AT502851B1 - Intervallsteuerung für hubkolbenverbrennungsmaschinen - Google Patents

Description

2 AT 502 851 B1 1.0 Das Prinzip

Die intervallgesteuerte Hubkolbenverbrennungsmaschine besteht aus einer Kombination von bewährten, bereits auf dem Markt vorhandenen Teilen, wobei auf das bewährte Prinzip des Zweitaktverfahrens zurückgegriffen wird.

Der Zweitaktmotor wurde auf wenige bewegliche Teile reduziert, es wurden alle jene Teile, die die oszillierende Bewegung in eine Drehbewegung umwandeln, weggelassen. Durch die nun vollkommen lineare Bewegung von Kolben und Kolbenstange gibt es keine Pleuel, keine Kurbelwelle und auch keine Lager.

Die Kolben von zwei sich gegenüberliegenden Zweitaktmotoren (-1-) sind mit einer Kolbenstange (-2-) verbunden, an dieser sind die Kolben der Steuer- und Pumpeinheit befestigt. (-3-)

Die Zylinder werden wechselweise gezündet, wobei die Intervallsteuerung bewirkt, dass ein Kolben nach dem Ansaug- und Verdichtungshub jeweils im OT angehalten werden kann und ab dem Erreichen des OT für eine Zündung bereit steht. -- Ein vergleichbarer Betriebszustand: eine Delmag-Ramme nach der Verdichtung, ehe sie nach Bedarf mittels Fingerdruck gezündet wird und dann springt.—

Nach dem Stillstand im OT kann innerhalb einer Zeitspanne 0 - X Sekunden gezündet werden, wobei X die Zeitspanne darstellt, zu dem ein verdichtetes Gemisch noch zündfähig ist, oder erhitzte komprimierte Luft noch eine Zündung erlaubt. Ohne neu gestartet zu werden, kann der Motor nun nach dem Stillstand im Intervall vom extrem langsamen Lauf bis zum Schnelllauf betrieben werden.

Einen Lastwechsel konventioneller Art mittels Mengen- oder Qualitätsregelung gibt es nicht, wenn nötig werden die Hübe pro Zeiteinheit durch grössere oder kleinere Intervalle variiert, wobei die Kolbengeschwindigkeit und demnach auch die Verdichtungsgeschwindigkeit immer gleich bleibt. 2.0 Steuerung

Die Bewegung der Kolben wird über die zwischen den Zweitaktmotoren liegende Steuer- und Pumpeinheit kontrolliert, wobei eine oder mehrere Ölpumpen (-3-) über automatische oder beeinflussbare Ventile (-4-) die mit den Pumpen über die Kolbenstange verbundenen Arbeitskolben im OT bzw. im UT festhalten.

Die Ölpumpen erfüllen 2 Funktionen: a. ) Die Steuerung der Bewegungsabläufe wie zuvor beschrieben b. ) Die Erzeugung der Ölmengenströme des hydraulischen Systems und damit die Befüllung der Druckspeicher, die die diskontinuierlich auf Grund der oszillierenden Bewegung anfallenden Ölmengenströme in kontinuierliche, abrufbare Ölmengenströme umwandeln. Die Druckspeicher sind Speicher mit Stickstoffblase und werden laufend mit Öl beaufschlagt, bis der Nenndruck erreicht ist. 2.1 Prinzip der Steuerung mit automatischen, vorgespannten Ventilen

Zwischen den Ölpumpen (-B-) die direkt hydraulisch verbunden sind, wird der Ölstrom durch ein vorgespanntes Ventil (-A-) für einen bestimmten Druck begrenzt bzw. blockiert.

