EP4253738A1 - Verfahren zum betreiben eines getaktet angetriebenen kolbenmotors - Google Patents

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EP4253738A1
EP4253738A1 EP22166029.3A EP22166029A EP4253738A1 EP 4253738 A1 EP4253738 A1 EP 4253738A1 EP 22166029 A EP22166029 A EP 22166029A EP 4253738 A1 EP4253738 A1 EP 4253738A1
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EP
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cylinder
exhaust gas
valve
pressure
cooling system
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Martin Buchberger
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    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
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    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
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    • F02B7/00—Engines characterised by the fuel-air charge being ignited by compression ignition of an additional fuel
    • F02B7/06—Engines characterised by the fuel-air charge being ignited by compression ignition of an additional fuel the fuel in the charge being gaseous

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a clocked piston engine, which has at least one cylinder, at least one inlet valve arranged in the area of a cylinder head and at least one exhaust valve arranged in the area of the cylinder head, and one in the at least one cylinder between a bottom dead center and an upper one Dead center lifting movements executable piston.
  • the Ts diagram shows the efficiency of different engine types, whereby the Ts diagram only takes into account the losses due to residual heat. Other losses (heat losses during compression and during or after combustion/heat supply), leakage and friction losses are not taken into account.
  • the efficiency of a heat engine is defined as the quotient of the (technical) work dissipated to the thermal energy supplied.
  • the technical work can be read as the difference between the supplied and dissipated heat energy and thus as an area delimited by the cycle process.
  • the Fig. 1 shows schematically various cycle processes in the Ts diagram under the assumption that the heat is supplied up to the same maximum entropy (s).
  • the expansion is in turn an adiabatic change of state, depending on the degree of expansion, up to the isochore (3-4 or 3'-4 or 3"-4), up to the isobar (3-4' or 3'-4' or 3" -4') or up to the isotherm (3-4" or 3'-4" or 3"-4").
  • Heat dissipation can take place along the isochore (4-1), along the isobar (4'-1) or along the isotherm (4"-1). A mixed form of heat dissipation is also conceivable. After expansion, for example up to the isobar (or even after an expansion to below the isobaric level), cooling can take place along the isochore (4'-5) to the isotherm followed by isothermal heat removal or compression (5-1) in order to increase the heat energy to be removed compared to the isobaric heat removal to reduce.
  • Real diesel engines have a compression ratio higher than 10:1 and therefore also a higher efficiency.
  • the required expansion volumes generally decrease as the compression ratio increases.
  • diesel engines or gas engines with high compression ratios require lower expansion ratios/expansion volumes than gasoline engines.
  • the required expansion volumes only apply to the theoretical case that no heat loss occurs during compression or during or after heat supply.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a method of the type mentioned at the outset with extended expansion, which has improved efficiency.
  • the procedure includes the following steps: Carrying out a charge change in the cylinder by means of the at least one inlet valve and the at least one exhaust valve, wherein a partial filling of the cylinder is achieved with a predetermined resulting compression or filling volume, wherein preferably the resulting compression or filling volume is predetermined by the control times of the valves and therefore during can be changed during operation - for example by adjusting the phase of the camshaft,
  • Cooling (preferably approximately isochoric) of the exhaust gas in the main exhaust gas cooling system advantageously at or up to a pressure which is advantageously more than 0.5 bar, but preferably at least 0.2 bar, below the ambient pressure, with cooled exhaust gas only then being cooled by means of the controlled Valve device is delivered when the pressure in the cylinder or in the main exhaust gas cooling system essentially reaches the ambient pressure or reaches a value which preferably deviates from the ambient pressure by a maximum of 0.5 bar and more preferably a maximum of 0.25 bar.
  • the aim of these measures is, on the one hand, that the heat dissipation takes place at a pressure that is advantageously below the ambient pressure, whereby this heat loss is minimized, and that, on the other hand, the push-out work is reduced, since the piston preferably pushes out the exhaust gas against a pressure lower than the ambient pressure must.
  • the situation is optimal when the exhaust gas has cooled to ambient temperature when it is released from the main exhaust gas cooling system. This is why this is primarily done without further exhaust gas utilization (such as a turbocharger, etc.), because the necessary energy is already extracted from the exhaust gas. There is therefore an increase in efficiency due to the reduction in the heat to be dissipated after expansion has taken place.
  • the main exhaust gas cooling system has the advantage that cooling can take place over a longer period of time. As long as the associated exhaust valve is closed, part of the heat dissipation takes place independently of the processes and changes in state in the cylinder, whereby a crank angle of over 180° can be available for cooling and cooling down to ambient temperature can preferably be achieved more easily in the main exhaust gas cooling system can.
  • An (electronically) controlled valve device can also Open when there is still negative pressure. This might even make more sense than opening at a pressure above ambient pressure.
  • the "perfect" controlled valve device conveniently opens exactly when ambient pressure is reached and preferably opens a large cross section and then has minimal flow/throttle losses.
  • the method according to the invention can be used both for piston engines with internal heat supply and with external heat supply.
  • internal heat supply With internal heat supply, the self-ignition and/or external ignition of a fuel or mixture takes place in the cylinder and with external heat supply, compression or pressure increase and heating takes place outside the cylinder.
  • ambient pressure is understood to mean the pressure outside the main exhaust gas cooling system downstream of the controlled valve device, provided that the exhaust gas can no longer perform any further work that can be supplied to the engine or no significant cooling takes place.
  • Ambient pressure is preferably understood to mean the pressure outside the “piston engine” system.
  • the pressure in the cylinder is reduced below the ambient pressure due to the expanded expansion.
  • the exhaust gas in the main exhaust gas cooling system is cooled essentially isochorically to a pressure below the ambient pressure in such a way that exhaust gas is ejected from the cylinder into the main exhaust gas cooling system primarily at a pressure that is lower than the ambient pressure.
  • isochoric here means that during the cooling phase the exhaust gas is enclosed between the outlet valve and the controlled valve device, whereby a constant volume of the main exhaust gas cooling system can be assumed.
  • the expansion volume can advantageously be designed so that the expanded expansion takes place at full load up to the ambient pressure, so the final pressure after the expansion at partial load is usually significantly lower than the ambient pressure. At partial load, expansion occurs into the negative pressure range, which significantly increases the efficiency at partial load.
  • the primary goal of increasing efficiency is reduced heat dissipation after expansion, so that in any case heat dissipation occurs below the isobars that correspond to the ambient pressure (see 4'-1 in the Ts diagram of the Fig. 1 ), so that in the main exhaust gas cooling system and after opening the exhaust valve or valves there is also a lower pressure than ambient pressure in the cylinder during heat dissipation (negative pressure in relation to the ambient pressure).
  • the pressure should be more than 0.5 bar, but preferably at least 0.2 bar lower than the ambient pressure.
  • this negative pressure can also be suitable for supporting the gas exchange/flushing process instead of just reducing heat dissipation. This is particularly important in engines with internal combustion, which are preferably operated in the 2-stroke process, in which the gas exchange/scavenging takes place near bottom dead center or during the upward movement of the piston.
  • the controlled valve device can advantageously separate the main exhaust gas cooling system from the environment at least as long as the pressure of the exhaust gas in the cylinder and/or in the main exhaust gas cooling system is substantially below the ambient pressure. It is therefore important to have optimal interaction between the exhaust valve and the controlled valve device in order to achieve a favorable increase in efficiency.
  • the exhaust valve usually opens essentially at bottom dead center. The piston then moves upwards again. This causes exhaust gas to be actively pushed out of the cylinder, which also causes the pressure to rise again. As soon as ambient pressure is reached or the predetermined ratio is achieved, the controlled valve device opens and exhaust gas is expelled from the main exhaust gas cooling system without significant back pressure (because there is virtually no differential pressure).
  • the (isochoric) cooling in the main exhaust gas cooling system takes place simultaneously but locally separately from the changes in state in the cylinder. This means that more time is available for heat dissipation at a given speed, and this enables (isochoric) heat dissipation and thus the creation of a negative pressure in the exhaust system (and thus a reduction in the heat loss to be dissipated to the environment).
  • an auxiliary exhaust system can be provided, into which at least a partial flow of the exhaust gas is introduced to reduce any excess pressure that may be present, which is essentially above the ambient pressure, and which preferably releases the partial flow of the exhaust gas, preferably into the environment, by means of a controlled valve device , whereby the pressure reduction essentially occurs before the remaining exhaust gas is discharged into the main exhaust gas cooling system.
  • the auxiliary exhaust system therefore serves primarily to reduce the pressure in the cylinder if there is still excess pressure (above the ambient pressure) at the end of the extended expansion. This could occur particularly in the area of full load.
  • the exhaust gas is finally released, in particular the environment only occurs after the partial flow of the exhaust gas has been subjected to cooling and thus a pressure reduction within the auxiliary exhaust system, so that a final expulsion of the exhaust gas into the environment also preferably only takes place essentially at ambient pressure.
  • the controlled valve device should preferably also prevent an increase in pressure in the auxiliary exhaust system and in the cylinder due to the ambient pressure.
  • the auxiliary exhaust system is preferably located behind a second exhaust valve and reduces any excess pressure in the cylinder near bottom dead center before a first exhaust valve in particular releases the connection to the main exhaust gas cooling system.
  • the advantages of the present invention have proven to be particularly effective when the piston engine is designed similar to a four-stroke piston engine with inlet and outlet valves arranged in the area of the cylinder head, but runs in two-stroke operation. This results in an increase in efficiency by reducing the energy for the gas exchange in engines that carry out the gas exchange at bottom dead center or during the upward movement of the piston, namely in two-stroke engines.
  • the one exhaust valve or one of the exhaust valves can remain open at least during the upward movement of the piston between bottom dead center and top dead center until the pressure in the cylinder or in the main exhaust gas cooling system reaches the opening pressure of the controlled valve device. This ensures that with each cycle there is a pressure increase in the cylinder and the main exhaust gas cooling system, so that exhaust gas is pushed out of the main exhaust gas cooling system, in particular into the environment.
  • the exhaust valve conveniently opens near bottom dead center when there is negative pressure in the main exhaust cooling system due to isochoric cooling, but remains open long enough to allow exhaust gas to be expelled from the cylinder.
  • the entire exhaust gas is pushed out of the cylinder by the piston because the exhaust valve conveniently closes at or near top dead center.
  • the exhaust gas is partly pushed out by the fresh gas flowing in via the inlet valve or inlet valves and the closing of the outlet valve causes compression to begin.
  • the gas exchange advantageously takes place during the upward movement of the piston from bottom to top dead center with the inlet valve or one of the inlet valves open and the inlet valve or one of the outlet valves open, and then by closing the outlet valve or one of the outlet valves and the inlet valve or one of the inlet valves, the compression with the predetermined, resulting compression volume in the upper half of the piston stroke begins.
  • a procedure is therefore used as already described in the DE 10 2008 014 249 A1 is known, with the present invention also providing a main exhaust gas cooling system.
  • the compression begins at the earliest at a crank angle of 60° before top dead center (ie, the inlet valve and outlet valve are closed) .
  • the gas exchange then takes place approximately from bottom dead center to the closing of the exhaust valve.
  • An additional charging of the gas introduced can preferably take place.
  • the choice of fuel (gaseous or liquid) or mixture form is almost arbitrary.
  • external or self-ignition occurs.
  • the closing times and/or closing times of the one intake valve or the intake valves and/or the one exhaust valve or the exhaust valves can be changed in order to change the compression ratio.
  • the invention is also advantageous according to a process variant in which external heat is introduced.
  • the gas preferably air
  • the compressed gas can be heated by means of a heating device and the compressed and heated gas can be fed in by means of the one inlet valve or one of the inlet valves
  • a predetermined resulting filling volume (VK) which is smaller than this is achieved by closing the one inlet valve or one of the inlet valves, preferably in the upper half of the piston stroke Expansion volume (VE), and wherein preferably the closing times and / or closing times of the inlet valve or inlet valves can be changed in order to change the filling volume (VK).
  • the expanded expansion then begins immediately after the intake valve is closed and occurs approximately adiabatic in the cylinder after the intake valve is closed.
  • Heat can be introduced in any way (including through combustion).
  • the filling volume or partial filling of the cylinder is determined by closing the inlet valve during the downward movement of the piston predetermined, and can be changed during operation via variable control times of the intake valve - for example by adjusting the phase of the camshaft.
  • Piston engines with external heat supply enable additional measures to increase efficiency.
  • the gas can flow through the heating device and be heated in this as it flows through, preferably essentially at the pressure provided by the compressor device.
  • This makes it possible for quasi isobaric heating to occur while the inlet valve is open because the gas flows through the heating device at a predetermined, preferably constant pressure. Due to the downward movement of the piston, a substantially isobaric expansion occurs as long as the intake valve is open, followed by an approximately adiabatic expansion in the cylinder after the intake valve is closed.
  • an increase in efficiency can be achieved in that, according to a method variant, the compressed gas is temporarily stored in an optional buffer storage and is supplied to the heating device with a pressure-controlled supply valve device and is heated essentially isochorically in the heating device as long as the inlet valve is closed.
  • the compressed gas volume is enclosed between the pressure-controlled supply valve device and the associated inlet valve and is exposed to the thermal effect of the heating device. More than 180° crank angles are available for this. It is therefore advantageous that compression and expansion are separated from each other. The (adiabatic) compression takes place in the compressor device.
  • an (isolated) buffer volume (provided by the buffer storage tank) which leads via an optional pressure-controlled supply valve device to an external combustion/heat supply heater device and then to the inlet valve of the cylinder.
  • the timing of the intake valve (by closing the intake valve after, for example, a third of the piston stroke) causes the cylinder to be partially filled with subsequent expanded expansion (up to or below ambient pressure).
  • the processes can also take place in combination, in that the preferably approximately isochorically heated gas flows from the heating device into the cylinder with the inlet valve open or with one of the inlet valves open, then opens the controlled supply valve device when a predetermined pressure is reached, and more Gas from the buffer storage flows through the heating device and is essentially heated at the pressure provided by the buffer storage (i.e. approximately isobaric) and also flows into the cylinder. This can ensure, for example, that the filling pressure at least corresponds to the pressure from the buffer storage.
  • the invention also relates to a piston engine for carrying out the method according to one of claims 1 to 11.
  • the piston engine is characterized by at least one cylinder, at least one inlet valve arranged in the area of the cylinder head, and at least one outlet valve arranged in the area of the cylinder head , a piston which can carry out lifting movements in the at least one cylinder between a bottom dead center and a top dead center and a main exhaust gas cooling system which is fluidly connected to the at least one exhaust valve and which can be separated from the environment by means of a controlled valve device in such a way that the exhaust gas is ejected from the cylinder into the main exhaust gas cooling system when the controlled valve device is closed at a first pressure level which is substantially below the ambient pressure, and that the exhaust gas is ejected from the main exhaust gas cooling system when the controlled valve device is open at a higher pressure level than the first pressure level.
  • the piston engine can be designed as a single-cylinder engine or as a multi-cylinder engine.
  • the piston engine can be designed as a four-stroke engine (corresponding to a Miller engine, for example).
  • the design as a two-stroke engine is preferred. A considerable increase in efficiency can be achieved, particularly for large, slow-running piston engines.
