DE3928520A1 - Arbeitsverfahren zur nutzleistungssteigerung in verbrennungs-kolbenkraftmaschinen durch eine innenluftkuehlung - Google Patents

Description

I. Stand der Technik

Bisher besteht die Gesetzmäßigkeit, daß im Arbeits­ verfahren von z. B. Otto-Motoren ¹/₃ Wärmeenergiever­ lust durch Kühlung und ¹/₃ durch Abgase unvermeidbar sind. Diese Gesetzmäßigkeit bezieht sich auf das ur­ sprüngliche Otto-Motoren-Arbeitsverfahren, welches vor­ sieht, den Arbeitsraum einer Kolbenmaschine ausschließ­ lich für die Kraftstoffgemischaufbereitung und -Ver­ arbeitung (Verbrennung) zu verwenden.

Meine Kritik gegenüber dem Stand der Technik bezieht sich darauf, daß damit die Arbeitsfähigkeit einer Kolbenmaschine nicht auf diese Gesetzmäßigkeit be­ grenzt sein muß.

II. Aufgabe

Meiner Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ar­ beitsvermögen einer Kolbenmaschine (Hub- und Kreis­ kolben) zu erweitern, um die vorbekannte Wärmeener­ gieverluste mechanisch nutzbar zu machen.

III. Beschreibung der Aufgabenlösung

Der Verdichtungsraum aus vorbekannten Bauweisen wird für diese Erfindung in 2 Räume aufgeteilt, wobei die Kraftstoffluftgemischbildung und die Verbrennung in eine nachstehend benannte Brennkammer verlegt wird (vergleichbar mit den Brennkammern in der Turbinen- Motor-Technik). Diese soll als relativ kleine Kammer von der Zylinderkopfwandung so abgeschirmt und abge­ stützt sein, daß sich dazwischen Freiräume ergeben, in diese Luft zu Kühlzwecken vom Hubraum aus, mittels Arbeitskolben verdichtet wird, bzw. durchströmt und synchron mit den Arbeitstakten (Verdichten, Wärmeauf­ nahme, Dehnung, Entspannung, Ausspülen) am vorbekann­ ten Arbeitsprozeß teilnimmt.

Im folgenden wird dieser neu geschaffene 2. Raum im Verdichtungsraum "Kühlluftzwischenspeicher" genannt.

Durch eine außergewöhnlich günstige Formgebungsmög­ lichkeit für die Brennkammer als relativ kleiner Verbrennungsraum mit sehr kurzen Flammwegen soll auch für verschiedene Kraftstoff-Luftgemische sehr zündbereite Voraussetzungen geschaffen werden.

Mit dem Kühlluftzwischenspeicher ist ein neuartiger zusätzlicher Einflußfaktor in den Arbeitsprozeß während der Verbrennungs- und Dehnungsphase gegeben, der sich folgendermaßen auswirkt:

Der Kühlluftzwischenspeicher wird während der Ver­ brennung auftretende Druckspitzenentwicklungen zu­ nächst als Zwischenspeicher in sich aufnehmen (aus­ gleichen, abfedern ect.). In der folgenden Dehnungs­ phase (= Arbeitshub) wird die zurückströmende Kühlluft zum Zweck einer Energieschirmfunktion (gegenüber der Wärmestrahlung) an die Zylinderwand gelenkt und somit wird während dem Arbeitsdruckzurückfedern gleichzeitig weiterer Arbeitsdruckverlust vermindert.

Nach dem Druckausgleich von Verbrennungsgasen und Kühl­ luft unmittelbar nach der Verbrennung und folglich in den Dehnungshub (Arbeitstakt), ist das Zwischenprodukt im Temperatur- und Druckniveau ausreichend expansions­ fähig für 3 bis 4 Raumverdoppelungsstufen in demselben Arbeitszylinder.

Daraus ergibt sich eine vorteilhafte Grundberechnung für die Raumgrößenverhältnisse im Verdichtungsraum für die Arbeitsmittelaufgliederung von = 4% vom Hubraum für das Brennkammervolumen und ebenfalls = 4% vom Hubraum für das Kühlluftzwischenspeichervolumen.

Im laufenden Betrieb ist das konstruktiv bedingte Raum- und Verdichtungsverhältnis nicht gleichverhältnismäßig mit der Füllungsverteilung in die beiden Räume im Ver­ dichtungsraum, weil die Verbrennung je nach Kraftstoff­ eigenschaft-Gemischdichte und je nach Drehzahl mehr oder weniger vor der OT-Kolbenstellung eingeleitet werden muß (aus vorbekannten Erfahrungswerten).

Das hat zur Folge, daß nach eingeleiteter Verbrennung in die Brennkammer keine weitere Luft durch den Restver­ dichtungshub befördert werden kann, sondern dann alleine weiter in den Kühlluftzwischenspeicher verdrängt wird.

Die Zylinderfüllung an Luft ist mit dieser Zwei-Raum­ teilung im Vergleich zu vorbekannten Verbrennungskraft­ maschinen sehr variabel verwendbar, im Verhältnis Kühl­ zweck, Energiespeicher und Verbrennungszweck. Es be­ steht auch die Möglichkeit einzuplanen, daß die Druck­ wellenenergie der aus der Brennkammer ausströmenden Ver­ brennungsgasen teilweise dazu genutzt werden kann, um eine Nachfüllung von Luft aus dem Kühlluftzwischenspei­ cher in die Brennkammer zu lenken und dort zum Ziel ei­ ner verlängerten Brennphase aufzubereiten oder für Kühl- und Spülzwecke durchzuführen. Dazu kann ein Membranven­ til oder in die Brennkammer eingearbeitete Strömungs­ düsen vorgesehen werden.

Um dieser neuentwickelten Flexibilität eines Arbeits­ verfahrens in Verbrennungsmotoren (zyklisch arbeitenden Brennkraftmaschinen) wirtschaftlich und ausreichend be­ triebssicher gerecht zu werden, bedarf es einer gleicher­ maßen variablen und schnellen Steuerung für die Kraft­ stoffbeimischung und für den Zündzeitpunkt.

Vorbekannte elektronisch gesteuerte Meß-, Rechen- und Re­ geleinrichtungen haben in ihren Systemen ausreichend Ka­ pazität, so daß diese größere Anforderung keine Über­ forderung für die Betriebssicherheit sein wird. In die­ ser Erfindung ergänzen sich die Vorzüge der kleinen formgünstigen Brennraumkonstruktionsmöglichkeit und dem Kühlluftzwischenspeicher als Druckspitzenfeder zu einem günstigen Trimmen auf relativ hohe Verdichtungsverhält­ nisse.

Der für die gleichzeitige Förderung von Kühlluft not­ wendige relativ größere Hubraum mit größeren Kolben­ flächen und größerem Kurbelradius schafft in der Er­ gänzung zum oben genannten die Raum- und Triebwerks­ voraussetzungen für eine gründlichere Dehnung der ge­ samten wärmeaufgespannten Zylinderfüllung.

Es kommt durch diese Erfindung nicht alleine der Ge­ winn durch die Wärmeabschirmung zur Geltung, sondern auch der Gewinn durch ein günstigeres Bewegungsange­ bot für die Dehnung aus der Wärmeaufspannung insgesamt.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß durch die getrennt geführte Gemischaufbereitung in einer speziel­ len Brennkammer einerseits und dem dadurch variabel steuerbaren Luftüberschuß für Kühlzwecke und Energie­ rückgewinnung andererseits, dieser Luftüberschuß in der Ergänzung auch schon in der Dehnungsphase = Arbeits­ hub, für Spülzwecke = Gaswechselfunktion mitwirkt und deshalb eine Konstruktion für Zweitakt-Arbeitsfolge begünstigt. Mit Gebläseluftzufuhr, Einlaßventilsteu­ erung im Zylinderkopf, Gleichstromspülung und Auslaß­ schlitzsteuerung im UT-Bereich soll eine ausreichend betriebssichere Gaswechselfunktion bewirkt werden.

Dadurch wird auch Investition für Material, Gewicht und Baugröße, sowie Qualitätsanforderung für Werk­ stoffe, Kraftstoffe und Schmierstoffe geringer und relativ zu vorbekannter Verbrennungsmotortechnik wirtschaftlicher.

Claims (1)

1. Arbeitsverfahren zur Nutzleistungssteigerung in Ver­ brennungs-Kolbenkraftmaschinen durch eine Innenluftkühlung.
   In die inneren Arbeitsvorgänge wird eine Selbstschutz- und Selbstverarbeitungsfähigkeit gegenüber vorbekannten ter­ mischen und mechanischen Überbelastungsfolgen eingeplant.
   Kennzeichnend dafür ist:
   Dem Arbeitszylinder = Hubraum werden 2 Aufgaben zugeteilt und deshalb muß dieser im Vergleich zu vorbekannten Arbeits­ verfahren (ausschließlich Gemischverbrennung) größer sein.
   Der Verdichtungsraum wird in 2 Räume aufgeteilt. Einer speziellen teilumkapselten Brennkammer (vergleichbar mit Brennkammern in Turbinenmotor-Technik) und diese umgebend einen neu geschaffenen Kühlluftzwischenspeicher.
   Die Verbrennungsauswirkung = Spitzentemperatur- und Druck­ entwicklung wird durch die Teilumkapselung und der Kühl­ luftzwischenspeicherkapazität aufgenommen.
   Die Brenngase werden durch die Brennraumkapselung und die Formring-(in der Zeichnung mit Y gekennzeichnet) Innenseite geführt, daß eine Wärmeverlustabschirmung bis in die Zylinderzone erzielt wird.
   Der relativ größere Hubraum bringt im Arbeitstakt die Voraussetzung für eine insgesamt gründlichere Dehnungs­ kraftumwandlungsfähigkeit der Kolbenmaschine.