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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Erfindungsaebiet
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Die Erfindung ist ein neuer Innenverbrennungsmotor,
der die Bildung von NOx reduziert und den Kraftstoffenergie-Verwendungswirkungsgrad
erhöht.
Das primäre
Gebiet der Anmeldung sind Kraftfahrzeugmotoren.
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Der Stand der Technik
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Die wachsende Verwendung an Fahrzeugen trägt im großen Maße zum Vorhandensein
verschiedener Verschmutzungsstoffe in der Atmosphäre einschließlich Oxiden
von Stickstoff und Treibgasen wie beispielsweise Kohlendioxid bei.
Innenverbrennungsmotoren, die in Personenfahrzeugen verwendet werden,
haben etwa einen Durchschnittswert von 15% eines Wärmewirkungsgrads
im Stadtverkehr und Spitzenwirkungsgrade von etwa 35%. Selbst wenn
man den Spitzenwirkungsgrad betrachtet, scheiden aktuelle Motoraufbauten
beinahe zwei Drittel der zugeführten
Wärmeenergie über das
Motorkühlsystem
oder die Abgase wird aus.
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Die im Kraftstoff enthaltene chemische
Energie wird in Wärmeenergie
umgewandelt, wenn sie in einem Motor verbrannt wird. Da diese Verbrennung
in einem geschlossenen Raum (der Brennkammer des Motors) stattfindet,
führt die
gestiegene Temperatur der Verbrennungsgase (und in einigen Fällen die
erhöhte
Anzahl von Molen Verbrennungsgase, verglichen mit den Reaktionspartnern)
zu einem erhöhten Druck
des Systems. Wenn sich das Volumen der Brennkammer ausdehnt, z.
B. sich der Kolben bewegt, wird eine Arbeit durchgeführt. Die
aus der Verbrennung resultierende erhöhte Temperatur, die erfolgt,
bevor der Kolben seine schnelle Expansion startet, führt zur
Oxidation von atmosphärischen Stickstoff,
um NOx zu bilden.
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Die Eigenschaften der herkömmlichen
Motoren führen
dazu, dass viel von der verfügbaren
Wärmeenergie über drei
Wege vergeudet wird. Als erstes wird die Brennkammer durch eine Flüssigkeit
oder Luft gekühlt,
womit der Druck und das Arbeitspotential reduziert werden. Als zweites
expandiert der Expansionsvorgang nicht vollständig, um voll und ganz den
Druck der Brennkammer zu verwenden, da das Expansionsverhältnis für gewöhnlich vom
Kompressionsverhältnis
eingeschränkt
wird. Als drittes verbleibt viel Wärme im Abgas.
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Das US-Patent Nr. 1 564 009 offenbart
einen Kolbenventilmotor derselben Art wie die im Oberbegriff des
Anspruchs 1 dargelegte.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt
darin, den Wirkungsgrad der Kraftstoffverwendung für Automobil-
Kraftübertragungswege
bedeutend zu verbessern, während
dennoch geringe Pegel einer NOx-Emission erreicht werden.
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Die vielen Nachteile von herkömmlichen
Innenverbrennungsmotoren, denen die gegenwärtige Erfindung begegnet, sind:
(1) die hohen Temperaturen der Verbrennung bilden Stickstoffoxide
und fördern
den Verlust der Wärmeenergie
an die Brennkammernwände
und an die Motorkühlung
(womit der Kraftstoffwirkungsgrad reduziert wird); (2)
der mit den Spitzenbrenntemperaturen verknüpfte hohe Druck erzeugt große Spitzenkräfte an den
Brennkammerwänden,
die die strukturellen Aufbauerfordernisse bedingen, und dies beeinflusst
unmittelbar die Motorkosten; diese Kräfte wirken auch auf (den) die
Kolben (eine der Brennkammernwände),
womit verschiedene strukturelle Aufbauerfordernisse der Lager vorgegeben
und solchermaßen
die Lagergröße direkt
beeinflusst wird (ansteigende Kosten und Reibungsverlust); (3)
die Tellerventile, die verwendet werden, um das Ansaugen der Luft
und das Ablassen der Abgase zu regeln, sind teuer, erzeugen Einschränkungen
in Bezug auf den Fluss der Gase (und senken solchermaßen den
Motorwirkungsgrad), öffnen
sich nach innen zur Brennkammer hin und sind solchermaßen schwer
zu kühlen,
womit sie Motorentwürfe
mit reduziertem Wärmeverlust
erschweren (für
gewöhnlich die
beschränkenden
Komponente); und (4) die feste Geometrie herkömmlicher
Kolbenmotoren erschwert das Erzielen eines höheren Expansionsverhältnisses als
ein Kompressionsverhältnis
(für den verbesserten Wirkungsgrad).
