DE60130136T2 - Hochleistungsmotor mit variablem verdichtungsverhältnis und variabler ladung (vcrc-motor) - Google Patents

Hochleistungsmotor mit variablem verdichtungsverhältnis und variabler ladung (vcrc-motor) Download PDF

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Description

  • Verweis auf verwandte Anmeldung
  • Diese Anmeldung nimmt Bezug auf die vorläufige Anmeldung 60/253.799, eingereicht am 29.11.2000 von Ken Cowans mit dem Titel "High Efficiency Engine with Variable Compression Ratio and Charge; (VCRC Engine)" (Motor mit hohem Wirkungsgrad mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis und veränderlicher Ladung; (VCRC-Motor).
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, die dazu ausgelegt sind, in einer Ausführungsform, die ohne Weiteres herstellbar ist, den Wirkungsgrad zu verbessern, Leistungsgewichte zu verbessern und ausgestoßene Schadstoffe zu verringern. Die Erfindung ist am meisten anwendbar auf Motoren, die in Kraftfahrzeuganwendungen (Kfz-Anwendungen) verwendet werden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, einen Antriebsmotor bereitzustellen, d.h. eine Vorrichtung zum Gewinnen von mechanischer Energie aus der Wärmeenergie eines brennenden Kraftstoffs, mit höherem Wirkungsgrad bei geringerem Gewicht und kleinerer Ausführungsform als bisher der Fall war; insbesondere bei Leistungsanforderungen, die geringer sind als das Maximum des Motors. Die Hauptverwendung für die Erfindung ist für den Kraftfahrzeugantrieb: Für diese Anwendung ist der Wirkungsgrad bei niedrigem Motordrehmoment bei mittleren Drehzahlen von Hauptinteresse, da ein Kraftfahrzeugmotor die meiste Zeit bei ca. 10% seiner maximalen Leistungsabgabe bei mittleren Drehzahlen – typischerweise zwischen 1.500 und 3.000 U/min arbeitet.
  • Die in dieser Spezifikation verwendete technische Terminologie entspricht der Standardpraxis des Maschinenbaus. Es wurden drei Werke als technische Bezugsquellen verwendet. Sie sind:
    • Avallone und Baumeister, Her., Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers (Marks Standardhandbuch für Maschinenbauer), zehnte Ausgabe, McGraw-Hill, 1996: bezeichnet als 'Marks'.
    • Ricardo, Harry R., The High Speed Internal Combustion Engine (Der Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsmotor), vierte Ausgabe, Blackie & Son, Ltd., 1967: bezeichnet als 'Ricardo'.
    • Stephenson, R. Rhoada., Should We Have a New Engine? (Sollten wir einen neuen Motor haben?), Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 1975: bezeichnet als 'Stephenson'.
  • In der aktuellen Kfz-Praxis wird üblicherweise ein Funkenzündungsmotor (Ottomotor) mit einem thermischen Wirkungsgrad von ungefähr 20% eingesetzt, d.h. ungefähr 20% der Wärmeenergie des verwendeten Kraftstoffs werden in mechanische Energie umgewandelt. Alternativ wird ein Kompression-Zündungsmotor, üblicherweise Dieselmotor genannt, eingesetzt, der bei niedriger Ausgangsleistung einen etwas höheren Wirkungsgrad hat. Der zusätzliche Wirkungsgrad des Dieselmotors wird bei der Anwendung in Personenautos (Pkw) durch das zusätzliche Gewicht der derzeitigen Dieselmotoren kompensiert. Ein typischer Pkw mit Dieselmotor ist nicht effizienter als ein Fahrzeug mit gleicher Leistung mit einem Ottomotor. Vergleiche scheinbarer Unterschiede im Kraftstoffverbrauch zwischen Ottomotoren und Dieselmotoren werden durch den unterschiedlichen Energiegehalt von Dieselkraftstoff und Benzin verschleiert. Dieselkraftstoff enthält für ein gegebenes Volumen, Liter oder Gallone, ungefähr 18% mehr Energie als Benzin: Daher würde ein genauer Vergleich eines Diesel-Pkw, der 40 Meilen/Gallone erreicht mit einem Pkw mit Ottomotor, der 32 Meilen/Gallone erreicht, zeigen, dass die beiden Fahrzeuge beinahe genau die selbe Energiemenge verbrauchen. Noch genauere Vergleiche, die die Leistung der beiden Fahrzeuge berücksichtigen, zeigen, dass das Auto mit Dieselantrieb häufig weniger effizient ist als ein gleichwertiges Fahrzeug mit Ottomotor. Dieses Argument wird von Toyota und Honda mit der Wahl von Ottomotoren für das Prius bzw. Insight Fahrzeug unterstützt. Diese beiden Autos sind dazu konzipiert, unter Anwendung moderner Verfahren, das Äußerste an geringem Kraftstoffverbrauch zu bieten.
  • Mit der obigen Diskussion wird das Problem der Erhöhung des Wirkungsgrads von Kraftfahrzeugen ansatzweise veranschaulicht. Es genügt nicht, den maximalen Wirkungsgrad der Antriebsmaschine zu erhöhen; der Wirkungsgrad bei niedrigen Leistungsabgaben und das Gewicht des Motors sind von gleicher oder größerer Bedeutung. Um diese Erhöhung des Systemwirkungsgrads zu erreichen, ist es nötig, die Motorreibung zu verringern, das Leistungsgewicht des Motors zu erhöhen und sich auf die Erhöhung des Wirkungsgrads des Verbrennungsprozesses im Motor im Einzelnen zu konzentrieren. In der heutigen Umwelt muss außerdem sichergestellt werden, dass der Motor die Umwelt nicht verschmutzt. Wenn der Motor nicht inhärent sauber ist, kann alles Zubehör, das hinzugefügt werden muss, um Abgasschadstoffe im heute erforderlichen Maß zu beseitigen, den Wirkungsgrad leicht direkt verringern und das für dieses Zubehör hinzugefügte Gewicht erhöht den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs.
  • Die meisten aktuellen Vorschläge schaffen es nicht, die Komplexität dieses Problems umfassend zu behandeln. Jede Lösung, die sich mit dem Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren befasst, muss den grundlegenden Verbrennungsprozess selbst berücksichtigen. Um einen hohen Wirkungsgrad bei sehr niedrigen Leistungsabgaben zu erhalten, muss eine Lösung das Problem der mageren Verbrennung behandeln. Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe verbrennen nicht schnell genug, um in einem Motor mit Kfz-Größe bei Kraftstoff-/Luftverhältnissen unter 50–60% des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses verwendet zu werden. Um eine ultra-effiziente Verbrennung bei 10% der maximalen Leistungsabgabe zu erhalten, muss der Kraftstoff in der Zeit, die ein Motor braucht, um 30–35° bei ca. 2.000 U/min zu drehen bzw. in ca. 3 Millisekunden effizient bei Luft-Kraftstoff-Verhältnissen um 15–20% des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses mit Luft vermischt werden. Dies hat sich in praktikablen Systemen als nicht machbar erwiesen, ganz gleich, was mit einem Luft-Kraftstoffmassengemisch gemacht wird.
  • Dieselmotoren umgehen dieses Problem, indem der Kraftstoff fein zerteilt und in eine Heißluftumgebung gesprüht wird. Die resultierende Verbrennung findet um jedes Tröpfchen herum bei einem beinahe genau stöchiometrischen Kraftstoff-/Luftverhältnis statt: So ist ein Gemisch, bei dem es sich nominell um ein Massengemisch aus Kraftstoff und Luft bei einem geringen Luft-Kraftstoff-Verhältnis handelt, in Wirklichkeit ein Gemisch aus Mikroumgebungen aus Kraftstoff und Luft in nahezu stöchiometrischem Verhältnis. Die Nachteile, die diese Vorgehensweise mit sich führt, sind z. B. die hohen Reibungen, die die Verwendung von Verdichtungsverhältnissen um 20:1, die für Motoren in Kfz-Größe benötigt werden, mit sich bringt sowie das zuvor erwähnte zusätzliche Gewicht. Das veranschaulicht, dass mit der Lösung das Problem der mechanischen Reibung wirksam angegangen werden muss.
  • Reibung und ihre Auswirkung auf den Teillastwirkungsgrad werden in aktuellen vorgeschlagenen Lösungen für Kfz-Antriebsmaschinen weitgehend vernachlässigt. Die Auswirkung der Reibung ist ein sehr komplizierter Faktor. Typische moderne Produktions-Kfz-Motoren bekämpfen Reibung, indem anspruchsvolle Ventilsteuerungs- und Ansaugsysteme eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass maximale Lagerbelastungen nur bei mittleren und höheren Drehzahlen auftreten, bei denen Radiallager höhere Druckbelastungen aushalten können. Dadurch können die selben Radiallager kleiner ausgeführt werden und daher tragen die Lager weniger Reibung zur Verschlechterung der Motorleistung bei.
  • Die Auswirkung der Reibung ist besonders kompliziert, wenn sie in Verbindung mit dem Verdichtungsverhältnis betrachtet wird. Ein höheres Verdichtungsverhältnis in einem Verbrennungsmotor führt unweigerlich zu einem begleitend erhöhtem thermischen Wirkungsgrad. Dabei erhöht sich leider auch die Reibung, da das zusätzliche Verdichtungsverhältnis unweigerlich durch zusätzliche Reibung von den größeren Lager begleitet wird, die benötigt werden, um die höheren Lasten aufzunehmen, die bei dem höheren Verdichtungsverhältnis auftreten. Die Reibungslasten wirken sich insbesondere dann auf den Motor aus, wenn geringe Leistung bei mittlerer Drehzahl geliefert wird, was der normale Betrieb für einen Kfz-Motor ist.
  • Es ist äußerst wünschenswert, einen Motor zu realisieren, der für eine gegebene Leistungsabgabe merklich leichter und kleiner ist als herkömmliche Motoren. Es ist wohl bekannt, dass der von einem Straßenfahrzeug verbrauchte Kraftstoff ungefähr proportional zum Gewicht des Fahrzeugs ist. Die Kombination eines erhöhten Wirkungsgrads mit verringertem Motorgewicht senkt den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugsystems erheblich. Das gilt insbesondere, wenn die Auswirkungen der in der Kfz-Technik so genannten Gewichtspropagierung berücksichtigt werden. Dieser Begriff beschreibt die Auswirkungen der Veränderung des Gewichts einer beliebigen Komponente eines Fahrzeugsystems. Da die Komponente vom Fahrzeugsystem getragen werden muss und die Masse der Komponente von den Bremsen des Fahrzeugs angehalten werden muss, bringt die unweigerliche Auswirkung der Veränderung des Gewichts einer beliebigen Komponente des Fahrzeugs weiter eine Veränderung des Fahrzeuggewichts um ungefähr 70% der ursprünglichen Gewichtsänderung mit sich. Daher führt eine Verringerung des Motorgewichts um 100 Pfund infolge der Auswirkungen der Gewichtspropagierung zu einer Gesamtgewichtsverringerung von ungefähr 170 Pfund.
  • Schadstoffe von Verbrennungsmotoren
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung, die in der heutigen Umwelt erfüllt werden muss, ist die Schaffung einer Antriebsmaschine, die Kraftstoff auf eine inhärent saubere Weise verbrennt, deren Verbrennungsprozess inhärent wenige der mit Verbrennungsmotoren assoziierten Schmutzstoffe erzeugt. Ein derartiger Motor erfordert die gleichzeitige Verwendung weniger bzw. kleinerer Reinigungsmechanismen, wie beispielsweise Katalysatoren, um die immer strengeren Auflagen für Motoren in öffentlichem Gebrauch zu erfüllen.
  • Schadstoffe von Verbrennungsmotoren treten in zwei allgemeinen Arten aus: Stickstoffoxide und unverbrannte oder teilweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe (die Kohlenmonoxiderzeugung in Motoren kann als aus der teilweisen Verbrennung des Kohlenstoffs in einem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff resultierend betrachtet werden). Diesel- bzw. Kompressions-Zündungsmotoren erzeugen infolge der Art der Verbrennung in Kompressions-Zündungsmotoren Feststoffpartikel, mikroskopisch kleine Teilchen aus Kohlenstoff und anderer Materie. Gut ausgelegte Motoren, die homogene Gemische aus Kraftstoff und Luft verwenden, wie sie in typischen Ottomotoren verbrannt werden, haben kaum die Tendenz, erhebliche Mengen von Feststoffpartikeln zu erzeugen.
  • Stickstoffoxide werden gebildet, wenn Sauerstoff und Stickstoff zusammen auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden (ca. 2.500°C und darüber), wie sie bei der Verbrennung von Kraftstoff-/Luftgemischen vorkommen. Die Bildung von Stickstoffoxiden wird verstärkt, wenn brennende Kraftstoff-/Luftgemische nahe bei stöchiometrischen Mischungsverhältnissen liegen. Die Bildung von Stickstoffoxiden wird bei Gemischen aus brennendem Kraftstoff und Luft verringert, die eine übermäßige Menge von entweder Kraftstoff oder Luft enthalten und wird weiter verringert, indem das Kraftstoff-/Luftgemisch zusammen mit Inertgasen, wie beispielsweise zurückgeführten Abgasprodukten (EGR) verbrannt wird. Stephenson zeigt Daten von Slumberg, P. und Kummer, J. T., "Predictions of NO Formation in Spark-lnited Engines – An Analysis of Methods of Control" (Vorraussagen der NO-Bildung in funkengezündeten Motoren – eine Analyse der Verfahren zur Regelung), Combustion Science and Technology, Vol. 4, Seiten 73–95. Diese haben gezeigt, dass ein Motor verschwindend geringe Mengen Stickstoffoxide erzeugte, wenn Kraftstoff in einer Atmosphäre mit 40% überschüssigem Kraftstoff bzw. überschüssiger Luft über stöchiometrischen Verhältnissen verbrannt wurde und eine geringe Menge EGR vorhanden war. Diese Daten sind in grafischer Form in 9 dargestellt.
  • Die vollständige Verbrennung des Kraftstoffs in einem Motor, mit der Folge, dass kleine Mengen nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxide aus dem Prozess resultieren, wird am gründlichsten durch Verbrennen mit einem Überschuss von Luft gegenüber stöchiometrischen Verhältnissen bei erhöhten Temperaturen, gefolgt von Oxidation in einem Katalysator erreicht. Die gründliche Verbrennung solcher mageren Gemische lässt sich jedoch nicht einfach implementieren. Gleichmäßig vermischte magere Gemische verbrennen zu langsam, um in einem Motor nützlich zu sein, der für die Verwendung bei Drehzahlen von 1.000–6.000 U/min ausgelegt ist, wenn die Verbrennung im gleichmäßig vermischten Luft-/Kraftstoff-Massengemisch ausgelöst wird.
  • Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren
  • Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors wird anhand komplizierter Beziehungen bestimmt. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten, müssen viele einzelne Faktoren gegeneinander abgewogen werden. Jeder dieser Faktoren neigt dazu, auf irgendeine Weise oder Weisen, den Auswirkungen anderer entgegenzuwirken. Die Hauptparameter, die bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen sind:
    • a. Grundlegender thermischer Wirkungsgrad
    • b. Reibung zwischen inneren Teilen, die beim Laufen des Motors auftritt
    • c. Nichtlinearitäten infolge chemischer Wechselwirkungen im brennenden Kraftstoff-/Luftgemisch.
    • d. Druckabfälle, die stattfinden, wenn Luft in den Motor strömt und Abgasprodukte aus dem Motor ausgestoßen werden.
  • 1. Grundlegender thermischer Wirkungsgrad
  • Der Wirkungsgrad einer Antriebsmaschine ist der Anteil der aus der Kraftstoffverbrennung gewonnenen Wärmeenergie, der in nutzbare mechanische Energie umgewandelt wird. Indizierter thermischer Wirkungsgrad ist ein Begriff, der dazu verwendet wird, den Anteil der aus dem Kraftstoff gewonnen Energie zu beschreiben, der im Motor in mechanische Energie umgewandelt wird, obwohl ein Teil dieser Energie infolge von Faktoren, wie beispielsweise Reibung im Motor und der zum Betreiben von für den Motorbetrieb benötigten Zusatzmechanismen verbrauchten Energie, möglicherweise nicht außerhalb des Motors verfügbar ist. Effektiver thermischer Wirkungsgrad ist der Begriff, der dazu verwendet wird, den Wirkungsgrad des Motors als Anteil der Wärmeenergie des Kraftstoffs zu beschreiben, der außerhalb des Motors als nutzbare Energie verfügbar ist. Reibung wandelt einen Teil der durch den Motorprozess erzeugten grundlegenden mechanischen Energie in Wärme um, bevor mechanische Energie aus dem Motor heraus übertragen wird: Der Unterschied zwischen dem indizierten thermischen Wirkungsgrad und dem effektiven thermischen Wirkungsgrad ist daher der Anteil der Wärmeenergie, der durch die Bewegung von Motorteilen gegen die innere Reibung des Motors, durch Druckabfälle von im Motor strömenden Gasen und zum Antreiben von für den Motorbetrieb notwendigen Zusatzmechanismen im Motor verbraucht wird. Diese letzte Kategorie umfasst Kraftstoffpumpen, Wasserpumpen und die Ventilsteuerung.
  • 2. Reibung der inneren Teile, die stattfindet, wenn sich Motorteile bewegen
  • Wie vorangehend erwähnt, reduziert Reibung den thermischen Nettowirkungsgrad des Motors. Mechanische Reibung in einem Verbrennungsmotor entsteht überwiegend in den Lager, die die Kurbelwelle tragen, durch das Reiben von Kolben an den Zylinderwänden und infolge Reibung im Ventilmechanismus. Die Lager- und Kolbenreibung hängt von den Lasten im Motor ab. Die Lasten verändern sich mit der genauen Auslegung des Motors, sind jedoch immer eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses des Motors: Ein höheres Verdichtungsverhältnis führt zu höheren Lager- und Kolbenbelastungen. Marks, Abschnitt 8, zeigt, dass die Größe von Lager und ihre relative Reibleistungsbelastung, proportional ist zur auf die Lager ausgeübten Last bzw. Kraft. Die Daten zeigen außerdem, dass Radiallager eine Last tragen können, die zur Notationsgeschwindigkeit der Lagerwelle proportional ist.
  • Die Verwendung eines hohen Verdichtungsverhältnisses erhöht den indizierten thermischen Wirkungsgrad eines Motors. Ein Anstieg des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors bewirkt jedoch immer eine Erhöhung der Reibung eines echten Motors gegenüber dem Motor als theoretische Einheit. Dies führt zu einer Abnahme des durchschnittlichen Betriebswirkungsgrads bei Verdichtungsverhältnissen über ungefähr 8:1 im Fall von Ottomotoren, die zum Fahrzeugtransport verwendet werden. Dies wird deutlich in Ricardo gezeigt, einem der grundlegenden Texte zu Verbrennungsmotoren. Die Beziehung, die zu dieser Schlussfolgerung führt, liegt in der Tatsache, dass der Großteil der Nutzung eines Motors, insbesondere für den Personentransport auf der Straße, und praktisch alle Antriebsmaschinen allgemein, bei Leistungen stattfindet, die weit unter dem Maximum liegen, die aus dem Motor bezogen werden können. So ist ein Motor mit einem hohen Wirkungsgrad bei Vollleistung mit einem Verdichtungsverhältnis von 10:1 bei der gesamten Pkw-Nutzung weniger effizient als ein korrekt ausgelegter Motor mit einem Verdichtungsverhältnis von 8:1, wenn beide Motoren bei 30% ihres maximalen Drehmoments betrieben werden. Dieses Drehmomentniveau ist für Personentransportbedürfnisse typisch und außerdem ungefähr repräsentativ für viele Anwendungen von Antriebsmaschinen. Der Grund für den höheren Wirkungsgrad des Motors, der ein optimales Verdichtungsverhältnis nutzt, liegt darin, dass die Lager und anderen tragenden Glieder des Motors groß genug ausgelegt werden müssen, um dem höchsten auftretendem Druck im Motor standzuhalten. Das führt zu größeren Reibungsverlusten im Motor mit dem höheren Verdichtungsverhältnis: Diese größeren Reibungsverluste werden durch den höheren indizierten thermischen Wirkungsgrad bei voller Drehmomentanforderung mehr als wettgemacht, wenn jedoch die Nutzung des Motors insgesamt untersucht wird, ist der durchschnittliche Wirkungsgrad eines Motors mit einem Verdichtungsverhältnis von ungefähr 8:1 effizienter als der eines Motors mit einem Verdichtungsverhältnis von 10:1. Die Tatsache, dass der Motor verwendet wird, um ein typisches Drehmoment von ungefähr 30% des Maximums zu liefern, bedeutet, dass der Wirkungsgrad während dieses Betriebs für den durchschnittlichen Wirkungsgrad von größerer Bedeutung ist als der bei der Nutzung des Motors bei vollem Drehmoment erreichte Wirkungsgrad.
  • 3. Nichtlinearitäten infolge chemischen Wechselwirkungen im brennenden Kraftstoff-/Luftgemisch.
  • Ein hohes Verdichtungsverhältnis bringt außerdem einige chemische Verluste mit sich. Die durch die Verwendung höherer Verdichtungsverhältnisse erreichten Wirkungsgradgewinne werden erhalten, da Wärme mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis bei höheren Temperaturen aus dem Kraftstoff ausgezogen wird: Jeder Wärmemotor wird effizienter, wenn die Temperatur, bei der die Wärme dem Motor zugeführt wird, relativ zur Temperatur, bei der Wärme aus dem Motor abgeführt wird, erhöht wird. Dies folgt aus grundlegenden Lehren von Carnot. Bei Temperaturen über ca. 2.000°C treten zwei Effekte – Absonderung und nichtlineare spezifische Wärmekapazität – in den Kraftstoff-/Luft-Produkten Kohlendioxid und Wasserdampf, den Grundprodukten der Verbrennung organischer Kraftstoffe, auf. Die Auswirkung dieser beiden Phänomene ist die Verringerung der nutzbaren Wärmemenge, die im Motor Energie erzeugen kann. Wenn daher ein Motor dazu ausgelegt wird, immer höhere Verdichtungsverhältnisse zu verwenden, nimmt die Abweichung vom theoretischen Wirkungsgrad zu, so dass der tatsächliche Wirkungsgrad abnimmt, und zwar infolge der zuvor erwähnten Reibungseffekte und auch aufgrund der Tatsache, dass Auswirkungen von Absonderung und veränderlicher spezifischer Wärmekapazität einem Teil des durch das höhere Verdichtungsverhältnis gewonnenen zusätzlichen Wirkungsgrads entgegenwirken. Chemischen Verlusten wird entgegengewirkt, indem magere Gemische im Motor verwendet werden, d.h. Gemische aus Kraftstoff und Luft mit überhöhten Luftmengen.
  • 4. Druckabfälle, die stattfinden, wenn Luft in den Motor strömt und Abgasprodukte aus dem Motor ausgestoßen werden.
  • Wenn ein beliebiges Gas durch eine Röhre oder ähnliche Leitung strömt, ist ein Druckgradient im Gas erforderlich, um die Geschwindigkeit des Gases durch die Leitung aufrecht zu erhalten. Die selbe Aussage gilt für Gas, das durch eine Öffnung oder einen Eintritt in die Leitung oder aus einem solchen Durchlass heraus strömt: Ein Verlust von Druck und damit Energie tritt immer dann auf, wenn Gas mit bedeutender Geschwindigkeit transportiert wird. Diese Energie muss vom Motor geliefert werden und erzeugt daher einen Verlust des Wirkungsgrads. Wie vorangehend im Abschnitt über Reibung erwähnt, können diese Druckabfälle als eine Form von mechanischer Reibung betrachtet werden.
  • Auslegungsansätze für hohe Wirkungsgrade in Verbrennungsmotoren
  • Das gegeneinander Abwägen der vorangehenden Parameter ist keine einfache Aufgabe. Der optimale Motor hätte vernachlässigbare Reibung, ein hohes Verdichtungsverhältnis, eine geringe Gasgeschwindigkeit in allen Beförderungsleitungen und wurde den Kraftstoff zu praktisch jeder Zeit in einem mageren Gemisch verbrennen. Der VCRC-Motor nutzt einen einzigartigen Ansatz, um einen nah an diesem Ideal liegenden Motor zu erhalten.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Das VCRC-Prinzip beruht auf einem einzigartigen Verfahren der Optimierung und Minimierung der Verluste in einer Verbrennungs-Antriebsmaschine zur Schaffung einer Antriebsmaschine mit höchstem Wirkungsgrad. Die Umsetzung des Einzelheiten des Prinzips führt außerdem zu einem Verbrennungsmotor, dessen Verbrennung inhärent geringe Mengen von Schadstoffen in Form von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid oder Stickstoffoxiden erzeugt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, umfassend mindestens eine Kolben-/Zylinderkombination mit einem Hauptzylinder und einem Zusatzzylinder, die über eine Leitung miteinander in Verbindung stehen, wobei der Zusatzzylinder und die Leitung ein Zusatzvolumen bilden und der Zusatzzylinder einen Zusatzkolben mit veränderlicher Stellung enthält; ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Zuführen von Kraftstoff in das Zusatzvolumen; eine erste Regelungsvorrichtung für das Kraftstoffeinspritzsystem, eine zweite Regelungsvorrichtung zum Verändern des Zusatzzylindervolumens und eine Zündvorrichtung, die mit dem Zusatzvolumen in Verbindung steht, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Leiten der gesamten, an den Motor zugeführten Luft in das Hauptzylindervolumen und in das Zusatzvolumen; Leiten des gesamten Kraftstoffs in das Zusatzvolumen; Auslösen der Verbrennung des Kraftstoffs und der Luft in dem Hauptzylindervolumen; Abschließen der Verbrennung des Kraftstoffs und der Luft in dem Hauptzylindervolumen; und Ändern des Volumens des Zusatzzylinders, um das Verdichtungsverhältnis der Zylinder-/Kolbenkombination zu verändern; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Motor um einen funkengezündeten Verbrennungsmotor handelt; und der Kraftstoff durch Vermischen mit Luft, die während eines Teils oder der gesamten Verdichtungsphase des Motors in der Leitung in das Zusatzvolumen strömt, in das Zusatzvolumen geleitet wird, so dass darin ein brennbares Gemisch aus Kraftstoff und Luft gebildet wird, das im Wesentlichen vor dem Auslösen der Verbrennung gleichmäßig vermischt wird; der Kraftstoff im Wesentlichen nur in die Leitung in die in den Zusatzzylinder strömende Luft eingespritzt wird.
  • Optional umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Bereitstellens von Kraftstoff und Luft an das Zusatzvolumen in einem Verhältnis von Kraftstoff zu Luft, das mindestens stöchiometrisch oder reicher an Kraftstoff ist.
  • Optional werden der Kraftstoff und die Luft in einem Verhältnis von Kraftstoff zu Luft an das Zusatzvolumen bereitgestellt, das mindestens 40% reicher an Kraftstoff ist als stöchiometrisch.
  • Optional umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Änderns der Kraftstoffzufuhr in Entsprechung mit der auf die Zylinder-/Kolbenkombination aufgebrachten Drehmomentanforderung und des Änderns des Verdichtungsverhältnisses in umgekehrter Entsprechung mit der Drehmomentanforderung.
  • Der Schritt des Änderns der Größe des Zusatzzylindervolumens umfasst optional das Verändern des Volumens zwischen einem minimalen und einem gewünschten Wert für jede Verbrennungssequenz.
  • Der Schritt des Änderns der Größe des Zusatzzylindervolumens umfasst optional das Verändern des Volumens zwischen einem minimalen und einem gewünschten Wert für jede Verbrennungssequenz.
  • Der Schritt des Änderns der Größe des Zusatzzylindervolumens umfasst optional das Verändern des Volumens zwischen einem minimalen und einem gewünschten Wert für jede Verbrennungssequenz während des Abschnitts des Motortakts, in dem der Motor unter minimalem Druck steht.
  • Optional verändert sich die Regelung der Größe des Zuatzzylindervolumens als Reaktion auf die Drehzahl des Motors, um das Verdichtungsverhältnis in Entsprechung mit der Drehzahl des Motors zu verändern.
  • Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich um einen Zweitaktmotor handeln.
  • Der Schritt des Änderns der Größe des Zusatzzylindervolumens umfasst optional das Verändern des Volumens zwischen einem minimalen und einem gewünschten Wert für jede Verbrennungssequenz während des Abschnitts des Motortakts, in dem der Motor Verdichtung erfährt, und wobei das Zusatzzylindervolumen während der Zeit, in der der Motor unter minimalem Druck steht, zum minimalen Volumen zurückgeführt wird.
  • Die an den Motor zugeführte Luft umfasst optional eine Menge zurückgeführten Abgases.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt einen Verbrennungsmotor bereit, umfassend mindestens eine Kolben-/Zylinderkombination mit einem Hauptzylinder; einem Zusatzzylinder, die über eine Leitung miteinander in Verbindung stehen, wobei der Zusatzzylinder und die Leitung ein Zusatzvolumen bilden, wobei der Zusatzzylinder ein Volumen hat, das mit einem Zusatzkolben regelbar veränderlich ist, um das Verdichtungsverhältnis zu verändern; ein Kraftstoffeinspritzsystem, das ein Kraftstoffeinspritzventil zum Zuführen von Kraftstoff in das Zusatzvolumen umfasst; eine erste Regelungsvorrichtung, die eine Kraftstoffzufuhr zu dem Kraftstoffeinspritzventil regelt; eine zweite Regelungsvorrichtung zum Verändern des Zusatzzylindervolumens und eine Zündvorrichtung, die mit dem Zusatzvolumen in Verbindung steht; wobei die zweite Regelungsvorrichtung für den Zusatzkolben so ausgelegt ist, dass sie das maximale Volumen des Zusatzzylinders während eines bestimmten Motortakts in Entsprechung mit der Kraftstoffmenge verändert, die benötigt wird, um das während des bestimmten Takts von dem Verbrennungsmotor verlangte Drehmoment zu liefern; dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Regelungsvorrichtung dazu konfiguriert ist, Kraftstoff während eines Teils oder der gesamten Verdichtungsphase des Motors in das Zusatzvolumen einzuspritzen, um darin ein brennbares Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu bilden, das im Wesentlichen vor dem Auslösen der Verbrennung gleichmäßig vermischt wird, es sich bei dem Motor um einen funkengezündeten Verbrennungsmotor handelt; und das Einspritzsystem so platziert ist, dass es Kraftstoff im Wesentlichen nur in die Leitung in die in den Zusatzzylinder strömende Luft einspritzt.
  • Optional regelt die an den Zusatzkolben gekoppelte zweite Regelungsvorrichtung das Verdichtungsverhältnis in umgekehrter Entsprechung zur von der ersten Regelungsvorrichtung zugeführten Kraftstoffmenge.
  • Die zweite Regelungsvorrichtung ist optional an den Zusatzkolben gekoppelt und ist wirksam, um den Zusatzkolben im Wesentlichen nur während der Zeit zu bewegen, in der der Druck im Motor nach am während des Motortakts vorkommenden minimalen Wert liegt.
  • Optional verändert die zweite Regelungsvorrichtung das Volumen zwischen einem minimalen und einem gewünschten Volumen für jede Verbrennungssequenz.
  • Die zweite Regelungsvorrichtung verändert optional die Größe des Zuatzzylindervolumens als Reaktion auf die Drehzahl des Motors, um das Verdichtungsverhältnis in Entsprechung mit der Drehzahl des Motors zu verändern.
  • Optional verändert die zweite Regelungsvorrichtung die Größe des Zusatzzylindervolumens als Reaktion auf die Menge des während des Verdichtungshubs des Motors an den Zusatzzylinder geförderten Kraftstoff-/Luftgemischs und führt das Volumen des Zusatzzylinders auf ein Minimum zurück, während der Motor unter minimalem Druck steht.
  • Optional ist die zweite Regelungsvorrichtung so ausgelegt, dass sie eine Kraft auf den Zusatzkolben ausübt, die den Kolben so ausrichtet, dass das Zusatzzylindervolumen auf einem Minimum gehalten wird, wenn der Druck im Motor bei einem Minimum liegt und die zweite Regelungsvorrichtung ist dazu konfiguriert, die zyklische Bewegung des Zusatzkolbens unter der Wirkung des Motordrucks zu führen und zu begrenzen.
  • Die zweite Regelungsvorrichtung umfasst optional eine hydraulische Dämpfungsvorrichtung, um die zyklische Bewegung des Zusatzkolbens unter der Wirkung des Motordrucks zu führen und zu begrenzen, die Folgendes umfasst: einen Hydraulikkolben, der an dem Zusatzkolben befestigt ist und dazu gezwungen wird, sich in gleichzeitiger Bewegung mit dem Zusatzkolben zu bewegen, einen hydraulischen Regelzylinder, der eng um den Hydraulikkolben sitzt, wobei der hydraulische Regelzylinder mit einer im Wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt ist, eine Entlüftungsöffnung, die den Fluss der Flüssigkeit in den und aus dem hydraulischen Regelzylinder zulässt, einen Zusatzventilsteuerungsmechanismus in der hydraulischen Dämpfungsvorrichtung, der angewiesen wird, die Entlüftungsöffnung bei verschiedenen Stellungen des Regelkolbens zu schließen, um die Bewegung des Regelkolbens über die benötigte Bewegung hinaus zu verhindern.
  • Der Ventilsteuerungsmechanismus besteht optional daraus, dass die Entlüftungsöffnung so positioniert in der Wand des Hydraulikzylinders platziert wird, dass der Fluss der Flüssigkeit von dem Hydraulikzylinder unterbrochen wird, wenn der Hydraulikkolben die Entlüftungsöffnung in der gewünschten Stellung des Hydraulikkolbens verdeckt, wobei der Hydraulikzylinder durch einen Mechanismus bewegbar ist, der dazu ausgelegt ist, den Hydraulikzylinder dazu zu positionieren, die Dämpfung des Hydraulikkolbens zu regeln, um die Entlüftungsöffnung zu platzieren, so dass Fluss der Flüssigkeit durch die Entlüftungsöffnung im Wesentlichen durch den Außendurchmesser des Hydraulikkolbens unterbunden wird, wenn sich der Hydraulikkolben in der Stellung befindet, in der Dämpfung erwünscht ist.
  • Optional umfasst der Ventilsteuerungsmechanismus einen nicht beweglichen statischen Hydraulikkolben, der im Wesentlichen den selben Durchmesser hat, wie der Hydraulikzylinder und koaxial mit dem Hydraulikzylinder angeordnet ist, wobei der statische Hydraulikkolben am dem Hydraulikkolben gegenüberliegenden Ende im Hydraulikzylinder platziert ist, wobei der Hydraulikzylinder an beiden Enden offen ist und gleitfähig angeordnet ist, um sich koaxial mit dem statischen Hydraulikkolben und dem Hydraulikkolben zu bewegen.
  • Systeme und Subsysteme
  • Motoren gemäß der Erfindung können die vorangehenden Ziele erreichen, indem das Verdichtungsverhältnis mit abnehmender Drehmomentanforderung des Motors über den Drosselbereich des Motors erhöht wird. Wenn das Verdichtungsverhältnis erhöht wird, kann der Motor unter Anwendung eines Verfahrens der Verbrennung getrennter Ladungen gleichzeitig für ein magereres Verbrennen des in den Motor aufgenommenen Kraftstoffs sorgen. Die Kombination des höheren Verdichtungsverhältnisses mit magererer Verbrennung kann den Wirkungsgrad des Motors in Situationen erhöhen, in denen das vom Motor verlangte Drehmoment geringer ist als das Maximum. Da praktisch alle Anwendungen von Antriebsmaschinen den Großteil ihrer Aufgaben bei diesen niedrigeren Drehmomentwerten ausführen, kann der Gesamtwirkungsgrad von Systemen, die den erfinderischen Ansatz nutzen, gleichermaßen erhöht werden.
  • Dieser Ansatz hat viele Merkmale, wird hierin jedoch als veränderliches Verdichtungsverhältnis und Ladung (Variable Compression Ratio and Charge, VCRC) gekennzeichnet. VCRC-Motoren können insbesondere die effiziente Drosselung von Zweitaktmotoren ermöglichen. Dieser Wirkungsgrad wird weiter durch ein Subsystem der Erfindung verbessert, der auf Zweitaktmotoren anwendbar ist. Mit einer einzigartigen Anordnung eines motorgetriebenen Ladegebläses und eines abgasgetriebenen Turboladers können sogar weitere Erhöhungen des Wirkungsgrads bei Zweitaktversionen des VCRC erreicht werden.
  • Der VCRC-Motor kann durch ein Verfahren der Verbrennung in zwei Phasen eine Verringerung von sowohl Stickstoffoxiden als auch unverbrannten Kohlenwasserstoffen erreichen. Zuerst kann der Kraftstoff in einer gleichmäßig gemischten kraftstoffreichen Umgebung verbrannt werden, die eine gewisse Menge EGR enthält. Dieser Verbrennungsmodus minimiert die Bildung von Stickstoffoxiden. Auf das anfängliche Verbrennen kann unmittelbar ein Abschluss des Verbrennungsprozesses in einer Umgebung folgen, in der Luft, im Vergleich zur zum vollständigen Verbrennen des Kraftstoffs erforderlichen Menge, in überhöhten Mengen vorhanden ist.
  • So können im VCRC-Verbrennungsmotor das Verdichtungsverhältnis und die während jedes Zündzyklus verbrannte Kraftstoffmenge (die "Ladung") gleichzeitig als Reaktion auf das vom Motor verlangte Drehmoment verändert werden. Eine Senkung der Drehmomentanforderung kann von einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses des Motors und einem verringerten Kraftstofffluss begleitet werden. Die Beziehung zwischen Verdichtungsverhältnis und zugeführtem Kraftstoff kann auf eine derartige Weise verändert werden, dass der Spitzendruck im Verbrennungsprozess des Motors für alle Drehmomentanforderungen bei einer gegebenen Drehzahl auf nahezu konstantem Niveau bleibt. Die Beziehung der zwei Parameter, Verdichtungsverhältnis und Kraftstoff-/Luftverhältnis kann ebenfalls mit sich ändernder Motordrehzahl verändert werden, um den Verbrennungsspitzendruck mit zunehmender Motordrehzahl zu erhöhen.
  • Motoren gemäß der Erfindung können außerdem Subsysteme umfassen, die es dem Grundmotor ermöglichen, mit erhöhtem Wirkungsgrad zu arbeiten und zulassen, dass die Ausführung kleiner und leichter sein kann, als die von derzeit gebräuchlichen Motoren.
  • Der Motor kann das Verdichtungsverhältnis und das Mischungsverhältnis gleichzeitig verändern, indem der Motor so angeordnet wird, dass er ein Verbrennungsvolumen in zwei Kammern hat, die über einen Durchgang miteinander verbunden sind. Das Volumen einer dieser Kammern kann durch einen getrennten Kolbensubsystemmechanismus verändert werden: Die Verbrennung wird in dieser Kammer mit veränderlichem Volumen eingeleitet, nachdem sie mit einem gleichmäßig gemischten Kraftstoff-/Luftgemisch gefüllt wurde. Der durch die anfängliche Verbrennung verursachte Anstieg von Druck und Temperatur kann das Kraftstoff-/Luftgemisch aus dem veränderlichen Volumen zwängen, um sich mit dem übrigen Motorvolumen zu mischen, in welchem Volumen die Verbrennung abgeschlossen wird.
  • Die Brennkammer mit veränderlichem Volumen kann durch einen Kolbenmechanismus verändert werden, der dazu angeordnet ist, sowohl zuverlässig als auch leicht regelbar zu sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein hydraulischer Dämpfer zusammen mit einem Kolben verwendet werden, der dazu ausgelegt ist, sich in bei jedem Motortakt in einer Hubbewegung hin und her zu bewegen. Durch eine solche Ausführung kann der Kolben während des Betriebs in seinem Zylinder zuverlässig geschmiert bleiben. Der hydraulische Dämpfer kann für die genaue und leicht zu implementierende Regelung der Bewegung des Kolbens sorgen.
  • Das Verbrennungsverfahren des VCRC-Motors kann außerdem weitere Vorteile bieten. Durch Trennen der Verbrennung in zwei Phasen, eine anfängliche Verbrennung des Großteils von Kraftstoff und Luft in einer an Kraftstoff überreichen Umgebung, gefolgt von einem Abschließen der Verbrennung in einem an Kraftstoff mageren Gemisch bei hoher Temperatur, können die Probleme des Motorklopfens nahezu vollständig eliminiert werden. Das Klopfen ist eine Explosion der letzten 5% oder weniger des Kraftstoff-/Luft-Massengemischs. Ein überschneller Anstieg des Drucks infolge der anfänglichen Verbrennung des Kraftstoff-/Luftgemischs erzeugt eine Druckwelle, die ein isoliertes Gemisch von Kraftstoff und Luft komprimiert und der begleitende Temperaturanstieg dieses isolierten Gemischs erzeugt eine explosive Situation, in der sich dieses Gemisch selbst entzündet, was den resultierenden explosionsartigen Anstieg von Druck und Lärm bewirkt. Im VCRC-Motor kann das "Endgas", wie dieses isolierte Kraftstoff-/Luftgemisch in der Verbrennungsmotortechnik genannt wird, ausschließlich aus Luft bestehen. Daher kann das Prinzip der Oktananforderungen für den verwendeten Kraftstoff in so große Entfernung von den Grenzwerten des Motors verschoben werden, dass es im Wesentlichen bedeutungslos wird. Beim Kraftstoff für einen VCRC-Motor kann es sich um ein nahezu beliebiges Gemisch aus Heizöl mit niedriger Oktanzahl und Benzin mit einem höheren Wert handeln. Die Notwendigkeit einer hohen Cetanzahl, die für die gleichmäßige Verbrennung in Kompressions-Zündungsmotoren erforderlich ist, kann ebenso unbedeutend sein.
  • Der VCRC-Motor wird hier als Zweitaktmotor veranschaulicht. Die Erfindung eignet sich am besten für die Zweitaktkonfiguration, ist jedoch nicht darauf beschränkt: Eine Viertaktkonfiguration, basierend auf den selben Grundsätzen, könnte ebenso einfach ausgeführt werden. Manche Subsysteme, die speziell für einen Zweitaktmotor anpassbar sind, sind ebenfalls Teil der Erfindung. Sie umfassen ein einzigartiges Verfahren des Zuführens von Luft an den Motor, auf eine Weise, die die mit der Luftbeförderung assoziierten Verluste minimiert.
  • Das VCRC-Prinzip kann außerdem ein einzigartiges Verbrennungsverfahren umfassen, um Energie mit höherem Wirkungsgrad, als heute in einem Verbrennungsmotor kommerziell möglich ist, aus einem brennenden Kraftstoff-/Luftgemisch zu gewinnen. Dieses Verfahren der Verbrennung kann den Vorteil haben, dass Luft und Kraftstoff chemisch kombiniert werden, während weniger Schadstoffe erzeugt werden als bei aktuellen Motorausführungen. Das VCRC-Verfahren kann die Luft und das Kraftstoff-/Luftgemisch im Motor in zwei getrennte Volumen aufteilen. Die Verbrennung kann in dem Abschnitt der Luft eingeleitet werden, der im Wesentlichen in einem gleichmäßigen Gemisch, das überreich an überschüssigem Kraftstoff ist, den gesamten Kraftstoff und nur einen Teil der zum Unterstützen der Verbrennung verwendeten Luft enthält. Der VCRC-Motor könnte dazu ausgelegt werden, außerdem ein gleichmäßiges Gemisch bereitzustellen, dass übermäßig mager ist. Ein perfektes Gleichgewicht zwischen Kraftstoff und Luft, das ein stöchiometrisches Verhältnis genannt wird, kann vermieden werden, da dieses Verhältnis zu einer übermäßigen Bildung von Stickstoffoxiden führt. Der Verbrennungsprozess kann abgeschlossen werden, indem die anfänglich verbrannte Luft und Kraftstoff mit der übrigen Luft zusammengeführt werden. Die übrige Luft kann in der Verbrennungskammer in mehr als ausreichenden Mengen vorhanden sein, um den gesamten Kraftstoff in der Kammer zu oxidieren.
