DE3317128A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Verbrennungsmotor

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Description

Köln, den 4. Mai 1983 vA.
Anmelder: Leonhard Johann Gerhard Pal, 26 Gwendolen Avenue, Umina, New South Wales, Australien
Mein Zeichen: P 98/1
Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen beim Betrieb von Verbrennungsmotoren und auf die Herabsetzung der in den Abgasen dieser Motore enthaltenen Verunreinigungen. Insbesondere Bezieht sich die Erfindung auf einen Verbrennungsmotor, typischerweise auf einen Kraftfahrzeug-Motor, mit sechs Arbeitstakten .
Der heutige Viertakt-Benzin- oder -Dieselmotor, wie er in Motorfahrzeugen verwendet wird, ist für seinen geringen Wirkungsgrad bekannt. Hauptsächlich liegt dies daran, daß er über einem weiten Drehzahlbereich arbeiten muß. Wegen der großen bei einem Carnot-Prozeß erzeugten Wärme kann ein Kraftfahrzeugmotor im allgemeinen nur ein Fünftel der in dem ihm zugeführten Treibstoff enthaltenen Energie in Antriebskraft umwandeln. Ein anderer schwerwiegender Nachteil eines nach dem Carnot-Prozeß arbeitenden Benzinmotors liegt in dem geringen Verhältnis von Nutzzu Bruttoleistung. Nutzleistung bezieht sich auf die Differenz zwischen der durch die Expansion der brennenden Gase (Bruttoleistung) erzeugten Energie und der Kompressionsenergie der Eintrittsgase.
Es ist bekannt, daß ein Kraftfahrzeug bei Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit weit weniger Leistung als bei Beschleunigung benötigt. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Eigenschaft zum Herabsetzen des Treibstoffverbrauches pro Entfernungs-Einheit
unter Beibehaltung ausreichender Leistung zum Aufrechterhalten von Reisegeschwindigkeiten.
Es ist auch bekannt, daß die Abgase einen wesentlichen Prozentsatz von unverbranntem Treibstoff enthalten. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Ausnutzung des Treibstoffes durch den Motor mit einem höheren Wirkungsgrad. Dadurch wird auch der Anteil der Verunreinigungen in den Abgasen herabgesetzt.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Erhöhung des Wirkungsgrades einer Verbrennungskraftmaschine durch deren Lauf im Sechstaktbetrieb.
In einer breiten Anwendungsform betrifft die vorliegende Erfindung daher eine Verbrennungskraftmaschine mit Sechstakt-Betrieb.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Sechstakt-Betrieb die folgenden Kolbenhübe in zyklischer Aufeinanderfolge:
(1) einen Einlaßhub, während dessen ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder eingelassen wird,
(2) einen ersten Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch komprimiert wird,
(3) einen ersten Krafthub im Anschluß an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches,
(4) einen zweiten Kompressionshub, während dessen die Verbrennungsprodukte komprimiert werden,
(5) einen zweiten Krafthub infolge der Expansion der komprimierten Verbrennungsprodukte und
(6) einen Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist durch eine Anzahl von Merkmalen gekennzeichnet:
(i) Ungleich dem konventionellen Viertakt-Motor, bei dem P 98/1 sich die Auspuffventile während des Krafthubes des Kolbens öff-
nen, im allgemeinen 58° vor dem unteren Totpunkt, bleibt das Auslaßventil bei der bevorzugten Ausführungsform während der gesamten Zeit des ersten Krafthubes im Anschluß an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches geschlossen. Der von den Brenngasen erzeugte Druck wird daher für eine längere Zeit auf der Kolbenfläche aufrecht erhalten und damit eine größere Kraft auf die Kurbelwelle übertragen. Während dieser verlängerten Zeit, während der das Auslaßventil geschlossen gehalten wird, geht die Verbrennung des Treibstoff-Luftgemisches weiter, so daß der Treibstoff mit größerem Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Die während dieser zusätzlichen Zeit, während der das Auslaßventil geschlossen bleibt, erzielte zusätzliche Energie wird im Schwungrad gespeichert und beim zweiten Kompressionshub beim Komprimieren der Verbrennungsprodukte verwendet.
(ii) Beim Komprimieren der Verbrennungsprodukte wird die in diesen enthaltene Wärmeenergie im Zylinder zurückgehalten statt an die Atmosphäre abgegeben. Bei der Kompression der Verbrennungsprodukte wird die Temperatur der bereits aufgeheizten Brenngase weiter erhöht, so daß der unverbrannte Treibstoff gezündet und damit während des zweiten Krafthubes weitere Kraft erzeugt wird. Die komprimierten Verbrennungsprodukte brauchen am Ende des zweiten Kompressionshubes nicht elektrisch gezündet zu werden, obgleich eine Funkenzündung an dieser Stelle des Zyklus auf Bedarf vorgesehen werden kann.
