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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Acht-Takt-Brennkraftmaschine, die in fast
allen Anwendungen der gegenwärtigen
Verwendung von Brennkraftmaschinen verwendet werden kann, wie beispielsweise
in einem Transportfahrzeuge. Insbesondere betrifft diese Erfindung
eine Acht-Takt-Hubkolbenantrieb-Brennkraftmaschine, die einen Nebenzylinder
anwendet, der mit einem Hauptzylinder zusammenarbeitet.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Es
gibt zwei Haupttypen von Hubkolbenantrieb-Brennkraftmaschinen, nämlich die
Fremdzündungs-Motoren
und die Glühzündungs-Motoren,
die auch als Diesel-Motoren bezeichnet werden.
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Diese
Hubkolbenantriebs-Motoren verwenden zum größten Teil entweder einen Zweitakt-Zyklus
oder am häufigsten
einen Viertakt-Zyklus. Die Hauptteile dieser Motoren sind: ein Zylinder,
der einen Kolben enthält,
dessen Hubbewegung in eine Drehbewegung mittels einer Anschlussstange
und einer Kurbelwelle umgewandelt wird, und ein Zylinderkopf, der
mindestens zwei Ventile aufweist, nämlich ein Auslass-Ventil und
ein Einlass-Ventil. Der Vierhub- oder Viertakt-Motor beginnt den
ersten Takt, indem der Kolben ein zerstäubtes Luft-Kraftstoffgemisch
in den Zylinder über
das Einlassventil beim ersten Abwärtshub hineinsaugt; dann den
zweiten Takt, bei dem mit geschlossenen Ventilen beim ersten Aufwärtshub die
gemischten Gase komprimiert werden; und am oder nahe des oberen
Todpunktes des ersten Aufwärtshubes
wird das komprimierte Gemisch aus Luft und Kraftstoff entweder mittels
eines Funkens oder durch Glühzündung gezündet und
das Gemisch oder der größte Teil
des Gasgemisches verbrennt, so dass im dritten Takt ein zweiter
Abwärtshub
erzeugt wird, welcher der Arbeitshub ist; im zweiten Aufwärtshub,
dem vierten Takt, werden das verbrannte Gasgemisch und das verbliebene,
unverbrannte Gasgemisch aus einem offenen Auslassventil herausgedrückt, so
dass der vierte Takt vervollständigt
ist, wobei die Dreh- oder Zentrifugalbewegung, die von dem Vorgang
erzeugt wird, von dem Schwungrad zum Fortsetzen der Takte verwendet wird,
bis entweder die Kraftstoffzufuhr beendet oder der Zündfunken
abgestellt wird.
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Der
Wirkungsgrad der erzeugten Energie ist neben anderen Variablen von
der Menge des in den Zylinder hineingesaugten oder hineingedrückten Luft-Kraftstoff-Gemisches
und dem Kompressions-Volumen-Verhältnis abhängig. Je höher das Kompressions-Volumen-Verhältnis ist,
desto höher ist
der Wirkungsgrad. Das Kompressions-Volumen-Verhältnis ist im Falle des Benzinmotors
durch das Risiko einer vorzeitigen Zündung des Gemisches und ist
im Falle des Dieselmotors neben anderen Variablen von einer widerstandsfähigen und
geeigneten Verbrennungskammer begrenzt.
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Es
ist gut bekannt, dass Viertakt- und andere Mehrtakt-Brennkraftmaschinen
Abgase ausstoßen, die
ungenutzte Energie in der Form von unverbrannten Gasen enthalten.
Es wurden viele verschiedene Denkansätze verwendet, wobei sowohl
versucht wird, die ungenutzte Energie innerhalb dieser unverbrannten
Gase einzufangen, als auch versucht wird, die durch uneffiziente
Verbrennung verursachte Emission in die Atmosphäre zu reduzieren.
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Dem
Erfinder ist das
US Patent 4,917,054 erteilt
am 17. April, 1990 an Schmitz, "Six-stroke
internal combustion engine" bekannt.
Dieser ist ein Hubkolben-Motor, wobei sechs Hübe angewendet werden, nämlich der
Lufteinlass, die erste Kompression begleitet oder gefolgt von einer
möglichen
Kühlung, eine
zweite Kompression, gefolgt von einer Verbrennung, wobei die erste
Expansion eine verwendbare Arbeit produziert, die zweite Expansion,
die eine verwendbare Arbeit produziert, und schließlich das
Abführen
der Verbrennungsgase.
