Patentbeschreibung:
Wirkungsgradsteigerung bei Hubkolbenmotoren
Die Erfindung bezieht sich auf konstruktive Gestaltungen von Hubkolbenmotoren nach dem Gleichraum - und Gleichdrackverfahren im 2 - oder 4 - Taktverfahren, bei welcher zum Einen die Kraftumsetzung der linearen Kolbenhubbewegung resultierend aus dem Druck der heissen Verbrennungsgase im Hubraum in eine Drehbewegung für den Antriebsstrang oder Antrieb einer Arbeitsmaschine über zwei gemeinsame geometrisch besonders geformte Kurvenzylinder mit gegenläufigen Kolben mit grösserer Effizienz gegenüber Kurbelwellenkonstruktionen erfolgt und zum Zweiten durch zusätzliche Massnahmen, welche den Wärmeübergang in das Kühlwasser minimiert, wodurch sich eine Reduzierung des eingesetzten Brennstoffes ergibt.
Eine solche Konstruktion ist in Teilbereichen nach dem Prinzip bekannt,
im gegenständlichen Fall durch das Patent GB 377 614 A (Kreidler) vom 28.07.32, möchte aber anmerken, dass diese offenbarte Konstruktion durch die gewählte Abtriebssituation mit den vollen Querkräften auf den Kolben, welcher gleichzeitig als Führung dient den praktischen Bedingungen nicht gerecht wird, da hier höchste Gefahr der örtlichen Überschreitung der zulässigen Flächenpressung für gleitende Flächen und damit des Blockierens des Kolben besteht, wenn die Krafteinleitung durch die Querkräfte des Kurvenzylinders erfolgt, dies bei der gegenständlichen Konstruktion erheblich besser den Praxisbedingungen angepasst gelöst wird.
Bei der erwähnten Konstruktion ist für das Durchlaufen eines entsprechend breiten Kurvenzylinder ein entsprechend freier Querschnitt durch die Beschränkung der Hertz<1>sehen Flächenpressung der Laufrolle am Kurvenzylinder durch die Kolbenkraft in der Zylinderbuchse freizuhalten, wodurch sich die Flächenpressung durch die auftretenden Querkräfte des Kolbens auf einen nur mehr sehr kleinen projizierten Restquerschnitt konzentriert, dadurch auch eine Art Keilwirkung besteht und eine einwandfreie Funktion nicht mehr gewährleistet ist, zumindest mit nur sehr mässigen Drücken gearbeitet werden kann, aber auch Verschleisserscheinungen und sehr eingeschränkter Lebensdauer behaftet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine Konstruktion zu beschreiben,
bei welcher die oszillierende Kolbenhubbewegung mit der Umwandlung in eine rotierende Bewegung den Winkelfunktionen unabhängigen Abstandsänderung der Kolbenkraft erfolgt und so zu jedem Zeitpunkt der Linearbewegung des Kolbens beaufschlagt mit dem Druck der heissen Verbrennungsgase die Druckkraft des Kolbens in eine nutzbare Drehbewegung mit einem konstanten Kraftabstand erfolgt.
Zusätzlich ergeben sich durch eine Verkürzung des Zeitintervalles (etwa Halbierung) fiir die Wärmeabströmung der heissen Verbrennungsgase im Oberen Totpunkt mit der Isolation des Kolbens und Isolation in einem Bereich der Zylinderbuchse an die kalten Zylinderwände und den Entfall der Zylinderkopfflächen im Vergleich zu üblichen
>/ Kuxbelkonstriiktionen erheblich reduzierte Wärmeabgabeflächen und damit verringerte Wärmeverluste, somit eine Verminderung des eingesetzten Brennstoffes zur Erreichung der gleichen Arbeitsgastemperatur. Durch die Isolation des Kolbens und der Zylinderbuchse mit der Gestaltung des Kurvenzylinders ergibt sich zudem ein Effekt für eine Wärmerückgewinnung (Carnotisierung des Prozesses) aus dem Vortakt mit weiterer Brennstoffersparnis.
Die Höhe der Brennstoffersparnis ist durch wechelseitige Beeinflussungen von Faktoren aber nur durch Versuche zu ermitteln, da in diesem Bereich die Luft zwar drucklos mit geringen Wärmeübergangskoeffizienten, aber während des Ladungswechsels kurze Zeit in Berührung ist.
Bei herkömmlichen Konstruktionen wird die Linearbewegung des Kolbens über das Pleuel und der rotierenden Kurbelwelle in eine für die Verwendung zum Antrieb einer Arbeitsmaschine oder eines Antriebsstranges in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt. Wenn man sich graphisch die Situation näher anschaut, kann man feststellen, dass zum Zeitpunkt der höchsten Kolbenkraft im Oberen Totpunkt der nutzbare Abstand zur Erzeugung eines Drehmomentes Null ist.
Der Abstand zur Erzeugung eines nutzbaren Drehmomentes bessert sich dann, wobei zu berücksichtigen ist, dass hier Kräfte für die Momentenerzeugung in x und in y Richtung wirksam werden und sich mit den Winkelfunktionen sin und cos ändern. Zum Zeitpunkt des grössten nutzbaren Abstandes der Krafteinleitung ist jedoch die nutzbare Kolbendruckkraft durch die polytrope Entspannung und Wärmeabgabe an die kalten Hubraumflächen (Verlustleistung) durch die Verminderung des Druckes der Verbrennungsgase im Hubraum schon erheblich abgesunken und damit nur mehr eine eher geringfügige Erzeugung eines Drehmomentes möglich.
