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WO2013037366A2 - Verbrennungsmotor mit hohem wirkungsgrad - Google Patents

Verbrennungsmotor mit hohem wirkungsgrad Download PDF

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WO2013037366A2
WO2013037366A2 PCT/DE2012/100281 DE2012100281W WO2013037366A2 WO 2013037366 A2 WO2013037366 A2 WO 2013037366A2 DE 2012100281 W DE2012100281 W DE 2012100281W WO 2013037366 A2 WO2013037366 A2 WO 2013037366A2
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WO
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piston
engine
cylinder
domega
engine according
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WO2013037366A3 (de
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Arno Mecklenburg
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Individual
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Publication date
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Publication of WO2013037366A3 publication Critical patent/WO2013037366A3/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/401—Controlling injection timing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2400/00—Control systems adapted for specific engine types; Special features of engine control systems not otherwise provided for; Power supply, connectors or cabling for engine control systems
    • F02D2400/04—Two-stroke combustion engines with electronic control
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates generally to the field of reciprocating engines, such as e.g. Diesel engines.
  • a fundamental weakness of known piston engines is that the crankshaft has a particularly unfavorable lever ratio near top dead center (TDC). This is precisely where the highest compression is achieved in the combustion chamber, ie where the hot working gas could do the most effective work.
  • TDC top dead center
  • the most favorable leverage arises only with a rotation of the crankshaft about 60 °, namely, when the connecting rod is perpendicular to the crank arm.
  • the high combustion chamber pressure can lead to a certain blow-by, which is still promoted by the low velocity of the pistons in the vicinity of the TDC and possibly by the transverse forces acting on the piston.
  • Piston rod are attached. At each end of a piston rod there is a piston which works into its own cylinder. At the same height below each piston are two rolling bearings on the piston rod attached. Between the four rolling bearings (two for each piston) are finally clamped the two counter-rotating cams. By designing the cams (each with at least three cam lobes), the most favorable leverage closer to top dead center (TDC) can be achieved.
  • TDC top dead center
  • the reciprocating engine comprises at least one cylinder and a piston guided therein and a system for fuel injection, wherein the engine is fully or predominantly works as a diesel engine and wherein the system for fuel injection is designed such that in each power stroke, a large part of the fuel injected into the cylinder during the working cycle in a period of time is less than or equal to the respective
  • Ignition delay time is. According to the invention, therefore, a large part of the fuel is injected before the autoignition takes place.
  • An example of the invention relates to a reciprocating engine having at least one cylinder and at least one guided in the cylinder piston, the between a top dead center (TDC) and a bottom dead center (UT) a
  • a transmission is provided for converting the lifting / lowering movement (dh / dt) of the at least one piston into a rotational movement (dOmega / dt), wherein the transmission is an angle-dependent
  • the engine further includes a system for fuel injection, wherein the system for
  • Fuel injection is set so that in each working stroke of the piston, the majority of the fuel is injected in a period which is less than or equal to the respective Zündverzugszeit.
  • the transmission is designed such that immediately after reaching top dead center, the transmission ratio (dOmega / dh) is lower and / or a minimum transmission ratio (dOmega / dh) is reached earlier than when using a conventional crankshaft.
  • the system for fuel injection can be set such that autoignition takes place after top dead center has been reached, and that the pressure in the cylinder is maximum at a point in time at which the
  • Gear has the shortest gear ratio (dOmega / dh). A maximum expansion speed can then be close to the maximum
  • the engine is designed as an opposed piston engine, in which two associated pistons are guided in each cylinder.
  • the engine can be designed as a two-stroke engine.
  • a charge exchange can be effected by the two pistons release inlet and outlet ports in the cylinder, wherein the transmission is designed such that mutually associated piston their upper
  • a piston releases the outlet channel or the outlet channels first and then closes them again before the other piston assigned to it opens the inlet channel or the inlet channels.
  • FIG. 1 shows an illustration of the transmission ratio between the
  • An idea underlying the invention is to run to increase the efficiency of an optimal Otto process at a high, typical of diesel engines compression by the im
  • Ignition delay is generally understood to mean the period from the beginning of the
  • the ignition delay is known as a speed limiting feature, as the
  • the ignition delay can be influenced by various factors, including the
  • the type of mixture formation which can be influenced for example by the nozzle shape of the injector and the air duct.
  • the idea is therefore to first modify a conventional diesel engine so that the fuel is injected and atomized as completely as possible and mixed with air before the combustion starts spontaneously.
  • the engine can be controlled accordingly, the open hole cross-section of the injection nozzle increases and / or increases the injection pressure and / or the
  • an engine constructed in accordance with the embodiments described herein may be operated as a "self-igniter" which
  • Total achieves a (total) compression ratio which is higher than in conventional gasoline engines, and which is further characterized in that the largest possible part of each injection quantity is injected in a period of time which is less than or equal to the respective ignition delay time .
  • the Zündverzugszeit is given primarily by the fuel used (cetane number) and by pressure and temperature in the combustion chamber. That is, ignition delay time is essentially a function of fuel type, compression, and charge air temperature and humidity.
  • Achieve OT as favorable as possible (ie short) ratio have (so that a lowering of the piston by one way, ie the smallest possible angle of rotation dOmega result) in order to make optimal use of the inventively abruptly building very high cylinder pressure.
  • Such a built-up engine achieves high efficiency and high maximum torque, and in two-stroke opposed piston construction, moreover, its high power density and high midrange
  • the engine is constructed as a supercharged "valveless" two-stroke opposed piston engine with a plurality of injectors disposed about the circumference of the combustion chamber.
  • "Half" see Figure 2
  • Rhomben gearbox driven, so a rhombic gear per piston, which rotate in the same direction, but work in opposite directions.
  • the rotation of the transmission is synchronized in such a way that both working pistons reach their TDC as simultaneously as possible.
  • designs and equations of motion of rhombic transmissions are well known and can be readily configured by the skilled person according to the invention. For example, one of the
  • Rhombic gears are designed so that the associated
  • Stroke (piston 1, omega) A * (- (cos (omega)) + sqr (4- (1 -sin (omega)) A 2)) + offseti
  • the distance of the connecting rod bearing on the piston 1 from the cylinder axis is equal to the minimum distance of the associated crank pin of the same cylinder axis. If the crank pins are exactly "inside", ie are closest to one another, the associated connecting rod bearings on piston 1 are located exactly "above” the respective crank pin along the cylinder axis. If then the effective length of the connecting rod is chosen so that they even the double eccentricity of the crankpin corresponds, the results
  • Stroke (piston 2, omega) A * (- (cos (-Omega + pi)) + sqr (4- (1-sin (-Omega + pi)) A 2)) + Offset2
  • both pistons satisfy the above-mentioned requirement, as far as possible immediately after reaching the TDC a much cheaper
  • Intake piston the intake ports and the cylinder can be filled and even charged (high).
  • the (additional) charging of the engine with the charging piston can be high
  • exhaust gas energies result, which of course, even by known methods, can and should be used.
  • the exhaust gas drives a possibly multi-stage turbine, which drives both a compressor, for example, a centrifugal compressor, as well as an electric generator.