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Entsprechend stellt die vorliegende
Erfindung einen verbesserten Triebstrang zum Antreiben der Antriebsräder eines
Fahrzeugs bereit, der aufgebaut ist, um die oben erwähnten Nachteile
zu überwinden.
Der verbesserte Triebstrang der vorliegenden Erfindung schließt einen
Motor ein, der mindestens einen Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben hat,
der für
die Hin- und Herbewegung
darin angebracht ist. Der Arbeitskolben wird auf eine herkömmliche
Weise mit einer Kurbelwelle verbunden, damit die Hin- und Herbewegung
des Arbeitskolbens in eine Drehung der Kurbelwelle übertragen
wird, die wiederum auf eine herkömmliche
Art und Weise an die Antriebsräder
des Fahrzeugs übertragen
wird. Für
das Zuführen
des Kraftstoffs in eine innerhalb des Arbeitszylinders befindliche
Brennkammer werden Vorkehrungen getroffen, und zwar für bestimmte Ausführungsformen
an einer Seite des Arbeitskolbens. Einlass- und Auslassventile in
Fluidverbindung mit der Brennkammer dienen jeweils dazu, das Ansaugen
von Luft während
eines Ansaughubs des Arbeitskolbens und das Ablassen von Verbrennungsprodukten
während
eines Ablasshubs des Arbeitskolbens zu erlauben. Ein schwimmender
Kolben verschließt
zumindest teilweise die Brennkammer gegenüber dem Arbeitskolben und wird
für die
Hin- und Herbewegung relativ zur Brennkammer angebracht. Die Hin-
und Herbewegung des schwimmenden Kolbens schließt einen Druckablasshub ein,
in dem sich der schwimmende Kolben als Reaktion auf einen durch
die Verbrennung innerhalb der Brennkammer erzeugten vorbestimmten
Druck von der Brennkammer wegbewegt, um den Spitzenbrenndruck und
die Temperatur zu reduzieren.
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Wahlweise ist ein Nockenmechanismus
für die
Steuerung von zumindest der Stellung des schwimmenden Kolbens während eines
Abschnitts des Betriebszyklus eingeschlossen. In solchen Ausführungsformen
liegt eine Federvorrichtug zwischen dem Nockenmechanismus und dem
schwimmenden Kolben, um den Spitzenbrenndruck zu absorbieren, und
eine Haltevorrichtung wird am schwimmenden Kol-ben, wahlweise mittels der Federvorrichtung,
befestigt, um mit dem Nockenmechanismus in Eingriff zu treten. In
diesen Ausführungsformen
dient der schwimmende Kolben als ein Ventilmechanis mus, um die Ansaug-
und Ablassöffnung
der Brennkammer abwechselnd abzudecken und freizugeben.
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In einer anderen Ausführungsform
schließt die
Erfindung einen Hilfszylinder ein, der den schwimmenden Kolben unterbringt
und der mit der Brennkammer in Fluidverbindung steht. In dieser letzteren
Ausführungsform
wird der schwimmende Kolben starr an einem Pumpenkolben befestigt,
der sich innerhalb eines Pumpengehäuses hin- und herbewegt, damit
ein Fluiddruck abgelassen wird, der z. B. verwendet werden kann,
um für
eine Servovorrichtung zu sorgen.
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Die Terminologie "Federstahl" und "Federmittel", wie hierin verwendet, ist eine Verallgemeinerung
für ein
Mittel zum "augenblicklichen" Reagieren/Antworten
auf den mit der Verbrennung verknüpften schnellen Druckanstieg,
wenn man dies mit der langsameren Bewegung des Kolbens auf festgelegter
Bahn vergleicht.
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Beiläufig fängt die Verbrennung für gewöhnlich an,
bevor der Kolben seine obere Totpunkt-(TDC)-Stellunn im Kompressionshub
erreicht, und der Höchstdruck
erfolgt unmittelbar nach dem TDC, jedoch bevor der Kolben seine
schnelle Bewegung nach unten im Expansions- oder Arbeitshub beginnt.
