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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwirklichung
eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Zylinder mit einer
Arbeitskammer mit variablem Volumen dank der Bewegung eines Kolbens
in diesem Zylinder zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt
unter Einwirkung der periodisch in dieser Kammer generierten Druckkräfte, wobei
jeder Zylinder mit Vorrichtungen zum Ein- und Auslassen eines Gases
ausgestattet, und der Kolben eines jeden Zylinders mit einer Kurbelwelle des
Motors verbunden ist.
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Sie
betrifft zudem einen Motor, der dieses Verfahren umsetzt.
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Genauer
gesagt betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit mindestens
einem Zylinder mit einer Arbeitskammer mit variablem Volumen dank der
Bewegung eines Kolbens in diesem Zylinder zwischen einem oberen
und einem unteren Totpunkt unter Einwirkung der periodisch in dieser
Kammer generierten Druckkräfte,
wobei jeder Zylinder mit Vorrichtungen zum Ein- und Auslassen eines
Gases ausgestattet, und der Kolben eines jeden Zylinders mit einer
Kurbelwelle des Motors verbunden ist, wobei der Motor folgendes
umfasst:
- • einerseits
einen Zylinder, der als Niederdruckzylinder gemäß dem Zweitaktprinzip, bestehend
aus dem Einlassen mit gleichzeitiger, eine nutzbare Arbeit produzierender
Entspannung während
jedes Hubs des Kolbens von seinem oberen zu seinem unteren Totpunkt
und dem Ausschieben eines Gases während jedes Hubs des Kolbens
zu seinem oberen Totpunkt, arbeitet, und
- • andererseits
zwei Zylindern die als Brennzylinder gemäß einem Viertaktprinzip, bestehend
aus dem Einlassen von Luft oder einem Luft-Kraftstoffgemisch beim
ersten Hub des Kolbens von jedem Brennzylinder in Richtung seines
unteren Totpunkts, aus der Verdichtung dieser Luft oder dieses Luft-Kraftstoff-Gemischs im Verlauf
des ersten Hubs des Kolbens zu seinem oberen Totpunkt, gefolgt von
der Verbrennung und der Entspannung der verbrannten Gase im Verlauf
des zweiten Hubs des Kolbens zu seinem unteren Totpunkt, wobei eine
nutzbare Arbeit geleistet wird, und aus dem Ausschieben der verbrannten
Gase im Verlauf des zweiten Hubs des Kolbens zu seinem oberen Totpunkt,
arbeiten und wobei der Niederdruckzylinder mit den beiden Brennzylindern über jeweils
mindestens ein Überstromventil
und einen Überstromkanal
verbunden werden kann, wobei der Hubraum von jedem Brennzylinder
kleiner ist, als derjenige des Niederdruckzylinders, und wobei die
Brennzylinder abwechselnd ihre verbrannten Gase an den Niederdruckzylinder
im Hinblick auf eine zweite Entspannung der verbrannten Gase und
ihr Ausschieben aus dem Motor übergeben.
- • und
ein Mittel zum Aufladen der Brennzylinder, bestehend aus einem Turbokompressor,
wissend dass das Verdichtungsverhältnis der Brennzylinder eher
gering ist, um eine hohe Aufladung zu ermöglichen.
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Die
meisten derzeitigen Motoren arbeiten gemäß dem thermodynamischen Viertaktzyklus.
Im Verlauf des ersten Takts, dem Ansaugtakt, bewegt sich der Kolben
im Zylinder rückwärts und
letzter wird mit einem Luft-Krafstoffgemisch gefüllt (im Falle des klassischen
Benzinmotors, d.h. mit Fremdzündung gemäß dem Ottozyklus).
Während
des zweiten Takts verdichtet der Kolben durch seine Vorwärtsbewegung
im Zylinder dieses Gemisch und der Kraftstoff verdampft unter dem
Temperaturanstieg im Zylinder. Wenn der Kolben sich seinem oberen
Totpunkt nähert,
entzündet
ein an der Kerze entstehender Funken das Gasgemisch, was zu einem
plötzlichen
Anstieg der Temperatur und des Drucks im Zylinder führt.
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Während des
dritten Takts, wenn im Zylinder der Kolben rückwärts läuft, und den verbrannten Gasen
es ermöglicht,
sich zu entspannen, wird die nutzbare Arbeit geleistet. Wenn der
Kolben sich seinem unteren Totpunkt nähert, stehen die Gase noch
unter Druck und werden über
ein im Zylinderkopf vorgesehenes Auslassventil ausgeschoben. Während des vierten
Takts bewegt sich der Kolben erneut vorwärts und dieses Ausschieben
der verbrannten Gase wird abgeschlossen.
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Der
vom Kolben während
den vier Takten in diesem Zyklus zurückgelegte Weg ist jedes Mal
der gleiche, insbesondere der Verdichtungshub (zweiter Takt) und
der Entspannungshub (dritter Takt). Thermodynamische Analysen belegen,
dass umso größer das
Entspannungsverhältnis
ist, umso größer ist
der energetische Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis der nutzbaren Arbeit
zum Energiegehalt des Kraftstoffs. In dem Fall, wo diese beiden
Verhältnisse,
dasjenige der Verdichtung und dasjenige der Entspannung, nicht mehr
gekoppelt und gezwungen wären
gleich zu sein, belegen diese gleichen Analysen, dass für ein gegebenes
konstantes Entspannungsverhältnis dieser
gleiche energetische Wirkungsgrad mit sinkendem Verdichtungsverhältnis ansteigt.