  • the one inlet valve or one of the inlet valves can have a variable flow cross section with increasing valve lift in such a way that flow into the cylinder initially occurs in the direction of the cylinder wall and, as the valve lift increases, increasingly in the direction of the center of the cylinder.
  • this configuration is advantageous because this achieves a better complete charge change and prevents the fresh charge from overflowing into the exhaust system can be.
  • two inlet valves can be provided, one of the inlet valves being designed for the flow of fresh air into the cylinder and the other inlet valve being designed for the inflow of a, preferably gaseous, fuel or an ignitable mixture with a predetermined excess pressure.
  • a compressor device and a heating device are connected upstream of one inlet valve or one of the inlet valves, the compressor device and the heating device being designed in such a way that a substantially isobaric heat supply is provided at least temporarily by means of them can be effected in the cylinder. This is achieved in that gas delivered by the compressor device at a constant pressure is subjected to heat supply during the flow through the heating device.
  • an optional buffer storage and a controlled feed valve device are provided between the compressor device and the one inlet valve or one of the inlet valves, the controlled feed valve device at least temporarily separating the heating device from the compressor device and possibly the optional buffer storage and at When one inlet valve is closed or the inlet valves are closed, essentially isochoric heating is possible. This heating can occur during a significant period of the cylinder cycle (while the intake valve is closed), independent of other changes in state within the cylinder. An increase in efficiency can be achieved in this way.
  • the second inlet valve can introduce the (gaseous) fuel or mixture into the cylinder, preferably with a certain excess pressure, with the second inlet valve closing shortly before the exhaust valve closes (start of compression without supercharging) or shortly after closing the Exhaust valve closes (start of compression with supercharging according to the excess pressure at the second inlet valve).
  • air can be blown tangentially into the inlet channel in front of the second inlet valve in order to create an air vortex in front of the inlet valve for good mixture formation, into which the (liquid or gaseous) fuel is injected.
  • a (self-igniting) fuel such as diesel
  • a (self-igniting) fuel can be injected into the cylinder when the piston is near or shortly after top dead center.
  • a (gaseous) fuel can also be injected directly into the cylinder after purging with fresh air via the intake valve(s) and in which the corresponding mixture is spark-ignited when the piston is near or at top dead center.
  • the injection process of the (gaseous) fuel can be completed shortly before the exhaust valve(s) close (which means that there is no charging before compression) or can take place shortly after the exhaust valve(s) close, which causes an increase in the pressure in the cylinder due to the pressure of the (gaseous) fuel takes place before compression (charging).
  • the inlet valve can open when the piston is near top dead center and close when the piston is still in the upper half of the stroke, thereby allowing partial filling of the cylinder (and subsequently a extended expansion up to bottom dead center).
  • a piston engine 6 is similar to that of a four-stroke piston engine, except for the differences that will be explained below, and includes as essential components a cylinder 7, a crankcase 8, a crankshaft 9, a connecting rod 10, a piston 11, an exhaust valve 12, an intake valve 13, a spark plug 14 or a direct injection nozzle 15, and optionally an intake manifold injection nozzle 16 (petrol, etc.).
  • the present invention can be applied to various piston engine systems, which is why, for reasons of explanation, a mixed form containing the various variants is shown here, of which as a rule only one is used, which largely depends on the use of an internal or an external one Heat supply, ie, in particular the fuel used, etc., depends.
  • the piston engine 6 can be designed as a single-cylinder engine or as a multi-cylinder engine. In the design as a piston engine 6 with internal combustion, the engine can be designed as a four-stroke engine (corresponding to a Miller engine, for example). However, in order to increase the power density, the design as a two-stroke engine is preferred. Therefore, only embodiments that are operated as two-stroke piston engines 6 will be described below.
  • the invention is largely based on a piston engine 6 in which the expansion volume is significantly larger than the compression volume (preferably at least 2 times, better at least 3 times). This results in an extended expansion of the hot gas up to ambient pressure, almost to ambient pressure or into the negative pressure range.
  • the expansion volume VE is generated by the total stroke of the piston 11 from top dead center (TDC) to bottom dead center (UT).
  • the significantly smaller compression or filling volume VK is achieved by partially filling the cylinder 7.
  • this partial filling of the cylinder 7 is realized by a late start of compression in the upper half of the piston stroke (eg at approximately 60° before TDC).
  • the compression takes place outside the cylinder 7 and the partial filling of the cylinder 7 takes place by closing the inlet valve 13/the inlet valves during the downward movement of the piston 11 in the upper half of the piston stroke (e.g. at approx. 60° after TDC).
  • Compression ratio (VK + VV)/VV (e.g. 10:1).
  • expansion ratio expansion ratio (VE + VV)/VV (e.g. 30:1).
  • FIG. 1 The Ts diagram shown (temperature-entropy diagram) of the piston engine 6 describes the changes in state of a gas packet as a closed cycle without mass exchange with the environment.
  • An essential core of the invention is that these state changes sometimes take place simultaneously, but are spatially separated.
  • the piston engine 6 comprises, following the at least one exhaust valve 12, a main exhaust gas cooling system 17, at the output of which a controlled valve device 18 is arranged.
  • the controlled valve device 18 is preferably a check valve which, in the preferred simplest version, opens when the ambient pressure inside the main exhaust gas cooling system 17 is reached.
  • the heat dissipation in the main exhaust gas cooling system 17 takes place permanently.
  • this main exhaust gas cooling system 17 enables isochoric cooling of the hot exhaust gas as long as the exhaust valve 12/the exhaust valves of the piston engine 6 are closed.
  • This isochoric cooling creates a negative pressure in the main exhaust gas cooling system 17, which also becomes effective in the cylinder 7 when the exhaust valve 12 is opened. If there is ambient pressure in the cylinder 7 and thus also in the main exhaust gas cooling system 17 due to the upward movement of the piston 11, the valve device 18 opens.
  • this exhaust gas cooling With a suitable design of this exhaust gas cooling, the remaining heat dissipation occurs approximately isothermally, which minimizes the push-out work and the heat dissipation to the environment and thus the efficiency maximized.
  • the (isochoric) cooling takes place simultaneously, but locally separated, from the changes in state in the cylinder 7. This means that more time is available for heat dissipation at a given speed, and this results in isochoric cooling Heat dissipation and thus the generation of a significant negative pressure in the main exhaust gas cooling system 17 (and thus a reduction in the heat to be given off to the environment).
  • a piston engine 6 in the design as a two-stroke engine with internal combustion, with an inlet valve 13 and an exhaust valve 12 per cylinder 7 and with the main exhaust gas cooling system 17 and the associated controlled valve device 18, preferably a check valve.
  • the following symbols are used in the associated figures:
  • cylinder 7 is at circuit starting point 1.
  • the inlet valve 13 and the outlet valve 12 are closed and the system is at the start of compression.
  • the main exhaust cooling system 17 is located in section 4'-5. This means that the pressure in the main exhaust gas cooling system 17 drops below ambient pressure due to the exhaust gas cooling. Due to the closed outlet valve 12 and the closed valve device 18, isochoric cooling takes place.
  • Fig. 1 and Fig. 4b When the piston 11 reaches top dead center (TDC), state point 2 is present (see Fig. 1 and Fig. 4b ).
  • the fuel is injected (e.g. diesel) or the mixture is ignited.
  • Fig. 4b refers to the most diverse variants of this internal heat supply, which is why it is listed here as an alternative the change of state from 2 to 3 (isochoric heat supply) or 2 to 3" (isobaric heat supply) or 2 to 2' to 3' (mixed heat supply) is referred to.
  • the pressure drops further in the area 4'- due to the exhaust gas cooling. 5.
  • This type of engine is generally suitable for diesel engines because diesel (or other self-igniting fuels) ignites itself at or after TDC - so no mixture needs to be formed before or during compression.
  • the fuel can alternatively be injected directly into the cylinder 7 during compression and the mixture formed in the cylinder 7 at or near TDC be ignited by means of a spark plug 14. If fuel is injected shortly before the exhaust valve 12 closes, no charging occurs. If the fuel is injected after closing the exhaust valve 12, charging occurs through the injection pressure of the fuel or through the injected fuel volume.
  • a piston engine 6 is described below with reference to Fig. 5a-b shown. Since only the essential differences to the previous exemplary embodiment ( Fig. 4a-f ) is to be discussed, reference is made to the explanation of the previous method variant and engine type with regard to the further process that is not explicitly addressed here.
  • Fig. 5a the cylinder 7 is located at the circuit starting point 1.
  • the main exhaust gas cooling system 17 subjects the exhaust gas enclosed therein to isochoric cooling (4'-5).
  • the inlet valve 13 and the outlet valve 12 are now closed and compression begins. (Gaseous) fuel is injected into the cylinder 7 from the injection nozzle 15.
  • the injection pressure/fuel volume increases the cylinder pressure before or at the start of compression (supercharging).
  • the piston 11 is at or near TDC (state point 2 in Fig. 1 ).
  • the mixture is ignited.
  • an isochoric (2-3), isobaric (2-3") or mixed (2 -2'-3') heat supply is preferably carried out.
  • the embodiments from the Fig. 4a-f and 5a-b can make do with just one outlet valve 12 if the expansion volume (VE) is suitable for allowing the hot gas to expand up to or below ambient pressure.
  • VE expansion volume
  • this embodiment provides a second outlet valve 12 ', which of expansion opens and reduces the cylinder pressure to ambient pressure before the first exhaust valve 12 opens.
  • the second outlet valve 12' should open into an exhaust system, which can also be decoupled from the environment by means of a second controlled valve device 18'.
  • the second controlled valve device 18' is also a check valve, which preferably opens essentially at ambient pressure. This can prevent ambient air from flowing back into the cylinder 7, especially if there is already negative pressure in the cylinder 7 (e.g. at partial load).
  • An auxiliary exhaust gas cooling system 17' can also be connected to the second exhaust valve 12', so that a negative pressure can be generated in the cylinder 7 by opening the second exhaust valve 12' before the first exhaust valve 12 opens.
  • the main exhaust gas cooling system 17 is still in isochoric cooling during this period (see Fig. 6a ).
  • Fig. 6b It follows that by opening the first exhaust valve 12 near bottom dead center (BDC), the previous isochoric cooling in the main exhaust gas cooling system 17 behind the first exhaust valve 12 now takes effect in the cylinder 7. As a result, there is then a negative pressure in cylinder 7.
  • a second inlet valve 13 ' can be provided compared to the previous embodiments, which allows the cylinder 7 to be flushed with air during the upward movement of the piston 11, and the first inlet valve 13 can now have an injection nozzle 16 for the fuel (intake pipe injection). After purging with air via the second inlet valve 13', the mixture is introduced into the cylinder 7 via the first inlet valve 13 shortly before or shortly after closing the outlet valve 12/the outlet valves 12, 12'.
  • the first inlet valve 13 must be subjected to a higher flushing pressure.
  • a compressor device 19 is arranged in front of the first inlet valve 13. The mixture is already formed in the intake tract in front of the first inlet valve 13, preferably immediately after closing the first inlet valve 13 or near top dead center, in order to allow the longest possible time for mixture formation.
  • the fourth embodiment therefore relates to a piston engine 6 in two-stroke operation with two inlet valves 13, 13 ', especially for fuels that require a longer time to form a mixture with air.
  • Fig. 7a It is shown that in the intake tract in front of the first inlet valve 13 - preferably near TDC - fuel is injected via an injection nozzle 16, so that a good air-fuel mixture can form until the first inlet valve 13 is opened.
  • the main exhaust gas cooling system 17 (and also the auxiliary exhaust system 17') are, as always, in isochoric cooling (4'-5 in.) when the exhaust valves 12 and 12' are closed Fig. 1 ).
  • the inflow direction at the inlet valve 13 at the beginning of the charge change is towards the cylinder wall or is not directed towards exhaust valve 12.
  • the inflow direction at the inlet valve 13 can and should also be directed centrally towards the cylinder axis. This can be realized by a special geometry on the inlet valve 13, which enables a variable flow cross section/opening cross section and thus a variable inflow direction depending on the valve lift.
  • Fig. 8a It can be seen that the valve seat 20 has a shoulder 21 towards the center of the cylinder. The paragraph 21 is beveled towards the cylinder wall.
  • Fig. 8b shows the situation with the valve closed.
  • the inlet valve 13 opens slightly. The open cross section (dark in the upper left images) on the inlet valve 13 points towards the cylinder wall.
  • the inlet valve 13 is approximately half open.
  • the opened cross section forms approximately a semicircle up to the valve axis.
  • Fig. 8e the inlet valve 13 is completely open.
  • the opened cross section now corresponds to the opening cross section of the valve seat 20. Air/fresh gas can now flow in over the entire circumference of the associated inlet valve 13.
  • an injection nozzle 16 for liquid or gaseous fuels is directed in the intake tract, preferably on the valve plate of the inlet valve 13.
  • the air is supplied into the intake tract in front of the inlet valve 13 tangentially or offset to the axis of the intake tract.
  • the inlet valve 13 opens and the mixture enters the cylinder 7, the air flowing in creates an air vortex or swirl in the intake tract due to the tangential arrangement (see Fig. 9b ).
  • the fuel is preferably injected into this air vortex immediately after closing the inlet valve 13 or near TDC. Due to the air vortex and the earliest possible injection, the best possible mixture is generated in front of the inlet valve 13 at a given speed (see Fig. 9c ).
  • Fig. 10 a schematic diagram of a fifth piston engine embodiment with external compression and heat supply is shown.
  • a compressor device 19 In front of the inlet valve 13 there is first a compressor device 19 and then an external heating device 22.
  • the remaining components are known from the previous exemplary embodiments.
  • the air is compressed adiabatically (circuit starting point 1 to state point 2 in Fig. 1 ). After the compressor device 19 there is approximately constant pressure.
  • the inlet valve 13 opens, the air flows through the external heating device 22 and is heated isobaric (state point 2 to state point 3 "in Fig. 1 ).
  • the hot exhaust gas is permanently isochorically cooled with the exhaust valve 12 closed (from state point 4 'to intermediate point 5 in Fig. 1 ) (please refer Fig. 10a ).
  • the adiabatic expansion in cylinder 7 takes place up to bottom dead center UT (from state point 3" to 4' in Fig. 1 ).
  • the adiabatic expansion can also extend into the negative pressure range (state point between 4' and 4" in Fig. 1 ) (see Fig. 10d ).
  • This embodiment makes it possible to minimize the heat energy to be dissipated after expansion has taken place up to isobaric (state point 4' in Fig. 1 ) or below the isobar - in extreme cases up to the isotherm (state point 4" in Fig. 1 ) by exhaust gas cooling down to ambient temperature and a valve device 18 after the main exhaust gas cooling system 17, which only opens when there is essentially ambient pressure in the cylinder 7 and in the main exhaust gas cooling system 17.
  • a sixth embodiment of a piston engine 6 is explained in more detail.
  • This embodiment also enables heat supply above the isobars 2-3", which leads to an increase in the technical work corresponding to the area 2-2'-2" in the Ts diagram ( Fig. 1 ) so that the efficiency compared to the isobaric heat supply increases further.
  • a buffer storage 23 and an adjoining controlled feed valve device 24 (preferably a check valve) between the compressor device 19 and the external heating device 22.
