DE2745902A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des drucks in verbrennungskraftmaschinen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur steuerung des drucks in verbrennungskraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steigerung dos Wirkungsgrades der Arbeitsweise
einer Verbrennungskraftmaschine und insbesondere eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren, welches
die Steuerung der in der Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine
erzeugten Drucke und Temperaturen durch Einstellen bestimmter Druck- und Temperaturparameter
in der Verbrennungszone ermöglicht, um die Menge von Schadstoffen herabzusetzen, die von der Maschine
während ihres Betriebes erzeugt werden.
Eine wirksame Umwandlung von Energie in nutzbare Arbeit ist das Ziel der Entwicklungsingenieure seit
Verbrennungskraftmaschinen, die nach dem Otto-Prozeß arbeiten, wie Kolbenmaschinen, Drehkolbenmaschinen,
Dieselmaschinen und dergl., geschaffen wurden. Im Hinblick auf die Seltenheit und die hohen Kosten
der Kraftstoffe für Maschinen ringen Ingenieure und Konstruktionsingenieure seit eh und je mit den
fundamentalen Problemen der Schadstoffemission und einer verbesserten Wirtschaftlichkeit, wobei sie sich
jedoch immer bemühen, Verbesserungen auf diesen Gebieten nicht mit einem Opfer an Maschinenleistung und
Wirksamkeit zu erkaufen. Auf diese Weise sind Verbrennungskraftmaschinen
entstanden, die mit einem kritischen Kompromiß von Luft-Kraftstoffgemisch, Druck und
Temperatur arbeiten, was dazu führt, daß die Maschine giftige Schadstoffe, wie CO, NOX und HC erzeugt, um
eine adäquate Leistung zu erbringen. Hinsichtlich der NOX-Emissionen haben die Konstrukteure den Zündzeitpunkt
verzögert und solche Einrichtungen wie Abgasrezirkulationssysteme eingeführt, wobei jedoch jede
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Maßnahme zu einem Absinken der Maschinenleistung führte und darüberhinaus die HC- und CO-Emissionen verstärkte.
Diese verstärkten HC- und CO-Emissionen mußten sodann in teuren katalytischen Umwandlern aufbereitet werden,
die wiederum bleifreie Kraftstoffe erforderten.
Ein weitergehender Eingriff in den Verbrennungsprozeß einer Verbrennungskraftmaschine kann nur zu einem
Mischmasch von Maschinensteuerungseinrichtungen führen, welche die Herstellungskosten der Maschine erhöhen,
zu einer niedrigen Maschinenleistung und schlechter Kraftstoffwirtschaftlichkeit beitragen.
Die Erkenntnis, daß drastische Konstruktionsänderungen an den Verbrennungskraftmaschinen nötig sind, um die
vom Staat aufgestellten Schadstoffemissions-Gesetze zu erfüllen, hat sowohl in der Industrie als auch
beim Staat zu enormen Entwicklungsanstrengungen geführt, um den Verbrennungsprozeß zu untersuchen. Diese
Anstrengungen haben zu verschiedenen Verfahren geführt, wie einer Änderung der Größe und Form der Verbrennungskammer,
einer Versetzung der Zündkerze in der Verbrennungskammer, der Verwendung von Vielfachzündsystemen
und der Verwendung von Verbrennungskammern mit geschichteter Beladung.
Die verschiedenen Modifikationen der Form der Verbrennungskammer
in halbkugelförmige Kammern mit gleichzeitiger Änderung der üblichen Zündkerzenanbringung
durch Konstruktion von Zündkerzen mit vergrößertem Elektrodenabstand hat zu einer Reduktion der HC-Emissionen
geführt. Diese Konstruktionen bringen
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jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten bei der mechanischen Herstellung mit sich, welche die damit erreichte
Reduzierung der Schadstoffemission mehr als aufwiegen.
Ein anderes gegenwärtig verwendetes Verfahren besteht in der Verwendung eines Vielfachzündsystems,
um eine fackelähnliche Flamme zu erzeugen, die in ein homogenes mageres Luft-Kraftstoffgemisch in
der Verbrennungskammer hineinschießt, wobei die Fackel von dem gleichen Kraftstoff gespeist wird,
wie sich in der Hauptverbrennungskammer befindet. Das Gemisch für die Zündfackel wird mechanisch von
der Hauptverbrennungskanuner durch eine Vorkammer abgezweigt, wobei die Vorkammer in dem Maschinenkopf
ausgebildet ist und sich in die Hauptverbrennungskammer öffnet.
Weiterhin sind Maschinen bekannt, deren Verbrennungskammer mit einem geschichteten Gemisch beladen wird,
wobei zahlreiche Variationen möglich sind. Die grundlegende Idee der Maschinen mit geschichteter Beladung
("SC-Motor") beruht darauf, daß ein fettes, leicht entzündbares Gemisch in die Nähe der Zündkerze und
ein sehr mageres Gemisch im übrigen Teil der Verbrennungskanuner
vorhanden ist, so daß in verschiedenen Gebieten im Zylinder ein unterschiedliches Luft-Kraftstoffverhältnis
herrscht, fett in einigen Bereichen und mager in anderen Bereichen, wobei das sich ergebende Gesamt-Luft-Kraftstoffverhältnis
deutlich magerer ist als das stöchiometrische Verhältnis. Die Verbrennung findet in Stufen statt, wobei
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das kleine Volumen mit dom fetten Luft-Kraftstoffgemisch
zunächst entzündet wird und eine Flamme erzeugt, die sich in der Verbrennunqskammer ausbreitet, die mit
sehr magerem Luft-Kraftstoffgemisch gefüllt ist, wobei
eine bessere Entzündung und vollständigere Verbrennung dieser Bereiche möglich ist, als dies bei bekannten Verbrennungskraftmaschinen
der Fall ist.
Vorstehend wurden einige wenige der mehr einschlägigen Einrichtungen unter den zahlreichen Vorschlägen beschrieben,
die gemacht wurden, um die Schadstoffemission zu vermindern und die Maschinenleistung und Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit
zu erhöhen. Jeder Vorschlag hat einige Nachteile, die sich aus dem Zusammenwirken mit anderen
Maschinenparametern ergeben, die dem Viertaktprozeß oder dem Dieselprozeß eigentümlich sind. Im Hinblick
darauf entstand in der Industrie ein Bedürfnis nach einer Verbrennungskraftmaschine, die in einem
Gasprozeß arbeitet, der die Eigenschaften des Otto-Prozesses
aufweist, jedoch mit einer zeitgesteuerten Verbrennung und die den Vorteil eines hohen Kompressionsverhältnisses
und einer hohen Kraftstoffbeladung der Luft mit dem Wirkungsgrad und der besseren Kraftstoff
oxidation des Dieselprozesses verbindet, ohne
25 dessen Nachteile wie hohen Druck, hohe Temperaturen und Klopfneigung aufzuweisen.