Es zeigt sich auch, dass der Verlauf des Kolbenhubes über den Drehwinkel der Kurbelwelle in Form einer Sinusfunktion verläuft mit einer sehr schleifenden Bewegung im Oberen und Unteren Totpunkt.
Besonders für den Oberen Totpunkt mit der Beaufschlagung der heissen Verbrennungsgase, wo durch den höchsten Druck / Dichte und Temperatur der Wärmeübergang an die Zylinderwände am höchsten ist, zeigt sich sehr deutlich, dass im Vergleich zum Kurvenzylinder sich bei gleichem Kolbenhub ein etwas mehr als ein doppelt so grosses Zeitintervall bzw. Drehwinkel über den Kurbelwinkel ergibt (siehe Fig. 2), wo die heissen Verbrennungsgase mit den kalten Hubraumflächen in Kontakt sind und ein Wärmeübergang möglich ist, welcher sich als Verlustleistung in der Energiebilanz wiederfindet. Eine weitere Verminderung der Wärmeverluste findet sich insofeme, dass durch die gegenläufigen Kolben der Verbrennungsraum im Oberen Totounkt geformt wird und dadurch zusätzlich die wärmeabgebenden Flächen des normalerweise vorhandenen Zylinderkopfes entfallen.
Eine weitere Verminderung der wärmeabgebenden Flächen erfolgt durch eine Wärmeisolationsschicht an den jeweiligen Kolbenboden und dem Bereich der höchsten Temperatur des Arbeitsgases (ca. 25 bis 30 % des Kolbenweges ab dem Oberen Totounkt) an die Hubraumwände bzw. Zylinderbuchse. Die Isolationssschicht an der Zylinderbuchse sollte etwa so gewählt werden, dass die nötigen Kolbenringe noch auf der gekühlten Schmierölfläche der Zylinderbuchse gleiten.
[pound] Zusätzlich ist bei dieser Konstruktion eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses möglich, um bei reduziertem Füllungsgrad den optimalen Kompressionsenddruck für die Verbrennung zu erreichen.
Hier wird der untere Kurvenzlinder mit einer schiefen Ebene und Bolzen bzw. einem Gewinde verstellt durch einen Hydrozylinder oder motors nach oben verfahren und damit das Verdichtungsverhältnis auch in weiten Bereichen verändert und der gewünschte Kompressionsenddruck unabhängig vom Füllungsgrad erreicht.
Die Ansprechzeit ist durch Druckerfassung mittels Indikatoren sehr gering und kann anhand von ermittelten Kurven des Kompressionsdruckes in Abhängigkeit der Drehzahl und Belastung automatisiert verstellt werden, auch ist es möglich unterschiedliche Treibstoffarten mit unterschiedlichem erforderlichen optimalen Verbrennungsdruck in ein und demselben Motor zu verwenden.
Ich nehme fast an, dass auch andere Konstruktionen eines Axialkolbenmotors an einer Serieneinführung gescheitert sind, dass die zulässige Hertz'sche Flächenpressung zwischen der kolbenkraftübertragenden Rolle auf den Kurvenzylinder erheblich überschritten wurde und zur vorzeitigen Zerstörung dieses Elementes geführt hat.
Bei gegenständlicher Konstruktion ist daher vorgesehen, mehrere schmale Rollen halbkreisförmig oder mit einem bestimmten Radius auf der Umlauffläche vorzusehen, wodurch sich die Beriihrungslinien Rolle / Kurvenzylinder beinahe beliebig lang gestalten lassen und so die Hertz'sche Flächenpressung auf ein zulässiges Mass beschränken lässt. Wenn man die Situation in einer Draufsicht betrachtet, verlaufen die Berührungslinien bei jeder Rolle schräg nach hinten und nicht im senkrechten Winkel, da der Kurvenzylinder einen Radius aufweist und keine Gerade ist, wo die Berührungslinie im rechten Winkel verlaufen würde.
Es ergibt sich daher keine eindeutige Abrollbewegung, sondern über bestimmte Abschnitte auch eine leicht gleitende Berührungslinie.
Am Kurvenzylinder sind die gleiche Anzahl von Rillen mit dem Radius der Zylinderrollen vorgesehen, dies auch für den sensibelsten Punkt mit der voraussichtlich höchsten Hertz'schen Flächenpressung dem Übergang der Rolle vom Verbrennungsbereich in den absteigenden Ast der Nutzleistungseinbringung mit möglichst kleinem Radius die zulässigen Werte nicht überschritten werden. Eine weitere Massnahme ist die Einbringung von reichlich Schmieröl auf die Rillen des Kurvenzylinders, da sich dadurch eine fiktive Vergrösserung der Berührungsfläche ergibt und die teilweise leicht geleitende Bewegung beherrschbar wird.
