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PATENTANSPRÜCHE
1. Einrichtung zur Erzeugung eines Drehmomentes, gekennzeichnet durch einen Kolbenkompressor (K), welcher über ein gesteuertes Auslassventil (10) mit einem gesteuerten Ventil (13) verbunden ist, welches in die Antriebsdüse (14) einer Turbine (16) mündet, von deren Welle (17) einerseits der genannte Kompressor (K) angetrieben, andererseits das Abtriebsdrehmoment abgenommen wird, wobei die Verbrennung im Kolbenraum des Kompressors und/oder in der Antriebsdüse (14) der Turbine (16) und/oder dazwischen stattfindet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (K) und/oder eine Brennkammer (11) und/oder die Abströmleitung (30) der Turbine und/oder das Turbinengehäuse (16a) von den Elementen eines von Wasser durchströmten Verdampferaggregates durchsetzt sind, dessen Dampf auf eine zweite Turbine geleitet wird, die auf der genannten Welle (17) der erstgenannten Turbine (16) angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis des Kolbenkompressors zwischen 1:22 und 1:40 liegt.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Luftansaugeventil (6) des Kompressors (K) als auch das Auslassventil (13) der Brennkammer (11) durch eine Nockenwelle (9) gesteuert ist, die mit der Kurbelwelle (4) des Kolbenkompressors gekoppelt ist und demgemäss synchron mit derselben umläuft.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (11) kugelförmig ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (11) eine Vorheizvorrichtung (36) oder Glühzündvorrichtung angeordnet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenwelle (17) mit der Antriebswelle (4) des Kompressors (K) über ein Übersetzungsgetriebe (18) verbunden ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (13) der Brennkammer (11) zwei konzentrisch ineinander angeordnetePohre (21, 22) aufweist, deren Auslassschlitze (26, 27) an Hartmetalleinsätzen (26', 27') angebracht sind und durch eine Relativbewegung derselben zur Deckung gebracht werden können.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rohre (21, 22) drehbar ineinander gelagert sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rohre (21, 22) zueinander axial verschieblich sind.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassschlitze (26, 27) im Hinblick auf ein anfänglich langsames Öffnen praktisch dreieckförmig ausgebildet und so angeordnet sind, dass beim Öffnen die Spitze des einen Dreiecks zuerst auf das andere Dreieck auftrifft.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (13) über flexible Schläuche (T) an ein geschlossenes Kühlsystem angeschlossen ist, das mit destilliertem Wasser beschickt ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Schläuche (T) aus Polyvinylchlorid bestehen und an ihrer Innenseite teflonbeschichtet sind.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Einrichtung von einem wärmeisolierten Gehäuse umgeben und auch die Abströmleitung wärmeisoliert ist.
15. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Kolbenkompressor verdichtete Luft in einer Brennkammer mit einem Kraftstoff zusammengebracht und die aus der Verbrennung resultierenden Abgase zum Antrieb einer Turbine dienen, deren Abtriebsdrehmoment zum Teil zum Antrieb des Kompressors verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15 zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme von Kompressor, Brennkammer, Turbinengehäuse und/oder Turbinenaustrittsleitung zur Dampferzeugung verwendet und der entstehende Dampf zum Antrieb einer zweiten, auf der gleichen Welle angeordneten Turbine dient.
Die derzeit bekannten Motoren, die zur Erzeugung von Antriebsdrehmomenten dienen, weisen einen oder mehrere Zylinder auf, in welchen Kolben beweglich gelagert sind, wobei sowohl die Kompression als auch der Verbrennungsvorgang innerhalb des Zylinders stattfindet. Das Verdichtungsverhältnis, das beispielsweise beim Ottomotor höchstens 13:1 betragen kann, darf diesen Maximalwert ohne Risiko des Klopfens nicht überschreiten. Ein weiterer Nachteil der bestehenden Antriebsaggregate liegt ferner darin, dass deren Abgaswärme und Abwärme der Motorenkühlung praktisch ungenutzt ins Freie verpufft, was den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erheblich belastet.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Drehmomentes vorzuschlagen, welche einerseits eine Trennung des Kompressionsraums vom Verbrennungsraum gestattet und dadurch die Realisierung extrem hoher Verdichtungsgrade zulässt, während andererseits die bei der Kompression und der Verbrennung entstehende Wärme sowie die Abgaswärme zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades genutzt werden soll.