  • Dieses Verbrennungsverfahren, das zusammen mit dem vorangehend erwähnten veränderlichen Volumen verwendet wird, kann ermöglichen, dass magere Kraftstoff-/Luftgemische bei erhöhten Verdichtungsverhältnissen in einer Motoreinheit mit geringer mechanischer Reibung verbrannt werden. Dadurch können innere Motorwirkungsgrade erzeugt werden, die höher sind, als bisher für möglich gehalten wurde.
  • Geschichtete Ladung gegenüber getrennter Ladung
  • Die geschichtete Ladung wird seit Langem als Verfahren zum Erhalten einer mageren Verbrennung in Ottomotoren eingesetzt. Es gibt verschiedene Auswirkungen, die meisten haben jedoch eine einzige gemeinsame allgemeine Ausführungsform. In ein von der Hauptverbrennungskammer abgetrenntes kleines Volumen wird eine Ladung von Kraftstoff und Luft zugeführt, die reich an Kraftstoff ist. Diese Ladung wird mit einem Funken gezündet und die resultierende Flamme entzündet die Ladung im Rest der Verbrennungskammer, in der die Ladung viel magerer ist. Auf diese Weise können magere Ladungen gezündet werden, die nur 50–60% des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses aufweisen. Die Verbrennung, die nur in dem kleinen abgetrennten Volumen stattfindet, wird häufig verwendet, um sehr niedrige Drehmomentwerte um 10% des Maximums zu unterstützen. Zwischen ungefähr 10% und ungefähr 40% ist der typische Motor mit geschichteter Ladung instabil und benötigt weitere Mechanismen, um den Motor angemessen zu drosseln. Die Ausführung der geschichteten Ladung beinhaltet außerdem einige Probleme mit dem Wirkungsgrad. In der Nähe des mageren Grenzwerts für den Ansatz mit geschichteter Ladung gibt es Schwierigkeiten damit, die Ladung im Hauptverbrennungsvolumen für den Betrieb schnell genug zu zünden. Die langsame Verbrennung führt zu einem Verlust eines Teils der Wärmeenergie der Ladung und zu unvollständiger Verbrennung.
  • Der VCRC-Motor nutzt, was sich am besten als "getrennte Ladung" bezeichnen lässt. Die gesamte zu verbrennende Kraftstoffmenge kann zusammen mit ungefähr 60% oder weniger der durch den Verbrennungsprozess zu reduzierenden Luft in einem abgetrennten veränderlichen Volumen enthalten sein. Auf diese Weise werden die Schwierigkeiten der Verbrennung einer geschichteten Ladung vermieden. Der Großteil des Kraftstoffs kann mit hoher Geschwindigkeit in der Anfangsphase der Verbrennung verbrannt werden. Wenn sich dann das Gemisch aus unverbranntem Kraftstoff und sehr heißen Abgasprodukten mit der übrigen Luft vermischt, kann die gesamte Menge eine Temperatur haben, die hoch genug ist, um den Verbrennungsprozess schnell abzuschließen.
  • Ein System, das "getrennte Ladung" genannt werden könnte, wurde in Versionen von Kompressions-Zündungsmotoren (Dieselmotoren) eingesetzt. Ricardo zeigt einige Abwandlungen davon. Die "Ausführung mit Vorverbrennungskammer" und die "Comet Mark III" können jeweils als ein Verbrennungsverfahren nutzend betrachtet werden, das als "getrennte Ladung" bezeichnet werden kann. In diesen Motorkonfigurationen wird Kraftstoff in ein Volumen eingespritzt, das durch einen kurzen Gasdurchgang oder -durchgänge vom Hauptzylindervolumen getrennt ist. In diesem Volumen werden ungefähr 50% der vom Motor verbrauchten Gesamtluft durch Verbrennen des eingespritzten Kraftstoffs auf eine Weise reduziert, die als herkömmliche Kompressions-Zündungsmotor-Sprayverbrennung betrachtet werden kann. Anschließend wird das heiße Gemisch aus Kraftstoff und Verbrennungsprodukten mit der übrigen Luft im Rest des Zylindervolumens zusammengeführt. Der Prozess sorgt dafür, dass bis zu 90% der Luft bei Vollgas verbrannt werden können (in der Comet Mark III), was zeigt, dass der Prozess zum Verbrennen von Kraftstoff bei beliebigem Grad von Magerkeit verwendet werden kann, solange der gesamte Kraftstoff und ein Teil der Luft in der Anfangsphase des Verbrennungsprozesses in einem kraftstoffreichen Verbrennungsamalgam vermischt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich bei Verweis auf die beiliegende Beschreibung zusammen mit den nachfolgenden Zeichnungen, wobei:
  • 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines die Erfindung nutzenden Zweitaktmotors in einer Ausspülphase des Betriebs ist.
  • 2 ein schematisches Prinzip für ein System zeigt, das die Drosselklappensteuerung des Motors mit der Regelung des Verdichtungsverhältnisses und der Kraftstoffeinspritzung mit einer Override-Regelung zum Verändern der Beziehung zur Motordrehzahl verbindet.
  • 3 in Blockdiagrammform eine Luftzufuhranordnung zeigt, die Strömungsverluste während des Teilgasbetriebs verringert, ohne die Leistung des VCRC-Motors zu begrenzen.
  • 4 eine teilweise geschnittene fragmentarische Ansicht einer möglichen mechanischen Einheit ist, die zur Implementierung der Regelung des Verdichtungsverhältnisses verwendet werden kann, die schematisch in 2 dargestellt ist.
  • 5 eine Ansicht des Motors in 1 während eines Verdichtungshubs zeigt.
  • 6 den selben Motor während einer Verbrennungsphase zeigt.
  • 7 den selben Motor während eines Expansionshubs zeigt.
  • 8 den selben Motor während einer Auslassphase zeigt.
  • 9 ein Graph ist, der die Bildung von Stickstoffoxiden in einem Ottomotor als Funktion des Kraftstoff-/Luftgemischs und der Abgasrückführung zeigt.
  • 10 ein Graph ist, der den indizierten Mitteldruck (Indicated Mean Effective Pressure, IMEP) eines Ottomotors mit verschiedenen Verdichtungsverhältnissen und Kraftstoff-/Luftverhältnissen relativ zum stöchiometrischen Verhältnis zeigt. Die Daten in 10, 11 und 12 sind gemäß Ricardo (siehe obenstehende Bezugsquelle) und Standardtexten des Maschinenbaus.
  • 11 ein Graph des theoretischen Spitzendrucks in einem Ottomotor bei verschiedenen Verdichtungsverhältnissen und Kraftstoff-/Luftverhältnissen relativ zum stöchiometrischen Verhältnis ist.
  • 12 ein Graph des indizierten Wirkungsgrads eines Ottomotors mit verschiedenen Kombinationen von Verdichtungsverhältnis und Kraftstoff-/Luftverhältnis relativ zum stöchiometrischen Verhältnis ist.
  • 13 eine Darstellung eines mechanischen Schemas eines Systems zum Implementieren der in 2 beschriebenen Regelungs-Wechselwirkung ist.
  • 14 eine teilweise geschnittene fragmentarische Ansicht einer möglichen mechanischen Einheit ist, die zum Implementieren des Pumpens und Regelns von Kraftstoff zu einem Kraftstoffeinspritzventil verwendet werden kann, um das schematisch in 2 dargestellte Regelungssystem zu implementieren. Es handelt sich um einen kombinierten Pump- und Regelungsmechanismus.
  • 15 ein Detail der in 14 gezeigten Vorrichtung ist.
  • 16 eine Querschnittsansicht einer Viertaktausführung des VCRC-Motors ist.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Aufbau des Motors
  • Der Aufbau eines Motors gemäß der Erfindung ist am besten unter Verweis auf 1 zu verstehen. Ein Zweitaktmotor 51 ist mit einer Verbrennungskammer 52 mit veränderlichem Volumen ausgestattet. Gas im Motor kann durch einen Gasdurchgang 54 ungehindert zwischen der Verbrennungskammer 52 und dem Zylindervolumen 53 strömen. Eine Zündkerze 55 ist in Verbindung mit dem Gasdurchgang 54 angeordnet. Ein Einspritzventil 56 ist so platziert, dass es Kraftstoff im Gasdurchgang 54 in den Motor sprüht. Das Einspritzventil 56 befindet sich allgemein an dem Ende des Gasdurchgangs 54, das dem Zylindervolumen 53 am nächsten liegt und die Zündkerze 55 befindet sich allgemein am anderen Ende des Durchgangs 54, das dem veränderlichen Volumen 52 am nächsten ist. Das Volumen der Verbrennungskammer 52 kann durch die Bewegung eines Zusatzkolbens 57 verändert werden. Der Zusatzkolben 57 wird in Abwesenheit anderer Kräfte durch die Wirkung einer Feder 58 bewegt, um das Volumen des veränderlichen Verbrennungskammervolumens 52 zu minimieren. Der Zweitaktmotor 51 umfasst einen Arbeitskolben 59, der über ein Pleuel 60 auf für Motoren herkömmliche Weise mit einer Kurbelwelle 61 gekoppelt ist. Die Kurbelwelle dreht, wie durch den Pfeil 62 in 1 angedeutet.
  • Die in 1 und den anderen Zeichnungen gezeigte Motorart wird als Zweitaktmotor mit Umkehrspülung bezeichnet. Andere Arten von Zweitaktmotoren würden sich ebenso gut als Grundlage für die Verwendung der Erfindung eignen. Wie bereits erwähnt, könnten alternativ auch Viertaktmotorausführungen verwendet werden.
  • Der Einlasskanal 109 ist mit einer Quelle von Luft im VCRC-Motor verbunden. Ein Auslasskanal 110 ist angeschlossen, um Abgasprodukte aus dem Motor auszustoßen. Der Auslasskanal wäre in einem Mehrzylindermotor mit einem Auspuffkrümmer verbunden und von da mit Katalysatoren, einer Turbine eines Turboladers oder dergleichen. Sowohl der Einlass- als auch der Auslasskanal werden durch die Bewegung des Arbeitskolbens 59 in einem Zylinder 11 geöffnet und geschlossen.
  • Betrachtet man nun neben 1 auch in 4, begrenzt ein hydraulischer Dämpfer 64 den Hub des Zusatzkolbens 57. Der hydraulische Dämpfer 64 besteht aus einem Hydraulikkolben 65, der in einem hydraulischen Regelungszylinder 66 angeordnet ist, wobei der hydraulische Regelungszylinder 66 gleitfähig auf einem festen hydraulischen Kolben 67 angebracht ist. Der Hydraulikzylinder 66 wird durch Kraft in die korrekte Stellung bewegt, die vom Regler des Motors geliefert wird, der auf einen Regelungshebel 68 wirkt. Die Implementierung dieser Dämpfungsfunktion könnte mit einer Reihe von Mechanismen erreicht werden, wie der Fachmann einsehen wird, ein hydraulischer Mechanismus, wie der abgebildete, hat jedoch den Vorteil, dass er zuverlässig und einfach zu implementieren ist. Während des Betriebs in einem einzigen Motortakt bewegt sich der Zusatzzylinder 57 von einem Ende seines Hubs, bei dem das Volumen 52 nahezu null ist, zum anderen Ende seines Hubs, der durch die Platzierung des hydraulischen Dämpfers 64 begrenzt ist. Durch diese zyklische Bewegung bleibt die Trennfläche zwischen dem Zuatzkolben 57 und der den Zusatzkolben umschließenden Zylinderwand während des Betriebs geschmiert. Wenn der Zusatzkolben 57 während einer Zahl von Zyklen bewegungslos bliebe, könnte die Oberfläche des Zylinders 117 einen Schmierstofffilm darauf verlieren, was dazu führen würde, dass der Kolben 57 teilweise oder ganz klemmt und bewegungslos wird oder sich unregelmäßig bewegt.
  • Regelung des Systems
  • 2 veranschaulicht das Grundprinzip der Regelung verschiedener Parameter durch das Regelgestängesystem des Motors mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis und veränderlicher Ladung bzw. VCRC-Motors. Diese Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Art und Weise, auf die die drei Funktionen Verdichtungsverhältnis, Kraftstoffzufuhr und Motordrehzahl im VCRC-Regelsystem zusammenhängen. Eine Drosselklappen-Regelscheibe 77 wird vom Bediener des Motors im Gegenuhrzeigersinn gedreht, um das Drehmoment zu erhöhen. Diese Drehung betätigt ein Drosselklappen-Regelgestänge 78, um eine Verdichtungsverhältnis-Regelscheibe 79 zu drehen, die das Verdichtungsverhältnis des Motors durch Betätigung eines Mechanismus, wie den in 4 gezeigten, regelt. Wenn die Regelscheibe 79 unter der Wirkung der Drosselklappen-Regelscheibe 77 und des Drosselklappengestänges 78 im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, wird das Verdichtungsverhältnis des Motors verringert. Die Regelscheibe 79 ist über eine Verdichtungsverhältnis-Gestängestange 80, eine Zusatzgestängestange 81, eine Drehzahl-Einstellgestängestange 82 und eine Kraftstoffzufuhr-Gestängestange 83 mit einer Kraftstoffzufuhr-Regelscheibe 84 verbunden. Wenn sich die Regelscheibe 84 im Gegenuhrzeigersinn dreht, wird dem Motor bei jedem Takt mehr Kraftstoff zugeführt. Der maximale Hub des Drehmoment-Regelsystems wird von einem Drosselklappenanschlag 92 begrenzt. Ein spezieller Mechanismus zum Regeln von Verdichtungsverhältnis und Kraftstoffzufuhr ist in 2 nicht gezeigt. Fachleute auf dem Gebiet der Motorauslegung können verschiedene Mechanismen zum Bereitstellen der miteinander zusammenhängenden Funktionen heranziehen. Das spezielle Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses in der Erfindung ist für die vorliegende Erfindung einzigartig, wie bereits diskutiert wurde.
  • Ein Drehzahl-Einstellschieber 85 wird verwendet, um die vorteilhaften Auswirkungen der Drehzahl auf die Tragfähigkeiten der Radiallager auszugleichen. Wenn sich der Schieber 85 in 2 nach rechts bewegt, wird die Verbindung zwischen der Verdichtungsverhältnis-Regelscheibe 79 und der Kraftstoffzufuhr-Regelscheibe 84 verlängert, mit der Folge, dass für einen gegebenen Wert des Verdichtungsverhältnisses mehr Kraftstoff in den Zylinder zugeführt wird oder, anders betrachtet, das Drehmoment für eine gegebene Menge zugeführten Kraftstoffs wird mit zunehmender Drehzahl höher, da das Verdichtungsverhältnis höher ist. Wenn die Drehmomentanforderung konstant gehalten wird, wird mit zunehmender Drehzahl für jede Umdrehung etwas weniger Kraftstoff zugeführt und das Verdichtungsverhältnis nimmt im Vergleich zu den Einstellungen für das selbe Drehmoment bei einer niedrigeren Drehzahl zu.
