DE29707722U1

DE29707722U1 - Hubkolbenmotor mit Unterdurckerzeuger

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Publication number: DE29707722U1
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Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2007-07-29

Description

Viktor Matern
Meppener Straße 150
49744 Geeste

Hubkolbenmotor mit Unterdruckerzeuger

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Arbeitszylinder nach dem Obergriff des Anspruches 1.

Hubkolbenmotoren der eingangs genannten Art weisen eine Gaszuführung in den Zylinder auf , wobei die Gasführung in der Regel während eines Kolbenabwärtstaktes durch die Saugbewegung des Kolbens über ein oder mehrere geöffnete Einlaßventile erfolgt. Diese Gasführung kann unterstützt sein durch einen Druckförderer , beispielweise einen Kompressor oder einen Turbolager , der die zur Verbrennung benötigten Gase , insbesondere Luft , unter Hochdruck in den Zylinder preßt.

Um die verbrannten Brenngase aus dem Zylinder zu entfernen , muß durch den sich aufwärts bewegendem Kolben bei geöffnetem Zugang zum Abgassystem gegen einen darin herrschenden Gegendruck angearbeitet werden . Dieses mindert die Effizienz der Verbrennungsmaschine .

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde , einen Hubkolbensmotor der eingangs genannten Art hinsichtlich seines Wirkungsgrades bzw. seiner Leistungsfähigkeit verbessert.

Die Erfindung löst dieses Problem mit den Merkmalen des Anspruches 1 . Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 12 verwiesen.

Durch die Ausbildung eines Unterdruckerzeugers , der während des Ausschubtaktes der Brenngase das oberhalb des Kolbens befindliche Zylindervolumen mit einem Unterdruck beaufschlagt , ist erreicht , daß die Ausschubarbeit des Kolbens während dieser Aufwärtsbewegung verringert ist. Der Gegendruck oberhalb des Kolbens kann dabei so weit absenkt werden, daß durch das Druckgefälle zwischen dem Zylindervolumen oberhalb und unterhalb des Kolbens eine Arbeit während der Aufwärtsbewegung des Kolbens geleistet

wird . Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad des Motors , der dann nicht nur während des auf die Verbrennung folgenden Abwärtstaktes eine Arbeit leistet, sondern der hindurch einen zweiten Arbeitstakt erfährt . Es sind höhere Motordrehzahlen , Leistungen und Nutzeffekte erreichbar.

Besonders vorteilhaft wirkt der Unterdruckerzeuger auf das Abgassystem derart, daß der dort produzierte Unterdruck durch ein geöffnetes Auslaßventil auf das Zylindervolumen einwirkt . Dadurch sind weitere Auslässe in der Zylinderwandung entbehrlich.

Der Unterdruckerzeuger kann als Vakuumpumpe oder Turbine ausgebildet sein , die entweder durch den Verbrennungsmotor , vom Antrieb der Ölpumpe des Verbrennungsmotor oder durch einen separaten Antrieb, beispielweise einen Dampferzeuger, oder durch einen gemischten Antrieb antreibbar ist.

Der Unterdruckerzeuger kann durch Dampf angetrieben sein , der in einem Dampferzeuger , welcher die Wärme des Verbrennungsmotor nutzt , erzeugt wird. Dadurch ist ein hoher Wirkungsgrad erreichbar.

Um besonders hohe Drehzahlen des Motors zu ermöglichen , weist dieser mehrere Einlaß- und Auslaßventile auf , die von mehreren Nockenwellen betätigbar sind , wobei während einen Arbeitszyklus jeweils nur ein Ventilpaar betätigt wird und ein weiteres während dem nächsten Arbeitszyklus , die Ausname gibt es nur für den Sechstaktmotor , bei dem während einen Arbeitszyklus jeweils zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile betätigt sind .

Die Frequenz von Ventilbewegungen ist damit bei zwei Einlaß- und zwei Auslaßventilen halbiert , so daß die hohe Motordrehzahl nicht von den Ventilen aufgegriffen werden muß , was zu einem unsauberen Schließen und einem Ventilflattern führen würde.

In einzelnen weist der Hubkolbenmotor eine Gaszuführungseinheit auf, die über Gaszuführungskanäle mit dem Motor in Verbindung steht , und Abgaskanäle , denen ein Unterdruckerzeuger nachgeschaltet ist . Eine Kraftstoffeinspritzungsvorrichtung beaufschlagt die jeweiligen Arbeitsräume der Zylinder mit Kraftstoff , wobei die Einspritzung entweder direkt oder indirekt erfolgen kann.

Die Gaszuführung kann über einen Kompressor oder Turbolager erfolgen , so daß die den Brennraum beaufschlagende Luft vorverdichtet ist. Ebenso kann

I.

-3-der
Kraftstoff unter hohem Druck in den Arbeitsraum eingespritzt werden.

Der Antrieb des Kompressors oder Turbolagers kann identisch mit dem des Unterdruckerzeugers sein.

Der Hubkolbenmotor kann sowohl nach dem Dieselverfahren (Eigenzündung ) als auch nach dem Ottoverfahren (Fremdzündung) arbeiten oder der Verbrennungsmotor kann nur nach dem Dieselverfahren (Eigenzündung) bzw. der Verbrennungsmotor kann nur nach dem Ottoverfahren (Fremdzündung) herstellen sein und jeweils entweder einen Viertaktmotor - bei dem dauert der Arbeitszyklus eine Kurbelwelleumdrehung oder einen Viertaktmotor -bei dem dauert der Arbeitszyklus zwei Kurbelwellenumdrehungen oder einen Sechstaktmotor -bei dem dauert der Arbeitszyklus zwei

Kurbelwellenumdrehungen darstellen.

Das Einlaßventil und das Auslaßventil können sich überschneiden , daß zur besseren Spülung des Arbeitsraumes eine Überschneidungsphase von geöffnetem Auslaßventil und Einlaßventil stattfindet . Diese Überschneidung beträgt typischerweise 1-3° , ist allerdings nicht zwingend .

Der Unterdruckerzeuger ist als Vakuumpumpe ausgebildet, wobei der Antrieb über die Vakuumpumpe entweder selbst von der Verbrennungsmaschine erbracht werden kann oder durch einen separaten Antrieb oder durch einen gemischten Antrieb.

Der Unterdruckerzeuger kann entweder ständig einsetzt werden oder nur , um höhere Leistungen und Drehzahlen des Motors zu ermöglichen , also im Spitzenlastbereich.

Dadurch , daß während der Aufwärtsbewegung des Kolbens der Gegendruck im Arbeitsraum verringert ist , sind insgesamt höhere Motordrehzahlen und Leistungen erreichbar.

Um die hohen Motordrehzahlen realisieren zu können , sind vorzugsweise zwei . Einlaßventile und zwei Auslaßventile an dem Zylinder angeordnet, wobei für jedem Gaswechsel jeweils nur eins der beiden Einlaßventile und eines der beiden Auslaßventile öffnet.

Um dieses zu ermöglichen , werden die jeweils zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile als von ein bis zwei Nockenwellen getrennt- oder zusammen-

• *

-4-gesteuerte
Ventilpaare ausgebildet.

Eine solche Verringerung der Ventiltaktzahl gegenüber der Arbeitszykluszahl oder der Motordrehzahi ist natürlich bei verschiedenen Ventilanzahlen und Anordnungen möglich.

Die Anbringung eines Unterdruckerzeugers und seines Antriebs ist grundsätzlich auch als Nachrüstung bei einem ansonst bereits bestehenden Motor möglich. Eine Verringerung des Gegendruckes mit dem entsprechenden Energiespar- und Leistungssteigerungseffekten kann auch dann erzielt werden.

Die Beaufschlagung der Einlaßkanäle mit komprimierter Druckluft über einen Kompressor oder Turbolager oder der gleichen wird bei einem erfindungsgemäßen Motor in üblicher Weise derart gesteuert sein , daß die Zylinderversorgung auf die Versorgung mit Kraftstoff eingeregelt ist , also jeweils die passende Menge von Luft und Kraftstoff den Zylinder versorgen.

Mit einem vorliegendem Motor lassen sich sehr hohe Motordrehzahlen , beispielweise 10.000 bis 15.000 Umdrehungen pro Minute , je nach Auslegung mühelos erreichen.

Bei der Ausbildung des Dampferzeugers wird die Abwärme der Verbrennungsmaschine benutzt , um in einem Wärmetauscher eine Arbeitsflüssigkeit zu verdampfen , die dann ihrerseits eine Turbine antreibt. Diese kann Abtrieb sowohl für Unterdruckerzeuger als für eine Druckbeaufschlagung des Motors in Gestalt eine Kompressors oder Turbolagers dienen . Die Arbeitsflüssigkeit kann zusätzlich als Kühlflüssigkeit für den Unterdruckerzeuger dienen . Im Wärmetauscher wird sie von Brenngasen in den Abgaskanälen mit Wärme beaufschlagt, dabei der Verbrennungsmotor und der Dampferzeuger kann die Wärmeisolation haben .Der Abkühlungsmantel des Verbrennungsmotors und der Dampferzeuger können zwei getrennten Kreislauf die Kühlflüssigkeit und die Arbeitsflüssigkeit haben , dabei der Motor hat die Kühlflussigkeitpumpe und der Dampferzeuger hat Kühler und die Pumpe , oder sie haben einen vereinigen Kreislauf, Kühler und eine Pumpe .

Der gemischten Antrieb ist für Unterdruckerzeuger und für den Kompressor ausgebildet aber der Unterdruckerzeuger kann allein diesen gemischten Antrieb haben . Der Unterdruckerzeuger hat zwei Antriebe : der erste Antrieb ist von den Verbrennungsmotor und der andere Antrieb ist von der Turbine des Dampferzeugers . Wenn Verbrennungsmotor kalt ist, dann der

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Unterdruckerzeuger und Kompressor bekommen den Antrieb durch die
einseitige Überholungskupplung von dem Verbrennungsmotor aber wenn den Wärmetauscher zu arbeiten beginnt , dann der Unterdruckerzeuger und Kompressor werden von der Turbine des Dampferzeugers angetrieben , dabei die Turbine kann die Teil ihre Energie durch die einseitige Überholungskupplung zu dem Hubkolbenmotor leisten . Die einseitige Überholungskupplung kann mechanisch oder hydraulisch ausgebildet sein .
Die Ausbildung einen Motor mit dem Unterdruckerzeuger , der vier Takten hat und der nach einer Kurbelwellenumgrehung wieder in Ausgangslage befindlich ist:

1-Takt während der Aufwärtsbewegung des Kolbens findet dabei einerseits die Beaufschlagung des Zylinders mit verdichteter Luft statt,

2- Takt weiterhin wird komprimiert, am Ende Kompression wird Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung in den Zylinder eingespritzt , im Bereich des oberen Totpunkts erfolgt die Zündung,

3-Takt der Arbeitstakt nach Zündung des Gemisches beschrieben ist,

4-Takt erfolgt das Aussaugen der verbrannten Gase , wobei eine zusätzliche Arbeit am Kolben durch die Beaufschlagung des Brennraums mit Unterdruck geleistet wird.

Die Ventiltaktzahl ist daher gegenüber der Arbeitszykluszahl halbiert.

Weiter ist die Arbeitsweise eines Motors dargestellt, der vier Takten hat und der nach zwei Kurbewellenumdrehungen wieder in Ausgangslage befindlich ist:

1-Takt wobei während der Abwärtsbewegung des Kolbens der Zylinder mit vorverdichteter Luft durch den Druckförderer beaufschlagt wird ,

2- Takt ist der Kompressionstakt bezeichnet, an dessen Ende Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird,

3- Takt der Arbeitstakt ist wiederum bezeichnet, der Kolben bewegt sich vom oberen zum unteren Totpunkt ,

4- Takt findet der Aussaugtakt statt, wobei wiedeum gleichzeitig Arbeit am Kolben durch Unterdruckbeaufschlagung geleistet wird.

Die Ventiltaktzahl ist daher gegenüber dem Arbeitszykluszahl halbiert, wobei jeweils ein Einlaßventil und ein Auslaßventil während eines Arbeitszyklus betätigt wird und bei nächstfolgenden Arbeitszyklus das zweite Ventilpaar betätigt wird.

Eine weitere speziell Ablaufsteuerung fur einen Motor ist dargestellt, der sechs Takten hat und der nach zwei Kurbelwellenumdrehungen wieder in seine Ausgangslage befindlich ist ,und umfaßt die folgenden Arbeitsschritte :

1- Takt während der Abwärtsbewegung des Kolbens findet die

Beaufschlagung des Zylinders mit vorverdichteter Luft statt.

2-Takt weiterhin wird komprimiert, am Ende der Kompression wird

Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung in den Zylinder eingespritzt , im Bereich des oberen Totpunkts erfolgt die Zündung,

3-Takt der Arbeitstakt nach Zündung des Gemisches ist,

4-Takt erfolgt das Aussaugen der verbrannten Gase , wobei eine zusätzliche Arbeit am Kolben durch die Beaufschlagung des Brennraums mit Unterdruck geleistet wird,

5-Takt Ruhetakt, das Einlaßventil öffnet sich am oberen Totpunkt

fur kurze Zeit 1-5° der Kurbelwellenumdrehung , daß der Kolben vom oberen Totpunkt bis zum tieferen Totpunkt schleudern kann,

6-Takt weitere Arbeit am Kolben durch Unterdruckbeaufschlagung .

Die Ventiltaktzahl ist daher gegenüber der Arbeitszykluszahl gleich , wobei jeweils ein Einlaßventil und ein Auslaßventil während einer Kurbelwellenumdrehung betätigt wird und bei nächstfolgender Kurbelwellenumdrehung das zweite Ventilpaar betätigt wird.

Wie lange die Einlaßventile und die Auslaßventile öffnen sind , und wann die Einlaßventile und die Auslaßventile schließen und öffnen sich , ist abhängig von der Druckhöhe der Druckkraft des Druckforders und der Unterdruckhöhe des Unterdruckerzeugers .

Die Schema ist gültig für die Verbrennungsmotoren mit dem Unterdruckerzeuger , die besitzen die Einlaßventile und die Auslaßventile , dabei jeder Takt kann durch die Untertakten verteilt sein und die Takten können sich überschneiden.

Der Verbrennungsmotor arbeitet nach dem :

OTTO

Verfahren

DIESEL-Verfahren

Die andere Verfahren

Der Arbeitszyklus hat: vier Takten

sechs Takten

Der Arbeitszyklus dauert:

eine Kurbelwellenumdehung

zwei Kurbelwellenumdrehungen

Claims

• ·

Viktor Matern
Meppener Straße 150
49744 Geeste

Ansprüche

1 . Verbrennungsmotor mit zumindest einem Arbeitszylinder , in dem ein Kolben innerhalb eines Hubraumes oszillatorisch beweglich ist , wobei der Hubraum über zumindest ein Einlaß- und ein Auslaßventil mit Caszufuhrungs- bzw. Abgaskanälen verbindbar ist , dadurch gekennzeichnet , daß dem Verbrennungsmotor ein Unterdruckerzeuger zugeordnet ist, der zumindest während eines Teils einer Aufwärtsbewegung des Kolbens das oberhalb des Kolbens befindliche Zylindervolumen- mit einem Unterdruck beaufschlagt.
2 . Verbrennungmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet . daß der Unterdruck durch das Druckgefälle zwischen dem Zylindervolumen oberhalb und unterhalb des Kolbens eine Arbeit am sich aufwärts bewegenden Kolben leistet.
3 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet . daß der Unterdruckerzeuger durch zumindest ein geöffnetes Auslaßventil auf das Zylindervolumen einwirkt.
4 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , daß der Unredruckerzeuger eine auf die Abgaskanäle wirkende Vakuumpumpe umfaßt.
5 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , daß der Unterdruckerzeuger durch den Verbrennungsmotor antreibbar ist.
6 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet , daß der Unterdruckerzeuger durch einen separaten Antrieb antreibbar ist.

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7 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet , daß der Unterdruckerzeuger vom Antrieb der Ölpumpe des Verbrennungsmotor antreibbar ist.
8 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet . daß der Unterdruckerzeuger durch einen gemischten Antrieb antreibbar ist.
9 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor mehrere , von mehreren Nockenwellen betätigbare Einlaß- und Auslaßventile aufweist.
10 . Verbrennungsmotor nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet « daß der

Verbrennungsmotor zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile pro Zylinder und eine Nockenwelle aufweist, wobei jeweils alle Einlaß- und alle Auslaßventile von einer Nockenwelle betätigbar sind .
11 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10 , dadurch gekennzeichnet , daß der Verbrennungsmotor zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile pro Zylinder und zwei Nockenwellen aufweist, wobei jeweils nur ein Einlaß- und ein Auslaßventil von jedem Zylinder von einer Nockenwelle betätigbar sind.
12 . Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 9 bis 11 . dadurch gekennzeichnet , daß der Verbrennungsmotor zwei Einlaß- und zwei Auslaßventile pro Zylinder und zwei Nockenwellen aufweist , wobei jeweils alle Einlaßventile von einer Nockenwelle betätigbar sind und alle Auslaßventile von anderer Nockenwelle betätigbar sind .