DE19531620A1 - Gleichstromgespülter Viertaktmotor - Google Patents

Description

Nach dem Stand der Technik werden 4-Taktmotoren mit Ein- und Auslaßventilen über einen Nockentrieb gesteuert, während für 2-Taktmotoren die Schlitzsteuerung üblich und bekannt ist.

Die grundsätzlichen Nachteile des derzeitigen mechanischen Ventiltriebs bestehen einerseits im Bauaufwand mit entsprechenden Reibungsverlusten und andererseits in den weitgehend starren Zeitquerschnitten. Auch die neuerdings in Serie realisierte phasengesteuerte Nockenwelle kann mit gesteigertem mechanischem Aufwand zwar die Steuerzeiten an die Drehzahl anpassen, erlaubt aber keine frei wählbare Stellmöglichkeit für völlig andere Betriebsarten, z. B. gemäß Anspruch 5. In jedem Fall verbleibt gegenüber der Schlitzsteuerung der grundsätzliche Nachteil der langsameren Strömungsquerschnittsänderung.

Das thermische und thermodynamische Problemventil ist das Auslaßventil: Es ist thermisch hoch belastet und muß - thermodynamisch ungünstig - sehr früh (ca. 40°-80° vor UT) und mit hoher Kraft gegen den Arbeitsdruck geöffnet werden. Hieran scheiterte bisher der - als Versuch schon bekannte und vorge­ schlagene - Einsatz elektromagnetisch betätigter Ventile und damit frei wählbarer Steuerzeiten.

Es ist erfindungsgemäß sinnvoller, den Auslaß über Schlitze am Zylinderfuß zu steuern, wobei die Energiefreisetzung extrem schnell erfolgt und der Nutzhub nahezu voll erhalten bleibt. Anstelle der sonst notwendigen Ausschiebearbeit und der hohen notwendigen Stellarbeit für das Auslaßventil sinkt der Druck im UT unterstützt durch die Auslaßschwingung, von selbst weit unter Atmosphärendruck ab. Auch bei mechanischer Betätigung der Ventile nach Anspruch 1 sind die Reibverluste des Nockentriebs dann geringer.

Beim abschließenden vierten Takt muß der hochlaufende Kolben nur noch ein Restvolumen ausschieben, das ca. nur 1/5 bis 1/10 der sonst auszuschiebenden Gasmenge beträgt.

Hierzu dient das erfindungsgemäße Hilfsauslaßventil im Zylinderkopf, das mit sehr geringen Stellkräften mechanisch nach Anspruch 1 oder elektromagnetisch nach Anspruch 2 betätigt wird. Dieses Hilfsventil wird ca. im UT, nach - und in Abstimmung mit - der Auslaßschwingung eigentlich durch den Unterdruck von selbst betätigt. Aufgrund der geringen verbleibenden Strömungsarbeit kann es sehr klein und kompakt bei geringer Massenträgheit ausgeführt sein (siehe "Konstruktionsmerkmale"). Der Schließzeitpunkt entspricht prinzipiell dem eines normalen Auslaßventils - gemäß Anspruch 2 natürlich bei freier Wählbarkeit nach Betriebszustand. Die Stellarbeit, mechanisch oder elektromagnetisch, ist gering.

Das Einlaßventil als solches öffnet zum Ansaugen und schließt nach Verdichtungsbeginn grundsätzlich von selbst in Richtung der Druckverhältnisse. Deshalb sind aus der Frühzeit des Motorenbaus selbststellende Einlaßventile bekannt, die aber wegen der Massenträgheit auf niedrige Drehzahlen begrenzt sind. Hier bietet sich in Verbindung mit moderner Leichtbauweise (siehe "Konstruktions­ merkmale") die elektromagnetische Betätigung nach Anspruch 2 - im Gegensatz zum Auslaßventil - geradezu an, da der Strömungsimpuls mit geringen Stellkräften nur noch verstärkt und besser definiert werden muß.

