DE2445266A1

DE2445266A1 - Verfahren und einrichtung zum betrieb von viertaktkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2445266A1
Application number: DE19742445266
Authority: DE
Inventors: Hubert-Erich Dipl Ing Peterek
Original assignee: PETEREK HUBERT ERICH DIPL ING
Current assignee: PETEREK HUBERT ERICH DIPL ING
Priority date: 1974-09-21
Filing date: 1974-09-21
Publication date: 1976-04-08
Also published as: JPS5157307A; GB1492198A; FR2285513B1; FR2285513A1

Description

Patentanmeldung

"betreffend

Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertakt« kolbenbrennkraftmaschinen.

Anmelder: Hubert-Erich Peterek, 53 Bonn-Bad Godesberg.

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Hubert-Erich Peterek
53 Bonn-Bad Godesberg
Bernkasteier Str. 9

Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen

Es sind Viertaktbrennkraftmaschinen bekannt, die Abgas oder auch Frischgas und Abgas über ein einziges Ventil im Zylinderkopf ein- und ausbringen» Dieses Ventil führt den Ladungswechsel aber bei den bekannten Maschinen in Verbindung mit anderen Hilfsmitteln, z.B. kolbengesteuerten Schlitzen oder dem einzigen Zylinderkopfventil vorgeschalteten Steuerungsorganen durch« - Es sind auch Viertaktmaachinen bekannt, die wie üblich pro Zylinder mit je einem Einlaß- und Auslaßventil ausgerüstet sind, bei denen durch Änderung der Ventilöffnungs- und Schließzeiten während des Betriebes der spezifische Kraftstoffbedarf gesenkt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen, bei denen der Gaswechsel mit einem gesteuerten Zylinderkopfabsperrorgan, im folgenden als Ventil bezeichnet, durchgeführt und durch Änderung des Schließzeitpunktes dieses Ventils während des Verdichtungshubes die Ladeluftmenge pro Arbeitsspiel sowie durch Änderung des Öffnungszeitpunktes dieses Ventils der Beginn der Entladung zur effektiven Leistungsregelung verändert wird. - iüs wird im folgenden immer nur von einem Ventil gesprochen, obwohl bei größeren Zylindereinheiten auch mehrere Ventile gleicher Funktion im Zylinderkopf angeordnet werden könnten» Ziel der Erfindung ist die Minderung der Schadkomponenten der Abgase unter gleichzeitiger Minderung des spezifischen Kraftstoffverbrauches»

Weiterhin hat die Erfindung die Nutzung der Energie der aus den Zylindern austretenden Abgase, die Umstellung der Viertaktbrennkraftmaschinen vom Otto- auf Dieselmotorbetrieb bzw. den entgegengesetzten Vorgang sowie die Anpassung der Verdichtung an die Kraftstoffeigenschaften und die Betriebsverhältnisse zum Gegenstand.

Nach der Erfindung wird die Abgasenergie genutzt, um Verbrennungs-, Nachverbrannungs- sowie Spül- und Kühlluft für die innere und äußere, ggf. auch indirekte Zylinderkühlung benötigte Luft gegen

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die Strömungswiderstände der Leitungen, ggf. der Filter und Schalldämpfer zu fördern, so daß auf ein vom Motor angetriebenes, die Motorleistung minderndes Kühlgebläse verzichtet werden und darüber hinaus die Ladungswechselarbeit drastisch gesenkt werden kann.

Für spezielle Anwendungsgebiete liegt schließlich eine weitere Ausgestaltung der Erfindung darin, daß bei schnellen Fahrzeugen die kinetische Energie des gemäß der Erfindung erzeugten Abgas-,. Spül- und Kühlluftstromes zur Erhöhung des Vortriebes von Fahrzeugen genutzt werden kann. Unter Fahrzeugen sind hier Flugzeuge sowie schnelle Land- und Wasserfahrzeuge, zu verstehen.

