Viele
Erfinder auf diesem Gebiet haben den ersteren Ansatz unternommen,
d. h. einen stationären
Regenerator. Dies hat zu einer Anzahl von Ansätzen geführt, wie beispielsweise jene,
die zu finden sind im US-Patent 155087 von Hirsch, im US-Patent 2
239 922 von Martinka, im US-Patent 3 777 718 von Pattas, im US-Patent
3 871 179 von Bland, im US-Patent 3 923 011 von Pfefferle, im US-Patent
4 004 421 von Cowans, im US-Patent 4 074 533 von Stockton, im US-Patent
4 630 447 von Webber; in der SAE-Schrift 930063 von Ruiz, 1993,
und bei Charmichael (Chrjapin Master's Thesis, MIT, 1975). Alle diese Ansätze sehen
mindestens zwei Zylinder vor, wobei im allgemeinen im einen die
Kompression auftritt, und wobei in einem zweiten die Verbrennung
und die Expansion auftreten. In dem Flussdurchlass, der diese Zylinder
verbindet, oder in einem von diesen Zylindern ist ein stationäres permeables
bzw. durchlässiges
Material, welches den Regenerator bildet. Der Regenerator ist der
Wärmetauscher
mit abwechselndem Fluss. Die expandierten Verbrennungsgase werden
durch den Regenerator geleitet und übertragen thermische Energie
auf diesen. Während
des nächsten
Zyklus wird komprimierte Luft durch den Regenerator geleitet, wodurch
dieser Energie absorbiert wird. Somit wird Wärme von den heißen Abgasen
auf die komprimierte Luft übertragen,
das Wesen der thermischen Regeneration.
Unglücklicherweise
ist keiner dieser früheren Ansätze zur
Anwendung eines stationären
Regenerators, um einen regenerierten Verbrennungsmotor mit hin und
her laufenden Kolben zu erhalten, erfolgreich gewesen. Dies kommt
von einer Anzahl von Gründen,
die den früheren
Erfindern nicht offensichtlich gewesen sind, welche unter anderem
die schlechteren Berechnungsfähigkeiten
mit einschließen,
die ihnen allgemein verfügbar
gewesen sind, weiterhin die übermäßige Zeit,
die erforderlich ist, um solche Motoren ordnungsgemäß zu analysieren, oder
beides. Wir haben detaillierte Computermodelle von regenerierte
Motoren entwickelt, die neue Einsichten in die Prozesse bieten,
die auftreten, und die dem hier offenbarten verbesserten regenerierten
Motor bewerten.
Die
primäre
Schwierigkeit bei diesen früheren
Motorkonstruktionen mit stationärem
Regenerator ist, dass sie nicht die Fähigkeit haben, das Gas durch
den Regenerator zu den passenden Zeitpunkten während des Zyklus zu bewegen.
Dies kann in kritischer Weise wichtig sein und den ganzen Unterschied
zwischen einem Motor, der gerade läuft, und einem anderen ausmacht,
der eine hohe Brennstoffausnutzung und eine hohe Leistungsdichte
hat. In erster Linie ist das neuartige Merkmal dieser Erfindung,
dass sie die fast optimale Bewegung der Kolben erkennt und genau
beschreibt. Sie sieht auch Mittel vor, durch welche eine solche
Bewegung erreicht werden kann.
Bei
einer der am meisten versprechenden Konstruktionen von früheren regenerierten
Motoren ist ein einzelner Zylinder durch einen stationären Regenerator
in zwei Abschnitte aufgeteilt. Der Regenerator ist ein poröses Hochtemperatur-Material
in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser gleich der Zylinderbohrung.
Die Zylinderenden werden durch Kolben verschlossen, die durch Antriebsmechanismen
mit der Ausgangswelle verbunden sind. Das Volumen zwischen einem
Zylinder und den Regenerator wird als das kalte Volumen bezeichnet
und hat benachbarte Mittel für
den Austausch von Arbeitsströmungsmittel
innerhalb des kalten Volumens. Das Volumen zwischen dem Regenerator
und dem anderen Volumen wird als das heiße Volumen bezeichnet und hat
benachbarte Mittel zur Einspritzung von Brennstoff in das heiße Volumen.
Der Kolben in den heißen
Volumen wird als der heiße
Kol ben bezeichnet, und der Kolben in dem kalten Volumen wird als
der kalte Kolben bezeichnet.
Bei
Motoren mit stationärem
Regenerator wird das Arbeitsströmungsmittel
durch den Regenerator mittels der Wirkung der Kolben gedrückt. Die Motorleistung
ist sehr stark abhängig
von dem genauen Zeitplan der Kolbenbewegungen. Keiner der früheren Erfinder
von regenerierten Motoren hat einen Mechanismus vorgeschlagen, der
die erforderlichen Kolbenbewegungen liefern konnte. Ebenfalls hat
keiner der früheren
Erfinder die erforderlichen Kolbenbewegungen ausreichend detailliert
beschrieben, um zu gestatten, dass ein geeigneter Antriebsmechanismus
ausgewählte
oder entwickelt wird. Das US-Patent 3 777 718 von Pattas offenbart
beispielsweise eine herkömmliche
Anordnung aus Kurbelwelle und exzentrischen Mitteln als Kolbenantriebsmechanismus
zur Steuerung der Kolbenpositionen in dem Motor. Es ist bei einem
solchen Mechanismus nicht möglich,
eine sehr ungewöhnliche
oder nicht sinusförmige
Art der Bewegung vorzusehen, die für den regenerierten Zyklus
erforderlich ist. Ein viel flexiblerer Konstruktionsansatz ist für den Kolbenantriebsmechanismus
erforderlich, wie im folgenden besprochen wird.
Ein
solches beispielhaftes Ausführungsbeispiel
zur Steuerung der Kolbenbewegung ist ein Motor mit einer Trommelnocke,
bzw. mit einer Trommelnocke, die alternativ als axiale Nocke oder
Nockezylinder bezeichnet wird. Ein Motor mit gegenüberliegenden
Kolbennocken, der für
diesen Zweck nutzbar ist, wird offenbart im US-Patent 5 375 567
von Lowi, welches durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hier eingeschlossen
sei, wie wenn es offenbart worden wäre.
Zusätzlich dazu,
dass sie keine zufriedenstellende Kolbenbewegung liefern können oder
beschreiben können
haben viele der früheren
Konstruktionen nicht korrekte oder schlechter arbeitende Bewegungen
für die
Kolben beschrieben. Beispielsweise schlägt Pattas vor, dass, nachdem
die heißen Gase
auf der heißen
Seite expandiert haben, der heisse Kolben bewegt werden sollte,
so dass die heißen
Gase zurück
durch den Regenerator gedrückt werden.
Dann wird "wenn
das Arbeitsmedium sich in dem Zylinder des Abschnittes für kaltes
Gas aufbaut, der kalte Kolben aus dem Regenerator heraus bewegt,
um den Abschnitt für
kaltes Gas zu expandieren bzw. zu vergrößern". Unsere Analysen zeigen klar, dass
diese Art der Bewegung eine sehr schlechte Leistung zur Folge hat.
Es ist daher viel vorteilhafter, vollständig das Gas zu expandieren,
in dem man den kalten Kolben zu einer Position nahe seiner vollständig ausgefahrenen
Position bewegt, und der den Zylinder vor dem Einsatzhub des heißen Kolbens "herunterbläst". Der hier offenbarte
Motor vermeidet diesen Fehler indem er nahezu optimale Bewegungen
der Kolben liefert und einen Kolbenantriebsmechanismus vorsieht,
der diese Bewegungen ausführen
kann.
Schließlich hat
der hier offenbarten Motor eine inhärente Fähigkeit, eine größere Expansion
als eine Kompression vorzusehen, ein Prozess, der manchmal als "Miller-Zyklus" bezeichnet wird,
der allgemein bekannt ist als der vollständige Expansionszyklus (more-complete-expansion-cylce).
Dieses Merkmal kann stark die Brennstoffausnutzung und die Leistung
verbessern.
Zusammenfassung
der Erfindung
Diese
Erfindung ist ein hin und her laufender regenerierter Verbrennungsmotor,
der aus einer Anzahl von ähnlichen
Arbeitseinheiten aufgebaut ist, die oft als Zylinder bezeichnet
werden. Jede Arbeitseinheit besteht aus einem Zylinder, der an jedem
Ende durch einen bewegbaren Kolben geschlossen ist, der mit einer
Leistungausgangswelle verbunden ist. Mittel sind vorgesehen, um
den Fluss von Arbeitsströmungsmittel
in den Zylinder hinein und aus diesem herauszusteuern, um Brennstoff
in den Zylinder einzuspritzen. Ein Wärmetauscher mit hin und her
laufenden Fluss, der Regenerator genannt wird, ist innerhalb des
Zylinders zwischen den Kolben gelegen. Die Kolben werden derart
bewegt, und andere Mittel sind derart vorgesehen, dass die folgenden
Vorgänge
auftreten werden: (1) Kompression des Arbeitsströmungsmittels, (2) regenerative
Aufheizung des Arbeitsströmungsmittels,
(3) Verbrennung innerhalb des aufgeheizten Arbeitsströmungsmittels,
(4) Expansion des Arbeitsströmungsmittels,
(5) regenerative Abkühlung
des Arbeitsströmungsmittels
und (6) Austausch eines Teils des Arbeitsströmungsmittels. Diese Vorgänge treten
in sequenzieller Weise mit einem gewissen Grad an Überlappung
auf. Das primäre
und einzigartigste Merkmal dieser Erfindung ist, dass diese Prozesse
in geeigneter Weise und mit geeigneter Zeitsteuerung auftreten,
so dass sie eine optimale Leistung und eine optimale Brennstoffausnutzung
bieten.
Ein
Ausführungsbeispiel
diese Erfindung verwendet eine Trommelnocke bzw. laufen Laufnockenbahnmittel,
durch welche die Kolben in der ungewöhnlichen Weise bewegt werden
können,
die für den
thermodynamischen Zyklus dieses Motors erforderlich ist.
Ziel der Erfindung
Das
primäre
Ziel der Erfindung ist es, einen regenerierten Verbrennungsmotor
mit hohem Wirkungsgrad vorzusehen.
Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen Motor mit einem sehr
hohen effektiven mittleren Bremsdruck vorzusehen.
Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, die starken Vorteile auszunutzen,
die durch die Regeneration eines Otto- oder Diesel-Motors erhalten
werden.
Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, den hohen Freiheitsgrad bei
der Kolbenbewegung auszunutzen, der mit einer Trommelnocke zu erreichen
ist, wodurch die besonders unkonventionelle Kolbenbewegung erreicht
wird, die für
den regenerierten Motor erforderlich ist.
Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen regenerierten Motor
vorzusehen, der einen stationären
Regenerator einsetzt, bei dem die Kolbenbewegungen ausgelegt sind,
um eine gute Leistung zu liefern.
Weitere
Ziele, Vorteile und neuartige Merkmale werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich, wenn diese in
Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen gesehen wird.
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
1 ist eine schematische
Darstellung eines Querschnittes eines einzelnen Zylinders eines ersten
veranschaulichenden Ausführungsbeispiels der
Erfindung;
2 bildet eine Betriebsabfolge
für das Ausführungsbeispiel
der 1 ab;
3 ist eine schematische
Darstellung eines Querschnittes eines einzelnen Zylinders eines zweiten
veranschaulichenden Ausführungsbeispiels der
Erfindung;
4 bildet eine Betriebsabfolge
für das Ausführungsbeispiel
der 3 ab;
5 ist ein Längsschnitt
von einem Ausführungsbeispiel
der Motoranordnung der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Perspektivansicht
einer Nockenanordnung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann; und
7 ist ein ebenes schematisches
Diagramm, welches die Hin- und Herbewegung der Kolben veranschaulicht,
die von der Nockenanordnung vorgesehen wird, die bei der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann.
Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
Diese
Erfindung ist ein hin und her laufender regenerierter Verbrennungsmotor
bzw. regenerierter Kolbenmotor, der einen stationären Regenerator
einsetzt. Dieser Motor kann mit einem herkömmlichen Gasaustauschzyklus
arbeiten, der die Prozesse des Gasaustausches, der Kompression,
der regenerativen Aufheizung, der Expansion und der regenerativen
Kühlung
auf weist. Dieser Motor kann auch mit einem verbesserten Gasaustauschzyklus
arbeiten, der die gleichen Prozesse ausführt, wobei der Gasaustauschprozess
getrennte Einlass- und Auslassprozesse verwendet.
Das
Arbeitsströmungsmittel,
welches zur Anwendung bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
dieses Motors vorgesehen ist, ist Luft; jedoch kann irgend eine
Mischung von Gasen und Flüssigkeiten
verwendet werden, die eine exotherme chemische Reaktion mit dem
Brennstoff ausführen
kann. Der Brennstoff kann irgendein fester, flüssiger (beispielsweise Diesel-Brennstoff oder Benzin)
oder gasförmigen
Brennstoff sein (beispielsweise Erdgas oder Propan), der mit dem
Arbeitsströmungsmittel
reagieren kann.
1 veranschaulicht ein erstes
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung, welches einen einzelnen Zylinder 10 dieses
Motors aufweist, welcher einen Gasaustauschprozess verwendet, während dem sehr
wenig Bewegung des kalten Kolbens auftritt. Der Zylinder 10 ist
an beiden Enden durchgegenüberliegende
Kolben 12 und 14 geschlossen. Der erste, kalte
Kolben 12 ist mit einer Leistungausgangswelle 16 durch
eine Kolbenstange 18 und einen geeigneten Antriebsmechanismus
verbunden, um die lineare Bewegung des kalten Kolbens 12 in
die Drehbewegung der Leistungsausgangswelle 16 umzuwandeln.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
besteht der Antriebsmechanismus aus der Kolbenstangenrollenanordnung,
die Rollenfolgemittel 20 aufweist, und aus der Trommelnocke 22 die
Rollenfolgemittel 20 sind rollende Mittel (beispielsweise
ein Rad) welche entlang der Außenfläche oder
Felge der Trommelnocke 22 rollen. Diese Felge der Trommelnocke 22 variiert
ihre axiale Position entlang des Umlaufes der Trommelnocke 22,
wodurch eine variierende Positionierung des Kolbens 12 vorgesehen
wird. Andere Wege, die dem Fachmann bekannt sind, könnten ebenfalls
verwendet werden, um die lineare Bewegung des Kolbens 12 in
die Drehbewegung der Welle 16 umzuwandeln, und diese Variationen
des Antriebsmechanismus werden in dem allgemeinen Konzept der Erfindung
miteingeschlossen.
Der
zweite, heiße
Kolben 14 ist mit der Leistungsausgangswelle 16 mittels einer
anderen Kolbenstange 24 verbunden, und ein gleicher Antriebsmechanismus
zur Umwandlung der linearen Bewegung des heißen Kolbens 14 in
die Drehbewegung der Leistung Ausgangswelle ist vorgesehen. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel
besteht dieser Antriebsmechanismus aus der Kolbenstangenrollenanordnung 21 und
der Trommelnocke 26.
Es
sollte auch offensichtlich sein, dass der Antriebsmechanismus für die heißen um kalten
Kolben nicht der Gleiche sein muss. Beispielsweise kann eine Trommelnocke
für einen
Kolben eingesetzt werden, und ein alternativer Antriebsmechanismus kann
für den
anderen eingesetzt werden. Der Unterschied bei den Bewegungen und
Belastungen für
die heißen
und kalten Kolben macht einen solchen Ansatz wünschenswert.
Der
Zylinder wird durch den Regenerator 28 in zwei Teile aufgeteilt.
Der Regenerator ist ein poröses
Material, welches so in dem Zylinder angeordnet ist, dass irgend
ein Arbeitsströmungsmittel,
welches von einer Seite des Regenerators zur anderen Seite des Regenerators
läuft,
durch den Regenerator laufen muss. Das veränderbar bemessene Volumen zwischen
dem kalten Kolben 12 und dem Regenerator 28 wird
als das kalte Volumen 30 bezeichnet. Das veränderbar
bemessene Volumen zwischen dem Regenerator 28 und dem heißen Kolbens 14 wird
als das heiße
Volumen 32 bezeichnet. Der Teil des Zylinders um das kalte
Volumen 30 herum wird als der kalte Zylinder 34 bezeichnet,
und der Teil des Zylinders um das heiße Volumen herum wird als der
heiße
Zylinder 36 bezeichnet.
Mittel
zum Einfluss und Ausfluss des Arbeitsströmungsmittels sind durch einen
oder mehrere Einlassanschlüsse 38 bzw.
Auslassanschlüsse 40 vorgesehen.
In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 1 kann ein Auslassanschluss 40 durch
ein Hülsenventil 42 geöffnet und
geschlossen werden. Wie unten besprochen wird, kann bei einigen
Ausführungsbeispielen
in der Auslassanschluss 42 geöffnet und geschlossen werden,
in dem er durch den kalten Kolben 12 verdeckt und freigelegt
wird. Der Einlassanschluss 38 wird dadurch geöffnet und
geschlossen, in dem er von dem kalten Kolben 12 verdeckt und
freigelegt wird, oder durch Anschlüsse in dem Hülsenventil
oder durch beides. Der Einlassanschluss 38 ist mit einer
Quelle für
frisches Arbeitsströmungsmittel
verbunden und kann durch einen Turbolader, einen Superlader oder
Kompressionsmittel in Kurbelgehäuse
unter Druck gesetzt werden, die üblicherweise
bei kleineren Zwei-Takt-Motoren angewandt werden. Andere Ventilmittel,
um die ordnungsgemäß zeitgesteuerte
Einleitung von frischen Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder
zu gestatten, und um die Entfernung der Abgase zu gestatten, wie beispielsweise
Sitzventile, Drehventile, Schieberventile, Butterfly-Ventile bzw.
Klappenventile, Hülsenventile
oder Kugelventile können
auch verwendet werden. Diese Ventilmechanismen werden mit dem kalten
Volumen 30 durch die Zylinderwand oder den Kolben in Verbindung
stehen. Hülsenventile,
die außerhalb
der Zylinderwand gelegen sind, und Hülsenventile die sich drehen,
sich hin und her bewegen oder beides, können ebenfalls angewandt werden.
Konstruktionen
mit Anschlüssen
bzw. Kanälen,
bei denen statische Kanäle
vollständig
durch den kalten Kolben gesteuert werden, sind ebenfalls möglich. Ein
solches Beispiel ist im allgemeinen in der Technik der Zwei-Takt-Motoren als "Schleifenspülung" bekannt. Eine solche
Kanalanordnung kann äußere Ventile
entweder am Einlasskopf oder am Auslasskopf oder an beiden Köpfen einsetzen,
um weiter die Zeitsteuerung des Flusses zu optimieren. Beispielsweise
können
automatischen Einweg-Membranventile in der Einlassleitung vorgesehen
werden, um zu gestatten, dass ein Fluss durchläuft, wenn der Einlassanschluss
offen ist, und zwar nur wenn der Einlassdruck den Zylinderdruck überschreitet,
wodurch ein Rückfluss
des Abgases verhindert wird. Ein weiteres Beispiel ist in der Technik
als MAN-Spülung bekannt,
bei dem der Auslassanschluss größer ist
als der Einlassanschluss, so dass er durch den Kolben in seinem
Auslasshub früher
geöffnet
wird, um zu gestatten, dass das Abgas durch die Auslasssammelleitung
ausbläst,
bevor das Einlasssystem den Zylinderdrücken ausgesetzt ist. Um dann
einen übermäßigen Spülluftfluss
zu verhindern und eine Überladung des
Zylinders zu gestatten, wird der Auslassanschluss geschlossen, bevor
der Kolben ankommt, um ihn zu schließen, und zwar durch ein außeres mechanisch
betä tigtes
Ventil, wie beispielsweise ein Butterfly- bzw. Klappenventil oder
ein Drehventil. Da schließlich
die axialen Kräfte,
die auf den Zylinder wirken, klein sind, ist es möglich, den
Zylinder in dem kalten Volumen zu "unterbrechen" so dass er auseinander gezogen werden
kann, falls erwünscht,
um eine Öffnung
für den
Austausch von Gasen vorzusehen.
Der
heiße
Zylinder 14 hat Mittel zur Einleitung von Brennstoff dort
hinein, wie beispielsweise eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen 44,
die darauf montiert sind, um fein verteilten Brennstoff in das heiße Volumen 32 zu
dem geeigneten Zeitpunkten während
des Motorzyklus einzuleiten. Das heiße Volumen 32 des
beispielhaften Ausführungsbeispiels
wird typischerweise viel heißer
sein als bei einem herkömmlichen
Diesel- oder Benzinmotor. Wegen diesen hohen Temperaturen und den
daraus folgenden Wärmeverlusten
kann es vorteilhaft sein, eine thermische Barriere auf der Stirnseite
des Kolbens 14, auf den Wänden des heißen Zylinders 36 oder
auf beiden aufzubringen. Diese thermischen Barrieren können aus
Beschichtungen, Plattierungen, Flächenelementen oder anderen
Strukturen bestehen, die aus Materialien gemacht sind, die hohen Temperaturen
widerstehen können,
und die eine niedrige thermische Leitfähigkeit haben. Keramiken, wie
beispielsweise Zirkonoxid sind Beispiele von Materialien für thermische
Barrieren, die verwendet werden können. Der heiße Kolben
und der heiße
Zylinder können
auch gekühlt
werden.
Der
Zylinder muss keinen konstanten Querschnitt haben. Das heißt, der
Innendurchmesser des heißen
Zylinders 36 muss nicht der gleiche sein wie der Innendurchmesser
des kalten Zylinders 34. Auch werden typischerweise die
Hügel der
zwei Kolben 12 und 14 nicht die Gleichen sein.
Schließlich
ist es nicht einmal notwendig, dass die Achsen der zylindrischen heißen und
kalten Volumen axial ausgerichtet sind. Das heißt, der Zylinder kann bei der
Stelle des Regenerators gebogen sein, so dass er nun aus zwei nicht axial
ausgerichteten Zylindern besteht, die an ihren Enden verbunden sind,
wobei dieser Verbindungsabschnitt einen Regenerator enthält. Schließlich ist
es nicht nötig,
dass der Regenerator präzise
scheibenförmig
ist. Der Regenera tor könnte
in einer Richtung gebogen sein, das heißt, er könnte eine konvexe/konkave Form
haben, oder er könnte
eine konische Form oder eine andere Form haben. Jedoch ist es vorzuziehen,
dass die Oberfläche
der Kolbenstirnseiten zu der nächsten
Stirnseite des Regenerators passt, so dass an der innersten Position
des Kolbens das Volumen zwischen dem Regenerator und dem Kolben
minimiert wird.
2A bis 2H stellen die Abfolge von Prozessen
dar, die den herkömmlichen
Gasaustauschzyklus dieses Motors bilden. Diese Figuren basieren auf
der in 1 veranschaulichten
den Motorkonstruktion. Die Hülse
ist in den Skizzen diese 2A bis
zwei H nicht gezeigt, und die Anschlüsse sind nur gezeigt, wenn
sie offen sind oder wenn auf sie Bezug genommen wird. Jedoch wird
der Fachmann erkennen, wie die Hülse
verwendet wird, um die Anschlüsse
bzw. Kanäle
zu öffnen
und zu schließen.
Andere Konstruktionsansätze,
wie beispielsweise Zylinder mit unterschiedlichen Durchmesser, die
die heißen und
kalten Volumen 30 und 32 umgeben, oder andere
Ansätze
für Ventile
können
verwendet werden, ohne diese grundlegenden Prozesse zu verändern oder
von dem erfindungsgemäßen Konzept
abzuweichen. In Wirklichkeit wird es aufgrund von mechanischen Einschränkungen
typischerweise eine gewisse Überlappung
bei diesen Prozessen geben. In der folgenden Besprechung dieser
Figur bezieht sich der Ausdruck einerseits auf eine Bewegung zum
Regenerator hin, während
der Ausdruck auswärts
sich auf eine Bewegung weg vom Regenerator bezieht.
2 stellt die Motorkonfiguration
zum Beginn des Kompressionshubes dar. Der kalte Kolben 12 hat
gerade begonnen, sich zum Regenerator 28 hin zu bewegen.
Der Einlassanschluss 38 ist gerade geschlossen worden,
in dem er mit dem Kolben mit der Hülse oder mit beiden verdeckt
wurde, und der Auslassanschluss 40 ist gerade durch die
Hülse geschlossen
worden. Die exakte und optimale Zeitsteuerung und die Reihenfolge
des Schliessens dieser Anschlüsse
hängt von
den Einlass- und Auslasssammelleitungsdrücken und von anderen Faktoren
ab. Der heiße
Kolben 14 ist nahe an Regenerator 28. An seiner
nächsten
Position zum Regenerator 28 gibt es nur ei nen kleinen Spalt,
wie es notwendig für
die Toleranzvariationen bei den Motorkomponenten ist, der den heißen Kolben
14 vom Regenerator 28 trennt.
In 2B hat sich der kalte Kolben 12 zu
einer Position nahe am Regenerator 28 bewegt, während der
heiße
Kolben 14 nahezu stationär auf, oder nahe seiner nächsten Position
zum Regenerator 28 geblieben ist. Dies ist der Zeitpunkt
der maximalen Kompression des Gases im Zylinder. Die Position des
kalten Kolbens 12 zu diesem Zeitpunkt der maximalen Kompression
kann die Grenze seines Weges nach innen sein (d. h. seine minimale
Trennung vom Regenerator 28), oder kann abhängig von
dem erwünschten
Kompressionsverhältnis
von dieser Position geringfügig
auswärts
liegen.
Zwischen
den 2B und 2C setzt der kalte Kolben 12 seine
Bewegung nach innen fort, wenn er nicht schon an seiner nächsten Distanz
zum Regenerator 28 ist, und der heiße Kolben 14 beginnt,
sich vom Regenerator 28 weg zu bewegen. Dies drückt auf
das komprimierte Arbeitsströmungsmittel,
so dass es durch den Regenerator 28 läuft, und zwar vom kalten Volumen 30 zum
heißen
Volumen 32, und dass es Energie von den heißen inneren
Oberflächen des
Regenerators 28 absorbiert. Dies wird als der regenerativen
Aufheizungsprozess bezeichnet. Während
dieses regenerative Aufheizungsprozesses beginnt die Brennstoffeinspritzung
in das heiße
Volumen 32. In 2C hat
der kalte Kolben 12 seine nächste Position am Regenerator 28 erreicht,
und zwar mit nur einen kleinem Spalt, wie es für die Toleranzveränderungen
bei den Motorkomponenten nötig
ist, der diesen vom Regenerator 28 trennt.
Der
kalte Kolben 12 bleibt dann nahezu stationär, und der
heiße
Kolben 14 setzt seine Bewegung weg vom Regenerator 28 fort,
wobei das heiße Volumen 32 ausgedehnt
wird, wie von 2C zu 2D und dann zu 2E gezeigt. Manchmal bewirkt
die sehr heiße
Temperatur des Arbeitsströmungsmittels
in dem heißen
Volumen 32, dass der Brennstoff zündet, und zwar kurz nachdem
die Brennstoffeinspritzung beginnt (2D).
Wenn der Brennstoff verbraucht ist, bewegt sich der heiße Kolben 14 nach
außen
zu seiner maxima len Entfernung vom Regenerator 28. Dies
ist der Expansionshub der heißen
Seite oder der Leistungshub des heißen Kolbens. Das Ende dieser Expansion
der heißen
Seite ist in 2E abgebildet.
Der
nächste
Schritt stellt einen der Vorteile der vorliegenden Erfindung heraus.
Bei anderen regenerierten Motoren (beispielsweise bei Pattas) wird der
heiße
Kolben zum Regenerator hin bewegt, während gleichzeitig der kalte
Kolben weg vom Regenerator bewegt wird. Unsere Analysen zeigen,
dass dieser Ansatz nicht die Brennstoffausnutzung des Motors maximiert.
Es ist vorzuziehen, vollständiger
das Arbeitsströmungsmittel
zu expandieren, indem man den heißen Kolbens 14 nahezu
stationär
an seiner äußersten
Position hält
und dem kalten Kolben 12 zu seiner äußersten Position bewegt, wie
es zwischen 2E und 2F gezeigt ist. Jedoch hängt die
vorliegende Erfindung nicht insbesondere nur von diesem Expansionsprozess
des heißen
und dann des kalten Kolbens ab, weil es manche Anwendungen oder
Motorbetriebszustände
geben kann (beispielsweise sehr leicht belastete Motoren), bei denen
ein Expansionsprozess mit gleichzeitiger Kolbenbewegung bevorzugt
sein wird.
Der
Grund dafür,
dass man den zuvor erwähnten
Ansatz der vollständigen
Expansion des Arbeitsströmungsmittel
bei gewissen Anwendungen des beispielhaften Ausführungsbeispiels verwendet, wird
aus dem folgenden klarwerden. Nach der Expansion der heißen Seite
(2E) gibt es immer noch
einen beträchtlichen
Druck im Zylinder. Wenn der heiße
Kolben 14 nun nach innen bewegt wird (zum Regenerator hin),
während
der kalte Kolben 12 sich nach außen (weg vom Regenerator) bewegt, dann
wird der heiße
Kolben 14 Arbeit von der Welle abnehmen, während der
kalte Kolben 12 diese hinzuführt. Wenn jedoch der kalte
Kolben 12 sich bewegt, wird zuerst Arbeit aus dem Arbeitsströmungsmittel herausgezogen
und dann auf die Welle übertragen. Wenn
der kalte Kolben 12 sich seiner äußersten Position (2F) nähert, öffnet sich das Auslassventil 40 und
es tritt ein Vorbeiblasen (von Gasen) auf. Nachdem der Druck in
dem Zylinder durch die Expansion der kalten Seite und das Vorbeiblasen
reduziert worden ist, wird der heiße Kol ben 14 zum Regenerator 28 hin
bewegt. Da der Druck nun viel niedriger ist, ist die Motorarbeit
kleiner, die erforderlich ist, um den heißen Kolben 14 nach
innen zu bewegen. Somit wird mehr Netto-Arbeit herausgezogen. Diese Abfolge
von Prozessen sieht auch das vor, welches üblicherweise als "Miller-Zyklus" bezeichnet wird,
wodurch das Arbeitsströmungsmittel
eine Expansion ausführt,
die größer als
die Kompression ist, was weiter die Leistung verbessert.
2F zeigt die Auslassanschlüsse bzw. Auslasskanäle 40,
die geöffnet
sind, wenn der kalte Kolben 12 sich seiner äußeren Position
nähert.
Dieses hat das Vorbeiblasen der Zylindergase zur Folge. Während der
Expansion im kalten Volumen 30 und während des Vorbeiblasens muss
läuft ein
Teil des Arbeitsströmungsmittels
aus dem heißen
Volumen 32 in das kalte Volumen 30, wobei es durch
den Regenerator 28 läuft.
Wenn es hindurchläuft, überträgt das Gas
thermische Energie auf den Regenerator 28. Dies wird als
der erste Teil des regenerativen Kühlungsprozesses bezeichnet.
Diese Bewegung des kalten Kolbens 12, die zwischen den 2E und 2F abgebildet wird, wird auch als Expansion
der kalten Seite bezeichnet.
Zwischen
den Positionen, die in den 2F und 2G abgebildet sind, bewegt
sich der Kolben 14 von seiner äußeren Position zu seiner innersten
Position benachbart zum Regenerator 28. Diese Bewegung
hat einen zusätzlichen
Massenfluss durch den Regenerator 28 und eine Wärmeübertragung
auf diesen zur Folge, und dieser heiße Kolbenhub wird als der zweite
Teil des regenerativen Kühlungsprozesses
bezeichnet. Bevor der Kolben 14 diesem Hub ausführt oder
während
er dieses tut werden die Einlassanschlüsse 38 geöffnet, und
eine Spülung
beginnt. Während
der Spülung
wird ein Teil des Arbeitsströmungsmittels
aus den Auslassanschlüssen 40 herausgedrückt und
wird durch frisches Arbeitsströmungsmittel
vom Einlassanschluss 38 ersetzt.
Es
kann auch vorteilhaft sein, einen Überladungsprozess nach der
Beendigung der Spülung
zu verwenden. Dieser Prozess ist in 2H gezeigt, wo bei
der Auslassanschluss bzw. Auslasskanal 40 geschlossen ist,
und wobei der Zylinder dadurch vom Einlassanschluss unter Druck
gesetzt wird, bevor die Einlassanschlüsse 38 geschlossen
werden. Alternativ kann es zufriedenstellend oder wünschenswert sein,
sowohl den Einlassanschluss 38 als auch den Auslassanschluss 40 eher
simultan zu schließen.
Ob dies vorteilhaft ist, hängt
von den relativen Drücken
in den Einlass- und Auslasssammelleitungen ab, weiter von den Zeitsteuerriemenmöglichkeiten
der Ventile oder Hülsen
und von anderen Faktoren. Wenn der Einlasssammelleitungsdruck viel
höher ist
als der Auslasssammelleitungsdruck wird es allgemein vorteilhaft
sein, dem Zylinder zu überladen.
Egal
ob der Zylinder überladen
ist oder nicht, werden beide Anschlüsse nahe dem Beginn des Einwärtshubes
des kalten Kolbens geschlossen (beim Kompressionshub). Somit haben
wir den Zyklus vollendet und sind zu 2A zurückgekehrt.
3 ist eine schematische
Zeichnung des Zylinders eines zweiten veranschaulichenden Ausführungsbeispiels
des regenerierten in Motors der vorliegenden Erfindung. Diese Zeichnung
ist nicht so detailliert wie jene der 1,
wobei die einzigen wesentlichen Unterschiede gegenüber 1 folgende sind: (1) dieser
Motor hatte die Einlassanschlüsse 138 benachbart
zu den Auslassanschlüssen 140 und nahe
den Regenerator 128 angeordnet, (2) eines oder mehrere
Einlasssitzventile 152 werden verwendet, um das Öffnen und
Schließen
von einem oder mehreren Einlassanschlüssen zu steuern und (3) ein oder
mehrere Auslasssitzventile 154 werden verwendet, um das Öffnen und
das Schließen
von dem einen Auslassanschluss oder von mehreren Auslassanschlüssen zu
steuern. Diese Einlass- und Auslassdurchlässe und die assoziierten Ventile
könnten
auch Anschlüsse
sein, die von einem Hülsenventile
betätigt
werden, oder von anderen Mitteln, die üblicherweise eingesetzt werden,
um den Fluss durch die Durchlässe
zu steuern. Einer oder mehrere Anschlüsse mit Abdeckungsventilen
können
für jeden der
Auslass- und Einlassdurchlässe
verwendet werden. Da schließlich
die axialen Kräfte,
die auf den Zylinder wirken, klein sind, ist es auch mög lich, den
Zylinder in dem kalten Volumen "aufzubrechen", so dass er auseinandergezogen
werden kann, falls erwünscht,
um eine Öffnung
für den
Austausch von Gasen vorzusehen.
Der
Antriebsmechanismus für
dieses Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 3 nicht
gezeigt, er kann jedoch ähnlich
oder identisch sein wie in 1.
Der einzige Unterschied wäre
die Form der Oberfläche
der Trommelnocke, welche ein Detail ist, das in keiner Zeichnung
gezeigt ist.
4A bis 4I bilden den Betrieb dieses Motors in
einem Betriebszustand mit verbesserten Gasaustausch ab. In diesem
Ausführungsbeispiel
bewegt sich der kalte Kolben, wie es im folgenden beschrieben wird,
insbesondere und in erster Linie zum Zwecke des Herausdrückens von
Gasen aus den Auslassanschlüssen
und zum Einziehen von Gasen durch die Einlassanschlüsse. Der
hauptsächliche Unterschied
zwischen dem Betrieb des Motors während des herkömmlichen
Gasaustauschzyklus und dem verbesserten Gasaustauschzyklus ist das
zusätzliche
Vorsehen von zwei zusätzlichen
Hüben des kalten
Kolbens während
des verbesserten Gasaustauschzyklus, um einen verbesserten Gasaustausch in
dem kalten Volumen zu erleichtern. Somit sind die Betriebsschritte,
die in den 4A bis 4F abgebildet wurden, im
allgemeinen die gleichen wie jene, die in den 2A bis 2F abgebildet
sind.
In
dem beispielhaften Ausführungsbeispiel, welches
in den 4A bis 4I abgebildet ist, wird die Zylinderkonfiguration
der 3 verwendet, wobei
die Anschlüsse
durch Sitzventile geöffnet
und geschlossen werden. Zur Vereinfachung sind die Ventile in den 4A bis 4I nicht dargestellt. Wenn ein Anschluss
bzw. Kanal geöffnet
wird, ist er als eine Öffnung
in der Zylinderwand gezeigt. Wenn der Anschluss geschlossen ist,
ist er nicht gezeigt. Es sei bemerkt, dass der verbesserte Gasaustauschzyklus, der
in den 4A bis 4I abgebildet wird, auch
mit einer Motorstruktur eingesetzt bzw. betrieben werden kann, die
ein Hülsenventil
einsetzt, um die Einlass- und Auslassanschlüsse zu öffnen und zu schließen. Weiterhin
kann der her kömmlichen
Gasaustauschzyklus, der in den 2A bis 2N abgebildet ist, mit der Motorstruktur
der 3 genauso wie mit
jener der 1 betrieben
werden.
Andere
Konstruktionsansätze,
wie beispielsweise Zylinder mit unterschiedlichen Durchmesser, die
das heiße
Volumen 132 und das kalte Volumen 130 umgeben,
oder Ansätze
mit anderen Ventilanordnungen können
verwendet werden, ohne diese grundlegenden Prozesse zu verändern oder
von dem erfindungsgemäßen Konzepte
abzuweichen. Tatsächlich
wird es aufgrund von mechanischen Einschränkungen typischerweise eine
gewisse Überlappung
bei diesen Prozessen geben, die in den 4-4I dargestellt werden.
Die 4A bis 4F bilden Motorkonfigurationen ähnlich jenen
ab, die in den 2A bis 2F dargestellt sind. 4A stellt die Motorkonfigurationen zum
Beginn des Kompressionshubes dar. 4B bildet
den kalten Kolben 112 nahe am Regenerator 128 ab,
während
der heiße
Kolben 114 nahezu stationär an seiner nächsten Position
zum Regenerator 128 geblieben ist oder sehr nahe an dieser
Position geblieben ist. Wie bei der 2B ist
dies der Zeitpunkt der maximalen Gaskompression im Zylinder. Zwischen
den 4B und 4C setzt der kalte Kolben 112 seine
Bewegung nach innen fort, und der heiße Kolben 114 beginnt,
sich weg vom Regenerator 128 zu bewegen. Wie bei den 2B und 2C wird dies als der regenerative Aufheizungsprozess
bezeichnet.
Der
kalte Kolben 112 bleibt dann nahezu stationär, und der
heiße
Kolben 114 setzt seine Bewegung weg vom Regenerator 128 fort,
wobei er das heiße
Volumen 132 expandiert, wie in 4C bis 4D und
dann bei 4E gezeigt.
Manchmal bewirkt kurz nachdem die Brennstoffeinspritzung beginnt (4D) die sehr hohe Temperatur
des Arbeitsströmungsmittels
in dem heißen
Volumen 132, dass der Brennstoff zündet, was eine Expansion der
heißen Seite
oder den Leistungshub des heißen
Kolbens zur Folge hat. Das Ende dieser Expansion der heißen Seite
ist in 4E abgebildet.
Wie
in den 2E und 2F bilden die 4E und 4F ab, wie der heiße Kolben 114 nahezu
stationär
an seiner äußersten
Position gehalten wird, und der kalte Kolben 112 zu seiner äußersten
Position bewegt wird. Wiederum hängt
die vorliegende Erfindung nicht insbesondere von diesem speziellen
Prozess der Expansion des heißen
und dann des kalten Kolbens ab, da es manche Anwendungen oder Motorbetriebszustände geben
kann (beispielsweise sehr leicht belastete Motoren), bei denen der
Expansionsprozess mit simultaner Kolbenbewegung bevorzugt sein wird.
Wie 2F zeigt 4F die Auslassanschlüsse 140, die durch
ihre Sitzventile geöffnet
werden, wenn sich der kalte Kolben 112 seiner äußersten
Position nähert.
Dies hat das Vorbeiblasen von Zylindergasen zur Folge. Während der
Expansion in dem kalten Volumen 130 und während des
Vorbeiblasens läuft
ein Teil des Arbeitsströmungsmittel
ist von dem heißen
Volumen 132 zum kalten Volumen 130, wobei es durch den
Regenerator 128 läuft.
Wenn es durch ihn hindurchläuft, überträgt das Gas
thermische Energie auf den Regenerator 128. Dies wird als der
erste Teil des regenerativen Kühlungsprozesses bezeichnet.
Diese Bewegung des kalten Kolbens 112, die zwischen den 4E und 4F abgebildet ist, wird auch als die
Expansion der kalten Seite bezeichnet.
Zwischen
den Positionen, die in den 4F und 4G abgebildet sind, bewegt
sich der heiße
Kolben 114 von der Nähe
seiner äußersten
Position zur Nähe
seiner innersten Position benachbart zum Regenerator 128.
Diese Bewegung hat einen zusätzlichen
Massenfluss durch den Regenerator 128 und eine Wärmeübertragung
auf diesen zur Folge. Dieser Hub des heißen Kolbens wird als der zweite
Teil des regenerativen Kühlungsprozesses
bezeichnet. Während
dieses Hubes des heißen
Kolbens kann der kalte Kolben 112 nahezu stationär in der
Nähe seiner äußersten
Position bleiben. Alternativ kann der kalte Kolben 112 seine
Bewegung nach innen zum Regenerator 128 hin beginnen. Die
Einwärtsbewegung von
jedem der Kolben drückt
Abgase aus dem Auslassanschluss 140.
Der
nächste
Schritt (4G bis 4N) weist den Auslasshub
auf. Der kalte Kolben 112 bewegt sich aus der Nähe seiner äußersten
Position zu einer Position näher
an Regenerator 128. Der heiße Kolben 114 hat
sich schon zu seiner innersten Position bewegt, oder er vollendet
sonst seine Bewegung während
des Auslasshubes des kalten Kolbens. Es ist wichtig, dass der heiße Kolben 114 sehr
nahe am Regenerator an dem Ende des Auslasshubes des kalten Kolbens
ist, um so viel von den Abgasen aus dem heißen Volumen wie möglich herauszubringen. Wenn
alternativ das Zurückhalten
von zusätzlichem Abgas
erwünscht
ist (beispielsweise um NOX zu minimieren)
dann muss der heiße
Kolben 114 nicht an seiner innersten Position sein.
Während des
Auslasshubes des kalten Kolbens bleiben der Auslassanschluss oder
die Auslassanschlüsse 140 offen.
In diesem Ausführungsbeispiel
erfordert dies, dass die Auslasssitzventile offen bleiben. Die Einlassanschlüsse werden
geschlossen. Abgase werden somit aus dem Zylinder herausgedrückt. Es
ist wichtig zu erkennen, dass dieser Auslasshub des kalten Kolbens 112 nicht
ein voller Hub sein muss, d. h., der kalte Kolben muss sich nicht vollständig zu
seiner innersten Position bewegen. Der Trommelnockenantriebsmechanismus
von diesem Ausführungsbeispiel
bietet die Möglichkeit,
dass dieser Auslasshub des kalten Kolbens 112 kürzer ist als
sein vorheriger Hub, der Kompressionshub der 4A bis 4B.
Somit muss der kalte Kolben 112 nicht so weit laufen, dass
er auf die sich nach innen öffnenden
Sitzventile trifft, die die Einlass- und Auslassanschlüsse 138 und 140 steuern.
Wenn
der kalte Kolben 112 sich schließlich dem Ende seines Auslasshubes
nähert,
beginnen die Einlasssitzventile, die Einlassanschlüsse 138 zu öffnen, und
die Auslasssitzventile beginnen, die Auslassanschlüsse 140 zu
schließen.
Ein gewisser Grad an Überlappung
bei diesen Vorgängen
ist im allgemeinen wünschenswert
oder unvermeidbar. Dann bewegt sich der kalte Kolben 112 nach
außen
von der innersten Position seines Auslasshubes, wie in den 4H bis 4I gezeigt. Dieser Hub des kalten Kolbens wird
als der Einlasshub bezeichnet. Vor diesem Einlasshub oder früh in diesem
Einlasshub vollenden die Auslassventile den Verschlussvorgang der
Auslassanschlüsse 140,
und die Einlassventile vollenden ihren Öffnungsvorgang der Einlassanschlüsse 138. Der
heiße
Kolben 114 bleibt über
den gesamten Einlasshub nahe seiner innersten Position. Wenn der kalte
Kolben 112 diesen Einlasshub ausführt, wird frisches Arbeitsströmungsmittel
in dem Zylinder durch den offenen Einlassanschluss 138 gezogen.
Schließlich
schließen
die Einlassventile nahe dem Zeitpunkt, zu dem der kalte Kolben 112 diesen
Einlasshub vollendet, die Einlassanschlüsse 138, und der Kompressionshub
beginnt. Dies bringt uns wieder zu der Situation zurück, die
in 4A abgebildet ist.
Alle
diese Ventilwirkungen können
variiert werden, ohne von der grundlegenden Lehre dieser Erfindung
abzuweichen. Der Grad der Ventilüberlappung
kann variiert oder weggelassen werden. Der Verschluss des Einlassventils
kann verzögert
werden, um teilweise einen Teil des Arbeitsströmungsmittels in einer Weise
auszustoßen,
die üblicherweise
eingesetzt wird, um den Grad der Expansion des Arbeitsströmungsmittels
gegenüber
dem Grad der Kompression zu vergrößern (d. h. wie bei einem "Miller-Zyklus"). Ein weiterer Weg,
um den Miller-Zyklus bei diesen Motor einzurichten ist, den Einlasshub
so zu reduzieren, dass der kalte Kolben nicht seine äußerste Position
erreicht, bevor er seinen nach innen gerichteten Kompressionshub
beginnt.
Sowohl
für das
Ausführungsbeispiel
mit herkömmlichem
Gasaustausch als auch für
das Ausführungsbeispiel
mit verbessertem Gasaustausch dieser Erfindung sei bemerkt, dass
alternative Verfahren zur Einleitung von Brennstoff in das heiße Volumen
verwendet werden können
und immer noch innerhalb des Umfangs der Erfindung bleiben. Beispielsweise kann
(1) Brennstoff direkt in das heiße Volumen eingespritzt werden,
(2) Brennstoff in das kalte Volumen eingespritzt werden und darauffolgend
durch den Regenerator geleitet werden oder (3) Brennstoff kann in das
Arbeitsströmungsmittel vor
dem Eintritt des Arbeitsströmungsmittels
in den Zylinder eingeleitet werden und dann darauf folgend durch
den Regenerator und in das heißen
Volumen geleitet werden. Brennstoffeinspritzvorrichtungen, die verwendet
werden, um die vorliegende Erfindung praktisch auszuführen, können irgend
eine Vorrichtung aufweisen, die Brennstoff in den Zylinder einleitet,
einschließlich Vorrichtungen
zum Verdampfen und zum Versprühen,
hydraulische Vorrichtungen und pneumatische Vorrichtungen.
Für einige
Brennstoffe mit großen
Einspritzungsverzögerungen
(beispielsweise leichtere Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise
Propan und Erdgas) und für
manche Betriebsbedingungen (beispielsweise beim Start, beim Leerlauf
und leichter Belastung) kann es nötig oder vorteilhaft sein,
eine Zündungsquelle
in dem heißen
Zylinder vorzusehen, wie beispielsweise eine Zündkerze oder eine Glühkerze.
In manchen Situationen und bei manchen Brennstoffen kann es möglich sein,
die heißen
Oberflächen
des Regenerators, die Verdichtungswärme oder beides zu verwenden,
um die vorgemischte Mischung aus Brennstoff und Luft zu zünden.
Ein
wichtiges Merkmal der hier offenbarten Erfindung ist die spezielle
festgelegte Bewegung der Kolben. Eine ordnungsgemäße Bewegung
kann essenziell sein, wenn ein einsatzbereiter Motor herzustellen
ist. Beispielsweise bleibt der heiße Kolben vorzugsweise sehr
nahe an Regenerator während des
Kompressionsvorgangs. Anderenfalls werden Gase durch den Regenerator
gedrückt,
wodurch sie während
der Kompression aufgeheizt werden. Dies steigert die Kompressionsarbeit,
die im Motor erforderlich ist und verschlechtert die Leistung und
den Wirkungsgrad. In ähnlicher
Weise bleibt während
des Expansionshubes des heißen
Kolbens der kalte Kolben vorzugsweise sehr nahe am Regenerator.
Wenn der kalte Kolben sich weg vom Regenerator bewegt, werden heiße Gase
durch den Regenerator und in das kalte Volumen gezogen. Bei dem
Prozess werden diese heißen
Gase durch den Regenerator abgekühlt.
Somit wird thermische Energie zu früh herausgezogen und sehr heiße Gase
werden in den Regenerator gezogen. Dies wird die Leistung verschlechtern
und wahrscheinlich den Regenerator zerstö ren. Die hier offenbarte Erfindung
beschreibt insbesondere diese kritische Kolbenbewegung und bietet
Mittel, durch welche diese Bewegung erreicht werden kann.
5 ist ein Längsschnitt
von einem Ausführungsbeispiel
der Motoranordnung der vorliegenden Erfindung. Dieses spezielle
Ausführungsbeispiel
verwendet den herkömmlichem
Gasaustauschzyklus, der oben mit Bezugnahme auf die 2A bis 2H beschrieben
wurde. Nur minimale und offensichtliche Konstruktionsveränderungen,
wie sie in dieser Offenbarung beschrieben werden, sind zum Betrieb
in einem verbesserten Gasaustauschzyklus erforderlich, wie er oben
mit Bezug auf die 4A bis 4I beschrieben wurde. Dieses
Ausführungsbeispiel
mit herkömmlichem
Gasaustausch verwendet ein Paar von Trommelnocken 22 und
26, um die ungewöhnlichen und
stark nicht-sinusförmigen
Kolbenbewegungen vorzusehen, die dieser Motor benötigt. Die
besonders flexible Bewegung, die mit Trommelnocken vorgesehen werden
kann, macht sie insbesondere zur Anwendung bei diesen Motor anwendbar.
Das Ausführungsbeispiel
der 5 weist vier Zylinder
auf, Zylinder 10 und 11, genauso wie zwei Zylinder,
die außerhalb
der Ebene der Querschnittsansicht sind. Wie oben mit Bezug auf den
Zylinder 10 der 1 beschrieben
sind die Zylinder 10 und 11 an beiden Enden durchgegenüberliegende
Kolben 12 und 14 verschlossen. Der kalte Kolben 12 ist
mit einer Leistungsausgangswelle 16 durch eine Kolbenstange 18, durch
eine Rollenanordnung 62 und eine Trommelnocke 22 verbunden.
Der heiße
Kolben 14 ist mit der Leistungausgangswelle 16 durch
eine andere Kolbenstange 24, eine andere Rollenanordnung 64 und eine
Trommelnocke 26 verbunden. Die Trommelnocken 22 und 26 werden
verwendet, um die lineare Bewegung der Kolben 12 und 14 in
die Drehbewegung der Leistungausgangswelle 16 umzuwandeln. Wie
in 1 gezeigt ist jeder
Zylinder in zwei Teile durch einen Regenerator 28 aufgeteilt
und hat dadurch ein veränderbar
bemessenes kaltes Volumen 30 zwischen dem kalten Kolben 12 und
den Regenerator 28 und ein veränderbar bemessenes heißes Volumen 32 zwischen
dem Regenerator 28 und dem heißen Kolben 14.
6 veranschaulicht eine Perspektivansicht
der Nockenanordnung 20, die die Trommelnocken 22 und 26 auf
gegenüber
liegenden Enden der Welle 16 aufweist. Die Nocken 22 und 26 sind
konturiert, um die oben offenbarte periodische Kolbenbewegung vorzusehen.
7 ist ein ebenes schematisches
Diagramm, welches die spezielle nichtsinusförmige Kolbenbewegung und Phasenanordnung
veranschaulicht, die durch die Nockenanordnung 20 vorgesehen wird.
Die Nocken 22 liefert die Bewegung für den kalten Kolben 12 und
die Kolbenstange 18 über
die Folgeanordnung 20. Die Folgeanordnung 20 weist
die Lastrolle bzw. belastete Rolle 46 und die Rolle 48 der unbelasteten
Seite bzw. Führungsrolle 48 auf,
die auf dem Joch 50 montiert ist. Wenn man dem unteren Teil
der schematischen Darstellung von links nach rechts folgt, sehen
wir die spezielle Nockengeometrie, die verwendet wird, um die sehr
speziellen Positionen des kalten Kolbens 12 relativ zum
Regenerator 28 über
die 360 Grad des Wellenwinkels zu liefern. In ähnlicher Weise zeigt der obere
Teil der schematische Darstellung die Nocke 26, die die
Bewegung für
den heißen
Kolben 14 und die Kolbenstange 24 über die
Folgeanordnung 52 vorsieht, die auch eine belastete Rolle
und eine Rolle der unbelasteten Seite bzw. Führungsrolle aufweist, die auf
einem Joch montiert sind. Wie bei der kalten Seite des Zylinders
wird, wenn man der schematische Darstellung von links nach rechts
folgt, veranschaulicht, wie die Geometrie der Nocke 26 die
spezielle Bewegung des heißen
Kolbens 14 mit Bezug zum Regenerator 28 vorsieht,
und zwar über
360 Grad des Wellenwinkels. Der Fachmann würde jedoch erkennen, wie die Bewegung
von irgend einem oder von beiden Kolben 12 und 14 jeweils
durch Variieren der Geometrie der Nocken 22 und 26 zu
variieren ist.
Während die
Trommelnocke einen hervorragenden Antriebsmechanismus aufweist,
durch welchen die sehr ungewöhnlichen
Kolbenbewegungen vorgesehen werden können, die für den regenerierten Zyklus
erforderlich sind, gibt es andere Mittel, um die gleiche oder eine
sehr ähnliche
Bewegung zu erreichen. Diese Erfindung kann mit alternativen Antriebsmechanismen
prak tisch ausgeführt
werden, die eine nicht sinusförmige
Kolbenbewegung mit einer Ruhezeit an jedem Ende des Hubes vorsehen.
Offensichtlich
sind im Lichte der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen
der vorliegenden Erfindung möglich.
Es sei daher bemerkt, dass innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche diese
Erfindung in anderer Weise praktisch ausgeführt werden kann als sie speziell
hier beschrieben wurde.
Zusammenfassung
Ein
verbesserter Verbrennungsmotor mit sich hin und her bewegenden Kolben
setzt die thermische Regeneration ein, um seinen Wirkungsgrad und
seine Leistung zu verbessern. Die Regeneration wird durch Anwendung
eines Wärmetauschers
mit abwechselndem Fluss erreicht. Bei einem Ausführungsbeispiel besteht der
Motor aus einem oder mehreren Zylindern (10), die ein Paar
von gegenüberliegenden
Kolben (12, 112, 14, 114) enthalten,
weiter einen heißen
Kolben (14, 114) und einen kalten Kolben (12, 112),
die durch einen stationären
Regenerator (28, 128) getrennt werden. Der Motor
ist mit Mitteln ausgerüstet,
um gasförmigen
oder flüssigen
Brennstoff in das heißen
Volumen (32, 132) einzuleiten, weiter mit Mitteln
zur Einleitung von frischen Arbeitsströmungsmittel und mit Mitteln
zur Entfernung von Abgasen aus dem kalten Volumen (30, 130).
In einem Ausführungsbeispiel
sind eine oder mehrere Auslassanschlüsse (40, 140),
die den Fluss von Abgasströmungsmittel
aus dem Zylinder (10) gestatten, zwischen einem kalten
Kolben (12, 112) und dem thermischen Regenerator
(28, 128) gelegen, und einer oder mehrere Einlassanschlüsse (38, 138),
die den Fluss von frischem Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder
(10) gestatten, sind zwischen dem kalten Kolben (12, 112)
und den Auslassanschlüssen (40, 140)
gelegen. Der Motor kann eine größere Expansion
als Kompression bieten und kann kritische und wesentliche Verbesserungen
gegenüber
früheren
Motoren bieten. (1)