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Erfindungsbeschreibung
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Ein im Wirkungsgrad verbessertes, alternatives Verbrennungsverfahren
für Hub- und Rotationskolbenmotoren O. Einleitung Die sich zuspitzende Situation
auf dem Energiessktor, insbesondere die sich andeutende Ölverknappung und -verteuerung,
läßt es immer dringlicher erscheinen, sich mit den Möglichkeiten einer besseren
Energieausnutzung zu befassen. im Folgenden soll an Hand einer theoretischen Betrachtung
aufgezeigt werden, mit welchen Maßnahmen sich derzeit eine Verbrauchsreduzierung
an Pkw-Motoren erreichen läßt.
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Vorausbetrachtung Um sich mit einer Wirkungsgradverbesserung an Verbrennungskraftmaschinen
befassen zu können, ist es notwendig, sich den derzeitigen Stand der Technik zu
vergegcnwärtigen, um dann an Hand der aufgezeigten Schwachstellen des jeweiligen
Verbrennungsverfabrens (Otto-oder Dieselverfahren) Ansatzpunkte für eine Wirkungsgrad
verbesserung zu finden.
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1. Der Otto-Motor Der Gemischbildungs- und Verbrennungsablauf des
Otto-Motors dürfte hinlänglich bekannt sein. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsvorganges
berechnet sich hier zu: 1? th(Seiliger)
darin ist: Vh + Vc # = = V1/V2 = Verdichtungsverhältnis Vc # = P3/P2 = T3/T2 = Drucksteigerungsverhältnis
# = V4/V3 = T4/T3 = Einspritzverhältnis # = Cp/Cv = Isentropenexponent In Annäherung
an die tatsächlichen Verhältnisse wird eine Mischung aus Gleichraum- und Gleichdruckprozeß
definiert. (Seiliger-Prozeß, siehe auch Fig. 1 + 2)
Die Berechnung
des Wirkungsgrades nach umseitiger Gleichung setzt voraus, daß die spezifische Wärmekapazität
konstant ist. Dies ist jedoch nicht der Fall. Für genaue Berechnungen sollten daher
T,S-oder H,S-Diagramme für Verbrennungsgas verwendet werden, bei denen die Änderung
dr spezifischen Wärmekapazität und der Einfluß der Dissoziation bei hohen Temperaturen
berücksichtigt sind.
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Im Motor wird der Seiliger-Wirkungsgrad nicht ganz erreicht. Ein Maß
für die Annäherung ist der Gütegrad: indizierter Wirkungsgrad #g = #i/#th = Seiliger-Wirkungsgrad
Die vorhandene Verschlechterung wird verursacht durch: -Unprogrammgemäße Wärmezu-
und - abfuhr -Unvollständige Verbrennung -Drosselverluste -Teckageverluste na beim
Ottomotor die Verbrennung praktisch unter steuert bei V=const. erfolgt, läßt sich
jedoch schon durch einen einfachen Gleichraumvergleichsprozeß (Figur 3) eine relativ
genaue Annäherung an die tatsächlichen Verhältnisse erzielen. Der Wirkungsgrad vereinfacht
sich in diesem Fall zu: b.w.
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#th = 1 - T1/T2 = 1 - (1/#)@-1 Trägt man #th in Abhängigkeit vom
Verdichtungaverhältnis # auf (Fig.4), so läßt sich die bekannte Tatsache ablesen,
daß der thermische Wirkungsgrad mit steigender Verdichtung besser wird.
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Der Gesamtwirkungsgrad (#ges = #th.#g.#m) hat jedoch eine etwas andere
Charakteristik. Ursache ist der mechanische Wirkungsgrad, der bei steigender Verdichtung
aufgrund der höheren Reibungsverluste fällt (Fig.5), so daß sich letztlich für den
Gesamtwirkungsgrad eines Motors bei der Verdichtung von £= 12 # 16 (je nach Motor)
ein Maximalwert einstellt (Fig.6).
