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Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Brennstoff-
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energie in mechanische Energie Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Brennstoffenergie in mechanische Energie
in einem Verbrennungsmotor, wobei in periodischer Reihenfolge Luft in einen Brennraum
angesaugt, komprimiert und zusammen mit dem der komprimierten Luft zugeführten Brennstoff
verbrannt wird und die bei der Verbrennung gebildeten Rauchgas unter Ausdehnung
entspannt und aus dem Brennraum ausgeschoben werden.
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Die Verbrennungsmotoren haben gegenüber anderen Maschinen, die aus
Brennstoffwärme mechanische Energie erzeugen, den großen Vorteil, daß dem arbeitenden
Medium die Wärme direkt im Arbeitsraum zugeführt wird. Dank diesem Umstand kann
die Temperatur des Arbeitsmediums bei Verbrennungsmotoren im Gegensatz zu anderen
Maschinen während der Wärme zufuhr viel höher sein als diejenige der bewegten Teile
und der gekühlten Wandung. Das hohe Temperaturniveau, auf dem die Verbrennungswärme
vom Arbeitsmedium aufgenommen wird, ist auch der Hauptgrund für den guten Wirkungsgrad
von Verbrenntlngsmotoren. Den Vorteil hoher Prozeßtemperaturen nutzen die konventionellen
Motoren jedoch nicht in vollem Maße aus,weil
die arbeitsleistende
Expansion vorzeitig abgebrochen werden muß, sobald das Volumen der Verbrennungsgase
während der Expansion das Volumen der angesaugten Luft (gleicher Hubraum) erreicht.
Infolge dessen verlassen die Verbrennungsgase den Motorraum mit einer zu hohen Temperatur
und auch mit einem erheblichen Überdruck, wodurch ein Teil ihres Arbeitsvermögens
für den Prozeß verloren geht. Der so entstandene Verlust ist um so größer, je höher
die Motorbelastung d.h. je höher die maximale Temperatur im Prozeß ist. Durch den
Überdruck, mit dem die Verbrennungsgase intdie Atmosphäre ausgestoßen werden, wird
auch der laute Auspuffknall verursacht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs angegebenen Art zu finden, mit dem Brennstoffenergie mit besserem Wirkungsgrad
in mechanische Energie umgewandelt werden kann als bisher und durch das die spezifische
Leistung eines nach diesem Verfahren betriebenen Motors gesteigert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die komprimierte
Luft aus dem Brennraum in einen Behälter mit einem im Vergleich zum Brennraumvolumen
größeren Volumen geleitet und Luft aus diesem Behälter erneut in den Brennraum eingeführt
wird, bevor Brennstoff in den Brennraum geleitet wird.
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Unter Brennraum soll bei diesem Verfahren der gesamte Arbeitsraum
oberhalb des Kolbens verstanden werden. Dessen maximales Volumen stimmt mit dem
Volumen der angesaugten Luft und eventuell im Brennraum verbliebenerRauchgase überein.
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Der Behälter erfüllt im wesentlichen die Funktion eines SyeicherbehAlters
für die komprimierte Luft. Da das Volumen des Behälters größer als das Brennraumvolumen
ist, kann im Behälter eine relativ große Luftmenge gespeichert werden, so daß
große
Druckschwankungen im Behälter vermieden werden. Aus dem Behälter kann nun eine der
angesaugten und in den Behälter geleiteten Luftmenge entsprechende Luftmenge in
mehreren Teilmengen in den Brennraum geleitet werden. Jeder dieser Teilmengen wird
im Brennraum Brennstoff zugegeben.
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Die komprimierte Luft wird zusammen mit dem Brennstoff verbrannt und
die dabei gebildeten Rauchgase nach Expansion aus dem Brennraum ausgeschoben. Erst
nachdem alle Teilmengen diesen Prozeßschritten unterworfen worden sind, wird erneut
Luft angesaugt, komprimiert und in den Behälter gedrängt.
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Der erfindungsgemäße Prozeß kann somit in vorteilhafter Weise in mehreren
Expansionstakten pro Arbeitszyklus (Verfahrensschritte zwischen zwei Ansaugtakten)
durchgeführt werden. Bei n-Expanionstakten wird vor jedem Expansionstakt der n-te
Teil der Luftmenge, die vor dem erneuten Ansaugen von Luft mit Brennstoff verbrannt
wird in den Brennraum eingelassen. In den jeweils anschließenden Takten werden die
Rauchgase nach arbeitsleistender Entspannung aus dem Brennraum ins Freie ausgeschoben.
Die mehrmalige Expansion kommt einer Vergrößerung des Expansionshubes um den Faktor
n gleich. Dies hat eine.Senkung derTemperatur und vor allem des Druckes vor dem
Ausschieben (Auspuffen) zur Folge. Beim Vergleich dieses Verfahrens mit einem Verfahren
mit nur einem Expansionstakt pro Arbeitszyklus ist - unter der Voraussetzung, daß
die Rauchgase am Ende der Expansion jeweils die gleiche Temperatur besitzen sollen
- der Auspuffdruck des erfindungsgemäßen Verfahrens niedriger. Infolge dessen wird
das Arbeitsvermögen der Rauchgase besser ausgenützt als bei bekannten Verfahren,
so daß der Wirkungsgrad und die Leistung eines nach dem vorgeschlagenen Verfahren
arbeitenden Motors erheblich erhöht wird. Das Verfahren kann so ausgelegt werden,
daß die Rauchgase mit etwa Umgebungsdruck ins Freie ausströmen, so daß kein Auspuffknall
entsteht.
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Da die komprimierte Luft aus dem Brennraum in den Behälter
gedrängt
wird, besitzt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender Motor einen äußerst
kleinen Schadraum. Bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren beispielsweise muß die Höhe
des Zylinders größer als der Hub des Kolbens sein. Je größer dieser Raum ist, umso
größer ist der Teil der Rauchgase, die nach dem Ausschieben im Zylinder bleiben.
Nachteiligerweise ist daher die Ansaugtemperatur der Luft konventioneller Motoren
wesentlich höher als die Umgebungstemperatur. Ein kleiner Schadraum wie bei einem
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Motor hat aber zur Folge, daß der
Anfangs zustand für den Arbeitszyklus im Vergleich zu konventionellen Motoren wesentlich
besser ist, da die Saug- und Kompressionstemperatur niedriger und die angesaugte
Luftmenge größer ist.
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Neben einem höheren Wirkungsgrad, einer größeren spezifischen Leistung,
sowie einem kleineren Schadraum ist die Geräuschentwicklung eines derartigen Motors
nicht nur wegen des geringeren Druckes am Ende der Expansion, sondern auch wegen
der gleichmäßigeren Leistung der beweglichen Teile und Lager geringer.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist das
Behältervolumen wenigstens doppelt so groß wie das Volumen des Brennraumes.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn
die aus dem Brennraum abgeleitete Luft in mehreren, vorzugsweise in zwei bis drei
Teilmengen in Brennraum eingeleitet wird, wobei jeder Teilmenge im Brennraum Brennstoff
zugeführt, das Gemisch verbrannt wird und die gebildeten Abgase nach der Ausdehnung
aus dem Brennraum ausgeschoben werden.
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In einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist ein Verbrennungsmotor
mit einem oder mehreren, jeweils in einem
Gehäuse bewegbaren Kolben,
bei dem durch Gehäuse und Kolben jeweils ein Brennraum begrenzt wird, mit Vorteil
an einen Behälter über einen mit einem Ventil gegen den Brennraum absperrbaren Strömungsquerschnitt
angeschlossen.
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Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein Ausführungsbeispiel
beschrieben werden.
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Es zeigen: Figur 1: eine schematische Skizze eines Zylinders eines
Hubkolbenmotors mit Behälter Figuren 2 und 3: Je eine Darstellung eines Gleichdruckprozessesmit
einem bzw. zwei Expansionstakt(en) pro Arbeitszyklus in einem Temperatur-Entropie
Diagramm.
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In Figur 1 ist schematisch ein Zylinder 1 eines Sechstakt-Hubkolbenmotors
dargestellt. Innerhalb des Zylinders 1 bewegt sich ein Kolben 2, der in seinem unteren
Totpunkt (durchgezogene Linie) und in seinem oberen Totpunkt (-strichelte Linie)
dargestellt ist. Über die der Kolbenol)ÇX-fläche gegenüberliegende Stirnfläche des
Zylinders 1 münden ein Rohr 3 zum Ansaugen der Luft und ein zum Auspuff führendes
Rohr 4, durch das die Rauchgase ausgeschoben werden, in den Brennraum. An den Rohrmündungen
sind jeweils Ventile 5 und 6 angeordnet, über die die Rohrmündungen geschlossen
oder geöffnet werden können. Weiterhin mündet ein Rohr 7 mit Ventil 8 in den Zylinder.
Rohr 7 steht mit einem Behälter 9 in Verbindung. Alle Ventile 5, 6 und 8 werden
von einem nicht dargestellten Nockenwelle gesteuert, die durch die Bewegung des
Kolbens über eine Pleuelstange von einer Kurbelwelle angetrieben wird. Schließlich
ist in der Figur 1 symbolisch eine Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff 10
dargestellt.
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Parallel zur Zylinderwand sind in Figur 1 Hubwege in Form von Pfeilen
dargestellt, die die Bewegungsrichtung des Kolbens bei den verschiedenen Arbeitstakten
wiedergeben. Auwerden sind an verschiedenen Stellen der Pfeile mit suchstaben bezeichnete
Punkte eingetragen. Diese Punkte geben den Ort des Kolbens im Zylinder bei einem
bestimmten Verfahrensschritt wieder.
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Im Ausführungsbeispiel soll ein Sechstaktmotor beschrieben werden.
Zunächst wird Luft der Menge g angesaugt. Hierzu ist Ventil 5 geöffnet, während
die übrigen Ventile geschlossen sind. Der Kolben 2 bewegt sich vom oberen Totpunkt
zum unteren Totpunkt (Hub a, b). An diesen ersten Takt schließt sich im zweiten
Takt das Verdichten der Luft an (Hub b, c). Erfindungsgemäß wird bei Punkt c) Ventil
8 geöffnet und die komprimierte Luft über Rohr 7 in den Behälter 9 verdrängt.
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Alle anderen Ventile sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen.
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Das Volumen des Behälters 9 ist so groß, daß dieser ein mehrfaches
der Luftmenge aufnehmen kann, die bei der Kompression während eines Kolbenhubes
in den Behälter gedrängt wird. In diesem Ausführungsbeispiel soll nicht das Anfahren
eines erfindungsgemäßen Motor, sondern ein Motor in Betriebszustand beschrieben
werden. In diese Fall steht die Luft in Behälter 9 unter Kompressionsdruck. Im Anschluß
an den Hub c d.,nach dem der zweite Arbeitstakt beendet ist, bewegt sich der Kolben
wieder in Gegenrichtung (Hub d g).
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Während des Hubes d , e ist Ventil 8 geöffnet und komprimierte Luft
drängt aus dem Behälter 9 in den Raum oberhalb des Kolbens ein. Hierbei wird nicht
die gesamte, während eines Kompressionshubes in den Behälter 9 verdrängte Luft aus
dem Behälter in den Zylinder eingelassen, sondern nur die halbe Luftmenge 1/2 g.
Nachdem das Ventil 8 geschlossen worden ist. Wird in diese Luft eine entsprechende
Brennstoffmenge eingespritzt und das Gemisch verbrannt. Es schließt sich Hub f g
an, während dessen die Verbrennungs-
gase expandieren. In dem diesem
dritten Takt folgenden vierten Takt (Hub g h) werden die Verbrennungsgase über das
geöffnete Ventil 6 ausgeschoben. Im fünften Takt wird zunächst die zweite Hälfte
der Luft (Luftmenge 1/2 g) aus dem Behälter 9 in den Zylinder eingeleitet (Hub h)
i))und anschließend das dazu geöffnete Ventil 8 geschlossen. Nachdem erneut Brennstoff
eingespritzt und das Gemisch verbrannt worden ist (Hub i k) ist der fünfte Arbeitstakt
mit der Expansion der Verbrennungsgase (Hub k 1) beendet. Im sechsten Arbeitstakt
werden die Verbrennungsgase aus dem Brennraum im Zylinder ausgeschoben. Erst nach
diesem Arbeitstakt wird wieder eine Luftmenge g angesaugt.
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In Figur 2 ist ein bei konstantemDruck ablaufender Verbrcnnungsprozeß
(idealer Prozeß des Diesel-Motors) schematisch in einem Temperatur-Entropie-Diagramm
dargestellt. Einer adiabatischen Kompression (1-2) folgt eine isobare Erwärmung
(2-3), der sich eine adiabatische Expansion anschließt. Die verdichtete Luft besitzt
einen Druck von etwa 35 bar und nach der Wärmezufuhr eine Temperatur von etwa 1673
K, während die Verbrennungsgase nach der Expansion einen Druck von ca.
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2,89 bar und eine Temperatur von 876,6 K haben.
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Im Vergleich zu diesem herkömmlichen Verbrennungsprozeß ist in Figur
3 ein erfindungsgemäßer, mit einem Behälter 9 arbeitender Prozeß dargestellt.
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In dieser Figur ist ein Verbrennungsprozeß mit zwei Arbeitstakten
pro Zyklus (Ansaugung, Verdichtung, Verbrennung und Expansion, Ausschieben der Rauchgase)
dargestellt, da die in den Behälter verdrängte Luft in zwei Teilen in den Brennraum
eingeleitet wird und beide Teile nach Zumischung von Brennstoff getrennt von einander
den ganzen Hubweg für die Expansion nutzen. Das heißt das gesamte Volumen der Rauchgase
ist am Ende der Expansion doppelt so groß wie das Volumen der
angesaugten
Luft bei Punkt 1. Um einen Vergleich der beiden in den Figuren 2 und 3 geschilderten
erfindungsgemäßen Prozesse zuzulassen, sind diese so ausgelegt, daß die Temperatur
der Verbrennungsgase nach der Expansion jeweils gleich groß sind. Die Temperaturen
und Drücke beim Ansaugen der Luft, am Ende der Kompression bzw. der Wärmezufuhr
sind daher gleich.
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[m Prozeß mit zwei Arbeitsgängen pro Zyklus wird somit die adiabatisch
komprimierte Luft (1-2) auf die gleiche Temperatur erhitzt wie im Prozeß mit einem
Arbeitsgang pro Zyklus.
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Bei der isobaren Erhitzung der ersten und zweiten Luftmenge (1/2 g)
steigt die Temperatur jeweils auf ca 1-673 K. Mit Vorteil sinkt der Druck der Verbrennungsgase
bei der anschließenden Expansion deutlich unter das Druckniveau der nur mit einem
Arbeitsgang pro Zyklus arbeitenden Prozesse.
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Der Druck sinkt nahezu auf das Niveau des Ansaugdruckes (Umgebungsdruck)
ab (1,135 bar), so daB einem nach diesem Verfahren arbeitenden Motor eine äußerst
geringe Geräuschentwicklung zu eigen ist.
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In der folgenden Tabelle sind die Leistungsdaten der in den Figuren
2 und 3 dargestellten Verbrennungsmotoren bezogen auf 1 kg Luft angegeben. Allen
Berechnungen wurde hierbei ein Adiabatenexponent X = 1,35 zugrundegelegt.
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Dieser Tabelle ist zu entnehmen, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren
das Arbeitsvermögen der Rauchgase besser genutzt wird, da die gesamte Expansionsarbeit
wesentlich höher ist, als bei einem Verfahren, bei dem die komprimierte Luft nicht
in einen Behälter teilmengenweise in den Brennraum eingeleitet wird. Diese Tatsache
führt zu einem höheren Wirkungsgrad (auf die zugeführte Wärmemenge bezogene Nutzarbeit).
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Vergleich der Leistungsdaten für 1 kg angesaugte Luft
| (Adiabatenexponent: % = 1,35) idealer Gleichdruckprozeß |
| mit einem Arbeits- mit zwei Arbeits- |
| takt pro Zyklus takten pro Zyklus |
| Temperaturen Ansaugen T1/P1 303/1 |
| und Drücke |
| Ende der Kompression T2/P2 761,7/35 |
| (K) / (bar) |
| Ende der Wärmezufuhr T3/P3 1673/35 |
| Ende der Expanison T4/P4 876,6/2,89 687,7/1,135 |
| zugeführte Wärmemenge Q23 (kJ) 1009 |
| gesamte Expanisonsarbeit LE (kJ) 914,8 1069,8 |
| gesamte Kompressionsarbeit LK (kJ) 376,2 463,2 |
| Nutzarbeit L = LE - LK (kJ) 538,6 606,6 |
| L |
| Wirkungsgrad # = (%) 53,4 60,1 |
| Q23 |
L e e r s e i t e