Es ist das Ziel der Erfindung, alle Schadstoffkomponenten unter Vereinfachung der Viertaktbrennkraftmaschinen und unter Steigerung ihres Nutzeffektes zu mindern. Besonders im Teillastbereich soll der Kraftstoffbedarf wesentlich gesenkt und auch hierdurch wiederum die Emission von Schadstoffen reduziert werden. Im Straßenverkehr werden Fahrzeugm©tore im Teill3,stbereich betrieben. Hier treten die Unzulänglichkeiten der heutigen Viertaktbrennkraftmaschinen kraß in Ersehe inungo '

E3 wird nun das Arbeite- und Leistungsregelungsverfahren nach der Erfindung, mit dem die vorstehend angeführten Ziele erreicht werden, dargelegt. Zunächst wird der Viertaktprozeß im Arbeitszylinder beschrieben, dann wird die Förderung des Arbeitsmediums und die Nutzung der nicht mehr im Zylinder in mechanische Arbeit umsetzbaren Energie des. Arbeitsgases dargelegt»

Während der vier Takte spielen sich nach der Erfindung folgende Vorgänge ab:

1. T a k t Spülen und Kühlen des Arbeitsraumes unter Anaaugen Ansaug-, und von Frischluft. Bei Beginn des ersten Taktes ist Spülhub das einzige Ventil des Zylinders bereits teilgeöffnet, bei Vollast weitgehendst oder voll geöffnet.

2. Takt Der Spül- und KühlVorgang wird fortgesetzt. Mit Kompressions- Ausnahme der Vollastfahrt wird bis zum Kompreshub sionsbeginn ein Teil der Frischluft wieder ausgeschoben. Bei kleinster Ladung kann beim Ottobetrieb ein Luftvolumen wieder ausgeschoben werden, das

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etwa dem Hubvolumen entspricht; bei hoher Last beginnt die Kompression bereits bei maximaler Füllung kurz hinter dem unteren Totpunkt UT» Das Ventil schließt also beim Ottobetrieb je nach Last im Verlauf des zweiten Arbeitstaktes.

Beim Dieselbetrieb ist die Minderung der effektiven Verdichtung durch die Sicherstellung der Selb3tziindungs temperatur begrenzt. Beim Ottobetrieb erfolgt je nach Last die Einbringung des Kraftstoffes während des ersten und/ oder zweiten Taktes, Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt in an sich bekannter Weise. Beim Dieselbetrieb liegt der Beginn der Kraftstoffeinspritzung vor dem oberen Totpunkt OT· Beim Ottobetrieb ist der Einspritzzeitpunkt den TentilabschluSzeiten anzupassen.

Beim Expansionshub wird bei Vollast das Ventil vor dem unteren Totpunkt FT geöffnet. Bei niedriger ■Teillast hingegen ist das Ventil auch im UT und unter Umständen noch bis weit in den vierten Hub hinein geschlossen.

Bei Vollast ist zumindest die Öffnung des Ventils vor dem UT bereits eingeleitet so daß bei Beginn des vierten Taktes die Entladung bereits eingesetzt hat. Bei hoher Last ist das Ventil ent Ende des vierten Taktes weit geöffnet· Mit vermindeter Teillast erfolgt die Ventilöffnung immer Später im Verlauf des vierten Taktes» - Enthält das aus dem Ventil austretende Abgas noch unvollständig oxydierte Komponenten, so werden diese durch die dem Ventil zugeführte Frischluft nachoxydiert.

Der Drehmomentrerlauf über der Drehzahl, die Zeit der Vollöffnung sowie dae (iesamtintervall der Ventilöffnungszeit können durch die Ausbildung der Neckenform aufgegeben werden.

3. T a k t

Sxpansionshub

4. T a k t

Entladungshub

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Die Energie der aus dem Zylinder abströmenden Abgase wird nach der Erfindung wie folgt genutzt. Abb. 1. Die folgenden Abbildungen sind schematische Darstellungen. Der aus dem Ventil 1 austretende Abgasstrahl saugt frische Luft an. - Die in den heißen Abgasstrahl eindringende Frischluft bewirkt eine Fachverbrennung von Kohlenaxyd und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. - Die mit hoher Geschwindigkeit abströmende Gassäule aus Luft und Abgas saugt gemäß der Erfindung weitere Frischluft am Kopfventil 1 vorbei und spült und kühlt hierbei bei geöffnetem Yentil auch den Verbrennungsraum 2_O Es wird in den Zu- 3 und Abluftrohren 4 eine ständige Strömung aufrechterhalten» Bei mehreren Zylindern kann die Zuluft einer gemeinsamen Leitung entnommen werden und das Abgasgemisch in eine Sammelleitung einmünden.

Die gemäß der Erfindung erzeugte Gasströmung kann bei Fahrzeugantrieben über eine oder mehrere, ggf. an den Durchsatz anpaßbare Schubdüsen 5 austreten und so zur Überwindung der Fahrwiderstände beitragen.

