PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005026763A1 14.12.2006
Titel Kolbenverbrennungsmotor mit Hochdruck- und Niederdruckzylindern (5-Takt-Motor)
Anmelder Schwäblein, Mirko, Dipl.-Ing., 16761 Hennigsdorf, DE
Erfinder Schwäblein, Mirko, Dipl.-Ing., 16761 Hennigsdorf, DE
DE-Anmeldedatum 02.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005026763
Offenlegungstag 14.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2006
IPC-Hauptklasse F02B 41/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Es handelt sich um eine Verbrennungskraftmaschine (Kolbenmotor), welcher sich von den bisherigen bekannten Kolbenmotoren dadurch unterscheidet, daß das Arbeitsvolumen deutlich größer als das Ansaugvolumen ist und dadurch eine viel bessere Ausnutzung des eingesetzten Kraftstoffes erfolgt.
Dieses wird realisiert, indem die Ausdehnung des einmal gezündeten Kraftstoffes über mehrere Druckstufen bzw. Kolben erfolgt. Auf Grund des Aufbaues sind auch neue Bauformen für Verbrennungsmotoren möglich geworden. Die kleinste Bauform besteht aus 3 auf einer Kurbelwelle angeordneten Zylindern mit Kolben (zwei Hochdruck- und ein Niederdruckzylinder).
Die Einsatzgebiete sind in Kraftfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen, Schienenfahrzeugen und/oder zum Antrieb von mobilen und/oder stationären Geräten, wie Stromerzeugern, Kompressoren, Hydraulikpumpen, Fördereinrichtungen etc. zu finden.

Beschreibung[de]

Seit mehr als 100 Jahren ist das Prinzip des 4-Takt Ottomotors als Verbrennungskraftmaschine weiterhin ist der 2-Takt Motor bekannt. Ebenso wurde der Dieselmotor als 4-Takt und als 2-Taktmaschinen ausgelegt. Zum Zeitpunkt der Erfindung dieser Motoren beinhaltete die Aufgabenstellung, eine Kraftmaschine zu entwickeln, die im Verhältnis Masse zu Leistung deutlich günstiger als eine damals weitläufige Dampfmaschine ist. Die Treibstoffkosten waren damals verschwindend klein und somit vernachlässigbar. Bis zum heutigem Tag ist das eigentliche Grundprinzip von Kolbenmotoren nicht verändert worden. Sogenannte 3-Liter-Autos oder das von VW vorgeführte Versuchsfahrzeug eines 1-Liter-Auto sind nichts weiter als Leichtbau-Vehikel, die man nicht als Auto bezeichnen sollte. Wenn man den Energiegehalt der heutzutage eingesetzten Kraftstoffe mittels geeigneter Kraftmaschinen effizient ausnutzen würde, müßte man bei einem Fahrzeug, mit einem Eigengewicht von rund 1000 kg und einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 85 km/h und dabei berücksichtigten Rollwiderstand und Luftwiderstand bei Ottokraftstoff einen Verbrauch von 0,8 Liter/100 km, bei Dieselkraftstoff 0,6 Liter/100 km realisieren können.

Grundlegender Mangel an allen Kolbenverbrennungsmotoren ist die Tatsache, daß für die Arbeitsverrichtung konstruktionsbedingt lediglich exakt das selbe Volumen zur Verfügung steht wie Luft-Kraftstoffgemisch angesaugt und verdichtet wird, obwohl ein Vielfaches an Abgas erzeugt wird.

Als abstrakten Vergleich könnte man anfügen: Eine Schußwaffe mit einem festgelegtem Kaliber und einem kurzem Lauf wird nicht die Reichweite und Durchschlagskraft erzielen wie eine Schußwaffe mit exakt dem selben Kaliber und der selben verwendeten Munition aber einem deutlich längerem Lauf, in dem sich das Gas der verbrannte Treibladung länger und weiter ausdehnen und das Projektil somit länger beschleunigen kann.

Zielsetzung dieser Erfindung ist es bei definiertem Ansaugvolumen im Kolbenmotor das Arbeitsvolumen zu vergrößern, um eine bessere Ausnutzung des expandierenden Abgases zu erreichen.

Eine Möglichkeit ist die konstruktive variable Änderung des Kolbenhubes während der jeweiligen Takte in Form einer neuartigen Kurbelwelle. Solche Kurbelwellen würden mit komplizierten Mechaniken ausgerüstet und dabei in der Herstellung teuer und im Betrieb störanfällig sein.