  • a turbocharger with an additional power turbine could be used. It can be between the
  • Intercooler be arranged.
  • a chemical agent for example urea solution
  • for exhaust aftertreatment can be injected into the exhaust gas before entering the exhaust gas turbine (SNCR).
  • SNCR exhaust gas turbine
  • Provided electrical energy can be used to operate on-board electrical systems or for propulsion purposes.
  • the generator can be used as a short time
  • Electric motor used and in turn drive the turbocharger.
  • the operation of a motor according to the invention will now be explained by means of a further embodiment based on an engine concept used in the Junkers JUMO 205 motor, since this motor is well known on the one hand and, on the other hand, as the closest prior art.
  • the JUMO 205 was a diesel engine (aircraft engine) in two-stroke counter-piston construction. Rinse losses he avoided by means of a transitional difference between the crank gears.
  • a JUMO 205 first, but as a 4-cylinder in-line engine (instead of six cylinders).
  • each cylinder is equipped with its own turbocharger, which is to work in shock, so with the least possible line volume and resistance between the cylinder and turbocharger exhaust gas turbine (i.e., impact turbine).
  • the exiting from the thrusters exhaust gases are collected in a thermally insulated pitot tube and fed to a common turbine (accumulation turbine), which
  • turbochargers charge air is in a common
  • the combustion method according to the invention is represented as follows: A multiplicity of fast injectors, for example piezo injectors, are respectively arranged around the cylinder peripheries. The fuel is thus injected with a radial (with respect to the cylinder) component, which may result in a comparatively long sputtering distance, which allows for the same injection pressure higher nozzle cross sections.
  • a particularly high injection volume flow can be achieved with the aid of this arrangement.
  • the entire injection quantity is injected and atomized within the ignition delay time. Unless until
  • PCCI Premixed Charge Compression Ignition
  • a part of the fuel may already be added to the charge air, for example, with a pilot injection or a port injection;
  • each crankshaft of the JUMO 205 could be replaced by two adjacent crankshafts (with rotation axis 10 and crankpin 20), each piston 40 being connected to both crankshafts via two connecting rods 30.
  • Such constructions are also known as (half) rhombic gears (e.g., Stirling engines); There, they serve mainly to avoid lateral forces (piston rod guided piston) and are also characterized by an excellent
  • Mass balance to have. It is possible a balance of all rotating mass forces, in addition, the balance of all oscillating
  • Rhombengetriebe is (in addition to the rapid reversal at a dead center-the more abrupt the shorter the connecting rods are - the asymmetry of the movement with respect to the dead points.)
  • opposed piston engine inlet and outlet piston 40 and 40 '- respectively driven by two crankshafts - simultaneously reaching the OT, however offset by 180 ° crank rotation to reach the UT. This leaves a lot of time for the gas changes, which greatly widens the available engine speed range compared to the JUMO 205.
  • the engine sucks in air and compresses it with exhaust gas turbochargers that operate in burst mode.
  • the air is passed into a charge air cooler and fed from there via the inlet 60 to the cylinder (shown is only one cylinder, there may be several), in whose supply lines already a certain amount of fuel can be injected, which alone but not for a Ignition would suffice. This additional injection would on the one hand in the cylinder (shown is only one cylinder, there may be several), in whose supply lines already a certain amount of fuel can be injected, which alone but not for a Ignition would suffice. This additional injection would on the one hand in the
  • Main injection reduce the amount of fuel required and thus facilitate their atomization; on the other hand, the charge air, possibly only during the compression by the piston, would be cooled by the evaporation of the fuel, which would reduce the required compression work.
  • the charge air (possibly not necessarily) enriched with (somewhat) fuel therefore, enters a cylinder when its inlet piston releases the intake passage (s) 60, which incidentally may be designed to be in charge of the charge air (or lean charge) (at this time, the exhaust port (s) 80 are already closed and the exhaust piston is moving in the TDC direction.) Thereafter, the intake piston at the UT reverses and also moves in the direction of TDC, which it simultaneously engages with
  • compression ignition can be used.
  • the kinematics of the "half rhombic gear" ie the two double crankshafts, see Fig. 2 is particularly suitable for its execution, also because in addition to the expansion and the compression at the end of the compression stroke is particularly rapid (unlike conventional crank drives is the maximum Compression speed dV / dt comparatively short before TDC and residence time near TDC is particularly low) .
  • the exhaust piston releases the exhaust ports and the exhaust gases become the impact turbine Not only does it extract work by expanding the exhaust gas, it also helps in the evacuation of the combustion chamber, while still hot exhaust gas exiting the thrusters is collected in the pitot tube and used to flow the turbine, and the engine can also be equipped with exhaust valves As a result, the dead volume in the (exhaust) lines, and the asymmetry of the intake and exhaust piston motions on TDC is no longer
  • a piston can reach its highest speed already a few degrees after TDC), which further contributes to the reduction of wall losses.
  • Diesel engine performance would be limited inter alia by the maximum speed (which by the slow burning process
  • a piston with a piston rod which can substantially simplify the supply of the liquid to the piston crown (for example by cutting coolant through a labyrinth seal into a hole in the bore)
  • Piston rod is introduced). If the continuous liquid cooling of the piston crown succeeds, the limits of the power density of this engine are very high. This is even more so than that can supply by high pre-compression and at a quasi-compression ratio of the actual engine, the engine of a power turbine with standing under high pressure, hot working gas. It can be constructed in this way a turbo-compound machine, in which a large part of the power is generated at the power turbine, and turbines can have a very high power density. This design is also promising in terms of efficiency: at temperatures that exceed the range of application of gas turbines, the high-pressure working gas is first in the "robust"
  • Piston engine expands until the working gas temperature is compatible with a gas turbine. During the subsequent expansion in the utility turbine, its very high isentropic efficiency comes into its own.
  • High torque A particularly high maximum torque is mandatory, because a particularly high combustion pressure is achieved with a particularly favorable lever ratio.
  • a high mean torque results from the high mean pressure (no flushing losses at the Two-stroke process, therefore charging possible, due to the possible absence of valves, etc. also high charging possible).
  • the engine according to the example described above can be lubricated like usual four-stroke engines (true separate lubrication).

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Abstract

Es wird ein Hubkolbenmotor beschrieben. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Hubkolbenmotor zumindest einen Zylinder und einen darin geführten Kolben und eine Anlage zur Kraftstoffeinspritzung, wobei der Motor ganz oder überwiegend als Selbstzünder arbeitet und wobei die Anlage zur Kraftstoffeinspritzung derart ausgebildet ist, dass in jedem Arbeitstakt ein großer Teil des im Arbeitstakt in den Zylinder einzuspritzenden Kraftstoffs in einem Zeitraum injiziert wird, der kleiner oder gleich der jeweiligen Zündverzugszeit ist. Erfindungsgemäß wird also ein großer Teil des Kraftstoffs eingespritzt, bevor die Selbstzündung erfolgt.

Description

Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad
Technisches Gebiet: Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Hubkolbenmotoren, wie z.B. Dieselmotoren.
