DE102011017246A1

DE102011017246A1 - Zweitaktmotor und Verfahren zu seinem Betrieb

Info

Publication number: DE102011017246A1
Application number: DE201110017246
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2014-02-13

Abstract

Die Ziele vorliegender Erfindung sind 1 – das Schaffen eines Zweitaktmotors, der erhöhte Wirkungsgrad, Leistung und Drehmoment bei verringertem spezifischem Kraftstoffverbrauch hat, 2 – das Schaffen eines Verfahrens zu seinem Betrieb, dessen Realisation den Bedarf am Kühlsystem und am Aufladungssystem eliminiert, so dass der Motor sich selbst auflädt und abkühlt. Diese Ziele werden dadurch erreicht, dass der Zweitaktmotor folgendes enthält: – einen doppelwandigen Zylinder Z (mit einem doppelwandigen Zylinderkopf ZK), in dem sich ein Kolben K hin- und her bewegt, – das/die unterhalb des Kolbens K angeordnete(n) Einlassventil(e) Ein, – das/die etwas oberhalb des Kolbenbodens bei UT-Stellung angeordnete(n) Auslassventil(e) Aus oder Auslassschlitz(e) Aus und dadurch gekennzeichnet, dass der Motor auch folgendes beinhaltet: – einen zwischen den Wänden des Zylinders Z und des Zylinderkopfes ZK angeordneten, ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum M – als ein einheitlicher Verbundraum zwischen dem Brenn- B und Unterkolbenraum U, – das/die im Zylinderkopf ZK angeordnete(n), den Brennraum B mit/von dem Wärmetauschraum M verbindende(n)/absperrende(n) Ansaugventil(e) An, – das/die im Zylinder Z angeordnete(n), den Unterkolbenraum U mit/von dem Wärmetauschraum M verbindende(n)/absperrende(n) Sperrventil(e) S, wobei im Wärmetauschraum M – mindestens ein zellenartiger Wärmetauscher W zwischen dem eigentlich Zylinder Z und seiner Buchse C untergebracht ist, so dass er das Volumen des Wärmetauschraums M des Zylinders Z ausfüllt, – oder der Wärmetauschraum M des Zylinders Z aus mindestens einem zellenartigen Wärmetauscher W besteht, der einstückig mit dem Zylinder Z ausgeführt ist. Das Verfahren zum Betrieb des vorgeschlagenen Zweitaktmotors beinhaltet Vorverdichten des Frischgases im Unterkolbenraum U beim Abwärtsgehen des Kolbens K [bei geschlossenem(n) Einlassventil(en) Ein] und dadurch gekennzeichnet, dass – Einlass des Frischgases erfolgt nur in den Unterkolbenraum U [durch das/die Einlassventil(e) Ein beim geschlossenen Sperrventil S] – beim Aufwärtsgehen, – bei/nach erstem Vorverdichten des Frischgases im Unterkolbenraum U wird es in den Wärmetauschraum M [durch das Sperrventil S] verdrängt – beim Abwärtsgehen, – das in den Wärmetauschraum M einströmende vorverdichtete Frischgas wird wegen der Erwärmung von den Zellenwänden des Wärmetauschers W und den Brennraumwänden zweitem Vorverdichten ausgesetzt – bei dem Ab- und dem Aufwärtsgehen, – Spülung erfolgt nach dem Auslass mit dem Strom des erwärmten, doppelt vorverdichteten Frischgases durch ganzen Arbeitsraum: von dem/den Ansaugventil(en) An zu dem/den Auslassventil(en) Aus – kurz vor UT und/oder kurz nach UT, ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitaktmotor und ein Verfahren zu seinem Betrieb.
Die Idee der Benutzung des Vorverdichtens vom Frischgas in der Kurbelkammer vom abwärts gehenden Kolben ist für Zweitaktmotoren seit langem realisiert. Sie haben Kurbelkammerspülpumpe mit einem Überströmkanal zwischen der Kurbelkammer und dem Einlassschlitz. Der nächstliegende Stand der Technik ist das Dokument US 1505856 ; sein Nachteil ist Zerklüftung unteren Brennraums.
Es sind folgende Kennzeichnungen für Abbildungen angegeben:

An: – selbsttätiges Ansaugventil,
Aus: – selbsttätiges Auslassventil,
B: – Brennraum,
C: – Zylinderbuchse (weiter – Buchse),
Ein: – selbsttätiges Einlassventil,
F: – Kerze,
K: – Kolben,
L: – Natriumfüllung,
M: – Wärmetauschraum,
S: – selbsttätiges Sperrventil,
T: – Kolbenstange,
U: – Unterkolbenraum,
V: – Einspritzdüse,
W: – Wärmetauscher,
Z: – Arbeitszylinder (weiter – Zylinder),
ZK: – Zylinderkopf.

Die Ziele vorliegender Erfindung sind

1 – das Schaffen eines Zweitaktmotors, der erhöhte Wirkungsgrad, Leistung und Drehmoment bei verringertem spezifischem Kraftstoffverbrauch hat,
2 – das Schaffen eines Verfahrens zu seinem Betrieb, dessen Realisation den Bedarf am Kühlsystem und am Aufladungssystem eliminiert, so dass der Motor sich selbst auflädt und abkühlt.

Diese Ziele werden dadurch erreicht, dass der Zweitaktmotor folgendes enthält:

– einen doppelwandigen Zylinder Z (mit einem doppelwandigen Zylinderkopf ZK), in dem sich ein Kolben K hin- und her bewegt,
– das/die unterhalb des Kolbens K angeordnete(n) Einlassventil(e) Ein,
– das/die etwas oberhalb des Kolbenbodens bei UT-Stellung angeordnete(n) Auslassventil(e) Aus oder Auslassschlitz(e) Aus und dadurch gekennzeichnet, dass der Motor auch folgendes beinhaltet:
– einen zwischen den Wänden des Zylinders Z und des Zylinderkopfes ZK angeordneten, (fast) ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum M – als ein einheitlicher Verbundraum zwischen dem Brenn- B und Unterkolbenraum U,
– das/die im Zylinderkopf ZK angeordnete(n), den Brennraum B mit/von dem Wärmetauschraum M verbindende(n)/absperrende(n) Ansaugventil(e) An,
– das/die im Zylinder Z angeordnete(n), den Unterkolbenraum U mit/von dem Wärmetauschraum M verbindende(n)/absperrende(n) Sperrventil(e) S, wobei im Wärmetauschraum M
– mindestens ein zellenartiger Wärmetauscher W zwischen dem eigentlich Zylinder Z und seiner Buchse C untergebracht ist, so dass er das Volumen des Wärmetauschraums M des Zylinders Z ausfüllt,
– oder der Wärmetauschraum M des Zylinders Z aus mindestens einem zellenartigen Wärmetauscher W besteht, der einstückig mit dem eigentlich Zylinder Z ausgeführt ist.

Die schematischen Ausführungsvarianten des vorgeschlagenen Motors:
– Zylinder Z und Zylinderkopf ZK ohne bewegliche Teile,
– Spülung im lufteinsaugenden Ottomotor beim Aufwärtsgehen,
– Spülung im Dieselmotor beim Abwärtsgehen,
– Verfahrensschritte beim lufteinsaugenden Ottomotor (Direkteinspritzung),
– Verfahrensschritte beim gemischeinsaugenden Ottomotor.
Das Volumen des Wärmetauschraums M soll erforderlichen höchsten Liefergrad und ausreichende Kühlleistung gewährleisten, und die Form der Zellen vom Wärmetauscher W ist solche, dass dank dem Umlaufstrom vorverdichteter Gase maximaler Wärmeaustausch erlangt wird. Als Materialien für Wärmetauscher W sind hochwärmeleitfähige Wärmetauscher-Matertalien: Al-Legierungen und SiC-Keramiken zu verwenden.
Das Verfahren zum Betrieb des vorgeschlagenen Zweitaktmotors beinhaltet Vorverdichten des Frischgases (der Frischluft oder des Frischgemisches) im Unterkolbenraum U beim Abwärtsgehen des Kolbens K [bei geschlossenem(n) Einlassventil(en) Ein] und dadurch gekennzeichnet, dass