Die langsamste Änderungsrate
der Brennkammer oder des Systemvolumens erfolgt nahe am Kolben-TDC
und dem unteren Totpunkt (BDC). Die schnellste Änderungsrate des Systemsvolumen
erfolgt bei 90° nach
dem TDC und 90° vor
dem TDC. Solchermaßen
wird der Druckanstieg vorher erfolgen und er muss erhalten bleiben,
bis der Kolben und der Kurbelmechanismus "bereit" sind, um das Expansionsverfahren zu
beginnen.
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Der "Federstahl" beginnt damit, die Energie der Expansion "sofort" zu absorbieren,
wenn der Brenndruck einmal über
einen eingestellten Wert steigt, der höher als der Brenndruck ist.
Diese absorbierte Energie wird entweder direkt verwendet oder freigegeben,
wenn der Kolben mit seiner schnellen Expansion beginnt, und wird
mittels des herkömmlichen
Expansionsverfahren als erhöhte
Wellenleistung wiedergewonnen.
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Durch das "sofortige" Expandieren der Verbrennungsgase sind,
wenn der Brennvorgang erfolgt (wenn es der "Federstahl" erlaubt), die System-Spitzentemperatur
und der Druck begrenzt.
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3 zeigt
den Zylinderdruck in einem typischen Motor als eine Funktion der
Zylindergröße (d. h.
Kolbenbewegung). Der vom Graph der 3 dargestellte "typische Motor" hat einen Hub von
86,4 mm und eine Bohrung von 79,5 mm. Die obere Linie A stellt den
Arbeitshub und die untere Linie B den Kompressionshub für den herkömmlichen
Motor dar, wohingegen die Linie C veranschaulicht, wie der Graph durch
den Motor gleicher Größe modifiziert
wird, der in Übereinstimmung
mit der Ausführungsform
aus der 1 aufgebaut
ist. Die fettgedruckte Linie D wird bei 60 Bar Druck angezeigt,
um einen Beispiel-Sollwert für
den "Federstahl" zu zeigen, damit die
Absorption der Energie startet, d. h. unmittelbar nach dem Beginn
der Verbrennung. Die Zylinder-Gastemperatur folgt dem Druck und
wird ebenfalls eingeschränkt.
Dieses Merkmal der Erfindung (1) begrenzt den Spitzendruck
ein, was die mechanischen Lasten vermindert und daher die Motorkosten
und die Reibung reduziert; und (2) begrenzt die Spitzentemperatur
ein, was die Bildung von NOx und den Wärmeenergieverlust an den Motorkühler reduziert.
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Die "schwimmende Oberseite" 5 der Ausführungsform
aus den 1 und 2a, 2b und 2c dient zwei
Funktionen. Zunächst
als ein Ring-abgedichteten Gleitkolbenmechanismus dient sie als
ein Ventilmechanismus zum Regeln der Strömung der Ansaug- und Ablassgase.
Dieses Merkmal der Erfindung ersetzt die Tellerventile der herkömmlichen
Motoren und begegnet den zuvor beschriebenen Nachteilen.
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Das zweite Merkmal der "schwimmenden Oberseite" r in der
Ausführungsform
der 1 liegt darin, dass
sie während
des Ansaughubs, z. B. bei 90° nach
dem TDC an einer Sollwert-Stelle gelöst werden kann. Die "schwimmende Oberseite" 5 versperrt dann
die Einführung
von mehr Luft durch den Einlass 3 und wandert mit dem Arbeitskolben 4,
wenn er seinen Abwärts-Hub
beendet. Der Zeitpunkt der Lösung
der "schwimmenden
Oberseite" steuert
die durch den Einlass 3 eingelassene Luftmenge. Wenn der
Kolben 4 seinen Aufwärts-Kompressionshub startet,
wird die Bewegung nach unten der "schwimmenden Oberseite" 5 durch
den absteigenden Druck der komprimierten Ansaugluft gestoppt, und
dann beginnt er ihre Aufwärts-Bewegung,
bis er die obere Kompressionshubstellung erreicht (2c). Der Arbeitskolben 4 führt dann
seinen Kompressionshub vollständig
aus. Indem eine geringere als die volle Luftladung erlaubt wird,
kann das Kompressionsverhältnis
des Motors irgendein Bruchteil des Expansionsverhältnisses
sein. Wenn z. B. das Expansionsverhältnis 30 zu 1 ist
und die "schwimmende
Oberseite" derart
gelöst
wurde, dass nur eine Hälfte
der normalen Luftladung eingeführt
wurde, dann wäre
das Kompressionsverhältnis 15 zu 1.