Die erfindungsgemässe Einrichtung, mit welcher diese Aufgabe gelöst wird, ist im unabhängigen Patentanspruch definiert. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Nachstehend wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Fig. list ein vereinfachter Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der Einrichtung,
Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt durch eine Variante mit spezieller Ventilausbildung,
Fig. 3 veranschaulicht anhand eines weiteren Vertikalschnittes die Ausnützung der bei der Kompression sowie bei der Verbrennung entstehenden Wärme,
Fig. 4 ist ein Schnitt durch das bei der Ausführung gemäss Fig. 2 verwendete Steuerventil,
Fig. 4a/4b/4c sind Teilschnitte zur Veranschaulichung der in Fig. 4 dargestellten Ventilkonstruktion,
Fig. 5 zeigt anhand einer vereinfachten Schnittdarstellung die Kopplung des in Fig. 4 dargestellten Ventiles mit der dazugehörigen Steuerkurve,
Fig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie VI in Fig. 1,
Fig. 7a und 7b sind Darstellungen von Ausführungsformen der zur Beaufschlagung der Turbine dienenden Düse,
Fig.
8 veranschaulicht das zum Betrieb der Einrichtung dienende Verfahren anhand eines Blockschemas,
Fig. 9 zeigt schematisch eine Variante, und
Fig. 10 veranschaulicht eine der erfindungsgemässen Einrichtung nachschaltbare Zusatzvorrichtung.
Fig. 1 zeigt einen Zylinder 1, in welchem ein Kolben 2 gelagert ist. Die mit 3 bezeichnete Pleuelstange des Kolbens greift in bekannter Weise an einer Kurbelwelle 4 an. Der
Zylinder list von einem an einen Kühlwasserkreislauf angeschlossenen Kühlmantel 5 umgeben.
Ferner weist der Zylinder 1 an seiner Stirnseite ein Einlassventil 6 auf, das in der Mündung eines Luftansaugkanals 7 liegt. Das Einlassventil 6 wird über einen Kipphebel 8 und eine Nockenwelle 9 periodisch im Arbeitstakt des Kolbens 2 gesteuert, wobei die Steuerung von der Kurbelwelle 4 abgenommen ist. Im Betrieb der Einrichtung wird somit durch den Kolben 2 periodisch Luft aus dem Luftansaugkanal 7 angesaugt und innerhalb des Zylinders 1 komprimiert. Das Kompressionsverhältnis wird hierbei bewusst hoch gewählt und kann ohne weiteres Werte zwischen 1:20 und 1:45 erreichen.
Eine Verbrennung findet innerhalb des Zylinders 1 nicht statt.
Wie sich ferner aus Fig. 1 ergibt, ist an der Stirnwand des Zylinders 1 ein Rückschlagventil 10 angebracht, das beispielsweise eine federbelastete Kugel auf einem sphärischen Sitz aufweisen kann und in eine vorzugsweise kugelig ausgebildete Brennkammer 11 mündet. Diese Brennkammer 11, welche gemäss einer Variante auch zylindrisch ausgebildet sein kann, ist an ein Kraftstoff-Einspritzsystem angeschlossen, dessen Einspritzrohr 12 tangential oder nahezu tangential in den Kugelraum einmündet. Auch die Kraftstoffeinspritzung ist so gesteuert, dass sie synchron mit dem Arbeitstakt des Kolbens 2 und des Einlassventils 6 funktioniert. Die Brennkammer 11 ist an ihrer dem Einlassventil 10 gegenüberliegenden Seite mit einer Öffnung versehen, die in ein in seiner Gesamtheit mit 13 bezeichnetes Ventil mündet.