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Das Verdichtungsverhältnis darf beim Ottomotor wegen des sonst auftretenden,
Klopfens' den Wert von 9,5 i 10,5 nicht überschreiten, so daß der Maximalwert von
t ges ges nicht erreicht wird.
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Wesentlich schlechter ist der Teillastbetrieb, bei dem aufgrund der
quantitativen Gemischregelung (Drosselverluste!) das effektive Vcrdichtungsverhältnis
weiter herabgesetzt wird.
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Als Abhilfe könnte die teilweise oder vollkommene Zylinderabschaltung
dienen, an der einige Automobilwerke seit geraumer Zeit arbeiten. Im Teillastbereich
können dadurch die verbleibenden Zylinder mit höherer Last (#höhere effektive Verdichtung
# besserer Wirkungsgrad) betrieben werden. Der zu treibende Au.'-wand und der Wirkungsgradgewinn
sind unterschiedlich groß, je nachdem, ob: - eine Gemischabschaltung (20% besser)+
-eine Gemisch- und Gaswechselabschaltung (30% besser)+ -eine vollständige Zylinderabschaltung
(40% besser)+ (Teilung der Kurbelwelle) + bezogen auf ECE-City-Test gewählt wird.
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Eine andere Altenative ware auch ein rotor mit variabler Verdichtung,
bei dem im Teillastbetrieb die Verdichtung erhöht wird. An einem solchen Versuchsmotor
arbeitet zur Zeit Daimler Benz.
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Derzeit sind diese Verbrennungsmotoren aufgrund der doch beträchtlichen
Mehrkosten noch nicht rentabel.
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Zusammenfassung: Die prinzipiellen Nachteile des Ottomotors sind somit:
-# # wegen der Klopfgefahr immer deutlich unter dem idealen Verdichtungsverhältnis.
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-wegen der quantitativen Gemischregelung zusätzliche Wirkungsgradeinbußen
im Teillastbetrieb.
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2. Der Dieselmotor Anmerkungen zum Verbrennungsablauf Bei allen bisher
ausgeführten Dieselmotoren muß die angesaugte Luft soweit vorverdichtet werden,
daß die Zündtemperatur für den eingespritzten Kraftstoff deutlich überschritten
wird Während des Einspritzvorganges wird der Kraftstoff über den Rand der vinspritzkeule
erwärrt Der abgedampfte Kraftstoff beginnt sich dann letztlich an der heißen Luft
zu entzünden und leitet somit die Verbrennung ein.
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Da zu Beginn der Einspritzung die Oberflache der Kraftstoffkeule
und die Ternpcraturdi ff erenz zwischen Luft und Kraftstoff begrenzt ist, vergeht
somit eine geraume Zeit, bis die Verbrennungsgeschwindigkeit der Einspritzgeschwindigkeit
entspricht. Diese Zeitspanne wird,Zündverzug'genannt.(Crößenordnung ca. 2ms).
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Während de Zündverzuges wird also mehr Kraftstoff eingespritzt als
verbrannt. Diese Überschußmenge wird anschließend schlagartig verbrannt, was einen
großen Druckgradienten dp zur Folge hat, wodurch wiederum eine hohe Triebwerksbelastung
und Geräuschentwicklung (Klopfen oder Nageln) gegeben ist.
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Anderseits folgt somit, daß das Klopf- bzw. Nagelverhalten eines
Dieselmotors umso besser wird, je kürzer der Zündverzug ist.
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Die verschiedenen Bauarten von Dieselmotoren Beim Dieselmotor ist
zu unterscheiden zwischen den ebenkammermotoren (Vor- und Wirbelkammer) und den
Direkteinspritzmotoren (DE, übliche DE und DE nach dem M-Verfahren).
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Bezüglich des Wirkungsgrades sind die Direkteinspritzer klar im Vorteil,
wie auch die von Daimler -Benz an einem 2,2 ltr. Dieselmotor, bei dem der Zylinderkopf
von Fall zu Fall entsprechend modifiziert wurde, durchgeführten Messungen belegen
figur 7).
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Die Ursachen hierfür sind: -Günstigere Oberflächen-Volumenverhältnisse
beim Direkteinspritzer, dadurch weniger ':Järmeverluste während und nach der Verbrennung.
