DE19581654B4

DE19581654B4 - Regenerierter Motor mit verbessertem Heizhub

Info

Publication number: DE19581654B4
Application number: DE19581654T
Authority: DE
Inventors: Allan J. Bishop Ferrenberg
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1995-05-25
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2015-05-26
Also published as: WO1995033133A1; JPH10501316A; GB9621307D0; GB2302566B; JP3786958B2; DE19581654T1; GB2302566A; US5632255A; AU2658095A

Abstract

Regenerierter Verbrennungsmotor mit sich hin- und herbewegenden Kolben mit einer Anzahl von ähnlichen Arbeitseinheiten, wobei jede Arbeitseinheit folgendes aufweist:
a) einen Zylinder (1), der an einem Ende durch einen Zylinderkopf (2) verschlossen wird, und der einen beweglichen Kolben (3) enthält, der sich in hin- und herbeweglicher Weise bewegt, und der mit einer Leistungsausgangswelle (4) verbunden ist;
b) Einlaßmittel (6), um den Fluß von frischem Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (1) während einer vorbestimmten Zeit während eines jeden Betriebszyklusses zu gestatten;
c) Auslaßmittel (7), um den Fluß von frischem Auslaßströmungsmittel aus dem Zylinder (1) während einer zweiten vorbestimmten Zeit während jedem Betriebszyklus zu gestatten;
d) einen thermischen Regenerator (8), der innerhalb des Zylinders (1) und zwischen dem Kolben (3) und dem Zylinderkopf (2) gelegen ist, wobei der Regenerator (8) ein hin- und herbeweglicher Flußwärmetauscher ist, der zwischen dem Kolben (3) und dem Zylinderkopf (2) bewegt werden kann;...

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf thermisch regenerierte, Verbrennungsmotoren mit sich hin- und herbewegenden Kolben, die einen beweglichen Regenerator einsetzen.
Technischer Hintergrund
Thermische Regenerierung bzw. Wiedergewinnung ist das Einfangen von Abwärme aus einem thermodynamischen Zyklus und die Verwendung der Energie innerhalb des Zyklusses oder des Motors, um den Zyklus oder die Motorleistung zu verbessern.
Der Betrieb eines Benzin- oder Dieselmotors wird im allgemeinen durch einen thermodynamischen Zyklus angenähert, auf den als Otto-Zyklus Bezug genommen wird. Im Prinzip kann ein Otto-Zyklus thermisch regeneriert werden. Dies würde durchgeführt werden, indem man Wärme aus den Gasen beim Ende des Expansionshubes auf die Gase des nächsten Zyklusses am Ende des Kompressionshubes überträgt. Die Vorteile, die erhalten werden können, sind groß. Der Brennstoffverbrauch wird verringert. Zusätzlich ist ein regenerierter Otto-Zyklus thermodynamisch fähig, höhere Gastemperaturen während des Zyklusses vorzusehen, was noch größere Verbesserungen des Wirkungsgrades und der Leistung zur Folge hat.
Die Schwierigkeit ist, daß die Kompressions-, Heiz- und Expansionsprozesse alle innerhalb eines Zylinders auftreten. Dies macht es schwierig, die Wärme einzufangen und sie auf die unter Druck gesetzte Luft zu einem anderen Zeitpunkt im Zyklus zu übertragen.
Andere haben versucht, eine Regenerierung in Motoren mit sich hin- und herbewegenden Kolben vorzusehen, indem die Erfindungen getrennt werden, wenn die Motorprozesse wieder auftreten. Auf diese Weise wird es relativ einfach, einen Wärmetauscher zwischen den Motorkomponenten einzusetzen. Dies hat zu einer Anzahl von Ansätzen geführt, die zumindest zwei Zylinder aufweisen, im allgemeinen einen, in dem die Kompression auftritt, und einen zweiten, in dem die Verbrennung und Expasion auftreten. In dem Flußdurchlaß, der diese Zylinder verbindet, oder in einem der Zylinder ist ein stationär permeables bzw. durchlässiges Material, welches den Regenerator aufweist bzw. bildet. Der Regenerator ist ein alternierender bzw. hin- und herbeweglicher bzw. hin- und herlaufender Flußwärmetauscher. Die expandierten Verbrennungsgase werden durch den Regenerator hindurchgeleitet und übertragen thermische Energie auf ihn. Während des nächsten Zyklusses wird unter Druck gesetzte Luft durch den Regenerator gedrückt und absorbiert diese Energie. Da einige Luft und Abgase immer innerhalb der Übertragungsdurchlässe gefangen bleibt, und zwar wegen "Ausblasverlusten" (blowdown losses) zwischen den Zylindern bei einigen Konstruktionen, und da nicht die ganze Luft regenerativ erhitzt oder gekühlt werden kann oder an den geeigneten Stellen bei den optimalen Zeitpunkten sein kann, wird die Leistung dieser Motoren verringert.

Ein neuerer Ansatz gestattet es, daß der Prozeß innerhalb eines einzelnen Zylinders auftritt, und zwar durch Verwendung eines beweglichen Regenerators in Form einer dünnen Scheibe, die zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben gelegen ist. Dieser sich bewegende Regenerator läuft durch das gesamte Innenvolumen des Zylinders, und zwar zweimal während jedes Motorbetriebszyklusses. Wenn er sich durch das Gas im Zylinders bewegt, tauscht er Energie mit dem Gas aus. Eine Bewegung nimmt die Energie aus den expandierten Verbrennungsprodukten. Die andere Bewegung überträgt diese Energie auf das komprimierte Arbeitsströmungsmittel nahe dem Ende des nächsten Kompressionshubes. Erfindungen basierend auf einem beweglichen Regenerator sind in den Patenten von Ferrenberg (1988, U.S.-Patent 4,790,284 und 1990, U.S.-Patent 4,928,658) und von Millman (1981, U.S.-Patent 4,280,468) offenbart.

Regenerierte Motoren, die bewegliche Regeneratoren einsetzen, können in zwei Klassen aufgeteilt werden: jene, bei denen die Verbrennung zwischen dem Kolben und dem Regenerator auftritt (Heiß-Kolbenkonstruktionen) und jenen, bei denen die Verbrennung zwischen dem Regenerator und dem Zylinderkopf auftritt (Kühl- oder Kalt-Kolbenkonstruktionen).

Millman (U.S.-Patent 4,280,468) offenbart einen regenerierten Heiß-Kolbenmotor, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet. Diesem Motor fehlt ein regenerativer Kühlhub. Stattdessen wird der Regenerator stationär und benachbart zu den Ventilen im Zylinderkopf gehalten, während das Ausblasens (blowdown) und der Ausstoß auftreten. Dies ist ein Mangel in der Weise, in der die Energie aus dem Arbeitsströmungsmittel durch den Regenerator herausgezogen wird, die wesentlich die Motorleistung verringern kann.

Ferrenberg (U.S.-Patente 4,790,284 und 4,928,658) offenbart sowohl Zwei- als auch Vier-Takt- und regenerierte Heiß- und Kalt-Kolbenmotoren. Diese Motoren haben auch einige grundlegende Unzulänglichkeiten. Eine ist, daß der Regenerator während des Ausblasens stationär bleibt oder den regenerativen Kühlhub vor dem Ausblasen im wesentlichen nicht vollenden kann. Auch wird das Auslaßventil vor dem Öffnen des Einlaßventils geschlossen. Es ist sehr vorteilhaft, beide Ventile zur selben Zeit für eine kurze Periode offenzuhalten. Diese früheren regenerierten Motoren beginnen auch den Kühlhub zu spät während des Zyklusses.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen regenerierten Verbrennungsmotor mit sich hin- und herbewegenden Kolben, der aus einer Anzahl von ähnlichen Arbeitseinheiten gebildet wird, auf die oft als Zylinder Bezug genommen wird. Jede Arbeitseinheit besteht aus einem Zylinder, der an einem Ende von einem Zylinderkopf verschlossen wird, und enthält einen beweglichen Kolben, der mit einer Leistungsausgangswelle verbunden ist. Mittel sind vorgesehen, um den Fluß von Arbeitsströmungsmittel in und aus dem Zylinder zu gestatten und zu steuern. Ein alternierender bzw. hin- und herlaufender Flußwärmetauscher, der Regenerator genannt wird, ist im Zylinder zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf gelegen. Dieser Regenerator kann sich zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf bewegen, und Mittel sind vorgesehen, um diese Bewegung zu den geeigneten Zeiten während des Betriebszyklusses des Motors durchzuführen. Diese Bewegung des Regenerators ist derart, daß der regenerative Heizhub während des letzten Viertels des Kompressionshubes des Kolbens beginnt, und während des ersten Viertels des Expansionshubes des Kolbens endet. Diese Bewegung weist eine solche Geschwindigkeit und Zeitsteuerung auf, daß sie im größtmöglichen Ausmaß einen Fluß von Arbeitsströmungsmittel durch den Regenerator von der kalten Seite des Regenerators zu seiner heißen Seite durch die Bewegung des Regenerators auf rechterhält. Schließlich sind Mittel zur Einleitung von Brennstoff in den Zylinder während dieses regenerativen Heizhubes vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung steuert die Einlaßmittelöffnungs- und Schließzeiten, so daß der Kompressionsgrad, den das Arbeitsströmungsmittel im Zylinder erfährt, geringer ist als der Grad der Expansion. Andere Ausführungsbeispiele sehen Brennstoffeinleitungsmittel vor, die eine Brennstoffeinleitung (1) auf der kalten Seite des Regenerators und (2) mit dem hereinkommenden frischen Arbeitsströmungsmittel vorsehen. Zusätzliche Ausführungsbeispiele weisen Einlaßmittel und Auslaßmittel auf, die dem Fluß eines Teils des Arbeitsströmungsmittels durch ein Rohr oder andere Mittel vorsehen, die verwendet werden, um den Regenerator zu bewegen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel weist Mittel auf, um die Menge des Arbeitsströmungsmittels zu verringern, welches in den Zylinder eintritt. Zusätzliche Ausführungsbeispiele, die auf regenerierte Kalt-Kolbenmotoren anwendbar sind, weisen Einlaß- und Auslaßmittel auf, die in der Zylinderwand gelegen sind, und die im wesentlichen bündig in der Zylinderwand montiert sind, wenn sie geschlossen sind. Ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches nur auf regenerierte Motoren mit Ventilen anwendbar ist, sieht Ventile vor, die derart betreibbar sind, daß sowohl die Einlaß- als auch die Auslaßventile zur gleichen Zeit während des Betriebszyklusses offen sein können.

Zusätzliche Ausführungsbeispiele dieser Erfindung sehen katalytische Materialien auf den Oberflächen des Regenerators vor, die (1) die Reaktivität bzw. Reaktionsfreude des frischen Arbeitsströmungsmittels verbessern, welches durch ihn läuft, oder (2) die Verunreinigungen im ver brauchten Arbeitsströmungsmittel verringern, welches durch ihn hindurchläuft.

Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht einen Regenerator mit inneren Flußdurchlässen vor, die von unterschiedlicher mittlerer Größe in unterschiedlichen Teilen des Regenerators sind.

Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel setzt einen sekundären bzw. zweiten Kolben ein, der mit dem Regenerator verbunden ist, der auf den Druck im Zylinder hin betätigt wird, um einen Teil der Kraft vorzusehen, die erforderlich ist, um den Regenerator an den geeigneten Stellen zu geeigneten Zeiten im Betriebszyklus anzuordnen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung sieht Mittel vor, um den Regenerator zu bewegen, die Mittel aufweisen, um Variationen der zyklischen Bewegung des Regenerators als eine Funktion der Motordrehzahl und -belastung vorzusehen.

Andere Ziele, Vorteile und neue Merkmale werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den Begleitzeichnungen gesehen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors.
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines regenerierten Heiß-Kolbenmotors.
3 ist eine schematische Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors, der in einem Zwei-Takt-Zyklus arbeitet, und der Auslaßmittel einsetzt, die aus einem Anschluß bestehen, der vom Kolben verdeckt und abgedeckt wird.
4a-h bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors ab, der in einem Zwei-Takt-Zyklus arbeitet, und bei dem Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder während des Kompressionshubes eintritt.
5a-h bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Heiß-Kolbenmotors ab, der in einem Zwei-Takt-Zyklus arbeitet, und bei dem frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder während dem Kompressionshubes eintritt.
6a-i bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors ab, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet, und zwar mit einem früh schließenden Einlaßventil.
7a-i bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors ab, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet, und zwar mit einem spät schließenden Einlaßventil.
8a-i bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Heiß-Kolbenmotors ab, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet, und zwar mit einem früh schließenden Einlaßventil.
9a-i bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Heiß-Kolbenmotors ab, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet, und zwar mit einem spät schließenden Einlaßventil.
10 zeigt mögliche Anordnungen für die Brennstoffeinspritzvorrichtung, und zwar sowohl für einen regenerierten Heiß-Kolbenmotor als auch für einen regenerierten Kalt-Kolbenmotor, wenn eine Brennstoffeinspritzvorrichtung auf der kalten Seite eingesetzt wird.
11 zeigt mögliche Anordnungen für die Brennstoffeinspritzvorrichtung, und zwar sowohl für einen regenerierten Heiß-Kolbenmotor als auch für einen regenerierten Kalt-Kolbenmotor, wenn eine Brennstoffeinspritzung in die Einlaßsammelleitung eingesetzt wird.
12 zeigt zwei mögliche Wege, um die Regeneratorantriebsstange als Mittel zum Einlaß und Auslaß von Arbeitsströmungsmittel zu verwenden.
13a-i bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors ab, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet.
14a-i bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Heiß-Kolbenmotors ab, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet.
15a-h bilden die Betriebssequenz eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors ab, der in einem Zwei-Takt-Zyklus arbeitet.
16a-h bilden die Betriebssequenz eines Heiß-Kolbenmotors ab, der in einem Zwei-Takt-Zyklus arbeitet.
17 zeigt zwei mögliche Wege, durch die Regeneratormaterialien mit unterschiedlichen Flußdurchlaßgrößen in einem einzigen Regenerator verwendet werden können.
18 zeigt eine Sequenz von Ereignissen, durch die eine pneumatische Hebevorrichtung verwendet werden kann, um die Positionierung und Bewegung eines Regenerators zu steuern.
19 zeigt eine pneumatische Hebevorrichtung in einem Heiß-Kolbenmotor.
20 zeigt einen regenerierten Motor, der eine Drossel als Mittel einsetzt, um die Arbeitsströmungsmittelmenge zu verringern, die in den Zylinder eintritt.
Die gleichen Elemente in den Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Ein regenerierter Kolbenverbrennungsmotor mit sich hin- und herbewegenden Kolben, der einen beweglichen Regenerator einsetzt, wird hier beschrieben. Alle Ausführungsbeispiele setzten entweder einen Zwei-Takt-Zyklus mit einem Verdichtungshub und einem Expansionshub ein, oder einen Vier-Takt-Zyklus, der Einlaß-, Verdichtungs-, Expansions- und Auslaßhübe aufweist. Jeder Hub wird durch die Bewegung des Kolbens aus seiner obersten oder oberen Tot punkt- (TDC = top dead center) Position, am nähesten zum Zylinderkopf gelegen, zu seiner untersten oder unteren Totpunkt- (BDC = bottom dead center) Position durchgeführt, die am weitesten vom Zylinderkopf liegt, oder in umgekehrter Richtung.
Jedes Ausführungsbeispiel weist auch einen regenerativen Heizhub und einen regenerativen Kühlhub auf. Während des regenerativen Heizhubes wird der Regenerator durch das Arbeitsströmungsmittel bewegt, welches zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf eingeschlossen ist, und überträgt Wärme auf dieses Arbeitsströmungsmittel. Für einen regenerierten Kalt-Kolbenmotor beginnt der regenerative Heizhub, wenn der Regenerator benachbart zum Zylinderkopf liegt, und endet, wenn der Regenerator benachbart zum Kolbens liegt, und sich mit ihm bewegt. Für einen regenerierten Heiß-Kolbenmotor beginnt der regenerative Heizhub, wenn der Regenerator benachbart zum Kolben liegt und sich mit ihm bewegt, und endet, wenn der Regenerator benachbart zum Zylinderkopf liegt.
Während des regenerativen Kühlhubes bewegt sich der Regenerator in der entgegengesetzten Richtung (im Vergleich zum Heizhub) durch das Arbeitsströmungsmittel, welches zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf eingefangen ist und absorbiert Wärme aus diesem Arbeitsströmungsmittel. Für einen regenerierten Kalt-Kolbenmotor beginnt der regenerative Kühlhub, wenn der Regenerator benachbart zum Kolben ist und sich mit ihm bewegt, und endet, wenn der Regenerator benachbart zum Zylinderkopf liegt. Für einen regenerierten Heiß-Kolbenmotor beginnt der regenerative Kühlhub, wenn der Regenerator benachbart zum Zylinderkopf liegt, und endet, wenn der Regenerator benachbart zum Kolben liegt.
Zwischen den Zeitpunkten bzw. Zeiten dieser Bewegungen ist der Regenerator entweder benachbart zum Kolben und bewegt sich mit ihm, oder er ist benachbart zum Zylinderkopf. "Benachbart zu" bedeutet, daß der Regenerator in Kontakt mit dem Kolben oder Zylinderkopf oder so nahe wie möglich an diesen Komponenten ist, und zwar bei den gegebenen mechanischen und strukturellen Einschränkungen, die mit dem Zusammenkommen bzw. Zusammenlaufen von sich schnell bewegenden Objekten assoziiert sind. "Nahe an" ist ein Synonym für "benachbart zu". Während es vorteilhaft ist, irgendwelche inneren Volumen zu minimieren, die nicht vom Regenerator überstrichen bzw. durchlaufen werden, ist es erkennbar, daß kleine Spielregionen oder -volumen wahrscheinlich nötig sein werden, um schädigende Stöße zwischen sich bewegenden Komponenten zu verhindern. Beispiele sind folgende: kleine Spalte zwischen dem Regenerator und dem Zylinderkopf oder dem Kolben, wenn der Regenerator benachbart zu diesen Komponenten ist, und den Spielspalt zwischen dem Umfang des Regenerators und der Zylinderwand.
Die Region, in der die Verbrennung auftritt, ist das heiße Volumen oder der heiße Raum, und auf das Volumen auf der anderen Seite des Regenerators wird als das kalte Volumen oder der kalte Raum Bezug genommen. Die Größen dieser beiden Volumen verändern sich während des Betriebszyklusses, wenn sich der Kolben und der Regenerator bewegen. Zu einigen Zeitpunkten während des Zyklusses werden jede dieser Volumen sehr klein oder Null. Die Seite des Regenerators, die zum heißen Volumen benachbart ist, wird der heißeste Teil des Regenerators sein, und es wird auf sie als die heiße Seite des Regenerators Bezug genommen. Die entgegengesetzte Seite ist die kalte Seite.
Das Arbeitsströmungsmittel, welches typischerweise eingesetzt wird, ist Luft. Jedoch könnte es irgendeine Mischung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen sein, die einer exothermen chemischen Reaktion mit dem Brennstoff unterlaufen kann. Das erste Arbeitsströmungsmittel, welches in dem Zylinder durch die Einlaßsammelleitung eingeleitet wird, kann einige Nebenreaktionsprodukte enthalten, die im Zylinder eingeschlossen sind, nachdem die Auslaßmittel schließen, oder die in der Einlaßsammelleitung eingeleitet werden (d.h. Abgasrezirkulation bzw. -rückführung). Nach der Verbrennung (oder einer anderen exothermen Reaktion, die die Leistung für den Motor liefert) wird auf das Arbeitsströmungsmittel als verbrauchtes Arbeitsströmungsmittel oder Auslaßströmungsmittel Bezug genommen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors, der in entweder Zwei- oder Vier-Takt-Weise betrieben werden kann. Der Zylinder 1 wird an einem Ende von einem Zylinderkopf 2 verschlossen und enthält einen Kolben 3, der mit einer Leistungsausgangswelle 4 durch einen geeigneten Mechanismus 5 verbunden ist, um die Linearbewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Welle umzuwandeln. Dieser Mechanismus 5 kann, wie gezeigt, die Kolbenstange bzw. das Pleuel und eine Exzentrizität bzw. Exzenterwelle aufweisen.
Mittel zum Einfließen und Ausfließen des Arbeitsströmungsmittels sind durch das Einlaßventil 6 und das Auslaßventil 7 vorgesehen, die als herkömmliche Sitzventile gezeigt sind. Wenn sie offen sind, verbinden diese Ventile die Einlaßsammelleitung 13 und die Auslaßsammelleitung 14 mit dem Zylindervolumen, welches zwischen dem Kolben und dem Regenerator 8 gelegen ist. Diese Einlaß- und Auslaßmittel müssen mit dem kalten Volumen 12 in Verbindung stehen. "In Verbindung stehen mit" bedeutet, wie es hier verwendet wird, daß die Einlaß- und Auslaßmittel mit dem kalten Volumen verbunden sein müssen, um den Fluß in oder aus dem kalten Volumen entweder direkt oder durch einen oder mehrere Flußdurchlässe zu gestatten. Für einen Kalt-Kolbenmotor wie diesen ist das kalte Volumen immer zwischen dem Regenerator und dem Kolben gelegen. Somit müssen diese Einlaß- und Auslaßmittel Flußdurchlässe durch die Zylinderwand, den Kolben, den Regenerator oder Kombination von diesen vorsehen.
Innerhalb des Zylinders liegt eine poröse Scheibe aus Material, auf die als der Regenerator 8 Bezug genommen wird. Dieser Regenerator besitzt einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Zylinderbohrung. Er wird durch eine Regeneratorantriebsstange 9 hin und her zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf bewegt, und zwar parallel zur Achse des Zylinders. Die Antriebsstange kann durch den Zylinderkopf gehen, wie in 1 gezeigt, oder sie kann durch den Kolben gehen. Diese Antriebsstange muß nicht von kreisförmigem Querschnitt sein, und braucht nicht fest bzw. Vollmaterial sein (d.h. sie kann ein Rohr sein). Andere Mittel, um den Regenerator zu bewegen, wie beispielsweise eine ringförmige Hülse zwischen dem Kolben und der Zylinderwand können auch verwendet werden.
Brennstoff wird in das heiße Volumen mittels einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 eingespritzt, wie jene, die im allgemeinen bei Direkteinspritzungs-Dieselmotoren eingesetzt werden. Durch direktes Einspritzen in diese Region zu einer Zeit, wenn das Arbeitsströmungsmittel in dieser Region sehr heiß ist, wird der Brennstoff spontan gezündet.
2 stellt einen regenerierten Heiß-Kolbenmotor dar. Dieser Motor kann in entweder in einem Zwei- oder einem Vier-Takt-Zyklus arbeiten. Dieser Motor ist dem der 1 sehr ähnlich, und weist folgendes auf: einen Zylinder 1, der von einem Zylinderkopf 2 verschlossen wird, einen Kolben 3, der mit einer Kurbelwelle 4 durch einen geeigneten Mechanismus 5 verbunden ist, Einlaß- und Auslaßventile 6 und 7, die den Fluß in und aus dem Zylinder über Einlaß- und Auslaßsammelleitungen 13 und 14 steuern, einen Regenerator 8, einen Mechanismus 9 zur Bewegung des Regenerators und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 10.
Der Hauptunterschied zwischen dem Heiß-Kolbenmotor der 2 und dem Kalt-Kolbenmotor der 1 ist, daß die Verbrennung zwischen dem Kolben und dem Regenerator auftritt. Dies erfordert, daß die Brennstoffeinspritzvorrichtung derart positioniert ist, daß der Brennstoff in das heiße Volumen eingespritzt werden kann. Dies erfordert auch, das das Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder durch die Einlaß- und Auslaßmittel eintritt und austritt, die direkt mit dem kalten Volumen im oberen Teil des Zylinders in Verbindung stehen. Somit müssen diese Einlaß- und Auslaßmittel einen Flußdurchlaß durch den Zylinderkopf, den oberen Teil der Zylinderwand, die Regeneratorantriebsstange 9 oder Kombination von diesen vorsehen.
Alle regenerierten Motoren besitzen einen regenerativen Heizhub, der die im Regenerator gespeicherte Wärme an das Arbeitsströmungsmittel übertragen soll. Frühere Erfindungen besitzten einen regenerativen Heizhub, der vor der Brennstoffeinspritzung und vor dem Start des Expansionshubes des Kolbens vollendet wird. Während einfache thermodynamische Analysen annehmen, daß ein sehr dünner Regenerator anzeigen würde, daß dies die wünschenswerteste Zeitsteuerung ist, haben neuere Überlegungen gezeigt, daß diese Abfolge von Ereignissen nicht wünschenswert ist. Der Heizhub sollte nahe dem Ende des Verdichtungshubes des Kolbens beginnen. Jedoch wird die Motorleistung wesentlich verbessert, wenn der regenerative Heizhub erst ein Stück im Expansionshub des Kolbens vollendet wird. Darüber hinaus spritzt die vorliegende Erfindung, anstelle den Brennstoff nach dem regenerativen Heizhub einzuspritzen, den Brennstoff während des regenerativen Heizhubes ein. Darüber hinaus wird der regenerative Heizhub erst ein Stück im Expansionshub des Kolbens vollendet, wenn der Druck im Zylinder beginnt, zu fallen. Diese Zeitsteuerung des regenerativen Heizhubes ist wesentlich anders als frühere Erfindungen.
Ein wichtiger Grund für diese Veränderung der Zeitsteuerung des regenerativen Heizhubes bezieht die Bewegung der Gase innerhalb des Zylinders während der Verbrennung ein. Wenn der Regenerator benachbart zum Kolben oder zum Zylinder während der Brennstoffeinspritzung und Verbrennung ist, wie die früheren Erfindungen zeigen, dann wird der steigende Druck im Zylinder aufgrund der Verbrennung heiße Gase in den Regenerator drücken. Wenn diese Gase in den Regenerator eintreten, werden sie Wärme an den Regenerator abgeben bzw. verlieren, wodurch der Zylinderdruck zu einem Zeitpunkt verringert wird, wenn Leistung abgeführt bzw. herausgezogen wird. Zusätzlich zu verbesserter Leistung wird die Temperatur der heißen Seite des Regenerators verringert (eine wichtige Größe für die Haltbarkeit des Regenerators), wenn der Regenerator in einer solchen Weise bewegt wird, daß er heiße Reaktionskomponenten des Brennstoffs und des Arbeitsströmungsmittels (beispielsweise Verbrennungsgase) davon abhält, in den Regenerator einzutreten. Wenn die in den früheren Erfindungen vorgeschlagene Zeitsteuerung für den regenerativen Heizhub angewandt werden würde, würde der Regenerator durch die hohen Temperaturen zerstört werden. Der neue regenerative Heizhub, der hier beschrieben wird, sieht eine Umgebung vor, in der der Regenerator überleben bzw. halten kann, und er sorgt für wesentlich verbesserte Motorleistung.
Um heiße Verbrennungsgase davon abzuhalten, in den Regenerator einzutreten, muß die Bewegung und Geschwindigkeit des regenerativen Heizhubes derart vorgesehen sein, um einen Fluß von heißer Luft aus dem Regenerator und in das heiße Volumen aufrechtzuerhalten. Dies wirkt als eine Form von Transpirations- bzw. Durchdringungsheizung (Transpirations- bzw. Schwitzkühlung = transpiration cooling: Kühltechnik, bei der ein Kühlmittel durch eine poröse Wand gedrückt wird) für die heiße Oberfläche und verhindert, daß das sehr heiße Arbeitsströmungsmittel im heißen Volumen in den Regenerator eintritt. Wenn Strömungsmittel von der heißen Seite des Regenerators (der Seite, die zu dem Gebiet hinweist, wo die Verbrennung auftritt) über den regenerativen Heizhub aufrechterhalten werden soll, dann ist es nötig, daß sich der Regenerator mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt, daß er verhindert, daß der Druck im heißen Volumen den im Regenerator übersteigt. Dies erfordert eine sorgfältige und koordinierte Zeitsteuerung der Wärmeabgaberate (der Brennstoffeinspritzrate) und der Bewegung des Regenerators. Sobald der Druck im Zylinder beginnt, während der Expansion zu fallen, wird der Fluß immer aus dem Regenerator sein. Dies kommt daher, daß das Arbeitsströmungsmittel innerhalb des Regenerators in das heiße Volumen mit niedrigerem Druck expandieren wird, wodurch ein stetiger Fluß von Arbeitsströmungsmittel aus dem heißen Ende des Regenerators aufrechterhalten wird.
Während des Verdichtungshubes wird Arbeitsströmungsmittel unter Druck gesetzt und in den Regenerator gedrückt. Anfänglich ist dieses Arbeitsströmungsmittel kalt und absorbiert Wärme vom Regenerator. Nahe dem Ende des Verdichtungshubes jedoch ist die Luft, die in den Regenerator eintritt, nahezu so heiß wie die kalte Seite des Regenerators. Die Verdichtung der Luft innerhalb des Regenerators bewirkt, daß ihre Temperatur die des Regenerators übersteigt. Der Effekt von all diesem ist, daß die Netto-Wärmeübertragung aus dem Regenerator negativ wird, d.h. der Regenerator absorbiert Wärme aus dem komprimierten Arbeitsströmungsmittel. Dies ist sehr unerwünscht und kann dadurch verhindert werden, daß man den regenerativen Heizhub ungefähr zu der Zeit beginnt, zu der dies auftritt. Wenn der Regenerator beginnt, sich zu bewegen, hat der Fluß von großen Mengen von geringfügig kälterem Arbeitsströmungsmittel in den Regenerator eine viel größere Aufheizung des Arbeitsströmungsmittels zur Folge, wodurch eine sehr positive Wärmeübertragung erzeugt wird. Somit muß der regenerative Heizhub während des Endteils des Verdichtungshubes beginnen.
Zusammengefaßt sollte die optimale Bewegung und Zeitsteuerung des regenerativen Heizhubes wie folgt sein:

(1) Heizhub zu ungefähr der Zeit beginnen, zu der die Wärmeübertragung vom Regenerator negativ wird (während des letzten Viertels des Verdichtungshubes des Kolbens).
(2) Bewegung des Regenerators auf solchen Geschwindigkeiten halten, daß der Arbeitsströmungsmittelfluß immer in das heiße Volumen läuft.
(3) Regenerativen Heizhub so schnell wie möglich vollenden, nachdem der Druck im Zylinder während des Expansionshubes zu fallen beginnt (gewöhnlicherweise inner halb von einigen zehn Graden nach TDC bzw. dem oberen Totpunkt, jedoch hängt dies stark von der Brennstoffeinspritzrate und anderen Faktoren ab).

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist ihr regenerativer Kühlhub. An einem Punkt während des Expansionshubes des Kolbens läuft der Regenerator durch das Arbeitsströmungsmittel im Zylinder und zieht Energie aus ihm heraus. Die optimale Zeit, um diesen regenerativen Kühlhub zu beginnen, ist ungefähr die Zeit bzw. der Zeitpunkt, zu dem der Expansionshub des Kolbens halb vollendet ist.
Auf der anderen Seite hat der regenerierte Motor von Millman (U.S.-Patent 4,280,468) keinen regenerativen Kühlhub. Der Regenerator wird einfach in einer stationären Position nahe an den Ventilen im Zylinderkopf gehalten, während das Auslaßventil sich öffnet und der schnelle Druckabbau (das "Ausblasen" bzw. blowdown) auftritt. Die heißen Gase werden durch den Regenerator ausgeblasen. Die früheren U.S.-Patente 4,790,204 und 4,928,658 von Ferrenberg beginnen den regenerativen Kühlhub nicht, bevor der Kolben am unteren Totpunkt ist.
Wenn der Regenerator durch das Arbeitsströmungsmittel während eines Kühlhubes hindurchläuft, kühlt er das Arbeitsströmungsmittel, was den Druck verringert. Wenn der Druck fällt, wird die Arbeitsausgabe bzw. -leistung des Motors verringert. Somit würde es als wünschenswert erscheinen, diesen Kühlhub zu verzögern, bis die Expansion nahezu vollständig ist und bis so viel Arbeit wie möglich aus dem Arbeitsströmungsmittel herausgezogen worden ist. Dies ist die Basis für die Verzögerung des Starts des regenerativen Kühlhubes bis nahe dem Ende des Expansionshubes bei den früheren Erfindungen von Ferrenberg. Jedoch umfassen bzw. berücksichtigen jüngere Berechnungen die Arbeit, die erforderlich ist, um den Regenerator zu bewegen. Diese Arbeit nimmt ziemlich schnell zu, wenn die Länge und Geschwindigkeit des Regeneratorkühlhubes verlängert wird. Somit wird es nötig, die zusätzliche thermodynamische Arbeit, die durch eine vollständige Expansion vor dem regenerativen Kühlen vorgesehen wird, gegenüber der zusätzlichen Arbeit "aufzurechnen", die erforderlich ist, um den Regenerator zu bewegen. Die Berechnungen zeigen an, daß ein regenerativer Kühlhub, der nahe der Mitte des Expansionshubes des Kolbens beginnt, eine optimale Leistung liefert.
Diese gleichen Berechnungen zeigen an, daß die Motorleistung verbessert wird, wenn dieser regenerative Kühlhub vollendet oder nahezu vollendet wird, bevor sich die Auslaßmittel öffnen. Dies ist wichtig, da, wenn das Ausblasen auftritt, bevor der Regenerator seinen Lauf durch den Zylinder vollendet, das im heißen Volumen verbleibende Arbeitsströmungsmittel expandiert und gekühlt wird. Dieses expandierte Arbeitsströmungsmittel kann kühler als die heiße Seite des Regenerators werden und somit tatsächlich Wärme von den heißeren Teilen des Regenerators abziehen, wenn es durch den Regenerator hindurchgeht. Dies ist unerwünscht, da es wesentlich die Motorleistung und den Wirkungsgrad verringert. Da der Motor des U.S.-Patentes 4,280,468 von Millman keinen regenerativen Kühlhub besitzt, und da in den früheren U.S.-Patenten 4,790,204 und 4,928,658 von Ferrenberg die Auslaßmittel lange vor der Vollendung des regenerativen Kühlhubes geöffnet werden, tritt ein wesentliches Ausblasen bzw. Durchblasen durch den Regenerator auf. Die hier offenbarte Erfindung verhindert dies durch eine Vollendung des regenerativen Kühlhubes vor der Öffnung des Auslaßmittels.
Zusammengefaßt sollte der regenerative Kühlhub:

(1) während der mittleren Hälfte (zwischen 45 und 135 Grad nach dem oberen Totpunkt) des Startes des Expansionshubes beginnen, und
(2) vor der Öffnung der Auslaßmittel enden.

Es gibt natürlich eine gewisse Flexibilität bei diesen Richtlinien. Noch nicht analysierte Effekte zweiter Ordnung und andere Betrachtungen bezüglich der Motorkonstruktion und des Betriebs könnten sie beeinträchtigen. Beispielsweise wird durch eine langsamere Bewegung des Regenerators während des Kühlhubes die Leistung verringert, die erforderlich ist, um den Regenerator zu bewegen. Daher kann es vorteilhaft sein, die Vollendung des regenerativen Kühlhubes zu verzögern, und zwar bis kurz nachdem die Auslaßmittel offen sind. Ob dies vorteilhaft ist oder nicht, hängt stark von der Motorgeometrie, der Ventilzeitsteuerung und anderen Faktoren ab. Jedoch sollte in jedem Fall der regenerative Kühlhub vor der Öffnung des Auslaßventils nahezu vollständig sein.
Die vorherigen Patente von Ferrenberg, die Ventile zeigten, hatten die Einlaß- und Auslaßventile niemals zur selben Zeit geöffnet. Das Einlaßventil wurde insbesondere vor der Öffnung des Auslaßventils geschlossen. Millman (U.S.-Patent 4,280,468) bemerkt nichts zu den Ventilöffnungs- und -schließzeiten, jedoch implizieren seine Figuren, daß der Auslaß schließt, bevor der Einlaß öffnet. Dies ist bei diesen früheren Erfindungen ein ernsthafter Nachteil. Regenerierte Motoren weisen eine spezielle und kritische Notwendigkeit einer Ventilüberlappung auf.
Bei gemäßigten bis hohen Motordrehzahlen machen es die Trägheit der mechanischen Ventilkomponenten, die Trägheit des Arbeitsströmungsmittels im Zylinder und die kürzere für die Einlaß- und Auslaßprozesse verfügbare Zeit vorteilhaft, das Auslaßventil in einer offenen Position für eine kurze Zeit, nachdem das Einlaßventil öffnet, zu halten. Dies wird nahe dem Ende des Auslaßprozesses und dem Beginn des Einlaßprozesses auftreten.
Das Offenhalten des Auslaßventils für eine kurze Weile, nachdem das Einlaßventil sich öffnet, verbessert auch die Entfernung bzw. den Auslaß von verbrauchtem Arbeitsströmungsmittel. Dies ist insbesondere in einem regenerierten Motor wichtig, da einiges Auslaßströmungsmittel in irgendeiner Weise im Regenerator eingeschlossen bleiben wird. Auch kann die Anwesenheit des Regenerators die Gasaustauschprozesse verzögern. Ein übermäßiges Zurückhalten von Auslaßströmungsmittel kann die Motorleistung verringern. Durch Minimieren des eingeschlossenen Auslaßströmungsmittels über sich überlappende Ventilöffnungen kann diese Leistungsminderung minimiert werden. Für die meisten Betriebszustände und Brennstoffarten wird die Temperatur des Arbeitsströmungsmittels im heißen Volumen und die Temperaturen der Innenflächen benachbart zu dem Volumen zur Zeit der Brennstoffeinleitung ausreichend sein, um schnell den Brennstoff zu zünden. Somit wird für einen regenerierten Motor normalerweise keine Zündquelle erforderlich sein. Es ist vorauszusehen, daß eine Zündquelle nicht einmal zum Starten nötig sein wird, da eine geeignete Bewegung des Regenerators und die Verdichtung der Luft oder andere Mittel ausreichend sein werden, um den Regenerator und den Zylinder auf Zündtemperaturen aufzuheizen. Somit besitzt die hier offenbarte Erfindung keine speziellen Zündmittel (beispielsweise eine Zündkerze oder eine Glühkerze).
Das frühere U.S.-Patent von Ferrenberg zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Kalt-Kolbenmotors mit einem Kolben, dessen Ringe weit weg von der Stirnseite des Kolbens gelegen sind, um "ein großes ringförmiges bzw. Umfangsspiel zwischen sich selbst und dem Zylinder" oder "Schlitze oder andere Arten von Flußdurchlässen" aufzunehmen bzw. auszugleichen. Die hier offenbarte Erfindung besitzt einen herkömmlicheren Kolben mit einer flachen Stirnseite und Ringen nahe der Stirnseite des Kolbens. Dies wird in Erkenntnis der Tatsache getan, daß die Einlaß- und Auslaßmittel oder die Durchlässe zwischen diesen Mitteln und dem Zylinder höher auf der Zylinderwand gelegen sein können. Somit ist ein Fluß um oder durch den Kolben nicht erforderlich.
Der Wirkungsgrad eines regenerierten Motors verbessert sich, wenn mehr Energie regenerativ zwischen den expandierten Verbrennungsprodukten und dem komprimierten Arbeitsströmungsmittel übertragen wird. Je größer die Temperaturdifferenz über den Regenerator ist, desto größer ist diese Wärmeübertragung und daher der Motorwirkungsgrad.
Die Temperatur des heißen Endes des Regenerators wird primär durch die Temperatur der Verbrennungsprodukte bestimmt, die durch ihn während des Kühlhubes des Regenerators hindurchgehen. Die Temperatur der kalten Seite des Regenerators wird primär durch die Temperatur des komprimierten Arbeitsströmungsmittels bestimmt, welches durch ihn während des Heizhubes des Regenerators hindurchgeht.
Ein Weg, um diese Temperaturdifferenz zu vergrößern, ist es, das Arbeitsströmungsmittel während des Verdichtungshubes abzukühlen. Die ideale Situation würde eine isotherme Verdichtung sein. Dies wird ein kühleres kompri miertes Arbeitsströmungsmittel zu der Zeit zur Folge haben, zu der der Heizhub des Regenerators auftritt, und eine größere Temperaturdifferenz über den Regenerator. Dies wird das Ausmaß der regenerativen Aufheizung vergrößern und den Motorbrennstoffwirkungsgrad verbessern. Eine isotherme Verdichtung verringert auch die Verdichtungsarbeit des Motors.
Andere Mittel, durch die diese isotherme Verdichtung vorgenommen werden kann, sind das Ausführen eines Teils der Verdichtung an einer vom Rest des Zyklus getrennten Stelle – d.h. außerhalb des Zylinders. Dies eliminiert einiges der Aufheizung von den Zylinderwänden, die durch die Verbrennung erhitzt worden sind, und gestattet die Verwendung von speziellen Kühlmerkmalen bei der Kompressions- bzw. Verdichtungsvorrichtung, die nicht in einem Motor möglich sein würden, bei dem die Verdichtung und die Verbrennung im gleichen Zylinder auftreten. Beispiele von diesen Kühlmerkmalen sind: (a) dünnwandige stark leitende Materialien im Kompressor, um Wärme abzuziehen, (b) Kühlrippen, vielleicht mit flüssigem Kühlmittel, welches durch sie hindurchfließt, die in direktem Kontakt mit dem Arbeitsströmungsmittel sind, wenn es komprimiert wird, (c) Kühlrippen auf den Außenflächen der Verbrennungsvorrichtung, und (d) die Verwendung von Nachkühlern im Flußdurchlaß zwischen der Verdichtungsvorrichtung und dem Motorzylinder.
Dieser externe Kompressor könnte ein anderer Zylinder und Kolben, eine Turbo-Maschine (beispielsweise ein Super-Lader bzw. Kompressor oder ein Turbo-Lader) oder andere Vorrichtungen sein, die wirkungsvoll Luft unter hohem Druck in ausreichender Menge erzeugen können. Dieser Kompressor könnte mehrere Zylinder eines Mehr-Zylinder-Motors "speisen".
Es ist klar, daß dies nicht einfach ein stark turbo-aufgeladener oder super-geladener bzw. kompressorgeladener regenerierter Motor ist. Die Absicht ist, einen Teil der Verdichtung, die im Zylinder auftritt, durch die Verdichtung in einem äußeren, gekühlten Kompressor zu ersetzen. Die Zeitsteuerung der Einlaßmittel wird dann derart eingestellt, daß sie die Verdichtung des Arbeitsströmungsmittels verringert, die innerhalb des Zylinders des Motors auftritt. Beispielsweise wird durch Verzögern der Einleitung von viel bzw. einem Hauptteil des Arbeitsströmungsmittels, bis der Verdichtungshub des Kolbens teilweise vollendet ist, die effektive bzw. wirksame Verdichtung verringert.
Das wichtigste Merkmal davon ist, daß das effektive Kompressions- bzw. Verdichtungsverhältnis im Zylinder geringer ist als das effektive Expansions- bzw. Ausdehnungsverhältnis im Zylinder. Das effektive Kompressions- bzw. Verdichtungsverhältnis ist das Volumen, welches vom Arbeitsströmungsmittel beim Beginn der Verdichtung eingenommen wird, geteilt durch das Volumen, welches vom Arbeitsströmungsmittel bei der Vollendung der Verdichtung eingenommen wird. Der Beginn der Verdichtung ist im wesentlichen die Zeit, zu der sich das Einlaßventil oder der Einlaßanschluß schließt, und der Druck im Zylinder zu steigen beginnt. Das Ende der Verdichtung ist die Zeit, wenn der Verdichtungshub des Kolbens vollendet wird. Das Expansionsverhältnis ist das Volumen des Arbeitsströmungsmittels am Ende des Expansionshubes, geteilt durch das Volumen beim Beginn des Expansionshubes. Der Expansionshub wird vollendet, wenn sich die Auslaßmittel öffnen, oder wenn der Kolben seine untere Totpunktposition erreicht. Ein regenerierter Motor, der dieses Konzept einsetzt, arbeitet genauso wie andere regenerierte Motoren, außer was die Zeitsteuerung der Einlaßmittel und den im allgemeinen viel höheren Druck in den Einlaßsammelleitungen betrifft.
3 zeigt eine spezielle Bauart eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors, der eine externe Verdichtung und ein effektives Verdichtungsverhältnis einsetzt, welches geringer als das effektive Expansionsverhältnis ist. Dieser Motor arbeitet in einem Zwei-Takt-Zyklus. Dieser Motor besitzt genau die gleichen Komponenten wie der in 1 abgebildete Kalt-Kolbenmotor, außer daß das Auslaßventil durch einen Anschluß (7) ersetzt wird, der vom Kolben freigelegt (geöffnet) wird, wenn er sich seiner untersten Position (unterer Totpunkt) nähert, und der im wesentlichen vom Kolben, kurz nachdem er in seinem Kompressions- bzw. Verdichtungshub nach oben startet, abgedeckt (geschlossen) wird.
Der Motor der 3 arbeitet mit Hochdruck in der Einlaßsammelleitung. Diese Drücke müssen durch die Verwendung von (nicht gezeigten) Kompressoren bzw. Verdichtern geliefert werden, und zwar entweder einfach oder gestuft, die durch Turbinen angetrieben werden, die Energie aus den Motorauspuffgasen herausziehen (Turbo-Lader) oder durch direkte Leistungsabnahme von der Motorkurbelwelle (Super-Lader bzw. Kompressoren). Der Kompressor kann eine Gleitflügel-, Zentrifugen- oder Rotationsbauart sein, was Roots-Gebläse und Komprex-Lader bzw. -Kompressoren genauso wie herkömmliche Kolben/Zylinder-Kompressoren sein können.
4a-h stellt die Abfolge der Schritte oder Prozesse dar, die in einem regenierten Kolbenmotor mit Zwei-Takt-Zyklus auftreten, der dieses Konzept der externen Kompression bzw. Verdichtung und ein effektives Verdich tungsverhältnis einsetzt, welches geringer ist als das effektive Expansionsverhältnis. Dieser Motor ist im wesentlichen der gleiche, wie der in 3 abgebildete, jedoch sind nur die Primärkomponenten gezeigt.
Mit Bezug auf 4 ist zu Beginn des Verdichtungshubes (a) der Auslaßanschluß offen, das Einlaßventil ist geschlossen, der Regenerator ist am Oberteil des Zylinders und der Kolben ist in seiner unteren Totpunktposition. Die heiße Seite des Regenerators ist benachbart zum Zylinderkopf und die kalte Seite weist zum Kolben hin. Nahe der Zeit, zu der der Kolben beginnt, sich in seinem Verdichtungshub (b) nach oben zu bewegen, öffnet sich das Einlaßventil. Für eine kurze Zeit sind sowohl das Einlaßventil als auch der Auslaßanschluß offen und das frische Arbeitsströmungsmittel unter hohem Druck in der Einlaßsammelleitung drückt das meiste des verbrauchten Arbeitsströmungsmittels, welches im Zylinder übrigbleibt nach außen durch den Auslaßanschluß. Wenn der Kolben steigt, wird der Auslaßanschluß verdeckt (c). Wenn der Kolben weiter steigt, bleibt der Einlaß für eine gewisse Zeit offen, wodurch er zusätzlichem unter Druck gesetzten Arbeitsströmungsmittel gestattet, in den Zylinder einzutreten. Wenn der Druck im Zylinder auf ungefähr den Pegel in der Einlaßsammelleitung ansteigt, schließt das Einlaßventil (vor d). Idealerweise sollten der Druck im Zylinder und der Druck in der Einlaßsammelleitung gleich sein, wenn sich das Einlaßventil schließt.
Wenn der Kolben sich seiner oberen Totpunktposition nähert, beginnt der Regenerator, sich vom Oberteil des Zylinders nach unten zum Kolben zu bewegen (d). Wenn er dies tut, wird das komprimierte Arbeitsströmungsmittel durch den Regenerator, in seine kalte Seite und aus seiner heißen Seite heraus, gedrückt und absorbiert Wärme von ihm. Brennstoff wird in das neu gebildete heiße Volumen im Zylinder zwischen dem sich bewegenden Regenerator und dem Zylinderkopf (e) eingespritzt. Dieser Brennstoff wird durch die hohen Temperaturen im heißen Volumen gezündet und reagiert mit dem Arbeitsströmungsmittel. Der Regenerator geht weiter nach unten und trifft den Kolben an einem gewissen Punkt (beispielsweise 10 – 60 Grad) nach dem oberen Totpunkt (f). Idealerweise sollte der Regenerator den Kolben, kurz nachdem der Druck im Zylinder während der Expansion zu fallen beginnt, treffen. Der Regenerator folgt dann dem Kolben während des Expansionshubes (g) nach unten, trennt sich von ihm an einem gewissen Punkt, lange bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, und beginnt, nach oben zurück zum Zylinderkopf zurückzulaufen (h). Der Auslaßanschluß wird vom Kolben ungefähr zu der Zeit aufgedeckt, wenn sich der Regenerator dem Oberteil des Zylinders nähert. Dies vollendet den Zwei-Takt-Zyklus.
5a-h zeigt die Abfolge der Ereignisse für einen regenerierten Heiß-Kolbenmotor mit Zwei-Takt-Zyklus, der eine externe Verdichtung und ein effektives Verdichtungsverhältnis einsetzt, welches geringer ist als das effektive Expansionsverhältnis. Dieser Motor ist der gleiche, wie der der 2, ausgenommen, daß das Auslaßventil der 2 durch einen Auslaßanschluß (7) ersetzt worden ist. Der in 2 gezeigte Motor könnte auch den hier beschriebenen Zyklus durchführen.
Zu Beginn des Verdichtungshubes (a) ist der Kolben in seiner unteren Totpunktposition, der Auslaßanschluß ist aufgedeckt, der Regenerator ist benachbart zum Kolben und das Einlaßventil ist geschlossen. Die heiße Seite des Regenerators ist am nächsten zum Kolben und die kalte Seite weist zum Zylinderkopf hin. Wenn der Kolben und der Rege nerator beginnen, sich nach oben zu bewegen, öffnet sich das Einlaßventil (b) und unter Druck gesetztes Arbeitsströmungsmittel tritt in den Zylinder ein, wobei es das verbrauchte Arbeitsströmungsmittel herausdrückt. Wenn der Kolben und der Regenerator weiter steigen, wird der Auslaßanschluß verdeckt (c). Frisches Arbeitsströmungsmittel tritt weiter in den Zylinder ein, bis der Druck ungefähr gleich dem in der Einlaßsammelleitung ist. Das Ventil schließt dann (d).
Wenn sich der Kolben und der Regenerator dem Oberteil des Zylinders nähern, beginnt der Regenerator, sich vom Kolben weg und zum Zylinderkopf hin zu bewegen (e). Wenn sich der Regenerator bewegt, wird das komprimierte Arbeitsströmungsmittel durch den Regenerator hindurchgedrückt, und zwar von der kalten Seite zur heißen Seite. Wenn sich das Arbeitsströmungsmittel durch den Regenerator hindurchbewegt, absorbiert es Wärme von ihm. Brennstoff wird dann in das heiße Volumen zwischen dem sich bewegenden Regenerator und dem Kolben eingespritzt (f). Der Kolben vollendet seinen Kompressions- bzw. Verdichtungshub und beginnt seinen Expansionshub. Während des ersten Viertels des Expansionshubes des Kolbens erreicht der Regenerator den Zylinderkopf und bleibt benachbart zum Zylinderkopf. Wenn der Kolben in der mittleren Position seines Expansionshubes ist, beginnt der Regenerator, sich nach unten zum Kolben hin zu bewegen (g). Der Regenerator holt den Kolben zu ungefähr der Zeit ein, zu der der Kolben den Auslaßanschluß aufdeckt (h).
Für sowohl die Kalt-Kolben- als auch die Heiß-Kolbenversion dieses Motors ist es erforderlich, daß das frische Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder während des Verdichtungshubes des Kolbens eingeleitet wird. Um einen ausreichenden Fluß in den Zylinder während der relativ kurzen, für den Einlaßfluß verfügbaren Zeit vorzusehen, könnten verschiedene bzw. mehrere und große Einlaßventile verwendet werden. Wenn der vom externen Kompressor gelieferte Druck verringert wird, dann wird die Leistung des Motors verringert werden. Der Brennstoffwirkungsgrad des Motors wird jedoch noch hoch sein. Dies kommt daher, daß (1) ein größeres Expansions/Verdichtungsverhältnis thermodynamisch wirkungsvoller ist, und (2), daß die niedrigeren Temperaturen nach der Verdichtung eine größere regenerative Wärmeübertragung bieten, was weiter den Wirkungsgrad verbessert. Somit ist ein niedrigeres effektives Verdichtungsverhältnis als das Expansionsverhältnis, insbesondere für einen regenerierten Motor nützlich. Sogar wenn der externe Kompressor eliminiert wird (d.h. ein natürlich beatmeter Motor) sind die Vorteile dieses Ansatzes wesentlich.
Es sei auch bemerkt, daß bei den Motoren in 4 oder 5 der Fluß durch das Einlaßventil umgekehrt werden wird, wenn das Einlaßventil offengehalten wird, wenn die Einlaß- und Zylinderdrücke gleich sind. Dies wird einen Ausstoß von einem Teil des frischen Arbeitsströmungsmittels zur Folge haben und eine weitere Reduzierung des effektiven Verdichtungsverhältnisses. Dies wird Leistung verringern, jedoch wird es einen hohen Wirkungsgrad bieten. Ein ähnlicher Effekt kann durch ein Schließen des Ventils erreicht werden, bevor die Drücke gleich sind.
6a-i bildet die Abfolge von Schritten ab, die erforderlich ist, um einen Vier-Takt-Zyklus mit einem effektiven Verdichtungsverhältnis auszuführen, welches geringer ist als das Expansionsverhältnis, und zwar in einem regenerierten Kalt-Kolbenmotor. Diese Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses wird durch Schließen des Einlaßventils während des Einlaßhubes durchgeführt, wodurch die Arbeitsströmungsmittelmenge verringert wird, die in dem Zylinder wäre, wenn das Verschließen des Einlasses verzögert würde. Die in 6 gezeigte Motorkonstruktion für diese Beschreibung des Motorprozesses ist die gleiche, wie die der 1.
Zu Beginn des Auslaßhubes (a) ist der Kolben in seiner unteren Totpunktposition, der Regenerator ist benachbart zum Zylinderkopf, das Einlaßventil ist geschlossen und das Auslaßventil hat sich gerade geöffnet. Der Kolben bewegt sich nun in seine obere Totpunktposition, die genau unterhalb der Ventile liegt. Dies ist der Auslaßhub, wodurch verbrauchtes Arbeitsströmungsmittel aus dem Zylinder ausgestoßen wird. Wenn der Kolben das Ende dieses Auslaßhubes erreicht, wird das Einlaßventil geöffnet (b). Das Auslaßventil wird geschlossen, wenn der Kolben beginnt, sich zu seiner unteren Totpunktposition hin zu bewegen, wodurch ein Einlaßhub ausgeführt wird, durch welchen frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder gezogen wird. An einem gewissen Punkt während dieses Einlaßhubes (c) wird das Einlaßventil geschlossen. Durch frühes Schließen dieses Ventils wird die Arbeitsströmungsmittelmenge, die in dem Zylinder enthalten ist, reduziert, und zwar von der im Fall, daß das Einlaßventil länger offengeblieben wäre. Dies ist ein einzigartiges Merkmal, welches diesen Betriebszylklus von dem von anderen regenerierten Vier-Takt-Motorbetriebszyklen unterscheidet.
Der Kolben setzt seine Bewegung zum Unterteil des Zylinders fort (d). Der Kolben bewegt sich dannn aus seiner unteren Totpunktposition in seine obere Totpunktposition, wodurch er einen Verdichtungshub ausführt, wodurch das Arbeitsströmungsmittel komprimiert wird. Wenn der Kolben sich seiner oberen Totpunktposition nähert, beginnt der Regenerator, sich weg vom Zylinderkopf und zum Kolben hin zu bewegen (f). Wenn er sich bewegt, geht das Arbeitsströmungsmittel durch den Regenerator vom kalten Volumen unterhalb des Regenerators zum heißen Volumen über ihm. Wenn das Arbeitsströmungsmittel durch den Regenerator hindurchläuft, absorbiert er Wärme vom Regenerator. Brennstoff wird in das heiße Volumen über dem sich bewegenden Regenerator eingespritzt, wenn der Kolben sich seiner oberen Totpunktposition nähert und beginnt, sich nach unten zu bewegen, und zwar in seinem darauffolgenden Expansionshub (g). Der Regenerator bewegt sich schneller nach unten als der Kolben und trifft ihn während des ersten Viertels des Expansionshubes des Kolbens (h). Der Regenerator bewegt sich dann mit dem Kolben weg vom Zylinderkopf. während des Mittelteils des Expansionshubes des Kolbens kehrt der Regenerator seine Richtung um und beginnt, sich zurück zum Zylinderkopf zu bewegen (i). Wenn er sich durch das Auslaßströmungsmittel bewegt, läuft das heiße Auslaßströmungsmittel durch den Regenerator, und zwar von der heißen zur kalten Seite, und gibt Wärme an den Regenerator ab. Der Regenerator erreicht den Zylinderkopf ungefähr zu der Zeit, zu der sich das Auslaßventil öffnet.
7a-i bildet die Abfolge von Schritten ab, die erforderlich ist, um einen Vier-Takt-Zyklus mit einem effektiven Verdichtungsverhältnis auszuführen, welches geringer ist als das Expansionsverhältnis, und zwar in einem regenerierten Kalt-Kolbenmotor. Diese Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses wird dadurch durchgeführt, daß das Einlaßventil während eines wesentlichen Teils des Verdichtungshubes offengehalten wird, was bewirkt, daß einiges bzw. ein Teil des frischen Arbeitsströmungsmittels aus dem Zylinder herausgedrückt wird und dadurch die Arbeitsströmungsmittelmenge im Zylinder reduziert wird.
Die in 7 gezeigte Motorkonstruktion für diese Beschreibung der Motorprozesse ist die gleiche, wie die der 1.
Mit Bezug auf 7 sind der Auslaßhub und der erste Teil des Einlaßhubes (a bis b bis c) identisch mit denen der 6. In 7 bleibt jedoch das Einlaßventil während des Einlaßhubes und bis in den darauffolgenden Verdichtungshub offen (d bis e). Nachdem ein Teil des Arbeitsströmungsmittels zurück in die Einlaßsammelleitung gedrückt worden ist (e), schließt sich das Einlaßventil. Der Rest des Zyklusses (f bis i) ist identisch mit dem der 6.
8a-i bildet die Abfolge von Schritten ab, die erforderlich ist, um einen Vier-Takt-Zyklus mit einem effektiven Verdichtungsverhältnis auszuführen, welches geringer ist als das Expansionsverhältnis, und zwar in einem regenerierten Heiß-Kolbenmotor. Diese Verringerung des Verdichtungsverhältnisses wird durch Schließen des Einlaßventils während des Einlaßhubes durchgeführt, wodurch die Arbeitsströmungsmittelmenge verringert wird, die im Zylinder wäre, wenn das Verschließen des Einlasses verzögert werden würde. Die in 6 gezeigte Motorkonstruktion für diese Beschreibung des Motorprozesses ist die gleiche, wie die der 2.
Zu Beginn des Auslaßhubes (a) ist der Kolben in seiner unteren Totpunktposition, der Regenerator ist benachbart zum Kolben, das Einlaßventil ist geschlossen und das Auslaßventil ist offen. Die heiße Seite des Regenerators weist zum Kolben hin und die kalte Seite weist zum Zylinderkopf hin. Der Kolben bewegt sich dann in seine obere Totpunktposition, wodurch verbrauchtes Arbeitsströmungsmittel aus dem Zylinder durch das Auslaßventil gedrückt wird. Der Regenerator bleibt benachbart zum Kolben. Nahe der Vollendung des Auslaßhubes (b) öffnet sich das Einlaßventil, wodurch der Fluß von frischem Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder zugelassen wird. Das Auslaßventil schließt sich, wenn der Kolben beginnt, sich zu seiner unteren Totpunktposition hin zu bewegen, wodurch ein Einlaßhub ausgeführt wird, wodurch zusätzliches frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder eintritt (c). Der Regenerator bleibt benachbart zum Kolben. Zu einer gewissen Zeit während dieses Einlaßhubes schließt sich das Einlaßventil (d), wodurch die Arbeitsströmungsmittelmenge verringert wird, die in den Zylinder eintreten würde, wenn das Einlaßventil länger offen geblieben wäre.
Nach dem Einlaßhub bewegt sich der Kolben aus seiner unteren Totpunktposition (e) in seine obere Totpunktposition, wodurch ein Kompressions- bzw. Verdichtungshub ausgeführt wird. Der Regenerator bleibt benachbart zum Kolben bis nahe dem Ende dieses Verdichtungshubes. An jenem Punkt beginnt er, sich vom Kolben weg und zum Zylinderkopf hin zu bewegen (f). Brennstoff wird in die Region zwischen dem sich bewegenden Regenerator und dem Kolben eingeleitet, wenn der Kolben seinen Verdichtungshub vollendet und seinen darauffolgenden Expansionshub beginnt (g). Der Regenerator erreicht den Zylinderkopf während des ersten Viertels des Expansionshubs des Kolbens (h) und bleibt benachbart zum Kopf, bis der Kolben nahe der Mitte seines Expansionshubes ist. Der Regenerator bewegt sich dann zum Kolben hin (i), wobei er ihn erreicht und benachbart zum Kolben bleibt, wenn sich der Kolben seiner unteren Totpunktposition nähert. Dies vollendet den Zyklus.
9a-i bildet die Abfolge von Schritten ab, die erforderlich ist, um einen Vier-Takt-Zyklus mit einem effektiven Kompressions- bzw. Verdichtungsverhältnis auszuführen, welches geringer ist als das Expansionsverhältnis, und zwar in einem regenerierten Heiß-Kolbenmotor. Diese Verringerung des Verdichtungsverhältnisses wird durch Offenhalten des Einlaßventils während eines wesentlichen Teils des Verdichtungshubes durchgeführt, was verursacht, daß ein Teil des frischen Arbeitsströmungsmittels aus dem Zylinder herausgedrückt wird, und wobei dadurch die Arbeitsströmungsmittelmenge im Zylinder verringert wird. Die in 9 für diese Beschreibung des Motorprozesses gezeigte Motorkonstruktion ist die gleiche, wie die der 2.
Mit Bezug auf 9 sind der Auslaßhub und der erste Teil des Einlaßhubes (a bis b bis c) identisch mit denen der 8. Das Einlaßventil bleibt nun jedoch während des Einlaßhubes und bis in den darauffolgenden Verdichtungshub offen (c bis d). Nachdem ein Teil des Arbeitsströmungsmittels zurück in die Einlaßsammelleitung gedrückt worden ist (d), schließt sich das Einlaßventil (e). Der Rest des Zyklusses (f bis i) ist identisch mit dem der 8.
Frühere regenerierte Motoren sind direkt einspritzende Bauarten, d.h. der Brennstoff wird direkt in das Verbrennungsgebiet bzw. den Brennraum (das heiße Volumen) des Zylinders eingespritzt. Es ist auch möglich, den Brennstoff an anderen Stellen einzuleiten. Solche Ansätze weisen folgendes auf: die Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder auf der kalten Seite des Regenerators, die Einspritzung von Brennstoff in das Arbeitsströmungsmittel in der Einlaßsammelleitung vor dem Einlaufen in den Zylinder und die Verwendung von herkömmlichen Vergasern oder ande ren Vorrichtungen, um den Brennstoff zu zerstäuben und zu verdampfen, und ihn mit dem Arbeitsströmungsmittel vor dem Eintritt in die Einlaßsammelleitung zu vermischen.
Es ist wichtig, zu erkennen, daß die Stelle der Einspritzung nicht dieselbe wie die Stelle sein muß, wo die Verbrennung auftritt. Wenn die direkte Einspritzung in die Verbrennungsregion bzw. Brennkammer nicht eingesetzt wird, muß die Mischung von Reaktionsmitteln (d.h. der Brennstoff und die Luft) meistens durch den Regenerator hindurchgehen, und zwar vor dem Auslassen des Hauptteils der Wärme aus ihm. Da es keinen Fluß durch den Regenerator hindurch bis zum Beginn des regenerativen Heizhubes gibt, und da die Verbrennung bei ungefähr (oder geringfügig nach) dem Beginn dieses Heizhubes beginnen sollte, kann es möglich bzw. nötig sein, Mittel zum Zünden der Mischung vorzusehen, die auf der Einleitung dieses Flusses durch den Regenerator basiert.
Die heiße Seite des Regenerators selbst kann als die Zündquelle für die Mischung von Reaktionsmitteln dienen. Das Problem dabei ist, daß die Mischung in Kontakt mit den heißen Teilen des Regenerators ist, und zwar lange bevor die Zündung erwünscht ist. Daher muß ein Merkmal vorgesehen sein, welches die Zündung bis zur gewünschten Zeit verhindert. Es gibt mehrere Möglichkeiten. Als erstes, da das heiße Volumen erst beim Beginn des regenerativen Heizhubes existiert, werden die Reaktionsmittel, die der heißen Seite des Regenerators ausgesetzt sind, innerhalb der porösen Struktur des Regenerators eingeschlossen sein. Wenn diese Poren ausreichend klein sind, werden sie als eine Flammensperre wirken und die Zündung der Mixtur verhindern (oder verzögern). Wenn der Regenerator beginnt, sich zu bewegen (der Beginn des Heizhu bes), wird die sehr heiße Mischung aus dem Regenerator transportiert, wo sie spontan reagieren wird.
Ein weiterer Faktor, der dazu tendieren wird, die Zündung bis zur ordnungsgemäßen Zeit zu verzögern, ist die kompressive Aufheizung bzw. Aufheizung durch Verdichtung und der Druckanstieg der Mischung der Reaktionsmittel, der während des Verdichtungshubes auftritt. Wenn die Drücke und die Gesamttemperaturen nahe dem Ende des Verdichtungshubes und dem Beginn des regenerativen Heizhubes ansteigen, wird die Mischung schneller reagieren, wodurch eine zeitgerechte Zündung vorgesehen wird. In Kombination mit der Lösung bzw. der Entfernung der Mixturen von den reaktionsunterdrückenden Effekten des Regenerators, würde dies einfache Mittel vorsehen, durch welche eine Zündung erreicht werden könnte.
Schließlich kann eine Zündquelle, wie beispielsweise eine Glühkerze oder eine Zündkerze, die in der heißen Seite des Regenerators gelegen ist (d.h. im heißen Volumen) verwendet werden, um die Mischung der Reaktionsmittel zu zünden, die durch den Regenerator fließen.
10 stellt die beiden regenerierten Motoren der 1 und 2 dar, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 derart bewegt wird, daß sie Brennstoff in das kalte Volumen 12 einspritzt. Dies sorgt für die direkte Einspritzung von Brennstoff in das Arbeitsströmungsmittel im kalten Volumen. Diese Einspritzung kann zu jeglicher Zeit auftreten, nachdem sich das Auslaßventil schließt, d.h. während des Einlaßhubes oder während des Verdichtungshubes. Dieser Ansatz kann auch auf alle anderen Arten von regenerierten Motoren angewandt werden.
11 zeigt die beiden regenerierten Motoren der 1 und 2, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 derart bewegt wird, daß sie Brennstoff in die Einlaßsammelleitung 13 einspritzt. Auf diese Weise wird der Brennstoff verdampft und zerstäubt und wird in den Zylinder durch das Arbeitsströmungsmittel transportiert, wenn es in das kalte Volumen 12 durch das Einlaßventil 6 eintritt. Der Brennstoff könnte auch an anderen Stellen in die Einlaßsammelleitung eingeleitet werden. Er könnte auch in das Arbeitsströmungsmittel durch herkömmliche Vergaser eingeleitet werden. Dieser Ansatz kann auch auf alle anderen Arten von regenerierten Motoren angewandt werden.
Eine Hauptsorge bei den meisten Konstruktionen für regenerierte Motoren ist die Anordnung und Größe der Einlaß- und Auslaßmittel. Das Arbeitsströmungsmittel muß in und aus dem kalten Volumen fließen. Für einen regenerierten Kalt-Kolbenmotor bedeutet dies, daß die Flußdurchlässe im Kolben, in der Zylinderwand unterhalb des Zylinderkopfes, dem Regenerator oder in Kombination dieser sein müssen. Nichts davon ist bei herkömmlichen Motoren üblich, obwohl Motoren mit Anschlüssen in der Wand des Zylinders, die vom Kolben verdeckt und abgedeckt werden, für viele Zwei-Takt-Motoren üblich sind. Das Anordnen der Ventile in der Zylinderwand, insbesondere bündig montierte Ventile, wie hier gezeigt, wäre eine schwierige und herausfordernde Aufgabe.
Für regenerierte Heiß-Kolbenmotoren können die Ventile im Zylinderkopf angeordnet werden, eine herkömmlichere Anordnung. Wenn jedoch die Regeneratorantriebsstange auch den Kopf durchdringt, wird der für diese Ventile verfügbare Raum verringert werden. Da größere Ventile zum ver besserten Volumenwirkungsgrad immer erwünscht sind, könnte dies ein Problem darstellen.
Um diese Ventilbemessungs- und -anordnungssituation für sowohl Heiß- als auch Kalt-Kolbenmotoren zu verbessern, kann die Regeneratorantriebsstange als Mittel verwendet werden, um Arbeitsströmungsmittel in, aus oder in und aus dem Zylinder fließen zu lassen. Es wird erwartet, daß der Fluß durch das Rohr nur einen Teil des Einlaß- oder Auslaßflusses liefern wird und wahrscheinlich nicht beide. Es ist jedoch möglich, daß der gesamte Einlaßfluß oder Auslaßfluß oder beide durch eine Antriebsstange mit einem ausreichend großen Innendurchmesser oder durch Mehrfach-Antriebsstangen vorgesehen werden kann.
12 zeigt zwei verschiedene Versionen einer Regeneratorantriebsstange, die auch als Mittel funktioniert, um Arbeitsströmungsmittel einzulassen und auszustoßen. Jede zeigt die zwei Enden der Antriebsstange. Die zwei gezeigten Versionen sind auf die zwei möglichen Situationen anwendbar. In 12a ist die Regeneratorantriebsstange am Regenerator von der heißen Seite des Regenerators her befestigt (d.h. die Stange geht durch das heiße Volumen). In 12b ist die Regeneratorantriebsstange am Regenerator von der kalten Seite des Regenerators her befestigt (d.h. die Stange geht durch das kalte Volumen). Die Konfiguration der 12a könnte beispielsweise auf einen regenerierten Kalt-Kolbenmotor angewandt werden, wobei die Antriebsstange in den Zylinder durch den Zylinderkopf eintritt.
Mit Bezug auf 12a ist der Regenerator 8 an der Antriebsstange 9 mittels einer Struktur 20 angebracht, die hier als ein Flansch gezeigt ist, der am unteren Ende der Antriebsstange angebracht ist, und in die kalte Seite des Regenerators eingebettet ist. Die Stange (eigentlich ein Rohr) geht durch den Regenerator und sieht eine Öffnung 29 von ihrem Inneren zum kalten Volumen auf der kalten Seite des Regenerators vor. Das Innere des Rohrs enthält eine Flußsteuervorrichtung, auf die im folgenden als ein Rückschlagventil 21 Bezug genommen wird. Dieses Rückschlagventil 21 gestattet den Fluß durch die Stange (in jeder Richtung) nur dann, wenn der Druck im Zylinder gleich oder geringfügig größer als der Druck im oberen Teil der Antriebsstange ist. Das heißt, das Ventil ist während der Einlaß- und Auslaßhübe offen, wenn der Druck im Zylinder relativ gering ist.
Nahe dem anderen Ende der Antriebsstange besitzt die Stange Öffnungen 26 und 27, die durch Ventile 22 und 23 mit der Einlaßsammelleitung 24 und der Auslaßsammelleitung 25 verbunden sind. Zu den geeigneten Zeiten im Motorbetriebszyklus werden entweder das Einlaßventil 22 oder das Auslaßventil 23 offen sein. Wenn der Druck im Zylinder niedrig genug ist, und wenn eines der Ventile offen ist, dann wird ein Fluß bzw. eine Strömung durch die Stange auftreten.
In 12b ist der Regenerator 8 an der Stange 9 über eine Struktur 20 angebracht, die hier als ein Flansch gezeigt ist, der am unteren Ende der Antriebsstange angebracht ist und in die kalte Seite des Regenerators eingebettet ist. Da der Fluß durch die Stange in das kalte Volumen eintreten und austreten muß, sind Löcher 28 im Rohr an einer gewissen Stelle über dem Anbringungspunkt des Regenerators vorgesehen. Das Ende des Rohrs ist verschlossen, so daß kein Fluß bzw. keine Strömung in oder durch den Regenerator hindurchgeht. Das Rückschlagventil 21 und das obere Ende der Antriebsstange sind mit denen der 12a identisch.
Die Verwendung der Regeneratorantriebsstange als Mittel für einen Einlaßfluß ist insbesondere nützlich, wenn sie auf den Motor der 3 angewandt wird. In diesem Fall kann der Fluß durch die Antriebsstange den ganzen oder einen Teil des Flusses durch das Einlaßventil ersetzen. Wenn die Antriebsstange den einzigen Flußpfad bietet, dann wird das in 3 gezeigte Einlaßventil weggelassen werden. Da der Regenerator während der Einlaß- und Auslaßprozesse an der Oberseite des Zylinders ist, ist die Spülung hervorragend, die dadurch vorgesehen wird, daß der Fluß in der Mitte und am Oberteil des Zylinders eintritt und am unteren Umfang austritt. Flügel und andere Flußverteilungs- oder -verwirbelungsvorrichtungen können innerhalb der Antriebsstange hinzugefügt bzw. vorgesehen werden, falls es erwünscht ist, die Spülung weiter zu begünstigen.
Es ist wichtig, daß der Regenerator durch das gesamte innere Zylindervolumen laufen kann. Wenn Regionen innerhalb des Zylinders existieren, durch die der Regenerator nicht hindurchgehen kann, können diese Regionen einen Teil des Arbeitsströmungsmittels vor dem regenerativen Heiz- und Kühlprozeß "schützen". Komprimiertes Arbeitsströmungsmittel, welches in diesen Regionen eingeschlossen ist, kann nicht regenerativ aufgeheizt werden, und heiße Auslaßströmungsmittel, die in diesen Regionen eingeschlossen sind, können ihre thermische Energie nicht durch den Regenerator herausziehen lassen. Dies verringert den Wirkungsgrad des Motors.
Frühere regenerierte Kalt-Kolbenmotoren mit Ventilen ordneten diese Ventile in Durchlässen an, die mit dem Zylinder verbunden waren. Diese Durchlässe schützen einen Teil des Arbeitsströmungsmittels. Dementsprechend ist es sehr erwünscht, die Größe dieser Durchlässe zu minimieren. Ein Weg, dies zu tun, ist es, die Ventile derart zu montieren, daß sie mit der Zylinderwand bündig sind, wenn sie verschlossen sind. Eine bündige Montage setzt voraus, daß die Ventile perfekt konform mit der Form der Innenwand des Zylinders sein werden, wodurch Flußdurchlässe ohne Volumen zwischen den Ventilen und dem Zylinder vorgesehen werden.
Es ist klar, daß eine perfekte bündige Montage ein Ziel ist, und daß eine gewisse Abweichung von dieser mit minimalen Leistungsverlusten akzeptiert werden kann. Beispielsweise könnte, um runde Sitzventile mit flachem Boden zu verwenden, eine flache Region in der Innenwand des Zylinders vorgesehen werden, die das Ventil aufnehmen und einen Sitz dafür vorsehen würde. Dies würde nur eine sehr kleine Region vorsehen, die nicht vom Regenerator durchlaufen werden könnte. Ventile, die in der Zylinderwand bündig montiert sind, oder nahezu bündig, wie gerade beschrieben, werden als "bündig montierte" oder "im wesentlichen bündig montierte " Ventile bezeichnet. Zu diesen Zwecken hier haben die zwei Beschreibungen die gleiche Bedeutung.
Anschlüsse oder Öffnungen in der Zylinderwand oder eine ringförmige Hülse wirken auch effektiv als bündig montierte Ventile dahingehend, daß sie kein Volumen vorsehen, welches Arbeitsströmungsmittel vor dem Regenerator schützten kann.
Ventile in der Zylinderwand können derart gelegen sein, daß die Kolbenstirnseite oder die Kolbenringe über sie hinüberlaufen können oder es nicht können. Die Ventilzeitsteuerung wird natürlich kritisch sein, insbesondere, wenn sie derart gelegen sind, daß der Kolben sie treffen kann, wenn sie geöffnet sind. Es kann auch möglich sein, Ventile einzusetzen, die zum Äußeren des Zylinders hin öffnen. Schließlich können die Ventile von irgendeinem dieser Motoren durch eine Vielzahl von Mechanismen betrieben werden, die beispielsweise folgende sein können: herkömmliche oder hydraulische Hebevorrichtungen und Kipphebel bzw. Kipparme, Ventilmechanismen, die eine variable Zeitsteuerung vorsehen (als eine Funktion der Motordrehzahl oder -last), und elektromechanische (elektromagnetbetriebene) Mechanismen.
Die Ventilöffnungsüberlappung, die Regeneratorheizhub-Zeitsteuerung und -bewegung, die Verwendung eines regenerativen Kühlhubes und die Regeneratorkühlhub-Zeitsteuerung und -bewegung sind alle in den Betriebssequenzen vorgesehen, die in den 13 bis 16 gezeigt sind. Die Betriebssequenzen weichen von denen der 4 bis 9 dahingehend ab, daß diese Motoren keine effektiven Kompressions- bzw. Verdichtungsverhältnisse haben sollen, die wesentlich anders als die effektiven Expansionsverhältnisse sind.
13a-i zeigt die Abfolge von Vorgängen eines regenerierten Kalt-Kolbenmotors, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet. Der gezeigte Motor ist derselbe, wie der der 1, jedoch sind nur die Hauptkomponenten gezeigt. Dies sind folgende: der Zylinder 1, der Zylinderkopf 2, der Kolben 3, das Einlaßventil 6, das Auslaßventil 7, der Regenerator 8, die Regeneratorantriebsstange 9 und die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10.
Die Sequenz beginnt, wenn der Kolben nahe seiner unteren Totpunktposition ist, wenn der Regenerator benachbart zum Zylinderkopf ist, das Einlaßventil geschlossen ist, und das Auslaßventil sich gerade geöffent hat (a). Der Kolben bewegt sich dann in seine obere Totpunktposition, wobei er einen Auslaßhub durchführt, wodurch verbrauchtes Auslaßströmungsmittel bzw. Abgas aus dem Auslaßventil herausgedrückt wird. Nahe dem Ende dieses Auslaßhubes öffnet sich das Einlaßventil (b). Der Kolben beginnt dann, sich weg von seiner oberen Totpunktposition in seinem Einlaßhub zu bewegen. Das Auslaßventil schließt sich (c) und der Kolben bewegt sich dann in seine untere Totpunktposition, wodurch der Einlaßhub vollendet wird und frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder eingeleitet wird. Während des frühen Teil des darauffolgenden Verdichtungshubes des Kolbens bleibt das Einlaßventil offen (d). Es bleibt für eine Zeit offen, die lange genug ist, um sicherzustellen, daß soviel Arbeitsströmungsmittel wie möglich in den Zylinder eingelaufen bzw. eingetreten ist. Es wird nicht beabsichtigt, daß es lange genug offen bleibt, daß Arbeitsströmungsmittel aus dem Einlaßventil herausgedrückt wird (was der Fall für den in 7 dargestellten Motorbetrieb war).
Das Einlaßventil schließt sich dann und der Kolben führt weiter den Rest seines Verdichtungshubes aus (e). Gerade vor der Vollendung dieses Verdichtungshubes beginnt der Regenerator, sich vom Zylinderkopf weg und zum Kolben hin in seinem regenerativen Heizhub zu bewegen (f). Wenn der Kolben seinen Kompressions- bzw. Verdichtungshub vollendet und seinen Expansionshub beginnt, wird der Brennstoff in den Freiraum zwischen dem sich bewegenden Regenerator und dem Zylinderkopf (g) eingespritzt. Während der Brennstoff mit dem Arbeitsströmungsmittel reagiert und der Kolben seinen Expansionshub fortsetzt, fährt der Regenerator fort, sich zum Kolben hin zu bewegen. Die Bewegung und Zeitsteuerung dieses Teils des regenerativen Heizhubes sind derart, daß der Fluß durch den Regenerator immer zum heißen Volumen geht, wo der Brennstoff reagiert. Wäh rend des ersten Viertels des Expansionshubs des Kolbens überholt der Regenerator den Kolben und bewegt sich weiter mit ihm (h). Wenn des Expansionshub des Kolbens ungefähr halb vollständig ist, kehrt der Regenerator seine Richtung um, und beginnt, sich zurück zum Zylinderkopf in seinem regenerativen Kühlhub zu bewegen (i). Der Regenerator vollendet diesen Kühlhub, wenn sich der Kolben seiner unteren Totpunktposition nähert, und das Auslaßventil sich öffnet. Dies vollendet den Betriebszyklus.
14a-i stellt die Betriebssequenz eines regeneriertten Heiß-Kolbenmotors dar, der in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet. Der gezeigte Motor ist der gleiche, wie der von 2, es sind jedoch nur die Hauptkomponenten gezeigt.
Der Betriebszyklus beginnt, wenn der Kolben in seiner unteren Totpunktposition ist, wenn der Regenerator benachbart zum Kolben ist, wenn das Einlaßventil geschlossen und das Auslaßventils gerade geöffnet worden ist (a). Der Kolben bewegt sich dann in seine obere Totpunktposition, wodurch ein Auslaßhub ausgeführt wird, wodurch das verbrauchte Arbeitsströmungsmittel aus dem Zylinder ausgestoßen wird. Der Regenerator bleibt während diese Auslaßhubes benachbart zum Kolben. Nahe der Vollendung dieses Auslaßhubes öffent sich das Einlaßventil (b). Der Kolben bewegt sich aus seiner oberen Totpunktposition in seine untere Totpunktposition, wodurch ein Einlaßhub ausgeführt wird und frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder durch das Einlaßventil eingeleitet wird. Nahe dem Start dieses Einlaßhubes wird das Auslaßventil geschlossen (c). Der Regenerator bleibt während dieses Einlaßhubes benachbart zum Kolben. Während des frühen Teils des darauffolgenden Verdichtungshubes des Kolbens bleibt das Einlaßventil offen (d). Es bleibt nur für eine Zeit offen, die lange genug ist, um sicherzustellen, daß soviel Arbeits strömungsmittel wie möglich in den Zylinder eingetreten ist. Es wird nicht beabsichtigt, daß das Einlaßventil lange genug offen bliebt, daß Arbeitsströmungsmittel zurück aus dem Einlaßventil hinaus gedrückt wird (was der Fall für den in 9 dargestellten Motorbetrieb war).
Das Einlaßventil schließlich sich dann und der Kolben fährt fort, den Rest seines Verdichtungshubes auszuführen (e). Der Regenerator bleibt benachbart zum Kolben. Gerade vor der Vollendung dieses Verdichtungshubes beginnt der Regenerator, sich vom Kolben weg und zum Zylinderkopf hin in seinem regenerativen Heizub zu bewegen (f). Wenn der Kolben seinen Verdichtungshub vollendet und seinen Expansionshub beginnt, wird Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator und dem Kolben eingespritzt (g). Wenn der Brennstoff mit dem Arbeitsströmungsmittel reagiert, und der Kolben seinen Expansionshub fortsetzt, fährt der Regenerator fort, sich zum Zylinderkopf hin zu bewegen. Die Bewegung und Zeitsteuerung dieses Teils des regenerativen Heizhubes sind derart, daß der Fluß durch den Regenerator immer zu dem heißen Volumen hin geht, wo der Brennstoff reagiert. Während des ersten Viertels des Expansionshubes des Kolbens erreicht der Regenerator den Zylinderkopf und bleibt benachbart zu ihm (h). Wenn der Expansionshub des Kolbens ungefähr halb vollendet ist, beginnt der Regenerator, sich zurück zum Kolben in seinem regenerativen Kühlhub zu bewegen (i). Der Regenerator vollendet diesen Kühlhub, wobei er den Kolben erreicht und benachbart zu ihm bleibt, wenn der Kolben sich seiner unteren Totpunktposition nähert, und das Auslaßventil sich öffnet. Dies vollendet den Betriebszyklus.
15a-h zeigt die Abfolge von Operationen für einen regenerierten Kalt-Kolbenmotor, der in einem Zwei-Takt- Zyklus arbeitet. Nur die Hauptkomponenten dieses Motors sind gezeigt. Dies sind folgende: der Zylinder 1, der Zylinderkopf 2, der Kolben 3, der Einlaßanschluß 6, der Auslaßanschluß 7, der Regenerator 8, die Regeneratorantriebsstange 9 und die Brennstoffeinspritzvorrichtung 10. Jeder oder beide der Einlaß- und Auslaßanschlüsse könnte durch Ventile ersetzt werden, die eine größere Flexibilität bei den Öffnungs- und Schließzeiten bieten würden. Der Einlaßanschluß ist geringfügig niedriger gelegen als der Auslaßanschluß, so daß der Auslaßanschluß vom Kolben vor dem Einlaßanschluß aufgedeckt wird.
Die Sequenz beginnt, wenn der Kolben nahe seiner unteren Totpunktposition ist, wenn der Regenerator benachbart zum Zylinderkopf ist, und die Einlaß- und Auslaßanschlüsse gerade geöffnet worden sind (a). Wenn der Kolben in oder nahe seiner unteren Totpunktposition ist, fließt frisches Arbeitsströmungsmittel durch den Einlaßanschluß ein und drückt verbrauchtes Arbeitsströmungsmittel aus dem Auslaßanschluß. Der Kolben beginnt dann, sich zum Zylinderkopf hin zu bewegen (b), wobei er den Einlaßanschluß und dann den Auslaßanschluß verdeckt (c). Der Kolben bewegt sich dann in seine obere Totpunktposition, wodurch er einen Verdichtungshub ausführt und das im Zylinder eingeschlossene Arbeitsströmungsmittel komprimiert. Gerade vor der Vollendung dieses Verdichtungshubes beginnt der Regenerator, sich vom Zylinderkopf weg und zum Kolben hin in seinem regenerativen Heizhub zu bewegen (d). Wenn der Kolben seinen Verdichtungshub vollendet und seinen Expansionshub beginnt, wird Brennstoff in dem Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator und dem Zylinderkopf eingespritzt (e). Wenn der Brennstoff mit dem Arbeitsströmungsmittel reagiert, und der Kolben seinen Expansionshub fortsetzt, fährt der Regenerator fort, sich zum Kolben hin zu bewegen. Die Bewegung und Zeitsteuerung dieses Teils des regenerativen Heizhubes sind derart, daß der Fluß durch den Regenerator immer zum heißen Volumen hin geht, wo der Brennstoff reagiert. Während des ersten Viertels des Expansionshubes des Kolbens überholt der Regenerator den Kolben und bewegt sich weiter mit ihm (g). Wenn der Expansionshub des Kolbens ungefähr halb vollendet ist, kehrt der Regenerator seine Richtung um und beginnt, sich zum Zylinderkopf in seinem regenerativen Kühlhub zu bewegen (h). Der Regenerator vollendet diesen Kühlhub, wenn sich der Kolben seiner unteren Totpunktposition nähert. Dies vollendet den Betriebszyklus.
16 stellt die Abfolge von Operationen für einen regenerierten Heiß-Kolbenmotor dar, der in einem Zwei-Takt-Zyklus arbeitet. Der Motor ist mit dem in 5 gezeigten identisch.
Der Betriebszyklus beginnt, wenn der Kolben in seiner unteren Totpunktposition ist, wenn der Regenerator benachbart zum Kolben ist, und die Einlaß- und Auslaßanschlüsse gerade geöffnet worden sind (a). Der Kolben und der Regenerator bewegen sich dann zusammen zum Zylinderkopf hin, wodurch der Einlaßanschluß und darauffolgend der Auslaßanschluß verdeckt werden (b-c). Der Kolben bewegt sich dann in seine obere Totpunktposition (d), wobei er den Rest seines Verdichtungshubes ausführt. Der Regenerator bleibt benachbart zum Kolben. Gerade vor der Vollendung dieses Verdichtungshubes beginnt der Regenerator, sich vom Kolben weg und zum Zylinderkopf hin in seinem regenerativen Heizhub zu bewegen (e). Wenn der Kolben seinen Verdichtungshub vollendet und seinen Expansionshub beginnt, wird Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator und dem Kolben eingespritzt (f). Wenn der Brennstoff mit dem Arbeitsströmungsmittel reagiert und der Koben seinen Expansionshub fortsetzt, fährt der Regenerator fort, sich zum Zylinderkopf hin zu bewegen. Die Bewegung und Zeitsteuerung des regenerativen Heizhubes sind derart, daß der Fluß durch den Regenerator immer zum heißen Volumen hin geht, wo der Brennstoff reagiert. Während des ersten Viertels des Expansionshubs des Kolbens erreicht der Regenerator den Zylinderkopf und bleibt benachbart zu ihm. Wenn der Expansionshub des Kolbens ungefähr halb vollendet ist, beginnt der Regenerator, sich zurück zum Kolben hin in seinem regenerativen Kühlhub zu bewegen (g). Der Regenerator vollendet diesen Kühlhub, wobei er den Kolben erreicht und benachbart zu ihm bleibt, wenn sich der Kolben seiner unteren Totpunktposition nähert (h). Dies vollendet den Betriebszyklus.
Der Regenerator bietet eine hervorragende Katalysatortragstruktur. Er besitzt ein großes Oberflächengebiet und nahezu das gesamte Arbeitsströmungsmittel läuft zweimal durch ihn während jedes Zyklusses hindurch. Er ist auf einer hohen Temperatur, was oft für viele chemische Reaktionen wünschenswert ist. Katalysatoren werden verwendet, um die Zerstörung von Verunreinigungen zu begünstigen, wie beispielsweise Stickoxide, und sie werden auch verwendet, um eine Verbrennung zu begünstigen oder einzuleiten. Beispielsweise können Katalytasoren auf oder in einem Regenerator angeordnet werden, um die Reaktivität bzw. Reaktionsfreudigkeit des durch ihn hindurchlaufenden Strömungsmittels zu steigern. Wenn das Strömungsmittel Brennstoff enthält, könnte diese Steigerung der Reaktionsfreudigkeit dazu dienen, ihn zu zünden. Anderenfalls würde diese Steigerung der Reaktionsfreudigkeit chemische Vorreaktionen bewirken, die die Zündung oder Reaktion des Arbeitsströmungsmittels verbessern, wenn es in das heiße Volumen fließt. Katalytasoren könnten auch verwendet werden, um die Reaktion von irgendwelchem Partikelstoff bzw. Partikeln (beispielsweise Ruß) zu begünstigen oder von anderen unvollständig reagierten bzw. verbrannten Brennstoffprodukten, die in dem Regenerator eintreten. In Anwesenheit von geeigneten Katalytasoren könnte der Kohlenstoff-Ruß und andere im Regenerator eingeschlossene Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel für Stickoxide dienen.
Katalytasoren können auf den Innenflächen des gesamten oder eines Teils des Regenerators abgelagert werden. Katalytasoren, die am besten bei hohen Temperaturen funktionieren, können in den heißeren Regeneratorabschnitten angeordnet werden, während jene, die niedrigere Temperaturen erfordern, in den kälteren Abschnitten angeordnet werden können. Der große Temperaturgradient über den Regenerator bietet eine Auswahl der Temperaturbereiche bzw. Temperaturregieme. Regeneratoren mit katalytischen Beschichtungen können verwendet werden, um eine Verbrennung zu begünstigen oder zu verzögern (oder beides, abhängig von der lokalen und augenblicklichen Temperatur) und/oder um die Zerstörung von Verunreinigungen zu begünstigen (beispielsweise Stickoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Ruß).
Der Regenerator ist ein poröses Material, durch welches das Arbeitsströmungsmittel fließen wird und Energie mit dem Regenerator austauschen wird. Die kleinen Öffnungen innerhalb des Regenerators, durch welche das Arbeitsströmungsmittel fließt, können von gleichmäßiger Form und Größe sein (wie in einer Wabenstruktur oder einem Schirm bzw. einer Maske) oder sie können eine Vielzahl von Formen und Größen haben (wie in keramischen Schäumen, die aus netzförmigem bzw. vernetzten Plastikschaum hergestellt sind). Wenn die Öffnungen von nicht gleichförmiger Größe oder Form sind, wird ihnen im allgemeinen ein Mittelwert zugeordnet. Es wird beispielsweise bei vernetzten Plastikschäumen und ihren Ablegern, die Poren von ungleicher Größe besitzen, die Schaumporengröße allgemein bezüglich einer Anzahl von Poren pro Inch – einem Mittelwert- angegeben. Während nicht alle Poren diese Größe besitzen, wird ein Schaum mit 80 Poren pro Inch im Durchschnitt kleinere Flußdurchlässe besitzen, als ein Schaum mit 40 Poren pro Inch. Somit kann, ob das Regeneratormaterial Flußdurchlässe von gleichförmiger Größe und Form oder ungleichmäßiger Größe und Form besitzt, jedes solches Material einem durchschnittlichen oder repräsentativen Wert für die Größe seiner Flußdurchlässe zugeordnet werden. In der folgenden Besprechung beziehen sich alle Bezüge auf Flußdurchlaßgrößen auf die mittlere Flußdurchlaßgröße des Materials.
Bei der Konstruktion eines Regenerators ist der erste Gedanke, ein einziges Material für das Regeneratorwärmeübertragungs- und Speichermedium zu verwenden. Es gibt jedoch viele Gründe, unterschiedliche Regeneratormaterialien zu verwenden, wie in den folgenden Beispielen gezeigt.
Wie bei allen Wärmetauschern ist es vorteilhaft, ein großes Oberflächengebiet zu haben, um eine schnelle Wärmeübertragung und große Flußdurchlässe zu begünstigen, um einen Druckabfall zu minimieren. Unglücklicherweise haben große Flußdurchlässe im allgemeinen geringere Oberflächengebiete zur Folge. In den Regionen des Regenerators, wo die Temperaturen niedriger sind, wird die Dichte des durchfließenden Gases geringer sein. Dies bedeutet, daß die Geschwindigkeit des Gases in diesen kühleren Regionen niedriger sein wird, und daß der Druckabfall über diese Regionen viel geringer sein wird. Dieses Phänomen kann verwendet werden, um einen Regenerator zu konstruieren, der das Wärmeübertragungsoberflächengebiet maximiert, während er den Druckabfall minimiert. Wenn der Regenerator mit Flußdurchlässen von kleiner Größe in seinen kühleren Regionen konstruiert wird, kann der Druckabfall minimiert werden, während das Oberflächengebiet maximiert wird.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Materialien mit Flußdurchlässen von unterschiedlicher Durchschnittsgröße ist, daß Partikel (beispielsweise Ruß) leichter in Regionen mit kleineren Flußdurchlässen eingeschlossen werden. Durch Anordnen des Materials mit kleinerem Flußdurchlaß in einer Region mit vorteilhaften thermischen Bedingungen ist es möglich, diese Partikel in jener Region aufzufangen und aufzubewahren. Die Temperaturen in diesen Regionen können für die Verbrennung dieser Partikel oder zur Verwendung von Katalytasoren auf den Innenflächen des Regenerators dienlich sein, die wünschenswerte chemische Reaktionen mit den eingeschlossenen Partikeln begünstigen.
Als Beispiel zeigt 17a eine Regeneratorkonstruktion basierend auf diesem Prinzip. Die obere Region des Regenerators 30 liegt auf der heißen Seite des Regenerators. Diese obere Region wird aus einem Material mit kleineren Flußdurchlässen gebildet (beispielsweise 100 Poren pro Inch Siliciumnitrid-Schaum). Der Rest des Regenerators 31 ist aus einem Material mit größeren Flußdurchlässen gebildet (beispielsweise 70 Poren pro Inch Siliciumcarbid-Schaum). Die meisten von einer Verbrennung erzeugten Rußpartikel werden in den kleineren Flußdurchlässen der Region auf der heißeren Seite eingefangen werden, wo die Temperaturen am höchsten sind. Dies wird die Oxidation dieses Rußes begünstigen, wodurch Rußemissionen aus dem Motor verringert werden.
Kleinere Durchlässe bieten oft größere strukturelle Festigkeit im Regeneratormaterial. Diese Regionen mit kleineren Flußdurchlässen können so angeordnet werden, daß sie die Gesamtsteifigkeit und -festigkeit des Regenerators verbessern. Beispielsweise kann der Regenerator mit engen, radialen Armen aus Schaum mit kleineren Flußdurchlässen gebildet werden, die sich nach außen von der Mitte des Regenerators erstrecken.
Schließlich hat der Fluß durch den Regenerator während des regenerativen Heizhubes einen vorteilhaften Effekt auf die Verbrennung. Dieser Effekt ist aufgrund der Turbulenz, die der Regenerator im Verbrennungsgebiet gerade vor und während der Verbrennung erzeugen wird. Der Regenerator kann auch konstruiert sein, um eine starke Verwirbelung des Arbeitsströmungsmittels vorzusehen, welches in das Verbrennungsgebiet eintritt. Dies wird durch Variieren der Flußdurchlaßgrößen in unterschiedlichen Sektoren des Regenerators durchgeführt. Die Absicht ist, einen größeren Fluß durch den Regenerator in einigen Gebieten und einen geringeren Fluß in anderen zu erzeugen. Dies wird in großem Ausmaß Turbulenzen und Verwirbelungen im Verbrennungsgebiet zur Folge haben.
17b zeigt, wie dieses Konzept in der Praxis angewandt werden kann. Die linke Hälfte des Regenerators 30 ist aus einem Material mit kleineren Flußdurchlässen gebildet. Die rechte Seite 31 ist aus einem Material mit größeren Flußdurchlässen gebildet. Während des regenerativen Heizhubes wird der Fluß durch den Regenerator auf der rechten Seite größer als auf der linken Seite sein, was eine Verwirbelungsbewegung im heißen Volumen zur Folge hat.
Eine neue Materialklasse verspricht viel bei der Verwendung im Regenerator. Diese Materialien, auf die als "keramische Schäume" Bezug genommen wird, sind aus herkömmlichen vernetzten (mit offenen Poren) Plastikschäumen (beispielsweise Polyurethan) gemacht und besitzen die allgemeine Form davon. Der Plastikschaum wird in einen Kohlenstoff- bzw. Carbonschaum umgewandelt und dann mit einem keramischen, feuerfesten oder anderem Material beschichtet. Der Carbonschaum kann dann entfernt werden, was nur die Keramik übrigläßt. Der Beschichtungsprozeß kann auf verschiedenen Wegen durchgeführt werden, wie beispielsweise die Ablagerung von keramischen Schlämmen und chemische Dampfablagerung bzw. PVD (chemical vapor deposition) oder eine Infiltration. Das Endergebnis ist ein keramischer Schaum mit skelettförmiger Struktur, der aus einer großen Anzahl von nicht gleichförmigen, nicht ausgerichteten verbundenen Zellen oder Poren besteht, die durch Ligamente bzw. Bänder von festem Material getrennt werden. Diese Keramikschäume können aus vielen unterschiedlichen Materialien gebildet werden, wie beispielsweise gewöhnliche und feuerfeste Metalle, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Keramiken. Eine gewisse minimale Struktur kann erforderlich sein, um eine Unterstützung für den Keramikschaum vorzusehen, insbesondere wo er an der Antriebsstange angebracht ist.
Regenerierte Motoren erfordern Antriebsmittel, um den Regenerator zu den geeigneten Zeiten in den Zyklen zu bewegen. Der Regenerator kann durch eine oder mehrere Antriebsstangen bewegt werden, die durch den Zylinderkopf oder den Kolben hindurchgehen. Die Bewegung dieser Stangen kann durch Nocken, Ketten (beispielsweise eine Zeitsteuerkette), Zahnräder, Verbindungen, hydraulische Betätigungsvorrichtungen, elektrische Spulen bzw. Elektroma gneten, Kombinationen dieser oder durch andere herkömmliche Mittel gesteuert werden.
Irgendeines der Mittel, welches in Sterling-Motoren eingesetzt wird, um einen Verschieber zu bewegen (in machen Sterling-Motoren ist der Verschieber auch ein Regenerator), sowie die Kurbelvorrichtung, auf die als ein "rhombischer Antrieb" Bezug genommen wird, kann verwendet werden, um die Regeneratorantriebsstangen zu bewegen.
Der Regenerator kann durch eine zylindrische ringförmige Hülse bewegt werden, die zwischen dem Kolben und der Zylinderwand hindurchgeht. Die Bewegung der Hülse kann durch Nocken, Ketten, Zahnräder, Verbindungen, hydraulische Betätigungsvorrichtungen, Elektromagneten, Kombinationen von diesen oder andere herkömmliche Mittel gesteuert werden.
Der Regenerator kann vollständig oder teilweise durch eine Vorrichtung bewegt werden, auf die im folgenden als pneumatische Regeneratorhebevorrichtung Bezug genommen wird. Eine pneumatische Hebevorrichtung macht Gebrauch von den Drücken innerhalb des Zylinders und den dynamischen Kräften, die auf den Regenerator wirken, um die gesamte oder einen Teil der Kraft zu liefern, die erforderlich ist, um den Regenerator zu bewegen und zu positionieren. In einem regenerierten Kalt-Kolbenmotor bleibt der Regenerator benachbart zum Zylinderkopf, außer für eine Bewegung nach unten zum Kolben (den regenerativen Heizhub) und eine Rückbewegung (den regenerativen Kühlhub). In ähnlicher Weise bleibt der Regenerator in einem Heiß-Kolbenmotor benachbart zum Kolben, außer einer Bewegung zum Zylinderkopf und einer Rückbewegung. Die pneumatische Hebevorrichtung basiert auf der Tatsache, daß der Zylinderdruck immer dann am höchsten ist, wenn der Regenerator diese Bewegungen durchführen soll.
Es gibt eine Anzahl von Wegen, durch die dieses Konzept einer pneumatischen Regeneratorhebevorrichtung angewandt werden kann. Jedoch basieren alle auf den hier dargelegten Prinzipien. Die Basismerkmale eines Ausführungsbeispieles der pneumatische Hebevorrichtung sind in 18 gezeigt. In einem regenerierten Kalt-Kolbenmotor, wie die in den 1 und 3 gezeigten, könnte sie mit irgendeiner der Kalt-Kolben-Betriebssequenzen arbeiten, die hier dargelegt sind, wie beispielsweise in den 4, 6, 7, 13 und 15. Nur der Kompressions- bzw. Verdichtungs- und Expansionshub sind gezeigt. Auch sind nur Komponenten gezeigt, die erforderlich sind, um die Betriebssequenz der pneumatischen Hebevorrichtung zu zeigen.
Wie alle anderen regenerierten Motoren besitzt dieser Motor einen Kolben 3 (auf den manchmal hier als der große oder primäre Kolben bzw. Primärkoben Bezug genommen wird), und zwar innerhalb eines Zylinders 1, der an einem Ende von einem Zylinderkopf 2 verschlossen wird. Dieser Kolben enthält einen kleinen Innenzylinder 40, der zum Kurbelgehäuse auf einem Ende 41 offen ist und zum Inneren des Zylinders am anderen Ende 42 offen ist. Der Durchmesser dieses Innenzylinders ist in 18 zur Verdeutlichung übertrieben. Innerhalb dieses kleinen Innenzylinders ist ein kleiner oder Sekundärkolben 43, der an der Regeneratorantriebsstange 9 angebracht ist, die in den kleinen Zylinder durch die Öffnung 42 in der Kolbenstirnseite hineingeht. Eine Feder 44 ist an einem Ende am kleinen Kolben angebracht und am anderen Ende am oberen Teil des kleinen Zylinders. Diese Feder liefert gerade genug nach oben gerichtete Kraft auf den kleinen Kolben, um den Regenerator oben am Zylinder zu halten, wenn der große Kolben in seiner unteren Totpunktposition ist. Der kleine Kolben, die Antriebsstange und der Regenerator 8 werden durch die kombinierten Kräfte der Feder und der Druckdifferenz zwischen dem Zylinder und dem Kurbelgehäuse bewegt. Obwohl es klar ist, daß eine Anzahl von Federn und federartigen Vorrichtungen benötigt werden wird, oder vorteilhafterweise eingesetzt werden wird, um die Bewegung des Regenerators zu steuern, geht die folgende Besprechung des pneumatischen Hebevorrichtungskonzeptes nur von einer einzelnen Feder aus. Dies wird aus Zwecken der Verdeutlichung und Abkürzung getan.
Die Feder 44 ist an der Oberseite des Innenzylinders 40 und an der Unterseite des kleinen Kolbens 43 angebracht. Zu Beginn des Verdichtungshubes (a) (sowohl in einem Zwei- als auch in einem Vier-Takt-Motor) ist der große Kolben in seiner unteren Totpunktposition. Zu der Zeit ist die Feder nahe ihrer entspannten Position, wobei sie jedoch gerade genug Spannung besitzt, um den Regenerator an der Oberseite des Zylinders zu halten. Während des Verdichtungshubes (a bis b) steigt der große Kolben, was bewirkt, daß die Feder gestreckt bzw. ausgedehnt wird und den Regenerator fest gegen den Zylinderkopf hält. Wenn die Verbrennung auftritt, steigt der Zylinderdruck. Wenn der große Kolben sich seiner oberen Totpunktposition nähert, wird der Druck groß genug, um die Federspannung zu überwinden und drückt den Innenkolben nach unten. Da der kleine Kolben starr am Regenerator angebracht ist, bewegt sich der Regenerator zum ersten bzw. Primärkolben hin (b bis c). Wenn sich der Regenerator bewegt, wird Arbeitsströmungsmittel durch ihn hindurchgedrückt und erwärmt, wodurch weiter der Zylinderdruck ansteigt. Der kleine Kolben wird somit in seine unterste Position innerhalb des Primärkolbens gedrückt und der Regenerator wird gegen oder sehr nahe am großen Kolben gehalten. Wenn sich der Regenerator zum Kolben hin bewegt, wird Brennstoff eingespritzt und die gelöste bzw. erzeugte Verbrennungshitze steigert weiter den Druck. Ungefähr während der ersten Hälfte des Expansionshubes (c bis d) bleibt der Druck hoch genug, um den Regenerator benachbart zum großen Kolben zu halten. An diesem Punkt überschreiten die Zugkräfte in der Feder die verringerte Druckkraft und der Innenkolben und der Regenerator werden nach oben gedrückt. Wenn sich der Regenerator nach oben bewegt (e), wird die thermische Energie in dem Gas an den Regenerator übertragen. Dies verringert weiter den Druck des Zylinders, was somit verursacht, daß der Regenerator noch höher steigt, bis er den Oberteil des Zylinders erreicht hat.
Es gibt eine Anzahl von Wegen, durch die diese pneumatische Hebevorrichtung verwendet werden kann, um den Regenerator zu bewegen. Die Verwendung einer Feder unter dem kleinen Kolben, die auf Druck anstelle auf Zug beansprucht wird, erscheint auch vorteilhaft. Um die Regeneratorbewegung zu optimieren, und um schnelle Beschleunigungen und ein Abbremsen des Regenerators zu verhindern, kann es wünschenswert und/oder notwendig sein, mehrere Federn von unterschiedlicher Größe und Konstruktion zu besitzen, die auf den Innenkolben oder die Regeneratorantriebsstange wirken. Hydraulische und pneumatische Federn können auch verwendet werden. Der Durchmesser des Innenzylinders und des kleinen Kolbens kann auch verwendet werden, um die Größe der Druckkraft zu steuern, und daher der Regeneratorbewegung. Auch kann die Öffnung zwischen dem großen Zylinder und dem kleinen Zylinder konstruiert sein, um Druck langsam in den kleinen Zylinder für ein langsameres Regeneratoransprechen "abzuleiten". In ähnlicher Weise kann die Öffnung zwischen dem kleinen Zylinder und dem Kurbelgehäuse als eine Zumeßöffnung verwendet werden, um die Abwärtsbewegung des kleinen Kolbens zu verzögern.
Das Volumen des kleinen Zylinders sollte so klein wie möglich sein, um nicht merklich das Verdichtungsverhältnis zu beeinträchtigen, oder als eine Wärmesenke für das Arbeitsströmungsmittel zu dienen. Da die Bewegung des Regenerators nur die Überwindung der aerodynamischen Kräfte (Druckabfall durch den Regenerator) und der Trägheit des Regenerators erfordert, und da diese Kräfte relativ klein sein sollten, sollte ein sehr kleiner Innenzylinder adäquat sein. Tatsächlich kann es, unter der Erkenntnis, daß der Zylinderdurck auf die Antriebsstange selbst wirkt, möglich sein, die Regeneratorantriebsstange selbst als den kleinen Kolben zu verwenden. Dieser Ansatz wird bevorzugt, da er das Gasvolumen im kleinen Zylinder minimiert.
Das pneumatische Hebevorrichtungskonzept kann auch angewandt werden, wenn der kleine Zylinder und der Kolben im Zylinderkopf gelegen sind. Die Regeneratorantriebsstange würde sich dann durch den Kopf erstrecken und an der oberen Seite des Regenerators angebracht sein.
19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der pneumatischen Hebevorrichtung. Sie wird auf einen Heiß-Kolbenmotor angewandt, bei dem die Regeneratorantriebsstange durch den Zylinderkopf hindurchgeht. Nur die Hauptkomponenten des Motors sind gezeigt: der Zylinder 1, der Zylinderkopf 2, der Kolben 3, der Regenerator 8 und die Regeneratorantriebsstange 9. Der Zylinderkopf besitzt ein Loch 50, welches die Regeneratorantriebsstange aufnimmt. Dieses Loch besitzt Dichtvorrichtungen, wie beispielsweise gewöhnliche O-Ringe oder Metall-Kolbenringe, um eine Leckage aus dem Zylinder zu verhindern. Eine Fe der 52 wirkt auf die Stange, wobei sie gegen einen kleinen Flansch 51 drückt, der an der Antriebsstange befestigt ist. Diese Feder wird immer zusammengedrückt, d.h. sie übt eine nach unten gerichtete Kraft auf die Stange in allen Positionen des Regenerators aus. Somit strebt die Feder immer danach, den Regenerator benachbart zum Kolben zu halten und der Druck innerhalb des Zylinders wirkt der Federkraft entgegen.
Während des letzten Teils des Verdichtungshubes und der ersten Hälfte des Expansionshubes, wird die Druckkraft innerhalb des Zylinders groß genug, um die Federkraft zu verbinden. Dies drückt den Regenerator nach oben gegen den Zylinderkopf. Es sei bemerkt, daß bei dieser Version der pneumatischen Regeneratorhebevorrichtung der kleine Innenkolben durch die Regeneratorantriebsstange ersetzt worden ist. Wenn eine größere Druckkraft benötigt wird, kann ein kleiner Kolben, der an der Antriebsstange befestigt ist und sich in einem kleinen Zylinder innerhalb des Hauptzylinderkopfes 2 bewegt, hinzugefügt werden.
Die Verwendung der pneumatischen Hebevorrichtung gestattet mehrere wichtige Vorteile. Sie macht den Motor kompakter, da kein äußerer Mechanismus zur Bewegung des Regenerators erforderlich ist. Sie verwendet die Druckkräfte direkt, anstelle Leistung von der Kurbelwelle abzunehmen, um den Regenerator zu bewegen. Vielleicht am wichtigsten ist, daß sie Mittel zur Bewegung und Positionierung des Regenerators aus entweder dem Zylinderkopf oder dem Kolben vorsieht. Dies ist nütztlich, da es gestatten wird, alle Dichtungen und beweglichen Teile aus dem heißen Volumen zu entfernen.
Die pneumatische Regeneratorhebevorrichtung kann bei irgendeiner Bauart von regeneriertem Motor angewandt wer den, der einen beweglichen Regenerator einsetzt. Dies wären beispielsweise folgende: sowohl Zwei- als auch Vier-Takt-Motoren; regenerierte Heiß- und Kalt-Kolbenmotoren; Motoren, die eine direkte oder indirekte Brennstoffeinspritzung verwenden, oder die eine vorgemischte Brennstoff/Luft-Mischung verwenden (einen Vergaser oder eine Einspritzung in die Einlaßsammelleitung); und überladene bzw. kompressorgetriebene, turbo-geladene oder natürlich beatmete Motoren.
Wenn die Last (bzw. Ladung) an herkömmlichen Dieselmotoren verringert wird, wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis vergrößert und die Spitzentemperaturen nehmen ab. Wenn dieser gleiche Ansatz auf regenerierte Motoren angewandt wird, die bei sehr geringen Lasten arbeiten, werden die Temperaturen so weit abfallen, daß der Motorwirkungsgrad verringert werden wird. Um zu verhindern, daß die Temperatur zu tief abfällt, kann es vorteilhaft sein, die Motorleistung zu verringern, indem man den Luftfluß durch den Motor verringert und niedrigere Luft/Brennstoff-Verhältnisse aufrechterhält, wie es allgemeinen mit Benzin-Motoren getan wird. Dies kann durch Verringern (d.h. Drosseln des Arbeitsströmungsmittelflusses in den Zylinder getan werden, und zwar durch Verwendung eines Ventils oder einer anderen Flußbegrenzungsvorrichtung in der Einlaßsammelleitung.
Eine solche Drosselvorrichtung ist in 20 im selben Motor, wie in 1, gezeigt. Es ist mehr von der Einlaßsammelleitung 13 gezeigt. Innerhalb dieser Einlaßsammelleitung ist eine Vorrichtung 50, die teilweise den Luftfluß in den Zylinder blockiert, wenn sie in eine gewisse Position bewegt wird, und die eine geringere Blockage in anderen Positionen vorsieht. Dieser Ansatz ist auf irgendeinen regenerierten Motor anwendbar.
Ein alternativer Ansatz zur Reduzierung des Arbeitsströmungsmittelflusses in den Zylinder bei geringeren Lasten ist es, das Einlaßventil früh während des Einlaßhubes zu schließen, oder es später im Kompressions- bzw. Verdichtungshub zu schließen. Dies würde einen Motor mit variabler Ventilzeitsteuerung erfordern.
Wenn die Last oder Drehzahl des regenerierten Motors sich verändert, ist des thermodynamisch vorteilhaft, die Bewegung des Regenerators zu verändern (d.h. die Zeitsteuerung der regenerativen Heiz- und Kühlhübe und ihre Geschwindigkeit). Dies wird unter Verwendung von variabler Ventilzeitsteuerung getan. Ein solches Verfahren verwendet elektromechanische Vorrichtungen, um die Öffnungs- und Schließbewegung der Ventile vorzusehen. Eine größere Version dieser Art von Vorrichtungen könnte vorteilhafterweise angewandt werden, um eine variable Regeneratorbewegung vorzusehen. Andere Vorrichtungen, die eine variable Ventilzeitsteuerung vorsehen, könnten in ähnlicher Weise angepaßt werden, um die Bewegung des Regenerators zu steuern. Schließlich können andere gewöhnliche Mechanismen, die Ketten, Zahnräder, Nocken, Hebel und andere herkömmliche Komponenten einsetzen, verwendet werden, um eine variable Regeneratorbewegung vorzusehen.
Wegen der regenerativen Aufheizung, die vor der Brennstoffeinspritzung auftritt, sind die Temperaturen des Arbeitsströmungsmittels zu Beginn einer Verbrennung in einem regenerierten Motor höher als sie in einem herkömmlichen Motor sein würden, der mit demselben Luft/Brennstoff-Verhältnis arbeitet. Als eine Folge sind die Spitzentemperaturen des Arbeitsströmungsmittel im Zylinder, die während der Verbrennung auftreten, ebenfalls viel höher. Diese hohen Temperaturen erfordern die Verwendung von Hochtemperaturmaterialien mit niedriger Leitfähigkeit und von Beschichtungen auf vielen Innenflächen, um die Metallstruktur und Komponenten des Motors zu schützen. Diese thermischen Barrieren bzw. Sperren reduzieren den größeren Wärmeverlust, der mit den höheren Motorbetriebstemperaturen assoziiert ist. Diese thermischen Barrieren bestehen aus keramischen Beschichtungen oder monolithischen Platten oder Blättern bzw. Folien oder anderen Strukturen, die aus Materialien hergestellt sind, die hohen Temperaturen widerstehen können und die niedrige thermische Leitfähigkeit besitzen. Zusätzlich können Hochtemperaturschmiermittel, -kolbenringe und -brennstoffeinspritzvorrichtungen erforderlich sein. Als eine Folge der Verwendung dieser thermischen Barrieren und anderer Hochtemperaturkomponenten muß der regenerierte Motor kein Wasserkühlungssystem (Kühler, Wasserpumpe, usw.) erfordern. Abhängig vom vorgesehenen Isolierungsniveau kann der regenerierte Motor ausreichend durch die umgebende Luft und das Öl gekühlt werden. Somit werden besserte regenerierte Motoren diese thermischen Barrieren einsetzen und werden Motoren mit niedriger Wärmeableitung (low heat rejection engines) sein.
Alle Beschreibungen des regenerierten Motors hier sind für eine einzige Arbeitseinheit, die aus einem einzigen Zylinder besteht, der einen Kolben enthält. Die meisten regenerierten Motoren würden mehrere dieser aufweisen.
Alle regenerierten Motoren müssen Mittel zur Einleitung von frischem Arbeitsströmungsmittel und zum Ausstoßen von verbrauchtem Arbeitsströmungsmittel aus dem kalten Volumen des Zylinders haben. Diese Einlaß- und Auslaßmittel können aus Ventilen irgendeiner Bauart bestehen, wie beispielsweise Sitzventile (wie gezeigt), Drehventile, Gleit- bzw. Schiebeventile, Drosselklappenventile bzw. Scheibenventile, Kugelventile, Hülsenventile oder irgendeine andere Ventilbauart, die geeignete Fluß- und Betriebscharakteristiken vorsehen kann. Diese Ventile können mit der Zylinderwand bündig sein, wenn sie verschlossen sind, wie in 1 gezeigt, oder sie können um einen kurzen Abstand vom Zylinder entfernt gelegen sein und mit dem Zylinder über Anschlüsse oder Durchlässe verbunden sein. Diese Einlaß- und Auslaßmittel können auch einfache Öffnungen sein (oft Anschlüsse genannt), die in der Zylinderwand gelegen sind, und die dadurch geöffnet und geschlossen werden, daß sie vom Kolben aufgedeckt und verdeckt werden, wie es im allgemeinen bei kleinen Zwei-Takt-Motoren getan wird. Jedoch sind diese Einlaß- und Auslaßmittel konfiguriert und angeordnet, so daß sie den Fluß von Arbeitsströmungsmittel in das und aus dem kalten Volumen gestatten müssen. Obwohl nur einzelne Einlaß- oder Auslaßmittel gezeigt sind, könnten mehrer Mittel angewandt werden. Beispielsweise könnte es zwei oder mehrere Einlaßventile in 1 geben.
Ventile können nicht sofort geöffnet oder geschlossen werden. Somit muß eine gewisse Zeit für ihr Öffnen und Schließen zugewiesen werden. Auch werden bei höheren Motordrehzahlen die Flüsse bzw. Strömungen in den und aus dem Zylinder langsamer sein, als sie bei niedrigeren Geschwindigkeiten sind, und zwar auf einer Basis der Flußrate pro Kurbelwinkel. Bei herkömmlichen Motoren wird ein maximaler Volumenwirkungsgrad bei höheren Drehzahlen erreicht, indem man die Ventile früh öffnet und sie spät schließt. Die Ventilzeitsteuerung wird für eine Motordrehzahl eingestellt (oder manchmal für zwei mit variabler Ventilzeitsteuerung) und der Betrieb bei anderen Drehzahlen muß mit weniger als der optimalen Zeitsteuerung ausgeführt werden. Dieser selbe Ansatz ist auf regenerierte Motoren anwandbar. Daher sollten die hier darge stellten Ventilöffnungs- und -schließzeiten mit dem Verständnis gesehen werden, daß es bei ihnen beträchtliche Veränderungen geben kann. Wenn auf die Einlaß- und Auslaßmittel als "im wesentlichen" offen oder geschlossen Bezug genommen wird, bedeutet dies, daß sie vollständig offen oder nahezu offen bzw. daß sie nahezu geschlossen oder geschlossen sind. Es ist klar, daß ein wenig Zeit vor oder nach diesem Zeitpunkt vergeht, daß die Einlaß- oder Auslaßmittel die Öffnung oder das Schließen vollenden werden.
Während dieser Beschreibung ist der Regenerator als dünne zylindrische Scheibe angesehen worden. Für einen Motor mit einem Kolben mit flacher Stirnseite und einem flachen Zylinderkopf ist dies die ideale Form, da sie es gestattet, daß das gesamte Innenvolumen des Zylinders durch den Regenerator überstrichen wird. Jedoch ist es oft vorteilhaft, Kolben und Köpfe zu verwenden, die Oberflächen besitzen, die nicht flach sind. Beispielsweise haben Zylinderköpfe oft geneigte Oberflächen, um mehr Raum für Ventile vorzusehen. Damit der Regenerator vollständig durch das gesamte innere Zylindervolumen hindurchlaufen kann, sollte der Regenerator so konstruiert sein, daß er eng zu den Konturen des Kolbens und des Zylinderkopfes paßt. Das heißt, der Oberteil des Regenerators sollte zum Zylinderkopf mit nur minimalen Spalten passen, und der Unterteil sollte zur Kolbenstirnseite mit nur minimalen Spalten passen.
Es ist klar, daß spezielle Betriebszustände und andere Betrachtungen geringe Veränderungen bei der Zeitsteuerung und den Ereignissen dieser Prozesse erfordern können.
Es ist klar, daß "Mittel zur Einleitung von Brennstoff" alle Mittel umfaßt, durch welche Brennstoff in das heiße Volumen eintreten kann. Dies kann folgendes sein: direkte Einspritzung in das heiße Volumen, Einspritzung in das kalte Volumen und darauffolgendes Hindurchlaufen des Strömungsmittels durch den Regenerator und die Einleitung von Brennstoff in das Arbeitsströmungsmittel vor dem Eintritt des Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder und das darauffolgende Hindurchlaufen des Brennstoffs durch den Regenerator und in das heiße Volumen.
Für manche Brennstoffe mit großen Zündverzögerungen (beispielsweise leichtere Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Propan und natürliches Gas) und für manche Betriebszustände (beispielsweise Starten, Leerlauf und leichte Last) kann es nötig sein, eine zusätzliche Zündquelle, wie beispielsweise eine Zündkerze oder eine Glühkerze vorzusehen.
Alle regenerierten Motoren können aufgeladene bzw. verdichtete Einlaßdrücke besitzen oder können natürlich beatmet sein. Auch setzen alle hier dargestellten regenerierten Motoren einen Regenerator ein, der keine Dichtvorrichtungen besitzt, um eine Leckage zwischen den heißen und kalten Volumen durch den Flußpfad zwischen dem Regenerator und der Zylinderwand zu verhindern. Es wird angenommen, daß keine solchen Dichtungsvorrichtungen erforderlich sind, solange eine vernünftig enge Passung zwischen dem Regenerator und der Zylinderwand aufrecherhalten wird. Jedoch kann es sich als vorteilhaft erweisen, Dichtmittel um den Umfang des Regenerators herum vorzusehen. Solche Dichtmittel können herkömmliche Kolbenringe, Labyrinthdichtungen oder andere herkömmliche Arten sein.
Viele Modifikationen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Es ist daher klar, daß die Erfin dung anders als hier insbesondere beschrieben, durchgeführt werden kann.

Claims

Regenerierter Verbrennungsmotor mit sich hin- und herbewegenden Kolben mit einer Anzahl von ähnlichen Arbeitseinheiten, wobei jede Arbeitseinheit folgendes aufweist: a) einen Zylinder (1), der an einem Ende durch einen Zylinderkopf (2) verschlossen wird, und der einen beweglichen Kolben (3) enthält, der sich in hin- und herbeweglicher Weise bewegt, und der mit einer Leistungsausgangswelle (4) verbunden ist; b) Einlaßmittel (6), um den Fluß von frischem Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (1) während einer vorbestimmten Zeit während eines jeden Betriebszyklusses zu gestatten; c) Auslaßmittel (7), um den Fluß von frischem Auslaßströmungsmittel aus dem Zylinder (1) während einer zweiten vorbestimmten Zeit während jedem Betriebszyklus zu gestatten; d) einen thermischen Regenerator (8), der innerhalb des Zylinders (1) und zwischen dem Kolben (3) und dem Zylinderkopf (2) gelegen ist, wobei der Regenerator (8) ein hin- und herbeweglicher Flußwärmetauscher ist, der zwischen dem Kolben (3) und dem Zylinderkopf (2) bewegt werden kann; wobei die Bewegung des Regenerators (8) einen regenerativen Heizhub aufweist, der während des letzten Viertels des Verdichtungshubes des Kolbens (3) beginnt, und der während des ersten Viertels des Expansionshubes des Kolbens (3) endet, wobei der regenerative Heizhub auch von ausreichender Geschwindigkeit und Zeitsteuerung ist, um im größtmöglichen Ausmaß einen Arbeitsströmungsmittelfluß aus dem Regenerator (8) durch die heiße Oberfläche des Regenerator (8) und in das heiße Volumen aufrechtzu erhalten, und zwar während des gesamten regenerativen Heizhubes; e) Mittel (9), um den Regenerator während zusätzlicher vorbestimmter Zeiten während des Motorbetriebszyklusses zu bewegen; und f) Mittel (10), um Brennstoff in den Zylinder einzuleiten.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem das Öffnen und Schließen der Einlaßmittel (6) derart angeordnet und zeitlich gesteuert ist, daß der Verdichtungsgrad, den das Arbeitsströmungsmittel erfährt, geringer ist als der Expansionsgrad, welches das Arbeitsströmungsmittel erfährt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, bei dem jede Arbeitseinheit in einem Zwei-Takt-Zyklus arbeitet, wobei die Einlaßmittel (6) es erst nach dem Start des Verdichtungshubes des Kolbens (3) gestatten, daß das Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (1) eintritt, wodurch ein effektives Verdichtungsverhältnis vorgesehen wird, welches geringer ist als das effektive Expansionsverhältnis.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, bei dem jede Arbeitseinheit in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet, und wobei die Einlaßmittel (6) im wesentlichen geschlossen sind, bevor der Kolben (3) seine untere Totpunktposition am Ende seines Einlaßhubes erreicht.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, bei dem jede Arbeitseinheit in einem Vier-Takt-Zyklus arbeitet, und wobei die Einlaßmittel (6) während eines wesentlichen Teils des Verdichtungshubes des Kolbens (3) offenbleiben, wodurch gestattet wird, daß ein Teil des Arbeitsströmungsmittels, welches in den Zylinder (1) während des Einlaßprozesses eingeleitet worden ist, zurück aus dem Zylinder (1) durch die Einlaßmittel (6) gedrückt wird.
Verfahren zum Betrieb des Motors nach Anspruch 2, in einem Zwei-Takt-Zyklus, wobei der Motor Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) besitzt, die mit dem inneren Zylindervolumen in Verbindung stehen, welches zwischen dem Kolben (3) und dem Regenerator (8) gelegen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Öffnen der Auslaßmittel (7), wenn der Kolben (3) sich seiner unteren Totpunktposition nähert, die Einlaßmittel (6) geschlossen sind, und der Regenerator (8) benachbart zum Zylinderkopf (2) ist; b) Bewegen des Kolbens (3) zum Zylinderkopf (2) hin; c) Öffnen der Einlaßmittel (6), wodurch es gestattet wird, daß frisches, unter Druck gesetztes Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (1) eintritt, und einen Teil des restlichen Auslaßströmungsmittels durch die Auslaßmittel (7) herausdrückt; d) Schließen der Auslaßmittel (7); e) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) zum Zylinderkopf (2) hin, während das Arbeitsströmungsmittel weiter in den Zylinder (1) eintritt; f) Schließen der Einlaßmittel (6); g) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) zum Zylinderkopf (2) hin, wodurch ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wodurch das im Zylinder (1) eingeschlossene Arbeitsströmungsmittel komprimiert wird; h) Bewegen des Regenerators (8) weg von seiner Position benachbart zum Zylinderkopf (2) und zum Kolben (3) hin, wenn sich der Kolben (3) seiner oberen Totpunktposition nahe der Vollendung des Verdichtungshubes nähert; i) Einleiten von Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator (8) und dem Zylinderkopf (2), während der Kolben (3) seinen Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich weg vom Zylinderkopf (2) in seinem Expansionshub zu bewegen; j) Fortsetzen der Bewegung des Regenerators (8) zum Kolben (3) hin, während der Kolben (3) seine Bewegung weg vom Zylinderkopf (2) fortsetzt, wobei der Regenerator (8) den Kolben (3) einholt und benachbart zu ihm ist, und zwar vor der Vollendung des ersten Viertels des Expansionshubes; k) Bewegen des Regenerators (8) und des Kolbens (3) zusammen mit der gleichen Geschwindigkeit weg vom Zylinderkopf (2); l) Verlangsamen der Bewegung des Regenerators (8) während des mittleren Teils des Expansionshubes des Kolbens (3), wodurch der Abstand zwischen dem Regenerator (8) und dem Kolben (3) vergrößert wird und Beginnen, den Regenerator (8) zum Zylinderkopf (2) hin zu bewegen; und m) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) zu seiner unteren Totpunktposition hin, während der Regenerator (8) sich in eine Position benachbart zum Zylinderkopf (2) bewegt.
Verfahren zum Betrieb des Motors nach Anspruch 2 in einem Zwei-Takt-Zyklus, wobei der Motor Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) besitzt, die mit dem inneren Zylindervolumen in Verbindung stehen, welches zwischen dem Zylinderkopf (2) und dem Regenerator (8) gelegen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Öffnen der Auslaßmittel (7), wenn der Kolben (3) sich seiner unteren Totpunktposition nähert, die Einlaßmittel (6) geschlossen sind, und der Regenerator (8) benachbart zum Kolben (3) ist; b) Bewegen des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zusammen zum Zylinderkopf (2) hin; c) Öffnen der Einlaßmittel (6), wodurch es gestattet wird, daß frisches, unter Druck gesetztes Arbeitsströ mungsmittel in den Zylinder (1) eintritt, und einen Teil des restlichen Auslaßströmungsmittels durch die Auslaßmittel (7) herausdrückt; d) Schließen der Auslaßmittel (7); e) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zum Zylinderkopf (2) hin, während das Arbeitsströmungsmittel weiter in den Zylinder (1) eintritt; f) Schließen der Einlaßmittel (6); g) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zusammen und zum Zylinderkopf (2) hin, wodurch ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wodurch das im Zylinder (1) eingeschlossene Arbeitsströmungsmittel komprimiert wird; h) Bewegen des Regenerators (8) weg von seiner Position benachbart zum Kolben (3) und zum Zylinderkopf (2) hin, wenn sich der Kolben (3) seiner oberen Totpunktposition nahe der Vollendung des Verdichtungshubes nähert; i) Einspritzen von Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator (8) und dem Kolben (3), wenn der Kolben (3) seinen Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich weg vom Zylinderkopf (2) in seinem Expansionshub zu bewegen; j) Bewegen des Regenerators (8) in eine Position benachbart zum Zylinderkopf (2), während der Kolben (3) seinen Expansionshub fortsetzt, wobei die Bewegung des Regenerators (8) während des ersten Viertels des Expansionshubes vollendet wird; k) Bewegen des Regenerators (8) aus seiner Position benachbart zum Zylinderkopf (2) und in eine Position benachbart zum Kolben (3), wobei die Bewegung während des mittleren Teils des Expansionshubes des Kolbens (3) beginnt und endet, wenn der Kolben (3) sich seiner unteren Totpunktposition nähert.
Verfahren zum Betrieb des Motors nach Anspruch 2, in einem Vier-Takt-Zyklus, wobei der Motor Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) besitzt, die mit dem Innenvolumen des Zylinders (1) in Verbindung stehen, welches zwischen dem Kolben (3) und dem Regenerator (8) gelegen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Öffnen der Auslaßmittel (7), wenn der Kolben (3) nahe seiner unteren Totpunktposition ist, die Einlaßmittel (6) geschlossen sind, und der Regenerator (8) benachbart zum Zylinderkopf (2) ist; b) Bewegen des Kolbens (3) in seine obere Totpunktposition nahe dem Zylinderkopf (2), wodurch ein Auslaßhub ausgeführt wird, wodurch verbrauchtes Arbeitsströmungsmittel aus dem Zylinder (1) ausgestoßen wird; c) Öffnen der Einlaßmittel (6), wenn der Kolben (3) sich dem Ende des Auslaßhubes nähert; d) Bewegen des Kolbens (3) aus seiner oberen Totpunktposition in seine untere Totpunktposition, wodurch ein Einlaßhub ausgeführt wird und frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (1) gezogen wird; e) Schließen der Auslaßmittel (7) während des frühen Teils des Einlaßhubes; f) Schließen der Einlaßmittel (6) während des Einlaßhubes; g) Bewegen des Kolbens (3) zum Zylinderkopf (2) hin, wodurch ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wodurch das im Zylinder (1) eingeschlossene Arbeitsströmungsmittel komprimiert wird; h) Bewegen des Regenerators (8) weg von seiner Position benachbart zum Zylinderkopf (2) und zum Kolben (3) hin, wenn sich der Kolben (3) seiner oberen Totpunktposition nahe der Vollendung des Expansionshubes des Kolbens (3) nähert; i) Einleiten von Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator (8) und dem Zylinderkopf (2), während der Kolben (3) den Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich weg vom Zylinderkopf (2) in seinem Expansionshub zu bewegen; j) Fortsetzen der Bewegung des Regenerators (8) zum Kolben (3) hin, während der Kolben (3) seine Bewegung weg vom Zylinderkopf (2) fortsetzt, wobei der Regenerator (8) den Kolben (3) einholt und nahe bei ihm ist, und zwar vor der Vollendung des ersten Viertels des Expansionshubes; k) Bewegen des Regenerators (8) und des Kolbens (3) mit der gleichen Geschwindigkeit weg vom Zylinderkopf (2); l) Verlangsamen der Bewegung des Regenerators (8) während des Mittelteils des Expansionshubes des Kolbens (3), wodurch der Abstand zwischen dem Regenerator (8) und dem Kolben (3) vergrößert wird, und Beginnen, den Regenerator (8) zum Zylinderkopf (2) hin zu bewegen; und m) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) zu seiner unteren Totpunktposition hin, während der Regenerator (8) sich in eine Position benachbart zum Zylinderkopf (2) bewegt.
Verfahren zum Betrieb des Motors nach Anspruch 2, in einem Vier-Takt-Zyklus, wobei der Motor Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) besitzt, die mit dem inneren Zylindervolumen in Verbindung stehen, welches zwischen dem Kolben (3) und dem Regenerator (8) gelegen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Öffnen der Auslaßmittel (7), wenn der Kolben (3) nahe seiner unteren Totpunktposition ist, die Einlaßmittel (7) geschlossen sind, und der Regenerator (8) benachbart zum Zylinderkopf (2) ist; b) Bewegen des Kolbens (3) in seine obere Totpunktposition nahe dem Zylinderkopf (2), wodurch ein Aulaßhub ausgeführt wird, wodurch verbrauchtes Arbeitsströmungsmittel aus dem Zylinder (1) ausgestoßen wird; c) Öffnen der Einlaßmittel (6), wenn sich der Kolben (3) dem Ende seines Auslaßhubes nähert; d) Bewegen des Kolbens (3) aus seiner oberen Totpunktposition in seine untere Totpunktposition, wodurch ein Einlaßhub ausgeführt wird und frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (1) gezogen wird; e) Schließen der Auslaßmittel (7) während des frühen Teils des Einlaßhubes; f) Bewegen des Kolbens (3) zu dem Zylinderkopf (2) hin, während die Einlaßmittel (6) offen gehalten werden, bis ein Teil des Arbeitsströmungsmittels durch die Einlaßmittel (6) und aus dem Zylinder (1) heraus ausgestoßen wird; g) Schließen der Einlaßmittel (6); h) Bewegen des Kolbens (3) in seine obere Totpunktposition nahe dem Zylinderkopf (2), wodurch ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wodurch das im Zylinder (1) verbleibende Arbeitsströmungsmittel komprimiert wird; i) Bewegen des Regenerators (8) weg von seiner Position benachbart zum Zylinderkopf (2) und zum Kolben (3) hin, wenn sich der Kolben (3) seiner oberen Totpunktposition nahe der Vollendung des Verdichtungshubes nähert; j) Einleiten von Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator (8) und dem Zylinderkopf (2), während der Kolben (3) seinen Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich weg vom Zylinderkopf (2) in seinem Expansionshub zu bewegen; k) Fortsetzen der Bewegung des Regenerators (8) zum Kolben (3) hin, während der Kolben (3) seine Bewegung weg vom Zylinderkopf (2) fortsetzt, wobei der Regenerator (8) den Kolben (3) einholt und nahe zu ihm ist, und zwar vor der Vollendung des ersten Viertels des Expansionshubes; l) Bewegen des Regenerators (8) und des Kolbens (3) mit der gleichen Geschwindigkeit weg vom Zylinderkopf (2); m) Verlangsamen der Bewegung des Regenerators (8) während des Mittelteils des Expansionshubes des Kolbens (3), wodurch der Abstand zwischen dem Regenerator (8) und dem Kolben (3) vergrößert wird, und Beginnen, den Regenerator (8) zum Zylinderkopf (2) hin zu bewegen; und n) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) zu seiner unteren Totpunktposition hin, während der Regenerator (8) sich in eine Position benachbart zum Zylinderkopf (2) bewegt.
Verfahren zum Betrieb des Motors nach Anspruch 2, in einem Vier-Takt-Zyklus, wobei der Motor Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) besitzt, die mit dem inneren Zylindervolumen in Verbindung stehen, welches zwischen dem Zylinderkopf (2) und dem Regenerator (8) gelegen ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Öffnen der Auslaßmittel (7), wenn der Kolben (3) nahe seiner unteren Totpunktposition ist, die Einlaßmittel (6) geschlossen sind, und der Regenerator (8) benachbart zum Kolben (3) ist; b) Bewegen des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zusammen zum Zylinderkopf (2) hin, wodurch ein Auslaßhub ausgeführt wird, wodurch verbrauchtes Arbeitsströmungsmittel aus dem Zylinder (1) ausgestoßen wird; c) Öffnen der Einlaßmittel (6), wenn sich der Kolben (3) und der Regenerator (8) dem Ende des Auslaßhubes nähern; d) Bewegen des Kolbens (3) aus seiner oberen Totpunktposition in seine untere Totpunktposition, wobei der Regenerator (8) nahe am Kolben (3) gehalten wird, und wobei dadurch ein Einlaßhub ausgeführt wird, wodurch frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (1) eingeleitet wird; e) Schließen der Auslaßmittel (7) während des frühen Teils des Einlaßhubes; f) Schließen der Einlaßmittel (6) während des Einlaßhubes; g) Bewegen des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zusammen und zum Zylinderkopf (2) hin, wodurch ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wodurch die im Zylinder (1) eingeschlossene Luft komprimiert wird; h) Bewegen des Regenerators (8) weg von seiner Position benachbart zum Kolben (3) und zum Zylinderkopf (2) hin, wenn sich der Kolben (3) seiner oberen Totpunktposition nahe der Vollendung des Verdichtungshubes nähert; i) Einspritzen von Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator (8) und dem Kolben (3), wenn der Kolben (3) seinen Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich weg vom Zylinderkopf (2) im Expansionshub des Kolbens (3) zu bewegen; j) Bewegen des Regenerators (8) in eine Position benachbart zum Zylinderkopf (2), während der Kolben (3) seinen Expansionshub fortsetzt, wobei die Bewegung des Regenerators (8) während des ersten Viertels des Expansionshubes vollendet wird; und k) Bewegen des Regenerators (8) aus seiner Position benachbart zum Zylinderkopf (2) und in eine Position benachbart zum Kolben (3), wobei die Bewegung während des Mitteilteils des Expansionshubes des Kolbens (3) beginnt und endet, wenn der Kolben (3) sich seiner unteren Totpunktposition nähert.
Verfahren zum Betrieb des Motors nach Anspruch 2, in einem Vier-Takt-Zyklus, wobei der Motor Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) besitzt, die mit dem inneren Zylindervolumen in Verbindung stehen, welches zwischen dem Zylinderkopf (2) und dem Regenerator (8) gelegen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Öffnen der Auslaßmittel (7), wenn der Kolben (3) nahe seiner unteren Totpunktposition ist, die Einlaßmit tel (6) geschlossen sind, und der Regenerator (8) benachbart zum Kolben (3) ist; b) Bewegen des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zusammen zum Zylinderkopf (2) hin, wodurch ein Auslaßhub ausgeführt wird, wodurch verbrauchtes Arbeitsströmungsmittel aus dem Zylinder (1) ausgestoßen wird; c) Öffnen der Einlaßmittel (6), wenn der Kolben (3) und der Regenerator (8) sich dem Ende des Auslaßhubes nähern; d) Bewegen des Kolbens (3) aus seiner oberen Totpunktposition in seine untere Totpunktposition, wobei der Regenerator (8) nahe am Kolben (3) gehalten wird, und wobei dadurch ein Einlaßhub ausgeführt wird, durch den frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (1) eingeleitet wird; e) Schließen der Auslaßmittel (7) während des frühen Teils des Einlaßhubes; f) Bewegen des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zusammen und zum Zylinderkopf (2) hin, während die Einlaßmittel (6) offen gehalten werden, bis ein Teil des Arbeitsströmungsmittels durch die Einlaßmittel (6) und aus dem Zylinder (1) ausgestoßen wurde; g) Schließen der Einlaßmittel (6); h) Bewegen des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zusammen zum Zylinderkopf (2) hin, wodurch ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wodurch das im Zylinder (1) eingeschlossene Arbeitsströmungsmittel komprimiert wird; i) Bewegen des Regenerators (8) weg von seiner Position benachbart zum Kolben (3) und zum Zylinderkopf (2) hin, wenn der Kolben (3) sich seiner oberen Totpunktposition nahe der Vollendung des Verdichtungshubes nähert; j) Einspritzen von Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator (8) und dem Kolben (3), wenn der Kolben (3) seinen Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich vom Zylinderkopf (2) weg im Expansionshub des Kolbens (3) zu bewegen; k) Bewegen des Regenerators (8) in eine Position benachbart zum Zylinderkopf (2), während der Kolben (3) seinen Expansionshub fortsetzt, wobei die Bewegung des Regenerators (8) während des ersten Viertels des Expansionshubes vollendet wird; und l) Bewegen des Regenerators (8) aus seiner Position benachbart zum Zylinderkopf (2) und in eine Position benachbart zum Kolben (3), wobei die Bewegung während des Mittelteils des Expansionshubes des Kolbens (3) beginnt und endet, wenn sich der Kolben (3) seiner unteren Totpunktposition nähert.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem Brennstoff in das heiße Volumen eingeleitet wird, wo die Verbrennung auftritt, und zwar durch Hindurchlaufen durch die heiße Oberfläche des Regenerators (8).
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffeinleitungsmittel derart angeordnet sind, daß sie eine direkte Einleitung von Brennstoff in dem Raum innerhalb des Zylinders (1) auf der kalten Seite des Regenerators (8) vorsehen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) mit dem Zylindervolumen in Verbindung stehen, welches zwischen dem Kolben (3) und dem Regenerator (8) gelegen ist, und wobei der Brennstoff in das Arbeitsströmungsmittel eingeleitet wird, welches in den Zylinder (1) eintritt, und zwar vor dem Eintritt des Arbeitsströmungsmittels in den Zylinder (1), wobei der Brennstoff in den Zylinder (1) durch das und mit dem Arbeitsströmungsmittel transportiert wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Einlaß- und Auslaßmittel mit dem Zylindervolumen in Verbindung stehen, welches zwischen dem Regenerator (8) und dem Zylinderkopf (2) gelegen ist, und wobei die Bewegung des Regenerators (8) einen regenerativen Kühlhub aufweist, durch den der Regenerator (8) aus einer Position nahe zum Zylinderkopf (2) in eine Position nahe zum Kolben (3) während des Auslaßhubes des Kolbens (3) bewegt wird, und wobei der Brennstoff in das Arbeitsströmungsmittel eingeleitet wird, welches in den Zylinder (1) eintritt, und zwar vor dem Eintritt des Arbeitsströmungsmittels in den Zylinder (1), wobei der Brennstoff in den Zylinder (1) durch das und mit dem Arbeitsströmungsmittel transportiert wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Teil des frischen Arbeitsströmungsmittels, welches in den Zylinder (1) während jedes Betriebszyklusses eintritt, durch Durchlässe in den Mitteln (9) zur Bewegung des Regenerators (8) eintritt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Teil des verbrauchten Arbeitsströmungsmittels, welches den Zylinder (1) während jedes Betriebszyklusses verläßt, durch Durchlässe in den Mitteln (9) zur Bewegung des Regenerators (8) austritt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem Mittel (10) vorgesehen sind, um die Arbeitsströmungsmittelmenge zu verringern, die in den Zylinder (1) während jedes Betriebszyklusses eintritt, wodurch die Motorleistung verringert wird, während ein hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Einlaßmittel (6) ein oder mehrere Ventile aufweisen, die einen oder mehrere Durchlässe in der Wand des Zylinders (1) öffnen, wobei die Ventile im wesentlichen bündig in der Wand des Zylinders (1) montiert sind, wenn sie geschlossen sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Auslaßmittel (7) ein oder mehrere Ventile aufweisen, die einen oder mehrere Durchlässe in der Wand des Zylinders (1) öffnen und schließen, wobei die Ventile im wesentlichen in der Zylinderwand bündig montiert sind, wenn sie geschlossen sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem das gesamte Innenvolumen des Zylinders (1) derart angeordnet ist, daß es dem Regenerator (8) gestattet ist, durch das gesamte innere Zylindervolumen hindurchzulaufen, und zwar mit Ausnahme von Regionen mit kleinem Spiel.
Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 in einem Zwei-Takt-Zyklus, wobei der Motor Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) besitzt, die mit dem inneren Zylindervolumen in Verbindung stehen, welche zwischen dem Kolben (3) und dem Regenerator (8) gelegen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Öffnen der Auslaßmittel (7), wenn der Kolben (3) sich seiner unteren Totpunktposition nähert, die Einlaßmittel (6) geschlossen sind, und der Regenerator (8) benachbart zum Zylinderkopf (2) ist; b) Öffnen der Einlaßmittel (6); c) Bewegen des Kolbens (3) in seine untere Totpunktposition und Einleiten der Bewegung des Kolbens (3) zum Zylinderkopf (2) hin; d) Schließen der Auslaßmittel (7); e) Schließen der Einlaßmittel (6); f) Fortfahren, den Kolben (3) zum Zylinderkopf (2) hin zu bewegen, wodurch ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wodurch im Zylinder (1) eingeschlossenes Arbeitsströmungsmittel komprimiert wird; g) Bewegen des Regenerators (8) weg von seiner Position benachbart zum Zylinderkopf (2) und zum Kolben (3) hin, wenn der Kolben (3) den Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich vom Zylinderkopf (2) im Expansionshub des Kolbens (3) zu bewegen; wobei diese getrennte Bewegung des Regenerators (8) während des letzten Viertes des Verdichtungshubes des Kolbens (3) beginnt und während des ersten Viertels des darauffolgenden Expansionshubes des Kolbens (3) endet, wenn der Regenerator (8) den Kolben (3) erreicht, wobei die Bewegung des Regenerators (8) auch von ausreichender Geschwindigkeit und Zeitsteuerung ist, um zum größtmöglichen Ausmaß einen Arbeitsströmungsmittelfluß aus dem Regenerator (8) durch die heiße Oberfläche des Regenerators (8) und in das heiße Volumen aufrechtzuerhalten, und zwar während der Bewegung des Regenerators (8); h) Einleiten von Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator (8) und dem Zylinderkopf (2), während der Kolben (3) seinen Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich weg vom Zylinderkopf (2) in seinem Expansionshub zu bewegen; i) Bewegen des Regenerators (8) und des Kolbens (3) zusammen mit der gleichen Geschwindigkeit weg vom Zylinderkopf (2); j) Abbremsen der Bewegung des Regenerators (8) während des Mittelteils des Expansionshubes des Kolbens (3), wodurch der Abstand zwischen dem Regenerator (8) und dem Kolben (3) vergrößert wird, und Beginnen, den Regenerator (8) zum Zylinderkopf (2) hin zu bewegen; und k) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) zu seiner unteren Totpunktposition hin, während der Regenerator (8) sich in eine Position benachbart zum Zylinderkopf (2) bewegt.
Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 in einem Zwei-Takt-Zyklus, wobei der Motor Einlaß- und Auslaßmittel (6, 7) besitzt, die mit einem inneren Zylindervolumen in Verbindung stehen, welches zwischen dem Regenerator (8) und dem Zylinderkopf (2) gelegen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Öffnen der Auslaßmittel (7), wenn der Kolben (3) sich seiner unteren Totpunktposition nähert, die Einlaßmittel (6) geschlossen sind, und der Regenerator (8) benachbart zum Kolben (3) ist; b) Öffnen der Einlaßmittel (6); c) Bewegen des Kolbens (3) in seine untere Totpunktposition und Einleiten der Bewegung des Kolbens (3) zum Zylinderkopf (2) hin, während der Regenerator (8) benachbart zum Kolben (3) gehalten wird; d) Schließen der Einlaßmittel (6); e) Schließen der Auslaßmittel (7); f) Fortsetzen der Bewegung des Kolbens (3) und des Regenerators (8) zusammen zum Zylinderkopf (2) hin, wodurch ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wodurch die im Zylinder (1) eingeschlossene Luft komprimiert wird; g) Bewegen des Regenerators (8) weg aus seiner Position benachbart zum Kolben (3) und zum Zylinderkopf (2) hin, wenn der Kolben (3) den Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich weg vom Zylinderkopf (2) im Expansionshub des Kolbens (3) zu bewegen; wobei diese getrennte Bewegung des Regenerators (8) während des letzten Viertels des Verdichtungshubes des Kolbens (3) beginnt, und während des ersten Viertels des darauffolgenden Expansionshubes des Kolbens (3) endet, wenn der Regenerator (8) den Zylinderkopf (2) erreicht, wobei die Bewegung des Regenerators (8) auch von ausreichender Geschwindigkeit und Zeitsteuerung ist, um im größtmöglichen Ausmaß einen Arbeitsströmungsmittelfluß aus dem Regenerator (8) aufrechtzuerhalten, und, und zwar durch die heiße Oberfläche des Regenerators (8) und in das heiße Volumen, und zwar während der Bewegung des Regenerators (8); h) Einspritzen von Brennstoff in den Raum zwischen dem sich bewegenden Regenerator (8) und dem Kolben (3), wenn der Kolben (3) seinen Verdichtungshub vollendet und beginnt, sich weg vom Zylinderkopf (2) im Expansionshub des Kolbens (3) zu bewegen; und i) Bewegen des Regenerators (8) aus seiner Position benachbart zum Zylinderkopf (2) und in eine Position benachbart zum Kolben (3), wobei die Bewegung während des Mittelteils des Expansionshubes des Kolbens (3) beginnt und endet, wenn der Kolben (3) sich seiner unteren Totpunktposition nahe der Vollendung des Expansionshubes des Kolbens (3) nähert.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Regenerator (8) katalytische Materialien auf einem Teil der Oberflächen des Regenerators (8) enthält, die dem Arbeitsströmungsmittel ausgesetzt sind, wobei die katalytischen Materialien dazu dienen, die Reaktionsfreudigkeit des durch ihn hindurchlaufenden Arbeitsströmungsmittels zu vergrößern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Regenerator (8) katalytische Materialien auf den Oberflächen des Regenerators (8) besitzt, die chemische Reaktionen begünstigen, die Verunreinigungen in dem verbrauchten durch den Regenerator (8) hindurchlaufenden Arbeitsströmungsmitteln verringern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Regenerator (8) katalytische Materialien auf einen Teil der Oberflächen des Regenerators (8) enthält, die dem Arbeitsströmungsmittel ausgesetzt sind, wobei die katalytischen Materialien die Reaktionsfreudigkeit von chemischen Reaktionen vergrößern, die Ruß und Kohlenwasserstoffe verwenden, die in dem Regenerator (8) eingeschlossen sind, um Stickoxide zu zerstören.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Regenerator (8) innere Flußdurchlässe besitzt, die von unterschiedlicher mittlerer Größe in unterschiedlichen Teilen des Regenerators (8) sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Sekundärkolben (3) mit dem Regenerator (8) verbunden ist, wobei auf den Sekundärkolben (3) der Druck im Zylinder (1) wirkt, um zumindest einen Teil der Kraft zu liefern, die erforderlich ist, um den Regenerator (8) in vorbestimmten Positionen innerhalb des Zylinders (1) zu vorbestimmten Zeiten während des Betriebszyklusses anzuordnen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Mittel (9) zur Bewegung des Regenerators einstellbar sind, um Variationen der Bewegung des Regenerators (8) von Zyklus zu Zyklus vorzusehen.