(iii) Man sieht, daß die Kurbelwelle während eines Zyklus des Sechstaktmotors drei Umdrehungen durchläuft im Vergleich zu den beiden Umgdrehungen bei einem üblichen Viertakt-Motor. Für die gleiche Menge zugeführten Treibstoffes ergibt sich damit eine fünfzigprozentige Erhöhung der zurückgelegten Strecke. Obgleich die Gesamtkraft reduziert wird, hat es sich in der Praxis gezeigt, daß die Herabsetzung der Kraft nur zwei bis drei Prozent beträgt und genügend Kraft verbleibt, um das Kraftfahrzeug auf Reisegeschwindigkeit zu halten.
(iv) Der Sechstakt-Motor erhöht die Verteilung des Drehmomentes des Motors über dessen Drehzahlbereich. Dadurch ergibt
sich eine einfachere übertragung mit weniger Zahnrädern.
(v) Eine längere Verbrennung des Treibstoff-Luftgemischs zusammen mit der sekundären Verbrennung der "verbrannten" Gase stellt sicher, daß in den Abgasen enthaltene Verunreinigungen, das heißt Schmutzgase, auf ein Minimum herabgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Sechstakt-Arbeitszyklus die folgenden Kolbenhübe in zyklischer Aufeinanderfolge:
(1) einen Einlaßhub, während dessen ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder eingelassen wird,
(2) einen ersten Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch komprimiert wird,
(3) einen Expansionshub,
(4) einen zweiten Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch wieder komprimiert wird,
(5) einen Krafthub im Anschluß an die Zündung des kompri mierten Treibstoff-Luftgemisches und
(6) einen Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden.
Am Ende des ersten Kompressionshubes sind die Temperatur und der Druck des Treibstoff-Luftgemisches erhöht worden. Während des Expansionshubes hat sich der Druck vermindert. Da der gesamte Prozeß jedoch mit hoher Geschwindigkeit abläuft, wird die Wärme in dem Treibstoff-Luftgemisch zu einem beträchtlichen Maß beibehalten. Durch die Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder wird dem Gemisch weitere Hitze zugeführt. Im Endergebnis wird das Brennstoff-Luftgemisch am Ende des zweiten Kompressionshubes auf eine Temperatur angehoben, die über der am Ende des Kompressionshubes bei konventionellen Viertakt-Motoren liegt. Dies führt zu einer gründlicheren Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches .
Aufgrund des Zusammenhanges zwischen Temperatur und Druck ist P 98/1 der Druck am Ende des zweiten Kompressionshubes höher als der
bei normalen Viertakt-Motoren. Deshalb wird bei dem Sechstakt-Motor dieser weiteren Ausführungsform ein "Turbolade"-Effekt erzielt.
Bei dem Sechstakt-Motor der vorliegenden Erfindung kann ein Turbolader in der gleichen Weise wie bei konventionellen Viertakt-Motoren verwendet werden.
Da der betriebliche Ablauf des Sechstakt-Motors von der Nockenwelle und dem Zünden der Zündkerzen gesteuert wird, kann eine elektronische Steuereinrichtung in den Motor eingeschlossen werden, um von einem konventionellen Viertakt-Betrieb auf einen Sechstakt-Betrieb der beiden oben beschriebenen Ausführungsformen umzuschalten. Das heißt, daß der Motor beim Beschleunigen des Fahrzeuges zum Erzielen maximaler Kraft im normalen Viertakt-Betrieb gehalten werden kann, während der Motor bei Reisegeschwindigkeit des Fahrzeuges zum Erzielen einer größeren Wirtschaftlichkeit in den Sechstakt-Betrieb umgeschaltet werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun an einem Beispiel unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei ist:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Sechstakt-Betriebsablaufes der bevorzugten Ausführungsform und
Fig. 2 ein Zylinderdruck-Diagramm der Ausführungsform nach Fig. 1.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 laufen die Sechs Zyklen der bevorzugten Ausführungsform wie folgt ab. Der Einlaßhub 7 beginnt, wenn der Kolben 1 den oberen Totpunkt (OT) verläßt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Einlaßventil 4 geöffnet und läßt das Treibstoff-Luftgemisch in die Zylinderfcrammer 6 einströmen. Wenn der Kolben 1 den unteren Totpunkt (UT) erreicht, schließt das Einlaßventil 4.