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- Keine hydraulischen Uberschiebeverluste (Bei Vorkammermotoren sind
diese größer als bei Wirbelkanerriotoren, daher Wirbelkammer hier im Vorteil.) -Wegen
besserem Oberflächen-Volumenverhältnis weniger Wärmeverluste während der Kompression
# Betrieb bei niedrigerer Verdichtung (# = 12 + 18) möglich.
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Anmerkung: Für den Einsatz in Pkws müßte auch bei Direkteinspritzern
wegen der kleinen Zylindereinheiten und dem dadurch relativ schlechten Oberflächen-Volumenverhältnis
(Fläche proportional zu dem Quadrat der auabmessungen - Volumen proportional der
dritten Potenz der Abmessungen) eine geringfügig höhere Verdichtung gewählt werden.
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Der Direkteinspritzer hat gegenüber den Nebenkammermotoren zur Zeit
aber noch schwerwiegende Nachteile, so daß vorerst ein Einsatz des Direkteinspritzmotors
im Pkw nicht wahrscheinlich erscheint: Um den Zündverzug klein zu halten, braucht
der Dieselmotor eine starke,turbolente Luftbewegung im Brennraum. Diese mui9 die
eingespritzte Kraftstoffkeule aufreißen, wodurch eine Oberflächenvergrößerung stattfindet,
die wiederum einen besseren Wärmeübergang und somit einen kleineren Zündverzug zur
Folge hat.
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Bei Nebenkammermotoren wird eine starke Luftbewegung wahrend des
Kompressionshubes erzeugt, wenn die angesaugte Luft durch die Schußkanäle in die
Nebenkammern strömt. Außerdem ist dort durch die größere Verdichtung eine größere
Gastemperatur und somit auch eine größer Temperaturdifferenz #T (Q # #T) vorhanden.
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Beim Direkteinspritzer muß die notwendige Luft bewegung schon während
des Ansaugtaktes erzeugt werden (z.B. durch einen Drallfallkanal ) Diesen hat folgende
Nachteile: a) Keine so starke Luftbewegung wie bei Nebenkammermotoren A schlechteres
Aufreißen der eingespritzten
Kraftstoffkeule # größerer Zündverzug
# höhere Triebwerksbelastung und höheres Verbrennungsgeräusch # größere Triebwerksmassen
# geringere Maximaldrehzahl.
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b) Es bestehen Schwierigkeiten, die Drallanforderungen über einen
größeren Drehzahlbereich zu erfüllen. Des-Nenndrehzahl halb sollte das Verhältnis
< 4 nicht Leerlaufdrehzahl überschritten werden. (Ein Drallfallkanal erlaubt
durch seinen hohen Drosselwiderstand bei großen Gasgeschwindigkeiten sowieso keine
hohen Drehzahlen).
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c) Aus a) und b) folgt, daß durch die begrenzte Drehzahl die Leistungsdichte
beim Direkteinspritzer kleiner als beim Nebenkammerdieselmotor ist. Abhilfe könnte
hier jedoch bspw. durch einen Abgasturbolader geschaffen werden.
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3. Zusammenfassung und Zielsetzung für ein verbrauchsoptimiertes Verbrennungsverfahren
Wie aus dem Vorhergesagten zu ersehen ist, sind zur Erstellung eines verbrauchsoptirierten
Verbrennungsverfahrens folgende Randbedingungen zu erfüllen: - £ # 12 + 16 (2 ges
maximal) - qualitative Gemischregelung (sonst Reduzierung der effektiven Verdichtung
= Wirkungsgradverlust im Teillastbetrieb) Daraus geht hervor, d beim heutigen Stand
der Technik der Direkteinspritz-Dieselmotor auch für den Einsatz im Pkw die wirtschaftlichste
Lösung darstellen würde, wenn
es gelänge, dessen konstruktive Nachteile
gegenüber den alternativen Dieselmotoren bzw. dem Ottomotor abzubauen. Die Nachteile
des Direkteinspritz-Dieselmotors sind jedoch praktisch alle auf den größeren Zündverzug
zurückzuführen. Auch könnte auf eine starke Drallerzeugung während des Ansaugtaktes
verzichtet werden, wenn der zündverzug auf anderem Wege verkleinert bzw. ganz ausgeschaltet
werden könnte. Eine Maßnahme zur Verringerung bzw. Verhinderung des Zündverzuges
wird im folgenden Kapitel beschrieben.
