WO1999010637A1 - Arbeitsverfahren einer brennkraftmaschine und brennkraftmaschine - Google Patents

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WO1999010637A1
WO1999010637A1 PCT/AT1998/000199 AT9800199W WO9910637A1 WO 1999010637 A1 WO1999010637 A1 WO 1999010637A1 AT 9800199 W AT9800199 W AT 9800199W WO 9910637 A1 WO9910637 A1 WO 9910637A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G3/00—Combustion-product positive-displacement engine plants
    • 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
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke

Definitions

  • the invention relates to a working method of an internal combustion engine with at least one mutually movable and interacting piston and cylinder, wherein preferably the piston drives a crankshaft by means of power transmission means, and the piston in the cylinder continuously has a bottom and an upper dead center position, forming a largest and a smallest Occupies the interior of the cylinder and the cylinder space can be temporarily closed, for example by controlled valves.
  • the invention comprises an internal combustion engine with at least one mutually movable and interacting piston and cylinder, wherein a crankshaft can preferably be driven by pistons by means of a force transmission means, and the piston in the cylinder continuously has a lower and an upper dead center position, forming a largest and a smallest one Occupies the interior of the cylinder and the interior of the cylinder, for example by means of controlled valves, can at times be closed off from a gas supply device and an exhaust gas discharge device and, if appropriate, has introduction and / or ignition means for a working fluid or fuel mixture.
  • the working method of known internal combustion engines with pistons moving in a cylinder essentially comprises a charging cycle with the introduction of air or a combustible gas mixture into the cylinder interior and a compression thereof by the piston moved into the top dead center position, after which combustion of working fluid takes place in one working cycle
  • the temperature and pressure increase and thereby the piston is moved to the bottom dead center position, whereupon the burned gases or exhaust gases are discharged from the cylinder interior in one exhaust stroke.
  • the sequence of the gas supply, the compression and the exhaust gas discharge is controlled by movable closing means, in particular valves, in the area of the so-called cylinder head as a function of the crankshaft rotation.
  • This method of operation can be achieved by indenting air or combustible gas mixture in the cylinder interior, for example by means of a turbocharger or compressor, to higher specific outputs, because the filling of the cylinders with combustible medium can be increased, especially at high engine speeds.
  • the invention seeks to remedy this and aims to create a working method of an internal combustion engine with which the energy use of the working fluid during combustion can be significantly increased.
  • Another object of the invention is to provide an internal combustion engine with which a significantly improved efficiency is achieved.
  • This goal is achieved in a generic method in that, in a charging process, compressed, gaseous medium is introduced into the cylinder interior formed in the region of the top dead center position of the piston when at least one inlet closing means is open
  • the interior of the cylinder is closed and the compressed gaseous medium is heated recuperatively, whereupon in a work cycle in the gaseous medium which has been brought to an elevated temperature in the cylinder space, combustion takes place with an increase in temperature and pressure, and the piston with a decrease in temperature and pressure of the burned medium to the bottom dead center position is pressed, after which, in an exhaust stroke, at least one outlet closing means is opened, and the combustion or exhaust gas is discharged from the cylinder interior with the recuperative removal of thermal energy by the piston moved to the top dead center position.
  • the combustion gas can be expanded to approximately the ambient pressure, thereby making it possible to improve the use of energy.
  • the heat or energy remaining in the combustion gas is further reduced according to the invention, on the other hand, by giving off heat to a recuperator, so that the exhaust gas can be brought to a much lower energy level and thus the energy balance of the process by introducing energy stored in the recuperator into the fresh gas is improved. It is thereby achieved that the residual energy not usable for the process in the exhaust gas ultimately discharged is significantly reduced and that the working method has a significantly increased efficiency in relation to the energy used or introduced by means of the working fluid or gas mixture.
  • the pressure is reduced to substantially the ambient pressure when the piston reaches the bottom dead center position.
  • diesel, petrol or similar fuels are used, it can be considered favorable if, during the charging process, oxygen-containing, gaseous medium or oxygen-containing gas, in particular combustion air, is pressed into the cylinder space and thereby or recuperatively heated, and then in the work cycle Working fluid or fuel is introduced into the cylinder space and is preferably brought to combustion by self-ignition or, if appropriate, spark ignition.
