DE69112142T2

DE69112142T2 - Verbrennungskraftmaschine und Verfahren dazu.

Info

Publication number: DE69112142T2
Application number: DE69112142T
Authority: DE
Inventors: John Mcmaster Haring
Original assignee: HARING BLACKETER MARGARET GRAC; HARING JOHN WILLIAM; HARING NEAL PATRICIA LEIGH; MCMASTER; MCMASTER HARING MICHAEL; MCMASTER SCHATZI; Thermon Manufacturing Co
Current assignee: Haring Betty Jean Bullhead City Ariz Us Harin
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2011-06-22
Also published as: CA2045263C; EP0463818A1; EP0463818B1; ES2079033T3; RU2082891C1; JPH04262025A; KR920001065A; US5103645A; YU109691A; YU48175B; BR9102616A; CA2045263A1; DE69112142D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren, sowohl nach dem Otto- wie auch nach dem Dieselverfahren, große und kleine, bewegliche und stationäre, wie sie derzeit in PKW und LKW verwendet werden, wie auch auf alle übrigen Arten von Verbrennungsmotoren.
Sowohl Otto- wie auch Dieselmotoren erreichen ihr Ziel über Parameter bzw. Takte, die einander in festgelegter Reihenfolge folgen: (1) Ansaugtakt, (2) Kompressionstakt, (3) Verbrennungstakt und (4) Auspufftakt. Jeder dieser vier Takte wird in jedem Kraftzylinder eines mehrzylindrigen Otto- oder Dieselmotors ausgeführt. Jedes dieser Verfahren kann weiterhin auch ein "Zweitaktverfahren" sein, bei dem diese Parameter bzw. "Takte" während einer Kurbelwellenumdrehung ausgeführt werden, oder als "Viertaktverfahren", bei dem all diese Parameter oder "Takte" während zweier Kurbelwellenumdrehung ausgeführt werden.
Bei einem Viertaktverbrennungsmotor der nach dem Ottoverfahren arbeitet, wird eine Mischung aus Luft und zerstäubtem Treibstoff in einen oder mehrere Verbrennungszylinder geleitet oder gepreßt, wenn der Kolben sich beim Ansaugtakt nach unten bewegt. Die Mischung wird bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens während des Kompressionstaktes verdichtet. Die Mischung wird dann mittels einer Zündkerze am oder nahe des oberen Totpunktes des Kolbens gezündet. Die Verbrennung findet bei konstantem Volumen statt, so daß in dem Zylinder ein hoher Druck und eine hohe Temperatur erzeugt werden, wodurch der Kolben nach unten bewegt wird und Arbeit leistet. Nach Benson, Rowland und Whitehouse, N.D., "Internal Combustion Engines," New York: Pergamon Press, 1979, Seite 17 entspricht die normale vollständige Verbrennungsdauer etwa 30º bis 40º Kurbelwellenumdrehung. Fig. 9 zeigt jedoch, daß der Verbrennungsdruck nur für eine sehr kurze Kurbelwellenumdrehungsdauer im wesentlichen konstant bleibt. Nachdem der Kolben seine unterste Stellung in dem Zylinder erreicht hat, werden die Verbrennungsgase durch den Kolben während des letzten Taktes durch ein geöffnetes Ventil aus dem Zylinder entfernt. Nach dem Auspufftakt wiederholt sich der gesamte Vorgang fortwährend, bis der Prozeß durch Öffnung des elektrischen Schaltkreises der Zündkerze unterbrochen wird.
Bei einem nach dem Diesel-Verfahren arbeitenden Viertaktverbrennungsmotor wird Luft in einen oder mehrere Verbrennungszylinder angesaugt oder gepreßt, wenn der Kolben sich beim Ansaugtakt nach unten bewegt. Die Luft wird komprimiert, während sich der Kolben beim Verdichtungstakt nach oben bewegt. Treibstoff wird am oder nahe des oberen Totpunktes des Kolbens bis zu einem vorbestimmten Abbruchpunkt üblicherweise bei 15º bis 20º nach dem oberen Totpunkt eingespritzt. Die Verbrennung findet bei konstantem Druck statt, wobei ein hoher Druck und eine hohe Temperatur in dem Zylinder erzeugt werden, wodurch der Kolben nach unten gezwungen wird und Arbeit leistet. Nach Heywood, John B., "Combustion Engine Fundamentals," New York: Mcgraw-Hill Book Company, 1988, Seite 493 beträgt die gesamte Verbrennungsdauer etwa 40º bis 50º Kurbelwellenumdrehung. Aus Fig. 10 ist jedoch ersichtlich, daß der Verbrennungsdruck im wesentlichen nur für eine sehr kurze Kurbelwellenumdrehungsdauer konstant bleibt. Nachdem der Kolben seine unterste Stellung in dem Zylinder erreicht hat, werden die verbrannten Gase von dem Kolben während des letzten Taktes durch ein geöffnetes Ventil aus dem Zylinder ausgestoßen. Nach dem Auspufftakt wiederholt sich der gesamte Vorgang fortwährend, bis der Prozeß durch Beenden des Treibstofflusses unterbrochen wird.
Jede der oben beschriebenen Motorarten kann als natürlich beatmet, aufgeladen oder turbogeladen, zwischengekühlt und/oder nachgekühlt vorgesehen sein. Lader und Turbolader erlauben, daß eine größere Luftinasse bei gegebener Motorgröße, Bohrung, Hub und Umdrehung zugeführt werden kann. Zwischenkühler und Nachkühler erlauben ebenfalls, daß mehr Luft bei gegebener Motorgröße, Bohrung und Umdrehung zugeführt werden kann.
Generell erlaubt die Mischung von mehr Luft mit mehr Treibstoff bei einem zündfähigen Gemisch einem Motor mehr Ausgangsleistung zu erzeugen. Außer mechanischen Grenzen ist das Klopfen die einzige Grenze, die einen Otto- oder Dieselmotor daran hindert, durch Zuführung von mehr Luft und mehr Treibstoff mehr Leistung zu erzeugen.
Klopfen tritt auf, wenn die unverbrannte Luft/Treibstoffmischung vor der Verbrennungsfront auf ihre Selbstzündungstemperatur erhitzt wird. Dann kann das gesamte unverbrannte Gemisch in weniger als einer tausendstel Sekunde verbrennen. Dies entspricht einer Explosion und höchste Verbrennungsdrücke von einigen hundert psi (Pound / square inch) werden zu einigen tausend psi, wodurch der Motor beschädigt oder zerstört wird. Die einzige Grenze für einen nach dem Otto- oder Diesel-Verfahren arbeitenden Motor mehr Leistung durch Zufuhr von mehr Luft-Treibstoffmischung zu erzeugen ist daher das Klopfen. Die Selbstzündungstemperaturen für unterschiedliche Treibstoffe ist wohlbekannt und in der nachstehenden Tabelle aus J.H. Perrys ChE Handbook, Seiten 9- 31 bis 9-33 aufgeführt. Tabelle 1 Auflistung von Selbstzündungstemperaturen - Verschiedene Kohlenwasserstoffe bei Atmosphärendruck Treibstoff Formel Methan Ethan Propan N-Butan N-Pentan N-Hexan N-Heptan N-Oktan Benzin Benzin
Die im folgenden aufgeführten Patentschriften stellen den wichtigsten, während der Recherche ermittelten Stand der Technik zu der vorliegenden Erfindung dar.
