DE2011560A1

DE2011560A1 - Kolbenmotor mit Verbrennung bei konstantem Druck

Info

Publication number: DE2011560A1
Application number: DE19702011560
Authority: DE
Inventors: der Anmelder. P P02g 3-02 ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-03-11
Filing date: 1970-03-11
Publication date: 1970-11-26
Also published as: GB1300603A; FR2046148A5; JPS4917961B1; SE351463B; US3577729A

Description

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Dr. O. Dittmanrt K. L. Schiff Dr. A. ν. Füner Dipl. tng. P. StreHr DA/ÖG-6161

Patentanwälte .

, München SO₁ Mariahilfpiatz 2 & 3, Telefon 45 40 40

Beschreibung

au der , . Patent- und GebrauchemusterhiIfsanmeldung

Glenn B. Warren,

Z361 Myron Street, Schenectady, New York, USA

betreffend

Kolbenmotor.nit Verbrennung bei konstantem Druck.

(Priorität:. 11. März 1969 · U.S.A. ~ Nr. 806 159)

In den vergangenen Jahren haben sich die Automo» bilbauer in zunehmendem Masse mit den Problemen der Qualmentwicklung und Luftverschmutzung beschäftigt, die aus den hohen Konzentrationen schädlicher Stoffe in den Abgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Fahrzeugen, resultieren. Untersuchungen der Qualmbildüngsfähigkeit derzeitiger Automobilabgase haben ergeben, dass die Schwierigkeit, insbesondere die in den Abgasen vorliegende Konzentration von unverbranntem Kohlenwasserstoff, grossenteils auf einer Tlammenauslöschung'* ("flame quenching'*) des brennbaren Gemisches aus Luft und Brennstoff während der Verbrennung beruht, Piese Plammenauslösohung tritt am oberen Ende des Mo» torzylinders und am Kolbenkopf als eine Folge der Berührung aswi sehen dem brennbaren Material und den verhältnismässig kalten Wanden des Zylinders und der Verbrennungskammer auf.

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Ausserdem entstehen hohe Konsentrationen des unverbrannten Kohlenwasserstoffgehalts und des Kohlenmonoxids in dem Abgas bei Leerlauf und Verzögerung sowie im Anschluss an Kaltstarts» was darauf beruht, dass die Motormischung sehr fett ist, um eine weiche und kräftige Arbeitsweise zu gewährleisten,

Grosse Mengen von Kohlenmonoxid, unverbranntem Kohlenwasserstoff und Stickstoffoxid werden ferner während der häufig auftretenden Perioden starker Beschleunigung ausgestossen, in denen die Verbrennungstemperaturen hoch sind und die brennbaren Gemische sehr fett gemacht werden, um höchste^Leistungsfähigkeit zu erzielen.

Weitere luftverschautzende Stoffe inform von Bleiverbindungen resultieren aus den verschiedenen in den ge» wohnlichen Automobilbrenndtoffen vorhandenen Zusatzstoffen, die dazu ausgelegt sind, die Oktanzahl der Brennstoffe zu erhöhen. Hohe Stickstoffoxid-Konzentrationen liegen in den Abgasen von Motoren des Dieseltyps vor.

Obwohl mancher Fortschritt erzielt wurde, die Luftverschmutzung durch Kraftfahrzeuge zu reduzieren und minimalfeieren, sind die oben erwähnten Gründe für die Luftverschraut= zung mit den meisten heute verfügbaren Kolbenverbrennungsmotoren untrennbar verbunden. Diese Motoren sind dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressions-Varbrannungshub und der Expansionshub des Arbeitszyklus in der gleichen Kammer statt» finden; sie arbeiten unter Verbrennungsbedingungen mit konstantem Volumen (d.h. gemä>s dem Qtto=Kreisprozess) oder versuchen mit Verbrennung auf nahezu konstantem Druck zu arbeiten (d.h. gem. dem Diesel-Kreisprozess}, wobei jeuaeh die Verbrennung in einer Kammer stattfindet, die mit dem Expansionszylinder «ine Einheit bildet.

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Erfahrungen mit Flugzeugen und anderen Gasturbi» nen-Motoren, mit Dampfkesseln und Turbinen-Gasheizern, bei denen die Verbrennung in einer getrennten Kammer auf nahezu konstantem Druck, mit Luftüberschuss und im Verhältnis zu dem Explosions-Dieselmotor verhältnismässig geringer Ge« sehwindigkeit stattfindet, haben gezeigt, dass die Abgase einer solchen Verbrennung einen fiusserst geringen Gehalt an Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickstof f oxiden haben können. Bei fehlender explosionsartiger Verbrennung erübrigt es sich ausserdem-p·dem Brennstoff Mittel | zur Unterdrückung das Klopfens wie etwa Bleizusätze beizugeben.

_„-..-·.. Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine mit Verbrennung auf konstantem Druck arbeitende modifizierte Art des thermodynamisehen Brayton-Kreisprozess an einen Verbrennungskolbenmotor anzupassen, um dadurch sämtliche obengenannten Gründe für die Luftverschmutzung zu umgehen und gleichzeitig einen Motor zu schaffen, dessen Leistungsfähigkeit grosser ist als bei gegenwärtig verfügbaren Automobil-= Antriebsaggregatenα Eine derartige hohe "Leistungsfähigkeit ist wegen des hohen Kömpressionsverhältnisses und der hohen g Temperaturen möglich, die dadurch zulässig werden, dass die Verbrennungskammer mit gekühlten Wänden versehen wird.