  • Die Korrektur für die Drehzahl mit diesem Systemprinzip wirkt den Auswirkungen der Reibung in gewissem Maß entgegen: Die Reibung nimmt infolge der Auswirkungen der Schmierstoffviskosität und der Geschwindigkeit von Gasen, die in den und aus dem Motor strömen zu, wenn die Drehzahl erhöht wird, wie bereits beschrieben wurde. Die Verschlechterung des Wirkungsgrads infolge Reibungsauswirkungen wird teilweise durch den zusätzlichen thermischen Wirkungsgrad ausgeglichen, der durch das erhöhte Verdichtungsverhältnis und die magerere Verbrennung entsteht. Das höhere Verdichtungsverhältnis kann von den Lager des Motors besser ausgehalten werden, da die Tragfähigkeit von Radiallagern zunimmt, wenn die Drehzahl der Welle erhöht wird.
  • Betrieb des Motors
  • Man betrachte nun wieder 1 und 4: Der VCRC-Motor nutzt im Leerlauf nur den Gasdurchgang 54 als Verbrennungsraum. In dieser Betriebsart des VCRC wird der Schieber 65 durch die Betätigung der Regelstange 68 so bewegt, dass sich der Zusatzkolben 57 nominell nicht aus seiner die Verbrennungskammer 56 verschließenden Stellung bewegen kann. In dieser Stellung verschließt der Zusatzkolben 57 das Volumen in der Verbrennungskammer 56, so dass das Verbrennungskammervolumen nominell null ist. Im Leerlauf benötigt der Motor ein kleines Drehmoment, um das Motorzubehör und allfällige andere Geräte wie Klimaanlagen und Servolenkungspumpen zu betreiben. Die zum Liefern der benötigten Energie erforderliche Kraftstoffmenge wird auf sorgfältig zeitgesteuerte Weise durch das Einspritzventil 56 zugeführt. Durch Regeln der Zeit, zu der der Kraftstofffluss beginnt und aufhört, entsteht während eines Verdichtungshubs im Luftdurchgang 54 eine vorübergehende Abgrenzung zwischen kraftstoffreicher und kraftstoffloser Luft. Das kraftstoffreiche Volumen ist durch den Zusatzkolben 57 an einem Ende und an einer Stellung im Luftdurchlass 54 am anderen Ende begrenzt. Die Zündkerze 55 befindet sich am Ende des Luftdurchgangs 54 nahe dem Zusatzkolben 57, so dass das Gemisch brennt, wenn die Zündkerze gezündet wird. Während des Leerlaufs findet die Drosselklappenregelung nur in der Form der Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung statt: Das Verdichtungsverhältnis während des Leerlaufbetriebs ist im Wesentlichen konstant. Obwohl der Zusatzkolben 57 während des Leerlaufs nominell unbeweglich ist, sorgt die Nachgiebigkeit aller Teile in der Einheit, die den Zusatzkolben 57 gegen den Gasdruck im Arbeitsvolumen des Motors hält, dafür, dass der Kolben 57 eine kleine Schwingbewegung ausführen kann, die die Oberfläche zwischen dem Kolben 57 und dem Zylinder 117 geschmiert hält.
  • Der Vorteil davon, das veränderliche Volumen 52 während des Leerlaufs auf im Wesentlichen null zu halten, hat mit der Wärmeübertragung vom brennenden Kraftstoff zu tun. Der Betrieb eines Motors bei Transportaufgaben findet typischerweise ab 25% statt. Bei dieser Drehmomentanforderung ist der bewegliche Kolben 57 weit genug von der Wand am Ende seines Hubs entfernt, dass die Verbrennung in der Verbrennungskammer mit veränderlichem Volumen im Wesentlichen ungelöscht ist. Bei Drehmomentanforderungen von 10–15% des Maximums (typisch für Leerlaufanforderungen) wären der Kolbenkopf und die Wand so nah beieinander, dass die Flammenverbrennung in der Kammer einen großen Teil ihrer Wärme an die Wände verlieren würde, da der Anteil der aus einem eingeschlossenen Gasraum verlorenen Wärme in hohem Maß eine Funktion des Abstands zwischen den Wänden ist: Der Verlust ist typischerweise umgekehrt proportional zur 2. oder 3. Potenz des Abstands zwischen den umgebenden Wänden. So ermöglicht die Ausführung des VCRC-Motors, dass Drehmomentwerte im Leerlaufbereich nur im Übergangsdurchgang 54 verbrannt werden.
  • Während des Betriebs des Motors wird ein Druck im Arbeitsvolumen 63 des Motors erzeugt, wobei dieses Arbeitsvolumen das Gesamtzylindervolumen 53, das Volumen der veränderlichen Verbrennungskammer 52 und das Volumen im Gasdurchgang 54 einschließt. Dieser erzeugte Druck kann den Zusatzkolben 57 zwingen, sich zu bewegen, wodurch das Volumen des veränderlichen Verbrennungsvolumens 52 erhöht wird. Es wäre außerdem machbar, den Zusatzkolben 57 mit Betätigungsvorrichtungen verschiedener Arten, wie beispielsweise hydraulischen oder elektrischen Mechanismen zu bewegen.
  • Der Hebel 68 ist mit dem Drosselklappenregler für das Motorsystem verbunden. Der Hebel 68 ist außerdem mit dem Kraftstoffeinspritzsystem verbunden. Die Verbindungen zwischen den Elementen Drosselklappe, Hebel 68 und Kraftstoffeinspritzsystem sind in 1 nicht abgebildet. Ein mögliches mechanisches Schema, das die Verdichtungsverhältnisregelung, die Kraftstoffzufuhrregelung und die Drehzahlwechselwirkungsregelung verbindet, ist in 13 gezeigt. Die Regelungsbeziehung von Drosselklappe, Verdichtungsverhältnis, Drehzahl und Kraftstoffzufuhr ist in 2 beschrieben. Eine Verschiebung der Regelung zu erhöhter Drehmomentanforderung wird von einer Regelung für ein gesenktes Verdichtungsverhältnis sowie für eine erhöhte Kraftstoffzufuhr begleitet. Die Gleichzeitigkeit dieser drei Befehle und die Organisation, in der sie miteinander verbunden sind, stellt für den Motor, der das erfinderische Prinzip nutzt, ein Potenzial für einen Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit bereit, der höher ist als bisher mit diesen Größen von für Transportanwendungen genutzten Antriebsmaschinen erreicht wurde. Diese Art von Regelungsmechanismus könnte unter Verwendung vieler Arten herkömmlicher Vorrichtungen in die Praxis übertragen werden.
  • Der Drosselklappenmechanismus verschiebt den Hydraulikzylinder 66, um mehr oder weniger Bewegung des Zusatzkolbens 57 zuzulassen, wenn der Druck im Arbeitsvolumen des Motors den Zusatzkolben 57 vom Motor nach außen zwängt, um die Verbrennungskammer 52 zu vergrößern. Das Verdichtungsverhältnis des Motors wird so durch Verwendung dieses Mechanismus verändert, während der Motor läuft. Zur selben Zeit, zu der das Verdichtungsverhältnis des Motors geändert wird, wirkt die Verbindung von der Drosselklappe zum Kraftstoffeinspritzsystem, um die Menge des eingespritzten Kraftstoffs zu ändern. Die Beziehung lautet wie folgt: Mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis wird für jede Zündung weniger Kraftstoff zugeführt und umgekehrt. Auf diese Weise wird der Spitzendruck im Motortakt bei einer beliebigen gegebenen Drehzahl ungefähr konstant gehalten.
  • Der Betrieb eines Zweitaktmotors kann in vier sich wiederholende Phasen unterteilt werden:
    • a. Ausspülen (siehe 1)
    • b. Verdichtung (siehe 5)
    • c. Verbrennung (siehe 6)
    • d. Expansion (siehe 7)
  • 1 zeigt den VCRC-Motor in der Ausspülphase. In dieser Phase sind sowohl der Auslass- als auch der Einlasskanal geöffnet. Im VCRC-Motor wird Luft ohne Kraftstoff durch den Motor gezwängt, so dass sie in der allgemeinen Richtung des Pfeils 108 durch den Einlasskanal eintritt und durch den Auslasskanal austritt. Diese Luft führt zuerst Abgasprodukte aus dem Motor ab und führt dann frische Luft in das Arbeitsvolumen 63 des Motors ein, das das Zylindervolumen 53, den Gasdurchgang 54 und das veränderliche Volumen 52 umfasst. Das Ausspülen ist nicht perfekt und die Ausspülphase endet damit, dass eine gewisse Menge von Abgasprodukten noch im Arbeitsvolumen 63 zurückbleibt. Der abgebildete Motor wird allgemein als Motor mit Umkehrspülung bezeichnet. Wenn der Luftstrom das Zylindervolumen 53 durchströmt, folgt der Luftstrom durch den Motor einem verschlungenen Pfad, wie durch den Pfeil 108 in 1 angedeutet. Jede andere Art von Kanalanordnung eines Zweitaktmotors könnte ebenso verwendet werden, da jedoch die Ausführung mit Umkehrspülung am üblichsten ist, konzentriert sich die vorliegende Diskussion auf diese Motorart. Der Zusatzkolben 57 ist in einer Stellung, um während des Großteils des Ausspülphase das Volumen der Verbrennungskammer 52 auf ein Minimum zu verringern. Die Feder 58 zwingt den Zusatzkolben in diese Stellung, da der Mangel an Druck im Zylindervolumen 53 an seinem niedrigsten Punkt ist, da der Auslasskanal zur Umgebung hin offen ist.
  • Die Ausspülphase dauert typischerweise während 120° der Kurbelwellendrehung an. Die Phase beginnt, wenn der Arbeitskolben 59 den Einlasskanal 109 öffnet, typischerweise ungefähr 60° bevor der Arbeitskolben 59 seinen unteren Totpunkt (UT) erreicht oder, in anderen Worten, 60° bevor der Arbeitskolben 59 bei seiner Auf- und Abbewegung die Kurbelwellenstellung erreicht, in der der Arbeitskolben 59 in der der Kurbelwelle 61 am nächsten liegenden Stellung ist. Die Ausspülphase dauert bis ungefähr 60° nach dem UT an. Wie bei Betrachtung von 1 zu sehen, findet in einem Motor mit Umkehrspülung das Öffnen und Schließen des Auslasskanals 60 symmetrisch um den UT statt.
  • 5 zeigt den VCRC-Motor in der Verdichtungsphase. In dieser Phase verdichtet der Arbeitskolben 59 Luft im Arbeitsvolumen 63, das das Zylindervolumen 53, den Durchgangskanal 54 und das veränderliche Verbrennungsvolumen 52 umfasst. Der ansteigende Druck im Arbeitsvolumen 63 zwingt den Zusatzkolben 57, sich gegen die von der Feder 58 auf den Zusatzkolben 57 ausgeübte Kraft zu bewegen. Die Bewegung des Zusatzkolbens 57 kann, je nach Wunsch auch durch Mechanismen bewirkt werden, die durch hydraulische, elektrische oder andere Kräfte angetrieben werden. Diese Bewegung des Zusatzkolbens 57 erhöht das Volumen der veränderlichen Verbrennungskammer 52. Luft, die vom Zylindervolumen 53 durch den Gasdurchgang 54 zur veränderlichen Verbrennungskammer 52 strömt, strömt am Einspritzventil 56 vorbei. Während einem Teil oder der ganzen Verdichtungsphase wird Kraftstoff durch das Einspritzventil 56 in den sich durch den Gasdurchgang bewegenden Luftstrom eingespritzt.
  • Mit dem Fortschreiten der Verdichtungsphase wird die Öffnung des hydraulischen Dämpfers 112 (4) vom Hydraulikkolben 65 verdeckt. Diese Tätigkeit verhindert die weitere Bewegung des Hydraulikkolbens 65 und damit die Bewegung des Zusatzkolbens 57. Diese Stellung des Zusatzkolbens 57 bestimmt das Mindestvolumen des Arbeitsvolumens 63 des VCRC-Motors im zur Diskussion stehenden Takt und damit das Verdichtungsverhältnis dieser speziellen Motorumdrehung. Der Verdichtungstakt fahrt fort, bis der Arbeitskolben seinen oberen Totpunkt (OT) erreicht oder beinahe erreicht hat, in dem der Arbeitskolben 59 die größte Entfernung von der Kurbelwelle 61 hat.
  • 6 zeigt die Verbrennungs- oder Zündphase. Einige Grad vor dem OT, typischerweise ungefähr 30 Grad oder weniger, zündet die Zündkerze 55 und diese Tätigkeit entzündet das Kraftstoff-/Luftgemisch in der Nähe der Zündkerze 55. In den nächsten ungefähr 10 bis 30 Grad der Drehung der Kurbelwelle 61 wird der gesamte Sauerstoff im Kraftstoff-/Luftgemisch in der veränderlichen Verbrennungskammer 52 und dem Gasdurchgang 54 verbraucht. Dieser Verbrennungsprozess dehnt das Kraftstoff-/Luftgemisch stark aus, so dass die Abgasprodukte der anfänglichen Verbrennung gezwungen werden, sich in das Zylindervolumen 53 auszudehnen. Wie an anderer Stelle in dieser Offenbarung diskutiert, ist das an der anfänglichen Verbrennung beteiligte Kraftstoff-/Luftgemisch häufig reich an überschüssigem Kraftstoff. Das gesamte im Arbeitsvolumen 63 enthaltene Gemisch von Luft und Kraftstoff ist jedoch mager an Kraftstoff und enthält mehr Luft und daher Sauerstoff als zum Verbrennen des Kraftstoffs im Arbeitsvolumen 63 benötigt wird. Im Endstadium der Zündphase ist im Wesentlichen der gesamte Kraftstoff im Arbeitsvolumen mit Sauerstoff kombiniert.
  • 7 zeigt die Expansionsphase. Nachdem der Arbeitskolben 59 einige Grad nach dem OT durchlaufen hat, wird die Zündphase zur Expansionsphase, wenn das Arbeitsvolumen 63 das Gemisch aus Abgasprodukten und Luft im Motor ausdehnt. Während der Expansionsphase wird Leistung vom Motor gewonnen. Die Expansionsphase des VCRC-Motors ist in allen Einzelheiten gleich, wie die selbe Phase bei anderen Motoren. Die Phase dauert von ein paar Grad nach dem OT an, bis der Arbeitskolben 59 den Auslasskanal 110 öffnet. Während dieser ganzen Phase arbeitet der Mechanismus 123, um das veränderliche Volumen 52 auf dem maximalen Wert zu halten, den das Volumen 52 während dieses speziellen Takts erfährt.