Die US-Patente 1,087,042; 2,372,272; und 3,232,042 offenbaren Verbrennungsmotoren, bei denen das Treibstoff- Luftgemisch komprimiert, durch einen Kühler geführt und in die Zylinder des Motors gezwungen wird.
Die US-Patente 2,581,343 und 2,516,911 offenbaren Luftansaug-Steuersysteme, bei denen ein unabhängig angetriebener Lader die Verbrennungsluft komprimiert, die daraufhin durch einen Zwischenkühler und in den Motor geführt wird.
Mehrere Patente offenbaren Verbrennungsmotoren mit mehrfachen Kompressions- und Expansionsstufen. Hierzu gehören die US-Patente 729984 und 1152386.
Es gibt andere Patente, die die Entwicklung des Standes der Technik bei Verbrennungsmotoren aufzeigen und die Aufladevorrichtungen und Kühler zur Steuerung der Verbrennungsluft und/oder Treibstoffmischung verwenden, wodurch in der Folge die Temperaturen und Drücke in dem Motor gesteuert werden. Beispiele dieser Patente sind die US-Patente 1807042 und 1935186.
Diese Verbrennungsmotoren sind sämtlich hochverdichtende Motoren mit relativ kurzen Verbrennungszeiten bei hohen Temperaturen und Drücken, hohem Treibstoffverbrauch, hohen Abgastemperaturen und chemischen Schadstoffen, wie z.B. CO, CO&sub2; und NOx.
Keines der vorgenannten Patente oder anderer dem Anmelder bekannter Stand der Technik offenbart oder legt nahe die vorliegende Erfindung mit ihren Vorteilen.
Die FR-2561710 offenbart einen Verbrennungsmotor, bei dem komprimierte Luft und Treibstoff in eine Brennkammer eingebracht wird, die einen eine Ausgangswelle drehenden Verdränger aufweist, die komprimierte Luft und der Treibstoff bilden ein zündfähiges Treibstoff/Luftgemisch, die Treibstoff/Luft-Mischung wird gezündet und die Verbrennungsprodukte werden ausgestoßen.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird die verdichtete Luft vor ihrer Einführung in die Brennkammer gekühlt, das zündfähige Treibstoff/Luft-Gemisch weist vor seiner Verbrennung eine Temperatur unterhalb seiner Selbstzündungstemperatur auf und ist hinreichend kühl um eine Detonation des Luft/Treibstoff-Gemischs vor der Verbrennungsfront während des Verbrennungsvorgangs und eine Bildung von NOx zu verhindern oder zu reduzieren, die Verbrennung setzt ein während Treibstoff derart zugeführt wird, daß die Verbrennung bei im wesentlichen konstanten Druck über einen Zeitraum stattfindet, der einer Drehung der Ausgangswelle des Verdrängers von mindestens 45º nach dem oberen Totpunkt (OT) entspricht und der Beginn des Ausstoßes der Verbrennungsprodukte aus dem Brennraum findet bei einem Druck statt, der mindestens 40 % des im wesentlichen konstanten Verbrennungsdruckes entspricht.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, Verbrennungsmotoren durch ein verbessertes Motorverfahren, welches hiernach teilweise als "Haring-Verfahren" bezeichnet wird, zu verbessern, bei dem das Klopfen als Grenze der Leistungserzeugung vollständig ausgeschlossen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine relativ langsame und lang andauernde Verbrennung vorgesehen, bei der die Abgase einen hohen Druck aufweisen, der zum Antrieb eines Turboladers oder eines oder mehrerer folgender Zylinder verwendet werden kann. Anders ausgedrückt ist die Brenndauer bei im wesentlichen konstantem Druck verlängert und dauert länger als bei bekannten Verbrennungsmotoren. Weiterhin ist das Verdichtungsverhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren reduziert und die höchste im Brennraum auftretende Temperatur liegt unterhalb der Temperatur, bei der NOx entsteht. Im Idealfall bleibt der Druck während der Verbrennung im wesentlichen konstant. Hieraus resultiert eine kontrollierte Energiefreisetzung, die einer Volumenänderung pro Zeiteinheit angepaßt ist, wodurch mehr Drehmoment und Leistung erzeugt wird, weniger Treibstoff verbraucht wird und der Schadstoffausstoß in die Atmosphäre drastisch reduziert wird.
Das Zuführen gekühlter komprimierter Luft oder Luft/Treibstoff-Mischung ermöglicht es, daß eine kontrollierte Verbrennung bei im wesentlichen konstantem Druck über einen ausgedehnten Zeitraum stattfindet. "Im wesentlichen konstanter Druck" bedeutet hierbei, daß der Druck um nicht mehr als 20 % vom maximalen Verbrennungsdruck abweicht. Fig. 10 zeigt ein Beispiel eines kontrollierten Verbrennungsbereiches für einen Dieselmotor.
Brenndauer bei im wesentlichen konstantem Druck bedeutet, daß ein wesentlicher Teil der Verbrennung bei im wesentlichen konstantem Druck stattfindet, da die gesamte Dauer der Verbrennung anfängliche Verbrennung, schnelle Verbrennung, Endflankenverbrennung oder Verbrennungsstufen umfaßt. Anders ausgedrückt sollte der im wesentlichen konstante Druckbereich der Verbrennung sich über mindestens 45º der Kurbelwellendrehung nach dem oberen Totpunkt erstrecken. Der gesamte Verbrennungsvorgang findet nicht unbedingt bei im wesentlichen konstantem Druck statt.
Die grundlegenden auf die Erfindung anwendbaren Konzepte sind, daß Motorleistung durch Verbrennung einer Luft/Treibstoff-Mischung erzeugt wird, daß die maximale Ausgangsleistung nicht mehr durch die Höchstmenge an Mischung die ohne Klopfen verbrannt werden kann, begrenzt wird, daß das Klopfen durch die Temperatur der zündfähigen Luft/Treibstoff-Mischung gesteuert wird und daß die Verlängerung der Brenndauer um mehr Druck bereitzustellen, während sich der wirksame Momentenarm vergrößert, das Drehmoment wesentlich vergrößert. Die Brenndauer erstreckt sich über einen Kurbelwellenwinkel von mindestens 45º bei im wesentlichen konstantem Druck. Vorzugsweise erstreckt sich die Verbrennung von einem Anfangsbereich von 45º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt bis zu einem Endbereich von 45º bis 180º oder mehr nach dem oberen Totpunkt. Die Verbrennung beginnt beispielsweise innerhalb eines Anfangsbereiches von 35º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt und kann in Bereichen wie 45º bis 90º, 90º bis 180º oder 45º bis 200º nach dem oberen Totpunkt enden. Unter der Voraussetzung, daß die Verbrennung eine chemische Reaktion ist und daß sich die Geschwindigkeit dieser chemischen Reaktion mit der Anfangstemperatur erhöht, wird die Reaktion durch Kühlen der Luft/Treibstoff-Mischung vor der Zündung unter einen Punkt, bei dem während des Verbrennungsvorganges Klopfen auftreten kann, gesteuert, wodurch der höchste Zünddruck, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunktes befindet, reduziert wird und der Zylinderdruck über das übliche Maß hinaus erhöht wird, sobald das Winkelverhältnis zwischen Pleuel und Kurbelzapfen-Mittellinie derart ist, daß die durch den Kolben übertragene Kraft einen erheblichen Hebelarm aufweist, so daß mehr Drehmoment und damit mehr Leistung erzeugt wird.
Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Verbrennungsluft und/oder Luft/Treibstoff-Mischung extern auf Drücke von 40 % bis 100 % des Endverdichtungsdruckes des Verbrennungszylinders verdichtet und dann dem Verbrennungszylinder zugeführt und ist daher nicht von dem Verbrennungszylinder für die gesamte Verdichtung abhängig. Die Verbrennungsluft und/oder Luft/Treibstoff-Mischung wird auch außerhalb des Verbrennungszylinders auf eine Temperatur abgekühlt, die dazu dient, die komprimierte Luft beizubehalten, wenn diese mit dem Treibstoff vermischt wird, um eine gekühlte Luft/Treibstoff-Mischung zu bilden, die ihre Selbstzündungstemperatur während der Verbrennung in dem Verbrennungszylinder nicht vor der Verbrennungsfront erreichen würde. Dies schließt jede Möglichkeit vollständig aus, daß die Luft/Treibstoff-Mischung vor der Verbrennungsfront ihre Selbstzündungstemperatur erreicht und Klopfen stattfindet.
Das festgelegte Verbrennungszylindervolumen am oberen Totpunkt wird vermindert, so daß wenn der Kolben nach unten beschleunigt wird, die Änderung des Volumens pro Zeit (dV/dT) vermindert wird, wodurch sich der Druck in dem Zylinder wesentlich langsamer vermindert, als bei einem kleinen Volumen am oberen Totpunkt, wie dies in den herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren mit hohem Verdichtungsverhältnis der Fall ist. Vorzugsweise wird der Treibstoff in den Verbrennungszylinder zeitlich gesteuert in einem Bereich der bei 45º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt des Kolbens beginnt und bis zu 180º oder mehr, wie z.B. 200º nach dem oberen Totpunkt dauert, zugeführt, wodurch ein ausgedehnter und langsamer Verbrennungstakt mit mindestens einer Dauer von 45º Kurbenwellenwinkel ermöglicht wird, wodurch das Drehmoment mit wenig oder gar keinem Verlust an Verbrennungsdruck erhöht wird. Der Ausstoß der Verbrennungsprodukte, welche immer noch einen relativ hohen Druck aufweisen, aus dem Verbrennungszylinder kann weiterhin dazu verwendet werden durch eine zweite oder dritte Expansion zusätzliches Drehmoment zu erzeugen, etwa durch Kolben oder Rotationsvorrichtungen. Der Treibstoff kann während der Verbrennung getaktet in den Brennraum eingebracht werden, um eine kontrollierte Energiefreisetzung zu ermöglichen, um die höchste Verbrennungstemperatur unterhalb 983 ºC (1800 ºF) oder der ungefähren Temperatur bei der NOx gebildet wird zu halten. Der Abgasdruck der zweiten oder dritten Expansionsstufe kann daher die Antriebskraft für die erste Stufe der Verdichtung für den nächsten Krafttakt werden, bevor die Abgase dem Auspuff und dann der Atmosphäre zugeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Verdichterstufe und das Mischungskühlungssystem von dem Verbrennungszylindersystem getrennt, welches die Steuerung der Verbrennungsrate unterstützt und damit die Brenndauer, den höchsten Zünddruck, momentane Schock- und Lastwerte, das Ausgangsdrehmoment, den Luftdruck und die Temperatur, den Treibstoffverbrauch, die Verbrennungseffizienz, die Spülrate, den Schadstoffausstoß und die Wärmeabfuhr. Diese können durch geeignete manuelle oder automatische Einstell- oder Steuermittel effektiv gesteuert werden. Das Haring-Verfahren verwendet externe Verdichtung mit externer Kühlung, da bisher keine Methode oder Mittel bekannt sind, um der verdichteten Luft im Verbrennungszylinder herkömmlicher Otto- oder Dieselmotoren hinreichend Wärme zu entziehen, selbst bei Turboladern mit Zwischen- oder Nachkühlern. Ein externer Kompressor ist wesentlich effizienter als die Verwendung des Verbrennungszylinders zur Kompression während eines Taktes des Motors. Die Verwendung eines externen Kompressors erlaubt dem Motoranwender auch die Einstellungen zwischen maximaler Leistung und maximalem Wirkungsgrad zu verändern, was bei ein und demselben Motor durch Veränderung des Einspritzdruckes, der Temperatur, des Zylindervolumens am Anfang und Ende des Einspritzvorgangs und des Zündzeitpunktes geschehen kann. Extern bedeutet hier nicht unbedingt eine vollkommen getrennte Maschine, sondern lediglich außerhalb des Verbrennungszylinders.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Brenndauer durch Erhöhung der Einspritzdauer von Anfang zu Ende erhöht, welches den höchsten Zünddruck vermindert, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunktes befindet und den Druck über das üblicherweise erreichbare Maß erhöht, sobald das Winkelverhältnis zwischen Pleuel und Kurbelzapfenmittellinie derart ist, daß die durch den Kolben übertragene Kraft einen erheblichen Hebelarm aufweist, so daß mehr Drehmoment und mehr Leistung erzeugt wird. Dies wird durch Variation und Steuerung des Druckes, der Temperatur, des Volumens und der Brenndauer während der Verbrennung erreicht.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistung eines Verbrennungsmotors über die eines Diesel-, Otto- oder Wankelmotors zu erhöhen, während gleichzeitig der Schadstoffausstoß und die Wärmeabgabe an die Atmosphäre vermindert werden.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der im Vergleich zu einem Otto- oder Dieselmotor gleicher Abmessungen erhöhte Leistung, reduzierten höchsten Zünddruck, reduzierte Belastung mechanischer Bauteile, verminderten Treibstoffverbrauch, verminderte Abwärme, verminderte Abgastemperaturen, verminderten Schadstoffausstoß, verminderte Betriebskosten, insgesamt erhöhten Wirkungsgrad und verminderten Kapitaleinsatz für verfügbare Leistung aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Motor mit den vorgenannten Vorteilen bereitzustellen, der in der Lage ist, Treibstoffe zu verbrennen, wie z.B. Alkohol aus landwirtschaftlichen produkten, die in herkömmlichen Motoren schwer verwendbar sind, und Treibstoffe mit niedrigeren Klopftemperaturen zu verwenden, die für Otto- und Dieselmotoren nicht geeignet sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Methode und Mittel zur Verbesserung der Leistung und Verminderung des Schadstoffausstoßes aus Verbrennungsmotoren bereitzustellen, indem Luft oder