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Die
vorliegende Erfindung betrifft Motoren.
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Die
Erfindung findet besondere Anwendung bei Verfahren und Vorrichtungen
für die
Umbildung von üblichen
Viertakt-Hubkolbenmotoren
in leistungsstarke Zweitaktmotoren. Die vorliegende Erfindung ist
jedoch nicht auf die Umbildung von Motoren beschränkt, sondern
kann auch auf die ursprüngliche Produktion
eines leistungsstarken Zweitaktmotors angewendet werden.
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Es
gibt frühere
Veröffentlichungen
von Zweitaktmotoren, die Arbeitszylinder verwenden, die von einer
Pumpenkammer geladen werden, um eine Erhöhung des Wirkungsgrades zu
erreichen. Derartige Vorschläge
weisen jedoch den inhärenten
Nachteil auf, daß beim
Ausrüsten
mit Maschinen für
eine von Grund auf neue Motorkonstruktion hohe Kosten anfallen.
Darüber
hinaus ist zu berücksichtigen,
daß viele
dieser früheren
Vorschläge
die strengen Abgasnormen nicht erfüllen, die heute für die meisten
Verbrennungsmotoren gelten. So ist es zum Beispiel sehr wünschenswert,
die Emission von Stickoxiden (NOx) und Partikeln,
einschließlich
Ruß, zu
reduzieren. Der Wirkungsgrad hinsichtlich einer derartigen Reduzierung
der Emission kann wichtiger sein als der Wirkungsgrad des Treibstoffs
oder das Erzielen eines Leistungszuwachses.
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Die
existierende Motorindustrie ist bedeutend, voll entwickelt, widerstandsfähig und
konservativ. Die Hürden
für die
Einführung
sogar der bescheidensten Änderungen
an der Konstruktion von Motoren sind ungeheuer. Die Käufer von
Motoren fühlen sich
zum Kauf der vorhandenen Motoren und Motorkonstruktionen verpflichtet.
Sie sind mit kostenintensiven Anlagen und Einrichtungen für herkömmliche Motoren
vertraut und werden wahrscheinlich eher technischen Fortschritt
inkrementeller Art akzeptieren als radikale Veränderungen.
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Die
vorliegende Erfindung zielt in einem Aspekt darauf ab, Verfahren
und Vorrichtungen zur Umbildung von üblichen Viertakt-Hubkolbenmotoren
in Zweitaktmotoren zur Verfügung
zu stellen, die in bezug auf ausgewählte oder sämtliche Abgasemissionen, Brennstoffwirkungsgrade
und Leistungsabgabe des umgebildeten Motors effizient arbeiten.
Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf ab, Motoren zur Verfügung zu
stellen, die brauchbar sind und die sowohl für den Hersteller als auch für den Anwender kommerziell
ansprechend sind.
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Im
Hinblick auf das oben Gesagte besteht die Erfindung in einer Hinsicht
weitgehend in einem Verfahren zur Umbildung eines Viertakt-Hubkolbenmotors
in einen Zweitaktmotor, das folgende Verfahrensschritte umfaßt:
Bereitstellen
einer Hubkolbenverdrängerpumpe,
die eine entsprechende Pumpenkammer für Gruppen von mindestens zwei
Zylindern des Motors aufweist, jede Pumpenkammer hat einen Hubraum,
durch den sich ihr Pumpenkolben bewegt, und der größer als der
Hubraum jedes einzelnen Zylinders des Motors ist;
Befestigen
der Pumpe an einem Montagesockel des Motors, direkt neben den Zylindern,
wobei die Auslaßöffnung der
Pumpe in unmittelbarer Nähe
der Einlaßöffnungen
des Motors angeordnet ist;
Anordnen der Kurbelzapfen für jede Gruppe
von Zylindern in Winkelabständen
von 360°,
geteilt durch die Anzahl der Zylinder in der Gruppe;
Bereitstellen
von Antriebsmitteln für
die Übersetzung ins
Schnelle, um die Pumpe mit Hilfe des Motors anzutreiben, wobei sich
das Übersetzungsverhältnis aus
der Anzahl der Zylinder in jeder Zylindergruppe des Motors pro Pumpenkammer
ergibt;
Bereitstellen relativ kurzer Zuführungsleitungen mit Hilfe von
Rohrverzweigungen, welche die Auslaßöffnung jeder Pumpenkammer mit
den Einlaßöffnungen der
Zylindergruppe verbinden, die auf diese Weise geladen wird, und
zeitliches
Steuern der Verbindung zwischen Motor und Pumpe und des Betriebs
der Einlaß-
und Auslaßventile
des Motors derart, daß:
der
Pumpenkolben oder jeder Pumpenkolben jeweils wechselnde Arbeitskolben,
die auf diese Weise vorgeschoben werden, in ihre jeweiligen oberen
Totpunktpositionen (OT) führt
bzw. führen;
das
Einlaßventil
eines jeden zu ladenden Arbeitszylinders vor Erreichen des unteren
Totpunktes (UT) öffnet
und vor Erreichen des oberen Totpunktes (OT) schließt und
das
Auslaßventil
des geladenen Arbeitszylinders vor dem unteren Totpunkt (UT) öffnet und
vor OT schließt.