Der erfindungsgemässe für Verbrennung auf im sentlichen konstantem Druck geeignete Verbrennungskolbenmotor ist mit jeweils einem Kompressionszylinder, einer Verbrennungskammer und einem Expansionszylinder versehen, wobei diese drei Räume in geeigneter Weise miteinander in Verbindung stehen. Jeder Motor umfasst also mindestens eineii Luftkompressionszylinder mit einem verschiebbar darin angeordneten Kolben sowie mit geeigneten Einlass- und Auslassventilen. Das Auslassventil steuert die Strömung der komprimierten Luft

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von dem Koiopreeeionssylinder in eine Verbrennungskammer und verhindert gleichseitig eine Rückströaung von der Verbrennungskammer in den Kompraseionszylinder. Die Verbrennung«kammer ist innerhalb eines länglichen umschlossenen Raumes ausgebildet und waiet Luft- und Brennstoff-Ein' lassöffnungan sowie am einen Ende angeordnete Zündelementβ auf* Das andere Ende der Verbrennungskammer ist über eine Leitung mit dem Kopf eines Expansionszylinders verbunden, der ein zeitgesteuertes Einlassventil sowie ebenfalls einen verschiebbar angeordneten Kolben enthalt. Die Kolben des Kompressionszylinders und des ExpansionszyJ.inders sind mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden, so dass ihre Bewe gongen synchronisiert und in der richtigen zyklischen Pha senbeziehung gehalten werden.

Die Verbrennungskammer ist mit Einrichtungen ver sehen, die die während der Verbrennung erzeugte Wärme auf das Längszentrum der Kammer beschränken. Diese Einrichtungen umfassen ein nicht rostendes Stahlfutter, das um die Innenwand der Verbrennungskammer angeordnet ist und dazu dient, die Strahlungswärme auf die Mitte der Verbrennungskammer zn reflektieren, ferner eine Vorrichtung, die der Luft von dem Kompressionszylinder beim Eintritt in die Verbrennungskammer einen schraubenartigen Drall erteilt; weiterhin eine Vorrichtung, die für eine verhältnismässig rasche Verbrennung eine freie Luftströmung längs der Innenwand der Verbrennungskammer vermittelt; sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Rückströmung in der für die Verbrennungskammer vorgesehenen Sekundär» und Tertiärluft-Versorgung. Der Motor ist ferner mit einer verbesserten Auslassyentilanordnung für den Kornpreseionszylinder und einer verbesserten Einlassventilanordnung für den Arbeitszylinder versehen, wobei die Ventil»

anordnungen insbesondere «o ausgelegt sind, dass sie mit ge-

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ring em Druckverlustbei hoher Geschwindigkeit arbeiten« Das Einlassventil des Arbeitszylinders ist ausserdaa zum Betrieb bei hoher Temperatur ausgelegt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbaispiels anhand der Zeichnungen; darin zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäss gebauten Verbrennungskolbenmotor;

Fig. 2 eine vergrösserte fragmentarische Draufsicht auf das Auslassventil des Kompressionszylinders des vorliegenden Motors· ' _N .

Fig. 3 einen fragmentarischen Längsschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2;

Fig. 4 einen fragmentarischen, vergrösserten Längsschnitt des Expansionszylinderkopfas;

Fig. 5 einen fragmentarischen Längsschnitt längs der Linie 5-5 der Fig. 1 zur Darstellung der erfindungsgeraässen | Verbrennungskammer;

Fig. 6 eine fragmentarische Draufsicht auf eine Kompres=· sionszylInderreihe für einenerfindungsgeraässen Motor;

Fig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche Draufsicht auf die Expansionszylinderreihe des erfindungsgemässen Motors;' und

Fig. 8. einen vergrößerten fragmentarischen Längsschnitt durch das Einlassventil des Arbeitszylinders# '■

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Es wird zunächst insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein erfindungsgemässer Motor 10 dargestellt ist. Der im Querschnitt dargestellte Motor ähnelt stark dem bekannten Automobil-Motor des V-Typs und kann tatsächlich auf dem herkömmlichen V8-Motor beruhen oder eine V_n~Konfiguration aufweisen, wobei η eine gerade Zahl ist. Der Motor 10 kann auch als Reihenmotor mit einer geraden Zahl von Zylindern gebaut sein, wobei die Hälfte der Zylinder für die Kompression und die andere Hälfte als Arbeitszylinder dienen. Man nimmt jedoch an, dass die dem gegenwärtigen V-Motor innewohnenden Vorteile auch bei dem verbesserten erfindungsgeraässen Motor vorliegen, und daher beschränkt sich die vorlie gende Beschreibung des bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels auf einen V-Motor.

Der Motor 10 umfasst zwei Reihen von im Winkel zueinander versetzten Zylindern, wobei im vorliegenden Beispiel eine linke Zylinderreihe die Kompressionszylinder 12 und eine rechte Zylinderreihe 13 die Arbeitszylinder 14 um« fasst. Zwischen der rechten und der linken Zylinderreihe verläuft eine einzige Verbrennungskammer 16, die mit den Zylindern Über geeignete Verzweigungen verbunden ist.