Von der sich drehenden Kurbelwelle 2 wird der Kolben 1 dann über
die Pleuelstange 3 in den ersten Kompressionshub 8 nach oben getrieben. In der Nähe des Endes des ersten Kompressionshubes 8 erzeugt die Zündanlage an der Zündkerze 13 einen elektrischen Funken. (Bei einem Sechstakt-Dieselmotor wird nur Luft komprimiert, so daß sie bis auf eine Temperatur von annähernd 600°C aufgewärmt wird. Am Ende des Kompressionshubes wird flüssiger Dieseltreibstoff in den Zylinder eingespritzt und verbrennt aufgrund der hohen Temperatur augenblicklich.) Bei der gezeigten Ausführungsform zündet die Zündkerze 13 das komprimierte Gemisch und bei dessen Abbrennen werden in der Brennkammer 6 sehr hohe Drücke und Temperaturen erzeugt. Dadurch wird der Kolben 1 in einem ersten Krafthub 9 nach unten getrieben.
Die unter Druck stehenden Brenngase, die die Arbeit leisten, bestehen aus erhitztem Stickstoff, der aus der Luftfüllung übrig geblieben ist, Wasserdampf, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd, unverbranntem Treibstoff und einigen wenigen geringeren Bestandteilen, die das chemische Ergebnis der Verbrennung sind. Die mechanische Arbeit wird durch den von den erhitzten Brenngasen auf den Kolben ausgeübten Druck erzeugt. Je heißer die unter Druck stehenden Gase werden, umso größer ist der erzeugte Druck und umso größer ist die Motorkraft.
Bei einem konventionellen Viertakt-Motor öffnet sich das Auslaßventil gerade bevor der Kolben den UT erreicht. In einem typischen Fall öffnet sich das Auslaßventil bei 58° vor dem UT, wenn sich der Kolben in einem Abstand von 3 - 4 cm von diesem befindet. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung öffnet sich das Auslaßventil jedoch nicht und auf seinem gesamten Weg nach unten zum UT wird Druck auf den Kolben ausgeübt. Infolge dieser zusätzlichen Zeit, während derer Druck auf den Kolben ausgeübt wird, wird zusätzliche Kraft auf die Kurbelwelle übertragen und überschüssige Energie in der Schwungscheibe gelagert. Diese überschüssige Energie wird zum Verdichten der Brenngase in einem zweiten Kompressionshub verwendet.
Durch die Kompression der bereits erhitzten Brenngase steigt die P 98/1 Temperatur weiter an, so daß die unverbrannten Brennstoffkompo-
nenten gezündet werden. Zum Sicherstellen der Zündung kann ein elektrischer Funke wahlweise am Ende des zweiten Kompressionshubes vorgesehen werden. Die Verbrennung der verbleibenden Brennstoffanteile verursacht einen weiteren Krafthub 11. Beim Herunterdrücken des Kolbens 1 erfahren die Brenngase eine Expansion. Dies führt zu einem starken Abfall in ihrem Druck und ihrer Temperatur. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Motors weiter erhöht.
Dem zweiten Krafthub folgt ein Ausdrückhub, während dessen die Brenngase aus dem Zylinder herausgedrückt werden.
Gemäß einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Sechstakt-Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, in der das Luft-Brennstoffgemisch zweimal vor der Zündung konreprimiert wird. Der Druck und die Temperatur des komprimierten Brennstoff-Luftgemisches sind am Ende des zweiten Kompressionshubes höher als bei normalen Viertakt-Motoren. Damit wird ein größerer Wirkungsgrad erreicht.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Sechstakt-Zyklus die folgenden Kolbenhübe in zyklischer Reihenfolge:
(1) einen ersten Einlaßhub, während dessen ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder eingelassen wird,
(2) einen Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch komprimiert wird,
(3) einen Krafthub im Anschluß an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches,
(4) einen ersten Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden,
(5) einen zweiten Einlaßhub, während dessen lediglich Luft in den Zylinder eingelassen wird, und
(6) einen zweiten Auslaßhub, während dessen Luft aus dem Zylinder ausgetrieben wird.