  • Fig. 11a the air in the compressor device 19 is compressed adiabatically (from the circuit starting point 1 to state point 2 in Fig. 1 ). There is an approximately constant pressure in the buffer memory 23 (state point 2 in Fig. 1 ). Before the inlet valve 13 opens, isochoric heating takes place in the external heating device 22 (state point 2 after intermediate point 2 '). The air is virtually enclosed in the space between the controlled supply valve device 24 and the inlet valve 13.
  • Fig. 11b prevails when the inlet valve 13 is opened at top dead center TDC, the condition in the cylinder 7 is as in the external heating device 22 after isochoric heating (intermediate point 2 'in Fig. 1 ).
  • Fig. 11c an approximately isothermal heat supply or expansion is carried out by a downward movement of the piston 11 in the external heating device 22 and in the cylinder 7 (intermediate point 2 'to intermediate point 2") until the pressure of the isobars (from state point 2 to 3" in Fig. 1 ) is reached.
  • the controlled supply valve device 24 opens between the buffer storage 23 and the external heating device 22. This is followed by an isobaric heat supply or expansion (intermediate point 2" to 3" in Fig. 1 ) (please refer Fig. 11d ).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines getaktet angetriebenen Kolbenmotors, der mindestens einen Zylinder, mindestens einen im Bereich eines Zylinderkopfs angeordnetes Einlassventil und mindestens einen im Bereich des Zylinderkopfs angeordnetes Auslassventil und einen in dem mindestens einen Zylinder zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt Hubbewegungen ausführbaren Kolben aufweist. Durch das Verfahren soll eine Wirkungsgradsteigerung erzielt werden. Dazu weist das Verfahren folgende Schritte auf: Durchführen eines Ladungswechsels im Zylinder mittels des mindestens einen Einlassventils und des mindestens einen Auslassventils, wobei eine Teilbefüllung des Zylinders mit einem bevorzugt von den Ventilsteuerzeiten vorbestimmten resultierenden Kompressions- oder Füllvolumen erzielt wird, Durchführen einer erweiterten Expansion während des Abwärtshubs des Kolbens vom oberen zum unteren Totpunkt, wobei das Expansionsvolumen im Zylinder, bevorzugt mindestens zweimal größer ist als das vorbestimmte, resultierende Kompressions- oder Füllvolumen, Abgeben des Abgases nach erfolgter erweiterter Expansion aus dem Zylinder mittels des einen Auslassventils oder eines der Auslassventile in ein Hauptabgaskühlsystem, das mittels einer gesteuerten Ventileinrichtung gekühltes Abgas, bevorzugt an die Umgebung, abgibt und näherungsweise isochores Abkühlen des Abgases in dem Hauptabgaskühlsystem bei oder bis zu einem Druck, der unter dem Umgebungsdruck liegt, wobei gekühltes Abgas erst dann mittels der gesteuerten Ventileinrichtung abgegeben wird, wenn der Druck im Zylinder oder im Hauptabgaskühlsystem im Wesentlichen den Umgebungsdruck erreicht oder einen Wert erreicht, der bevorzugt maximal 0,5 bar vom Umgebungsdruck abweicht. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Kolbenmotor zum Durchführen dieses Verfahrens.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines getaktet angetriebenen Kolbenmotors, der mindestens einen Zylinder, mindestens ein im Bereich eines Zylinderkopfs angeordnetes Einlassventil und mindestens ein im Bereich des Zylinderkopfs angeordnetes Auslassventil, und einen in dem mindestens einen Zylinder zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt Hubbewegungen ausführbaren Kolben aufweist.
  • Ein solches Verfahren ist z.B. aus der DE 10 2008 014 249 A1 bekannt. In diesem Dokument wird ein Verfahren für den Verbrennungsgaswechsel (Spülung) in einer Zweitakt-Brennkraftmaschine beschrieben. Der Gaswechsel erfolgt mittels eines Aufladesystems mit einem Einlassdruckniveau über dem Auslassdruckniveau, beginnt und endet in der oberen Hälfte der Hubbewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT). Daraus folgt lediglich eine Teilbefüllung des Zylinders, weil eine Kompression über das aufgeladene Druckniveau hinaus bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens nur bei geschlossenem Einlassventil und gleichzeitig geschlossenem Auslassventil stattfindet. Da die Ein- und Auslassventile während der Hubbewegung von OT nach UT geschlossen bleiben, erfolgt eine erweiterte Expansion. Zusätzlich kann eine Regelung des Abgasdruckniveaus in Abhängigkeit des Einlassdruckniveaus vorhanden sein. Als Stellglied zur Regelung des Auslassdruckniveaus kann eine Drosselklappe im Abgastrakt verwendet werden.
  • Im Folgenden werden einige thermodynamische Randbedingungen erläutert, um die vorteilhafte Wirkungsweise einer erweiterten Expansion besser zu verstehen. Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik für offene Systeme folgt, dass bei gegebener zugeführter Wärmemenge (z.B. Heizwert der zugeführten Treibstoffmenge) die technische Arbeit bzw. der Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine aus thermodynamischer Sicht nur durch zwei Maßnahmen signifikant erhöht werden kann:
    • Durch eine Reduktion der Verlustwärme über die Brennraumoberflächen.
    • Durch eine Reduktion der Verlustenergie im Abgas.
  • Für eine Abschätzung des Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen wird meist das Temperatur-Entropie-Diagramm (Ts-Diagramm) verwendet. Das Ts-Diagramm braucht einige vereinfachende Annahmen:
    • Es muss sich um ein ideales Gas handeln.
    • Die Stoffwerte - insbesondere die Wärmekapazitäten - müssen als konstant angenommen werden.
    • Es werden ideale Zustandsänderungen (adiabatische Kompression bzw. Expansion, ideale isochore, isobare oder isotherme Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr) angenommen.
    • Ein eventueller Ladungswechsel wird als Abkühlung ohne Massenaustausch simuliert.
  • Unter diesen Voraussetzungen zeigt das Ts-Diagramm den Wirkungsgrad verschiedener Motorbauarten, wobei das Ts-Diagramm nur die Verluste durch die Restwärme berücksichtigt. Andere Verluste (Wärmeverluste während der Kompression und während oder nach der Verbrennung/Wärmezufuhr), Leckage und Reibungsverluste bleiben unberücksichtigt. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist definiert als Quotient von abgeführter (technischer) Arbeit zu zugeführter Wärmeenergie. Im Ts-Diagramm ist die technische Arbeit als Differenz von zugeführter und abgeführter Wärmeenergie und damit als vom Kreisprozess umgrenzte Fläche ablesbar.
  • Die Fig. 1 zeigt schematisch verschiedene Kreisprozesse im Ts-Diagramm unter der Annahme, dass die Wärmezufuhr jeweils bis zur gleichen maximalen Entropie (s) erfolgt.
  • Die Kompression scheint im Ts-Diagramm als adiabatische Zustandsänderung (1-2) auf. Bei der Wärmezufuhr wird zwischen isochorer (2-3) und isobarer (2-3") Entropie-Erhöhung unterschieden. Es gibt auch Mischformen mit teils isochorer und nachfolgend isobarer Entropie-Erhöhung (2-2'-3'). Theoretisch ist auch eine isotherme Entropie-Erhöhung denkbar (Carnot-Prozess), die aber bei real ausgeführten Maschinen schwer umzusetzen ist und daher nicht dargestellt ist.
  • Die Expansion ist wiederum eine adiabatische Zustandsänderung, die je nach Expansionsgrad bis zur Isochore (3-4 bzw. 3'-4 oder 3"-4), bis zur Isobare (3-4' bzw. 3'-4' oder 3"-4') oder bis zur Isotherme (3-4" bzw. 3'-4" oder 3"-4") erfolgt. Je größer das Expansionsvolumen ist - je geringer also die Temperatur nach der adiabatischen Expansion ist - umso geringer ist die abzuführende Wärmeenergie und umso größer ist der Wirkungsgrad.
  • Die Wärmeabfuhr kann entlang der Isochore (4-1), entlang der Isobare (4'-1) oder entlang der Isotherme (4"-1) erfolgen. Auch bei der Wärmeabfuhr ist eine Mischform denkbar. Nach der Expansion, z.B. bis zur Isobare (oder auch nach einer Expansion bis unter die Isobare) kann eine Abkühlung entlang der Isochore (4'-5) bis zur Isotherme gefolgt von einer isothermen Wärmeabfuhr bzw. Kompression (5-1) erfolgen, um die abzuführende Wärmeenergie gegenüber der isobaren Wärmeabfuhr weiter zu reduzieren.
  • Mit den Stoffwerten von Luft und einem Verdichtungsverhältnis von 10:1 ergeben sich für die obigen Kreisprozesse ungefähr folgende Expansionsvolumina und Wirkungsgrade (gerundet):
    Beschreibung Linienzug Im Ts-Diagramm Kompressions-Volumen VK Expansions-Volumen VE Wirkungsgrad
    Gleichraumprozess (Otto-Kreisprozess) 1-2-3-4-1 VK 1 × VK ca. 60 %
    Seliger-Prozess 1 - 2 - 2' - 3' - 4 - 1 VK 1 × VK ca. 55 %
    Diesel-Kreisprozess *) 1 - 2 - 3" - 4 - 1 VK 1 × VK ca. 50 %
    Gleichdruck-Prozess (Joule-Kreisprozess) 1 - 2 - 3" - 4' - 1 VK 4xVK ca. 65 %
    Kreisprozess mit isochorer Erwärmung, erweiterter Expansion und isobarer Abkühlung 1 - 2 - 3 - 4' - 1 VK 4xVK ca. 70 %
    Kreisprozess mit isochorer Erwärmung, erweiterter Expansion und isochorer und isothermer Abkühlung 1 - 2 - 3 - 4' - 5 - 1 VK 4xVK ca. 75 %
    Kreisprozess mit isochorer Erwärmung, erweiterter Expansion und isothermer Abkühlung 1 - 2 - 3 - 4" - 1 VK 100 × VK ca. 85 %
    *) real ausgeführte Dieselmotoren haben ein höheres Verdichtungsverhältnis als 10:1 und daher auch einen höheren Wirkungsgrad.
  • Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass eine erweiterte Expansion bis zum Umgebungsdruck ein Expansionsvolumen benötigt, das etwa 4-mal größer ist als das Kompressionsvolumen. Eine erweiterte Expansion bis zur Umgebungstemperatur benötigt ein Expansionsvolumen, das etwa 100-mal größer ist als das Kompressionsvolumen, was zu sehr großen Hubräumen führen würde.
  • Die benötigten Expansionsvolumina sinken grundsätzlich mit steigendem Verdichtungsverhältnis. So brauchen etwa Dieselmotoren oder Gasmotoren mit hohem Verdichtungsverhältnis geringere Expansionsverhältnisse/Expansionsvolumina als Benzinmotoren.
  • Des Weiteren gelten die benötigen Expansionsvolumina nur für den theoretischen Fall, dass kein Wärmeverlust während der Kompression bzw. während oder nach der Wärmezufuhr stattfindet. Bei realen Verhältnissen von Kolbenmotoren mit interner Verbrennung, bei welchen ein erheblicher Wärmeverlust über die Brennraumoberflächen während und nach der Verbrennung auftritt, sinkt das benötigte Expansionsvolumen auf etwa das 3-fache des Kompressionsvolumens (VE = 3 × VK).
  • Des Weiteren gelten die benötigten Expansionsvolumina bei Motoren mit interner Verbrennung zumeist nur für den Betrieb bei Volllast.
  • Der aus der DE 10 2008 014 249 A1 bekannte Motor arbeitet zwar bereits mit erweiterter Expansion, das Hauptaugenmerk der Regelung zwischen Einlassdruckniveau und Auslassdruckniveau liegt im Bereitstellen einer guten Spülung des Zylinderraums, so dass weiterhin Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Wirkungsgrades besteht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art mit erweiterter Expansion bereitzustellen, das einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    Durchführen eines Ladungswechsels im Zylinder mittels des mindestens einen Einlassventils und des mindestens einen Auslassventils, wobei eine Teilbefüllung des Zylinders mit einem vorbestimmten resultierenden Kompressions- oder Füllvolumen erzielt wird, wobei bevorzugt das resultierende Kompressions- oder Füllvolumen durch die Steuerzeiten der Ventile vorbestimmt wird und daher während des Betriebes veränderbar ist - z.B. durch eine Phasenverstellung der Nockenwelle,
  • Durchführen einer erweiterten Expansion während des Abwärtshubs des Kolbens vom oberen zum unteren Totpunkt, wobei das Expansionsvolumen im Zylinder, bevorzugt mindestens 2-mal, größer ist als das vorbestimmte, resultierende Kompressions- oder Füllvolumen,
  • Abgeben des Abgases nach erfolgter erweiterter Expansion aus dem Zylinder mittels des einen Auslassventils oder eines der Auslassventile in ein Hauptabgaskühlsystem, das mittels einer gesteuerten Ventileinrichtung gekühltes Abgas, bevorzugt an die Umgebung, abgibt, und
  • Abkühlen (bevorzugt näherungsweise isochor) des Abgases in dem Hauptabgaskühlsystem vorteilhafterweise bei oder bis zu einem Druck, der günstigerweise um mehr als 0,5 bar, bevorzugt aber um mindesten 0,2 bar unter dem Umgebungsdruck liegt, wobei gekühltes Abgas erst dann mittels der gesteuerten Ventileinrichtung abgegeben wird, wenn der Druck im Zylinder oder im Hauptabgaskühlsystem im Wesentlichen den Umgebungsdruck erreicht oder einen Wert erreicht, der bevorzugt maximal 0,5 bar und weiter bevorzugt maximal 0,25 bar vom Umgebungsdruck abweicht.
  • Ziel dieser Maßnahmen ist es, dass einerseits die Wärmeabfuhr bei einem Druck stattfindet, der günstigerweise unter dem Umgebungsdruck liegt, wodurch diese Verlustwärme minimiert wird, und dass andererseits die Ausschiebearbeit reduziert wird, da der Kolben das Abgas bevorzugt gegen einen geringeren Druck als den Umgebungsdruck ausschieben muss. Optimal ist die Situation, wenn das Abgas beim Abgeben aus dem Hauptabgaskühlsystem auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Deshalb erfolgt dies auch vorrangig ohne weitere Abgasverwertung (wie z.B. einem Turbolader etc.), weil dem Abgas ohnehin die notwendige Energie entzogen ist. Es tritt demnach eine Wirkungsgrad-Steigerung durch die Reduktion der abzuführenden Wärme nach erfolgter Expansion ein. Aufgrund der erweiterten Expansion und insbesondere der Teilbefüllung des Zylinders kann eine zusätzliche Wirkungsgrad-Steigerung durch die Reduktion der Zeit, in welcher das heiße Gas Wärme über die Zylinder- bzw. Brennraumoberflächen abgeben kann, erzielt werden. Im Unterschied zu Motoren ohne Teilbefüllung des Zylinders benötigt das Durchlaufen des Gleichraumprozesses deutlich weniger als 360° Kurbelwinkel, wodurch das heiße Gas bei gleicher Drehzahl deutlich weniger Zeit hat, Wärme über die Brennraumoberflächen abzugeben. Dadurch hat bereits der Gleichraumprozess (Kompression, Wärmezufuhr und Expansion bis zum Kompressionsvolumen) bei Motoren mit Teilbefüllung des Zylinders einen höheren Wirkungsgrad als bei Motoren ohne Teilbefüllung des Zylinders. Danach folgt bei Motoren mit Teilbefüllung des Zylinders noch die Wirkungsgrad-Steigerung durch die erweiterte Expansion. Darüber hinaus hat das Hauptabgaskühlsystem den Vorteil, dass die Abkühlung über einen größeren Zeitraum stattfinden kann. Denn so lange das zugehörige Auslassventil geschlossen ist, findet ein Teil der Wärmeabfuhr unabhängig von den Vorgängen und Zustandsänderungen im Zylinder statt, wobei für die Abkühlung ein Kurbelwinkel von über 180° zur Verfügung stehen kann und im Hauptabgaskühlsystem die Abkühlung bevorzugt bis auf Umgebungstemperatur leichter erreicht werden kann. Eine (elektronisch) gesteuerte Ventileinrichtung kann auch schon öffnen, wenn noch Unterdruck herrscht. Dies wäre u.U. sogar noch sinnvoller als eine Öffnung bei einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks. Die "perfekte" gesteuerte Ventileinrichtung öffnet günstigerweise genau bei Erreichen des Umgebungsdrucks und öffnet bevorzugt einen großen Querschnitt und hat dann minimale Strömungs-/Drosselverluste.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl für Kolbenmotoren mit interner Wärmezufuhr als auch mit externer Wärmezufuhr verwendet werden. Bei interner Wärmezufuhr erfolgt die Selbst- und/oder Fremdzündung eines Treibstoffs oder Gemischs im Zylinder und bei externer Wärmezufuhr erfolgt die Kompression bzw. Druckerhöhung und Erwärmung außerhalb des Zylinders.
  • Unter Umgebungsdruck wird im vorliegenden Fall der Druck außerhalb des Hauptabgaskühlsystems nachfolgend der gesteuerten Ventileinrichtung verstanden, sofern das Abgas keine weitere, dem Motor zuführbare Arbeit, mehr verrichten kann bzw. keine nennenswerte Abkühlung mehr stattfindet. Bevorzugt ist unter Umgebungsdruck der Druck außerhalb des Systems "Kolbenmotor" zu verstehen.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Druck im Zylinder aufgrund der erweiterten Expansion unter den Umgebungsdruck abgesenkt wird.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass das Abgas im Hauptabgaskühlsystem im Wesentlichen isochor auf einen Druck unterhalb des Umgebungsdrucks derart abgekühlt wird, dass ein Ausstoßen von Abgas aus dem Zylinder in das Hauptabgaskühlsystem vorrangig bei einem Druck erfolgt, der geringer ist als der Umgebungsdruck. Unter dem Ausdruck "isochor" ist hier zu verstehen, dass während der Abkühlphase das Abgas zwischen dem Auslassventil und der gesteuerten Ventileinrichtung eingeschlossen ist, wobei von einem konstanten Volumen des Hauptabgaskühlsystems ausgegangen werden kann. Vorteilhafterweise kann das Expansionsvolumen so ausgelegt werden, dass die erweiterte Expansion bei Volllast bis zum Umgebungsdruck erfolgt, so ist zumeist der Enddruck nach der Expansion bei Teillast deutlich geringer als der Umgebungsdruck. Bei Teillast erfolgt somit die Expansion bis in den Unterdruckbereich, was den Wirkungsgrad bei Teillast deutlich erhöht. Vorrangiges Ziel der Wirkungsgrad-Steigerung ist hierbei eine verringerte Wärmeabfuhr nach erfolgter Expansion, so dass in jedem Fall die Wärmeabfuhr unterhalb jener Isobaren erfolgt, welche dem Umgebungsdruck entspricht (siehe 4'-1 im Ts-Diagramm der Fig. 1), so dass im Hauptabgaskühlsystem und nach Öffnen des Auslassventils oder der Auslassventile auch im Zylinder während der Wärmeabfuhr ein geringerer Druck als Umgebungsdruck herrscht (Unterdruck in Bezug auf den Umgebungsdruck). Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sollte der Druck um mehr als 0,5 bar, aber vorzugsweise mindestens um 0,2 bar geringer sein als der Umgebungsdruck.
  • Alternativ kann dieser Unterdruck auch dazu geeignet sein, den Ladungswechsel/den Spülvorgang zu unterstützen, anstatt nur die Wärmeabfuhr zu reduzieren. Dies kommt insbesondere bei Motoren mit interner Verbrennung zum Tragen, die bevorzugt im 2-Takt-Verfahren betrieben werden, bei welchen also der Ladungswechsel/die Spülung nahe des unteren Totpunkts bzw. bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens stattfindet.
  • Günstigerweise kann die gesteuerte Ventileinrichtung beim Öffnen des einen Auslassventils oder des einen der Auslassventile das Hauptabgaskühlsystem von der Umgebung zumindest solange trennen, wie der Druck des Abgases im Zylinder und/oder im Hauptabgaskühlsystem im Wesentlichen unterhalb des Umgebungsdrucks liegt. Es kommt demnach auf ein optimales Zusammenspiel des Auslassventils und der gesteuerten Ventileinrichtung an, um eine günstige Wirkungsgrad-Steigerung zu erzielen. Das Öffnen des Auslassventils erfolgt in aller Regel im Wesentlichen am unteren Totpunkt. Anschließend bewegt sich der Kolben wieder nach oben. Hierdurch wird Abgas aktiv aus dem Zylinder ausgeschoben, wodurch es auch wieder zu einem Druckanstieg kommt. Sobald Umgebungsdruck erreicht oder das vorbestimmte Verhältnis erzielt ist, öffnet die gesteuerte Ventileinrichtung und Abgas wird aus dem Hauptabgaskühlsystem ohne nennenswerten Gegendruck (weil so gut wie kein Differenzdruck vorhanden ist) ausgeschoben. Durch das erfindungsgemäße Zusammenspiel von Hauptabgaskühlsystem und gesteuerter Ventileinrichtung erfolgt die (isochore) Abkühlung im Hauptabgaskühlsystem also zeitgleich aber örtlich getrennt von den Zustandsänderungen im Zylinder. Dadurch steht bei gegebener Drehzahl mehr Zeit für die Wärmeabfuhr zur Verfügung, und dadurch wird erst eine (isochore) Wärmeabfuhr und damit die Erzeugung eines Unterdrucks im Abgassystem (und damit eine Verringerung der an die Umgebung abzuführenden Verlustwärme) ermöglicht.
  • Darüber hinaus kann ein Hilfsabgassystem vorgesehen sein, in das zumindest ein Teilstrom des Abgases zum Abbau eines gegebenenfalls vorhandenen Überdrucks, der im Wesentlichen oberhalb des Umgebungsdrucks liegt, eingeleitet wird und das bevorzugt mittels einer gesteuerten Ventileinrichtung den Teilstrom des Abgases, bevorzugt an die Umgebung, abgibt, wobei der Druckabbau im Wesentlichen erfolgt, bevor das restliche Abgas in das Hauptabgaskühlsystem abgegeben wird. Das Hilfsabgassystem dient demnach maßgeblich dem Druckabbau im Zylinder, sofern am Ende der erweiterten Expansion noch ein Überdruck (oberhalb des Umgebungsdrucks) vorhanden sein sollte. Dieser könnte insbesondere im Bereich der Volllast entstehen. Auch beim Hilfsabgassystem wird bevorzugt, wenn eine endgültige Abgabe des Abgases, insbesondere an die Umgebung erst erfolgt, nachdem der Teilstrom des Abgases einer Abkühlung und damit einer Druckreduktion innerhalb des Hilfsabgassystems unterzogen wurde, so dass ein letztendliches Ausstoßen des Abgases in die Umgebung ebenfalls bevorzugt erst im Wesentlichen bei Umgebungsdruck erfolgt. Sofern Unterdruck im Zylinder und im Hilfsabgassystem vorliegt, soll die gesteuerte Ventileinrichtung bevorzugt auch verhindern, dass ein Druckanstieg im Hilfsabgassystem und im Zylinder durch den Umgebungsdruck stattfinden kann. Das Hilfsabgassystem befindet sich bevorzugt hinter einem zweiten Auslassventil und baut nahe dem unteren Totpunkt einen eventuell vorhandenen Überdruck im Zylinder ab, bevor insbesondere ein erstes Auslassventil die Verbindung zum Hauptabgaskühlsystem freigibt.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung haben sich insbesondere dann als besonders wirksam herausgestellt, wenn der Kolbenmotor zwar ähnlich einem Viertaktkolbenmotor mit im Bereich des Zylinderkopfs angeordneten Ein- und Auslassventilen ausgestaltet ist, jedoch im ZweiTaktbetrieb läuft. Hierdurch wird eine Wirkungsgrad-Steigerung durch eine Verringerung der Energie für den Ladungswechsel bei Motoren, welche den Ladungswechsel im unteren Totpunkt oder während der Aufwärtsbewegung des Kolbens durchführen, eben bei Zweitaktmotoren, erzielt.
  • Des Weiteren kann das eine Auslassventil oder das eine der Auslassventile zumindest solange bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens zwischen unterem Totpunkt und oberem Totpunkt geöffnet bleiben, bis der Druck im Zylinder oder im Hauptabgaskühlsystem den Öffnungsdruck der gesteuerten Ventileinrichtung erreicht. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei jedem Zyklus wieder ein Druckanstieg im Zylinder und dem Hauptabgaskühlsystem stattfindet, so dass ein Ausschieben von Abgas aus dem Hauptabgaskühlsystem, insbesondere an die Umgebung, erfolgt. Das Auslassventil öffnet günstigerweise in der Nähe des unteren Totpunkts, wenn im Hauptabgaskühlsystem durch die isochore Abkühlung ein Unterdruck herrscht, bleibt aber lange genug offen, um ein Ausschieben des Abgases aus dem Zylinder zu ermöglichen. Bei der Variante mit externer Wärmezufuhr wird das gesamte Abgas vom Kolben aus dem Zylinder geschoben da das Auslassventil günstigerweise im oder nahe des oberen Totpunkts schließt. Bei der Variante mit interner Verbrennung wird das Abgas teilweise auch durch das Nachströmen des Frischgases über das Einlassventil oder die Einlassventile ausgeschoben und das Schließen des Auslassventils bewirkt den Beginn der Kompression.
  • Insbesondere bei Kolbenmotoren mit interner Verbrennung erfolgt günstigerweise der Ladungswechsel während der Aufwärtsbewegung des Kolbens vom unteren zum oberen Totpunkt bei geöffnetem Einlassventil oder einem geöffneten der Einlassventile und geöffnetem Einlassventil oder einem geöffneten der Auslassventile, wobei anschließend durch Schließen des Auslassventils oder des einen der Auslassventile und des Einlassventils oder des einen der Einlassventile die Kompression mit dem vorbestimmten, resultierenden Kompressionsvolumen in der oberen Hälfte des Kolbenhubs beginnt. Es wird demnach ein Verfahren angewendet, wie es bereits aus der DE 10 2008 014 249 A1 bekannt ist, wobei bei der vorliegenden Erfindung zusätzlich noch ein Hauptabgaskühlsystem vorgesehen ist. Sämtliche in dieser bekannten Druckschrift beschriebenen Verfahrens- und Vorrichtungsaspekte können, soweit sinnvoll, auch hier angewendet werden, insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Kompression frühestens bei einem Kurbelwinkel von 60° vor dem oberen Totpunkt beginnt (d.h., Einlassventil und Auslassventil sind geschlossen). Ungefähr vom unteren Totpunkt bis zur Schließung des Auslassventils findet dann der Ladungswechsel statt. Eine zusätzliche Aufladung des eingebrachten Gases kann bevorzugt erfolgen. Die Wahl des Treibstoffs (gasförmig oder flüssig) oder der Gemischform ist nahezu beliebig. Je nach Anwendungsart erfolgt Fremd- oder Selbstzündung. Bevorzugt sind die Schließzeiten und/oder Schließzeitpunkte des einen Einlassventils oder der Einlassventile und/oder des einen Auslassventils oder der Auslassventile veränderbar, um das Verdichtungsverhältnis zu ändern.
  • Von Vorteil ist die Erfindung jedoch auch gemäß einer Verfahrensvariante, bei der eine externe Wärmeeinbringung bewirkt wird. Hierzu kann das Gas, bevorzugt Luft, vor dem Ladungswechsel außerhalb des mindestens einen Zylinders mittels einer Kompressoreinrichtung auf einen vorbestimmten Druck komprimiert werden, anschließend das komprimierte Gas mittels einer Heizeinrichtung erwärmt werden und mittels des einen Einlassventils oder eines der Einlassventile das komprimierte und erwärmte Gas im Wesentlichen bei der Abwärtsbewegung des Kolbens vom oberen zum unteren Totpunkt in den Zylinder eingeleitet wird, wobei durch Schließen des einen Einlassventils oder eines der Einlassventile vorzugsweise in der oberen Hälfte des Kolbenhubs ein vorbestimmtes, resultierendes Füllvolumen (VK) erzielt wird, welches kleiner ist als das Expansionsvolumen (VE), und wobei bevorzugt die Schließzeiten und/oder Schließzeitpunkte des Einlassventils oder der Einlassventile veränderbar sind, um das Füllvolumen (VK) zu ändern. Die erweiterte Expansion setzt dann sofort nach Schließen des Einlassventils ein und erfolgt im Zylinder nach dem Schließen des Einlassventils näherungsweise adiabatisch. Die Wärmeeinbringung kann beliebig (auch durch Verbrennung) erfolgen. Denkbar ist insbesondere die Ausgestaltung eines solarbetriebenen Luftmotors.
  • Bei der Variante mit externer Wärmezufuhr wird das Füllvolumen bzw. die Teilbefüllung des Zylinders durch das Schließen des Einlassventils während der Abwärtsbewegung des Kolbens vorbestimmt, und kann über veränderliche Steuerzeiten des Einlassventils - etwa durch eine Phasenverstellung der Nockenwelle - im Betrieb geändert werden.
  • Kolbenmotoren mit externer Wärmezufuhr ermöglichen zusätzliche Wirkungsgrad erhöhende Maßnahmen. Hierzu kann, wenn das eine Einlassventil oder das eine der Einlassventile geöffnet ist, das Gas die Heizeinrichtung durchströmen und in dieser beim Durchströmen, bevorzugt im Wesentlichen bei dem von der Kompressoreinrichtung bereitgestellten Druck, erwärmt werden. Es besteht hierdurch die Möglichkeit, dass während das Einlassventil geöffnet ist, quasi eine isobare Erwärmung erfolgt, weil das Gas mit vorbestimmtem, bevorzugt konstantem Druck die Heizeinrichtung durchströmt. Aufgrund der Abwärtsbewegung des Kolbens erfolgt eine im Wesentlichen isobare Expansion, solange das Einlassventil geöffnet ist, gefolgt von einer näherungsweisen adiabatischen Expansion im Zylinder nach Schließen des Einlassventils.