Dieses Ventil 13, dessen konstruktiver Aufbau sich aus den Figuren 2 und 4 ergibt, steuert die Abströmung der in der Brennkammer 11 entstehenden Gase zu einer Düse 14, von welcher die hochverdichteten Abgase auf die Schaufeln 15 einer in ihrer Gesamtheit mit 16 bezeichneten Turbine geleitet werden.
An der Turbinenwelle 17 kann einerseits das erzeugte Drehmoment abgenommen werden. Andererseits ist die Turbinenwelle 17 über ein nicht dargestelltes, bei Fahrzeugen stufenlos regelbares, bei Generatoren festes Getriebe mit der Kurbelwelle 4 verbunden und treibt diese kontinuierlich an.
Diese Koppelung von Turbinenwelle 17 und Kurbelwelle 4 ist durch die in Fig. 1 eingezeichnete strichpunktierte Linie 18 veranschaulicht.
In Fig. 2 sind die bereits eingeführten Bezugszahlen, insofern sie sich auf die unverändert gebliebenen Teile beziehen, beibehalten worden. Das Ventil 13 weist, wie Fig. 4 zeigt, ein vom Kühlwasser 20 durchflossenes, zylindrisches Gehäuse 21 auf, innerhalb dessen ein rohrförmiger Stabeinsatz 22 beweglich gelagert ist. Der Stabeinsatz ist über die in Fig. 5 dargestellte Kupplung mit einer Kurvenscheibe 19 gekuppelt, die ihrerseits auf der in Fig. 1 bereits dargestellten Nockenwelle 9 sitzt. Die Koppelung gemäss Fig. 5 bringt insofern eine zwangsläufige Mitnahme des Stabeinsatzes 22 mit sich, als derselbe mit seinen beiden fest an ihm angeordneten Rollen 23 eine Achse 24 umgreift, die ihrerseits durch einen Anschlag 25 in ihrer Lage gehalten wird.
Sowohl das Gehäuse 21 als auch der rohrförmige Stabeinsatz 22 weist eine Durchgangsöffnung 26 bzw. 27 auf, die bei der gewählten Ausführungsform dreieckförmig ausgebildet sind, und durch eine axiale Relativverschiebung zwischen Gehäuse 21 und Stabeinsatz 22 zur Deckung gebracht werden können. Die Öffnungen 26 und 27 sind an Hartmetalieinsät- zen 26' bzw. 27' angebracht. Auch der Stabeinsatz 22 ist, wie Fig. 4a zeigt, von einem Kühlwasserkanal 27a durchsetzt. Das Kühlwasser wird in Anbetracht der erwähnten Relativbewegung durch flexible Schläuche T zu- und abgeführt. Eine Feder 28 (Fig. 2) trachtet darnach, den Stabeinsatz 22 in ständigem Kontakt mit der Steuerkurve 19 zu halten. Damit bei Verbrennungsrückständen und Verschmutzung der Luft das Ventil 13 nicht blockieren kann, ist zudem die beschriebene zwangsläufige Mitnahme vorgesehen.
Zur Beschickung des Ventils 13 wird vorzugsweise destilliertes Wasser verwendet.
Das Ventil 13 lässt sich im Rahmen des Erfindungsgedankens in mannigfaltiger Weise abwandeln. Während die Ausführungsform gemäss Fig. 4 eine Axialverschiebung zwischen Gehäuse 21 und Stabeinsatz 22 erfordert, könnten auch zwei rohrförmige Ventilteile so angeordnet sein, dass sich deren Öffnungen durch eine gegenseitige Verdrehung in Überdekkung bringen liessen. Diese Variante ist der schematischen Darstellung des Ventils gemäss Fig. 1 zugrundegelegt. Allen Varianten ist jedoch das Merkmal gemeinsam, dass das Ventil in Abhängigkeit vom Arbeitstakt des Kolbens 2 die Verbindung von der Brennkammer 11 zur Düse 14 periodisch öffnet und wieder schliesst.