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Vorzugsweise:
führt der
Pumpenkolben oder jeder Pumpenkolben jeweils abwechselnde der geladenen
Arbeitskolben in die obere Totpunktposition (OT), durch eine Drehung
der Kurbelwelle von 80° bis
160°;
öffnet das
Einlaßventil
eines jeden zu ladenden Arbeitszylinders im Bereich von 50° bis 0° vor Erreichen des
unteren Totpunktes UT;
schließt das Einlaßventil
eines jeden zu ladenden Arbeitszylinders durch eine Drehung der
Kurbelwelle im Bereich von 70° bis
160° vor
Erreichen des oberen Totpunktes OT;
öffnet das Auslaßventil
eines jeden geladenen Arbeitszylinders im Bereich von 110° bis 40° vor Erreichen
des unteren Totpunktes UT, und
schließt das Auslaßventil
eines jeden geladenen Arbeitszylinders durch eine Drehung der Kurbelwelle
im Bereich von 100° bis
180° vor
Erreichen des oberen Totpunktes OT.
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In
den oben genannten Bereichen wären
Motorsteuerungen in der Nähe
des UT für
Motoren besser geeignet, die bei relativ niedrigen Betriebsdrehzahlen
laufen und besonders für
große
Motoren. Schnell laufende Maschinen arbeiten zweckmäßig am anderen
Ende des Bereiches.
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Für einen
typischen Zwei-Liter-Autodieselmotor, der umgebildet wurde oder
der bei diesem Zyklus arbeitet und der zum Beispiel für den Antrieb
einer 240 V Drehstromlichtmaschine bei einer Synchrondrehzahl von
1500 Umin–1 optimiert
wurde, wären
die typischen Motorsteuerungen:
der Pumpenkolben eilt dem Arbeitskolben
zum oberen Totpunkt OT um 120° voraus;
das
Einlaßventil
des zu ladenden Arbeitszylinders öffnet 40° vor Erreichen des unteren Totpunktes
UT und schließt
bei 110° vor
Erreichen des oberen Totpunktes OT;
das Auslaßventil
des geladenen Arbeitszylinders öffnet
70° vor
Erreichen des unteren Totpunktes UT und schließt 140° vor Erreichen des oberen Totpunktes OT.
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Für einen
typischen Zwei-Liter-Autodieselmotor, der umgebildet wurde oder
der bei diesem Zyklus arbeitet und der zum Beispiel für hohe Drehzahlen
optimiert wurde, wären
die typischen Motorsteuerungen:
der Pumpenkolben eilt dem Arbeitskolben
zum oberen Totpunkt OT um 135° voraus;
das
Einlaßventil
des zu ladenden Arbeitszylinders öffnet 45° vor Erreichen des unteren Totpunktes
und schließt
bei 115° vor
Erreichen des oberen Totpunktes;
das Auslaßventil des geladenen Arbeitszylinders öffnet 85° vor Erreichen
des unteren Totpunktes und schließt 155° vor Erreichen des oberen Totpunktes.
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Übersetzungsverhältnisse
von 2 : 1 von der Antriebswelle zur Kurbelwelle werden für schnell
laufende Motoren bevorzugt, um eine effektive Übertragung der Luft von der
Pumpe in den Arbeitszylinder zu erreichen. Übersetzungsverhältnisse
größer als
2 : 1 werden vorzugsweise auf relativ langsam laufende Motoren oder
mittelschnell laufende Motoren beschränkt.
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Das
Hubvolumen der Pumpenkammer ist vorzugsweise kleiner als das 1,6fache
eines jeden Arbeitszylindervolumens. Zum Beispiel kann bei Anwendungen,
die nur einen mäßigen Leistungsgewinn erfordern,
das Hubvolumen der Pumpenkammer bis zu 30% größer als das Hubvolumen eines
jeden Arbeitszylindervolumens sein. Bei Anwendungen für hohe Leistungsgewinne
kann das Hubvolumen der Pumpenkammer bis zu 60% größer als
das Hubvolumen eines jeden entsprechenden Arbeitszylindervolumens
sein.
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Für größere Verbesserungen
hinsichtlich des Emissionsverhaltens kann das Hubvolumen der Pumpenkammer
vorzugsweise bis zu 60% größer als das
Hubvolumen eines jeden entsprechenden Arbeitszylindervolumens sein.
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Darüber hinaus
müssen
die Bauteile der Pumpe nur bei wesentlich geringeren Drücken und Temperaturen
arbeiten als die Leistungsbauteile, und die vorliegende Erfindung
macht es möglich,
die Bauteile zu optimieren, indem die relativ robusten Bauteile
des umgebildeten Motors bei jeder Umdrehung Leistung abgeben, während zum
Pumpen weniger robuste Bauteile verwendet werden, wodurch die Vorteile
hinsichtlich der Verringerung des Leistungsverbrauchs bereitgestellt
werden und damit verbunden eine Verringerung der Reibungsverluste.
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Vorzugsweise
ist die Rohrverzweigung oder der Pumpenkopf mit einem Druckventil
ausgerüstet, das
angesteuert werden kann, das jedoch zweckmäßig ein Zungenventil oder ein ähnliches
druckempfindliches Ventil ist, das in der Ansaugphase der Spülluft für den Arbeitszylinder
den Rückstrom
der Gase aus der Rohrverzweigung in die Pumpenkammer unterbindet.
Noch besser ist es, wenn das Druckventil in unmittelbarer Nähe der Auslaßöffnung der
Pumpenkammer angeordnet ist, wodurch das Re-Expansionsvolumen minimiert wird und
wodurch der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpenkammer verbessert
wird.
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Durch
das vorgesehene Druckventil kann eine Ladung von unter Druck stehendem
frischem Gas stromabwärts
vom Druckventil eingeschlossen werden, so daß beim ersten Öffnen des
Einlaßventils und
vor dem Schließen
des Auslaßventils
ein positiver Strom von frischem Gas vom Ansaugrohr eingespritzt
wird, um das Ausspülen
der Abgase zu verbessern. Diese Vorkehrung kann auch verwendet werden,
um das Zurückströmen der
verbrauchten Gase aus dem Arbeitszylinder über den Überströmkanal und die Rohrverzweigung
in den Pumpenzylinder zu verhindern.
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Die
von der Pumpe zu der Gruppe von Zylindern führende Rohrverzweigung kann
ein einzelnes, stromaufwärts
liegendes Abzweigrohr einschließen, das
mit der Pumpe verbunden ist und das mit einer Vielzahl von stromabwärts liegenden Abzweigrohren mit
den Zylindern der Gruppe kommuniziert. In einer derartigen Anwendung
kann ein einzelnes Druckventil, zum Beispiel ein Zungenventil in
dem stromaufwärts
liegenden Abzweigrohr verwendet werden, für die gleichzeitige Kommunikation
mit allen stromabwärts
liegenden Abzweigrohren.
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Es
wird jedoch vorgezogen, daß das
Druckventil ein Typ ist, der geregelt werden kann, um sequentiell
mit wechselnden stromabwärts
liegenden Abzweigrohren zu kommunizieren. Dies minimiert das wirksame
Volumen der Passage zwischen der Pumpe und den entsprechenden Zylindern
für einen effizienteren
Gastransfer. Vorzugsweise ist das Druckventil ein zeitgesteuertes
Drehschieberventil, das so dicht wie möglich an der Krone des Pumpenkolbens
beim oberen Totpunkt OT angeordnet ist und das eine sequentielle
Kommunikation mit den stromabwärts
liegenden Abzweigrohren bereitstellt.
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Lenkbleche
im Einlaßtrakt
oder mit Schutzkragen versehene Ventile oder etwas ähnliches,
können
vorgesehen werden, um eine Umkehrspülung der verbrauchten Abgase
herbeizuführen.
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Es
wird auch vorgezogen, daß ein
Zungenventil oder andere Ventile im Einlaßtrakt der Pumpenkammer oder
jeder Pumpenkammer angeordnet wird beziehungsweise werden, um den
volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpenkammern zu verbessern.
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Um
die erforderliche zeitliche Steuerung der Kurbelwellen/Antriebswellen
bereitzustellen, müssen bei
der Gruppe der durch den einen Pumpenzylinder zu ladenden Zylinder
ihre entsprechenden Kurbelzapfen in Winkelabständen von 360°, geteilt
durch die Anzahl der Zylinder in der Gruppe angeordnet sein. Dementsprechend
kann es erforderlich sein, an der umgebildeten Maschine die Kurbelwelle
zu modifizieren, um diese Konfiguration zu erreichen. Die Nockenwelle
braucht dann neue „Zeittakte", um sie passend
zu machen. Die Nockenwellen werden von den modifizierten Hubprofilen
profitieren, um die kürzere Auslaß-/Einlaßphase anzupassen,
dies kann auch andere Modifikationen des Ventilsteuergestänges erfordern,
zum Beispiel andere Federkonstanten. Darüber hinaus kann die Ölpumpe modifiziert
werden, um sie auf einen größeren Ölkreislauf
einzustellen, um die angeschraubte Pumpe mit einzubeziehen und um
den Druck bei niedrigeren Leerlaufdrehzahlen des Motors aufrechtzuerhalten.
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Vorzugsweise
sind zum Zwecke der Symmetrie entsprechende Paare von Kurbelwangen
umgebildeter Motoren, die ein Vielfaches von zwei Zylindern aufweisen,
gegeneinander gleichmäßig versetzt.