Kompressionszylinder

Jeder Kompressionszylinder 12 umfasst ein hohles, längliches Element, das unter einem geeigneten Winkel be« zUglich des Motorblocks 18 angeordnet ist und an seinem einen Ende einen geschlossenen Kopf 20 aufweist. In dem Zylinderkopf sind zwei Einlassventile 22 mit einem einzigen Mehrfach-Auslassventil 24 vorgesehen. Zwei Einlassventile sind deshalb vorhanden, da der Platz zur Aufnahme beider Ventile ausreicht und diese Anordnung den VölHgkeitsgrad des Motors bei höheren Drehzahlen verbessert.

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Die Einlassventile 22 werden von einer Nocken« scheibe 26 über einen Nockenetöasel 28 und einen Heber 30 betätigt. Gemäss der Darstellung wird die Nockenscheibe 26 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ihrerseits von einem gestrichelt gezeigten Zeitsteuerungs-Zahnriemen 32 angetrieben, der die oben liegende Nockenwelle 33 mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle antreibt. Die Arbeitsweise der Ventile entspricht den Standardprinzipien im Automobilbau und ist wohlbekannt. Um die Zylinderwände ä und Teile des Zylinderkopf es ist eine Kühlung inform eines i, Wassermantels 34 vorgesehen, was'dazu dient, die für die Kompression erforderliche Leistung zu reduzieren und eine gute· Schmierung zu gewährleisten. Wie bei bekannten Motoren kann der Wassermantel mit dem Motorblock und dem Zylinder-, kopf einteilig gegossen sein. Vorgesehen ist ferner ein Lufteinlafietutzen 36, der mit dem Innenraum des Zylinders 12 über Durchführungen in Verbindung steht, di© jeweils von den beiden Einlassventilen 22 gesteuert werden. An der Einiaßseite des Stutzens kann ein (nicht gezeigtes) Luftfilter vorgesehen sein, um Verunreinigungen aus der Luftversorgung für den Kompressor zu beseitigen» «

. Innerhalb des Rohres des Zylinders 12 ist ein Kolben 38 wie beim gegenwärtigen Automobil»Motorbau ver~ schiebbar angeordnet. Ein Ende des Kolbens 38 endet dabei in einem Kopf 40, der mit de eigneten, dichtend an der Innenwand des Zylinderrohres anliegenden Kolbenringen 42 verse* hen ist. Das untere Ende der Kolbenstange 39 ist mit einer Kurbelwelle 44 gekuppölt. Die Kurbelwelle 44 ist allen Zylindern «owohl in der Kompressions« ale auch in der Antriebszylinderreihe des Motors gemein»

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Die aus dem Kompressionszylinder 12 austretende hochkomprimierte Luft strömt über das Ventil 24 durch eine Leitung 46 in die Verbrennungskammer 16, wenn das Ventil durch den darunter befindlichen Luftdruck entsprechend ge öffnet ist. Zu den übrigen Zeiten, d.h, wenn der Korapressionszylinder mit dem Komprimieren einer Luftraenge beschäftigt ist oder während des Ansaughubs eine neue Luftfüllung ansaugt, ist das Ventil 24 geschlossen und verhindert dabei, dass die Luft in die Verbrennungskammer strömt. Das Ventil 24 dient also als Auslassventil für den iCorapressionsaylinder 12 und als Einlassventil für die Verbrennungskammer 16,

Im folgenden wird auf Fig. 2 und 3 Bezug genommen, in denen ein fragmentarischer Schnitt durch das Ventil 24 in vergrösserter Form gezeigt ist. In Wirklichkeit umfasst das Ventil 24 ein Bündel von mehreren, im vorliegenden Fall sieben kleinen Ventilen, die als eine Gruppe von sechs gegenseitig um etwa 60° versetzten und um ein Mittelventil 50 verteilten Ventilen 48 angeordnet sind. Das mittlere Un terventil 50 und die umgebenden Ventile 48 haben gleichen Aufbau. Die erwähnte Anordnung ist in Fig. 2 und Fig. 6 zu sehen. Das Ventilbündel ist unterhalb eines herausnehmbaren porösen Käfigs 52 gehalten, der ein Durchströmen von komprimierter Luft gestattet, so dass diese bei geöffnetem Ventil 24 von dem Kompressionsaylinder in die Verbrennungskammer strömt. Jedes Unterventil 48,50 umfasst eine im wesentlichen flache nicht rostende Stahlscheibe 54_f die in dem erweiterten Mittelabschnitt 56 einer durch den Kopf 20 des Zylinders 12 in das Innere des Zylinderrohres verlaufenden Bohrung sitzt. Das obere Ende des unteren Abschnitts 62 der mit dem Zylinderrohr in Verbindung stehenden Durchführungsbohrung 58 wird von Schultern 61 definiert. Bei den Ventilen 48,50 handelt es sich um selbsttätige Rückschlagventile, die in der geschlossenen Stellung durch Federn 60 gegen die Schulter

