DE102009058289A1

DE102009058289A1 - Viertaktmotor und Verfahren zu seinem Betrieb

Info

Publication number: DE102009058289A1
Application number: DE200910058289
Authority: DE
Inventors: Vladimir Volchkov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Viertaktmotor und ein Verfahren zu seinem Betrieb. Die Ziele vorliegender Erfindung sind
1 – das Schaffen eines Viertaktmotors, der erhöhte Wirkungsgrad, Leistung und Drehmoment bei verringertem spezifischem Kraftstoffverbrauch hat,
2 – das Schaffen eines Verfahrens zu seinem Betrieb, die Realisation dessen den Bedarf am Kühlsystem und am Aufladungssystem eliminiert, so dass der Motor sich selbst auflädt und gleichzeitig kühlt.
Diese Ziele werden dadurch erreicht, dass ein Viertaktmotor folgendes enthält:
– einen doppelwandigen Arbeitszylinder (mit einem Zylinderkopf), in dem sich ein Kolben mit einer Kolbenstange hin- und her bewegt, wobei der Arbeitszylinder einen Führungsteil hat, der geradlinige Bewegung der Kolbenstange und ihr gasdichtes Unterbringen gewährleistet,
– die im Arbeitszylinder unterhalb des Kolbens angeordneten Einlassventile,
– die im Zylinderkopf angeordneten getriebenen Auslassventile
und dadurch gekennzeichnet, dass
– der Zylinderkopf doppelwandig ausgeführt ist,
und der Motor auch folgendes beinhaltet:
– einen zwischen den Wänden des Arbeitszylinders und des Zylinderkopfes angeordneten, fast ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum – als ein Verbundraum zwischen dem Brenn- und Unterkolbenraum, dafür bilden Leerräume des Arbeitszylinders und des Zylinderkopfs einen Einheitsraum,
– die im Zylinderkopf angeordneten, den Brennraum mit/von dem Wärmetauschraum verbindenden/absperrenden Ansaugventile,
– die im Zylinderkopf angeordneten, den Unterkolbenraum mit/von dem Wärmetauschraum verbindenden/absperrenden Sperrventile.
Das Verfahren zum Betrieb des vorgeschlagenen Viertaktmotors beinhaltet Vorverdichten des Frischgases im Unterkolbenraum beim Abwärtsgehen des Kolbens
und dadurch gekennzeichnet, dass
– Einlass des Frischgases erfolgt nur in den Unterkolbenraum – beim Aufwärtsgehen des Kolbens,
– bei erstem Vorverdichten des Frischgases wird es aus dem Unterkolbenraum in den Wärmetauschraum verdrängt,
– das in den Wärmetauschraum einströmende vorverdichtete Frischgas wird wegen der Erwärmung von Brennraumwänden zweitem Vorverdichten ausgesetzt,
– Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum.

Description

Die Erfindung betrifft einen Viertaktmotor und ein Verfahren zu seinem Betrieb.
Die Idee der Benutzung des Vorverdichtens des Frischgases in der Kurbelkammer vom abwärts gehenden Kolben zwecks Erzeugung des Überdrucks ist für Zweitaktmotoren seit langem realisiert. Sie haben Kurbelkammerspülpumpe mit einem Überströmkanal – ein zu einer Seite des Arbeitszylinders verschobener, kompakter Verbundraum zwischen der Kurbelkammer und dem Einlassschlitz.
Es sind Extrapolationen dieser Idee auf Viertaktmotoren bekannt: die Dokumente CH 154282A , DE 645261A , DE 1576235A , DE 2261180A , DE 2708729A1 , DE 3022901A1 , DE 3438031C1 , DE 19649202A1 , DE 198 25 490 , GB 160296A , GB 2254884A , JP 58167822AA und WO 1999 064734 . Der nächstliegende Stand der Technik sind die Dokumente DE 19825490 und WO 199906434 , die mit folgenden Nachteilen belastet sind:

– der Bau ist bedeutend komplizierter als der Bau von herkömmlichen Viertaktmotoren,
– das Überleitungsrohr, das gewöhnlichem Überströmkanal der Zweitaktmotoren gleich ist, vergrößert den Bau wesentlich,
– zwei Einlassanschlüsse: für Einsaugung des Frischgases vom Außen in den Brennraum und für Einsaugung des zu vorverdichtenden Frischgases in den Unterkolbenraum – davon: doppelte Anzahl der Einspritzpunkte für Benziner usw.,
– zusätzlicher Zwischenraum, der das Überleitungsrohr mit Brennraum verbindet, und zusätzliches Ventil zu seiner Verbindung/Absperrung mit/von dem Überleitungsrohr; dieses Ventil soll das Verhältnis zwischen dem Frischgasstrom vom Außen und dem Aufladungsstrom vorverdichteten Frischgases aus dem Überleitungsrohr in der Abhängigkeit von der Belastung regulieren, aber auf welche Weise – das fordert eine auszuarbeitende Lösung unentbehrlich,
– aufgebauter Überdruck im Unterkolbenraum ist nicht so groß, so dass man auf das Direktansaugen nur bei minimaler Belastung verzichten kann, weil, erstens – es unmöglich ist, die im Arbeitszylinder schwenkende Pleuelstange gasdicht abzudichten, zweitens – Differenz zwischen dem Hubraum und dem Volumen von dem Kolben bis zum Kurbelkammerboden ist klein, und drittens, der Querschnitt des Überleitungsrohrs ist dafür zu klein, und zusätzliche Überleitungsrohre würden den Bau unzulässig verkomplizieren (zusätzliche Ventile usw.); deswegen läuft Befüllung des Brennraums folgendermaßen ab: anfangs – Direktansaugen (vom Außen), dann – Ansaugen vorverdichteten Frischgases aus Unterkolbenraum als „zusätzliche Gasmenge”: „... Gas aus dem Unterkolbenraum wird dem direkt angesaugten Gasstrom beigefügt”.

Die Ziele vorliegender Erfindung sind

1 – das Schaffen eines Viertaktmotors, der erhöhte Wirkungsgrad, Leistung und Drehmoment bei verringertem spezifischem Kraftstoffverbrauch hat,
2 – das Schaffen eines Verfahrens zu seinem Betrieb, die Realisation dessen den Bedarf am Kühlsystem und am Aufladungssystem eliminiert, so dass der Motor sich selbst auflädt und gleichzeitig kühlt, dabei weisen vorgeschlagener Motor und Verfahren seines Betriebs keine erwähnten Nachteile auf.

Diese Ziele werden dadurch erreicht, dass ein Viertaktmotor folgendes enthält:

– einen doppelwandigen Arbeitszylinder (mit einem Zylinderkopf), in dem sich ein Kolben mit einer Kolbenstange hin- und her bewegt, wobei der Arbeitszylinder einen Führungsteil hat, der geradlinige Bewegung der Kolbenstange und ihr gasdichtes Unterbringen gewährleistet,
– das/die im Arbeitszylinder unterhalb des Kolbens angeordnete(n) Einlassventil(e),
– das/die im Zylinderkopf angeordnete(n) getriebene(n) Auslassventil(e)

– der Zylinderkopf doppelwandig ausgeführt ist, und der Motor auch folgendes beinhaltet:
– einen zwischen den Wänden des Arbeitszylinders und des Zylinderkopfes angeordneten, fast ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum – als ein Verbundraum zwischen dem Brenn- und Unterkolbenraum, dafür bilden Leerräume des Arbeitszylinders und des Zylinderkopfs einen Einheitsraum,
– das/die im Zylinderkopf angeordnete(n), den Brennraum mit/von dem Wärmetauschraum verbindende(n)/absperrende(n) Ansaugventil(e),
– das/die im Zylinderkopf angeordnete(n), den Unterkolbenraum mit/von dem Wärmetauschraum verbindende(n)/absperrende(n) Sperrventil(e).

Die schematischen Ausführungsvarianten des vorgeschlagenen Motors:
auf der sind Arbeitszylinder und Zylinderkopf,
auf der ist ein gemischeinsaugender Ottomotor beim Ansaugen,
auf der ist ein Dieselmotor beim Ausstoßen,
auf den – ist Gaswechsel bei vier Verfahrenschritten,
auf der ist das Arbeitsspiel eines gemischeinsaugenden Ottomotors,
auf der ist Arbeitsspiel eines Dieselmotors.
Es sind folgende Kennzeichnungen für die Abbildungen angegeben:

An: – angetriebenes Ansaugventil,
Aus: – angetriebenes Auslassventil,
B: – Brennraum,
C: – Buchse,
D: – Dichtung,
Ein: – selbsttätiges Einlassventil,
F: – Kerze,
K: – Kolben,
L: – Natriumfüllung,
M: – Wärmetauschraum,
N: – Nocken,
S: – selbsttätiges Sperrventil,
T: – Kolbenstange,
U: – Unterkolbenraum,
V: – Einspritzdüse,
W: – Wärmetauscher,
Z: – Arbeitszylinder,
ZK: – Zylinderkopf.

Das Verfahren zum Betrieb des vorgeschlagenen Viertaktmotors beinhaltet Vorverdichten des Frischgases (des Frischgemisches oder der Frischluft) im Unterkolbenraum U beim Abwärtsgehen des Kolbens K – bei Arbeits- und Ansaugtakt [bei geschlossenem(n) Einlassventil(en) Ein]
und dadurch gekennzeichnet, dass

– Einlass des Frischgases erfolgt nur in den Unterkolbenraum U [durch das/die Einlassventil(e) Ein bei dem/den geschlossenen Sperrventil(en) S] – beim Aufwärtsgehen des Kolbens K: bei Verdichtungs- und Ausstoßtakt,
– bei erstem Vorverdichten des Frischgases wird es aus dem Unterkolbenraum U in den Wärmetauschraum M [durch das/die Sperrventil(e) S] verdrängt,
– das in den Wärmetauschraum M einströmende vorverdichtete Frischgas wird wegen der Erwärmung von Brennraumwänden zweitem Vorverdichten ausgesetzt,
– Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum B erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum M [durch das/die Ansaugventil(e) An].

Zwecks effektiven Wärmeaustausches im Wärmetauschraum M

– entweder mindestens ein zellenartiger Wärmetauscher W (aus Al, Cu) dort, z. B. zwischen dem eigentlich Arbeitszylinder Z und seiner Buchse C bei einer Übermaßpassung, untergebracht ist, so dass er fast ganzes Volumen des Wärmetauschraums M ausfüllt,
– oder Innenraum des Wärmetauschraums M mindestens einen zellenartigen Wärmetauscher W darstellt, der einstückig mit dem eigentlich Arbeitszylinder Z oder/und dem Zylinderkopf ZK ausgeführt ist.

Der Wärmeaustausch geschieht zwischen den Zellenwänden und dazwischen durchströmendem vorverdichtetem Gas. Im Wärmetauschraum M/Wärmetauscher W vermischen sich das nach dem Ansaugtakt übrig gebliebene Gas und das vorverdichtete Frischgas aus dem Unterkolbenraum U; diese Gase kühlen die Brennraumwände des Arbeitszylinders Z und des Zylinderkopfs ZK intensiv, dabei werden sie Erwärmung und zusätzlicher (doppelter) Vorverdichtung ausgesetzt; bei gemischeinsaugendem Motor findet zusätzliche Vorverdichtung statt wegen der Verdampfung beinhaltenden Kraftstoffs. Das Volumen des Wärmetauschraums M soll erforderlichen höchsten Liefergrad und ausreichende Kühlleistung gewährleisten, und die Form der Zellen ist solche, dass dank dem Umlaufstrom vorverdichteter Gase maximaler Wärmeaustausch erlangt wird. Der Wärmetauschraum M bekommt eine Portion vorverdichteten Frischgases aus dem Unterkolbenraum U bei jedem Abwärtsgehen des Kolbens K, d. h. doppelte Portion – bei einem Arbeitsspiel.
Somit wird die vom Arbeitsraum abzuführende Wärme, die als unvermeidliches Böses (auf Grund derer bis 33% zugeführter Energie verloren geht) aufgenommen wird, vollständig ausgenutzt, so dass Bedarf an der Kühlung und der Aufladung entfällt. Aus diesem Grund werden das Kühlsystem und das Aufladungssystem aus dem Motorkonzept eliminiert. Die Gaswechselräume: Brennraum B, Unterkolbenraum U und Wärmetauschraum M kontaktieren miteinander ohne Zwischenraum [durch das/die Ansaugventil(e) An und das/die Sperrventil(e) S].
Die translatorische Bewegung ohne Schwenkungen der Kolbenstange gewährleisten, beispielsweise, die Triebwerke mit der Nocken- oder Exzenterwelle und mit dem Kolbenstange-Kreuzkopf-Pleuelstange-Aufbau. Das gasdichte Unterbringen der Kolbenstange T durch Dichtung D ermöglicht jeden erdenklich hohen Überdruck im Unterkolbenraum U.
Es wird empfohlen, das/die Einlassventil(e) Ein selbsttätig(e) auszuführen, obwohl der Einsatz des Antriebs für es/sie zwecks seiner/ihrer rückartigen Öffnung durch daneben gedrehte Antriebswelle leicht realisierbar ist (siehe WO 199906434 ).
Das Verfahren für gemischeinsaugenden Ottomotor erfolgt taktmäßig folgendermaßen:
Verdichtungstakt:

– oberhalb des Kolbens K: Verdichtung vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Ottokraftstoff-Luft-Gemisches; kurz vor OT: Zündung von Kerze F;
– unterhalb des Kolbens K: Einlass des Frischgemisches;
– im Wärmetauschraum M: Erwärmung mit Verdichtung des nach dem Ansaugtakt übrig gebliebenen Gemisches;

Arbeitstakt:

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

Ausstoßtakt:

– oberhalb des Kolbens K: Auslass verbrannten Gases;
– unterhalb des Kolbens K: Einlass des Frischgemisches;
– im Wärmetauschraum M: Erwärmung mit Verdichtung des vorverdichteten Frischgemisches;

Ansaugtakt:

– oberhalb des Kolbens K: Ansaugung des vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches aus Wärmetauschraum M;
– unterhalb des Kolbens K: Vorverdichtung des Frischgemisches, Verdrängung vorverdichteten Frischgemisches in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Auszug des vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Gemisches in den Brennraum B, Durchpumpung mit Erwärmung des aus Unterkolbenraum U einströmenden vorverdichteten Gemisches zum Brennraum B.

Das Verfahren für lufteinsaugende Otto-/Dieselmotoren erfolgt taktmäßig folgendermaßen: Verdichtungstakt:

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

Arbeitstakt:

– oberhalb des Kolbens K: Arbeiten des Brenngases;
– unterhalb des Kolbens: Vorverdichtung der Frischluft, Verdrängung vorverdichteter Frischluft in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Einströmung der vorverdichteten Frischluft aus Unterkolbenraum U mit Vermischung mit Luftrest, Erwärmung mit Verdichtung der Luft;

Ausstoßtakt:

– oberhalb des Kolbens K: Auslass verbrannten Gases;
– unterhalb des Kolbens K: Einlass der Frischluft;
– im Wärmetauschraum M: Erwärmung mit Verdichtung der vorverdichteten Frischluft;

Ansaugtakt:

– oberhalb des Kolbens K: Ansaugung der vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Luft aus Wärmetauschraum M: Einspritzung des Ottokraftstoffs von Düse V mit Bildung eines Ottokraftstoff-[vorgewärmte, doppelt vorgedichtete Luft]-Gemisches;
– unterhalb des Kolbens K: Vorverdichtung der Frischluft, Verdrängung vorverdichteter Frischluft in den Wärmetauschraum M;
– im Wärmetauschraum M: Auszug der vorgewärmten, doppelt vorverdichteten Luft in den Brennraum B, Durchpumpung mit Erwärmung der aus Unterkolbenraum U einströmenden vorverdichteten Luft zum Brennraum B.

Dank starker Vorverdichtung des/der anzusaugenden Gemisches/Luft im Unterkolben- U und dann im Wärmetauschraum M wird ein sehr hoher Befüllungsgrad/Liefergrad erzielt – das erhöht Leistung, Drehmoment und Wirkungsgrad.
Auch dank erwähnter starker Vorverdichtung und der Erwärmung des anzusaugenden Gases wird das zu verbrennende Gemisch im Brennraum B hochhomogenisiert – das soll spezifischen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen verkleinern.
Das Eliminieren des Kühlsystems und des Aufladungssystems verringert baulichen Aufwand, vereinfacht und verbilligt den Motor bedeutend sowie ermöglicht weitgehende Wartungsfreiheit.
Es soll stark verringerte Störanfälligkeit erreicht werden:

– guter Kaltstart – dank sicherer Verdampfung vom Kraftstoff im Wärmetauschraum M;
– keine Frostschäden und keine Schlagempfindlichkeit – wegen dem fehlenden Kühlsystem; das begünstigt den Einsatz des Motors für den Betrieb bei Extrembedienungen.

Wegen sehr hohen Liefergrads und unter Berücksichtigung davon, dass der Ladevorgang einen Teil der Gesamtverdichtung übernimmt, soll der Arbeitshub wie bei aufgeladenen Kurzhubmotoren sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CH 154282 A [0003]
DE 645261 A [0003]
DE 1576235 A [0003]
DE 2261180 A [0003]
DE 2708729 A1 [0003]
DE 3022901 A1 [0003]
DE 3438031 C1 [0003]
DE 19649202 A1 [0003]
DE 19825490 [0003, 0003]
GB 160296 A [0003]
GB 2254884 A [0003]
JP 58167822 AA [0003]
WO 1999064734 [0003]
WO 199906434 [0003, 0017]

Claims

Viertaktmotor enthält folgendes: – einen doppelwandigen Arbeitszylinder (mit einem Zylinderkopf), in dem sich ein Kolben mit einer Kolbenstange hin- und her bewegt, wobei der Arbeitszylinder einen Führungsteil hat, der geradlinige Bewegung der Kolbenstange und ihr gasdichtes Unterbringen gewährleistet, – das/die im Arbeitszylinder unterhalb des Kolbens angeordnete(n) Einlassventil(e), – das/die im Zylinderkopf angeordnete(n) getriebene(n) Auslassventil(e) und dadurch gekennzeichnet, dass – der Zylinderkopf doppelwandig ausgeführt ist, und der Motor auch folgendes beinhaltet: – einen zwischen den Wänden des Arbeitszylinders und des Zylinderkopfes angeordneten, (fast) ganzen Brennraum umgebenden Wärmetauschraum – als ein Verbundraum zwischen dem Brenn- und Unterkolbenraum, dafür bilden Leerräume des Arbeitszylinders und des Zylinderkopfs einen Einheitsraum, – das/die im Zylinderkopf angeordnete(n), den Brennraum mit/von dem Wärmetauschraum verbindende(n)/absperrende(n) Ansaugventil(e), – das/die im Zylinderkopf angeordnete(n), den Unterkolbenraum mit/von dem Wärmetauschraum verbindende(n)/absperrende(n) Sperrventil(e).
Viertaktmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscher im Wärmetauschraum aufgestellt ist, so dass er fast sein ganzes Volumen ausfüllt.
Viertaktmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Innenraum des Wärmetauschraums mindestens einen zellenartigen Wärmetauscher darstellt, der einstückig mit dem eigentlich Arbeitszylinder oder/und dem Zylinderkopf ausgeführt ist.
Das Verfahren zum Betrieb des Viertaktmotors nach einem der Ansprüche 1–3 beinhaltet Vorverdichten des Frischgases (des Frischgemisches oder der Frischluft) im Unterkolbenraum beim Abwärtsgehen des Kolbens (bei Arbeits- und Ansaugtakt) und dadurch gekennzeichnet, dass – Einlass des Frischgases erfolgt nur in den Unterkolbenraum bei jedem Aufwärtsgehen des Kolbens (bei Verdichtungs- und Ausstoßtakt), – bei erstem Vorverdichten des Frischgases wird es aus dem Unterkolbenraum in den Wärmetauschraum verdrängt, – das in den Wärmetauschraum einströmende vorverdichtete Frischgas wird wegen der Erwärmung von Brennraumwänden zweitem Vorverdichten ausgesetzt, – Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum.