DE3406732A1

DE3406732A1 - Arbeitsverfahren fuer hubkolbenverbrennungskraftmaschinen mit innerer verbrennung und verbrennungskraftmaschine dafuer

Info

Publication number: DE3406732A1
Application number: DE19843406732
Authority: DE
Inventors: Reinhard 3501 Ahnatal Bennedik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-24
Filing date: 1984-02-24
Publication date: 1985-08-29

Description

Reinhard Bennedik O Kassel, den 30. Januar 1984.

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3501 Ahnatal

Arbeitsverfahren für Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung und Verbrennungskraftmaschine dafür.

Die Erfindung betrifft ein Arbeitstaktverfahren für Hubkolbenverbrennungskraf tmaschinen mit innerer Verbrennung, bei dem die Zündung des Kraftstoffluftgemisches entweder durch eine besondere Zündeinrichtung in Form einer elektrischen Zündkerze oder dergl. oder mittels Selbstzündung erfolgt und eine Verbrennungskraftmaschine dafür.

Bei dem am meisten gebräuchlichen Taktverfahren für Brennkraft-

maschinen, nämlich dem Viertakt-Verfahren, wird bei einem von den vier Takten Arbeit geleistet. Es ist also immer bei einem Zyklus ein Arbeitstakt vorhanden, wobei die vier Takte so ablaufen, daß bei einem Viertakt-Verfahren im ersten Hub (Takt) Kraftstoff -Luftgemisch bzw. Luft angesaugt, im zweiten komprimiert, im dritten die innere Verbrennung stattfindet und im vierten, nach dem Arbeitstakt, das verbrannte Luft-Kraftstoffgemisch ausgeschieden wird. Hierbei können sich die Funktionen überschneiden . .

Das Viertaktverfahren hat sich weitgehend im Schnellaufenden Verbrennungsmotorenbau durchgesetzt. Der Nachteil besteht darin, daß trotz der Verteilung des Arbeitshubes auf vier Takte, Druckspitzen nicht vermieden werden und ein ungleichförmiger Gang sowie eine unvollkommene Verbrennung des Viertaktmotors resultieren. Verbunden damit ist ein hoher Verschleiß, da die Berechnung und Konstruktion der Maschinenelemente nach den höchsten Werten des "Explosions"-Taktes erfolgt und die Notwendigkeit der Ausstattung mit Abgaskatalysatoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bei den Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung, die nach

dem Viertaktverfahren arbeiten, zu vermeiden und ein Taktverfahren für einen Motor vorzusehen, das diese Nachteile nicht aufweist. Gleichzeitig soll eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine vorgeschlagen werden, die ausgeht von einer Viertaktverbrennungskraftmaschine, die mit einer Änderung nur weniger Steuerungsteile einen höheren Gleichförmigkeitsgrad aufweist. Hierbei soll es möglich sein, unter Verwendung von Serienteilen bei einem Motor einen günstigeren Verfahrensablauf zu erzielen.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht in einem Sechstaktverfahren und einer Verbrennungskraftmaschine zur Ausübung des Sechstakt-Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im ersten Takt aus Ansaugen, wie beim Viertaktverfahren, im zweiten Takt aus Verdichten wie beim Viertaktverfahren, im dritten Takt aus einem ersten Arbeitstakt, im vierten Takt aus einem weiteren Verdichtungstakt, bei dem das Verbrennungsmaterial aus dem dritten Takt (Arbeitstakt) neu verdichtet wird. In einem weiteren Takt, nämlich dem 5. Takt, wird das verdichtete Gemisch neu gezündet und es beginnt ein neuer (weiterer) Arbeitstakt, in dem die im dritten und vierten Takt noch nicht in Arbeit umgesetzten Gemischteile umgewandelt werden, während im sechsten Takt das Ausschieben erfolgt.

Durch diese Aufteilung der Verbrennung auf zwei Arbeitstakte (dritter und fünfter Takt) mit dazwischen liegendem Neuverdichtungshub als viertem Takt findet auch eine bessere Verbrennung der Kraftstoffteile statt. Der Anteil an Stickoxyden wird auf den zulässigen Wert ohne zusätzliche Hilfsmittel reduziert.

Gegenüber einem Motor, der nach dem Viertaktverfahren arbeitet, ist es bei dem Motor, der nach dem Sechstaktverfahren arbeiten soll, erforderlich, das Übersetzungsverhältnis von Kurbelwelle zu Nockenwelle von 1:2 in 1:3 zu ändern. Das bedeutet, daß zu

einem Arbeitszyklus nicht 2.360° = 720° Kurbelwellenwinkel, sondern 3.360 = 1080 Kurbelwellenwinkel gehören. Die Anordnung der Nocken oder anderer Vorrichtungen zur Ventilsteuerung wird damit geändert. Beträgt die Spreizung beim Viertaktmotor theoretisch 90° (Praxis 90° - 120°), so beträgt sie beim Sechstaktmotor 60°.

Das Seehstakt-Verfahren ist demnach eine Erweiterung des bisher üblichen Viertakt-Verfahrens. Es läßt sich auf Otto- und Dieselmotoren anwenden und eröffnet bei diesen beiden Motoren-Typen neue Möglichkeiten.

