DE2745923A1

DE2745923A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des drucks in verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE2745923A1
Application number: DE19772745923
Authority: DE
Inventors: Richard Florencio Blaser
Original assignee: Individual
Current assignee: Sonex Research Inc
Priority date: 1976-10-19
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1978-04-20
Also published as: GB1591124A; DE2745902A1; CA1096256A; ES463353A1; JPS5351318A; GB1591125A; IT1090516B; FR2368610A1; ES463354A1; FR2368610B3; FR2368609B3; SE7711646L; CA1133337A; SE435412B; DE2745902C2; SE7711645L; BR7706997A; JPS5351319A; DE2745923C2; JPS6110650B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrades der Arbeitsweise einer Verbrennungskraftmaschine und insbesondere eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren, welches die Steuerung der in der Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine erzeugten Drucke und Temperaturen durch Einstellen bestimmter Druck- und Temperaturparameter in der Verbrennungszone ermöglicht, um die Menge von Schadstoffen herabzusetzen, die von der Maschine während ihres Betriebes erzeugt werden.

Eine wirksame Umwandlung von Energie in nutzbare Arbeit ist das Ziel der Entwicklungsingenieure seit Verbrennungskraftmaschinen, die nach dem Otto-Prozeß arbeiten, wie Kolbenmaschinen, Drehkolbenmaschinen, Dieselmaschinen und dergl., geschaffen wurden. Im Hinblick auf die Seltenheit und die hohen Kosten der Kraftstoffe für Maschinen ringen Ingenieure und Konstruktionsingenieure seit eh und je mit den fundamentalen Problemen der Schadstoffemission und einer verbesserten Wirtschaftlichkeit, wobei sie sich jedoch immer bemühen, Verbesserungen auf diesen Gebieten nicht mit einem Opfer an Maschinenleistung und Wirksamkeit zu erkaufen. Auf diese Weise sind Verbrennungskraftmaschinen entstanden, die mit einem kritischen Kompromiß von Luft-Kraftstoffgemisch, Druck und Temperatur arbeiten, was dazu führt, daß die Maschine giftige Schadstoffe, wie CO, NOX und HC erzeugt, um eine adäquate Leistung zu erbringen. Hinsichtlich der NOX-Emissionen haben die Konstrukteure den Zündzeitpunkt verzögert und solche Einrichtungen wie Abgasrezirkulationssysteme eingeführt, wobei jedoch jede

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Maßnahme zu einem Absinken der Maschinenleistung führte und darüberhinaus die HC- und CO-Emissionen verstärkte. Diese verstärkten HC- und CO-Emissionen mußten sodann in teuren katalytischen Umwandlern aufbereitet werden, die wiederum bleifreie Kraftstoffe erforderten.

Ein weitergehender Eingriff in den Verbrennungsprozeß einer Verbrennungskraftmaschine kann nur zu einem Mischmasch von Maschinonsteuerungseinrichtungen führen, welche die Herstellungskosten der Maschine erhöhen, zu einer niedrigen Maschinenleistung und schlechter Kraftstoffwirtschaftlichkeit beitragen.

Die Erkenntnis, daß drnstische Konstruktionsänderungen an den Verbrennungskraftmaschinen nötig sind, um die vom Staat aufgestellten Schadstoffemissions-Gesetze zu erfüllen, hat sowohl in dor Industrie als auch beim Staat zu enormen Entwicklungsanstrengungen geführt, um den Verbrennungsprozeß zu untersuchen. Diese Anstrengungen haben zu verschiedenen Verfahren geführt, wie einer Änderung der Größe und Form der Verbrennungskammer, einer Versetzung der Zündkerze in der Verbrennungskammer, der Verwendung von Vielfachzündsystemen und der Verwendung von Verbrennungskammern mit geschichteter Beladung.

Die verschiedenen Modifikationen der Form der Verbrennungskammer in hn]bkugelförmige Kammern mit gleichzeitiger Änderung der üblichen Zündkerzenanbringung durch Konstruktion von Zündkerzen mit vergrößertem Elektrodenabstand hat zu einer Reduktion der HC-Emissionen geführt. Diese Konstruktionen bringen

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jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten bei der mechanischen Herstellung mit sich, welche die damit erreichte Reduzierung der Schadstoffemission mehr als aufwiegen.

Ein anderes gegenwärtig verwendetes Verfahren besteht in der Verwendung eines Vielfachzündsystems, um eine fackelähnlichc Flamme zu erzeugen, die in ein homogenes mageres Luft-Kraftstoffgemisch in der Verbrennungskammer hineinschießt, wobei die Fackel von dem gleichen Kraftstoff gespeist wird, wie sich in der Hauptverbrennungskammer befindet. Das Gemisch für die Zündfackel wird mechanisch von der Hauptverbrennungskammer durch eine Vorkammer abgezweigt, wobei dir· Vorkammer in dem Maschinenkopf ausgebildet ist und sich in die Hauptverbrennungskammer öffnet.

Weiterhin sind Maschinen bekannt, deren Verbrennungskammer mit einem geschichteten Gemisch beladen wird, wobei zahlreiche Variationen möglich sind. Die grundlegende Idee der Maschinen mit geschichteter Beladung ("SC-Motor") beruht darauf, daß ein fettes, leicht entzündbares Gemisch in die Nähe der Zündkerze und ein sehr mageres Gemisch im übrigen Teil der Verbrennungskammer vorhanden ist, so daß in verschiedenen Gebieten im Zylinder ein unterschiedliches Luft-Kraftstoffverhältnis herrscht, fett in einigen Bereichen und mager in anderen Dereichen, v;obc i das sich ergebende Gesamt-Luft-Kraftstoffverhältnis deutlich magerer ist als das stöchiometrische Verhältnis. Die Verbrennung findet in Stufen statt, wobei

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das kleine Volumen mit dom fetten Luft-Kraftstoffgemisch zunächst entzündet wird und eine Flamme erzeugt, die sich in der Verbrennungskammer ausbreitet, die mit sehr magerem Luft-Kraftstoffgemisch gefüllt ist, wobei eine bessere Entzündung und vollständigere Verbrennung dieser Bereiche möglich ist, als dies bei bekannten Verbrennungskraftmaschinen der Fall ist.

Vorstehend wurden einige wenige der mehr einschlägigen Einrichtungen unter den zahlreichen Vorschlägen beschrieben, die gemacht wurden, um die Schadstoffemission zu vermindern und die Maschinenleistung und Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Jeder Vorschlag hat einige Nachteile, die sich aus dem Zusammenwirken mit anderen Maschinenparametorn ergeben, die dem Viertaktprozeß oder dem Dieselprozeß eigentümlich sind. Im Hinblick darauf entstand in der Industrie ein Bedürfnis nach einer Verbrennungskraftmaschine, die in einem Gasprozeß arbeitet, der die Eigenschaften des Otto-Prozesses aufweist, jedoch mit einer zeitgesteuerten Verbrennung und die den Vorteil eines hohen Kompressionsverhältnisses und einer hohen Kraftstoffbeladung der Luft mit dem Wirkungsgrad und der besseren Kraftstoff oxidation des Dieselprozesses verbindet, ohne

25 dessen Nachteile wie hohen Druck, hohe Temperaturen und Klopfneigung aufzuweisen.

Mit der Erfindung solion die spezifischen Nachteile der vorstehend beschriebenen und ähnlicher Verfahren überwunden werden und eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen werden, das bzw. die es ermöglichen, eine Verbrenniinqskrnftmnschine nach einem Prozeß

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mit gesteuerter Wärmezufuhr bzw. einem Wärmeausgleichsprozeß zu betreiben, wobei die Leistung, die Eigenschaften hinsichtlich Schadstoffemission und die Fähigkeit, verschiedenste Kraftstoffe zu verbrennen, so sind, daß sie mit bekannten Maschinen, die nach den. Otto- oder Dieselprozeß arbeiten, weder erreicht werden, noch erreichbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Menge der Schadstoffe, die über den Abgasausstoß einer Verbrennungskraftmaschine in die Atmosphäre gelangen, zu reduzieren. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad bekannter Verbrennungskraftmaschinen zu steigern, ohne daß wesentliche Änderungen an der Maschine vorgenommen werden müssen.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, den Kraftstoffverbrauch einor Verbrcnnungskrnftmaschine zu senken.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die nach einem Prozeß mit kontrollierter Wärmezufuhr bzw. einem Wärmeausgleichsprozeß arbeitet, um eine Verbrennung zu er-

25 reichen, die relativ schadstoffrei ist.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine modifizierte Verbrcnnungskraftmaschine zu schaffen, die mit vorhandenen Technologien und bekannten Maschinen hergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die mit den ver-

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schiedensten Kraftstoffen betrieben werden kann und in deren Abgas keine oder wenig Schadstoffe enthalten sind.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, deren Verbrennungsprozeß so abläuft, daß die Druck- und Temperaturspitzen niedriger als diejenigen liegen, die bei bekannten Verbrennungskraf tmaschinen auftreten.

Die zu schaffende Verbrennungskraftmaschine soll mit Mehrfachkraftstoff betreibbar sein.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher Hubkolben- oder Drehkolbenmaschinen, die nach dem Otto- oder Dieselprozeß arbeiten, so abgewandelt werden können, daß sie nach einem Prozeß mit gesteuerter Wärmezufuhr bzw. einem WMrmeausgleichsprozoß arbeiten.

Die Rahmenaufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen der Otto-Prozeß vorhandener Verbrennungskraftmaschinen in einen Prozeß mit kontrollierter Wärmezufuhr bzw. einem Wärmeausgleichsprozeß verfeinert werden kann, der dadurch charakterisiert ist, daß er einen natürlichen, zeitgesteuerten Verbrennungsprozeß aufweist, um die Maschinenleistunq zu verbß5Sern und die Abqnr.Rchndstoffe zu eliminieren.

Zur Lösung dieser Aufgaben ist erfindungsgemäß in der Verbrennungskajnmer einer Verbrennungskraftmaschine eine Ausgleichskammer ausgebildet, die es ermöglicht, die

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Maschine während des Kompressions- und Arbeitshubes des Kolbens in einem abgeglichenen bzw. ausgewogenen Prozeß zu betreiben. Beim Ansaughub wird der Verbrennungskammer über eine Ventilanordnung direkt eine Luft- und Kraftstoffmenge zugeführt. Der durch den Atmosphärendruck auftretende Druckabfall und der zurücklaufende Kolben saugt einen Luft- und Kraftstoffstrom in die Verbrennungskammer ein, wobei die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemisches nicht homogen ist, d.h. kraftstoffreich am Kopf und magerer am Boden. Bei Beginn der Kompression wird das relativ magere Gemisch über einen Kanal in die Ausgleichskammer hineingepreßt, wobei der Druck in der Ausgleichskammer oder dem Reservoir in dem Maße ansteigt, in dem der Druck in der Verbrennungskammer ansteigt, wenn sich der Kolben in Richtung des oberen Totpunktes bewegt. Beim Zünden und Verbrennen des kraftstoffreichen Gemisches tritt ein Druckanstieg bei quasi konstantem Volumen ein, der eine Druckwelle durch den Kanal in die Ausgleichskammer oder das Reservoir treibt. Gleichzeitig pflanzt sich die Expansionswelle, welche die Druckwelle treibt, in der Verbrennungskammer fort und erniedrigt den Druck in der Verbrennungskammer. Infolge der Druckkompression der leicht verdünnten Luftfüllung im Reservoir tritt ein Druck-Ungleichgewicht auf, das die im Reservoir befindliche Luft nach außen in die Verbrennungskammer treibt und die Luft in der Verbrennungskammer ergänzt, wodurch eine vollständige Verbronnung des Kraftstoffs unterstützt wird. Diese Expnnsions-Kompressionr.-Wol 1 nn wirken während der Verbrennung beim Arbeitshub zukommen und treten oszillierend auf, so daß der Verbrennungskammer aus der Ausgleichskammer mehrere Male zusätz-

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liehe Luft zugeführt wird. Eine Zusatzwirkung der alternierend auftretenden Expnnsions-Kompressions-Wellen besteht darin, daß die Vorbrennungszone mit Überschau- bis Schallgeschwindigkeiten durchmischt wird. Die schwachen Druckwellen bewirken beim Durchlaufen der Verbrennungskammer eine Aufspaltung der Kraftstoffpartikel und zerstäuben diese auf wirksame Art und Weise, so daß eine schnelle Verbrennung erfolgt und die Notwendigkeit entfällt, den Kraftstoff durch Vergaser oder ähnliche Einrichtungen zu zerstäuben, wenn der Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingesaugt wird.

Das Reservoir bzw. die Ausgleichskammer in der Verbrennungskammer wird dadurch gebildet, daß eine Druckwechselkappe einen bestimmten Abstand von der Kolbenoberfläche weg angeordnet wird. Drr Durchmesser der Kappe ist kleiner als der Durchmesser des Zylinders, so daß ein Spalt oder Kanal zwischen der Umfangskante der Kappe und der Zylinderwand entsteht. Die Kappe wird von den verbrennenden Gasen während dos Verbrennungstaktes erhitzt und wirkt als Wärmetauscher, der während des Kompressionstaktes die Gase in der Verbrennungskammer erhitzt. Der Kraftstoff wird der Verbrennungskammer mittels eines vergaserähnlichen Systems oder mittels eines Einspritzsystems über ein Ansaugrohr und eine Einlaßventileinrichtung zugeführt. Ein Lufteinlaß ist vorgesehen, um den Eintritt von Atmosphärenluft direkt in die Verbrennungskammer immer dann zu ermöglichen, wenn das Einlaßventil öffnet und bevor noch Kraftstoffgemisch in die

30 Verbrennungskammer einströmt, so daß die Ausgleichskammer bzw. das Reservoir mit im wesentlichen kraftstoffreier Luft gefüllt wird.

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Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen, um den Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen zu erhöhen und deren relativ Schadstoffreien Betrieb zu ermöglichen. Dabei wird der Gasprozeß einer Verbrennungskraftmaschine verfeinert indem in der Hauptverbrennungskammer jedes Zylinders eine sekundäre Ausgleichskammer gebildet wird, in der keine Verbrennung stattfindet. Die Ausgleichskammer ist auf der Kolbenoberseite oder im Kolbenkörper ausgebildet und wirkt während des Gasprozesses als Druckwechsel- oder Druckwellenerzeuger. Dies erlaubt die Steuerung von Druck und Temperatur innerhalb der Druckkammer während des Freisetzens von Wärme infolge der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches während des Arbeitshubes der Maschine. Die Vorrichtung, d.h. die Ausgleichskammer, steuert den Druck und die Temperatur während dieses Prozesses durch das Erzeugen von Expansions- und Kompressionswellen in der Brennzone während des Verbrennens des Kraftstoffes, wobei die Wellen ohne Unterbrechung während des gesamten Arbeitshubes jedes Zylinders der Maschine aufeinander folgen. Der oszillierende Druckwechsel zwischen den Expansions- und Kompressionswellen innerhalb der Druckkammer während der Kraft stoff verbrennung führt der Verbrennungskammer saubere Luft zu, durch welche die Verbrennung vollständiger von statten geht, und erniedrigt die Verbrennungstemperaturen und Drucke beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, so daß auch die Bildung von Schadstoffen im Abgas der Maschine verringert wird.

Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

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Fig. 1 das Druck-Volumendiagramm des Otto-Prozesses ,

Fig. 2 das Druck-Volumendiagramm des Dieselprozesses,

Fig. 3 das Druck-Volumendiagramm des Prozesses

mit ausgeglichener Wärmezufuhr bzw. des Wärmeausgleichsprozesses, 10

Fig. 4 die schematische Darstellung der erfin-

dungsqemäßen Vorrichtung, eingebaut in eine Verbrennungskraftmaschine,

Fig. 4a und 4b schematische Darstellungen von Formen

der Druckwechsel-Kappe,

Fig. 5 (A-G) Darstellungen der aufeinanderfolgenden

Arbeitstakte des Prozesses mit ausgeglichener Wärmezufuhr bzw. des Wärme-

ausgleichsprozesses,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eingebaut in eine Drehkolben-Verbrennungskraft

maschine, und

Fig. 7 eine Draufsicht auf den Rotor nach Fig.

mit Ausgleichskammer. 30

Es folgt ein Vergleich der drei idealen Gasprozesse, des Otto-Prozesses, des Dieselprozesses und des Wärmeausgleichsprozesses. Der Vergleich soll das Verständnis

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des Wärmeausgleichsprozesses und seiner Anwendung beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Druckausgleichskappe vertiefen.

In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Druck-Volumendiagramm eines Verbrennungsprozesses gezeigt, der üblicherweise als Gleichraum-Prozeß oder Otto-Prozeß bezeichnet wird. Beginnend beim Punkt a wird Luft unter Atmosphärendruck in einem Zylinder adiabatisch auf den Punkt b komprimiert, bei gleich gehaltenem Volumen auf den Punkt c erhitzt, adiabatisch auf den Punkt d expandiert und bei konstantem Volumen auf den Punkt a abgekühlt. Danach wird der Prozeß wiederholt. Die Linie ab entspricht dem Kompressionshub, bc der Explosion, cd dem Arbeitshub und da dem Ausstoßhub einer Verbrennungskraftmaschine. V₁ und V_? sind die maximalen bzw. minimalen Luftvolumen im Zylinder. Das Verhältnis V. zu V_ ist das Kompressionsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine.

Die dem Prozeß zugeführte Wärme Q ist diejenige Wärmemenge, die bei konstantem Volumen entlang der Linie bc zugeführt wird. Die Auspuffwärme LQ, welche die verlorene Wärmemenge darstellt, wird entlang der Linie da abgeführt. Die nachfolgenden vereinfachten Gleichungen ergeben den Wirkungsgrad des Otto-Prozesses:

(1) Q= bei konstantem Volumen zugeführte Wärmemenge
LQ = abgeführte Wärmemenge

³⁰ (2) η otto = ^AQ _A-_Q ^LQ

"Hotto = Wirkungsgrad

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In Fig. 2 ist der Diesolprozeß einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt, dessen Wirkungsweise nachfolgend im Vergleich zum Otto-Prozeß beschrieben werden soll. Der ideale Gas-Dieselprozeß beginnt im Punkt a, in dem Luft adiabatisch auf den Punkt b komprimiert wird, bei konstantem Druck auf den Punkt c erhitzt, adiabatisch auf den Punkt d expandiert und schließlich bei konstantem Volumen auf den Punkt a abgekühlt wird. Da sich beim Kompressionshub im Zylinder einer Dieselmaschine kein Kraftstoff befindet, können keine Frühzündungen auftreten und die Kompressionsverhältnisse sehr viel höher sein als die eines Otto-Motors. Mit dem Dieselprozeß kann daher ein etwas besserer Wirkungsgrad erreicht werden, als mit dem Otto-Prozeß. Die folgenden vereinfachten Gleichungen definieren die verschiedenen Parameter des Dieselprozesses:

(3) Q = unter konstantem Druck zugeführte Wärmemenge
LQ = abgeführte Wärmemenge

(4) 1 Diesel =

^Diesel = Wirkungsgrad

Dem in Fig. 3 in einem Druck-Volumendiagramm dargestellten Wärmeausgleichsprozeß liegt die gleiche zugeführte Wärmemenge Q zugrunde, wie den anderen Prozessen. Die Linie ab entspricht dor adinbntischen Kompression, bcc' der Wärmezufuhr, wobei bc den Teil der Wärme zeigt, der bei konstantem Volumen und cc' den verbleibenden Teil der Wärme, der bei konstantem Druck zugeführt wird, c'd die adiabatische Expansion und da den Auspuff. Aus

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dem Diagramm ist ersichtlich, daß die Wärmemenge Q in
zwei Teilmengen aufgeteilt wurde, den Teil AQ, der bei konstantem Volumen und den Teil BQ, der bei konstantem Druck zugeführt wird. Insgesamt wird somit die gleiche Wärmemenge Q erhalten, außer daß dieser Parameter nunmehr in zwei Teile zerfällt. Die folgenden vereinfachten Gleichungen zeigen die Beziehung der Verfahrensparameter des Wärmeausgloichsprozesses:

10 (5) AQ + BQ = Q

AQ = die bei konstantem Volumen zugeführte Wärmemenge

BQ = die bei konstantem Druck zugeführte Wärmemenge
15

wird definiert π Is

Das Ausgleichsverhältni

und B =

1 + ß ist.

Der Otto-Prozeß stellt die Grenze für A = 1 und der
Dieselprozeß die Gren/o für A=O dnr. Eine Veränderung von 3 kombiniert den Otto- und den Diesc]prozcß.
Der Wirkungsgrad des Wärmeausgloich.sprozor.ses kann

30 wie folgt berechnest werden:

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(9)

_ Q ~	LQ _ AQ+BQ-L[AQJ	Q	-L	L	[BQ]
Q _ AQ -	L[AQ] _ BQ	Q - L[BQ]
Q _ _Λ AQ	- L[QA]	Q BQ -	[BQ]
.AQ-	AQ L[AQ] BQ	BQ - L	[QB]
_ _Λ AQ	Q η BQ ■
L[QB]

do) τι a + β

^{1101 η}0 ^A AQ ^B BQ Bei Bezugnahme auf den Wirkungsgrad der Prozesse ist

Ήρ'

k-1

= 1 - i-

a_ok ^B

wobei ν =

(
\^P4/

\ 1

' k und r = vr ist.

Der Wirkungsgrad des qcnteuorten Wärmeausgleiclisprozesses ergibt sich damit zu

(11) η₀ -

k-1

1 + 3

4-

k(a_B -

Die Grenzen des Wirkungsgrades des Wärmeausgleichsprozesses sind diejenigen des Otto- bzw. Diesel processes gleicher Auslegung und glrichem Kompressionsverhiiltnis, oder:

,- k-1

VrJ k(a - 1)

wenn 3 ' 0 oder A -» 1 , Otto-Prozeß B -* 0

wenn 3 > ~ oder A -» 0, Dieselprozeß

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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform einer Ausgleichskammer dargestellt, die an einem Kolben einer Verbrennungskraftmaschine anqoordnet ist und bewirkt, daß die Maschine nicht mehr im Otto-Prozeß, sondern in einem Viertaktprozeß mit Wärmeausgleich arbeitet. Die Zylinderkammer für einen hin- und hergehenden Kolben 14 wird vom Motorgehäuse oder Block 10 gebildet. Kolben 14 ist mit einem Kolbenbolzen 13 an einer Pleuelstange 11 befestigt. Pleuelstange 11 ist mit der Kurbelwelle 12 über ein Achsenlager verbunden, welches eine Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 14 in mechanische Drehenergie ermöglicht, die dazu verwendet werden kann, Maschinen, ein Kraftfahrzeug oder oino ähnliche Einrichtung an-

15 zutreiben oder sonstige Arboit zu verrichten.