Der mit dem vorgespannten Ventil (-A-) eingestellte Druck entspricht dem Druck, der im Arbeitszylinder des Zweitaktmotors nach der Verdichtung entstanden ist. Der Pumpenkolben (-in 3 AT 502 851 B1 B-) hält über die Kolbenstange den Arbeitskolben (-in 1-) im OT fest; der Motor ist damit im Gleichgewicht. *)

Erst der durch die Verbrennung im Zylinder entstehende höhere Druck überwindet die eingestellte Vorspannkraft und das Ventil lässt eine weitere Bewegung des Systems zu, bis der Arbeitstakt vollendet ist. Gleichzeitig ist dann im gegenüberliegenden Zylinder die Verdichtung erfolgt und das Ventil hält den anderen Kolben im OT fest. Als Arbeitsdruck steht immer die Differenz zwischen dem Spitzendruck und dem Verdichtungsdruck voll zu Verfügung.

Nach jedem Takt bleibt der Verdichtungsdruck bis zur Zündung in einem der Zylinder gespeichert.

Jeder Arbeits- und Ausstosstakt in einem Zylinder ist auch gleichzeitig ein Ansaug- und Verdichtungstakt im anderen Zylinder. *) Die Art der Steuerung ist Gegenstand des Patentantrages 2.2 Die Steuerung der Ventile spaltet die Kolbenbewegung nach dem Schliessen der Schlitze auf in: a. ) Hineilen zum OT mit Verdichtung b. ) Stehenbleiben im OT mit der Möglichkeit der Verlängerung der Stillstandsphase im Um kehrpunkt c. ) Davoneilen, aber erst nach erfolgter Zündung und Verbrennung.

Es entsteht mit b.) ein „Quasi dritter Takt“, - ein beeinflussbarer zeitabhängiger Takt -, also ein Takt der Nichtbewegung des Motors während der Betriebsphase. Hier kommt auch die Begrenzung des Ventiles zum Tragen. (-A-) 2.3 Eine Steuerung mit beeinflussbaren Ventilen, magnetisch oder mechanisch ist möglich. Dabei wird das automatische (vorgespannte) Ventil (-A- bzw. -4-) durch ein entsprechendes magnetisches oder mechanisches Ventil ersetzt. Das Ventil schliesst nach Erreichen des OT und öffnet mit der Zündung. Dazu wäre jedoch eine entsprechende elektrische oder mechanische Vorrichtung nötig. 3.0 Gemischbildung 3.1 Durch die vollkommen linear laufende Kolbenstange mit den Kolben ist es möglich die Arbeitszylinder von der Steuer- und Pumpeinheit zu trennen und abzudichten, so dass eine Ölzugabe zum Treibstoff unterbleiben kann. Schmierung und Verbrennung erfolgen dann in gleicher Weise wie beim Viertaktmotor.

Das System der Intervallsteuerung erlaubt eine einmalige Einstellung der Gemischzusammensetzung und somit auch das Fehlen einer Drosselklappe.

Die Gemischzusammensetzung bleibt demnach bei jeder Hubzahl gleich, sowohl im Vergaserais auch im Einspritzbetrieb, mit einer Ausnahme: Choke.

Diese Einstellung für nur einen Betriebszustand bringt die Verwendung einfachster Vergaser und Einspritzanlagen.

Eine optimale Gemischbildung ergibt sich zB. im Ottobetrieb durch

Einspritzung nach Schliessen der Schlitze gleichbleibende Gemischkomponenten 4 AT 502 851 B1 gleichbleibende hohe Verdichtungsgeschwindigkeit genügend Zeit. 3.2 Verdichtung

Das Verdichtungsvolumen ist durch den Weg der Steuerungspumpenkolben genau definiert und somit ist auch das Verdichtungsverhältnis festgelegt. 3.3 Kolbengeschwindigkeit, Verdichtungsgeschwindigkeit

Durch das einmal eingestellte Gemisch bleibt innerhalb einer geringen Toleranz, die durch den variierenden Druck im Druckspeicher bedingt ist, die Kolbengeschwindigkeit immer gleich.