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61 vorgespannt sind, wie es in Fig. 3 in ausgezogenen Linien dargestellt ist. Nehmen die Scheiben 54 die in Fig· 3 in ausgezogenen Linien gezeigte Stellung ein, so sind die verschiedenen Durchführungen sswiaohen dem Innenraum des Kompressionszylinders und der Verbrennungskammer 16 in wirksamer Weise blockiert, wodurch verhindert wird, dass komprimierte Luft von dem Zylinder 12 in die Verbrennungskammer strömt. Baut sich jedoch während des Aufwärtshubs des Kolbens 38 in dem Kompressionszylinder 12 Druck auf, so steigt der Druck gegen I die Unterseite der einzelnen Scheiben 54 genügend stark an, um die Vorspannung der Federn 60 zu überwinden und die Scheiben 54 von den Schultern 61 weg nach oben zu drücken, dadurch das Ventil 24 zu öffnen und einen Weg durch die Durchführung 64 in die Leitung 46 zu schaffen. Oberhalb der Schulter 61 und in Abstand von dieser ist eine Schulter 62 vorgesehen, um die Verschiebung der Scheibe 64 zu begrenzen, wenn das Ventil 24 aufgedrückt wird. Der Weg der komprimierten Luft von dem Kompressionszylinder 12 durch das Ventil 24 in die Leitung 46 ist durch die Pfeile in Fig. 3 gezeigt. Selbstverständlich muss die Durchführung 64 mit dem Kingraum in Verbindung stehen, der von den die Verschiebung der Scheibe ' I 54 begreneenden Schultern 61 und 62 gebildet wird. Ebenso selbstverständlich ist es, dass die Oberseite des Käfigs 52 mit der Leitung 46 in Verbindung stehen muss, die den Korn« pfessionszylinder mit der Verbrennungskammer 16 verbindet.

Der Grund dafür, dass das Kompressor-Auslassventil 24 inform einesBündele von kleineren Unterventilen und nicht als ein einzelnes grosses Ventil gebaut wird, liegt darin, dass die kleineren Unterventile aufgrund des verhältnismässig geringen Gewichtes ihrer sich bewegenden Elemente von Natur aus mit einem geringeren Druckabfall und geringerar Metall» beanspruchung und daher mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten können· Im Hinblick auf die bei modernen Automobilmo.to-

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ran erforderlichen hohen Geschwindigkeiten, die in der Gröasenordnung von 4.000 Upn liegen, i»t dies besondere wichtig.

Verbrennungskammer

Bei dem erfindungsgemäse vorgeschlagenen Motor findet die Verbrennung in der Verbrennungskammer 16 statt. Dies· Kammer umfasst ein längliches Gehäuseelement 63 mit einem der Kompressorzylinderreihe 12 benachbarten Einlass« Bndabschnitt und einem der Arbeitszylinderreihe 13 benachbarten Auslassende. Bei der Konzeption des Motors einsohliess« lieh der Zeitsteuerung für das öffnen und Schiiessen der Motoreinlassventile lasst es sich einrichten, dass beim Betrieb die Verbrennungsgase mit der gleichen Geschwindigkeit aus der Verbrennungskammer austreten wie komprimierte Luft und Brennstoff in die Verbrennungskammer einströmen, so dass der Druck innerhalb der Verbrennungskammer abgesehen von leichten Schwankungen beim öffnen und Schliessen der Ventile im wesentlichen konstant bleibt und somit eine Verbrennung bei verh&ltnismässig konstantem Druck vermittelt wird· Die Höhe dieses Druckes bei einer bestimmten Motordrehzahl hängt yon der im Verhältnis au der Luftströmung eingespritzten Brennstoffmenge ab. Bei hoher Belastung und starker Brennstoffströmung ist also der Druck verhaltnismässig hoch. Die Ausgangsleistung des Motors hangt von dem zugeführten Brennstoff ab.

Wie in Fig. 5 gezeigt, besteht der Einlass-Endabsohnitt der Verbrennungskammer 16 aus einer äusseren, nahezu halbkugelfOrmigen Kappe 66, die eine Brennstoffsprühdüse 68 sowie Luftdüsen 70 und 72 aufweist. In Abstand von den Innenwanden des Einlassendes der Verbrennungskammer ist ein Innenfutter 69 angeordnet· Dia Dü*en 70 und 72 stehen mit dem Ausgang der Leitung 46 in Verbindung, während die Brenn-

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atoffdüse 68 don Auslass einer (nicht gezeigten) Brennstoff» pump« bildet. Zu beachten ist, dass die Luftdüsen 70 und 72 etwas gegeneinander versetzt find und somit dazu dienen, der einströmenden Luft eine Drehbewegung oder einen Drall zu erteilen. Diese Drehbewegung tragt dazu bei, die Verbrennungs» reaktion von den Oberflachen des Futters fernzuhalten, indem aus den Gasen innerhalb der Kammer ein schraubenförmiger Wirbel gebildet wird. Dabei drückt die Zentrifugalkraft die kalte, verhältnismässig dichte und noch nicht reagierte Luft | gegen die Wände der Kammer, und die heissen, verhältnismässig leichten Gase der Verbrennungsreaktion werden gegen die Kammermitte zu verdrängt. Am Einlassende der Verbrennungskammer 16 ist ferner eine Zttnd- oder Glühkerze 74 vorgesehen, die durch das Futter 69 hindurchragt und dazu dient, das Brennstoff »Luft -Gemisch kurz nach dem Eintritt in die Verbrennungskammer zu zünden. Da die Verbrennung in der Kammer 16 konstant ist, beeinflussen die Oktan- und Cetan-Werie des verwendeten Brennstoffs die Motorleistung nicht $ deshalb können billigere und reinere Brennstoffe als Benzin verwendet werden, wenn auch handelsübliches Benzin beliebiger Qualität ohne Schwierigkeit verbrannt werden kann. μ