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US-5056471 offenbart eine ähnliche
Anordnung einer Mehrtakt-Brennkraftmaschine,
die zu einer zweistufigen Ausstoßung imstande ist, wobei der Auslasszylinder
dem Verbrennungszylinder um 30-90 Grad voreilt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Acht-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine
gemäß Anspruch
1 mit vergrößertem Kraftstoff-Wirkungsgrad
vorzusehen.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist, eine Acht-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine vorzusehen,
die weniger umweltschädlich
ist.
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Durch
die Verwendung eines Nebenzylinders, der in Abstimmung mit einem
Hauptzylinder arbeitet, nimmt der Nebenzylinder sowohl kühle Atmosphärenluft
als auch heiße
Verbrennungsgase aus dem Hauptzylinder auf, so dass ein zweiter
Arbeitshub in dem Nebenzylinder erzeugt wird. Das vergrößerte Luft-Kompressionsverhältnis in
dem Nebenzylinder ermöglicht,
dass komprimierte Luft in den Hauptzylinder eingespritzt wird, wie der
Hauptzylinder in der letzten Hälfte
seines Arbeitshubes ist, wobei dies ein Nachverbrennen der Verbrennungsgase in
dem Hauptzylinder bewirkt. Diese Sekundär-Verbrennung wird aus dem
Hauptzylinder über
das Koordinierungs-Ventil zu dem Nebenzylinder übertragen, so dass sich ein
zweiter Arbeitshub in dem Nebenzylinder ergibt.
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Die
niedrigere Temperatur in dem Nebenzylinder macht es möglich, durch
Wärmeübertragung im
wesentlichen den vollen Nutzen aus der Wärmeenergie zu ziehen, die in
dem Hauptzylinder erzeugt wird.
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Mit
den zwei Koordinierungs-Zylindern, dem Hauptzylinder und dem Nebenzylinder,
gibt es acht Arbeits-Takte oder -Hübe, wobei jeder innerhalb einer
90°-Kurbelwellen-Umdrehung
zueinander angeordnet ist. Der gesamte Arbeitsvorgang geht von 0° bis 810° einer Kurbelwellen-Umdrehung.
Der Hauptzylinder wird in einem 0° bis
720°-Zyklus
gedreht und der Nebenzylinder wird in einem 90° bis 810°-Zyklus gedreht. Beim Hauptzylinder
wird in der 0-Grad-Umdrehung mit dem Luft- und Kraftstoff-Einlassen begonnen und
beim Nebenzylinder wird in der 90°-Umdrehung
mit dem Luft-Einlassen begonnen.
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In
einer konventionellen Brennkraft-Maschine absorbiert das Motormetall
die Wärmeenergie,
die durch die Verbrennung erzeugt wird und der Zylinder wird von
einem Kühlsystem
abgekühlt.
Dies ergibt eine Verschwendung von Wärmeenergie. In dem Acht-Takt-Kolbenmotor
wird in dem Nebenzylinder Kühlluft
zum Kombinieren mit der "verschwendeten" Wärmeenergie
verwendet, so dass Arbeit erzeugt wird, da, wenn die Kühlluft mit
der Wärmeenergie
und den unverbrannten Gasen kombiniert wird, die Kühlluft sich
innerhalb des Nebenzylinders expandiert. Daher setzt die expandierte
Luft den Arbeitstakt innerhalb des Hauptzylinders durch Verbrennen
des Großteils
der verbliebenen unverbrannten Gase fort und wenn der Hauptzylinder
ausstößt, erzeugt
sie einen zweiten Arbeitstakt innerhalb des Nebenzylinders ohne
einen Zündfunken.
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Die
Wärmeenergie
und die unverbrannten Gase aus dem Hauptzylinder werden mit der
Kühlluft in
dem Nebenzylinder kombiniert. Dies wird die Temperatur in dem Hauptzylinder
verringern, was die Chance einer Vor-Zündungs-Detonation herabsetzt, wodurch
höhere
Kompressions-Verhältnisse
ermöglicht
werden und was auch einen größeren Wärmewirkungsgrad
ergibt, da der kühlere
Nebenzylinder die Wärmeenergie
absorbiert und das Motormetall weniger Wärme absorbiert.
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Daher
ist die Ausführungsform
dieser Erfindung eine Brennkraftmaschine die im Wesentlichen aus
mindestens einem Paar Kompressions-Zylindern besteht. Es ist plausibel,
dass der Hauptzylinder und der Nebenzylinder im Wesentlichen mehr
oder im Wesentlichen weniger als um eine 90°-Umdrehung versetzt zueinander
sein können.
Zur Vereinfachung der Erläuterung
dieser Erfindung werden die Zylinder hierin so diskutiert, dass
sie mit einer 90°-Umdrehung zueinander
versetzt angeordnet sind. Es ist auch plausibel, dass in dem Nebenzylinder
möglicherweise
ein drittes Ventil verwendet wird, was dem Koordinierungsventil
mehr Kontrolle gibt, falls erforderlich. Es ist auch plausibel,
dass der Versatz des Hauptzylinders und des Nebenzylinders zueinander
anders sein könnte.