  • Working fluid or fuel is introduced into the cylinder space and is preferably brought to combustion by self-ignition or, if appropriate, spark ignition.
  • flammable gaseous medium in particular a gasoline or the like and / or gas-air mixture
  • this fuel gas by spark ignition or self-ignition in the working cycle is brought to combustion
  • fuels for, for example, gasoline, diesel or gas engines with efficiencies which are substantially improved according to the invention.
  • the gaseous medium intended for the charging process is compressed or compressed isothermally, introduced into the cylinder interior and isochorously heated therein, after which the combustion cycle causes the work cycle a further isochoric, possibly isochoric and / or isobaric temperature increase with subsequent isentropic expansion of the combustion gas caused by the piston movement and when the same is being extracted from the cylinder interior during the exhaust cycle, the sensible heat is at least partially isobarically extracted from the exhaust gas.
  • a desired high thermal efficiency in the combustion of the working fluid or gas can only be achieved if this cycle sequence or sequence of steps is observed.
  • recuperative heating of the gaseous medium is carried out in the interior of the cylinder.
  • An internal combustion engine of the type mentioned is determined according to the object of the invention in that it has a recuperator, which of the supplied gas and the combustion gas or exhaust gas can be flowed through alternately.
  • recuperator further reduces the residual heat of the exhaust gas and this energy can be fed back into the working process, which leads to a substantial increase in the thermal efficiency of the internal combustion engine.
  • recuperator is arranged in the cylinder interior essentially filling the cross section.
  • recuperator is arranged to be movable in the cylinder space, in particular displaceable in the cylinder axis direction.
  • An advantageous high proportion of unburned gasoline and the like or gas-air mixture or the combustion air can thus be brought to a desired high temperature or the recuperative heat exchange can be optimized.
  • the movable recuperator holder and / or a recuperator part is additionally designed as an inlet and / or outlet closure means.
  • recuperator is made of metal and / or ceramic.
  • the recuperator has a catalytic coating.
  • this reduces the proportion of carbon monoxide in the exhaust gas, on the other hand, however, the thermal energy formed in the catalysis is used for heating the gaseous medium introduced into the cylinder interior and the thermal efficiency of the internal combustion engine is improved.
  • a pressure increasing device is arranged in the feed area for the gaseous medium. It is particularly advantageous for constant-load operation if the pressure-increasing device can be driven by the crankshaft or the working piston by means of an operative connection. With regard to the overall efficiency, however, it can also be favorable if the pressure increasing device can be driven at least partially by external energy. It is also possible, for example in the case of a vehicle, to obtain the external energy from the braking process.
  • a pressure accumulator for the gaseous medium which can preferably be used by means of a control device, is arranged in the area of the pressure increasing device or between the latter and the inlet closing means in the gas supply device, and this pressure accumulator possibly independent of the operation of the internal combustion engine by a third-party drive via mechanical coupling means to the pressure increasing device through this is rechargeable.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a device according to the invention
  • FIG. 1 shows a cylinder 1 in which a piston 2 is movable, the piston 2 being operatively connected to a crankshaft 8.
  • Combustion air V or combustible gas mixture can be fed to a pressure increasing device 5, from which this medium is made available to a control device 6 with preferably a connected pressure accumulator 7.
  • This pressure-increasing device 5, which is designed to be connectable to the crankshaft 8 or an external drive 9 by means of a coupling 81, 91 and / or the pressure accumulator 7, provides the gaseous medium M in a gas supply device 11 to the cylinder 1 via the control device 6.
  • In cylinder 1 there is essentially a cross-section filling in the area of the cylinder head Recuperator 3 arranged.
  • Combustion or exhaust gas A can be discharged from the cylinder interior by an exhaust gas discharge device 13.
  • FIG. 2 schematically shows a charging process of an internal combustion engine according to the invention, an isothermally compressed gaseous medium M being introduced into the interior of a cylinder 1 by a gas supply device 11 when an inlet closure means 12 is open.