Die vorliegende Erfindung stellt vorzugsweise ein Expansionsverhältnis bereit,
das mindestens 1,2 und am bevorzugtesten 1,2–1,5 Male das Kompressionsverhältnis beträgt. 4 zeigt, dass bedeutende
Wirkungsgradgewinne erreicht werden, wenn das Expansions(exp.)verhältnis das
Kompressionsverhältnis übersteigt.
In der 4 stellt die
untere Linie E das herkömmliche Kompressionsverhältnis dar,
das für
gewöhnlich
mit dem Expansionsverhältnis
gleich ist, wohingegen die obere Linie F die Expansionsverhältnisse
mit der vollen Expansion darstellt.
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In der Ausführungsform aus 5 fehlt dieses Merkmal, da sich die schwimmende
Oberseite 5 nie löst.
Jedoch hält
die Ausführungsform
der 5 die Funktion der
Stahlfeder beim Absorbieren und Lösen des Spitzenbrenndrucks
bei und bewahrt die Ventilfunktion der schwimmenden Oberseite.
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In der Ausführungsform aus den 6–8 funktioniert
der schwimmende Kolben 48 auf eine Art und Weise, die analog
zur schwimmenden Oberseite 5 und zur Federstahl 7 in
anderen Ausführungsformen
ist, um den Spitzenbrenndruck zu "absorbieren". Die Ausführungsformen der 6–8 weist
auch das Merkmal eines Expansionsverhältnisses auf, das das Kompressionsverhältnis übersteigt,
aber ihnen fehlt das Ventilmerkmal.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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2a ist
eine schematische Darstellung der Stellungen der Schlüsselkomponenten
der ersten Ausführungsform
während
eines ersten Abschnitts des Ansaughubs und während des Ablasshubs;
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2b ist
eine schematische Darstellung der Stellungen der Schlüsselkomponenten
der ersten Ausführungsform
zu Beginn des zweiten Abschnitts des Ansaughubs;
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2c ist
eine schematische Darstellung der Stellungen der Schlüsselkomponenten
der ersten Ausführungsform
während
der endgültigen
Stadien des Kompressionshubs, während
der Verbrennung und für
das Anfangsstadium des Arbeitshubs;
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3 ist
ein Graph des Zylinderdrucks versus Zylindervolumens, der den Betrieb über einen gesamten
Betriebszyklus eines herkömmlichen
Motors und eines Motors der ersten Ausführungsform darstellt;
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4 ist
ein Graph des Motorwirkungsgrads versus Kompressions- und Expansionsverhältnisse;
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5 ist
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
eine schematische Darstellung, die eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer Seitenansicht zeigt;
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7 ist
eine schematische Darstellung, die die dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht zeigt; und
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8 ist
eine untere Ansicht des Zylinders 50 der dritten Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die in den 1, 2a, 2b und 2c gezeigte Ausführungsform verwendet einen
Viertaktzyklus und die herkömmliche
sich hin- und herbewegende Kolbenmotorbewegung und und den Antriebsmechanismus
1, um mittels eines Getriebes 14 ein Paar von Rädern 12, 12' anzutreiben.
