DE2732315A1

DE2732315A1 - Verbrennungsmotor, insbesondere zweitaktmotor

Info

Publication number: DE2732315A1
Application number: DE19772732315
Authority: DE
Inventors: Werner Vieler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-16
Filing date: 1977-07-16
Publication date: 1979-02-01

Description

"Verbrennungsmotor, insbesondere Zweitaktmotor"

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere Zweitaktmotor, mit mehreren Arbeitszylindern mit gemeinsamer Abtriebswelle, denen die Frischladung mit erhöhtem Druck zugeführt wird.

Verbrennungsmotoren sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ihre Arbeitszylinder saugen die Frischladung an, komprimieren sie und übertragen die bei der Expansion freiwerdende Arbeit auf die gemeinsame Abtriebswelle. Insbesondere bei Zweitaktmotoren ist es zum Ladungswechsel erforderlich, die Frischladung unter einem erhöhten Druck zuzuführen, weil beim Ladungswechsel auch das Abgas aus dem Zylinder verdrängt und der Zylinder mit der Frischladung gespült werden muß. Als Pumpe für die Druckerhöhung der Frischladung dient z.B. das Kurbelgehäuse.

809885/0175

Stets verbleibt jedoch gerade bei Zweitaktmotoren eine verhältnismäßig große Restgasmenge im Zylinder, die beim anschließenden Kompressionstakt mit der Frischladung verdichtet wird. Das führt zu Einbußen des Wirkungsgrades, weil die Restgasmenge keine Arbeit mehr leisten kann. Bei der Kompression der Frischladung auf den gewünschten Druck tritt gleichzeitig auch eine Temperaturerhöhung ein, die bei den in herkömmlicher Weise arbeitenden Motoren zwar grundsätzlich erwünscht ist, aber nur durch erhöhte Kompressionsarbeit erreicht werden kann. Bei der nachfolgenden Expansion ergeben sich insbesondere bei Zweitaktmotoren Verluste dadurch, daß Auslaßventile oder Auslaßschlitze öffnen müssen, bevor der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat, wobei nahezu gleichzeitig Einlaßventile bzw. Einlaßschlitze für die Frischladung geöffnet werden, um den gewünschten Ladungswechsel zu erreichen. Auch dabei gehen nutsbare Arbeit und/oder.Gemisch verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Art mit einem verbesserten Wirkungsgrad anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verbrennungsmotor mit wenigstens einem von der Abtriebswelle angetriebenen, als Verdichter für die Frischladung arbeitenden Zylinder und einem daran angeschlossenen Wärmetauscher für die verdichtete Frischladung, der auf der Sekundärseite von den Abgasen der Arbeitszylinder durchströmt ist.

809885/0175

Bei einem solchen Verbrennungsmotor wird die durch Expansion und Verbrennung freiwerdende Energie wesentlich günstiger ausgenutzt, v/eil die in gesonderten Verdichter-Zylindern komprimierte Frischladung in diesem Zustand mit der Wärmeenergie der Abgase aus den Arbeitszylindern aufgeheizt wird und erst dann den Arbeitszylindern zugeführt wird. Dadurch kann wenigstens ein Teil der in den Abgasen enthaltenen Wär meenergie einer Nutzung zugeführt werden. Durch Trennung von Verdichter- und Arbeitszylindern wird auch der Ladungswechsel der Arbeitszylinder vereinfacht, das Expansionsverhältnis verbessert und die Restgasmenge verkleinert. Bei einem nach dem Zweitaktverfahren arbeitenden erfindungsgemäßen Motor kann nämlich die volle Expansion bis zum unteren Totpunkt des Kolbens genutzt v/erden, so daß sich die Abgase v/eiter abkühlen als bei bekannten Motoren. Die Auslaßventile brauchen erst zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt geöffnet werden, weil die Frischladung dem Arbeitszylinder bereits mit im wesentlichen dem gewünschten Verdichtungsdruck zugeführt werden. Deswegen kann ein Teil des Kolbenweges auch dazu genutzt v/erden, die Abgase aus dem Arbeitszylinder auszustoßen. Dementsprechend verringert sich auch die Restgasmenge.¹ Diese Verhältnisse wirken sich insbesondere günstig im Teillastbereich aus, weil durch gesonderte Verdichtung und Vorwärmung der Frischladung stets optimale Verhältnisse eingestellt werden können.

809885/0175

Grundsätzlich ist das Verhältnis der Anzahlen von Arbeitszylindern und Verdichter-Zylindern beliebig. Günstig ist es jedoch, wenn die Anzahl der Arbeitszylinder doppelt so groß ist wie die Anzahl der Verdichterzylinder, insbesondere dann, wenn ein an den oder die Verdichterzylinder bzw. den Wärmetauscher angeschlossener Ausgleichsbehälter für die verdichtete Frischladung vorgesehen ist. Dieser Ausgleichsbehälter, der auch den Wärmetauscher umfassen kann, ist ein Speicher für die verdichtete Frischladung, wobei innerhalb des Ausgleichsbehälters Druckschwankungen auftreten, die dadurch entstehen, daß einerseits verdichtete Frischladung von den Verdichter-Zylindern zugeführt und andererseits ein Teil der verdichteten und vorgewärmten Frischladung aus dem Ausgleichsbehälter in die Arbeitszylinder gelangt.

Praktisch ist eine Ausführungsform als Reihenmotor mit sechs Zylindern, von denen zwei als Verdichter-Zylinder und die übrigen als Arbeitszylinder im Zweitaktverfahren arbeiten. Ein Vergleich mit einem herkömmlichen im Viertaktverfahren arbeitenden Sechszylindermotor zeigt, daß bei jeweils zwei Umdrehungen der herkömmliche Sechszylinderreihenmotor sechs Arbeitstakte und der erfindungsgemäße Motor acht Arbeitstakte durchführt. Die Kompressionsarbeit des erfindungsgemäßen Motors beträgt dabei 67 - 75 % der vom herkömmlichen Motor geleisteten Arbeit, während die abgegebene Leistung bis zu 110 % der

809885/0175

vom herkömmlichen Motor geleisteten Arbeit betragen kann, jeweils bei gleicher Drehzahl. Diese Verbesserung kann natürlich auch dadurch genutzt werden, daß bei gleicher Leistung der Verbrauch des erfindungsgemäßen Motors reduziert ist.

Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Motor auch als Dieselmotor arbeiten, wobei auch in diesem Fall durch Vorwärmung der verdichteten Frischladung eine Einsparung an Kompressionsarbeit erreicht wird, wobei ganz allgemein die Arbeitsdrücke niedriger liegen können.

Zweckmäßig wird der Wärmetauscher als Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet. Das verbessert den Wärmeübergang vom Abgas auf die Frischladung und die Ausnutzung der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie. Im einzelnen kann der Wärmeaustauscher ein Röhrenwärmeaustauscher mit einem Rohrbündel sein, dessen Rohre außen vom Abgas umströmt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß der Wärmeaustauscher ein außen von den Abgasen umströmtes wendelförmig angeordnetes Rohr zur Führung der Frischladung aufweist. Schließlich kann der Wärmetauscher auch ein gestrecktes Rohr mit darauf befestigten Leit- und Wärmetauschrippen aufweisen, die insbesondere wendelförmig auf dem gestreckten Rohr angeordnet sind. Insbesondere die letzte Ausführungsform zeichnet sich durch günstige Strömungsverhältnisse für die Frischladung aus.

«09885/0178

Wenn in bestimmten Arbeitsbereichen des Motors die Temperaturerhöhung der verdichteten Frischladung auf einen bestimmten Wert begrenzt v/erden soll, kann der V/ärmetauscher eine Bypassleitung mit einstellbarem Absperrorgan zum Auspuff aufweisen. Über diese Bypassleitung kann dann ein Teil der Abgase direkt zum Auspuff geführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, zwischen Verdichter-Zylindern und V/ärme tauscher eine Kühlstufe zu schalten, die einer zu starken Verwendung bei niedrigerem Mengenzusatz entgegenwirkt.

Vorteilhaft zur Steuerung der Frisch ladung ist aber auch ein Absperrorgan, das eine der Anzahl der Arbeitszylinder entsprechende Anzahl von Auslässen mit zu den Arbeitszylindern führenden Frischgasleitungen aufweist, wobei die Auslässe in einer Ebene auf einem Kreis in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und wobei vor den Auslässen eine von der Abtriebswelle angetriebene rotierende Lochscheibe angebracht ist, die wenigstens eine die Auslässe nacheinander freigebende Öffnung aufweist.

Im folgenden werden in der Zeichnung dargestellte AusfUhrungsbeispiele der Erfindung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor als Sechs-Zylinder-Reihenmotor und darunter sein Arbeitsschema,

Ö09885/0175

Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes nach Fig. 1,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eine Teils des Gegenstandes nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht und einen Schnitt durch einen Teil des Gegenstandes nach Fig. 1.

Der dargestellte Verbrennungsmotor weist insgesamt sechs Zylinder 1-6 auf, deren zugeordnete Kolben über ihre Kolbenstangen an eine gemeinsame, mehrfach gelagerte Kurbelwelle 7 angeschlossen sind. Die Zylinder 1 und 2 arbeiten als Verdichter, die Zylinder 5-6 sind Arbeitszylinder, die im Zweitaktverfahren arbeiten. Die in den Verdichter-Zylindern komprimierte Frischladung wird über an die Verdichter-Zylinder 1, 2 anschließende Leitungen 8, 9 zu einem Wärmetauscher 10 geleitet, dessen Primärsystem aus einem die Frischladung durch den Wärmetauscher 10 führenden gestreckten Rohr 11 besteht, das bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel von einem wendelförmig darum herumangeordneten und mit dem Rohr 11 befestigten Leitblech 12 besteht. An den Ausgang des Wärmetauschers 10 schließt sich ein Ausgleichsbehälter 15 an, aus dem die verdichtete und vorgewärmte Frischladung in ein Absperrorgan 14 gelangt, von dem jeweils den einzelnen Arbeitszylindern 3-6 zugeordnete Leitungen 15 - 13 zu diesen Arbeitszylindern führen. Die Abgase aus den Arbeitszylindern 3-6

809885/0171

gelangen über eine gemeinsame Abgasleitung 19 in das Sekundärsystem des Wärmetauschers 10 und strömen, durch das Leitblech 12 geführt, längs und um das Rohr 11 herum zum Auslaß 20 des V/ärmetauschers 10 sowie von dort weiter zu einem Auspuff oder dergleichen. Man erkennt, daß Frischgase und Abgase im Bereich des Wärmetauschers 10 im Gegenstrom geführt sind.

Das im unteren Teil der Fig. 1 dargestellte Arbeitsschema dieses Verbrennungsmotors zeigt, daß gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren, die im Zweitaktverfahren arbeiten, der jeweilige Arbeitstakt der Arbeitszylinder vergrößert und Auslaß- sowie Einlaßtakt verkleinert sind. Das ergibt sich daraus, daß den Arbeitszylindern verdichtete und vorgewärmte Frischladung zugeführt wird und die Arbeitszylinder selbst keine Kompressionsarbeit mehr leisten müssen. Die gesamte Kompressionsarbeit des Motors wird im übrigen dadurch verringert, daß im Wärmetauscher unter Ausnutzung der in den Abgasen enthaltenen Wärmeenergie eine Erwärmung der verdichteten Frischladung stattfindet, so daß der von den Verdichter-Zylindern erzeugte Druck der Frischladung geringer sein kann als bisher üblich.

Da nur zwei Zylinder als Verdichterzylinder und vier Zylinder als Arbeitszylinder arbeiten, ist zum Ausgleich von Volumenschwankungen der Ausgleichsbehälter 13 vorgesehen, wobei auch das Primärsystem des Wärmetauschers 10 als Ausgleichsbehälter funktioniert. Im Ausgleichsbehälter 13 treten dementsprechend Druck-

809686/0175

Schwankungen auf, die sich im einzelnen aus Anordnung und Steuerung der verschiedenen Zylinder ergeben»

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorangehend beschriebenen dadurch, daß der Ausgleichsbehälter zwischen die Verdichterzylinder 1, 2 bzw* deren verdichtete Frischladung führende Leitungen 8, 9 und den Wärmetauscher 10 geschaltet ist. Außerdem besteht das Primärsystem des Wärmetauschers 10 aus einem wendelförmig angeordneten Rohr21 im Gehäuse 22 des Wärmetauschers.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des Wärmetauschers dargestellt. In dem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse ist ein Bündel von Rohren 23 angeordnet, deren Achsen im wesentlichen parallel zur Achse des zylindrischen Gehäuses 22 angeordnet sind. Die Rohre 23 sind an ihren Enden in an sich bekannter Weise in Rohrböden 24, 25 gehalten.

Einzelheiten des Absperrorgans 14 zeigt die Fig. 4. Es handelt sich dabei um ein scheibenförmiges Gehäuse 26, in dessen eine Stirnseite 27 das aus dem Primärsystem des Wärmetauschers 10 führende Rohr 11 bzw. 21 mündet. An der anderen Stirnseite 28 befindet sich eine der Zahl der Arbeitszylinder entsprechende Anzahl von Auslässen 29, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel den zu den Arbeitszylindern

- 10 -

809885/0175

führenden Leitungen 15-18 zugeordnet sind, Im Inneren des Gehäuses 26 befindet sich eine in der Stirnseite 27 bei 30 gelagerte Welle 31> die an ihrem außerhalb des Gehäuses 26 befindlichen Ende eine Treibscheibe 32 für z.B. einen Riementrieb trägt, mit dem die Treibscheibe 32 und damit die Yfelle von der Kurbelwelle 7 angetrieben wird. Das im Gehäuse 26 befindliche Ende der Welle 31 trägt eine Scheibe 33 mit einer schlitzartigen Öffnung 3^» die bei Rotation der Scheibe 33 nacheinander die Auslässe 29 freigibt und verschließt.

Patentansprüche

-11-

809895/0175

Claims

Pat entansprflche

ι 1.y Verbrennungsmotor, insbesondere Zweitaktmotor , mit mehreren Arbeitszylindern mit gemeinsamer Abtriebswelle, denen die Frischladung mit erhöhtem Druck zugeführt wird, gekennzeichnet durch wenigstens einen von der Abtriebswelle (7) angetriebenen, als Verdichter für die Frischladung arbeitenden Zylinder (1, 2) und einen daran angeschlossenen Wärmetauscher (10) für die verdichtete Frischladung, der auf der Sekundärseite von den Abgasen der Arbeitszylinder (3 - 6) durchströmt ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzahl der Arbeitszylinder (3 - 6) doppelt so groß wie die Anzahl der Verdichter-Zylinder (1, 2) ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, g e kennzeichnet durch einen an den oder die Verdichterzylinder (1, 2) bzw. den Wärmetauscher (10) angeschlossenen Ausgleichsbehälter (13) für die verdichtete Frischladung.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10) einen Gegenstrom-Wärmetauscher ist.

- 12 -

«09806/0178

ORIGINAL INSPECTED
5. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10) ein Röhrenwärmetauscher mit einem Rohrbündel (23) ist, dessen Rohre außen vom Abgas umströmt werden.
6. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher (10) ein außen von den Abgasen umströmtes wendelförmig angeordnetes Rohr (21) zur Führung der Frischladung aufweist.
7. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10) ein gestrecktes Rohr (11) mit darauf befestigten Leit- und Vrärme taus chrippen (12) aufweist.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmetauscherrippen (12) wendelförmig auf dem gestreckten Rohr (11) angeordnet sind.
9. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10) eine Bypassleitung mit einstellbarem Absperrorgan zum Auspuff aufweist.

eoms/om "¹³"
10. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verdichterzylinder (1, 2) und Wärmetauscher (10) bzw. zwischen diesem und den Arbeitszylindern eine Kühlstufe geschaltet ist.
11. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -9, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Ventil- und/oder Schlitzsteuerung für die Zylinder.
12. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Frischladung ein Absperrorgan (14) vorgesehen ist, das¹ eine der Anzahl der Arbeitszylinder (3 - 6) entsprechende Anzahl von Auslassen (29) mit zu den Arbeitszylindern (3-6) führenden Frischladungsleitungen (15 - 18) aufweist, wobei die Auslässe (29) in einer Ebene auf einem Kreis in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und wobei vor den Auslässen (29) eine von der Abtriebswelle

(7) angetriebene rotierende Lochscheibe (33) angebracht ist, die wenigstens eine die Auslässe (29) nacheinander freigebende Öffnung (34) aufweist.

809885/0175