DE3347567A1 - Verfahren zur verbesserten energieausnutzung bei viertakt-kolbenmotoren - Google Patents

Verfahren zur verbesserten energieausnutzung bei viertakt-kolbenmotoren

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DE3347567A1
DE3347567A1 DE19833347567 DE3347567A DE3347567A1 DE 3347567 A1 DE3347567 A1 DE 3347567A1 DE 19833347567 DE19833347567 DE 19833347567 DE 3347567 A DE3347567 A DE 3347567A DE 3347567 A1 DE3347567 A1 DE 3347567A1
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Burkhard 3160 Lehrte Veldten
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02Engines with prolonged expansion
    • F02B41/04Engines with prolonged expansion in main cylinders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B1/02Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Description

  • Beschreibung
  • Verfahren zur verbesserten Energieausnutzung bei Viertakt - Kolbenmotoren Die Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Viertakt - Kolbenmotoren mit mindestens einem Arbeitszylinder.
  • Der thermische Wirkungsgrad von Viertakt -Motoren ergibt sich aus der abgeführten und zugeführten Arbeit im Kreisprozeß.
  • 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.
  • Letztere ist die Energiemenge, die ungenutzt durch den Ausla3 verloren geht. Sinn dieser Erfindung ist, diese Energiemenge möglichst weit auszunutzen.
  • 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.
  • Dies ist eine nicht unbeträchtliche Energiemenge.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Sinn der Erfindung ist: Einen Teil der ungenutzten Energie, die über den Auslaß abgeführt wird, direkt in Nutzarbeit umzuwandeln.
  • 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.
  • Der Motor arbeitet also bewußt mit einem schlechten Füllungsgrad.
  • Der schlechte Wirkungsgrad von bisher ausgeführten Motoren mit schlechtem Füllungsgrad in bestimmten Lastsituationen begründet sich auf den hier auch geringen Verdichtungsdruck.
  • Das Verdichtungsverhältnis kann hier ja wegen der Klopfgefahr (Bei Otto Motoren) in anderen Lastsituationen nicht erhöht werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein weiterer Vorteil ist die durch den geringeren Auspuffdruck vereinfachte Schalldämpfung.
  • Außerdem ksnn dieses Verfahren auf den Otto und Diesel Prozeß gleichermaßen angewandt werden.
  • Die Hubraumleistung eines so-lchen Mators würde bei gleicher Drehzahl absinken. Denn die Nutzarbeit im p/v Diagramm ist geringer.
  • 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.
  • 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.
  • Denn die grundsätzliche Uberlegung dieser Erfindung ist auf den tatsächlichen Prozeß übertragbar.
  • Als Vergleichsgrundlage für einen derzeitigen Motor dient ein Otto - Viertaktmotor dessen Vergleichsprozeß in Diagramm 1. dargestellt ist.
  • 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.
  • An diesem Motor werden nun folgende Veränderungen vorgenommen.
  • 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.
  • Grundlage für die Berechnungen war ein Auspuffdruck von 1,5 bar.
  • Dieser darf nicht viel niedrieger bei Vollast sein, damit er bei Teillast möglichst nicht unter 1 bar abfällt.
  • Nun wurde rechnerisch der Anfangsdruck, bei unverändertem Zünd- und Verdichtungsdruck gesucht.
  • Es wurde ein Wert von 0,5 bar ermittelt.
  • Daraus ergab sich der Schließwinkel des Einlasventils bei 0,15 bar Ansaugunterdruck (entsprechend 0,85 bar absolut).
  • Die geringere tiberschneidung ergab sich aus einem stark verringertem Restvolumen im OT.
  • Ich möchte hier darauf hinweisen, daß solche Daten nur Hinweise sein können.
  • Diese Daten müssen bei praktischen Versuchen und auf dem Prüfstand ermittelt werden, um optimale Leistungs- und Verbrauchswerte zu erreichen.
  • Beigefügt habe ich auch zwei reale p/v Diagramme.
  • Einmal für den bisherigen Motor im Diagramm 3 und für den überarbeiteten Motor im Diagramm 4.
  • Auch hier wird die Optimierung deutlich, auch wenn man sie nicht berechnen kann.
  • Schließlich dürfte eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades um 10 %, wie in unserem Beispiel, durchaus realistisch sein.
  • Bauck, Herwig, Kreymann Kraftmaschinen, Pumpen, Verdichter Verlag Handwerk iind Technik, Hamburg 1977 Helmut Hütten, Motoren Motorbuch Verlag, Stuttgart, 4. Auflage 1978 - L e e r s e i t e -

Claims (2)

  1. P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Verfabren zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Vi ertakt-Kolbenmotoren.
    Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein so ausgeführter Motor im Ansaugtakt weniger Arbeitsgas ansaugt als durch das HUbvolumen möglich wäre. Das bedeutet, daß ein solcher Motor mit einem Füllungsgrad kleiner als 1 arbeitet.
    Das Arbeitsgas wird dann aber auf den bisher üblichen Verdichtungsdruck verdichtet, was eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses zur Folge hat.
    Nun kann dieser Motor im Arbeitstakt das volle Hubvolumen zur Entspannung des Arbeitsgases nutzen undesomit weiter entspannen als bisher übliche Motoren.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1.
    Ist dadurch gekenn2eicklet; daß die Verringerung der Ansaugmenge und die dadurch verlängerte Expansion durch veränderte Steuerzeiten erreicht wird.
DE19833347567 1983-12-30 1983-12-30 Verfahren zur verbesserten energieausnutzung bei viertakt-kolbenmotoren Withdrawn DE3347567A1 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0863301B1 (de) * 1997-03-07 2003-05-07 Institut Francais Du Petrole Verfahren zur Steuerung von Selbstzündung in einem Viertaktmotor
US8215292B2 (en) 1996-07-17 2012-07-10 Bryant Clyde C Internal combustion engine and working cycle

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US8215292B2 (en) 1996-07-17 2012-07-10 Bryant Clyde C Internal combustion engine and working cycle
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