Wie oben erörtert, beruht einer der Hauptgründe für die Luftverschmutzung durch Automobilmotor-Abgase auf der "Flammenauslöschung" des Brennstoff »Luft "Gemisches wäh=> rend der Verbrennung. Dies kommt daher, dass die brennbaren Gase die verhältnismässig kalten Flächen der Verbrennungskammer berühren, während die Verbrennung stattfindet. Unter diesen Bedingungen erlischt die Flamme, wenn sie eine der Wand benachbarte Schicht dieser brennbaren Gase von 0,077 bis 0,128 mm Dicke erreicht. Die resultierende unvollständige Verbrennung hinterlässt unverbrannte Kohlenwasserstoffe in dem Gemisch, die aus den Abgasen ausscheiden und die qualmbildenden Stoffe in der Atmosphäre vermehren. Die vor»

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liegende Erfindung beseitigt diese Gründe der Luftverschont» Bung duroh Mittel, die die Verbrennungsreaktion in wesentlichen auf das Längszentrum der Verbrennungskammer 16 be« schränken und von den Wänden fernhalten. Ausserdem gewahrleistet die Erfindung, dass die Verbrennung immer mit Luft« überschuss stattfindet. Zu diesem Zweck ist lange der Innenflache der Verbrennungskaramerwand und in Berührung mit dieser ein nicht rostendes Stahlfutter 76 vorgesehen* Das Fut~ ter 76 dient dazu, die Strahlungswärmeenergie wahrend der Verbrennung auf das Längs Zentrum der Verbrennungskammer 16 zu reflektieren und den Wärmeverlust an die gekühlten Wände der Verbrennungskammer zu reduzieren.

Soll dar Motor in vorverdichtetem Zustand betrie» ben werden oder ist er so entworfen, dass er nur bei Lasten arbeitet, die sich mit einer wesentlichen Menge von Luftuber-» schuss erzielen lassen, so kann die Verbrennungskammer mit Luft anstelle von Wasser gekühlt sein. Dabei ist das Futter 76 in gewissem Abstand von der Verbrennungskammerwand angeordnet, und zwischen Futter und Wand wird Luft geführt, um die entsprechende Kühlung anstelle des Wassermantels zu er» zeugen. Das Futter kann auch mit einwärts gerichteten Luftklappen und Perforationen versehen sein, die dazu dienen, den einströmenden Gasen eine zusätzliche Drehbewegung zu erteilen. Die Perforationen dienen dazu. Sekundär- und Ter» tiärluft in die Verbrennungereaktion in Strömungsrichtung unterhalb der Kappe 66 einzuführen.

In jedem Fall ist das Kappenfutter 69 in Abstand von der Innenwand der Kappe 66 angeordnet, und dieser Ab« stand bildet eine Passage 81, durch die ein gewisser Teil der Luft von den Düsen 70 und 72 strömt. Zwischen dem Futter 69 und den Wänden der Verbrennungskammer besteht eine Kingöffnung 80, die gestattet, dass Sekundärluft aus der

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Passage 81 die Flamm· stromabwärts von dem Einlassende der Verbrennungskammer 16 erreicht· Dies ermöglicht eine Verbrennung am Einlassende der Verbrennungskammer, die brenn· stoffreich ist, gewährleistet jedoch, dass der Motor stets mit einem im ganzen an Luft reichen Gemisch läuft, und be« seitigt dadurch wieder einen der oben erwähnten Gründe für die- Luftverschmutzung. In der Ringöffnung 80 können geeignete Ä&t-enkflUgel eingesetzt sein, um den schraubenförmigen Drall der aus dieser öffnung austretenden Sekundärluft bei | Bedarf zu erhöhen»

Die Öffnungen 80 dienen ferner dazu, eine Luftzuführung längs der Innenfläche des Futters zu vermitteln und dadurch Kohlenstoffablagerungen zu entfernen, die sich sonst leiaht dort bilden. Die Grosse der öffnungen 80 wird sehr viel kleiner als der Strömungsquerschnitt der Verbrennungskammer gehalten, wodurch bewirkt wird, dass die Geschwindigkeit der Luftströmung in Längsrichtung von den öffnungen 80 längs den Innenflächen des Futters wesentlich grosser ist als die Geschwindigkeit der Primärluft und der Verbrennungs» produkte länge der Mittellinie der Verbrennungekammer· Die | Differenz zwischen der Geschwindigkeit der Primärluft und der Verbrennungsgase einerseits und der Geschwindigkeit der Luft von den Öffnungen 80 andererseits bewirkt eine Turbulenz, wie sie durch die Pfeile in Fig· I dargestellt ist. Diese RUckströmung führt der Verbrennungsreaktion nochmals zusätzliche oder Tertiärluft zu, bewirkt damit eine vollständigere Verbrennung des Brennstoffs und trägt dazu bei, dass die Verbrennungsreaktion auf das Längszentrum der Kammar 1,8 von den Kammörwänden weg gerichtet wird. Dia Verhrennunasreaktion erhält also Primärluft von den Düsen 70 wad 72, SekundMrluft direkt von 4#r faftsog» SI durch die öffsrang 80 und Tertiarlnft," bsi der as sieh ma die Rückstreuung dar Luft durch dl© Öffnung 00 handelte Um dia

