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Delegationsmotor – Copyright Helmar Kloss 2000-2013

    Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsmaschine vom Typ des Hubkolbenmotors, der Delegationsmotor genannt werden soll, weil Nebenfunktionen des Arbeitskolbens an Hilfsaggregate delegiert werden, so daß die sonst zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erfordernden   v i e r   Takte während   e i n e r   Kurbelwellenumdrehung ablaufen können.
    Im sozialen Bereich wie in der industriellen Fertigung ist die Arbeitsteilung ein erfolgreich angewendetes Prinzip. Sie beruht darauf, Arbeitsgänge in einzelne Schritte zu zerlegen und an verschiedene, auf bestimmte Funktionen spezialisierte Mitarbeiter oder Fremdfirmen zu delegieren. Auch bei Hubkolbenmotoren besteht die Möglichkeit, durch Arbeitsteilung und Delegation von Nebenfunktionen des Arbeitskolbens an Hilfsaggregate Vorteile zu erzielen.
    Verbrennungsmaschinen vom Typ des Hubkolbenmotors leisten Arbeit, indem sie die Auf- und Abwärtsbewegungen eines Arbeitskolbens infolge der Verbrennung von Kraftstoff in die Drehbewegung einer Kurbelwelle umsetzen.
    Bekannt sind Hubkolbenmotoren, die nach dem Otto- und Diesel-Prinzip arbeiten. Beim Ottomotor wird der Kraftstoff mithilfe von Zündkerzen elektrisch gezündet. Beim Dieselmotor erfolgt die Zündung durch Selbstzündung infolge hohen Drucks.
    Bei Hubkolbenmotoren werden
    a) Zweitakt- und
    b) Viertakt-Hubkolbenmotoren unterschieden.
    a) Viertakt-Hubkolbenmotoren sind dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung der Auf- und Abwärtsbewegungen eines Arbeitskolbens in die Drehbewegung einer Kurbelwelle in vier Takten erfolgt:
1. Ansaugen von Luft oder eines Kraftstoff-Luftgemischs (durch die Abwärtsbewegung des Arbeitskolbens bei geöffnetem/n Einlaßventil/en );
2. Verdichten der Luft bzw. des Kraftstoff-Luftgemischs (durch Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens bei geschlossenen Ventilen);
3. Ggfs. Einspritzung und Zündung des Kraftstoff-Luftgemischs (Abwärtsbewegung des Arbeitskolbens), was den eigent¬lichen Arbeitstakt ausmacht sowie
4. Ausstoßen der verbrannten Gase (durch Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens bei geöffnetem/n Auslaßventil/en). Das Kraftstoff-Luftgemisch kann entweder mithilfe von Vergasern oder durch direkte Einspritzung in den Verbrennungsraum erzeugt werden. Während des Taktes 1 (Ansaugen) werden ein oder mehrere Ventile geöffnet, um Luft und/oder ein Kraftstoff-Luftgemisch in den Verbrennungsraum zu befördern. Während des Taktes 4 (Ausstoßen) öffnen sich ein oder mehrere Ventile zu dem Zweck, die verbrannten Gase aus dem Verbrennungsraum zu entlassen. Während der Takte 2 (Verdichten) und 3 (Zünden und Arbeiten) sind alle Ventile geschlossen.
    Bekannt ist ferner die Aufladung, bei der während des Taktes 1 (Ansaugen) durch die Verwendung komprimierter Luft entsprechend mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, was die Motorleistung erhöht.