Nachstehend werden Anwendungsmöglichkeiten dargestellt: Dieselmotor nach dem Sechstakt-Verfahren, Übersetzung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle = 1:3. Die Einspritzung erfolgt in Takt 3 und Takt 5> die Einspritzmenge, die beim Dieselmotor nach dem Viertakt-Verfahren eingespritzt wird, wird aufgeteilt in eine Teilmenge und eine Restmenge, woraus sich folgende .Arbeitsweise ergibt:

1. Takt: Ansaugen, 2. Takt: Verdichten und Einspritzen der Teilmenge, 3. Takt: 1. Arbeitstakt, 4·· Takt: Neuverdichten der Abgase, die noch ungebundenen Sauerstoff enthalten, Einspritzen der Restmenge, 5. Takt: 2. Arbeitstakt, 6. Takt: Ausschieben.

Im Leerlauf und bei Teillast kann einer der beiden Arbeitstakte leer erfolgen.

Auch beim Otto-Motor gibt es die Möglichkeit, den Arbeitstakt auf zwei Arbeitstakte zu verteilen. Da der Otto-Motor mit Drosselung der Ansaugluft und einem möglichst gleichmäßig aufbereiteten Gemisch arbeitet, ist hier eine Nebenkammer bzw. eine Vorkammer erforderlich, wobei das Ventil der Nebenkammer eine Schaftabdichtung benötigt. Das Verfahren ist wie folgt: 1. Takt: Ansaugen, Einlaß und Nebenkammer geöffnet, 2. Takt: Verdichten, Einlaß geschlossen, Nebenkammer bleibt geöffnet, das Verhältnis

von Brennraumvolumen und Nebenkammervolumen zum Hubraum bestimmen das Verdichtungsverhältnis. Die Nebenkammer schließt im oberen Totpunkt, 3. Takt: Zünden der Gemischmenge im Brennraum = 1. Arbeitstakt, i. Takt: Neuverdichten, 5. Takt: Nebenkammer öffnet, 2. Arbeitstakt, 6. Takt: Ausschieben.

In Erweiterung des Erfindungsgedankens kann bei Sechstakt-Motoren im 5. Takt Wasser eingespritzt werden. Beim Sechstakt-Motor arbeitet der Motor dann wie oben beim Dieselmotor beschrieben, jedoch wird die volle Kraftstoffmenge im 1. Arbeitstakt eingespritzt, im 3. Takt verbrannt, im 4-· Takt neu verdichtet. In diese neu verdichteten heißen Gase wird vorgeheiztes, unter Druck stehendes Wasser eingespritzt. Es wird in einem Kühlwasser-Auspuff-Wärmetauscher so erhitzt, daß nur der Einschluß unter hohem Druck die Aggregatzustandsänderung verhindert. Der Druck steigt in der letzten, direkt vom Abgas unmittelbar hinter dem Auslaßventil umströmten Stufe so an, daß er höher ist, als der Druck im nachverdichteten Brennraum. Durch Öffnen eines Ventils strömt eine definierte Wassermenge in den Brennraum ein. Diese Wassermenge verliert an Druck, nimmt aber gleichzeitig Wärme aus den sehr heißen Abgasen auf und verändert dadurch den Aggregatzustand. Durch die Ausdehnung bei der Umwandlung in Heißdampf soll nun Arbeit erzeugt werden. Bei diesem Einspritzverfahren wird neben der Verbrennung von Kraftstoff im 3. Takt im 5. Takt Arbeit durch Wärme geleistet, die bisher durch Kühlung und Abstrahlung verloren ging. Dieser Vorgang kann erst eingeleitet werden, wenn die Maschine nach dem Kaltstart erwärmt ist und genügend Druck im Wärmetauscher aufgebaut ist.

In der Warmlaufphase kann der Motor so arbeiten, daß nur im 3. Takt Arbeit geleistet und im 5. Takt ein Nachfedern der nachverdichteten Abgase stattfindet. Diese Warmlaufphase, in der der Motor verringerte Leistung abgibt, kann überbrückt werden, dadurch, daß die Kraftstoffmenge auf den 3. und 5. Takt verteilt und verbrannt wird.

Nach Erreichen des nötigen Wasserdruckes im Wärmetauscher wird umgestellt auf das vorbeschriebene Verfahren, nämlich Kraftstoff-Einspritzung im 3. Takt, Wassereinspritzung im 5. Takt. Das Verfahren der Wassereinspritzung ist auch bei Otto-Motoren möglich (ohne Vor- und Nebenkammer). Die Überbrückung der Warmlaufphase, wie beim Dieselmotor, kann hier nicht stattfinden.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele für die Ausbildung von Motoren für die Durchführung des Sechstakt-Verfahrens dargestellt.