Auch kann die Dauer des Ventiltimings abhängig von den Anwendungsanforderungen
und Variablen in den Motoreinstellungsdynamiken variiert werden.
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Theoretisch
kann das Prinzip der Acht-Takt-Brennkraftmaschine sowohl in dem
Funkenzündungs-
als auch dem Glühzündungs-
oder Diesel-Motor angewendet werden und in der Erfindung könnte plausiblerweise
ein Zündfunke
in dem Nebenzylinder verwendet werden, falls so gewünscht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Zeichnungen offenbaren die anschaulichen Ausführungsformen der Erfindung,
welche dazu dienen, die verschiedenartigen Vorteile und Aufgaben
davon zu erläutern
und wie folgend sind:
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1 zeigt
den Hauptzylinder-Einlass, Hub-Nr.1, am Beginn des Hubes, wobei
der Nebenzylinder in der Mitte seines Auslassens, Hub-Nr. 8 ist.
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2 zeigt
den Hauptzylinder-Einlass, Hub-Nr. 1 in der Mitte des Hubes, wobei
der Nebenzylinder sein Auslassen, Hub-Nr. 8, beendet.
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3 zeigt
die Hauptzylinder-Kompression, Hub-Nr. 3, beim Beginn des Hubes,
wobei der Nebenzylinder in der Mitte des Einlassens, Hub-Nr. 2, ist.
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4 zeigt
die Hauptzylinder-Kompression, Hub-Nr. 3, in der Mitte des Hubes,
wobei der Nebenzylinder am Ende des Einlassens, Hub-Nr. 2, ist.
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5 zeigt
die Hauptzylinder-Zündung, Hub-Nr.
5, am Beginn des Arbeitshubes, wobei der Nebenzylinder in der Mitte
der Kompression, Hub-Nr. 4, ist.
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6 zeigt
die Hauptzylinder-Verbrennung, Hub-Nr. 5, in der Mitte des Arbeitshubes,
wobei der Nebenzylinder am Gipfel der Kompression, Hub-Nr. 4, ist.
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7 zeigt
den Hauptzylinder-Auslass, Hub-Nr. 7 beim Beginn des Auslasshubes,
wobei der Nebenzylinder in der Mitte des Arbeitshubes, Hub-Nr. 6,
ist.
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8 zeigt
den Hauptzylinder-Auslass, Hub-Nr. 7, in der Mitte des Auslasshubes,
wobei der Nebenzylinder am Ende des Arbeitshubes, Hub-Nr. 6, ist.
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9 zeigt
die Acht-Motorarbeits-Takte.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Acht-Takt-Brennkraftmaschine ist im Wesentlichen mit 10 bezeichnet,
wobei sie in einer Aufriss-Schnittansicht gezeigt ist, wobei die
Maschine 10 einen Zylinderblock 12 aufweist und
es innerhalb des Blockes 12 eine Hauptzylinderbohrung 14 und
eine Nebenzylinderbohrung 16 gibt.
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Der
Hauptzylinder 14 beinhaltet einen Kolben 18, welcher
mittels einer Anschlussstangen-Vorrichtung 20 verschieblich
bewegbar ist, wobei die Stange 20 von der Kurbelwelle 22 drehbar
gehalten wird, wobei die Kurbelwelle 22 von dem Zylinderblock 12 drehbar
gehalten wird. Die Nebenzylinderbohrung 16 beinhaltet einen
Kolben 24, welcher von der Anschlussstangen-Vorrichtung 20 verschieblich
bewegbar ist, wobei die Stange 26 auch von der Kurbelwelle 22 drehbar
gehalten ist.
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Oben
auf dem Zylinderblock 12 ist ein Zylinderkopf 28 befestigt. Über dem
Hauptzylinder 14 weist der Zylinderkopf 28 eine
Zündkerze 30,
ein Einlassventil 32 und ein Koordinierungsventil 34 auf. Über dem
Nebenzylinder 16 weist der Zylinderkopf 28 eine
offene Durchgangsöffnung 36 zu
dem Koordinierungs-Ventil 34, ein Einlassventil 38 und
ein Auslassventil 40 auf.
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Wie
aus der 1 zu sehen ist, ist der Einlasshub,
Hub-Nr. 1, am Anfang (0°)
des Kurbelwellen- 22 - Drehzykluses. Während der Drehung saugt der
Hauptzylinder 14 Luft und Kraftstoff (A/F) über das
Hauptzylinder-Einlassventil 32 ein. In dieser Drehposition
ist der Nebenzylinder 24 in der Mittelposition seines Auslasshubes,
Hub-Nr. 8.