eine Luft/Treibstoff-Mischung außerhalb des Verbrennungszylinders auf Drücke in der Größenordnung von 40 % bis 100 % des schließlichen Verdichtungsdruckes komprimiert wird und indem die komprimierte Luft oder komprimierte Luft/Treibstoff-Mischung auf eine Temperatur gekühlt wird, die in der Lage ist, die Temperatur beizubehalten, wenn die Mischung mit dem Treibstoff stattfindet, um eine brennbare Luft/Treibstoff-Mischung vor der Verbrennungsfront zu bilden, die sich unterhalb ihrer Selbstzündungstemperatur während der Verbrennung in dem Verbrennungszylinder befindet, wodurch die vorgenannten Vorteile erreicht werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Leistung und Verminderung des Schadstoffausstoßes eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, wobei die extern komprimierte und gekühlte Luft dem Verbrennungszylinder vor dem oberen Totpunkt des Kolbens zugeführt wird und der Treibstoff dem Leistungszylinder zeitgesteuert in einen Bereich der 45º vor dem oberen Totpunkt des 35º nach dem oberen Totpunkt beginnt bis zu 180º oder mehr zuzuführen, wodurch ein ausgedehnter und langsamer Verbrennungstakt bei im wesentichen konstantem Druck bis zu mindestens 45º Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt ermöglicht wird, wodurch mehr Drehmoment und mehr Leistung erzeugt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Leistung und Verminderung des Schadstoffausstoßes aus einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, indem das feste Verbrennungszylindervolumen am oberen Totpunkt erhöht wird, so daß, wenn der Kolben beim Leistungstakt beschleunigt wird, die Änderung des Volumens pro Zeit (dV/dT) sich sehr viel langsamer vermindert, wodurch ein höherer Zylinderdruck über den Leistungstakt als bei herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren mit sehr viel kleinerem Volumen am oberen Totpunkt aufrechterhalten wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung und Verminderung des Schadstoffausstoßes aus einem Verbrennungsmotor aufzuzeigen, indem die Treibstoffeinspritzung zeitlich gesteuert wird, so daß nicht der gesamte Treibstoff unmittelbar eingespritzt wird, wie im Otto- und Dieselverfahren, wodurch die Brenndauer erhöht wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, so daß ein Motorkonstrukteur jeden gewünschten maximalen Zylinderdruck für eine spezielle Motoranwendung auswählen kann, den Treibstoffeinspritzabbruchpunkt in Grad nach oberem Totpunkt auswählen kann, einen im wesentlichen konstanten Zylinderdruck vom oberen Totpunkt bis zum Abbruchpunkt, der so gewählt werden kann, daß die gesamte bei der Verbrennung frei werdende Wärme die Zylindertemperatur nicht über 1800 ºF erhöht, wodurch wenig oder kein NOx gebildet wird, beibehalten kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für jede Art eines Verbrennungsmotors mit erhöhter Leistung und erhöhtem Wirkungsgrad wie auch mit vermindertem Treibstoffverbrauch, Abgastemperaturen und Schadstoffausstoß bereitzustellen.
Weitere Aufgaben und Merkmale finden sich in der Beschreibung und den Ansprüchen.
Fig. 1 Zeigt ein schematisches Diagramm eines Motorsystems nach dem erfindungsgemäßen Haring-Verfahren.
Fig. 2 Zeigt eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Vierzylinder-Verbrennungsmotor.
Fig. 3 Zeigt ein schematisches Diagramm des Motors nach Fig. 2, wobei die relativen Stellungen der Kolben während der Verbrennung, Expansion sowie Expansion und Verdichtung dargestellt sind.
Fig. 4 ist eine Draufsicht entsprechend der Fig. 2, wobei jedoch ein Dreizylinder-Verbrennungsmotor dargestellt ist.
Fig. 5 zeigt einen Dreizylinder-Haring-Motor entsprechend der Fig. 3, wobei jedoch die relativen Stellungen der Kolben während der Verbrennung, Expansion und Verdichtung dargestellt sind.
Fig. 6 zeigt ein Druck-Volumen(PV)-Diagramm eines herkömmlichen Dieselmotors.
Fig. 7 zeigt ein Druck-Volumen(PV)-Diagramm eines Erprobungsmotors nach dem Haring-Verfahren.
Fig. 8 zeigt ein theoretisches Druck-Volumen(PC)-Diagramm eines bevorzugten Haring-Motors nach den Fig. 4 und 5.
Fig. 9 zeigt ein Indikatordiagramm eines Verdichtungsmotors für das Otto-Verfahren nach Stone, Richard, Introduction to Internal Combustion Engines, London, McMillan Publishers Ltd., 1985, Seite 65, wobei zwei senkrechte Linien hinzugefügt wurden, um die Dauer des im wesentlichen konstanten Drucks bzw. der kontrollierten Verbrennung darzustellen.
Fig. 10 zeigt ein Indikatordiagramm eines Selbstzündungsmotors nach dem Dieselverfahren aus Stone, Richard, Introduction to Internal Combustion Engines, London, McMillan Publishers Ltd., 1985, Seite 65, wobei zwei senkrechte Linien hinzugefügt wurden, um die Dauer des im wesentlichen konstanten Druckes bzw. der kontrollierten Verbrennung darzustellen.
Die folgenden Ausdrücke und Definitionen sind anerkannte Fachausdrücke und werden als der Norm entsprechend angesehen, obwohl die unten aufgeführten Begriffe nicht unbedingt die wörtliche Bedeutung haben.
Die Ausdrücke "außerhalb des Verbrennungszylinders verdichten" oder "extern" oder "außerhalb" in Bezug auf den Ort, wo die Verdichtung stattfindet, bedeuten daß entweder die Verdichtung in einer von dem Verbrennungszylinder getrennten Vorrichtung stattfindet, daß die Verdichtung in einem gemeinsamen Motorblock aber nicht in dem oder den Verbrennungszylindern selbst stattfindet, oder daß die Verdichtung in dem Verbrennungszylinder selbst stattfindet, ohne gleichzeitige Verbrennung, danach aus dem Verbrennungszylinder ausgestoßen wird, gekühlt wird und danach in den Verbrennungszylinder zur Verbrennung in einem weiteren Takt zurückgeführt wird.
Der Ausdruck "Endverdichtungsdruck" bezieht sich auf den Verdichtungsdruck im Verbrennungszylinder vor der Verbrennung.
Der Ausdruck "Zuführen" und/oder "Einspritzung" in Bezug auf den Treibstoff oder das Luft-Treibstoff-Gemisch werden gleichbedeutend verwendet und beziehen sich einfach auf die Zuführung des Treibstoffs oder des Luft/Treibstoff-Gemischs in eine Brennkammer oder einen Zylinder.
