EP0775256A1 - Sechs-takt-verbrennungsmotor mit variablem brennraum - Google Patents

Sechs-takt-verbrennungsmotor mit variablem brennraum

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EP0775256A1
EP0775256A1 EP94918344A EP94918344A EP0775256A1 EP 0775256 A1 EP0775256 A1 EP 0775256A1 EP 94918344 A EP94918344 A EP 94918344A EP 94918344 A EP94918344 A EP 94918344A EP 0775256 A1 EP0775256 A1 EP 0775256A1
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EP
European Patent Office
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liquid
combustion chamber
cycle
exhaust gases
injected
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Withdrawn
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EP94918344A
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English (en)
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Inventor
Rüdiger GRAF VON GÖRTZ
Ulrich Finger
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Von Gortz & Finger Techn Entwicklungs Gesmbh
Original Assignee
Von Gortz & Finger Techn Entwicklungs Gesmbh
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Publication of EP0775256A1 publication Critical patent/EP0775256A1/de
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for using waste heat from an internal combustion engine with additional mechanical power.
  • the object of the present invention to provide a method in which at least part of the energy lost via the exhaust gases and the engine block is converted into additional mechanical work.
  • the inventive idea of a method for utilizing the waste heat of an internal combustion engine is that at least some of the exhaust gases in a first
  • the working cycle consists of six cycles.
  • the first three cycles namely intake cycle 1, compression cycle 2 and operating cycle 3, run like this in a normal four-cycle engine.
  • a first method according to the invention has the further feature that the exhaust gases are compressed a second time after the first working cycle 3 before being expelled and the liquid to be evaporated is injected at about the time of the highest compression.
  • the exhaust gases from the first work cycle 3 remain completely in the cylinder space during the following cycle 4. There they are compressed again by the piston.
  • the pressure and temperature of the exhaust gases rise to very high values. This results in a very large temperature gradient to the injected liquid, so that it is heated to its boiling temperature very quickly and evaporates suddenly. This rapid evaporation is particularly desirable in order to do so
  • the piston has moved as little as possible from the position of the highest compression. Since the energy transferred to the crankshaft is proportional to the product of the pressure force and the stroke of the piston under the influence of this pressure force, the increased pressure can then best be used in the second work cycle 5.
  • the mixture of exhaust gases and liquid vapor is expelled in the cycle 6 following the second cycle 5.
  • This exhaust stroke 6 is essentially identical to the emission of a four-stroke engine.
  • the exhaust gases are at a lower temperature.
  • Part of the injected liquid can also be recovered by condensation by means of a suitable device through which the expelled gases pass. This avoids excessive fluid consumption.
  • the heat of condensation can also be used for preheating the liquid to be injected.
  • the liquid should be at high pressure via a separate injection pump and the shortest possible connection line to a multi-hole nozzle. This ensures that the liquid in finely atomized aerosols can be injected directly into the combustion chamber.
  • the piston In the piston there is a trough-shaped depression, which could be filled with a fine knitted copper wire. Since copper has a very high thermal conductivity, a faster heat transfer from the stored heat from the first working cycle 3 is achieved and evaporation takes place in a few milliseconds. Likewise, in the case of direct injection through the evaporation of the liquid, the residual heat from the first work cycle 3, which is present in the cylinder head, piston and engine block, is immediately taken over.
  • a liquid with high thermal conductivity is injected. This measure ensures that both the liquid and its vapor can absorb a lot of heat in a short period of time.
  • the injected liquid heats up to its boiling point in a short period of time.
  • the liquid vapor can also continuously absorb a large amount of the amount of heat stored in the engine block while it remains in the cylinder space.
  • a liquid with a low boiling temperature is injected.
  • the evaporation process can thus start immediately after the injection. If necessary, the liquid can be heated to just below the elevated boiling point during injection before injection.
  • an injection nozzle for fine atomizing injection of the liquid is additionally arranged on the cylinder head in a reciprocating piston engine for carrying out the method according to the invention.
  • Commercial injection nozzles for fuel can be used for this.
  • special care must be taken to ensure that the liquid is atomized as finely as possible during injection.
  • the finer the liquid is atomized the larger the surface of a liquid droplet in relation to its volume. This fact is important for a fast evaporation process.
  • Fig.l dei- functional sequence of the 6-stroke engine In Fig.l the six cycles of the inventive method according to claims 1 to 3 are outlined.
  • the cylinder 1 of a reciprocating piston engine is shown in a highly simplified form. In the cylinder head 2, this has an inlet valve 3, an outlet valve 4 and an injection nozzle 5 for fuel and an injection nozzle 6 for the liquid. Furthermore, the piston 7, the connecting rod 8 and their eccentric bearing 9 on the crankshaft are shown.
  • the piston 7 is drawn in the position at the beginning of the respective cycle.
  • the first three cycles of the cycle comprising a total of six cycles, namely the intake cycle 2, the compression cycle 2 and the first operating cycle 3 are identical to the first three cycles of the conventional four-cycle engine.
  • the inlet valve 3 is opened so that the piston 7 moving downward sucks fresh air into the cylinder space 10.
  • the inlet valve 3 is closed.
  • the fresh air heated due to the pressure increase becomes the predetermined amount of fuel 14 injected. Due to the high temperatures in the combustion chamber 10, the injected fuel 14 ignites and burns. The energy released increases the pressure in the combustion chamber and generates an increased pressure force on the surface 15 of the piston 7.
  • This force has an accelerating effect on the crankshaft via the connecting rod 8.
  • the combustion energy does mechanical work.
  • a very significant part of the combustion energy in the form of heat and pressure remains stored in the burned gases and on the walls.
  • the burned gases are not expelled after the first work cycle 3. They remain in the cylinder chamber 12 and are compressed again by the piston 7, with work being removed from the crankshaft for this purpose.
  • This compression stroke 4 is essentially identical to the compression stroke 2, with the difference that the gases already have a high pressure and a high temperature " at the beginning of the compression stroke 4.
  • the piston 7 has reached the top dead center 17 , liquid 18 is injected into the combustion chamber 10 from a specially provided injection nozzle 6. The liquid is passed through the hot gases and especially heated by the hot surfaces 15 and 2 of the combustion chamber 10, and by the Kupferdrahtge ⁇ knit within the piston 7 and evaporated suddenly.
  • Hc is the height of the combustion chamber, which was designated as No. 10 in Fig.l.
  • FIGS. 4 to 7 there are several possibilities, which are shown in FIGS. 4 to 7 and are within the scope of the present invention.
  • a spring connecting rod is shown in FIG. 4, which has the task of deflecting at excessively high pressures and thus reducing the compression. This also reduces the pressure and temperature in cycle 4.
  • the energy stored in the plate springs 4 is converted into mechanical energy again in the second half of the working cycle 5 and presses on the crankshaft with the lower connecting rod 1.
  • a dowel pin 5 gives the disc springs 4 a calculated preload and prevents the piston from rotating.
  • Fig. 5 shows another possibility of shortening the connecting rod 8 in cycles 4 + 5.
  • the jelly connecting rod 8 is moved out of the central axis with an eccentric 1 and a lever 2 and changes the pivot point from B to Bl.
  • the connecting rod 8 is shortened from A to AI and the combustion chamber 10 is enlarged.
  • the same change as that described under FIG. 4 is thus achieved with this inventive method.
  • Fig. 6 represents another variant to increase the height Hc of the combustion chamber 10 in the cycle 4 + 5.
  • the bearings 1 of the crankshaft 2 are lowered in time 4 + 5 by an eccentric shaft 3 by the height Hc2.
  • the combustion chamber 10 is thus enlarged and the same effect is achieved as is shown in FIG. After the second working cycle 5, the bearings 1 of the crankshaft 2 are moved upwards in cycle 6 with the eccentric shaft 3.
  • FIG. 7 shows a reciprocating piston 1 which works with a prestressed compression spring 2 in a cylinder 3.
  • the pressure in the combustion chamber 10 rises very strongly and presses the reciprocating piston upward against the spring pressure.
  • the combustion chamber is thus enlarged and the compression E is reduced accordingly.
  • the spring force and the piston travel are adapted to the increasing pressure and thus prevent the pressure and temperature from rising too high in the second work cycle 5.
  • the reciprocating piston 1 then acts as a safety overflow valve and allows the gas to escape into the exhaust port 5 of the cylinder head 6.
  • FIG. 7a shows a switch which enables both the fresh gas 10 and the exhaust gas to be sucked in or expelled via a valve 15. This enables the reciprocating piston to be installed in the opening of an existing valve, thereby converting standard diesel or petrol engines into 6-stroke engines without major changes.