Im Gegensatz zum Motor mit Kurbelwelle, bei dem die Umdrehung die Kolbengeschwindigkeit bedingt, also bei langsam laufenden Motor im Teillastbereich die Kolbengeschwindigkeit und damit die Verdichtungsgeschwindigkeit niedrig ist, bleibt im Intervallbetrieb auch bei langsam laufenden Motor -d.h. bei wenigen Hüben pro Zeiteinheit- die Kolbengeschwindigkeit und somit die Verdichtungsgeschwindigkeit immer gleich, abhängig vom Zustand des Gemisches. 3.4 Lastwechsel, Teillast, Leerlauf

Ein Lastwechsel konventioneller Art durch Mengen- oder Qualitätsregelung findet beim Intervallbetrieb nicht statt. Eine eventuell notwendig werdende Variation der Hübe pro Zeiteinheit erfolgt durch grössere oder kleinere Intervalle bei einmal eingestellten Gemisch.

Der Motor arbeitet immer in einem modifizierten Stationärbetrieb, also immer optimal.

Es gibt in den Zylindern im Intervallbetrieb nur einen Betriebszustand: - Vollast -

Die niedrigste Hubzahl hängt vom Faktor X (noch zündfähiges Gemisch) ab, während die höchste Hubzahl durch die Kolbengeschwindigkeit bestimmt wird.

Diese wird so eingestellt, dass noch relativ genügend Zeit für eine optimale Gemischbildung vorhanden ist und die dabei erzielbare Kolbengeschwindigkeit gilt auch für die niedrigste Hubzahl.

Die höchste so erzielbare Hubzahl bestimmt mit die Leistung des Motors.

Leerlauftakte, sofern sie notwendig werden, sind ebenfalls durch den Faktor X begrenzt. Sie sind auf ein Minimum reduziert und dienen nur der Aufrechterhaltung des Druckes im System.

Lastwechsel und Teillast im Hydraulikbereich kann sowohl über den Druckspeicher geregelt werden, der dann als Windkessel arbeitet und bei Sinken des Druckes unter ein gewisses Niveau mit voller Hubzahl wieder aufgefüllt wird, als auch über das „Gaspedal“ in Form eines Potentiometers, das jedoch nicht über den Kraftstoff regelt sondern über einen Taktgeber die Hübe pro Zeiteinheit bestimmt. In beiden Fällen jedoch bleibt die Kraft je Arbeitstakt gleich. 4.0 Zündung, Start 4.1 Die Zündung erfolgt im Otto-Betrieb mittels Transistorzündung. Der Zeitpunkt der Zündung liegt nach Erreichen des OT durch den Kolben, wobei durch ein Potentiometer über einen elektronischen Taktgeber das genaue Zündintervall vorbestimmt wird. Die Zündintervalle sind dann kleiner oder grösser, je nach Erfordernis. 4.2 Nach einem Stillstand könnte, sollte aus irgend einem Grund die Zeit für den Faktor X - 5 AT 502 851 B1 „noch zündfähig“- überschritten werden, jederzeit wieder gestartet werden, da für eine Automatik immer Druck im System vorhanden ist. 4.3 Zum Erststart wird der Druckspeicher mit einer Elektromotorpumpe gefüllt. 4.4 In der Dieselversion wird erst - nachdem der Kolben den OT erreicht hat - eingespritzt.

Ob direkt oder in eine Wirbelkammer hängt von der effektiv möglichen Verwirbelung bzw. der Auslegung des Motors ab. 5.0 Verbrennung 5.1 Die Verbrennung erfolgt durch die Aufsplitterung der Kolben beweg ung (Stillstand im OT) im unverblockten Motor in einem Gleichraum, der sich erst durch die der Verbrennung folgende Entspannungsphase ändert.