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4. Vorschlag eines modifizierten Verbrennungsverfahrens Wie auf den
letzten Seiten beschrieben wurde, verhindert lediglich der Zündverzug den Einsatz
des Direkteinspritzer-Dieselmotors im Pkw. Dieser wird wiederum durch die gasseitig
Wärmezufuhr (gemeint ist hier die Wärme, die die Verbrennung einleitet) verursacht.
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Würde man nun statt der Luft den Treibstoff vor der: Einspriten über
den Entflammpunkt hinaus (für die im Brennraum herrschenden Druck- und Temperaturverhältnisse)
erwärmen, so dürfte praktisch kein Zündverzug mehr vorhanden sein, da der Treibstoff
sofort nach dem Passieren den Einspritzventils durch den auftretenden Druckabfall
(s.u.) verdampfen und durch die hohe Eigentemperatur sofort verbrennen würde. Eine,
Aufbereitung' des Kraftstoffe im Brennraum ware somit nicht mehr nötig. Dadurch
könnte dann die Verdichtung bezüglich des Yiirkungsgrades optimiert werden. Außerdem
müßte die Luftbewegung im reinraum nur noch so groß sein, d(ß genügend Sauerstoff
an den eingespritzten Kraftstoff herangefährt wird. Dieses dürfte nicht besonders
problematisch
sein, wie der ehemalige Daimler-Benz-Motor des 300
SL bewies, der eine direkte Einspritzung (lso in den Brennraum) besaß.
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Für die Erwärmung des Treibstoffes könnte man selbstverständlich
die Abwärme des Motors, insbesondere die Abgaswärme, benutzen.
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Dadurch würde sich ein weiterer Vorteil ergeben: Während bei konventionellen
Dieselmotoren beim Einspritzvorgang die zur Aufbereitung des Treibstoffes benötigte
Wärmecnergie der verdichteten Luft und somit dem anschlicssenden Expansionstakt
entzogen wird, steht im vorgeschlagenen Fall diese Energie praktisch kostenlos zur
Verfügung. (Nutzung der Abgaswärme!) Genaue Zahlen über die Erwärmun«gs- und Verdampfungsenthalpie
sind zur Zeit für Dieselkraftstoff in dem benötigten Druck- und Temperaturbereich
noch nirgends veröffentlicht.
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Aus Erfahrungswerten und Vergleichen mit anderen Brennstoffen bzw.
flüssigen Kohlenwasserstoffverbindungen kann man eine sehr grobe Abschätzung treffen.
Demnach dürfte die benötigte Energie zwischen 300 - 1000 kJ/kg betragen. Geht man
davon aus, daß bei der Verbrennung von einem kg Dieselöl ca. 10 000 kJ Wärmeenergie
frei werden,so ist hier ein zusatzlicher Energiegewinn von ca. 3 - 10 % gegeben.
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Auch könnte beim Einsatz eines solchen Motors die Batteriekapazität
(gegenüber heutigen Dieselmotoren) herabgesetzt werden, denn durch die niedrigere
Verdichtung würde der Anlasser weniger Leistung brauchten. Außerdem könnte die Kaltstart-Vorwärmung
innerhalb eines weitgehend wärmeisolierten Bauteils erfolgen. (Bei heutigen
Dieselmotoren
nicht möglich, da der Brennraum nicht wärnoisoliert werden darf.) In den Figuren
8 und 9 werden die Verhältnisse für einen Dieselmotor mit "kraftstoffseitiger Wärmezufuhr"
qualitativ (Quantitativ nicht möglich, da genaue Zahlenangaben für Dieselkraftstoff
nicht vorliegen, s.o..) in einem p,T- Diagramm und einem T,S- Diagramm dargestellt.