Die Gestaltung von mehreren schmalen Rollen ist auch deshalb empfehlenswert, da sich durch die unterschiedlichen Radien am Kurvenzylinder unterschiedliche Drehzahlen der Zylinderrollen ergeben und dadurch eine Bremswirkung vermieden wird.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch (siehe Abbildung Fig. 1), dass die Zylinder mit den Kolben konzentrisch angeordnet werden und die ausgeübte Linearkraft des Kolbens (1) mit Isolation (2) über das Pleuel (3) verbunden mit dem Kolbenbolzen (4) mit einer daran befestigten Rollenführung (5) mit einer auf Bolzen (6) vorzugsweise gleitgelagerten Rollen mit einem Radius (7) auf die Rillen des Kurvenzylinder (8) übertragen wird.
Der geometrisch besonders gestaltete Kurvenzylinder (Abwicklung siehe Fig. 2) weist im Bereich der Krafteinleitung während des Arbeitshubes eine grössere Neigung auf als für den Bereich der Kompression wo vorzugsweise eine sinusähnliche Gestaltung zum Einsatz kommt wegen des grösseren Zeitintervalles zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Vortakt im oberen Bereich des Kolbenhubes. Die Kurve des Expansionstaktes kann durchaus auch eine Gerade unter einem bestimmten Winkel sein.
Es bieten sich 45[deg.] an, da mit dieser schiefen Ebene entlang die Rollen die eingeleiteten Kräfte mit dem Faktor 1 (tan 45[deg.]) in tangentialer Richtung, jener Richtung zur Erzeugung des nutzbaren Drehmomentes drückt und die Kolbenkraft mit der maximalen Kraft durch die Verbrennungsgase während des gesamten Arbeitshubes optimal genutzt wird, auch der Vorteil des kürzeren Kontaktes des heissen Verbrennungsgases mit den kalten Hubraumwänden einen relevanten Faktor darstellt.
Bis auf eine kleine Unscharfe im oberen Totpunkt wegen eines kleinen Radius an der Expansionskurve in diesem Bereich und im unteren Totpunkt zur Überleitung in den Kurvenanstieg für die Kompression bzw. des Ladungswechsel mit dem Ausschieben der Verbrennungsgase steht die ausgeübte Kraft vollständig für die Drehmomenterzeugung zur Verfügung.
An der Rollenführung (5) sind im Bereich des Querkraftangriffes bzw. Bolzens (6) je zwei Laschen (9) für die Aufhahme der Querkraft am Gehäuse vorzugsweise mittels Gleit - oder Kugellmearführungen (10) angebracht.
Die Laschen mit den Gleitlagern nehmen den Hauptanteil der Querkräfte auf, es ist sogar wünschenswert wenn ein gewisser Anteil durch Verlagerung der Laschen nach unten durch die Kolbenf hrung entsprechend der Abstände zu den Kraftaufriahmepunkten aufgenommen wird so eine doppelte Gleitführung für die Kräfte besteht mit der Reduzierung der erforderlichen Gleitfiächen mit einer sicheren Unterbindung des Verkantens und leiten diese an den paarweise angeordneten Führungsstangen (11 und 13) in einen in das Aussengehäuse (12) einschiebbaren Ring für die aussenliegenden Führungsstangen ein. Die innenliegenden Führungsstangen (13) werden in einem gemeinsam mit dem Innengehäuse (14) einschiebbaren Tragring (15) mit den Zylinderbuchsen (16) in das Aussengehäuse (12) eingeschoben und mittels Distanzring (17) und unteren Deckel (18) fixiert.
Im unteren Deckel ist auch die Verschiebeeinheit für den unteren Kurvenzylinder (19) vorgesehen, wo an einem Bolzen eine drehbare schiefe Ebene oder vorzugsweise an einem Gewinde eine Längsverschiebung und damit Änderung des Kompressionsverhältnisses möglich ist. Der Antrieb für diese Längsverschiebung kann entweder mit Hydraulikzylinder (20) oder mittels anderer mechanischer oder elektromechanischer Stellelemente erfolgen. Die Lagerung für die Aufiiahme der Axialkräfte erfolgt im Lager (21) jene der Radialkräfte im Lager (22).
Bei diesem Verfahren erfolgt die Füllung des Zylinders sowohl beim OTTO als auch DIESEL Verfahren mit reiner Luft, welche vorzugsweise tangential in den Hubraum über die Einlassschlitze (24) eingeleitet wird und so in Rotation versetzt wird, dies sich günstig auf die Wärmerückgewinnung und auch wahrscheinlich auf die Verbrennung auswirkt.
Die Gemischbildung beim Otto Verfehren erfolgt durch Einspritzen des Kraftstoffes mit Einspritzdüse (23) am Beginn des Verdichtungshubes, wenn die Ein (24) - und Auslassschlitze (25,26) durch den Kolben bereits geschlossen sind. Es ist natürlich auch eine Bezindirekteinspritzung möglich. Bei Gasmotoren erfolgt das Einbringen der determinierten Gasmenge durch Einblasen des unter Druck stehenden
H Brenngases in den Hubraum in die reine Luft (27) ebenfalls am Beginn des Verdichtungshubes. Ein Einblasen am Ende des Verdichtungshubes ist sehr gut denkbar, erfordert aber zumindest einen höheren Einblasdruck als den Verdichtungs bzw.
Verbrennungsdruck des Arbeitsgases.
Das Verbrennungsgas steht nach der Arbeitsabgabe noch unter einem gewissen Restddruck, welcher zuerst durch die oberen Auslassöffhungen (25) ausströmt und über ein Rückschlagventil (28) mit Zwischenspeicher in einem Abgasturbolader zur Erzeugung zusätzlicher Nutzleistung und zur Luftverdichtung verwendet werden kann. Anschliessend werden die unteren Auslassschlitze (26) für das druckreduzierte Verbrennungsgas freigegeben, wo dieses über einen Diffusor (29) ins Freie strömt. Der Diffusor erfüllt den Zweck die Strömung zu verzögern und dadurch einen Sog zu erzeugen, welcher die reine Luft bei geöffneten Einlassschlitzen in den Hubraum einsaugt, unterstützt durch einen leichten Überdruck der reinen Luft erzeugt mittels Abgasturbolader.
Es ist hier relativ unerheblich, wenn ein gewisser Anteil Luft in den Auslasstrakt gelangt, da die Gemischbildung bei geschlossenen Schlitzen erfolgt und dadurch bei 2 - Taktverfehren üblichen Gemischverluste (ausser Einspritzverfehren) mit Sicherheit unterbleiben.
Der von den gegenläufigen isolierten Kolben und der Zylinderwand geformte Brennraum wird an den Zylinderbuchsen im Breich des Oberen Totpunktes isoliert (30) um einen Wärmeverlust zumindest im Bereich der höchsten Temperaturen zu vermeiden. Im Bereich der Gleitbewegung des Kolbens ist zur Aufrechterhaltung der Schmierung eine Kühlung der Zylinderwand angebracht, um ein Verkokken des Öles bei höheren Temperaturen zu vermeiden. Die Höhe der Kolbenisolierung ist auf die Länge der Zylinderbuchsenisolierung abgestimmt, sodass in diesem Bereich keine Berührung der Flächen erfolgt.
Die Höhe des Kolbens ist auf die Hubhöhe abgestimmt, sodass auch im Oberen Totpunkt die Ein - und Auslassschlitze verschlossen werden. Der Kurvenzylinder kann derart gestaltet werden, dass die Schlitze über einen gewissen Zeitraum beide offen sind und der Ladungswechsel erfolgen kann, auch ist eine gewisse unterschiedliche Gestaltung des Freigebens der öffhungen ein - und auslassseitig erforderlich um zuerst über den Auslass den Druck der Verbrennungsgase abzubauen und erst dann den Einlass für den Ladungswechsel zu öffnen.
Da der Kurvenzylinder am Umfang unterschiedliche Massenverteilungen aufweist, sind für einen Massenausgleich Ausgleichsgewichte (34) an der gegenüberliegenden Seite angebracht. Mittels Rolle (31) wird der Kolben mit Sicherheit in die untere Stellung gezogen, sollte der Druck aus der Verbrennung nicht mehr ausreichen.
Die Ableitung der erzeugten Drehbewegung erfolgt durch Welle (32) mit dem Abtriebsflansch (33). Die erforderlichen Nebenaggregate wie Ölpumpe, Wasserpumpe, Einspritzpumpe, Stromgenerator können durch einen Zahnradtrieb oder Keilriemen an der Welle innerhalb oder ausserhalb des Gehäuses angetrieben werden.
Es sei auch noch erwähnt, dass diese Anordnung auch für das 4 - Taktverfahren geeignet ist, es bedarf lediglich dazu im Bereich der durch die beiden gegenläufigen Kolben geformten Brennraumes der Anbringung von Ein - und Auslassventilen welche über eine im Gehäuse untersetzt angetriebene Nockenscheibe die Ventile entsprechend ansteuert, bringt aber Steuerungsaufwand und zusätzliche wärmeabgebende Flächen mit sich.
Für die Gestaltung des Kurvenzylinders bietet sich für die Expansion eine Gerade unter ca. 45[deg.], ein Übergangsradius mit einer weiteren Geraden für den Zeitraum des Verbleibes der Kolben im unteren Totpunkt zum Ladungswechsel an, einem Radius mit anschliessender sinusähnlichen Kurve für die Kompression.
Die Kolbenkräfte stehen im Wesentlichen (abzüglich der Reibungskräfte in den Führungsstangen und Kolbenführung) auch für die Nutzleistungserzeugung zur Verfügung. Bei einem Winkel von 45[deg.] ist bei gleichem Kolbenhub (angenommen 75 %) die Zeit der Wärmeeinwirkung verglichen mit einem Kurbeltrieb etwas weniger als die Hälfte, wo das sehr heisse unter hohem Druck und hoher Dichte stehende Verbrennungsgas und damit der Hauptanteil der Wärmeabströmung an die Hubraumflächen erfolgt.
Betrachtet man auch noch den Entfall der Zylinderkopfflächen und die Isolierung der Kolben und Zylinderbuchsen ergibt sich überschlägig gerechnet eine ca. 80 % - ige Einsparung an sonst üblichen Wärmeverlusten in das Kühlwasser, dies würde unter der Annahme von einem üblichen Wirkungsgrad von 0,40 bei PKW Dieselmotoren und Annahme von gleichen Verlusten ins Kühlwasser (ca. 30 %) und in das Abgas (etwa 30 %) einer möglichen Brennstoffeinsparung von ca. 24 % bedeuten bzw. einer Steigerung des Wirkungsgrades um ca. 30 % bis 35 %.
Da das Temperaturniveau des Abgases weiterhin bei ca. 300 bis 400[deg.] C zu liegen kommt, bietet sich hier die Möglichkeit der Nutzung mittels ORC - Prozess (Organic Rankine Cycle) oder auch eines Wasserdampfprozesses an, wo etwa Wirkungsgrade von ca. 20 % erreicht werden.
Unter Miteinbeziehung der Kühlwasser - bzw. der Ölrestwärme von ca. 6 % mit der Abgaswärme von ca. 30 % ergibt sich insgesamt ein Potential von ca. 36 % welches hier mit einem Wirkungsgrad von etwa 20 % noch Nutzleistung erzeugt werden kann, womit sich ein Potential für eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades von ca. 20 % ergibt. In Absolutzahlen ausgedrückt erreicht der Gesamtwirkungsgrad Werte von etwas über 60 %. Dieser Wert wird auch durch die nachstehend angeführte Massnahme der Wassereinspritzung erreicht. Aus technischer und wirtschaftlicher Sicht ist der Wassereinspritzung der Vorzug zu geben, da nur entsprechende Wärmetauscher zur Rückgewinnung des Einspritzwassers durch Kondensation der Verbrennungsgase empfehlenswert ist.
Die fühlbare Wärme des Abgases mit der Kondensationswärme kann auch in einem ORC - Prozess genutzt werden, dies Wirkungsgradsteigerungen in einem Bereich von 3 bis 5 % absolut bringt und somit einen Zenit mit ca. 64 bis 67 % absolut der Nutzungsmöglichkeiten des eingesetzten Brennstoffes erreicht. Eine Möglichkeit zur Wirkungsgradsteigerung findet sich insofeme, dass die Nutzung des Druckes und der Temperatur des Restgases, das der abgezweigte Teilgasstrom durch die oberen Ausströmöffnungen nicht in einem Abgasturbolader verwendet wird, sondern einer im Compound laufenden Gasturbine mit zusätzlicher Nutzleistungserzeugung und der Ladungswechsel nur durch Unterstützung des Diffiisors der Restgasnutzung durch die unteren Ausströmöffnungen erfolgt. Der Gasturbine und dem Diffusor nachgeschaltet kann noch immer der ORC - Prozess werden.
Abschliessend sei noch folgende Massnahme zur Wirkungsgradsteigerung erwähnt. Durch Wassereinspritzung in die Ansauglauft oder direkt in den Hubraum wird die entstehende Kompressionswärme durch die Wasserverdunstung gebunden und es kann auf diese Weise eine isothermenähnliche Kompression, welche den geringsten Leistungsaufwand benötigt, zumindest über einen Teilweg des Kolbens (bis ca. 16 bar) erreicht werden mit anschliessender polytroper Kompression um die Selbstentzündungstemperatur des Dieselkraftstoffes zu erhalten. Der Leistungsbedarf für die Kompression sinkt dadurch um ca. 1 / 3. Auf den ersten Blick bleibt der theoretische Wirkungsgrad gegenüber einem luftgeführten Prozess gleich, da aber gleichzeitig das Temperaturniveau des Prozesses und damit auch die thermischen Verluste sinken, führt dies zu einem geringeren Bedarf an Brennstoff.
Auch die sensible Wärme im Abgas verringert sich um 1 / 3. Besonders sei daraufhingewiesen, dass sich die abgebende Strahlungsabwärme der heissen Gasmasse durch den Zusammenhang mit der 4. Potenz der Absoluttemperatur überproportional vermindert, welche bei diesen Temperaturniveaus einen entscheidenden Betrag darstellt. Bei Otto Motoren feilt der Effekt einer verringerten Kompressionsleistung am grössten aus, da wegen der kühleren Verdichtungsendtemperatur auch eine Selbstzündung bei hohen Verdichtungsverhältnissen, welche einen höheren Wirkungsgrad mit sich bringen, unterbleibt.
Bei Dieselmotoren kann der vorgehend beschriebene Effekt nur unter der Bedingung eingesetzt werden, dass die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffes nicht unterschritten wird.
Mit einer entsprechenden Gestaltung des Kurvenzylinders in der Form, dass im oberen Totpunkt der Kolben kurze Zeit stillsteht, kann auch die Dieselverbrennung, wenn man den Seiliger Vergleichsprozess heranzieht, mit einem höheren Gleichraumanteil im Vergleich zum sonst üblichen Gleichdmckverfehren geführt werden, da die vollständige Verbrennung und damit der entsprechende Druckanstieg entsprechend Zeit zur Verbrennung zur Verfügung hat um dann bei der folgenden Expansion schon abgeschlossen ist mit dem höheren Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses bei gleichem Verdichtungsverhältnis.
Soferne erforderlich, können zur Begrenzung der Kolbenkräfte auf den Kurvenzylinder und der Rolle auch kleinere Kolbendurchmesser und dafür eher längere Hübe des Kolbens oder für die gleiche Leistung mehr Zylinder vorgesehen werden. Vom Prinzip her betrachtet, gegenläufige isolierte Kolben an zwei kraft - oder formschlüssig verbundene Kurbelwellen, eine isolierte Zylinderwand im Bereich des Brennraumes mit ORC - Prozess und Wassereinspritzung würde zweifellos auch bei der herkömmlichen Konstruktion mit Kurbelwellen zu einer Wirkungsgradsteigerung führen, allerdings in verringertem Ausmass.
Patent Description:
Increased efficiency in reciprocating engines
The invention relates to structural designs of reciprocating engines according to the Gleichraum- and Gleichdrackverfahren in 2 - or 4 - cycle, in which on the one hand the force conversion of the linear piston stroke resulting from the pressure of the hot combustion gases in the displacement in a rotary motion for the drive train or drive a Working machine via two common geometrically shaped cam cylinder with counter-rotating piston with greater efficiency compared to crankshaft constructions and secondly by additional measures, which minimizes the heat transfer into the cooling water, resulting in a reduction of the fuel used.
Such a construction is known in some areas according to the principle,
in the present case by the patent GB 377 614 A (Kreidler) of 28.07.32, but would like to note that this disclosed construction by the selected output situation with the full lateral forces on the piston, which serves as a guide does not meet the practical conditions, since there is the highest risk of local exceeding of the permissible surface pressure for sliding surfaces and thus the blocking of the piston, when the force is applied by the transverse forces of the cam cylinder, this is achieved in the subject construction much better adapted to the practical conditions.
In the mentioned construction is for passing through a correspondingly wide cam cylinder a correspondingly free cross-section by limiting the Hertz see surface pressure of the roller on the cam cylinder by the piston force in the cylinder sleeve to be kept free, causing the surface pressure due to the transverse forces of the piston on a concentrated only very small projected residual cross-section, thereby also a kind of wedge effect and proper function is no longer guaranteed, at least can be worked with very moderate pressures, but also wear and very limited life is affected.
The invention is therefore based on the object to describe a construction,
in which the oscillating piston stroke movement takes place with the conversion into a rotating movement the angular functions independent distance change of the piston force and so at any time of the linear movement of the piston pressurized with the pressure of the hot combustion gases, the pressure force of the piston takes place in a usable rotational movement with a constant force distance.
In addition, by shortening the time interval (approximately halving) for the heat dissipation of the hot combustion gases at top dead center with the isolation of the piston and insulation in an area of the cylinder liner to the cold cylinder walls and the elimination of the cylinder head surfaces compared to conventional
> / Kuxbelkonstrktionen significantly reduced heat loss surfaces and thus reduced heat loss, thus reducing the fuel used to achieve the same working gas temperature. The isolation of the piston and the cylinder liner with the design of the curve cylinder also results in an effect for heat recovery (Carnotisierung the process) from the Vortakt with further fuel economy.
The level of fuel savings is to be determined by interchangeable influences of factors but only by experiments, since in this area the air is depressurized with low heat transfer coefficients, but during the charge exchange for a short time in contact.
In conventional designs, the linear motion of the piston is converted via the connecting rod and the rotating crankshaft into a rotational movement of the crankshaft for use in driving a work machine or drive train. If you look at the situation graphically, you can see that at the time of the highest piston force at top dead center, the usable distance to generate a torque is zero.
The distance to the generation of a usable torque then improves, taking into account that here forces for the torque generation in x and y direction are effective and change with the angular functions sin and cos. At the time of the greatest usable distance of the force introduction, however, the useful piston pressure force by the polytropic relaxation and heat transfer to the cold displacement surfaces (power loss) by reducing the pressure of the combustion gases in displacement has already dropped significantly and thus only a rather small generation of torque possible.
It also shows that the course of the piston stroke over the rotation angle of the crankshaft in the form of a sinusoidal function runs with a very abrasive movement in the top and bottom dead center.
Especially for top dead center with the application of hot combustion gases, where the highest pressure / density and temperature of the heat transfer to the cylinder walls is highest, it is very clear that compared to the cam cylinder at the same piston stroke a little more than a double such a large time interval or angle of rotation over the crank angle results (see Fig. 2), where the hot combustion gases are in contact with the cold displacement surfaces and a heat transfer is possible, which is reflected as power loss in the energy balance. A further reduction of the heat losses is the extent that is formed by the counter-piston of the combustion chamber in the upper Totounkt and thereby additionally accounts for the heat-emitting surfaces of the normally existing cylinder head.
A further reduction of the heat-emitting surfaces by a heat insulating layer to the respective piston crown and the region of the highest temperature of the working gas (about 25 to 30% of the piston travel from the upper Totounkt) to the displacement walls or cylinder liner. The insulation layer on the cylinder liner should be chosen approximately so that the necessary piston rings still slide on the cooled lubricating oil surface of the cylinder liner.
[pound] In addition, with this construction, a change in the compression ratio is possible to achieve the optimum compression end pressure for the combustion with a reduced degree of filling.
Here, the lower curve cylinder is moved with an inclined plane and bolt or threaded by a hydraulic cylinder or motors up and thus changed the compression ratio in wide ranges and reached the desired Kompressionsenddruck regardless of the degree of filling.
The response time is very low by pressure detection using indicators and can be adjusted automatically based on determined curves of the compression pressure as a function of speed and load, it is also possible to use different fuel types with different required optimal combustion pressure in the same engine.
I almost assume that other constructions of an axial-piston engine at a series introduction failed, that the permissible Hertzian surface pressure between the piston-force-transmitting roller and the cam cylinder was considerably exceeded and led to premature destruction of this element.