Hintergrund der Erfindung: Otto- und Dieselmotoren sind allgemein in den unterschiedlichsten
Ausführungsformen bekannt. Eine grundsätzliche Schwäche bekannter Kolbenmotoren besteht darin, dass die Kurbelwelle in der Nähe des oberen Totpunktes (kurz: OT) ein besonders ungünstiges Hebelverhältnis ausweist. Das ist gerade dort, wo im Brennraum die höchste Kompression erreicht wird, wo also das heiße Arbeitsgas am effektivsten Arbeit verrichten könnte. Das günstigste Hebelverhältnis ergibt sich erst bei einer Drehung der Kurbelwelle um ca. 60°, wenn nämlich der Pleuel senkrecht auf dem Kurbelarm steht. Eine Folge des erwähnten ungünstigen Hebelverhältnisses sind zusätzliche
Wärmeverluste, die den Wirkungsgrad des Kolbenmotors verringern. Der hohe Brennraumdruck kann zu einem gewissen Blow-by führen, welcher durch die geringe Geschwindigkeit der Kolben in der Nähe des OT sowie ggf. durch die auf den Kolben wirkenden Querkräfte noch gefördert wird.
Eine auf den ersten Blick elegante, dennoch mit Nachteilen behaftete
Anordnung zur Behebung dieser Schwäche hat die australische Firma Revetec Inc. in der Publikation WO 2008/028252 A1 beschrieben. In dem dort beschriebenen Motor wurde die Kurbelwelle ersetzt durch zwei gegenläufige Kurvenscheiben, auf denen Wälzlager abrollen, die wiederum an der
Kolbenstange befestigt sind. An beiden Enden einer Kolbenstange befindet sich jeweils ein Kolben, der in einen eigenen Zylinder hinein arbeitet. Auf gleicher Höhe unterhalb jedes Kolbens sind je zwei Wälzlager an der Kolbenstange befestigt. Zwischen den vier Wälzlagern (zwei für jeden Kolben) eingeklemmt sind schließlich die zwei gegenläufigen Kurvenscheiben. Durch Ausgestaltung der Kurvenscheiben (mit je mindestens drei Nockenbuckeln) kann das günstigste Hebelverhältnis näher am oberen Totpunkt (OT) erreicht werden.
Demgemäß verwundert nicht, dass Prototypen der als Otto-Motor ausgelegten Revetec-Maschine einen für Ottomotoren besonders hohen Wirkungsgrad besitzen sollen. Dabei ist bekanntlich der Wirkungsgrad von Ottomotoren wegen der geringeren Kompression geringer als der von Dieselmotoren, und das, obwohl die Gleichraum-Verbrennung (d.h. beim Otto-Prozess) - bei gleicher Kompression - deutlich effizientere Wärmekraftmaschinen ermöglicht als die Gleichdruckverbrennung (d.h. beim Diesel-Prozess). Allerdings findet im Ottomotor kein idealer Otto-Prozess statt, insbesondere, weil die Verbrennung wegen der geringen laminaren Flammgeschwindigkeiten gewöhnlicher Otto- Kraftstoffe keineswegs isochor verläuft. Im Diesel findet kein idealer Diesel- Prozess statt, und zwar, weil die Verbrennung nicht isobar verläuft - der Zündverzug führt sogar zu einer sehr schnell verlaufenden initialen
Verbrennung bei Selbstzündung („Nageln"), welche tatsächlich nahezu isochor verläuft.
Angesichts der oben beschriebene Defizite bekannter Motoren konzepte besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe in der Schaffung eines
Hubkolbenmotors mit verbessertem Wirkungsgrad. Zusammenfassung der Erfindung:
Die genannte Aufgabe wird durch einen Motor gelöst, der gemäß einem der unabhängigen Ansprüche aufgebaut ist. Es wird ein Hubkolbenmotor
beschrieben. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Hubkolbenmotor zumindest einen Zylinder und einen darin geführten Kolben und eine Anlage zur Kraftstoffeinspritzung, wobei der Motor ganz oder überwiegend als Selbstzünder arbeitet und wobei die Anlage zur Kraftstoffeinspritzung derart ausgebildet ist, dass in jedem Arbeitstakt ein großer Teil des im Arbeitstakt in den Zylinder einzuspritzenden Kraftstoffs in einem Zeitraum injiziert wird, der kleiner oder gleich der jeweiligen
Zündverzugszeit ist. Erfindungsgemäß wird also ein großer Teil des Kraftstoffs eingespritzt, bevor die Selbstzündung erfolgt.
Ein Beispiel der Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor mit zumindest einem Zylinder und zumindest einem in dem Zylinder geführten Kolben, der zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unterem Totpunkt (UT) eine
periodische Hub-/Senkbewegung vollführt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Diesel- oder Ottomotoren ist ein Getriebe ist zum Umsetzen der Hub- /Senkbewegung (dh/dt) des mindestens einen Kolbens in eine Drehbewegung (dOmega/dt) vorgesehen, wobei das Getriebe einen winkelabhängiges
Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh)aufweist. Der Motor weist des Weiteren eine Anlage zur Kraftstoffeinspritzung auf, wobei die Anlage zur
Kraftstoffeinspritzung so eingestellt ist, dass in jedem Arbeitstakt des Kolbens der Großteil des Kraftstoffes in einem Zeitraum eingespritzt wird, der kleiner oder gleich der jeweiligen Zündverzugszeit ist. Das Getriebe ist derart ausgebildet, dass unmittelbar nach Erreichen des oberen Totpunkts das Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh) geringer ist und/oder ein minimales Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh) früher erreicht wird als bei Verwendung einer herkömmlichen Kurbelwelle. Die Anlage zur Kraftstoffeinspritzung kann insbesondere so eingestellt werden, dass eine Selbstzündung nach dem Erreichen des oberen Totpunkts erfolgt und der dass Druck im Zylinder zu einem Zeitpunkt maximal ist, zu dem das
Getriebe das kürzeste Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh) aufweist. Eine maximale Expansionsgeschwindigkeit kann dann nahe dem maximalen
Brennraumdruck erzielt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Motor als Gegenkolbenmotor ausgebildet, bei dem in jedem Zylinder zwei zugeordnete Kolben geführt sind. Der Motor kann als Zweitaktmotor ausgeführt sein. In dem Zweitakt-Gegenkolbenmotor kann ein Ladungswechsel bewirkt werden, indem die beiden Kolben Ein- und Auslasskanäle im Zylinder freigeben, wobei das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass einander zugeordnete Kolben ihre oberen
Totpunkte und damit eine maximale Kompression nahezu simultan erreichen, ihre unteren Totpunkte dagegen versetzt. Ein Kolben gibt den Auslasskanal bzw. die Auslasskanäle zuerst frei und verschließt diese sodann wieder, bevor der ihm zugeordnete andere Kolben den Einlasskanal bzw. die Einlasskanäle öffnet.
Dies vermeidet Spülverluste und ermöglicht damit Aufladung, einen höheren Wirkungsgrad und bessere Abgaswerte, insbesondere mit Hinblick auf unverbrannte Kohlenwasserstoffe.
