DE4409581A1 - Wirtschaftlicher Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Verbrennungsmotoren beziehen ihre Leistung aus der adiabatischen Ausdehnung von Gasen, hervorgerufen durch die Wärme eines verbrennenden Kraftstoffes.

Die Qualität des Motors hängt wesentlich von ihrem Wirkungsgrad ab. Das heißt, von der verwertbaren Leistung, im Verhältnis zum eingesetzten Kraftstoff.

Das Hauptproblem jeder Maschine, die vermittels Wärme Leistung über eine dre­ hende Welle erbringen soll, sind die zahlreichen Wege über die Wärme bzw. Ener­ gie entweichen kann, ohne zur Erhöhung des Druckes bzw. Drehmomentes beigetra­ gen zu haben.

Der wichtigste Verlustweg ist die von den Brennraumwänden aufgenommene Wärme und der Restdruck bzw. Temperatur der Abgase.

Der vorliegende Konstruktionsvorschlag bezieht sich im wesentlichen auf Kraft­ fahrzeugmotoren. Solche Motoren haben relativ große Leistungen, bei kleinen Hubräumen.

Große Hubraumleistungen werden erkauft durch hohe Drehzahlen. Diese zwingen zu kleinen Zylindereinheiten und zu Steuerzeiten, welche teils durch den Gaswech­ sel bzw. Spülvorgang, teils durch eine hohe Restenergie in den Abgasen, Verlu­ ste ermöglichen.

Die wichtigsten Energieverluste beim Kolbenmotor sind "indiziert". Das heißt, daß sie bei jedem Arbeitszyklus erneut und unvermeidlich auftreten.

Einfluß auf den Wirkungsgrad hat demzufolge auch die Anzahl der Arbeitszyklen, welche zur Erreichung einer bestimmten Leistung notwendig sind. Die wiederum hängen ab von der Motordrehzahl und der Anzahl der Zylinder.

Mit der Zylinderzahl steigt gleichzeitig die Gesamtbrennraumoberfläche im Ver­ hältnis zum Hubraum.

Der ideale Motor wäre demzufolge ein Motor mit möglichst viel Hubraum bei mög­ lichst wenigen Zylindern, der mit möglichst niedrigen Drehzahlen auskommt.

Dem steht entgegen, daß der Hubraum nicht beliebig vergrößert werden kann, weil die oszillierenden Massen zunehmen und die Kolbengeschwindigkeit über ihre Ver­ nunftgrenze von ca. 20 m/sek hinausgeht.

Die Drehzahl kann nicht beliebig herabgesetzt werden, weil sie unmittelbar die Leistung mitbestimmt. Ein verwertbares "Drehzahlband" von etwa 2000 u/min muß bei einem Fahrzeugmotor vorhanden sein.

Letztlich muß das Laufverhalten eines Fahrzeugmotors einem gewissen "Käuferge­ schmack" entgegenkommen. Pro Umdrehung ein Arbeitstakt bzw. eine Zündung dürfte hier das Minimum sein.

Vier in Reihe liegende Zylinder haben sich vom Aufwand her als am günstigsten erwiesen. Wobei je zwei Kolben gleichzeitig die gleichen Totpunkte anlaufen. Der Masseausgleich ist fast perfekt.

Der vorliegende Konstruktionsvorschlag zeigt einen Zweizylinder-Paralleltwin, welcher aus einem normalen "Reihenmotor" entwickelt ist.

Der Motor kann drei oder vier Zylinder in einer Reihe aufweisen. Als "Reihe" wird eine Motoreinheit betrachtet, welche aus so vielen Zylindern besteht wie zum Ausgleich der oszillierenden Massen notwendig sind.

Zwei Zylinder einer Reihe arbeiten als normaler Viertakt-Paralleltwin. Zündab­ stand 360 Grad. Beide Kolben laufen gleichzeitig zu den gleichen Totpunkten. Diese Zylinder werden im folgenden Text "Arbeitszylinder" genannt.

Zwischen beiden Zylindern befindet sich ein dritter und/oder vierter Zylinder, dessen Hubzapfen an der Kurbelwelle 180 Grad versetzt ist. Im folgenden Text "Nehmerzylinder" genannt.

