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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung ist auf dem Gebiet des Motorenbaus, und zwar für Verbrennungsmotoren, die Wärmeenergie in mechanische Energie umformen, einsetzbar.
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Als das nächstkommendes Analogon der Erfindung gilt ein traditioneller Viertaktkolbenmotor (im Folgenden – traditioneller Verbrennungsmotor (VM)), dessen wichtigste Elemente Zylinder, Kolben und Kurbeltrieb sind. Die chemische Energie des Brennstoffs wird infolge der Verbrennung eines brennbaren Gemisches in einer Brennkammer, die von den Wänden eines Zylinders und der Stirnseite des Kolbens ausgebildet ist, in mechanische Energie umgewandelt.
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Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
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Die Erfindung geht von einem Motor aus, der aus einem Stator besteht, der einen inneren Zylinderhubraum aufweist, in dem sich ein Kolben für eine hin- und hergehende Bewegung befindet, sowie Vorbereitungssysteme und ein System für eine Zuführung eines Brennstoffgemisches und dessen Zündung und Abgasemissionen, die sich im Deckel des Zylinders befinden.
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Die Erfindung führt eine Reihe von neuen Elementen ein, wie eine Druckluft- und hydraulische Zylinderkammer, einen Druckflüssigkeitsspeicher eines hohen und eines niedrigen Drucks mit bestimmten Ventilen, einen Transformator, der hydrostatische Energie in mechanische Energie umwandelt, der mit einer Motorzapfwelle ausgestattet ist, sowie ein Ventilsteuersystem eines Mechanismus zur Zuführung eines Gas-Luftgemisches, sein Aufflammen und einen Abgasausstoß und eine Kreisüberströmung einer Betriebsflüssigkeit zwischen den Hauptarbeitselementen des Motors, die dann den Nutzeffekt des Motors sicherstellen.
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In der vorgeschlagenen Konstruktion des Motors teilt der Kolben, der mit Dichtungsringen ausgestattet ist, ein Betriebszylindervolumen in zwei Teile (Kammern), in eine Druckluft- und eine Hydrokammer. Dabei ist die Druckluftkammer des Zylinders mit einem Teil seiner Zylinderwände, seinem Deckel (Statorkopf) und der Außenstirnseite des Kolbens begrenzt. Die Hydrokammer des Zylinders ist mit der Innenstirnseite des Kolbens und anderer Wände des Zylinders begrenzt. Sie ist mit einem Auslassventil mit einem Druckflüssigkeitsspeicher hohen Drucks und mit einem Einlassventil mit einem Druckflüssigkeitsspeicher niedrigen Drucks verbunden. Die zweite (Auslass-)Öffnung des Druckflüssigkeitsspeichers hohen Drucks ist mit einem Stutzen (der Hauptlinie des hohen Drucks) mit der Einlassöffnung eines Transformators, der die hydrostatische Energie in mechanische Energie umwandelt, verbunden. Die Auslass-Öffnung des Energietransformators ist mit einem zweiten Stutzen (Hauptlinie des niedrigen Drucks) mit einer zweiten (Einlass-)Öffnung des Druckflüssigkeitsspeichers niedrigen Drucks verbunden. Infolgedessen entsteht ein geschlossener Kreis für ein systematisches Überströmen der Betriebsflüssigkeit während der Motorarbeit. Die Hydrokammer des Zylinders, der Druckflüssigkeitsspeicher des hohen Drucks, ist der Transformator, der die hydrostatische Energie in mechanische Energie umwandelt, der Druckflüssigkeitsspeicher des niedrigen Drucks sowie die Hydrokammer des Zylinders sind weitere Elemente. Auf den Hydrohauptlinien des hohen und niedrigen Drucks sind Sensoren eines Druckluftventilleitungssystems für die Mechanismen des Brennstoffmischungseinlasses, ihr Aufflammen, den Abzug der entstehenden Abgase und auch für das Laufen der Druckflüssigkeit in einem geschlossenen Kreis zwischen den neuen Bestandteilen des Motors angeordnet. Jeder Druckflüssigkeitsspeicher besteht aus einer Druckluftkammer und einer Hydrobetriebskammer, die mit einer elastischen Scheidewand voneinander getrennt sind, was die Erhaltung eines gegebenen Betriebsdrucks in diesen Kammern sicherstellt. Der Transformator, der die hydrostatische Energie in mechanische Energie umsetzt, ist mit einer Hauptwalze des Motorkapazitätsabflusses ausgestattet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verbrennungsmotors sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausgestaltungen des Verbrennungsmotors näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Verbrennungsmotor mit Zylinder und Kolben, der zwei Druckflüssigkeitsspeicher und einen Transformator aufweist,
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2 einen Verbrennungsmotor mit Statorbetriebshöhle und Membran, der zwei Druckflüssigkeitsspeicher und einen Transformator aufweist und
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3 einen Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern mit jeweils einem Kolben, zwei Druckflüssigkeitsspeichern und einem Transformator.