Am Ende des ersten Auslaßhubes öffnet sich das Einlaßventil, um
Luft (keinen Treibstoff) bei der Abwärtsbewegung des Kolbens in den Zylinder einzulassen. Diese Luft kühlt die Zylinderwand und den Kolben. Beim zweiten Auslaßhub wird die Luft, wenn sie verbleibende Brenngase austreibt, in die Auspuffleitung hineingetrieben. Diese zusätzliche Zweitakt-Phase wirkt wie eine Luftpumpe bei einem Viertakt-Motor.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet der Sechstakt-Zyklus die folgenden Kolbenhübe in zyklischer Reihenfolge:
(1) einen ersten Einlaßhub, während dessen ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder eingelassen wird,
(2) einen Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch komprimiert wird,
(3) einen Krafthub im Anschluß an die Zündung des Komprimierten Treibstoff-Luftgemisches,
(4) einen ersten Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden,
(5) einen zweiten Einlaßhub, während dessen die Verbrennungsgase des vorhergehenden Hubes in den Zylinder zurückgezogen werden, und
(6) einen zweiten Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase wieder ausgetrieben werden.
Auf diese Weise werden die Zylinderwände und der Kolben auf einer höheren Temperatur gehalten. Für kältere Gegenden ist dies von Nutzen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung mit geeigneten Abwandlungen auch auf Rotations- (Drehkolben-) Motore anwendbar ist.
Im vorgehenden wurden nur zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Abwandlungen, die für Fachleute offensichtlich sind, können an der Erfindung vorgenommen werden, ohne daß dabei der Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er in P 98/1 den. folgenden Patentansprüchen festglelegt wird, verlassen wird.

Claims (10)

Köln, den 4. Mai 1983 vA. Anmelder: Leonhard Johann Gerhard Pal, 26 Gwendolen Avenue, Umina, New South Wales, Australien Mein Zeichen: P 98/1 Patentansprüche
1. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder mit einem darin arbeitenden Kolben und mit Einlaß- und Auslaßventilen, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sechstakt-Zyklus aufweist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sechstakt-Zyklus die folgenden Kolbenhübe in zyklischer Reihenfolge aufweist:
(1) einen Einlaßhub, während dessen ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder eingelassen wird,
(2) einen ersten Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch komprimiert wird,
(3) einen ersten Krafthub im Anschluß an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches,
(4) einen zweiten Kompressionshub, während .dessen die Verbrennungsprodukte komprimiert werden,
(5) einen zweiten Krafthub infolge der Expansion der komprimierten Verbrennungsprodukte und
(6) einen Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil während der Gesamtheit des ersten Krafthubes geschlossen bleibt.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung am Ende des zweiten Kompressionshubes durch eine Zündkerze vorgenommen wird.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sechstakt-Arbeitszyklus die folgenden Kolbenhübe in zyklischer Aufeinanderfolge aufweist:
(1) einen Einlaßhub, während dessen ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder eingelassen wird,
(2) einen ersten Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch komprimiert wird,
(3) einen Expansionshub,
(4) einen zweiten Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch wieder komprimiert wird,
(5) einen Krafthub im Anschluß an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches und
(6) einen Auslaßhub', während dessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges verwendet wird.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Turbo-Ladeeinrichtung zum Komprimieren des Luft-Treibstoffgemisches vor dem Zünden aufweist.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Steuereinrichtung zum Umschalten von einem Viertakt- auf einen Sechstakt-Arbeitszyklus und umgekehrt aufweist.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sechstakt-Arbeitszyklus die folgenden Kfeolbenhübe in zyklischer Aufeinanderfolge aufweist:
(1) einen ersten Einlaßhub, während dessen ein Treibstoff-Luftgemisch in den Zylinder eingelassen wird,
(2) einen Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-
Luftgemisch komprimiert wird,
(3) einen Krafthub im Anschluß an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches,
(4) einen ersten Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden,
(5) einen zweiten Einlaßhub, während dessen nur Luft in den Zylinder eingelassen wird, und
(6) einen zweiten Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase wieder ausgetrieben werden.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sechstakt-Arbeitszyklus die folgenden Kolbenhübe in zyklischer Aufeinanderfolge aufweist:
(1) einen ersten Einlaßhub, während dessen ein Treibstoff -Luftgemisch in den Zylinder eingelassen wird,
(2) einen Kompressionshub, während dessen das Treibstoff-Luftgemisch komprimiert wird,
(3) einen Krafthub im Anschluß an die Zündung des komprimierten Treibstoff-Luftgemisches,
(4) einen ersten Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder herausgetrieben werden,
(5) einen zweiten Einlaßhub, während dessen die Verbrennungsgase des vorhergehenden Hubes in den Zylinder zurückgesogen werden, und
(6) einen zweiten Auslaßhub, während dessen die Verbrennungsgase wieder ausgetrieben werden.
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