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. BAD ORfGINAL

ist ein Wassermantel 82 vorgesehen, der zur Kühlung der Verbrennungskamraerwände beiträgt. Dieser Wassermantel kann mit dem Wassermantel 34 zur Kühlung der Köpfe der Arbeitszylinder 14 eine Einheit bilden, wodurch sich Schraubverbindungen erübrigen, die bei den in Rede stehenden hohen Drücken und Temperaturen problematisch wären. An dem in Strömungsrichtung unteren Ende weist die Verbrennungskammer 16 einzelne kurze Durchführungen 90 und 92 auf, die die Verbrennungskammer 16 mit der Eingangsseite eines Einlassven« tiles 96 für die die Arbeitseinheit bildenden Expansionszylinder 14 verbinden.

Arbeitszylinder

Jeder der Arbeitszylinder 14 ist in seinem Aufbau den Kompressionszylindernl2 und denen heutiger Motoren sehr ähnlich; die Arbeitszylinder umfassen hohle längliche Elemente, die im vorliegenden Fall unter einem Winkel zu dem Kompressionszylinder angeordnet sind. In dem Rohr des Zylinders 14 ist ein Kolben 88 bewegbar angeordnet, und ein Ende der Kolbenstange 89 ist an die Kurbelwelle 44 gekuppelt. Die Bewegung des Kolbens 88 des Arbeitszylinders erfolgt also synchron zu der Bewegung des Kolbens 38 des Kompressionszylinders, wenn auch die beiden nicht in Phase arbeiten. Der Kopf 84 des Kolbens 88 ist mit geeigneten Kolbenringen versehen, um Zylinderrohr und Kolben gegeneinander zu dichten.

Die in der Verbrennungskammer 26 sich entwickelnden heissen Verbrennungsgase werden dazu verwendet, den Kolben 68 während des Arbeitehubs des Motors nach unten zu treiben. Dabei strömen die Gase durch die Verbindungsdurchführungen 90 und 92, die das stromabwärts gelegene Ende der Verbrennungskammer IS mit ventilgesteuerten öffnungen 94 im Expanaionüaylindarkopf verbinden. In dan öffnungen 91 und 94a_f

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die aur Erzeugung einer auereichenden Dichtung nit entsprechenden (nicht gezeigten) AbschrSgungen versehen sind, sitzen Einlassventile 96 bzw. 96a, die von einer Nockenacheibe 98 aber einen Nockenstössel 100 und einen Heber 102 betätigt werden. Eine oben liegende Nockenwelle 104 wird von der Kur« belwelle über einen Zeitsteuerungs-Zahnriemen 106 angetrie~ bon, der mit dem Zahnriemen 32 der Kompressionszylinder syn« chron in ähnlicher Weise arbeitet, wie dies bei den heutigen V8 .Automobilmotoren der Fall ist. Ferner ist ein Auslassven» til 107 vorgesehen, das die Strömung der Gase von dem Arbeits~ zylinder zu einem Auslaflst tzen 108 steuert, nachdem der Arbeitshub beendet ist. Auch dieses Ventil ist nockengesteuert« Aufgrund der Tatsache, dass dieser Expansionszylinder bei jeder Umdrehung einen Arbeitshub ausfuhrt, sollte diese Nockenwelle^, dabei mit der Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben wer« den, um eine gute geometrische Nockenform zu erzielen.

Wegen der in der Verbrennungskammer erzeugten hen Wärme und infolgedessen der hohen Wärme, der die Einlassventile 96 und 96a ausgesetzt sind, kann es nötig sein. Mittel zur Kühlung dieses Ventils vorzusehen, damit der Motor bei hohen Drehzahlen leistungsfähig arbeiten kann. In diesem Zusammenhang wird auf Fig* 8 Bezug genommen, in der gezeigt ist, dass bei der vorliegenden Erfindung die Anwendung eines Luftstroms von dem Luftkompressor 12 in Betracht gezogen,ist, der (unter Umgehung der Verbrennungskammer) auf · den Stössel 110 jedes Ventils gerichtet ist. Diese Luftführung dient dazu, die Kühlung des Ventils zu unterstützen, indem die heiεsen Gase der Verbrennung während derjenigen Teile des Motor ayklusses, in denen das Ventil geschlossen ist, von diesem weggeleitet werden. Zu diesem Zweck ist eine Düse 112 vorgesehen, die mit einer an den Auslafletutzen 46 . des Luftkompressors angeschlossenen Leitung in Verbindung steht und dazu dient, einen Luftstrom unter Druck gegen das

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obere Ende des Ventilstössels zu richten. Die Hochdruckluft wirkt ferner über eine Zylinder-und Kolbenanordnung, die am oberen Ende des Einlassventilstössels, dessen Durchmesser etwas grosser ist als das Einlassventil selbst, gezeigt ist, mit einer Feder 114 zusammen, um das Ventil während der entsprechenden Abschnitte des Motorzykiusses in geschlossenem Zustand zu halten, was die Verwendung einer weniger steifen Feder gestattet und gewährleistet, dass das Einlassventil in geschlossenem Zustand gegen Leckströmung dicht ist.