Die Erfindungsidee nach Oberanspruch 1 besteht also in der sehr sinnvollen Kombination an sich bekannter Steuerelemente wie Ventile und Schlitze, dazu die frei anwählbare elektromagnetische Stellkraft bei Anspruch 2. Der Einsatz von Magnetventilen für 4-Taktmotoren ist mit vertretbarem Aufwand nur möglich, wenn das normale Auslaßventil mit seinen sehr hohen erforderlichen Stellkräften entfällt. Das Triplett, bestehend aus Einlaßventil, Hauptauslaßschlitz und Hilfsauslaßventil, ist der bisher unbenannte Kernanspruch der Erfindung′. Er führt zu einer 4-Takt- Arbeitsmaschine mit deutlich erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad durch Reibungsverminderung des Ventiltriebs, bzw. Entfall nach Anspruch 2, und stark verbessertem thermodynamischem Wirkungsgrad durch die Ausdehnung des Nutzhubs und die vermiedene Ausschiebearbeit.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen 4-Taktmotors ist seine günstigere Wärmeabführung. Der Motor ist thermisch "kerngesund". Die Hauptauslaßwärme wird rotationssymmetrisch am Zylinderfuß freigesetzt. Dadurch bleiben Zylinderkopf und Brennraum kühler, wodurch eine deutlich höhere Verdichtung mit zusätzlicher Wirkungsgradsteigerung erreicht wird. Die thermische Problemzone Auslaßventil mit zugehörigem Sitz wird eliminiert. Der Motor läßt dadurch eine sehr hohe Lebensdauer erwarten. Die erfindungsgemäße Steuerung eignet sich für alle 4-Takt- Verbrennungsverfahren, wobei sich eine Reihe unterschiedlicher, sehr markanter Vorteile und Aspekte ergeben.

Beim quantitätsgeregelten, also gedrosselten Lambda-1-Motor findet am Ende des Ansaugtaktes bei freigegebenem Auslaßschlitz ein Einströmen und damit eine Vermischung mit Abgas statt. Diese Rückströmung - zunehmend mit Drosselung, d. h. bei abnehmender Last - entspricht der nach dem Stand der Technik üblichen Abgasrückführung, womit der NOx-Ausstoß reduziert wird und der Arbeitsdruck - thermodynamisch günstig - bei Teillast erhöht wird.

Bei geringer Teillast oder Leerlauf ist eine zusätzliche Drosselklappe im Auslaß, möglichst nahe den Auslaßschlitzen, notwendig, die zusammen mit der Einlaßdrosselung reguliert wird, um die Abgasbeimischung in den erforderlichen Zündgrenzen zu halten. Dies gilt insbesondere auch für das Anlassen des Motors, wenn sich im Auslaßtrakt Frischluft angesammelt hat, die über die geöffneten Schlitze das Gemisch zu sauerstoffreich machen würde. Bei Vollast, ungedrosselt, wird der Abgasgegendruck zum Zeitpunkt des Ansaugens so abgestimmt, daß kein Frischgas entweicht.

Beim qualitätsgeregelten Magergemischmotor, ungedrosselt oder teilgedrosselt, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Steuerung des Gaswechsels nach Anspruch 2 ein sehr positiver Aspekt für das Nebenkammerprinzip - ohne aufwendige Hochdruckeinspritzung samt den inhärenten Problemen der inneren Gemischbildung und Zündung. Die erforderliche Schichtladung erfolgt hier durch normale Saugrohr­ einspritzung (oder Vergaser) in zwei getrennte Ansaugkanäle, nämlich getrennt zum Haupt- und Nebenbrennraum, wobei das Gemisch zum Nebenbrennraum bis zum Erreichen sicherer Zündgrenzen angereichert wird, und zum Hauptbrennraum bis Lambda ∞ abgemagert wird - auch dies bekannt. Der spezifische Vorteil der erfindungsgemäßen Steuerung liegt nun darin, daß für das zusätzlich notwendige Einlaßventil zur Nebenkammer nach Anspruch 2 kein mechanischer Ventiltrieb erforderlich ist, der aufgrund der räumlich getrennten Anordnung von Haupt- und Nebenkammer im Zylinderkopf den Nockentrieb bis zum Exzeß komplizieren würde. Dagegen ist mit der elektromagnetischen Einlaß­ ventilsteuerung die räumliche Anordnung der beiden Einlaßventile für Haupt- und Nebenraum frei wählbar und damit unkompliziert.