  • the flutter valve 12 is fastened to the holder 14 with a pretension and moves when the Fresh gas 10 with valve 15 open from point A to AI. After the suction process is complete and the valve 15 is closed again, the flutter valve 12 moves back to the starting point A due to the pretension.
  • the valve 15 opens and the cooled exhaust gases 11 flow through the flap valve 13 into the exhaust port. The flap valve 13 prevents the exhaust gases 11 from being sucked in again during the subsequent intake stroke 1 and when the valve 15 is open.
  • Another possibility to enlarge the combustion chamber is to limit the lifting piston at heights 9-10 not by spring force, but with a hydraulic line which is connected to a piston pump.
  • the piston pump is actuated by a camshaft with the ratio 1: 3.

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Abstract

Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors, wobei zumindest ein Teil der in den Abgasen eines ersten Arbeitstaktes sowie im Motorblock enthaltenen Wärmeenergie zum Verdampfen einer vor Beginn eines zweiten Arbeitstaktes in den Verbrennungsraum und in die Abgase des vorhergehenden Arbeitstaktes eingespritzten Flüssigkeit und damit zu einer Erhöhung des Gesamtdrucks des Gemisches aus Abgasen und Flüssigkeitsdampf genutzt und während des folgenden, zweiten Arbeitstaktes in mechanische Arbeit übergeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren, dargestellt als 6-Takt-Motor in der Figur, vergrößert den Brennraum im 4 + 5 Takt, um dadurch die sehr hohen Temperaturen und Drücke, die beim Nachverdichten im Takt 4 entstehen, zu vermeiden und auch noch die Restenergie in mechanische Arbeit umzusetzen.

Description

6-Takt-Verbrennungs otor mit aria len Brennraum.
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Abwärme¬ nutzung eines Verbrennungsmotors in zusätzliche mechani- sehe Leistung.
Bei Verbrennungsmotoren werden nur ca. 35% der bei der Verbrennung frei werdenden Energie in mechanische Leistung überführt. Der Rest geht als Abwärme über die Oberfläche des Motorblocks, den Kühlkreislauf und die Abgase verloren Lediglich ein kleiner Teil kann über den Kühlwasserkreis¬ lauf und die fahrzeugeigene Heizung genutzt werden. Auf¬ grund der relativ hohen Kraftstoffkosten und der CO - Be¬ lastung durch die Abgase, wäre eine Erhöhung des irkungs- grades durch höhere Nutzung der Abwärme wünschenswert. Es ist jedoch bislang nicht gelungen, in dieser Richtung einen nennenswerten Fortschritt zu erzielen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah- ren zu schaffen, bei dem zumindest ein Teil der über die Abgase und den Motorblock verlorengehenden Energie in zu¬ sätzliche mechanische Arbeit umgewandelt wird. Zu diesem Zweck ist der erfindungsgemäße Gedanke eines Verfahrens zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungsmotors, daß zumindest ein Teil der in den Abgasen eines ersten
Arbeitstaktes sowie im Motorblock enthaltenen Ene'rgie genutzt wird. Die Verdampfung einer vor Beginn eines zweiten Arbeits¬ taktes in den Verbrennungsraum und in das Abgas des vor¬ hergehen Arbeitstaktes eingespritzten Flüssigkeit, führt zu einer Erhöhung des Gesamtdrucks des Gemisches aus Ab- gasen und Flüssigkeitsdampf, der während des folgenenden zweiten Arbeitstaktes in mechanische Arbeit überführt wird. Aus den Diagrammen fig.2+3 ist zu erkennen, daß der Druck und die Temperatur beim Nachverdichten im Takt 4 sehr hoch ansteigt und jeden Motor zerstören würde. Es ist daher Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß der Verbrennungsraum im Takt 4+5 vergrößert wird.
Der Arbeitszyklus besteht bei Anwendung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens aus sechs Takten. Davon laufen die ersten drei Takte, nämlich Ansaugtakt 1 , Verdichtungs¬ takt 2 und Arbeitstakt 3 wie in einem normalen Vier- Takt-Motor ab.