Diese Anordnung erhöht automatisch die auf dieses Ventil wirkende Schliesskraft, wenn der Druck in der Verbrennungskammer bei hoher Belastung steigt j sie vermindert die Schliesskraft und damit die von der Nockenscheibe aufzubringende Öffnungskraft dann, wenn der Motor bei verminderter Last arbeitet.

Wie bereits erwähnt, ist das Ventil nockengesteu« ert und im vorliegenden Fall so gebaut, dass es in der oberen Totlage öffnet und danach an einer bestimmten Stelle des Kol« benhubs, die "Sperrpunkt" (cut off point) genannt wird, rasch schliesst. Die Lage des Sperrpunktes bestimmt das Druckniveau des Motorbetriebs. Dabei hat sich herausgestellt, dass der Sperrpunkt optimal zwischen J.2 % und 20 % des Hubs oder 40 bis 95° hinter der oberen Totlage liegt.

Eine weitere Kühlung des Ventilkopfes lässt sich dadurch erzielen, dass der Ventilstössel ausgehöhlt und in der so erzeugten Bohrung eine kleine Menge Natrium vorgesehen wird. Dies ist ein bekanntes und im Kolbenmotorbau weit verbreitetes Verfahren·

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Erfindungsgemfiss wird also ein neuer und verbesserter Automobil »Kolbenmotor geschaffen, der so ausgelegt ist, dass er in einem thermodynamisehen Kreisprozess mit einer Verbrennung auf relativ konstantem Druck und in einer von den Zylindern getrennten Verbrennungskammer arbeitet.

Ansprache

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Claims

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-Μ

ABsorlehe

Ι. Veibrenimngekolbenmotor, bei dem die Verbrennung im wesentlichen auf konstantem Druck und in einer von den Compressions- und Sxpansionsaylindern getrennten Verbrennungskammer stattfindet, gekennzeichnet durch einen Compressionsaylinder (12), der aus einem länglichen hohlen Element mit einem einseitig geschlossenen Zylinderkopf besteht) einen in dem Kompressionssylinder verschieb* bar angeordneten Kolben (38); eine mit dom Innenraum des Kompressionssylinders in Verbindung stehende Einlassventilanordnung (22); eine in dom Zylinderkopf angeordnete Auslas eventi!anordnung (24) sur Steuerung der Gasströmung in einer leitung (46), die den Kompression^sylinder mit einer aus einem länglichen-Oeh^ueeelement (63I bestehenden Verbrennungrskamaer (16) verbindet; einen Einlass-Endabschnitt j(e&) mit^clÄrin angeordneten Einlassöffnungen (70,72;68) für b und Brennstoff sowie Zündeleoenten (74), wobei der Luft-

in Verbindung mit der Leitung (46) steht; eine der yerbr^xnungskamaer zugeordnete Einrichtung (76;80), die dazu dieirt,die Wahrend der Verbrennung erseugte Wärme auf das Langssentrum der Kammer su beschranken und von den Innenwänden das Verbrennungsraumes ferneuhalten; eine Leitungeverbindung (90,92) swisehen der Verbrennungskammer und einem Sxpansionssylinder (14), der aus einem hohlen Element mit einem einseitig geschlossenen Zylinderkopf besteht; einen in dem ExpaneionezylInder angeordneten Kolben (88); eine

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in de» Expanaioneaylinderkopf aimoordnete Einlassventil-Unordnung (96,96a)« die an die Leitungsverbindung angeschlössen ist und da»u dient, die St"*^ang der heissen Gase aus der Verbrennungekamiier in den Expansionszylinder su steuern; sowie eine in dem Expansionssylinderkopf angeordnete Auslassventilahordnung (107), wobei der Kolben des Sxpansionssylinders so ausgelegt ist, dass er bei seinen Arbeitsftub, wenn das Verbrennungsprodukt aus der Verbrennungskamner durch die Einlassventilanordnung in die Expansionskanuaer gelangt, angetrieben wird,

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch ge k e η η ζ e ich ·» η e t , dass der Kolben (38) des Kompressionssylindere (12) ' und der Kolben (88) des £xpansionesylinders (14) mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (44) verbunden sind«

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

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net, dass das Einlassventil (22) des Kompressionszylindare (12) sowie das Einlassventil (96,96a) und das Auslassventil (107) des Expansionssylindere (14) nockengesteuert -sind, und dass dag Slnlassventil des Sxpansionszylinders so angeordnet ist, dass es in der oberen Totlage des Kolbenhub» uff net und awlsehen 40 und 95° hinter dieser Lage schliderst. ' .^: . -, ..· · *· ·' .