– Einlass des Frischgases erfolgt nur in den Unterkolbenraum U [durch das/die Einlassventil(e) Ein beim geschlossenen Sperrventil S] – beim Aufwärtsgehen,
– bei/nach erstem Vorverdichten des Frischgases im Unterkolbenraum U wird es in den Wärmetauschraum M [durch das Sperrventil S] verdrängt – beim Abwärtsgehen,
– das in den Wärmetauschraum M einströmende vorverdichtete Frischgas wird wegen der Erwärmung von den Zellenwänden des Wärmetauschers W und den Brennraumwänden zweitem Vorverdichten ausgesetzt – bei dem Ab- und dem Aufwärtsgehen,
– Spülung erfolgt nach dem Auslass mit dem Strom des erwärmten, doppelt vorverdichteten Frischgases durch ganzen Arbeitsraum: von dem/den Ansaugventil(en) An zu dem/den Auslassventil(en) Aus – kurz vor UT und/oder kurz nach UT,
– Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum B erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum M [durch das/die Ansaugventil(e) An] – beim Aufwärtsgehen.

Der Wärmeaustausch im Wärmetauschraum M geschieht zwischen durchströmendem vorverdichtetem Gas aus dem Unterkolbenraum U und den Zellenwänden des Wärmetauschers W sowie den Brennraumwänden des Zylinders Z und Zylinderkopfs ZK. Dieses Gas kühlt die Zellen- und Brennraumwänden intensiv ab und dabei der Erwärmung, davon – zusätzlicher, doppelter Vorverdichtung ausgesetzt. Bei gemischansaugendem Motor findet zusätzliche Vorverdichtung statt wegen der Verdampfung beinhaltenden Kraftstoffs.
Der Strömungsverlust in den Zellen des Wärmetauschers M führt zur Dissipation kinetischer Energie durchströmten Gases mit Umwandlung in seine Wärmeenergie, die ins Außen nicht ausgeht, sondern in den Brennraum B einkommt – somit findet kein Wirkungsgradverlust statt.
Somit wird die vom Arbeitsraum abzuführende Wärme, die als unvermeidliches Böses (auf Grund derer bis 33% zugeführter Energie verloren geht) aufgenommen wird, vollständig ausgenutzt, so dass Bedarf an der Kühlung und der Aufladung entfällt. Aus diesem Grund werden das Kühlsystem und das Aufladungssystem aus dem Motorkonzept eliminiert.
Die zu empfehlenden Triebwerke für vorgeschlagenen Motor sind die Triebwerke, die translatorische Bewegung ohne Schwenkungen der Kolbenstange gewährleisten, z. B. die Triebwerke mit der Nocken- oder Exzenterwelle und mit dem Kolbenstange-Kreuzkopf-Pleuelstange-Aufbau. Bei üblichem Triebwerk mit schwenkender Pleuelstange ist der Überdruck im Unterkolbenraum klein, weil erstens: es ist unmöglich, die im Zylinder schwenkende Pleuelstange gasdicht abzudichten, und zweitens: Differenz zwischen dem Hubraum und dem Volumen vom Kolbenboden bis zum Kurbelkammerboden ist gering.
Das Verfahren für lufteinsaugende Otto-/Dieselmotoren erfolgt taktmäßig folgendermaßen:
1. TAKT (Abwärtsgehen)
Arbeiten; Vorverdichtung:
– unterhalb des Kolbens K: Vorverdichtung der Frischluft, weiterhin – Verdrängung vorverdichteter Frischluft in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Einströmung der vorverdichteten Frischluft aus Unterkolbenraum U mit ihrer Vermischung mit vorverdichtetem Luftrest, Erwärmung mit Verdichtung der Luft;
– oberhalb des Kolbens K: Arbeiten des Brenngases;
Auslass und Spülung; Vorverdichtung:

– unterhalb des Kolbens K: Verdrängung der vorverdichteten Luft in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Auszug der erwärmten, doppelt vorverdichteten Luft in den Brennraum B, Durchpumpung mit Erwärmung der aus Unterkolbenraum U einströmenden vorverdichteten Luft zum Brennraum B;
– oberhalb des Kolbens K: Auslass verbrannten Gases (durch Auslassventil/e Aus), dann (seit Öffnung des/der Anlassventils/en An) Spülung;

2. TAKT (Aufwärtsgehen)
Spülung und Ansaugung; Einlass der Frischluft:

– unterhalb des Kolbens K: Einlass der Frischluft;
– im Wärmetauschraum M: Auszug der erwärmten, doppelt vorverdichteten Luft in den Brennraum B;
– oberhalb des Kolbens K: Spülung, dann (mit Schließung der Auslassventil Aus) Ansaugung der doppelt vorverdichteten Luft aus Wärmetauschraum M; Einspritzung des Ottokraftstoffs von Düse V beim Ottomotor;

Verdichtung; Einlass der Frischluft:

– unterhalb des Kolbens K: Einlass der Frischluft;
– im Wärmetauschraum M: Erwärmung mit Verdichtung des Luftrestes;
– oberhalb des Kolbens K: – beim Ottomotor: Verdichtung gebildeten Ottokraftstoff-[doppelt vorverdichtete Luft]-Gemisches, kurz vor OT: Zündung von Kerze F; – beim Dieselmotor: Verdichtung der doppelt vorverdichteten Luft, kurz vor OT: Einspritzung des Dieselkraftstoffs von Düse V mit Selbstzündung.

Das Verfahren für gemischeinsaugenden Ottomotor erfolgt taktmäßig folgendermaßen:
1. TAKT (Abwärtsgehen)
Arbeiten; Vorverdichtung:

– unterhalb des Kolbens K: Vorverdichtung des Frischgemisches, weiterhin – Verdrängung vorverdichteten Frischgemisches in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Einströmung des vorverdichteten Frischgemisches aus Unterkolbenraum U mit Vermischung mit vorverdichtetem Gemischrest, Erwärmung mit Verdichtung gebildeten Gemisches;
– oberhalb des Kolbens K: Arbeiten des Brenngases;

Auslass und Spülung; Vorverdichtung:

– unterhalb des Kolbens K: Vorverdichtung des Frischgemisches, Verdrängung vorverdichteten Frischgemisches in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Auszug des vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches in den Brennraum B, Durchpumpung mit Erwärmung des aus Unterkolbenraum U einströmenden vorverdichteten Gemisches zum Brennraum B.
– oberhalb des Kolbens K: Auslass verbrannten Gases (durch Auslassventil/en Aus), weiterhin – (seit Öffnung des/der Anlassventils/en An) Spülung;

2. TAKT (Aufwärtsgehen)
Spülung und Ansaugung; Einlass der Frischluft:

– unterhalb des Kolbens K: Einlass des Frischgemisches;
– im Wärmetauschraum M: Auszug des vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches in den Brennraum B.
– oberhalb des Kolbens K: Spülung, dann mit Schließung des Auslassventils Aus – Ansaugung vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches aus Wärmetauschraum M;

Verdichtung; Einlass der Frischluft:

– unterhalb des Kolbens K: Einlass des Frischgemisches;
– im Wärmetauschraum M: Erwärmung mit Verdichtung des Gemischrestes.
– oberhalb des Kolbens K: Verdichtung vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches; kurz vor OT: Zündung von Kerze F.

Wegen sehr hohen Liefergrads und unter Berücksichtigung davon, dass der Ladevorgang einen Teil der Gesamtverdichtung übernimmt, soll der Arbeitshub wie bei aufgeladenen Kurzhubmotoren sein.
Dank doppelter/starker Vorverdichtung des Frischgases im Unterkolben- U und dann im Wärmetauschraum M wird ein sehr hoher Befüllungsgrad/Liefergrad erzielt – das erhöht Leistung und Wirkungsgrad.
Auch dank erwähnter starker Vorverdichtung und der Erwärmung des anzusaugenden Gases wird das zu verbrennende Gemisch im Brennraum B hoch homogenisiert – das soll spezifischen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen verkleinern.
Das Eliminieren des Kühl- und Aufladungssystems verringert baulichen Aufwand der Freikolbenmaschine, wesentlich vereinfacht und verbilligt sie, erhöht ihre Zuverlässigkeit sowie ermöglicht weitgehende Wartungsfreiheit.
Es soll stark verringerte Störanfälligkeit erreicht werden:

– guter Kaltstart – dank erwähnter starker Vorverdichtung und der Erwärmung des anzusaugenden Gases;
– keine Frostschäden und keine Schlagempfindlichkeit – wegen dem fehlenden Kühlsystem –Bet das begünstigt den Einsatz des Motors für rieb bei Extrembedienungen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 1505856 [0002]

Claims

Zweitaktmotor enthält folgendes: – einen doppelwandigen Zylinder Z (mit einem doppelwandigen Zylinderkopf ZK), in dem sich ein Kolben K hin- und her bewegt, – das/die unterhalb des Kolbens K angeordnete(n) Einlassventil(e) Ein, – das/die etwas oberhalb des Kolbenbodens bei UT-Stellung angeordnete(n) Auslassventil(e) Aus oder Auslassschlitz(e) Aus und dadurch gekennzeichnet, dass der Motor auch folgendes beinhaltet: – einen zwischen den Wänden des Zylinders Z und des Zylinderkopfes ZK angeordneten, (fast) ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum M – als ein einheitlicher Verbundraum zwischen dem Brenn- B und Unterkolbenraum U, – das/die im Zylinderkopf ZK angeordnete(n), den Brennraum B mit/von dem Wärmetauschraum M verbindende(n)/absperrende(n) Ansaugventil(e) An, – das/die im Zylinder Z angeordnete(n), den Unterkolbenraum U mit/von dem Wärmetauschraum M verbindende(n)/absperrende(n) Sperrventil(e) S, wobei im Wärmetauschraum M – mindestens ein zellenartiger Wärmetauscher W zwischen dem eigentlich Zylinder Z und seiner Buchse C untergebracht ist, so dass er das Volumen des Wärmetauschraums M des Zylinders Z ausfüllt, – oder der Wärmetauschraum M des Zylinders Z aus mindestens einem zellenartigen Wärmetauscher W besteht, der einstückig mit dem eigentlich Zylinder Z ausgeführt ist.
Das Verfahren zum Betrieb des Zweitaktmotors nach Anspruch 1 beinhaltet Vorverdichten des Frischgases im Unterkolbenraum U beim Abwärtsgehen des Kolbens K [bei geschlossenem(n) Einlassventil(en) Ein] und dadurch gekennzeichnet, dass – Einlass des Frischgases erfolgt nur in den Unterkolbenraum U [durch das/die Einlassventil(e) Ein beim geschlossenen Sperrventil S] – beim Aufwärtsgehen, – bei/nach erstem Vorverdichten des Frischgases im Unterkolbenraum U wird es in den Wärmetauschraum M [durch das Sperrventil S] verdrängt – beim Abwärtsgehen, – das in den Wärmetauschraum M einströmende vorverdichtete Frischgas wird wegen der Erwärmung von den Zellenwänden des Wärmetauschers W und den Brennraumwänden zweitem Vorverdichten ausgesetzt – bei dem Ab- und dem Aufwärtsgehen, – Spülung erfolgt nach dem Auslass mit dem Strom des erwärmten, doppelt vorverdichteten Frischgases durch ganzen Arbeitsraum: von dem/den Ansaugventil(en) An zu dem/den Auslassventil(en) Aus – kurz vor UT und/oder kurz nach UT, – Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum B erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum M [durch das/die Ansaugventil(e) An] – beim Aufwärtsgehen.