Kurze Beschreibung der Abbildungen:
Die Erfindung wird in der Folge anhand von den in den beigefügten Figuren dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht als Einschränkung zu verstehen und sind auch nicht maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip zu illustrieren. In den Abbildungen zeigt: Figur 1 eine Illustration des Übersetzungsverhältnisses zwischen der
Hubbewegung eines Kolbens und der Drehbewegung einer Kurbelwelle bei einem herkömmlichen Motor, und eine Schnittdarstellung durch einen beispielhaften
Gegenkolbenmotor gemäß der vorliegenden Erfindung In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile mit gleicher bzw. ähnlicher Bedeutung
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
Eine der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, zur Steigerung des Wirkungsgrades einen optimalen Otto-Prozess bei einer hohen, für Dieselmotoren typischen Kompression ablaufen zu lassen, indem der im
ursprünglichen Dieselmotor unerwünschte Zündverzug ausgenutzt wird. Unter „Zündverzug" versteht man allgemein die Zeitspanne vom Beginn der
Kraftstoffinjektion in den Zylinder eines Motors bis zum tatsächlichen Beginn der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Speziell bei Dieselmotoren ist der Zündverzug als drehzahlbegrenzendes Merkmal bekannt, da die
Verbrennung nicht sofort mit der Einspritzung einsetzt. Der Zündverzug kann von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden, unter anderem von der
„Zündwilligkeit" des Kraftstoffs, die durch die Cetanzahl beschrieben wird, der Temperatur und dem Druck im Brennraum sowie von der
die Art der Gemischbildung, die beispielsweise von der Düsenform des Injektors und der Luftführung beeinflusst werden kann.
Die Idee ist also, einen herkömmlichen Dieselmotor zunächst dahingehend zu modifizieren, dass der Kraftstoff möglichst vollständig eingespritzt und zerstäubt und mit Luft gemischt wird, bevor die Verbrennung spontan einsetzt. Zu diesem Zweck kann der Motor entsprechend gesteuert, der offene Lochquerschnitt der Einspritzdüse vergrößert und/oder der Einspritzdruck erhöht und/oder die
Anzahl der Einspritzdüsen pro Brennraum (in Bezug auf herkömmliche 4-Takt- Dieselmotoren) vermehrt werden. Zu diesem Zweck können besonders hochdynamische, insbesondere Piezo-getriebene Injektoren verwendet werden. Das Ergebnis dieser Modifikation ist ein„vorsätzliches" starkes Nageln, welches einer idealen Gleichraumverbrennung sehr nahe kommt und das mit einem abrupten Anstieg des Drucks im Zylinder verbunden ist. Dieses Brennverfahren ist zwar thermodynamisch sehr günstig, kann jedoch in Motoren mit Kurbeltrieb aus den folgenden Gründen nur in niedrigen
Lastbereichen genutzt werden: Bei herkömmlichen Motoren (wie z.B. in KFZs verwendet) mit Kurbeltrieb erzeugt der Zylinderdruck unmittelbar nach dem OT kaum nutzbares Drehmoment, vielmehr muss die auf den Kolben wirkende Kraft überwiegend von Pleuelstange, Kurbelwelle, Kurbelgehäuse und den zugehörigen Lagern aufgenommen werden und belastet diese stark. Eine Drehung der Kurbelwelle um einen Winkel Omega (wobei Omega(OT)=0°) führt bei üblichen Pleuel-Längen erst bei ca. Omega=60° zur kürzesten, also günstigsten, Übersetzung dOmega/dh zwischen der linearen Bewegung h des Kolbens und der Drehbewegung Omega der Kurbelwelle. In dieser
Winkelstellung ist aber das Arbeitsgas bereits erheblich expandiert, womit das erzeugbare maximale Drehmoment entsprechend abnimmt. Durch die, verglichen mit erfindungsgemäßen Motoren, langen Verweildauern des heißen und unter hohem Druck stehenden Arbeitsgases bei Kolbenstellungen in der Nähe von OT träten (bei quasi-isochorer Verbrennung in mittleren und hohen Lastbereichen) zusätzliche Wärmeverluste und ggf. ein hoher Blow-by auf. Die Vorzüge der Gleichraumverbrennung verschwinden also in herkömmlichen Hubkolbenmotoren, zumindest in höheren Lastbereichen, und rechtfertigen nicht die extreme mechanische Beanspruchung durch eine oben beschriebene Art der Verbrennung (das„vorsätzliche starke Nageln").
Dieses Problem wird durch die hier beschriebenen erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiele dadurch gelöst, dass anstelle eines üblichen Kurbeltriebs (oder zusätzlich zu einem solchen) eine andere Vorrichtung zur Übersetzung der linearen Kolbenbewegung in eine Drehbewegung genutzt wird, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein günstigeres (also kurzes)
Übersetzungsverhältnis dOmega/dh zwischen Kolbenbewegung dh/dt und Wellenbewegung dOmega/dt möglichst rasch (zeitlich, Zeit t) bzw. nahe
(räumlich, Winkel Omega) nach Erreichen des maximalen Verdichtungsverhätnisses aufweist, als dies bei herkömmlichen Kurbeltrieben gleichen Hubes in herkömmlichen Diesel- oder Ottomotoren möglich ist. Die im Vergleich zu Motoren mit herkömmlichen Kurbeltrieb schnellere Expansion des heißen Arbeitsgases (in unmittelbarer Nähe der maximalen Temperatur TMAX) führt zu einem besonders hohen maximalen Drehmoment und reduziert auch Wärmeverluste über die Zylinderwand. Das bei herkömmlichen Kurbeltrieben ungünstige Übersetzungsverhältnis ist in Fig. 1 gezeigt.
Zusammengefasst kann ein-gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbei- spielen aufgebauter Motor als "Selbstzünder" betrieben werden, der
(insgesamt) ein (Gesamt-)Verdichtungsverhältnis erreicht, das höher ist als in üblichen Otto-Motoren, und der darüber hinaus dadurch gekennzeichnet ist, dass ein möglichst großer Teil jeder Einspritzmenge in einem Zeitraum eingespritzt wird, der kleiner oder gleich der jeweiligen Zündverzugszeit ist. Die Zündverzugszeit ist dabei in erster Linie durch den verwendeten Kraftstoff (Cetanzahl) sowie durch Druck und Temperatur im Brennraum gegeben. Das heißt, die Zündverzugszeit ist im Wesentlichen eine Funktion des Kraftstofftyps, der Kompression sowie der Ladelufttemperatur und -feuchtigkeit. Außerdem werden die Arbeitskolben erfindungsgemäßer Motoren über Antriebe
angetrieben, die anders als herkömmliche Kurbeltriebe möglichst bald nach
Erreichen von OT ein möglichst günstiges (also kurzes) Übersetzungsverhältnis aufweisen (so, dass ein Senken des Kolbens um einen Weg dh einen möglichst kleinen Drehwinkel dOmega zur Folge hat), um den erfindungsgemäß abrupt sich aufbauenden sehr hohen Zylinderdruck optimal zu nutzen.
