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Die Erfindung betrifft ein Laststeuerorgan für eine mengengeregelte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 1.
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Beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 30 00 145 A1 ist eine Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine bekannt, insbesondere eines Vier-Takt-Otto-Brennkraftmaschine, deren Einlassseite von einem vorgeschalteten, mit der Auslassseite der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung stehenden Druckerhöher (Ladersystem) ein über dem Atmosphärendruck liegender Ladedruck zugeführt ist. Die Vorrichtung zur Aufladung zeichnet sich dadurch aus, dass der Lader eine modifizierte Rotationskolbenmaschine (Trochoidenmaschine) ist, die eingangsseitig als Kompressionsmaschine und gleichzeitig ausgangsseitig, jeweils auf die Brennkraftmaschine bezogen, als Expansionsmaschine arbeitet, wobei die Rotationskolbenmaschine für einen Kompressionsbereich und für einen Expansionsbereich über jeweils getrennte Einlass- und Auslassöffnungen verfügt, wobei die Rotationskolbenmaschine mit der Brennkraftmaschine drehfest verbunden ist.
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Diese bekannte Rotationskolbenmaschine ist stirnseitig an die Brennkraftmaschine angeordnet, wodurch sich in nachteiliger Weise für den Ladungswechsel relativ lange Gaswege für die Ansaugluft bzw. für das Abgas ergeben.
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Weiter sind aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2009 028 086 A1 eine Rotationskolbenmaschine sowie eine Aufladeeinrichtung bekannt. Es ist eine Rotationskolbenmaschine mit einem Gehäuse, das eine Kammer aufweist, in welcher mindestens ein Rotationskolben exzentrisch drehbar gelagert ist und der somit die Kammer in eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer aufteilt. Dabei ist vorgesehen, dass die Außenkontur des Rotationskolbens – im Querschnitt gesehen – eine zweibogige Hypotrochoide ist. Weiter ist eine derartige Aufladeeinrichtung für den Betrieb einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffzellenanordnung beschrieben.
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Diese bekannte Aufladeeinrichtung ist in nachteiliger Weise mit zwei separaten Rotationskolbenmaschinen realisiert. Die erste Rotationskolbenmaschine wird als Verdichter und die zweite Rotationskolbenmaschine als Expander verwendet.
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Weiter ist aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2011 006 388 A1 ein Verfahren zum Betrieb einer mengengeregelten Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Ansaugtrakt und einem Abgasstrang, wobei in dem Ansaugtrakt in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor einem Einlassventil der Brennkraftmaschine eine Expansionsmaschine angeordnet ist, deren Abtriebswelle mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine oder mit einer Antriebswelle einer elektrischen Maschine koppelbar ist. Weiter ist ein an den Abgasstrang anordenbarer Wärmetauscher vorgesehen ist. Mit dieser Anordnung kann die Verbrennungsluft, bevor sie durch die Expansionsmaschine strömt, in dem Wärmetauscher von dem Abgas der Brennkraftmaschine aufgeheizt werden.
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Übliche Laststeuerungen für quantitätsgeregelte (Otto-)Brennkraftmaschinen vermögen nicht die Energie des einströmenden Gases im Teillastbetrieb zu nutzen. Sie wird stattdessen bei der Drosselung in Wärme umgesetzt. Dies gilt auch für einen hubvariablen Ventiltrieb, wie z. B. die BMW „Valvetronic”, wenngleich deutlich verringert. Für einen aufgeladenen Betrieb wird eine gesonderte Aufladeeinheit, wie beispielsweise ein Abgasturbolader oder Kompressor, o. ä., benötigt.
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Weiter ist die Verwendung einer Expansionsmaschine bekannt, z. B. in Verbindung mit der Aufheizung der Ansaugluft zwecks Nutzung der Abgasenergie, bevor sie nach der Expansion wieder rückgekühlt wird, um geeignete Bedingungen im Brennraum der Brennkraftmaschine zu schaffen. Damit erhöht sich das nutzbare Arbeitsvolumen. Auch hier bedarf es einer geeigneten Expansionsmaschine, die in diesem Fall auch heißgasfähig sein muss.
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Ebenfalls bekannt ist die Verwendung einer Drehkolbenmaschine (bestehend aus einem Innenläufer und einem Außenläufer) mit axialer Zu- und Abströmung der Verbrennungsluft und entsprechender Steuerung derselben durch verstellbare Querschnitte im Gehäuse als Expander bzw. Aufladeeinheit für eine Otto-Brennkraftmaschine. Bekannt ist diese Anordnung beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 38 25 481 A1 .