Die von mir gewählte Variante ist das Nachschalten eines (oder mehrerer) Niederdruckzylinder, welcher das Abgas von zwei Hochdruckzylinder verwertet, die nach dem herkömmlichen 4-Takt-system arbeiten. Die kleinste Bauform hat somit drei Zylinder.

Aufbau und Wirkungsweise:

Der 5-Takt-Motor besteht ähnlich wie die bekannten 4-Takt-Motoren aus dem Gehäuse mit Ölwanne Zylinderkopf, Ventilen, einer mit halber Drehzahl des Motors die Ventile ansteuernde Nockenwelle, einer Kraftstoffversorgung und Gemischaufbereitung und einer Abgasanlage, sowie einer Zündanlage bei Verwendung von OTTO-Kraftstoffen oder Analog über Hochdruckeinspritzung bei DIESEL-Kraftstoffen.

Es sind 3 Zylinder auf einer dreikurbligen Kurbelwelle anzuordnen. Die beiden Hochdruckzylinder sind baugleich und funktionieren so wie beim 4-Taktmotor. Zweckmäßig werden diese auf den äußeren Kurbeln angeordnet. Die Hochdruckkolben laufen synchron, also beide Kolben durchlaufen zeitgleich die Totpunkte. Um 180° versetzt läuft der mittige Niederdruckzylinder. Dieser sollte einen deutlich höheren Hubraum als die Hochdruckzylinder haben – mindestens doppelt so viel wie ein Hochdruckzylinder, damit sich das Abgas weiter entspannen/ausdehnen kann. Bei gleichem Hubraum wie ein Hochdruckzylinder, kann sich das Abgas nicht weiter ausdehnen, und der Niederdruckzylinder wäre wirkungslos. Nachfolgen wird auf den Aufbau und die Wirkungsweise eines Ottokraftstoff verbrennenden 5-Taktmotor mit Mono-Jetronic eingegangen:

Die beiden äußeren Hochdruckzylinder werden über ein Luftverteilerrohr mit dem aufbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt. Die Auslaßöffnungen beider Hochdruckzylinder münden in eine Abgassammeldruckleitung, welche an die Einlaßöffnung des Niederdruckzylinders angeschlossen wird. Während die Hochdruckzylinder bekanntermaßen über Einlaß- und Auslaßventile verfügen, ist für den Niederdruckzylinder lediglich ein oder mehrere Auslaßventil(e) nötig. Ein Einlaßventil ist überflüssig.

Demzufolge hat die kleinste Bauform für alle Zylinder 5 Ventile.

Nachfolgend werden Takte dieses 3-Zylinder-Motors beschrieben

Takt 1: Kurbelwellendrehung 0–180°

  • Zylinder 1 (Hochdruck) bewegt sich von OT zu UT

    Einlaßventil geöffnet

    Auslaßventil geschlossen

    = Ansaugen von Kraftstoff-Luft-Gemisch
  • Zylinder 2 (Niederdruck) bewegt sich von UT zu OT

    Auslaßventil geöffnet

    wie Takt 5
  • Zylinder 3 (Hochdruck) bewegt sich von OT zu UT

    wie Takt 3 Zylinder 1

Takt 2: Kurbelwellendrehung 180–360°

  • Zylinder 1 bewegt sich von UT zu OT

    Einlaßventil geschlossen

    Auslaßventil geschlossen

    = Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisch
  • Zylinder 2 bewegt sich von OT zu UT

    wie Takt 4
  • Zylinder 3 bewegt sich von UT zu OT

    wie Takt 4 Zylinder 1

Takt 3: Kurbelwellendrehung 360°–540°

  • Zylinder 1 Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisch

    Ventile geschlossen

    Bewegung von OT zu UT

    = Hochdruck – Arbeitstakt
  • Zylinder 2 wie Takt 5
  • Zylinder 3 wie Zylinder 1 bei Takt 1

Takt 4: Kurbelwellendrehung 540°–720°

  • Zylinder 1 bewegt sich von UT zu OT

    Auslaßventil geöffnet

    Einlaßventil geschlossen
  • Zylinder 2 bewegt sich von OT zu UT

    Brennendes Abgas aus Hochdruckzylinder dehnt sich weiter aus, strömt durch die Abgassammeldruckleitung in Zylinder 2 und drückt dabei Kolben 2 nach unten.