Vom Luftstrom, der zu dem Ventil 1 der Zylinder führt, kann gemäß der Erfindung Luft abgezweigt werden, Abb« 2, die über die Kühlrippen 6 der Arbeitszylinder geführt oder auch über einen Wasser- oder Ölkühler 8 ©der einen Wasser- und Ölkühler, Abb. 3, geleitet wird, von denen der Hauptteil der Verlustwärme des Viertaktmotors abgeführt wirdo - Der über die Kühlrippen 6, Abb. 2, bzw. über die Kühler, Abb_o 3 » geführte Luftstrom kann auch einen vom Ventilstrom ' gesonderten Eintritt haben.

Beide Strömungen, der am Kopfventil vorbeiführende Strom und der die Verlustwärme über die Kühlrippen 6, Abb. 2, bzw„ über die Kühler 7 ^un^ / oder 8, Abb. 3» abführende Strom, können zusammengefaßt bzwo wieder zusammengefaßt und über eine Leitung 9» Abb. 3» abgeführt werden« Die energiereiohe vom Ventil 1 über die Leitung kommende Strömung kann wiederum als Pumpstrahl die von den Kühlrippen des Zylinders bzw_o die von den Kühlern kommende Luft ansaugen und so den Durchsatz verstärken. Nach Abb. 3 kann in der Zuluftleitung 3 ein· Luftfilter 11 und ein Schalldämpfer 12 und in der Leitung 4 ein weiterer Schalldämpfer 15 angeordnet werden» Der Gesamtgasstrom kann bei Fahrzeugen wiederum über eine Schubdüse 5 zur Erhöhung des Vortriebes abgeführt werden.

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Der nach der Erfindung erzielte Luftdurchsatz kann nun durch ein nach Bedarf einschaltbares Gebläse 10, Abb. 3» verstärkt oder durch Regelorgane beeinflußt werden, um die Temperierung des Motors bzw, die K&ouvcrbrennungsvorgänge vom Abgaskomponenten nach den Anforderungen dtr Betriebszustände bzw. der Reaktionskinetik der Naehoxydation zu beeinflussen. Die in Abb. 3 angegebene Position für das Gebläse ist lediglich eine beispielhafte Anordnung. Für das Gebläse können auch andere Anordnungen im Rohrsystem verwendet werden. Oft wird man auf ein Gebläse ganz verzichten können,, - Weiterhin kann bei .Fahrzeugantrieben durch den Staudruck der Fahrzeugbewegung der Durchsatz in an sich bekannter Weise verstärkt werden»

Abb. 4 und 5 zeigen beispielhafte Leitungsführungen bei mehreren Zylindern als schematische Darstellungen in Draufsicht. Nach Abb. 4 tritt die Zuluft zu dem luftgekühlten 5'ahrzeugmotor über einen Einlauf 14 ein, auf den der Staudruck wirkt. Von diesem Einlauf fließt ein Teilstrom als Kühlluft über die Kühlrippen 6 der Arbeitszylinder zum Mischraum 15« Dar Teilstrom zu den Ventilen 1 führt vom Einlauf 14 über ein Gebläse 10 zum Luftfilter 11 und teilt sich dann über die Zuluftrohre 3 zu den Ventilen Lauf. Die Abgasrohre 4 aller Zylinder sind bis zu dem Mischraum 15 vorgezogen; ihre Abgasstrahlen saugen hier den von den Kühlrippen 6 kommenden Teilstrom an. Darüber hinaus wird hier nach der Erfindung durch die jeweils beaufschlagte Mündung im Mischraum 15 durch die parallelgeschalteten Wege über die anderen Ventile ebenfalls Luft nachgesaugt. Das Gesamtgasgemisch wird über eine Schubdüse 5 ausgestoßen,

Abb. 5 zeigt das Leitungsschema für einen wassergekühlten T?ahr~ zeugmehrzylindermotor. Der Gesamtluftstrom tritt über einen Einlauf I4, auf den der Staudruck der Portbewegung wirkt, in ein Gebläse 10 ein. Hinter dem Gebläse 10 erfolgt die Teilung in den Ventilstrom und den Kühlstrom. Der Ventilstrom führt zunächst über einen Luftfilter 11 und einen Schalldämpfer 12 und verzweigt sich dann auf die Zuluftrohre 3 zu den Ventilen 1„ Die Abgasrohre 4 münden in eine Sammelleitung, die über den Schalldämpfer 13 zur Schubdüse 5 führt. Der Teilstrom, der die Kühler beaufschlagt, wird hinter dem Gebläse abgezweigt und führt über einen paralleigeschalteten Wasserkühler 7 und ölkühler θ in die UmgeTaungsluf t.