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Wie
in der 2 zu sehen ist, ist der Einlass, Hub-Nr. 1, in
der Mitteldrehung (90°),
wo der Hauptzylinder 14 A/F über das Hauptzylinder-Einlassventil 32 einlässt und
der Nebenzylinder 16 seinen Auslasshub, Hub-Nr. 8, beendet
hat (810° von
seiner Zyklusumdrehungs-Vollendung oder der Beginn einer neuen Zyklusumdrehung).
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Wie
in der 3 zu sehen ist, ist die Hauptzylinder 14 – Kompression,
Hub-Nr. 3, am Anfang des Hubes (180° der Zyklus-Drehung), wo der Hauptzylinder 14 die
A/F-Kompression beginnt und der Nebenzylinder-Kolben 24 in
der Mitte des Einlassens, Hub-Nr. 2, nur beim Lufteinsaugen ist.
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Wie
in der 4 zu sehen ist, ist der Hauptzylinder 14 – Kompressionshub-Nr.
3, in der Mitte des Hubes (270° von
einer Zyklusumdrehung), wo der Hauptzylinder-Kolben 18 die
A/F-Kompression
fortsetzt und der Nebenzylinder 16 am Ende des Einlassens ist, Hub-Nr.
2.
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Wie
in der 5 zu sehen ist, ist der Hauptzylinder 14 nach
der Zündkerzen-30-Zündung, Hub-Nr.
5, am Beginn des Arbeittaktes (360° der Zyklusumdrehung) gezeigt,
wo im Hauptzylinder 14 die A/F-Verbrennung beginnt, und
der Nebenzylinder 24 in der Mitte der Kompression, Hub-Nr.
4, ist, wo der Nebenzylinder nur Luft komprimiert.
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Wie
in der 6 zu sehen ist, ist die Verbrennung im Hauptzylinder,
Hub-Nr. 5, in der Mitte des Arbeitshubes (450° der Zyklusumdrehung), wo das
Koordinierungs-Ventil 34 des Hauptzylinders bereits offen
ist (die Luft aus dem Nebenzylinder wird in den Hauptzylinder bei
ungefähr
420 Grad nahe dem Ende des Hubes-Nr. 4 hineingedrückt) und
der Nebenzylinder-Kolben 24 am Gipfel der Kompression, Hub-Nr.
4, ist, wo die vom Nebenzylinder komprimierte Luft mit den Verbrennungsgasen
aus dem Hauptzylinder 14 vermischt wird.
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Wie
in der 7 zu sehen ist, stößt der Hauptzylinder 14 aus,
Hub-Nr. 7, beim Beginn des Auslasshubes (540° der Zyklusumdrehung), wo der Hauptzylinder 14 beginnt,
Verbrennungsgase über das
Koordinierungs-Ventil auszustoßen
und der Nebenzylinder-Kolben 24 in der Mitte des Arbeitshubes ist,
Hub-Nr. 6, wo der Nebenzylinder 16 seinen Arbeitshub fortsetzt,
wenn die Gase sich expandieren und nachverbrannt werden sowohl innerhalb
des Hauptzylinders 14, wenn er über das Koordinierungsventil
und in den Nebenzylinder 16 hinein ausstößt, wenn
der Nebenzylinder-Kolben 24 seinen Arbeitshub fortsetzt.
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Wie
in der 8 zu sehen ist, wobei im Hauptzylinder 14 der
Hauptzylinder-Kolben 18 in der Mitte des Auslasshubes ist,
Hub-Nr. 7, (630° der
Zyklusumdrehung), wobei aus dem Hauptzylinder-Kolben 18 das
Ausstoßen
von Verbrennungsgasen über das
Koordinierungsventil 34 fortgesetzt wird und der Nebenzylinder 14 am
Ende des Arbeitshubes ist, Hub-Nr. 6, wobei die Aufnahme der Verbrennungsgase
aus dem Hauptzylinder in den Nebenzylinder über das Koordinierungs-Ventil 34 fortgesetzt
wird, bis das Koordinierungs-Ventil 34 geschlossen wird,
die der nächste
Einlasszyklus beginnt.
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Wie
in der 9 zu sehen ist, zeigt ein Diagramm die Acht-Motor-Arbeitszyklen.
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Es
können
natürlich
viele Änderungen
und Modifikationen in den oben beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung durchgeführt
werden, ohne dass von dem Umfang davon abgewichen wird. Demnach
ist die Erfindung zum Fördern
des Fortschritts der Wissenschaft und der angewandten Technik so
offenbart und vorgesehen, dass dieselbe nur durch den Umfang der
beigefügten
Ansprüche beschränkt wird.