Die übrige, bekannte Diskussion über Vorteile und Nachteile des Kammermotors, wie besserer Wirkungsgrad im Teillastbereich und schlechterer Wirkungsgrad bei Vollast durch Strömungs- und Wandwärmeverluste, bleiben hiervon unberührt. Die Verluste sind gegenüber dem Kammerdiesel im übrigen gering, da die Einschnürung zwischen den Brennräumen nur so weit getrieben wird, daß eine zündfähige Separierung des Gemisches in der Nebenkammer garantiert wird. Wichtig ist, daß das vorgenannte Magerprinzip nun ohne extreme mechanische Komplizierung realisiert werden kann.

Beim luftansaugenden Dieselmotor oder Ottomotor mit direkter Einspritzung in den Brennraum ist das erfindungsgemäße Steuerungsprinzip in jedem Fall unproblematisch, da ein Entweichen von Kraftstoff bei geöffnetem Auslaßschlitz entfällt. Die gewünschte erhöhte Abgasbeimischung bei diesen ungedrosselten Motoren im Teillastbereich kann über den Auslaßschlitz ebensowenig gesteuert werden. Dafür wird das elektromagnetische Auslaßhilfsventil nach Anspruch 2 entsprechend gesteuert, indem es ganz geschlossen bleibt oder beim Ausschiebetakt früh schließt und das Einlaßventil entsprechend später öffnet. Die ansonsten notwendige Abgasrückführung nach dem Stand der Technik wird damit ebenso überflüssig.

Zu Anspruch 3

Soll - wie bei Hochleistungsmotoren gewünscht - bei Vollast der Fanggrad durch Überschwingen der Einlaßströmung erhöht werden, so stößt die Steuerung nach Anspruch 1 und 2 durch den geöffneten Auslaßschlitz am Ende des Ansaugtaktes an gewisse Grenzen. In jedem Fall würde bei aufgeladenen Motoren Frischgas im Kurzschluß verlorengehen. Aus diesem Grund können die Auslaßschlitze nach Anspruch 2 mit nach außen öffnenden Flatterventilen versehen werden (siehe "Konstruktionsmerkmale"), um ein Durchströmen von Frischgas oder ein Rückströmen von Abgas zu verhindern. Die Dichtigkeitsanforderung an diese Ventile ist gering, da eine minimale Vermischung von Alt- und Frischgas in jedem Fall bedeutungslos ist. Die Schließkraft ist so abgestimmt, daß das Ventil bei Überströmen der Einlaßgassäule nicht öffnet, d. h. Öffnung erfolgt nur beim Auslaß durch den wesentlich höheren Druck der Verbrennungsgase. Die Flatterventile sind außerdem bei Realisierung von Anspruch 5 sehr sinnvoll, indem energiezehrende Strömungsarbeit im Auslaß der stillgelegten Zylinder vermieden wird.

Zu Anspruch 4

Da die schnelle Querschnittsänderung des Hauptauslasses einen stark pulsierenden Abgasstrom erzeugt, kann eine nachgeschaltete Abgasturbine fast ohne zusätzliche Ausschiebearbeit angetrieben werden. Dies im Gegensatz zur üblichen Stauauf­ ladung nach dem Stand der Technik, die zwar die Leistung, aber kaum den Wirkungsgrad erhöht, indem die gewonnene Ladearbeit mit erhöhter Ausschiebe­ arbeit erkauft wird. Bei Drosselmotoren ist die Stauaufladung ohnehin kontraproduktiv und auch bei luftansaugenden Motoren wird die Arbeitsfläche des Carnot′schen Kreisprozesses kaum ausgedehnt.