  • a recuperator 3 with increased temperature is located approximately on a piston 2, which is located in the area of its upper dead center position with the release of an upper cylinder interior.
  • the recuperator 3 After closing the inlet closing means 12 shown in FIG. 3, the recuperator 3 is brought into the upper cylinder interior by means of a displacement device 31, the gaseous medium flowing through the recuperator 3 and being heated isochorously.

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Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Arbeitsverfahren einer Brennkraftmaschine und einer dementsprechenden Einrichtung. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist verfahrenstechnisch erfindungsgemäss vorgesehen, dass in einem Ladevorgang in den im Bereich der oberen Totpunktlage des Kolbens gebildeten Zylinderinnenraum komprimiertes gasförmiges Medium eingebracht, der Zylinderinnenraum verschlossen und das komprimierte gasförmige Medium rekuperativ erwärmt wird, worauf in einem Arbeitstakt in dem im Zylinderraum eingeschlossenen gasförmigen, auf erhöhte Temperatur gebrachten Medium eine Verbrennung ablaufen gelassen und der Kolben unter Temperatur- und Druckerniedrigung des Gases zur unteren Totpunktlage gedrückt wird, wonach in einem Ausstosstakt das Verbrennungs- bzw. Abgas unter Entzug von Wärmeenergie durch den zur oberen Totpunktlage bewegten Kolben aus dem Zylinderinnenraum ausgefördert wird. Der Erfindung entsprechend weist eine Brennkraftmaschine, im wesentlichen einen Rekuperator (3) auf, welcher vom zugeführten Gas (M) und dem Verbrennungsgas bzw. Abgas (A) abwechselnd durchströmbar ist und gegebenenfalls eine katalytisch wirksame Beschichtung trägt.

Description

Arbeitsverfahren einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren einer Brennkraftmaschine mit mindestens jeweils einem zueinander bewegbaren und zusammenwirkenden Kolben und Zylinder, wobei vorzugsweise der Kolben eine Kurbelwelle durch Kraftübertragungsmittel antreibt und dabei der Kolben im Zylinder in laufender Folge eine untere und eine obere Totpunktlage unter Bildung eines größten und eines kleinsten Zylinderinnenraumes einnimmt und der Zylinderraum, zum Beispiel durch gesteuerte Ventile, zeitweise verschließbar ist.
Weiters umfaßt die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit mindestens jeweils einem zueinander bewegbaren und zusammenwirkenden Kolben und Zylinder, wobei eine Kurbelwelle durch Kraftübertragungsmittel vorzugsweise von Kolben antreibbar ist und dabei der Kolben im Zylinder in laufender Folge eine untere und eine obere Totpunktlage unter Bildung eines größten und eines kleinsten Zylinderinnenraumes einnimmt und der Zylinderinnenraum, zum Beispiel durch gesteuerte Ventile, zeitweise gegenüber einer Gaszuführungs-und einer Abgasaustragseinrichtung verschließbar ist und gegebendenfalls Einleit- und/oder Zündmittel für ein Arbeitsfluid bzw. Kraftstoffgemisch aufweist.
Das Arbeitsverfahren von bekannten Brennkraftmaschinen mit in einem Zylinder bewegten Kolben umfaßt im wesentlichen einen Ladetakt mit einem Einbringen von Luft oder einem brennbaren Gasgemisch in den Zylinderinnenraum sowie einer Komprimierung derselben durch den in die obere Totpunktlage bewegten Kolben, wonach in einem Arbeitstakt eine Verbrennung von Arbeitsfluid unter Temperatur- und Druckerhöhung und dadurch ein Verschieben des Kolbens in die untere Totpunktlage erfolgen, worauf in einem Ausstoßtakt die verbrannten Gase bzw. Abgase aus dem Zylinderinnenraum ausgebracht werden. Der Ablauf der Gaszuführung, der Kompression und des Abgasaustrages wird durch bewegbare Verschließmittel, insbesondere Ventile, im Bereich des sogenannten Zylinderkopfes in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehung gesteuert. Diese zumeist als Viertaktverfahren bezeichnete Arbeitsweise kann durch ein Eindrücken von Luft oder brennbarem Gasgemisch in den Zylinderinnenraum, zum Beispiel mittels Turboladers oder Kompressors, zu höheren spezifischen Leistungen gebracht werden, weil dabei, insbesondere bei hohe Drehzahlen der Brennkraftmaschine, die Füllung der Zylinder mit brennbarem Medium vergrößerbar ist.