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Weiterhin bekannt sind Drehkolbenmaschinen mit doppelt schnell drehendem Innenläufer, wobei dieser eine schwierig zu fertigende Trochoidenform aufweist und eine äußere Hüllkurve mit zwei nach innen zeigenden Spitzen erzeugt, an denen Dichtelemente sitzen. Diese Konfiguration ist beispielsweise aus dem bekannten Huf-Motor bekannt.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 082 563 A1 eine mengengeregelte Brennkraftmaschine, insbesondere eine Vier-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder bekannt, dessen Längsachse mit der Brennkraftmaschinen-Längsachse eine Ebene aufspannt bekannt. Die Brennstoffeinbringung erfolgt in ein Ansaugsystem und/oder in den Zylinder der Brennkraftmaschine. In dem Ansaugsystem ist als Lastregelorgan eine Trochoidenmaschine mit einem Rotationskolben angeordnet, die drehfest mit einer Welle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Mit der Trochoidenmaschine ist die Ansaugluft sowohl komprimier- als auch expandierbar. Für den Ladungswechsel sind zumindest ein Gaswechseleinlass- und ein Gaswechselauslassventil je Zylinder vorgesehen. Der Rotationskolben ist im Querschnitt eine zweibogige Hypotrochoide, wobei die Rotationskolbenachse parallel zu der Ebene und weitgehend senkrecht zur Längsachse ausgerichtet ist und eine Zufuhr und eine Abfuhr der Ansaugluft in und aus der Trochoidenmaschine weitgehend radial erfolgt.
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Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist die kostenintensive mechanische Fertigung der zweibogigen Hypotrochoide. Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn bei gleichem Bauraum ein größerer Gasdurchsatz für das Laststeuerorgan darstellbar wäre.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laststeuerorgan für eine mengengeregelte Brennkraftmaschine darzustellen, welches fertigungstechnisch einfacher und kostengünstiger produzierbar ist und gleichzeitig bei gleichem Bauraum einen größeren Gasdurchsatz aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind sehr einfach zu fertigende Oberflächen erzielt, da nur Radien und keine komplexe Geometrie vorliegt. Darüber hinaus zeichnet sich die vorgestellte Geometrie durch besonders hohen Gasdurchsatz je Bauraum aus, da keine schädlichen Kolbenflächen im Querschnitt im Vergleich zu höheren Trochoiden vorliegen. Die radiale Zu- und Abströmung passt darüber hinaus sehr gut zu einer Brennkraftmaschine in Reihenbauweise, da die Baulänge sehr gut bezüglich der Zylinderanzahl skalierbar ist. Ferner werden in vorteilhafter Weise Verbrauchsvorteile mit üblichen Brennkraftmaschinen durch Vorschalten des erfindungsgemäßen Laststeuerorgans erschlossen. Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine kann auch in Heißgasmaterial (Keramik o. ä.) mit Spaltabdichtung an der umlaufenden Dichtstelle dargestellt werden und ermöglicht somit zusätzlich in vorteilhafter Weise die Abgaswärmenutzung.
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Die Innenkontur des Außenläufers gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante, da diese besonders einfach herstellbar ist.
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Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 lässt sich in einfacher Art und Weise eine flächige Dichtung erzielen, mit einem sehr kleinen Leckagespalt.
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Mit der Ausgestaltung des Rotationskolbens gemäß Patentanspruch 4 können besonders kleine Totvolumina dargestellt werden.
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Die Ausgestaltung der Freiformkontur gemäß Patentanspruch 5 ist wieder eine besonders einfach mechanisch zu fertigende Variante.
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Mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 6 bis 11 lässt sich in besonders einfacher Art und Weise eine Gasverdünnung bzw. eine Gasverdichtung einstellen (Expansion, Kompression). Darüber hinaus erhalten die Blenden aufgrund der Lochblechverwendung eine besonders gute mechanische Festigkeit.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 12 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante mit geringen bewegten Massen.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 13 ermöglicht eine einfache Anpassung an die Brennkraftmaschine.
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Bevorzugt wird das Lastregelorgan gemäß Patentanspruch 14 für eine Brennkraftmaschine vorgesehen.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von sechs Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine mengengeregelte Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Laststeuerorgan.
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2 zeigt einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Laststeuerorgan.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Rotationskolben des Laststeuerorgans.
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4 zeigt in einem Diagramm einen Ein- und einen Ausströmquerschnitt über die Zeit sowie ein Fördervolumen des Laststeuerorgans bei einer niedrigen Last der Brennkraftmaschine.