    = Niederdruck – Arbeitstakt
  • Zylinder 3 wie Takt 2 Zylinder 1

Takt 5: Kurbelwellendrehung 720°–900°

  • Zylinder 1 wie Takt 1
  • Zylinder 2 Auslaßventil geöffnet, Bewegung von UT zu OT, Ausstoßen des Abgases
  • Zylinder 3 wie Takt 3 Zylinder 1

In der im Anhang angefügten Schnittzeichnung sind die wesentlichen Elemente und deren Anordnung beschrieben.

Um kostengünstig einen praktischen Versuch durchzuführen bin ich wie folgt vorgegangen. Ich habe einen OPEL-Kadett E Bj. 1989 mit 1,6 Ltr. Hubraum und Automatik-Getriebe erworben und den Zylinderkopf demontiert.

Aus dem Zylinderkopf wurden die Einlaßventile inkl. der Kipphebel und Hydrostößel der Zylinder 2 und 3 entfernt. Die Schmierstoffversorgungsöffnungen und die Ventilführungen für diese Baugruppen wurden verschlossen Die Gewindebohrungen für die Zündkerzen der betreffenden Zylinder wurden ebenfalls verschlossen. Somit sind die Zylinder 2 und 3 zu einem Niederdruckzylinder mit doppeltem Hubraum der Hochdruckzylinder zusammen gefaßt worden.

Das vorhandene Abgassammelrohr (Auspuffkrümmer) wurde abgeändert: Die Anschlüsse für Zylinder 1 und 4 wurden entfernt und die entstandenen Öffnungen verschlossen. Hierbei sollte berücksichtigt werden, daß genügend Baufreiheit für die neu zu fertigende Abgassammeldruckleitung geschaffen wird, welche die Auslaßöffungen von Zylinder 1 und 4 und die Einlaßöffnungen von Zylinder 2 und 3 miteinander verbinden sollen.

Das Luftverteilersammelrohr (Ansaugkrümmer) wurde geändert: Die Anschlüsse für die Zylinder 2 und 3 sowie die des Druckreglers wurden entfernt und verschlossen. Der Druckregler ist entfallen. Auch hierbei muß darauf geachtet werden, daß genügend Baufreiheit für die schon erwähnte Abgassammeldruckleitung geschaffen wird.

Die Abgassammeldruckleitung, durch die das expandierende Abgas von den Zylindern 1 und 4 in die Zylinder 2 und 3 strömt, ist wie folgt auszubilden: Die vorhandenen Flanschverbindungen an den Einlaßöffnungen der Zylinder 2 und 3 bzw. die Auslaßöffnungen der Zylinder 1 und 4 werden unverändert übernommen, Es werden aus 5 mm Blech Flansche gefertigt und an den jeweiligen Öffnungen mit den vorhandenen Schaubenlöchern verschraubt. Anschließend werden die geänderten Ansaug- und Auspuffkrümmer angeschraubt. Durch Verwendung von Stahlrohr mit dem Durchmesser von 25 mm und der Wandstärke 3 mm und handelsüblichen passenden Rohrbögen konnte ich um den vormontierten Zylinderkopf die Rohrkonstruktion anpassen und dicht verschweißen.

Es ist wie folgt vorzugehen: Es wird eine Rohrverbindung zwischen den Austrittssöffnungen der Zylinder 1 und 4 geschaffen, wobei die Rohrleitung um den geänderten Auspuffkrümmer herum geführt wird. Eine weitere Rohrverbindung wird zwischen den Einlaßöffungen der Zylinder 2 und 3 geschaffen. Zwischen diesem beiden Rohrleitungen muß ebenfalls eine Rohrverbindung geschaffen werden.