Ein zwangsläufig hin- und davoneilender Kolben und damit eine Änderung des Volumens wie beim Rotationskolbenmotor stört die Verbrennung nicht. 5.2 Erst die Zündung bewirkt nach der Verbrennung die Kolbenbewegung und nicht die Kolbenbewegung die Zündung und Verbrennung. Es gibt keine Zwangszündung aus der Rotation und somit keine Zwangssteuerung.

Ob im Langsam- oder Schnelllauf: die Kriterien einer optimalen Verbrennung ändern sich nicht. Die Verbrennungen sind immer identisch, also reproduzierbar. 5.3 Die Nachteile einer Gleichraumverbrennung, wie hoher Spitzendruck und grosse Hitze, lassen sich durch die Wahl der Verdichtung und Kraftstoffmenge beherrschen, da Unwägbarkeiten aus Teillast und Kolbengeschwindigkeit nicht zu berücksichtigen sind. 5.4 Im Dieselbetrieb wird, um hohe Spitzendrücke zu vermeiden eine langsame Einspritzung gewählt; es gibt vom Prinzip her kein Nachlaufen der Verbrennung. 6.0 Innere Reibung, Zylinder- bzw. Modulabschaltung 6.1 Durch die völlig lineare Bewegung von Kolben und Kolbenstange beschränkt sich die innere Reibung auf Zylinderwand und Kolbenringe sowie die relativ einfachen Dichtungen gegenüber dem Steuer- und Pumpenteil.

Die Hydraulikpumpen sowie die -motoren laufen im Ölbad und die Leitungen zum Druckspeicher sind bei entsprechender Dimensionierung kurz gehalten.

Lager für eine Rotation sind im Motor keine vorhanden.

Eine drehzahlabhängige (hubzahlabhängige) Erhöhung der inneren Reibung findet demnach nicht statt. 6.2 Eine innere Reibung durch Leistungsbereitstellung wie in konventionellen Motoren, also ein Mitlaufen von nicht benötigten Kolben und Motorteilen gibt es nicht, da nur die benötigten Zylinder und Module in Betrieb stehen.

Es gibt also eine echte Zylinder- (Modul-) abschaltung ohne die Nachteile einer Abschaltung im konventionellen Motor.

Zusätzlich entfällt die Reibung zwischen den Intervallen, da dann der Motor, wenn auch nur 6 AT 502 851 B1 kurz, steht. 7.0 Massenausgleich, konstruktive Möglichkeiten Drehmoment 7.1 Eine Kopf an Kopfanordnung von zwei Modulen (hintereinander) ergibt einen vollkommenen Massenausgleich. Eine Einheit besteht dann aus vier Zylindern und ist röhrenförmig angeordnet. 7.2 Neben einer einfachen, unmittelbaren Erzeugung von Druck für verschiedenste Verwendungsgebiete, in der Hauptsache Kälte und Wärme, wo die Steuerung über einen Windkessel überhaupt keine Probleme bereitet, bringt der Intervallbetrieb des Motors noch zusätzliche Möglichkeiten einer feinfühligen Anpassung an jedes Krafterfordernis.

Der Wegfall aller rotierenden Teile bringt eine äusserst einfache und leichte Konstruktion, die mit geringen Kosten hergestellt werden kann. 7.3 Für einen Fährbetrieb sind Druckspeicher und Hydraulikmotoren Stand der Technik und arbeiten heute mit einem Übertragungswirkungsgrad von über 90%.

Die Befüllung der Druckspeicher erfolgt dem Krafterfordernis angepasst über ein oder mehrere

Module. 7.4 Die Leistungsbereitstellung für höheren Kraftbedarf ist unproblematisch, da die zusätzlichen Module nur bei Bedarf arbeiten, also hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Reibung etc. unbedenklich sind.

Es ist zB. denkbar für den Stadtbereich ein entsprechendes kleines Modul von ca. 5 KW vorzusehen, das bei einem Fahrzeuggewicht von ca. 1000 kg für 50 - 60 KM/h ausreichend ist und die restlichen Module für höhere Geschwindigkeiten grösser zu dimensionieren. Alle Module arbeiten auf den gleichen Druckspeicher.