Beim sogenannten Zweitaktverfahren wird durch den Kolben selbst im Bereich der unteren Totpunktlage ein Zuführungs- und ein Abgaskanal in der Zylinderwand freigegeben, so daß ein Gastransport durch den Zylinderinnenraum, ein sogenanntes Ausspülen von Abgas mit einem Frischgaseintrag erfolgen kann. Nach dem Eintrag von Frischgas oder Gasgemisch, welcher durch eine Druckerhöhung in diesem bewirkt wird, wird der Kolben bei Kompression des Frischgases zur oberen Totpunktlage hinbewegt, in welchem Bereich eine Verbrennung von Arbeitsfluid ausgelöst wird. Eine Druckerhöhung des Frischgases bzw. Gasgemisches erfolgt durch eine Verdrängungswirkung des Kolbens selbst und/oder durch ein Druckerhöhungsmittel .
Alle bekannten Arbeitsverfahren von Brennkraftmaschinen haben jedoch die Nachteile gemeinsam, daß einerseits keine adiabatische oder isentrope Ausdehnung des Verbrennungsgases auf im wesentlichen den Umgebungsdruck ablaufen gelassen wird bzw. werden kann, und andererseits eine isochore Abfuhr der dem Verbrennungsgas innewohnende Wärme bei Austrag desselben aus dem Zylinderinnenraum erfolgt und somit die Nutzung der Energie des Arbeitsfluid bzw. Brenngases gering ist.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, ein Arbeitsverfahren einer Brennkraftmaschine zu erstellen, mit welchem die Energienutzung des Arbeitsfluids bei der Verbrennung wesentlich zu erhöhen ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit welcher ein wesentlich verbesserter Wirkungsgrad erreicht wird.
Dieses Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß in einem Ladevorgang in den im Bereich der oberen Totpunktlage des Kolbens gebildeten Zylinderinnenraumes bei Offenstellung mindestens eines Einlaß- Verschließmittels komprimiertes, gasförmiges Medium eingebracht, der Zylinderinnenraum verschlossen und das komprimierte gasförmige Medium rekuperativ erwärmt wird, worauf in einem Arbeitstakt in dem im Zylinderraum eingeschlossenen gasförmigen, auf erhöhte Temperatur gebrachten Medium eine Verbrennung unter Temperatur-und Druckerhöhung ablaufen gelassen und der Kolben unter Temperatur-und Druckerniedrigung des verbrannten Mediums zur unteren Totpunktlage gedrückt wird, wonach in einem Ausstoßtakt mindestens ein Auslaß-Verschließmittel geöffnet, das Verbrennungs- bzw. Abgas unter rekuperativem Entzug von Wärmeenergie durch den zur oberen Totpunktlage bewegten Kolben aus dem Zylinderinnenraum ausgefördert wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß einerseits ein Entspannen des Verbrennungsgases bis auf etwa den Umgebungsdruck, wodurch eine Verbesserung der Energienutzung erreichbar ist, ermöglicht ist. Die in dem Verbrennungsgas verbleibende Wärme bzw. Energie wird erfindungsgemäß andererseits weiters durch eine Wärmeabgabe in einen Rekuperator erniedrigt, so daß das Abgas auf ein wesentlich geringeres Energieniveau gebracht werden kann und somit die Energiebilanz des Prozesses durch Einbringen von im Rekuperator gespeicherter Energie in das Frischgas wesentlich verbessert ist. Dadurch wird erreicht, daß die für den Prozess nicht nutzbare Restenergie im letztlich ausgetragenen Abgas wesentlich verringert ist und daß das Arbeitsverfahren bezogen auf die eingesetzte oder eingebrachte Energie mittels des Arbeitsfluids oder Gasgemisches einen wesentlich erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn im Arbeitstakt die Druckerniedrigung bei Erreichen der unteren Totpunktlage des Kolbens auf im wesentlichen den Umgebungsdruck vorgesehen wird.