  • 8 zeigt die Auslassphase des Betriebs. Der Arbeitskolben 59 bewegt sich weit genug vom OT weg, dass der Auslasskanal 110 geöffnet wird. Nachdem dieser Kanal geöffnet wurde, verlassen die Abgase das Arbeitsvolumen des Motors, wie durch den Pfeil 161 angedeutet. Direkt bevor der Arbeitskolben 59 den Auslasskanal 110 öffnet, beträgt der Druck im Arbeitsvolumen 63 typischerweise zwischen dem 2- und 6-fachen des Umgebungsdrucks. Während die Auslassphase über ungefähr 10° bis 20° Kurbelwellendrehung fortfahrt, wird der Druck im Arbeitsvolumen 63 auf einen Wert nahe dem der Umgebung direkt außerhalb des Zylindervolumens reduziert. Während des Großteils dieses Betriebs bleibt der Zusatzkolben 57 an die Feder 58 gedrückt, so dass das veränderliche Verbrennungsvolumen 52 zum durch die Stellung des Hydraulikkolbens 65 bestimmten Volumen offen bleibt. Am Ende der Auslassphase zwingt die Feder 58 den Zusatzkolben 57, sich zu einem Mindestvolumen zu bewegen. Dadurch werden Abgasprodukte aus dem Volumen 52 gepresst und der Motor bereit gemacht, in die Ausspülphase einzutreten und den Ablauf zu wiederholen. Wie bereits erwähnt, könnte die Bewegung des Zusatzkolbens 57 durch andere Mechanismen angetrieben werden, z. B. hydraulische oder elektrische Betätigungseinrichtungen.
  • Betrieb eines Viertaktmotors
  • Eine schematische Darstellung eines Viertaktmotors ist in 16 gezeigt. Statt dem Einlasskanal 109 und dem Auslasskanal 110 in den Zylinderwänden des Motors, wird ihre Funktion durch das Einlassventil 157 mit Einlasskanal 159 und das Auslassventil 146 mit Auslasskanal 158 ersetzt. Der Betrieb des Viertakt-VCRC-Motors würde bezüglich der Verdichtungs-, Verbrennungs- und Expansionsphase genau der Zweitakteinheit folgen. Die Ausspülphase des Zweitaktmotors wird durch zwei getrennte Hübe des Viertaktkolbens ersetzt; einen Auslasshub, während sich der Kolben bei offenem Auslassventil 156 von um den unteren Totpunkt (UT) herum zu nahe beim oberen Totpunkt (OT) bewegt, gefolgt von einem Einlasshub, während sich der Kolben bei geöffnetem Einlassventil 157 vom OT zum UT zurückbewegt.
  • Mechanisches Schema des Regelungssystems
  • 13 zeigt ein mechanisches Schema zum Übertragen des in 2 gezeigten Regelungssystems in die Praxis. Sie zeigt, wie ein funktionierendes System mit elementaren mechanischem Strukturen gebaut werden könnte. Die gezeigten Mechanismen sind der in 4 gezeigte Zusatzkolben-Regelungsmechanismus 123, eine in 14 gezeigte Kraftstoffpumpe mit Regler 135 und ein kombinierter Zahnkupplungsregler 162, der mit einem Servomotor 132 kombiniert ist, um die Auswirkungen der Drehzahl auszugleichen, wie bereits in einem vorangehenden Abschnitt erwähnt wurde. Der Betrieb wird in den nachfolgenden Absätzen beschrieben.
  • Die Drosselklappenregelung erfolgt durch Bewegen des Eingabehebels 128. Dieser wäre in einem echten System normalerweise mit dem Gaspedal in einem Fahrzeug verbunden. Alternativ könnte er in einem Subsystem eines sogenannten "Control-by-wire"-Systems" von einem Servomotor angetrieben werden.
  • Die Bewegung des Hebels 128 bewegt direkt den Kraftstoffregelarm 150, der mit dem Eingabehebel 136 der Kraftstoffpumpe mit Kraftstoffregler 135 verbunden ist. Die Bewegung des Hebels 136 bewegt einen entlüfteten Zylinder 154. Der Zylinder 154 umgibt einen Kraftstoffpumpenkolben 137, der gezwungen wird, sich im Zylinder 155 auf hin- und hergehende Weise zu bewegen. Der Kolben 137 wird angetrieben, um sich unter dem Einfluss des Nockens 138 vor und zurück zu bewegen, der mit der Kurbelwelle 61 des Motors 51 verbunden ist, um sich wie durch einen Pfeil 141 angedeutet, zu drehen. Die Druckfeder 140 hält einen Kolbenschlepphebel 139 in Kontakt mit dem Nocken 138, um die Bewirkung der vorangehend erwähnten Hin- und Herbewegung des Kolbens 137 zu unterstützen. Kraftstoff wird durch eine Röhre 142, die mit einer Quelle von Kraftstoff verbunden ist, die unter einem Druck steht, der ausreicht, um Kraftstoff in der vom Betrieb des Motors 51 benötigten Menge zu liefern, an das Innere des Zylinders 154 zugeführt.
  • Wenn sich der Kolben 137 zum Nocken 138 bewegt, wird Kraftstoff durch die Zylinderöffnung 143 in das Innere des Zylinders 154 gesaugt. Wenn der Kolben 137 seine Bewegung umkehrt und sich vom Nocken 138 weg bewegt, wird Kraftstoff durch die Röhre 142 zurück gezwängt, bis die Bewegung des Kolbens 137 die Öffnung 143 verdeckt. Die weitere Bewegung des Kolbens 137 zwängt Kraftstoff durch das federgespannte Rückschlagventil 144, das das vergrößert und im Detail in 15 gezeigt ist, aus dem Zylinder 154. Die Feder des Ventils 144 hat eine ausreichend hohe Kraft, so dass sie einen Druck benötigt, der deutlich höher ist als der Druck der vorangehend erwähnten unter Druck stehenden Kraftstoffquelle, damit der Kraftstoff im Zylinder 154 das Ventil 144 durch Anheben des Kolbens 145 ausreichend öffnen kann, damit Kraftstoff im Zylinder 137 durch das Ventil 144 entweichen kann. Nachdem Kraftstoff durch das Ventil 144 gelangt, strömt er durch eine Röhre 162 zum Kraftstoffeinspritzventil 56, wo Kraftstoff in den Gasdurchgang 54 gesprüht wird. Der Nocken 138 und die Verbindung des mit der Motorkurbelwelle 61 verbundenen Nockenantriebs ist dazu ausgelegt, das Einspritzen von Kraftstoff in den Gasdurchgang 54 zu bewirken, während Luft während der Verdichtungsphase des Motors, wie vorangehend diskutiert, vom Motorzylindervolumen 63 in das veränderliche Verbrennungsvolumen 52 überführt wird.
  • Die Stellung des Zylinders 154 bestimmt, wie viel Kraftstoff an das Einspritzventil 56 zugeführt wird. Wenn der Drosselklappenhebel 128 vom Nocken 138 weg bewegt wird, wird die Kraftstofföffnung 143 ebenfalls weiter vom Nocken 138 weg bewegt. Dadurch wird die Stellung der Kraftstofföffnung 143 näher an das vom Nocken 138 entfernte Ende des Hubs des Kolbens 137 platziert, wodurch die Kraftstoffmenge im Zylinder 154 begrenzt wird, die durch das Ventil 144 gelassen wird, bevor der Kolben 137 bei seiner Hin- und Herbewegung die Bewegung umkehrt. Umgekehrt gilt, dass je näher die Kraftstofföffnung 143 durch den Hebel 128 und den Kraftstoffregelarm 150 am Nocken 138 positioniert wird, desto mehr Kraftstoff durch die Bewegung des Kolbens 137 gefördert wird.
  • Die Bewegung des Hebels 128 beeinflusst die Stellung der Öffnung 112 im Zusatzkolbenregler 123 durch die Wirkung der Zahnkupplung 162. Wenn die Kraftstofföffnung 143 bewegt wird, um den Kraftstofffluss zu begrenzen, wird die Zusatzkolben-Dämpfungsöffnung 112 (siehe 4) über eine am Hebel 128 befestigte Zahnstange 130, ein mit der Zahnstange 130 in Kontakt befindliches Zahnrad 129, eine Zahnstange 131 und einen Zusatzkolbenregelarm 151 bewegt. Der Regelarm 151 bewegt direkt den Regelungshebel 68, der am gleitfähigen Zylinder 64 befestigt ist. Der Zylinder 64 arbeitet im Zusatzkolbenregler 123 auf ähnliche Weise, wie der Zylinder 154 im Kraftstoffpumpenregler 135. Wenn sich der Zylinder 64 bewegt, um die Hydrauliköffnung 112 vom Zusatzkolben 57 weg zu positionieren, kann die Bewegung des Kolbens 57 einem längeren Weg folgen, wenn der Kolben 57 unter der Wirkung von zunehmendem Gasdruck bewegt wird. Aufgrund der Art der Kopplung zwischen den Zahnstangen 130 und 131 und dem Zahnrad 129 bewegt sich, wenn sich der Zylinder 154 bewegt, um den Kraftstofffluss zu erhöhen, der Zylinder 64, um den Gesamthub des Zusatzkolbens 57 in jedem Takt zu vergrößern. Wenn mehr Kraftstoff an den Motor zugeführt wird, nimmt daher der Hub des Zusatzkolbens 57 zu und diese Wirkung vergrößert das Volumen der Verbrennungskammer mit veränderlichem Volumen 52 und verringert das Verdichtungsverhältnis des Motors.
  • Die Stellung des mittleren Drehpunkts 160 des Zahnrads 129 ändert die Beziehung zwischen der zugeführten Kraftstoffmenge und dem Verdichtungsverhältnis des Motors. Wenn sich der Drehpunkt 160 vom Kraftstoffpumpenregler 135 weg bewegt, führt eine gegebene, an den Motor zugeführte Kraftstoffmenge zu einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis. Ein für diese Aufgabe entsprechend ausgelegter Servomotor 132 ist, wie in 13 gezeigt, positioniert. Ein Signal an den Servomotor 132 positioniert den Drehpunkt 160, um ein geeignetes Gleichgewicht zwischen Verdichtungsverhältnis und zugeführtem Kraftstoff zu bewirken. Mit zunehmender Drehzahl wird der Drehpunkt 160 näher am Kraftstoffpumpenregler 135 positioniert, um ein höheres Verdichtungsverhältnis für eine gegebene Kraftstoffmenge zu bewirken, die für jeden Motortakt zugeführt wird. Das erhöht den Wirkungsgrad mit zunehmender Drehzahl, wie im Abschnitt zur Regelung des Systems vorangehend diskutiert.
  • Die Regelung in 13 reagiert auf eine Eingabe von Schiebebewegung, die von einem Drosselklappenbefehl an den Drosselklappenhebel 128 übertragen wird. Wenn dieser Hebel in 13 nach rechts bewegt wird, wird der Kraftstofffluss erhöht, da die Schiebebewegung des Hebels 128 eine entsprechende Bewegung an den beweglichen Kraftstoffeinspritzungs-Regelzylinder 133 überträgt. Diese Bewegung verschiebt die Kraftstoffventilöffnung 134 nach rechts. Eine derartige Bewegung ermöglicht eine Erhöhung der während des Takts an den Motor zugeführten Kraftstoffmenge.
  • Luftzufuhr bei einem Zweitakt-VCRC-Motor
  • Für jeden Zweitaktmotor muss ein Ladegebläse vorgesehen werden, da diese Form von Motor, im Gegensatz zu ihrem Viertakt-Gegenstück, nicht direkt als Luftförderer funktioniert. Wie vorangehend in der Diskussion des Betriebs eines Viertakt-VCRC-Motors erwähnt, dienen der Einlasshub und der Auslasshub als Luftförderer, um Luft aus der Umgebung anzusaugen. Bei preisgünstigen Ausführungen von Zweitaktmotoren wird diese Förderfunktion von der Unterseite des Kolbens ausgeführt. Es wird eine entsprechende Ventilsteuerung verwendet, damit die Unterseite des Arbeitskolbens Luft zuerst aus der äußeren Umgebung in das Kurbelgehäuse unter dem Arbeitskolben fördern kann und dann in das Arbeitsvolumen. Das hat den Vorteil der Einfachheit und entsprechender geringer Kosten, bringt aber sonst kaum Vorteile. Die so geförderte Luft nimmt Wärme vom Kurbelgehäuse und vom Kolben auf und bewirkt außerdem einen hohen Ölverbrauch.
  • Es gibt ein grundlegendes Problem mit der Zufuhr von Luft für Zweitaktmotoren auf effiziente Weise. Der Zweitaktmotor benötigt typischerweise ungefähr 40% mehr Luft als ein Viertaktmotor gleicher Leistung, um eine Ausspülung in angemessenem Maß ausführen zu können. Da die zum Fördern von Luft durch einen Motor benötigte Leistung sich mit der dritten Potenz der durch einen Motor geförderten Luftmenge verändert, ist die Einschränkung für den Zweitaktmotor erheblich. Ricardo zeigt, dass ein Zweitaktmotor bei Vollgas nur bei Drehzahlen von ungefähr 50% der maximalen Drehzahl genauso effizient ist wie ein Viertaktmotor. Da in der normalen Motorpraxis bei Vollgas die gleiche Luftmenge zugeführt wird, wie bei Teilgas, ist dies eine erhebliche Einschränkung. Der Vergleich bei Teilgas wäre sogar noch schlechter. Das nachfolgend diskutierte Subsystem behandelt dieses Problem auf eine Weise, die die mit der Luftzufuhr assoziierte Reibung maßgeblich verringert.
  • Der VCRC-Motor in seiner einfachsten Zweitaktausführung könnte ein direkt von der Kurbelwelle angetriebenes Ladegebläse nutzen, um den Luftbedarf des Motors zu decken. Das hätte den vorangehend diskutierten Nachteil, dass die Leistung zum Zwängen der großen Luftmenge durch den Motor einen übermäßigen Teil der Motorausgangsleistung absorbieren würde. Eine Verbesserung der Erfindung, die Verluste von Luft und Abgasen, die durch Durchgänge in und aus dem Motor strömen, direkt behandelt und minimiert, besteht darin, dass das vom Motor angetriebene Ladegebläse nur einen Teil der vom Zweitaktmotor benötigten Luft liefert. Der Rest der zum Oxidieren des bei hohen Drehmomentanforderungen verbrannten Kraftstoffs benötigten Luft würde von einem abgasgetriebenen Turbogebläse zugeführt, wie schematisch in 3 dargestellt. Der Vorteil dieses Systems besteht darin, dass für den Großteil der Motornutzung das motorgetriebene Ladegebläse nur etwas mehr Luft liefert, als zum Verbrennen des Kraftstoffs benötigt wird. Die mit Druckabfällen assoziierten Verluste sind daher sehr gering, da die durch solche Verluste verbrauchte Energie zur dritten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit der Luft proportional ist. Da der Motor so ausgelegt ist, dass das von der Welle angetriebene Ladegebläse nur die Hälfte oder weniger des maximalen Luftstroms liefert, betragen daher die Verluste bei allen Drehmomentanforderungen unter ungefähr der Hälfte des Maximums ein Achtel oder weniger der Verluste, die bei einem auf herkömmlichere Weise ausgelegten Motor entstehen würden. Leistung zum Antreiben des Turbogebläses wird aus Energie im Motorabgas bezogen, die andernfalls verschwendet würde und verringert daher nicht die Motorleistung. Dieses System wäre in einem herkömmlichen Zweitaktmotor gleichermaßen nützlich, da die Luftverluste in jedem Zweitaktmotor eine Verringerung des Wirkungsgrads bewirken: Zusammen mit den im VCRC-Motor vorhandenen, den Wirkungsgrad erhöhenden Faktoren führt die zusätzliche Auswirkung des vorangehend offenbarten Verbundgebläsesystems zu potenziellen Antriebsmaschinenwirkungsgraden, die höher sind, als bisher erreichte.