Ein derartig aufgebauter Motor erreicht einen hohen Wirkungsgrad und ein großes maximales Drehmoment und in Zweitakt-Gegenkolbenbauweise darüber hinaus seine hohe Leistungsdichte und ein hohes mittleres
Drehmoment. Weiterhin ist ein einfacher Aufbau möglich und es können
Querkräfte und/oder Drehmomente auf den Arbeitskolben vermieden werden. Eine gute Schmierung (Getrenntschmierung) kann auch in Zweitakt- Gegenkolbenbauweise ohne Ventile gewährleistet werden, wobei eine
Vermischung von Schmierstoff und Ladeluft vermieden wird.
Im Folgenden wird beispielhaft eine mögliche Ausführung eines
Erfindungsgemäßen Motors beschrieben. Das Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der
Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien zu illustrieren.
Gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung wird der Motor als aufgeladener„ventilloser" Zweitakt-Gegenkolbenmotor aufgebaut, wobei eine Mehrzahl von Injektoren, um den Umfang des Brennraumes angeordnet ist. Pro Brennraum verfügt der Motor also über zwei Arbeitskolben. Die Arbeitskolben werden jeweils über identische („halbe", siehe Figur 2) Rhomben-Getriebe angetrieben, also ein Rhomben-Getriebe pro Arbeitskolben, welche gleichsinnig drehen, aber entgegengesetzt arbeiten. Die Drehung der Getriebe wird dabei derart synchronisiert, dass beide Arbeitskolben ihren OT möglichst gleichzeitig erreichen. Nun sind Bauformen und Bewegungsgleichungen von Rhomben- Getrieben allgemein bekannt und können vom Fachmann ohne weiteres erfindungsgemäß ausgestaltet werden. Beispielsweise kann eines der
Rhomben-Getriebe so ausgeführt werden, dass der damit verbundene
Arbeitskolben (nachfolgend„Kolben 1 ") näherungsweise folgender
Bewegungsgleichung genügt:
Hub(Kolben 1 , Omega) = A*(-(cos(Omega))+sqr(4-(1 -sin(Omega))A2)) + Offseti
Dies kann z.B. erreicht werden, indem der Abstand der Pleuellager an Kolben 1 von der Zylinderachse gleich dem minimalen Abstand der zugeordneten Hubzapfen von derselben Zylinderachse ist. Wenn die Hubzapfen genau „innen" liegen, also einander am nächsten sind, befinden sich die zugeordneten Pleuellager an Kolben 1 entlang der Zylinderachse genau„über" dem jeweiligen Hubzapfen. Wird dann die effektive Länge der Pleuel so gewählt, dass sie eben der doppelten Exzentrizität der Hubzapfen entspricht, ergibt sich die
obenstehende Bewegungsgleichung. Das gleichsinnig drehende aber entgegengesetzt arbeitende Rhomben-Getriebe von Kolben 2 vollführt dann eine Bewegung:
Hub(Kolben 2, Omega) =A* (-(cos(-Omega+pi))+sqr(4-(1 -sin(-Omega+pi))A2)) +Offset2
Damit genügen beide Kolben der oben erläuterten Forderung, möglichst unmittelbar nach Erreichen des OT ein wesentlich günstigeres
Übersetzungsverhältnis zu besitzen als ein herkömmlicher Kurbeltrieb, dessen Bewegung nahe OT in einem weiteren Bereich näherungsweise harmonisch verläuft. Allerdings sind die obigen Funktionen nicht symmetrisch an Ihren
Extremwerten. Werden die gleichsinnig drehenden aber entgegengesetzt arbeitenden Rhomben-Getriebe nun bezüglich der oberen Totpunkte (OTs) ihrer Kolben synchronisiert, so werden die zugeordneten unteren Totpunkte (UTs) versetzt erreicht. Damit ist die Möglichkeit gegeben, den ventillosen Zweitakter aufzuladen. Zuerst erreicht der Auslasskolben (der mit der kürzeren Übersetzung nach Erreichen des OT) Auslasskanäle. Das verbrannte Gemisch wird ausgeblasen. Dann erreicht der Auslasskolben seinen UT, kehrt um und schließt so die Auslasskanäle wieder. Erst danach überstreicht der
Einlasskolben die Einlasskanäle und der Zylinder kann gefüllt und sogar (hoch) aufgeladen werden.
Die (zusätzliche) Aufladung des Motors mit den Ladekolben kann hohe
Abgasenergien zur Folge haben, die selbstverständlich, auch nach bekannten Verfahren, genutzt werden können und sollten. Für die Verwendung des Motors in modernen Hybridfahrzeugen oder als„ränge extender" in Elektrofahrzeugen oder auch in„Dieselelektrischen" Antrieben ist folgende Lösung besonders geeignet: Das Abgas treibt eine ggf. mehrstufige Turbine an, welche sowohl einen Verdichter, zum Beispiel einem Radialverdichter, als auch einen elektrischen Generator antreibt. Alternativ könnte auch ein Turbolader mit einer zusätzlichen Nutzturbine verwendet werden. Dabei kann zwischen der
Ansaugöffnung des Motors und dem Verdichter nach bekannter Art ein
Ladeluftkühler angeordnet sein. In das Abgas kann vor dem Eintritt in die Abgasturbine ein chemisches Mittel (bspw. Harnstoff-Lösung) zur Abgas- Nachbehandlung eingespritzt werden (SNCR). Die vom Generator
bereitgestellte elektrische Energie kann zum Betrieb elektrischer Bordsysteme oder für Antriebszwecke genutzt werden. Zum möglichst schnellen Erreichen einer hohen Motorleistung kann aber auch der Generator kurzzeitig als
Elektromotor verwendet werden und seinerseits den Turbolader antreiben.
Die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Motors wird nun anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels erläutert, welches auf einem Motorkonzept basiert, das in dem Motor JUMO 205 von Junkers verwendet wird, da dieser Motor einerseits allgemein bekannt ist und andererseits als nächstliegender Stand der Technik aufgefasst werden kann. Der JUMO 205 war ein Dieselmotor (Flugzeugmotor) in Zweitakt-Gegenkolbenbauweise. Spülverluste vermied er vermittels eines Gangunterschiedes zwischen den Kurbeltrieben. Man stelle sich zunächst einen JUMO 205 vor, jedoch als 4-Zylinder-Reihenmotor (anstelle von sechs Zylindern). Des Weiteren werde jeder Zylinder mit einem eigenen Turbolader ausgerüstet, welcher im Stoßbestrieb arbeiten soll, also mit möglichst geringem Leitungsvolumen und -widerstand zwischen Zylinder und Turbolader-Abgasturbine (d.h. Stoßturbine). Die aus den Stoßturbinen austretenden Abgase werden in einem thermisch isolierten Staurohr gesammelt und einer gemeinsamen Nutzturbine zugeführt (Stauturbine), welche
beispielsweise über eine Untersetzung mechanisch mit den Antriebswellen des Kolbenmotors gekoppelt ist oder einen elektrischen Generator antreibt. Die von den Turboladern vorverdichtete Ladeluft wird in einen gemeinsamen
Ladeluftkühler geführt, bevor sie in die Zylinder geleitet wird. Um von diesem Motorkonzept zu einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zu gelangen, müssen zusätzliche Veränderungen vorgenommen werden, wie in der Folge beschrieben wird.