Mit der Erfindung sollen die spezifischen Nachteile der vorstehend beschriebenen und ähnlicher Verfahren
überwunden werden und eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen werden, das bzw. die es ermöglichen,
eine Verbrennungskraftmaschine nach einem Prozeß
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mit gesteuerter Wärmezufuhr bzw. einem Wärmeausgleichsprozeß zu betreiben, wobei die Leistung, die Eigenschaften
hinsichtlich Schadstoffemission und die Fähigkeit, verschiedenste Kraftstoffe zu verbrennen, so sind, daß
sie mit bekannten Maschinen, die nach dem Otto- oder Dieselprozeß arbeiten, weder erreicht werden, noch erreichbar
sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Menge der Schadstoffe, die über den Abgasausstoß einer Verbrennungskraftmaschine
in die Atmosphäre gelangen, zu reduzieren. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde,
den Wirkungsgrad bekannter Verbrennungskraftmaschinen zu steigern, ohne daß wesentliche Änderungen
an der Maschine vorgenommen werden müssen.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, den Kraftstoffverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine zu
senken.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die nach einem
Prozeß mit kontrollierter Wärmezufuhr bzw. einem Wärmeausgleichsprozeß
arbeitet, um eine Verbrennung zu er-
25 reichen, die relativ schadstoffrei ist.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine modifizierte Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die
mit vorhandenen Technologien und bekannten Maschinen hergestellt werden kann.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die mit den ver-
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schiedensten Kraftstoffen betrieben werden kann und in deren Abgas keine oder wenig Schadstoffe enthalten sind.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, deren Verbrennungsprozeß
so abläuft, daß die Druck- und Temperaturspitzen niedriger als diejenigen liegen, die bei bekannten Verbrennungskraftmaschinen
auftreten.
10 Die zu schaffende Verbrennungskraftmaschine soll mit
Mehrfachkraftstoff betreibbar sein.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher Hubkolben- oder
Drehkolbenmaschinen, die nach dem Otto- oder Dieselprozeß arbeiten, so abgewandelt werden können, daß sie
nach einem Prozeß mit gesteuerter Wärmezufuhr bzw. einem Wärmeausgleichsprozeß arbeiten.
Die Rahmenaufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen
der Otto-Prozeß vorhandener Verbrennungskraftmaschinen in einen Prozeß mit kontrollierter Wärmezufuhr bzw. einem
Wärmeausgleichsprozeß verfeinert werden kann, der dadurch charakterisiert ist, daß er einen natürlichen,
zeitgesteuerten Verbrennungsprozeß aufweist, um die Maschinenleistung zu verbessern und die Abgasschadstoffe
zu eliminieren.
30 Zur Lösung dieser Aufgaben ist erfindungsgemäß in der
Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine eine
Ausgleichskammer ausgebildet, die es ermöglicht, die
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Maschine während des Kompressions- und Arbeitshubes des Kolbens in einem abgeglichenen bzw. ausgewogenen Prozeß
zu betreiben. Beim Ansaughub wird der Verbrennungskammer über eine Ventilanordnung direkt eine Luft- und Kraftstoffmenge
zugeführt. Der durch den Atmosphärendruck auftretende Druckabfall und der zurücklaufende Kolben
saugt einen Luft- und Kraftstoffstrom in die Verbrennungskammer
ein, wobei die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemisches
nicht homogen ist, d.h. kraftstoffreich am Kopf und magerer am Boden. Bei Beginn der Kompression
wird das relativ magere Gemisch über einen Kanal in die Ausgleichskammer hineingepreßt, wobei der
Druck in der Ausgleichskammer oder dem Reservoir in dem Maße ansteigt, in dem der Druck in der Verbrennungskammer
ansteigt, wenn sich der Kolben in Richtung des oberen Totpunktes bewegt. Beim Zünden und Verbrennen
des kraftstoffreichen Gemisches tritt ein Druckanstieg bei quasi konstantem Volumen ein, der eine Druckwelle
durch den Kanal in die Ausgleichskammer oder das Reservoir treibt. Gleichzeitig pflanzt sich die Expansionswelle,
welche die Druckwelle treibt, in der Vei— brennungskammer fort und erniedrigt den Druck in der
Verbrennungskammer. Infolge der Druckkompression der leicht verdünnten Luftfüllung im Reservoir tritt ein
Druck-Ungleichgewicht auf, das die im Reservoir befindliche Luft nach außen in die Verbrennungskammer treibt
und die Luft in der Verbrennungskammer ergänzt, wodurch eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs unterstützt
wird. Diese Expansions-Kompressions-Wellen wirken während der Verbrennung beim Arbeitshub zusammen
und treten oszillierend auf, so daß der Verbrennungskammer aus der Ausgleichskammer mehrere Male zusätz-
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liehe Luft zugeführt wird. Eine Zusatzwirkung der alternierend
auftretenden Expansions-Kompressions-Wellen besteht
darin, daß die Verbrennungszone mit Überschau- bis Schallgeschwindigkeiten durchmischt wird. Die schwachen
Druckwellen bewirken beim Durchlaufen der Verbrennungskammer eine Aufspaltung der Kraftstoffpartikel und zerstäuben
diese auf wirksame Art und Weise, so daß eine
schnelle Verbrennung erfolgt und die Notwendigkeit entfällt, den Kraftstoff durch Vergaser oder ähnliche Einrichtungen zu zerstäuben, wenn der Kraftstoff in die
Verbrennungskammer eingesaugt wird.
schnelle Verbrennung erfolgt und die Notwendigkeit entfällt, den Kraftstoff durch Vergaser oder ähnliche Einrichtungen zu zerstäuben, wenn der Kraftstoff in die
Verbrennungskammer eingesaugt wird.
Das Reservoir bzw. die Ausgleichskammer in dor Verbrennungskammer
wird dadurch gebildet, daß eine Druckwechselkappe einen bestimmten Abstand von der Kolbenoberfläche
weg angeordnet wird. Der Durchmesser der Kappe ist kleiner als der Durchmesser des Zylinders, so daß ein Spalt
oder Kanal zwischen der Umfangskante der Kappe und der
Zylinderwand entsteht. Die Kappe wird von den verbren-
Zylinderwand entsteht. Die Kappe wird von den verbren-
nenden Gasen während des Verbrennungstaktes erhitzt und wirkt als Wärmetauscher, der während des Kompressionstaktes die Gase in der Verbrennungskammer erhitzt. Der
Kraftstoff wird der Verbrennungskammer mittels eines
vergaserähnlichen Systems oder mittels eines Einspritzsystems über ein Ansaugrohr und eine Einlaßventileinrichtung zugeführt. Ein Lufteinlaß ist vorgesehen, um
den Eintritt von Atmosphärenluft direkt in die Verbrennungskammer immer dann zu ermöglichen, wenn das Einlaßventil öffnet und bevor noch Kraftstoffgemisch in die
Kraftstoff wird der Verbrennungskammer mittels eines
vergaserähnlichen Systems oder mittels eines Einspritzsystems über ein Ansaugrohr und eine Einlaßventileinrichtung zugeführt. Ein Lufteinlaß ist vorgesehen, um
den Eintritt von Atmosphärenluft direkt in die Verbrennungskammer immer dann zu ermöglichen, wenn das Einlaßventil öffnet und bevor noch Kraftstoffgemisch in die
30 Verbrennungskammer einströmt, so daß die Ausgleichskammer bzw. das Reservoir mit im wesentlichen kraftstoffreier
Luft gefüllt wird.