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4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekinniil oh. η · t , dass sur Beschränkung der in der Verbrennungskammer (16) erzeugten Wärme auf das LÄng»*entrum dieser Kammer eine Einrichtung (70,72) vorgesehen ist, die den Verbrennung»- Reaktionspartnern innerhalb der Kammer eine schraubenartige Drehbewegung erteilen, wodurch aufgrund der Zentrifugalkraft ein heisses Zentrum gebildet wird, indem die hei ssen, weniger dichten Verbrennungsprodukte gegen da* Centrum der Kammer und da« kalt era, weniger dichte unreagierte Verbrennungsge-

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misch τοπ den Zentrum weg getrieben werden.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch ge kennseich' η e t_K> ciaee die Lufteinlassuffnung twei vereetete LuftdUsen (70,72) u&faest und dass but Srseugung der schraubenartigen Drehbewegung der Verbrennungs-Reaktionspartner eine Einrichtung Törgesehen ist, die Luft von dem Xompressionaasylinder (12) durch die beiden versetzten Düsen der Verbrennungskammer (16) sufuhrt.

6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass JBur Beschränkung der in der Verbrennungekammer (16) erseugten Warme auf dae UUigssentrum dieser Kaener ein nicht rostendes Stahlfutter (76) vorgesehen ist, das längs der Innenwand des Kammerabschnitte (63) angeordnet ist und dasu dient. Wärmestrahlung auf die Kammerinnenflache au verhindern und die Strahlungswärme auf das Lange»entrum der Verbrennungskammer KU reflektieren·

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7· Motor neon Anspruch I₉ dadurch g § k β η η « β 1 c h · η et , d*e* dl® Einiaeerentllfiswrdmu^ (9&,9β&) d*r Sxpcmeiofiskemaer (14) gekühlt ist.

6. Motor naeh Anspruch. 7_f dadurch g a k a η ι ζ β i c h net, dass die Sinlaseventllanordnung (96,96a) des Expansion szylindere (14) einen Ventilstdseel (110) umfasst und dass zur Kühlung eine Sinriehtung (112) vorgesehen ist, die I eine Luftströmung von dem Konpresalons&ylInder auf denVentlletössel richtet, wobei dieser Luftstrom zur Kühlung der EinlaesTöntilanordnung beitragt _t indem die heissen VerbrennungegasQ während derjenigen Abschnitte des Motorzykluesee, in denen das Ventil geschlossen l»t_f von dera Ventil weggeleitet werden,

9. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekenn ζ eich-η e t , dass das Futter (76) in dem Verbrennungskammerab- * schnitt (63) an der Innenwand dieses Abschnitte anliegt; dass der £inlas8«»£ndab8chnitt eine generell halbkugelförraige Kappe (66) umfasst; dass die Verbrennungskammer ein zweites Futter (69) aufweist, das in der Kappe in Abstand von dieser angeordnet ist und eine Durchführung (.81) zwischen der Kappe und dem Futter bildet; dass die Durchführung im wesentlichen an der Verbindungsstelle »wischen dem Endabechnitt und dem öehlluseabsohnl tt der Verbrennungekaiamer in ei »er Öffnung (60) endet·; und dass die Durchführung rait dem Auslass des

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Koepreeeions*yliÄdere (12) verbund·» let, wodurch Sekundärluft in dl· Verhrennungekamer in Struaungsriohtttng unterh*lb des Kinlass-Eiidabsohnitt· durch die Öffnung (80) gerichtet wird.

10. Motor naoh Anspruch 9, dadurch g β k β η η -»«lehnet, dass der Strömungequerschnitt dor Verbrennungskammer (16) denjenigen der öffnung (80) der Durch-

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führung (81) bei weitem überschreitet, eo dass lings der innenwand dnx Verbrennungskammer eine Tort IiLr luft strömung rexhi£tni#iiaesig hoher lAngegeschwlndigkeit erzeugt

durch die öffnung etröet und daxu beitragt, die innerhalb der Kamaer im nesentllohen toif da* LtogtEintrue der Kammer su stabiliiieren und τοη der Iiuienwand f emsuhalten. .

11'· Erfindung nach Anspruch 10, gekennsei σ h -h e t durch in den öffnungen (80) der Durchführung (81) angeordnete AblenkflUgel, die dasu dienen, der Tertiarluft-StrOBung eine schraubenartige Bewegung au erteilen und somit dazu beitragen, die Verbrennungsreaktion von den Kammerwanden fernzuhalten.

12· Motor naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfe in einem Wassermantel (34)· und ebenso die Verbrennungskammer {16} in einem Wassermantel (82) angeordnet sind und dass der Wasserman-

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tel der Yerbresntingekaaaer ait dmdrnt Zylinderkopf e eine «inheit feildet.

15. Motor nach Anspruch 8, dadurch g ι k « η η M i ο h η et, dass dae. Einlassventil (δέ,θβα) dee Expaneion6zylinder· (14) fedexbet&tigt ist, vobei eine Feder sur Steaensng der Stellung des Ventile, ein bezüglich dee Vontiletöesals (110) fester Zylinder sowie ein in dem Zylinder beitegbarer und den Ventiletöasel beaufschlagender JColben vorgesehen sind/ wobei die Einrichtung (118) die einen Luftstrom aus de« Spnpreseionszylinder (12) auf das Einlassventil d@s paiURion«sylinderd richtet« anaserdeM dasu dient, vtrott sub Beauf sohlagefi und Sntlasten de« £olb®ä des entsprechenden Abeehnittes d@o Motorss3^1^oof>o 3m gen_f und dadurch sit der Feder zue^sasimsM, w das Ventil geschlossen eu halten, wodurch iio " ^rwtindang einer verh&ltnisaassig leichten Fodar aördich 1st·

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