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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das die Gasdichte von Luft-arbeitenden und ventilgesteuerten Brennkraftmaschinen bedeutend erhöhen und gleichzeitig die Arbeitstakte gegenüber dem 4-Taktprinzip verdoppeln kann, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1
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Für die Leistung und Wirksamkeit aller Verbrennungsmotoren ist die Gasdichte (Anzahl der Moleküle im Brennraum vor der Gemischzündung) von entscheidender Bedeutung. Um diese zu erhöhen wurden seit der Erfindung des 4-Taktverfahrens durch N. August Otto um 1867 die Verdichtungs-Verhältnisse schrittweise erhöht, die Strömungskanäle erweitert (Vierventiltechnik), der Nachladeeffekt durch spezielle Ansaugrohre genutzt, sowie auch die Ansaugluft mittels Turbo oder Kompressor vorverdichtet um eine möglichst hohe Gasdichte in den Brennräumen zu realisieren, die bei der Verbrennung große Ausdehnungsraten und Arbeitsdrücke für größere Maschinenleistungen hervorbringen soll.
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Diese Steigerungen müssen jedoch mit erheblichen Nachteilen erkauft werden, wie z. B. starke vorzeitige Erhitzung der Arbeitsgase die dadurch schon im Verdichtungstakt kräftig expandieren und damit die belastende Verdichtungsarbeit erhöhen, sowie zusätzlich noch die Wirksamkeit des Arbeitstaktes schmälern indem die Vorwegnahme der Gasexpansion (vor dem OT) der Ausdehnungs- und Drucksteigerungsrate im Arbeitstakt entzogen wird. Diese adiabat verlaufende Verdichtung verlagert auch den Kreisprozess in ein wesentlich höheres Temperaturniveau, in welchen die Temperatursteigerung und Ausdehnungsrate der Arbeitsgase bei der Verbrennung mit zunehmender Vorerhitzung (Verdicht. Temp.) geringer ausfällt, während die therm. Materialbelastung und Entstehung der schädlichen Stickoxide (NOx) gleichzeitig zunimmt.
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Aufgrund dieser gasdynamischen Probleme und Begrenzungen die allen herkömmlichen Brennkraftverfahren anhaften, ist es nicht möglich die Leistungsentfaltung der Frischgase proportional mit dem Verdichtungs-Verhältnis zu erhöhen, was auch bedeutet, dass man mit den bisherigen Maßnahmen, insbesondere der Ansaugluft-Vorverdichtung die Grenze des Machbaren erreicht hat und keine wesentliche Steigerung der spezifischen Leistung bei herkömmlichen Brennkraftverfahren (Otto + Diesel) mehr zu erwarten ist. Daran können auch die zahlreichen Neuentwicklungen mit alternativen Arbeitsräumen, wie Kreiskolben, Umlauf-Gegen-Schwenk- und Kugelkolben, oder bekannte Ausführungen in denen die Frischgasverdichtung in einem separaten Arbeitsraum durchgeführt und dann in den Brennraum des Arbeitszylinders verpresst wird, nicht viel ändern, da diesen Modellen ebenfalls ein konventionelles Brennkraftverfahren zugrunde liegt, sodass sie den gleichen gasdynamischen Beschränkungen unterliegen wie die klassischen Hubkolbenmotoren.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Arbeitsprinzip aufzuzeigen, welches die bestehenden gasdynamischen Grenzen von herkömmlichen Brennkraftverfahren wesentlich erweitern und damit in Brennräumen aller luft-arbeitenden Wärmekraftmaschinen nahezu unbegrenzt hohe Gasdichten realisieren kann, wodurch im Arbeitstakt Verbrennungsdrücke entstehen, die nur noch von der Belastbarkeit des Materials begrenzt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Arbeitsprinzip nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.
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Die Funktionsweise dieser Erfindung wird im folgenden an Hand der 1 und 2 durch ein Ausführungsbeispiel erläutert.
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1 zeigt den Querschnitt durch einen Beispielmotor mit zwei Arbeitsräumen 1 + 2 mit unterschiedlicher Funktion, sowie einem dazwischen angeordneten Druckspeicher 3 der mit Elementen zur Kühlung der verdichteten Frischgase ausgestattet ist.
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2 zeigt einen Scheibendrehschieber 15 als Funktionsbeispiel für das Frischgas-Einlassventil 5 und dessen Anordnung für einen tangentialen Einlass der komprimierten Frischgase in den Arbeitsraum 2.
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Der in 1 gezeigte Beispielmotor besteht im Wesentlichen aus:
einem Arbeitsraum zur Frischgasverdichtung 1, einem nachgeschalteten Druckspeicher 3 mit Kühleinrichtung, sowie einen Arbeitsraum 2 der nur für Verbrennung und Entspannung der Arbeitsgase zuständig ist.
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Das in 2 gezeigte Funktionsbeispiel 15 des Frischgas-Einlassventils 5 besteht im Wesentlichen aus: zwei Flanken 16, einem Einströmkanal 23, sowie einer dazwischen drehbar gelagerten Läuferscheibe 18 mit Durchlassöffnungen 19 und Antriebsachse 20.
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Die Funktionsweise des Verfahrens gemäß 1 wird wie folgt beschrieben:
Um bei Brennkraftmaschinen die alles entscheidende Gasdichte in Brennräumen vor der Gemischzündung weit über das bisher mögliche Maß zu erhöhen, werden grundsätzlich die vier Arbeitsschritte des Kreisprozesses auf zwei Arbeitsräume 1 + 2 aufgeteilt, sodass in wenigstens einen gut gekühlten Arbeitsraum 1 die Frischgasverdichtung mit stärkerer Annäherung an die energiesparende „Isotherme” erfolgen kann. Da aber bei hohen Kompressionen trotz angenäherter „Isothermen” dennoch beachtliche Verdichtungs-Temperaturen entstehen, wird erfindungsgemäß die hoch komprimierte Luft in einem mit Kühlelementen versehenen Vorratsbehälter 3 zwischengelagert, welcher die Frischgase (Luft) beliebig, d. h. auch bis nahe der Anfangstemperatur (ca. 20°) rückkühlen kann, sodass eine „nachgeholte Isotherme” entsteht, die zum Beispiel einen „adiabatisch” erzeugten Druck von 25 bar auf 10 bar schrumpfen lässt.
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Das ergibt zunächst den Vorteil, dass für die gleiche Gasdichte der gekühlte Verdichter 1 statt 25 bar (adiabatisch), jetzt nur einen Gasdruck von 10 bar (isothermisch) erzeugen muss, sodass man die Wahl hat entweder die 2,5-fache Verdichtungsarbeit einzusparen, oder bei Verzicht auf die Einsparung eine 2,5-fache Gasmenge auf einen Gasdruck von 25 bar zu verdichten, was einer Gasdichte-Erhöhung um den Faktor 2,5 entspricht.
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Dabei ist die zu erzielende Gasdichte (Anzahl der Gasmoleküle je Volumeneinheit) nicht auf Werte dieses Beispiels beschränkt, sondern kann mit dem erfind. Verfahren nahezu unbegrenzt erhöht werden ohne dadurch die bislang unvermeidbar hohen Verdichtungs-Temperaturen mit ihren vielschichtigen Nachteilen in Kauf nehmen zu müssen. Durch die „nachgeholte Isotherme” wird auch der gesamte Kreisprozess in ein wesentlich niedrigeres Temperaturniveau (bis ca. 400° weniger) verlagert, in welchen die thermische Materialbelastung und Bildung der unerwünschten Stickoxide (NOx) erheblich geringer ist, während die nützliche Temperatursteigerung und Gasausdehnung durch die Verbrennung entscheidend höher ausfällt. Für das separate Verdichterelement 1 können je nach Bedarf und Eignung alle Bauarten, wie z. B. ein- und mehrstufige Kolben- oder Schraubenverdichter, sowie für Großmotoren auch radiale- oder achsiale Turboverdichter Verwendung finden.
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Sofern der Frischgasverdichter 1 nicht extern angetrieben sondern mit der Kurbelwelle 11 des Arbeitsraumes 2 gekoppelt ist, muss vor dem Start eines Motors bei geschlossenen Einlassventil 5 zunächst durch einige Maschinenumdrehungen mittels des Anlassers 12 wenigstens ein Teil des vorgesehenen Verdichtungsdruckes im Druckspeicher 3 geladen werden. Nach dessen Aufladung werden die rückgekühlten Frischgase (Luft) mit einer wenigstens 2-fach höheren Gasdichte gegenüber herkömml. Verfahren durch das Einlassventil 5 mit sehr hoher Einströmgeschwindigkeit im Bereich des oberen Viertels in den Arbeitsraum 2 eingelassen, wobei die Öffnungszeit das Einlassventil 5 in der Weise zu steuern ist, dass die vorkomprimierten Frischgase vollständig eintreten und dabei noch durch das plötzliche Anhalten der schnell strömenden Gassäule im Einströmkanal 23 den bekannten Nachlade-Effekt hervorbringen, der die Gasdichte im Brennraum noch zusätzlich erhöht. Dabei wird die dem jeweiligen Leistungsbedarf entsprechende Frischgasmenge von einem zwischen Druckspeicher 3 und Einlassventil 5 angeordneten Druckregler 14 bestimmt, der vom Gashebel angesteuert ist, wobei damit gleichzeitig die richtige Einspritzmenge für ein stöchiometrisches Gemisch reguliert wird. Dazu kann auf alle bekannten Einspritzsysteme zurückgegriffen werden. In der Einströmphase der Frischgase lässt sich bei noch geöffneten Einlassventil 5, durch Einspritzen in das Zuführungsrohr 23 die äußere Gemischbildung durchführen, aber auch mittels Direkteinspritzung in den Brennraum nach der Schließung des Einlassventils 5 im Bereich des OT, eine innere Gemischbildung realisieren.
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Durch die außermittige Anordnung des Einströmkanals 23 wird ein tangentialer Einlass der Frischgase erreicht, der starke Verwirbelungen für intensive Gemischaufbereitung erzeugt, sodass diese nicht durch eine aufwendige Hochdruckeinspritzung von wenigstens 1000 bar (ähnlich dem Diesel) erbracht werden muss, sondern auch relativ niedrige Einspritzdrücke wie z. B. 160 bar ausreichen.
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Am OT des Arbeitskolbens 9 wird das Gemisch bei geschlossenen Einlassventil 5 durch eine nicht dargestellte Funkenstrecke gezündet, dabei bringt die kalte Frischgasfüllung bei der Verbrennung eine wenigstens doppelte Ausdehnungsrate gegenüber den vorerhitzten Frischgasen von herkömml. Verfahren hervor, was zusammen mit der mindestens 2-fach höheren Gasdichte einen 4 mal stärkeren Verbrennungsdruck und damit ein ca. 4-faches Drehmoment mit entsprechender Drehleistung ergibt. Da aber die Arbeitsräume 2 dieses Verfahrens mit jeder Kurbeldrehung einen vollwertigen Arbeitstakt ausführen, wird dadurch die 4-fache Drehleistung zusätzlich verdoppelt, sodass insgesamt eine ca. 8-fache Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen 4-Taktmotoren zu erwarten ist. (keine Ähnlichkeit mit einem bekannten 2-Taktverfahren)
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Nach diesen hoch effektiven Entspannungshub öffnet am UT des Arbeitskolbens 9 ein gut dimensioniertes Auslassventil 6, welches die Brenngase durch die Restdruckentspannung blitzschnell in den Auspuff 10 entlässt, sodass bei Ankunft des Arbeitskolbens 9 im oberen Viertel des Arbeitsraumes 2, wo das Auslassventil 6 wieder schließt, kein atmosphärischer Überdruck mehr besteht und jetzt durch Öffnen des Einlassventils 5 der Arbeitsraum 2 mit hoch verdichteten und kühlen Frischgas (höchste Gasdichte) befüllt werden kann um einen weiteren Arbeitszyklus zu beginnen.
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Um diese extrem hohen Verbrennungsdrücke noch verarbeiten zu können ohne dadurch das Material zu überlasten, werden die Kolbenquerschnitte und damit auch die Hubräume im Verhältnis zu den gestiegenen Arbeitsdrücken reduziert, was zu wesentlich kleineren Motoren mit entsprechend geringeren Massendurchsatz (Frischluft und Kraftstoff) führt, die dadurch entscheidend wirtschaftlicher und umweltschonender sind.
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Aufgrund dieser gewaltigen Arbeitsdrücke verfügen die Brenngase nach der Entspannung im Arbeitstakt noch über erhebliche Restdrücke, die der Wirtschaftlichkeit wegen mit einer Nachentspannungsturbine zum Antrieb von Nebenaggregaten, wie Pumpen, Kühlgebläse und Stromversorgung, sowie auch als Hilfsantrieb für den Frischgas-Verdichter 1 genutzt werden können. Für die Konstanthaltung des vorgesehenen Arbeitsdruckes im Druckspeicher 3, der nach Bedarf auch beliebig verändert werden kann (variable Verdichtung), ist eine Drucksensor gesteuerte Drosselklappe 13 ausgebildet, welche die Ansaugluftmenge des Verdichters 1 in energiesparender Weise regeln kann, indem einmal der Ladedruck im Speicher 3 dem leistungsbedingten Frischluftbedarf des Arbeitsraumes 2 optimal angepasst ist, während im gedrosselten Zustand der Verdichterkolben 8 nur gegen den Druck einer Atmosphäre arbeiten muss.
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Die Arbeitsweise des Funktionsbeispiels der 2 wird wie folgt beschrieben:
Um den speziellen Anforderungen dieses Verfahrens zu entsprechen, muss das Frischgas-Einlassventil 5 bzw. 15 über Eigenschaften verfügen die bei höheren Verdichtungsdrücken von herkömml. Tellerventilen nicht mehr erfüllt werden, was eine Konstruktion erforderlich macht die wechselseitige Beaufschlagung von hohen Drücken, wie den Verdichtungsdruck von außen und den mehrfach höheren innenseitigen Verbrennungsdruck standhalten kann. Hierzu können vielerlei Konstruktionen wie z. B. oszillierende Flachbalkenschieber, sowie kontinuierlich oder diskontinuierlich bewegte Scheiben-Walzen- oder Kugeldrehschieber zur Anwendung kommen, wobei hier die Funktion und Anordnung des Ventils am Beispiel eines Scheibendrehschiebers 15 aufgezeigt wird.
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Das Ventil 15 besteht aus Flanken 16, die über vier Bohrungen 17 mit den Schrauben 22 verbunden sind und eine Läuferscheibe 18 beidseitig Luftdicht umschließen, die von der Kurbelwelle mittels Zahnrad 11 synchron und vorzugsweise diskontinuierlich angetrieben wird. Immer wenn einer der Durchlässe 19 der Läuferscheibe 18 mit denen der Flanken 16 zur Deckung kommt, können die vorkomprimierten und rückgekühlten Frischgase (Luft) über die Zuführungsleitung 23 in den Arbeitsraum 2' (Zylinder) einströmen, wobei die Drehung der Läuferscheibe 18 so zu steuern ist, dass der Frischgas-Einlass im oberen Viertel des Arbeitsraumes 2' beginnt und genau endet wenn die Frischgase vollständig eingeströmt sind um damit den bekannten Nachlade-Effekt einer schnell strömenden Gassäule noch ausnutzen zu können, der die Gasdichte im Brennraum noch zusätzlich erhöht.
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Die dargestellte Anordnung des Einströmkanals 23 ergibt eine tangentiale Einströmung der vorkomprimierten Frischgase, die starke horizontale Wirbel im Arbeitsraum 2' erzeugt und damit eine hohe Gemischbildungsenergie hervorbringt, sodass im Gegensatz zu herkömml. Brennkraft-Verfahren keine aufwendige Hochdruck-Einspritzung von mindestens 1000 bar erforderlich ist, sondern mäßige Einspritzdrücke völlig ausreichen.
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Dieses Einlassventil 15 unterliegt durch die kühlende Wirkung der relativ kalten Frischgase nur einer mäßigen thermischen Belastung, sodass es an die Zentralschmierung des Motors angeschlossen und davon druckgeschmiert werden kann.
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Die Funktionsweise des erfind. „Verfahren zur Erhöhung der Gasdichte und Verdopplung der Arbeitstakte von ventilgesteuerten Brennkraftmaschinen”, wurde an zwei Beispielen erläutert und es versteht sich, dass bei den zahlreichen Gestaltungs- und Anwendungsmöglichkeiten in der Brennkrafttechnik mehrere Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der dieser Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unabhängiges Verdichterelement
- 2
- Arbeitsraum für Verbrennung und Entspannung
- 3
- Druckspeicher mit Kühlvorrichtung
- 4
- Einströmkanal vom Druckspeicher zum Ventil
- 5
- Einlassventil für Frischgase
- 6
- Auslassventil für entspannte Brenngase
- 7
- Kraftstoff-Einspritzdüse
- 8
- Verdichterkolben
- 9
- Arbeitskolben
- 10
- Auspuff
- 11
- Gemeinsame Kurbelwelle des Motors und Verdichters
- 12
- elektrischer Anlasser
- 13
- gesteuerte Ansaugluft-Drosselklappe
- 14
- gesteuerter Druckregler
- 15
- Funktionsbeispiel des Einlassventils 5 als Scheibendrehschieber
- 16
- Ventilflanken
- 17
- Bohrungen für Verschraubung
- 18
- Läuferscheibe mit Durchlassöffnungen
- 19
- Durchlassöffnungen in den Flanken und der Läuferscheibe
- 20
- Achse der Läuferscheibe
- 21
- Antriebszahnrad der Läuferscheibe
- 22
- Verbindungsschrauben
- 23
- Einströmkanal vom Ventil zum Arbeitsraum
- 2'
- Arbeitsraum der 2