Das ist bei einem herkömmlichen
Vierzylindermotor, bei dem die Kurbelwangen in einer gemeinsamen
Ebene liegen, die vorderen und die hinteren Paare der Kurbelwangen
um 90° gegeneinander
versetzt sind, damit in dem umgebildeten Motor ein Zünden bei
einer Drehung um jeweils 90° der
Kurbelwelle erfolgt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
besteht die Erfindung allgemein gesagt aus einem Zweitakthubkolbenmotor
mit am Zylinderkopf montierten Einlaß- und Auslaßventilen
und einer externen Pumpe zum Laden der Zylinder, wobei:
die
externe Pumpe eine Hubkolbenverdrängerpumpe ist, die eine entsprechende
Pumpenkammer für Gruppen
von mindestens zwei Zylindern des Motors aufweist, jede Pumpenkammer
einen Hubraum hat, durch den sich ihr Kolben bewegt, wobei der Hubraum
größer als
der Hubraum eines jeden Zylinders des Motors ist;
die Pumpe
sicher an einem Montagesockel direkt neben den Zylindern befestigt
ist, wobei die Auslaßöffnung der
Pumpe in unmittelbarer Nähe
der Einlaßöffnungen
des Motors angeordnet ist;
die Kurbelzapfen für jede Gruppe
von Zylindern in Winkelabständen
von 360° geteilt
durch die Anzahl der Zylinder in der Gruppe, angeordnet sind;
Antriebsmittel
für die Übersetzung
ins Schnelle vorgesehen sind, um die Pumpe mit Hilfe des Motors
anzutreiben, wobei sich das Übersetzungsverhältnis aus
der Anzahl der Zylinder in jeder Zylindergruppe des Motors pro Pumpenkammer
ergibt;
relativ kurze Zuführungsleitungen
mit Hilfe von Rohrverzweigungen bereitgestellt werden, welche die Auslaßöffnung jeder
Pumpenkammer mit den Einlaßöffnungen
der Zylindergruppe verbinden, die auf diese weise geladen wird,
und
die Verbindung zwischen Motor und Pumpe und der Betrieb
der Einlaß-
und Auslaßventile
des Motors zeitlich so gesteuert werden, daß:
der Pumpenkolben oder
jeder Pumpenkolben jeweils wechselnde Arbeitskolben, die auf diese
Weise vorgeschoben werden, in ihre jeweiligen oberen Totpunktpositionen
(OT) führt
bzw. führen;
das
Einlaßventil
eines jeden zu ladenden Arbeitszylinders vor Erreichen des unteren
Totpunktes (UT) öffnet
und vor Erreichen des oberen Totpunktes OT schließt, und
das
Auslaßventil
des geladenen Arbeitszylinders vor UT öffnet und vor OT schließt.
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In
einem Motor mit vier oder mehr Zylindern sind, um die Abgasschwingung
oder die Phase eines Zylinders daran zu hindern, die Spülphasen
eines anderen Zylinders zu stören,
getrennte Auspuffkrümmer
vorgesehen oder ein Krümmer
eines Typs, der die Interferenz der Abgasphase mit der Spülphase verhindert.
Im Falle eines Motors mit Turbolader sind getrennte Turboladereinlaßöffnungen
oder eine Trennspirale in der Einlaßöffnung des Turboladers vorgesehen.
Alternativ können
getrennte Turbolader verwendet werden.
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Wesen
und Anliegen der Erfindung sowie deren praktische Umsetzung werden
nun mit Bezug auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung anhand der
Zeichnungen besser ersichtlich, die ein typisches Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung anschaulich darstellen, und auf denen
folgendes dargestellt ist:
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1 ist
eine graphische Darstellung der Frontalansicht eines herkömmlichen
Mehrzylinder-Viertaktmotors, der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für den
Betrieb als Zweitakter umgebildet wurde;
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2 stellt
die Phasen im Arbeitszyklus dar;
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3 und 4 zeigen
typische Anordnungen von Ablenkmitteln am Ansaugschlitz und Schutzkragen
an Ventilen, und
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5 ist
eine graphische Darstellung des Druckes gegen die Zeit, in der Rohrverzweigung.
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Zuerst
bezugnehmend auf 1 ist zu erkennen, daß ein typischer
Mehrzylinder-Viertaktmotor 10 Kolben 11 aufweist,
die so angeordnet sind, daß sie
sich in Zylindern 12 auf eine Zylinderkopfanordnung 13 zu
und von dieser weg bewegen, die Tellerventile 18 für die Steuerung
der Fluida zu den entsprechenden Zylindern 12 und von diesen
weg trägt.
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Die
Kolben 11 werden über
eine Kurbelwelle 14 angetrieben und sind mit dieser durch
Pleuelstangen 15 verbunden. Die obenliegenden Nockenwellen 16 und 17 werden
von der Kurbelwelle in einer zeitlichen Beziehung zu dieser gesteuert,
wobei die Tellerventile 18 den Viertaktprozeß steuern.