  • Vorteilhafterweise kann hierbei eine Wirkungsgrad-Steigerung dadurch erzielt werden, dass gemäß einer Verfahrensvariante das komprimierte Gas in einem optionalen Pufferspeicher zwischengespeichert wird und mit einer druckgesteuerten Zuführventileinrichtung der Heizeinrichtung zugeführt wird und in der Heizeinrichtung im Wesentlichen isochor erwärmt wird, solange das Einlassventil geschlossen ist. Hierzu ist von Vorteil, wenn das komprimierte Gasvolumen zwischen der druckgesteuerten Zuführventileinrichtung und dem zugehörigen Einlassventil eingeschlossen und der Wärmewirkung der Heizeinrichtung ausgesetzt ist. Hierzu stehen mehr als 180° Kurbelwinkel zur Verfügung. Von Vorteil ist demnach, dass Kompression und Expansion voneinander getrennt sind. In der Kompressoreinrichtung erfolgt die (adiabatische) Kompression. Nach der Kompressoreinrichtung befindet sich optional ein (isoliertes) Puffervolumen (bereitgestellt durch den Pufferspeicher), das über eine optionale druckgesteuerte Zuführventileinrichtung zu einer Heizeinrichtung für externe Verbrennung/Wärmezufuhr und dann zum Einlassventil des Zylinders führt. Die Steuerzeiten des Einlassventils (durch Schließen des Einlassventils nach beispielsweise einem Drittel des Kolbenhubs) bewirken eine teilweise Befüllung des Zylinders mit nachfolgend erweiterter Expansion (bis oder unter Umgebungsdruck).
  • Die Vorgänge können gemäß einer weiteren Verfahrensvariante auch kombiniert ablaufen, indem bevorzugt zunächst das bevorzugt näherungsweise isochor erwärmte Gas aus der Heizeinrichtung bei geöffnetem Einlassventil oder bei dem einen geöffneten der Einlassventile in den Zylinder strömt, anschließend bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks die gesteuerte Zuführventileinrichtung öffnet und weiteres Gas aus dem Pufferspeicher die Heizeinrichtung durchströmt und im Wesentlichen bei dem von dem Pufferspeicher bereitgestellten Druck (also näherungsweise isobar) erwärmt wird und ebenfalls in den Zylinder strömt. Hierdurch kann z.B. sichergestellt werden, dass der Fülldruck mindestens dem Druck aus dem Pufferspeicher entspricht.
  • Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auch auf einen Kolbenmotor zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11. Der Kolbenmotor zeichnet sich aus durch mindestens einen Zylinder, mindestens ein im Bereich des Zylinderkopfs angeordnetes Einlassventil, und mindestens ein im Bereich des Zylinderkopfs angeordnetes Auslassventil, einen in dem mindestens einen Zylinder zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt Hubbewegungen ausführbaren Kolben und ein mit dem mindestens einen Auslassventil strömungsverbundenen Hauptabgaskühlsystem das mittels einer gesteuerten Ventileinrichtung von der Umgebung derart trennbar ist, dass ein Ausstoßen des Abgases aus dem Zylinder in das Hauptabgaskühlsystem bei geschlossener gesteuerter Ventileinrichtung bei einem ersten Druckniveau erfolgt, das im Wesentlichen unterhalb des Umgebungsdrucks liegt, und dass ein Ausstoßen des Abgases aus dem Hauptabgaskühlsystem bei geöffneter gesteuerter Ventileinrichtung bei einem höheren Druckniveau als das erste Druckniveau erfolgt. Bevorzugt handelt es sich um einen Zweitaktkolbenmotor, bei welchem in der Variante mit interner Verbrennung bevorzugt die Spülung/der Ladungswechsel während der Aufwärtsbewegung des Kolbens bei (teilweise) gleichzeitig geöffnetem Einlass- und Auslassventil und eine Teilbefüllung des Zylinders erfolgt, und in der Variante mit externer Wärmezufuhr bevorzugt eine Teilbefüllung des Zylinders durch das Schließen des Einlassventils/der Einlassventile während der Abwärtsbewegung des Kolbens erfolgt. Der Kolbenmotor kann als Einzylinder-Motor oder als Mehrzylinder-Motor ausgeführt werden. In der Ausführung als Kolbenmotor mit interner Verbrennung kann der Kolbenmotor als VierTaktmotor ausgeführt werden (entsprechend z.B. einem Miller-Motor). Um die Leistungsdichte zu erhöhen, ist die Ausführung als Zwei-Taktmotor jedoch zu bevorzugen. Insbesondere für große, langsam laufende Kolbenmotoren lässt sich eine beträchtliche Wirkungsgrad-Steigerung erzielen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das eine Einlassventil oder das eine der Einlassventile mit zunehmendem Ventilhub einen veränderlichen Strömungsquerschnitt derart aufweisen, dass ein Einströmen in den Zylinder anfangs in Richtung auf die Zylinderwand und bei zunehmendem Ventilhub vermehrt auch in Richtung auf die Zylindermitte erfolgt. Insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die Spülung/der Ladungswechsel während der Aufwärtsbewegung des Kolbens bei (teilweise) gleichzeitig geöffnetem Einlass- und Auslassventil erfolgt, ist diese Ausgestaltung vorteilhaft, weil hierdurch ein besserer vollständiger Ladungswechsel erzielt und ein Überströmen der frischen Ladung in das Abgassystem vermieden werden kann.
  • Darüber hinaus können zwei Einlassventile vorgesehen sein, wobei das eine der Einlassventile zum Einströmen von Frischluft in den Zylinder ausgebildet ist und das andere Einlassventil zum Einströmen von einem, bevorzugt gasförmigen, Treibstoff oder einem zündfähigen Gemisch mit einem vorbestimmten Überdruck ausgebildet ist.
  • Bei der Ausgestaltung eines Kolbenmotors mit externer Wärmezufuhr ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass dem einen Einlassventil oder dem einen der Einlassventile eine Kompressoreinrichtung und eine Heizeinrichtung vorgeschaltet sind, wobei die Kompressoreinrichtung und die Heizeinrichtung derart ausgestaltet sind, dass mittels dieser zumindest zeitweise eine im Wesentlichen isobare Wärmezufuhr in dem Zylinder bewirkbar ist. Diese wird dadurch erzielt, dass von der Kompressoreinrichtung mit konstantem Druck gefördertes Gas während der Durchströmung in der Heizeinrichtung einer Wärmezufuhr unterzogen wird. Selbstverständlich handelt es sich um idealisierte Betrachtungsweisen; jedoch hat die isobare Wärmezufuhr Vorrang, wenn Verluste durch andere Faktoren unberücksichtigt bleiben.
  • Hierzu kann es zusätzlich vorgesehen sein, dass zwischen der Kompressoreinrichtung und dem einen Einlassventil oder dem einen der Einlassventile ein optionaler Pufferspeicher und eine gesteuerte Zuführventileinrichtung vorgesehen sind, wobei die gesteuerte Zuführventileinrichtung zumindest zeitweise die Heizeinrichtung von der Kompressoreinrichtung und ggf. dem optionalen Pufferspeicher trennt und bei geschlossenem einen Einlassventil oder dem geschlossenen der Einlassventile eine im Wesentlichen isochore Erwärmung ermöglicht ist. Diese Erwärmung kann während einer beträchtlichen Zeit des Zylinderzyklus (während das Einlassventil geschlossen ist) durchgeführt werden, also unabhängig von sonstigen Zustandsänderungen innerhalb des Zylinders. Eine Wirkungsgrad-Steigerung ist hierdurch erzielbar.
  • Bei der Ausgestaltung eines Kolbenmotors mit interner Verbrennung kann das zweite Einlassventil den (gasförmigen) Treibstoff oder das Gemisch bevorzugt mit einem gewissen Überdruck in den Zylinder einbringen, wobei das zweite Einlassventil kurz vor Schließen des Auslassventils schließt (Kompressionsbeginn ohne Aufladung) oder kurz nach Schließen des Auslassventils schließt (Kompressionsbeginn mit Aufladung entsprechend dem Überdruck am zweiten Einlassventil).
  • Des Weiteren kann vor dem zweiten Einlassventil Luft tangential in den Einlasskanal eingeblasen werden, um für eine gute Gemischbildung vor dem Einlassventil einen Luftwirbel zu erzeugen, in welchen der (flüssige oder gasförmige) Treibstoff eingespritzt wird.
  • Bevorzugt kann ein (selbstzündender) Treibstoff, wie Diesel, in den Zylinder eingespritzt werden, wenn sich der Kolben nahe oder kurz nach dem oberen Totpunkt befindet.
  • Günstigerweise kann ein (gasförmiger) Treibstoff auch direkt in den Zylinder eingespritzt werden, nachdem die Spülung mit Frischluft über das Einlassventil/die Einlassventile erfolgt ist, und bei dem das entsprechende Gemisch fremdgezündet wird, wenn sich der Kolben nahe oder im oberen Totpunkt befindet. Hierzu kann der Einspritzvorgang des (gasförmigen) Treibstoffs kurz vor Schließen des Auslassventils/der Auslassventile beendet sein (wodurch keine Aufladung vor der Kompression erfolgt) oder kurz nach Schließen des Auslassventils/der Auslassventile erfolgen, wodurch eine Erhöhung des Drucks im Zylinder durch den Druck des (gasförmigen) Treibstoffs vor der Kompression erfolgt (Aufladung).
  • Bei einem Kolbenmotor mit externer Wärmezufuhr kann das Einlassventil öffnen, wenn sich der Kolben nahe des oberen Totpunkts befindet und schließen, wenn sich der Kolben noch in der oberen Hälfte des Hubs befindet, wodurch sich auch bei externer Kompression eine Teilbefüllung des Zylinders (und nachfolgend eine erweiterte Expansion bis zum unteren Totpunkt) ergibt.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Ts-Diagramm (mit unterschiedlichen Verfahrensabläufen),
    Fig. 2
    eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kolbenmotors,
    Fig. 3a-c
    Skizzen zur Begriffsdefinition,
    Fig. 4a-f
    Skizzen zum Verfahrensablauf von einer ersten Kolbenmotorausführungsform,
    Fig. 5a-b
    Skizzen zum Verfahrensablauf von einer zweiten Kolbenmotorausführungsform,
    Fig. 6a-b
    Skizzen zum Verfahrensablauf von einer dritten Kolbenmotorausführungsform,
    Fig. 7a-c
    Skizzen zum Verfahrensablauf von einer vierten Kolbenmotorausführungsform,
    Fig. 8a-e
    Skizzengruppen zur Funktionsweise einer Einlassventilausführungsform, wobei jede Skizzengruppe eine schematische Draufsicht (oben links), einen schematischen Teilschnitt (unten links), und eine vergrößerte Ansicht des Teilschnittes (rechts) enthält,
    Fig. 9a-c
    Skizzengruppen zur Funktionsweise einer Ansaugtraktausführungsform, wobei jede Skizzengruppe eine schematische Draufsicht (oben) und einen schematischen Teilschnitt (unten) enthält,
    Fig. 10
    eine Prinzipskizze einer fünften Kolbenmotorausführungsform,
    Fig. 10a-f
    Skizzen zum Verfahrensablauf der fünften Kolbenmotorausführungsform,
    Fig. 11
    eine Prinzipskizze einer sechsten Kolbenausführungsform,
    Fig. 11a-h
    Skizzen zum Verfahrensablauf von einer sechsten Kolbenmotorausführungsform.
  • Der prinzipielle, anhand von Fig. 2 erläuterte Aufbau eines Kolbenmotors 6 ähnelt, bis auf die im Folgenden noch zu erläuternden Unterschiede, jenem von einem Viertaktkolbenmotor und umfasst als wesentlichen Bestandteile einen Zylinder 7, ein Kurbelgehäuse 8, eine Kurbelwelle 9, ein Pleuel 10, einen Kolben 11, ein Auslassventil 12, ein Einlassventil 13, eine Zündkerze 14 oder eine Direkt-Einspritzdüse 15, und gegebenenfalls eine Saugrohr-Einspritzdüse 16 (Benzin, etc.).
  • Die vorliegende Erfindung ist auf die verschiedenen Kolbenmotorsysteme anwendbar, weshalb aus Gründen der Erläuterung hier eine, die verschiedenen Varianten enthaltende, Mischform dargestellt ist, von denen in aller Regel aber immer nur eine zur Anwendung kommt, was maßgeblich von der Verwendung einer internen oder einer externen Wärmezuführung, d.h., insbesondere des verwendeten Treibstoffs etc., abhängt. Der Kolbenmotor 6 kann als Einzylindermotor oder als Mehrzylindermotor ausgeführt werden. In der Ausführung als Kolbenmotor 6 mit einer internen Verbrennung kann der Motor als Viertaktmotor ausgeführt werden (entsprechend z.B. einem Miller-Motor). Um die Leistungsdichte zu erhöhen, ist die Ausführung als Zwei-Taktmotor jedoch zu bevorzugen. Nachfolgend werden daher ausschließlich Ausführungsformen beschrieben, die als Zwei-Takt-Kolbenmotoren 6 betrieben werden.
  • Die Spülung bzw. der Ladungswechsel erfolgt bei der Ausführung als Zwei-Taktmotor mit interner Verbrennung während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 bei (teilweise) gleichzeitig geöffnetem Einlass- und Auslassventil 12, 13. Das erfordert grundsätzlich, dass zur Spülung an dem mindestens einen Einlassventil 13 ein höherer Druck anliegt als im Zylinder 7. Eine dafür nötige Kompressoreinrichtung 19 ist in der Folge nur dargestellt, wenn ein besonders hoher Spüldruck erforderlich ist. In den nachfolgenden Skizzen zum jeweiligen Verfahrensablauf werden die Kolbenpositionen (ohne Pleuel und Kurbelwelle/Kurbelgehäuse) und die Ventilstellungen (ohne Nockenwelle) dargestellt.
  • Die Erfindung basiert maßgeblich auf einem Kolbenmotor 6, bei dem das Expansionsvolumen deutlich größer ist als das Kompressionsvolumen (bevorzugt mindestens 2-mal, besser mindestens 3-mal). Dadurch wird eine erweiterte Expansion des heißen Gases bis auf Umgebungsdruck-, bis fast auf Umgebungsdruck- oder bis in den Unterdruckbereich realisiert. Das Expansionsvolumen VE wird vom Gesamthub des Kolbens 11 vom oberen Totpunkt (OT) bis zum unteren Totpunkt (UT) erzeugt. Das deutlich kleinere Kompressions- oder Füllvolumen VK wird durch eine Teilbefüllung des Zylinders 7 erreicht.
  • Bei der Ausführungsform als Kolbenmotor 6 mit einer internen Verbrennung wird diese Teilbefüllung des Zylinders 7 durch einen späten Kompressionsbeginn in der oberen Hälfte des Kolbenhubs (z.B. bei ca. 60° vor OT) realisiert. Bei der Ausführung als Kolbenmotor mit externer Verbrennung/Wärmezufuhr findet die Kompression außerhalb des Zylinders 7 statt und die Teilbefüllung des Zylinders 7 erfolgt durch Schließen des Einlassventils 13/der Einlassventile während der Abwärtsbewegung des Kolbens 11 in der oberen Hälfte des Kolbenhubs (z.B. bei ca. 60° nach OT). Anhand der Fig. 3a-c ist zu erkennen, dass für das Verdichtungsverhältnis bei der Ausführung mit interner Verbrennung gilt: Verdichtungsverhältnis = (VK + VV)/VV (z.B. 10:1).
  • Für das Expansionsverhältnis gilt: Expansionsverhältnis (VE + VV)/VV (z.B. 30:1).
