Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegrif dea Patentanspruches 1.

Es kann davon ausgegangen werden, daß es aufgrund der derzeit hohe Erdölförderraten in absehbarer Zeit zu einer Verknappung des Kraftstoffe kommen wird, so daß kurzfristig der Einsatz von Brenπkraftmaschinen mi geringem Kraftstof verbrauch und mittfei- bezw. langfristig der Einsatz vo Alternativkraftstoffen wie Methanol oder Wasserstoff unerläßlich wird, de mit Hilfe der Kernfusionsenergie durch Spaltung aus Wasser gewonnen werde kann. Die heute schon sehr hohe Umweltbelastung, zu der der weltweit star angestiegene Straßenverkehr wesentlich beiträgt, erfordert bereits kurz fristig unbedingt eine Senkung der Schadstoffemission von Kraftfahrzeug motoren.

Eine wesentliche Verbesserung der Eigenschaften der heute scho weitestgehend optimierten Otto- und Dieselmotoren kann nicht mehr erwarte werden. Eine nennenswerte KraftstoffVerbrauchssenkung von Dieselmotore erscheint allenfalls bei Einsatz von Keramikmaterial möglich, das eine Er höhung der mittleren Wandtemperaturen erlauben und damit eine Verringerun der durch Kühlung verursachten Verluste ermöglichen würde. Keramikwerk stoffe sind jedoch bekanntermaßen anfällig gegenüber hohen Schlagbela

stungen und großen Temperatursprüngen. Beide Belastungen treten jedoch in hohem Maße bei den bekannten Explosionsmotoren auf, weshalb zumindest bisher die Entwicklung eines funktionsfähigen Keramikmotors nicht geluneπ und auf der Grundlage der Diesel- oder Ottomotoren auch nicht erwartet werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung einer Brennkraftmaschineπ zugrunde, die einerseits keine oder zumindest wesent¬ lich verringerte Schlagbelastung verursacht und deren Betrieb andererseits gegenüber den bekannten Motoren wesentlich geringere Temperatursprünge mit sich bringt.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den im Patentan¬ spruch 1 wiedergegebenen Merkmalen gelöst, in der in idealer Weise die Funktionsmerkmale eines Verdichters, einer Dampfmaschine und eines Ver- brennungsmotors miteinander kombiniert sind, wobei als weiterer wesentli¬ cher Vorteil der Einsatz jedes beliebigen flüssigen und gasförmigen Kraft¬ stoffes möglich ist, d.h. die Maschine auch in reinem Gasbetrieb mit Wasserstoff, dem wahrscheinlichen Energieträger der Zukunft, betrieben werden kann. Sie ermöglicht darüberhinaus die Eπergiespeicherung, so daß etwa bei Einsatz als Antrieb von Kraftfahrzeugen durch Rückgewinnung von Bremsenergie ein hohes Beschleunigungsvermögen, ein leichtes Anlassen und eine erhebliche Verkleinerung des Getriebes möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus; den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnun beispielsweise erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung der Funktion einer

Brennkraftmaschine gemäß Erfindung Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Tau- melschebibenanordnung gemäß Erfindung

Die in der Zeichnung wiedergegebene Brennkraftmaschine besteht au einem in einem Motorblock 14 ausgebildeten Verbrennungszylinder 3, in de der Kraftstoff und die Verbrennungsluft unter Druck eingeführt werden. De Verbrennungszylinder 3 sind eine Druckkammer 8 die Verbrennungsluft un eine Druckkammer 10 für den Kraftstoff vorgeschaltet, die den Verbren nungszylinder 3 ganz oder teilweise umschließen oder anderweitig i unmittelbarem Wärmeaustausch mit dem Verbrennungszylinder 3 stehen, so da die durch die Verbrennung entstehende Verlustwärme direkt unter Vorwärmun und gegebenenfalls - bei Einsatz von flüssigem Kraftstoff - Verdampfun des Kraftstoffes bezw. der Luft zurückgewonnen wird. Im Falle de dargestellten Ausführungsform ragt die Druckkammer 10 für den Kraftstof jbedenfalls mit ihrem wesentlichen Teil in die Druckkammer für die Verbre nungsluft 8 und wird somit von dieser umschlossen, so daß insoweit au Sicherheitsgründen lediglich ein indirekter Wärmeaustausch stattfindet.

Die Kompression der Verbrennungsluft erfolgt zweistufig derart, da der Druckkammer 8 für die Verbrennungsluf zwei Kompressionszylinder 1, mit einer dazwischengeschalteten Druckkammer 7 vorgeschaltet sind. Es er

folgt weiterhin auch die Verbrennung selbst zweistufig in der Weise, daß dem Verbrennungszylinder 3 über eine weitere Druckkammer 9 ein (Niederdruck)- achverbrennungszylinder 4 nachgeordnet ist.