  • 3 zeigt das VCRC-Verbundgebläsesystem in schematischer Form. Der Zweitaktmotor 51 treibt ein Laufrad 96 eines Gebläses 94 über eine Welle 113 an. Das Gebläse 94 saugt Luft in einem Einlasskanal 95 an und treibt die Luft durch einen Einlassdurchgang 113, wie durch den Pfeil 101 angedeutet. Wenn die Luft durch das Laufrad 96 strömt, erfahrt sie einen Druckanstieg infolge der Wirkung des Laufrads 96. Nachdem die Luft das Gebläse 94 verlässt, strömt sie durch ein Rückschlagventil 97 mit leichter Federspannung auf dem Weg zum Zweitaktmotor 51 durch einen Einlasskrümmer 119, der mit dem Einlasskanal 109 verbunden ist.
  • Wenn der Motor mehr Drehmoment liefern muss, wird das abgasgetriebene Gebläse 99 gezwungen, schneller zu drehen, da das Abgas infolge des erhöhten Kraftstoffflusses und übermäßiger Abgasenergie infolge des verringerten Verdichtungsverhältnisses mehr Energie hat, so dass mehr Antrieb an das Turbolaufrad 106 abgegeben wird. Wenn das Laufrad 106 des Turbogebläses 99 schneller dreht, bewirkt es, dass mehr Luft durch einen Einlasskanal 103 gesaugt wird. Der durch das Gebläse 99 gelieferte zusätzliche Druck überwindet den Druck am Auslass des Gebläses 94 bei einer bestimmten Höhe von Abgasgeschwindigkeit. Dieser Überdruck zwingt ein Rückschlagventil 98 mit leichter Federspannung zu öffnen und lässt Strömung vom Gebläse 99 den Motor versorgen, wenn Luft durch das turbogetriebene Gebläse 99 durch einen Einlasskanal 121 strömt, wie durch den Pfeil 102 gezeigt. Der selbe Druck, der über den vom Gebläse 94 gelieferten hinausgeht, zwingt das Rückschlagventil 97 zu schließen, wodurch die Strömung vom Gebläse 94 wirksam angehalten wird. Die zwei Betriebsarten, eine in der das Gebläse 94 die gesamte, bei niedrigen Drehmomenten benötigte Luft liefert, und die andere, in der das Gebläse 99 die einzige Versorgung ist, überlappen sich während des Übergangs von einer Betriebsart zur anderen. Während dieser Übergangsphase wird Luft von beiden Gebläsen zusammen geliefert, um den Bedarf des Motors zu decken.
  • Um das System funktionsfähig zu machen, sind gewisse mechanische Details erforderlich. Abgas strömt vom Motor 51 durch den Abgasdurchgang 110 zur abgasgetriebenen Turbine, wie durch den Pfeil 122 angedeutet. Nach dem Verlassen der Turbine verlässt das Abgas das System durch den Abgaskrümmer 107 und gelangt zu Schalldämpfern, Katalysatoren usw., die nicht abgebildet sind. Leistung wird mittels einer rotierenden Welle 104 von der Turbine 105 an das Gebläse 99 übertragen.
  • Das System wird wirksamer, wenn es sich bei den Gebläsen 105, 99 und 94 um Zentrifugalgebläse handelt, was bei Kraftfahrzeug-Turbogebläsen normalerweise der Fall ist. Die Eigenschaften dieser Art von Gebläse passen zum in 3 gezeigten System. Wenn ein Zentrifugalgebläse gegen eine sehr hohe Impedanz arbeitet und wenig oder keine Strömung durch das Gebläse vorhanden ist, wird sehr wenig Leistung benötigt, um das Laufrad des Gebläses zu drehen. Das ist das Gegenteil der Eigenschaften eines Axialgebläses: Ein Axialgebläse benötigt bei Bedingungen mit hohem Druck ein Maximum an Leistung und ein Minimum an Leistung bei Bedingungen mit hohem Durchfluss und geringem Druck.
  • Während der Motor mit geringem Drehmoment läuft wird im Wesentlichen die gesamte Luft vom motorgetriebenen Gebläse 94 geliefert. Die Turbine 105 wird von Abgasen angetrieben, das Gebläse 99 benötigt jedoch sehr wenig Leistung, um auf volle Drehzahl zu beschleunigen. Dadurch erhält man ein Turbogebläse, das für eine erhöhte Drehmomentanforderung bereit ist, während das Gebläse 99 keinen Durchfluss liefert. Aufgrund des geringen Leistungsbedarfs ist das Laufrad 100 nahezu auf der erforderlichen Drehzahl und mit einer geringen Drehzahlerhöhung bereit, einen höheren Druck zu liefern als den des Gebläses 94. Daher findet eine relativ geringe Verzögerung oder "Turboverzögerung" statt, wenn eine Erhöhung des Durchflusses verlangt wird, die es dem Motor ermöglicht, mehr Drehmoment zu liefern.
  • Während Perioden, in denen die Drehmomentanforderung hoch ist und im Wesentlichen die gesamte vom Motor benötigte Luft vom turbogetriebenen Gebläse 99 geliefert wird, wird das Rückschlagventil 97 durch den im Einlasssystem des Motors durch das turbogetriebene Gebläse 99 induzierten überschüssigen Druck in eine im Wesentlichen geschlossene Stellung gezwungen. Da Zentrifugalgebläse, wie vorangehend erwähnt, bei geringem oder keinem Durchfluss sehr wenig Leistung benötigen, wird die auf den Motor ausgeübte Bremswirkung verringert.
  • Das in 3 gezeigte Gebläsesubsystem wird infolge der Eigenschaften des VCRC-Motorbetriebs noch wirksamer. Wie zuvor diskutiert, wird hohes Drehmoment im VCRC-Motor bei verringerten Verdichtungsverhältnissen geliefert: Die Abgasenergie in einem Verbrennungs-Kolbenmotor ist umgekehrt proportional zum Verdichtungsverhältnis des Motors. Daher geht mit dem Bedarf an hoher Energie im Turbogebläse, wenn zusätzliches Drehmoment verlangt wird, ein hoher Anstieg der Abgasenergie infolge des verringerten Verdichtungsverhältnisses zusammen mit dem zusätzlichen Kraftstofffluss einher. Bei gewöhnlichen Verbrennungsmotoren, die Turbogebläse nutzen, kann eine sogenannte "Turboverzögerung" oder eine spürbare Verzögerung der Zunahme der Turbodrehzahl auftreten, wenn eine Erhöhung der Drehmomentanforderung benötigt wird. Das liegt daran, dass die einzige Energieerhöhung im Abgas des herkömmlichen Motors aus einer Zunahme des Kraftstoffflusses bezogen wird.
  • Drosseln eines Zweitakt-Ottomotors
  • Es ist anerkannt, dass der Zweitaktmotor potenziell viel leichter und effizienter ist als die herkömmlicheren Viertaktmotoren. Das liegt daran, dass der Zweitaktmotor für jeden Arbeitshub des Viertaktmotors zwei Arbeitshübe ausführt. Daher wiegt der Motor nicht viel mehr als die Hälfte eines gleichwertigen Viertaktmotors. Da der Motor mit den gleichen oder weniger Bestandteilen die doppelte Leistung erzeugt, findet im Prinzip im Zweitaktmotor weniger Reibung statt.
  • Es gibt zwei grundlegende Probleme mit dem Zweitaktmotor als effiziente Antriebsmaschine. Das grundlegendste ist das Drosselproblem. Zweitakt-Ottomotoren werden meistens geregelt, indem das zugeführte Kraftstoff-/Luftgemisch gedrosselt wird, da ihnen normalerweise ein vergastes Massengemisch aus Benzin und Luft zugeführt wird. Diese Drosselung hat nur die Auswirkung, dass Abgasprodukte im Zylindervolumen zurückgehalten werden. Daher ist der Wirkungsgrad bei Vollgas gut und nur durch das vorangehend diskutierte Luftansaugproblem begrenzt. Bei Teilgas ist der Wirkungsgrad jedoch viel schlechter als beim gleichwertigen Viertaktmotor. Das ist einer der Hauptfaktoren, der die Verwendung von Zweitakt-Ottomotoren eingeschränkt hat.
  • Wie man bei einer Betrachtung der Beschreibung des VCRC-Betriebs erkennen kann, wird der Drosselungsprozess auf eine Weise durchgeführt, die den Wirkungsgrad des Motorprozesses auf keine Weise beeinträchtigt. Die Verwendung eines veränderlichen Volumens, das am Drosselungsprozess teilnimmt und als grundlegenden Teil der Drosselung das Verdichtungsverhältnis erhöht, führt dazu, dass aufgrund des Drosselungsprozesses der Motorwirkungsgrad enorm erhöht wird.
  • Abschätzung des VCRC-Wirkungsgrads
  • Die nachfolgende Analyse wird angegeben, um das Potenzial des VCRC-Prinzips zu veranschaulichen. Sie ist recht vereinfacht und es werden viele Annahmen getroffen, um das Grundprinzip einfacher darzustellen. Eine genauere Analyse zeigt einen noch besseren Wirkungsgrad, insbesondere bei höheren indizierten Mitteldrücken (IMEP).
  • 10 zeigt die Beziehung zwischen dem Verdichtungsverhältnis eines Ottomotors relativ zu der zur Luft im Motor zugeführten Kraftstoffmenge und dem vom Motor erzeugen IMEP. 11 zeigt, wie sich der von einem Motor der gleichen Art erzeugte Spitzendruck mit dem Verdichtungsverhältnis und dem Verhältnis des zugeführten Kraftstoffs verändert. 12 zeigt wie sich der grundlegende indizierte Wirkungsgrad mit dem Verdichtungsverhältnis und der zugeführten Kraftstoffmenge, relativ zu einem stöchiometrischen Verhältnis, verändert. Die in diesen drei Figuren gezeigten Beziehungen werden alle im VCRC-Prinzip manipuliert, um den höchsten Wirkungsgrad in einem leichten Motor zu liefern.
  • 11 zeigt vier Bezugspunkte: Relevante Daten für diese vier Punkte aus 10 und 11 sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
    Punkt Nr. Zugeführtes Kraftstoffverhältnis Verdichtungsverhältnis IMEP (Fig. 10)
    124 85% 7:1 185 psi
    125 50% 8,5:1 145 psi
    126 25% 12:1 90 psi
    127 15% 15:1 60 psi
  • Mit einem Reibmitteldruck-Äquivalent von ungefähr 15 psi, was ungefähr der Wert ist, den ein Zweitaktmotor mit geringer Bremsung infolge Einlassluft bei mittlerer Drehzahl erfährt, können die Drehmomentwerte dieser Punkte mit 100%, 76%, 44% bzw. 26% bezeichnet werden. Die indizierten Wirkungsgrade des Motors bei diesen Bezugspunkten sind in 12 als 38%, 46%, 56% und 60% zu sehen. Die Berücksichtigung des Reibungsdrucks als einen mechanischen Wirkungsgrad durch: ηm = (IMEP – Pf)/IMEPwobei ηm = mechanischer Wirkungsgrad
    Pf = Reibungsdruckäquivalent, und: ηoa = η0 × ηm wobei ηoa = Gesamtwirkungsgrad
    η0 = indizierter thermischer Wirkungsgrad aus 12.
  • Die Wirkungsgrade für jeden der Bezugspunkte sind:
    Punkt 124 bei 100% Drehmoment 35%
    Punkt 125 bei 76% Drehmoment 41%
    Punkt 126 bei 44% Drehmoment 47%
    Punkt 127 bei 26% Drehmoment 50%
  • Die Berechnungen sind nur ungefähr, unterscheiden sich aber deutlich von einem entsprechenden Bereich von Wirkungsgraden für einen herkömmlichen Kfz-Motor von 28% Wirkungsgrad bei 100% Drehmoment bis ungefähr 20% Wirkungsgrad bei ungefähr 30% des vollen Drehmoments. Der VCRC-Motor ist ausreichend leichter als ein herkömmlicher Viertaktmotor im Fahrzeugbetrieb, um ein Fahrzeugsystem bereitzustellen, das ungefähr 80% bis 85% des Gewichts eines herkömmlichen Systems mit Viertaktmotor aufweist. Der Gesamtkraftstoffverbrauch errechnet sich so zu ungefähr einem Drittel dessen des herkömmlichen Systems, wenn man bedenkt, dass das bei durchschnittlichen Drehzahlen benötigte Drehmoment ungefähr 30% beträgt.
  • Das VCRC-Prinzip kann mit vielen verschiedenen herkömmlichen Mechanismen, die zum Bereitstellen von Funktion eingesetzt werden, in die mechanische Praxis umgesetzt werden. 1 zeigt die Ausführung, die zum Beschreiben des Systems gewählt wurde. Diese und die anderen Zeichnungen zeigen ein Verfahren zu Anschauungszwecken, es könnten jedoch viele andere verwendet werden. Die Verfahren des Veränderns des Verdichtungsverhältnisses und des Regelns der Kraftstoffflusses könnten ohne Weiteres aus vielen Arten von mechanischen Betätigungseinrichtungen ausgewählt werden, um verschiedene Anwendungen zu optimieren. Das hier zum Beschreiben der Funktion des Prinzips gezeigte mechanische System ist eines von zahllosen, die verwendet werden könnten.
  • Eine Drehzahlkorrektur wird als weiteres erfinderisches Merkmal ebenfalls bereitgestellt. Die Lager in einem Verbrennungsmotor sind unweigerlich Radiallager: Die Last, die von solchen Lager getragen werden kann ist proportional zu ihrer Drehzahl. Mit zunehmender Drehzahl des Motors sorgt eine Einstellung durch das Drosselklappengestänge dafür, dass eine gegebene Drehmomentanforderung zu einem höheren Verdichtungsverhältnis bei erhöhter Drehzahl führt. Es wird weniger Kraftstoff zugeführt, um die Drehmomentanforderung auszugleichen und das Ergebnis ist ein geringerer Kraftstoffverbrauch für eine gegebene Leistungsstufe. Dies wird in der vorangehenden Darstellung von 2 diskutiert.