Wie bereits ausgeführt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren und Vorrichtungen einen relativ langsamen und lang brennenden Verbrennungs- oder Leistungstakt zu erzeugen, welches in Abgas mit einem hohen Druck resultiert, das zum Antrieb eines oder mehrerer folgender Zylinder und/oder Turbolader verwendet werden kann. Das Verdichtungsverhältnis ist reduziert und die Verbrennungstemperaturen können unterhalb der ungefähren Temperatur, bei der NOx gebildet wird, liegen. Vorzugs- und idealerweise bleibt der Druck während der Verbrennung im wesentlichen konstant. Dies resultiert in einer kontrollierten Energiefreigabe, die mehr Drehmoment und Leistung, weniger Treibstoffverbrauch und einen drastisch reduzierten Schadstoffausstoß, sowohl chemisch wie auch thermisch, an die Atmosphäre bewirkt. Die Erfindung ist sowohl zur Modifizierung bestehender Motoren anwendbar, als auch auf neue Verbrennungsmotoren.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 1, die bevorzugte Ausführungsbeispiele sowohl des Verfahrens wie auch der Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt, kann ein herkömmlicher Ansaug-Luftfiter für die Umgebungsluft verwendet werden, aber vorzugsweise ein solcher mit einem geringen Druckabfall. Die gefilterte Luft wird dann dem Luftverdichtersystem 12 zur Verdichtung der Luft außerhalb des Verbrennungszylinders zugeführt. Die gefilterte Umgebungsluft wird in dem Verdichter 12 auf 40% bis 100% des endgültigen Verbrennungsdruckes verdichtet, so daß im wesentlichen die gesamte oder der Großteil der Verdichtung der Luft außerhalb des Verbrennungszylinders stattfindet. Das Luftverdichtungssystem 12 kann zum Erreichen des Ziels des Motorenentwicklers derart ausgewählt werden, daß ein einstuf iger, mehrstufiger oder irgendein Verdichtertyp oder eine Verdichteranordnung zum Erreichen des maximalen effektiven Drucks für den Verbrennungszylinder verwendet wird.
Die verdichtete Luft und/oder das Luft/Treibstoffgemisch wird dann dem Luftkühlungssystem 14 zugeführt und auf Temperaturen abgekühlt, die den Luftdruck beibehalten wenn diese mit dem Treibstoff zur Bildung einer zündfähigen Luft/Treibstoff-Gemischtemperatur vor der Verbrennungsfront unterhalb der Selbstzündungstemperatur vor- oder während der Verbrennung in dem Verbrennungszylinder vermischt wird, und vorzugsweise unterhalb einer Temperatur von 983 ºC (1800 ºF), welches ungefähr die Temperatur ist, bei der die Bildung von NOx beginnt. Das Luftkühlersystem 14 kann für die maximale Kühlungseffizienz wahlweise eine einzige Einheit oder ein Mehrstufenkühler sein.
Die verdichtete und gekühlte Luft wird dann dem Leistungssystem oder Verbrennungszylinder 16 zugeführt, vorzugsweise vor dem oberen Totpunkt des Kolbens in dem Verbrennungszylinder 16. Das feste Verbrennungszylindervolumen am oberen Totpunkt kann optimalerweise erhöht werden, so daß wenn der Kolben beim Leistungstakt beschleunigt wird, die Veränderung des Volumens pro Zeiteinheit vermindert wird (dV/dT), welches den Zylinderdruck mit einer wesentlich geringeren Rate vermindert, während das Volumen zunimmt, als wenn ein viel kleineres Volumen am oberen Totpunkt vorhanden ist, wie dies in bestehenden, hochverdichtenden Otto- und Diesel-Verfahren der Fall ist.
Vorzugsweise wird der Treibstoff dem Verbrennungszylinder 16 über einen Zeitraum zugeführt, der sich von einem Anfangsbereich von 45º vor bis 45º nach dem oberen Totpunkt des Kolbens bis zu 180º oder mehr nach dem oberen Totpunkt erstreckt, so daß nicht der gesamte Treibstoff wie bei herkömmlichen Otto- und Diesel-Verfahren in einem Zeitpunkt eingespritzt wird. Die Zufuhr des Treibstoffs oder des Luft-Treibstoff-Gemischs und die Verbrennung können bis 180º nach dem oberen Totpunkt oder mehr andauern, wenn die Motorauslegung einen höheren Abgasdruck oder höheres Abgasvolumen zum Antrieb des Expansionskolbens und/oder nachfolgend des externen Luftverdichters erfordert.
Durch Kühlung der Luft vor dem Beginn der Verbrennung auf wesentlich kühlere Temperaturen als dies bei dem Otto-, Diesel- oder anderen Verfahren derzeit möglich ist; durch Verminderung von dV/dT auf eine viel langsamere Rate als bei derzeitigen Otto- oder Diesel-Verfahren; und durch Steuerung der Treibstoffeinspritzzeit so daß die Rate der durch den Verbrennungsprozeß freigegebenen Wärme derart ist, daß die Veränderungen des Zylindervolumens und des Zylinderdrucks einander aufheben, wird eine kontrollierte Energiefreigabe bewirkt, die nach Maßgabe der Erfordernisse eines besonderen Verbrennungsmotors maßgeschne idert werden kann, der mehr Drehmoment und Leistung, weniger Treibstoffverbrauch und drastisch reduzierten Schadstoffausstoß liefert. Anders ausgedrückt neigt die Rate der Volumenveränderung dazu, den Zylinderdruck zu vermindern, während die Rate der freigegebenen Wärme dazu neigt, den Zylinderdruck zu erhöhen, wodurch diese einander aufheben, so daß während des Verbrennungsvorgangs im wesentlichen keine Änderung des Zylinderdruckes auftritt, welches die vorgenannten Vorteile zur Folge hat. Ein Motorenentwickler kann daher unter Verwendung des Haring-Verfahrens einen beliebigen maximalen Zylinderdruck für eine bestimmte Motorenanwendung auswählen, kann danach den Treibstoffeinspritzendpunkt in Grad nach dem oberen Totpunkt auswählen, wodurch ein fast konstanter Zylinderdruck von dem oberen Totpunkt bis zu dem Endpunkt beibehalten wird. Wenn der Motorenentwickler den Endpunkt derart auswählt, daß die gesamte freigegebene Wärme die Verbrennungstemperatur nicht über 983 ºC (1800 ºF) erhöht, wird, wenn überhaupt, sehr wenig NOx während des Verbrennungsvorgangs gebildet. In jedem Fall werden die Treibstoffrate, die Abgastemperatur, die unverbrannten Kohlenwasserstoffe CO, CO&sub2; und NOx gegenüber dem Otto-Diesel- oder anderen Verfahren gleicher Ausgangsleistung drastisch vermindert sein. Der Entwickler kann auch einen fast konstanten Zylinderdruck vom oberen Totpunkt bis zu dem ausgewählten Endpunkt auswählen, so daß die Verbrennung die Zylindertemperatur nicht über 983 ºC (1800 ºF) oder die ungefähre Temperatur, bei der NOx gebildet wird, anhebt. Idealerweise ist der Druck am unteren Totpunkt oder an dem Punkt, an dem das oder die Auslaßventile öffnen, nicht weniger als 30% des im wesentlichen konstanten gesteuerten Verbrennungsdrucks.
Die Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungszylinder 16 werden in das Abgassystem 18 geleitet, welches wahlweise den Druck des Abgasstroms als treibende Kraft der ersten Verdichtungsstufe für den nächsten Leistungstakt wiederverwerten kann oder auch nicht, bevor es über den Auspuff der Atmosphäre zugeführt wird.
Aus der vorangegangenen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Abgastemperatur stark reduziert wird, welches ein wichtiger Faktor für die Reduzierung der Ozonzerstörung und des sogenannten "Treibhauseffektes" ist. Weiterhin ist der beste Weg, den Treibstoffverbrauch zu senken, die Wärmeabgabe an die Umgebung zu vermindern. Idealerweise wird der Treibstoff dazu verwendet, den Zylinderdruck aufrechtzuerhalten, anstatt ihn zu erzeugen; daher wird ein Haring-Verfahren-Motor sehr viel weniger Treibstoff pro PS als ein Otto-, Diesel- oder andererer Motor vergleichbarer Größe verbrauchen.
Nunmehr bezugnehmend auf die Fig. 2 und 3 wurde ein Vierzylinder-Erprobungsmotor 20 ausgewählt, da dieser verfügbar und auf das Haring-Verfahren umstellbar war, umfassend den Luftfilter 22, den Turbolader 24 und den Kühler 26, von dem aus die verdichtete und gekühlte Luft dem Verdichterzylinder 28 des Motors 20 zugeführt wird, wo sie weiter verdichtet und durch den Kühler 30 geleitet wird, wo sie weiter gekühlt und danach dem Brennraum oder Zylinder 32 zugeführt wird.
Die Verbrennungsprodukte werden durch den Auspuff 34 in die Expansionzylinder 36 und 38 ausgestoßen, werden dann durch die Schwallkammer 40 geleitet und treiben danach den Verdichter 24 an.
Wie Fig. 3 zeigt, ist ein Verbrennungs- oder Leistungskolben 42 in dem Verbrennungszylinder 32 angeordnet und mittels des Pleuels 44 mit der Kurbelwelle 43 verbunden. Expansionskolben 46 und 48 sind in Expansionszylindern 36 und 38 angeordnet und mittels der Pleuel 50 und 52 mit der Kurbelwelle 43 verbunden. Ein Expansions-/Verdichtungs-Kolben 54 ist in dem Expansions- /Verdichtungs-Zylinder 28 angeordnet und mittels des Pleuels 56 mit der Kurbelwelle 43 verbunden.
Es ist somit ersichtlich, daß der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Verbrennungsmotor einen einzigen Brennraum oder Leistungszylinder 32, zwei Expansionsräume 36 und 38 sowie einen Verdichtungsraum 28 verwendet. Die Verbrennungsprodukte verfügen über ausreichend Druck und Volumen, wenn sie in die beiden Expansionsräume 36 und 38 geleitet werden, um zu expandieren und die Kolben 46 und 48 anzutreiben. Nach der Expansion in den Zylindern 36 und 38 werden die expandierten Verbrennungsprodukte dem Turbolader 24 zur Vorverdichtung der Luft zugeleitet.
Wie in Fig. 2 dargestellt, können je nach Bedarf Schwallkammern vorgesehen sein, wie z.B. die mit 40 und 41 bezeichneten.
In den Fig. 4 und 5, in denen die gleichen Bezugszeichen mit dem angefügten Buchstaben "a" zur Bezeichnung gleicher Teile der Fig. 2 und 3 verwendet werden, ist ein Dreizylinder-Verbrennungsmotor dargestellt, der im wesentlichen mit dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten übereinstimmt, außer daß die beiden Expansionskammern 36 und 38 zu einer einzigen vergrößterten Expansionskammer 36a zusammengefaßt wurden. Die Betriebsweise und die Ergebnisse stimmen mit denen des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Verbrennungsmotors überein; es wird jedoch ein wesentlich kompakterer Verbrennungsmotor bereitgestellt, der sämtliche Merkmale und Vorteile des Motors der Fig. 2 und 3 aufweist. Auf eine weitere Beschreibung des in den Fig. 4 und 5 dargestellten Motors kann daher verzichtet werden.
Fig. 6 zeigt ein PV-Diagramm eines herkömmlichen Dieselmotors. Der Motor war ein Yanmar Dieselmotor, Modell TS50C, 4 Zylinder Reihe, hatte einen Leistungszylinder, eine Bohrung und einen Hub von 6,9999 cm (2,7559 Zoll) x 6,9999 cm (2,7559 Zoll) und eine Ausgangsleistung von 4 PS bei 2000 Upm. Das Verdichtungsverhältnis betrug 24,5 : 1, der spezifische Treibstoffverbrauch betrug 0,215 kg (0.474 Pfund) pro PS-Stunde, das Verbrennungssystem wies eine Vorbrennkammer auf und das Kühlsystem umfaßte eine Wasserkühlung mit Luftkondensor.
Wie in dem PV-Diagramm dargestellt, öffnet das Einlaßventil 5 am oberen Totpunkt und schließt bei 6, 25º nach dem unteren Totpunt (nUT), das Auslaßventil 7 öffnet bei 52º vor dem unteren Totpunkt (vUT) und schließt bei 8, 28º nach dem oberen Totpunkt (nOT).
Die Fig. 7 zeigt ein PV-Diagramm für den gleichen Dieselmotor mit den folgenden Änderungen:
Das feste Zylindervolumen am oberen Totpunkt wurde durch Hinzufügen eines 0,6032 cm (0,2375 Zoll) dicken Abstandshalters und einer zusätzlichen 0,1587 cm (0.0625 Zoll) dicken Dichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderkörper erhöht. Längere Stoßstangen wurden zur Kompensation des Distanzstückes und der zusätzlichen Kopfdichtung angefertigt. Die Einlaßventilführung wurde mit einem Gewinde versehen und eine Stopfbüchse mit einer Einstellschraube wurde zur Vermeidung von Leckage entlang des Einlaßventilschafts hinzugefügt. Die Ventilsteuerzeit wurde durch Erhöhung des Stößelspiels verändert, um die "normalen" 28º Ventilüberschneidung am oberen Totpunkt auszuschließen. Die Treibstoff-Einspritzpumpe wurde durch eine Pumpe ersetzt, welche fast die dreifache Menge an Treibstoff pro Takt als die normale Pumpe pumpte, wobei die Auslaßöffnung und Feder nicht verändert wurden. Etwa 5,67 Liter (1,5 Gallonen) Leitungswasser pro Minute wurden durch das normale Kühlwassersystem geleitet, um die Kühlkapazität für den Motor zu erhöhen. Druckluft von 3,4 bar (50 psi) und 32,2 ºC (90 ºF) wurden dem Einlaßventilanschluß zugeführt, wobei ein manuell betätigtes Drosselventil und ein kleinvolumiger Tank oberhalb des Einlaßventils verwendet wurden. Die normale Einlaßventilfeder wurde durch eine härtere Feder ersetzt, so daß das Ventil unter dem Druck von 3,4 bar (50 psig) nicht öffnen oder lecken wurde.
Die Änderungen an dem Motor wurden so ausgeführt, daß der Maximaldruck in der Nähe des normalen Maximaldrucks des Motors wie in dem PV-Diagramm, Fig. 6, dargestellt liegen würde, um die vorteilhafte Wirkung einer verlängerten Brenndauer aufzuzeigen und nicht das mehr Leistung durch einen höheren Zylinderdruck erreicht werden könnte. Die Motoränderungen wurden daher so begrenzt, daß 3,4 bar (50 psig) Luftdruck und der ursprüngliche höchste Zünddruck vorhanden waren, aber eine längere Brenndauer. In den normalen Motor mit einem Verdichtungsverhältnis von 24,5 : 1 wurden ein Verdichtungsdruck und eine Verdichtungstemperatur am oberen Totpunkt von 82,8 bar (1201,4 psia) bzw. 909 ºC (1668 ºF) gemessen (Fig. 6). Das PV-Diagramm (Fig. 7) zeigt eine maximale Leistung von 27,48 PS bei einem maximalen Zylinderdruck von etwa 82 bar (1190 psia). Wie das PV- Diagramm (Fig. 7) weiter zeigt, öffnete das Auslaßventil (6) bei einem Zylinderdruck von etwa 41,37 bar (600 psig), welcher zur Verrichtung von Arbeit verwendet werden kann. Der modifizierte Motor erreichte eine Steigerung der Ausgangsleistung von 581% bei etwas weniger als dem dreifachen ursprünglichen Treibstoffverbrauch. Durch die drastisch reduzierten Verbrennungstemperaturen durch Einsetzen der Verbrennung bei 371 ºC (700 ºF) anstatt von über 871 ºC (1600 ºF) und Freisetzen der Treibstoffenergie während der Verbrennung über einen viel längeren Zeitraum, entsprechend etwa 50% der Kurbelwellenumdrehung anstatt etwa 5% der Kurbelwellenumdrehung bei dem normalen Motor, wurde der NOx-Anteil im Abgas dramatisch reduziert, wenn auch nicht ganz vermieden. Die verlängerte Brenndauer, soweit sorgsam auf ein reduziertes Verhältnis von Zylindervolumenänderung zu Zeitänderung (dV/dT) abgestimmt, erlaubt dem Motorenentwickler die Form des PV-Diagramms auf sein Entwicklungsziel abzustimmen, von maximaler Ausgangsleistung bis minimalen Treibstoffverbrauch bis minimalem NOx im Abgas oder jeden beliebigen Zwischenpunkt.
Fig. 8 zeigt ein theoretisches PV-Diagramm eines Verbrennungszylinders eines bevorzugten Haring-Verfahren- Motors mit einem kleinen Verbrennungszylinder, einem großen Expansionszylinder und einem mittelgroßen Expansions-/Verdichtungs-Zylinder wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Das Einlaßventil öffnet und läßt Luft mit einem Druck von 75,8 bar (1100 psia) in den Verbrennungszylinder bei einem Kurbelwellenwinkel von 30º vor dem oberen Totpunkt, das Auslaßventil 7 schließt bei 12º vor dem unteren Totpunkt, das Einlaßventil 5 schließt bei 10º vor dem oberen Totpunkt und die Treibstoffeinspritzung 9 beginnt bei 5º vor dem oberen Totpunkt. Die Verbrennung 1 setzt am oberen Totpunkt und bei einem Druck von 82,7 bar (1200 psia) ein, die Treibstoffeinspritzung 2 endet bei 70º nach dem oberen Totpunkt, die Verbrennung bei im wesentlichen konstanten Druck 3 endet bei einem Kurbelwellenwinkel von 90º und das Auslaßventil 7 öffnet 160º nach dem oberen Totpunkt bei einem Abgasdruck von 55,1 bar (800 psia), welcher in den Expansionszylinder 36 der Fig. 4 geleitet wird.
Aus dem voranstehenden ist ersichtlich, daß die Verbrennungszylinder 42 (Fig. 3) und 42a (Fig. 5) die zugeführte Luft sehr wenig verdichten und daß der Verbrennungsdruck über 90º Kurbelwellenwinkel im wesentlichen konstant bleibt, welches mehr Druck bereitstellt, während der wirksame Momentenarm erhöht wird, wodurch das Drehmoment und die Leistung erhöht werden, und stellt einen Abgasdruck von 55,1 bar (800 psia) zur weiteren Expansion zur Verfügung.
Während das PV-Diagramm der Fig. 8 ein theoretisches ist, kann ein Motorenentwickler einen mit Dieseltreibstoff, Benzin oder anderen Treibstoffarten angetriebenen Motor entwickeln, um dieses oder das gewünschte PV- Diagramm des Motors für die gewünschte Anwendung unter Verwendung des Haring-Verfahrens bereitzustellen.
Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß in einem typischen Zündfunken-Motor (Otto-Verfahren) die Verbrennungsdrücke nur über eine sehr kurze Kurbelwellenumdrehungsdauer im wesentlichen konstant bleiben. Ebenso bleibt der Verbrennungsdruck bei dem herkömmlichen Dieselverfahren nur für eine sehr kurze Kurbelwellenumdrehungsdauer konstant (Fig. 10).
Andere Treibstoffarten, die verwendet werden können, umfassen aus Getreide oder anderen Quellen gewonnene Alkohol-Treibstoffe in gasförmigem, flüssigem oder trockenem Zustand, und auch Treibstoffe mit niedrigen Selbstzündungstemperaturen, die bisher als nicht verwendbar betrachtet wurden.
Die Kühlung kann durch jegliche geeignete Mittel erreicht werden, z.B. durch Freon- oder Ammoniak-Kühlung, Verlustwärmekühlung, Luft/Luft-Kühlung, Luft/Wasser-Kühlung, Wasser/Wasser-Kühlung und ähnliche.