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Erfindungsgemäß sind Mehrzylinder-Viertaktmotoren
dieser Art leicht für
den Betrieb als Zweitaktmotoren zu modifizieren, durch Bereitstellen
eines Montagesockels, zweckmäßigerweise
in Form einer Adapterplatte 20 an einer Seitenwand des
Motorblocks 21, die mit Gewindelöchern versehen ist, um eine
angeschraubte Kolbenpumpe 22 abzustützen.
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Die
Pumpe 22 weist eine Kurbelwelle 23 auf, die von
der Kurbelwelle 14 des Motors mit doppelter Umdrehungszahl
davon angetrieben wird, wodurch der Kolben 25 der angeschraubten
Pumpe mit der doppelten Zyklusgeschwindigkeit der Kolben 11 des Motors 10 auf
und ab geht. Die angeschraubte Pumpe 22 stellt einen Kolben 25 und
eine Pumpenkammer 26 für
jeweils zwei der Zylinder 12 des Motors 10 bereit,
in denen die Kolben 11 hin und her gehen.
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Die
angeschraubte Pumpe 22 ist mit ihrem Zylinderkopf 30 so
dicht wie dies praktisch möglich ist,
an den Einlaßöffnungen,
an die das Luftansaugrohr normalerweise angeschlossen ist, montiert,
so daß die
relativ kurzen Überströmleitungen 32 zwischen
der Auslaßöffnung 33 einer
entsprechenden Pumpenkammer zu einem Paar Einlaßöffnungen angeordnet werden
können,
wobei eine davon bei 34 am Motor 10 dargestellt
ist.
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Ein
Einlaßgang 35 ist
an der angeschraubten Pumpe 22 vorgesehen, und Rückschlagventile, zweckmäßigerweise
Zungenventile 36 und 37 sind in dem Einlaßgang 35 und
in der Überströmleitung 32 angeordnet.
Der Fluß durch
die Überströmleitung wird
ebenfalls durch das Einlaß-Tellerventil 18i gesteuert
und es ist zu erkennen, daß die
Einlaß-Tellerventile 18i und
die Zungenventile 37 in der Nähe der Enden der Überströmleitung 32 angeordnet
sind. Ein weiteres Ventil 18e ist für jeden Auspuffkanal 38 des entsprechenden
Zylinders 12 auf herkömmliche
Art und Weise vorgesehen, die zeitliche Steuerung der Ventile 18 ist
jedoch für
den Zweitaktbetrieb modifiziert.
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Das
Einlaßventil 18i oder
der Ansaugschlitz 34 können
unter Umständen
das Anbringen von Verwirbelungsstegen erforderlich machen, wie dies
auf den 3 und 4 dargestellt
ist, um die einströmende
Luft zu veranlassen, effizienter zu spülen und das Kurzschließen zu verringern,
und das Kühlsystem
benötigt
möglicherweise
eine höhere
Wärmeeinleitungsrate,
einschließlich
einer Wasserpumpe mit höherer
Durchflußrate
und einen größeren Kühler. Falls
dies gewünscht
wird, kann der ursprüngliche Viertakt-Ansaugschlitz zum
Auspuffkanal werden und umgekehrt.
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Der
Lochdurchmesser und der Hub der angeschraubten Pumpe stellt für jede Pumpenkammer ein
Hubvolumen bereit, das größer ist
als der Hubraum eines jeden Arbeitszylinders 12, und für Hochleistungsanwendungen
kann das Hubvolumen jeder Pumpenkammer das 1,6fache des Hubraumes
eines jeden Arbeitszylinders 12 sein.
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Die
Pumpenkammer wird relativ zum Arbeitszylinder zeitlich so gesteuert,
daß der
entsprechende Pumpenkolben 25 seinen oberen Totpunkt vor
dem Kolben 11 im Arbeitszylinder 12 erreicht,
in den Frischluft eingeleitet wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
erreicht der Pumpenkolben 25 seinen oberen Totpunkt, während sich
der Arbeitskolben 11 etwa 120° vor seinem oberen Totpunkt
im entsprechenden Zylinder 12 befindet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel
ist ein Dieselmotor, mit Injektoren (nicht dargestellt), die den
Kraftstoff direkt in die Brennkammer einspritzen.
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Während des
Gebrauchs ist die angeschraubte Pumpe 22 mit einem Ein-Richtungs-Zungenventil 36 in
ihrem Einlaßgang 35 versehen,
so daß beim
Abwärtsgang
des Kolbens 25 und weiter bis über den unteren Totpunkt hinaus,
Luft in die entsprechende Pumpenkammer 26 oberhalb des
Kolbens 25 eingeleitet wird und dann von dort aus durch das
Einwegventil in Form des Zungenventils 37, das am Eingang
der Überströmleitung 32 angeordnet
ist, entladen wird. Ein Drehschieber- oder ein Tellerventil könnte an
Stelle eines Zungenventils verwendet werden, falls dies so gewünscht wird.
