DE2004579A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

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•MONUifiN 80 Ludle-Grahn-straße 38

Combustion Power Company, Inc., 2625 Hanover Street, Palo Alto, CaI. 94306 (V.St.A.)

Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen luftverunreinigungsfreien Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge, wie PKW, LKW, Autobusse, Zugmaschinen oder dergl., sowie ein Verfahren, einen solchen zu betreiben«

Die Verunreinigung der Luft ist zu einem der vordringlichsten Probleme geworden, denen sich Ballungszentren der Industrie und der Bevölkerung rind um die Welt gegenübergestellt sehen. Der Stadtbewohner wird allmählich durch lebensgefährdende Dosen von Kohlenmonoxyd, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxyden vergiftet, die aus Millionen von Auspuffrohren von Verbrennungsmaschinen von Kraftfahrzeugen aller Art ausströmen, die die titrauen und Autobahnen in immer weiter steigendem Maß überfluten· Zwischen ^O und 60 'ji, der Luftverunreinigung oder der sogenannten Dunstglocke werden durch mannigfaltige Formen solcher Auspuffprodukte erzeugt. Die Schaffung eines luftverunreinigungsfreien Fahrzeugs wird laufend, im wesentlichen auf drei Wegen, angestrebt] (1) Durch Ausschaltung

insbesondere

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der Ausstoßprodukte von "luftatmenden" Verbrennungsmaschinen mit Hilfe von Katalysator-Filtern, Beimengungen zum Kraftstoff, Motorkonstruktion usw.; (2) durch Entwicklung von Wärmemaschinen mit außenliegender Wärmequelle (Gasturbine , Stirling-Motor, Dampfmaschine) als Ersatz für die gängigen Verbrennungsmaschinen; und (3) durch Entwicklung eines Elektrofahrzeuge als Ersatz für die üblichen Kraftfahrzeuge.

Der erste Weg der Entwicklung wird von Automobilherstellern sowie von den größeren Ölgesellschaften mit Eifer verfolgt, da dies, Erfolg vorausgesetzt, den geringsten Aufwand für Änderungen der Kraftfahrzeuge gegenüber ihrer heutigen Konstruktion erfordern würde. Allerdings treten dabei schwierige technische Probleme auf, und es ist mit einer langwierigen Laboratoriumsforschung zu rechnen. Eines der schwierigsten Probleme, die diesem Lösungsweg entgegenstehen, ist die Ausschaltung der Oxyde des Stickstoffs. Der Versuch der Schaffung einer Wärmemaschine mit außenliegender Verbrennung erfordert Kompromisse hinsichtlich der Leistung, der Bequemlichkeit oder der Wirtschaftlichkeit gegenüber den gängigen Kraftfahrzeugen. Die Entwicklung solcher Wärniemaschinen mit außenliegender Wärmequelle ist teuer und erfordert drastische Veränderungen im Werkzeugbestand der führenden Kraftfahrzeughersteller. Was Jedoch noch mehr ins Gewicht fällt, ist, daß derartige Wärmemaschinen nicht vollständig verunreinigungsfrei arbeiten.

Der einzige Lösungsweg, der zu einem vollständig verunreinigungsfreien Betrieb führt, ist die Schaffung eines Elektrofahrzeuge· Bedauerlicherweise ist dies jedoch auch derjenige Lösungsweg, der die umfangreichsten Forschungsarbeiten voraussetzt, um ein Fahrzeug zu schaffen, das den heutigen Anforderungen an Leistung, Bequemlichkeit und Wirtschaftlichkeit entspricht.

Im Hinblick auf diesen Sachverhalt liegt der Erfindung die Aufgabe der Schaffung oines luftverunreinigungsfreion Ver-

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brennungsmotors zugrunde, und diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, einem in dem Zylinder hin- und herbeweglichen Kolben, einem Auspuffkanal in dem Zylinder, einem Auspuffventil in dem Kanal und einer Kraftstoffeinspritzdüse in dem Zylinder gekennzeichnet ist durch eine Sauerstoffeinlaßdüse in dem Zylinder zum Einblasen von im wesentlichen reinem Sauerstoffgas, eine Wasser-Zerstäuberdüse in dem Zylinder, eine Einrichtung zum Zuliefern einer abgemessenen Menge eines Kraftstoffes zu der Kraftstoffeinlaßdüse, eine Einrichtung zum Zuliefern einer abgemessenen Menge von im wesentlichen reinem Sauerstoffgas zu der Sauerstof f einlaßdüse , eine Einrichtung zum Zuliefern einer abgemessenen Menge Wasser zu der Wasserzerstäuberdüse und eine Einrichtung zum turnusmäßigen öffnen und Schließen des Auspuffventils in dem Auspuffkanal und zum Einblasen bzw. Einspritzen der abgemessenen Mengen des Kraftstoffes, des Sauerstoffes und des Sprühwassernebels in den Zylinder,

Vorteilhafterweise weisen die Einlaßdüsen einen Einlaß für den zugelieferten Kraftstoff, einen Einlaß für ein stickstofffreies Oxydationsmittel und einen Einlaß für Wasser auf. Es sind Betriebsphasen und Einrichtungen zum Zuführen gesteuerter Mengen des Kraftstoffes und des Oxydationsmittels zum Zylinder für die im wesentlichen vollständige Verbrennung des Kraftstoffes in diesem und zum Absprühen des Zylinders und Kolbens während des Auspuffhubes mit Wasser vorgesehen. Der Kraftstoff für den Motor ist entweder flüssiges Benzin oder Wasserstoffgas, und das stickstofffreie Oxydationsmittel für beide Kraftstoffe ist im wesentlichen reiner Sauerstoff. Wenn als Kraftstoff Wasserstoff dient, ist das einzige Verbrennungsprodukt Wasser, und bei Verwendung von flüssigem Benzin sind die Verbrennungsprodukte Wasser, Kohlendioxyd und andere Stoffe, die keine Verunreinigung verursachen«

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Der Motor ist unter Anwendung üblicher Verfahrensweisen und Werkzeuge herstellbar und befriedigt die üblichen Anforderungen an Leistung, Bequemlichkeit und Wirtschaftlichkeit. Es entstehen keine ungewöhnlichen Probleme hinsichtlich des Anlassens oder Warmlaufens, und der wiederkehrende Instandshaltungsaufwand bleibt im wesentlichen unverändert. Wenn einmal die Produktion angelaufen ist, kosten Fahrzeuge mit Verbrennungsmaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung annähernd das gleiche wie Familienfahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmaschinen, und das Tanken ist nicht häufiger erforderlich und nicht teuerer als bei herkömmlichen Fahrzeugen.

k Der luftverunreinigungsfreie Verbrennungsmotor ist vorzugsweise so ausgebildet, daß der als Zweitaktmotor unter Verwendung des Otto-Zyklus beim Betrieb für normale Fahrleistung und unter Verwendung des Otto-Zyklus und Diesel-Zyklus für den Betrieb mit hoher Leistung betrieben werden kann. Bei dieser Konstruktion und Betriebsweise arbeitet der Motor im Betriebsbereich mit normaler Leistung mit maximalem Wirkungsgrad und ist außerdem fähig, in höheren Bereichen maximale Leistung und maximales Drehmoment zu entwickeln.

Das Wasser wird vorteilhafterweise aus dem Auspuff (den Abdämpfen) wiedergewonnen und für die Sprühwasserkühlung der Zylinder und Kolben während des Auspuffhubes umgewälzt. Ein " Merkmal und Vorteil der Erfindung ist in der Tatsache begründet, daß das wichtigste Verbrennungsprodukt des Kraftstoffes Wasser ist. Auf diese Weise kann Kühlmedium für die Sprühwasserkühlung beschafft werden, ohne daß übermäßige

in
Wassermengen/dem Fahrzeug gespeichert zu werden brauchen, da derartige Kühlflüssigkeiten während des Betriebes wiedergewonnen werden können, bzw. anfallen.

Wenn ferner Benzin in flüssiger Form als Kraftstoff für den Motor verwendet wird, wird das flüssige Benzin in einem Strom

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in den Motorzylinder eingelassen und durch den in den Zylinder gelenkten Sauerstoff verstäubt. Diese Betriebsweise und diese Konstruktion fördern eine rasche und gleichmäßige Verbrennung.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen eingehend erläutert:

Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Teil eines Zylinders eines luftverunreinigungsfreien Motors gemäß der Erfindung, wobei bei einer Ausführungsform der Motor mit Wasserstoff und Sauerstoff, bei einer anderen Ausführungsform mit Benzin und Sauerstoff betrieben wird*

Fig. 2A bis 2E sind schematische Ansichten zur Veranschaulichung des Motorbetriebes gemäß der Erfindung während der Betriebsphasen des Motors;

Fig. 3 ist ein Diagramm, das den Druck im Zylinder in Abhängigkeit vom Zylindervolumen für den Motor gemäß Fig. 1 bei Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff für den Betrieb zeigt;

Fig. k ist ein Diagramm, das den Wirkungsgrad des Motors in Abhängigkeit von der Leistung bei Betrieb mit Wasserstoff und Sauerstoff bzw, mit Benzin und Sauerstoff zeigt}

Fig. 5 i«t «in Schnitt eines Teiles der Motorkonstruktlon nach Fig· 1 zur Veranschaulichung eines Teiles des Betriebezyklus beim Betrieb mit Benzin und Sauerstoffι

Flg. 6 iet ein Diagramm, das den Druck im Zylinder in Abhängigkeit vom Zylindervolumen, ähnlich Fig· 3, jedoch für den

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Betrieb mit Benzin und Sauerstoff zeigt;

Fig. 7 ist eine Darstellung zur schematischen Veranschaulichung des Systeme der Sprühwassererzeugung und des Wiedergewinns des Wassers gemäß der Erfindung;

Pig. 8 ist eine schematische Darstellung, zum Teil in Form eines Biockdiagrammes und zum Teil in Ansicht von oben, zur scheuiatischen Veranschaulichung der Anpassung der Ausführungsform für den Betrieb mit Wasserstoff und Sauerstoff an ein Kraftfahrzeug;

Fig. 9 ist eine schematische Ansicht des Kraftfahrzeuges gemäß Fig. 8j

Fig.10 ist eine schematische Veranschaulichung des Gaszulieferungssystems für einen Motor gemäß der Erfindung; und

Fig.11 ist eine schematische Darstellung, zum Teil in Form eines Blockdiagrammes und zum Teil in Ansicht von oben zur scliomatischen Veranschaulichung der Anpassung der Ausführungsform für den Betrieb mit Benzin und Sauerstoff an ein Kraftfahrzeug.

Wie oben erläutert, befaßt sich die Erfindung mit einem luftverunreinigungsfreien Verbrennungsmotor und einem Verfahren, einen solchen zu betreiben. NatUrli kann dieser Motor für mannigfaltige Zwecke angewendet werden, und er ist in idealer Weise als Antrieb eines Kraftfahrzeuges geeignet und ermöglicht, in Kombination mit anderen Gesichtspunkten der Erfindung, ein luftverunreinigungsfreies System dee Fahrzeugverkehre. Daher wird da· Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie das Betriebssystem im folgenden eingehender an Hand der Anwendung bei einem Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug beschrieben.

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Zur Befriedigung der heutigen Fahrgewohnheiten soll ein idealer Motor für eine Familienlimousine einen maximalen Wirkungsgrad im Leistungsbereich zwischen ca. 25 und 50 PS haben, jedoch darüber hinaus eine Maximalleistung von 200 PS und ein Drehmoment von 3^ mkp (250 Ib.-ft) haben. Ein Familienfahrzeug mit einem solchen Motor erfordert einen auf die Räder übertragbaren Energievorrat von ca. 13^+ PSh . Mit einem üblichen Viertakt-Benzinmotor ist diese Forderung nur schwer zu erfüllen, da die maximal entwickelte Leistung eines solchen herkömmlichen Viertakt-Benzinmotors direkt proportional dem Gewicht der strömenden Luft ist. Bei einer gegebenen Motordrehzahl werden also die Leistung und das Drehmoment gesteigert, indem der Hubraum des Motors vergrößert wird. Dementsprechend werden vornehmlich bei herkömmlichen Viertaktmotoren für Familienfahrzeuge verhältnismäßig große Ilubräume gewählt, damit der maximale Leistungsbedarf befriedigt wird; Hubräume von ca. 4,9 1 (300 Kubik-Zoll) gelten heute als normal. Wenn diese Motore mit einer Leistung von 25 bis 50 PS betrieben werden - und dies ist bei den üblichen Fahrgeschwindigkeiten der normale Bereich und stellt nur einen Bruchteil der Maximalleistung dar - dann sind die Gastemperaturevi und der Druck in den Zylindern wegen der Wärmeübertragung auf die große Oberfläche innerhalb der Verbrennungskammer im Vergleich zu den Maximalwerten weitgehend vermindert. Auf diese Weise werden bei normalen Fahrgeschwindigkeiten der thermische Wirkungsgrad und der Motorwirkungsgrad geopfert. Dies geht auch zu Lasten der Wirksamkeit der Verbrennung in einem solchen Motor, und dies führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Verunreinigung der Luft.

Bei dem Motor gemäß der Erfindung wird in dem üblicheren Fahrgeechwindigkeitsberelch von zwischen 25 und 50 PS ein hoher Wirkungsgrad mit einem Zweitaktmotor erzielt, dessen Größe weniger als ein Drittel der Größe eines gleichwertigen herkömmlichen Viertakt-Benzinmotors des üblicherweise bei Kraft-

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fahrzeugen verwendeten Typs beträgt. Wegen der Verminderung der Abmessungen, der Verringerung der Hubzahl und wegen der Steigerung des Zylinderdruckes bei normalem oder Dauerfahrbetrieb werden der thermische Wirkungsgrad und der Motorwirkungsgrad gegenüber denjenigen bei herkömmlichen Viertaktmotoren wesentlich verbessert. Der vorliegende Zweitaktmotor kann jedoch unter Verwendung des gleichen Werkzeugparkes hergestellt werden wie die heute üblichen Viertakt-Benzinmotore.

Zu Zwecken der Veranschaulichung wird die Erfindung nun an Hand ihrer Anwendung bei einem Vierzylinder-Reihen-Zweitaktmotor beschrieben, dessen Kolben mittels je einer Kolbenstange w mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind. Der Motor weist einen üblichen Kühlmantel, eine Kühlpumpe, ein Zündverteilungssystem, ein Auspuffventil und, von im folgenden noch erwähnten Abweichungen abgesehen, das übliche Zubehör und die Steuermechanismen auf.

Wie aus Fig, 1 ersichtlich, die einen Zylinder des Vierzylinder-Zweitakt-Reihenmotors gemäß der Erfindung zeigt, hat jeder Zylinder eine Bohrung von 66 mm (2,6 inches) und einen Hub von 102 mm (k inches)· Die Auspuffgase werden aus dem Zylinder 31 durch ein einziges, oben angeordnetes Ventil 35 durch einen Auspuffkanal 35' und einen Auspuffsammler 35" beseitigt, und k das Ventil 35 wird mittels eines nicht dargestellten, oben angeordneten Nockens in herkömmlicher Weise betätigt. Bei einem Expansionsverhältnis von 20:1 beträgt das Volumen jeder Verbrennungskammer 17,0k cm (1,O4 Kubik-inches), Bei dem Motor 12 wird die Kurbelwelle eines herkömmlichen Verbrennungsmotors mit einem Hub von 102 mm (U inches) verwendet. Die Waseereinspritzdüse 36, die Sauerstoffdüse 38·, die Kraftstoffdüse 39' und die Zündkerze 41 sind durchwegs im Zylinderkopf untergebracht. Die Wassereinspritzdüse 36 ist in der Bohrung zentriert, so daß sie einen gleichmäßigen Wassersprühstrahl

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gegen den Kolben 32 und die Wände des Zylinders 31 erzeugt. Wasser, Kraftstoff und Sauerstoff werden mittels Ventilen dosiert, die mittels eines Ililfsnockens an der Welle k3 angetrieben sind, die ihrerseits in nicht gezeigter, jedoch üblicher Weise von einer Kurbelwelle Jk angetrieben ist. Das Kraftstoffmeßventil ist von dem Sauerstoffmeßventil getrennt, so daß diese Materialien bis zum Einspritzen in die Verbrennungskammer voneinander getrennt gehalten sind. Ein typischer Motor, der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist 686 mm (27 inches) lang, 635 mm (25 inches) hoch, 381 mm (15 inches) breit und wiegt ca. 100 kg (220 Ib).

Das Einspritzen von Kraftstoff und Sauerstoff vor der Zündung für den Normalfahrtteil des Zyklus erfolgt während einer Kurbelwellendrehung um ca. 45 während 1,5 ms bei 5OOO U/min. Der Winkel, der der Einspritzdauer entspricht, bleibt konstant, und die eingespritzte Kraftstoff- und Sauerstoffmenge wird durch Drosselung in den betreffenden Zulieferleitungen vor den Meßventilen bestimmt, die von dem Hilfsnocken auf der Welle angetrieben sind. Während des Höchstleistungsteiles des Zyklus wird der ganze Kraftstoff und ein Teil des Sauerstoffes während des gleichen Teiles einer Kurbelwellenumdrehung und während der gleichen Zeitdauer eingespritzt wie beim Betrieb mit normaler Fahrleistung. Der Rest des Sauerstoffes für die Vervollständigung der Verbrennung des Kraftstoffes wird nach Überschreiten der oberen Totpunktlage während eines festgelegten Zeitabschnittes, beispielsweise ca. 30° einer Kurbelwellenumdrehung,während 1 ms bei 5000 U/mln. eingespritzt*

Wenn der Sauerstoffdruck 112 kp/cm absolut (16OO peia) beträgt, wie oben beschrieben, beträgt der Druckabfall über das SaueretoffmeOventil 21,1 kp/cm (3OO peia). Der Sauerstoff wird stromaufwärts des Meßventlls gedrosselt, so daß eine Drosselung für maximale Leistung geschaffen wird, und dabei

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erfolgt gleichläufig eine Drosselung des vor Erreichen der oberen Totpunktlage eingespritzten Kraftstoffes.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird als Kraftstoff Wasserstoffgas und als Oxydationsmittel Sauerstoffgas verwendet. Bei einer anderen Ausführungsform wird als Kraftstoff flüssiges Benzin und als Oxydationsmittel Sauerstoffgas verwendet« Da, wie im folgenden noch eingehender beschrieben, der Wasserstoff und der Sauerstoff unter genügend hohem Druck stehen, werden diese Gase von den betreffenden Vorratsbehältern über an diese angeschlossene, geeignete Leitungen

k zu den Drosselventilen und den von den Hilfsnocken an der Welle 43 angetriebenen Meßventilen zugeliefort. Wenn als Kraftstoff flüssiges Benzin verwendet wird, wird dieses aus dem Vorratsbehälter, der unter atmosphärischem Druck steht, zu den Drossel- und MeÜventilen gepumpt, und die Pumpe liefert einen ausreichenden Druck, so daß das Benzin in der erforderlichen Menge in den Zylinder eingespritzt werden kann. Hierzu kann eine von der Kurbelwelle "}h in herkömmlicher Weise angetriebene Pumpe mit geeigneten Drossel- und Dosiereinrichtungen verwendet werden. In ähnlicher Weise wird eine solche Pumpe auch zum Zuliefern von Wasser unter ausreichendem Druck zum Sprühen und Kühlen jedes Zylinders gefördert. Da sowohl das Benzin, wenn solches

verwendet wird, als auch das Wasser unter verhältnismäßig niedrigem Druck eingespritzt wird und die Metige nicht genau eingehalten zu werden braucht, ist die Verwendung der teuereren und sehr genauen Einspritzpumpen be der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.

Der Motor gemäß der Erfindung und sein Betrieb sind insoweit einzigartig, als anstatt Stickstoff, wie im Falle der Verwendung von Luft bei herkömmlichen Motoren als Oxydationsmittel, hier Wasserdampf das als Arbeitsmedium verwendete wichtige Medium ist. Außerdem werden die Zylinderwände durch

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Besprühen mit Wasser von innen gekühlt. Beim Betrieb des Motors wird der Otto-Zyklus (Verbrennung bei konstantem Volumen) für den Betrieb bei normaler Leistung verwendet und der Otto-Zyklus mit dem Diesel-Zyklus (Verbrennung bei konstantem Druck) für höhere Leistungen kombiniert. Bei den beschriebenen Ausführungsformen von Kraftfahrzeugmotoren wird der Betrieb im Otto-Zyklus für Leistungspegel z.B. bis zur normalen Fahrleistung (ho bis 50 PB) verwendet und für höhere Leistungen mit dem Diesel-Zyklus kombiniert.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wird das Wasser für die Sprühwasser-Inneiikühlung der Zylinderwände und der Kolben des Motors gemäß dex' Erfindung durch Kondensieren des Wasserdampfes des Arbeitsmediums und des Kühlnebels aus dem Auspuff gewonnen. Der Auspuffsammler 35" ist durch eine Leitung 71 mit dem oberen Teil eines Vorkühlers 72 verbunden, der in der Nähe seines Bodens mit einem Kondensator 75 verbunden ist. Da die von der Sprühwasserkühlung anfallende Wassermenge geringer ist als die Menge des durch das Auspuffventil 35 und den Sammler 35" ausströmende Wasserdampfmenge, kann ein Teil des Auspuffgases über eine Leitung 71" ins Freie entlassen werden. Durch eine Schlange 7^ im Kondensator 75 wird Wasser oder Kühlmittel von dem Wärmetausch- und Kühlsystem des Motors 12 umgewälzt. Das im Kondensator 75 kondensierte Wasser aus dem Auspuff wird durch eine Leitung 77 in einen Behälter 76 mit einem Überlauf 80 für die Freigabe von überschüssigem Wasser in die Atmosphäre und über eine Leitung 77" in eine Leitung 76" weitergeleitet, deren eines Ende in den Behälter 76 führt und deren anderes Ende mit einer Pumpe 78 verbunden iet. Von der Pumpe 78 wird das Wasser über ein Drosselventil 79 zur Wassersprühdüee 36 und über ein Ventil 79' und eine Leitung 73 zu dem Sprühkopf im Vorkühler 72 gefördert. Der Vorkühler 72, der Kondensator 75, der Behälter 76, die Pumpe 78 und die verschiedenen

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Leitungen sind mit kleinen Entlüftungen ausgestattet, so daß nach Abschalten des Motors 12 etwaiges, in dem System zurückgebliebenes Wasser in die umgebende Atmosphäre entlassen wird. Auf diese Weise ist ein Einfrieren des Systems bei Lufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt und bei langen Stillstandszeiten des Motors vermieden.

Mit dem Auspuff-Kückgewinnsystem gemäß der Erfindung für den liückgewinn des Wassers aus den Auspuffgasen des Motors entfällt die Notwendigkeit, für die Sprühwasserkühlung der Zylinder und Kolben von innen einen Wasservorrat bereitzuhalten. Wenn der Motor angelassen wird, befinden sich die

ψ Zylinderwände, Kolben, das Kühlmittel des Motors und die Teile des Auspuff-Kückgewinnsystems auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur. Die Sprühwasserinnenkühlung wird also nicht bereits beim Anlassen des Motors sondern erst nach Erwärmung der Zylinderwände und der Kolben erforderlich. Während diese Erwärmung fortschreitet, wird der Wasserdampf aus dem Auspuff kondensiert und in dem Rückgewinnsystem gesammelt, so daß bei Dedarf für die Sprühwasserkühlung der Zylinderwände und Kolben und für die Sprühkühlung im Vorkühler 72 in dem Behälter 76 Wasser verfügbar ist. Wenn natürlich der Motor stillgesetzt und wieder angelassen wird, bevor die Zylinderwände, die Kolben

fc und das Kückgewinnsystetn abgekühlt sind, ist für die sofortige Sprühwasserkühlung in den Zylindern über die Sprühdüse 36 das vom vorangegangenen Motorbetrieb in dem Kückgewinnsystem zurückgebliebene Wasser verfügbar.

In Fig. 2A und 2B ist der Betrieb mit normaler Fahrleistung für die Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der als Kraftstoff Wasserstoffgas und als Oxydationsmittel im wesentlichen reines Sauerstoffgas verwendet wird. Dabei zeigt Fig. 2Λ einen der Motorzylinder 31 tnit seinem Arbeitsglied oder Kolben 32, der über eine Kolbenstange 33 mit der

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32 Antriebswelle 34 verbunden ist. Der Kolben/ist in der Nähe des Endes des Arbeitshubes nach der Verbrennung des gasförmigen Wasserstoffes und des im wesentlichen reinen Sauerstoffes dargestellt. Die Verbrennungsprodukte und das Arbeitsmedium (beides ist überhitzter Wasserdampf) sind expandiert, beispielsweise im Verhältnis 20:1, und das Auspuffventil 35 ist gerade im Begriff zu öffnen.

Das Auspuffventil 35 öffnet knapp vor Erreichen der unteren Totpunktlage, und das heiße Gas im Zylinder wird ausgeblasen und sein Druck sinkt, wobei das Gas im Zylinder adiabatisch expandiert» Kurz nach dem Abblasen des überhitzten Dampfes in dem Zylinder wird die Wassereinspritzung durch die Düse 36 zur Kühlung der Zylinderwände, der Kolben und des Auspuffventils eingeleitet (siehe Fig. 2B). Das Auspuffventil 35 bleibt offen, bis der Kolben das Volumverhältnis verändert hat, so daß nur mehr ein Volumverhältnis 5s1 bleibt, und dann wird das Auspuffventil 35 geschlossen (siehe Fig, 20) Während dieses Auspuffteiles des Hubes hat der Kolben 32 den größten Teil des Dampfes von hoher Temperatur aus dem Zylinder verdrängt. Ein Teil des Wasserdampfes wird direkt durch Verdampfen des eingespritzten Wassers gekühlt, das gegen die Wand gesprüht wird. Das Wasser, das die Wände, die Kolbenstirnfläche und das /mspuffventil erreicht, verdampft zu Wasserdampf von niedriger Temperatur und vermischt sich mit dom restlichen Wasserdampf hoher Temperatur und kühlt diesen weiter ab. Ein Teil dieses Dampfes strömt mit dem verbleibenden Heißdampf durch dan Auspuffventil aus. Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Auspuffventil geschlossen wird, ist das restliche Zylindervolumon oberhalb dos Kolbens mit Sattdampf gefüllt.

Zum Zeitpunkt des ^chließens des Auspuffventile 35 wird die Einspritzung des gasförmigen tfassorstoffoa und Sauerstoffes durch di-θ Düsen 3Ü bzw, 39 eingeleitet. Dieses Ein-

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blasen findet zwischen dem Schließen des Auspuffventils und einigen Graden der Kurbelwellenumdrehung vor Erreichen der oberen Totpunktlage statt,

Fig. 2D zeigt die Zündung am oberen Totpunkt, mit der die Verbrennung beginnt, die ein Ansteigen des Druckes und der Temperatur in dem Zylinder bewirkt. Als nächstes expandiert der überhitzte Dampf im Verhältnis 20:1, so daß er Arbeit leistet« Der überhitzte Dampf gibt an die Wände Wärme ab, die nicht nur von dem Kühlwassermantel sondern auch beim Auspuffhub, bei dem der Kolben sich nach oben bewegt, durch Sprühwasser von innen gekühlt ward.

Zur Erzielung maximaler Leistung über den wirksamen Fahrleistungsbereich mit einfachem Leistungszyklus wird der beschriebene Betrieb des Motors durch einen zweiten Leistungszyklus durch Einspritzung nach der Zündung erweitert. Die Figuren 2Λ bis 2D und die Fig. 2E zeigen die verschiedenen Stadien der Leiatungszyklen. Am Ende des Arbeitshubes (Fig.2A), vor dem Öffnen des Auspuffventils, befindet sich der Dampf im Zylinder auf einer Temperatur und auf einem Druck oberhalb derjenigen am Ende des Arbeitshubes bei einfachem Falirzyklus. Nachdem das Auspuffventil geöffnet hat, bläst der Zylinder ab, und der Dampf im Zylinder expandiert adiabatisch, /viii unteren Totpunkt wird das Einsprühen von Wasser eingeleitet (Fig. 213) , wie dies auch beim einfachen Fahrzyklus der Fall war. Nur wird der Sprühvorgang verstärkt, indem die einströmende Menge erhöht wird, so daß HIr die Kühlung bei dieser höheren Leistung zusätzliches Wasser verfügbar gemacht wird. Nach Schließen des Auspuffventils 3'j (Fig. ?X) und während des Verdichtungshubes wird der ganze Wasserstoff, Jedoch nur derjenige Teil des Sauerstoffes eingeblasou, der ohne Explosion bzw. Deechlkü;ung des Zylinder^ oder Kolbous durch Überdruck zulässig ist. Die Bedingungen im Zylinder am Ende de· Verdichtungshubes sind ähnlich Jenen beim Zyklus mit einfacher Fahrleistung, nur ist diesmal der Druck wegen des

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Druck/des zusätzlichen Wasserstoffs und Sauerstoffs um ein geringes Haß größer. Die Zündung erfolgt am oberen Totpunkt durch einen Zündfunken einer Zündkerze 41 , und das kraftstoffreiche Gemisch verbrennt und erzeugt überhitzten Dampf» Gleichzeitig (Fig. 2E) wird in einer Hochdruck-Sauerstoff leitung 42 ein Ventil geöffnet, das zusätzlichen .Sauerstoff für die Verbrennung des restlichen, noch unverbrannten Wasserstoffes bei konstantem Druck liefert und den zweiten Leistungszyklus einleitet. Unter Umständen, in denen eine Detonation erfolgt, kann der Wasserstoff, wie oben beschrieben, beim Aufwärtshub eingeblasen werden, jedoch das Einblasen des Sauerstoffes kann aufgeschoben werden und erst kurz vor Erreichen der oberen Totpunktlage eingeleitet werden, so daß der Wasserstoff in dem Maß fortschreitend verbrennt,in dem der Sauerstoff eingelassen wird.

Im Interesse eines besseren Verständnisses der Erfindung werden nun die Parameter einer veranschaulichenden Ausführungsform angegeben und die Betriebscharakteristik derselben an !!and eines PV-Diagramms (Fig. 3) gezeigt. Wie für das Ende des Arbeitshubes des Fahrzyklus mit einfacher Leistung gezeigt (Fig. 2Λ) beträgt der Zylinderdruck 2,74 kp/cm (absolut) (39 psia), und die Temperatur des überhitzten Dampfes beträgt 1493°C(272O°f). (Punkt 1 in Fig. 3). Wenn das Auspuffventil öffnet, expandiert der Dampf adiabatisch von 2,74 auf 1,41 kp/ cm (von 39 auf 20 psia), wobei die Dampftemperatur auf 1304° C (2380°f) sinkt. (Punkt 2 in Fig. 3). Bei diesen Temperaturen beträgt die Schallgeschwindigkeit in Wasserdampf ca. 915 m/s (3OOO ft/sec), und es dauert ca. 0,1 ma (oder 3 der Kurbelwellenumdrehung bei 5000 U/inin) , bis die Druckwellen den Kolben erreichen und bis das Ausströmen aus dem Zylinder nach dem ersten Offnen des Ventils beginnt.

Um das Einsprühen von Wasser während des Auspuffhubes des Zyklus zu ermöglichen, kann die Düse 36 gegenüber der Wasser-

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leitung 37 eine Druckdifferenz von 8,kk kp/cm (120 psia) aufweisen, so daß das Sprühwasser eine Geschwindigkeit von ca. 30,5 m/s (1OO ft/sec) erreicht. Demnach braucht ein Wassertröpfchen des SprUhstrahles ca. 2 ms, bis es einen Punkt der Zylinderwand erreicht, der von dem oberen Ende der Verbrennungskammer "J6 mm (3 inches) entfernt ist» Dei 5OOO U/min erfordert diese Bewegungsstrecke ca. 6O° einer Kurbelwellenumdrehung, und wenn der Wassersprühstrahl bei der unteren Totpunktlage beginnt, wird das Tröpfchen die Wand an der genannten Stelle erreichen, kurz bevor sie von dem Kolben bestrichen wird.

Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Auspuffventil 35 schließt (Punkt 3 in Fig. 3), bleibt oberhalb des Kolbens im wesentlichen nur Sattdampf von ca. 110° C (230° F) zurück, und die Kompression beginnt.

Der maximale Druck im Zylinder steigt nur bis auf 11,6 kp/cm (165 P*ia) an· Infolgedessen ist der RUckdruck gegen das eingeblasene Gas während des Einblaeens nur minimal· Die adiabatische Kompression des Dampfes bei 110° C (230° F) (über ein Verdichtungsverhältnis von 5:1 ) zuzüglich des Einbringens von Wasserstoff und Sauerstoff führt zu einem Zylinderdruck von 11,6 kp/cm (165 psia) und einer Gärtempera tur von 360° C (68O⁰F).(Punkt h in Fig. 3). Nach der Zündung stieg der Zylinderdruck auf ca· 91,^ kp/cm (13OO psia) und die Temperatur des Dampfe* im Zylinder auf ca. 2860°C (518O⁰F (Punkt 5 in Fig. 3)· Anschließend kehren Druck und Temperatur bei der Expansion während de· Arbeitehube· auf die Werte an. Punkt 1 in Fig. 3 zurück.

Bei dem Betrieb mit dem zweifachen Zyklus mit maximaler Leistung endet der Arbeitehub mit überhitztem Dampf von einem Druck von 5,03 kp/cm (71,5 P«i») und einer Temperatur von ca, I930⁰ c (35OO°f)(Punkt 1· in Fig. 3). Nach Öffnen de·

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Auspuffventils expandiert der überhitzte Dampf in dem Zylinder adiabatisch bis zu einem Druck von 1,41 kp/cm (20 psia) und einer Temperatur von 1515°C (276O°P), und nach dem Aussprühen mit Wasser und dem Auspuff bleibt Sattdampf von 110° C (23O°f) und 1,41 kp/cm² (20 psia) zurück, und die Bedingungen sind die gleichen wie beim Zyklus mit einfacher Fahrleistung (Punkt 3 in Flg. 3).

Während der Kompression und des Einblasens von Kraftstoff und Sauerstoff wird nur derjenige Teil des Sauerstoffes eingeblasen, der erforderlich ist, um einen maximalen Zylinderdruck von 91 >4 kp/cm (13OO psia) zu erreichen. Dies führt zu einem Verhältnis zwischen Sauerstoff und Kraftstoff von 2,6, und dieses Verhältnis liegt innerhalb der für die Verbrennung erforderlichen Grenzen. Das Gesamtverhältnis zwischen Sauerstoff und Kraftstoff bei der Verbrennung eines Wasserstoff-Sauerstoffgemisches beträgt 0:Kraftstoff = 8, und dies ist das stöchiometrische Verhältnis. Nach dem Zünden verbrennt das kraftstoffreiche Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch, und dabei wird überhitzter Dampf von 91»4 kp/cm (13OO psia) erzeugt, und nun wird zusätzlich unter hohem Druck Sauerstoff eingeblasen, bis der Wasserstoff völlig ausgebrannt ist. Der überhitzte Dampf erreicht eine Temperatur von ca, 3315° C (6000°f) (Punkt 6 in Fig. 3)· Bei Beginn des Expansionshubes 1st durch die vorangegangene Expansion bei konstantem Druck (Punkt 6 des Diagramms der Fig· 3) für den Zyklus mit maximaler Leistung zusätzlich zu dem Zyklus bei normaler Fahrleistung das Expaneionsverhältnie von 20:1 auf 8,5»1 gesunken. Wie beschrieben, leistet der Motor beim Betrieb unter den im Zusammenhang mit dem zweifachen Zyklus für maximale Leistung besprochenen Bedingungen 216 PS bei 3OOO U/Min.

Der Motorwirkungsgrad des Wasseretoff-Saueretoffmotors ist in Fig· k als Funktion der Leistung bei konstanter Drehzahl

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von. 3OOO U/min aufgezeichnet* Die Kurve hat eine Wirkungsgradspitze von k5% bei 60 PS (und dies ist um ein geringfügiges Maß mehr als für normalen Fahrbetrieb erforderlich), fällt jedoch bei den höheren Leistungen des zweifachen Zyklus für maximale Leistung sehr wenig ab· Normalerweise wird man ein steileres Abfallen bei den höheren Leistungen erwarten, denn das Expansionsverhältnis wird ja durch den Abschnitt des Zyklus mit konstentem Druck (Einspritzung nach der ZUndung) weitgehend vermindert. Dieser Neigung des Wirkungsgrades zum Abfallen wirkt jedoch die steigende Temperatur des überhitzten Dampfes im Zylinder entgegen, die bestrebt ist, den Wirkungsgrad zu verbessern.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden im Zweitaktbetrieb des Verbrennungsmotors statt Wasserstoff und Sauerstoff Benzin und Sauerstoff verbrannt, und der maximale Wirkungsgrad tritt im Bereich von 25 bis5O PS auf, obwohl ein solcher Motor imstande ist, eine Maximalleistung von 200 PS und ein Drehmoment von ca. 3k mkp (250 lbs,-ft.) zu entwickeln. Zu Vergleichszwecken sei angeführt, daß diese Auführungsform der Erfindung für das gleiche Hubvolumen, also gleiche Bohrung und gleiche Hublänge, ausgelegt ist t wie die Ausführungsform eines luftverschmutzunjjbfreien Motors zur Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff laut obiger Beschreibung. Der Benzin-Sauerstoff-Motor arbeitet im Grunde mit dem gleichen Zyklus wie der Wasserstoff-Sauerstoff -Motor,seine Fähigkeit, verschmutzungsfrei zu arbeiten, beruht jedoch darauf, daß die Kohlenwasserstoffe im Benzin in Abwesenheit von Stickstoff vollständig oxydiert werden. Dementsprechend können sauerstoffreiche Gemische verwendet werden, um ein gründliches Oxydieren des Kraftstoffes zu •ichern, ohne daß Stickstoffoxyde anfallen, wie bei herkömmlichen Motoren, bei denen Luft ale Oxydationsmittel verwendet wird.

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Der Betrieb des Motors gemäß dieser Ausführungsform entspricht im allgemeinen dem oben an Hand der Figuren 2A bis 2E beschriebenen Betrieb, nur wird hier dem Zylinder über die Leitung 39 statt gasförmigen Wasserstoffes flüssiges Benzin zugeführt. Das Benzin wird in einem Gasgemisch mit hoher Sauerstoffkonzentration, typischerweise mit einem Sauerstoffüberschuß von 15/^> verbrannt. Dies hat zur Folge, daß am Ende des Verbrennungshubes, wie in Fig» 2A gezeigt, die Kohlenwasserstoffe des Benzins vollständig zu Wasser und Kohlendioxyd verbrannt sind. In gleicher Weise, wie oben beschrieben, wird der Otto-Zyklus und der Diesel-Zyklus für den Betrieb des Motors mit einfachem Zyklus für normale Fahrleistung bzw. dem zweifachen Zyklus für Maximalleistung verwendet.

Wie in Fig. 5 veranschaulicht, ist der Einlaßkanal 39« für den flüssigen Kraftstoff in bezug auf den Einlaßkanal 38" für den gasförmigen Sauerstoff derart angeordnet, daß innerhalb des Zylinders 3I* der Sauerstoffstrahl aus dem Einlaßkanal 38 ⁿ den Strom flüssigen Benzins, der durch den Kanal 39" eintritt, trifft, so daß das Benzin fein zerstäubt und über die ganze Verbrennungskammer innerhalb des Zylinders verteilt wird. Das Benzin und der Sauerstoff werden aus Sicherheitsgründen nicht vor dem Eintritt in den Zylinder gemischt.

Das Diagramm, da» für den Motor mit Benzin- und Sauerstoffbetrieb den Zylinderdruck in Abhängigkeit vom Zylindervolumen zeigt, ist in Flg. 6 dargestellt, und die dort gezeigten Punkte 11 bis 16 entsprechen einzeln den Punkten 1 bis 6 der Fig« 3, die oben im Zusammenhang mit den Betrieb des Motors für Wasserstoff- und Sauerstoffbetrieb besprochen wurde«

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Wie bei der Ausführungsform des Motors für Wasserstoff- und Sauerstoffbetrieb wird das Benzin zur Gänze vor der Zündung eingeführt, und Sauerstoff wird in einer Menge eingeführt, die der Erzielung des maximalen Druckes in der Verbrennungskammer entspricht. Da das Benzin zur Gänze vor der Zündung eingebracht wird, wird beim nachfolgenden Verbrennen des äußerst benzinreichen Gemisches überschüssiges Benzin wirksam verdampft und auf die Verbrennungstemperaturen erhitzt. Wenn also schließlich Sauerstoff eingebracht wird, verbrennt der Kraftstoff schnell und grundlieh.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung für den Betrieb mit Benzin und Sauerstoff werden die brennbaren Kohlenwasserstoffe im wesentlichen vollständig verbrannt, so daß eine Entwicklung des luftverunreinigenden Kohlenmonoxydssowie unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxyde .·. ausgeschlossen ist, die normalerweise beim Betrieb von Verbrennungsinas chinen für den Benzin- und Luftbetrieb anfallen· Die Entwicklung von Stickoxyd ist gemäß der Erfindung nicht möglich, da das Element Stickstoff im Zylinder nicht vorhanden ist. Wenn Benzin in einer Umgebung mit hoher Sauerstoffkonzentration verbrannt wird, erfolgt überdies eine innige Berührung zwischen den Benzinmolekülen und den Sauerstoffmolekülen. Im Vergleich zur Verbrennung des gleichen Kraftstoffes in Luft wird die Brenngeechwindigkeit gesteigert; die Temperatur der Verbrennungsprodukte ist höher und eine gründliche Verbrennung des Kraftstoffes ist gewährleistet.

Da bei Verbrennungsmaschinen für den Betrieb mit Benzin und Luft die Luft ca. 78 Vol.-^ und 21 VoI,-£ Sauerstoff bzw, 75»8 Gew.-f> Stickstoff und 23*2 Gew.-^i Sauerstoff enthält, ist die verdünnende Wirkung des Stickstoffes leicht einzusehen. Stickstoff trägt zum OxydationsVorgang nicht bei, sondern vermindert die wirksame Sauerstoffkonzentration und erschwert dadurch das Zusammentreffen eines Sauerstoff-

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moleküls mit einem Kraftstoffmolekül, mit dem es reagieren kann. Der Stickstoff wirkt jedoch nicht nur verdünnend; sondern auch wärmeableitend, indem er die bei der chemischen Reaktion freiwerdende Energie absorbiert. Der Stickstoff wird nämlich zusammen mit den Heaktionsprodukten erhitzt,

e r

und _t da er in so großen Mengen vorhanden ist, vermindert/die erzielbare Höchsttemperatur der Reaktion zwischen Kraftstoff und Luft und vermindert dadurch den thermischen Wirkungsgrad, der im Interesse höchster Leistung gebraucht wird.

Der Wirkungsgrad des Motors für Benzin- und Sauerstoffbetrieb ist in Fig. k als Funktion der Motorleistung bei konstanter Drehzahl von 3000 U/min aufgetragen. Die Differenz zwischen den Wirkungsgraden der Ausführungsformen für den Betrieb mit Wasserstoff und Sauerstoff einerseits und für den Betrieb mit Benzin und Sauerstoff andererseits wird durch das geringe Molekulargewicht von Wasserdampf (18) im Vergleich zu dem von Kohlendioxyd (kk) erklärt. Die Verbrennung von Benzin im Benzin-Sauerstoff-Motor erzeugt Kohlendioxyd, das wegen des Unterschiedes im Molekulargewicht während der Expansion nur kO 'ja der Arbeit des Wasserdampf es leistet« Die Auswirkung des Kohlendioxyds wird in zunehmendem Maße ausgeprägt, wenn die Leistung gesteigert wird, da dabei in gleicher Weise auch der Kohlendloxydanteil in Prozent zunimmt« Bei normaler Fahrleistung vermindert die Verdünnung durch den Wasserdampf In wirksamerer Weise das durchschnittliche Molekulargewicht des Arbeitsnediums·

Bei den zur Veranschaulichung beschriebenen Ausführungsformen wird in jedem Zylinder bei jedem Auspuffhub eine ausreichend· Waaaermenge eingeaprüht, um den Zylinder und den Kolben zu kühlen« Während des Betriebes des Motors mit maximaler Leistung wird für die Kühlung mehr SprUhwasser

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gebraucht als bei normaler Fahrleistung. Beispielsweise werden beim Wasserstoff-Sauerstoff-Motor bei normaler Fahrleistung bei jedem Auspuffhub ca, 67 mg (0,000150 Ib) Wasser und bei Maximalleistung ca. 167 mg (0,0004 Ib) Wasser je Hub benötigt. Dieses Wasser wird in den Zylinder 31 durch den Sprühkopf 36 (Fig. 1) in Form eines mittelfeinen Sprühnebels eingespritzt. Wenn die Zerstäubung allzu fein ist, verdampft der Sprühnebel und erreicht die zu kühlenden Flächen der Zylinderwand und des Kolbens nicht. Ist der Sprühnebel zu grob, erfolgt die Verteilung über die Zylinderwände ungleichmäßig. Vorzugsweise werden an der Wassersprühdüse nur Nenndrücke, beispielsweise 8,kh kp/cm (120 psia) * verwendet. Die einzusprühende Wassermenge wird durch ein Ventil 79 (Fig. 7) gesteuert.

Der Motor gemäß der Erfindung kann, ohne Rücksicht darauf ob der Kraftstoff Wasserstoff oder Benzin ist, je nach Kraftfahrzeugkonstruktion im Bug oder im Heck des Kraftfahrzeuges eingebaut sein und ist mit den anzutreibenden Rädern in . herkömmlicher Weise, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Getriebes, eines Drehmomentwandlers oder dergl. verbunden. Die Vorratsbehälter, sei es solche für Wasserstoff und Sauerstoff oder für Benzin und Sauerstoff, sind im Fahrzeug an einer geeigneten Stelle, wo sie nicht hindern und fc bequem gefüllt werden können, untergebracht. Vorzugsweise sind die Behälter jedoch im Interesse der Sicherheit an getrennten Stellen angeordnet.

Ein Zweitakt-Verbrennungsmotor 12 (Fig. 8 und 9) gemäß der Erfindung ist vor dem Fahrgastraum 13 des Fahrzeuge 11 untergebracht. Bei dieser Ausführungsform wird der brennbare Kraftstoff für den Motor 12 von Wasserstoff tank" 16 geliefert, die hinter dem Fahrgastraum 13 angeordnet sind und mit dem Motor 12 durch eine Leitung 17 verbunden sind, und das

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Oxydationsmittel wird von Sauerstoffbehältern 14 aus geliefert, die vor dem Fahrgastraum 13 angeordnet sind und durch eine Leitung 15 mit dem Motor 12 verbunden sind. Die Sauerstoffbehälter Ik werden von einem Sauerstoffvorratsbehälter, beispielsweise einem Sauerstofftank 18 an einer Tankstelle, über eine Leitung 21 nachgefüllt, die eine Schnellsehlußkupplung für den Anschluß an einen geeigneten Stutzen am Fahrzeug aufweist, und die Wasserstoffbehälter 16 werden in ähnlicher Weise über eine Leitung 22 von Sauerstoffvorratsbehältern 19 ^aus nachgefüllt.

Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung das Vorrats- und Einspritzsystem für das Sauerstoffgas für den Motor gemäß der Erfindung. Das Sauerstoffgas wird anfangs in den Vorratsbehältern unter einem Druck gelagert, der höher ist al's der Einspritzdruck. Beispielsweise wird das Gas in den Vorratsbehältern bei 350 kp/cm (5000 psia) gelagert. Das Gaseinspritzsystem der als Beispiel angegebenen Ausführungsformen arbeitet mit dem niedrigsten möglichen Gaseinspritzdruck, nämlich mit 42,2 kp/cm (600 psia), so daß das Fassungsvermögen der Vorratsbehälter bestens genutzt wird. Wenn der Druck unter den Gaseinspritzdruck absinkt, beginnt die Motorleistung ebenfalls zu sinken, und dies erinnert den Fahrer, an eine Tankstelle zu fahren und die Behälter nachfüllen zu lassen. Ein Sauerstoffsystem mit besonders hohem Druck wird für die Nachverbrennung beim Zyklus mit Maximalleistung verwendet«

Wie dargestellt, sind die Sauerstoffvorratsbehälter in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in Sauerstoffbehälter 51 für normale Fahrleistung und Sauerstoffbehälter 52 für Maximalleistung. Typischerweise sind ca. 90 ^b sämtlicher Sauerstoffbehälter solche für normale Fahrleistung. Der bei normaler Fahrleistung benötigte Sauerstoff strömt aus dem Behälter durch ein Absperrventil 53» das durch den Zündschlüssel be-

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tätigt wird, und durch .einen Druckminderungsregler $k zum Vermindern des Druckes auf ca, 35 > 2 kp/cm (500 psia)· Am Motor 12 strömt der Sauerstoff durch ein Drosselventil 55» das mittels des (nicht dargestellten) Beschleunigungspedals des Fahrzeugs sowie durch ein mittels der Welle h¹} angetriebenes Meßventil gesteuert ist, so daß das Einblasen des Sauerstoffes in den Zylinder im korrekten Zeitpunkt während des Arbeitsspieles erfolgt.

Der für den Betrieb mit Maximalleistung benötigte Sauerstoff aus den Behältern 52 strömt durch ein Absperrventil ^ 57 und einen Druckminderungsregler 58 zum Vermindern des Druckes auf einen Wert oberhalb des Niveaus des konstanten Druckes des Zyklus mit normaler Fahrleistung, beispielsweise

auf 112 kp/cm (16OO psia) und von dort durch ein Drosselventil 59» Um sicherzustellen, daß der Sauerstoff zur Gänze und vollständig genutzt wird, ist ein Ventilsystem vorgesehen, das es gestattet, die Leitungen der Sauerstoffbeh&lter 51 und 52 für den Betrieb mit normaler Fahrleistung bzw. für Maximalleistung zu verbinden, wenn entweder der Druck in dem

ersteren Behälter 51 auf 35.2 kp/cm (500 psia) oder der Druck in dem letzteren Behälter auf 112 kp/cm (16OO psia) absinkt. Dieses Ventilsystem kann einen Regler 6z aufweisen, der das Überströmen von Sauerstoff aus den Sauerstoffbehältern ) 52 für maximale Leistung in die Leitung für den Betrieb mit normaler Fahrleistung ermöglicht, so daß in der Leitung für den Betrieb mit normaler Fahrleistung ein Druck von 42» 2 kp/

cm (600 psia) aufrechterhalten wird, und es kann ein Rückschlagventil 63 vorgesehen sein, das ein Überströmen von Sauerstoff aus den Behältern 51 für den Betrieb mit normaler Fahrleiatung in die Sauerstoffleitung für den Betrieb mit maximaler Leistung ermöglicht, wenn der Druck in den Sauerstoffbehältern 52 für den Betrieb mit Maximalleiatung unter den Druck der Behälter für normale Fahrleistung sinkt·

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Das Vasserstoffvorrats- und -einspritzsystem für die Ausführungsform der Erfindung für den Betrieb mit Wasserstoffgas als Kraftstoff ist ähnlich dem Sauerstoffsystem für den Betrieb mit normaler Fahrleistung und weist einen Druckbehälter 651 ein Absperrventil 66, ein Druckminderventil 67» ein Drosselventil 68 und eine Kraftstoffeinspritzdüse 39' (Fig. 1) auf. Ein Drosselventil 68 führt während des Betriebes mit maximaler Leistung zusätzlichen Wasserstoff in den Zylinder ein.

In Fig. 11 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Zweitakt-Verbrennungsmotor dargestellt, bei dem als Kraftstoff Benzin und als Oxydationsmittel Sauerstoff dient und das für den Einbau in einen PKW bestimmt ist. Der Motor 12' ist vor dem Fahrgastraum 13' angeordnet, und der brennbare Kraftstoff wird dem Motor 12' über eine Leitung 17' von Benzintanks 16' zugeliefert. Die Benzintanks 16' und der Motor 12' sind vor dem Fahrgastraum 13' angeordnet. Sauerstoffbehälter 14' sind hinter dem Fahrgastraum 13' angeordnet und mit dem Motor 12' über eine Leitung 15' verbunden. Die Benzintanks werden von einem Benzinvorratstank 19' an der Tankstelle über eine Leitung 22' in der für PKW-s mit Viertakt-Benzinmotoren üblichen Weise aufgefüllt. Sauerstoff für das Auffüllen des Sauerstoffbehälters 14' des Fahrzeugs wird von Flttssigsauerstoffbehältern 18' an der Tankstelle über einen Converter (eine Druckaufbau-kohrschlange) 20' und eine Leitung 21' geliefert« Eine geeignete Schnellkupplung am Fahrzeug und am Ende der Leitung 21' gestattet das Zuführen des Sauerstoffs von der Druckaufbau-Rohrschlange 20* zu den Sauerstoffbehältern I^¹ und zum Schließen des Stutzens am Fahrzeug beim Lösen des Endes der Leitung 21' von diesem Stutzen.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   . Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, einem _^y^±xi dem Zylinder hin- und herbeweglichen Kolben, einem Auspuffkanal in dem Zylinder, einem Auspuffventil in dem Kanal und einer Kraftstoffeinlaßdüse in dem Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung eines luftverunreinigungsfreien Verbrennungsmotors folgende Teile vorgesehen sind: Eine Sauerstoffeinlaßdüse(38')in dem Zylinder zum Einlassen von im wesentlichen reinem Säuerst off gas, eine Wassersprühdüse (36) in dem Zylinder, eine Einrichtung (39) zum Zuführen einer abgemessenen Kraftstoffmenge zu der Kraftstoffeinlaßdüse, eine Einrichtung (38) zum Zuführen einer abgemessenen Menge im wesentlichen reinen Sauerstoffgases zu der Sauerstoffeinlaßdüse, eine Einrichtung (37) zum Zuführen einer abgemessenen Menge Wasser zu der Wassersprühdüse und eine Einrichtung zum zeitgerechten, wiederkehrenden Öffnen und Schließen des Auspuffventiles in dem Auspuffkanal und zum Einführen der abgemessenen Mengen an Kraftstoff, Sauerstoff und Sprühwasser in den Zylinder.

   2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an den Auspuffkanal angeschlossene Einrichtung zum Wiedergewinnen des in den Zylinder eingespritzten sowie des durch die Verbrennung des Kraftstoffes und des Sauerstoffes in dem Zylinder erzeugten Wassers, das durch den Auspuffkanal aus dem Zylinder entlassen wird, und eine Einrichtung zum Zuführen des in der Wasserwiedergewinnungseinrichtung aus dem Auspuff wiedergewonnenen Wassers zu der Wassersprühdüse.

   3· Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Wiedergewinnen von Wasser aus dem Auspuff

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   einen Kondensator mit Rohrschlangen und Einrichtungen zum Umwälzen eines Kühlmittels aus dem Motor durch die Rohrschlangen aufweist,

   k. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Wiedergewinnen von Wasser aus dem Auspuff einen Vorkühler (zum Abkühlen von Überhitzungstemperatur desuperheater), eine Einrichtung zum Einsprühen von Wasser in den Vorkühler und eine Einrichtung zum Zuführen von aus dem Kondensator abgegebenem Wasser zu der Wassersprüheinrichtung des Vorkühlers aufweist.

   5. Motor nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Wiedergewinnen von Wasser aus dem Auspuff einen Behälter, eine Einrichtung zum Weiterleiten von Auspuffprodukten und Kondensat, einschließlich des in den Vorkühler eingesprühten Wassers, von dem Vorkühler in den Kondensator, eine Einrichtung zum Weiterleiten von Auspuff produkten und Kondensat, einschließlich des Sprühwassers, aus dem Kondensator in den Behälter und eine Einrichtung zum Zuführen von Wasser aus dem Behälter in die Wassersprüheinrichtung im Vorkühler und zu der Wassersprühdüse in dem Zylinder aufweist«

   6, Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß. eine Sauerstoffspeichereinrichtung und eine Einrichtung zum Zuführen von Sauerstoff aus der Sauerstoff speichereinrichtung zu der Sauerstoffelnlaßdüse vorgesehen sind«

   7· Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Einrichtungen zum Zuliefern von Sauerstoff aus der Sauerstoffspeichereinrichtung zu der Sauerstoffeinlaßdüse vorgesehen sind, deren jede für die Zufuhr von Sauerstoff in unterschiedlicher Weise einmal unter Be-

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   dingungen gewönlichen Leistungsbedarfes und einmal unter Bedingungen hohen Leistungsbedarfes getrennt steuerbar ist.

   8, Motor nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffspeichereinrichtung folgende Teile aufweist: Eine erste Gruppe von untereinander verbundenen Sauerstoffspeicherbehältern, eine zweite Gruppe von untereinander verbundenen Sauerstoffspeicherbehältern, eine Einrichtung zumZuführen von Sauerstoff von der ersten Gruppe von Speicherbehältern zu der Sauerstoffeinlaßdüse, ^ eine Einrichtung zum Messen des von. der ersten Gruppe von Speicherbehältern zu der SauerstoffeinlaßdUse zugelieferten Sauerstoffs, eine Einrichtung zum Zuliefern von Sauerstoff von der zweiten Gruppe von Speicherbehältern zu der Sauerstoffeinlaßdüse und eine Einrichtung zum Messen des von der zweiten Gruppe von Speicherbehältern zu der Sauerstoffeinlaßdüse zugelieferten Sauerstoffs·

   9· Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffspeichereinrichtung eine Einrichtung ζunZuführen von Sauerstoff aus der ersten Gruppe von Speicher behältern zu der Einrichtung zum Zuführen von Sauerstoff aus der zweiten Gruppe von Speicherbehältern sowie | eine Einrichtung ζunZuführen von Sauerstoff aus der zweiten Gruppe von Speicherbehältern zu der Einrichtung zum Zuführen von Sauerstoff aus der ersten Gruppe von Speicherbehältern aufweist.

   10· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 t dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff Benzin ist.

   11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9t dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff Waeserstoffgas ist«

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   12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ι dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff ein Medium ist, das in Anwesenheit von Sauerstoff brennbar ist und das als Produkt einer solchen Verbrennung Wasser, nicht aber Stickstoffoxyde erzeugt«

   13· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff und der Sauerstoff in den Zylinder in annähernd stöchiometrischem Verhältnis eingelassen werden.

   Ik, Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungemotors mit mindestens einem Zylinder und einem darin hin- und herbeweglichen Kolben in dem Zylinder, einem Auspuffkanal in dem Zylinder, einem Auspuffventil in dem Kanal sowie Einlaßdüsen für Kraftstoff, Sauerstoff und Wassernebel, nach einem der Ansprüche 1 bis 13» hei dem der Auslaßkanal mit dem Auslaßventil bei der Bewegung des Kolbens gegen den Auslaßkanal hin geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinder eine abgemessene Menge Kraftstoff und Sauerstoffgas bei geschlossenem Auspuffkanal eingelassen wird, daß der Kraftstoff und das Säuerst off gas in dem Zylinder verbrannt werden, nach Verbrennung des Kraftstoffes und Sauerstoffes das Auspuffventil geöffnet wird und die Auspuffprodukte der Verbrennung aus dem Zylinder ausgestoßen werden, während das Auspuffventil geöffnet ist, und daß zur Kühlung des Zylinders und des Kolbens diese mit einer abgemessenen Menge Wasser aus der Wassersprühdüse besprüht werden.

   15· Verfahren nach Anspruch lh, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser aus den Auspuffprodukten aus dem Zylinder, das durch da« geöffnete Auepuffventil ausströmt, von dort wiedergewonnen wird und zur Kühlung des Zylinders

   009838/U38 " ³⁰ "

   und Kolbens durch die Wassersprühdüse in den Zylinder eingeführt wird.

   16. Verfahren nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des aus den Auspuffprodukten wiedergewonnenen Wassers zur Kühlung der Auspuffprodukte in diese eingesprüht wird.

   17· Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste abgemessene Menge Sauerstoffgas mit dem Kraftstoff in den Zylinder eingebracht ^ und dort verbrannt wird und daß während der Verbrennung * der ersten abgemessenen Menge an Sauerstoffgas und des Kraftstoffes eine zweite abgemessene Menge Sauerstoffgas in den Zylinder eingeführt und mit dem dort befindlichen Kraftstoff verbrannt wird.

   18, Verfahren nach einem der Ansprüche 1^ bis 17_f dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff Wasserstoffgas ist.

   19, Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff flüssiges Benzin ist,

   20, Verfahren nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß ) das in den Zylinder eingelassene Benzin innerhalb des Zylinders durch das Zusammentreffen mit dem in den Zylinder duroh die Sauerstoffeinlaßdüse eintretenden Sauerstoff zerstäubt wird,

   der

   21, Verfahren nach einem/Ansprüche 1Ί bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß das Einführen einer abgemessenen Menge an Kraftstoff und Sauerstoffgas in den Zylinder in zwei Abschnitte unterteilt wird, daß in dem ersten dieser beiden Abschnitte eine gesteuerte Menge an Kraftstoff und Sauerstoff in den Zylinder eingelassen wird, wenn

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   der Kolben sich in einer Stellung für die Lieferung einer Leistung eines vorherbestimmten Niveaus befindet,· und in dem zweiten Abschnitt eine gesteuerte zusätzliche Menge an Kraftstoff oder Sauerstoff in den Zylinder eingelassen wird, während der Kolben sich unter der Wirkung des Verbrennungsdruckes bewegt, so daß eine zusätzliche Verbrennung bei im wesentlichen konstantem Druck auftritt, bis der Kraftstoff aufgebraucht ist, wodurch eine Leistung oberhalb des vorherbestimmten Niveaus erzeugt wird,

   22. Vorrichtung zur Wiedergewinnung von Wasser aus den Abgasen, Abdämpfen oder Auspuffprodukten einer Verbrennungsraaschine, gekennzeichnet durch einen Vorkühler (desuperheater) , eine Einrichtung zum Zuführen der Auspuffprodukte aus einer Verbrennungsmaschine zu dem Vorktihler, eine Einrichtung zum Einsprühen von Wasser in den Vorkühler, einen Kondensator, eine Einrichtung zum Zuliefern von Auspuffprodukten und Sprühwasser aus dem Vorkühler in den Kondensator, eine Kühlrohrschlange in dem Kondensator, eine Einrichtung zum Umwälzen eines Kühlmittels aus dem Kühlsystem des Verbrennungsmotors durch die Rohrschlangen, einen Behälter, eine Einrichtung zum Zuführen von in dem Kondensator kondensiertem Wasser, von aus dem Vorktihler in den Kondensator geleitetem Sprühwasser und von Auspuffprodukten aus dem Kondensator in den Behälter sowie Einrichtungen zum Zuführen von Wasser aus dem Behälter, in die Wassersprüheinrichtung im Vorkühler,

   23· Vorrichtung zum Wiedergewinnen von Wasser nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zuführen von Wasser aus dem Behälter in den Verbrennungsmotor«

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