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In Figur 8 ist zu erkennen, daß sich der Kraftstoff (theoretisch
könntenin einem solchen Motor alle flüssigen Kraftstoffe verbrannt werden) zum Zeitpunkt
des Einspritzbeginns im Zustandsdiagramm jenseits des "kritischen Punktes" befindet.
Daß heißt, trotz der hohen Vorwärmtemperaturen verdampft der Kraftstoff erst beim
Druckabfall während des Einspritzvorganges im Prennraum.
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In Figur9 ist der Aufheizvorgang nach erfolgter Einspritzung für
den Kraftstoff in einem heutigen Dieselmotor dargestellt (gestrichelte Linie von
1) nach 2) ).
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Die Fläche unter der Kurve gibt die dafür benötigte Energie Wieder.
Es wurde dabei näherungsweise davon ausgegangen, daß dieser Vorgang isobar erfolgt.
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Die strich-punktierte Linie gibt die isobare p = (= "kritischer Druck")
wieder.
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Die durchgezogene Linie von 3) nach 4) stellt den Aufheizvorgang
für einen entsprechend modifizierten Motor dar.
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der sich hier bei einem höheren Druck (p > pK) vollzieht.
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Der Endpunkt der Aufheizung sollte im T,S- gramm soweit rechts liegen,
daß selbst nach dem Druckabfall während der Einspritzung und der damit verbundenen
Temperaturabsenkung die Zündtemperatur überschritten ist (siehe 5) ).Daraus folgt,
wie man derc T,L,- Diagramm leicht entnehmen kann, daß in ci esem Fall für die Aufheizung
des Kraftstoffes eine größere Wärmemenge bereitgestellt werden muß, was sich jedoch
nicht nachteilig auswirken dürfte, da hier die Wärme, wie bereits erwähnt, praktisch
umsonst (Abgaswärme!) anfällt.
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Sonstige Einschränkungen sind durch eine "kraftstoffseitige Wärmezufuhr"
nicht gegeben. So könnte bspw. auch in diesem Fall eine Aufladung durch einen Abgasturbolader
oder Comprex-Lader erfolgen.
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5. Konstruktive Ausführung Konstruktiv würde sich bei einem solchen
Motor nicht viel gegenüber einem herkömmlichen Direkteinspritzer-Dieselmotor ändern.
Lediglich der Kraftstoff müßte nach den Passieren der Einspritzpumpe zum Erwärmen
durch den Auspuffkrümmer geführt werden. Anschließend muß die weitere Leitung bis
hin zum Einspritzventil gut wärmeisollert (z.B. durch Asbestummantelung) erden.
Es empfiehlt sich, an dieser Stelle die Kaltstartaufheizvoriichtung' anzubringen,
da so die auftretenden Wärmeverluste klein gehalten werden können.
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Selbstverständlich muß das System luftfrei sein, da sich sonst eine
vorzeitige Verbrennung einstellen würde, denn die Zündtemperatur wird bereits während
des Aufheizvorganges in den Druckleitungen überschritten. (S. auch Fig.
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8+9).
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Erhöhte Anforderungen sind nur an die Druckleitungen gestellt, die
sowohl druck- als uch tmpernturbeändig sein müssen. Die Einspritzpumpe könnte den
heutigen entsprechen,
da auch jetzt lediglich kalter Treibstoff
gefördert werden muß. ( Eine nennenswerte Wärmerückleitung entgegen der Fließrichtung
ist nicht wahrscheinlich!).
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Zwischen der Einspritzpumpc und dem Ventil müßte ein Puffer eingebaut
werden, der die Druckerhöhung und/oder Volumenausdehnung. des Kraftstoffes während
des Aufheizvorganges, der je nach Betriebszu@tand des rotors auch unterschiedlich
sein kann, auffängt, damit es nicht zu einem ungewollten 'inspritzen kommt. Weiterhin
müßte dieser Puffer sicherstellen, daß der Druck in den Einspritzleitungen nicht
unter den kritischen Druck" pK ( auch Fig.8 + 9) fällt.