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Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine Vorrichtung
und ein Verfahren geschaffen, um den Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen zu erhöhen und deren relativ
Schadstoffreien Betrieb zu ermöglichen. Dabei wird der
Gasprozeß einer Verbrennungskraftmaschine verfeinert indem in der Hauptverbronnungskammer jedes Zylinders
eine sekundäre Ausgleichskammer gebildet wird, in der keine Verbrennung stattfindet. Die Ausgleichskammer
ist auf der Kolbenoberscite oder im Kolbenkörper ausgebildet und wirkt während des Gasprozesses als Druckwechsel-
oder Druckwellenerzeuger. Dies erlaubt die Steuerung von Druck und Temperatur innerhalb der Druckkammer
während des Freisetzens von Wärme infolge der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches während des
Arbeitshubes der Maschine. Die Vorrichtung, d.h. die Ausgleichskammer, steuert den Druck und die Temperatur
während dieses Prozesses durch das Erzeugen von Expansions- und Kompressionswellen in der Brennzone während
des Verbrennens des Kraftstoffes, wobei die Wellen ohne
Unterbrechung während des gesamten Arbeitshubes jedes Zylinders der Maschine aufeinander folgen. Der oszillierende
Druckwechsel zwischen den Expansions- und Kompressionswellen innerhalb der Druckkammer während der Kraftstoffverbrennung
führt der Verbrennungskammer saubere Luft zu, durch welche die Verbrennung vollständiger vonstatten
geht, und erniedrigt die Verbrennungstemperaturen und Drucke beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine,
so daß auch die Bildung von Schadstoffen im Abgas der Maschine verringert wird.
Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise beschrieben.
Darin zeigen:
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Fig. 1 das Druck-Volumendiagramm des Otto-Prozesses ,
Fig. 2 das Druck-Volumendiagramm des Dieselprozesses,
Fig.■3 das Druck-Volumendiagramm des Prozesses
mit ausgeglichener Wärmezufuhr bzw. des Wärmeausgleichsprozesses,
10
Fig. 4 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in
eine Verbrennungskraftmaschine,
Fig. 4a und 4b schematLsche Darstellungen von Formen
der Druckwechsel-Kappe,
Fig. 5 (A-G) Darstellungen der aufeinanderfolgenden
Arbeitstakte des Prozesses mit ausgeglichener Wärmezufuhr bzw. des Wärme
ausgleichsprozesses ,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, eingebaut in eine Drehkolben-Verbrennungskraft
maschine, und
Fig. 7 eine Draufsicht auf den Rotor nach Fig. 6
mit Ausgleichskammer.
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Es folgt ein Vergleich der drei idealen Gasprozesse, des Otto-Prozesses, des Dieselprozesses und des Wärmeausgleichsprozesses.
Der Vergleich soll das Verständnis
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des Wärmeausgleichsprozesses und seiner Anwendung beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Druckausgleichskappe
vertiefen.
In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Druck-Voiumendiagramm
eines Verbrennungsprozesses gezeigt, der üblicherweise als Gleichraum-Prozeß oder Otto-Prozeß bezeichnet wird.
Beginnend beim Punkt a wird Luft unter Atmosphärendruck in einem Zylinder adiabatisch auf den Punkt b komprimiert,
bei gleich gehaltenem Volumen auf den Punkt c erhitzt, adiabatisch auf den Punkt d expandiert und bei
konstantem Volumen auf den Punkt a abgekühlt. Danach wird der Prozeß wiederholt. Die Linie ab entspricht
dem Kompressionshub, bc der Explosion, cd dem Arbeitshub und da dem Ausstoßhub einer Verbrennungskraftmaschine.
V1 und V_ sind die maximalen bzw. minimalen Luftvolumen
im Zylinder. Das Verhältnis V1 zu V_ ist das
Kompressionsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine.
Die dem Prozeß zugeführte Wärme Q ist diejenige Wärmemenge, die bei konstantem Volumen entlang der Linie
bc zugeführt wird. Die Auspuffwärme LQ, welche die verlorene Wärmemenge darstellt, wird entlang der Linie
da abgeführt. Die nachfolgenden vereinfachten Gleichungen ergeben den Wirkungsgrad des Otto-Prozesses:
(1) Q= bei konstantem Volumen zugeführte Wärmemenge
LQ = abgeführte Wärmemenge
LQ = abgeführte Wärmemenge
30 (2) η otto =
1^ Otto = Wirkungsgrad
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In Fig. 2 ist der Dieselprozeß einer Verbrennungskraftmaschine
dargestellt, dessen Wirkungsweise nachfolgend im Vergleich zum Otto-Prozeß beschrieben werden soll.
Der ideale Gas-Dieselprozeß beginnt im Punkt a, in dem Luft adiabatisch auf den Punkt b komprimiert wird, bei
konstantem Druck auf den Punkt c erhitzt, adiabatisch auf den Punkt d expandiert und schließlich bei konstantem
Volumen auf den Punkt a abgekühlt wird. Da sich beim Kompressionshub im Zylinder einer Dieselmaschine
kein Kraftstoff befindet, können keine Frühzündungen auftreten und die Kompressionsverhältnisse sehr viel
höher sein als die eines Otto-Motors. Mit dem Dieselprozeß kann daher ein etwas besserer Wirkungsgrad erreicht
werden, als mit dem Otto-Prozeß. Die folgenden vereinfachten Gleichungen definieren die verschiedenen
Parameter des Dieselprozesses:
(3) Q = unter konstantem Druck zugeführte Wärme
menge
20 LQ = abgeführte Wärmemenge
20 LQ = abgeführte Wärmemenge
... λ ^. , BQ - LQ
(4) ^Diesel = ———
^Diesel = Wirkungsgrad
Dem in Fig. 3 in einem Druck-Volumendiagramm dargestellten Wärmeausgleichsprozeß liegt die gleiche zugeführte
Wärmemenge Q zugrunde, wie den anderen Prozessen. Die Linie ab entspricht der adiabatischen Kompression,
bcc' der Wärmezufuhr, wobei bc den Teil der Wärme zeigt,
der bei konstantem Volumen und cc' den verbleibenden Teil der Wärme, der bei konstantem Druck zugeführt wird,
c'd die adiabatische Expansion und da den Auspuff. Aus
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dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Wärmemenge Q in
zwei Teilmengen aufgeteilt wurde, den Teil AQ, der bei konstantem Volumen und den Teil BQ, der bei konstantem
Druck zugeführt wird. Insgesamt wird somit die gleiche Wärmemenge Q erhalten, außer daß dieser Parameter nunmehr
in zwei Teile zerfällt. Die folgenden vereinfachten Gleichungen zeigen die Beziehung der Verfahrensparameter
des Wärmeausgleichsprozesses:
10 (5) AQ + BQ = Q
AQ = die bei konstantem Volumen zugeführte Wärmemenge
BQ = die bei konstantem Druck zugeführte Wärmemenge
Daraus folgt:
(6) A + B = 1
Das Ausgleichsverhältnis wird definiert als 20 (7) 0 = I
so daß
(8) A = T-TT und B = TT-3
ist.