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Außerdem,
um das Gewicht und den Platzbedarf der Verbrennungsmotoren, sowie
die in ihm verursachten Reibverluste zu verringern, ist eine Anhebung
der Leistungsdichte eines solchen Motors wünschenswert. Die Anhebung der
Leistungsdichte wird insbesondere dadurch erzielt, indem die eingelassene
Luftmenge im gleich groß verbleibenden
Zylinder durch Beschickung des Zylinders mit vorverdichteter Luft,
erhöht
wird. Im Falle eines Ottomotors muss diese Vorverdichtung mit einer
Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses
des Motors einhergehen, um das Klopfen, d.h. teilweise spontane
Entzündung
des Luft-Kraftstoffgemischs, das, wenn es auftritt, die Brennkammerwände des
Zylinders beschädigt,
zu verhindern. Die Steigerung der Leistungsdichte eines klassischen
Viertaktverbrennungsmotors muss mit einer Verringerung des Verdichtungsverhältnisses
einhergehen und, folglich angesichts der notgedrungenen Gleichheit
dieser beiden Werte, ebenfalls mit einer Verringerung des Entspannungsverhältnisses,
was letztendlich den energetischen Wirkungsgrad absenken wird.
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Im
Falle eines Verbrennungsmotors, der eine hohe Aufladung verträgt, kann
die Last- oder Leistungsregelung des Motors zum großen Teil über die Regelung
des Förderdrucks
des fraglichen Kompressors vorgenommen werden, und nicht mehr, wie
im Falle des klassischen Viertaktmotors mit Fremdzündung, über eine
Drosselklappe am Einlass. Die Folge ist, dass dank der Lastregelung
des Motors mittels Förderdruck
des Kompressors die sogenannten „Pumpverluste", die bei der klassi schen
Drosselklappenregelung auftreten, vermieden werden können. Das
Drosseln der natürlichen
Ansaugung führt
zu einem Druck im Zylinder während
des Ansaugtaktes der unterhalb des Umgebungsdrucks liegt. Dagegen ist
der Gegendruck während
des Auslasstaktes des Kolbens, selbst bei Teillast, immer in etwa
gleich dem Umgebungsdruck, was schließlich zu einer negativen Bilanz
bezüglich
der an der Kurbelwelle gelieferten mechanischen Arbeit führt, wenn
man Ein- und Auslasstakt addiert.
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Die
vorliegende Erfindung hat als Hauptziel, die Steigerung des energetischen
Wirkungsgrades und die Steigerung der Leistungsdichte eines Verbrennungsmotors
durch die Realisierung eines thermodynamischen Motorzyklusses im
Innern einer Kolbenmaschine, die die Entkopplung des Verdichtungsverhältnisses
und des Expansionsverhältnis
ermöglicht.
Das Ziel besteht einerseits darin die Expansion der verbrannten
Gase zu erhöhen
um den energetischen Wirkungsgrad zu optimieren und andererseits das
Verdichtungsverhältnis
zu verringern, damit eine starke Aufladung des fraglichen Motors
zwecks Erhöhung
der Leistungsdichte möglich
wird.
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Das
Ziel wird durch das Einfügen
eines zusätzlichen
Taktes in den Viertaktzyklus des Motors, der in der zweiten Expansion
der verbrannten Gase mit Hilfe eines zusätzlichen Zylinders besteht,
erreicht. Letzterer funktioniert, wenn man ihn isoliert betrachtet,
gemäß einem
Zweitaktzyklus, d.h. der Kolben dieses Zylinders wird bei jedem
Ab- bzw. Rückwärtshub die
verbrannten Gase ein zweites Mal entspannen (vierter Takt) und anschließend, beim Vorwärtshub in
diesem Zylinder, diese Gase ausschieben (fünfter Takt). Der Fünftaktzyklus
des Motors gemäß der Erfindung
setzt sich aus dem Einlassen von Luft oder eines Luft-Kraftstoff-Gemischs,
der Verdichtung gefolgt von der Verbrennung, der ersten Entspannung
der verbrannten Gase, der zweiten Entspannung letzterer und schließlich dem
Ausschieben der verbrannten Gase, zusammen. Der Einlass, die Verdichtung
und die erste Entspannung werden im selben kleinen Zylinder, dem
sogenannten Hochdruckverbrennungszylinder, stattfinden. Das Verdichtungsverhältnis sowie
das erste Entspannungsverhältnis
werden folglich gleich groß sein.
Die zweite Entspannung wird mit zwei Zylindern während der Umladung oder Überströmung der
verbrannten Gase vom kleinen Brennzylinder, wobei der Kolben dieses Zylinders
sich zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, in den großen Niederdruckzylinder,
wobei der Kolben des Niederdruckzylinders sich zu seinem unteren
Totpunkt bewegt, realisiert. Das globale Expansionsverhältnis ist
gleich dem Produkt des volumetrischen Verhältnisses der ersten Entspannung
mit dem volumetrischen Verhältnis
der zweiten Entspannung. Dieses globale Entspannungsverhältnis ist letztendlich
gleich dem Verhältnis
des Niederdruckzylindervolumens, der Niederdruckzylinderkolben im unteren
Totpunkt stehend, zum Volumen der Brennkammer des Hochdruckbrennzylinders,
der Kolben dieses Zylinders im oberen Totpunkt stehend.
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Das
Patent FR-A-1058109 beschreibt zwar einen Verbrennungsmotor bestehend
aus mindestens einem Zylinder, der über eine Arbeitskammer mit variablem
Volumen verfügt,
dank der Bewegung eines Kolbens in dem Zylinder zwischen einem oberen und
einem unteren Totpunkt unter Einwirkung der periodisch in der besagten
Kammer generierten Druckkräfte,
wobei jeder Zylinder mit Vorrichtungen zum Ein- und Auslassen eines
Gases ausgestattet ist, und der Kolben eines jeden Zylinders mit
der Kurbelwelle des Motors verbunden ist, und der mindestens einerseits
einen Zylinder umfasst, der als Niederdruckzylinder im Zweitaktzyklus
arbeitet, welcher sich aus einem Einlass begleitet von einer Expansion,
die eine nutzbare Arbeit während
jedem Hub des Kolbens des Niederdruckzylinders zu seinem unteren
Totpunkt leistet, und dem Auslass des Gases bei jedem Hub dieses
Kolbens zu seinem oberen Totpunkt hin, zusammensetzt und andererseits
zwei Zylinder umfasst, die als Brennzylinder gemäß einem Viertaktzyklus arbeiten,
bestehend aus dem Einlassen von Luft oder einem Luft-Kraftstoffgemisch
beim ersten Hub des Kolbens von jedem Brennzylinder in Richtung seines
unteren Totpunkts, aus der Verdichtung dieser Luft oder dieses Luft-Kraftstoff-Gemischs
im Verlauf des ersten Hubs des Kolbens zu seinem oberen Totpunkt,
gefolgt von der Verbrennung und der Entspannung der verbrannten
Gase im Verlauf des zweiten Hubs des Kolbens zu seinem unteren Totpunkt,
wobei eine nutzbare Arbeit geleistet wird, und aus dem Ausschieben
der verbrannten Gase im Verlauf des zweiten Hubs des Kolbens zu
seinem oberen Totpunkt, wobei der Hubraum von jedem Brennzylinder kleiner
ist, als derjenige des Niederdruckzylinders, und wobei die Brennzylinder abwechselnd
ihre verbrannten Gase an den Niederdruckzylinder im Hinblick auf
eine zweite Entspannung der verbrannten Gase und ihr Ausschieben
aus dem Motor übergeben.