Die innere Wand des Motorgehäuses 10, die am Kolben 14 anliegt, bildet eine ZyIinderwand 36, die mit Kolbenringen 15 in Berührung steht, um zwischen dem sich bewegenden Kolbon 14 und der Zylinderwand 36 eine gasdichte Passung zu bilden, die ein Entweichen des unter hohem Druck stehenden Gases verhindern soll, das durch den in der Verbrennungskammer 38 verbrennenden Kraftstoff erzeugt wird. Am Motorgehäuse 10 ist ein Zylinderkopf 37 angeordnet, dessen innere, zurückgesetzte Bereiche zusammen mit dem obersten Teil des Motorgehäusen 10 eine geschlossene Verbrennungskammer bilden. Der Zylinderkopf 37 weist zwei öffnungen, K in.laß und Auslaß,auf, dir mittnls eines Auspuffvcnti1s 23 und ninos Einlaßventils 28 geöffnet bzw. geschlossen wordon. Dir Ventile worden in zeitlicher Abhängigkeit des sich hin- und herbewogen-

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den Kolbens 14 über Ventilhebel, Stößelstangen, Nockenwellen und dergl. (nicht gezeigt) geöffnet und geschlossen, so daß die Verbrennungskraftmaschine in einem Viertakt-Otto-Prozeß ' arbeitet .

Am Zylinderkopf 37 ist ein Ansaugrohr 27 angeordnet, das einen geschlossenen Kanal für den in die Verbrennungskammer strömenden Kraftstoff und die atmosphärische Luft bildet. Ein Luftfilter 33 ist vorgesehen, um die in einen Vergaser 29 über eine Venturidüse 35 eintretende Luft zu filtern. In der Venturidüse befindet sich ein Auslaß 41, der über ein Ventil und eine Kraftstoffleitung 31 mit einem Kraftstofftank 32 verbunden ist. Die durch die Venturidüse 35 strömende Luft erzeugt ein Vakuum, das Kraftstoff aus dem Tank 12 in die Verbrennungskammer 38 einsaugt. Der Vergaser 29 kann durch andere Kraftstoff Zuführeinrichtungen wie Kraftstoff injektoren oder dergl. ersetzt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Eine Drosselplatte 34, die mit einem Hebelwerk (nicht

20 gezeigt) verbunden ist, steuert die Höhe des Vakuums in der Venturidüse 35 über eine Drosselung des Luftstromes. Entsprechend wird auch die Kraftstoffmenge, die dem Motor zugeführt wird, kontrolliert. Ein zusätzliches nicht-gezeigtes Hebelwerk kann mit dem

Lufteinlaß 26 verbunden sein, um noch zusätzlich die Menge atmosphärischer Luft zu steuern, die dem Motor während des Betriebes zinieführt wird. Durch die Anordnung des liUf tt'inlasscr. /(>, diT mit der π tmosph.ir i schon Luft in Verbindung steht, ist es möglich, beim Saughub des Motors der Verbrennungskammer 38 ein großes Luftvolumen zuzuführen, bevor noch die mit Kraftstoff beladene Luft einströmt. Dieser Lufteinlaß ist unmittelbar

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am Einlaßventil 28 angeordnet, wie in Fig. 4 gezeigt, es kann aber auch an joder anderen Stelle zwischen dem Vergaser 29, einem Kraft stoffejektor oder einer anderen kraftstoffliefernden Einrichtung und der öffnung des Einlaßventils oder dem Einlaßventil 28 angeordnet sein.

Eine Zündkerze 24 ist im Zylinderkopf 37 in bekannter Art und Weise angeordnet und erzeugt in der Verbrennungskammer 38 in geeiqneter zeitlicher Reihenfolge mit den anderen Elementen des Motors einen Funken, der den in der Verbrennungskammer 38 befindlichen Kraftstoff entzündet, welcher schließlich die Kraft zum Treiben des Kolbens 14 liefert.

15 Ein Kappenelement 19 ist, auf der Oberseite

des Kolbens 14 mittels einer Niete, eines Bolzens oder eines ähnlichen Befestiqungsmittels befestigt. Der kappenähnliche Bereich 13 i r>t pilzförmig mit einem mittig angeordneten dicken zylindrischen Schaft, dessen eine Kreisfläche mit einer entsprechenden Kreisfläche des Kolbens 14 in Berührung steht. An die andere Kreisfläche des Schaftes 17 ist eine relativ dünne zylindrische Kappe 20 einstückig angeformt, deren umfänglicher Rand von der Zylinderwand 36 einen bestimmten Abstand aufweist. Die verbleibende Fläche des Kolbens 14, die Höhe des Schaftes 17 und die Innenfläche der Kappe 20 bilden eine Kammer 16, die mit der Verbrennungskammer nur über einen Spalt oder Kanal 18 in Verbindung steht. Der Spalt 18 wird einerseits durch die innere Zylinderwand und andererseits durch die Kante der Kappe 20 bestimmt, die sich um den gesamten Umfang der Kappe oder nur einen Teil des Umfangs der Kappe herum erstreckt. Kammer 16

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ist auf ihrer Unterseite durch die Kolbenringe 15 abgedichtet. Die Kammer 16 wird somit von einem Teil der Oberfläche des Kolbens 14, einem Bereich der Innenfläche von Kappe 20 und der zylindrischen Wand des Schaftes 17 gebildet.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Kappenelement 19 am Kolben befestigt. Das Element kann jedoch auch einstückig mit dem KoI bon 14 ausgebildet sein und die Kammer im Kolben in der gleichen Weise wie eine Kolbenringnut eingefräst oder eingedreht sein. Bei der gezeigten Ausführungsform hat Kammer 16 parallele Seitenwände, die Seitenwände können jedoch auch schräg verlaufen, so daß eine kegelstumpffürmige Kappe 42 entsteht, wie es in Fig. 4a gezeigt ist, oder auch diametral gegenüberliegende Seitenwände, die eine Ausgleichskammer oder Reservoir 16 bilden, ohne daß das Lösungsprinzip der Erfindung verlassen wird.

Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im VJär meausgleichsprozeß kann am besten unter Bezugnahme auf Fig. 3 verstanden werden, welches das p-v-Diagramm eines im Wärmeausgleichsprozeß laufenden Motors während seiner Viertaktbetriebsweise darstellt. In Fig. 5A ist der

25 Kolben 14 dargestellt, der seinen Ausstoßhub gerade beendet, wobei das Auspuff- bzw. Auslaßventil 23 gerade schließt und Kolben 14 sich nach oben bewegt und den verbrannten Gasstrom, der mit Pfeilen angedeutet ist, über die Auslaßventilöffnung durch einen

30 Kanal in die Auslaßleitung 22 drückt. Zu dieser Zeit ist Einlaßventil 28 geschlossen und über die Ansaugleitung 27 tritt weder Luft noch Kraftstoff in die

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Verbrennungskammer ein. Der in der Nähe der Einlaßventilöffnung angeordnete Lufteinlaß 26 ermöglicht das Einströmen einer gewissen Menge kraftstoffreier Luft unter Atmosphärendruck, die das gesamte Volumen der Ansaugleitung bis zur Venturidüse 35 hin ausfüllt. V/enn das Einlaßventil 28 öffnet, dieses Stadium ist in Fig. 5B dargestellt, bewegt sich Kolben 14, der sich in der Nähe des oberen Totpunktes befindet, nach unten und vergrößert damit den oberhalb des Zylinders befindlichen Raum. Unter der Wirkung des Atmosphärendruckes und dem infolge des sich nach unten bewegenden Kolbens verminderten Druckes in der Verbrennungskammer wird Luft in den Zylinderraum hineingezogen. Die zunächst in die Verbrennungskammer 38 eintretende Luft ist diejenige Luftmenge, die sich in der Ansaugleitung befand und die über Lufteinlaß 26 weiterhin ergänzt wurde, solange in der Venturidüse 35 das Vakuum nicht hoch genug ist, um kraftstoffbeladene Luft in die Zylinderkammer hineinzuziehen. Wenn der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht, ist der Zylinderraum mit einer Luftladung gefüllt, die vom Zylinderkopf 37 zum Kolben 14 unterschiedlich stark mit Kraftstoff beladen ist. Die Ladung ist in der Nähe des Zylinderkopfes sehr reich an Kraftstoff und magert nach unten zu aus, wobei in der Nähe der Oberfläche der Kappe 20 und innerhalb der Kammer bzw. des Reservoirs 16 nahezu kein Kraftstoff mehr vorhanden ist.

Wenn der Kolben 14 seinen untersten Punkt im Zylinder erreicht hat, ist der Druck im Zylinder immer noch un- terhalb dem Atmosphärendruck und zusätzliche Luft und Kraftstoff können in den Zylinder eintreten, sogar nachdem der Zylinder begonnen hat, sich wieder nach oben zu bewegen. Das Einlaßventil 26 schließt daher

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solange nicht, bis nicht die Pleuelstange 11 eine bestimmte Wegstrecke vom unteren Totpunkt entfernt ist, wie dies am besten aus Fig. 5C ersichtlich ist.

5 Nach Beendigung des Saucjhubos sind beide Ventile 23, 28 geschlossen und Kolbon 14 bewegt sich im Kompressionshub nach oben (Fiq. 5D). Kolben 14 komprimiert

das Luft-Kraftstoffgemisch, indem er es nach oben in den abnehmenden Raum zwischen der Oberseite des Zylinders und dem Zylinderkopf hineinpreßt, der die Verbrennungskammer 38 darstellt. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 14 wird eino bestimmte Menge des an dieser Stelle sehr mageren Lufh-Kraftstoffgemisches in das Reservoir bzw. die Kammer 16 einströmen. Während des Betriebes des Motors erhitzen die verbrannten Gase das Kappenelement 19, der dnmit als zusätzlicher Wärmetauscher fungiert und wiederum das Km ΠνΙοΓ f cjoin i sch während der Kompression erhitzt, wenn die.scs über und um die Kappe herumst- römt. Diese Maßnahme führt so-

20 mit zu einem zusätzlichen Erhitzen der Gase.

In Fig. 5E ist die erste Phase der Verbrennung gezeigt, wobei sich der Kolben 14 in der Nähe des oberen Totpunktes befindet und beide Ventile geschlossen sind. Kolben 14 hat das Luft-Kraf tstof fcjemisch komprimiert, um den sich expandierenden Gasen eine noch größere Kraft zu vermitteln, wenn die Verbrennung stattfindet. In diesem Zeitpunkt zündet ein Funken das Kmftrstoffgemisch dessen Explosivkraft den Kolben 14 nbwnrtstreibt. Der Druckanstieg bei quasi konstantem Volumen, die Verbrennung ist in Fig. 3 .ils Linie ve dargestellt, treibt eine Kompressions-Druek-WelIe über den Kanal bzw. Spalt

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18 in die Kanuner bzw. das Reservoir 16, wodurch die Luftfüllung an den inneren Wänden des Reservoirs 16 komprimiert wird. GIc ichzeitig erreicht die von der Verbrennung der Gase erzeugte Expansionswelle, welche die Druckwelle treibt, den Raum zwischen der Oberseite des Kolbens 14 und dem Zylinderkopf 37 und erniedrigt den Druck in der Verbrennungskammer 38. Infolge der schlagartigen Kompression des sehr mageren, im wesentlichen kraftstoffreien Gemisches im Reservoir 16 tritt ein Druckungleichgewicht auf, das ein Ausströmen der in Kammer 16 befindlichen mageren Luft über Kanal 18 in die Verbrennungskammer 38 bewirkt. Dieser Zustand ist am besten in den Fig. 5F und Fig. 3 dargestellt, wobei die Linie cc¹ den Teil der Verbrennung zeigt, der bei quasi konstantem Druck abläuft. Die Pleuelstange 11 übertriiqt die beim Arbeitshub erzeugten Kräfte auf die Kurbelwelle 12, wodurch diese in Drehung versetzt wird und Arbeit abgeben kann.

Der Ausstoß- bzw. Auspuffhub beginnt, wenn der Kolben am Ende des Arbeitshubes den unteren Totpunkt erreicht. Dieser Zustand ist am hosten in Fig. 5G dargestellt. Auslaßventil 23 öffnet, Kolben 14 bewegt sich im Zylinder nach oben und drückt die verbrannten Gase über die Auslaßventilöffnung in die Auslaßleitung 22. Am Ende des Ausstoßhubes schließt das Auslaßventil 23 und der Saughub beginnt wieder, womit sich der Arbeitszyklus des Motors wiederholt.

Das Zusammenwirken des Reservoirs und der Verbrennungskammer ist von entscheidender Bedeutung für den richtigen Wärmeausgleich des Arbeitsprozesses des Motors. Um

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die notwendige oszillierende Wirkung der Expansionswellen der Kompression während des Arbeitshubes zu erzeugen, die aufeinanderfolgend in der Verbrennungszone aufeinander einwirken und eine Art Pumpwirkung erzeugen, durch welche kraftstoffreie Luft aus Kammer 16 angesaugt wird, müssen das Volumen der Verbrennungskammer A, das Volumen des Reservoirs B und der Spalt bzw. Kanal 18 in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Das Ausgleichsverhältnis ß = ν nach Gleichung (7) ist bei einer Verbrennungskraftmaschine normalerweise im Bereich von 0,2 bis 3,0. Die Spaltweite des Kanals 18 sollte etwa in der Größenordnung von 1,27 mm bis 5,08 mm liegen. Der untere Wert gilt dabei für Zylinder von Auto-

15 motoren mit Standardgröße, die höheren Werte eher für Motoren mit Eigenziindunq.

In Tabelle I sind die Drucke und Temperaturen an bestimmten Stellen der Druck-Volumenkurve der Fig. 1 bis 3 zweier identischer Motoren angegeben, wobei ein Motor nach dem Wärmoausqleichsprozeß und der andere nach dem Otto-Prozeß arbeitet.

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	Punkt	Otto-Prozeß V ZV- * 8 0 ^a 0	tat] (Psi)	Tabelle	I	Wärmeausgleichsprozeß V₁ZV₂ =80= 0,43	[at] (Psi)	Temperatur [⁰K] (⁰R)	Punkt
		Druck				Druck
	a		(14,7)				(14,7)	333,33 (600)	a
8608	ι ^a	1,035	(240)	Temperatur [⁰K] (⁰R)		1,035	(240) ; j	666,66 (1200) I	b
co	C	16,9	(1000)		16,9	(670)	1555,55 (2800)	C
O	C	70,42	(1000)	333,33 (600)	47,18	(670) ι	1705,55 (3070)	C¹
co		70,42	666,66 (1200) ,	47,18
*"»		2766,66 (4980)
	2766,66 (4980) I

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CTl CD

Ein Zweitaktmotor hat einen ähnlichen Verbrennungsprozeß wie ein Viertaktmotor, benötigt jedoch für die Vollendung des Prozesses nur eine Umdrehung der Kurbelwelle und kann daher ebenfalls so modifiziert werden, daß er nach einem Wärmeausgleichsprozeß arbeitet.

Der Kompressionshub des Arbeitskolbens saugt eine Frischluftladung in das Kurbelgehäuse. Beim Kompressionshub wird diese Ladung komprimiert und Kraftstoff in die

10 Verbrennungskammer eingespritzt. Ein Kappenelement,

das ähnlich aufgebaut ist, wie das zuvor beschriebene, unterstützt die Verbrennung beim Abbrennen des I.uft-Kraftstoffgemisches in der Verbrennungskammer in gleicher Weise, wodurch der Arbeitsprozeß des Motors zu

15 einem Wärmeausgleichsprozeß verfeinert wird.

Die beschriebene Vorrichtunq zur Modifizierung von Hubkolbenverbrennungsmotoren, d.h. solchen, bei denen die Kraft zunächst auf in Zylindern hin- und hergehende Kolben ausgeübt wird, die wiederum eine Kurbelwelle treiben, welche die hin- und hergehende Bewegung in eine Drehbewegung umsetzt, kann ebenfalls die Leistungsdaten von Drehkolbenmaschinen verbessern. Bei diesen Drehkolbenmotoren wird das Drehmoment durch die Wirkung eines Rotors erzeugt, der sich in einer oval geformten Verbrennungskammer dreht, wie beispielsweise bei einem Wankei-Motor.

