WO2009155620A1 - PRINZIP EINES VIERTAKT-HUBKOLBENMOTORS MIT RÄUMLICHER TRENNUNG DER TAKTE FÜR ANSAUGEN UND VERDICHTEN VON DEN TAKTEN FÜR ARBEIT UND GASAUSSTOß - Google Patents

PRINZIP EINES VIERTAKT-HUBKOLBENMOTORS MIT RÄUMLICHER TRENNUNG DER TAKTE FÜR ANSAUGEN UND VERDICHTEN VON DEN TAKTEN FÜR ARBEIT UND GASAUSSTOß Download PDF

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stroke
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compression
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Gerhard Messner
Harald Lerch
Alexander Schreiner
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Sl Ingconsult Gmbh
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/041—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of cylinder or cylinderhead positioning
    • F02B75/042—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of cylinder or cylinderhead positioning the cylinderhead comprising a counter-piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/06—Engines with prolonged expansion in compound cylinders
    • F02B41/08—Two-stroke compound engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/02—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps
    • F02B33/06—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps
    • F02B33/22—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps with pumping cylinder situated at side of working cylinder, e.g. the cylinders being parallel

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating engine consisting of one or more compressor units [2, 3], which may be designed as piston, screw or other compressor, and separate working cylinder [9, 10], or separate working cylinders [9, 10] ,
  • the invention is therefore based on the object to design a reciprocating engine of the type described so that the in point 4 (prior art) cited, unused gas pressure, is used mechanically.
  • the spatial separation of compressor [2, 3] and expansion unit [9, 10] it is possible to make the volume of the expansion piston [9, 10] in relation to the volume of the compressor unit [2, 3] such that in comparison to conventional reciprocating engines after the Expansions, Power stroke (bottom dead center) a lower gas pressure in the cylinder remains. Due to the variable volume of the combustion chamber [7, 8], the efficiency in the partial load range can be improved due to the process of adjustable compression.
  • the invention solves the problem in that the suction and compression [2, 3] spatially separated from expanding and expelling [9, 10] with correspondingly adapted working volume [9] takes place.
  • the invention also provides a way to optimize the gas exchange - especially at high speeds.
  • the thermal load during compression [2, 3] is also reduced by the spatial separation of the compressor [2, 3] and the working unit [9, 10], which in turn contributes to improving the efficiency.
  • the subject invention is shown, for example.
  • the spatial arrangement of the illustrated chambers (compressor unit [2, 3], combustion chamber [7, 8], working cylinder [9, 10]) to one another does not necessarily have to correspond to the drawing.
  • Shown in the drawing is a reciprocating compressor [2, 3], as already mentioned in point 2 (summary), the compressor unit [2, 3] can also be designed differently.
  • the possibility shown in the drawing of a combustion chamber change [7, 8] is also shown only as an example.
  • the fuel supply and any necessary ignition device (process-dependent) is not shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor bestehend aus einer oder mehreren Verdichtereinheiten [2, 3], welche als Kolben-, Schraub- oder sonstige Verdichter ausgeführt sein können, und separatem Arbeitszylinder [9, 10], oder separaten Arbeitszylindern [9, 10], wobei das Verdichten [2] räumlich getrennt von der Expansion (Arbeitstakt) [9] stattfindet.

Description

Prinzip eines Viertakt-Hubkolbenmotors mit räumlicher Trennung der Takte für Ansaugen und Verdichten von den Takten für Arbeit und Gasausstoß.
1. Beschreibungseinleitung:
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hubkolbenmotor bestehend aus einer oder mehreren Verdichtereinheiten [2, 3], welche als Kolben-, Schraub- oder sonstige Verdichter ausgeführt sein können, und separatem Arbeitszylinder [9, 10], oder separaten Arbeitszylindern [9, 10].
2. Stand der Technik:
Konstruktionsbedingt findet bei bisherigen Otto- bzw. Dieselmotoren der gesamte Kreisprozess, gegliedert in Ansaugen - Verdichten - Expandieren - Ausstoßen, in einem abgeschlossenen Zylinderraum statt. Da sich das Volumen (Raum zwischen den Kolbenstellungen Unterer und Oberer Totpunkt) vom Verdichtungstakt und vom Expansionstakt nicht unterscheiden, bleibt nach dem Expansionstakt (Kolbenstellung Unterer Totpunkt), bedingt durch den thermodynamischen Kreisprozess, ein nicht ausgenutzter Gasüberdruck bestehen. Dadurch wird ein Teil der Energie ungenutzt über das Auspuffsystem an die Umgebung abgegeben.
Weiters besteht bei bisherigen Hubkolbenmotoren das Problem, dass im Teillastbereich der Wirkungsgrad konstruktions- und prozessbedingt (Gleichraumprozess) aufgrund geringerer Verdichtung beim Kompressionstakt noch weiter sinkt.
3. Aufgabe der Erfindung:
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Hubkolbenmotor der eingangs geschilderten Art so zu gestalten, dass der im Punkt 4 (Stand der Technik) angeführte, nicht ausgenutzte Gasüberdruck, mechanisch genutzt wird. Durch die räumliche Trennung von Verdichter- [2, 3] und Expansionseinheit [9, 10] ist es möglich, das Volumen des Expansionskolben [9, 10] im Verhältnis zum Volumen der Verdichtereinheit [2, 3] derart zu gestalten, dass im Vergleich zum herkömmlichen Hubkolbenmotoren nach dem Expansionsbzw. Arbeitstakt (Unterer Totpunkt) ein niedrigerer Gasüberdruck im Zylinder verbleibt. Durch das veränderliche Volumen des Brennraums [7, 8] kann der Wirkungsgrad im Teillastbereich aufgrund dem Prozess anpassbarer Verdichtung verbessert werden.
4. Lösung der dargestellten Aufgabe:
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass das Ansaugen und Verdichten [2, 3] räumlich getrennt von Expandieren und Ausstoßen [9, 10] mit entsprechend angepassten Arbeitsvolumen [9] stattfindet.
Dadurch dass der Verbrennungsvorgang teilweise in einem separaten Raum [7] stattfinden kann, welcher konstruktionsbedingt so ausgeführt werden kann, dass er räumlich veränderbar [7, 8] ist, wird die Möglichkeit geschaffen, dass stets ein der Last angepasstes Volumen (Totbzw. Brennraum [7]) vorhanden ist. 5. Effekte der Erfindung und Unteransprüche:
Da der Gasdruck im Arbeitszylinder [9, 10] nach dem Expansionsvorgang bis zum Umgebungsdruck abgebaut werden kann, ergibt sich ein entsprechend höherer Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Hubkolbenrnaschinen. Bedingt durch den durch Ventile [6] räumlich getrennten Brennraum [7] kann eine wesentliche Lärmverminderung und eine vollständigere Verbrennung erwartet werden.
Durch die Erfindung wird auch eine Möglichkeit geschaffen, den Gaswechsel - insbesondere bei hohen Drehzahlen - zu optimieren. Auch die thermische Belastung beim Komprimieren [2, 3] wird durch die räumliche Trennung von Verdichter- [2, 3] und Arbeitseinheit [9, 10] reduziert, was wiederum ein Beitrag zur Wirkungsgradverbesserung darstellt.
6. Aufzählung und Kurzbeschreibung der gegebenenfalls vorhandenen Zeichnungsfiguren:
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Die räumliche Anordnung der dargestellten Kammern (Verdichtereinheit [2, 3], Brennraum [7, 8], Arbeitszylinder [9, 10]) zueinander hat nicht zwingend der Zeichnung zu entsprechen. In der Zeichnung dargestellt ist ein Kolbenverdichter [2, 3], wie in Punkt 2 (Zusammenfassung) bereits angeführt, kann die Verdichtereinheit [2, 3] auch andersartig ausgeführt sein. Die in der Zeichnung dargestellte Möglichkeit einer Brennraumveränderung [7, 8] ist ebenfalls nur beispielsweise dargestellt. Die Kraftstoffzufuhr und eine gegebenenfalls notwendige Zündvorrichtung (prozessabhängig) wird nicht dargestellt.
7. Figurenbeschreibung:
1. Ansaugkanal
2. Verdichterraum
3. Verdichterkolben
4. Pleuel
5. Kurbelwelle
6. Ventil
7. Brennraum
8. Kolben (Volumenänderung Brennraum)
9. Expansionsraum
10. Expansionskolben
11. Abgaskanal

Claims

Patentansprüche:
(1) Hubkolbenmotor bestehend aus einer oder mehreren Verdichtereinheiten [2, 3], welche als Kolben-, Schraub- oder sonstige Verdichter [2, 3] ausgeführt sein können, und separatem Arbeitszylinder [9, 10], oder separaten Arbeitszylindern [9, 10], dadurch gekennzeichnet dass das Verdichten [2, 3] räumlich getrennt von der Expansion (Arbeitstakt) [9, 10] stattfindet.
(2) Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen von Verdichter- [2, 3] und Expansionseinheit [9, 10] mittels Ventile [6] getrennten Brennraum [7].
(3) Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen von Verdichter- [2, 3] und Expansionseinheit [9, 10] mittels Ventile [6] getrennten und volumsmäßig veränderbaren Brennraum [7, 8].
(4) Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3 -in Ausführung der Verdichtereinheit [2, 3] als Kolbenverdichter, gekennzeichnet dadurch dass die Arbeitsräume von Verdichtungs- [2] und Expansionszylinder [9] unterschiedlich sind.
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