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Allerdings
beschreibt dieses Patent keinerlei Vorrichtung, die geeignet wäre, die
Aufladung eines derartigen Motors zu realisieren.
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Die
Erfindung schlägt
demzufolge einen Fünftaktverbrennungsmotor
vor, der mit einem Turbolader ausgestattet ist, welcher die Vorverdichtung der
Luft oder des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf Einlassseite der Brennzylinder
ermöglicht,
um eine mehr oder weniger starke Aufladung letzterer zu bewirken.
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Zum
Erreichen dieses Ziels ist der Verbrennungsmotor des oben beschriebenen
Typs dadurch gekennzeichnet, wenn die Vorverdichtung der gegebenenfalls
mit Hilfe eines Ladeluftkühlers
gekühlten Luft
oder Luft-Kraftstoff-Gemischs am Einlass der Brennzylinder durch
einen Turbolader verwirklicht wird, dass bis zu drei unterschiedliche
Auslasskanäle oder
-leitungen, die nicht zur gleichen Zeit beschickt werden, während des
Hubs des Kolbens des Niederdruckzylinders zu seinem oberen Totpunkt
die im Niederdruckzylinder enthaltenen Brenngase in Richtung Turbineneintritt
fördern,
wobei alle Auslasskanäle, mit
Ausnahme des letzteren, über
eine Klappe zum Umleiten der verbrannten Gase verfügen, die
einzeln je nach Last des Motors gesteuert werden, und die in offener
Stellung die aus dem Niederdruckzylinder stammenden verbrannten
Gase direkt zum Auslass führen,
während
die Umlenkklappe in geschlossener Stellung diese selben Brenngase
zum Sammler am Turbineneintritt leiten, wobei der letzte Auslasskanal als
erster mit der Arbeitskammer des Niederdruckzylinders in Verbindung
gestellt wird.
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Gemäß einer
anderen Auslegung der Erfindung, umfasst der Verbrennungsmotor fünf in Reihe angeordnete
Zylinder, wovon drei Hochdruckbrennzylinder und zwei Niederdruckzylinder
sind, und wobei zwei Brennzylinder sich an den Enden der Kurbelwelle
befinden, mit welcher die Kolben der beiden Zylinder verbunden sind,
und der dritte Hochdruckbrennzylinder sich in der Mitte befindet
und mit den bei den anliegenden Niederdruckzylindern über jeweils
mindestens ein Überstromventil
und einen Überstromkanal
verbunden ist und während
der zweiten Expansion die im mittleren Brennzylinder befindlichen
Brenngase gleichzeitig an die beiden ihm zugeordneten Niederdruckzylinder übergeben
kann, wobei diese selben Niederdruckzylinder im Verlauf der folgenden
Kurbelwellendrehung alle im Brennzylinder, der sich am Ende der
Kurbelwelle und neben dem fraglichen Niederdruckzylinder befindet,
befindlichen Gase aufnehmen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung
umfasst der Verbrennungsmotor eine ungerade Anzahl, größer als
fünf, in
Reihe angeordneter Zylinder, so dass an den Kurbelwellenenden sich
zwei Hochdruckbrennzylinder befinden und so dass die übrigen Hochdruckbrennzylinder
sich jeweils zwischen zwei Niederdruckzylindern befinden, mit denen
sie über jeweils
mindestens einem Überstromventil
und einem Überstromkanal
verbunden sind, um während der
zweiten Expansion die im Brennzylinder befindlichen Brenngase an
die beiden mit ihm verbundenen Niederdruckzylinder zu übergeben.
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Der
Motor umfasst zudem eine Vorrichtung für die Steuerung des Ladedrucks
der Luft oder des Luft-Kraftstoff-Gemischs am Einlass der Brennzylinder
zwecks Regelung der Motorlast, für
eine bestimmte Drehzahl, über
einen weiten Bereich des Drehmoments des Motors, und einen mechanisch angetriebenen
Kompressor oder einen Turbolader, dessen Turbine durch eine zusätzliche
Entspannung der Brenngase des Motors angetrieben wird, zwecks Realisierung
der Vorverdichtung der gegebenenfalls dank eines Ladeluftkühlers gekühlten Luft
oder Luft-Kraftstoff-Gemischs,
wobei der Turbineneingang mit einem Abgassammler verbunden ist,
der über
ein Abblasventil vom Typ Wastegate verfügt, das in offener oder teilweise
geöffneter
Stellung das Umleiten aller Brenngase oder eines Teils davon direkt
zum Motorauslass ermöglicht.
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Die
Einlasskanäle
der Brennzylinder sind mit Mitteln zum Einleiten von Kraftstoff
in die vorverdichtete Luft ausgestattet, wie gesteuerte Einspritzdüsen oder
Vergaser und die Arbeitskammern der Brennzylinder sind je mit einer
Vorrichtung zum Entzünden des
Luft-Kraftstoff-Gemischs ausgestattet.
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Die
Arbeitskammern der Brennzylinder umfassen, gemäß einer Ausführungsvariante,
Mittel zum direkten Einspritzen des Kraftstoffs in die vorverdichtete
Luft gegen Ende der Verdichtung in den Zylindern, so dass sich der
Kraftstoff spontan entzündet.
