgeführt. Danach wird die Klappe 30 im Auslasskrümmer 22 geschlossen und die Klappe 20 im Einlasskrümmer 21 geöffnet, so dass mit dem folgenden Ansaughub der Zylinder mit frischem Gas gefüllt wird. Darauf schließt die Schiebebüchse 4 und die Klappe 21, es folgt der Verdichtungshub und ein neuer Zyklus beginnt.
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

DE 102004032452 [0003]
US 2008/0115771 [0003]
DE 102009053723 [0003]
DE 102012010982 [0003, 0007]
DE 102013002671 [0003, 0016, 0019]

Claims

Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit elektronisch gesteuerten Gaswechselorganen für variable Steuerzeiten, gekennzeichnet dadurch, dass die aus einzelnen Takten bestehenden Arbeitszyklen für einzelne oder alle Zylinder eines Motors unterschiedliche Taktzahlen aufweisen können, die auch im laufenden Betrieb durch Anpassung der Steuerzeiten individuell so verändert werden können, dass eine Nachexpansion des Abgases einzelner oder aller Zylinder erfolgt.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein Viertakt-Arbeitszyklus durch zwei nachfolgende Takte erweitert wird, die der Nachexpansion des Abgases dienen, in der Weise, dass beginnend mit dem Verdichtungshub, an dessen Ende die Zündung erfolgt, der nächste Takt als Arbeits- und Expansionshub erfolgt an dessen Ende ein Zwischenspeicher geöffnet wird, der einen Teil des im Zylinder noch unter Druck stehenden Abgases aufnimmt und der danach wieder verschlossen wird, bevor Auslass öffnet und im nächsten Takt das im Zylinder verbliebene Abgas durch den Ausschubhub in den Auspuff befördert wird, wobei gegen Ende des Ausschubhubes Auslass wieder geschlossen wird und das im Zwischenspeicher befindliche Gas zurück in den Zylinder geführt wird, um im nun folgenden Nachexpansionshub weiter entspannt zu werden und dadurch Arbeit zu leisten, um schließlich im folgenden Takt durch den zweiten Ausschubhub ebenfalls dem Auspuff zugeführt zu werden, ehe im letzten Takt frisches Gas angesaugt wird und nach Beendigung dieses Ansaughubes ein neuer Arbeitszyklus beginnt.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein Zweitakt-Arbeitszyklus durch zwei nachfolgende Takte erweitert wird, die der Nachexpansion des Abgases dienen, in der Weise, dass beginnend mit dem Verdichtungshub, an dessen Ende die Zündung erfolgt, der nächste Takt als Arbeits- und Expansionshub erfolgt an dessen Ende ein Zwischenspeicher geöffnet wird, der einen Teil des im Zylinder noch unter Druck stehenden Abgases aufnimmt und der danach wieder verschlossen wird, bevor Auslass öffnet und im nächsten Takt das im Zylinder verbliebene Abgas durch den Ausschubhub in den Auspuff befördert wird, wobei gegen Ende des Ausschubhubes Auslass wieder geschlossen wird und das im Zwischenspeicher befindliche Gas zurück in den Zylinder geführt wird, um im nun folgenden Nachexpansionshub weiter entspannt zu werden und dadurch Arbeit zu leisten, wobei dann gegen Ende dieses Nachexpansionshubes Auslass öffnet und das Abgas dem Auspuff zuführt und kurz darauf auch durch Öffnen von Einlass der Zylinder mit frischem Gas gespült wird, wonach ein neuer Arbeitszyklus mit dem nächsten Verdichtungshub des frisch eingeströmten Gases beginnt.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass den in Anspruch 2 und 3 beschrieben Zyklen weitere Nachexpansionshübe angehängt werden, die funktionsgleich mit den jeweils vorausgegangenen Nachexpansionszyklen sind.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass bei Mehrzylinder-Motoren einzelne Zylinder mit unterschiedlichen Zyklen betrieben werden, d. h. im Zweitakt oder Viertakt, sowie zusätzlich – oder auch nur – mit Nachexpansions-Takten.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass dieser Motor zur Erzielung höherer Wärmedichtheit als Gegenkolbenmotor ausgeführt ist und/oder als Gaswechselorgane Schiebebüchsen aufweist.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass der Zwischenspeicher für die nachzuexpandierenden Abgase zylindernah angeordnet ist, d. h. der unmittelbar auf das Gaswechselorgan mündende Kanal dient als Speicher, der sowohl auf der Gaseintritts- als auch auf der Gasaustritts-Seite elektronisch kontrolliert verschließbar ist.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass im Zwischenspeicher ein Wärmetauscher zur Druckerhöhung des zwischengespeicherten Gases eingebaut ist, durch den das bereits entspannte Abgas des gleichen oder anderer Zylinder geführt wird, bevor es den Motor endgültig verlässt.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass dem abgaserzeugenden Motor ein zweiter Motor nachgeschaltet wird, dessen ausschließliche Aufgabe darin liegt, die ihm zugeleiteten Abgase weiter zu expandieren und ihre Energie zu nutzen.
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass dieser nachgeschaltete Motor zwecks Erzielung höherer Wärmedichtheit als Gegenkolbenmotor ausgeführt ist und/oder Schiebebüchsen als Gaswechselorgane aufweist.