Direkt nach dem Arbeitstakt 3 ist das Abgas auf ein maxi¬ males Volumen expandiert. Die Restenergie aus der Verbren- nung ist nach Beendigung des ersten Arbeitstaktes 3 in
Form von Druck und Temperatur vorhanden. Damit diese Ener¬ gie nicht unwiederbringlich verloren geht, werden die Ab¬ gase im folgenden Takt nicht ausgestoßen sondern nochmals in einem Nachverdichtungstakt 4 komprimiert. Nachdem sich der Kolben bis zum oberen Totpunkt des Taktes 4 be¬ wegt hat und der zweite Arbeitstakt 5 beginnt, wird in den Verbrennurigsraum und in die Abgase des vorhergehenden Arbeitstaktes 3 eine Flüssigkeit eingespritzt. An den heißen Oberflächen des Verbrennungsraums und durch die Aufnahme der Wärmeenergie der Abgase verdampft die Flüs¬ sigkeit schlagartig. Der Phasenübergang führt zu einer Erhöhung des Gesamtdrucks des Gemisches aus Abgasen und Flüssigkeitsdampf.
Da sich der Kolben nun in Expansionsrichtung bewegt, kann dieser erhöhte Druck sofort zusätzliche mechanische Arbeit an der Kurbelwelle leisten. Die dabei aufgebrachte Energie wird sowohl den Abgasen als auch den Oberflächen des heis- sen Verbrennungsräumes entzogen. Der Motor wird optimal gekühlt, da die Wärme direkt am Entstehungsort abgeführt wird.
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren weist das weitere Merkmal auf, daß die Abgase nach dem ersten Arbeitstakt 3 vor dem Ausstoßen ein zweites Mal komprimiert werden und etwa im Zeitpunkt höchster Kompression die zu verdampfende Flüssigkeit eingespritzt wird. Die Abgase des ersten Ar- beitstaktes 3 bleiben während des folgenden Taktes 4 vollständig im Zylinderraum. Dort werden sie von dem Kol¬ ben abermals verdichtet. Dabei steigen der Druck und die Temperatur der Abgase auf sehr hohe Werte. Somit ergibt sich ein sehr starkes Temperaturgefälle zu der eingespitz- ten Flüssigkeit, so daß diese sehr schnell auf ihre Siede¬ temperatur erhitzt wird und schlagartig verdampft. Diese schnelle Verdampfung ist besonders wünschenswert, damit zu dem Zeitpunkt, zu dem die gesamte Flüssigkeit verdampft ist und der Gesamtdruck im Verbrennungsraum daher ange¬ stiegen ist, der Kolben sich möglichst wenig von der Stellung der höchsten Kompression entfernt hat. Da die auf die Kurbelwelle übertragene Energie proportional zu dem Produkt aus der Druckkraft und dem Hub des Kolbens unter dem Einfluß dieser Druckkraft ist, kann dann der erhöhte Druck am besten im zweiten Arbeitstakt 5 ausgenutzt wer¬ den.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das Gemisch aus Ab¬ gasen und Flüssigkeitsdampf in dem auf den zweiten Ar¬ beitstakt 5 folgenden Takt 6 ausgestoßen wird. Dieser Ausstoßtakt 6 verläuft im wesentlichen identisch mit dem Ausstoß eines Vier-Takt-Motors. Die ausgestoßenen Abgase weisen jedoch eine niedrigere Temperatur auf. Auch kann durch eine geeignete Vorrichtung, welche die ausgestoßenen Gase durchlaufen, ein Teil der eingespritzten Flüssigkeit durch Kondensation zurückgewonnen werden. Dadurch wird ein zu hoher Flüssigkeitsverbrauch vermieden. Ebenfalls kann die Kondensationswärme für die Vorwärmung der einzusprit¬ zenden Flüssigkeit verwendet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, der Flüssigkeit ein geeignetes Additiv beizu¬ mischen, um bessere Abgaswerte zu erhalten.
Die Flüssigkeit sollte mit hohen Druck über eine seperate Einspritzpumpe und eine möglichst kurze Verbindungsleitung zu einer Mehrlochdüse geführt werden. Damit wird erreicht, daß die Flüssigkeit in feinzerstäubten Aerosolen direkt in den Brennraum eingespritzt werden kann. In dem Kolben be¬ findet sich eine muldenförmige Vertiefung, die mit einem feinen Kupferdrahtgestrick gefüllt sein könnte. Da Kupfer eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, wird damit ein schnellerer Wärmeübergang von der gespeicherten Wärme aus dem ersten Arbeitstakt 3 erreicht und es erfolgt eine Verdampfung in wenigen Millisekunden. Ebenfalls wird bei der Direkteinspritzung durch die Verdampfung der Flüssig¬ keit die Restwärme aus dem ersten Arbeitstakt 3 , die im Zylinderkopf, Kolben und Motorblock vorhanden ist, sofort übernommen.