Wie Fig. 7a zeigt, ist die Düse 14 vorzugsweise mit zwei Auslassöffnungen 14a und 14b versehen, welche zwei auf der gleichen Turbinenwelle sitzende Schaufelräder 15 beaufschlagen. Die in Fig. 7b mit 29 bezeichnete Düse weist drei Auslassöffnungen 29a, 29b und 39c auf, welche somit zur Beaufschlagung von drei auf einer Turbinenwelle angeordneten Schaufelrädern dienen können.
Das zum Betrieb dieser Einrichtung dienende Verfahren veranschaulicht Fig. 8 im Zusammenhang mit Fig. 1, wobei hier der Übersichtlichkeit halber die in Fig. 1 bereits verwendeten Bezugszahlen beibehalten wurden. Demnach wird die über die Leitung 7 und das Einlassventil 6 angesaugte Luft im Zylinder 1 (Fig. I) verdichtet und über das Rückschlagventil 10 in die Brennkammer 11 überführt. Der in die hochkomprimierte Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich selbsttätig oder mit Glühzündung, und die entsprechenden Abgase werden dann über das Ventil 13 und die Düse 14 in die Turbine
16 geleitet. Von der Turbinenwelle wird einerseits das nutzbare Drehmoment (Abtrieb) abgenommen, während andererseits über das stufenlose Getriebe 18 der Kompressor K angetrieben wird.
Die aus der Turbine austretenden Abgase werden, wie noch zu beschreiben sein wird, durch ein Verdampfungsaggregat geführt, um damit die in denselben enthaltene Wärme ebenfalls zur Drehmomenterzeugung einzusetzen.
Die mit der Kurbelwelle 4 des Kompressors K direkt gekuppelte Nockenwelle 9 steuert sowohl das Ansaugen der Luft in den Kompressionszylinder 1, als auch das Ausstossen der komprimierten Luft über das Ventil 10 in die Brennkammer 11 und die Überführung der aus der Brennkammer austretenden Abgase über das Ventil 13 in die Düse 14. Diese Steuerung ist schematisch durch unterbrochene Linien angedeutet.
Sowohl im Zylinder 1 des Kompressors K als auch in der Umgebung der Brennkammer 11, im Gehäuse der Turbine 16 sowie im Turbinen-Abgasstutzen 30 ergibt sich beim Betrieb der beschriebenen Einrichtung eine erhebliche Aufheizung, die im Rahmen des Erfindungsgedankens zur weiteren Erhöhung des nutzbaren Drehmomentes verwendet wird. Wie Fig. 3 zeigt, wird Wasser am Eintritt 3 1 des Zylindermantels eingeführt, erhitzt sich im Kompressor K und gelangt dann durch eine Verbindungsleitung 32 in eine Rohrschlange 33, die im Abgasstutzen 30 der Turbine angeordnet ist. Von hier durchströmt das nun bereits stark aufgeheizte Wasser das Gehäuse der Turbine 16 und gelangt von hier durch seine Überströmleitung 34 in die Umgebung der Brennkammer 11, um dann in Form von Heissdampf durch eine Leitung 35 auf eine Turbine geleitet zu werden.
Diese letztere Turbine ist in der Zeichnung nicht dargestellt und sitzt vorzugsweise starr auf der Welle 17 der in Fig. 1 dargestellten, mit den Abgasen der Brennkammer 11 beschickten Turbine 16. Durch die beschriebene Ausnutzung der Abwärme lässt sich der Gesamtwirkungsgrad der Einrichtung ganz erheblich verbessern.
Die anhand der Zeichnung beschriebene Einrichtung stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes dar und lässt sich vom Fachmann in vielfacher Weise abwandeln. In der Anfahrphase der Einrichtung wird zur Erzielung der gewünschten Temperatur, welche die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes mit sich bringen soll, zunächst einmal über kurze Zeit ohne Kraftstoffeinspritzung gefahren. Auch wäre es möglich, im Umfangsbereich der Brennkammer 11 eine Vorheizkerze anzubringen, die in Fig. 1 schematisch eingezeichnet und dort mit 36 bezeichnet ist.
