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Beschreibung
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Verfahren zur verbesserten Energieausnutzung bei Viertakt - Kolbenmotoren
Die Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades
von Viertakt - Kolbenmotoren mit mindestens einem Arbeitszylinder.
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Der thermische Wirkungsgrad von Viertakt -Motoren ergibt sich aus
der abgeführten und zugeführten Arbeit im Kreisprozeß.
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Die Formel für den thermischen Wirkungsgrad lautet: th = 1 - Qab /
zu Um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, muß also zur zu möglichst groß und Qab
möglichst klein sein.
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Letztere ist die Energiemenge, die ungenutzt durch den Ausla3 verloren
geht. Sinn dieser Erfindung ist, diese Energiemenge möglichst weit auszunutzen.
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Bei derzeit ausgeführten schnellaufenden Motoren, wie sie z.B. als
Automobilantriebe üblich sind, hat die abgegührte Gasmenge einen Druck von 3 - 5
bar und eine Temperatur von rund 800° - 1000° K, was einer Energiemenge von rund
300 - 500 KJ / Kg entspricht.
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Dies ist eine nicht unbeträchtliche Energiemenge.
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1. Eine Vorrichtung, die mir derzeit bekannt ist, diese ungenutzte
Energiemeilge teilweise zu nutzen, ist der Abgasturbolader, der åedoch diese Energie
nicht direkt in Nutzarbeit umwandelt, sondern sie zur Vorverdichtung des Arbeitsmediums
nutzt.
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Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau 14. Auflage Springer Verlag
Berlin, Heidelberg, New Jork 1981, Seite 791 - 804 Wolfgang Ealide Energieumwandlung
in Kraft- und Arbeitsmaschinen 6. Auflage 1982 Carl Hanser Verlag München, Wien
Seite 136 - 178 K. Löhner Die Brennkraftmaschine VDI Berlag Düsseldorf 1963 Seite
8 Bei diesem Verfahren, wodie abgeführte Energie zur Vorverdichtung genutzt wird,
ist eine unerwünschte Aufheizung des Arbeitsgases unvermeidlich, deshalb wird meist
ber eine gesonderte Ladeluftkühlung ein Großteil der gewonnenen Energie wieder abgeführt.
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2. Eine weitere Möglichkeit diese ungenutzte Energiemenge teilweise
zu nutzen ist der Verbundmotor. Eine meist zweistufige Kraftnaschine mit einer demzufolge
auch zweistufigen Expansion. Die Leistungsabgabe erfolgt an den jeweiligen Wellen
der beiden Stufen.
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Lueger Lexikon der Technik, Band 7 Herausgeber: Hermann Franke Deutsche
Verlagsanstalt Stuttgart 1965 Seite 473 K. Löhner, Die Brennkraftmaschine VDI Verlag
Düsseldorf 1963, Seite 8 Dieses Verfahren ist wegen dem hohen Bauaufwand kaum wirtschaftlich.
Auch bereitet die Kopplung der beiden Stufen Schwierigkeiten, wenn nur ein Leistungsabnehmer
zur Verfügung steht.
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Sinn der Erfindung ist: Einen Teil der ungenutzten Energie, die über
den Auslaß abgeführt wird, direkt in Nutzarbeit umzuwandeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Arbeitsgas,
welches nach Energiezuführ und anschließender Entspannung auf möglichst atmosphärischen
Druck mehr Volumen benötigt, als es vor der Energiezufuhr einnahm. Diesem Arbeitsgas
wird nun relativ mehr Volumen zur Verfügung gestellt, was durch eine verringerte
angesaugte Gasmenge erreicht wird.
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Der Motor arbeitet also bewußt mit einem schlechten Füllungsgrad.
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Der schlechte Wirkungsgrad von bisher ausgeführten Motoren mit schlechtem
Füllungsgrad in bestimmten Lastsituationen begründet sich auf den hier auch geringen
Verdichtungsdruck.
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Das Verdichtungsverhältnis kann hier ja wegen der Klopfgefahr (Bei
Otto Motoren) in anderen Lastsituationen nicht erhöht werden.
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Bei dem von mir erfundenen Verfahren j jedoch ist dies gefahrlos möglich,
denn der Füllungsgrad ist in allen Lastsituationen verringert, so daß man das Verdichtungsverhältnis
erhöhen kann, um einen bisher üblichen (klopffreien) Verdichtungsdruck zu erreichen.
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Den verringerten Füllungsgra beim Ansaugen erreicht man, meiner Meinung
nach, durch geänderte Steuerzeiten, d.h.: Das Einlaßventil öffnet zwar zum bisher
üblichen Zeitpunkt (um eine saubere Frischgasspülung zu erreichen) schließt jedoch
zu einem früheren Zeitpunkt.
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Außerdem ist für eine bessere Energieausnutzung auch eine Änderung
der Auslaßventilsteuerzeiten nötig, da nach erfoltem Arbeitstakt der Druck im Zylinder
im unteren kolbentotpunkt relativ gering ist, braucht das Auslaßventil erst sehr
kurz vor oder im unteren Kolbentotpunkt geöffnet zu werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in
der Senkung des Eraftstoffverbrauches bei einen so ausgeführten Motor. Diese Verbrauchssenkung
ist auf sehr einfache, kaum kostenverursachende Weise zu erziehlen. Ein so ausgeführter
Motor bedarf keines zusätzlichen Bauteils. Die geänderten Bauteile (insbesondere
die Nockenwelle) brauchen nur in ihren Abmessungen geändert zu werden.
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Ein weiterer Vorteil ist die durch den geringeren Auspuffdruck vereinfachte
Schalldämpfung.
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Außerdem ksnn dieses Verfahren auf den Otto und Diesel Prozeß gleichermaßen
angewandt werden.
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Die Hubraumleistung eines so-lchen Mators würde bei gleicher Drehzahl
absinken. Denn die Nutzarbeit im p/v Diagramm ist geringer.
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Diese Minderleistung hält sich jedoch in vertretbaren Grenzen und
kann durch eine Hubraumvergrößerung (ca 50 o/o) kompensiert werden. In der Praxis
wird man deshalb einen Motor mit gegebener Leistung durch einen so umgerüsteten,
hubraumstärkeren Motor aua der Serie ersetzen.
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A u s f ü h r u n g s b e i s p i e l Bei dem Ausführungsbeispiel
verwende ich den Vergleichsprozeß, da hier rechnerich ermittelte Prozeßdaten benutzt
werden können.
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Denn die grundsätzliche Uberlegung dieser Erfindung ist auf den tatsächlichen
Prozeß übertragbar.
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Als Vergleichsgrundlage für einen derzeitigen Motor dient ein Otto
- Viertaktmotor dessen Vergleichsprozeß in Diagramm 1. dargestellt ist.
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Dieser Motor hat folgende Prozeßdaten: Drücke: P1 = 1 bar P2 ' 18,4
bar p3 = 55 bar P4 = 3 bar Temperaturen: t1 = 340 K t2 = 781 ° K t3 = 2338 ° K t4
= 1017 K Volumen: V1 = V4 = 500 cm V2 = V3 = 62,5 cm Vh = V1 - V2 = 437,5 cm Verdichtungsverhältnis:
= 8/1
Nutzarbeit: W = 323 Nm Thermischer Wirkungsgrad: th = 56,5
% Steuerzeiten: Einlaß öffnet 8 ° vor OT Einlaß schließt 43 ° nach UT Auslaß öffnet
43 ° vor UT Auslaß schließt 8 ° nach OT Vorzündung 30 ° vor OT bei n = 3000 1/min
Diese Prozeßdaten wurden rechnerisch über den isentropen Prozeß mit = 1,4 ermittelt.
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An diesem Motor werden nun folgende Veränderungen vorgenommen.
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Steuerzeiten: Einlaß öffnet 6 ° vor OT Einlaß schließt 79 ° vor UT
Auslaß öffnet 5 ° vor UT Auslaß schließt 6 ° nach OT Vorzündung 29 ° vor OT bei
n = 3000 1/min Verdichtungsverhältnis: £ = 13/1 Volumen: Vh = 437,5 cm 3 unverändert
V1 = V4 = 474 cm V2 = V3 = 36,5 cm
Daraus errechnn sich nun folgende
Prozeßdaten: Drücke: P1 = 0,5 bar p2 = 13,1 bar p3 = 55 bar p4 = 1,5 bar Temperaturen:
t1 = 280 K t2 = 780 K t3 = 2369 ° K t4 = 846 K Nutzarbeit: W = 217 Nm Thermischer
Wirkungsgrad: # th = 64,5 % Der Vergleichsprozeß der überarbeiteten Ausführung ist
im Diagramm 2 dargestellt.
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Grundlage für die Berechnungen war ein Auspuffdruck von 1,5 bar.
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Dieser darf nicht viel niedrieger bei Vollast sein, damit er bei Teillast
möglichst nicht unter 1 bar abfällt.
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Nun wurde rechnerisch der Anfangsdruck, bei unverändertem Zünd- und
Verdichtungsdruck gesucht.
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Es wurde ein Wert von 0,5 bar ermittelt.
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Daraus ergab sich der Schließwinkel des Einlasventils bei 0,15 bar
Ansaugunterdruck (entsprechend 0,85 bar absolut).
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Die geringere tiberschneidung ergab sich aus einem stark verringertem
Restvolumen im OT.
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Ich möchte hier darauf hinweisen, daß solche Daten nur Hinweise sein
können.
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Diese Daten müssen bei praktischen Versuchen und auf dem Prüfstand
ermittelt werden, um optimale Leistungs- und Verbrauchswerte zu erreichen.
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Beigefügt habe ich auch zwei reale p/v Diagramme.
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Einmal für den bisherigen Motor im Diagramm 3 und für den überarbeiteten
Motor im Diagramm 4.
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Auch hier wird die Optimierung deutlich, auch wenn man sie nicht berechnen
kann.
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Schließlich dürfte eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades
um 10 %, wie in unserem Beispiel, durchaus realistisch sein.
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Bauck, Herwig, Kreymann Kraftmaschinen, Pumpen, Verdichter Verlag
Handwerk iind Technik, Hamburg 1977 Helmut Hütten, Motoren Motorbuch Verlag, Stuttgart,
4. Auflage 1978
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