Nach der Erfindung können Filter und / oder Schalldämpfer auch im Bypass angeordnet oder in die btrömungswege hineingeschoben oder ge-

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dreht werden, so daß sie nur bei Bedarf eingesetzt werden können.

Es ist an sich bei Flugzeugen bekannt, den Abgasstrom von Brennkraftmaschinen zur Erhöhung des Vortriebes zu nutzen. Auch wurde vorgeschlagen, bei Fahrzeugen den Kühlluftstrom für diesen Zweck zu verwenden. Each der Erfindung wird ein Gemisch aus Kühlluft und Abgas verwendet, das in einfacher ¥eise durch Strahlwirkungen der Abgase einer gemäß der Erfindung arbeitenden Kolbenmaschine erzeugt wird, und wegen der niedrigen Temperaturen in einfachsten Einrichtungen, selbst bei Landfahrzeugen, zur Erhöhung des Vortriebes unter gleichzeitiger Durchführung der erfindunggemäßen Kühlfunktionen genutzt werden kann. Der wesentliche Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung gegenüber dem heutigen Stand liegt in der ständigen nicht unterbrochenen Strömung an den Ventilen und damit in weit höherem Effekt.

Um den Wärmeeinfall in den Zylinderkopf aus dem Abgaskanal im Kopf, an den sich das Abgasrohr 4 anschließt, zu mindern und den Kühlbedarf zu senken, kann gemäß der Erfindung dem aus dem 7sat±l austretenden Abgasstrahl die Zuluft etwa senkrecht zum Ventilschaft, dicht über der Ventilöffnung, mit einem spiralförmigen Einlauf zugeführt werden. - Der Zuluftkanal im Kopf, dem das Zulaftrohr 5 die Frischluft zuführt, ist zum Ventilschaft exzentrisch versetzt. Der heiße Abgasstrahl wird so beim Auspuff mit kühler Luft umhüllt, von der Wandung des Abgaskanals im Zylinderkopf ferngehalten und ihm allseitig Frischluft zur Nachverbrennung zugeführt. Die nachgesaugte Frischluft lehnt sich gut an die Wandung des Abgaskanals an und kühlt gründlich nach erfolgtem Auspuff_o Beim Ansaugen von Frischluft durch den Arbeitskolben in den Zylinder beim folgenden Arbeitstakt wird durch den spiralförmigen Einlauf der angesaugten Luft eine Rotation aufgegeben und hierdurch eine gute Gemischbildung sichergestellt.

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Ein Motor nach der Erfindung, in dem das Arbeitsverfahren gemäß der Erfindung durchgeführt werden kann, sei in einer beispielhaften Ausführungsform an einem Arbeitszylinder beschrieben.

Im Zylinderkopf befindet sich ein Absperrorgan, im folgenden als Ventil bezeichnet. Mit diesem einen Ventil kann der gesamte Gaswechsel sowie durch Änderung der Ventilabschluß- und Öffnungszeiten über dem Kolbenweg das Ladungsgewicht sowie der Beginn der Entladung und damit die Leistung des Motors geregelt sowie der Zylinder gespült werden. Nach der Erfindung werden am Zylinderkopf weitere Absperrorgane weder vor noch nachgeschaltet· Im Zylindermantel sind keine weiteren Absperrorgane oder kolbengesteuerte Schlitze angeordnet.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist die Änderung der Ventilöffnungs- und Schließzeiten während des Betriebes» Im folgenden wird eine besonders zweckmäßige Einrichtung zur Änderung dieser Zeiten beschrieben. Es sei vermerkt, daß zur zeitlichen Änderung der Ventilbetätigung aber auch andere Vorrichtungen zur Durchführung des erfindunggemäßen Viertaktverfahrens verwendet werden können.

Das einzige Ventil eines Zylinders möge direkt über Stößelbecher durch eine obenliegende Nockenwelle betätigt werden, die über eine Königswelle angetrieben wird. Die Königswelle laufe bereits mit Nockenwellendrehzahl. Diese Welle ist nach der Erfindung etwa in der Mitte unterteilt, Abb. 6 . tfber beiden Teilen gleitet ein Mitnehmerstück 21, das durch eine Verschiebung in Eichtung A oder B eine Verdrehung beider Königswellenteile gegeneinander bewirkt.

Die Verdrehung beider Königswellenteile wird gemäß der Erfindung dadurch bewerkstelligt, daß das Mitnehmerstück 21 an den Enden der Teilstücke 22 und 23 der Königswelie in Nuten eingreift» Die beiden Teile der Welle können mit Schraubenliniennuten starker Steigung mit entgegengesetzter Gängigkeit versehen werden oder es kann auch ein Wellenteil mit achsparallelen Nuten ausgeβtatet werden.

