DE3214516A1

DE3214516A1 - Drei-takt-verbrennungsmotor mit intermittierendem einsatz, hydro-kraftuebertragung und energierueckgewinnung durch nutzbremsung

Info

Publication number: DE3214516A1
Application number: DE19823214516
Authority: DE
Inventors: Witold 2308 Preetz Schipull
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-04-20
Filing date: 1982-04-20
Publication date: 1983-10-20

Description

Titel:

32Η5Ί6

Drei-Takt-Verbrennungsmotor, mit intermittierendem Einsatz, Hydro-Kraftübertraguhg und Energierückgewinnung durch Nutzbremsung.

Anwendungsgebiet:

Diese Motoren dienen zum Antrieb von Fahrzeugen und Geräten mit unterschiedlichen Drehzahlen und verschiedenen Belastungen, z.B.: Personenwagen.

Zweck::

Diese Motoren sollen mit unterschiedlichen Drehzahlen und variablen Leistungen arbeiten und bei günstigen Wirkungsgraden auch günstige Abgaswerte hervorrufen.

Stand der
Technikt

Es ist bekannt, daß die Motoren- und Kfz-Hersteller große Anstrengungen unternommen haben, am Kurbelwellen-Verbrennungsmotor "bessere. Wirkungsgrade und günstigere "Äbgaswerte durch Korrekturmaßnahmen und Zusatzaggregate zu erreichen, wie z.B. Zündzeitpunktverstellung,.Benzineinspritzung, Schubabschaltung, Vergaserelektronik, Turbolader beim Diesel und vieles mehr. .

Ich meine, daß der Kurbelwellen-Verbrennungsmotor konstruktionsbedin^te- Mängel aufweist, die nur durcheine Konstruktionsänderung behoben werden können.

Kritik des
Standes der
Technik:

Im folgenden zähle ich diese Mängel auf:

1. Die heutigen Motoren weisen eine Schwungenergiespeicherung auf und benötigen deswegen eine Mindestdrehzahl. (Leerlauf ist sehr verlustreich und weist ungünstige Abgaswerte auf.)

2. Ferner zwingt die Konstruktion dazu, alle an einer Kurbelwelle laufenden Kolben ständig zu betreiben. (Bei kleinen Leistungen unnötig hohe Reibungeverluste .).

3. Die zeitlich exakte Einleitung der Verbrennung (Zündung) ist wesentlich für die Erzielung brauch-

barer Wirkungsgrade,

4. Bei hohen Drehzahlen müssen die Funktionsabläufe stark beschleunigt werden. (Dies ändert den Wirkungsgrad und die Abgaswerte.)

5. Bei unterschiedlicher Leistung aber gleicher Drehzahl wird die Füllung der Zylinder geändert. (Dies ändert Wirkungsgrad und die Abgaswertei)

6. Der Hub vom Ansaügtakt und Verbrennungstakt ist räumlich und zeitlich stets gleich lang, und kann nicht getrennt den unterschiedlichen physikalischen Anforderungen angepaßt werden. (Verringerung des

Wirkungsgradesl)

7. Es muß Energie "vernichtet" werden, wenn das Fahrzeug abgebremst werden soll.

Aufgabe: ' Hiermit wird folgende Aufgabe gestellt:

Der Verbrennungsmotor muß so umgewandelt werden, daß.,

1. ...die Energiespeicherung zwischen den Funktions-

■ "- " /ablaufen mit "ruhender" Energieform erfolgt. ' ~ "

2. ...die Zylinder/Kolben einzeln und voneinander unabhängig betrieben werden können.

3. ...der Zündzeitpunkt die Größe der Energieaus-,beute nicht mehr beeinflußt. ' .

4. .*.die Funktionszeiten und Verdichtungsverhältnisse für die einzelnen Takte eines Kolbens vonein.-ander unabhängig gewählt werden können.

5. ...die unterschiedlichen Leistungen bei gleichartiger und gleichwertiger Füllung der Zylinder erzielt werden und die Leistungsanpassung in der Kraftübertragung erfolgt..(Leistung je Taktfolge stets glleich groß, aber die Gesamtleistung variabel.)

6. ..,die Zeiten jeder Taktfolge stets genauso lang sind, unabhängig von der "Drehzahl" des Fahrzeugs, (Optimale Verbrennung)

7. ...er auf eine Kraftübertragung wirkt, die die Schwungenergie des Fahrzeugs beim Bremsen wieder zurückgewinnt und speichert.

Lösung:

Diese Aufgaben werden .wie'folgt gelöst:

1. Die Kolben des Motors übertragen.einzeln.ihre gewonnene Energie auf ein Hydrosystem (Drucköl).

2. Luft und Brennstoff werden durch ein zusätzliches Aggregat (Gaspresser) eingebracht. Der Gaspresser entnimmt die Antriebsenergie aus dem Hydrosystem.