Der konventionelle Kolbon wird durch einen dreiseitigen Rotor 60 ersetzt, wie flios in Fig. 6 gezeigt ist. Rotor-Verbrennungstaschon werden an einem Einlaß 51, einer Zündkerze 61 und einem Auslaß 67 vorbo Lb<>wotjL, um eine

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rotierende Verbrennung zu erreichen. Der Verbrennungsprozeß folgt dem bekannten Viertaktschema, dem Otto-Prozeß, einer Verbrennungskraftmaschine in Aufeinanderfolge von Saughub, Kompressionshub, Arbeitshub und Ausstoßhub, wie dies in dem Druck-Volumendiagramm in Fig. 1 dargestellt ist. Wird ein solcher Motor mit Kanunern oder Reservoiren versehen, wird sein Prozeß so verfeinert, daß der Motor in einem Wärmeausgleichsprozeß arbeitet, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, und vorstehend im Hinblick auf einen Hubkolbenmotor beschrieben wurde.

In Fig. 6 ist ein Drehkolbenmotor 50 mit einem Rotor 60 dargestellt, in dem oin Reservoir bzw. Ausgleichskammer 66 angeordnet ist. Das Reservoir 66 wird dadurch gebildet, daß die normalen Vertiefungen 68 im Rotor mit einem plattenförmigen Toil oder einer Kappe teilweise geschlossen werden. Das Teil ragt quer über die Vertiefung 68 und ist in Fig. 7 gezeigt. Eine Öffnung oder Kanal 64 wird einerseits durch eine Fläche der tassenförmigen Vertiefung und andererseits durch einen länglichen, lippenähnlichen Vorsprung 71 gebildet, welcher eine Kante des plattenförmigen Teils 63 bildet. Der lippenförmige Bereich ragt nach innen gegen die Vertiefung und formt eine sich verjüngende enge Öffnung, welche den Kanal an der Mündung der Ausgleichskanuner bzw. des Reservoirs 66 definiert. An der Rückseite des Reservoirs 66 ist eine wesentlich kleinere Öffnung 65 angeordnet, so daß der Querschnitt des Reservoirs 66, der das Seqment eines Halbkreises darstellt, sich von Lippe bzw. Vorsprung 71 zur Öffnung 65 hin allmählich verjüngt. Selbstverständ-

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lieh können auch anders ausgebildete Kammern verwendet werden, solange das Ausqleichsverhältnis der Volumen gemäß Formel (7) beachtot wird. Obwohl nur ein einziges Reservoir am Rotor 60 dargestellt ist, können jeweils Reservoire ähnlicher Ausbildung an jeder der beiden anderen Seiten des Rotors angeordnet sein. Eine Welle 62 mit geeigneter Innen- und Außenverzahnung ist mit dem Rotor 60 verbunden, um die Kraft an einen entsprechenden Abnehmer zu übertragen.

Der Drehkolbenmotor 50 hat zwei öffnungen, eine Einlaßöffnung 51 und eine Auslaßöffnung 67, zum Einsaugen bzw. Ausstossen der Gase. Am Oeh .Ί use dos Motors 50 ist eine rohrförmige Einsaugleitung 49 mit einer Venturidüse 48 angeordnet, deren anderen Ende sich über einen Filter 43 in die Atmosphäre öffnet. Eine Kraftstoffleitung 45 führt von einem Kraftstofftank 44 in die Venturidüse 48, welche infolge flos Unterdrucks, der durch den Luftstrom durch die Venturidüse 48 erzeugt wird, Kraftstoff in den Motor 50 hineinzieht. Zwischen der Einlaßöffnung 51 und dem Km ft stof feinlaß ist pin zusätzlicher Lufteinlaß 47 mit oinom Filter 46 angeordnet, durch welchen Luft in die Einsaugleitung 49 eingespeist werden kann. Es können selbstverständlich auch andere Einrichtungen zur Kraftstoffzufuhr wie Kraftstoffeinspritzer oder dergl. verwendet worden, um dem Drehkolbenmotor 50 den nötigen Kraftstoff zuzuführen.

Im Betrieb dreht sich dor Rotor f>0 um seinen gcomctrisehen Mittelpunkt; glrichzcitiq bewegen sich die Innenverzahnungen 62 im Rotor 60 auf einem exzentrischen Weg. Im Ergebnis bleiben alle drei Ecken des Rotors

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bzw. seiner Flügel in ständiger Berührung mit der Gehäusewand. Wenn sich Rotor 60 dreht, bilden die drei Rotorflügel drei sich bewegende Verbrennungskammern von sich ständig änderndem Volumen. Diese Änderung jeder der drei Verbrennungskammern bewirkt das Ansaugen, die Kompression, den Arbeits- und Ausstoßeffekt, die dem Viertaktprozeß eines Hubkolbenmotors ähneln.

In Fig. 6 ist der Rotor 60 beim Ansaughub dargestellt, wobei die betreffende Verbrennungskammer mit einer Ausgleichskammer 66 versehen ist. Die Einlaßöffnung 51 wurde von dem sich bewegenden Rotor freigegeben und die Verbrennungskammer beginnt sich mit Luft aus der Einsaugleitung 49 zu füllen, die über Lufteinlaß 47 nachströmt. Unmittelbar anschließend wird über die Venturidüse 48, die Kraftstoffleitung 45 und die durch den Luftfilter 43 strömende Luft ein kraftstoffreiches Gemisch zugeführt. Daß; zunächst in die Verbrennungskammer strömende magere Luft strömt in die Ausgleichskammer 66, so daß beim weiteren Füllen der Verbrennungskammer mit dem Luft-Kraftstoffgemisch sich an der Außenwand der Verbrennungskammer ein relativ fettes Gemisch bildet, das gegen die Fläche des Rotors hin magerer wird. Wenn sich Rotor 60 weiterdreht, wird Einlaßöffnung 51 geschlossen und die Verbrennungskammer enthält das maximale Luft-Kraftstoffgemisch. Eine weitere Drehung des Rotors verkleinert das Volumen der Verbrrnnunqskammer, komprimiert das Luft-Kraftstoffgcnüscli und I reibt l.uTt in die Ausgleichskammer 66 hinein. Das komprimierte Gas wird durch eine Zündkerze 61 entzündet und expandiert sich. Der Druck steigt bei quasi konstantem Volumen an und

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treibt eine Kompressionsdruckwelle in die Ausgleichskammer 66. Gleichzeitig breitet sich in der Verbrennungskammer eine Expansionswelle aus, welche die Druckwelle treibt und den Druck in der Kammer absenkt. Da 5 sich infolge der Druckwelle ein Druckungleichgewicht einstellt, strömt Luft aus der Ausgleichskammer in die Verbrennungskammer ein, wo sie die dort vorhandene Luft ergänzt und eine vollständigere Verbrennung bewirkt. Das abwechselnde Auftreten von Kompression

und Expansion tritt während des Arbeitshubes des Rotors mehrfach auf, so daß während des gesamten Verbrennungsprozesses zusätzliche Luft zugeführt wird. Die zeitliche Aufeinanderfolge dieser zusätzlichen Luftzufuhr hängt von der Drehung des Rotors

15 60 und dem Verhältnis dor Volumen der Verbrennungskammer zum Volumen des Reservoirs und der Größe des Kanals 64 ab. Die Ausgloichswirkung besteht darin, der Verbrennung zusätzliche Luft zuzuführen. Diese Luft ist ein solch mageres Gemisch, daß im Reservoir