Bei einer Vewendung von Diesel,- Otto- oder dergleichen Kraftstoffen kann es als günstig erachtet werden, wenn beim Ladevorgang sauerstoffhaltiges, gasförmiges Medium bzw. sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Verbrennungsluft, in den Zylinderraum eingedrückt und dabei bzw. darinnen rekuperativ erwärmt wird, worauf im Arbeitstakt in den Zylinderraum Arbeitsfluid bzw. Kraftstoff eingeführt und vorzugsweise durch Selbstzündung oder gegebenenfalls Fremdzündung zur Verbrennung gebracht wird. Durch eine Einstellung des Eintragsdruckes für das Gas und der Menge des eingeführten Arbeitsfluids können die Voraussetzungen für eine Verbrennung desselben und die Energienutzung optimiert werden.
Wenn, wie weiters in günstiger Weise vorgesehen werden kann, im Ladevorgang brennbares gasförmiges Medium, insbesondere ein Benzin- oder dergleichen und/oder Gas-Luft-Gemisch , in den Zylinderraum eingedrückt und darinnen erwärmt wird, worauf im Arbeitstakt dieses Brenngas durch Fremdzündung oder Selbstzündung zur Verbrennung gebracht wird, ist eine Verwendung von Kraftstoffen für zum Beispiel Otto, - Diesel - oder Gasmotoren mit erfindungsgemäß wesentlich verbesserten Wirkungsgraden möglich.
Bei dem Arbeitsverfahren entsprechend der Erfindung ist es ablaufmäßig aber auch hinsichtlich einer Verbesserung des Wirkungsgrades von besonderer Bedeutung, daß das für den Ladevorgang vorgesehene gasförmige Medium isotherm verdichtet bzw. komprimiert, in den Zylinderinnenraum eingebracht und darin isochor erwärmt wird, wonach beim Arbeitstakt durch die Verbrennung eine weitere isochore, gegebenenfalls isochore und/oder isobare Temperaturerhöhung mit anschließender, durch die Kolbenbewegung bewirkter, isentroper Ausdehung des Verbrennungsgases erfolgen und beim Ausfördern desselben aus dem Zylinderinnenraum während des Ausstoßtaktes die fühlbare Wärme dem Abgas zumindest teilweise isobar entzogen wird. Nur bei einer Einhaltung dieser Taktfolge bzw. Schrittfolge kann ein gewünscht hoher thermischer Wirkungsgrad bei der Verbrennung des Arbeitsfluids oder Gases erreicht werden.
Dabei ist es besonders wichtig, daß die Erwärmung des gasförmigen Mediums vor dem Arbeitstakt rekuperativ mittels der beim Ausbringen der Verbrennungsgase in einem Speichermittel im wesentlichen über den Querschnitt gleichmäßig verteilt gespeicherten Wärmeenergie durchgeführt wird.
Besonders vorteilhaft dabei ist, wenn die rekuperative Erwärmung des gasförmigen Mediums im Zylinderinnenraum durchgeführt wird.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist gemäß der Aufgabe der Erfindung dadurch bestimmt, daß diese einen Rekuperator aufweist, welcher von dem zugeführten Gas und dem Verbrennungsgas bzw. Abgas abwechselnd durchströmbar ist.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mittels des Rekuperators die Restwärme des Abgases weiter verringert und diese Energie dem Arbeitsprozeß wieder zugeführt werden kann, was zu einer wesentlichen Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine führt.
Dabei ist es besonders günstig, wenn der Rekuperator im Zylinderinnenraum im wesentlichen querschnittsfüllend, angeordnet ist.
Ein weiterer Vorteil hinsichtlich einer bestmöglichen Funktion der neuartigen Brennkraftmaschine wird erreicht, wenn der Rekuperator im Zylinderraum bewegbar, insbesondere in Zylinderaxrichtung verschiebbar, angeordnet ist. Damit kann ein vorteilhafter hoher Anteil unverbrannten Benzins und dergleichen bzw. Gas-Luftgemisches bzw. der Verbrennungsluft auf eine gewünscht hohe Temperatur gebracht bzw. der rekuperative Wärmeaustausch optimiert werden.