Da die Steuerung nach Anspruch 1 wegen des im UT geöffneten Auslaßschlitzes ohnehin nicht zur Aufladung geeignet ist und auch mit Flatterventil nach Anspruch 3 nur eine mäßige Aufladung erlaubt, ist es vorteilhafter, die Abgasturbine zur Stromerzeugung zu nutzen. Wesentlich ist dabei, daß die stark pulsierende Abgasenergie bei geeigneter Auslegung sozusagen "umsonst" Strom liefert. Werden die in Länge und Durchmesser abgestimmten Abgasrohre der einzelnen Zylinder auf die Turbine gelenkt, dann wird am Rohrausgang eine starke Unterdruckwelle in Richtung Auslaßschlitz zurückgeworfen, d. h. trotz relativ großem Arbeitsdruck vor der Turbine entsteht kein Rückstau, sondern immer der gewünschte Unterdruck im Auslaß. Der darauf folgende Wiederanstieg des Staudrucks im Auslaßrohr gelangt nicht mehr in den Verbrennungsraum, da der hochlaufende Kolben den Auslaßschlitz bereits wieder geschlossen hat. Der verbleibende geringe Abgasstrom aus dem Hilfsauslaßventil wird zur Rückstauvermeidung erst nach der Abgasturbine dem Auslaßtrakt zugeführt.

Die Turbine selbst wird, da sie nicht der Aufladung dient, konsequent auf Wirkungsgrad optimiert. Sie kann größer oder auch mehrstufig ausgeführt sein, da das bei der Stauaufladung so wichtige Ansprechverhalten ("Turboloch") bei der intendierten Nutzung zur Stromerzeugung keine Bedeutung hat; die Batterie puffert in jedem Fall den Zeitversatz.

Der Turbogenerator, der die Lichtmaschine samt Keilriemen ersetzt, ist entsprechend der hohen Drehzahl der Turbine sehr kompakt und liefert Strom für viele Zwecke, z. B.:

• - Strombedarf für elektromagnetische Ventilstellarbeit nach Anspruch 2
• - Antrieb der Schmier- und Kühlmittelpumpe nach Anspruch 6
• - Pumpe und Magnetventile für eine eventuelle zukünftige "Common Rail" Diesel-Einspritzung
• - Antrieb des Kühlkompressors für eine Klimaanlage
• - Alle weiteren üblichen Verbraucher.

Ein einzelner Elektromotor kann auch verschiedene "Servos" antreiben, um den Bauaufwand gering zu halten. Wesentlich ist dabei, daß der Verbrennungsmotor ohne die üblichen kraftzehrenden Nebenaggregate frei laufen kann, während die Nebentriebe über die fast energie­ neutrale Nutzung des Abgasstroms gekuppelt sind. Weitere Vorteile ergeben sich aus der konstanten, d. h. motorunabhängigen Drehzahl und freien Schaltbarkeit der Elektromotoren und der beliebigen Plazierung derselben im Fahrzeugraum, verbunden mit entsprechender Wartungsfreundlichkeit und Zugänglichkeit. Es entsteht ein neuer Freiheitsgrad bezüglich der allgegenwärtigen "Packing"-Probleme im modernen Fahrzeugbau. In letzter Konsequenz kann der Turbogenerator Strom für ein Hybridfahrzeugkonzept liefern, indem bei laufendem Motor ständig die Batterien für den Elektroantrieb aufgeladen werden, und zwar fast ohne Wirkungsgradverlust des Verbrennungsmotors. Das Hybridfahrzeug kommt bei nur sporadischem Kurzstreckenbetrieb wegen seiner günstigen Energiebilanz ohne Netzaufladung aus. Bei vorwiegendem Langstreckenbetrieb kann der Stromüberschuß direkt auf den "elektromotorisch verlängerten Kurbeltrieb" zurückgegeben werden. Das Fahrzeug läuft dann im "closed loop" mit der summarischen Energiebilanz aus zwei Arbeitsprozessen: nämlich dem 4-Takt-Kolbenprozeß und dem Abgas-Turbinenprozeß. Trotz der Umwandlungsverluste ist der Wirkungsgrad besser als bei der üblichen Stauaufladung, bei der nur die Energiedichte, kaum aber der Wirkungsgrad erhöht wird. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Verwendung des Motors zur Stromerzeugung nur mit der erfindungsgemäßen Gaswechselsteuerung sinnvoll ist, nämlich bei stark pulsierender Abgasenergie und vermiedener Ausschiebearbeit.

Zu Anspruch 5

Das Konzept der sequentiellen Zylinderabschaltung im Teillastbereich ist vorschlagsweise bekannt: die verbleibenden mit Kraftstoff bedienten Zylinder können hierbei mit höherer Last und mithin besserem Wirkungsgrad betrieben werden. Durch die übliche starre mechanische Ventilsteuerung wird aber der angestrebte Wirkungsgradvorteil durch mechanische Leerarbeit und kontra­ produktive Blindströmungsarbeit der abgeschalteten Zylinder zunichte gemacht.

Durch die frei wählbaren Steuerzeiten nach Anspruch 2 - die Ventile der stillgelegten Zylinder bleiben in diesem Fall geschlossen - in Verbindung mit der Flatterventilsteuerung der Auslaßschlitze nach Anspruch 3, entfallen die mechanischen Verluste des Nockentriebs und vor allem die Pumpverluste im Ein- und Auslaß. Es wird darauf hingewiesen, daß die Problematik bekannt ist, die Realisierung dieses Konzepts jedoch erst durch die erfindungsgemäße Motorsteuerung möglich wird.

Zu Anspruch 6

Gemäß Anspruch 6 kann der erfindungsgemäße Motor vorteilhaft und in letzter Konsequenz mit einer Polyalkylenglykol-Wasser-Schmierung und -Kühlung betrieben werden.

Es ist bekannt, daß schlitzgesteuerte Motoren auch bei bester Auslegung einen höheren Ölverbrauch aufweisen durch Verschleppung des Öls in die Steuerschlitze über die Kolbenringe. Die Folge sind neben den Kosten erhöhte HC-Emissionen.

Dieser bauartbedingte Nachteil kann in einen durch die Erfindung ursächlich bedingten Vorteil umgewandelt werden, indem eine Kraftmaschine ohne mechanischen Ventiltrieb nach Anspruch 2 die Verwendung grundsätzlich anderer Schmiermittel erlaubt.

(Sollte die elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 2 nicht realisiert sein, so gilt bei mechanischer Ventilsteuerung nach Anspruch 1, daß der Nockentrieb mit einer separaten Ölschmierung ausgestattet werden muß. Da die mechanischen Stellkräfte, wie beschrieben, wesentlich geringer sind als beim herkömmlichen Nockentrieb und die verbrennungsinduzierte Ölalterung über die Ventilführung des Hilfsauslaßventils minimal ist, entfällt jeglicher Ölwechsel. Es genügt eine einfache Tauch-Spritz-Schmierung im Zylinderkopf mit Schauglas und Nachfüllmöglichkeit. Weiterhin muß die Nockenwelle über Zahnriemen angetrieben werden, was ohnehin weit verbreitet ist. "Ventiltriebloser Motor" bedeutet im folgenden also, daß die elektromagnetische Steuerung nach Anspruch 2 realisiert ist oder nach Anspruch 1 der Nockentrieb separat ölgeschmiert ist.)
Polyalkylenglykole sind als Spezialschmiermittel bekannt, z. B. zur Gemischschmierung von alkoholbetriebenen Flugmodellmotoren aufgrund ihrer Alkohollöslichkeit. Wasserschmierung mit und ohne Zusätze ist ebenfalls bekannt für schnellaufende Spindeln und naturgemäß für Wasserturbinenlager und Schiffsschrauben. Erfindungsgemäß ist nun, daß nur ein ventiltriebloser Motor mit einem nach Anspruch naturgemäß niedrigviskosen Schmiermittel betrieben werden kann. Jede Art von Zahnradtrieb, Kettentrieb und Nockenbetätigung der Ventile wäre aufgrund der hohen Flächenpressung für die beanspruchte Schmierung ungeeignet. Ein ebenso großes Problem wäre der Korrosionsschutz für diese Maschinen­ elemente bei einem wäßrigen Schmiermittel. Dagegen ist es realistisch, den ventiltrieblosen Motor mit einer nach dem Technikstand völlig üblichen chemischen Reduktionsvernicklung ausreichend korrosionsfest zu machen. Diese Oberflächen­ beschichtung ist kostengünstig und problemlos auf Stahl- und Aluminiumoberflächen abscheidbar, einschließlich aller Hohlräume und Bohrungen. Die verbleibenden Teile des erfindungsgemäßen Motors können ohne größere Schwierigkeiten an die Erfordernisse eines derart niedrigviskosen Schmiermittels angepaßt werden, wobei der schmiertechnisch stets geforderte Bereich der Gleitreibung kaum verlassen wird, d. h. die Betriebsphasen der Mischreibung minimiert bleiben.

Nach Rechnung und Versuch wird bei den motorbauüblichen Gleitlagerdurch­ messern mit Ausnahme des zu vergrößernden Kolbenbolzens ab Leerlaufdrehzahl die hydrodynamische Gleitung erreicht. Ohne Probleme können - sofern notwendig - auch die Gleitführungen der elektromagnetisch betätigten Ventile geschmiert werden. Andererseits resultiert aus der Gleitbedingung, daß im Motor vor dem Anlassen ein Gleitfilm aufgebaut werden muß. Zu diesem Zweck muß eine elektrische Schmier­ mittelpumpe für einige Sekunden vorlaufen - zur Aufwandsminimierung beispielsweise integriert in den Anlassermotor. Danach übernimmt - wegen des beträchtlichen Energieverbrauchs - ein Kurbelwellenabtrieb mit Pumpe die Umwälzarbeit. Bei Realisierung des Turbogenerators nach Anspruch 4 bleibt die Schmiermittelpumpe auf Elektrobetrieb. Die rheologischen Eigenschaften einer Polyakylenglykolschmierung führen noch zu weiteren Vorteilen bei der Motor­ auslegung:
Die Polyglykole haben bereits nach ihrer chemischen Struktur bekanntermaßen ein besseres Viskositäts-Temperaturverhalten als übliche Erdölraffinate und auch synthetische Ester-Öle ("Leichtlauföle"). Bei Auswahl spezifischer Typen, z. B. Copolymerisaten von Ethylenglykol und Propylenglykol, läßt sich bei Mischung mit Wasser sogar ein negativer Viskositätsindex realisieren, indem das Polyglykol durch Wasserstoff-Brücken-Bildung bei höherer Temperatur graduell als Mikrodispersion ausfällt und sich damit an den Stellen höchster Schmierbeanspruchung verdickt und anreichert. Der Vorgang ist mit abnehmender Temperatur völlig hysteresefrei reversibel. Aufgrund der geringen Viskosität und der hohen spezifischen Wärme (=Kühlkapazität) ergibt sich ein weiterer faszinierender Vorteil:

Der Motor kann über den Kolben weitgehend innengekühlt werden. Dazu wird durch die erwähnte großdimensionierte Pumpe das Schmiermittel über die Kurbelwellen­ lager eingebracht und über die Pleuellager, über ein hohlgebohrtes Pleuel (besser: "rohrförmig ausgebildetes Pleuel") und über einen groß dimensionierten Kolbenbolzen, in großer Menge zum geschlossenen Kolbeninnenraum gefördert. Von dort wird der größte Anteil durch Überdruckventile nach unten ins Kurbelgehäuse abgespritzt. Ein geringerer Anteil wird durch feine seitliche Bohrungen oder durchlässige Sintermetalleinsätze zur Kolbenringnut abgeführt und schmiert damit Kolben und Zylinderlaufbahn.

An dieser Stelle wird die Erfindungsidee nach Anspruch 6 besonders evident: Solange der Kolben kühler bleibt als die Zylinderlaufbahn, kann er niemals klemmen, mit allen daraus resultierenden Vorteilen:

• - Er kann bei engster Passung theoretisch ohne Kolbenringe und der damit verbundenen Reibarbeit laufen; realistisch wird er mit nur einem leicht gefederten Ring bestückt.
• - Der bei üblichen Motoren aus thermischen Gründen der Kolbendehnung verbleibende sehr erhebliche Ringquerschnitt am Feuersteg - bekannt als "Nest" von HC- und CO-Bildung, Wirkungsgradvernichter und Problemzone des Verbrennungsmotors überhaupt - wird nahezu völlig eliminiert.
• - Durch die bessere Passung wird das Kolbenkippen und -klappern minimiert.
• - Die bessere Passung ermöglicht eine besonders präzise und sauber definierte Auslaßschlitzsteuerung nach Anspruch 1/2/3 mit hoher Pulsenergie und ohne schleichenden Nutzhubverlust.

Ein kalkulierter erhöhter Verbrauch des beanspruchten billigen Polyglykol-Wasser- Schmiermittels ist beabsichtigt: Ein definierter Anteil im Brennraum erlaubt eine kühlere Verbrennung und damit eine weitere Verdichtungserhöhung. (Wassereinspritzung als Antiklopfmittel ist aus dem Renn- und Flugmotorenbau hinreichend bekannt). Im wesentlichen gelangt durch den hohen Siedepunkt des Glykols vorwiegend nur Wasser(dampf) in den Brennraum. Jedoch verbrennt auch der Polyglykolanteil völlig asche- und schadstofffrei. Das Schmiermittel neigt auch bei hohen Temperaturen niemals zur Verkokung mit den bekannten Problemen an Kolbenringen und Feuersteg. Reste von unverbranntem Glykol, die über den Auslaßschlitz direkt ins Freie gelangen, sind weitestgehend biodegradabel und als bekannte "Salbengrundlagen" garantiert nicht toxisch. Durch den kombinierten Kühl-Schmier- Kreislauf entfällt die übliche Kühlwasserpumpe; der bisher übliche Wasserkühler kühlt jetzt das identische Kühl- und Schmiermittel. Außer der Innenkühlung durch den Kolben wird realistischerweise noch der Zylinderkopf durchflossen, nicht dagegen die Zylinderwand - aus Gründen der erwähnten Nicht-Klemmbedingung.

Konsequenterweise benötigt die beanspruchte Schmierung noch eine Alkalireserve zur Neutralisierung des verbrennungsinduziert ansteigenden Säuregrades. Dafür eignen sich hervorragend Alkanolamine, wie z. B. Triethanolamin, die ohnehin als Korrosionsinhibitoren für wäßrige Lösungen bekannt sind. Sie sind außerdem - im Gegensatz zu anderen Aminen - nicht toxisch und verbrennen ebenso wie das Polyglykol völlig aschefrei. Die Zudosierung kann bei Vorliegen einer wäßrigen Lösung nach PH-Wertmessung intervallweise oder automatisch vorgenommen werden. Der notwendige Frostschutz des Schmiermittels ist je nach Art und Menge des Polyglykols begrenzt und kann durch Zusatz von Bioalkohol umweltfreundlich ergänzt werden. Die Bioalkohol wird über die Kolbenkühlung und -schmierung nutzbringend mitverbrannt.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß trotz der zahlreichen - nur scheinbar divergierenden - Ideen die geforderte Einheitlichkeit der vorliegenden Erfindung gewahrt bleibt. Es handelt sich um eine Abfolge strikter Kausalitäten:

• - Die frei anwählbare elektromagnetische Ventilsteuerung nach Anspruch 2 ist realistisch nur möglich, wenn das Auslaßventil mit seinen hohen Stellkräften durch einen Schlitzauslaß nach Anspruch 1 ersetzt wird.
• - Der Abgasturbogenerator zur Stromerzeugung nach Anspruch 4 ist nur sinnvoll, wenn die stark pulsierende Abgasenergie der erfindungsgemäßen Motorsteuerung genutzt wird.
• - Die erweiterte Betriebsart nach Anspruch 5 ist nur möglich mit einer frei anwählbaren Ventilsteuerung und führt zu einer Kolbenmaschine mit frei wählbarer Nutzung.
• - Die Polyalkylenglykol-Wasserschmierung und -Kühlung ist nur möglich, wenn der mechanische Ventiltrieb entfällt.

Die Erfindung zielt insgesamt auf eine signifikante Wirkungsgraderhöhung der herkömmlichen Viertaktmaschine.

Konstruktionsmerkmale Einlaßventil nach Anspruch 1 und 2

Das mechanisch oder elektromagnetisch betätigte Einlaßventil, das thermisch relativ wenig belastet ist, kann außer dem üblichen Ventilstahl zur Verringerung der Massenträgheit in Leichtbauweise gefertigt sein, z. B. aus Aluminium mit aufgeschrumpftem oder eingegossenem Dichtring aus Kupferberyllium-Bronze oder Kupfer-Chrom-Zirkonlegierung. Beide Materialien besitzen annähernd die Warmfestigkeit von vergütetem Stahl und nahezu die Wärmeleitfähigkeit von Reinkupfer.

Hilfsauslaßventil nach Anspruch 1 und 2

Das mechanisch oder elektromagnetisch betätigte Hilfsauslaßventil wird thermisch höher belastet als das Einlaßventil, jedoch keineswegs so hoch wie das sonst übliche Auslaßventil, da ja die Hauptauslaßenergie über Schlitze am Zylinderfuß abgeleitet wird.

Da der Auslaßquerschnitt und mithin das ganze Ventil klein ist, bietet sich als Konstruktionswerkstoff normaler Ventilstahl an. Alternativ kommt zur Verminderung der Massenträgheit Titan oder hochzähe Keramik in Frage. Keramik für das Auslaßventil ist versuchsweise bekannt, z. B. Siliziumnitrid; seine Verwendung wird jedoch wegen der kompakten Abmessung des erfindungsgemäßen Hilfsventils erst realistisch.

Auslaßschlitze nach Anspruch 1

Die Auslaßschlitze am Zylinderfuß werden beispielsweise als eine Anzahl runder Bohrungen oder rechteckiger Fenster rotationssymmetrisch über den ganzen Umfang verteilt. Damit wird ein Einfedern oder Kolbenringe mit Sicherheit vermieden und außerdem eine sehr gleichmäßige thermische Belastung des Zylinders erreicht. Die thermischen Probleme des 2-Takt-Motors werden dadurch vermieden. Bei Realisierung der Polyglykol-Wasser-schmierung über den Kolben nach Anspruch 6, stehen die Auslaßbohrungen im seitlichen Halbversatz zu den Schmierbohrungen im Kolben, um den Schmiermittelverlust in Auslaßstellung des Kolbens gering zu halten.

Flatterventile nach Anspruch 3

Die Flatterventile decken die Auslaßschlitze ab und öffnen nach außen, sobald der Kolben den Auslaß freigibt. Sie sind thermisch hoch belastet, wodurch sich folgende Ausführungsformen beispielhaft ergeben:

• - Einzelne Ventilzungen aus hochwarmfestem Blattventilstahl (Chrom­ molybdänstahl) oder gegebenenfalls aus einer Hochtemperatur- Superlegierung, bekannt aus dem Stahltriebwerksbau.
• - Sternförmige Ringspange über dem gesamten Umfang aus oben genanntem Material, wobei die sternförmigen Ausbiegungen ein gleichzeitiges Aus­ federn über jeder Auslaßbohrung ermöglichen.
• - Kugelventile oder selbstführende Pilzventile aus Keramik.

Jede andere Ausführung ist erfindungsunschädlich. Erfindungsgemäß im Kontext ist allein die Selbststeuerung nach außen bei geringer Dichtheitsanforderung.

Claims (6)

1. Gleichstromgespülter Viertaktmotor mit kombinierter Ventil- und Schlitz­ steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein übliches Einlaßventil, einen Schlitzauslaß am Zylinderfuß und ein zusätzliches Hilfsauslaßventil im Zylinderkopf aufweist.

2. daß beim Motor nach Anspruch 1 das Einlaßventil und das Hilfsauslaßventil elektromagnetisch betätigt werden.

3. daß der Motor nach Anspruch 1 und 2 zusätzlich mit nach außen öffnenden, die Auslaßschlitze abdeckenden Flatterventilen mit geringer Dichtheits­ anforderung bestückt wird.

4. daß der Motor nach Anspruch 1, 2 und 3 vorteilhaft mit einer Abgasturbine zur Stromerzeugung betrieben wird.

5. daß der Motor nach Anspruch 2 und 3 vorteilhaft mit sequentieller Zylinderabschaltung betrieben wird.

6. daß der Motor nach Anspruch 1 und 2 vorteilhaft mit einer Polyalkylenglykol- Wasser-Schmierung mit Innenkühlung des Motors über den Kolben betrieben wird.