Es müssen die Kurbeltriebe durch Getriebe ersetzt werden, welche möglichst kurz (Zeit t) bzw. nahe (Kurbelwinkel Omega) nach Erreichen des maximalen Verdichtungsverhältnisses (also nach Abschluss des Verdichtungstaktes) eine möglichst hohe Expansionsgeschwindigkeit, ermöglicht, also ein möglichst hohes dV/dt, wobei V = Brennraumvolumen. (Dies entspricht einem
möglichst kurzen Hebelverhältnis dOmega/dh, im Gegensatz zur Kinematik konventioneller Kurbeltriebe, welch in der Nähe der Umkehrpunkte besonders lange Hebelverhätnisse -und damit große Verweildauern- aufweisen). Eine maximale Expansionsgeschwindigkeit soll weiterhin möglichst simultan mit dem maximalen Brennraumdruck erzielt werden. Betreffend das Brennverfahren ist festzuhalten, dass ein besonders schnelles Brennverfahren gewählt werden sollte, welches einer isochoren Wärmezufuhr so nahe wie möglich kommt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Brennver- fahren folgendermaßen dargestellt: Um die Zylinderumfänge wird jeweils eine Mehrzahl schneller Injektoren, beispielsweise Piezo-Injektoren, angeordnet. Der Kraftstoff wird also mit einer radialen (in Bezug auf den Zylinder) Komponente eingespritzt, wodurch sich eine vergleichsweise lange Zerstäubungsstrecke ergeben kann, was bei gleichem Einspritzdruck höhere Düsenquerschnitte ermöglicht. Da außerdem in jeden Brennraum eine Mehrzahl von Injektoren einspritzt, kann mit Hilfe dieser Anordnung ein besonders hoher Einspritz- Volumenstrom erreicht werden. Idealerweise wird die gesamte Einspritzmenge binnen der Zündverzugszeit eingespritzt und zerstäubt. Sofern bis zur
Selbstzündung eine hinreichende Gemischbildung stattfindet, kann durch die Abwesenheit einer Diffusionsflamme Rußbildung weitgehend ausgeschlossen werden. Das Brennverfahren ist damit ähnlich einem HCCI- (HCCI= Homogeneous Charge Compression Ignition) oder PCCI-Verfahren
(PCCI=Premixed Charge Compression Ignition), wobei - anders als
herkömmliche HCCI- oder PCCI Motoren - die veränderte Kinematik des Kolbentriebes (und ggf. auch die Abwesenheit von Ventilen) den Betrieb mit hohen Wärmeraten (und damit hohe Druckgradienten)auch in höheren
Lastbereichen zulässt.
Um die für die Haupteinspritzung erforderliche Einspritzmenge zu reduzieren, kann ein Teil des Kraftstoffs bereits der Ladeluft hinzugefügt werden, zum Beispiel mit einer Voreinspritzung oder einer Saugrohreinspritzung; die
Kraftstoffmenge wäre dabei möglichst so zu bemessen, dass das Vorgemisch allein unter den Motorbedingungen nicht zündfähig ist oder eine sehr große Zündverzugszeit aufweist. Wie oben beschrieben, müssen zur Ausführung der Erfindung die Kurbeltriebe des JUMO 205 durch einen erfindungsgemäßen Abtrieb ersetzt werden. Dies ist in Figur 2 dargestellt. Zu diesem Zweck könnte jede Kurbelwelle des JUMO 205 durch zwei nebeneinander liegende Kurbelwellen (mit Drehachse 10 und Hubzapfen 20) ersetzt werden, wobei jeder Kolben 40 über zwei Pleuel 30 mit beiden Kurbelwellen verbunden ist. Derartige Konstruktionen sind auch als (halbe) Rhombengeriebe (z.B. von Stirlingmotoren) bekannt; dort dienen sie hauptsächlich der Vermeidung von Querkräften (pleuelgeführte Kolben) und sind außerdem dadurch gekennzeichnet, einen hervorragenden
Masseausgleich aufweisen zu können. Es ist ein Ausgleich aller rotierenden Massekräfte möglich, außerdem ist der Ausgleich aller oszillierenden
Massenkräfte erster Ordnung bereits bei einem Kolben möglich.
Charakteristisch für Rhombengetriebe ist (neben der schnellen Umkehr an einem Totpunkt -die umso abrupter verläuft je kürzer die Pleuel sind - die Asymmetrie der Bewegung bezüglich der Totpunkte. Hierdurch können im in Fig. 2 skizzierten Gegenkolbenmotor Ein- und Auslasskolben 40 und 40' - jeweils von zwei Kurbelwellen angetrieben - simultan den OT erreichen, jedoch um 180° Kurbeldrehung versetzt den UT erreichen. Hierdurch verbleibt viel Zeit für die Gaswechsel, was das verfügbare Drehzahlband des Motors, verglichen mit dem JUMO 205, stark verbreitert. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel saugt der Motor Luft an und verdichtet diese mit Abgas-Turboladern, die im Stoßbetrieb arbeiten. Die Luft wird in einen Ladeluftkühler geleitet und von dort aus über den Einlass 60 dem Zylinder zugeführt (dargestellt ist nur ein Zylinder, es können auch mehrere sein), wobei in deren Zuleitungen bereits eine gewisse Kraftstoffmenge eingespritzt werden kann, welche allein jedoch nicht für eine Zündung genügen würde. Diese zusätzliche Einspritzung würde einerseits die bei der
Haupteinspritzung benötigte Kraftstoffmenge verringern und damit deren Zerstäubung erleichtern; andererseits würde die Ladeluft, ggf. erst während der Kompression durch die Kolben, durch die Verdunstung des Kraftstoffs gekühlt, was die erforderliche Kompressionsarbeit vermindern würde. Die ggf. (aber nicht notwendigerweise) mit (etwas) Kraftstoff angereicherte Ladeluft tritt also in einen Zylinder ein, wenn dessen Einlasskolben den oder die Einlasskanäle 60 freigibt, die übrigens so gestaltet sein können, dass sie der Ladeluft (bzw. dem mageren„Vorgemisch") einen Drehimpuls verleihen. (Zu diesem Zeitpunkt sind der oder die Auslasskanäle 80 bereits geschlossen und der Auslasskolben bewegt sich in Richtung OT.) Anschließend kehrt der Einlasskolben am UT um und bewegt sich ebenfalls in Richtung OT, welchen er simultan mit dem
Auslasskolben erreicht. Während sich Ein- und Auslasskolben in der Nähe von OT befinden, beginnt die Haupteinspritzung. Beispielsweise kann die
Haupteinspritzung vor OT beginnen und auch einige Grad (in Omega) vor OT abgeschlossen werden.
Diese wird erfindungsgemäß (elektronisch) so gesteuert, dass die
Selbstzündung gerade dann zu einem maximalen Brennraumdruck führt, wenn während des Arbeitstaktes das Hebelverhältnis dOmega/dh möglichst klein ist, was erfindungsgemäß im Wesentlichen möglichst früh nach Umkehr beider Kolben an ihren OT der Fall ist. Dann ist auch die Expansionsgeschwindigkeit des Arbeitsgases im Arbeitstakt bereits unmittelbar nach dem OT maximal.