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Als
Variante sind die Arbeitskammern der Brennzylinder mit Mitteln zur
Direkteinspritzung des Kraftstoffs in die verdichtete Luft während des
Verdichtungshubs gemäß eines
variablen Luft-Kraftstoff-Massenverhältnisses, das in Abhängigkeit
der Motorlast gesteuert wird, ausgestattet, wobei die Arbeitskammern
der Hochdruckbrennzylinder mit Mitteln versehen sind, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu
entzünden.
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Der
Niederdruckzylinder ist gemäß einer Ausführung mit
Auslassschlitzen ausgestattet, über die
die im Zylinder enthaltenen Brenngase ganz oder teilweise ausgeschoben
werden, und die vom Kolben des Zylinders dann freigegeben werden,
wenn sich dieser in der Nähe
des unteren Totpunkts befindet.
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Zur
Verbesserung können
die oben genannten Überstromkanäle jeder
mit einem zusätzlichen Hilfsüberstromventil
ausgestattet werden, das in den Zylinderkopf des Niederdruckzylinders
eingelassen ist und sich in etwa synchron mit dem im Zylinderkopf des
Brennzylinders vorgesehen Hauptüberstromventil
desselben Überstromkanals öffnet.
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Die
Erfindung, sowie andere Ziele, Eigenschaften, Einzelheiten und Vorteile
letzterer werden im Verlauf der nun folgenden erklärenden Beschreibung,
die sich auf die lediglich informationshalber beiliegenden Zeichnungen
und Schemata, die mehrere Ausführungen
der Erfindung darstellen, bezieht, besser verstanden:
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die 1 zeigt
einen Senkrechtschnitt des Motorblocks einer ersten Ausführung eines
Verbrennungsmotors mit drei Zylindern gemäß der Erfindung;
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die 2a bis 2d sind
Schnittdarstellungen, genau wie diejenigen in 1 und
stellen die vier Funktionsphasen des Motors dar, die sich während zwei
Kurbelumdrehungen in diesem abspielen;
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die 3a bis 3d sind
eine Schnittdarstellung des Motorblocks einer zweiten Ausführung des
Motors mit fünf
Zylindern und beziehen sich auf die Funktionsweise von letzterem
während
zwei Kurbelwellendrehungen des Motors;
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die 4 ist
ein senkrechter Schnitt des Niederdruckzylinderkopfes, wo zwei zusätzliche Überstromventile
zwecks Verschließen
des Überstromkanals
auf der Seite dieses Zylinders vorgesehen sind.
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die 5 stellt
den Dreizylindermotor der 1 dar, welcher
mit Hilfe eines Turboladers aufgeladen wird, dessen Turbine über drei
unterschiedliche Kanäle
mit den Brenngasen versorgt wird;
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die 6a bis 6c stellen
den Motor der 5 dar, wenn dieser nur unter
sehr geringer Last ohne Aufladung betrieben wird, und wo der Kolben
des Niederdruckzylinders in drei verschiedenen Stellungen während des
Auslasstaktes dargestellt ist;
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die 7a bis 7c stellen
den Motor der 5 dar, wenn dieser unter geringer
Last mit geringfügiger
Aufladung betrieben wird, und wo der Kolben des Niederdruckzylinders
in drei verschiedenen Stellungen während des Auslasstaktes dargestellt
ist;
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die 8a bis 8c stellen
den Motor der 5 dar, wenn dieser unter Teillast
mit partieller Aufladung betrieben wird, und wo der Kolben des Niederdruckzylinders
in drei verschiedenen Stellungen während des Auslasstaktes dargestellt
ist;
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die 9a bis 9c stellen
den Motor der 5 dar, wenn dieser unter Volllast
mit voller Aufladung betrieben wird, und wo der Kolben des Niederdruckzylinders
in drei verschiedenen Stellungen während des Auslasstaktes dargestellt
ist;
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Die 1 bis 2 stellen eine erste Ausführung der
Erfindung des Fünftaktverbrennungsmotors mit
Fremdzündung
dar, die drei in einer Reihe angeordnete Zylinder umfasst. Genauer
gesagt umfasst dieser Motor zwei Hochdruckbrennzylinder 2, 3 die sich
an den Enden der (nicht dargestellten) Kurbelwelle befinden und
die gemäß einem
Viertaktzyklus arbeiten und ein in der Mitte angeordneten Niederdruckzylinder 1,
der gemäß einem
Zweitaktprinzip arbeitet. Der Hubraum des Niederdruckzylinders 1 ist größer als
derjenige der Brennzylinder 2, 3. Ein Wärmetauscher 15 ist
durch eine Rohrleitung 18 mit der Förderseite eines (nicht dargestellten)
Verdichters verbunden, der vorverdichtete Luft fördert, und der Austritt des
Wärmetauschers
ist mit den beiden Hochdruckbrennzylindern 2, 3 über die
Einlasskanäle 13, 14 des
vorverdichteten Luft-Kraftstoff-Gemischs verbunden. Die Kanäle 13, 14 sind
mit Einlassventilen 8, 10 ausgestattet, die mit
den Brennzylindern 8, 10 verbunden sind. Die Einleitung
des Kraftstoffs findet auf Höhe
der Einlasskanäle 13, 14 mit
Hilfe einer gesteuerten Einspritzvorrichtung statt. Die Arbeitskammern
C2, C3 der Brennzylinder 2, 3 sind mit der Arbeitskammer
C1 des Niederdruckzylinders jeweils über die für die Brenngase vorgesehenen Überstromkanäle 16, 17 verbunden.
Die Überstromkanäle 16, 17 sind
jeweils mit Überstromventilen 9, 11 ausgestattet,
die mit den Brennzylindern 2, 3 verbunden sind.
Die Überstromventile 9 und 11,
die Einlassventile für
die Luft oder das Luft-Kraftstoff-Gemisch 8, 10 sowie
die Zündkerzen
(nicht dargestellt) befinden sich in den Zylinderköpfen 2a, 3a der
Hochdruckbrennzylinder 2, 3.