Zweckmäßig ist, diese Rohrleitung über den Zylinderkopf hinweg zu führen. An den Knotenpunkten zwischen den Leitungen muß die jeweilige Leitung vorher aufgebohrt werden. Nach dem Verschweißen sollte das so entstandene Sammelrohr innen von Schweißrückständen gereinigt werden. Nach dem Schweißen ist das Rohr zu richten um eventuelle Schweißverzüge zu beseitigen. Das Rohr sollte weder klemmen noch klappern sondern möglichst straft sich auf den Zylinderkopf schieben lassen. Die M8-Stiftschrauben für die Anschlüsse des neuen Sammeldruckrohres können nicht mehr verwendet werden. Dafür können jedoch Zylinder- oder Sechskantschrauben eingesetzt werden. Bevor jedoch die anderen Sammelrohre montiert werden, sollte nach üblicher Vorschrift der Zylinderkopf mit neuen Dichtungen ausgerüstet und auf den Motor montiert werden. Der Zahnriemen sollte ebenfalls geprüft und gegebenenfalls ersetzt werden. Wenn die Sammelrohre montiert sind und die Einspritzanlage auf dem abgeänderten Ansaugkrümmer sitzt, wird man feststellen, daß das Luftfiltergehäuse auf Grund der über den Zylinderkopf laufenden Sammeldruckleitung nicht mehr paßt. Ich habe daraufhin das Luftfilterhäuse um 5 cm nach oben verlegt, in dem ich ein Rohr vom 140 mm Durchmesser und 3 mm Wandstärke mit einer Länge von 50 mm zwischen dem Luftfilter- und dem Einspritzgehäuse mit dementsprechend längeren Stiftschrauben (ich habe Gewindestangen auf die passende Länge geschnitten) montiert habe. Die elektrische Anlage habe ich so belassen wie sie war. Die Lambdasonde wurde lediglich abgeklemmt. Und die Zündleitungen der Kerzen von Zylinder 2 und 3 wurden am Zündverteiler entfernt und die offenen Anschlüsse großzügig isoliert.

Alle weiteren Anschlüsse werden übernommen. Ein Katalysator ist nicht notwendig, weil erwartungsgemäß die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Abgassammeldruckleitung weiter geführt und im Niederdruckzylinder vollständig abgeschlossen wird.

Der so entstandene 5-Takt-Motor läßt sich problemlos wie ein herkömmlicher 4-Takt-Motor starten. Auffällig ist die etwas höhere Leerlaufdrehzahl und das bedeutend niedrigere Auspuffgeräusch. Die Rohrkonstruktion zwischen Hochdruck- und Niederdruckzylindern sollte durch geeignete Maßnahmen wegen der starken Temperaturentwicklung an diesem Bauteil abgeschirmt werden. Die eben beschriebene Variante genügt dem Nachweis, daß dieses Prinzip funktioniert. Um höhere Drehzahlen und somit auch höhere Leistungen zu erzielen, müßte eine abgeänderte Nockenwelle montiert werden. Diese sollte dafür sorgen, daß die Auslaßventile von Zylinder 2 und 3 gleichzeitig und bei jeder Kurbelwellenumdrehung öffnen. In der beschriebenen Versuchsvariante öffnen diese Ventile wechselseitig bei jeder 2. Umdrehung der Kurbelwelle, und das auszustoßende Abgas muß bei geöffneten Ventil des Zylinder 2 aus dem Zylinder 3 über die Abgassammeldruckleitung in den Zylinder 2 überströmen (und umgekehrt) um das geöffnete Ventil zu passieren. Dabei entstehen Strömungswiderstände, welche die Drehzahl begrenzen.

Das zum Versuchsmuster umgerüstete Fahrzeug kann durch das DPMA angefordert werden. Ich möchte dieses nach Abschluß des Verfahrens wieder zurück bekommen.

Bauformen

Der Kolbenverbrennungsmotor unterteilt ist in Hochdruck- und in ein oder mehrere aufeinanderfolgende Niederdruck-Arbeitstakte. Bei der minimalste Auslegung funktioniert der Motor mit jeweils zwei Hochdruckzylindern und einem Niederdruckzylinder.

Die Unterteilung der Niederdruckstufen in mehrere Unterstufen zur Erzielung hoher Drehzahlen bei kleineren Bauformen und geringeren Massen, wobei jede Unterstufe die Anordnung eines weiteren Niederdruckzylinders erfordert.

Dieser Kolbenverbrennungsmotor kann je nach Auslegung und Einsatzart in neue Bauformen unterteilt werden

  • 1. Der 3-Zylinder V-Motor, vorzugsweise zum Quereinbau bei minimalem Bauvolumen bestimmt, besteht aus zwei paarig angeordneten Hochdruckzylindern vorn und einem Niederdruckzylinder hinten, Die Kurbelwelle besteht aus 3 Kurbeln mit Gegengewichten wobei auf die äußeren Kurbeln die Hochdruckzylinder und auf die mittige Kurbel der Niederdruckzylinder wirkt,
  • 2. Der 9-Zylinder V-Motor stellt eine Aneinanderreihung von drei 3-Zylinder V-Motoren wie 2.2.1 beschrieben dar.
  • 3. 3-Zylinder Boxermotor vorzugsweise zum liegendem Einbau bei geringer Bauhöhe bestehend aus zwei paarig auf einer Seite angeordneten liegenden Hochdruckzylindern und einem auf der gegenüber liegenden Seite angeordneten Niederdruckzylinder welche wie bei 2.2.1 auf eine dreikurblige Kurbelwelle wirken.
  • 4. Der 9-Zylinder Boxermotor stellt eine Aneinanderreihung von drei 3-Zylinder Boxermotoren dar.
  • 5. Der 5-Zylinder Boxermotor besteht aus 4 Hochdruckzylindern einem doppelt wirkendem Niederdruckzylinder mit Kolbenstange und Kreuzkopf.