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Um das Wesentliche der Erfindung darzulegen, sind die erfindungsgemäße Konstruktion und das Prinzip der Arbeit mit Hilfe eines Beispiels eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinder 1 und eines Kolbens 4 detailliert. Alles Dargelegte charakterisiert gleichermaßen sowohl einen Kolben-Verbrennungsmotor als auch eine Statorbetriebshöhle 27 mit einer Membran 28. Es sei bemerkt, dass die Membran 28 aus einem hitzebeständigen Stoff hergestellt ist, der ihre Elastizität bei längerem Gebrauch sichert. Die Erfüllung dieser Forderung fördert der ständige Kontakt der Innenseite der Membran 28 mit der Druckflüssigkeit der Hydrokammer der Statorbetriebshöhle 27.
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Das Zusammenwirken aller Komponenten und Baugruppen des Verbrennungsmotors liefert ein systematisches Einfüllen der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 mit dem vorbereiteten Brenngemisch, dessen Verbrennung und Übertragungsleistungs-Impulse von einem expandierenden Arbeitskörper in der Druckluftkammer 24 durch den Kolben 4 zu der Druckflüssigkeit der Hydrokammer 23 des Zylinders 1, auswärts durch ein Auslassventil 21 und einen Hochdruckspeicher 15 zu dem Transformator 13 und dementsprechend zu den Hauptwalzen des Motorkapazitätsabflusses (nicht gezeigt). Nach dem Abschluss des Arbeitstakts wird die Entfernung der Abgase aus der Druckluftkammer 24 des Verbrennungsmotors bei der Öffnung des Auslassdruckluftventils 9 und dem Einströmen der Druckflüssigkeit in die Hydrokammer 23 des Zylinders 1 durch das Einlassventil 22 aus dem Hydrospeicher 16 versorgt.
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Im Vergleich zu den traditionellen Verbrennungsmotoren (VM) ist das System der Vorbereitung und Zuführung des Kraftstoffs im neuen Verbrennungsmotor ein wenig anders.
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Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Vorbereitung und Kompression zu einem bestimmten vorgegebenen Niveau des Brenngemischdrucks (für Otto-Vergasermotoren) oder des Luftdrucks (für Dieselmotoren und Einspritzottomotoren) in einer speziellen Einheit (Kompressor) 6 vor der Zuführung in die Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 erfolgen.
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Jedoch kann die Zündung des brennbaren Gemisches mit einer Zündkerze 14 (für Vergaser- und Einspritzmotoren) oder die Kraftstoffeinspritzung in die Einspritzdüse (bei Dieselmotoren) fast die gleiche sein (berücksichtigt ist die Anwendung von modernen, einschließlich elektronischen Mitteln des Steuermechanismus des Aufflammens des brennbaren Gemisches).
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Es ist bekannt, dass der Grad der Kompression des brennbaren Gemisches mit der Klopffestigkeit des Kraftstoffs während der Verbrennung begrenzt ist. Je nach der Art und dem Grad des Kraftstoffs (Benzin, Dieselkraftstoff, Gas, Spiritus, Biodiesel oder eine Mischung davon) und dementsprechend der optimalen Kompression des brennbaren Gemisches oder der Luft in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 sind die Parameter des Drucks in der Hydrokammer 26 und Druckluftkammer 19 des Hydrospeichers 15 des hohen Drucks und auch des Auslassventils 21 der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 mit Sensoren des Druckluftventilsteuersystems 10 des Gemischzuführungsmechanismus (der Druckluft 7), deren Aufflammen 14 und der Abgasausstoß 9 eingestellt.
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Für moderne Otto- oder Gasmotoren ist das Verdichtungsverhältnis des brennbaren Gemisches von 7 bis 12 und der Luft in Dieselmotoren etwa 25. Das heißt, vor dem Zündzeitpunkt reicht der Druck des Brenngemisches in der Luftkammer 24 des Zylinders 1 der Vergaser- oder Einspritzmotoren von 0,7 bis 1,2 MPa und der Druckluft in Dieselmotoren etwa 2,5 MPa. In Zukunft kann die Klopffestigkeit des Kraftstoffs ansteigen, und das Verbrennen des Brennstoffgemisches aus Benzin, Erdgas, Alkohol oder einer Mischung davon kann z. B. mit einem Druck von etwa 1,5 MPa und des Dieselkraftstoffs bis zu 3,0 MPa erfolgen (Anspruch 7).
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Um die Bewegung des Kolbens 4 nach unten, während der Zuführung in die Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 des komprimierten vorbereiteten Brenngemisches oder der Druckluft in dem Hydrospeicher 15 des hohen Drucks, der mit der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 über das Auslassventil 21 verbunden ist, zu vermeiden, muss man einen Druck, etwas höher als den Druck des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches oder der Luft verwenden (d. h. für Vergasermotoren etwas höher als 1,2 ... 1,5 MPa und bei Dieselmotoren mehr als 2,5 ... 3,0 MPa) (Anspruch 8).
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Das Auslassventil 21 sollte erst nach dem Zünden des brennbaren Gemisches bei einer Druckzunahme des Arbeitskörpers in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 und in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 auf 4,5 ... 5,0 MPa, d. h. beim Arbeitshub des Kolbens 4 öffnen.