  • Das in Fig. 1 dargestellte Ts-Diagramm (Temperatur-Entropie-Diagramm) von dem Kolbenmotor 6 beschreibt die Zustandsänderungen eines Gaspaketes als geschlossenen Kreisprozess ohne Masseaustausch mit der Umgebung.
  • Diese Zustandsänderungen sind:
    • (adiabatische) Kompression,
    • (isotherme, isochore, isobare) Wärmezufuhr,
    • (adiabatische) Expansion,
    • (isotherme, isochore oder isobare) Wärmeabfuhr.
  • Ein wesentlicher Kern der Erfindung besteht darin, dass diese Zustandsänderungen teilweise zeitgleich, aber örtlich getrennt ablaufen.
  • Der erfindungsgemäße Kolbenmotor 6 umfasst im Anschluss an das mindestens eine Auslassventil 12 ein Hauptabgaskühlsystem 17, an dessen Ausgang eine gesteuerte Ventileinrichtung 18 angeordnet ist. Bei der gesteuerten Ventileinrichtung 18 handelt es sich bevorzugt um ein Rückschlagventil, das in der bevorzugten einfachsten Version bei Erreichen des Umgebungsdrucks im Inneren des Hauptabgaskühlsystems 17 öffnet.
  • Die Wärmeabfuhr im Hauptabgaskühlsystem 17 findet permanent statt. Insbesondere dieses Hauptabgaskühlsystems 17 ermöglicht eine isochore Abkühlung des Heißabgases, solange das Auslassventil 12/die Auslassventile des Kolbenmotors 6 geschlossen sind. Diese isochore Abkühlung erzeugt einen Unterdruck im Hauptabgaskühlsystem 17, welcher durch das Öffnen des Auslassventils 12 auch im Zylinder 7 wirksam wird. Wenn durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 im Zylinder 7 und somit auch im Hauptabgaskühlsystem 17 Umgebungsdruck herrscht, öffnet die Ventileinrichtung 18. Bei geeigneter Auslegung dieser Abgaskühlung erfolgt die restliche Wärmeabfuhr näherungsweise isotherm, was die Ausschiebearbeit und die Wärmeabfuhr an die Umgebung minimiert und damit den Wirkungsgrad maximiert.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Hauptabgaskühlsystem 17 und gesteuerter Ventileinrichtung 18 erfolgt die (isochore) Abkühlung also zeitgleich, aber örtlich getrennt, von den Zustandsänderungen im Zylinder 7. Dadurch steht bei gegebener Drehzahl mehr Zeit für die Wärmeabfuhr zur Verfügung, und dadurch werden erst eine isochore Wärmeabfuhr und damit die Erzeugung eines erheblichen Unterdrucks im Hauptabgaskühlsystem 17 (und damit eine Verringerung der an die Umgebung abzugebenden Wärme) ermöglicht.
  • Im Folgenden wird anhand der Fig. 4a-f eine erste Ausführungsform des Kolbenmotors 6 und des zugehörigen Verfahrens näher erläutert. Es handelt sich um einen Kolbenmotor 6 in der Ausführung als Zweitaktmotor mit interner Verbrennung, mit einem Einlassventil 13 und einem Auslassventil 12 pro Zylinder 7 und mit dem Hauptabgaskühlsystem 17 und der zugehörigen gesteuerten Ventileinrichtung 18, bevorzugt einem Rückschlagventil. Es werden die folgenden Symbole in den zugehörigen Figuren verwendet:
    Figure imgb0001
  • In Fig. 4a befindet sich der Zylinder 7 am Kreislaufstartpunkt 1. Das Einlassventil 13 und das Auslassventil 12 sind geschlossen und das System befindet sich am Beginn der Kompression. Das Hauptabgaskühlsystem 17 befindet sich im Abschnitt 4'-5. Das heißt, im Hauptabgaskühlsystem 17 sinkt durch die Abgaskühlung der Druck unter Umgebungsdruck. Aufgrund des geschlossenen Auslassventils 12 und der geschlossenen Ventileinrichtung 18 findet eine isochore Abkühlung statt.
  • Im Anschluss liegt bei Erreichen des oberen Totpunkts (OT) durch den Kolben 11 der Zustandspunkt 2 vor (siehe Fig. 1 und Fig. 4b). Je nach Art der internen Wärmezufuhr erfolgt die Einspritzung des Treibstoffs (z.B. Diesel) oder die Zündung des Gemischs. Fig. 4b bezieht sich auf die unterschiedlichsten Varianten dieser internen Wärmezufuhr, weshalb alternativ hier auf die Zustandsänderung von 2 nach 3 (isochore Wärmezufuhr) oder 2 nach 3" (isobare Wärmezufuhr) oder 2 nach 2' nach 3' (gemischte Wärmezufuhr) Bezug genommen wird. Im Hauptabgaskühlsystem 17 sinkt durch die Abgaskühlung der Druck weiter im Bereich 4'-5.
  • Bezugnehmend auf Fig. 4c erfolgt nun die erweiterte Expansion bis zur isobaren (d.h. von 3, 3' oder 3" nach 4'). Hierbei ist das Expansionsvolumen VE ca. drei- bis viermal größer als das Kompressionsvolumen VK. Derweil sinkt der Druck im Hauptabgaskühlsystem 17 weiter isochor von 4' nach 5.
  • Durch das Öffnen des Auslassventils 12 (siehe Fig. 4d) nahe des UT wird der Unterdruck durch die vorherige isochore Abkühlung im Hauptabgaskühlsystem 17 im Zylinder 7 wirksam. Im Zylinder 7 und im Hauptabgaskühlsystem 17 herrscht nun Unterdruck. Die isochore Wärmeabfuhr (4'-5) und insbesondere die nachfolgende isotherme Abkühlung (5-1) betrifft nun den Zylinder 7 und das Hauptabgaskühlsystem 17 näherungsweise gleichermaßen.
  • Aus Fig. 4e geht nunmehr hervor, dass der Unterdruck im Zylinder 7 zuerst die Ausschiebearbeit verringert (isotherme Wärmeabfuhr bzw. Kompression 5-1). Des Weiteren wird nach dem Öffnen des Einlassventils 13 die Spülung/der Ladungswechsel unterstützt. Die Ventileinrichtung 18 öffnet erst, wenn im Zylinder 7 bzw. im Hauptabgaskühlsystem 17 Umgebungsdruck erreicht wird.
  • Im nächsten Schritt (Fig. 4f) beginnt die Kompression, wenn das Auslassventil 12 und das Einlassventil 13 schließen (Kreislaufstartpunkt 1). Wenn das Einlassventil 13 nach dem Auslassventil 12 schließt, erfolgt eine Aufladung mit Spüldruck (wie in Fig. 4f dargestellt). Im Hauptabgaskühlsystem 17 beginnt nach dem Schließen des Auslassventils 12 und der Ventileinrichtung 18 wieder die isochore Abkühlung (4'-5).
  • Diese Motorbauart ist insgesamt für Dieselmotoren geeignet, da Diesel (oder andere selbstzündende Treibstoffe) im oder nach OT selbst zündet - also vor oder während der Kompression kein Gemisch gebildet werden muss.
  • Bei allen Treibstoffen, die sehr rasch ein gutes Luft-Treibstoff-Gemisch bilden, insbesondere bei gasförmigen Treibstoffen wie Methan oder Wasserstoff, kann alternativ der Treibstoff während der Kompression direkt in den Zylinder 7 eingespritzt werden und das im Zylinder 7 entstehende Gemisch im oder nahe OT mittels einer Zündkerze 14 gezündet werden. Wenn ein Treibstoff kurz vor Verschließen des Auslassventils 12 eingespritzt wird, erfolgt keine Aufladung. Wenn der Treibstoff nach Schließen des Auslassventils 12 eingespritzt wird, erfolgt eine Aufladung durch den Einspritzdruck des Treibstoffes bzw. durch das eingespritzte Treibstoffvolumen. Eine solche Variante eines Kolbenmotors 6 ist nachfolgend anhand der Fig. 5a-b dargestellt. Da hier nur auf die wesentlichen Unterschiede zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel (Fig. 4a-f) eingegangen werden soll, wird bezüglich des Weiteren, hier nicht explizit angesprochenen Ablaufs ergänzend auf die Erläuterung zur vorangegangenen Verfahrensvariante und Motorbauart Bezug genommen.
  • In Fig. 5a befindet sich der Zylinder 7 am Kreislaufstartpunkt 1. Das Hauptabgaskühlsystem 17 unterzieht das darin eingeschlossene Abgas einer isochoren Abkühlung (4'-5). Das Einlassventil 13 und der Auslassventil 12 sind nun geschlossen und die Kompression beginnt. (Gasförmiger) Treibstoff wird von der Einspritzdüse 15 in den Zylinder 7 eingespritzt. Der Einspritzdruck/das eingespritzte Treibstoffvolumen erhöht den Zylinderdruck vor oder bei Beginn der Kompression (Aufladung). In Fig. 5b befindet sich der Kolben 11 im oder nahe OT (Zustandspunkt 2 in Fig. 1). Es erfolgt die Zündung des Gemischs. Je nach Verfahrensführung erfolgt vorzugsweise eine isochore (2-3), isobare (2-3") oder gemischte (2 -2'-3') Wärmezufuhr.
  • Die Ausführungsformen aus den Fig. 4a-f und 5a-b kommen mit nur einem Auslassventil 12 aus, wenn das Expansionsvolumen (VE) geeignet ist, das heiße Gas bis auf oder unter Umgebungsdruck expandieren zu lassen.
  • Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenmotors 6 anhand der Fig. 6a-b näher erläutert. Es soll nur auf die wesentlichsten Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen Bezug genommen werden, weshalb ergänzend auf den Verfahrensablauf hinsichtlich der Fig. 4a-f und 5a-b Bezug genommen wird.
  • Falls das Expansionsvolumen (VE) nicht ausreicht, um das heiße Gas bis auf Umgebungsdruck expandieren zu lassen und nach der Expansion noch ein Druck im Zylinder 7 herrscht, der über dem Umgebungsdruck liegt, so sieht diese Ausführungsform ein zweites Auslassventil 12' vor, welches nach der Expansion öffnet und den Zylinderdruck auf Umgebungsdruck absenkt, bevor das erste Auslassventil 12 öffnet. Das zweite Auslassventil 12' sollte in einen Abgasstrang münden, der ebenfalls mittels einer zweiten gesteuerten Ventileinrichtung 18' von der Umgebung entkoppelbar ist. Bevorzugt handelt es sich bei der zweiten gesteuerten Ventileinrichtung 18' ebenfalls um ein Rückschlagventil, das bevorzugt im Wesentlichen bei Umgebungsdruck öffnet. Hierdurch kann ein Rückfluss von Umgebungsluft in den Zylinder 7, insbesondere, wenn im Zylinder 7 (etwa bei Teillast) bereits Unterdruck herrscht, verhindert werden. Darüber hinaus kann auch an dem zweiten Auslassventil 12' ein Hilfsabgaskühlsystem 17' angeschlossen sein, so dass durch das Öffnen des zweiten Auslassventils 12' bereits ein Unterdruck im Zylinder 7 erzeugbar ist, bevor das erste Auslassventil 12 öffnet. Die Verwendung von den beschriebenen zwei Auslassventilen 12 und 12' sowie dem Hauptabgaskühlsystem 17 und dem Hilfsabgaskühlsystem 17' mit jeweils daran anschließenden steuerbaren Ventileinrichtungen 18 und 18' ist in den Fig. 6 a-b dargestellt. Entsprechend wird nach der erweiterten Expansion der Restdruck im Zylinder 7 nahe des unteren Totpunkts (UT) durch kurzes Öffnen des zweiten Auslassventils 12' abgebaut, um den Zustandspunkt 4' (siehe Fig. 1) zu erreichen. Ein eventuell vorhandener Überdruck (über Umgebungsdruck) baut sich mittels der Ventileinrichtung 18' ab. Das Hauptabgaskühlsystem 17 befindet sich in diesem Zeitabschnitt noch bei der isochoren Abkühlung (siehe Fig. 6a). Aus Fig. 6b ergibt sich, dass durch das Öffnen des ersten Auslassventils 12 nahe des unteren Totpunkts (UT) die vorherige isochore Abkühlung im Hauptabgaskühlsystem 17 hinter dem ersten Auslassventil 12 nunmehr im Zylinder 7 wirksam wird. Hierdurch herrscht im Zylinder 7 dann ein Unterdruck.
  • Die restlichen Abläufe sind die gleichen wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen des Kolbenmotors 6.
  • Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind im Besonderen für Treibstoffe geeignet, welche nur eine kurze Zeit für die Gemischbildung mit Luft benötigen (z.B. Diesel und gasförmige Treibstoffe). Für Treibstoffe, welche eine längere Zeit für die Gemischbildung benötigen (z.B. Benzin) kann gegenüber den vorangegangenen Ausführungsformen ein zweites Einlassventil 13' vorgesehen werden, welches während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 die Spülung des Zylinders 7 mit Luft ermöglicht, und das erste Einlassventil 13 kann nunmehr über eine Einspritzdüse 16 für den Treibstoff (Saugrohreinspritzung) verfügen. Nach der Spülung mit Luft über das zweite Einlassventil 13' wird über das erste Einlassventil 13 das Gemisch kurz vor oder kurz nach Schließen des Auslassventils 12/der Auslassventile 12, 12' in den Zylinder 7 eingebracht. Dazu muss einerseits das erste Einlassventil 13 mit einem höheren Spüldruck beaufschlagt sein. Hierzu ist vor dem ersten Einlassventil 13 eine Kompressoreinrichtung 19 angeordnet. Das Gemisch wird bereits im Ansaugtrakt vor dem ersten Einlassventil 13 gebildet, vorzugsweise unmittelbar nach Schließen des ersten Einlassventils 13 bzw. in der Nähe des oberen Totpunkts, um eine möglichst lange Zeit für die Gemischbildung zu ermöglichen.
  • Die Gasführung an den beiden Einlassventilen 13, 13' sollte sich nun grundsätzlich unterscheiden. Am zweiten Einlassventil 13', welches nur für die Spülung mit Luft zuständig ist, sollte eine Einblasrichtung verwirklicht sein, welche eine Umkehrspülung des gesamten Zylinders 7 zum Auslassventil 12 ermöglicht, so dass das gesamte Abgas aus dem Zylinder 7 verdrängt wird. Am ersten Einlassventil 13, welches das Gemisch in den Zylinder einbringt, sollte eine Einblasrichtung verwirklicht sein, welche das Gemisch möglichst zentral in den Zylinder 7 einbringt.
  • Die thermodynamischen Vorgänge sind im Prinzip die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform (Fig. 4a-f). Nachfolgend werden daher nur jene Vorgänge dargestellt, in denen sich eine vierte Ausführungsform (mit zwei Einlassventilen 13, 13') von der ersten Ausführungsform (mit einem Einlassventil 13) unterscheidet. Das Verfahren umfasst kurz erläutert folgende Schritte:
    • Gemischbildung von dem ersten Einlassventil 13, bevorzugt nahe des OT beginnend
    • Spülung mit Luft über das zweite Einlassventil 13' während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 bei gleichzeitig geöffnetem, ersten Auslassventil 12 (das in den Fig. 7a-c auch vorhandene zweite Auslassventil 12' zur Absenkung eines allfällig vorhandenen Restdrucks im Zylinder nach der erweiterten Expansion spielt für diese Erläuterungen keine Rolle).
    • Einbringen des Gemischs mit erhöhtem Spüldruck kurz vor Schließen des Auslassventils 12 (keine Aufladung) oder kurz nach dem Schließen des Auslassventils 12 (Aufladung mit Spüldruck - wie in Fig. 7a-c dargestellt).
  • Die vierte Ausführungsform bezieht sich demnach auf einen Kolbenmotor 6 im Zweitaktbetrieb mit zwei Einlassventilen 13, 13', insbesondere für Treibstoffe, welche eine längere Zeit für die Gemischbildung mit Luft brauchen. In Fig. 7a ist dargestellt, dass im Ansaugtrakt vor dem ersten Einlassventil 13 - vorzugsweise nahe des OT - über eine Einspritzdüse 16 Treibstoff eingespritzt wird, so dass sich bis zum Öffnen des ersten Einlassventils 13 ein gutes Luft-Treibstoff-Gemisch bilden kann. Das Hauptabgaskühlsystem 17 (und auch das Hilfsabgassystem 17') befinden sich wie immer bei geschossenen Auslassventilen 12 und 12' in der isochoren Abkühlung (4'-5 in Fig. 1).
  • Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 erfolgt die Spülung mit Luft über das zweite Einlassventil 13' (Fig. 7b).
  • Nach der Spülung mit Luft (wird über das erste Einlassventil 13 das Gemisch kurz vor Schließen des Auslassventils 12 (keine Aufladung) oder kurz nach Schließen des Auslassventils 12 (Aufladung mit Spüldruck - wie in Fig. 7c dargestellt) in den Zylinder 7 eingeleitet. Der Zylinder 7 befindet sich nun am Kreislaufstartpunkt 1, während sich das Hauptabgaskühlsystem 17 und, wenn wie in den Fig. 7a-c vorhanden, auch das Hilfsabgassystem 17' in der isochoren Abkühlung (von Zustandspunkt 4' nach 5 in Fig. 1) befinden.
  • Die restlichen Abläufe sind nicht weiter dargestellt, weil sie den Abläufen der ersten Ausführungsform (Fig. 4a-f) entsprechen, worauf ergänzend Bezug genommen wird.
  • Bei Kolbenmotoren 6 im Zweitaktbetrieb, bei welchem die Spülung/der Ladungswechsel während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 bei (teilweise) gleichzeitig geöffneten Einlassventil 13 und Auslassventil 12 erfolgt, ist es vorteilhaft, wenn die Einströmrichtung am Einlassventil 13 zu Beginn des Ladungswechsels Richtung Zylinderwand bzw. nicht in Richtung Auslassventil 12 gerichtet ist. Insbesondere, um einen vollständigen Ladungswechsel zu erzielen, und ein Überströmen der frischen Ladung in das Hauptabgaskühlsystem 17 zu vermeiden. Mit Fortschritt des Ladungswechsels kann und sollte die Einströmrichtung am Einlassventil 13 auch mittig Richtung Zylinderachse gerichtet sein. Dies kann durch eine spezielle Geometrie am Einlassventil 13 realisiert werden, welche einen variablen Strömungsquerschnitt/Öffnungsquerschnitt und damit eine variable Einströmrichtung in Abhängigkeit vom Ventilhub ermöglicht.
  • Dieses wird nachfolgend anhand der Fig. 8a-e näher erläutert. In Fig. 8a ist zu erkennen, dass der Ventilsitz 20 einen Absatz 21 in Richtung Zylindermitte aufweist. Der Absatz 21 ist Richtung Zylinderwand abgeschrägt. Fig. 8b zeigt die Situation bei geschlossenem Ventil. Aus Fig. 8c ist zu erkennen, dass das Einlassventil 13 leicht öffnet. Der geöffnete Querschnitt (in den oberen linken Bildern dunkel eingezeichnet) am Einlassventil 13 weist Richtung Zylinderwand. In Fig. 8d ist das Einlassventil 13 etwa halb geöffnet. Der geöffnete Querschnitt bildet etwa einen Halbkreis bis zur Ventilachse. In Fig. 8e ist das Einlassventil 13 ganz geöffnet. Der geöffnete Querschnitt entspricht nun dem Öffnungsquerschnitt des Ventilsitzes 20. Luft/Frischgas kann nun über den gesamten Umfang des zugehörigen Einlassventils 13 einströmen.
  • Bei Kolbenmotoren 6 im Zweitaktbetrieb, bei welchen die Spülung/der Ladungswechsel während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 bei (teilweise) gleichzeitig geöffnetem Einlassventil 13 und Auslassventil 12 erfolgt, steht bei gegebener Drehzahl nur eine kurze Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung. Daher ist es vorteilhaft, ein Einlassventil 13 zur Einbringung des Gemischs vorzusehen, vor welchem das Gemisch bereits gebildet wird, bevor dieses Einlassventil 13 öffnet. Dieses wird erreicht, indem Luft in den Ansaugtrakt vor dem Einlassventil 13 vorzugsweise tangential eingebracht wird. So wird ein Luftwirbel erzeugt, der auch nach Schließen des Einlassventils 13 aufrechterhalten bleibt, und in welchem der Treibstoff möglichst frühzeitig (nach Schließen dieses Einlassventils 13 bzw. nahe dem OT) eingespritzt werden kann. Eine solche Anordnung ist in den Fig. 9a-c dargestellt. In Fig. 9a ist zu sehen, dass im Ansaugtrakt eine Einspritzdüse 16 für flüssige oder gasförmige Treibstoffe, vorzugsweise auf dem Ventilteller des Einlassventils 13, gerichtet ist. Die Zufuhr der Luft in den Ansaugtrakt vor dem Einlassventil 13 erfolgt tangential bzw. versetzt zur Achse des Ansaugtraktes. Wenn das Einlassventil 13 öffnet und das Gemisch in den Zylinder 7 eindringt, erzeugt die nachströmende Luft durch die tangentiale Anordnung einen Luftwirbel bzw. Drall im Ansaugtrakt (siehe Fig. 9b). Nach dem Schließen des Einlassventils 13 bleibt dieser Luftwirbel einige Zeit aufrecht. Der Treibstoff wird vorzugsweise unmittelbar nach Schließen des Einlassventils 13 bzw. nahe des OT in diesen Luftwirbel eingespritzt. Durch den Luftwirbel und eine möglichst frühe Einspritzung wird bei gegebener Drehzahl ein möglichst gutes Gemisch vor dem Einlassventil 13 erzeugt (siehe Fig. 9c).
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich aber auch auf Ausführungsformen von Kolbenmotoren 6, bei denen sowohl eine externe Kompression, als auch eine externe Wärmezufuhr erfolgt. In Fig. 10 ist eine Prinzipskizze einer fünften Kolbenmotorausführungsform mit externer Kompression und Wärmezufuhr dargestellt. Vor dem Einlassventil 13 befindet sich zunächst eine Kompressoreinrichtung 19 und daran anschließend eine externe Heizeinrichtung 22. Die restlichen Bestandteile sind aus den vorangegangenen Ausführungsbeispielen bekannt.
  • In der Kompressoreinrichtung 19 wird die Luft adiabatisch komprimiert (Kreislaufstartpunkt 1 nach Zustandspunkt 2 in Fig. 1). Nach der Kompressoreinrichtung 19 herrscht annähernd konstanter Druck. Wenn das Einlassventil 13 öffnet, durchströmt die Luft die externe Heizeinrichtung 22 und wird isobar erwärmt (Zustandspunkt 2 nach Zustandspunkt 3" in Fig. 1). Im Hauptabgaskühlsystem 17 wird das heiße Abgas bei geschlossenem Auslassventil 12 permanent isochor abgekühlt (von Zustandspunkt 4' nach Zwischenpunkt 5 in Fig. 1) (siehe Fig. 10a).
  • Solange das Einlassventil 13 geöffnet ist, erfolgt eine isobare Erwärmung in der externen Heizeinrichtung 22 bzw. eine isobare Expansion im Zylinder 7 (von Zustandspunkt 2 nach 3" in Fig. 1) (siehe Fig. 10b).
  • Aus Fig. 10c ist zu entnehmen, dass durch Schließen des Einlassventils 13 die isobare Erwärmung/Expansion abgeschlossen wird. Der Zylinder 7 ist nun mit dem Füllvolumen VK befüllt, was einer Teilbefüllung des Zylinders 7 entspricht. Im Zylinder 7 herrscht nun der Zustandspunkt 3" (siehe Fig. 1). Anschließend erfolgt die erweitere Expansion im Zylinder 7 adiabatisch (siehe Fig. 10c).
  • Die adiabatische Expansion im Zylinder 7 erfolgt bis zum unteren Totpunkt UT (von Zustandspunkt 3" nach 4' in Fig. 1). Alternativ kann die adiabatische Expansion auch bis in den Unterdruckbereich (Zustandspunkt zwischen 4' und 4" in Fig. 1) erfolgen (siehe Fig. 10d).
  • Im Hauptabgaskühlsystem 17 wurde während der gesamten Zeit das Abgas permanent isochor abgekühlt (von Zustandspunkt 4' nach 5 in Fig. 1). Im Hauptabgaskühlsystem 17 herrscht dadurch Unterdruck. Durch das Öffnen des Auslassventils 12 im unteren Totpunkt UT herrscht nun auch im Zylinder 7 Unterdruck (siehe Fig. 10e), und es erfolgt anfangs im Zylinder 7 ungefähr der gleiche Vorgang wie im Hauptabgaskühlsystem 17 (von Zustandspunkt 4' nach 5 in Fig. 1).
  • Aus Fig. 10f ist zu entnehmen, dass während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 das Abgas in das Hauptabgaskühlsystem 17 ausgeschoben wird. Dabei erfolgt im Hauptabgaskühlsystem 17 eine isotherme Abkühlung/Kompression (von Zwischenpunkt 5 nach Kreislaufstartpunkt 1 in Fig. 1). Erst wenn im Zylinder 7 und im Hauptabgaskühlsystem 17 kurz vor dem oberen Totpunkt OT Umgebungsdruck erreicht wird, öffnet die gesteuerte Ventileinrichtung 18 und entlässt das abgekühlte Abgas in die Umgebung. Bei perfekter Kühlung des Abgases auf Umgebungstemperatur resultiert ein kleinstmögliches Volumen des auszuschiebenden Gaspaketes, was zugleich zu einer Minimierung der Ausschiebearbeit und zu einer Minimierung der abzuführenden Wärme führt (subisobare Wärmeabfuhr gemäß dem Linienzug 4'-5-1 in Fig. 1). Im Idealfall hat dann das auszuschiebende Gas dasselbe Volumen wie das Eingangs-Gasvolumen vor Beginn der Kompression.
  • Hierzu ist anzumerken, dass nach dem Öffnen des Auslassventils 12 im Zylinder 7 und im Hauptabgaskühlsystem 17 Bedingungen herrschen, welche sich nicht exakt im Ts-Diagramm (Fig. 1) darstellen lassen, da sie örtlich getrennt und teils hintereinander ablaufen. So herrscht z.B. im Zylinder 7 immer die Temperatur gemäß Zustandspunkt 4', da die Abkühlung erst in dem Hauptabgaskühlsystem 17 stattfindet. Dennoch herrscht im Zylinder 7 der gleiche Unterdruck wie im Hauptabgaskühlsystem 17. Entscheidend für die Reduktion der abgeführten Wärme (und damit für die Maximierung des Wirkungsgrades) ist, dass nach Öffnen des Auslassventils 12 im Zylinder 7 ein Unterdruck herrscht, und dass das Abgas nach der Expansion im Zylinder 7 auf den Zustand 4' noch im System (bei geschlossener Ventileinrichtung 18) bevorzugt bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, bevor es in die Umgebung ausgeschoben wird.
  • Bei Kolbenmotoren 6 dieser Bauart muss das Einlassventil 13 gegenüber dem Druck der Kompressoreinrichtungs 19 bzw. den Druck in der externen Heizeinrichtung 22 abdichten. In den Fig. 10a-f ist dies durch ein verkehrt wirkendes Einlassventil 13 symbolisiert.
  • Diese Ausführungsform ermöglicht eine Minimierung der abzuführenden Wärmeenergie nach erfolgter Expansion bis zur isobaren (Zustandspunkt 4' in Fig. 1) oder bis unter die Isobare - im Extremfall bis zur Isotherme (Zustandspunkt 4" in Fig. 1) durch eine Abgaskühlung bis auf Umgebungstemperatur und eine Ventileinrichtung 18 nach dem Hauptabgaskühlsystem 17, welches erst öffnet, wenn im Zylinder 7 und im Hauptabgaskühlsystem 17 im Wesentlichen Umgebungsdruck herrscht.
  • Im Folgenden wird anhand der Fig. 11 und der Fig. 11a-h eine sechste Ausführungsform eines Kolbenmotors 6 näher erläutert. Diese Ausführungsform ermöglicht zusätzlich eine Wärmezufuhr oberhalb der Isobaren 2-3", welche zu einer Erhöhung der technischen Arbeit entsprechend der Fläche 2-2'-2" im Ts-Diagramm (Fig. 1) führt, damit sich der Wirkungsgrad gegenüber der isobaren Wärmezufuhr weiter erhöht. Hierzu ist vorgesehen, dass sich zwischen der Kompressoreinrichtung 19 und der externen Heizeinrichtung 22 ein Pufferspeicher 23 und eine daran anschließende gesteuerte Zuführventileinrichtung 24 (bevorzugt ein Rückschlagventil) befindet.
  • Diese Ausführungsform wird anhand der Fig. 11 kurz erläutert, wobei nur auf die Unterschiede zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel eingegangen wird.
  • Im Folgenden wird der Verfahrensablauf anhand der Fig. 11a-h kurz erläutert. Gemäß Fig. 11a wird die Luft in der Kompressoreinrichtung 19 adiabatisch komprimiert (vom Kreislaufstartpunkt 1 nach Zustandspunkt 2 in Fig. 1). Im Pufferspeicher 23 herrscht ein annähernd konstanter Druck (Zustandspunkt 2 in Fig. 1). Bevor das Einlassventil 13 öffnet, findet in der externen Heizeinrichtung 22 eine isochore Erwärmung statt (Zustandspunkt 2 nach Zwischenpunkt 2'). Die Luft ist quasi in dem Raum zwischen der gesteuerten Zuführventileinrichtung 24 und dem Einlassventil 13 eingeschlossen.
  • Nach Fig. 11b herrscht, wenn das Einlassventil 13 im oberen Totpunkt OT geöffnet wird, im Zylinder 7 der Zustand wie in der externen Heizeinrichtung 22 nach isochorer Erwärmung (Zwischenpunkt 2' in Fig. 1). Nach Fig. 11c wird durch eine Abwärtsbewegung des Kolbens 11 in der externen Heizeinrichtung 22 und im Zylinder 7 eine annähernd isotherme Wärmezufuhr bzw. Expansion durchgeführt (Zwischenpunkt 2' nach Zwischenpunkt 2") bis der Druck der Isobaren (von Zustandspunkt 2 nach 3" in Fig. 1) erreicht ist.
  • Wenn im Zylinder 7 und in der externen Heizeinrichtung 22 der Druck des Pufferspeichers 23 erreicht wird (entsprechend der Isobaren von Zustandspunkt 2 nach 3" in Fig. 1), öffnet die gesteuerte Zuführventileinrichtung 24 zwischen Pufferspeicher 23 und externer Heizeinrichtung 22. Im Anschluss erfolgt eine isobare Wärmezufuhr bzw. Expansion (Zwischenpunkt 2" nach 3" in Fig. 1) (siehe Fig. 11d).
  • Durch Schließen des Einlassventils 13 ist die isobare Erwärmung/Expansion abgeschlossen. Der Zylinder 7 ist nun mit dem Füllvolumen VK befüllt, was einer Teilbefüllung des Zylinders 7 entspricht (siehe Fig. 11e). Nach Schließen des Einlassventils 13 erfolgt die erweiterte Expansion im Zylinder 7 adiabatisch von (Zustandspunkt 3" nach 4' in Fig. 1). Wenn das Einlassventil 13 geschlossen ist, beginnt in der externen Heizeinrichtung 22 wieder die isochore Erwärmung (Zustandspunkt 2 nach 2' in Fig. 1).
  • Und wie immer, wenn das Auslassventil geschlossen ist, wird im Hauptabgaskühlsystem 17 das heiße Abgas permanent isochor abgekühlt (von Zustandspunkt 4' nach 5 in Fig. 1) Die isochore Erwärmung in der externen Heizeinrichtung 22 bei geschlossenem Einlassventil 13 und die isochore Abkühlung im Hauptabgaskühlsystem 17 bei geschlossenem Auslassventil 12 finden räumlich und zeitlich getrennt von den Zustandsänderungen im Zylinder 7 ab. Dadurch durchläuft ein Gaspaket Zustandsänderungen im Ts-Diagramm, welche eine größere Fläche umschließen. Diese Fläche entspricht der technischen Arbeit des Kreisprozesses, daher werden erfindungsgemäß die technische Arbeit und damit der Wirkungsgrad bei gegebener zugeführter Wärme maximiert.
  • Im unteren Totpunkt UT ist die adiabatische Expansion abgeschlossen. Im Zylinder 7 herrscht nun der Zustandspunkt 4' (siehe Fig. 1 und Fig. 11f). Im Hauptabgaskühlsystem 17 wurde das heiße Gas permanent isochor abgekühlt (Zustandspunkt 4' nach 5 in Fig. 1). Im Hauptabgaskühlsystem 17 herrscht dadurch Unterdruck. Durch das Öffnen des Auslassventils 12 im unteren Totpunkt (UT) herrscht nun im Zylinder 7 Unterdruck (siehe Fig. 11g), und es erfolgt anfangs im Zylinder 7 ungefähr der gleiche Vorgang wie im Hauptabgaskühlsystem 17 (von Zustandspunkt 4' nach 5 in Fig. 1).
  • Aus Fig. 11h ist zu erkennen, dass während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 11 das heiße Abgas in das Hauptabgaskühlsystem 17 ausgeschoben wird und im Hauptabgaskühlsystem 17 isotherm abgekühlt/komprimiert wird (von Zwischenpunkt 5 nach Kreislaufstartpunkt 1). Erst wenn im Zylinder 7/im Hauptabgaskühlsystem 17 kurz vor dem oberen Totpunkt OT Umgebungsdruck erreicht wird, öffnet die gesteuerte Ventileinrichtung 18 und entlässt das abgekühlte Abgasvolumen in die Umgebung. Die Erwärmung in der externen Heizeinrichtung 22 kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen. Auch eine solare Erwärmung ist möglich.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kreislaufstartpunkt
    2
    Zustand nach adiabatischer Kompression
    2'
    Zwischenpunkt nach isochorer Wärmezufuhr
    2"
    Zwischenpunkt nach isothermer Wärmezufuhr von 2' zur Isobaren (2-3')
    3
    Zustandspunkt nach isochorer Wärmezufuhr
    3'
    Zustandspunkt nach isobarer Wärmezufuhr nachfolgend 2'
    3"
    Zustandspunkt nach isobarer Wärmezufuhr nachfolgend 2
    4
    Zustandspunkt nach adiabatischer Expansion zur Isochoren (1-4)
    4'
    Zustandspunkt nach adiabatischer erweiterten Expansion zur Isobaren (1-4')
    4"
    Zustandspunkt nach adiabatischer erweiterter Expansion zur Isothermen (1-4")
    5
    Zwischenpunkt nach isochorer Abkühlung von 4' bis auf die Isotherme (1-4")
    6
    Kolbenmotor
    7
    Zylinder
    8
    Kurbelgehäuse
    9
    Kurbelwelle
    10
    Pleuel
    11
    Kolben
    12
    Auslassventil
    12'
    Auslassventil
    13
    Einlassventil
    13'
    Einlassventil
    14
    Zündkerze
    15
    Einspritzdüse (Direkteinspritzung)
    16
    Einspritzdüse (Saugrohreinspritzung)
    17
    Hauptabgaskühlsystem
    17'
    Hilfsabgaskühlsystem
    18
    gesteuerte Ventileinrichtung
    18'
    gesteuerte Ventileinrichtung
    19
    Kompressoreinrichtung
    20
    Ventilsitz
    21
    Absatz
    22
    externe Heizeinrichtung
    23
    Pufferspeicher
    24
    gesteuerte Zuführventileinrichtung
    OT
    oberer Totpunkt
    UT
    unterer Totpunkt
    VK
    Kompressionsvolumen
    VE
    Expansionsvolumen
    VV
    Verdichtungsvolumen (Restvolumen im Zylinder bei OT)

Claims (16)

  1. Verfahren zum Betreiben eines getaktet angetriebenen Kolbenmotors (6), der mindestens einen Zylinder (7), mindestens ein im Bereich des Zylinderkopfs angeordnetes Einlassventil (13, 13') und mindestens ein im Bereich des Zylinderkopfs angeordnetes Auslassventil (12, 12') und einen in dem mindestens einen Zylinder (7) zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) Hubbewegungen ausführbaren Kolben (11) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    Durchführen eines Ladungswechsels im Zylinder (7) mittels des mindestens einen Einlassventils (13, 13') und des mindestens einen Auslassventils (12, 12'), wobei eine Teilbefüllung des Zylinders (7) mit einem bevorzugt von den Ventilsteuerzeiten vorbestimmten resultierenden Kompressions- oder Füllvolumen erzielt wird,
    Durchführen einer erweiterten Expansion während des Abwärtshubs des Kolbens (11) vom oberen zum unteren Totpunkt (OT, UT), wobei das Expansionsvolumen (VE) im Zylinder (7), bevorzugt mindestens zweimal größer ist als das vorbestimmte, resultierende Kompressions- oder Füllvolumen (VK),
    Abgeben des Abgases nach erfolgter erweiterter Expansion aus dem Zylinder (7) mittels des einen Auslassventils (12) oder eines der Auslassventile (12) in ein Hauptabgaskühlsystem (17), das mittels einer gesteuerten Ventileinrichtung (18) gekühltes Abgas, bevorzugt an die Umgebung, abgibt, und
    Abkühlen des Abgases in dem Hauptabgaskühlsystem (17), wobei gekühltes Abgas erst dann mittels der gesteuerten Ventileinrichtung (18) abgegeben wird, wenn der Druck im Zylinder (7) und/oder im Hauptabgaskühlsystem (17) im Wesentlichen den Umgebungsdruck erreicht oder einen Wert erreicht, der bevorzugt maximal 0,5 bar und weiter bevorzugt maximal 0,25 bar vom Umgebungsdruck abweicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas im Hauptabgaskühlsystem (17) im Wesentlichen isochor auf einen Druck unterhalb des Umgebungsdrucks derart abgekühlt wird, dass ein Ausstoßen von Abgas aus dem Zylinder (7) in das Hauptabgaskühlsystem (17) vorrangig bei einem Druck erfolgt, der geringer ist als der Umgebungsdruck.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Ventileinrichtung (18) beim Öffnen des einen Auslassventils (12) oder des einen der Auslassventile (12) das Hauptabgaskühlsystem (17) von der Umgebung zumindest solange trennt, wie der Druck im Zylinder (7) und/oder im Hauptabgaskühlsystem (17) im Wesentlichen unterhalb des Umgebungsdrucks liegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsabgassystem (17') vorgesehen ist, in das zumindest ein Teilstrom des Abgases zum Abbau eines gegebenenfalls vorhandenen Überdrucks, der im Wesentlichen oberhalb des Umgebungsdrucks liegt, eingeleitet wird und das bevorzugt mittels einer gesteuerten Ventileinrichtung (18') den Teilstrom des Abgases, bevorzugt an die Umgebung, abgibt, wobei der Druckabbau im Wesentlichen erfolgt, bevor das restliche Abgas in das Hauptabgaskühlsystem (17) abgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenmotor im Zwei-Taktbetrieb läuft.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Auslassventil (12) oder das eine der Auslassventile (12) zumindest solange bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens (11) zwischen unterem Totpunkt (UT) und oberem Totpunkt (OT) geöffnet bleibt, bis der Druck im Zylinder (7) oder im Hauptabgaskühlsystem (17) den Öffnungsdruck der gesteuerten Ventileinrichtung (18) erreicht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungswechsel während der Aufwärtsbewegung des Kolbens (11) vom unteren zum oberen Totpunkt (UT, OT) bei geöffnetem Einlassventil (13) oder einem der geöffneten der Einlassventile (13, 13') und geöffnetem Auslassventil (12) oder einem geöffneten der Auslassventile (12, 12') erfolgt, wobei anschließend durch Schließen des Auslassventils (12) oder des einen der Auslassventile (12, 12') und des Einlassventils (13) oder des einen der Einlassventile (13, 13') die Kompression mit dem vorbestimmten, resultierenden Kompressionsvolumen (VK) in der oberen Hälfte des Kolbenhubs beginnt, und wobei bevorzugt die Schließzeiten und/oder Schließzeitpunkte des einen Einlassventils (13) oder der Einlassventile (13, 13') und/oder des einen Auslassventils (12) oder der Auslassventile (12, 12') veränderbar sind, um das Verdichtungsverhältnis zu ändern.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Gas, bevorzugt Luft, vor dem Ladungswechsel außerhalb des mindestens einen Zylinders (7) mittels einer Kompressoreinrichtung (19) auf einen vorbestimmten Druck komprimiert wird, anschließend das komprimierte Gas mittels einer Heizeinrichtung (22) erwärmt wird und mittels des einen Einlassventils (13) oder eines der Einlassventile (13) das komprimierte und erwärmte Gas im Wesentlichen bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (11) vom oberen zum unteren Totpunkt (OT, UT) in den Zylinder (7) eingeleitet wird, wobei durch Schließen des einen Einlassventils (13) oder eines der Einlassventile (13) vorzugsweise in der oberen Hälfte des Kolbenhubs ein vorbestimmtes, resultierendes Füllvolumen (VK) erzielt wird, welches kleiner ist als das Expansionsvolumen (VE), und wobei bevorzugt die Schließzeiten und/oder Schließzeitpunkte des Einlassventils (13) oder der Einlassventile (13) veränderbar sind, um das Füllvolumen (VK) zu ändern.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das eine Einlassventil (13) oder das eine der Einlassventile (13) geöffnet ist, das Gas die Heizeinrichtung (22) durchströmt und in dieser beim Durchströmen, bevorzugt im Wesentlichen bei dem von der Kompressoreinrichtung (19) bereitgestellten Druck, erwärmt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Gas in einem optionalen Pufferspeicher (23) zwischengespeichert wird und mittels einer gesteuerten, bevorzugt druckgesteuerten, Zuführventileinrichtung (24) der Heizeinrichtung (22) zugeführt wird und in der Heizeinrichtung (22) im Wesentlichen isochor erwärmt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das erwärmte Gas aus der Heizeinrichtung (22) bei geöffnetem Einlassventil (13) oder bei dem einen geöffneten der Einlassventile (13) in den Zylinder (7) strömt, anschließend bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks die gesteuerte Zuführventileinrichtung (24) öffnet und weiteres Gas aus dem Pufferspeicher (23) die Heizeinrichtung (22) durchströmt und im Wesentlichen bei dem von dem Pufferspeicher (23) bereitgestellten Druck erwärmt wird und ebenfalls in den Zylinder (7) strömt.
  12. Kolbenmotor (6) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch mindestens einen Zylinder (7), mindestens ein im Bereich des Zylinderkopfs angeordnetes Einlassventil (13, 13') und mindestens ein im Bereich des Zylinderkopfs angeordnetes Auslassventil (12, 12'), einen in dem mindestens einen Zylinder (7) zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) Hubbewegungen ausführbaren Kolben (11) und einen mit dem mindestens einen Auslassventil (12) strömungsverbundenen Hauptabgaskühlsystem (17), das mittels einer gesteuerten Ventileinrichtung (17) von der Umgebung derart trennbar, dass ein Ausstoßen des Abgases aus dem Zylinder (7) in das Hauptabgaskühlsystem (17) bei geschlossener gesteuerten Ventileinrichtung (18) bei einem ersten Druckniveau erfolgt, das im Wesentlichen unterhalb des Umgebungsdrucks liegt, und das ein Ausstoßen des Abgases aus dem Hauptabgaskühlsystem (17) bei geöffneter gesteuerten Ventileinrichtung (18) bei einem höheren Druckniveau als das erste Druckniveau erfolgt.
  13. Kolbenmotor (6) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Einlassventil (13) oder das eine der Einlassventile (13, 13') mit zunehmendem Ventilhub einen veränderlichen Strömungsquerschnitt derart aufweist, dass ein Einströmen in den Zylinder (7) anfangs in Richtung der auf die Zylinderwand und bei zunehmendem Ventilhub vermehrt auch in Richtung auf die Zylindermitte erfolgt.
  14. Kolbenmotor (6) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Einlassventile (13, 13') vorgesehen sind, wobei das eine der Einlassventile (13') zum Einströmen der Frischluft in den Zylinder (11) ausgebildet ist und das andere Einlassventil (13) zum Einströmen von einem, bevorzugt gasförmigen, Treibstoff oder einem zündfähigen Gemisch mit einem vorbestimmten Überdruck ausgebildet ist.
  15. Kolbenmotor (6) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem einen Einlassventil (13) oder dem einen der Einlassventile (13) eine Kompressoreinrichtung (19) und eine Heizeinrichtung (22) vorgeschaltet sind, wobei die Kompressoreinrichtung (19) und die Heizeinrichtung (22) derart ausgestaltet sind, dass mittels dieser zumindest zeitweise eine im Wesentlichen isobare Wärmezufuhr bewirkbar ist.
  16. Kolbenmotor (6) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kompressoreinrichtung (19) und dem einen Einlassventil (13) oder dem einen der Einlassventile (13) ein optionaler Pufferspeicher (23) und eine gesteuerte Zuführventileinrichtung (24) vorgesehen ist, wobei die gesteuerte Zuführventileinrichtung (24) zumindest zeitweise die Heizeinrichtung (22) von der Kompressoreinrichtung (19) und ggf. dem optionalen Pufferspeicher (23) trennt und bei geschlossenem einen Einlassventil (13) oder dem geschlossenen der Einlassventile (13) eine im Wesentlichen isochore Erwärmung in der Heizeinrichtung (22) ermöglicht ist.
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