Während
des ersten Teils des Ansaughubs wird Luft ("Luft" wie
hierin verwendet, sollte verstanden werden, als sei sie entweder
eine atmosphärische
Luft oder ein Gemisch aus atmosphärischer Luft und rückgeführtem Abgas)
mittels der Ansaugöffnung 3 in
die Brennkammer 2 eingeführt, wenn der Arbeitskolben 4 von
seiner oberen Hubstellung zu irgendeinem Punkt vor seiner unteren Hubstellung
wandert. Während
des ersten Teils des Ansaughubs (und anfänglich während des Ablasshubs) wird
die schwimmende Oberseite 5, wie in der 2a gezeigt, durch die Nocke 9 und
die Halterung 10 in ihrer am weitesten oben befindlichen
Stellung gehalten. Einfache Einwege-Ventile 16 und 18 werden
entfernt vom heißen
Brennvorgang jeweils in der Ansaug- und der Auslassöffnung enthalten,
um den richtigen Strom der Gase zu gewährleisten. Die Positionierung
der Ansaug- und der Auslassöffnung
an unterschiedlichen Ebenen würde
das Wegfallen von einem Ausgangsventil erlauben, würde jedoch
die höhere
Komplexität
einer zusätzlichen
Oberseiten-Stellung
des "schwimmenden
Oberseiten"-Positionierungsmechanismus
erfordern. Entsprechend ist die bevorzugte Ausführungsform wie in der 1 gezeigt, worin die Ansaug-
und Auslassöffnung
durch eine einzige Ebene, die sich senkrecht zur Achse des Zylinders 20 befindet,
zweigeteilt sind. Der Beginn des zweiten Teils des Ansaughubs wird
durch das Lösen
des "schwimmenden
Oberseiten"-Kolbens 5 aus der
Halterung 10 markiert, wie in der 2b gezeigt wird. Die "schwimmende Oberseite" 5 wandert
mit dem Kolben 4, wenn er seinen Abwärtshub beendet, kehrt die Richtung
mit dem Kolben 4 um, wenn er den Kompressionshub beginnt,
und wandert während des
ersten Abschnitts des Kompressionshubs mit dem Kolben 4 zur
in der 2c gezeigten
Stellung. Der Arbeitskolben 4 beendet dann, wie zuvor beschrieben,
den Kompressionshub. Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffeinspritzdüse 6 eingespritzt
und durch die Kompressionstemperatur oder durch die Zündkerze 21 (bzw.
Glühkerze
oder ein anderes Mittel) gezündet.
Der erhöhte
Druck des Systems komprimiert als erstes die Feder 7, womit
der Systemdruck und die Temperatur eingeschränkt werden. Wenn der Kolben 4 mit
seinem Abwärtshub
einsetzt, überführen die
druckbeaufschlagten Gase die in der komprimierten Feder 7 gelagerte
Energie an den Kolben 4, wenn die Feder 7 dekomprimiert
wird, und schließlich
beenden die druckbeaufschlagten Gase ihre Expansion, wenn der Kolben 4 seine
untere Hubstellung erreicht. Wenn der Kolben 4 zu seiner
nächsten
oberen Hubstellung wandert, bewegt sich die "schwimmende Oberseite" 5 zu der in der 2a gezeigten Stellung. Die
Ablasshubstellung der schwimmenden Oberseite 5 – dieselbe
Stellung, die sie für den
ersten Teil des nächsten
Ansaughubs einhält – erlaubt,
dass die Abgase durch die Ruslassöffnung 8 ausgestoßen werden.
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Wie oben angemerkt, liegen die Ansaugöffnung und
die Auslassöffnung
vorzugsweise in einer Ebene, d. h. durch eine einzige Ebene zweigeteilt, und
zwar senkrecht zur mittleren Achse des Zylinders 20. Die
Kraftstoffeinspritzdüse 6 wird
in der 2c gezeigt, wie
sie axial von der Ansaug- und der Auslassöffnung 3 und 8 beabstandet
ist, könnte
aber im Einlass 3 liegen.
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Der Zylinder 20 wird unter
dem Kolben 4 durch eine Lüftung 22 zum atmosphärischen
Druck im Kurbelkasten (nicht gezeigt) belüftet.
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Das "schwimmende Oberseiten"-Stellung-Stellglied
wird als eine Nocke 9 gezeigt, kann aber alternativ eine
Drehkurbel oder ein anderer mechanischer Mechanismus, ein hydraulischer
Antriebsmechanismus oder ein anderes ähnliches Mittel zum Regeln
der Stellung der "schwimmenden
Oberseite" sein.
In der in den 1 und 2a–2c dargestellten
Ausführungsform
befindet sich die Nocke 9 auf einer Nockenwelle 13,
die mittels eines Steuerriemens oder Zahnrads versetzt von der Kurbelwelle
angetrieben wird. An der schwimmenden Oberseite (mittels der Feder 7 in
der Ausführungsform
der 1) ist eine Halterung 10 angebracht,
die einen gebogenen (bei 90°)
distalen Armabschnitt 10a hat, der von der Nocke 9 eingegriffen
wird, um die schwimmende Oberseite 5 während einer anfänglichen
Stellung des Ansaug- und während
des Auslasshubs zu halten. Das Federmittel kann irgendeines von
verschiedenen Mitteln zum Erreichen einer schnellen Energiespeicherung
und zur schnellen Lösung
sein, die Schraubenfedern, Faltfedern, einen "freien Kolben" ("free
piston") zum Komprimieren
eines geschlossenen Gasvolumens (detaillierter in Verbindung mit
den 6–8 in einer Ausführungsform
einer Hydraulikpumpe zu beschreiben), und andere schnell komprimierbare/ausdehnbare
Mechanismen einschließen.
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5 zeigt
eine Ausführungsform,
die sich von der Ausführungsform
der 1, 2a, 2b und 2c darin unterscheidet, dass
die "schwimmende
Oberseite" im gesamten
Zyklus von Hüben
begrenzt wird. In dieser Ausführungsform
hat die Halterung 10' einen
rechtwinkligen distalen Armabschnitt 10a', der länger als 10a der zuvor
beschriebenen Ausführungsform
ist, so dass der Kontakt zwischen 10a' und der Nocke 9 in dem Viertaktzyklus
beibehalten wird.
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Die 6, 7 und 8 veranschaulichen eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, worin eine schwimmende- Oberseite 48 mit
einem "freien" oder "schwimmenden" Kolben 62 einer
Hydraulikpumpe verkettet ist. Eine Pumpenkammer 64 empfängt eine
Flüssigkeit
durch den Einlass 60, und die Pumptätigkeit des Kolbens 62 liefert
den Fluiddruck durch den Auslass 58, um einen Hydraulikmotor anzutreiben
oder in einem Akkumulator gespeichert zu werden. Der Kolben 62 ist
mittels der Kolbenstange 63 starr am Kolben 48 befestigt.
Der Kolben 48 bewegt sich in einem Zylinder 50 hin
und her, der durch die Lüftung 54 den
Kurbelkasten (nicht gezeigt) belüftet
wird. Der Kolben 48 ist dem Kolben 4 der zuvor beschriebenen
Ausführungsformen
insoweit analog, dass er dazu dient, den in der Brennkammer 36 erzeugten
(Dämpfer)-Spitzendruck
zu "absorbieren".
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Diese Ausführungsform der 6-8 verwendet
einen Viertaktzyklus und den herkömmlichen sich hin- und herbewegenden
Kolbenmotorantriebsmechanismus 30, der eine Kurbelwelle 31 einschließt, deren
Ausgabe mittels eines herkömmlichen
Getriebes 40 an die Räder 42, 42' geht. Der sich
im Zylinder hin- und herbewegende Arbeitskolben 32 zieht
bei seinem Ansaughub Luft durch das Einlassventil 38 ein
und stößt die gasförmigen Brennprodukte
bei seinem Auslasshub durch das Auslassventil 42 aus. Während des
Ansaughubs wird Luft durch die offene Einlassöffnung und das Ventil 38 in
die Systemkammer (Brennkammer) 36 eingeführt. Mit
dem geschlossenen Einlassventil 38 komprimiert der Arbeitskolben 32 daraufhin
die Ladung. Am oder nahe am TDC wird Kraftstoff mittels der Kraftstoffeinspritzdüse 44 eingespritzt
und mittels einer Zündkerze 46 oder
einer Glühkerze
bzw. eines anderen Zündmittels
einschließlich
der bloßen
Kompressionstemperatur gezündet.
Der erhöhte
Druck des Systems beginnt den freien Kolben 48 zu bewegen,
wenn der Brenndruck einen vorbestimmten oder voreingestellten Wert übersteigt.