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Um die Verringerung des Arbeitshubs des Kolbens 4 im Gefolge einer vorzeitigen Schließung des Auslassventils 21 bei einer Arbeitskörperdruckabnahme in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 bis auf ein Niveau niedriger als 1,2 ... 1,5 MPa (bei Ottomotoren) oder 2,5 ... 3,0 MPa (bei Dieselmotoren) zu vermeiden, ist ein zusätzlicher Verzögerungsregler (Pause) zum Schließen des Auslasshydroventils 21 vorgeschlagen, wie es im Anspruch 3 gezeigt ist. Dies ermöglicht, die Dauer des Arbeitshubs des Kolbens 4 einzustellen und bis zu einem Punkt zu vergrößern, bis der Druck in der Druckkammer 24 des Zylinders 1 den Atmosphärendruck übersteigt.
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Der Druck kann sich entweder autonom (nach der Pause, in der er eingestellt wird) oder zwangsweise (auf Kommando der Sensoren des Ventilsteuersystems 10) nach der Erreichung einer angegebenen minimalen Betriebsflüssigkeitsdruckdifferenz zwischen den Hauptlinien 11 und 12 des hohen und niedrigen Drucks beim Eingang und Ausgang des Transformators 13 unmittelbar vor der Öffnung des Auslassdruckventils 9 für einen Abgasausstoß schließen.
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Das Einlassventil 22, das zwischen der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 und dem Niederdruckspeicher 16 angeordnet ist, wird während des Saughubs des Gasgemisches (der Druckluft) und des Arbeitshubs des Kolbens 4 bis zur Öffnung des Auslassdruckluftventils 9 für den Ausstoß der Abgase verschlossen. Infolgedessen ist der Druck in der Hydrokammer 24 des Zylinders 1 dem Atmosphärendruck angenähert. Unabhängig von der benutzten Kraftstoffart muss man in dem Druckflüssigkeitsspeicher 16 des niederen Drucks einen Arbeitsdruck etwas höher als den Atmosphärendruck wählen (theoretisch im Bereich von 0,11 bis 0,20 MPa) (Anspruch 8).
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Die Verfügbarkeit der Kraftmaschine über den Abschluss des Arbeitssummengangs ist durch das Erreichen der eingestellten minimalen Druckdifferenz der Betriebsflüssigkeit zwischen den Hauptlinien 11 und 12 des Hoch- und Niederdrucks am Eingang und Ausgang des Transformators 13 bestimmt, wenn die dort montierten Drucksensoren ein Signal dem Druckluftventilsteuersystem 10 übergeben, um das Ventil 9 für den Ausstoß der Abgase durch das Auslassventil 8 zu öffnen. Nach der Druckabnahme in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 auf den Atmosphärendruck, der über den Kolben 4 an die Flüssigkeit der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 übertragen wird, wird die vorgegebene minimale Druckdifferenz an dem Einlass und dem Auslass des zwischen der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 und dem Flüssigkeitsdruckspeicher 16 eingestellten Einlassventils 22 erreicht. Das Einlassventil 22 sichert seine Öffnung und Flüssigkeitsversorgung aus dem Flüssigkeitsdruckspeicher 16 in die Hydrokammer 23 des Zylinders 1 und damit die Bewegung des Kolbens 4 in eine Überkopfposition und den Ausstoß der Abgase aus der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 nach außen.
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Nach dem Schließen des Auslassdruckluftventils 9 ist der Verbrennungsmotor wieder zum Beginn des nächsten Takts bereit, das heißt zu einem folgenden Gas-Luftgemisch- (bei Ottomotoren) oder zu einem Drucklufteinlass (bei Diesel- und Einspritzmotoren).
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Um das gegebene Volumen der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 und den Einlass mit einer bestimmten Menge der neuen Portion des vorbereiteten Brennstoffgemisches (der Druckluft) zu versorgen, installiert man in dem oberen Teil der Zylinderwandung spezielle Begrenzer (Stützen), deren Größe von der Art und Marke des Brennstoffs, der für den Gebrauch im konkreten Motor verwendet ist, abhängt (im Schema nicht gezeigt).
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Um die Abgase vollständig zu entfernen und ihre Mischung zu vermeiden, ist die Oberstirnseite des Kolbens 4 möglichst nahe an den Deckel 2 des Arbeitszylinders (Kopf des Stators) mit der neuen Portion des Gas-Luftgemisches oder der Druckluft zu bringen.
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Dabei wird aber das Volumen der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 über der Oberstirnseite des Kolbens 4 auf nahezu Null reduziert, wobei das mit Betriebsflüssigkeit gefüllte Volumen der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 unter der Stirnseite des Kolbens 4 maximal wird. Wie bekannt ist, sind Flüssigkeiten nicht zu komprimieren. Deswegen ist das Füllen der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 mit einem neuen brennbaren Gemisch (der Druckluft) nur minimal.