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Eventuell könnte schon durch die vorhandenen Elastisitäten der Einspritzleitungen
die erforderliche "Pufferwirkung" bereitgestellt werden.
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Das Einspritzventil müßte, wenn es nicht zwangsgesteuert wird, eine
starke Hysterse aufweisen, d.h., es müßte ein deutlicher Unterschied zwischen dem
Öffnungs- und Schließdruck bestehen. Dadurch könnte sichergestellt werden, daß der
sich während des Aufheizvorganges einstellende Druckanstieg nicht zu einer ungewollten
Einspritzung führt. In Figur 10 ist ein solches Ventil in einer Funktionsskizze
wiedergegeben.
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Funktionspeschreibung (Fig.10) Wird der Kolben bei hohem Druck angehoben,
so vergrößert sich die Druckangriffsfläche, was neben einem schnellen Cffnen des
Ventils zur Folge hat, daß sich das Ventil erst bei einem wesentlich kleineren Druck
wieder schließt.
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Damit beim Schließen des Ventils der Kraftstoff hinreichend schnell
wieder zurückfließen kann, ist eine Umlaufnut vorgesehen, die selbst wiederum durch
Bohrungen mit der Kraftstoffhauptleitung verbunden ist.
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Die Nadel wird durch eine Mitnahmevorrichtung mit dem Kolben angehoben
nd durch eine Feder ggfs. bei geschlossenem
Ventil auf seinen
Sitz gedrückt.
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Durch entsprechende Feder- und Flächenwahl kann jeder Einspritæ-
und Schließdruck und somit auch jedes Verhältnis dieser Drücke bestimmt werden.
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Ein weiterer Vorteil dieses Einspritzventils wäre, daß kein Nachspritzen
bei der Reflexion der von der Einspritzpu!npe erzeugten Druckwelle erfolgt.
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6. Sonderproblem Wankelmotor Beim Wankelmotor war bisher das Dieselkonzept
nur sehr schwer zu verwirklichen. Ursache hierfür sind die konstruktiven Gegebenheiten;
denn um die erforderliche Verdichtung zu, erreichen, (Sie muß beim Wankelmotor höher
sein als bei einer vergleichbaren Hubkolbenmotor, da dort der VerdichtungsprozeZ
über eine größere Oberfläche erfolgt und somit höhere Wärmeverluste auftreten, zumal
die Verdichtung nur im "kalten Teil" der Trochoide stattfinaet.) wird ein hoher
K - Faktor erzeugender Trochoidenradius benötigt. #K - Faktor = #. Bei Exzentrizität
einem hohen K - Faktor muß jedoch der Grundkreis der Exzenterwelle wegen der Synchronisierverzahnung
relativ klein blciben. Der Teilkreisdurchmesser des maßgebenden Verzahnungsringes
beträgt 4 X Exzentrizität, d. h. , der Grundkreis muß noch deutlich darunter bleiben.
Dadurch ergeben sich Schwierigkeiten bei der Abstützung der auftretenden Kräfte.
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Bisher, wurden d<'rnn auch nur Wankel-Diesel gebaut, bei denen
entweder durch eine komplette zweite Trochoide mit Läufer eine Vorverdichtung stattfand,
oder solche mit riesigen Abmessungen (wie beispielsweise der von Prof. G. Jungbluth
für Magirus Deutz entwickelte Versuchsdiesel), bei denen
generell
die Leistungsdichte niedriger und somit die relative Belastung kleiner ist.
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Wendet man nun das neue Prinzip hier nn, so könnte durch die kleinere
Verdichtung ein Wankel-Dieselmotor eine diese Problematik gebaut werden. Dadurch
eröffnet sich eventuell eine völlig neue Chance für das Wankel-Prinzip, da in dem
als die schon bekannten Vorteile des Wankelmotors (hohe Leistungsdichte, geringes
Cewicht, kompakte bauweise und ruhiger Lauf) zusammen mit einem niedrigen Verbrauch
auftreten werden.