66 keine Verbrennung stattfindet.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß mit der Erfindung eine Vorrichtung und Methode zur Steuerung des Druckes und der Temperatur beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine geschaffen wird, wobei die Erfindung gleichermaßen auf einen Hubkolbenmotor oder Drohkolbenmotor, auf einen Motor mit Fremdzündung oder Eigenzündung, auf einen Zweitakt- oder Viertaktmotor anwendbar ist und ein verfeinerter thermodyn.ini i «icher Prozeß durchlaufen wird, in dem eine Ausgleichskammer und ein Kanal oder Spalt vorgesehen werden, die mit dem Volumen

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der Verbrennungskammer des Motors in bestimmtem Verhältnis stehen. Eine Änderung dieser Parameter innerhalb bestimmter Grenzen ermöqlicht das Betreiben eines Motors in einem Wärmeausgleichsprozeß, der viele Vortei-Ie sowohl des Otto- als auch des Dieselprozesses aufweist aber nur wenige oder keine ihrer Nachteile. Insbesondere hat ein Motor, der im Wärmeausgleichsprozeß betrieben wird, eine bessere Motorleistung, Umdrehungszahl und Belastbarkeit, weiterhin findet eine bessere Kraftstoffverwertung statt und werden weniger Giftstoffe ausgestossen. Dies sind einige der Vorteile, die bei bekannten, vorstehend erwähnten Verfahren und Einrichtungen nicht zu finden sind.

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Claims

,,.-_η,, PATENTANWÄLTE

K 12 054/7S

Richard Florencio BLASER 1280 Graff Court

Annapolis, Maryland 21403 USA

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Drucks in Verbrennungskraftmaschinen

Patentansprüche

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß, g e kennzeichnet durch die Schritte:

- adiabatisches Komprimieren des Gemisches in der Verbrennungskammer bei abnehmendem Volumen und ansteigendem Druck;

- gesteuerte Zuführung von Wärme durch Erhitzen des Gemisches bei konstantem Volumen mit einer Wärmemenge, die nur ein Teil der gesamt zuzuführenden Wärmemenge ist, wobei der Druck in der Verbrennungskammer ansteigt;

- weiteres Erhitzen des Gemisches bei konstantem Druck unter Zuführung der restlichen Wärme;

- adiabatisches Expandieren des Gemisches bei abnehmendem Druck und anwachsendem Volumen;

- Ausstossen der Abgase bei konstantem Volumen und abnehmendem Druck.

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2. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Einführen von kraftstoffreier Luft in die Verbrennungskammer während des Ansaugens;

- Zusatz von Kraftstoff zum Füllen der Verbrennungskammer mit zunehmend fetterem Luft-Kraftstoffgemisch;

- nicht-adiabatisches Komprimieren des Luft-Kraftstoffgemisches in der Verbrennungskammer bei stetig abneh-

10 mendem Volumen und stetig zunehmendem Druck;

- Beginn der Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs zum Freisetzen einer bestimmten Wärmemenge, wenn der Druck auf einen bestimmten Wert ansteigt;

- Zuführung der restlichen Wärme in einem zeitabhängigen Verfahren der Energieumwandlung während der Expansion;

- nicht-adiabatisches Expandieren des Luft-Kraftstoffgemisches bei abnehmendem Druck und mit stetig zunehmendem Volumen;

- Ausstossen der expandierten Luft-Kraftstoff-Restgase in einem Ausstoßtakt.
3. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß, gekennzeichnet durch die Schritte:

25 - Laden einer Kolben-Verbrennungskammer zunächst mit

Luft und später mit Kraftstoff, wenn ein sich bewegender Kolben einen Unterdruck in der Kolben-Verbrennungskammer erzeugt, so daß die Kolben-Verbrennungskammer mit einem geschichteten, zunehmend fetter werdenden

30 Luft-Kraftstoffgemisch gefüllt wird;

- Komprimieren des Luft-Kraftstoffgemischs in der Kolben-Verbrennungskammer zum schnelleren Erhöhen von Druck und Temperatur;

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- erzwungenes Füllen einer an die Kolben-Verbrennungskanuner angrenzenden Ausgleichskammer mit einem mageren, im wesentlichen nicht-brennbaren Gemisch;

- Zünden des Gemischs zum Verbrennen des Gemischs für ein schnelles Anwachsen des Druckes in der Verbrennungskammer und zur Erzeugung eines Feldes von Druckwellen, die in die Ausgleichskammer hineinlaufen;

- Ausstossen der verbrannten Gase aus der Kolben-Verbrennungskammer.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt:

ständiges Ändern des Druckes und Erzeugen einer in der Verbrennungskammer hin- und herlaufenden Druckwelle, um Anteile des nicht-brennbaren Gemischs aus der Ausgleichskammer in die Verbrennungskammer zu bringen, damit die Luft während der Verbrennung der Gase ergänzt wird und eine vollständigere Verbrennung stattfindet.
5. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß, gekennzeichnet durch die Schritte:

- öffnen eines Ventils zwischen der Atmosphärenluft und einer Verbrennungskammer;

- Einführen einer bestimmten Menge kraftstoffreier Atmosphärenluft in die Verbrennungskammer, wenn ein sich bewegender Kolben das Volumen der Verbrennungskammer von einem minimalen Wert aus vergrößert;

- Zugabe von Kraftstoff zu zusätzlicher Atmosphärenluft, die in die Verbrennungskammer einströmt, um die Verbrennungskammer mit einem zunehmend fetteren Luft-Kraftstoffgemisch zu füllen;

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- Komprimieren des Luft-Kraftstoffgemischs in der Verbrennungskammer durch Verkleinern ihres Volumens für ein schnelles Steigern des Druckes des Luft-Kraftstoffgemischs;

- Ansammeln eines im wesentlichen mageren und nichtbrennbaren Anteils des Luft-Kraftstoffgemischs durch einen Spalt in einer Ausgleichskammer;

- Zündung zum Verbrennen des Gemisches für eine Expansion der verbrennenden Gase und schnellem Druckan-

10 stieg in der Verbrennungskammer und zur Erzeugung

eines Feldes von Druckwellen, die in die Ausgleichskammer einlaufen (für eine Kompression des nichtbrennbaren Anteils des Luft-Kraftstoffgemischs);

- Oszillieren der Expansions-Kompressions-Wellen während der Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs,

verursacht durch die Geometrie der Wände der Verbrennungskammer, den Spalt und die Wände der Ausgleichskammer, um ein Einströmen von nicht-brennbarem Luft-Kraftstoff gemisch aus der Ausgleichskammer in die

20 Verbrennungskammer zu bewirken, wodurch die Luft

während des Verbrennens das Luft-Kraftstoffgemisch
in der Verbrennungskammer ergänzt und eine vollständigere Verbrennung in der Verbrennungskammer während des Verbrennungstaktes erreicht wird; und

- Ausstossen der Rückstände des verbrannten Luft-Kraftstoffgemischs aus der Verbrennungskammer in die Atmosphärenluft .
6. Vorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die einen Betrieb der Maschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß ermöglicht, dadurch gekennzeich net, daß in einer Hauptverbrennungskammer (38) ein

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bewegliches Teil (14, 60) vorgesehen ist, das das Luft-Kraftstoffgemisch in einem sich verkleinernden Raum komprimiert; daß weiterhin eine der Hauptverbrennungskammer (38) benachbarte Ausgleichskammer (66, 16) vorgesehen ist, in welcher ein Anteil des komprimierten Luft-Kraftstoffgemischs aufgenommen werden kann, und eine Zündeinrichtung (24, 61) mit der Hauptverbrennungskammer (38) in Verbindung steht, wobei die Hauptverbrennungskammer (38) zwischen der Zündeinrichtung (24, 61) und der Ausgleichskammer (16, 66) angeordnet ist, und die Zündung der komprimierten Gase in der Hauptverbrennungskammer durch die Zündeinrichtung eine schlagartige Kompression der Gase in der Ausgleichskammer (16, 66) bewirkt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen Kanal (18, 64) aufweist, der die Hauptverbrennungskammer (38) mit der Ausgleichskammer (16, 66) verbindet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal ein ringförmiger Spalt (18) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das sich bewegende Teil ein hin- und hergehender Kolben (14) ist und daß sich die Ausgleichskammer (16) in dem Kolben (14) befindet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Ausgleichskammer (16) eine Nut entsprechender Tiefe am Kolben (14) ist, die sich im wesentlichen um den gesamten äußeren Umfang des Kolbens herum erstreckt.