Der oder die Nehmerzylinder laufen ohne Verdichtung und Zündung. Zu ihrem An­ trieb wird die Auspuffdruckwelle der Arbeitszylinder benutzt. Die Auspuffrohre der Arbeitszylinder münden in den Raum über dem Kolben der Nehmerzylinder. Zwei im Viertakt laufende Arbeitszylinder erzeugen bei jeder Umdrehung eine Auspuff­ druckwelle. Die Nehmerzylinder arbeiten daher bei jeder Umdrehung, einem Zwei­ taktmotor ähnlich.

Da der Auslaßbeginn bzw. das Druckmaximum im Auspuff eines normalen Viertaktmo­ tors deutlich vor dem unteren Totpunkt der Arbeitszylinder liegt, die Druckwel­ le jedoch deutlich nach dem OT auf die Kolben der Nehmerzylinder treffen soll­ te, muß die Druckwelle über einen Zeitraum von etwa 30° Kurbelwinkel, verzögert werden.

Zu diesem Zweck wird das Verbindungsrohr so in der Länge und Form abgestimmt, daß unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit im Rohr die Druckwelle lange genug unterwegs ist.

Dieses Verbindungsrohr kann Einrichtungen (Erweiterungen, Diffusoren etc.) ent­ halten, welche die Amplitude zusammenfassen bzw. steiler machen. Sie können ei­ ne Resonanzschwingung unterstützen. Ähnlich dem Auspuff eines Rennzweitakters.

Die Länge des Verbindungsrohres kann auf einen Drehzahlbereich abgestimmt wer­ den, in dem die Leistung der Arbeitszylinder noch zu wünschen übrig läßt. So daß sich das nutzbare Drehzahlband des Motors verbreitert oder auf eine be­ stimmte Betriebsdrehzahl, wie bei Stationär-, Flug- oder Schiffsmotoren.

Die Auslaßöffnung des Nehmerzylinders kann mit Einrichtungen wie: Ventil, Dreh­ schieber, Verengung etc. versehen sein, so daß die Druckwelle im Zylinder zu­ rückgehalten und ihre Wirkung auf den Kolben des Nehmers gesteigert wird.

Die Mündung des Verbindungsrohres kann am Eintritt in den Nehmerzylinder so ge­ formt sein, daß die Strömung der Abgase beschleunigt bzw. gerichtet wird und die kinetische Energie der Abgase genutzt werden kann.

Claims (6)

1. Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Viertaktprinzip lau­ fende Zylinder (1) im Abstand von 360° Kurbelwinkel eine Auspuffdruckwelle produzieren, welche über einen Kanal bzw. Rohr (2) zu einem oder mehreren Nehmerzylindern (3) geleitet wird und der Druck und die kinetische Energie des auf den Kolben des Nehmerzylinders wirkenden Abgases, Leistung erbringt.

2. Oben beschriebener Motor, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung und/oder der Hub eines Nehmerzylinders von den Maßen eines Arbeitszylinders abweicht.

3. Oben beschriebener Motor, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kanales (2) dazu benutzt wird die Druckwelle vom Arbeitszylinder (1) kommend, so lange zu verzögern, wie zwischen Auslaßbeginn beim Arbeitszylinder (vor UT) und einer Kolbenstellung beim Nehmerzylinder (nach OT) notwendig ist.

4. Oben beschriebener Motor dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Weg zwischen Arbeits- und Nehmerzylinder Diffusoren oder andere Einrichtungen eingebaut sind, welche die Bildung einer stehenden Schwingung und eine Kulmination bzw. Aufsteilung der Druckwelle begünstigen.

5. Oben beschriebener Motor, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung des Nehmerzylinders mit Einrichtungen wie Ventil/Drehschieber/Verengung etc. ausgerüstet ist, welche die Druckwelle zurückhalten und so ihre Wirkung auf den Kolben erhöhen.

6. Oben beschriebener Motor, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen der Kanäle im Nehmerzylinder so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie die Strömung der Gase so auf den Kolben leiten wie es zur Nutzung der kineti­ schen Energie notwendig.