Da die Verbrennung nicht im Kolbenraum des Kompressors stattfindet, ergibt sich ein ruhiger runder Lauf der Einrichtung, und das insbesondere von den Dieselmotoren her bekannte Klopfen wird ausgeschaltet. Vom Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit ist der mit grossem Zylinderinhalt gebaute Kompressor in Kombination mit der hohen Verdichtung und der ausserhalb des Kolbenaggregats stattfindenden Verbrennung von grossem Vorteil.
Über das stufenlose Getriebe 18 (Fig. 1) lässt sich das Verhältnis zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle 4 und der Drehzahl der Turbine 16 beliebig verändern, so dass sich durch Wahl eines optimalen Drehzahlverhältnisses ein gutes Anzugsvermögen ergibt.
Bei Berücksichtigung sämtlicher Vorteile des beschriebenen Aggregates lässt sich ein Gesamtwirkungsgrad von mindestens 50% erzielen.
Die Verbrennung könnte statt in einer Brennkammer auch im oberen Kolbenraum 37 und/oder in der Düse 14 bzw. im Zwischenraum zwischen Kolbenraum 37 und Düse 14 erfolgen.
Gemäss der in Fig. 9 dargestellten Variante wird die im Kompressionsraum verdichtete Luft über eine Leitung 38 und ein Ventil 39 der Brennkammer 11 zugeführt. In die Brennkammer 11 mündet eine Gasleitung 40, von welcher ein brennbares, vorverdichtetes Gas mittels eines gesteuerten Ventiles 41 in die Brennkammer eingeleitet wird. Durch eine Zünd- bzw. Glühzündvorrichtung 36 wird das Gas-Luftgemisch entzündet. Die Hochdruck-Verbrennungsgase dienen auch hier, wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen, zum Antrieb der Turbine 16.
Die Kompressionswärme wird durch ein Kühlsystem 42, das die Leitung 38 umgibt, zu einem möglichst grossen Teil entnommen, wobei das im Kühlsystem zirkulierende Wasser stark erhitzt, im Kontakt mit der Brennkammer 11 verdampft und anschliessend den Laufschaufeln einer weiteren Turbine zugeleitet oder beispielsweise zur Raumheizung verwendet wird.
Die gesamte Einrichtung ist von einem wärmeisolierten Gehäuse umgeben, wobei auch die Abströmleitung vorzugsweise wärmeisoliert ist.
Bei Motorrädern kann ein Einzylindermotor mit Wärmeausnutzung verwendet werden.
Die Antriebsmaschine weist hierbei zwei koaxiale, auf der gleichen Welle angeordnete Turbinen auf, von welchen die eine mit Verbrennungsgasen, die andere mit Dampf betrieben wird. Durch abwechselndes Öffnen der die Turbinen beaufschlagenden Ventile kann ein runder Lauf der Maschine erreicht werden.
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PATENT CLAIMS
1. A device for generating a torque, characterized by a piston compressor (K) which is connected via a controlled outlet valve (10) to a controlled valve (13) which opens into the drive nozzle (14) of a turbine (16), of which Shaft (17) on the one hand drives said compressor (K), on the other hand the output torque is reduced, combustion taking place in the piston chamber of the compressor and / or in the drive nozzle (14) of the turbine (16) and / or in between.
2. Device according to claim 1, characterized in that the compressor (K) and / or a combustion chamber (11) and / or the outflow line (30) of the turbine and / or the turbine housing (16a) of the elements of an evaporator unit through which water flows are penetrated, the steam of which is passed to a second turbine which is arranged on said shaft (17) of the first-mentioned turbine (16).
3. Device according to claim 2, characterized in that the compression ratio of the piston compressor is between 1:22 and 1:40.