Die Steuerung der Gas- und Luftströme zwischen den Druckkammern 7, 8,

9, 10 und den Arbeitszylindern 1, 2, 3, 4 erfolgt mit Hilfe von Drehschie¬ bern, Schiebern oder Pilzventilen, wobei in der Zeichnung durchgehend die Einlaßventile mit der Bezugsziffer 5 und die Auslaßventile mit der Bezugsziffer 6 versehen sind. Hierbei wird zweckmäßig im Betrieb das Aus¬ laßventil 6 des Verbrennungszylinders 3 derart in Abhängigkeit vom Kolben- hub gesteuert ist, daß das Schließen des Ventils so vorzeitig vor Errei¬ che.^ der oberen Totpunktlage des Kolbens erfolgt, daß bei Erreichen der oberen Totpunktlage derselbe Druck wie in den Druckkammern 8, 10- ^' für die Verbrennungsluft bezw. den Kraftstoff herrscht. Die Leistungsregelung bezw. Eπergiespeicherung erfolgt zweckmäßig durch Verändern der Ventilöff¬ nungszeiten oder der Durchlaßquerschnitte derart, daß mehr Gasmasse durch Kompression in eine - oder mehrere - Druckkammer(n) gefördert wird als von ihr (ihnen) zur Verbrennung und Expansion freigegeben wird.

Die Druckkammern 7, 8, 9, 10 können zum Zwecke der Abgaseπergierückge- winnung mit einem (nicht dargestellten) Wasserreservoir verbunden sein, aus dem bedarfsweise Wasser in eine oder mehrere der Druckkammern 7, 8, 9,

10, gefördert wird, das nach der Verdampfung den in den Motorzylinder (3, 4) einströmenden Gasen zugemischt wird. Hierbei kann der Motorblock mit Druckkanälen oder Druckleitungen zur Führung von Kühlwasser, Kühl- oder Rückluft oder Kraftstoff versehen sein, so daß der gebildete Dampf bezw.

das vorgewärmte Gas dem in den Motorzylinder 3, 4 einströmenden Gas zuge mischt und damit die gespeicherte Wärme zurückgewonnen werden kann.

Zur Kraftübertragung ist - siehe Fig. 2 ein Taumelscheibenantrie mit einer im wesentlichen kegelstumpfförmigen, an ihrem äußeren Ran Pleuel 12 tragenden Taumelscheibe 13 vorgesehen, die mittels eines a breiten Ende mittig befestigten Kardangelenkes 15 am Motorblock 1 gelagert und auf der schmalen Seite mit einem in einer zentrierten Bohrun 19 gehaltenen Schrägkurbelzapfen 18 versehen ist, der in einer mit de Welle 16 fest verbundenen Schwuπgscheibe 17 befestigt ist.

Im Betrieb erfolgt die Verdichtung und Expansion jeweils zweistufig in den Verdichterzylindern 1, 2 bezw. Motorzylindern 3, 4, wobei die Arbeits¬ räume im entsprechenden Zeitabschnitt über die Einlaßventile 5 bezw. die Auslaßventile 6 mit den Druckbehältern oder mit der Außenluft verbunden werden. Das Ansaugen der Frischluft erfolgt durch den (großen) Verdichter¬ zylinder 1, der die Luft mit dem Kompressionsverhältnis verdichtet und in die Druckkammer 7 drückt. Die so vorkompromierte Luft gelangt aus der Druckkammer 7 in den kleinen Verdichterzylinder 2, in dem sie mit dem Kom¬ pressionsverhältnis weiter verdichtet und in die Druckkammer 8 gedrückt wird. Zur Vermeidung von Arbeitsverlusten beginnt der Einlaß in die Zylin¬ der erst dann, wenn der Druck im Arbeitsraum auf den b Wert des Ansaug druckes abgefallen ist. In entsprechender Weise bwird mit Hilfe eine Kraftstoffpumpe flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff in die Kraftstoff¬ druckkammer 10 gedrückt. Hierbei tritt infolge der hohen Umgebungstempe¬ ratur die Verdampfung flüssiger Kraftstoffe unabhängig von ihrer Verdamp-

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fungstemperatur ein, so daß sich an dem zum Motorzylinder 3 führenden Aus¬ laß der Kraftstoffdruckkammer 10 grundsätzlich gasförmiger Kraftstoff befindet, was zur Gemischbildung außerordentlich vorteilhaft ist. Aufgrund der hohen Kompressionstemperatur von über 1000" C können sowohl zünd¬ willige als auch weniger zündwillige Kraftstoffe eingesetzt werden, was ebenfalls für die Vielstoffähigkeit des Motors spricht.