3. Eine Steuerung sorgt dafür, daß die Funktionen -l-Füllen,-2- Zünden +Verbrennen und -3- Entleeren stet& mit den Zeiten gefahren werden, die für einen günstigen Wirkungsgrad und ideale Abgaswerte sorgen; d.h. die Zeit für jede Funktion kann frei gewählt werden, bleibt aber auch bei unterschiedlichen Leistungen immer erhalten (Fix-time-Steuerüng).

4* Der Fahrer bedient nur die Energieentnahme aus dem Hydrosystem zum Antrieb des Fährzeuge. Dieser Antrieb ist so gestaltet, daß der Hydromotor ..zur Nutzbremsung als Hydröpumpe umgesteuert wird und die Schwungenergie des Fahrzeugs umwandelt und als Energie in das Hydrosystem.wieder aufnimmt·

Erzielbare
Vorteile:.

•1. Erhöhung des Wirkungsgrades.

Ein'Hydrosystein dient als Energiespeicher und die bei der Verbrennung-entstehenden Energieschübe . aus.Dadurch kann jede Verbrennung gleichgeartet sein und unabhängig von der benötigten Leistung auf die günstigsten Werte des Wirkungsgrades (auch der Abgaswerte) abgestimmt sein. Bei Maximalleistung arbeiten alle Zylinder ununterbrochen. Genügt eine kleinere Leistung, so tritt nach einem Funktionsablauf (Füllen, Verbrennen, Entleeren) eine kleine Pause ein (automatisch gesteuert). Die Energieschübe erfolgen also in größeren Abständen und ergeben eine kleinere Gesamtleistung. Wird keine Energie dem Hydrosystem entnommen (Fahrzeug steht an der Ampel oder im Stau), ruhen alle Kolben (kein Leerlauf).

Die' Kunk^onsatttaufe kö.nnen.,so gestaltet werden, daß die physikalisdhen Erfordernisse besser berücksichtigt werden, z.B.:

1. Da Gaspresser und Verbrennungszylinder getrennte¹ Aggregate sind, kann für die Verdichtung vor der ' Verbrennung ein anderes Verhältnis gewählt werden als beim Verbrennen (Arbeitstakt).

2. Die Entleerung (Auspufftakt) kann zeitlich so gestaltet werden, daß ... ' '

1. ... sie erst dann einsetzt, wenn die Druckenergie auch weitgehend ausgenutzt ist,

2. ...ausreichend Zeit für die Entleerung vorgesehen wird, damit man mit kleinen "Ausschubenergien" auskommt.

3. Zündung und Verbrennung sind von den Fuhktionsabläufen in den anderen Zylindern unabhängig. Die Zündung löst den Druckanstieg aus. Die Volumensvergrößerung im Verbrennungszylinder erfolgt.aber erst, wenn ausreichend Druck, den Kolben bewegen kann (der Kolben wird nicht mehr von der Kurbelwelle mitgerissen. )

2. Verbesserung der Abgaswerte.. · .'

Unabhängig von der Leistungsaufnahme und der ^rehzahl des Fahrzeugs soll jede Verbrennung gleich viel Energie umwandeln und im Hydrospeicher sammeln. Dadurch kann die Luft und der Brennstoff iim ganzen Leistungsbereich auf den best.en Wert abgestimmt sein. Die Verbrennung kann jedesmal vollständig erfolgen, so daß die Abgaswerte jede realistische Norm erfüllen können.

Leerlaufeinstellung entfällt, da es keinen Leerlauf gibt.

Zündzeitpunktverstelltung ist nicht erforderlich, da der Arbeitstakt sich "ungezwungen" entwickeln kann (( ohne Einfluß von anderen Kolben, unabhängig von der (fehlenden) Kurbelwellenstellung )). Vergasereinstellung oder Verstellung der Benzineinspritzung ist nicht erforderlich, da für jede Verbrennung dieselbe Menge Luft und entsprechend dieselbe Menge Brennstoff eingebracht wird. - 5 -

3. Lyeriau'f u*«d* J'

Der Hydroantrieb kann mit einem Hydromotor so gestaltet werden, daß ein verlustarmer Leerlauf (Freilauf) erfolgt, ohne daß Energie' aus dem H_vdrospeicher entnommen wird. ·

Ferner kann der Hydromotor bei der Nutzbremsung als Hydropumpe umgesteuert werden, die dann den Schwung des Fahrzeugs aufnimmt und Drucköl in den Hydrospeicher pumpt. Vom Speichervolumen und der Druckfestigkeit der Anlage hängt es ab, ob man auch die Energie bei längerer Talfahrt voll speichern kann. Dann wäre das Fahrzeuggewicht für¹ den Brennstoffverbrauch zweitrangig geworden.