4. Device according to one of claims 2 and 3, characterized in that both the air intake valve (6) of the compressor (K) and the exhaust valve (13) of the combustion chamber (11) is controlled by a camshaft (9) which with the Crankshaft (4) of the piston compressor is coupled and therefore rotates synchronously with the same.
5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the combustion chamber (11) is spherical.
6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that a preheating device (36) or glow ignition device is arranged in the combustion chamber (11).
7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the turbine shaft (17) with the drive shaft (4) of the compressor (K) is connected via a transmission gear (18).
Device according to one of claims 2 to 7, characterized in that the outlet valve (13) of the combustion chamber (11) has two concentrically arranged tubes (21, 22), the outlet slots (26, 27) of which are made of hard metal inserts (26 ', 27) ') are attached and can be brought to cover by a relative movement of the same.
9. Device according to claim 8, characterized in that the two tubes (21, 22) are rotatably supported one inside the other.
10. The device according to claim 8, characterized in that the two tubes (21, 22) are axially displaceable to one another.
11. Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the outlet slots (26, 27) with respect to an initially slow opening are practically triangular and arranged so that when opening the tip of one triangle first on the other triangle hits.
12. Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the outlet valve (13) is connected via flexible hoses (T) to a closed cooling system which is charged with distilled water.
13. Device according to claim 12, characterized in that the flexible hoses (T) consist of polyvinyl chloride and are Teflon-coated on the inside.
14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the entire device is surrounded by a thermally insulated housing and the outflow line is thermally insulated.
15. The method for operating the device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the compressed air in a piston compressor is brought together with a fuel in a combustion chamber and the exhaust gases resulting from the combustion serve to drive a turbine, the output torque of which in part Drive the compressor is used.
16. The method according to claim 15 for operating the device according to claim 2, characterized in that the waste heat from the compressor, combustion chamber, turbine housing and / or turbine outlet line is used to generate steam and the steam produced is used to drive a second turbine arranged on the same shaft.
The currently known engines, which are used to generate drive torques, have one or more cylinders in which pistons are movably mounted, both the compression and the combustion process taking place within the cylinder. The compression ratio, which can be a maximum of 13: 1 for a gasoline engine, for example, must not exceed this maximum value without the risk of knocking. Another disadvantage of the existing drive units is that their exhaust heat and waste heat from the engine cooling are practically unused, which significantly impairs the overall efficiency of the system.
It is therefore the object of the present invention to propose a device for generating a torque which, on the one hand, allows the compression space to be separated from the combustion space and thereby permits the implementation of extremely high degrees of compression, while on the other hand the heat generated during the compression and combustion as well as the exhaust gas heat Improvement in overall efficiency should be used.
The inventive device with which this object is achieved is defined in the independent claim. Preferred embodiments result from the dependent patent claims.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is described below with reference to the accompanying drawing.
FIG. 1 shows a simplified vertical section through an embodiment of the device,
2 is a vertical section through a variant with a special valve design,
3 illustrates, using a further vertical section, the utilization of the heat generated during compression and during combustion,
4 is a section through the control valve used in the embodiment according to FIG. 2,
4a / 4b / 4c are partial sections to illustrate the valve construction shown in Fig. 4,
5 shows, on the basis of a simplified sectional illustration, the coupling of the valve shown in FIG. 4 with the associated control curve,
Fig. 6 is a section along the line VI in Fig. 1,
7a and 7b are representations of embodiments of the nozzle serving to act on the turbine,
Fig.
8 illustrates the method for operating the device using a block diagram,
Fig. 9 shows schematically a variant, and
10 illustrates an additional device which can be connected downstream of the device according to the invention.
Fig. 1 shows a cylinder 1, in which a piston 2 is mounted. The connecting rod of the piston, designated 3, engages a crankshaft 4 in a known manner. The
Cylinder list is surrounded by a cooling jacket 5 connected to a cooling water circuit.
Furthermore, the cylinder 1 has an inlet valve 6 on its end face, which lies in the mouth of an air intake duct 7. The inlet valve 6 is controlled periodically in the work cycle of the piston 2 via a rocker arm 8 and a camshaft 9, the control being removed from the crankshaft 4. During operation of the device, air is thus sucked in periodically by the piston 2 from the air intake duct 7 and compressed within the cylinder 1. The compression ratio is deliberately chosen high and can easily reach values between 1:20 and 1:45.
There is no combustion within cylinder 1.
As can further be seen from FIG. 1, a check valve 10 is attached to the end wall of the cylinder 1, which can have, for example, a spring-loaded ball on a spherical seat and opens into a preferably spherical combustion chamber 11. This combustion chamber 11, which according to a variant can also be cylindrical, is connected to a fuel injection system, the injection pipe 12 of which opens tangentially or almost tangentially into the spherical space. The fuel injection is also controlled in such a way that it functions in synchronism with the operating cycle of the piston 2 and the intake valve 6. The combustion chamber 11 is provided on its side opposite the inlet valve 10 with an opening which opens into a valve designated as a whole by 13.
This valve 13, the construction of which can be seen in FIGS. 2 and 4, controls the outflow of the gases produced in the combustion chamber 11 to a nozzle 14, from which the highly compressed exhaust gases are directed onto the blades 15 of a turbine, designated as a whole by 16 .
On the one hand, the generated torque can be taken off on the turbine shaft 17. On the other hand, the turbine shaft 17 is connected to the crankshaft 4 via a gear mechanism (not shown) which is infinitely variable in vehicles and fixed in the case of generators and drives it continuously.
This coupling of turbine shaft 17 and crankshaft 4 is illustrated by the dash-dotted line 18 shown in FIG. 1.
2, the reference numbers already introduced have been retained insofar as they refer to the parts that have remained unchanged. As shown in FIG. 4, the valve 13 has a cylindrical housing 21 through which cooling water 20 flows, within which a tubular rod insert 22 is movably mounted. The rod insert is coupled via the coupling shown in FIG. 5 to a cam plate 19 which in turn is seated on the camshaft 9 already shown in FIG. 1. The coupling according to FIG. 5 entails inevitable entrainment of the rod insert 22, since it engages around an axis 24 with its two rollers 23 fixedly attached to it, which in turn is held in position by a stop 25.
Both the housing 21 and the tubular rod insert 22 have a through opening 26 and 27, which are triangular in the selected embodiment, and can be made to coincide by an axial relative displacement between the housing 21 and the rod insert 22. The openings 26 and 27 are attached to hard metal inserts 26 'and 27', respectively. The rod insert 22 is also penetrated by a cooling water channel 27a, as shown in FIG. 4a. In view of the relative movement mentioned, the cooling water is fed in and out through flexible hoses T. A spring 28 (FIG. 2) seeks to keep the rod insert 22 in constant contact with the cam 19. So that the valve 13 cannot block in the case of combustion residues and air pollution, the inevitable entrainment described is also provided.
Distilled water is preferably used to feed the valve 13.
The valve 13 can be modified in a variety of ways within the scope of the inventive concept. 4 requires an axial displacement between the housing 21 and the rod insert 22, two tubular valve parts could also be arranged in such a way that their openings could be covered by a mutual rotation. This variant is based on the schematic representation of the valve according to FIG. 1. However, all variants have in common the feature that the valve periodically opens and closes the connection from the combustion chamber 11 to the nozzle 14 depending on the working cycle of the piston 2.
As FIG. 7a shows, the nozzle 14 is preferably provided with two outlet openings 14a and 14b which act on two blade wheels 15 seated on the same turbine shaft. The nozzle, designated 29 in FIG. 7b, has three outlet openings 29a, 29b and 39c, which can thus serve to act on three blade wheels arranged on a turbine shaft.
FIG. 8 illustrates the method used to operate this device in connection with FIG. 1, the reference numbers already used in FIG. 1 being retained for the sake of clarity. Accordingly, the air sucked in via the line 7 and the inlet valve 6 is compressed in the cylinder 1 (FIG. I) and transferred into the combustion chamber 11 via the check valve 10. The fuel injected into the highly compressed air ignites automatically or with glow ignition, and the corresponding exhaust gases are then released into the turbine via the valve 13 and the nozzle 14
16 headed. On the one hand, the usable torque (output) is taken from the turbine shaft, while on the other hand, the compressor K is driven via the continuously variable transmission 18.
The exhaust gases emerging from the turbine are, as will be described later, passed through an evaporation unit in order to use the heat contained therein to generate torque.
The camshaft 9, which is directly coupled to the crankshaft 4 of the compressor K, controls both the suction of the air into the compression cylinder 1 and the discharge of the compressed air via the valve 10 into the combustion chamber 11 and the transfer of the exhaust gases emerging from the combustion chamber via the valve 13 into the nozzle 14. This control is schematically indicated by broken lines.
Both in the cylinder 1 of the compressor K and in the vicinity of the combustion chamber 11, in the housing of the turbine 16 and in the turbine exhaust port 30, there is considerable heating during operation of the device described, which is used within the scope of the inventive concept to further increase the usable torque becomes. As shown in FIG. 3, water is introduced at the inlet 3 1 of the cylinder jacket, heats up in the compressor K and then passes through a connecting line 32 into a coil 33 which is arranged in the exhaust pipe 30 of the turbine. From here, the already strongly heated water flows through the housing of the turbine 16 and from there through its overflow line 34 into the surroundings of the combustion chamber 11, in order to then be conducted in the form of hot steam through a line 35 to a turbine.
This latter turbine is not shown in the drawing and is preferably rigidly seated on the shaft 17 of the turbine 16 shown in FIG. 1, which is supplied with the exhaust gases of the combustion chamber 11. The utilization of the waste heat described allows the overall efficiency of the device to be improved considerably.
The device described with reference to the drawing represents only one embodiment of the subject matter of the invention and can be modified in many ways by a person skilled in the art. In the start-up phase of the device, in order to achieve the desired temperature which the self-ignition of the injected fuel is to bring about, the vehicle is initially driven for a short time without fuel injection. It would also be possible to install a preheating plug in the circumferential area of the combustion chamber 11, which is shown schematically in FIG. 1 and labeled 36 there.
Since the combustion does not take place in the piston chamber of the compressor, the device runs smoothly and knocking, which is particularly known from diesel engines, is switched off. From the point of view of economy, the compressor built with a large cylinder capacity in combination with the high compression and the combustion taking place outside the piston unit is of great advantage.
The ratio between the speed of the crankshaft 4 and the speed of the turbine 16 can be changed as desired via the continuously variable transmission 18 (FIG. 1), so that a good tightening capacity is obtained by choosing an optimal speed ratio.
Taking into account all the advantages of the unit described, an overall efficiency of at least 50% can be achieved.
The combustion could also take place in the upper piston space 37 and / or in the nozzle 14 or in the space between the piston space 37 and the nozzle 14 instead of in a combustion chamber.
According to the variant shown in FIG. 9, the air compressed in the compression space is supplied to the combustion chamber 11 via a line 38 and a valve 39. A gas line 40 opens into the combustion chamber 11, from which a combustible, pre-compressed gas is introduced into the combustion chamber by means of a controlled valve 41. The gas-air mixture is ignited by an ignition or glow ignition device 36. The high-pressure combustion gases also serve here, as in the previously described embodiments, to drive the turbine 16.
The greatest possible part of the heat of compression is removed by a cooling system 42 which surrounds the line 38, the water circulating in the cooling system heating up strongly, evaporating in contact with the combustion chamber 11 and then being fed to the blades of another turbine or used, for example, for space heating becomes.
The entire device is surrounded by a thermally insulated housing, the outflow line also preferably being thermally insulated.
A single-cylinder engine with heat utilization can be used on motorcycles.
The drive machine has two coaxial turbines arranged on the same shaft, one of which is operated with combustion gases, the other with steam. By alternately opening the valves acting on the turbines, the machine can run smoothly.