Erfolgen Einspritzung und Gemischbildung ohne Selbstzündung vollständig innerhalb des Verdichtungstaktes, so kann von einer Kompressionszündung gesprochen werden. Die Kinematik des„halben Rhombengetriebes" (also der beiden doppelten Kurbelwellen, siehe Fig. 2) ist zu dessen Ausführung besonders geeignet, auch weil neben der Expansion auch die Kompression zum Ende des Verdichtungstaktes besonders rasch erfolgt (anders als bei herkömmlichen Kurbeltrieben liegt die maximale Kompressiongeschwindigkeit dV/dt vergleichsweise kurz vor OT und die Verweildauer in der Nähe von OT ist besonders gering). Dies vermindert die Gefahr von Frühzündungen stark und erhöht allgemein die Regelbarkeit. Zum Abschluss der Expansion gibt der Auslasskolben die Auslasskanäle frei und die Abgase werden der Stoßturbine zugeführt. Diese extrahiert nicht nur Arbeit, indem sie das Abgas expandiert, sondern hilft auch bei der Evakuierung des Brennraumes. Aus den Stoßturbinen austretendes, noch heißes Abgas wird im Staurohr gesammelt und gebraucht, um die Nutzturbine zu beströmen. Der Motor kann auch mit Auslassventilen aufgebaut werden. Hierdurch kann das Totvolumen in den (Auslass-)Leitungen vermindert werden, und die Asymmetrie der Ein- und Auslasskolbenbewegungen an OT ist nicht länger erforderlich, da Spülverluste anstatt eines Gangunterschiedes zwischen den Kolben durch das/die Ventile vermieden werden. In diesem Bild werden die Ein- und
Auslasskolben, einschließlich der ihnen zugeordneten Kurbelwellen,
spiegelsymmetrisch betrieben, was bei beliebiger Zylinderzahl einen
hevorragenden Masseausgleich ermöglicht. Ferner wird das mögliche
Ausschleusen von Schmierstoff über die Auslasskanäle verhindert, das ansonsten durch andere konstruktive Maßnahmen unterdrückt werden wollte. Allerdings sind solche Ausführungen komplexer und thermisch weniger belastbar. Im Folgenden wird stichwortartig zusammengefasst, weshalb der Motor die oben genannten Vorteile besitzt und auch weitere vorteilhafte Eigenschaften aufweist, die an Verbrennungsmotoren allgemein geschätzt werden.
Hoher Wirkungsgrad: Dieser resultiert aus der Kombination von
Gleichraumverbrennung (optimaler Otto-Prozess) mit der hohen Verdichtung eines Selbstzünders (Diesel).-In der Ausführung als ventilloser Zweitakt- Gegenkolbenmotor entfallen außerdem Reibungsverluste für den Ventiltrieb, und die Wärmeverluste über die Zylinderwand sind, verglichen beispielsweise mit Viertaktmotoren gleichen Hubraumes (pro Zylinder), geringer. Zudem kann ein sehr hoher Arbeits-Mitteldruck und damit ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Arbeits- und Reibmitteldruck dargestellt werden. Darüber hinaus wird das heiße Arbeitsgas weitaus schneller expandiert (z.B. mit Hilfe eines
Rhomben-Getriebes. Gemäß dem oben diskutierten Ausführungsbeispiel kann ein Kolben seine höchste Geschwindigkeit bereits wenige Grad nach OT erreichen), was weiter zur Verminderung von Wandverlusten beiträgt.
Hohe Leistungsdichte: Diese resultiert hauptsächlich aus der möglichen
Bauweise als Zweitaktmotor. Gemäß dem oben diskutierten Ausführungsbeispiel als spülverlustfreier Gegenkolbenmotor können besonders hohe Leistungsdichten erreicht werden, da (hohe) Aufladungen möglich sind (Auslass bereits geschlossen, wenn Einlass öffnet) und bei hinreichender Kompression auch hohe Drehzahlen. Wegen des kleineren Hubes der einzelnen Kolben im Gegenkolbenmotor sind höhere Drehzahlen leichter erreichbar (und die
Trägheitsmomente der Kolbenantriebe wesentlich geringer) als in
Kolbenmotoren, deren Zylinder nur je einen Kolben aufweisen. Beim
Dieselmotor würde die Leistung unter anderem durch die maximale Drehzahl begrenzt werden (welche durch das langsame Brennverfahren
(Diffusionsflamme) beschränkt ist) und ggf. auch durch die thermische und mechanische Belastbarkeit der Ventile. Mit einem sehr schnellen Brennverfahren und ohne Ventile wird die Leistungsfähigkeit vor allem durch die thermische Belastbarkeit der Kolben, insbesondere des Auslasskolbens, sowie die Beständigkeit der Lager bezüglich der„Kraftspitzen", welche sich aus der harten Verbrennung ergeben. Erfindungsgemäß spüren die Lager jedoch die Kraftmaxima, während das Hebelverhältnis gerade besonders kurz ist - die auf den Kolben infolge des Brennraumdruckes maximal ausgeübte Kraft schlägt„in die Bewegung" statt auf die Lager. Wird als Kolbenantrieb ein (halbes)
Rhombengetriebe verwendet, besteht ferner die Möglichkeit, einen Kolben mit einer Kolbenstange zu verwenden, was die Versorgung des Kolbenbodens mit einem flüssigen Kühlmittel wesentlich vereinfachen kann (beispielsweise, indem durch eine Labyrinthdichtung Kühlschmierstoff in eine Bohrung in die
Kolbenstange eingeleitet wird). Gelingt die kontinuierliche Flüssigkeitskühlung des Kolbenbodens, so sind die Grenzen der Leistungsdichte dieses Motors sehr hoch. Dies gilt umso mehr, als dass durch eine hohe Vorverdichtung und bei einem gleichsam kleinen Verdichtungsverhältnis des eigentlichen Motors der Motor einer Nutzturbine mit unter hohem Druck stehendem, heißes Arbeitsgas versorgen kann. Es kann auf diese Weise eine Turbo-Compound-Maschine konstruiert werden, bei welcher ein großer Teil der Leistung an der Nutzturbine anfällt, und Turbinen können eine sehr hohe Leistungsdichte besitzen. Diese Ausführung ist auch mit Hinblick auf den Wirkungsgrad vielversprechend: Bei Temperaturen, welche den Einsatzbereich von Gasturbinen übertreffen, wird das unter hohem Druck stehende Arbeitsgas zuerst in der„robusten"
Kolbenmaschine expandiert, bis die Arbeitsgastemperatur mit einer Gasturbine verträglich ist. Bei der nachfolgenden Expansion in der Nutzturbine kommt deren sehr hohe isentrope Effizienz zum Tragen.
Hohes Drehmoment: Ein besonders hohes maximales Drehmoment ergibt sich zwingend, weil ein besonders hoher Verbrennungsdruck bei besonders günstigem Hebelverhältnis erreicht wird. Ein hohes mittleres Drehmoment resultiert aus dem hohen Mitteldruck (keine Spülverluste beim Zweitaktverfahren, daher Aufladung möglich, infolge der möglichen Abwesenheit von Ventilen etc. auch hohe Aufladung möglich).
Der Motor gemäß dem oben beschriebenen Beispiel kann wie übliche Viertaktmotoren (echte Getrenntschmierung) geschmiert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Hubkolbenmotor mit
zumindest einem Zylinder (50) und
einem in dem Zylinder geführten Kolben (40), der zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unterem Totpunkt (UT) eine periodische Hub- /Senkbewegung (dh/dt) vollführt;
einem Getriebe (10, 20 30) zum Umsetzen der Hub-/Senkbewegung (dh/dt) des mindestens einen Kolbens (40) in eine Drehbewegung (dOmega/dt) entsprechend einem winkelabhängigen Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh) und
einer Anlage zur Kraftstoffeinspritzung (70),
wobei die Anlage zur Kraftstoffeinspritzung so eingestellt ist, dass in jedem Arbeitstakt des Kolbens der Großteil des Kraftstoffes in einem Zeitraum eingespritzt wird, der kleiner oder gleich der jeweiligen Zündverzugszeit ist, und wobei
das Getriebe derart ausgebildet ist, dass unmittelbar nach Erreichen des oberen Totpunkts das Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh) geringer ist und/oder ein minimales Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh) früher erreicht wird als bei Verwendung einer herkömmlichen Kurbelwelle bei gleichem maximalem Kolbenhub.
2. Der Motor nach Anpruch 1 , wobei die wobei die Anlage zur
Kraftstoffeinspritzung so eingestellt ist, dass eine Selbstzündung nach oder bei dem Erreichen des oberen Totpunkts erfolgt und der Druck im Zylinder während des Arbeitstaktes bei einer Kolbenstellung maximal ist, zu dem das Getriebe das kürzeste Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh) aufweist.
3. Der Motor nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch, dass er als Zweitaktmotor ausgeführt wird
4. Der Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass er als Gegenkolbenmotor ausgeführt wird, bei dem zwei einander zugeordnete Kolben in einem Zylinder geführt sind.
5. Der Motor nach Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, dass ein
Ladungswechsel bewirkt wird, indem die beiden Kolben Ein- und Auslasskanäle im Zylinder freigeben,
wobei das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass einander zugeordnete Kolben ihre oberen Totpunkte und damit eine maximale Kompression nahezu simultan erreichen, ihre unteren Totpunkte dagegen versetzt.
6. Der Motor nach Anspruch 5, wobei ein Kolben den Auslasskanal bzw. die Auslasskanäle zuerst freigeben und sodann wieder verschließt, bevor der ihm zugeordnete andere Kolben den Einlasskanal/die Einlasskanäle öffnet.
7. Der Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Getriebe ein Rhombengetriebe ist.
8. Der Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem jeder Kolben zwei Pleuel aufweist, wobei je ein Pleuel mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist und beide Kurbelwellen, beispielsweise über Zahnräder, gekoppelt und
synchronisiert sind.
9. Kolbenmotor gekennzeichnet dadurch, dass er ganz oder überwiegend als Selbstzünder arbeitet, und der über eine Anlage zur Kraftstoffeinspritzung verfügt, die so bemessen ist, dass bei jedem Arbeitstakt ein großer Teil der Einspritzmenge eingespritzt werden kann in einem Zeitraum, der kleiner oder gleich der jeweiligen Zündverzugszeit ist
10. Kolbenmotor nach Anspruch 8 gekennzeichnet dadurch, dass er
mindestens einen Arbeitskolben besitzt, der anders angetrieben wird als mit einem herkömmlichen Kurbeltrieb. Dabei zeichnet sich dieser andere Antrieb dadurch aus, gemessen an der Position des Arbeitskolbens früher als herkömmliche Kurbeltriebe nach Erreichen des oberen Totpunktes ein möglichst günstiges Hebelverhältnis (Senkung des Kolbens um dl erzwingt möglichst kleine Änderung des Antriebswellen-Drehwinkels) zu besitzen.
Weiterhin wird die Kraftstoffeinspritzung derart gesteuert, dass der maximale Zylinderdruck möglichst genau dann auftritt, wenn das günstigste
Hebelverhältnis gegeben ist (s.o., was gleichbedeutend ist mit: "[...] wenn ein gegebener Zylinderdruck ein möglichst hohes Drehmoment [auf den Antrieb] ausübt").
1 1 . Kolbenmotor nach Anspruch 9 gekennzeichnet dadurch, dass er als Zweitaktmotor ausgeführt wird
12. Kolbenmotor nach Anspruch 9 gekennzeichnet dadurch, dass er als Gegenkolbenmotor ausgeführt wird
13. Kolbenmotor nach einem Ansprüchen 9 bis 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, keine Ein- oder Auslassventile zu besitzen (die beim „vorsätzlichen Nageln" enormen mechanischen und im Fall des/der
Auslassventil(e)(s) auch hohen thermischen Belastungen ausgesetzt wären).
14. Kolbenmotor nach Anspruch 13 gekennzeichnet dadurch, dass der Ladungswechsel bewirkt wird, indem die Arbeitskolben Ein- und Auslasskanäle freigeben. Dabei werden die Kolbenantriebe gemäß Anspruch 2 derart ausgestaltet, dass einander zugeordnete Arbeitskolben nur ihre Oberen Totpunkte (d.h. max. Verdichtungsverhältnis) nahezu simultan erreichen, ihre Unteren Totpunkte dagegen versetzt. Dabei muss ein Arbeitskolben den/die Auslasskanäle zuerst freigeben und sodann wieder verschließen, bevor der ihm zugeordnete andere Arbeitskolben den/die Einlasskanäle öffnet.
15. Hubkolbenmotor mit
zumindest einem Zylinder (50) und
einem in dem Zylinder geführten Kolben (40), der zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unterem Totpunkt (UT) eine periodische Hub- /Senkbewegung (dh/dt) vollführt;
einem Getriebe (10, 20 30) zum Umsetzen der Hub-/Senkbewegung (dh/dt) des mindestens einen Kolbens (40) in eine Drehbewegung (dOmega/dt) entsprechend einem winkelabhängigen Übersetzungsverhältnis (dOmega/dh) und
einer Anlage zur Kraftstoffeinspritzung (70),
wobei die Anlage zur Kraftstoffeinspritzung so eingestellt ist, dass in jedem Arbeitstakt des Kolbens der Großteil des Kraftstoffes in einem Zeitraum eingespritzt wird, der kleiner oder gleich der jeweiligen Zündverzugszeit ist, so dass eine Selbstzündung nach dem oder bei Erreichen des oberen Totpunkts erfolgt,
und
wobei das Getriebe und die Kraftstoffeinspritzung so aufeinander abgestimmt sind, dass nach der Selbstzündung der Druck im Zylinder bei einer
Kolbenstellung maximal ist, bei der das Getriebe das kürzeste Übersetzungs- Verhältnis (dOmega/dh) aufweist.
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