4. Kurze Warmlaufphase. · .

Die Warmlaufphase des Motors kann man dadurch abkürzen, daß man die Gase nach der Verbrennung langer als normal in den Zylindern beläßt und ihn damit . stärker aufheizt.. ' ■ . .' ·

5„. Vielstoffmotor; · - '

Diese Konstruktion ermöglicht nicht nur eine Verwendung von Gas, Benzin und Dieselkraftstoff, es wäre m.E. auch möglich langsamer verbrennende Stoffe und nach einer Weiterentwicklung auch-feste -Brennstoffβ wie Kohle, Mehl, Zucker u.a. zu verbrennen und die entstehende Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln.

6. Betriebsbereitschaft trotz Motorschaden.

Ist bei-einem Mehrzylindermotor ein Zylinder ausgefallen, so kann der "Rest" des Motors unbeschadet weiterlaufen und das Fahrzeug problemlos bewegen. Da nur in wenigen Momenten die Maximalleistung eingesetzt wird, wird das Fahrzeug fast normal betrieben.

7. Zusatzaggregate..

Generator, Kühlwasserpumpe etc. werden mit einem eigenen Hydromotor angetrieben, das" bedeutet, daß die Drehzahl von der "Motordrehaahl" unabhängig ist. •Der Generator kann in jedem Moment seine volle Leistung abgeben. ■

Da dieser Motor keinen Starter benötigt (keine großen Ströme), können auch Akkus mit größerem Innenwiderstand z.B. Stahlakkus verwendet werden.

Der Akku hat die Aufgabe, das Standlicht des Fahrzeugs zu versorgen, in der Einschaltphaöe die elektronische Steuerung und Zündung zu betreiben und beil entstandenem Druckverlust einen Pumpenmotor anzutreiben« Läuft der Motor (Drucköl wird gefördert), ist die Aufgabe des Akkus erfüllt. ' · ·

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Beschreibung
der Erfindungr

In Abb.l ist der Teil des Antriebs dargestellt, der aus der Primärenergie gespeichertes DruckÖl erzeugt, das zum Hydraantrieb benötigt wird.

Der Punktionsablauf im Verbrennungsmotor geht folgendermaßen vonstatten:

Der Gaspresser (Zl) hat die notwendige Menge Luft angesogen (Grundstellung). Das Drehventil (Vl) wird umgesteuert, so daß der Weg von Zl nach Z2 offen steht·

Der Gaspresser (Zl) füllt den Verbrennungszylinder (Z2) mit Luft und schiebt den Kolben von Z2 soweit herun

ter, daß die Mechanik 2 ihn sperrrt (Weg "s" in

Abb. 3 ) und den Hydrokolben von Z2 mitnehmen möchte (ca, 1/5 desr Gesamtweges des* Kolbens). Gleichzeitig wird mit dein Einspritzventil (EV) Brennstoff zugegeben. .

Das Drehventil (Vl) wird in die Grundstellung zurückgestellt und durch.die Rückholfeder geht der Gaspresserkolben wieder in die Grundstellung.

Mit dem Zündfunken der Zündkerze (ZK) wird die Verbrennung und ein Druckanstieg ausgelöst, der den Kolben nach unten preßt und über eine Mechanik Drucköl in den Druckb'Uspeicher pumpt.

Dann wird das Ventil (V2) so umgesteuert, daß die verbrannten Gase in den Expansxonszylinder (Z3) überströmen und dort den Kolben ebenfalls nach unten·;, treibe^. Dabei wird ebenfalls Drucköl in den Speicher gepumpt. .

Das Ventil (V2) wird nun so umgesteuert," daß Z2 die Restgase in den Auspuff (A) leiten kann. Der Kolben von Z2 wird durch eine Rückholfeder in die Grundstellung gebracht.

Das Ventil (V2) wird dann nochmals umgesteuert (in die Grundstellung), Z2 wird abgesperrt und die Gase aus dem Expansionszylinder (Z3) gelangen in den Aus-

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puff. Der Kolben wird ebenfalls durch eine Feder zurückbewegt.

Die Ausgangsstellung ist erreicht, die Pause kann eintreten oder der Vorgang wiederholt sich sofort.

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Die Mechanik (T] jjf] (Tj löst folgendes Problem: (siehe Abb. 2, 3 und 4)

Wenn die Kolben Zl , Z2 und Z3 sich bewegen, ändert sich der Druck in diesen Zylindern und damit die wirksame Kraft an der Kolbenstange. Dagegen bleibt der Öldruck in den Hydrozylindern nahezu konstant und damit auch die Kraft der dortigen Kolbenstange. Diese Mechanik geblattet es, diese unterschiedlichen Kräfte einander anzupassen.