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Die
Arbeitskammer C1 des Niederdruckzylinders 1 ist mit einem
Zylinderkopf 1a verschlossen, der mit einem Ventil 7 zum
Schließen
des mit dem Zylinderkopf verbundenen Auslasskanals 19 ausgestattet
ist, und das in Verbindung mit der Arbeitskammer C1 steht.
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In
dieser Konfiguration der drei Zylinder 1 bis 3 bildet
der Niederdruckzylinder 1 mit dem linken Hochdruckbrennzylinder 2 ein
erstes Entspannungszylinderpaar, während er mit dem rechten Hochdruckbrennzylinder 3 ein
zweites Entspannungs zylinderpaar bildet, wie dies in der folgenden
Funktionsbeschreibung des Motors unter Berufung auf die 2a bis 2d ersichtlich
werden wird.
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Diese
Abbildungen zeigen im Detail die vier Funktionsphasen des Motors,
die man im Verlauf von zwei Kurbelwellenumdrehungen des in 1 dargestellten
Motors antrifft. Auf den 2a bis 2d sind
die mit einfachen Strichen dargestellten Bereiche mit Luft, die
mit Kreuzen dargestellten Bereiche mit Luft-Kraftstoff-Gemisch und die mit kleinen Kreisen
dargestellten Bereiche mit verbranntem Gas gefüllt.
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Wie
in 2a dargestellt, bewegen sich die Kolben 5 und 6 der
Hochdruckbrennzylinder 2, 3 abwärts in den
Zylindern 2, 3 während der Niederdruckkolben 4 im
Zylinder 1 steigt. Der linke Brennzylinder 2 wird
gerade mit einem vorverdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisch über das
Einlassventil 8, das zu diesem Zwecke geöffnet ist,
befüllt.
Der Niederdruckzylinder 1 schiebt die verbrannten Gase über das
offene Auslassventil 7 in Richtung Auslasskanal 19.
Der rechte Brennzylinder 3 entspannt die Brenngase das erste
Mal.
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In 2b bewegen
sich die Kolben 5 und 6 der Hochdruckbrennzylinder 2, 3 aufwärts in den
Zylindern 2, 3 während der Niederdruckkolben 4 im
Zylinder 1 sich abwärts
bewegt. Der linke Brennzylinder 2 verdichtet soeben das
gerade eingelassene Luft-Kraftstoff-Gemisch und, gegen Ende dieser
Verdichtung, wird dieses Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels des Zündkerzenfunkens
entflammt. Alle mit dem Zylinder 2 verbundenen Ventile 8, 9 sind
jetzt geschlossen. Der Niederdruckzylinder 1 empfängt die
aus dem Brennzylinder 3, der dieselben Gase ausschiebt,
stammenden Brenngase über
den Überstromkanal 17,
wobei das damit verbundene Überstromventil 11 offen
ist. Wissend dass der Hubraum des Niederdruckzylinders 1 größer als
derjenige des Brennzylinders 3 ist, wird dieses Überströmen der Brenngase
von Brennzylinder 3 hin zum Niederdruckzylinder 1 von
einer Expansion dieser Brenngase, die eine nutzbare Arbeit an die
Kurbelwelle liefert, begleitet.
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In 2c bewegen
sich die Kolben 5 und 6 der Hochdruckbrennzylinder 2, 3 erneut
abwärts
in den Zylindern 2, 3 während der Niederdruckkolben 4 im
Zylinder 1 sich erneut aufwärts bewegt. Der Brennzylinder 3 wird
gerade mit einem vorverdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisch über das
Einlassventil 10, das zu diesem Zwecke geöffnet ist,
befüllt.
Der Niederdruckzylinder 1 schiebt die verbrannten Gase über das
offene Auslassventil 7 in Richtung Auslasskanal 19.
Der linke Brennzylinder 2 entspannt die Brenngase das erste
Mal.
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In 2d bewegen
sich die Kolben 5 und 6 der Hochdruckbrennzylinder 2, 3 aufwärts in den
Zylindern 2, 3 während der Niederdruckkolben 4 im
Zylinder 1 sich abwärts
bewegt. Der rechte Brennzylinder 3 verdichtet soeben das
gerade eingelassene Luft-Kraftstoff-Gemisch und, gegen Ende dieser
Verdichtung, wird dieses Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels des Zündkerzenfunkens
entflammt, wobei alle mit diesem Zylinder verbundenen Ventile 10, 11 geschlossen
sind. Der Niederdruckzylinder 1 empfängt die aus dem linken Brennzylinder 2,
der dieselben Gase ausschiebt, stammenden Brenngase über den Überstromkanal 16,
wobei das damit verbundene Überstromventil 9 offen
ist. Wissend dass der Hubraum des Niederdruckzylinders 1 größer als
derjenige des Brennzylinders 2 ist, wird dieses Überströmen der
Brenngase von Brennzylinder 2 hin zum Niederdruckzylinder 1 von
einer Expansion dieser Brenngase, die eine nutzbare Arbeit an die
Kurbelwelle liefert, begleitet.
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Gemäß einer
anderen Ausführung
unterscheidet sich der Fünftaktverbrennungsmotor
mit drei Zylindern von dem soeben beschriebenen durch die Art der
Einbringung des Kraftstoffs, der in diesem Falle direkt gegen Ende
der Verdichtung in die Brennkammern der Hochdruckbrennzylinder 2, 3 eingespritzt
wird, wo er sich dann spontan entflammt. Die Leistung des Wärmetauschers 15 sowie
die Hubraum- und Verdichtungsverhältnisse müssen natürlich angepasst werden.