    Nachteile des Viertakt-Motors: Nur jeder vierte Takt ist ein Arbeitstakt. Drei von vier Takten - d.h. anderthalb Umdrehungen der Kurbelwelle - arbeitet der Arbeitskolben nicht, sondern erfüllt Nebenfunktionen.
    b) Bei Zweitakt-Verbrennungsmaschinen sind die drei Arbeitsgänge 4 (Ausstoßen), 1 (Ansaugen) und 2 (Verdichten) zu einem Takt verschmolzen, so daß jeder zweite und nicht nur jeder vierte Takt ein Arbeitstakt ist.
    Nachteile des Zweitakt-Motors: Die Vermischung der verbrannten Gase mit dem unverbrannten Kraftstoff-Luftgemisch führt zum einen zu Kraftstoffverlusten, zum anderen ergeben sich schwerwiegende Nachteile in bezug auf die Abgasreinigung.
    Aufgabe der hier vorgelegten Erfindung ist es, den Arbeitskolben eines Hubkolbenmotors bei jeder Abwärtsbewegung - und das heißt: bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle - Arbeit leisten zu lassen, wie bei einem Zweitaktmotor, dabei jedoch die Nachteile des Zweitakt-Motors zu vermeiden.
    Die Lösung der Aufgabe beruht auf der Delegation von Nebenfunktionen des Arbeitskolbens eines Hubkolbenmotors an Hilfsaggregate, - insbesondere einen oder mehrere Kompressoren.
    Für die Delegation der Nebenfunktionen an Hilfsaggregate bestehen mindestens folgende Möglichkeiten:
    I. Das Ansaugen und Verdichten von Frischluft und/oder einem Kraftstoff-Luftgemisch durch den Arbeitskolben 1 entfällt. Die Frischluft wird durch komprimierte Luft 5 ersetzt, die von einem Kompressor 10 erzeugt wurde, der die komprimierte Luft 5 entweder direkt durch das oder die Ventile 3 in den Verbrennungsraum 14 drückt oder in einem Druckspeicher 15 bereitstellt, von wo aus sie bei Bedarf durch das oder die Ventile 3 in den Verbrennungsraum 14 geleitet werden kann. Die komprimierte Luft 5 kann entweder den für den Zündvorgang erforderlichen Verdichtungsgrad oder einen etwas geringeren Verdichtungsgrad haben, weil der Arbeitskolben 1 sie bei Bedarf in der Zeit kurz vor Erreichen des Zündzeitpunktes weiter verdichten kann. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird, wie heute bereits vielfach üblich, durch Direkteinspritzung erzeugt. Die Ladung des Verbrennungsraumes 14 durch ein vorverdichtetes Kraftstoff-Luftgemisch kann auch erst unmittelbar vor Erreichen des oberen Totpunktes bzw. Zündzeitpunkts erfolgen.
    Vorteile: Das spart die Zeit für zwei Takte und mindert die Verzögerung der Kolbenbewegung beim Verdichten zugunsten eines oder mehrerer rundlaufender Kompressoraggregate.
    II. Das Ausstoßen der Verbrennungsrückstände 11 erfolgt ventilgesteuert durch direkt von einem Kompressor 10 oder in einem Druckspeicher 15 oder andere geeignete Aggregate bereitgestellte verdichtete Luft 5. Das Ausblasen kann entweder
über das oder die Ventile 3 und 4,
über das oder die Ventile 3 und eine Auslaßöffnung 2 im Zylindergehäuse 1,
durch beides zugleich oder
durch andere funktionell entsprechende Aggregate erfolgen.