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Um die optimale Größe der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 beim Einfüllen mit dem neuen Gasgemisch (der Druckluft) zu versorgen, schlägt man im Einlassventil (22), das zwischen der Hydrokammer 23 des Arbeitszylinders und dem Flüssigkeitsdruckspeicher 16 angeordnet ist, einen zusätzlichen Regler zur Verzögerung (Pause) seiner Schließung vor, den man für einen teilweisen Rückausstoß der Betriebsflüssigkeit aus der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 in den Flüssigkeitsdruckspeicher 16 (im Schema nicht gezeigt) braucht.
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Je länger eine solche Pause ist, desto mehr Betriebsflüssigkeit aus der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 wird unter dem Einfluss von dem höheren Druck des zugeführten neuen Gas-Luftgemisches (0,7 ... 1,5 MPa) oder der Pressluft (2,5 ... 3,0 MPa) im Vergleich zum Betriebsdruck des Flüssigkeitsdruckspeichers 16 (0,11 ... 0,20 MPa) verdrängt. Es sei bemerkt, dass, je kleiner das Volumen der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 ist, desto symmetrisch größer ist das Volumen der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1.
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Das maximale Startvolumen der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 sollte während der Zuführung des neuen Gas-Luftgemisches (der Druckluft) im Laufe eines Einlasshubs auf diese Weise beschränkt sein, damit ein hinreichendes Betriebsflüssigkeitsvolumen in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 für die nächste Verdrängung in den Flüssigkeitsspeicher 15 hohen Drucks und weiter kettenweise mit der Arbeitskörperexpansion in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 um 3–5 mal während des Arbeitshubs des Kolbens 4 nach dem Aufflammen des Gas-Luftgemisches bleiben kann.
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Je nach Art und Marke des Brennstoffs sollte ein optimales Verhältnis zwischen dem Volumen der Druckluftkammer 24 und der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 während des Einlasshubs im Bereich zwischen 1/5 bis 1/3 liegen.
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Deswegen ist vorgeschlagen, einen zusätzlichen (nicht gezeigt) Regler für die Kennwerte des Schließens des angegebenen Einlasshydroventils 22 einzuführen, um einen optimalen anfänglichen Umfang der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 bei einer neuen Gasfüllung (der Druckluft) pro Ansaugtakt für jeden akzeptierten Typ oder jede Marke des Brennstoffs festzulegen (Anspruch 4).
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Moderne elektronische Ventilprüfmittel und Ventilumsteuerungswerke erlauben eine andere Methode zur Steuerung des Startumfangs der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 und somit der Menge des zugeführten Gasgemisches (der Druckluft), wie im zweiten Teil des Anspruchs 5 angegeben ist. Zu diesem Zweck ist vorgeschlagen, zwischen der Hydrokammer 23 des Arbeitszylinders 1 oder der Statorarbeitshöhle 27 und dem Flüssigkeitsdruckspeicher 16 ein eingestelltes zusätzliches Steuerbypassventil (im Schema nicht gezeigt) anzuordnen. Als Bestimmungsgröße (Betriebsdruck, Ventilöffnungs- und Ventilschließungszeit) kann man das Volumen der Druckluftkammer 24 des Verbrennungsmotors beim Einfüllen mit dem vorbereiteten Gas-Luftgemisch (der Druckluft) ändern, d. h. die während des Ansaughubs gelieferte Menge des brennbaren Gemisches (der Druckluft) regelt in beträchtlichem Umfang die Motorleistung.
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Somit ist der komplette Zyklus des Verbrennungsmotors in drei Takten angeboten:
- – der Einlass, das heißt, die Lieferung von dem speziellen Kompressor 6 in die Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 eines neuen vorbereiteten und komprimierten Kraftstoff-Luftgemisches (in Benzinmotoren) oder der Luft (in Diesel oder Einspritzmotoren);
- – der Arbeitshub, das heißt, die Erhöhung der Expansion des Arbeitsmediums in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 nach ihrem Aufflammen (in Folge eines Funkens der Zündkerze 14 in den Vergaser und die Einspritzmotoren oder eine Kraftstoffeinspritzung unter dem Druck aus einer Düse für Dieselmotoren), der Druckerhöhung auf den Kolben 4 bis 4,5 ... 5,0 MPa bzw. auf die Betriebsflüssigkeit, die sich unter dem Kolben 4 in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 befindet. Nach Öffnung des Auslassventils 21 der Hydrokammer 23 erfolgt ein Überströmen der Betriebsflüssigkeit in den Flüssigkeitsdruckspeicher 15 des hohen Drucks durch einen Stutzen 11 zu dem Eingang des Transformators 13. Nach dem Antrieb der Hauptmotorzapfwelle und der Abnahme des hydrostatischen Drucks strömt die Betriebsflüssigkeit in den Flüssigkeitsdruckspeicher 16 über;
- – der Abgasausstoß, dessen Lenkmechanismus detailliert schon vorstehend beschrieben ist.
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Die neue Konstruktion des Verbrennungsmotors, die Vorbereitung und Kompression der Gebrauchsmischung (der Luft) zum Optimum außerhalb des Arbeitszylinders 1 oder der Statorarbeitshöhle 27 erlauben, die Quantität und die Dauer der Hilfstakte zu vermindern und die relative Dauer des Haupt(produktiven)takts – des Arbeitshubs – von 25% auf mindestens 33% zu steigern. Es ist anzumerken, dass die Beginn- und Schlusszeit, also die Dauer jedes Takts, von den Parametern des Leitungssystems 10 der hydraulischen und Druckluftventile abhängt. Wie schon gezeigt ist, kann man durch Änderung dieser Parameter die Dauer jedes Takts je nach Art des verwendeten Brennstoffs andere Konstruktionsmerkmale und Zweckbestimmungen steuern. Folglich ist eine weitere Erhöhung der relativen Dauer des Arbeitstakts im Vergleich zu den beiden anderen (Vorbereitungs- und Behandlungs-)Zyklen: Einlass des Gas-Luftgemisches (der Druckluft) und Abgasausstoß, möglich. Somit fördert die relative Zunahme der Länge des Arbeitshubs eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, das nicht nur eine Erhöhung der Effizienz des Motors, sondern auch eine Verminderung von Umweltbelastungen bringt.
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Das Beispiel einer der möglichen Konstruktionsvarianten des neuen Verbrennungsmotors ist in dem Schema nach 1 gezeigt.
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Der Verbrennungsmotor besteht aus dem Zylinder 1, der von einem Stutzen mit einem Deckel 2 begrenzt ist, den man auch Statorkopf nennt. Im Deckel 2 des Zylinders 1 sind Einlasskanäle 5 und Auslasskanäle 8 vorhanden, die zur Zuführung ins Innere des Zylinders 1 eines vorbereiteten Gasgemisches (der Druckluft) und zur Entfernung der Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder 1 dienen. Die Kanäle sind mit einem Einlass- und einem Auslassventil 7 ausgerüstet. Im Deckel 2 des Zylinders 1 ist auch eine Zündkerze 14 (bei Vergaser- und Einspritzmotoren) oder eine Düse (bei Dieselmotoren) für die Zündung des brennbaren Gemisches in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 angeordnet. Im Zylinder 1 ist entlang der Achse des Zylinders 1 ein hin- und hergehender Kolben 4 eingebaut.
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Der obere Teil des Zylinders 1, der Deckel 2 und die obere Stirnseite des Kolbens 4 bilden einen Hubraum, die sogenannte Druckluftkammer 24 des Zylinders 1, die mit Hilfe des Kanals 5 mit der Auspresshauptlinie eines Kompressors 6 verbunden ist, dessen Saughauptlinie mit einem Vergaser ausgestattet ist (nicht gezeigt).
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Der Kompressor 6 dient zur Kompression eines Brennstoffgemisches (für Benzinmotoren) oder der Luft (für Dieselmotoren) und für deren Zuführung in die Druckluftkammer 24 des Zylinders 1.
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In dem zweiten Teil des Zylinders 1 unter dem Kolben 4 ist eine zweite Kammer 23 angeordnet, die mit einem niedrigen Teil der Wand des Zylinders 1 und der inneren Stirnseite des Kolbens 4 begrenzt ist, und auch die Rümpfe von zwei Druckflüssigkeitsspeichern 15 und 16 aufweist. Die Kammer ist als Hydrokammer 23 des Zylinders 1 benannt, da sie mit der Betriebsflüssigkeit gefüllt ist, die für die Erfüllung einer Reihe von Funktionen in der Wärmeenergietransformation des Brennstoffgemisches in hydrostatische und danach in mechanische Energie bestimmt ist.
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Der Druckflüssigkeitsspeicher 15 besteht aus einem harten sphärischen Rumpf 17, in dem sich ein mit Gas gefüllter elastischer Mantel 19 befindet. Das Gasbetriebsdruckniveau in dem elastischen Mantel 19 des Druckflüssigkeitsspeichers 15 hängt von dem Typ und der Marke des gebrauchten Brennstoffs (wie schon beschrieben) ab und ist von 0,7 bis 1,5 MPa für Benzinmotoren und von 2,5 bis 3,0 MPa für Dieselmotoren eingestellt. Der zweite Teil dieses Druckflüssigkeitsspeichers 15 ist mit Betriebsflüssigkeit gefüllt und bildet eine Hydrokammer 26. Der Druckflüssigkeitsspeicher 15 ist als Druckflüssigkeitskammer für hohen Druck bestimmt, da die Betriebsflüssigkeit aus der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 durch das Auslassventil 21 während des Betriebsgangs des Kolbens 4 im Gefolge der Erweiterung des Betriebskörpers in die Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 gelangt.
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Das zweite Auslassventil des Druckflüssigkeitsspeichers 15 hohen Drucks ist mit einem Einlassventil des Transformators 13 mit dem Stutzen (der Hauptlinie 11 des hohen Drucks) verbunden. Und das Auslassventil 7 des genannten Transformators 13 ist mit dem zweiten Stutzen (der Hauptlinie 12 des niedrigen Drucks) mit dem Einlassventil 7 der Hydrokammer 25 des anderen Druckflüssigkeitsspeichers 16 verbunden, der Druckflüssigkeitsspeicher 16 niedrigen Drucks genannt ist.
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Dieser Druckflüssigkeitsspeicher 16 besteht auch aus einem harten sphärischen Rumpf 20, in dem sich ein mit Gas gefüllter elastischer Mantel 18 befindet, der die Druckluftkammer des Druckflüssigkeitsspeichers 16 bildet. Das Gasbetriebsdruckniveau im Mantel 18 dieses Druckflüssigkeitsspeichers 16 ist unabhängig von dem Typ und der Marke des gebrauchten Brennstoffs. Es ist etwas höher als der atmosphärische Druck (theoretisch von 0,11 bis 0,20 MPa), der viel niedriger als der in die Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 gegebene Druck des Brennstoffgemisches (der Druckluft) oder der Druck einer Statorbetriebshöhle bzw. in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 und im Druckflüssigkeitsspeicher 15 hohen Drucks ist. Genau deswegen ist der zweite Druckflüssigkeitsspeicher 16 als Druckflüssigkeitsspeicher des niedrigen Drucks genannt. Das zwischen ihm und der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 angeordnete Einlassventil 22 wird nach dem Ende des Betriebsgangs des Kolbens 4, der Absenkung des Druckunterschieds zwischen der Hauptlinie der hohen und niedrigen Drücke beim Einlass 11 und Auslass 12 des Transformators 13 der hydrostatischen Energie in die mechanische, der Impulsgabe der Sensoren des Leitsystems 10 auf die Schließung des Auslassventils 21 der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 und der Öffnung des Auslassdruckluftventils 9 der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 für den Ausschuss der Abgase durch den Auslasskanal 8 des Motors geöffnet.
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Wie oben genannt, dient die Hauptlinie 11 zur Zuführung der Betriebsflüssigkeit von dem Druckflüssigkeitsspeicher 15 des hohen Drucks unter großem Druck zum Transformator 13. Die Hauptlinie 12 dient zur Ableitung der Betriebsflüssigkeit, die die Energie in dem Transformator 13 der Druckluftkammer 25 des Druckflüssigkeitsspeichers 16 des niedrigen Drucks abgegeben hat.
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Die Konstruktion des Transformators 13 kann unterschiedlich sein, und zwar in Abhängigkeit der Zweckbestimmung des Verbrennungsmotors kann der Transformator 13 einen hohen statischen Druck der Betriebsflüssigkeit in einen drehenden, zurückkommenden und andere Typen einer mechanischen Bewegung umwandeln.
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Als Beispiel ist in dem Schema (1) die Konstruktion des Transformators 13 mit einem Gerät für den Erhalt einer drehenden Bewegung bei dem Auslass gezeigt. Das Schema stellt zwei in den Rumpf montierte Zahnräder dar, die sich in Erstarrung befinden. Im Gebiet der Erstarrung der Zahnräder hat der Rumpf zwei Löcher: eines für die Eingabe der Betriebsflüssigkeit mit hohem statischen Druck in den Transformator 13, das andere für die Ableitung der Betriebsflüssigkeit mit niedrigem statischen Druck. Außerhalb des Zahnrädereingriffs zwischen der inneren Fläche des Rumpfs und den Stirnflächen der Zahnräder liegt ein minimaler Spalt, der ein Überströmen der Betriebsflüssigkeit in diesen Plätzen verhindert. Die Verlängerung der Zahnräderwalzen (oder einer von denen) außerhalb des Rumpfs ist für den Auslass aus dem Transformator 13 bestimmt.
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Bei der Eingabe des hohen Drucks der Betriebsflüssigkeit mit dem hohen statischen Druck in die Hauptlinie 11 beeinflusst die Flüssigkeit die Zahnräder, bringt die Zahnräder in Rotation und gibt dabei Energie ab. In der Öffnungszone für den Betriebsflüssigkeitsauslass geht die Energie aus den Kammern, die mit den Zähnen der Zahnräder und der inneren Rumpffläche begrenzt sind, und wird von dem Transformator 13 bei der Hauptlinie 12 des niedrigen Drucks bis zur Druckluftkammer 25 des Druckflüssigkeitsspeichers 16 des niedrigen Drucks gezogen.
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Bei der Benutzung des Transformators 13 der betrachteten Konstruktion führt man die Ableitung der mechanischen Energie von dem Transformator 13 durch einen Anschluss der Zahnräderwalzen (oder einer von ihnen) des Verbrauchers (nicht gezeigt) aus.
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Die Sensoren des Druckleitungssystems 10 geben ein Signal zur Schließung des Auslasshydroventils 21 ab, das zwischen der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 und dem Druckflüssigkeitsspeicher 15 des hohen Drucks installiert ist, und zur Öffnung des Auslassdruckluftventils 9 für den Ausstoß der Abgase durch den Auslasskanal 8 des Verbrennungsmotors mit der Erreichung eines minimalen Unterschieds des Drucks der Betriebsflüssigkeit zwischen den Hauptlinien 11, 12 des hohen und niedrigen Drucks am Eintritt und Ausgang des Transformators 13 (Anspruch 9).
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Als eine Variante können die genannten Drucksensoren für die Bestimmung des angegebenen minimalen Unterschieds des Betriebsflüssigkeitsdrucks nicht in den Hauptlinien 11 und 12 des hohen und niedrigen Drucks installiert sein, sondern in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 oder in der Betriebshöhle des Ständers und in dem Druckflüssigkeitsspeicher 16 des niedrigen Drucks (Anspruch 10).
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Das Kombinieren dieser zwei Varianten ist auch möglich für eine Versorgung der hydraulischen und Druckluftventile des Verbrennungsmotors aus dem Leitungssystem 10 mit größter Sicherheit.
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Das präsentierte Gerät funktioniert auf folgende Weise.
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Ausgangszustand des Motors:
- – das Einlassdruckluftventil 7 ist geschlossen;
- – das Auslassdruckluftventil 9 ist geschlossen;
- – der Kolben 4 befindet sich in hoher Lage;
- – die Druckluftkammer 24 des Betriebszylinders 1 hat ein minimales Volumen, und die Hydrokammer 23 ist mit Betriebsflüssigkeit mit fast maximalem Volumen gefüllt;
- – das Auslasshydroventil 21 und das Einlasshydroventil 22 sind geschlossen;
- – die Hydrokammer 26 des Druckflüssigkeitsspeichers 15 des hohen Drucks und die Hydrokammer 25 des Druckflüssigkeitsspeichers 16 des niedrigen Drucks sind mit Betriebsflüssigkeit auf einem minimalen Niveau ihres Betriebsvolumens gefüllt.
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Die Arbeit des Motors beginnt mit dem Starten des Kompressors 6. Bei der Einsaugung von Luft durch den Vergaser (für Benzinmotoren) bereitet der Kompressor 6 eine Brennmischung des Treibstoffs und Luft vor und presst die Mischung zu dem gegebenen optimalen Wert zusammen. Für den Dieselmotor presst der Kompressor 6 Luft auch zu dem notwendigen optimalen Wert, der oben genannt ist.
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Bei Erreichung des gegebenen Druckniveaus durch den Kompressor 6 macht das Ventil 7 auf. Die komprimierte vorbereitete Brennstoffmischung geht durch den Kanal 5 in die Druckluftkammer 24 des Betriebszylinders 1. Das Einlassventil 7 wird geschlossen. Der Kolben 4 ist dabei in der Ausgangslage, da die Betriebsflüssigkeit in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 nicht komprimieren kann. Sie kann auch nicht verdrängt werden, bis das Auslassventil 21 zu dem Druckflüssigkeitsspeicher 15 des hohen Drucks und das Einlassventil 22 von dem Druckflüssigkeitsspeicher 16 des niedrigen Drucks geschlossen sind. Bei der Benutzung von Aufenthaltsregulatoren zur Schließung des Einlasshydroventils 22 oder des Leitbypasshydroventils zwischen der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 und dem Druckflüssigkeitsspeicher 16 des niedrigen wird die Betriebsflüssigkeit aus der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 in den gegebenen Grenzen in den Druckflüssigkeitsspeicher 16 des niedrigen Drucks teilweise verdrängt. Dabei reichen das Volumen der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 und die Menge der zugegebenen Brennstoffmischung (der Druckluft) mit den aufgegebenen Werten aus, der den optimalen Werten nahe ist. Dieser Prozess entspricht dem Einlasshub.
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Danach gibt man einen Impuls einer hohen Spannung zu der Kerze 14 (beim Benzinmotor) oder spritzt man Brennstoff durch einen Zerstäuber (beim Dieselmotor) ein, was die Entzündung des Brennstoffs bewirkt. Das Druckmittel in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 erweitert sich infolgedessen, und der Druck steigt ungefähr auf 4,5 ... 5,0 MPa. Durch seinen Einfluss auf den Kolben 4 steigt der Betriebsflüssigkeitsdruck in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1, was die Öffnung des Auslassventils 21 und die Verdrängung der Betriebsflüssigkeit in die Hydrokammer 26 des Druckflüssigkeitsspeichers 15 des hohen Drucks garantiert. Von hier aus gelangt sie durch die Hydrohauptlinie 11 des hohen Drucks auf den Einlass des Transformators 13. Nach der Energiegabe kommt die Betriebsflüssigkeit durch die Hauptlinie 12 des niedrigen Drucks in die Hydrokammer 25 des Druckflüssigkeitsspeichers 16 des niedrigen Drucks. Dabei bleibt das Einlassventil 22 geschlossen, da der Druck der Betriebsflüssigkeit in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 größer wird als der Druck der Betriebsflüssigkeit in dem Druckflüssigkeitsspeicher 16 des niedrigen Drucks. Mit der Verdrängung der Betriebsflüssigkeit aus der Hydrokammer 23 des Zylinders 1 und des Druckflüssigkeitsspeichers 15 des hohen Drucks und die Füllung des Druckflüssigkeitsspeichers 16 des niedrigen Drucks wird der Druckunterschied der Betriebsflüssigkeit in den Hauptlinien 11 und 12 sinken, bis er den aufgegebenen minimalen Wert erreicht, bei dem die Sensoren des Leitungssystems 10 das Signal abgeben, das Hydroventil 21 zu schließen und das Druckluftventil 9 zu öffnen. Auf diese Weise endet der Motorbetriebshub.
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Nach dem Abgasausstoß durch den Auslasskanal 8 vergleicht sich der Druck in der Druckluftkammer 24 des Zylinders 1 mit dem Druck in der Atmosphäre. In Übereinstimmung damit sinkt der Druck auch in der Hydrokammer 23 des Zylinders 1. Infolge dazu wird das Einlassventil geschlossen, und die Betriebsflüssigkeit aus der Hydrokammer 25 des Druckflüssigkeitsspeichers 16 des niedrigen Drucks wird in die Hydrokammer 23 des Zylinders 1 verdrängt. Das führt zur Verstellung des Kolbens 4 herauf bis zur Abstürzung und zur Entfernung des verbliebenen Brennprodukts durch das geöffnete Ventil 9 und den Auslasskanal 8. Das Ventil 9 wird geschlossen. Der Ausstoßhub ist beendet.
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Der Motor befindet sich in der Ausgangslage und ist auf den Beginn des nächsten Zyklus bereit, der wieder mit dem Einlasshub beginnt, das heißt, mit der Öffnung des Einlassventils 7 und der Eingabe einer neuen vorbereiteten Menge der Brennstoffmischung (der Druckluft) von dem Kompressor 6 in die Druckluftkammer 24 des Zylinders 1.
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Die Zyklen werden systematisch im Laufe des Motorbetriebs wiederholt.
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Die Konstruktion des neuen Verbrennungsmotors kann verschieden sein, je nach Abhängigkeit von seiner Zweckbestimmung, des Typs oder der Marke des verwendeten Brennstoffs und anderer Besonderheiten. Das Kombinieren verschiedener Mengen der Hauptmechanismen und Arbeitselemente des Verbrennungsmotors ist auch möglich, wenn zu seinen Bestandteilen ein oder mehr als ein Arbeitszylinder 1 oder eine Statorbetriebshöhle 27 komplett mit einer bestimmten Menge von Kolben 4 oder Membranen 28, Druckflüssigkeitsspeicher 15 und 16 des hohen oder niedrigen Drucks gehören, die mit entsprechenden Einlassventilen 22 und Auslassventilen 21 ausgestattet sind und mit den Hydrohauptlinien 11 und 12 des hohen und niedrigen Drucks mit einem oder mehreren Transformatoren 13 durch ein spezielles Ventilsystem 10, 29 verbunden sind, wobei die Synchronisation das Betriebsflüssigkeitsüberströmen und auch die Eingabe des Brennstoffs (der Druckluft), sein Aufflammen und den Abgasausstoß sichern (Anspruch 6).
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Bei der Benutzung von zwei oder mehr Betriebszylindern 1 oder Statorbetriebshöhlen 27 ist die Konstruktion eines Motors ohne Druckflüssigkeitsspeicher 15 und 16 des hohen und/oder niedrigen Drucks möglich. Dabei versorgt ein spezielles Ventilsystem 10, 29 die Synchronisation des systematischen Überströmens der Betriebsflüssigkeit von der Hydrokammer 23 eines Betriebszylinders 1 oder einer Statorbetriebshöhle 27 zu einem oder mehr Transformatoren 13 und von da aus zur Hydrokammer (23) des zweiten Betriebszylinders 1 oder der zweiten Statorbetriebshöhle 27 und auch eine Synchronisierung der Eingabe einer Brennstoffmischung (der Druckluft) in die Druckluftkamera 24 des entsprechenden Betriebszylinders 1 oder Statorbetriebshöhle 27, ihr Aufflammen und den Abzug der Abgase (in 3 dargestellt und in dem Anspruch 11 formuliert).
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Die vorgeschlagene Konstruktion des Motors versorgt die folgenden Vorteile im Vergleich zu dem nächstkommenden Stand der Technik:
- 1. eine Verkleinerung der Abmessungen, der Masse und der Metallkapazität auf 30–35%,
- 2. eine Verminderung des Reibungsniveaus und des Lärms um nicht weniger als 40%,
- 3. eine Erhöhung der Motorbetriebssicherheit wegen der kleineren Mengen an reibenden Details und einer niedrigeren Wahrscheinlichkeit eines Klemmens,
- 4. eine Vergrößung der Leistungsfähigkeit von nicht weniger als 15–20% infolge einer Verlustverminderung der Reibung und einer relativen Vergrößerung der Arbeitsgangdauer,
- 5. eine Ausstoßverminderung der giftigen Stoffe in die Atmosphäre infolge der vollen Verbrennung der Betriebsmischung und einer besseren Belüftung der Druckluftkammer.