Ferner wirdi durch diese Mechanik·; erreicht, daß die Kolbenstange von Zl, Z2, Z3 und auch den Hydrozyllindern geradlinig geführt wird. Die Kolbenringe werden geringer beansprucht (kleinere Seitenkräfte) und die Kolbenreibung kann gesenkt werden.

Die Teilung in Zylinder Z2 und Z3 erfüllt folgenden Zweck: Z2 und Z3 sollen je etwa die Hälfte der Energie umsetzen und auf das Drucköl übertragen. Dabei soll der Kolbenweg und die Kolbenkraft etwa gleich groß ausfallen. Um die Kolbenkraft an Z3 zu erhöhen, vergrößert man die Kolbenfläche auf das 4 bis 5-fache. Man erreicht dadurch folgendes!:

1. kurze Kolbenwege

2. kleine Kolbengeschwindigkeiten

3. geringere Kolbenreibung

4. kurze Entleerungszeiten

5. großes Entspannungsverhältnis (ca 1; 2o bis 1 : 3o ) Der Restdruck der Gase ist unbedeutend.

Rückholfedern:

Die Rückholfeder von Z2 ist so ausgelegt, daß sie den Enddruck von

Z2 voll auf den Zylinder Z3 überträgt und dabei den Zylinder Z2 nahzu entleert.

Die Rückholfeder von Z3 ist so schwach gewählt, daß kleine Ausschubenergien aufgebracht werden, aber so kräftig, daß die Entleerungezeiten nicht unnötig lang ausfallen.

Drehventile:

Die Drehventile öffnen mit Bewegungen im rechten Winkel zum Betriebsdruck und die Kräfte überwinden nur die Reibung..», arbeiten nicht gegen den Betriebsinnendruck der Zylinder,

-/-"::": Γ:Γ Il ': 32U516

Erläuterung zu den Zeichnungen:

Luftzufuhr Auspuffleitung Zylinder 1 - Gaspresser Zylinder 2 - Verbrennungszylinder Zylinder 3 - Expansionszylinder Zündkerze Einspritz vent i 1' Ventil· 1 - Drehventil 2-stufig Ventil 2 - Drehventil 3-stufig

Winke line chanik in Seite 14 - 16 als Seitenansicht: fül t. Hydroantrieb für Gaspresser 2J : Winkelmechanik al ι Winkelmechanik

Leerseite

Claims

Oberbegriff:

Kennzeichnender
Teilt

1 Λ «ft

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Patentansprüche:

1,1 Ein Kolben-Verbrennungsmotor, dessen Kolbenkraft auf ein Medium (z.B. KydroHl) übertragen wird, das die Energieschübe speichert und ausgleicht, um einen gleichmäßigen ''Energieabf luß¹ zu gewährleisten und die Energie zum Füllen der Verbrennungsräume bereitzuhalten.

.., dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben unabhängig voneinander arbeiten können und daß der Funktionsablauf nur noch aus drei Takten besteht« 1. Füllen, 2. Verbrennen (Arbeiten) und 3. Entleeren.

Oberbegriff des
1. Unteranspruchs: 2. Ein Verbrennungsmotor nach Anspruch,! ,

Kennzeichnender
Teil des Unteranspruchs:

.., dadurch gekennzeichnet, daß er ein getrenntes Aggregat zum Bemessen und Einbringen (Füllen), der Luft und des Brennstoffs besitzt, das dafür sorgt, daß in jedem Betriebszustand die gleiche Menge an Luft und Brennstoff eingebracht wird.

Oberbegriff des
2. Unteran-

spruchs: 3. Ein Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,

Kennzeichnender
Teil des Unteranspruchs :

dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Wärmeenergie gewonnene mechanische Energie durch eine Winkelmechanik übertragen wird, die den bei der Expansion abnehmenden Gasdruck auf ein Hydrosystem mit konstantem Druck überträgt und dabei die sich unterscheidenden Kräfte anpaßt.

- 11 -

Oberbegriff des
3, Unteranspruchs:
4. Ein Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 ,

Kennzeichnender Teil des Unteranspruchs: .., dadurch gekennzeichnet, daß der Motor durch eine

Automatik so gesteuert wird, daß jeder Funktionsablauf (l.Füllen, 2.Verbrennen, 3.Entleeren) zeitlich gleich lang ist und die Leistungsminderung durch Pausen zwischen den Funktionsabla'ufen erfolgt.

Oberbegriff des 4.- Unteranspruchs:
5. Ein Verbrennungsmotor nach Anspruch

Kennzeichnender Teil des Unteranspruchs: .., dadurch gekennzeichnet, daß das Bedienungspersonal dieses Antriebs nur noch die Enerpieentnahme aus dem Druckölspeicher (Mediumspeicher) steuert.