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Das Mitnehmeretuck 21 rotiert mit der Königswelle,, Das Halterungsstück 24, mit dem das Mitnehmerstück 21 auf den Teilstücken 22 und 23 der Königswelle versouolmn «Srd, ist im Mitnehmerstück 21 durch Kugellager oder Gleitringe gelagert und rotiert nicht. Durch gradlinige Verschiebung des Halterungsstücke3 und somit auch des MitnehmerStückes 21 werden die beiden Teilstücke 22, 23 der Königswelle gegeneinander verdreht und somit letzthin die Ventilöffnungs- und Schließzeiten über den Hub des Arbeitskolbens veränderto Bei Änderung der Ventilaeiten bedingt eine Nachverlegung des Ventilabschlußzeitpunktes, also eine Lastminderung des Motors, die gleiche liachverlegung des Ventilöffnungszeitpunktes in Grad Kurbelwinkel.

Nach der Erfindung wird die frische Verbrennungs- und Spülluft direkt über dem einzigen Zylinderkopfventil, dessen Anden, ig der Tätigungszeit vorstehend beschrieben wurde, zugeführt. Dar aus dem Zylinder austretende Abgasstrom tritt in Sichtung oder etwa in Richtung des Ventilschaftes aus dem Zylinder aus. Die kinetische Energie des Abgasstrahls kann weiterhin nach der Erfindung zur Förderung der Spül-, Verbrennungs- und Nachoxydationsluft sowie bei Fahrzeugen zur Erhöhung des Vortriebes genutzt werden, wie bereits dargelegt wurde»

Die gründliche Ausspülung des Arbeitszylinders ist bei dem Arbeitsverfahren und den Brennkraftmaschinen nach der Erfindung von wesentlicher Bedeutung,, Hier ist im ganzen Betriebsbereich eine reine Ladung gewährleistet mit den Vorteilen des gründlichen Durchbrandes und somit kleinster Schadstoffkonzentrationen der Abgaskomponenten, die duroh unzureichende Oxydation bedingt sind. Hohe Leistungsaasbeute durch hohes Ladungsgewicht ist durch gründliche Restgasausspülung sichergestellt. Minimale Abgasentwicklung und niedrigste Anteile an Schadstoffen sind auch im Teillastbetrieb gewährleistet.

ITaoh der Erfindung liefert der ständig am Ventil vorbeistreichende Luftstrom die Luftladung des Zylinders,-die Spülluft und die Haohverbrennungsluft.

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Beim Ladungswechsel gemäß der Erfindung nimmt die Intensität der Spülung mit abnehmender Teillast zu» Bei niedriger Teillast wird das Ventil erst im Verlauf des Entladehubes (4» Takt) geöffnet. Das Abgas wird aus ge et zZcr. und saugt dabei Frischluft zum Ventil. Befindet sich der Kolben im OT, so ist das Ventil schon weiter geöffneto Beim folgenden Lade- und Spülhub (l. Takt) saugt der Kolben unter ständiger Spülung Frischluft an. Unter weiterer Durchapülung des Zylinders wird ein Großteil der eingebrachten Luft wieder ausgeschoben (2_O Takt), ehe das Ventil schließt. - Durch den Spülvorgang wird die Temperatur der Ladung herabgesetzt und die Innenwandung des Zylinders gekühlte - Im Gegensatz zu den Maschinen nach der Erfindung wird bei den heutigen Ottomotoren mit zunehmender Teillast die Ladung immer mehr mit Restgas versetzt»

Mit den heute im Straßenverkehr meist eingesetzten drosselgeregelten Ottomotoren kann besonders im Teillaatbereich bei den dann stark mit Rastgas verunreinigten Ladungen dringendsten verbrennungsteohnischen Anforderungen nicht entsprochen werden. Ear Anteil der Schadstoffe durch unvollständige Oxydation ist infolgedessen extrem hooh. Eine ausreichend schnelle Verbrennung kann nur durch Gemischüberfettung erreicht werden. Die zwangläufige Folge sind zunehmende Gehalte an Kohlenmonoxyd (CO) und an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (C₁JiH_n). Neben der unvollkommenen Verbrennung kommt bei den heutigen droeselgeregelten Motoren noch hinzu, daß die durch die Drosselung bedingte negative Arbeitsfläche unter ungünstigsten verbrennungstechnischen Verhältnissen zu kompensieren ist, ehe Arbeit abgegeben werden kann. Die Effektivität des heutigen Ottomotors im Straßenverkehr ist minimal. Hier werden bezogen auf die Leistung großa Abgasmengen mit hohen Anteilen an den Schadstoffkomponenten produziert, die durch mangelnde Oxydation verursacht werden. Im Teillas tbereich ist der theoretische Wirkungsgrad und der Gütegrad der Drosaelmotore extrem schlecht.