Der Nutzer dieser Erfindung ist in der Lage

  • 1. vorhandene 4-Zylinder 4-Takt-Motoren mit vertretbarem Aufwand auf das 5-Takt-Prinzip umzurüsten und
  • 2. neue 5-Takt-Motoren (Motoren mit Hochdruck- und Niederdruckzylindern) zu entwickeln bzw. zu produzieren.

Auf Grund der enormen Kraftstoffeinsparung im Verhältnis zu allen bisherigen Verbrennungsmotoren wird man in Zukunft vor diesem Prinzip nicht mehr die Augen verschließen können.


Anspruch[de]
Kolbenverbrennungsmotor, je nach Einsatzgebiet als Antriebsaggregat in verschiedenen Bauformen und -Größen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen, Schienenfahrzeugen und/oder zum Antrieb von mobilen und/oder stationären Geräten, wie Stromerzeugern, Kompressoren, Hydraulikpumpen, Fördereinrichtungen etc. Dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenverbrennungsmotor unterteilt ist in Hochdruck- und Niederdruck- Arbeitstakte und somit resultierend als „5-takt-Motor" bei einer Niederdruckstufe bezeichnet werden muß und auf Grund seiner Arbeitsweise eine bessere Ausnutzung von jeglichen Kraftstoffen und somit deutlich besseren Wirkungsgrade als die bisher bekannten Verbrennungsmotoren erzielt. Die Niederdruckstufen sind in ihrer konstruktiven Ausbildung variabel gestaltbar und auch in Druckstufen teilbar. Kolbenverbrennungsmotor nach Patentanspruch 1. Dadurch gekennzeichnet, daß

2.1. der Kolbenverbrennungsmotor unterteilt ist in Hochdruck- und in ein oder mehrere aufeinanderfolgende Niederdruck-Arbeitstakte. Bei der minimalste Auslegung funktioniert der Motor mit jeweils zwei Hochdruckzylindern und einem Niederdruckzylinder.

2.2. der Kolbenverbrennungsmotor in je nach Auslegung und Einsatzart in neue Bauformen unterteilt werden kann:

2.2.1. 3-Zylinder V-Motor vorzugsweise zum Quereinbau bei minimalem Bauvolumen bestimmt bestehend aus zwei paarig angeordneten Hochdruckzylindern vorn und einem Niederdruckzylinder hinten, Die Kurbelwelle besteht aus 3 Kurbeln mit Gegengewichten wobei auf die äußeren Kurbeln die Hochdruckzylinder und auf die mittige Kurbel der Niederdruckzylinder wirkt,

2.2.2. 9-Zylinder V-Motor stellt eine Aneinanderreihung von drei 3-Zylinder V-Motoren wie 2.2.1 beschrieben dar.

2.2.3. 3-Zylinder Boxermotor vorzugsweise zum liegendem Einbau bei geringer Bauhöhe bestehend aus zwei paarig auf einer Seite angeordneten liegenden Hochdruckzylindern und einem auf der gegenüber liegenden Seite angeordneten Niederdruckzylinder welche wie bei 2.2.1 auf eine dreikurblige Kurbelwelle wirken.

2.2.4. Der 9-Zylinder Boxermotor stellt eine Aneinanderreihung von drei 3-Zylinder Boxermotoren dar.

2.2.5. Der 5-Zylinder Boxermotor besteht aus 4 Hochdruckzylindern einem doppelt wirkendem Niederdruckzylinder mit Kolbenstange und Kreuzkopf

2.3. Unterteilung der Niederdruckstufen in mehrere Unterstufen zur Erzielung hoher Drehzahlen bei kleineren Bauformen und geringeren Massen, wobei jede Unterstufe die Anordnung eines weiteren Niederdruckzylinders erfordert.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com