Es ist vorteilhaft, daß eine Flüssigkeit mit hoher Wärme¬ leitfähigkeit eingespritzt wird. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß sowohl die Flüssigkeit als auch deren Dampf in einem kurzen Zeitraum viel Wärme aufnehmen können. Die eingespritzte Flüssigkeit erhitzt sich in einem kurzen Zeitraum auf ihre Siedetemperatur. Auch kann der Flüssig¬ keitsdampf während seines Verbleibens im Zylinderraum ständig einen hohen Betrag der im Motorblock gespeicherten Wärmemenge aufnehmen.
Es hat sich als günstig erwiesen, daß eine Flüssigkeit mit niedriger Siedetemperatur eingespritzt wird. Bei Verwen¬ dung einer derartigen Flüssigkeit ist der Zeitraum, in dem sich die eingespritzte Flüssigkeit auf ihre Siedetempera¬ tur erhitzt, so gering als möglich. Der Verdampfungsvor¬ gang kann somit sofort nach dem Einspritzen einsetzen. Nötigenfalls kann die Flüssigkeit vor dem Einspritzen bis knapp unter den erhöhten Siedepunkt während des Einsprit- zens erhitzt werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß bei einem Hubkolben¬ motor zur Durchführung des erfindungsmäßigen Verfahrens am Zylinderkopf zusätzlich eine Einspritzdüse zum feinzer¬ stäubenden Einspritzen der Flüssigkeit angeordnet ist. Hierfür können handelsübliche Einspritzdüsen für Kraft¬ stoff verwendet werden. Jedoch ist bei der Wahl der Düsen besonders darauf zu achten, daß die Flüssigkeit während des Einspritzens so fein als möglich zerstäubt wird. Je feiner die Flüssigkeit zerstäubt wird, um so größer ist die Oberfläche eines Flüssigkeitströpfchens im Verhältnis zu seinem Volumen. Diese Tatsache ist für einen schnellen Verdampfungsvorgang wichtig. Außerdem ist es günstig, wenn ein möglichst großer Teil der fein zerstäubten Flüssigkeit direkt auf die heißen Oberflächen des Brennraumes gelangt und seine Verdampfungswärme diesen Oberflächen entzieht, da diese eine bedeutend höhere Wärmeleitfähigkeit als die Abgase aufweisen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Verfah- rens und i -zugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand de: Dehnungen. Hierbei zeigt:
Fig.l dei- funktionsablauf des 6-Takt-Motors In der Fig.l sind die sechs Takte des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 skizziert. In stark vereinfachter Form ist der Zylinder 1 eines Hubkolbenmo¬ tors dargestellt. Dieser weist im Zylinderkopf 2 ein Ein¬ laßventil 3, ein Auslaßventil 4 sowie eine Einspritzdüse 5 für Kraftstoff und eine Einspritzdüse 6 für die Flüssig¬ keit auf. Weiterhin sid der Kolben 7, die Pleuelstange 8 und deren exentrische Lagerung 9 an der Kurbelwelle darge¬ stellt. Der Kolben 7 ist in der Stellung zu Beginn des je¬ weiligen Takts gezeichnet. Die ersten drei Takte des ins- gesamt sechs Takte umfassenden Zykluses, nämlich der An- saugtakt 2 , der Verdichtungstakt 2 und der erste Arbeits¬ takt 3 verlaufen identisch mit den ersten drei Takten des herkömmlichen Vier-Takt-Motors. Zunächst wird bei kleinem Zylinderraum 10 das Einlaßventil 3 geöffnet, so daß der sich nach unten bewegende Kolben 7 Frischluft in den Zy¬ linderraum 10 saugt. Am unteren Totpunkt 11 des Kolbens 7 wird das Einlaßventil 3 geschlossen. Bei der Bewegung des Kolbens 7 in Richtung' Zylinderkopf 2 wird das eingeschlos¬ sene Luftvolumen 12 verkleinert und die Frischluft kompri- miert. Wenn sich der Kolben 7 im Bereich des oberen Tot¬ punktes 13 befindet und die Kompression maximal ist, wird in die aufgrund der Druckerhöhung erhitzte Frischluft die vorbestimmte Menge an Kraftstoff 14 eingespritzt. Aufgrund der hohen Temperaturen im Verbrennungsraum 10 entzündet sich der eingespritzte Kraftstoff 14 und ver¬ brennt. Die freiwerdende Energie erhöht den Druck im Ver- brennungsraum und erzeugt eine erhöhte Druckkraft auf die Oberfläche 15 des Kolbens 7. Diese Kraft wirkt über die Pleuelstange 8 beschleunigend auf die Kurbelwelle. Solange sich der Kolben 7 während des ersten Arbeitstaktes ober¬ halb des unteren Totpunktes 16 befindet, leistet die Ver- brennungsenergie mechanische Arbeit. Jedoch bleibt ein ganz erheblicher Teil der Verbrennungsenergie in Form von Wärme und Druck weiterhin in den verbrannten Gasen und an den Wandungen gespeichert.