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Ausgehend
von der Ausführung
des Dreizylinderverbrennungsmotors kann man unter Bezugnahme auf
die 3a bis 3d die
Ausführung des
Fünfzylindermotors
ableiten, indem man zwei Dreizylindermotoren in Reihe nebeneinander stellt und
dafür sorgt,
dass die beiden mittleren Hochdruckbrennzylinder tadellos im Gleichklang
arbeiten. Jetzt kann man diese beiden letzten Zylinder zu einem
einzigen zentralen Hochdruckbrennzylinder 3 „verschmelzen", der vorzugsweise über einen
doppelt so großen
Hubraum im Vergleich zu demjenigen der beiden, sich an den Enden
der Kurbelwelle befindlichen Hochdruckbrennzylinder verfügt. Die
Arbeitskammer C3 des zentralen Hochdruckbrennzylinders steht dank
der Ventile 11, die sich im Zylinderkopf 3a des
Zylinders 3 befinden, und der Überstromkanäle 17 in Verbindung
mit den beiden Arbeitskammern C1 der anliegenden Niederdruckzweitaktzylinder 1.
Die zweite Entspannung der sich im zentralen Brennzylinder 3 befindlichen
Brenngase geschieht über
deren gleichzeitiges Umladen hin zu den zwei anliegenden Niederdruckzylindern 1 über die
offenen Ventile 11 und die Kanäle 17, wie in 3b dargestellt.
Die 3a bis 3d zeigen
nochmals im Details die vier Phasen, denen man im Verlauf von zwei
Kurbelwellendrehungen des Fünftaktverbrennungsmotors
mit fünf
Zylindern begegnet, wobei die mit horizontalen Strichen dargestellten
Bereiche nur mit Luft und die mit kleinen Kreisen dargestellten
Bereiche mit Brenngas gefüllt
sind. Es erübrigt
sich diese vier Phasen, die eindeutig aus denjenigen des oben im
Einzelnen in Bezugnahme auf die 2a bis 2d beschriebenen
Fünftaktverbrennungsmotors
mit drei Zylindern abgeleitet werden können, zu beschreiben.
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Diese
Vorgehensweise beschränkt
sich selbstverständlich
nicht auf fünf
Zylinder und sie kann zwecks Erstellung von Fünftaktverbrennungsmotoren mit
5, 7, 9 ..., Zylindern herangezogen werden. Alle diese Ausführungen
eignen sich für
die beiden Zündmethoden,
spontan oder fremdgezündet.
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Eine
weitere Ausführung
des Dreizylinderfünftaktverbrennungsmotors
wird in 4 dargestellt, wo die Überstromkanäle 16, 17 nicht
nur auf Seiten der Brennzylinder 2, 3 mittels
der Ventile 9 und 11, sondern auch auf Seiten
des Niederdruckzylinders 1 mit Hilfe der Hilfsüberstromventile 23 und 24 verschlossen
werden können.
Die Überstromventile 9, 23 die
jeweils in den Zylinderköpfen 2a und 1a und an
den Enden des Überstromkanals 16 vorgesehen sind,
der die Arbeitskammer C2 des linken Brennzylinders 2 mit
der Arbeitskammer C1 des Nieder druckzylinders 1 verbindet, öffnen und
schließen
sich in etwa gleichzeitig. So auch die Überstromventile 11, 24 die
jeweils in den Zylinderköpfen 3a und 1a und
an den Enden des Überstromkanals 17 vorgesehen sind,
der die Arbeitskammer C3 des rechten Brennzylinders 3 mit
der Arbeitskammer C1 des Niederdruckzylinders 1 verbindet, öffnen und
schließen
sich in etwa gleichzeitig. Der Vorteil dieser Hilfsüberstromventile 23, 24 besteht
zum einen darin, das Totvolumen des Niederdruckzylinders 1 dadurch
zu verringern, indem das Volumen des inaktiven Überstromkanals 16, 17 während der
zweiten Entspannung der Brenngase vom Volumen der Arbeitskammer
C1 des Niederdruckzylinders 1 zu trennen. Andererseits
verhindert dieses Hilfsüberstromventil 23, 24 dass
das geschlossene Hauptüberstromventil 9, 11 auf
seiner Rückseite
dem relativ hohen Druck ausgesetzt wird, der im Niederdruckzylinder 1 zu
Beginn der zweiten Entspannung herrscht, da dieser Druck dazu führen könnte, dass
das mit dem Brennzylinder 2, 3 verbundene Hauptüberstromventil 9, 11 aufgestoßen wird.
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Wie
bereits oben erwähnt
ist der Fünftaktverbrennungsmotor
dazu bestimmt, mehr oder weniger stark aufgeladen zu werden. Diese
Aufladung kann selbstverständlich
auf unterschiedliche Art und Weise vorgenommen werden. Die Aufladung
mittels Turbolader besteht im Wesentlichen in einer Turbine, die mittels
Entspannung der aus dem Verbrennungsmotor stammenden Brenngase angetrieben
wird, und die ihrerseits einen Verdichter antreibt, der die den Zylindern
bereitgestellte Luft verdichtet.
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Die 5 illustriert
eine Ausführung
der Aufladung mittels Turbolader, die ein wenig ausgefeilter ist.
In der Tat werden gemäß dieser
Ausführung die
bereits ein zweites Mal im Niederdruckzylinder 1 entspannten
Brenngase über
drei verschiedene Wege oder Kanäle 19, 25, 31 hin
zum Abgassammler 29 am Eingang der Turbine 32 geleitet.