Viele existierende Verdrängermotoren, Hubkolben- und Wankelmotoren, können durch Anwendung des Haring-Verfahrens verbessert werden, um die oben beschriebenen Vorteile zu erreichen, so z.B. durch Umbausätze und dergleichen.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind mehrere Merkmale der Erfindung in einer einzigen Zeichnung dargestellt und nicht in separaten Zeichnungen, und ein oder mehrere oder alle dieser Merkmale können in einem Verbrennungsmotor vorhanden sein.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Leistung eines Verbrennungsmotors, wobei komprimierte Luft und Treibstoff in eine Brennkammer (32) eingebracht werden, die einen eine Ausgangswelle drehenden Verdränger (42) aufweist, wobei die komprimierte Luft und der Treibstoff ein zündfähiges Treibstoff/Luft-Gemisch bilden, welches verbrannt wird, wonach die Verbrennungsprodukte ausgestoßen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Luft vor ihrer Einführung in die Brennkammer (32) gekühlt wird, daß das zündfähige Treibstoff/Luft-Gemisch vor seiner Verbrennung eine Temperatur unterhalb seiner Selbstzündungstemperatur aufweist und hinreichend kühl ist, um eine Detonation des Luft/Treibstoff-Gemisches vor der Verbrennungsfront während des Verbrennungsvorgangs und eine Bildung von NOx zu verhindern, daß die Verbrennung einsetzt, während Treibstoff zeitlich derart gesteuert zugeführt wird, daß die Verbrennung bei im wesentlichen konstantem Druck über einen Zeitraum stattfindet, der einer Drehung der Ausgangswelle des Verdrängers von mindestens 45º nach dem oberen Totpunkt (OT) entspricht, und daß der Beginn des Ausstoßes der Verbrennungsprodukte aus dem Brennraum (32) bei einem Druck stattfindet, der mindestens 30 % des im wesentlichen konstanten Verbrennungsdruckes entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger ein Kolben (42) ist, und daß die Ausgangswelle eine Kurbelwelle (43) ist, die mittels eines Pleuels (44) mit dem Kolben (42) verbunden ist, wobei sich die Mindestdrehung von 450 nach dem oberen Totpunkt auf den Kurbelwinkel der Kurbelwelle (43) bezieht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft außerhalb des Brennraums (32) auf 40 % bis 100 % des Endverdichtungsdruckes verdichtet wird, und daß die komprimierte Luft außerhalb des Verbrennungszylinders (32) verdichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Steuerung der externen Verdichtung und Kühlung der Luft.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung innerhalb eines Anfangsbereiches von 35º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt beginnt und in einem Bereich von 45º bis 200º nach dem oberen Totpunkt endet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung innerhalb eines Anfangsbereiches von 35º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt beginnt und in einem Bereich von 45º bis 90º nach dem oberen Totpunkt endet.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung innerhalb eines Anfangsbereiches von 35º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt beginnt und in einem Bereich von 90º bis 180º nach dem oberen Totpunkt endet.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung innerhalb eines Anfangsbereiches von 35º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt beginnt und in einem Bereich von 180º bis 200º nach dem oberen Totpunkt endet.

9. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff dem Verbrennungszylinder (32) zeitlich geregelt von einem Anfangsbereich von 45º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt bis zu einem Endbereich von 45º bis 200º nach dem oberen Totpunkt zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff dem Verbrennungszylinder (32) zeitlich geregelt von einem Anfangsbereich von 45º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt bis zu einem Endbereich von 45º bis 90º nach dem oberen Totpunkt zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff dem Verbrennungszylinder (32) zeitlich geregelt von einem Anfangsbereich von 45º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt bis zu einem Endbereich von 90º bis 180º nach dem oberen Totpunkt zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff dem Verbrennungszylinder zeitlich geregelt von einem Anfangsbereich von 45º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt bis zu einem Endbereich von 180º bis 200º nach dem oberen Totpunkt zugeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff dem Verbrennungszylinder (32) zeitlich geregelt von einem Anfangsbereich von 45º vor dem oberen Totpunkt bis 35º nach dem oberen Totpunkt bis zu einem Endbereich von 35º bis 180º nach dem oberen Totpunkt zugeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, gekennzeichnet durch eine Expansion der ausgestoßenen Verbrennungsprodukte in mindestens einem Expansionszylinder (36,38), der einen mittels eines Pleuels (50, 52) mit einer Kurbelwelle (43) verbundenen Kolben (46,48) aufweist, wodurch eine Antriebskraft auf die Kurbelwelle (43) übertragen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Antrieb eines außerhalb des Expansionszylinders (36,38) angeordneten Kompressors (24) durch die expandierten, aus dem Expansionszylinder (36,38) ausgestoßenen Verbrennungsprodukte, um Luft zu komprimieren und durch Lieferung der komprimierten Luft an einen Kompressionszylinder (28).

16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Kühlung der komprimierten Luft aus dem Kompressor (24), bevor diese dem Kompressionszylinder (28) zugeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Einführung der gekühlten, komprimierten Luft in den Kompressionszylinder (28), der einen mittels eines Pleuels (56) mit der Kurbelwelle (43) verbundenen Kolben (54) aufweist, wodurch eine Kraft auf die Kurbelwelle (34) ausgeübt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Erhöhung des Druckes der gekühlten, komprimierten Luft durch den Verdichtungstakt des Kompressionskolbens (54).

19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Kühlung der von dem Kompressionszylinder (28) gelieferten komprimierten Luft, bevor die komprimierte Luft des Luft/Treibstoff-Gemisches dem Verbrennungszylinder (32) zugeführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Steuerung der zeitlich gesteuerten Treibstoffeinspritzung, der Kompression der Luft und der Temperatur des Luft/Treibstoff-Gemisches, um den Druck im Zylinder nach der Verbrennung bei mindestens 30 % des im wesentlichen konstanten Verbrennungsdruckes zu halten, bis der Kolben (42) den unteren Totpunkt erreicht oder bis zum Anfang des Ausstoßes der Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder (32).

21. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstoff dem Verbrennungszylinder (32) während der Verbrennung intermittierend zugeführt wird, um eine kontrollierte Energiefreisetzung zu gewährleisten, um die höchste Verbrennungstemperatur unter der Temperatur zu halten, bei der NOx gebildet wird.

22. Verbrennungsmotor zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit mindestens einem Brennraum (32), einem in dem Brennraum (32) angeordneten Verdränger (42), der auf die darin stattfindende Verbrennung anspricht, einer Ausgangswelle (43), einem Mittel (44 welches den Verdränger (42) mit der Ausgangswelle (43) verbindet und zur Drehung der Welle (43) bei Auslenkung des Verdrängers (42) betätigbar ist, einem Mittel zur Einführung gekühlter, komprimierter Luft in den Brennraum (32) zur Bildung eines zündfähigen Luft/Treibstoff-Gemisches bei Mischung mit dem Treibstoff bei einer Temperatur unterhalb seiner Selbstzündungstemperatur vor und während der Verbrennung, wodurch eine Detonation des Gemisches vor der Verbrennungsfront während der Verbrennung ausgeschlossen wird, einem Mittel zur Einführung des Treibstoffes in den Brennraum (32) mit einer zeitlichen Regelung zur Bildung des gekühlten und komprimierten Luft/Treibstoff-Gemisches, wobei das Mittel eine Verbrennungszeitdauer mit im wesentlichen konstanten Druck über einen Mindestdrehwinkel der Ausgangswelle von 45º nach dem oberen Totpunkt des Verdrängers gewährleistet, einem Mittel zur Zündung des Luft/Treibstoff-Gemisches, einer Verbrennung des Luft/Treibstoff-Gemisches in dem Brennraum (32) zur Verschiebung des Verdrängers (42), wobei die Verbrennung des Luft/Treibstoff-Gemisches für eine Verbrennungsdauer stattfindet, die mindestens einer Drehung der Ausgangswelle von 45º nach dem oberen Totpunkt des Verdrängers entspricht, und einem Mittel zum Ausstoß der Verbrennungsprodukte aus dem Brennraum (32).