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5 zeigt in einem Diagramm den Ein- und den Ausströmquerschnitt über die Zeit sowie das Fördervolumen des Laststeuerorgans bei einem neutralen Druckverhältnis vor und nach dem Laststeuerorgan.
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6 zeigt in einem Diagramm den Ein- und Ausströmquerschnitt über die Zeit sowie das Fördervolumen des Laststeuerorgans bei einem Kompressorbetrieb der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine mengengeregelte Brennkraftmaschine 2 mit einem erfindungsgemäßen Laststeuerorgan 1. Das Laststeuerorgan 1 ist in einem Ansaugsystem 6 der Brennkraftmaschine 2 angeordnet. Eine Strömungsrichtung der Ansaugluft ist durch zwei Pfeile im Ansaugsystem 6 dargestellt. Das Laststeuerorgan 1 fördert die Ansaugluft in dem Ansaugsystem 6 in Richtung der Brennkraftmaschine 2, bevorzugt eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine 2 weist für einen Ladungswechsel je Zylinder 3 zumindest ein Gaswechseleinlassventil 4 und zumindest ein Gaswechselauslassventil 5 auf. Ein Brennraum der Brennkraftmaschine wird von einem Kolben 16, dem Zylinder 3 und einem nicht bezifferten Zylinderkopf gebildet. Für die Verbrennung ist weiter eine Zündvorrichtung 15, wie z. B. eine Zündkerze, in dem Zylinderkopf vorgesehen. Eine nicht dargestellte Brennstoffeinbringung in den Brennraum kann beispielsweise im Ansaugsystem 6 und/oder direkt in den Zylinder 3 erfolgen. Ein Abgas wird durch einen nicht bezifferten Abgastrakt, beginnend mit dem Gaswechselauslassventil 5 ausgeschoben. Eine Strömungsrichtung des Abgases ist durch einen Pfeil schematisch dargestellt.
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Das erfindungsgemäße Laststeuerorgan 1 im Ansaugsystem 6 ist eine Drehkolbenmaschine mit einem Außenläufer 7 und einem Rotationskolben 6. Sowohl Außenläufer 7 wie auch der Rotationskolben 8 sind drehfest mit einer Welle der Brennkraftmaschine 2 oder einer nicht dargestellten elektrischen Maschine gekoppelt für eine phasenstarre Synchronisierung. Mit der Trochoidenmaschine ist die Ansaugluft sowohl komprimier- als auch expandierbar. Im Falle einer Expansion der Ansaugluft kann mit der elektrischen Maschine Strom erzeugt werden. Erfindungsgemäß sind der Rotationskolben 8 und der Außenläufer 7 gleichsinnig von der Welle oder der elektrischen Maschine angetrieben, wobei der Rotationskolben 8 mit der doppelten Drehzahl des Außenläufers 7 dreht und der Außenläufer 7 eine Gaseinlassöffnung 9 und eine Gasauslassöffnung 10 aufweist, wobei der Rotationskolben 8 und der Außenläufer 7 in einem gemeinsamen Gehäuse 11 angeordnet sind.
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Die gleichsinnige Drehrichtung des Außenläufers 7 und des Rotationskolbens 8 ist durch zwei kreisbogenförmige Pfeile dargestellt. Eine Drehachse des Außenläufers 7 ist mit 20 beziffert. Eine Drehachse des Rotationskolbens 8 ist mit 13 beziffert.
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Für eine einfache und kostengünstige Fertigung des Laststeuerorgans 1 ist eine Innenkontur 7' des Außenläufers 7 im wesentlichen aus zwei parallelen, voneinander beabstandeten Zylinderflächen gebildet, die über gegenläufige Zylinderflächen 7'' ohne eine Unstetigkeitsstelle verbunden sind. Bevorzugt erstrecken sich die gegenläufigen Zylinderflächen 7'' über 2° bis 60° der Zylinderflächen 7' in radialer Richtung. Besonders bevorzugt weist der Rotationskolben 8 eine Freiformkontur auf, um Schadvolumina zu minimieren. In bevorzugter Weise wird die Freiformkontur durch zwei Radien R1, R2 dargestellt. Auch dies ermöglicht wieder eine einfache und kostengünstige Fertigung.
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Weiter ist zwischen dem Außenläufer 7 und dem Gehäuse 11 eine erste zylindrische Blende 12 für die Gaseinlassöffnung 9 vorgesehen, um eine zuströmende Frischgasmenge einstellen zu können. Um eine bestmögliche Volumenstromeinstellung darstellen zu können, ist die erste zylindrische Blende 12 um eine Drehachse 13 des Außenläufers 7 verdrehbar. Um der zylindrischen Blende 12 eine optimale mechanische Struktursteifigkeit zu verleihen, ist diese bevorzugt aus einem Lochblech aus einem Eisenwerkstoff oder einem Leichtmetall, wie z. B. Aluminium gefertigt.
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Um eine volle Volumenstromeinstellung zu erzielen, wie sie in den 4 bis 7 dargestellt ist, ist ferner zwischen dem Außenläufer 7 und dem Gehäuse 11 eine zweite zylindrische Blende 14 für die Gasauslassöffnung vorgesehen, die ebenfalls um die Drehachse 13 des Außenläufers 7 verdrehbar ist und die ebenfalls aus Struktursteifigkeitsgründen bevorzugt, wie die erste zylindrische Blende 12, aus einem Lochblech gefertigt ist.
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Weiter sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Außenläufer 7 und der Rotationskolben 8 aus einem Blech gefertigt, um eine hohe mechanische Stabilität bei einer sehr guten Temperaturbeständigkeit darzustellen.
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Damit ein phasenstarrer Antrieb von Außenläufer 7 und von Rotationskolben 8 gewährleistet ist, sind diese bevorzugt über ein nicht dargestelltes Getriebe phasenstarr miteinander gekoppelt.
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Im Unterschied zu bekannten Ausführungsformen (Trochoidenmaschinen) ergeben sich bei der vorgeschlagenen, erfindungsgemäßen Form, Zylinderanstelle von Freiformflächen für den Außenläufer 7 und den Rotationskolben 8, statt Dichtlinien ergeben sich zwei verbreitete Dichtflächen, an denen eine gegebenenfalls federbelastete Dichtung geringe, strömungsstabilisierte Spalthöhen in den Dichtflächen realisieren kann, da diese aufgrund der einfachen Drehung des Außenläufers 7 nur fliehkraftbelastet und keinen komplizierten Beschleunigungen ausgesetzt ist.
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Die Einlass- bzw. Auslasssteuerung der Verbrennungsluft erfolgt von radial über verstellbare Abdeckschieber, die zwei zylindrischen Blenden 12, 14.
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Diese oben genannten Eigenschaften bleiben auch erhalten, wenn der Außenläufer 7 eine Form ähnlich einer Epitrochoide aufweist (erfindungsgemäß zwei Kreiskonturen, die mit einem Übergangsradius mit umgekehrter Krümmung verbunden sind). Allerdings vergrößert sich in gering nachteiliger Weise ein Totvolumen. Somit liegt erfindungsgemäß ein gegenüber dem Außenläufer 7 gleichsinnig doppelt schnell drehender Rotationskolben 8 vor und die Dichtung erfolgt über konvergent divergent verlaufende Dichtflächen statt Dichtlinien.
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2 zeigt nochmals einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Laststeuerorgan 1. Dargestellt ist der Außenläufer 7 mit seinen Zylinderflächen 7' sowie den gegenläufigen Zylinderflächen 7'', die rotierend in dem Gehäuse 11 angeordnet sind. In dem Außenläufer 7 dreht der Rotationskolben 8 mit doppelter Drehzahl in der gleichen Drehrichtung mit einer gegenüber der Drehachse 13 parallel versetzten Achse 20. Die Gaseinlassöffnung ist wieder mit 9 und die Gasauslassöffnung mit 10 beziffert. Nicht bezifferte Zahnkränze am Außenumfang dienen der Synchronisierung von Außenläufer 7 und Rotationskolben 8. Die Drehrichtung von Außenläufer 7 und Rotationskolben 8 ist durch einen kreisbogenförmigen Pfeil dargestellt.
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3 zeigt einen Schnitt durch den Rotationskolben 8. Wie aus 3 ersichtlich ist, weist der Rotationskolben 8 zwei unterschiedliche Radien R1, R2 auf. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Radius R1 67,5 mm, der Radius R2 62,0 mm. Damit am Übergang der Radien R1, R2 keine Unstetigkeitsstelle am Umfang entsteht, sind die Mittelpunkte des Radius R2 vom Mittelpunkt des Radius R1 voneinander entfernt angeordnet.
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4 zeigt in einem ersten Diagramm einen Ein- 18 und einen Ausströmquerschnitt 19 von der Gaseinlassöffnung 9 (punktiert) und der Gasauslassöffnung 10 (durchgezogen) über die Zeit (bzw. über den Drehwinkel des Außenläufers 7) sowie ein gefördertes Luftvolumen 17 des Lastregelorgans 1 (strichliert) bei niedriger Last der Brennkraftmaschine. Das heißt, das Laststeuerorgan 1 arbeitet als Expander.
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Das Lastregelorgan 1 ist mechanisch mit der Brennkraftmaschine oder dem Antriebsstrang oder mit einer E-Maschine gekoppelt, um die von den (In der Teillast z. B. von 1 bar auf 0,3 bar) expandierten Frischgasen geleistete Arbeit abzunehmen und der Brennkraftmaschine in mechanischer oder elektrischer Form zuzuführen.
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5 zeigt in einem zweiten Diagramm den Ein- 18 und den Ausströmquerschnitt 19 von der Gaseinlassöffnung 9 (punktiert) und der Gasauslassöffnung 10 (durchgezogen) über die Zeit (bzw. über den Drehwinkel des Außenläufers 7) sowie ein gefördertes Luftvolumen 17 des Lastregelorgans 1 (strichliert) bei neutralem Druckverhältnis in dem Laststeuerorgan 1. Das heißt, das Laststeuerorgan 1 arbeitet weder als Expander noch als Kompressor. Die Brennkraftmaschine 2 arbeitet quasi im Saugbetrieb.
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6 zeigt in einem dritten Diagramm den Ein- 18 und den Ausströmquerschnitt 19 von der Gaseinlassöffnung 9 (punktiert) und der Gasauslassöffnung 10 (durchgezogen) über die Zeit (bzw. über den Drehwinkel des Außenläufers 7) sowie ein gefördertes Luftvolumen 17 des Lastregelorgans 1 (strichliert) bei Kompressorbetrieb. Die Brennkraftmaschine 2 arbeitet im aufgeladenen Betrieb.
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Verfügt die Drehkolbenmaschine über einen geeigneten Durchsatz (Volumen des Laststeuerorgans ist größer als das Volumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine je Zeiteinheit), kann bei entsprechend weiter geöffnetem Einlassquerschnitt auch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 2 (und der Energieaufnahme des Laststeuerorgans 1) erreicht werden.
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Es lassen sich die Vorteile der bekannten Brennkraftmaschinen 2 (gute Abdichtung gegen hohen Brennraumdruck) mit denen des erfindungsgemäßen Laststeuerorgans 1 (hoher Durchsatz, einfacher Aufbau) kombinieren. Der Hauptnachteil eines gattungsgemäßen Laststeuerorgans, die schwierige Abdichtung, wird durch die Formgebung mit flächenhaften Dichtungen gelöst. Die vorgestellte Geometrie zeichnet sich durch besonders hohen Durchsatz je Bauraum aus (kleine schädliche Kolbenfläche im Querschnitt im Vergleich zu höheren Trochoiden). Die radiale Zuströmung passt gut zu einer Brennkraftmaschine in Reihenbauweise, da das Laststeuerorgan 1 in der Baulänge bezüglich der Kolbenanzahl einfach skalierbar ist.
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Verbrauchsvorteile werden bei üblichen Brennkraftmaschinen 2 durch Vorschalten der erfindungsgemäßen Anordnung erschlossen. Erfindungsgemäße Lastregelorgane 1 können bei geeigneter Geometrie auch in Heißgasmaterial (Keramik o. ä.) mit Spaltabdichtung an der umlaufenden Dichtstelle dargestellt werden und ermöglichen so zusätzlich die Abgaswärmenutzung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laststeuerorgan
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Zylinder
- 4
- Gaswechseleinlassventil
- 5
- Gaswechselauslassventil
- 6
- Ansaugsystem
- 7
- Außenläufer
- 7'
- Zylinderfläche
- 7''
- gegenläufige Zylinderfläche
- 8
- Rotationskolben
- 9
- Gaseinlassöffnung
- 10
- Gasauslassöffnung
- 11
- Gehäuse
- 12
- erste Blende
- 13
- Drehachse
- 14
- zweite Blende
- 15
- Zündeinrichtung
- 16
- Kolben
- 17
- Volumen Laststeuerorgan
- 18
- Einströmquerschnitt
- 19
- Ausströmquerschnitt
- 20
- Drehachse Rotationskolben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3000145 A1 [0002]
- DE 102009028086 A1 [0004]
- DE 102011006388 A1 [0006]
- DE 3825481 A1 [0009]
- DE 102011082563 A1 [0011]