Bei vollständigem Intervallbetrieb, also bei Betrieb, der nicht über den Druckspeicher als Windkessel geregelt wird, fällt eine variable Dimensionierung der Module weg, da die Intervallsteuerung auch kleine und kleinste Leistungen abdecken kann; bei kleinen Leistungen werden die Intervalle einfach grösser und nähern sich den für den Leerlauf notwendigen Takten. Dabei steht aber trotzdem immer die volle Leistung aus dem Druckspeicherzu Verfügung. 7.5 Wenn die Druckspeicher auf 200 bar oder höher ausgelegt sind, steht ein beträchtliches Potential an Drehmoment für die Hydroaggregate zu Verfügung.

Dieses Potential steht immer zur Gänze bereit, besonders aber nach dem Anhalten eines Fahrzeuges, da die Druckspeicher dann voll aufgeladen sind. Zur weiteren Beschleunigung setzen die Module gemeinsam ein. 7.6 Im niedrigen Bereich zB. bei Fahrten Stadtbereich, ist eine Energierückgewinnung über die Hydroaggregate durch Nutzbremsung sinnvoll und würde eine weitere Treibstoffeinsparung bringen. Dabei ergibt sich aber die Frage, wie weit sich der zusätzliche Aufwand bei den Hydro-aggregaten lohnt, da der Motor an sich schon äusserst sparsam ist. 7.7 Im Fahrzeugbereich sind durch die Bauweise der Motormodule, - flach und röhrenförmig -, alle konstruktiven Möglichkeiten vorhanden; die Module können auch gesplittet eingebaut werden.

Vorteile des intervallgesteuerten Motors gegenüber konventionellen Otto- und Dieselmotoren. 7 AT 502 851 B1 1. ) Durch den Kolbenstillstand im OT: Zündung immer im optimalen Zustand des Gemisches. keine Vorzündung nötig, da vom Prinzip her jede Zündung erst nach Erreichen des OT erfolgt. keine Nachzündung möglich, da es keinen davoneilenden Kolben gibt. im Dieselbetrieb bleibt demnach eine Zündverzögerung wie im konventionellen Motor ohne Auswirkung.

Gleichraumverbrennung; erst die Entspannungsphase bewegt den Kolben. 2. ) Durch die vollkommen lineare Bewegung von Kolben und Kolbenstange im Motor sind keine Lager notwendig. 3. ) Die innere Reibung ist auf Zylinderwände und Kolbenringe sowie die Dichtungen zwischen Zylindern und Pumpenteil beschränkt. Es gibt keine hubzahl-(drehzahl-)abhängige Steigerung der Reibungsverluste. 4. ) Wegen der Abdichtung zwischen Zylinder- und Pumpenteil kann eine Ölzugabe zum Gemisch unterbleiben. Die Verbrennung erfolgt wie beim 4-takt Motor. 5. ) Die Gemischbildung ist durch eine einmalige Einstellung der Komponenten dauernd gleich. 6. ) Es ergibt sich dadurch ein einfacher Aufbau des Vergasers bzw. der Einspritzeinrichtung. 7. ) Der Verdichtungsdruck wird im Zylinder bis zur Zündung gespeichert. (Solange das Intervall dauert) 8. ) Die Zündung ist im Bereich von 0 - X Sekunden möglich, wobei X den Zeitpunkt darstellt, zu dem das verdichtete Gemisch noch zündfähig ist bzw. komprimierte, heisse Luft im Dieselbetrieb noch eine Zündung erlaubt. 9. ) Die Zündung erfolgt willkürlich und nicht zwangsläufig. 10. ) Erst die Zündung und Verbrennung bewirkt die Kolbenbewegung und nicht die Kolbenbewegung die Zündung.