  • Vergleicht des VCRC-Wirkungsgrads mit einem existierenden Motor
  • Ricardo zeigt einige Wirkungsgrade eines Kompressions-Zündungs-(Diesel-)Motors, der eine Verbrennungskammer vom Typ "Comet Mark III" nutzt. Der Motor arbeitet mit einem Verdichtungsverhältnis von 15:1, was dem ungefähren Verhältnis entspricht, den ein VCRC-Motor bei einem Drehmomentwert von ungefähr 26% des Maximums hätte. Es ist möglich, einen äquivalenten VCRC-Motor mit dem Beispiel von Ricardo zu vergleichen. Ein solcher Vergleich ist etwas künstlich. Das natürlich belüftete Beispiel von Ricardo hat einen maximalen effektiven Mitteldruck von ungefähr 125 psi. Ein optimal ausgelegter VCRC-Motor würde die Fähigkeiten seines Turbogebläses nutzen, hätte einen maximalen effektiven Mitteldruck von ungefähr 170 psi und wäre daher in einer korrekt ausgeglichenen Ausführung noch effizienter.
  • Der in Ricardo als Beispiel gezeigte Comet Mark III Motor hat einen Wirkungsgrad von ungefähr 31% bei einem Drehmomentwert von ungefähr 26% seines Maximums. Der gezeigte Comet Mark III Motor hätte nach Ricardos Diskussion einen Reibungsdruck von ungefähr 25 psi. Ein VCRC-Motor der selben Größe hätte nach den selben, in Ricardo gezeigten Daten, einen Reibungsdruck von ungefähr 9,5 psi. Der Wirkungsgrad des äquivalenten VCRC-Motors wäre daher ungefähr 43%, ein Gewinn von 12 Prozentpunkten oder ein 1,38-mal größerer Wirkungsgrad. Dieses Verhältnis wäre eigentlich sogar höher; ungefähr 45% Gesamtwirkungsgrad, das heißt insgesamt 1,45-mal besser als der Comet Mark III, wenn die Auswirkungen eines magereren Kraftstoffgemischs im VCRC berücksichtigt werden.
  • Ein äquivalenter VCRC-Motor mit Turboladung hätte nur ungefähr ein Drittel des Gewichts des gezeigten Comet Mark III Kompressions-Zündungsmotors, da der VCRC-Motor pro Umdrehung die doppelte Leistung entwickelt, da es sich um einen Zweitaktmotor und nicht einen Viertaktmotor handelt, und der maximale effektive Mitteldruck eines optimierten VCRC mit Turboladung 170 psi gegenüber den 125 psi des im Beispiel von Ricardo gezeigten Comet Mark III beträgt. Der Unterschied zwischen 45% indiziertem Wirkungsgrad, wie er für einen direkten Vergleich mit den Ricardo-Daten berechnet wurde und den im Hauptteil dieser Beschreibung berechneten 50% stammt aus dem Unterschied in der Wärmeübertragung im Motor und dem besseren Gleichgewicht, das mit den Vorteilen des VCRC-Motors mit Turboladung erreicht wird. In allen Kompressions-Zündungsmotoren müssen in hohem Maß Turbulenzen im Motor eingeführt werden, um das eingespritzte Spray während der Verbrennung gründlich mit der überhitzten Luft zu vermischen, da zum Bewirken dieses Mischens im Kompressions-Zündungsmotor nur ungefähr 10° Kurbelwellendrehung zur Verfügung stehen. Diese Turbulenz führt zu einem hohen Maß an Wärmeübertragung zwischen den Gasen in einem Kompressions-Zündungsmotor und den die Verbrennungskammer und den Zylinder umgebenden Wänden. Diese Wärmeübertragung verschwendet einen Teil der Energie des brennenden Kraftstoffs. Ottomotoren, wie der VCRC-Motor stehen ungefähr 100° Kurbelwellendrehung zum Mischen von Kraftstoff und Luft zur Verfügung und sie brauchen daher weniger Turbulenzen. Folglich tritt bei Ottomotoren weniger verschwenderische Wärmeübertagung auf. Der Unterschied beträgt ungefähr 10% des gesamten erreichten Wirkungsgrads.
  • Obwohl verschiedene Anordnungen und Abwandlungen vorangehend diskutiert wurden, wird man einsehen, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern alle Formen und Variationen einschließt, die im Umfang der angehängten Patentansprüche enthalten sind.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (51), umfassend mindestens eine Kolben-/Zylinderkombination (59, 111) mit einem Hauptzylinder (111) und einem Zusatzzylinder (117), die über eine Leitung (54) miteinander in Verbindung stehen, wobei der Zusatzzylinder (117) und die Leitung ein Zusatzvolumen (52) bilden und der Zusatzzylinder (117) einen Zusatzkolben (57) mit veränderlicher Stellung enthält; ein Kraftstoffeinspritzsystem (56) zum Zuführen von Kraftstoff in das Zusatzvolumen (53); eine erste Regelungsvorrichtung für das Kraftstoffeinspritzsystem (56), eine zweite Regelungsvorrichtung (123) zum Verändern des Zusatzzylindervolumens und eine Zündvorrichtung (55), die mit dem Zusatzvolumen (52) in Verbindung steht, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a. Leiten der gesamten, an den Motor zugeführten Luft in das Hauptzylindervolumen (63) und in das Zusatzvolumen (52); b. Leiten des gesamten Kraftstoffs in das Zusatzvolumen (52); c. Auslösen der Verbrennung des Kraftstoffs und der Luft in dem Hauptzylindervolumen; d. Abschließen der Verbrennung des Kraftstoffs und der Luft in dem Hauptzylindervolumen; und e. Ändern des Volumens des Zusatzzylinders (117), um das Verdichtungsverhältnis der Zylinder-/Kolbenkombination zu verändern; dadurch gekennzeichnet, dass f. es sich bei dem Motor um einen funkengezündeten Verbrennungsmotor handelt; und g. der Kraftstoff durch Vermischen mit Luft, die während eines Teils oder der gesamten Verdichtungsphase des Motors in der Leitung (54) in das Zusatzvolumen (52) strömt, in das Zusatzvolumen (52) geleitet wird, so dass darin ein brennbares Gemisch aus Kraftstoff und Luft gebildet wird, das im Wesentlichen vor dem Auslösen der Verbrennung gleichmäßig vermischt wird; h. Der Kraftstoff im Wesentlichen nur in die Leitung (54) in die in den Zusatzzylinder (117) strömende Luft eingespritzt wird.
  2. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch 1, das weiter den Schritt des Bereitstellens von Kraftstoff und Luft an das Zusatzvolumen (52) in einem Verhältnis von Kraftstoff zu Luft umfasst, das mindestens stöchiometrisch oder reicher an Kraftstoff ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Kraftstoff und die Luft in einem Verhältnis von Kraftstoff zu Luft an das Zusatzvolumen (52) bereitgestellt werden, das mindestens 40% reicher an Kraftstoff ist als stöchiometrisch.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend den Schritt des Änderns der Kraftstoffzufuhr in Entsprechung mit der auf die Zylinder-/Kolbenkombination aufgebrachten Drehmomentanforderung und des Änderns des Verdichtungsverhältnisses in umgekehrter Entsprechung mit der Drehmomentanforderung.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Änderns der Größe des Zuatzzylindervolumens das Verändern des Volumens zwischen einem minimalen und einem gewünschten Wert für jede Verbrennungssequenz umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Änderns der Größe des Zusatzzylindervolumens das Verändern des Volumens zwischen einem minimalen und einem gewünschten Wert für jede Verbrennungssequenz während des Abschnitts des Motortakts, bei dem der Motor unter minimalem Druck steht, umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Regelung der Größe des Zusatzzylindervolumens als Reaktion auf die Drehzahl des Motors verändert, um das Verdichtungsverhältnis in Entsprechung mit der Drehzahl des Motors zu ändern.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Zweitaktmotor handelt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Änderns der Größe des Zusatzzylindervolumens das Verändern des Volumens zwischen einem minimalen und einem gewünschten Wert für jede Verbrennungssequenz während des Abschnitts des Motortakts, in dem der Motor Verdichtung erführt, umfasst und wobei das Zusatzzylindervolumen während der Zeit, in der der Motor unter minimalem Druck steht, zum minimalen Volumen zurückgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die an den Motor zugeführte Luft eine Menge zurückgeführten Abgases enthält.
  11. Verbrennungsmotor (51), der Folgendes umfasst: mindestens eine Kolben-/Zylinderkombination (59, 111) mit einem Hauptzylinder (111); einem Zusatzzylinder (117), die über eine Leitung (54) miteinander in Verbindung stehen, wobei der Zusatzzylinder (117) und die Leitung (54) ein Zusatzvolumen bilden, wobei der Zusatzzylinder (117) ein Volumen hat, das mit einem Zusatzkolben (57) regelbar veränderlich ist, um das Verdichtungsverhältnis zu verändern; ein Kraftstoffeinspritzsystem (56), das ein Kraftstoffeinspritzventil zum Zuführen von Kraftstoff in das Zusatzvolumen umfasst; eine erste Regelungsvorrichtung, die eine Kraftstoffzufuhr zu dem Kraftstoffeinspritzventil regelt; eine zweite Regelungsvorrichtung (123) zum Verändern des Zusatzzylindervolumens und eine Zündvorrichtung (55), die mit dem Zusatzvolumen (52) in Verbindung steht; wobei die zweite Regelungsvorrichtung (123) für den Zusatzkolben (57) so ausgelegt ist, dass sie das maximale Volumen des Zusatzzylinders (117) während eines bestimmten Motortakts in Entsprechung mit der Kraftstoffmenge verändert, die benötigt wird, um das während des bestimmten Takts von dem Verbrennungsmotor verlangte Drehmoment zu liefern; dadurch gekennzeichnet, dass: a. die erste Regelungsvorrichtung dazu konfiguriert ist, Kraftstoff während eines Teils oder der gesamten Verdichtungsphase des Motors in das Zusatzvolumen (52) einzuspritzen, um darin ein brennbares Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu bilden, das im Wesentlichen vor dem Auslösen der Verbrennung gleichmäßig vermischt wird; b. es sich bei dem Motor um einen funkengezündeten Verbrennungsmotor handelt; und c. das Einspritzsystem (56) so platziert ist, dass es Kraftstoff im Wesentlichen nur in die Leitung (54) in die in den Zusatzzylinder (117) strömende Luft einspritzt.
  12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, wobei die an den Zuatzkolben (57) gekoppelte zweite Regelungsvorrichtung (123) das Verdichtungsverhältnis in umgekehrter Entsprechung zur von der ersten Regelungsvorrichtung zugeführten Kraftstoffmenge regelt.
  13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11 oder 12, wobei die an den Zusatzzylinder (57) gekoppelte zweite Regelungsvorrichtung (123) wirksam ist, um den Zusatzkolben (57) im Wesentlichen nur während der Zeit zu bewegen, in der der Druck im Motor nah am während des Motortakts vorkommenden minimalen Wert liegt.
  14. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die zweite Regelungsvorrichtung (123) das Volumen zwischen einem minimalen und einem gewünschten Volumen für jede Verbrennungssequenz verändert.
  15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die zweite Regelungsvorrichtung (123) die Größe des Zusatzzylindervolumens als Reaktion auf die Drehzahl des Motors verändert, um das Verdichtungsverhältnis in Entsprechung mit der Drehzahl des Motors zu ändern.
  16. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die zweite Regelungsvorrichtung (123) die Größe des Zusatzzylindervolumens als Reaktion auf die Menge des während des Verdichtungshubs des Motors an den Zusatzzylinder (117) geförderten Kraftstoff-/Luftgemischs verändert und das Volumen des Zusatzzylinders (117) auf ein Minimum zurückführt, während der Motor unter minimalem Druck steht.
  17. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die zweite Regelungsvorrichtung (123) so ausgelegt ist, dass sie eine Kraft auf den Zusatzkolben (57) ausübt, die den Kolben so ausrichtet, so dass das Zusatzzylindervolumen auf einem Minimum gehalten wird, wenn der Druck im Motor bei einem Minimum liegt und die zweite Regelungsvorrichtung (123) dazu konfiguriert ist, die zyklische Bewegung des Zusatzkolbens (57) unter der Wirkung des Motordrucks zu führen und zu begrenzen.
  18. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die zweite Regelungsvorrichtung (123) eine hydraulische Dämpfungsvorrichtung umfasst, um die zyklische Bewegung des Zusatzkolbens unter der Wirkung des Motordrucks zu führen und zu begrenzen, der Folgendes umfasst: a. einen Hydraulikkolben (65), der an dem Zusatzkolben befestigt ist und dazu gezwungen wird, sich in gleichzeitiger Bewegung mit dem Zusatzkolben zu bewegen, b. einen hydraulischen Regelzylinder (66), der eng um den Hydraulikkolben (65) sitzt, wobei der hydraulische Regelzylinder (66) mit einer im Wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt ist, c. eine Entlüftungsöffnung (112), die den Fluss der Flüssigkeit in den und aus dem hydraulischen Regelzylinder (66) zulässt, d. einen Zusatzventilsteuerungsmechanismus (123, 68, 64) in der hydraulischen Dämpfungsvorrichtung, der angewiesen wird, die Entlüftungsöffnung bei verschiedenen Stellungen des Regelkolbens zu schließen, um die Bewegung des Regelkolbens über die benötigte Bewegung hinaus zu verhindern.
  19. Verbrennungsmotor nach Anspruch 18, wobei der Ventilsteuerungsmechanismus daraus besteht, dass die Entlüftungsöffnung so positioniert in der Wand des Hydraulikzylinders platziert wird, dass der Fluss der Flüssigkeit von dem Hydraulikzylinder (66) unterbrochen wird, wenn der Hydraulikkolben (65) die Entlüftungsöffnung in der gewünschten Stellung des Hydraulikkolbens (65) verdeckt, wobei der Hydraulikzylinder (66) durch einen Mechanismus bewegbar ist, der dazu ausgelegt ist, den Hydraulikzylinder (66) dazu zu positionieren, die Dämpfung des Hydraulikkolbens (65) zu regeln, um die Entlüftungsöffnung zu platzieren, so dass Fluss der Flüssigkeit durch die Entlüftungsöffnung im Wesentlichen durch den Außendurchmesser des Hydraulikkolbens (65) unterbunden wird, wenn sich der Hydraulikkolben (65) in der Stellung befindet, in der Dämpfung erwünscht ist.
  20. Verbrennungsmotor nach Anspruch 18 oder 19, wobei der Ventilsteuerungsmechanismus einen nicht beweglichen statischen Hydraulikkolben (67) umfasst, der im Wesentlichen den selben Durchmesser hat, wie der Hydraulikzylinder (66) und koaxial mit dem Hydraulikzylinder (66) angeordnet ist, wobei der statische Hydraulikkolben (67) am dem Hydraulikkolben (67) gegenüberliegenden Ende im Hydraulikzylinder (66) platziert ist, wobei der Hydraulikzylinder (66) an beiden Enden offen ist und gleitfähig angeordnet ist, um sich koaxial mit dem statischen Hydraulikkolben (67) und dem Hydraulikkolben (65) zu bewegen.
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