Dieser voreingestellte Wert wird (1) durch die Verhältnisse
der Fläche des
Arbeitskolbens 32, die Gasseite des freien Kolbens 48 und
die Flüssigkeitsseite
(obere Seite) des freien Kolbens 62 und (2) durch
den Ablassdruck der Flüssigkeit
bei 58 bestimmt. Wenn die Verbrennung fortfährt, beschleunigt der steigende
Systemdruck weiterhin die freien Kolben 48 und 62,
wobei die Verbrennungsgase (zum Unterdrücken des steigenden Systemsdrucks und
der Temperatur) expandiert werden und wobei die in der Pumpenkammer 64 enthaltene
Flüssigkeit durch
das Hochdruck-Flüssigkeit-Austrittsventil 58 komprimiert/gepumpt
wird. Wenn das System den voreingestellten Druckwert erreicht, hört die positive Beschleunigung
der freien Kolben 48 und 62 auf, und der verbliebene
Systemdruck und die kinetische Energie der sich bewegenden freien
Kolben 48 und 62 fährt mit der Tätigkeit
des Pumpens der Flüssigkeit fort,
bis die Netto-Kraft an den freien Kolben 48 und 62 ihre
Geschwindigkeit bis auf Null verlangsamt hat. Zu diesem Zeitpunkt
schließt
das Hochdruck-Flüssigkeit-Ventil 58.
Die weitere Expansion der Verbrennungsgase erfolgt, wenn der herkömmliche
Expansionshub fortfährt.
Wenn der Arbeitskolben 32 den BDC erreicht, wurde auch
ein größeres Expansionsverhältnis als
das Kompressionsverhältnis
erreicht. Auch in diesem Sinne funktioniert der schwimmende Kolben 48 auf
eine analoge Art und Weise mit dem schwimmenden Kolben 5 in
der Ausführungsform
der 1 und 2. Das Auslassventil 42 öffnet sich
nahe am BDC, und wenn der Arbeitskolben 32 zum TDC zurückkehrt,
werden verbrauchte Verbrennungsgase abgelassen. Während des
Auslasshubs liegt der Systemkammerdruck nur leicht über dem
atmosphärischen,
und eine Förderflüssigkeit
tritt unter mäßigem Ladedruck
durch das Flüssigkeit-Einlassventil 60 ein,
wobei sie die Pumpenkammer 64 neu auflädt und den freien Kolben 62/48 für den nächsten Arbeitshub
neu-positioniert. Jener Abschnitt des freien Kolbens 48,
der die Brennkammer 36 nicht überlagert (Abschnitt 52 der 6 und 8) scheint den freien Kolben 48 auf
einen "sanften Stopp" zu verlangsamen, wenn
die Abgase in die Brennkammer 36"gequetscht" werden. Das Verfahren wiederholt sich
danach.
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Die aus der Kammer 64 gepumpte
Flüssigkeit
kann direkt in einem Hydraulikmotor (nicht gezeigt) verwendet werden,
um wir kungsvoll Wellenleistung zu erzeugen, oder die Flüssigkeit
kann in einem herkömmlichen
Akkumulator (nicht gezeigt) gespeichert werden, indem ein geschlossenes
Gasvolumen komprimiert wird. Dieser gespeicherte Druck kann zu irgendeinem
späteren
Zeitpunkt zurückgewonnen
und direkt in einem Hydraulikmotor verwendet werden, um z. B. eine
Hilfs-Wellenleistung zu erzeugen, und zwar auf eine Art und Weise,
die von Charles L. Gray, Jr., et al., in ihrer ebenfalls anhängigen Anmeldung,
Seriennr. 08/253.944, am 3. Juni 1994 eingereicht, unter dem Titel "Hybrid Powertrain Vehicle", offenbart wird,
deren Lehren unter Bezugnahme hierin eingeschlossen sind.
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Diese Erfindung kann an alle Kompressions/Brenn/Expansionstaktmotoren
mit geschlossenem System einschließlich von Zwei- und Viertaktmotoren
angelegt werden. Zusätzlich
zur direkten Kraftstoffeinspritzung oder an ihrer Stelle, kann der Kraftstoff
mit der Luftladung in allen Anordnungen eingeführt werden. Dichtungsringe
(in den Figuren nicht gezeigt) können
für alle
Kolben in allen Anordnungen verwendet werden.
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Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen
verkörpert
werden, ohne sich von ihrem Geist oder ihren wesentlichen Merkmalen
zu lösen. Die
vorliegenden Ausführungsformen
sind daher als in jeder Hinsicht darstellend und nicht einschränkend anzusehen,
wobei der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die vorherige Beschreibung
sondern durch die anliegenden Ansprüche bestimmt wird; und alle Änderungen,
die in die Bedeutung und die Tragweite von Äquivalenten der Ansprüche fallen,
sind daher als davon umschlossen beabsichtigt.