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11. Vorrichtung zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10) mit einer Verbrennungskammer (38), die von einer Zylinderwand (36) und einem Zylinderkopf (37) begrenzt ist, durch einen Kolben (14), der in dem Zylinder eine hin-und hergehende Bewegung ausführt und dabei ein Luft-Kraftstoffgemisch zunächst expandiert, indem das Füllvolumen vergrößert, und danach komprimiert, indem das Füllvolumen verkleinert wird, durch eine Ausgleichkammer (16) in dem Kolben (14) mit einer Öffnung, die an die Zylinderwand (36) angrenzt, und sich zusammen mit dem Kolben (14) bewegt, einem Kanal (18), der die Verbrennungskammer (38) und die Ausgleichskammer (16) verbindet, durch eine Zündeinrichtung (24), die mit der Verbrennungskammer (38) in Verbindung steht und mittels derer das komprimierte Luft-Kraftstoffgemisch entzündet werden kann, um eine schnelle Expansion zu erzielen und den Kolben in eine hin- und hergehende Bewegung zu versetzen, wobei die Verbrennung eine Druckwelle erzeugt, welche die Luft in der Ausgleichskammer (16) komprimiert und zwischen der Verbrennungskammer (38) und der Ausgleichskammer (16) Expansions- und Kompressionswellen erzeugt, die ohne Unterbrechung aufeinander folgen, wodurch während der Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs eine zusätzliche Luftquelle geschaffen wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Ausgleichskammer (16) sich von der äußeren Umfangskante des Kolbens (14) nach innen zur Mittelachse des Kolbens (14) erstreckt.

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13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgleichskammer (16) als U-förmiger Schlitz ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Leitung (27) aufweist, die am Gehäuse (10) befestigt ist und einen Verbindungsweg zur Lieferung des Luft-Kraftstoffgemischs an die Verbrennungskammer (38) bildet, weiterhin eine Ventileinrichtung (28) in der Leitung (27) zur Steuerung des Luft-Kraftstoffgemischs, weiterhin eine Einrichtung (31, 32) zur Lieferung von Kraftstoff in die Leitung (27), welche den Kraftstoff der Verbrennungskammer (38) zuführt, und schließlich eine Einrichtung

(26) zur Lieferung von Luft in die Leitung (27), die zwischen der Ventileinrichtung (28) und der Kraftstoff-Zuführeinrichtung (31 , 32) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Leitung (27) eine zweite Öffnung zu einem Luftvorrat aufweist, und die Kraftstoff-Zuführeinrichtung (31, 32) an die zweite Öffnung angrenzt, um Kraftstoff anzusaugen und die von der zweiten Öffnung zur ersten Öffnung strömende Luft mit Kraftstoff zu

25 sättigen.
16. Vorrichtung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß, gekennzeichnet durch ein bewegbares Teil (14, 60) innerhalb einer Hauptverbrennungskammer (38) zum Komprimieren von Gasen in einem sich verkleinernden Raum, weiterhin eine Ausgleichskammer (16, 66), die

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an die Hauptkammer (38) angrenzt und einen Teil der komprimierten Gase aufnimmt, einen Kanal (18, 64), der die Hauptverbrennungskammer (38) und die Ausgleichskammer (16, 66) verbindet, wobei die Zündung durch das in der Verbrennungskammer (38) komprimierte Gas erfolgt und ein Wärmeübergang von dem sich bewegenden Teil (14, 60) in der Verbrennungskammer (38) stattfindet, und die Zündung der komprimierten Gase in der Verbrennungskammer eine schlagartige Kompression der Gase in der Ausgleichskammer (16, 66) bewirkt .
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das bewegbare Teil (14) hin- und

15 herläuft.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Kanal (18) von einer Kantenfläche des bewegbaren Teils (14) und der inneren Wandfläche (36) der Hauptverbrennungskammer (38) gebildet ist.
19. Vorrichtung zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine in einem gesteuerten Wärmeausgleichsprozeß,

25 dadurch gekennzeichnet , daß sie ein Gehäuse mit einem sich im Gehäuse bewegenden Teil (60) aufweist, das eine Kammer mit sich veränderndem Volumen bildet, wobei die Kammer zwischen einer Oberfläche des sich bewegenden Teils (60) und einem

30 Bereich des Gehäuses gebildet wird, wenn sich das

Teil (60) in einer bestimmten Art und Weise innerhalb des Gehäuses bewegt, weiterhin eine Einsaugleitung (49) mit einer Ventileinrichtung zum Einführen von atmos-

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phärischer Luft in die Kammer mit unterschiedlichem Volumen, mit einer Einrichtung (45) zur Lieferung von Kraftstoff, die an einen Kraftstofftank (44) angeschlossen ist und immer dann Kraftstoff zuführt, wenn Luft durch die Leitung (49) in die Kammer einströmt, mit einer Einlaßeinrichtung (47) , die der Ventileinrichtung benachbart liegt und die es ermöglicht, daß atmosphärische Luft in die Einsaugleitung eingesaugt wird, mit einer Kammer (66) bestimmten Volumens an dem bewegbaren Teil, die sich mit Luft füllt, wenn atmosphärische Luft durch die Ventileinrichtung in die Kammer veränderlichen Volumens einströmt, deren Volumen sich durch Bewegung des bewegbaren Teils in dem Gehäuse vergrößert, weiterhin einem Kanal (64) zwischen dei Kammer mit sich veränderndem Volumen und der Kammer

(66) mit festem Volumen, durch den die beiden Kammern verbunden sind und einem Wärmeaustauscherelement, das Teil der Kammer mit festem Volumen ist und dem sich in der Kammer variablen Volumens befindlichen Luft-Kraftstoffgemisch Wärme zuführt, und einer Auslaßventileinrichtung, die einen Ausströmweg für die in der Kammer variablen Volumens befindlichen Gase bildet, wobei die Zündung des Gases in der Kammer variablen Volumens ein Druckwellenfeld erzeugt, das durch den Kanal (64) hindurchläuft und die Luft in der Kammer (66) mit festem Volumen komprimiert,und Expansionsund Kompressionswellen zwischen der Kammer mit variablem und der Kammer mit festem Volumen erzeugt, die ohne Unterbrechung aufeinander folgen und die bewirken, daß während der Verbrennung des Kraftstoffes Luft aus der Kammer mit festem Volumen in die Kammer (66) mit variablem Volumen einströmt.

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20. Verbrennungskraftmaschine mit einem hin- und hergehenden Bewegungszyklus und einem Kolben, dadurch gekennzeichnet , daß sie ein zylindrisches Element mit wenigstens einer Nut aufweist, die um die Außenfläche des Elements herumläuft und eine vertiefte Kammer bildet und das Element eine geschlossene Oberseite aufweist, weiterhin einen Kompressionsring, der in die Nut eingepaßt ist, weiterhin eine Kappe bzw. ein dünnes scheibenförmiges Teil (20), das mittels eines schaftartigen Teils (17) in einem bestimmten Abstand von besagter Oberseite gehalten wird, so daß zwischen der Oberseite des Elements und dem scheibenförmigen Teil eine ringförmige Kammer gebildet wird, die an den Kompressionsring unmittelbar anschließt.
21. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß das dünne scheibenförmige Teil (20) einen Durchmesser aufweist, der wenigstens 75 % des Durchmessers der Oberseite des Elements beträgt.
22. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die vertiefte Kammer (16) eine rechtwinklige Querschnittsfläche hat, wobei die Mündung der Kammer eine kurze Seite des Rechtecks bildet.

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