Es kann dabei von Vorteil sein, wenn die bewegbare Rekuperatorhalterung und/oder ein Rekuperatorteil zusätzlich als Ein-und/oder Auslaßverschließmittel ausgebildet ist.
Um sowohl eine hohe Effizienz als auch eine hohe Haltbarkeit zu erreichen, kann es günstig sein, wenn der Rekuperator aus Metall und/oder Keramik gebildet ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Rekuperator eine katalytische Beschichtung trägt. Damit wird einerseits, wie an sich bekannt, der Anteil an Kohlenmonoxid im Abgas vermindert, andererseits jedoch die bei der Katalyse gebildete Wärmeenergie für eine Erwärmung des in den Zylinderinnenraum eingebrachten gasförmigen Mediums nutzbar gemacht und der thermische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert.
Für eine im wesentlichen unmittelbare Steuerung der Beaufschlagung der Brennkraftmaschine, aber auch im Hinblick auf eine möglichst funktionell günstige Ausbildung derselben, kann von Vorteil sein, wenn eine Druckerhöhungseinrichtung im Zuführungsbereich für das gasförmige Medium angeordnet ist. Dabei ist es insbesondere für einen Gleichlastbetrieb vorteilhaft, wenn die Druckerhöhungseinrichtung mittels einer Wirkverbindung zur Kurbelwelle oder zum Arbeitskolben durch diese antreibbar ist. Im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad kann es jedoch auch günstig sein, wenn die Druckerhöhungseinrichtung zumindest teilweise durch Fremdenergie antreibbar ist. Dabei ist es auch, zum Beispiel bei einem Fahrzeug, möglich, die Fremdenergie aus dem Bremsprozeß zu gewinnen.
Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn im Bereich der Druckerhöhungseinrichtung oder zwischen dieser und dem Einlaßverschließmittel in der Gaszuführungseinrichtung ein vorzugsweise mittels einer Regeleinrichtung nutzbarer Druckspeicher für das gasförmige Medium angeordnet ist und dieser Druckspeicher gegebenenfalls unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine durch einen Fremdantrieb über mechanische Kuppelmittel zur Druckerhöhungseinrichtung durch diese aufladbar ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung
Fig. 2 bis Fig. 7 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in den wesentlichen
Schritten.
In Fig. 1 ist ein Zylinder 1 , in welchem ein Kolben 2 bewegbar ist, dargestellt, wobei der Kolben 2 mit einer Kurbelwelle 8 in Wirkverbindung steht. Verbrennungsluft V oder brennbares Gasgemisch ist einer Druckerhöhungseinrichtung 5 zuleitbar, von welcher dieses Medium einer Regeleinrichtung 6 mit vorzugsweise einem angeschlossenen Druckspeicher 7 bereitgestellt wird. Durch diese Druckerhöhungseinrichtung 5, welche mittels jeweils einer Kupplung 81, 91 mit der Kurbelwelle 8 oder einem Fremdantrieb 9 verbindbar ausgeführt ist und/oder dem Druckspeicher 7, erfolgt über die Regelvorrichtung 6 eine Bereitstellung von gasförmigem Medium M in einer Gaszuführungseinrichtung 11 zum Zylinder 1. Im Zylinder 1 ist im Bereich vom Zylinderkopf im wesentlichen querschnittsfüllend ein Rekuperator 3 angeordnet. Verbrennungs- oder Abgas A kann durch eine Abgasaustragseinrichtung 13 aus dem Zylinderinnenraum ausgebracht werden.
In Fig. 2 ist ein Ladevorgang einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine schematisch dargestellt, wobei ein isotherm verdichtetes gasförmiges Medium M durch eine Gaszuführungseinrichtung 11 in den Innenraum eines Zylinders 1 bei Offenstellung eines Einlaßverschließmittels 12 eingebracht wird. Ein Rekuperator 3 mit erhöhter Temperatur befindet sich dabei angenähert an einen Kolben 2, welcher sich unter Freigabe eines oberen Zylinderinnenraumes im Bereich seiner oberen Totpunktlage befindet.