Der Otto-Prozeß stellt die Grenze für A = 1 und der Dieselprozeß die Grenze für A=O dar. Eine Veränderung
von 3 kombiniert den Otto- und den Dieselprozeß. Der Wirkungsgrad des Wärmeausgleichsprozesses kann
30 wie folgt berechnet werden:
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(9) η
_ Q-LQ _ AQ+BQ-L[AQ]-L[BQ]
η3 =
AQ - L[AQ] = BQ - L[BQ] Q Q
η3
= A
AQ - L[QA] BQ - L[BQ]
AQ
BQ
_ AQ - L[AQ] + BQ - L[QB]
η3 Q Q
Mn» -η - δ AQ - L[QA] BQ - L[QB]
(IU) η0 - A AQ +B BQ
Bei Bezugnahme auf den Wirkungsgrad der Prozesse ist
V +
k-1
'* X
aBk -
"B
k(aB -
1 3
wobei ν = I — k und r = vr ist.
\ 4/ B
Der Wirkungsgrad des gesteuerten Wärmeausgleichsprozesses ergibt sich damit zu
(11)
- 1 - ϊ
k-1
1 + 3
1 ♦
k(aB -
Die Grenzen des Wirkungsgrades des Wärmeausgleichsprozesses sind diejenigen des Otto- bzw. Dieselprozesses gleicher
Auslegung und gleichem Kompressionsverhältnis, oder:
wenn 3 > 0 oder A ~* 1 , Otto-Prozeß
B -» 0
t~. τγ wenn β ■>
«*> oder A-»0, Dieselprozeß
R - > 1
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform einer Ausgleichskammer dargestellt, die an einem Kolben einer Verbrennungskraftmaschine
angeordnet ist und bewirkt, daß die Maschine nicht mehr im Otto-Prozeß, sondern in einem
Viertaktprozeß mit Wärmeausgleich arbeitet. Die Zylinderkammer für einen hin- und hergehenden Kolben 14
wird vom Motorgehäuse oder Block 10 gebildet. Kolben 14 ist mit einem Kolbenbolzen 13 an einer
Pleuelstange 11 befestigt. Pleuelstange 11 ist mit der Kurbelwelle 12 über ein Achsenlager verbunden,
welches eine Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 14 in mechanische Dreher.ergie ermöglicht,
die dazu verwendet werden kann, Maschinen, ein Kraftfahrzeug oder eine ähnliche Einrichtung an-
15 zutreiben oder sonstige Arbeit zu verrichten.
Die innere Wand des Motorgehäuses 10, die am Kolben 14 anliegt, bildet eine Zylinderwand 36, die mit
Kolbenringen 15 in Berührung steht, um zwischen dem sich bewegenden Kolben 14 und der Zylinderwand
36 eine gasdichte Passung zu bilden, die ein Entweichen des unter hohem Druck stehenden Gases verhindern
soll, das durch den in der Verbrennungskammer 38 verbrennenden Kraftstoff erzeugt wird. Am
Motorgehäuse 10 ist ein Zylinderkopf 37 angeordnet, dessen innere, zurückgesetzte Bereiche zusammen mit
dem obersten Teil des Motorgehäuses 10 eine geschlossene Verbrennungskammer bilden. Der Zylinderkopf 37
weist zwei öffnungen, Einlaß und Auslaß,auf, die mittels
eines Auspuffventils 23 und eines Einlaßventils 28 geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Ventile werden in
zeitlicher Abhängigkeit des sich hin- und herbewegen-
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den Kolbens 14 über Ventilhebel, Stößelstangen, Nockenwellen und dergl. (nicht gezeigt) geöffnet und geschlossen,
so daß die Verbrennungskraftmaschine in einem Viertakt-Otto-Prozeß
arbeitet.
5
5
Am Zylinderkopf 37 ist ein Ansaugrohr 27 angeordnet, das
einen geschlossenen Kanal für den in die Verbrennungskammer strömenden Kraftstoff und die atmosphärische Luft bildet.
Ein Luftfilter 33 ist vorgesehen, um die in einen Vergaser 29 über eine Venturidüse 35 eintretende Luft zu filtern.
In der Venturidüse befindet sich ein Auslaß 41, der über ein Ventil und eine Kraftstoffleitung 31 mit
einem Kraftstofftank 32 verbunden ist. Die durch die
Venturidüse 35 strömende Luft erzeugt ein Vakuum, das Kraftstoff aus dem Tank 32 in die Verbrennungskammer
38 einsaugt. Der Vergaser 29 kann durch andere Kraftstoff Zuführeinrichtungen wie Kraftstoffinjektoren oder
dergl. ersetzt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Eine Drosselplatte 34, die mit einem Hebelwerk (nicht
20 gezeigt) verbunden ist, steuert die Höhe des Vakuums in der Venturidüse 35 über eine Drosselung des Luftstromes.
Entsprechend wird auch die Kraftstoffmenge, die dem Motor zugeführt wird, kontrolliert. Ein zusätzliches
nicht-gezeigtes Hebelwerk kann mit dem
Lufteinlaß 26 verbunden sein, um noch zusätzlich die Menge atmosphärischer Luft zu steuern, die dem Motor
während des Betriebes zugeführt wird. Durch die Anordnung des Lufteinlasses 26, der mit der atmosphärischen
Luft in Verbindung steht, ist es möglich, beim Saughub des Motors der Verbrennungskammer 38 ein großes Luftvolumen
zuzuführen, bevor noch die mit Kraftstoff beladene Luft einströmt. Dieser Lufteinlaß ist unmittelbar
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am Einlaßventil 28 angeordnet, wie in Fig. 4 gezeigt, es kann aber auch an jeder anderen Stelle zwischen dem
Vergaser 29, einem Kraftstoffejektor oder einer anderen
kraftstoffliefernden Einrichtung und der öffnung des
Einlaßventils oder dem Einlaßventil 28 angeordnet sein.
Eine Zündkerze 24 ist im Zylinderkopf 37 in bekannter Art und Weise angeordnet und erzeugt in der Verbrennungskammer
38 in geeigneter zeitlicher Reihenfolge mit den anderen Elementen des Motors einen Funken, der den
in der Verbrennungskammer 38 befindlichen Kraftstoff entzündet, welcher schließlich die Kraft zum Treiben
des Kolbens 14 liefert.
15 Ein Kappenelement 19 ist auf der Oberseite
des Kolbens 14 mittels einer Niete, eines Bolzens oder eines ähnlichen Befestigungsmittels befestigt. Der kappenähnliche
Bereich 19 ist pilzförmig mit einem inittig angeordneten dicken zylindrischen Schaft, dessen eine
Kreisfläche mit einer entsprechenden Kreisfläche des Kolbens 14 in Berührung steht. An die andere Kreisfläche
des Schaftes 17 ist eine relativ dünne zylindrische Kappe 20 einstückig angeformt, deren umfänglicher Rand
von der Zylinderwand 36 einen bestimmten Abstand auf- weist. Die verbleibende Fläche des Kolbens 14, die Höhe
des Schaftes 17 und die Innenfläche der Kappe 20 bilden eine Kammer 16, die mit der Verbrennungskammer nur über
einen Spalt oder Kanal 18 in Verbindung steht. Der Spalt 18 wird einerseits durch die innere Zylinderwand und an-
dererseits durch die Kante der Kappe 20 bestimmt, die sich um den gesamten Umfang der Kappe oder nur einen
Teil des ümfangs der Kappe herum erstreckt. Kammer 16
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ist auf ihrer Unterseite durch die Kolbenringe 15 abgedichtet. Die Kanuner 16 wird somit von einem Teil der
Oberfläche des Kolbens 14, einem Bereich der Innenfläche von Kappe 20 und der zylindrischen Wand des Schaftes
17 gebildet.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Kappenelement 19 am Kolben befestigt. Das Element kann jedoch auch
einstückig mit dem Kolben 14 ausgebildet sein und die Kammer im Kolben in der gleichen Weise wie eine Kolbenringnut
eingefräst oder eingedreht sein. Bei der gezeigten Ausführungsform hat Kammer 16 parallele Seitenwände,
die Seitenwände können jedoch auch schräg verlaufen, so daß eine kegelstumpfförmige Kappe 42 entsteht, wie es
in Fig. 4a gezeigt ist, oder auch diametral gegenüberliegende Seitenwände, die eine Ausgleichskammer oder
Reservoir 16 bilden, ohne daß das Lösungsprinzip der Erfindung verlassen wird.
Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im Wärmeausgleichsprozeß kann am besten unter Bezugnahme auf Fig. 3 verstanden
werden, welches das p-v-Diagramm eines im Wärmeausgleichsprozeß laufenden Motors während seiner
Viertaktbetriebsweise darstellt. In Fig. 5A ist der
25 Kolben 14 dargestellt, der seinen Ausstoßhub gerade beendet, wobei das Auspuff- bzw. Auslaßventil 23
gerade schließt und Kolben 14 sich nach oben bewegt und den verbrannten Gasstrom, der mit Pfeilen angedeutet
ist, über die Auslaßventilöffnung durch einen
30 Kanal in die Auslaßleitung 22 drückt. Zu dieser Zeit ist Einlaßventil 28 geschlossen und über die Ansaugleitung
27 tritt weder Luft noch Kraftstoff in die
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Verbrennungskammer ein. Der in der Nähe der Einlaßventilöffnung angeordnete Lufteinlaß 26 ermöglicht das Einströmen
einer gewissen Menge kraftstoffreier Luft unter Atmosphärendruck, die das gesamte Volumen der Ansaugleitung
bis zur Venturidüse 35 hin ausfüllt. Wenn das Einlaßventil 28 öffnet, dieses Stadium ist in Fig. 5B
dargestellt, bewegt sich Kolben 14, der sich in der Nähe des oberen Totpunktes befindet, nach unten und vergrößert
damit den oberhalb des Zylinders befindlichen Raum. Unter der Wirkung des Atmosphärendruckes und dem infolge
des sich nach unten bewegenden Kolbens verminderten Druckes in der Verbrennungskammer wird Luft in den Zylinderraum
hineingezogen. Die zunächst in die Verbrennungskammer 38 eintretende Luft ist diejenige Luftmenge,
die sich in der Ansaugleitung befand und die über Lufteinlaß 26 weiterhin ergänzt wurde, solange in der Venturidüse
35 das Vakuum nicht hoch genug ist, um kraftstoffbeladene Luft in die Zylinderkammer hineinzuziehen. Wenn
der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht, ist der Zylinderraum mit einer Luftladung gefüllt, die vom Zylinderkopf
37 zum Kolben 14 unterschiedlich stark mit Kraftstoff beladen ist. Die Ladung ist in der Nähe des Zylinderkopfes
sehr reich an Kraftstoff und magert nach unten zu aus, wobei in der Nähe der Oberfläche der Kappe 20
und innerhalb der Kammer bzw. des Reservoirs 16 nahezu kein Kraftstoff mehr vorhanden ist.
Wenn der Kolben 14 seinen untersten Punkt im Zylinder erreicht hat, ist der Druck im Zylinder immer noch un-
terhalb dem Atmosphärendruck und zusätzliche Luft und Kraftstoff können in den Zylinder eintreten, sogar
nachdem der Zylinder begonnen hat, sich wieder nach oben zu bewegen. Das Einlaßventil 26 schließt daher
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solange nicht, bis nicht die Pleuelstange 11 eine bestimmte
Wegstrecke vom unteren Totpunkt entfernt ist, wie dies am besten aus Fig. 5C ersichtlich ist.
5 Nach Beendigung des Saughubes sind beide Ventile 23, 28 geschlossen und Kolben 14 bewegt sich im Kompressionshub
nach oben (Fig. 5D). Kolben 14 komprimiert
das Luft-Kraftstoffgemisch, indem er es nach oben in
den abnehmenden Raum zwischen der Oberseite des Zylinders und dem Zylinderkopf hineinpreßt, der die Verbrennungskammer
38 darstellt. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 14 wird eine bestimmte Menge des an dieser
Stelle sehr mageren Luft-Kraftstoffgemisches in das
Reservoir bzw. die Kammer 16 einströmen. Während des Betriebes des Motors erhitzen die verbrannten Gase das
Kappenelement 19, der damit als zusätzlicher Wärmetauscher fungiert und wiederum das Kraftstoffgemisch
während der Kompression erhitzt, wenn dieses über und um die Kappe herumströmt. Diese Maßnahme führt so-
20 mit zu einem zusätzlichen Erhitzen der Gase.
In Fig. 5E ist die erste Phase der Verbrennung gezeigt, wobei sich der Kolben 14 in der Nähe des oberen Totpunktes
befindet und beide Ventile geschlossen sind. Kolben 14 hat das Luft-Kraftstoffgemisch komprimiert, um den
sich expandierenden Gasen eine noch größere Kraft zu vermitteln, wenn die Verbrennung stattfindet. In diesem
Zeitpunkt zündet ein Funken das Kraftstoffgemisch dessen
Explosivkraft den Kolben 14 abwärtstreibt. Der Druckanstieg bei quasi konstantem Volumen, die Verbrennung
ist in Fig. 3 als Linie ve dargestellt, treibt eine Kompressions-Druck-Welle über den Kanal bzw. Spalt
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18 in die Kammer bzw. das Reservoir 16, wodurch die Luftfüllung an den inneren Wänden des Reservoirs 16
komprimiert wird. Gleichzeitig erreicht die von der Verbrennung der Gase erzeugte Expansionswelle, welche
die Druckwelle treibt, den Raum zwischen der Oberseite des Kolbens 14 und dem Zylinderkopf 37 und erniedrigt
den Druck in der Verbrennungskammer 38. Infolge der schlagartigen Kompression des sehr mageren, im wesentlichen
kraftstoffreien Gemisches im Reservoir 16 tritt ein Druckungleichgewicht auf, das ein Ausströmen der
in Kammer 16 befindlichen mageren Luft über Kanal 18 in die Verbrennungskammer 38 bewirkt. Dieser Zustand
ist am besten in den Fig. 5F und Fig. 3 dargestellt, wobei die Linie cc' den Teil der Verbrennung
zeigt, der bei quasi konstantem Druck abläuft. Die Pleuelstange 11 überträgt die beim Arbeitshub erzeugten
Kräfte auf die Kurbelwelle 12, wodurch diese in Drehung versetzt wird und Arbeit abgeben kann.
Der Ausstoß- bzw. Auspuffhub beginnt, wenn der Kolben am Ende des Arbeitshubes den unteren Totpunkt erreicht.
Dieser Zustand ist am besten in Fig. 5G dargestellt. Auslaßventil 23 öffnet, Kolben 14 bewegt sich im Zylinder
nach oben und drückt die verbrannten Gase über die Auslaßventilöffnung in die Auslaßleitung 22. Am
Ende des Ausstoßhubes schließt das Auslaßventil 23 und der Saughub beginnt wieder, womit sich der Arbeitszyklus
des Motors wiederholt.
Das Zusammenwirken des Reservoirs und der Verbrennungskammer ist von entscheidender Bedeutung für den richtigen
Wärmeausgleich des Arbeitsprozesses des Motors. Um
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die notwendige oszillierende Wirkung der Expansionswellen der Kompression während des Arbeitshubes zu
erzeugen, die aufeinanderfolgend in der Verbrennungszone aufeinander einwirken und eine Art Pumpwirkung
erzeugen, durch welche kraftstoffreie Luft aus Kammer
16 angesaugt wird, müssen das Volumen der Verbrennungskammer A, das Volumen des Reservoirs B und
der Spalt bzw. Kanal 18 in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Das Ausgleichsverhältnis
β = τ nach Gleichung (7) ist bei einer Verbrennungskraftmaschine
normalerweise im Bereich von 0,2 bis 3,0. Die Spaltweite des Kanals 18 sollte etwa in
der Größenordnung von 1,2 7 mm bis 5,08 mm liegen. Der untere Wert gilt dabei für Zylinder von Automotoren
mit Standardgröße, die höheren Werte eher für Motoren mit Eigenzündung.
In Tabelle I sind die Drucke und Temperaturen an bestimmten Stellen der Druck-Volumenkurve der Fig.
bis 3 zweier identischer Motoren angegeben, wobei ein Motor nach dem Wärmeausgleichsprozeß und der
andere nach dem Otto-Prozeß arbeitet.
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Punkt | Otto-Prozeß V1ZV- =8 β = 0 |
[at] (Psi) | Tabelle | I | Wärmeausgleichsprozeß V1ZV2 =83= 0,43 |
[at] (Psi) | Temperatur [0K] (0R) |
Punkt | |
Druck | Druck | ||||||||
a | (14,7) | (14,7) | 333,33 (600) | a | |||||
OO
O |
a | 1,035 | (240) | Temperatur [0K] (0R) |
1,035 | (240) | 666,66 (1200) | b | |
co
OO |
C | 16,9 | (1000) | 16,9 | (670) | 1555,55 (2800) | C | ||
co | C | 70,42 | (1000) | 333,33 (600) | 47,18 | (670) I | 1705,55 (3070) | C' | |
*>* | 70,42 | 666,66 (1200) | 47,18 | ||||||
-J | 2766,66 (4980) > | ||||||||
co
OO |
2766,66 (4980) ! I |
||||||||
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Ein Zweitaktmotor hat einen ähnlichen Verbrennungsprozeß wie ein Viertaktmotor, benötigt jedoch für die Vollendung
des Prozesses nur eine Umdrehung der Kurbelwelle und kann daher ebenfalls so modifiziert werden, daß er
nach einem Wärmeausgleichsprozeß arbeitet.
Der Kompressionshub des Arbeitskolbens saugt eine Frischluftladung
in das Kurbelgehäuse. Beim Kompressionshub wird diese Ladung komprimiert und Kraftstoff in die
10 Verbrennungskammer eingespritzt. Ein Kappenelement,
das ähnlich aufgebaut ist, wie das zuvor beschriebene, unterstützt die Verbrennung beim Abbrennen des Luft-Kraftstoffgemisches
in der Verbrennungskammer in gleicher Weise, wodurch der Arbeitsprozeß des Motors zu
15 einem Wärmeausgleichsprozeß verfeinert wird.
Die beschriebene Vorrichtung zur Modifizierung von Hubkolbenverbrennungsmotoren, d.h. solchen, bei denen
die Kraft zunächst auf in Zylindern hin- und hergehende Kolben ausgeübt wird, die wiederum eine Kurbelwelle
treiben, welche die hin- und hergehende Bewegung in eine Drehbewegung umsetzt, kann ebenfalls die Leistungsdaten
von Drehkolbenmaschinen verbessern. Bei diesen Drehkolbenmotoren wird das Drehmoment durch die Wirkung
eines Rotors erzeugt, der sich in einer oval geformten Verbrennungskammer dreht, wie beispielsweise bei einem
Wanke1-Motor.
Der konventionelle Kolben wird durch einen dreiseitigen Rotor 60 ersetzt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Rotor-Verbrennungstaschen
werden an einem Einlaß 51, einer Zündkerze 61 und einem Auslaß 67 vorbeibewegt, um eine
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rotierende Verbrennung zu erreichen. Der Verbrennungsprozeß folgt dem bekannten Viertaktschema, dem Otto-Prozeß,
einer Verbrennungskraftmaschine in Aufeinanderfolge von Saughub, Kompressionshub, Arbeitshub
und Ausstoßhub, wie dies in dem Druck-Volumendiagramm
in Fig. 1 dargestellt ist. Wird ein solcher Motor mit Kammern oder Reservoiren versehen, wird
sein Prozeß so verfeinert, daß der Motor in einem Wärmeausgleichsprozeß arbeitet, wie er in Fig. 3
dargestellt ist, und vorstehend im Hinblick auf einen Hubkolbenmotor beschrieben wurde.
In Fig. 6 ist ein Drehkolbenmotor 50 mit einem Rotor 60 dargestellt, in dem ein Reservoir bzw! Ausgleichskammer
66 angeordnet ist. Das Reservoir 66 wird dadurch gebildet, daß die normalen Vertiefungen 68 im Rotor mit
einem plattenförmigen Teil oder einer Kappe teilweise geschlossen werden. Das Teil ragt quer über die Vertiefung
68 und ist in Fig. 7 gezeigt. Eine Öffnung oder Kanal 64 wird einerseits durch eine Fläche der tassenförmigen
Vertiefung und andererseits durch einen länglichen, lippenähnlichen Vorsprung 71 gebildet, welcher
eine Kante des plattenförmigen Teils 63 bildet. Der lippenförmige Bereich ragt nach innen gegen die
Vertiefung und formt eine sich verjüngende enge Öffnung, welche den Kanal an der Mündung der Ausgleichskammer
bzw. des Reservoirs 66 definiert. An der Rückseite des Reservoirs 66 ist eine wesentlich kleinere
öffnung 65 angeordnet, so daß der Querschnitt des Reservoirs 66, der das Segment eines Halbkreises darstellt,
sich von Lippe bzw. Vorsprung 71 zur Öffnung 65 hin allmählich verjüngt. Selbstverständ-
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lieh können auch anders ausgebildete Kammern verwendet
werden, solange das Ausgleichsverhältnis der Volumen gemäß Formel (7) beachtet wird. Obwohl nur ein einziges
Reservoir am Rotor 60 dargestellt ist, können jeweils Reservoire ähnlicher Ausbildung an jeder der beiden anderen
Seiten des Rotors angeordnet sein. Eine Welle 62 mit geeigneter Innen- und Außenverzahnung ist mit dem
Rotor 60 verbunden, um die Kraft an einen entsprechenden Abnehmer zu übertragen.
Der Drehkolbenmotor 50 hat zwei öffnungen, eine Einlaßöffnung
51 und eine Auslaßöffnung 67, zum Einsaugen bzw. Ausstossen der Gase. Am Gehäuse des Motors 50 ist eine
rohrförmige Einsaugleitung 4 9 mit einer Venturidüse 48 angeordnet, deren anderes Ende sich über einen Filter
43 in die Atmosphäre öffnet. Eine Kraftstoffleitung 45 führt von einem Kraftstofftank 44 in die Venturidüse
48, welche infolge des Unterdrucks, der durch den Luftstrom durch die Venturidüse 48 erzeugt wird, Kraftstoff
in den Motor 50 hineinzieht. Zwischen der Einlaßöffnung 51 und dem Kraftstoffeinlaß ist ein zusätzlicher
Lufteinlaß 47 mit einem Filter 46 angeordnet, durch welchen Luft in die Einsaugleitung 49 eingespeist werden
kann. Es können selbstverständlich auch andere Einrich-
25 tungen zur Kraftstoffzufuhr wie Kraftstoffeinspritzer
oder dergl. verwendet werden, um dem Drehkolbenmotor
50 den nötigen Kraftstoff zuzuführen.
Im Betrieb dreht sich der Rotor 60 um seinen geometrisehen
Mittelpunkt; gleichzeitig bewegen sich die Innenverzahnungen 62 im Rotor 60 auf einem exzentrischen
Weg. Im Ergebnis bleiben alle drei Ecken des Rotors
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bzw. seiner Flügel in ständiger Berührung mit der Gehäusewand. Wenn sich Rotor 60 dreht, bilden die drei Rotorflügel
drei sich bewegende Verbrennungskammern von sich ständig änderndem Volumen. Diese Änderung jeder der
drei Verbrennungskammern bewirkt das Ansaugen, die Kompression, den Arbeits- und Ausstoßeffekt, die dem Viertaktprozeß
eines Hubkolbenmotors ähneln.
In Fig. 6 ist der Rotor 60 beim Ansaughub dargestellt, wobei die betreffende Verbrennungskammer mit einer Ausgleichskammer
66 versehen ist. Die Einlaßöffnung 51 wurde von dem sich bewegenden Rotor freigegeben und die
Verbrennungskammer beginnt sich mit Luft aus der Einsaugleitung 49 zu füllen, die über Lufteinlaß 47 nachströmt.
Unmittelbar anschließend wird über die Venturidüse 48, die Kraftstoffleitung 45 und die durch den
Luftfilter 43 strömende Luft ein kraftstoffreiches Gemisch zugeführt. Die zunächst in die Verbrennungskammer
strömende magere Luft strömt in die Ausgleichs- kammer 66, so daß beim weiteren Füllen der Verbrennungskammer
mit dem Luft-Kraftstoffgemisch sich an
der Außenwand der Verbrennungskammer ein relativ fet tes Gemisch bildet, das gegen die Fläche des Rotors
hin magerer wird. Wenn sich Rotor 60 weiterdreht, wird Einlaßöffnung 51 geschlossen und die Verbren
nungskammer enthält das maximale Luft-Kraftstoffgemisch.
Eine weitere Drehung des Rotors verkleinert das Volumen der Verbrennungskammer, komprimiert das
Luft-Kraftstoffgemisch und treibt Luft in die Ausgleichskammer
66 hinein. Das komprimierte Gas wird durch eine Zündkerze 61 entzündet und expandiert sich.
Der Druck steigt bei quasi konstantem Volumen an und
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treibt eine Kompressionsdruckwelle in die Ausgleichskammer 66. Gleichzeitig breitet sich in der Verbrennungskammer
eine Expansionswelle aus, welche die Druckwelle treibt und den Druck in der Kammer absenkt. Da
5 sich infolge der Druckwelle ein Druckungleichgewicht
einstellt, strömt Luft aus der Ausgleichskammer in die Verbrennungskammer ein, wo sie die dort vorhandene
Luft ergänzt und eine vollständigere Verbrennung bewirkt. Das abwechselnde Auftreten von Kompression
und Expansion tritt während des Arbeitshubes des Rotors mehrfach auf, so daß während des gesamten
Verbrennungsprozesses zusätzliche Luft zugeführt wird. Die zeitliche Aufeinanderfolge dieser zusätzlichen
Luftzufuhr hängt von der Drehung des Rotors 60 und dem Verhältnis der Volumen der Verbrennungskammer
zum Volumen des Reservoirs und der Größe des Kanals 64 ab. Die Ausgleichswirkung besteht darin,
der Verbrennung zusätzliche Luft zuzuführen. Diese Luft ist ein solch mageres Gemisch, daß im Reservoir
66 keine Verbrennung stattfindet.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß mit der Erfindung eine Vorrichtung und Methode zur
Steuerung des Druckes und der Temperatur beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine geschaffen
wird, wobei die Erfindung gleichermaßen auf einen Hubkolbenmotor oder Drehkolbenmotor, auf einen Motor
mit Fremdzündung oder Eigenzündung, auf einen Zweitakt- oder Viertaktmotor anwendbar ist und ein
verfeinerter thermodynamischer Prozeß durchlaufen wird, in dem eine Ausgleichskammer und ein Kanal
oder Spalt vorgesehen werden, die mit dem Volumen
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27A59Ü2
der Verbrennungskammer des Motors in bestimmtem Verhältnis stehen. Eine Änderung dieser Parameter innerhalb
bestimmter Grenzen ermöglicht das Betreiben eines Motors in einem Wärmeauscj leichsprozeß, der viele Vortei-Ie
sowohl des Otto- als auch des Dieselprozesses aufweist aber nur wenige oder keine ihrer Nachteile. Insbesondere
hat ein Motor, der im Wärmeausgleichsprozeß betrieben wird, eine bessere Motorleistung, Umdrehungszahl
und Belastbarkeit, weiterhin findet eine bessere Kraftstoffverwertung statt und werden weniger Giftstoffe
ausgestossen. Dies sind einige der Vorteile, die bei bekannten, vorstehend erwähnten Verfahren und Einrichtungen
nicht zu finden sind.
H 0 9 8 1 B / :! 7 8 6
Claims (8)
- Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Drucks in VerbrennungskraftmaschinenPatentnsprücheίIy Vorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Betreiben der Maschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß ermöglicht, wobei in der Hauptverbrennungskammer ein rotierendes Teil angeordnet ist, welches die Gase in einem sich verkleinernden Raum komprimiert, dadurch gekennzeichnet , daß in dem rotierenden Teil (60) eine Ausgleichskammer (66) vorgesehen ist, welche an die Verbrennungskammer angrenzt und die einen Teil der komprimierten Gase aufnimmt, daß an der Verbrennungskammer eine Zündeinrichtung (61) vorgesehen ist, wobei die Verbrennungskammer zwischen der Zündeinrichtung (61) und der Ausgleichskammer (66) angeordnet ist und daß die Zündung der komprimierten Gase in der Verbrennungskammer durch809816/0786die Zündeinrichtung (61) eine schlagartige Kompression der Gase in der Ausgleichskammer (66) bewirkt.
- 2. Vorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Betreiben der Maschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß ermöglicht, wobei die Maschine ein Gehäuse mit einer Verbrennungskammer aufweist, die an einen Zylinder angrenzt, weiterhin einen Kolben in dem Zylinder, der eine hin- und hergehende Bewegung10 ausführt und dabei ein Luft-Kraftstoffgemisch in einem sich vergrößernden Raum zunächst expandiert und dann in einem sich verkleinernden Raum komprimiert, dadurch gekennzeichnet , daß in der Wand des Kolbens (14) eine Ausgleichskammer (16) aus-gebildet ist, die sich von der äußeren Umfangskante des Kolbens nach innen zur Mittelachse des Kolbens erstreckt und die einen im wesentlichen keilförmigen Querschnitt aufweist mit einer an der Zylinderwand liegenden Öffnung und die sich zusammen mit dem Kolben bewegt, daß weiterhin zwischen der Verbrennungskammer (38] und der Ausgleichskammer (16) ein außenseitiger Kanal (18) vorgesehen ist, der eine Verbindung zwischen beiden Kammern herstellt, daß eine Zündeinrichtung (24) mit der Verbrennungskammer in Verbindung steht, die25 das komprimierte Luft-Kraftstoffgemisch entzündetund damit dessen schnelle Expansion infolge der stattfindenden Verbrennung bewirkt, welche den Kolben (14) in eine hin- und hergehende Bewegung versetzt, wobei die Verbrennung eine Druckwelle erzeugt, welche die Luft in der Ausgleichskammer (66) komprimiert und zwischen Verbrennungskammer und Ausgleichskammer Expansionsund Kompressionswellen erzeugt, die ohne Unterbrechung— 3 —809816/0786aufeinanderfolgen und während der Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches eine ergänzende Luftquclle bildet.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Ausgleichskammer (66) eineirregulär geformte Höhlung aufweist.
- 4. Vorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Betreiben der Maschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß ermöglicht, wobei die Maschine ein
drehendes Teil in einer Verbrennungskammer aufweist,
welches die Gase in einem sich verkleinernden Raum
komprimiert, dadurch gekennzeichnet ,
daß an der Verbrennungskammer eine Ausgleichskammer(66) angeordnet ist, welche einen Teil des komprimierten Gases aufnimmt, daß die Verbrennungskammer und die Ausgleichskammer (66) durch einen Kanal (64) verbunden sind und daß die Zündung durch die Kompression des Gases in der Verbrennungskammer und Wärmeübergang von dem sich drehenden Teil (60) erfolgt, wobei die Verbrennung der komprimierten Gase in der Verbrennungskammer infolge Entzündung eine schlagartige Kompression der Gase in der Ausgleichskammer (66) bewirkt. - 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgleichskammer (66) im wesentlichen keilförmig ist.
- 6. Verbrennungskraftmaschine mit hin- und hergehendem
Bewegungsablauf und einem Kolben, dadurch gekennzeichnet , daß sie ein zylindrisches Element aufweist mit wenigstens einer Nut um dessen Außenfläche herum,«098 16/0786die eine vertiefte Kammer mit geschlossener Oberseite bildet, weiterhin durch einen Kompressionsring (15), der in die Nut eingepaßt ist und einer dünnen scheibenförmigen Kappe (20), die mittels eines schaftförmigen Teils (17) in bestimmtem Abstand zur Oberseite der Nut gehalten wird und die eine ringförmige Kammer (16) bildet, deren Querschnittsfläche im wesentlichen ein rechtwinkliges Dreieck ist und die Mündungsweite der Kammer einen der Schenkel des Dreiecks bildet, das zwischen der Oberseite und dem plattenförmigen Teil angeordnet ist und daß die ringförmige Kammer an den Kompressionsring (15) angrenzt. - 7. Verbrennungskraftmaschine mit einem Drehkolben, 15 dadurch gekennzeichnet , daß sie ein drehendes Element aufweist, an dem wenigstens zwei Kompressionsringe mit Abstand zueinander befestigt sind, weiterhin einen vertieften tassenähnlichen Bereich (68) auf einer Fläche des sich drehendenElementes (60), wobei der vertiefte Bereich (68) zwischen den Kompressionsringen angeordnet ist und durch eine Kammer (66), die dadurch gebildet ist, daß ein plattenförmiges Teil (63) den vertieften Bereich (68) teilweise überdeckt.
- 8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammer (66) einen Einlaßkanal (64) und Auslaßöffnungen (65) aufweist.809816/0786
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Legal Events
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Owner name: HEAT BALANCED ENGINES, LTD., EDGEWATER, MD., US |
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