Um diese Restenergie, zumindest zum Teil, in zusätzliche mechanische Arbeit umzuwandeln, werden die verbrannten Gase nach dem ersten Arbeitstakt 3 nicht ausgestoßen. Sie verbleiben im Zylinderraum 12 und werden vom Kolben 7 abermals verdichtet, wobei der Kurbelwelle hierzu Arbeit entzogen wird. Dieser Verdichtungstakt 4 ist im wesent¬ lichen identisch mit dem Verdichtungstakt 2 , mit dem Unterschied, daß die Gase zu Beginn des Verdichtungstak¬ tes 4 bereits einen hohen Druck und eine hohe Temperatur "aufweisen. Hat der Kolben 7 den oberen Totpunkt 17 er- reicht, wird aus einer eigens dafür vorgesehenen Ein¬ spritzdüse 6 Flüssigkeit 18 in den Verbrennungsraum 10 eingespritzt. Die Flüssigkeit wird durch die heißen Gase und vor allem durch die heißen Oberflächen 15 und 2 des Verbrennungsraumes 10, sowie durch das Kupferdrahtge¬ strick innerhalb des Kolbens 7 erhitzt und schlagartig verdampft. Dies führt zu einem Druckanstieg im Verbren- nungsraum 10, so daß eine höhere Kraft auf die Oberfläche 15 des Kolbens 7 resultiert. Diese erhöhte Druckkraft wird durch die Pleuelstange 8 in ein die Kurbelwelle beschleu¬ nigendes Moment umgesetzt. Die während des Arbeitstaktes 5 auf die Welle übertragene mechanische Arbeit übersteigt wegen der erhöhten Druckkraft auf die Oberfläche 15 des Kolbens 7 bei dessen Expansionsbewegung die während des Verdichtungstaktes 4 der Kurbelwelle entzogene mecha¬ nische Arbeit. Die Bilanz der während der Takte 3 und 5 der Kurbelwelle zugeführten Arbeit ist also positiv. Im anschließenden Ausstoßtakt 6 , der dem bisherigen vierten Takt gleicht, wird ab dem unteren Totpunkt 19 des Kolbens 7 das Auslaßventil 4 geöffnet und die Abgase werden vom Kolben 7 ausgeschoben.
Wie aus dem Diagrammen Fig.2+3 zu erkennen ist, steigt der Druck und die Temperatur beim Nachverdichtungstakt 4 sehr hoch an. Die Werte ergeben sich aus der Formel Pc = Pa x E* für den Druck und Tc = Ta x E (K°) für die Temperatur.Da diese hohen Werte beim Nachverdichtungstakt 4 jeden Motor zerstören würden, muß der Druck und die Temperatur im Takt 4 reduziert werden. In beiden Formeln ist der Wert E für das Verdichtungsverhältnis vorhanden. Das bedeutet, bei einer Verringerung der Verdichtung wird sich auch die Tem¬ peratur und der Druck verringern. Die Formel für die Ver¬ dichtung lautet E = Vc + Vh / Vc . Da Vh konstant ist, kann nur Vc verkleinert werden. Das Volumen des Brennraum errechnet sich aus der Kolbenfläche x Hc.
Hc ist die Höhe des Brennraumes, der in der Fig.l als Nr.10 bezeichnet wurde.
Um die Höhe Hc im Takt 4+5 zu verändern ergeben sich meh- rere Möglichkeiten, die in den Fig.4 bis 7 dargestellt sind und im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. In Fig.4 ist ein Federpleuel dargestellt, das die Aufgabe hat bei zu hohen Drücken einzufedern und damit die Verdichtung zu verkleinern. Damit wird auch der Druck und die Tempera- im Takt 4 verringert. Die in den Tellerfedern 4 gespei¬ cherte Energie wird in der zweiten Hälfte des Arbeitstakt 5 wieder in mechanische Energie umgewandelt und drückt mit dem unteren Pleuel 1 auf die Kurbelwelle. Ein Spann¬ stift 5 gibt den Tellerfedern 4 eine berechnete Vorspan- nung und verhindert das Verdrehen des Kolbens. Mit diesem Federpleuel ist es möglich, serienmäßige Dieselmotore mit Direkteinspritzung und obenliegender Nockenwelle durch einfache Veränderungen in 6-Takt-Motore umzubauen.
Fig.5 zeigt eine weitere Möglichkeit das Pleuel 8 in den Takten 4+5 zu verkürzen. Mit einem Exenter 1 und einem He¬ bel 2 wird das Geleήkpleuel 8 aus der Mittelachse bewegt und verändert den Drehpunkt von B zu Bl. Somit verkürzt sich das Pleuel 8 von A auf AI und der Verbrennungsraum 10 wird vergrößert. Damit wird mit diesem erfinderischen Ver¬ fahren die gleiche Veränderung erreicht, wie sie unter Fig.4 beschrieben wurde.
Fig.6 stellt eine weitere Variante da, die Höhe Hc des Brennraumes 10 im Takt 4+5 zu vergrößern. Die Lager 1 der Kurbelwelle 2 werden im Takt 4+5 durch eine Exenterwelle 3 um die Höhe Hc2 abgesenkt. Damit vergrößert sich der Brennraum 10 und es wird der gleiche Effekt erreicht wie er in Fig.4 dargestellt ist. Nach dem zweiten Arbeitstakt 5 werden die Lager 1 der Kurbelwelle 2 mit der Exenter- welle 3 im Takt 6 wieder nach oben bewegt.
Fig.7 zeigt einen Hubkolben 1, der mit einer vorgespann¬ ten Druckfeder 2 in einem Zylinder 3 arbeitet. Im zweiten Verdichtungstakt 4 steigt der Druck im Brennraum 10 sehr stark an und drückt den Hubkolben gegen den Federdruck nach oben. Damit wird eine Vergrößerung des Brennraumes erreicht und die Verdichtung E wird entsprechend verklei¬ nert. Die Federkraft und der Kolbenweg werden dem steigen¬ gendem Druck angepaßt und verhindern damit ein zu hohes Ansteigen des Drucks und der Temperatur im zweiten Ar- beitstakt 5. Außerdem besteht die Möglichkeit, bei einem zu großen Druckanstieg, daß sich der Hubkolben weiter ge¬ gen den Federdruck anhebt und einen Teil des Überdrucks durch die Öffnung 4 entweichen läßt. Der Hubkolben 1 wirkt dann als Sicherheits-Überströmventil und läßt das Gas in den Abgasstutzen 5 des Zylinderkopfes 6 entweichen. Es be¬ steht auch die Möglichkeit, den Hubkolben mit einer Nok- kenwelle im Takt 1-5 am unteren Punkt 9 zu arritieren und im Takt 6 das Federlager freizugeben. Dadurch kann sich der Hubkolben im Takt 6 durch das Ausstoßen der Abgase anheben 10 und die Abgase können durch den Abgasstutzen 5 entweichen. In der unteren Hälfte des Arbeitstakts 5 last der Druck im Brennraum 10 nach und die in der Druckfeder gespeicherte Energie drückt den Hubkolben 1 wieder nach unten. Damit wird zusätzliche mechanische Leistung über den Kolben und das Pleuel als Beschleunigung auf die Kur¬ belwelle abgegeben.Das obere Federlager 7 hat die Aufgabe, durch Verstellung innerhalb des Feingewindes die Vorspan¬ nung der Druckfeder so zu verändern, daß sich der Hub¬ kolben 1 erst bei einem bestimmten Überdruck anhebt.
In der Fig.7a ist eine Umschaltweiche dargestellt, die es ermöglicht, daß sowohl das Frischgas 10 als auch das Abgas über ein Ventil 15 angesaugt oder ausgestoßen wird. Damit ist die Möglichkeit gegeben, den Hubkolben in die Öffnung eines vorhandenen Ventils einzubauen und damit serienmäßige Diesel- oder Ottomotore ohne größere Än- derungen in 6-Takt-Motore umzubauen.
Das Flatterventil 12 ist mit einer Vorspannung an der Hal- terung 14 befestigt und bewegt sich beim Ansaugen des Frischgases 10 bei geöffneten Ventil 15 von Punkt A zu AI. Nachdem der Ansaugvorgang abgeschlossen und das Ventil 15 wieder geschlossen ist, bewegt sich das Flatterventil 12 durch die Vorspannung wieder an den Ausgangspunkt A zu- rück. Beim Ausstoßtakt 6 öffnet das Ventil 15 und die ab¬ gekühlten Abgase 11 strömen durch das Flatterventil 13 in den Abgasstutzen. Durch das Flatterventil 13 wird verhin¬ dert, daß beim anschließenden Ansaugtakt 1 und geöffneten Ventil 15 Abgase 11 wieder mit angesaugt werden.
Eine weitere Möglichkeit den Brennraum zu vergrößern be¬ steht darin, den Hubkolben Fig.7 nicht durch Federkraft, sondern mit einer Hydraulikleitung, die an einer Kolben¬ pumpe angeschlossen ist, in den Höhen 9-10 zu begrenzen. Die Kolbenpumpe wird von einer Nockenwelle mit dem Über¬ setzungsverhältnis 1:3 betätigt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Verbrennungs¬ motors, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der in den Abgasen eines ersten Arbeitstaktes 3 sowie im Motorblock enthaltenen Wärmeenergie durch Verdampfen einer vor Beginn eines zweiten Arbeitstakts 5 in den Verbrennungsraum und in die Abgase des vor hergehenden Arbeitstaktes eingespritzten Flüssigkeit. Damit wird die Erhöhung des Gesamtdrucks des Gemi¬ sches aus Abgasen und Flüssigkeitsdampf genutzt und während des folgenden, zweiten Arbeitstakts in mecha¬ nische Arbeit übergeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase nach dem ersten Arbeitstakt vor dem Aus¬ stoßen ein zweites Mal komprimiert werden und etwa im Zeitpunkt höchster Kompression die zu verdampfende Flüssigkeit eingespritzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Abgasen und Flüssigkeitsdampf in dem auf den zweiten Arbeitstakt folgenden Takt ausgestoßen wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit hohen Druck feinst zerstäubt und in solcher Menge einge¬ spritzt wird, daß sie durch die Wärmeenergie der Abga¬ se und der Oberflächen des Verbrennungsraumes schlag¬ artig verdampft wird.
5. Verfahren nach mindestes einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeit mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Siedetemperatur ein¬ gespritzt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der eingespritzten Flüs¬ sigkeit ein Zusatz in Form von Additiven beigemischt wird das die Abgaswerte verbessert.
7. Hubkolbenmotor zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß am Zylinderkopf zusätzlich eine Düse zum fein zerstäubenden Einspritzen der Flüssig- keit angeordnet ist.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit feinst zerstäubt auf ein Kupfergestrick, das sich in einer Mulde des Kolbens befindet, eingespritzt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß durch das Einspritzen einer Flüssigkeit dem Brennraum und den Gasen Wärme entzogen wird und dadurch ein schneller und effek - tiver Kühlvorgang erfolgt.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß durch Kondensation der Ab¬ gase ein Teil der eingespritzten Flüssingkeit zurück¬ gewonnen wird und die Restwärme für die Vorwärmung der Einspritz-Flüssigkeit verwendet wird.
11. Hubkolbenmotor zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Pleuel als Federpleuel (Fig.4) hergestellt ist und durch Einfedern bei höherem Druck den Brennraum vergrößert.
12. Hubkolbenmotor zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Pleuel als Gelenkpleuel (Fig.5) mit Hebel und verstellbaren Exenter gebaut ist, um im Takt 4+5 den Brennraum zu vergrößern.
13. Hubkolbenmotor zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge¬ kennzeichnet,daß die Brennraumvergrößerung durch Ab¬ senken der Kurbelwelle (Fig.6) mittels einer Exenter- welle durchgeführt wird.
14. Hubkolbenmotor zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, daß sich am Zylinderkopf ein Hubkolben (Fig.7) befindet, der bei steigendem Druck den Brenn¬ raum vergrößert und die in der Druckfeder gespeicherte Energie im Takt 5 wieder an den Kolben abgibt.
15. Hubkolbenmotor zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß an einem der Stutzen (Fig.7a) am Zylinderkopf eine Umschaltweiche für Frisch- und Abgas angebaut ist, um das Befüllen und Entleeren des Zylin- derraumes mit einem Ventil durchzuführen.
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