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Das
Einlaßventil 18i des
entsprechenden Arbeitszylinders 12 öffnet bei etwa 40° vor Erreichen des
unteren Totpunktes der Pumpe 22 und schließt beim
Aufwärtsgehen
des Kolbens 11, so daß eine Verdichtung
während
der Bewegung zum oberen Totpunkt stattfindet, wenn Kraftstoff eingespritzt
wird und die Verbrennung stattfindet, um einen Arbeitshub bereitzustellen,
wenn der Kolben 11 sich im Zylinder 12 nach unten
zu seinem unteren Totpunkt bewegt.
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Das
Auslaßventil 18e öffnet anschließend und
Abgase werden dort hindurch ausgestoßen, während der Kolben sich weiter über die
untere Totpunktposition und einen Teil des Weges nach oben beim
folgenden Verdichtungstakt bewegt. Vor dem Schließen des
Auslaßventils 18e öffnet das
Einlaßventil 18i,
und die eingeschlossene Luft zwischen dem Einlaßventil 18i und dem
Zungenventil 37 in der Überströmleitung 32 steht
unter einem höheren Druck
als die restlichen Abgase zum Zeitpunkt seines Öffnens, so daß die eingeschlossene
Luft in den Zylinder 12 gepreßt wird und beim Spülen der
Abgase unterstützend
wirkt.
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Dieser
Effekt ist auf der graphischen Darstellung von 5 anschaulich
dargestellt, wo zu erkennen ist, daß im Anschluß an den
von der Pumpe 22 bewirkten Eingangsdruck das Zungenventil 37 schließt und die
unter Druck stehende Luft in der Rohrverzweigung 32 einschließt, wie
es durch die schraffierte Fläche
dargestellt ist.
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Das
Einlaßventil 18i bleibt
geöffnet,
so daß die
neue Ladung, die in die Pumpe 22 eingeleitet wurde, in
die Brennkammer gepreßt
wird, wo sie verdichtet wird und der oben beschriebene Prozeß wiederholt
wird.
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In
dem auf 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die zeitliche Steuerung gemäß 2 so, daß der Pumpenkolben 25 seine
obere Totpunktposition dann erreicht, wenn sich der entsprechende
Arbeitskolben 11 im Zylinder 12, 120° vor dem
oberen Totpunkt befindet. Das Einlaßventil 18i ist so
angepaßt,
daß es
40° vor
Erreichen der unteren Totpunktposition des Kolbens 11 öffnet und
110° vor
Erreichen der oberen Totpunktposition schließt. Das Auslaßventil 18e ist
so angepaßt,
daß es
70° vor
Erreichen der unteren Totpunktposition des Kolbens 11 öffnet und
140° vor
Erreichen der oberen Totpunktposition des Kolbens 11 schließt. Der
Dieselkraftstoff wird bei 16° eingespritzt.
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Darüber hinaus
weist die angeschraubte Pumpe ein Hubvolumen auf, das gleich dem 1,4fachen
eines jeden Zylindervolumens 12 des Motors 10 ist.
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Von
diesem Motor kann man erwarten, daß er als Zweitaktmotor effizient
arbeitet und bis zum 1,7fachen der Leistung des ursprünglichen
Viertaktmotors abgibt.
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Vorzugsweise
ist für
einen Vierzylindermotor die angeschraubte Pumpe eine Zweizylinderpumpe, deren
Kolben gegeneinander um 180° versetzt
sind, und die Kurbelwelle 14 des herkömmlichen Motors ist modifiziert
durch gegeneinander versetztes Anordnen der Kurbelwangen jeder Gruppe
zweier benachbarter Zylinder bei 180° und von zwei Gruppen von Kurbelwangen,
die um 90° gegeneinander
versetzt sind, so daß eine
Zündfolge
1 3 4 2 bereitgestellt wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Umbildung
eines herkömmlichen
Viertaktmotors in einen Zweitaktmotor sollte die ursprüngliche
Drehmoment- und Leistungsabgabe, bezogen auf die Hubraumeinheit des
umgebildeten Motors signifikant vergrößert sein. Man kann erwarten,
daß eine
um bis zu 100% erhöhte
Drehmoment- und Leistungsabgabe für einen umgebildeten Viertaktmotor
erreicht werden kann.
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Darüber hinaus
werden auch das Leistungs-/Masseverhältnis und das Leistungs-/Volumenverhältnis verbessert
und mit einem Mehraufwandszuschlag von 5% bis 10% des Basis-Motorgewichtes erreicht,
das hauptsächlich
das zusätzliche Gewicht
der Pumpe ist, die nur eine Pumpfunktion ausführt und nicht den Verbrennungskräften ausgesetzt
ist und somit eine relativ leichte Konstruktion sein kann.
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So
ist zu erwarten, daß in
einem umgebildeten Viertaktmotor Leistungsgewinne von 70% erreicht
werden können,
mit einem umgebildeten Motor, der 30% leichter und 25% kleiner im
Gesamtpackungsvolumen ist, als ein vergleichbarer Viertakt-Kolben-Verbrennungsmotor.
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Weil
jeder Zylinder des umgebildeten Motors zweimal so oft zündet wie
das Original, kann die Rate der Brennstoffzufuhr pro Verbrennungsvorgang
verringert werden, oder das Luft-Brennstoff-Verhältnis wird abgemagert. Dies
sollte sich so auswirken, daß die
Spitzentemperatur im Zyklus und die Verweilzeit bei hohen Temperaturen
herabgesetzt werden. Dies verringert die Bildung von NOx,
und die größere Sauerstoffverfügbarkeit
verringert die Bildung von Partikeln und Rauch.
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Zusätzlich sind
hohe Pegel kleiner und mikroskopischer Turbulenzen vor und während der
Verbrennung präsent,
wodurch eine effiziente Verbrennung unterstützt wird. Dies folgt aus der
hohen Massendurchflußrate
der Spülluft
hinter dem Einlaßventil, weil
die Hauptmenge der einströmenden
Frischluft in weniger als 90° Kurbelwellendrehung übertragen wird,
und aus der späten
Einleitung in den Zyklus, die daher rührt, daß die meiste Luft nach Erreichen
des unteren Totpunktes des Arbeitskolbens übertragen wird. In dieser Beziehung
werden in einem Viertaktmotor die kleinen und mikroskopischen Turbulenzen, die
während
der Einleitung erzeugt werden, meist abklingen, bevor die Verbrennung
in Gang kommt. In einem erfindungsgemäß umgebildeten Motor ist zu
erwarten, daß die
Turbulenzen intensiver als üblich
und im Motorzyklus später
als üblich
erzeugt werden, was dazu führt,
daß zum
Beginn der Verbrennung starke Turbulenzen auftreten.
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Dieser
Effekt sollte sich selbst in einer signifikanten Herabsetzung der
Anforderungen hinsichtlich der Vorzündung oder Vorentflammung bei
Dieseleinspritzung manifestieren.
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Man
nimmt an, daß die
erforderliche Einspritzverstellung vor OT für maximales Drehmoment sowohl
bei Benzin als auch bei Diesel von etwa 30° auf 12° Einspritzung bzw. von etwa
30° auf
16° Einspritzung
verringert werden kann. Beim Diesel kann dies auch wesentlich die
vorgemischte Phase der Verbrennung herabsetzen und daraus folgend
eine Verringerung in der Druckanstiegsrate und somit eine Reduzierung
bei der Bildung von NOx und Lärm nach sich
ziehen.
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Es
ist auch zu erwarten, daß wegen
der Zuführung
der Spülluft
in einem schnellen Impuls, weil der Pumpenkolben mit der doppelten
Taktrate der Motorkolben arbeitet, Erhöhungen der mittleren Geschwindigkeit
der Spülluft
die Effektivität
des Spülvorgangs
erhöhen
werden. Weil die Spülluft
relativ spät in
den Zyklus eingeführt
wird, wird das Kurzschließen der
Frischluft direkt zur Abgasseite minimiert. Die Folge sollte ein
effizienter Spülvorgang
sein.
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Ein
erfindungsgemäß umgebildeter
Motor wird im allgemeinen bei geringeren Zylinderdrücken, aber
mit der doppelten Anzahl von Verbrennungsvorgängen laufen und die einzelnen
Druckspitzen werden niedriger sein, und die einzelnen Drehmomentpulse
an den Pleuelstangen und der Kurbelwelle werden kleiner und zahlreicher
sein, wodurch die Schwankungen des Drehmomentes verringert werden.
So ist zu erwarten, daß Bauteile
wie zum Beispiel Kurbelwellen und Lager, Pleuelstangen, Zylinderkopfdichtungen
und Kolbenringgruppen, die so bemessen sind, daß sie der üblichen Viertaktbelastung standhalten,
eine ähnliche
oder eine höhere
Lebenserwartung aufweisen werden.
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Es
ist zu erkennen, daß die
vorliegende Erfindung ein angeschraubtes System zur Modifizierung
von Motoren zur Verfügung
stellt, das potentiell wesentliche technische Vorzüge aufweist
und das die Hersteller produzieren können, während sie gleichzeitig die
Auswirkungen auf bestehende Produktionstechniken und Produktionseinrichtungen,
die Umschulung von Personal und die für die Produktion erforderliche
Forschung und Entwicklung so gering wie möglich halten können. Die
Umbildung wird am besten von existierenden Motorherstellern ausgeführt, oder
zumindest teilweise während
der grundlegenden Herstellungsschritte. Sie kann jedoch selbstverständlich von
anderen ausgeführt
werden.
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Für die Umbildung
werden relativ billige, bewährte
Hubkolbenkomponenten verwendet, welche an Viertaktmotoren aus der
(normalen) Produktion bei einem Minimum an Veränderungen der Produktionsanlagen
und Produktionseinrichtungen angeschraubt werden können. So
könnte
ein Hersteller, falls er beabsichtigt, neue, leistungsstärkere Motoren auf
den Markt zu bringen oder einen Beitrag zur Übereinstimmung mit Abgasvorschriften
zu leisten, eine erfindungsgemäß umgebildete
Version seines bereits existierenden Motors für diesen neuen Markt zur Verfügung stellen.
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Der
Hersteller kann bereits vorhandenes Wissen aus Forschung und Entwicklung
nutzen und muß lediglich
geringe Änderungen
an seinen Produktionseinrichtungen durchführen. In den meisten Fällen werden
die Produktionseinrichtungen über
die nötige
Kapazität
und Flexibilität
verfügen,
um beides herzustellen, bereits vorhandene und erfindungsgemäß umgebildete
Motoren, folglich wird im Produktionsergebnis die Gewinnschwelle
für beide
Motoren stark reduziert. Die erforderliche Umschulung von Personal
wird ebenfalls minimal, dies gilt auch für Probleme bei der Akquisition
von Zulieferbetrieben.
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Zusätzlich zur
Bereitstellung der Pumpe und der Rohrverzweigung ist es erforderlich,
daß der
Hersteller eine Befestigung und einen Antrieb für die Pumpe anpaßt. Der
Antrieb kann durch die Kurbelwelle an der Vorderseite oder Rückseite
des Motors oder von einem beliebigen Punkt auf der Kurbelwelle erfolgen.
Die Art des Antriebs kann beliebig sein, erforderlich ist nur, daß der Betrieb
der Verbindung in geeigneter Weise zeitlich gesteuert ist. Falls
dies so gewünscht
wird, kann die Antriebsverbindung zwischen Kurbelwelle und der Antriebswelle
von einer Art sein, bei der die Synchronisierung im Betrieb einstellbar
ist, um sie an die speziellen Betriebsbedingungen anzupassen. Zum
Beispiel kann bei hoher Belastung und hoher Drehzahl die Synchronisierung der
Antriebswelle relativ zur Kurbelwelle so vorverlegt werden, daß der Wirkungsgrad
der Spülung
optimiert wird.
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Der
Auspuffkrümmer
des Motors kann modifiziert werden, um Teiler oder Spiralen einzubringen, damit
die einzelnen Zylinderabgasimpulse voneinander getrennt werden;
Zylinder, die außer
Phase sind, können
sich jedoch ein gemeinsames Auspuffkrümmervolumen teilen.
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Es
kann erforderlich sein, die Auspuffkanäle zusätzlich zu kühlen; falls sie kein ausreichendes Wärmeableitvermögen haben,
können
sie durch keramische Überzugsschichten
am Schlitz thermisch isoliert werden.
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Zweckmäßigerweise
sollte die für
den Anbau der Pumpe vorgesehene Fläche am Motor Vorkehrungen aufweisen,
um die Pumpe daran mit Bolzen oder anderweitig sicher zu befestigen,
dies können zum
Beispiel Stehbolzen oder Gewindelöcher oder ähnliche Befestigungsvorrichtungen
sein. Vorzugsweise ist die Fläche
eine ebene Fläche
oder eine Fläche
zum Anschrauben, und abdichtbare Öffnungen sind vorgesehen, durch
die ein interner Antrieb möglich
ist. Die Montagefläche
kann auch Mittel für
die Ölzufuhr
und Ölableitung
und Mittel für
die Zufuhr und die Ableitung von Kühlwasser aufweisen.
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Die
Bereitstellung eines einzelnen Pumpenzylinders, der zwei Arbeitszylinder
speist, hat den Vorteil, daß der
Pumpenkolben mit der doppelten Taktrate der Arbeitskolben arbeitet.
Dies vergrößert die
mittlere Geschwindigkeit der Frischluft, die dem Arbeitszylinder
zugeführt
wird und die spät
in den Abgaszyklus eingeleitet wird, wodurch der Verlust an Frischluft
durch Kurzschluß direkt
zum geöffneten Auslaßventil
verringert wird.
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Die
vergrößerte Strömungsgeschwindigkeit kann
außerdem
die vorteilhafte Wirkung haben, daß die Turbulenzen der einströmenden Frischluft
und beim Auslösen
der Zündung
vergrößert werden.
Es ist weiterhin anzunehmen, daß dies
eine wesentliche Absenkung stabiler Leerlaufdrehzahlen möglich macht,
wodurch weitere ökonomische
Vorteile bereitgestellt werden.
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Es
ist natürlich
ersichtlich, daß das
oben Gesagte lediglich ein anschauliches Beispiel der vorliegenden
Erfindung darstellt und daß all
die genannten und andere Modifikationen und Abänderungen, die für den Fachmann
sofort ersichtlich sind, in den Rahmen und Geltungsbereich der vorliegenden
Erfindung fallen, wie er in den