Die Verbrennung der ersten Stufe erfolgt im (kleinen) Motorzylinder 3, in den der Kraftstoff und die Luft über Ventile aus den Druckkammern 8 und 10 dosiert, d.h. nur dann einströmen wenn der Zylinderdruck niedriger als der Druck in den Druckkammern 8 und 10 ist. Größere Druckspitzen treten somit .nicht auf, auch weil der Arbeitsraum mit der 15 1 Druckkammer 8 wäh¬ rend der Hauptverbrennung verbunden ist, so daß sich der Druck ausgleichen kann. Damit wird eine für Keramik gefährliche Schlagbelastung vermieden. Ebenso sind durch die zweistufige Verdichtung und Expansion sind die TemperaturSprünge in den Zylindern im Vergleich zu .denen des Dieselmotors deutlich kleiner, was ebenfalls den Einsatz von Keramik als Werkstoff begünstigt.

Bei kaltem Motor erfolgt Fremdzündung, bei betriebswarmem Motor ent¬ zündet sich das Gemisch von selbst. Da die Expansion zu einer Temperatur¬ erniedrigung führt, läßt sich das Überschreiten sehr hoher Verbrennungs¬ temperaturen vermeiden, wenn die Verbrennung durch Drosselung der Kraft¬ stoffzufuhr hinausgezögert wird, was wegen der zweistufigen Expanssion nicht mit großen Wirkungsgradverlusten verbunden ist. Es kann die Maschine u.a. infolge der hohen Kompressionstemperatur quasi stöchiometrisch

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(Lambda nahe 1,0) betrieben werden, wodurch die Bildung schädliche NOx-Gase verhindert wird. Die Regelung der Einströmmenge an Luft und a Kraftstoff in den Motorzylinder 3 erfolgt mittels der Ventile 5 durc Änderung der Eintrittsquerschnitte oder der Öffnungsdauer. Damit wird wi bei einer Dampfmaschine über die Füllmenge eine äußerst effektiv Leistungsregelung erzielt.

Nach dem Schließen der Einlaßventile 5 und nach Beendigung der Expan¬ sion wird das Verbrennungsgas in die Druckkammer 9 geschoben, wobei das Ausschieben der Verbrennungsgase noch vor Erreichen des oberen Totpunktes (0T) durch Schließen des Ventiles 6 beendet wird, damit das im Arbeitsrau verbliebene Restgas wiederum bis auf etwa den in den Druckkammern 8 und 10 herrschenden Druck komprimiert wird. Die Druckkammer 9 wirkt wie eine Nachverbrennungsanlage, die die Brennkraftmaschine umweltfreundlich macht. Aus der Druckkammer 9 gelangen die Verbrennungsgase in den Motorzylinder 4, wobei die Einströmmenge ebenfalls über ein Ventil 5 geregelt wird. Nach Schließen des Einlaßventils expandiert das Gas im Motorzylinder 4 (Expansion zweiter Stufe). Das Ausschieben nach außen wird auch hier vor Erreichen des 0T beendet. Dadurch wird das verbliebene Restgas bis auf den Druck des Druckbehälters 9 im 0T komprimiert.

Verdichtung und Expansion erfolgen jeweils bei niedrigen Druckwerten in dem großen und bei hohen Druckwerten in dem kleinen Zylinder statt. Hierdurch ergeben sich relativ niedrige maximalen Kolbenkräfte, so daß im Vergleich zum Dieselmotor das Kompressionsverhältnis erheblich erhöht werden kann, was zu einem hohen theoretischen Wirkungsgrad führt.

Das Anschließen einer Stahlflasche (ca 15 1 Rauminhalt genügen für einen PKW) an den Druckbehälter 8 ermöglicht eine Energiespeicherung. Dazu wird die Ventilregelung so eingestellt, daß mehr Gasmasse verdichtet und in die Druckkammer 8 gedrückt als umgekehrt aus ihm zur Expansion ent¬ nommen wird. Wenn etwa bei einem nur die Verdichterzylinder arbeiten, wird Luft verdichtet und das Fahrzeug abgebremst, so daß der Druck in der Druckkammer 8 ansteigt. Die Bremsenergie wird gespeichert und steht später teilweise wieder zur Verfügung. Eine Energiespeicherung ist jedoch auch bei voller Motorleistung möglich. Sie stellt Zusatzenergie etwa für Zwecke der Beschleunigung zur Verfügung.

Es ist weiterhin über Dampferzeugung eine Abgasenergierückgewinnung möglich, wodurch der für den Beschleunigungsfall ungünstige Abgasturbo¬ lader (ATL) umgangen wird. In die vom Abgas durch- oder umströmte Druck¬ kammer 8 wird Wasser gepumpt, so daß sich in ihm ständig eine geringe Wassermenge befindet. Der sich bildende Dampf wird vor Eintritt in den Motorzylinder 3 im Druckbehälter 8 dem zur Verbrennung gelangendem Gas zugemischt. Der Dampf expandiert im Motorzylinder 3 unter Verrichtung von Arbeit. Er kann vor der Expansion erwärmt werden, indem er an zu kühlen¬ den, heißen Motorbauteilen vorbeigeleitet wird. Bei dieser Motorkühluπg treten keine Energieverluste auf. Die Dampferzeugung und Zumischung zum Arbeitsgas ermöglicht eine effektivere Abgasverwertung als ein ATL. Der Abgasenergierückgewinnung über Dampferzeugung und Zumischung des Dampfes zum Arbeitsgas kommt bei Keramikmotoren eine besondere Bedeutung zu, da die höhere Abgasenergie vom ATL nicht voll genutzt werden kann.

In der Zeichnung ist weiterhin in einem Ausführungsbeispiel eine Keramikbrennkraftmaschine wird zur Kraftübertragung ein Taumelscheibeπan trieb dargestellt. Taumelscheibenanlriebe bringen durch die axial Zylinderanordnung räumliche Vorteile, sie ermöglichen einen vollständige Massenausgleich und haben geringe Pleuelauslenkwinkel. Durch die fehlend Schlagbelastung tritt der bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen üblich Verschleiß der Pleuellagerungen nicht mehr auf. Mit dem in Fig. 2 dar gestellen Taumelscheibenantrieb können auch die allgemein bestehende Schwierigkeiten der Lagerung eines solchen Antriebs überwunden werden Eine kegelstumpfförmige Taumelscheibe 13 wird mittels eines am Motorbloc

10 14 befestigten Kardan-Gelenkes 15 am breiten Kegelstumpfende mitti gehaltert. In einer mit der Welle 16 fest verbundenen Schwungscheibe 1 ist ein zum Kardan-Gelenk 15 gerichteter Schrägkurbelzapfen 18 befestigt Der Schrägkurbelzapfen 18 ist in der zentrierten Bohrung 19 de Taumelscheibe 13 am schmalen Kegelstumpfende gelagert. Die Lagerung de ir Welle 16 und der Schwungscheibe 17 erfolgt über Wälzlager 20. Dreht sic die Welle, so vollführt die Taumelscheibe 13 eine Taumelbewegung. Dadurc bewegen die in der Taumelscheibe 13 gelagerten Pleuel 12 die Kolben 11 (s Fig. 1) hin und her.

0 Insgesamt ergibt sich somit eine außerordentlich sparsame und elasti sche Maschine, die infolge der zweistufigen Expansion findet ohn Zuhilfenahme der Elektronik eine stets nahezu vollständige Verbrennun gewährleistet, so daß mit Schadstoffemission wegen unvollständige Verbrennung nicht zu rechnen ist und damit der Einsatz eines Katalysator c entbehrlich wird. Ein Kraftfahrzeug wird weniger über die normalen Rad

bremsen als vielmehr über den Verdichter -des Motors abgebremst, wobei die Bremsenergiespeicherung vor allem im Stadtverkehr zu einer nicht unbedeu¬ tenden Kraftstof eiπsparung führt. Da weiterhin der Druckkammermotor auch die grundlegenden Elemente der Dampfmaschine beinhaltet, die in Fahrzeugen bekanntlich ohne jedes Getriebe auskommt, ist es möglich, das Getriebe bei nur geringfügiger Erhöhung des Hubraumes auf nur zwei Vorwärtsgäπge zu -* verkleinern. Dies kann zu einer erheblichen Kosteneinsparung führen. Da die Bremsen kaum noch benutzt werden und die Anzahl der Schaltvorgänge durch die nur noch vorhandenen zwei Gänge erheblich reduziert werden, wird der Verschleiß an Kupplung, Bremsen und Getriebe wesentlich verringert, wobei es insbesondere mit Vorteilen anstelle des konstruktiv aufwendigen und einen geringen Wirkungsgrad aufweisenden Automatikgetriebes eingesetzt werden kann. Das Anlassen des Druckkammermotors gestaltet sich sehr ein¬ fach, denn das Öffnen des Ventils zur Druckkammer reicht aus, um den Motor in Drehung zu versetzen, wenn die Motorwelle sich in der Ausgangsposition befindet. Anlasser und Batterie sind demzufolge für den Anlaßvorgang nicht ^ mehr erforderlich.

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