DE19528342A1

DE19528342A1 - Verbundverfahren für Viertakt-Dieselmotoren zur Verbrauchsreduzierung

Info

Publication number: DE19528342A1
Application number: DE19528342A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr Ing Waberski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 1996-02-22

Description

Die bessere Ausnutzung des Heiz- und Brennwertes des Kraftstoffes ist gleichzeitig mit der Verbesserung des Wirkungsgrades, d. h. der Aufladung, der Verbrennung selbst, der Verbrennungsgüte und der Abgasverwertung und schließlich die Reduzierung aller Reibungsverluste.

Bekannte Verfahren, die dies verfolgen, sind Verbundverfahren, die den Turbolader, den Verbrennungsmotor und die Abgasturbine miteinander auf einen Abtriebsstrang kuppeln. In der deutschen Zeitschrift MTZ, Jahrgang 21, Heft 1, Januar 1960, Seite 8, sind mit einem derartigen Verfahren für hochaufgeladene Viertakt-Dieselmotoren erhöhte Wirkungsgrade nachgewiesen. Die Ladung stellt sich so besser bedarfsgerecht ein und vor allem das aufgestaute Abgas wird wie Treibgas in nachgeschalteten Turbinen je nach Anfall verwendet.

Dagegen sind die heute üblich freilaufenden, nicht am Abtrieb gekuppelten Abgasturbolader nicht als Verbundanlagen zu verstehen, da diese immer mit der Ladeleistung im Gleichgewicht stehen und nach außen keine Nutzleistung abgeben, denn die Ladeleistung ist von Abgasanfall und vom optimalen Betriebspunkt der Turbine abhängig, da so, entweder zuviel als auch zu wenig Ladeleistung zur Verfügung stehen kann, bzw. Leistungsvermögen verlorengeht.

Mit der Hochaufladung allgemein sind derzeit für Dieselmotoren, allerdings nur in bestimmten Betriebspunkten, thermische Wirkungsgrade bis zu 70% möglich. Die Spitzen der Leistungssteigerung bzw. Drehmomentensteigerung im praktischen Hochaufladebetrieb betragen dementsprechend 100%.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die einzeln gewonnenen Ergebnisse konsequent konstruktiv in ein geeignetes Verbundsystem umzugestalten. Durchgehend soll über den gesamten Arbeitsbereich mit einem noch höheren Wirkungsgrad eine folgliche Kraftstoffeinsparung entstehen und eine weitere erhebliche Leistungsausbeute, sowie eine verbesserte Motorcharakteristik herbeigeführt werden.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 ausgeführten Merkmale gelöst.

Die erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf vorhandene Motoren aufgebaut werden kann und somit erhebliche Entwicklungskosten eingespart werden können. Lediglich der Zylinderkopf und das Steuerregime der Ventile muß geändert werden, bzw. in einer weiteren Ausführung ist zusätzlich der Kolbendurchmesser zu verändern.

Die Frischluftladung mit Kolben (analog Kolbenkompressor) ermöglicht über den gesamten Drehzahlbereich die proportionale und nach oben max. mögliche Verdichtung der Ladeluft und auch deren Kühlung.

Das noch reichlich energiehaltige Abgas, das von dem nachgeordneten Kolben verarbeitet wird, ist bis zum Abfall auf den atmosphärischen Zustand nutzbar, bzw. Restverbrennungen aus dem Hauptbrennraum können noch zusätzlich von diesem übernommen werden.

Der Vergleich der thermischen Wirkungsgrade zum o. g. Stand ergibt am dargestellten Beispiel die Steigerung auf 84%.

Ebenfalls ist gemäß dem Beispiel, der dargelegten Verbundeinheit mit einem Arbeitvolumen von 0,3 bis 0,4 Liter, bei einer Motordrehzahl von 4000 min^-1 eine Leistungsausbeute von 45 bis 60 kW (∼60 bis 80 PS) machbar.

Das belegt den möglichen Einsatz der neuen Verbundanlage insbesondere in kleinen Dieselmotoren, für die bisher noch kein effektives Ladeverfahren bestand. Damit ist auch die Grundlage für ein Sparauto mit dem niedrigsten Verbrauch gelegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist, daß die Frischluftladung und die Abgasverarbeitung nur von einem einzigen aber kombinierten Kolben übernommen werden kann (Fig. 3 u. 4).

Die Umweltfreundlichkeit zeichnet sich bei etwa 25% niedrigerem konstruktiven Bauaufwand (kg/kW), besonders durch den geringeren Kraftstoffverbrauch, eine vollkommenere Verbrennung und geringerer Hinterlassung von Verbrennungsrückständen (CO₂, CO, NO_x, C_xH_x) aus.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Kolbentriebwerk mit drei gleich großen Zylindern, wobei der erste als Frischluftkompressor im Zweitaktverfahren, der zweite als Arbeitszylinder im üblichen Viertaktverfahren und der dritte als Treibgaszylinder für das Abgas im Zweitaktverfahren gestaltet und insgesamt mit einem gemeinsamen Ventilregime gesteuert ist,

Fig. 2 eine Ansicht von unten auf den dazugehörenden abgenommenen Zylinderkopf und der für den Gasaustausch erforderlichen Kühl- und Stauräume,

Fig. 3 ein Kolbentriebwerk mit zwei verschieden großen Zylindern, wobei der größere als Frischluftkompressor im Zweitaktverfahren, der kleinere als Arbeitszylinder im üblichen Viertaktverfahren und wiederum der größere kombiniert als Treibgaszylinder für das Abgas im Zweitaktverfahren gestaltet und insgesamt mit einem gemeinsamen Ventilregime gesteuert ist,

Fig. 4 eine Ansicht von unten auf den dazugehörenden abgenommenen Zylinderkopf und den für den Gasaustausch erforderlichen Kühlraum.

Die Details sind in der Zeichenerklärung einzeln erläutert. Dem Gasaustausch ist der Pfeilrichtung zu folgen. Das Beispiel ist mit dem Kolbendurchmesser 80 mm, Hub 80 mm bzw. den Kolbendurchmessern 70/120 mm quantifiziert ausgelegt.

Zeichenerklärung

1 Brennraumkurbeltrieb (Viertakt-Dieselmotor)
2 Laderkurbeltrieb (Frischluftkompressor)
3 Abgasarbeitskurbeltrieb (Treibgasmotor)
4 Brennraumkolben (Arbeitsraum)
5 Laderkolben
6 Abgasarbeitskolben
7 Pleuelstangen
8 Laderansaugventil (Frischluft)
9 Laderauslaßventil
10 Ladeluftstau- und Ladeluftkühlraum (Luft- oder Wasserwärmetauscher)
11 Brennraumeinlaßventil
12 Kraftstoffeinspritzdüse
13 Brennraumauslaßventil
14 Abgasüberströmkanal (wärmeisoliert)
15 Abgasstauraum (wärmeisoliert)
16 Abgasarbeitsraum Einlaßventil
17 Abgasarbeitsraum Auslaßventil (Auspuff)

Claims

Verbundverfahren für Viertakt-Dieselmotoren, in dem das Aggregat für die Ladeluft und das Aggregat für die Abgasnutzung mit dem Abtrieb des Motors gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
- - daß an einem Brennraumkurbeltrieb (1) zwei angekuppelte Kolbenkurbeltriebe (2; 3) so ausgebildet sind, daß der eine zweimal je Arbeitsspiel des Viertaktmotors (1) zum Frischluft ansaugen und ausdrücken und der andere zweimal zum Abgas expandieren und ausstoßen ausgelegt ist, oder
- - daß an einem Brennraumkurbeltrieb (1) ein angekuppelter Kolbenkurbeltrieb (2; 3) so ausgebildet ist, daß er einmal je Arbeitsspiel des Viertaktmotors (1) zum Frischluft ansaugen und ausdrücken und einmal zum Abgas expandieren und ausstoßen ausgelegt ist,
- - daß der Verbindungskanal vom Lader zum Brennraum einen Ladeluftstau- und Ladeluftkühlraum (10) besitzt,
- - daß der Verbindungskanal vom Brennraum zum Abgasarbeitsraum einen wärmeisolierten Abgasüberströmkanal (14) und einen Stauraum (15) besitzt,
- - daß die Ein- und Auslaßventile (8; 9; 11; 13; 16; 17) der Kolbenkurbeltriebe (1; 2; 3) über das Motorregime steuerbar sind.