Es zeigen:

Figur 1 schematisch einen Zylinderkopf eines Otto-Motors für das Sechstakt-Verfahren im Schnitt, mit Einlaßventil, Auslaßventil und Nebenkammer mit Ventil,

Figur 2 schematisch einen Zylinderkopf eines Otto-Motors im Schnitt für das Sechstakt-Verfahren mit Vorkammer im zweistufigen Ansaugtrakt,

Figur 3 die Spreizung der Nocken auf der Nockenwelle bei einem Motor nach dem bekannten Viertakt-Verfahren,

Figur 4 die Spreizung der Nocken auf der Nockenwelle bei einem Motor nach dem Sechstakt-Verfahren,

Figur 5 schematisch einen Schnitt durch einen Motor nach dem Sechstakt-Verfahren.

In den Zeichnungen bedeuten: 1 Zylinder, 2 Zylinderkopf, 3 Einlaßkanal, 4· Einlaßventil, 5 Auslaßkanal, 6 Auslaßventil, 7 Nebenkammer, 8 Schaftabdichtung für Nebenkammerventil, 9 Nebenkammerventil, 10 Vorkammer, 11 Vorkammerventil, 12 Nokkenwelle für Sechstakt-Motor, 13 Nocken auf der Nockenwelle für Auslaßventil für Sechstakt-Motor, 14- Nocken auf Nockenwelle für Einlaßventil für Sechstakt-Motor, 12' Nockenwelle für Viertakt-Motor, 13' Nocken für Auslaßventil für Viertakt-Motor, 1Λ' Nocken für Einlaßventil für Viertakt-Motor. Mit 15 ist die Kurbelwelle bezeichnet, mit 16 der Zahnriemen zum An-

trieb der Nockenwelle 12 von der Kurbelwelle 15 aus. 17 ist die Spreizung der Nocken auf der Nockenwelle 12. 18 ist ein Antriebsritzel auf der Kurbelwelle 15, 19 ein Zahnrad auf der Nockenwelle 12. Mit i ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle bezeichnet.

Claims

Patentansprüche

Iy Arbeitstaktverfahren für Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung, bei dem die Zündung des Kraftstoffluftgemisches durch eine besondere Zündeinrichtung in Form einer elektrischen Zündkerze o. dgl. oder mittels Selbstzündung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitstaktverfahren in sechs Takten abläuft, wobei das Verfahren im ersten Takt aus Ansaugen, im zweiten Takt aus Verdichten, im dritten Takt aus einem ersten Arbeitstakt, im vierten Takt aus einem weiteren Verdichtungstakt, bei dem das Verbrennungsmaterial aus dem dritten Takt (Arbeitstakt) neu verdichtet wird, im fünften Takt aus einem weiteren Arbeitstakt besteht, bei dem das verdichtete Gemisch neu gezündet wird und die im dritten und vierten Takt noch nicht in Arbeit umgesetzten Gemischteile umgewandelt werden, während im sechsten Takt das Ausschieben erfolgt.
2. Arbeitstaktverfahren für Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen nach dem Dieselprinzip, das in sechs Takten abläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung in Takt 3 und Takt 5 erfolgt, wobei die einzuspritzende Kraftstoffmenge in eine Teilmenge und eine Restmenge aufgeteilt wird, so daß sich folgende Taktweise ergibt: 1. Takt: Ansaugen , 2. Takt: Verdichten und Einspritzen der Teilmenge, 3. Takt: erster Arbeitstakt, 4-. Takt: Neuverdichten der Abgase, die noch ungebundenen.Sauerstoff enthalten und Einspritzen der Restmenge, 5. Takt: zweiter Arbeitstakt, 6. Takt: Ausschieben.
3. Arbeitstaktverfahren für Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1 und 2 für ein Sechstakt-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerlauf und/oder bei Teillast einer der beiden Arbeitstakte leerläuft.
4-. Arbeitstaktverfahren für Hubkolbenverbrennungskraf tmaschinen nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche für ein Sechstakt-Verfahren mit Drosselung des Kraftstoff-Luftgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren wie folgt abläuft: 1. Takt: Ansaugen, Einlaß (4-) und Nebenkammer (7) geöffnet, 2. Takt: Verdichten, Einlaß (4·) geschlossen» Nebenkammer (7) bleibt geöffnet, die Nebenkammer (7) schließt im oberen Totpunkt, 3. Takt: Zünden der Gemischmenge im Brennraum (erster Arbeitstakt), I₊. Takt: Neuverdichten, 5. Takt: Nebenkammer öffnet, Zündung des Gemisches in der Nebenkammer (7) (zweiter Arbeitstakt), 6. Takt: Ausschieben.
5. Arbeitstaktverfahren für Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit innerer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß die volle Kraftstoffmenge im 3. Takt verbrannt, im 4-· Takt Neuverdichten der Abgase erfolgt und im 5. Takt Wasser eingespritzt wird.
6. Hubkolbenverbrennungskraftmasohine zur Durchführung des Sechstakt-Arbeitsverfahrens nach Anspruch 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß das übersetzungsverhältnis von Kurbelwelle (15) zur Nockenwelle (12) mit i = 1:3 ausgebildet ist.
7. Hubkolbenverbrennungskraftmaschine zur Durchführung des Sechstakt-Arbeitsverfahrens nach Anspruch 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen für den Ablauf der in einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche aufgeführten Verfahrensschritte im Motor und am Motor angeordnet sind.