Nach einem in Fig. 3 dargestellten Schließen des Einlaßverschließmittels 12 erfolgt ein Verbringen des Rekuperators 3 in den oberen Zylinderinnenraum mittels einer Verschiebeeinrichtung 31 , wobei das gasförmige Medium den Rekuperator 3 durchströmt und dabei isochor erwärmt wird.
In Fig. 4 ist die Situation bei einer Verbrennung eines Arbeitsfluid oder Kraftstoffgemisches dargestellt, bei welcher die Verbrennung so von einem Zündoder Einbring- Mittel im Bereich E des Zylinders 1 ausgehend den Kolben 2 in Pfeilrichtung in eine untere Totpunktlage drückt.
Bei Erreichen der unteren Totpunktlage U des Kolbens 2, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, kann nach einer isentropen Ausdehnung des Verbrennungsgases dieses im wesentlichen den Umgebungsdruck angenommen haben. In weiterer Folge des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens wird, wie in Fig. 6 dargestellt, der Rekuperator 3 in Richtung zur unteren Totpunktlage U verschoben sowie ein Auslaßverschließmittel 14 offen gestellt und eine Verbindung zu einer Abgasaustragseinrichtung 13 geschaffen. Durch eine darauffolgende Bewegung des Kolbens 2 in Pfeilrichtung zur oberen Totpunktlage hin erfolgt ein Fördern von Abgas A durch den Rekuperator 3, wobei sich bei Abkühlung des Abgases A dieser erwärmt. In der oberen Totpunktlage des Kolbens 2 im Zylinder 1 erfolgt, wie in Fig.7 dargestellt ist, ein Schließen des Auslaßverschließmittels 14, wonach die Brennkraftmaschine für einen weiteren Ladevorgang eingerichtet ist.
Weil nun vor einem Ausfördern in eine Abgaseinrichtung 13 das Abgas A mittels eines Rekuperators 3 gekühlt wird, ist eine thermische Belastung von Zylinderkopf und Auslaßverschließmittel 14 verringert. Es kann sogar eine Isolation zumindest von Teilen des Zylinders 1 zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Arbeitsverfahren einer Brennkraftmaschine mit mindestens jeweils einem zueinander bewegbaren und zusammenwirkenden Kolben und Zylinder, wobei vorzugsweise der Kolben eine Kurbelwelle durch Kraftübertragungsmittel antreibt und dabei der Kolben im Zylinder in laufender Folge eine untere und eine obere Totpunktlage unter Bildung eines größten und eines kleinsten Zylinderinnenraumes einnimmt und der Zylinderraum, zum Beispiel durch gesteuerte Ventile, zeitweise verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ladevorgang in den im Bereich der oberen Totpunktlage des Kolbens gebildeten Zylinderinnenraumes bei Offenstellung mindestens eines Einlaß-Verschließmittels komprimiertes, gasförmiges Medium eingebracht, der Zylinderinnenraum verschlossen und das komprimierte gasförmige Medium rekuperativ erwärmt wird, worauf in einem Arbeitstakt in dem im Zylinderraum eingeschlossenen gasförmigen, auf erhöhte Temperatur gebrachten Medium eine Verbrennung unter Temperatur- und Druckerhöhung ablaufen gelassen und der Kolben unter Temperatur -und Druckerniedrigung des verbranntes Mediums zur unteren Totpunktslage gedrückt wird, wonach in einem Ausstoßtakt mindestens ein Auslaß-Verschließmittel geöffnet, das Verbrennungs- bzw. Abgas unter rekuperativem Entzug von Wärmeenergie durch den zur oberen Totpunktlage bewegten Kolben aus dem Zylinderraum ausgefördert wird.
2. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitstakt die Druckerniedrigung bei Erreichen der unteren Totpunktlage des Kolbens auf im wesentlichen den Umgebungsdruck vorgesehen wird.
3. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ladevorgang sauerstoffhaltiges, gasförmiges Medium bzw. sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Verbrennungsluft, in den Zylinderraum eingedrückt und darinnen erwärmt wird, worauf im Arbeitstakt in den Zylinderraum Arbeitsfluid bzw. Kraftstoff eingeführt und vorzugsweise durch Selbstzündung oder gegebenenfalls durch FTerπdzündung zur Verbrennung gebracht wird.
4. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ladevorgang brennbares gasförmiges Medium, insbesondere ein Benzin oder dergleichen Gas-Luft-Gemisch, in den Zylinderinnenraum eingedrückt, darinnen erwärmt wird, worauf im Arbeitstakt dieses Brenngas durch Fremdzündung oder Selbstzündung zur Verbrennung gebracht wird.
5. Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das für den Ladevorgang vorgesehene gasförmige Medium isotherm verdichtet bzw. komprimiert , in den Zylinderinnenraum eingebracht und darin isochor erwärmt wird, wonach beim Arbeitstakt durch die Verbrennung eine weitere isochore, gegebenenfalls isochore und/oder isobareTemperaturerhöhung mit anschließender, durch die Kolbenbewegung bewirkter, isentroper Ausdehnung des Verbrennungsgases erfolgen und beim Ausfördern desselben aus dem Zylinderinnenraum während des Ausstoßtaktes die fühlbare Wärme dem Abgas zumindest teilweise isobar entzogen wird.
6. Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des gasförmigen Mediums beim Ladevorgang rekuperativ mittels der beim Ausbringen der Verbrennungsgase in einem Speichermittel im wesentlichen über den Querschnitt gleichmäßig verteilt gespeicherten Wärmeenergie durchgeführt wird.
7. Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rekuperative Erwärmung des gasförmigen Mediums im Zylinderinnenraum durchgeführt wird.
8. Brennkraftmaschine mit mindestens jeweils einem zueinander bewegbaren und zusammenwirkenden Kolben (2) und Zylinder (1), wobei eine Kurbelwelle (8) durch Kraftübertragungsmittel vorzugsweise von Kolben antreibbar ist und dabei der Kolben im Zylinder in laufender Folge eine untere und eine obere Totpunktlage unter Bildung eines größten und eines kleinsten Zylinderinnenraumes einnimmt und der Zylinderinnenraum, zum Beispiel durch gesteuerte Ventile, zeitweise gegenüber einer Gaszuführungs-und einer Abgasaustragseinrichtung (11 ,13) verschließbar ist und gegebenenfalls Einleit- und/oder Zündmittel (E) für ein Arbeitsfluid bzw. Kraftstoffgemisch aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine einen Rekuperator (3) aufweist, welcher von dem zugeführten Gas (M) und dem Verbrennungsgas bzw. Abgas (A) abwechselnd durchströmbar ist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperator (3) im Zylinderraum im wesentlichen querschnittsfüllend angeordnet ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperator (3) im Zylinderraum bewegbar , insbesondere in Zylinderaxrichtung verschiebbar, angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Rekuperatorhalterung (31) und/oder ein Rekuperatorteil zusätzlich als Ein- und/oder Auslaßverschließmittel ausgebildet ist.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperator (3) aus Metall und/oder Keramik gebildet ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperator 3 eine katalytisch wirksame Beschichtung trägt.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckerhöhungseinrichtung (5) im Zuführungsbereich für das gasförmige Medium (M) angeordnet ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerhöhungseinrichtung (5) mittels einer Wirkverbindung (81) zur Kurbelwelle (8) oder zum Arbeitskolben durch diese antreibbar ist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerhöhungseinrichtung zumindest teilweise durch Fremdenergie (9) antreibbar ist.
17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Druckerhöhungseinrichtung (5) oder zwischen dieser und dem Einlaßverschließmittel (12) in der Gaszuführungseinrichtung (11 ) ein, vorzugsweise mittels einer Regeleinrichtung (6) nutzbarer Druckspeicher (7) für das gasförmige Medium (M) angeordnet ist und daß dieser Druckspeicher (7) gegebenenfalls unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine durch einen Fremdantrieb (9) über mechanische Kuppelmittel (91 ) zur Druckerhöhungseinrichtung (5) durch diese aufladbar ist.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teile des Zylinders 1 außenseitig ungekühlt oder wärmeisoliert ausgeführt sind.
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