Die technischen Vorteile des Arbeitsverfahrens gemäß der Erfindung und der nach der Erfindung ausgebildeten Brennkraftmaschinen liegen in der weit über dem heutigen technischen Stand liegenden Effektivität, aleo in vermindertem Kraftstoffverbrauch, in der erheblichen Verringerung der Umweltbelastungen durch Abgaeschadstoffe und

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durch Lärmentwicklung, in der einfachen konstruktiven Ausbildung der Maschinen, die preiswerte Herstellung ermöglicht und niedrige Betriebs- und Wartungskosten bedingt.

Im folgenden werden einige der technischen Vorteile der Erfindung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik aufgeführt und begründet.

Nach der Erfindung ist die Minderung der Schadatoffkoaponenten des Abgases j die durch unvollständige Verbrennung (CO, C_mH_a) entstehen, durch die gründliche Zylinderspülung und somit die weitgehend restgasfreie Ladung bedingt. Weiterhin wird im Teillastbereich durch zunehmend spätere Ventilöffnung die Reaktionszeit und die Zeit zur Umkehrung der Dissoziationsvorgänge verlängerte Schließlich dringt in den hocherhitzten reaktionsfähigen Abgasstrahl gemäß der Erfindung nach dem Durchgang durch das Ventil sofort Luft ein» durch die eine Nachverbrennung unvollständig oxydierter Bestandteile erfolgt.

Es werden aber gemäß der Erfindung nicht nur die Schadstoffe, die durch unvollständige Verbrennung entstehen, reduziert, sondern auch die Stickoxyde«, Die Minderung dieser Oxyde wirkt sich nach der Erfindung mit zunehmender Teillast progressiv aus, da hier die effektive Verdichtung, die Verdichtungsendtemperatur und somit die Prozeßtemperaturen einken und durch die spätere Ventilöffnung» bei Vergleich konstanter Betriebsdrehzahlen, die Reaktionszeiten zunehmen. Durch diese Umstände reduzieren sich die NO_x - Komponenten . im Abgas.

Für die Abgasqualität ist es weiterhin wesentlich, daß Motoren gemäß der Erfindung geringere Anforderungen an die Oktanzahl der Kraftstoffe stellen, so daß der Bleiausfall aus dem Abgas gemindert werden oder auf Bleiverbindungen ganz verzichtet werden kann. Bei konventionellen Motoren treten extrem hohe Temperaturen an den Auslaßventilen auf.· Auch durch, das hohe Temperaturniveau'der Auslaßventile sind die hohen Anforderungen an die Klopffestigkeit der Ottokraftetoffe bedingt. Bei den nach der Erfindung ausgebildeten Motoren dient das Auslaßventil auch als Einlaßventil. Die mäßige Temperatur gewährleistet hier hohe Klopffestigkeit der Brennräume,

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Ein wesentlicher Beitrag zur Minderung der Belästigung durch Abgase ist schließlich durch den hohen Effekt gegeben, mit dem Brennkraftmaschinen im ganzen Betriebsbereich arbeiten, die nach der Erfindung ausgebildet sind. Der Abgasausstoß pro rS~Stunde ist hier geringer.

Durch die Erfindung wird nicht nur ein erheblicher Fortschritt im Hinblick auf die Minderung der Schadstoffe im Abgas, sondern auch hinsichtlich der Geräuschbelästigung erzielt. Mit den Motoren gemäß der Erfindung können weite Teillastbereiche gefahren werden, ohne daß bei Öffnung des Ventils das kritische Druckverhältnis überschritten wird. - Erst bei Erreichung des kritischen Druckverhältnisses von Zylinderinnendruck zum Auspuffgegendruck wird mit Erreichung der Schallgeschwindigkeit bei der Entladung auch die Dämpfung des Auspuffgeräusches kritisch^ das eine der wesentlichsten Quellen des Gesaratmotorengeräusches ist.

Nach der Erfindung wird auch ein beachtlicher Vorteil gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik durch die Vereinfachung der Motoren und die geringeren Anforderungen an die Wartung erzielt. Bei den Motoren gemäß der Erfindung ist nur ein Ventil pro Zylinder angeordnet, bei dem auch noch wegen des hier zur Verfügung stehenden großen Zeitquerschnittes geringere Anforderungen an die Ventilgröße und an die Ventilbeschleunigungen gestellt werden.

Auf ein vom Motor mechanisch angetriebenes, Leistung zehrendes Kühlgebläse kann verzichtet werden. - Bei dem Arbeite- und Kühlverfahren gemäß der Erfindung ist an sich schon die zur einwandfreien Temperierung der Viertaktbrennkraftraaschinen erforderliche Kühlleistung wesentlich kleiner wie bei den heutigen Motoren. Durch die Energie des Arbeitsmediums» die nicht mehr in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann, können Spül-, Kühl- und Nachverbrennungsluft gefördert oder deren Förderung unterstützt werden. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung ist die förderung durch die Abgasenergie um so stärker, je höher die Leistung der Viertaktbrennkraftmaschine., ist; hierdurch werden Hegelungs- und Temperierungsvorgänge am Motor vereinfacht. Darüber hinaus wird der Kühlaufwand nach der Erfindung sohon dadurch erheblioh reduziert, daß das einzige Zylinderkopfventil

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sehr gut gekühlt wird» - Bei konventionellen. Motoren hingegen ist die hohe thermische Beanspruchung der Auslaßventile der Grund für eine hochaufwendige Ausbildung der Arbeitszylinder und für hochaufwendige Kühlsysteme.

Bei Motoren gemäß der Erfindung ist das gesamte Abgassystem nicht mehr korrosionsgefährdet, da hier die prozentuale H20-Koaponente im Abgasluftgemisch sehr klein ist.

Kennzeichnend für die Erfindung ist die Minderung des spezifischen Kraftstoffbedarfs beim Otto- und Dieselverfahren unter gleichzeitiger Vereinfachung der Maschinen und unter Reduzierung der Schadstoffe der Abgase» - Die hohe Effektivität ist bedingt durch die gründliche Spülung der Arbeitsräume gemäß der Erfindung, die Minderung der mechanischen Verluste, durch Senkung der Antriebsleistung für Ventile und Kühlgebläse, die Minderung der Ladungswechselarbeit und die Absenkung der Kolbenreibung durch Minderung der Arbeitsdrücke während der Kompression und der Expansion gegenüber konventionellen Motoren« Wesentlich für den hohen Effekt im Teillastbereich ist die hohe Ausnutzung der Energie des Arbeitsmediuma am Ende des üixpansionshubes durch die Nachverlegung des Auspuffbeginns gemäß der Erfindung sowie die Möglichkeit, bei kleiner Last mit hoher Luftzahl zu fahren.

Werden die heutigen Ottomotore den nach der Erfindung arbeitenden Maschinen gegenübergestellt, so entfällt hier im Teillastbereich die mit der Drosselung auftretende negative Arbeitsfläche nahezu. Bei Motoren gemäß der Erfindung ist gerade auch bei niedrigen Teillasten die Ladung rein und damit die vom Gütegrad erfaßten Verluste geringer. Mit abnehmender Teillast vermindert sich gemäß dem Verfahren der Erfindung die Kompressionsarbeit durch die Nachverlegung des Ventilabschlusses. Wach der Erfindung wird bei niedrigen Teillasten unter der atmosphärischen Linie des Arbeitsdiagramm.3 selbst durch die Abkühlung des Arbeitsmediums ein Arbeitszugewinn erzielt. Schließlich kann bei schnellen Fahrzeugen durch den Rückstoß des nach der Erfindung geförderten Kühlluft- und Abgasstroraes ein zusätzlicher Leiatungsgewinn ohne Erhöhung des Kraftstoffverbrauches erreicht werden.

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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein Dieselmotor bei Installation einer Fremdzündungsanlage durch Verminderung der effektiven Verdichtung, also durch Spätschluß der Ventile auch al3 Ottomotor gefahren werden und daß schließlich durch Änderung der effektiven Verdichtung auch eine Anpassung an unterschiedliche Otto- und Dieselkraftstoffe und an unterschiedliche Betriebszustände vorgenommen werden kann« Zum Beispiel kann beim Kaltstart oder bei größeren Plughöhren die Verdichtung erhöht oder bei einem Ottomotor die effektive Verdichtung gesenkt werden, wenn nur Kraftstoffe niedriger Oktanzahl zur Verfügung stehen oder hohe Lufttemperatur eine Senkung, der Verdichtungen fordern»

Die Viertaktbrennkraftmaschinen und das Viertaktverfahren gemäß der Erfindung können in allen Bereichen für Otto- und Dieselbetrieb angewendet werden, in denen die derzeitigen Kolbenbrennkraftmaschinen im Einsatz sind»

Bei den folgenden .Patentansprüchen wird wegen des umfassenderen Begriffe3. statt der Bezeichnung "Ventil" das Wort "Absperrorgan" verwandet.

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Claims

Patentansprüche

/ 1 β jVex'fahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraft- ^ maschinen, die die Zyli^cOr ri t Luft laden und den Kraftstoff direkt in den Zylinder einbringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Spül« und Verbrennungsluft sowie die Ausbringung der Abgase über ein Absperrorgan, ggf. über mehrere Absperrorgane gleicher Punktion durchgeführt und durch Änderung de3 Schließzeitpunktes während des Verdichtungshubes die Ladeluftmenge sowie durch Änderung des Öffnungszeitpunktes der Beginn der Entladung verändert wird.

Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Absperrorgan zugeführte Luft durch den Strahl des au3 dem Zylinder austretenden Abgases angesaugt und durch die kinetische Energie des abströmenden Gasgemisches weitere Luft nachgeaaugt und so der Luftstrom zur Kühlung, Spülung, Ladung und Nachverbrennung yerstärkt wird»

3.« Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus der Durchtrittsöffnung des Absperrorgans des Zylinderkopfes austretenden Abgaastrahl die Zuluft senkrecht oder etwa senkrecht zum Strahl mit exzentrischem Versatz zum Zentrum der Durchtrittsöffnung dicht über der Wandung des Zylinderkopfee mit einem spiralförmigen Einlauf zur Durchtrittsöffnung zugeführt wird.

4* Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraft~ maschinen nach.Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Zuluftstrom in Teilströme zu dem Absperrorgan bzw. den Absperrorganen-und zu den Kühlrippen aufgeteilt und hinter dem Zylinder bzw. den Zylindern wieder zusammengefaßt wird, wobei der energiereiche Teilstrom bzw. die Teilströme von dem Absperrorgan bzw. den Absperrorganen wiederum fördernd auf die Ton den Kühlrippen kommende Luft einwirkt bzw. einwirken.

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5. Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuluftstrom in Teilströme zu dem Absperrorgan bzw. den Absperrorganen und zu dem Wasser- und / oder Ölkühler aufgeteilt und wieder zusammengefaßt wird, wobei der energiereiche Teilstrom bzw. die Teilströme von dem Absperrorgan bzw. den Absperr- ©rganen wiederum fördernd auf die von dem Kühler bzw. den Kühlern kommende Luft einwirkt bzw. einwirken.

Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen nach Anspruch 4 und- 5> dadurch gekennzeichnet, daß im Teilstrom über das Absperrorgan bzw. die Abspterrorgane am Eingang ein Filter und / oder Schalldämpfer angeordnet und hinter dem Absperrorgan bzw. den Absperrorganen ein weiterer Schalldämpfer nachgeschaltet ist.

7ο Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmasohinen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuluftleitung zur Viertaktmaschine ein Gebläse angeordnet ist.

8. Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im 'i'eilBtrom über das Absperrorgan bzw. die Absperrorgane und / oder im Kühlstrom über die Kühlrippen bzw. dem Wasser- und / oder Ölkühler ein Gebläse angeordnet ist.

9· Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen' für Fahrzeuge nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Staudruck der Luftdurchsatz für Verbrennungs- und Kühlluft verstärkt wird.

10. Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen für Fahrzeuge nach Anspruch 1 bis 9» daduroh gekennzeichnet, daß der Abgasstrom oder der Luft- und Abgasstrom über eine oder mehrere Schubdüsen, ggf. mit verstellbarem Austrittsquerschnitt zur Erhöhung des Vortriebes abgeführt werden.

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11. Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraft~ maschinen naoh Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umstellung der Maschine auf Diesel oder Ottobetrieb sowie die Anpassung an die Oktanzahl der Ottokrafxsioffe bzw. die Cetanzahl der Dieselkraftstoffe durch Begrenzung und Festlegung des maximalen Verdichtungsverhältnisses durch Änderung des Abachlußzeitpunktes des Absperrorganes erfolgt.

12_O Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von Viertaktbrennkraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Ventilöffnungs- und Schließzeiten durch Verschiebung eines Mitnehmerstüokes auf einer geteilten Königs welle erfolgt, deren Teilstücke mit Nuten unterschiedlicher Steigung versehen sind, in die das Mitnehmerstück eingreift_o

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