In objective construction is therefore intended to provide a plurality of narrow rollers semicircular or with a certain radius on the rotating surface, which can make the contact lines roller / cam cylinder almost arbitrarily long, thus limiting the Hertzian surface pressure to an acceptable level. Looking at the situation in a top view, the lines of contact run obliquely backwards and not perpendicularly with each roller, since the cam cylinder has a radius and is not a straight line where the line of contact would be at right angles.
Therefore, there is no clear rolling motion, but over certain sections, a slightly sliding contact line.
At the cam cylinder, the same number of grooves are provided with the radius of the cylindrical rollers, this does not exceed the permissible values for the most sensitive point with the expected highest Hertzian surface pressure the transition of the role of the combustion area in the descending branch of the power output with the smallest possible radius become. Another measure is the introduction of plenty of lubricating oil on the grooves of the cam cylinder, as this results in a fictitious increase in the contact surface and the partially easily guiding movement is manageable.
The design of several narrow rollers is also recommended because different rotational speeds of the cylindrical rollers result from the different radii on the cam cylinder and thus a braking effect is avoided.
The invention solves the problem by (see Figure 1) that the cylinders are arranged concentrically with the piston and the exerted linear force of the piston (1) with insulation (2) via the connecting rod (3) connected to the piston pin (4) with an attached roller guide (5) with a bolt (6) preferably slidingly mounted rollers with a radius (7) is transmitted to the grooves of the cam cylinder (8).
The geometrically specially designed cam cylinder (development see FIG. 2) has a greater inclination in the area of the force introduction during the working stroke than for the area of compression where preferably a sinusoidal design is used because of the greater time interval for the recovery of heat from the pre-stroke in upper area of the piston stroke. The curve of the expansion stroke can also be a straight line at a certain angle.
It offers 45 °, because with this inclined plane the rollers push the introduced forces with the factor 1 (tan 45 °) in the tangential direction, that direction for the generation of the usable torque and the piston force with the maximum force is optimally utilized by the combustion gases during the entire working stroke, also the advantage of the shorter contact of the hot combustion gas with the cold displacement walls is a relevant factor.
Except for a small blur at top dead center due to a small radius on the expansion curve in this area and bottom dead center for the transition in the curve rise for the compression or the charge cycle with the expulsion of the combustion gases, the force exerted is completely available for the generation of torque.
On the roller guide (5), in the region of the transverse force attack or bolt (6), two lugs (9) for the absorption of the transverse force on the housing are preferably attached by means of sliding or ball bearing guides (10).
The tabs with the plain bearings take up the majority of the transverse forces, it is even desirable if a certain proportion is taken up by displacement of the tabs down through the piston guide according to the distances to the Kraftaufdiahmepunktions so a double sliding guide for the forces exists with the reduction of required Gleitfiächen with a secure suppression of tilting and forward them to the paired guide rods (11 and 13) in a in the outer housing (12) insertable ring for the outer guide rods. The inner guide rods (13) are inserted in a jointly with the inner housing (14) insertable support ring (15) with the cylinder liners (16) in the outer housing (12) and fixed by means of spacer ring (17) and lower cover (18).
In the lower cover and the displacement unit for the lower cam cylinder (19) is provided where a bolt on a rotatable inclined plane or preferably on a thread longitudinal displacement and thus change in the compression ratio is possible. The drive for this longitudinal displacement can be done either with hydraulic cylinders (20) or by means of other mechanical or electromechanical control elements. The bearing for the Aufiiahme the axial forces takes place in the bearing (21) that of the radial forces in the bearing (22).
In this method, the filling of the cylinder takes place both in the OTTO and DIESEL method with pure air, which is preferably introduced tangentially into the displacement via the inlet slots (24) and is set in rotation, this favorable to the heat recovery and also likely the combustion effect.
The mixture formation in Otto Verfehren done by injecting the fuel with injector (23) at the beginning of the compression stroke, when the one (24) and outlet slots (25,26) are already closed by the piston. Of course, a direct district injection is also possible. In gas engines, the introduction of the determined amount of gas is carried out by blowing the pressurized
H fuel gas into the displacement in the clean air (27) also at the beginning of the compression stroke. An injection at the end of the compression stroke is very conceivable, but requires at least a higher injection pressure than the compression or
Combustion pressure of the working gas.
The combustion gas is after the work still under a certain residual pressure, which first flows through the upper Auslassöffhungen (25) and can be used via a check valve (28) with buffer in an exhaust gas turbocharger to generate additional useful power and air compression. Subsequently, the lower outlet slots (26) are released for the pressure-reduced combustion gas, where it flows through a diffuser (29) into the open air. The diffuser fulfills the purpose of delaying the flow and thereby generate a suction, which sucks the clean air in open displacement slots in the displacement, supported by a slight overpressure of pure air generated by means of the exhaust gas turbocharger.
It is relatively irrelevant here, if a certain proportion of air enters the exhaust tract, since the mixture formation takes place with closed slots and thus at 2 - Taktverfehren usual mixture losses (except Einspritzverfehren) with certainty omitted.
The combustion chamber formed by the counter-rotating isolated pistons and the cylinder wall is insulated (30) at the cylinder liners in the region of top dead center (30) in order to avoid heat loss at least in the region of the highest temperatures. In the area of the sliding movement of the piston, a cooling of the cylinder wall is mounted to maintain the lubrication in order to avoid coking of the oil at higher temperatures. The height of the piston insulation is matched to the length of the cylinder liner insulation so that no contact of the surfaces occurs in this area.
The height of the piston is adjusted to the lifting height so that the inlet and outlet slots are closed even at top dead center. The cam cylinder can be designed such that the slots are both open over a certain period of time and the charge can be changed, also a certain different design of the release of the openings on the inlet and outlet side is required first to reduce the pressure of the combustion gases via the outlet and only then open the inlet for the change of charge.
Since the cam cylinder has different mass distributions on the circumference, balancing weights (34) are mounted on the opposite side for mass balance. By means of roller (31), the piston is pulled with certainty in the lower position, should the pressure from combustion no longer be sufficient.
The derivation of the rotary motion generated by shaft (32) with the output flange (33). The necessary ancillary equipment such as oil pump, water pump, injection pump, power generator can be driven by a gear drive or V-belt on the shaft inside or outside the housing.
It should also be mentioned that this arrangement is also suitable for the 4 - stroke method, it only requires the attachment of inlet and outlet valves in the area of the combustion chamber formed by the two counter - rotating pistons, which valves are correspondingly provided with a cam plate driven in the housing controls, but brings control effort and additional heat-emitting surfaces with it.
For the design of the curve cylinder, a straight line below approx. 45 °, a transition radius with a further straight line for the period of the piston remaining at bottom dead center for the charge change, a radius with a subsequent sinusoidal curve for the compression ,
The piston forces are essentially (minus the friction forces in the guide rods and piston guide) also available for the power generation. At an angle of 45 [deg.], With the same piston stroke (assuming 75%), the time of heat exposure is slightly less than half compared to a crank drive, where the very hot high pressure and high density combustion gas and thus the major portion of the heat effluent takes place on the displacement surfaces.
If one also considers the omission of the cylinder head surfaces and the isolation of the pistons and cylinder liners, an approximate 80% saving in otherwise usual heat losses into the cooling water results, assuming a usual efficiency of 0.40 for passenger cars Diesel engines and assuming equal losses in the cooling water (about 30%) and in the exhaust gas (about 30%) of a possible fuel saving of about 24% mean or an increase in efficiency by about 30% to 35%.
Since the temperature level of the exhaust gas continues to be around 300 to 400 ° C., the possibility of use by means of the ORC process (Organic Rankine Cycle) or else of a water vapor process, where approximately efficiencies of approximately 20%, is available % can be achieved.
Including the cooling water - or the residual oil heat of about 6% with the exhaust heat of about 30% results in a total potential of about 36% which here with an efficiency of about 20% still useful power can be generated, bringing a Potential for a further increase in efficiency of about 20% results. Expressed in absolute terms, the overall efficiency reaches values of just over 60%. This value is also achieved by the water injection measure given below. From a technical and economic point of view, water injection is to be preferred, since only appropriate heat exchangers for the recovery of the injection water by condensation of the combustion gases is recommended.
The sensible heat of the exhaust gas with the heat of condensation can also be used in an ORC process, this brings efficiency increases in a range of 3 to 5% absolute and thus reached a zenith with about 64 to 67% of the possible uses of the fuel used. One way to increase the efficiency is the extent that the use of the pressure and the temperature of the residual gas that the diverted partial gas flow through the upper outflow is not used in an exhaust gas turbocharger, but a running in the compound gas turbine with additional power generation and the charge exchange only by supporting the Diffiisors the residual gas utilization through the lower outflow openings takes place. The gas turbine and the diffuser downstream can still be the ORC process.
Finally, the following measure to increase the efficiency is mentioned. By water injection into the Ansauglauft or directly into the displacement of the resulting heat of compression is bound by the evaporation of water and it can in this way an isothermal compression, which requires the least power, at least over a partial path of the piston (up to 16 bar) can be achieved with subsequent polytropic compression to obtain the autoignition temperature of the diesel fuel. The power requirement for the compression drops by about 1 / 3. At first glance, the theoretical efficiency compared to an air-guided process remains the same, but at the same time decrease the temperature level of the process and thus the thermal losses, this leads to a lower demand Fuel.
The sensible heat in the exhaust gas is also reduced by 1 / 3. It should be pointed out that the emitting radiant heat of the hot gas mass decreases disproportionately due to the relationship with the 4th power of the absolute temperature, which represents a decisive amount at these temperature levels. In the case of Otto engines, the effect of a reduced compression power is greatest, since due to the cooler compression end temperature, auto-ignition at high compression ratios, which results in a higher efficiency, is avoided.
In diesel engines, the effect described above can be used only under the condition that the autoignition temperature of the fuel is not exceeded.
With a corresponding design of the cam cylinder in the form that the piston is at rest for a short time at top dead center, the diesel combustion, if one uses the Seiliger comparison process can be performed with a higher Gleichraumanteil compared to the usual Gleichdmckverfehren because the complete combustion and so that the corresponding increase in pressure corresponding to the time available for combustion has to then in the following expansion is completed with the higher efficiency of the Gleichraumprozesses at the same compression ratio.
If required, smaller piston diameters and rather longer strokes of the piston or more cylinders for the same output can be provided to limit the piston forces on the cam cylinder and the roller. In principle, opposing isolated pistons on two positively or positively connected crankshafts, an isolated cylinder wall in the area of the combustion chamber with ORC process and water injection would undoubtedly lead to an increase in efficiency also in the conventional design with crankshafts, but to a lesser extent.