Die drei Auslasskanäle 19, 25, 31 können auf
Seite des Niederdruckzylinders jeweils mit Hilfe der Auslassventile 7 und 22,
die im Zylinderkopf 1a eingearbeitet sind und mit denen
die Kanäle 19, 25 des
Niederdruckzylinders 1 verbunden sind und über die
Auslassschlitze 21, die in der Laufbüchse des Niederdruckzylinders 1 eingearbeitet
sind, verschlossen werden. Die Auslassschlitze 21 werden
vom Niederdruckkolben 4, wenn dieser sich nahe an seinem
unteren Totpunkt befindet, freigegeben. Der Kanal 31 mündet direkt
im Abgassammler des Turbineneintritts 29. Die Öffnungszeiten
der beiden Auslassventile 7, 22 werden nicht synchron
gesteuert. Der Strom der Brenngase in den mit dem Zylinderkopf des
Niederdruckzylinders 1 verbundenen Auslasskanälen 19, 25 wird
entweder in den mit dem Eintritt der Turbine 32 verbundenen
Auslasssammler 29 oder in den mit dem Turbinenaustritt
verbundenen Auslasssammler 30, innerhalb welchem in etwa
Umgebungsdruck herrscht, geleitet. Zu diesem Zwecke sind Abgasumlenkklappen 27, 28 in
den Auslasskanälen 19, 25 am
gegenüber
vom Zylinderkopf 1a des Niederdruckzylinders 1 gelegenen
Ende vorgesehen und die eine geschlossene Stellung einnehmen können, wobei
sie die Kanäle 19, 25 verschließen und
die Brenngase zum Eintritt der Turbine 32 durch die von
den Klappen freigegebenen Öffnungen 19a, 25a in
den Wänden
der Kanäle 19, 25,
die in Verbindung mit dem Sammler 29 stehen, der seinerseits
mit dem Eintritt der Turbine 32 verbunden ist, leiten,
oder eine die Kanäle 19, 25 freigebende
Stellung einnehmen können,
wobei die Öffnungen 19a, 25a geschlossen
werden, um die Brenngase direkt zum Auslasssammler 30,
in welchem die Kanäle 19, 25 münden, zu
leiten. Ein Abblasventil 26 wird zwischen dem Auslasssammler
am Eingang 29 und dem Auslasssammler am Ausgang 30 der
Turbine 32 vorgesehen, um die Steuerung des Drucks am Turbineneintritt
in Abhängigkeit
der Last zu unterstützen.
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Der
Zweck dieses Auslasssystems zum Turbineneintritt hin besteht darin,
den Ausschiebedruck im Niederdruckzylinder 1 während des
Vorwärtshubs des
Kolbens 4 in diesem Zylinder möglichst gering zu halten.
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In 5 ist
ebenfalls eine Umlenkklappe 36 auf der Einlassseite zu
sehen, die normalerweise geschlossen ist, und die in offener Stellung
die ungehinderte Strömung
der im Kanal für
die vorverdichtete Luft 18 enthaltene Luft zur Hilfseinlassleitung 34,
die in der freien Umgebung mündet,
ermöglicht.
Der Zweck dieser Hilfseinlassleitung 34 und der damit verbundenen
Umlenkklappe 36 besteht einerseits darin, den Einlass von
Luft unter Umgehung des Verdichters 12 bei sehr geringer
Motorlast zu ermöglichen
und andererseits als Sicherheitsventil und -kanal zu dienen, für den Fall,
wo die Regelung des Ladedrucks des Verdichters 12 mit Hilfe
des am Turbineneingang für
die Regelung der Leistung der Turbine vorgesehenen Ventils 26 ausgefallen
ist, in Folge z.B. einer technischen Panne. Diese Hilfseinlassleitung 34 ist
zudem mit einer Drosselklappe 33 ausgestattet, um den Saugrohrdruck
im Falle sehr geringer Betriebslasten oder im Leerlauf noch weiter
abzusenken.
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Die
Funktionsweise dieser Ausführung
des aufgeladenen Motors wird im Einzelnen unter Verweis auf die 6 bis 9 erläutert.
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Die 6a bis 6c beschreiben
das Ausschieben der Brenngase in dem Fall, wo die Motorlast derart
gering ist, dass keinerlei Aufladung erforderlich ist. Das Abblasventil 26 ist
weit geöffnet und
wird so gesteuert, dass ein Mindestdruck am Eintritt der Turbine
zwecks Bewahrung einer geeigneten Anlaufdrehzahl dieser aufrechterhalten
wird. Die beiden Umlenkklappen 27, 28 sind offen,
damit die durch die Auslasskanäle 19, 25 strömenden Abgase direkt,
ohne durch die Turbine 32 geleitet zu werden, zum Auslasssammler
am Turbinenaustritt gelangen.
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In 6a erreicht
der Niederdruckkolben 4, nachdem er die zweite Entspannung
der Brenngase vollzogen hat, seinen unteren Totpunkt und die im Niederdruckzylinder 1 eingearbeiteten
Auslassschlitze 21 werden freigegeben und, weil der Restdruck
im Niederdruckzylinder 1 über dem Druck liegt, der im Auslasssammler 29 am
Eintritt der Turbine 32 herrscht, strömt ein Teil der im Niederdruckzylinder 1 enthaltenen
Gase durch die Auslassschlitze 21 entlang des Auslasskanals 31 zum
Auslasssammler 29, wo in Folge der Öffnung des Ventils 26 der
Druck nur geringfügig über dem
Umgebungsdruck liegt. Daraufhin wird der Druck im Innern des Niederdruckzylinders 1 bis
auf etwa Umgebungsdruck fallen. Bei dieser Position des Niederdruckkolbens 4 sind
die beiden Auslassventile 7 und 22 noch geschlossen.
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In 6b steht
der Niederdruckkolben 4 in einer Position, in der die Auslassschlitze 21 wiederum
von letzterem verschlossen sind und bei der ein erstes Auslassventil 7 sich öffnet, und
er Kolben 4 des Niederdruckzylinders 1 in seiner
weiteren Vorwärtsbewegung
im Zylinder einen weiteren Teil der Brenngase durch das offene Auslassventil 7 entlang des
mit ihm verbundenen Auslasskanals 19 direkt, ohne die Turbine 32 zu
durchlaufen, zum Auslasssammler 30 am Austritt der Turbine
schiebt, wobei sich die Umlenkklappe 27 in offener Stellung
befindet.
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In 6c befindet
sich der Niederdruckkolben 4 in einer noch weiter vorwärts liegenden
Stellung im Zylinder und das erste Auslassventil 7 hat sich
wieder geschlossen. Das zweite Auslassventil 22 ist jetzt
geöffnet
und der Kolben 4 des Niederdruckzylinders 1 wird
nun in seiner weiteren Vorwärtsbewegung
den letzten Teil der Brenngase durch das offene Auslassventil 22 entlang
des damit verbundenen Auslasskanals 25 direkt, ohne die
Turbine 32 zu durchlaufen, zum Auslasssammler 30 am
Austritt der Turbine 32 schieben, wobei die Umlenkklappe 28 sich
in offener Stellung befindet.
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Die 7a bis 7c beschreiben
das Ausschieben der Brenngase in dem Fall, wo die Motorlast immer
noch gering ist, aber eine geringfügige Aufladung des Motors erforderlich
ist. Das Abblasventil 26 ist nicht mehr weit geöffnet und
wird so gesteuert, dass ein Druck am Eintritt der Turbine 32 entsprechend
der geringen verlangten Last aufrechterhalten wird. Die beiden Umlenkklappen 27, 28 sind offen,
damit die durch die Auslasskanäle 19, 25 strömenden Abgase
direkt, ohne durch die Turbine 32 geleitet zu werden, zum
Auslasssammler am Turbinenaustritt gelangen. Nur die über die
unten im Niederdruckzylinder 1 eingearbeiteten Auslassschlitze 21 ausgeschobenen
Abgase werden zur Turbine geleitet, um dort entspannt zu werden.
Die Abgase, die über
die im Kopf 1a des Niederdruckzylinders 1 vorgesehenen
Auslassventile 7, 22 ausgeschoben werden, durchströmen die
Turbine 32 nicht und der Druck im Niederdruckzylinder wird
in etwa auf den Umgebungsdruck abfallen, sobald eines der beiden Auslassventile 7, 22 sich öffnet.
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Die 8a bis 8c beschreiben
das Ausschieben der Brenngase in dem Fall, wo eine mittlere Motorlast
gefordert und somit eine stärkere Aufladung
des Motors erforderlich wird. Das Abblasventil 26 wird
so gesteuert, dass ein Druck am Eintritt der Turbine 32 entsprechend
der verlangten Last aufrechterhalten wird. Die mit dem Auslasskanal 19 und dem
Auslassventil 7, das geöffnet
wird, sobald der Niederdruckkolben 4 die Auslassschlitze 21 verschließt, verbundene
Umlenkklappe 27 ist geschlossen und leitet somit die durch
den Auslasskanal 19 strömenden
Abgase zum Eingang der Turbine 32, damit diese dort entspannt
werden. Die andere, mit dem Auslasskanal 25 und dem Auslassventil 22,
das sich später öffnen wird,
wenn das andere Auslassventil 7 sich wieder schließt, verbundene
Umlenkklappe 28 ist in offener Stellung und leitet die
im entsprechenden Auslasskanal 25 strömenden Abgase direkt, ohne
dass diese die Turbine 32 durchströmen, zum Auslasssammler 30 am
Ausgang der Turbine 32. Jetzt werden die durch die unten
im Niederdruckzylinder 1 eingearbeiteten Auslassschlitze 21 und
die durch das sich zuerst öffnende
Auslassventil 7 ausgeschobenen Abgase zur Turbine 32 geleitet,
um dort entspannt zu werden. Die durch das andere, sich zuletzt öffnende
Auslassventil 22 ausgeschobenen Abgase durchströmen die
Turbine 32 nicht und der Druck im Niederdruckzylinder 1 fällt auf
etwa die Höhe
des Umgebungsdrucks, sobald das Auslassventil 22 geöffnet wird.
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Die 9a bis 9c beschreiben
das Ausschieben der Brenngase in dem Fall, wo eine hohe Motorlast
gefordert und somit eine maximale Aufladung des Motors erforderlich
wird. Das Abblasventil 26 wird so gesteuert, dass ein Druck
am Eintritt der Turbine 32 entsprechend der verlangten
Last aufrechterhalten wird. Die beiden mit den Auslasskanälen 19, 25 und
den Auslassventilen 7, 22 verbundenen Umlenkklappen 27, 28 befinden
sich in der geschlossenen Position, damit die durch die entsprechenden
Auslasskanäle 19, 25 strömenden Abgase zum
Eingang der Turbine 32 geleitet und dort entspannt werden.
In diesem Falle werden alle aus dem Niederdruckzylinder ausgeschobenen
Abgase, ausgenommen diejenigen, die gegebenenfalls durch das offene
Abblasventil 26 strömen,
zur Turbine 32 geleitet um dort entspannt zu werden. Nur
in dieser Situation ist während
des gesamten Auslasshubs der Druck im Niederdruckzylinder 1 in
etwa gleich dem von der Turbine erzeugten Abgasgegendruck.
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Diese
Ausführung
der Ausschiebung der Brenngase in Richtung Turbine des Turboladers
kann selbstverständlich
auch einfacher gestaltet werden, indem die Auslassschlitze 21 weggelassen
werden und die Öffnung
des ersten Auslassventils 7 vorgezogen wird. Die mit dem
entsprechenden Auslasskanal 19 verbundene Umlenkklappe 27 wird
immer geschlossen sein und kann somit entfallen. So ist es auch
möglich,
das zweite Auslassventil 22, sowie den Auslasskanal 25 und
die entsprechende Umlenkklappe 28 wegzulassen, und in diesem
Falle muss die Öffnungsdauer
des ersten Auslassventils 7 verlängert werden.
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Der
Fünftaktverbrennungsmotor,
der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, kann überall dort,
wo derzeit Verbrennungsmotoren Verwendung finden, insbesondere im
Straßenverkehr,
eingesetzt werden.
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Der
Hauptvorteil der Erfindung gegenüber den
bestehenden Motoren ist ein erheblicher Anstieg des energetischen
Wirkungsgrades. Unter Berücksichtigung
einer Wärmetauscherleistung
und von Spitzendrücken,
die ohne weiteres als zulässig
erscheinen, sagen die Berechnungen einen Anstieg dieses Wirkungsgrades
von 20% bei Volllast bis 25% bei Teillast im Falle eines fremdgezündeten Motors (Otto)
und von 14% bis 25% im Falle eines selbstzündenden Motors (Diesel) voraus.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber den bestehenden Motoren
ist die verbesserte Leistungsdichte, dank der Möglichkeit einer Hochaufladung,
wo ein absoluter Ladedruck von 3 bis 5 bar am Eintritt der Brennzylinder
darstellbar ist.