Vorteile: Das an geeignete Hilfsaggregate delegierte Entfernen der Verbrennungsrückstände 11 spart einen weiteren Takt. Als Nebeneffekt ergibt sich eine Kühlung des Verbrennungsraums 14. Separates Verdichten und Ausstoßen vermindern zusammengenommen die Anforderungen an die Klopffestigkeit des Kraftstoffs für Otto-Motoren.

Weitere Vorteile des Delegationsmotors:

    Ein Delegationsmotor mit zwei Zylindern erbringt in etwa die Leistung einer konventionellen Vierzylindermaschine abzüglich der für den Betrieb der Nebenaggregate benötigten Energie.
    Dadurch, daß der Arbeitskolben nicht anderthalb Kurbelwellenumdrehungen mitgeschleppt werden muß, verringern sich Kraftstoffverbrauch und Abgasmenge.
    Aus der erhöhten Leistungsausbeute ergibt sich die Möglichkeit von Gewichtsersparnis. Infolgedessen eignen sich Delegationsmotoren besonders gut für Flugzeuge.
    Aufgrund der Gewichtsersparnis lassen sich unter Umständen auch nach dem Delegationsprinzip arbeitende Dieselmotoren in Flugzeugen verwenden.

Fig. 1: Die Darstellung zeigt einen Hubkolbenmotor im Querschnitt mit einem Motorgehäuse 8, dem Hubraum 14, einem Arbeitskolben 1, einer Kurbelwelle 6 und einem Pleuel 9 sowie den Hilfsaggregaten Kompressor 10 und Druckluftbehälter 15. Ein Rückflußverhinderer 16 - oder ein funktionell entsprechendes Aggregat - verhindert, daß die Druckluft bei Druckabfall in Richtung Kompressor 10 entweichen kann. Zur Vorbereitung eines Arbeitsganges wird der Hubraum 14 kurz vor Erreichen des unteren Totpunktes der Kurbelwelle 6 mithilfe komprimierter Luft 5 aus dem Komressor 10, dem Druckluftbehälter 15 oder einem funktionell entsprechenden Aggregat durch geeignete Öffnungen - im Beispiel durch das Ventil 3 als Einlaßventil für die komprimierte Luft 5 sowie eine vom Arbeitskolben 1 kurz vor dem unteren Totpunkt freigelegte Auslaßöffnung 2 - von den verbrannten Gasen 11 des voraufgehenden Arbeitstakts [siehe Fig. 7] gereinigt.

Fig. 2: Die Reinigung des Hubraums 14 von den verbrannten Gasen 11 des voraufgehenden Arbeitstaktes mithilfe komprimierter Luft 5 aus einem Druckluftbehälter 15 - oder funktionell entsprechenden Aggregaten - kann zum Beispiel auch ohne Auslaßöffnung - nur durch ein Ventil 3 als Einlaßventil für die komprimierte Luft 5 sowie ein Ventil 4 als Auslaßventil für die verbrannten Gase 11 - erfolgen.

Fig. 3: Ebenso besteht die Möglichkeit - unabhängig davon, ob es eine Auslaßöffnung 2 gibt oder nicht - den Arbeitskolben 1, nachdem er den unteren Totpunkt durchlaufen hat, dazu zu verwenden, die Entfernung der Verbrennungsrückstände 11 aus dem Verbrennungsraum 14 mithilfe komprimierter Luft 5 zu unterstützen.

Fig. 4: Die in Fig. 1 verwendete Auslaßöffnung 2 sowie das in Fig. 2 verwendete Ventil 4 als Auslaßventil - oder funktionell entsprechende Aggregate - können auch kombiniert verwendet werden.

Fig. 5: Nach Schließung aller Ventile - und ggfs. der Auslaßöffnung 2 - kann der Arbeitskolben 1 dazu verwendet werden, die komprimierte Luft 5 weiter zu komprimieren.

Fig. 6: Kurz bevor der Arbeitskolben 1 den oberen Totpunkt erreicht, kann der Kraftstoff 17 durch die Einspritzdüse 7 - oder funktionell entsprechende Aggregate - in den Verbrennungsraum 14 und die darin enthaltene hochkomprimierte Luft 5 befördert werden.

Fig. 7: Anschließend wird das Gemisch aus Kraftstoff 17 und hochkomprimierter Luft 5 durch das Zündaggregat 12 im Zündvorgang 13 (bei Dieselmotoren durch Selbstzündung) gezündet, wodurch der Arbeitstakt ausgelöst wird.

Patentansprüche

entfallen

Bezugszeichenleiste

    1 Arbeitskolben
    2 Auslaßöffnung
    3 Ventil 1
    4 Ventil 2
    5 komprimierte Luft
    6 Kurbelwelle
    7 Einspritzdüse
    8 Motorgehäuse
    9 Pleuel
   10 Kompressor
   11 verbrannte Gase
   12 Zündaggregat
   13 Zündvorgang
   14 Hub- oder Verbrennungsraum
   15 Druckspeicher
   16 Rückflußverhinderer
   17 Kraftstoff

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