Die Kolbengeschwindigkeit und somit die Verdichtungsgeschwindigkeit hängt nicht vom schnell oder langsam rotierenden Kolbentrieb ab, sondern wird ausschliesslich vom Tempo der nach der Verbrennung sich ausbreitenden Gase bestimmt. 11. ) Teillast wird durch Variation der Hübe pro Zeiteinheit erreicht. 12. ) Der Betriebszustand ist dauernd der eines Stationärmotors, sowohl im Schnell- als auch im Langsamlaufbereich. 13. ) Der Arbeitsdruck wird im Druckspeicher mit Stickstoffblase gespeichert. Dadurch wird der diskontinuierlich anfallende Ölmengenstrom in einen kontinuierlich abrufbaren Ölmengenstrom mit hohem Druck umgewandelt. 14.) Ein vollkommener Massenausgleich ergibt sich bei einer Kopf- an Kopfanordnung (hintereinander) der Module.

Claims (4)

1. 8 AT 502 851 B1 15. ) Bei Mehrmodulmotoren ist eine echte Zylinderabschaltung möglich. 16. ) Beim Motor ergibt sich eine Gewichtseinsparung von ca. 60%. 17. ) Im Fährbetrieb steht nach einem Anhalten des Fahrzeuges beim Wiederanfahren sofort der volle Druck des Druckspeichers zur Verfügung und ergibt ein hohes Drehmoment. Patentansprüche: 1. Intervallsteuerung von Kolbenbewegung und Zündung in Hubkolbenverbrennungsmaschinen durch zeitlich beeinflussbaren Stillstand des/der Kolben und eines damit verbundenen Systems im oberen Totpunkt nach dem Verdichtungshub, wobei nach dem Stillstand des/der Kolben ein verdichtetes Medium zur Verfügung steht das zeitlich abhängig durch einen Kurbeltrieb gezündet oder in das eingespritzt wird, mittels einer Hemmung dadurch gekennzeichnet, wobei der/die Kolben und ein damit verbundenes System welches zumindest zwei gegengleich angeordnete Zylinder umfasst nach dem Verdichtungshub, wobei ein verdichtetes Medium das ohne mengenmässige oder qualitative Veränderung zustande kommt zur Verfügung steht, durch eine beeinflussbare Hemmung im oberen Totpunkt solange festgehalten wird, bis eine willkürliche also systemunabhängige zeitlich frei wählbare Zündung bzw. Einspritzung diese Hemmung löst oder überwindet und eine neuerliche Bewegung des/der Kolben zulässt.
2. 2. Intervallsteuerung durch Hemmung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie durch ein vorgespanntes hydraulisches Ventil (-4-) eine Pumpe blockiert (-3-), dass diese Pumpe die über ein Kolbenstange (-2-) verbundenen Kolben jeweils im oberen Totpunkt solange festhält, bis eine willkürliche, also systemunabhängige frei wählbare Zündung bzw. Einspritzung diese Hemmung löst oder überwindet und eine neuerliche Bewegung zulässt.
3. 3. Intervallsteuerung durch Hemmung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein magnetisches Ventil (-4a-) eine Pumpe (-3-) blockiert, dass diese Pumpe, die über eine Kolbenstange (-2-) festgehaltenen Kolben jeweils im oberen Totpunkt solange festhält, bis sie gleichzeitig mit einer zeitlich frei wählbaren Zündung bzw. Einspritzung diese Hemmung löst oder überwindet und damit eine neuerliche Bewegung zulässt.
4. 4. Intervallsteuerung durch Hemmung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie durch ein mechanisches Ventil (-4b-) eine Pumpe (-3-) so blockiert, dass diese Pumpe die über eine Kolbenstange (-2-) verbundenen Kolben jeweils im oberen Totpunkt solange festhält, bis sie gleichzeitig mit einer frei wählbaren Zündung bzw. Einspritzung diese Hemmung löst und damit eine neuerliche Bewegung zulässt. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen