DE2012931A1 - Wärmekraftmaschine und deren Wärmeerzeuger - Google Patents
Wärmekraftmaschine und deren WärmeerzeugerInfo
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Description
Dr. Ing. H. NegencJank
Dtpl. Ing. H. Hauck
Dtp!. Phys. W. Schmitz
fMiiKhenl5rMocartstr.23
Tel. S 38 W 86
Ginter Corporation
2525 S.W. Third Avenue . 16. März I970
Portland, Oregon 97201, USA Anwaltsakte j M-1074
Wärmekraftmaschine und deren Wärmeefzeuger
Kurzfassung
Mit; einem· nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden Verdichter wird *
Luft eingespeist, bis die Temperatur die Zündtemperatur des Treibstoffes
erreicht hat. Dieser ist in einer Kammer gespeichert.
Wenn durch den Betrieb der Maschine der Druck in der Kammer abfällt,
j stellt der Kompressor den Druck wieder her. Der Brennstoff
,wird in der Kammer verbrannt. Die heiße Füllung aus Gas und
Dampf wird in einer isolierten Kammer gegen Wärmeverluste geschützt, ,Ein Abfallen des Druckes, wenn das Arbeitsmittel entnommen wird,
wird erfaßt. Dementsprechend wird Treibstoff eingespritzt. Während
I der Verbrennung des Treibstoffs wird Kühlwasser eingespritzt,
! ■ i
wobei die Zufuhr von Treibstoff und Wasser abgesperrt wird, wenn ^
die Temperatur und der Druck wieder hergestellt sind. Die Brennkammer
bildet eine konische Verbrennungszone, die von überschüssiger Luft umgeben ist, um eine vollständige Verbrennung sicherzustellen. Die Maschine wird in einem neuartigen Arbeitszyklus be-.tr
leben. In einem Fall als Wärmekraftmaschine mit äußere'r Verbrennung,
die mit überhitztem Dampf gespeist wird. Im anderen Fall als Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung, bei der
. ' _ ' . ■ ■ - 2 - ■ j
009839/1592
BAD ORIGINAL
ίKompressions- und Expansionshübe in getrennten Zylindern erfolgen,
lwobei doppelt soviel Strömungsmittel expandiert als komprimiert
wird. Eine Kühlung der Maschine ist nicht erforderlich. Die Anteile
des Arbeitsmittels sind isoliert, um einen Verlust an Wärmeenergie
zu verhindern. Die Steuerung des Betriebes ist veränderbar, jedoch automatisch, wenn sie einmal eingestellt ist
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung.
Es existieren zwei allgemeine Typen von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung, die mit konstantem Volumen bzw. konstantem
Druck arbeiten. Otto-Motoren werden durch Explosion eines vergasten Treibstoffes in einem komprimierten Luftvolumen in der Nähe
der oberen Totpunktlage betrieben. Dagegen wird bei Dieselmotoren der Treibstoff in einem anderen Arbeitszyklus verbrannt, wobei die
Verbrennung annähernd als bei konstantem Druck ablaufend angesehen werden kann. Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung sind zum
Beispiel Dampfmaschinen und Turbinentriebwerke und einige Arten der Gasturbinen.
Es ist bekannt, einen Gasmotor mit einem Arbeitsmittel zu speisen,
das in einer äußeren Quelle erwärmt und komprimiert wurde, um mit der Energie des gespeicherten und komprimierten Gases verschiedene
Motoranordnungen zu betreiben. Diese werden als Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung bezeichnet. Es ist ebenfalls bekannt,
!Treibstoff in einer Kammer zu verbrennen und die Verbrennungsprodukte in einen Arbeitszylinder zu schicken, wobei manchmaml
in Abhängigkeit von einer Temperaturerhöhung Wasser eingespritzt
wird.Diese Maschinen können ebenfalls als Wärmekraftmaschinen
mit äußerer Verbrennung bezeichnet werden. Es sind - 3 -
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für die
einige andere Anordnungen vorgeschlagen worden, bei denen/Brennkammern
eine Kühlung durch Zuführung von Wasser in das Innere angestrebt wird anstatt einer äußeren Kühlung. Es sind weitere
π, .■-■_-
Anordnungen vorgeschlagen worden, die mit einem Treibstoff arbei-.
ten, der in einen Verbrennungszylinder eingespritzt wird, wenn
die Temperatur absinkt, wobei eine Vorrichtung vorgesehen ist, die die Treibstoffeinspritzung beendet, wenn der Druck einen vorgegebenen
Wert erreicht.
Jedes dieser bekannten Systeme weist Schwierigkeiten auf, die ihre allgemeine Anwendung als Energiequelle zum Betrieb von Motoren
verhindert haben. Eine dieser Schwierigkeiten besteht in der Unfähigkeit, einem plötzlichen Leisttingsbedarf nachzukommen und/
oder eine konstante Arbeitstemperatur oder -druck aufrecht zu erhalten, wie es für den Betrieb einer Maschine mit gutem Wirkungsgrad
erforderlich ist. Ferner ist die Steuerung derartiger Maschinen nicht sehr wirksam,und die Fähigkeit des Gaserzeugers,
einen Bereitschaftszustand beizubehalten, ist vollkommen ungenügend. Bei allen praktisch angewendeten Ausführungsformen dieser Maschine führte das Erfordernis der Kühlung der die Arbeitszylinder
begrenzenden Wände zu einem Wirkungsgradverlust und zu einer Reihe von anderen Nachteilen, die auch früher den Maschinen mit
äußerer ^Verbrennung anhafteten. Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden oder gemildert, bei der ein Arbeitsmittel
erzeugt wird, ohne eine äußere Luft-oder Flüssigkeitskühlung,
bei der ein Teil des Arbeitsmittels selbst zur Verringerung der Brenntemperaturen auf zulässige Temperaturen verwendet wird,
die Kühlung jedoch zur Verdoppelung des Arbeitsmittels herange-
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BAD ORIGINAL
zogen wird, ohne daß eine mechanische Kompression stattfindet, ! indem die überschüssige Wärme des Gases in Dampfdruck umgewandelt
wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen aus Kompression, Verbrennung und Arbeitserzeugung bestehenden Arbeitszyklus, der einen neuen
thermodynamischen Prozeß darstelfc, und eine Maschine mit einem
Wärmeerzeuger, die nach diesem Prozeß arbeitet, zu schaffen, ins- ; besondere zum Zwecke der Erhöhung der Reaktionszeit zur Durchführung
einer vollständigen Verbrennung und zur Vermeidung von P Smog-bildenden Produkten. ' l
Bei einer Maschine der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kompressor zur Druckerhöhung von angesaugter
Luft auf einen Wert von etwa 12 atm und mehr, so daß die Temperatur auf die Zündtemperatur eines bestimmten Treibstoffs erhöht
wird, eine geschlossene Brennkammer, die vom Kompressor getrennt angeordnet und mit diesem über ein Rückschlagventil zur Veränderung
einer Rückströmung verbunden ist, eine Isolierung für den Kom- ^ pressor und die Kammer zur Vermeidung von Kompressionswärmeverlusten
während der Speicherperioden der in der Kammer verdichteten Luft, eine Startvorrichtung zum anfänglichen Antrieb des Kompressors
während der Ansammlung verdichteter Luft bis zu einem unteren Grenzwert, bei dem die Kompressionswärme die Zündtemperatur
erreicht, ein Auslaßventil für die Kammer, das entsprechend dem Leistungsbedarf betätigbar ist, ein Arbeitsmotor, der entsprechend
dem Leistungsbedarf über das Auslaßventil gespeist wird, eine Kupplungsvorrichtung zwischen dem Kompressor und dem Motor
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BAD ORIGINAL
.zur Wiederauffüllung verdichteter Luft in dem Maße, w.ie Luft
durch das Auslaßventil hindurch getreten ist, ein Druckmeßgeber in der Kammer, der so eingestellt ist, daß er ein Steuersignal
erzeugt bei Abfall des Druckes unterhalb eines Mindestwertes, eine Treibstoff-Einspritzvorrichtung mit einer unter Druck stehenden
Treibstoffquelle, einer in die Kammer weisenden Einspritzdüse
und einer Zündvorrichtung, die auf das Steuersignal anspricht,
eine Steuervorrichtung für die Luftströmung zur fortschreitenden Vermischung der komprimierten Luft des Kompressors
entlang den Abmessungen der Kammer in Richtung des Auslaßventiles,
einen in der Kammer angeordneten Thermostat, der die Temperatur ι
in der Kammer oberhalb eines Höchstwertes erfaßt und ein zweites Steuersignal erzeugt, und eine Wasser-Einspritzvorrichtung mit
einer unter Dructyfetehenden Wasserquelle, mindestens einer in die
Kammer weisenden Düse und einer Wasser-Zumeßvorrichtung, die auf das zweite Steuersignal anspricht und Wasser in einer Menge einspritzt,
die ausreicht, die von dem Thermostaten erfaßte Temperatur abzusenken, wobei der Arbeitsmotor mit einem Gemisch gespeist
wird, das komprimierte Luft, Treibstoff-Verbrennungsprodukte und
in Dampf umgewandeltes Wasser enthält, und zwar bei einem Druck J oberhalb eines Mindestwertes und einer Temperatur oberhalb der
Zündtemperatur und unterhalb des Temperaturhöchstwertes.
Im Wärmeerzeuger wird ein zweckmäßiges Treibstoff-Luftverhältnis
hergestellt. Das Volumen der Verbrennungsprodukte ist etwa gleich dem Volumen des Dampfes, der durch Einspritzen des Wassers-zum
Zwecke der Kühlung erzeugt wird. Die sich ergebende Mischung gelangt auf eine zulässige Arbeitstemperatur, wobei das Gewicht ι
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BAD ORiGINAL
des gebrauchten Wassers etwa dem Gewicht der Verbrennungsprodukte einschließlich der überschüssigen Luft ist. Es sind ferner
Steuereinrichtungen zur Steuerung der Verbrennung, der Kühlung und der Speicherung des Arbeitsmittels auf konstante Zeit, Temperatur
und konstanten Druck vorgesehen, um ein Abschrecken des Arbeitsmittels an der Wand während des Arbeitszyklus zu vermeiden.
Die oben angeführten Merkmale werden mit Verfahren und Vorrichtungen
erreicht, wie sie an Hand von anliegenden Zeichnungen im folgenden näher beschrieben werden.
Pig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Maschine;
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer
Brenn- und Speicherkammer für eine Maschine gemäß Pig. Ij
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 2 entlang
der Linie 3-3;
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 2 entlang
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 2 entlang
der Linie 4-4;
If Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung des thermodynamischen Kreisprozesses;
If Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung des thermodynamischen Kreisprozesses;
Fig. 6 zeigt ein FV-Diagramm für ein zweistoffiges Strömungsmittel,
• bestehend aus Luft und Wasser in zwei Zuständen; Fig. 7 zeigt ein TS-Diagramm für ein Strömungsmittel nach Fig. 6;
'
! Fig. 8 zeigt ein PV-Diagramm lediglich für Luft nach dem Diagramm '
aus Fig. 6;
Fig. 9 zeigt ein TS-Diagramm nur für Luft nach dem Diagramm aus ■
pls· 7; . 5b .
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(Pig. 10 zeigt ein FV-Diagramm nur für Wasser;
Fig. 11 zeigt ein TS-Diagramm nur für Wasser;
ι Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch ein Ventil zur Einspritzung
von Treibstoff in Abhängigkeit vom Druckabfall und von der Umdrehungszahl der Maschine, das wahlweise für eine
Anordnung nach Fig. 1 oder nach Fig. 2 verwendbar ist.
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Wegen ihrer verhältnismäßig großen Vielseitigkeit in der Umwandlung
von Treibstoff in veränderbare Leistung mit einem Mindestmaß an Ausrüstung und einem mittelmäßigen Wirkungsgrad besitzen die
nach dem Prinzip der inneren Verbrennung arbeitenden Otto-Motoren einen großen Anwendungsbereich. Mit konstantem Druck arbeitende
Motoren mit einem Arbeitszyklus nach diesem Prinzip haben ein geringeres Nutzungsverhältnis von Leistung zu Gewicht und sind
weniger wirksam, was die zur Verfügungstellung plötzlich ansteigender Ausgangsleistung betrifft. Alle derartigen Motoren, sowohl
ft die mit konstantem Volumen oder konstantem Druck arbeitenden Typen, haben den Nachteil, daß die Verbrennungsgase durch die
Kammerwand gekühlt werden, die durch wärmeaufnehmende Mittel, die die Wärme in die Umgebung abführen, ohne nützliche Arbeit zu
leisten, gekühlt wird. Bei Benzinmotoren besitzen die gekühlten Wände und Zylinderköpfe allgemein einen Kühlwassermantel.
Die verhältnismäßig kalten Wände bringen eine Abkühlung der Verbrennung
in den ihr unmittelbar benachbarten Schichten mit sich und erzeugen rauchbildende Verbrennungsprodukte.
Entsprechend gültiger thermodynamischer Grundsätze ist ein beachtlicher
Grad an Wärmeverlust die notwendige Konsequenz, daß die verwendeten Gase bei einem beachtlichen verbleibenden Druck in die
Atmosphäre abgeleitet werden, wodurch sie eine Wärmemenge enthalten, die der absoluten Temperatur entspricht. Dadurch wird die
wirksame Anwendung des Treibstoffes durch einen Wirkungsgradbereich
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/lO bis j54$ begrenzt. Unter günstigen Bedingungen können gewisse
spezialisierte Motoren einen etwas besseren Wirkungsgrad erreichen.
Bei stationären Motoren ist eine gewisse Verbesserung möglich, besonders bei nach diesem Prinzip arbeitenden Motoren,
insoweit als ein schwererer Motor mit einem längeren Arbeitshub im Verhältnis zum restlichen Volumen im Zylinder am Totpunkt
j vorgesehen werden kann und aus anderen Gründen. Selbst in der
besten früheren Praxis bleibt die gekühlte Wand eine Ursache für Verunreinigung und führen die begrenzenden Wände durch die
; kühlende Wirkung zu Verlusten, wobei andererseits die Wände aus-
! reichend gekühlt werden müssen, damit sie zur Erhaltung ausrei- |
\ chender Festigkeit innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs
; bleiben. Wenn die Verwendung von besonderen Werkstoffen aus den -letzten Jahren die Möglichkeit schaffte, die Wandtemperaturen .
• etwa auf der halben Temperatur von brennendem Gas zu halten, so ist dies doch kein praktischer Ausweg für bewegliche oder stationäre
Motoren. Das Problem der Kühlung durch die Wandung ist auch Gasturbiner>eigentümlich und wird allgemein dadurch gelöst, in
dem ein großer Luftüberschuß am Eingang vorgesehen wird, um die
Verbrennungsprodukte ausreichend zu verdünnen, damit die Tempera- a
tür des Arbeitsmittels auf einen Wert verringert wird, dem die
Turbinenschaufeln widerstehen können. Das Arbeitsmittel wird dadurch in seinem Volumen erhöht und weist bei seinem Ausströmen
durch Kompression noch Energie auf, die mit Rücksicht auf die j zu Verdünnungszwecken zugeführte Luft keine Nutzleistung mehr
bringt. Keiner der zur Zeit vorhandenen Motoren ist in der.Lage,
Verbrennungsprodukte mit überschüssiger Temperatur vollständig
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- 8*-
zu verwendbaren.Arbeitsmitteln umzuwandeln.
zu verwendbaren.Arbeitsmitteln umzuwandeln.
Die Erfahrung mit Dampfmaschinen zeigt die Nachteile der Anwendung
von Dampf, wie etwa Wasserdampf, der sowohl am Anfang als auch am Ende eines Arbeitshubes eine hohe Kondensationstemperatur
aufweist. Dies erfordert im allgemeinen ein Ausströmen des Wasserdampfes bei einer Temperatur die hoch genug ist, um
eine Wasseransammlung im Zylinder am Ende eines Arbeitshubes, die zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führt, zu verhindern.
Wird Wasserdampf zu Beginn des Arbeitshubes in einen Zylinder ge-
A leitet und nach der Expansion abgeleitet, dann ist ein großer
Zylinder erforderlich, um eine greifbare Ausgangsleistung während des letzten Weges des Hubes zu erhalten, wie etwa durch Anwendung
von Doppel- oder Dreifach-Zylinderanordnungen. Ein Mittel zur
Vermeidung von Kondensation des Dampfes an den Zylinderwänden am Ende eines -jeden Hubes, nach dem das Wasser wieder verdampft
wird, besteht in der Verwendung einer Anordnung, die jetzt allgemein mit "Uniflow" bezeichnet wird. Diese Schwierigkeiten
durch die Kondensation machen den Wasserdampf zu einem weniger
_ idealen Arbeitsmittel als zu verbrennende Gase, die leicht
flüchtig sind und in Luft verbrennen. Man hat zur gleichen Zeit eingesehen, daß der Einschluß von Verbrennungsgasen während des
Verbrennungsprozesses in metallenen Räumen erforderlich macht, daß die Wände eine hohe durch Wärmeübertragung hervorgerufene
Temperatur aushalten müssen, die nur durch äußere Kühlung mit
einem entsprechenden an die äußere Luft abgegebenen Verlust an Verbrennungsenergie zusätzlich zu den Verlusten aus dem Carnot-
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Prozess vermieden werden,kann.
Die vorliegende Erfindung sieht Mittel vor, die.die Vorteile
einer inneren Verbrennung von komprimiertem Treibstoffgas anwendet
und die zugleich die früher erforderliche Kühlung der Wände der Verbrennungskammern vermeidet, indem sie die Verbrennungsprodukte
in einen Temperaturenbereich bringt, dem die Wände mit Sicherheit unter Druck widerstehen können. Dies wird durch
Einleiten von Wasser in eine spezielle Brennkammer erreicht, die
so ausgebildet und angeordnet ist, daß die Verbrennungsprodukte
nicht die äußere Wand berühren, bis die Temperatur auf einen "
sicheren Wert verringert worden ist. Daher brauchen die Wände nicht gekühlt zu werden. Alle Wände1 können isoliert werden. Bei
der Ausbildung der Brennkammer sind Grundsätze der Gasströmung in Strahltriebwerken verwendet, indem die komprimierte Luft durch
einen Verbrennungskopf in einem einfachen Feuerrohr eingebracht wird, das von innen mit etwa der Hälfte der komprimierten Eingangsluft
gespeist wird. Mindestens ein zusätzliches Rohr umgibt das Feuerrohr, das als Hitzeabschirmung bezeichnet wird, da dieses
Rohr die äußeren Wände der Brennkammer gegen zufällige |
Unregelmäßigkeiten in der Strömung der Verbrennungsprodukte vor ihrer Abkühlung schützt. Gewöhnlich wird das erste Flammrohr von
einem zweiten kegligen Verbrennungsrohr umgeben, wobei zwischen ihnen die Hitzeabschirmung angeordnet ist. Das zweite Verbrennungsrohr erstreckt sich vom Verbrennungskopf längs der Brennkammer,
so daß die Enden der drei Rohre" die Gasströmung in Form
eines divergierenden Kegels begrenzen, der in Längsrichtung
-IG-
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konzentrisch zur Brennkammer ist. Bevor die Verbrennungsgase die j
Hitzeabschirmung erreichen, werden sie durch Wasser gekühlt, das fein verteilt über Düsen am Austrittsende der Brennkammer eingespritzt
wird. Die verwendete Wassermenge reicht genau aus, um die Temperatur des Verbrennungsproduktes auf einen gewünschten Wert
zu begrenzeh. Dieser kann entweder die Arbeitstemperatur bei einem ständig aufrecht erhaltenen Druck und die Temperatur der komprimierten
Eingangsluft sein, oder ein höherer Wert für die Zuführung von Reserveenergie oder eine noch höhere Temperatur derart, daß
ein höherer Grad an Überhitzung in dem sich entwickelten Dampf erzielt
wird. Es leuchtet ein, daß je höher diese Temperatur während dieses Zustandes ist, um so höher ist der theoretische thermodynamische
Wirkungsgrad eines Motors, der sein Arbeitsmittel aus dieser Kammer erhält.
Obwohl einige frühere Konstruktionen entworfen wurden, um Verbrennungsprödukte
zu kühlen und aus ihnen Dampf zu erzeugen, so sind diese im allgemeinen nicht darauf abgestimmt gewesen, um den Wirkungsgrad
einer Kolbenmaschine oder einer Maschine, die im wesentlichen nach dem Dieselprinzip oder nach einem Selbstzündungsverhältnis
von komprimierter zu Ansaugluft arbeiten zu verbessern. Bei der vorliegenden Erfindung wird dies zum ersten Mal bei der Verwendung
einer gemeinsamen Kurbelwelle erzielt,mit der Pleuelstangen verbunden
sind, die ihrerseits von Kolben in Kompressionszylindern oder Arbeitszylindern betätigt werden,die voneinander und von der Brennkammer
getrennt sind.Eine Kurbelwelle für den Arbeitsmotor, der normalerweise zwei,vier oder sechs Zylinder aufweist, kann durchgehend
mit der Kurbelwelle sein, die die Kompressorkolben.
-11-
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- η
antreibt, deren Anzahl gleich der Hälfte der Arbeitszylinder ist.
Oder es wird eine getrennte Kurbelwelle verwendet, die den Kompressor antreibt, gekoppelt über geeignete Getriebevorrichtungen
mit der Kurbelwelle, von der die Ausgangsleistung abgenommen wird, wenn die Arbeitskolben in Betrieb sind. Zu Darstellungszwecken
ί
[ist dieses Prinzip in Fig. 1 ausgeführt, wobei ein Kompressor-"
j zylinder und zwei Arbeitszylinder von gleichen Abmessungen verwendet
werden. Diese Anordnung ist nahezu ideal, wenn das Gewicht
des zur Kühlung der Verbrennungsgase eingespritzten Wassers gleich _
dem Gewicht aus Brennstoff und komprimierter Ansaugluft ist. : j Dadurch wird ein doppeltes Volumen oder ein P · V ( Druck mal
j Volumen) erzielt, das um etwa den Faktor 2 vergrößert ist, so daß
'zur Betätigung der Arbeitskolben eine Verdoppelung des verfügbaren
Arbeitsmittels im Vergleich zu den verfügbaren Verbrennungsprodukten vorliegt. Diese Verdoppelung des Arbeitsmittels bei
brauchbaren Temperaturen ist im großen Ausmaß möglich, durch Wegfall
einer kühlenden Wand, da· die Kühlung jetzt dazu verwendet
wird, ein Arbeitsmittel von doppeltem Volumen zu erzeugen und :zwar bei einer maximalen Temperatur, die leicht von den Wänden der |
1 Arbeitskammern ausgehalten werden kann.
Idealerweise/ hat dieser Motor eine Isolation, die jeden Wärmeverlust
durch Strahlung oder Konvektion verhindert. Praktisch muß ein Verlust hingenommen werden, obwohl er so gering wie möglich
durch die Auswahl eines leichtgewichtigen, hoch wirksamen z-ellartigen
Materials von mehreren Zentimetern Dicke oder durch eine gleich gute Isolierung anderer Art gehalten wird. Die Gestaltung ■
- 12 - ' , 009839/1592
des Motors kann so ausgebildet sein, daß eine minimale Oberfläche erhalten wird, um adiabatische Temperaturen zu erzielen, die sich
aus einer Kompression von 12:1 oder mehr, allgemein jedoch in der Größenordnung von 16:1 ergeben, um einen bemerkenswerten Temperaturverlust
in der Speicherkammer zuzulassen, bevor eine Selbstzündung nicht mehr möglich ist. Vor dem Anlassen oder nach einem
längen Stillstand ist die Temperatur wieder herstellbar durch Komprimierung angesaugter Luft, bis ein vorgegebener Wert erreicht
wird, bei dem zur Herbeiführung einer Verbrennung Treibstoff eingespritzt werden kann. Der zu verwendende Treibstoff kann irgend
ein Kohlenwasserstoff sein, vorzugsweise in einem flüssigen Zustand, in dem er leicht eingespritzt werden kann und mit einem
minimalen Temperaturwert oberhalb des verwendeten kontinuierlichen Brennpunktes. Der eingespritzte Brennstoff verdampft bei
der Temperatur in der Kammer sofort oder innerhalb der Düsen, die schnell auf die Kammertemperatur gebracht werden. Die Luftströmung
vom Kompressor geht nur in einer Richtung, um aufeinanderfolgende Füllungen zu speichern. Dies wird durch ein Rückschlagventil erreicht.
Die komprimierte Luft wird so lange in der Kammer behalten, bis sie (mit oder ohne Verbrennung) abgeleitet wird, um die
Arbeitskolben anzutreiben, die ihrerseits dann den Kompressor antreiben,um eine erneute Versorgung mit erforderlicher Luft zu
gewährleisten. Ein großer Prozentsatz der Expansion ist auf die Verbrennung des Treibstoffes zurückzuführen, die ein Arbeitsmittel
von großer spezifischer Energie erzeugt. Dadurch wird jedoch eine Verbrennungstemperatur hervorgerufen, die für eine Speicherung
oder für den Gebrauch ohne Kühlung zu hoch ist. In Dampf umgewandeltes Wasser von der Temperatur komprimierter Luft kann
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genau die Verbrennungswärme aufnehmen, während etwas mehr als eine Verdoppelung des P · V - Wertes des Arbeitsmittels in der
Kammer stattfindet.
Eine thermostatische Regulierung der Wassereinspritzung kann veränderlich
eingestellt werden, um eine Arbeitsmitteltemperatur zu bewirken, die im wesentlichen die gleiche ist, die bei adiabatischer
Kompression von angesaugter Luft entwickelt wird. Beträgt die Temperatur der angesaugten Luft 16 C und-ist die gewählte
Kompression 16:1 oder höher, dann wird in der vollkommen isolierten
Kammer etwa ein Druck von 16,5 kg/cm entwickelt. Während des Anlassens wird die Kompression weniger sein als die adiabatische,
da die Wände des Kompressors und der Speicherkammer in ihrem Temperaturwert unterhalb des letzten Endes erreichten Viertes
liegt, der bei vollständiger Füllung bei einem Druck von l6,5 kg/cm erreicht wird. Ein weiterer Grund liegt darin, daß die
eingeleitete Luft sich mit der bereits Inder Kammer befindlichen Luft bei einer niedrigeren Temperatur mischt. Die Luft wird zunächst
bis zu einem erheblichen Betrag bei jedem Kompressionshub gegen einen kleinen Rückstau in die Kammer gefördert, bis so viel
Luft angesammelt ist, daß der Zündpunkt des Treibstoffes (einge-
stellt durch einen ersten Thermostaten) erreicht ist, an dem dann
der Treibstoff eingespritzt werden kann. Das ursprüngliche Hochpumpen auf die Zündtemperatur kann durch öffnen eines Ventils für
das Arbeitsmittel zu den Arbeitszylindern bewerkstelligt werden, und zwar durch manuelle oder andere Betätigung, wie beim normalen
öffnen, wenn Leistung gewünscht wird. Die komprimierte Luft
- 14 -
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treibt; da λι c/
mieren, o.:e '.v-•■.·:ί;·". M;- :^,-
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d.'-, ■''■(■;■■:.
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i y->:' calf usr: die Luft weiter zu kompriweiö
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ir erreicht ist. Diese Zündtemperatur
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i ; elitäre.: Temperatur liegt, um bei norji.rse
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einen ~r,rra::\: :c·. Lh,;-- \:·;_/...ι," oder' :.'-^ην <a.i hv/.^c^bo, wodurch d'.t-Ansav^lij.:"-.·
/ο;,. ::.-'.·^ί --i"-::,- ■.'■·■.■".■.· .u" ο Ig J ;-;:!eAi^;car;iHer um die Treibstoff™
düse herun mit einfj1:· v'-.-cpsratvir vvr: rr-ir. des tens 5400C geleitet
wird. Γi.ese Aufpuinpsei t κ:;;:ΐιη gekürzt oder verlängert werden, was
von deni .v-.usrncier? ·>σ.6τ- plofcalichen Leistungsbedarf abhängt, wenn
der Arbe i.tsnoSor unter Ivornialbeain^rungen belastet wird, wobei
größere Verhältnisse von plötzlich ,angeforderter zur dauernden
Leistung größere Speicherkapazitäten erforderlich machen.
Wenn die Temperatur in der Brennkammer einen Wert erreicht, bei
dem die Treibstoffzündung eintritt, dann wird der Treibstoff :
durch eine Hochdruckquelle, die z.B. mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, eingespritzt. Entweder wird der Treibstoff in festgesetzten
Mengen periodisch entsprechend der Kurbelwellendrehung eingespritzt oder im Verhältnis zur Geschwindigkeit der Kurbelwelle.
ι Daher hat die eingespeiste Luft ein festes Verhältnis zum einge- '
speisten Kraftstoff. Dieses Verhältnis kann in der Größenordnung
I von 5% bis 2556 oberhalb eines Wertes liegen, der für die Verbren-
·- 15 BAD ORJGiNAL
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- Λ
nung des Treibstoffes erforderlich ist. Unterhalb der Zündtemperatur wird kein Treibstoff zugeführt, so daß sich in der Kammer
kein unverbrannter Treibstoff ansammeln kann. Nach dem die Ver- ·
brennung beginnt, tritt sehr schnell ein konstantes Treibstoff-Luft-Verhältnis
ein.
,Bei einem Kompresslonsverhältnis von 12:1 zum Beispiel, erreicht
;der Druck in der Kammer einen Wert oberhalb 10 kg/cm . Die Tempera-'tur
bei adiabatischer Kompression von Luft bei der Temperatur Ivon 16°C liegt um 3200C. Bei einem allgemeiniiiehr verwendeten Verjhältnis
von 16:1 erreicht der Kammerdruck etwa 1β kg/cm bei einer
Temperatur von etwa 3700G. Bei einem Kompressionsverhältnis von
20:1 ist der Druck in der Kammer etwa 21 kg/cm und die Temperatur
etwa 425°C. Wird eine höhere Temperatur für den Einstellwert verwendet, bei dem Treibstoff eingespritzt wird, dann ist .ein
höheres Kompressionsverhältnis erforderlich, um eine Zündung zu erreichen.
Durch die Zündung des Treibstoffs steigt die Temperatur im
Flammbereich von I650 bis 2100°C. Bei dieser Temperatur dehnt sich
'die Brennkammer zu einem zweiten Thermostaten herunter, der die
Einspritzung des Wassers steuert und zwar im Verhältnis zum Über-
schuss der Temperatur oberhalb eines gewählten Wertes. Erlaubt der
ί " ■ .
!erste Thermostat die Einspritzung des Treibstoffs bei etwa
3150C, dann steuert der zweite Thermostat die Einspritzung des
Wassers in der Weise, daß die Temperatur der Verbrennungsprodukte von 1650 bis 2100°C auf eine verwendbare Temperatur von etwa
540 C heruntergebracht wird, während zur gleichen Zeit das " i
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Volumen des Arbeitsmittels verdoppelt wird.
Unter Berücksichtigung der dynamischen Strömungsbedingungen in der Brennkammer, wie sie noch später beschrieben werden, kann
eine höhere Temperatur für überhitzten Dampf und für die Verbrennungsprodukte während des kontinuierlichen BetriebSy^ugelassen
werden, ohne die Wände zu gefährden. Dies ermöglicht einen höheren thermischen Wirkungsgrad für den Arbeitsmotor lediglich durch
Einstellung des zweiten Thermostaten, der die Wassereinspritzung bis zu einer höheren Temperatur als 54o°G verzögert. Bei einer
P praktischen Ausführung des Motors kann ein theoretischer Wirkungsgrad
von 46$, bezogen auf die Ausgangsleistung im Verhältnis zur
in der Kammer gespeicherten Eingangsleistung bei einer Temperatur von 8700C und einem Druckbereich von 21 bis 28 kg/cm erreicht
werden.
Ein derartig ausgebildeter Motor hat folgende nacheinander auftretende
Funktionen: Ansaugen und Komprimieren, Erhöhung der Entalpie oder des P · V in der Brennkammer, eine Arbeitsleistung
erzeugende Expansion und ein Auspuffen. Die vier Stufen entfc sprechen allgeneLn den Takten eines Dieselmotors mit der Ausnahme,
daß das Ansaugen-Komprimieren, die Energiezufuhr (Verbrennung und Verdampfung) und das Expand!eren-Auspuffen jeweils in einer getrennten
Kammer mit einer getrennten Steuerung, wie etwa die Steuerung des Drucks und der Temperatur, vor sich gehen. Jede
veränderliche Größe kann in einem weiten Bereich verändert werden,
wobei die Änderung während eines Laufs bei einer besonderen Leistung durch Änderung der Einstellung des Thermostaten oder der
auf den Druck ansprechenden Steuerung vorgenommen werden kann.
- 17 009839/159 2
012931-
Mit der Steuerung für die freibstoffeinspritzung kann eine
manuell betätigbare Lelstungsdrossel gekoppelt sein,, Sie wird
vorzugsweise zur Steuerung der Menge und der Dauer der Einspeisung
des Arbeitsmittels in die Arbeitszylinder verwendet* Eine Steuemsng.
d@p Menge kann die ßsscteindigkeit bei einem konstanten Moment
oder Verknüpfung voa Moment und Geschwindigkeit regulieren» Wird
die-Strömungsdauer äes Arbeitsmittels zu jedem Zylinder gesteuert 3
uss&i wird das in die Zylinder1 abgegebene Arbeitsmittel in ähnlicher
Weis© innerhalb eier Greagen für die Wiederherstellung komprimier-,
ter Luft gesteuert« Bei <siner Veränderung der Drehzahl des Motors
wird die Wiederherstellung komprimierter Luft natürlich in ent=*
sprechender Weise geändert» Sie Treibstoffmenge kann ebenso
innerhalb des vorbei1 erwähnten Bereiches der Treibstoffabsperruag
geändert werden oder innerhalb des Bereichs des Ansaugens^ wie
se erforderli€ii ista «ßi ©ine ifollständig© Yerbrennung sicherzustellen»
Eine Yeranä&TWA^ de^ Massereiasprit2ungö um die Arbeitstemperatur
su steuern, ist atiis^dess ©in ^'agtalierender Paktor ia b@zug
auf die Ausgangsleistung» Ss ist i&fceressant^ daß eine
erhöhte Ausgangs leistung^ die durch eine derartige Steuerung ©£>■=■_ sielt
wird, von einem steigenden thermischen Wirkungsgrad be- |
gleitet ist, weil die Ärbeitstemperatur innerhalb der Grenzen der
Waridtemperatur ansteigt.
Eine Hauptsteuerung der Treibstoff-Einspritzung erfolgt durch
kopplung eines Treibstoff-Steuerventlles mit einem Druckfühler
in dem hinteren Teil der Brennkammer, vorzugsweise in der Nähe ! des Eingangs beim Verteilventil, das entsprechend der Drehung
der Kurbelwelle Arbeitsmittel in die entsprechenden
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Arbeitszylinder verteilt» Ein Motor mit zwei Arbeitszylindern
oder mit einem Vielfachen von zwei Arbeitszylindern kann einen gemeinsamen Venti!schieber aufweisen, der zu jedem der beiden
Zylinder, CIe auf gegenüberliegenden Selten der Welle angeordnet
sind, geöffnet ist/ Ein Ventil/steuert den Zufluß von Arbeitsmittel
in die Kammer des Ventilschiebers, das vorzugsweise mit
einer handbetätigten Steuerung oder einer Geschwindigkeitssteuerung gekoppelt ist, wobei es entweder die Strömungsmenge zum
Ventilschieber erhöht oder die Strömungsdauer, die allgemein begrenzt
ist, um nicht mehr verbrauchte angesaugte Luft abzuziehen als durch den Kompressor eingespeist wird unabhängig von seiner
Temperatur und seinem Druck, ausgenommen kurze Perioden oder plötzlichen Leistungsanforderungen, bei denen ein Übermaß an gespeicherter
Luft gebraucht wird, die sonst stetig gepumpt wird.
Bei einer einfachen Steuerung öffnet die Drossel für das Arbeitsmittel
immer dann, wenn ein Leistungsbedarf besteht, hier dargestellt durch einen handbetätigten Steuerhebel, und/oder durch
einen Druckabfall unterhalb eines Grenzwertes, bei dem Arbeitsmittel zu den Arbeitszylindern geliefert wird und der Kompressionskolben
so angetrieben wird, daß er genau die ausgepuffte Luftmenge auffüllt. Wenn durch Einstellung der Drossel der Druck
in der Kammer auf einen vorgegebenen Grenzwert absinkt, wie etwa 15*5 kg/cm (wenn 15,5 bis 16,5 kg/cm2 der gewählte normale
Bereich des Arbeitsdruckes in der Brennkammer ist), beginnt die Treibstoffdrossel sich zu öffnen. Während des Anlassens ist der
Treibstoffluß mittels Erfassung der Temperatur unterhalb der
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Einstellung des ersten Thermostaten unterbunden. Gelangt, die J
Temperatur oberhalb dieses Einstellwertes und fällt der Druck unterhalb 15,5 kg/om , dann öffnet die Treibstoffdrossel fortschreitend bis zum vollen Treibstoffzufluß bei einem Druck von
14 kg/cm2. '
Bei der Einspritzung von Treibstoff steigt die Temperatur an;
bis das Wasser eingespritzt wird, wodurch wieder eine Temperatur
hergestellt wird, deren Wert unterhalb der unteren Einstellung Ides zweiten Thermostaten liegt. Die Verbrennung des Treibstoffes |
!erhöht den Druck und sperrt fortschreitend die■Einspritzung des
!Treibstoffes zwischen 15*5 und 16,5 kg/cm . Der Druckanstieg
,setzt sich fort, wenn das Wasser eingespritzt wird, um eine Tempe-
;ratur wieder herzustellen, die einer Sicherheits-Betriebstemperatur,
eingestellt durch den zweiten Thermostaten, entspricht. :bies führt zu einem beträchtlichen Überschuß des Druckes über dem,
der von den Verbrennungsprodukten, hauptsächlich COp und HgO '
entwickelt wird durch Verbrennen des Treibstoffes und dem verwendeten Luftüberschuß. Der zusätzliche Druck tritt zugleich mit
der TreibstoffVerbrennung bei gleichbleibenden Betriebsbedingungen I
,auf. Dadurch wird die.Dauer der Treibstoff-Einspritzung verkürzt
ι ' ■ ■ ■ \
oder die Menge des eingespritzten· Treibstoffs verringert. Im
Bereitstellungsbetrieb, wenn die Begrenzung der manuell betätigten
Drossel nicht eingestellt ist, dann ist der Druckfühler wirksam, um eine Rückführung hervorzurufen, um den Druck wiederherzustellen.
Jede Steuerung kann mit schnellen Unterbrechungen durchgeführt \
- i
. ■ ■ *-20■■-1
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- 2» -U
werden oder langsam und veränderlich, um eine sanfte und gleichmäßige
Strömung sowohl des Treibstoffes als auch des Wassers für einen gleichmäßigen Motorbetrieb herzustellen. In beiden Fällen
wird die Treibstoffeinspritzung nach dem Betrag des Druckabfalls oder dem der Frequenz von gemessenen Druckabfällen,· bemessen,
wenn feste Treibstoffmengen wiederholt in die Kammer eingespritzt werden, um die Temperatur oder den Druck des Arbeitsmittels wieder
herzustellen. Sämtliche benötigte Ansaugluft wird in festen Beträgen entsprechend der Drehung des Motors eingespeist. Geringere
Einspritzmengen des Treibstoffs führen zu einer geringeren Wärme der Verbrennungsprodukte und zu einer geringeren Einspritzung von
Wasser. Die eingespritzte Wassermenge steht daher fast in genauem Verhältnis zur eingespritzten Treibstoffmenge, obwohl sich das
Verhältnis entsprechend der gewählten unteren Grenztemperatur in vorbestimmter Beziehung zu der Eingangstemperatur der komprimierten
Luft ändert.
Zum Beispiel sind 5,5 kg Luft erforderlich, um 0,45 kg Dieselkraftstoff
von einem Heizwert von 4500 kcal pro 0,45 kg vollständig
zu verbrennen. Dies führt zu einem Temperaturanstieg, der etwa 5*9 kg Wasser erfordert, um den Temperaturwert vor der
Treibstoffeinspritzung wieder herzustellen. Hieraus ergibt sich etwas mehr als eine Verdoppelung des PV - Wertes oder von P,
wenn die völlige Wiederherstellung der Kompressionstemperatur erreicht
wird. Wird so viel Wasser eingespritzt, daß die Temperatur auf etwa 540°C abgesenkt wird, wird die Temperatur durch das Einspritzen
des Wassers nicht auf die angenommenen 27O°C des Kompressors
sondern auf 535°C verringert, dann wird weniger Wasser
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j benötigt als das Gewlelifc von Luft lind Ferbrerinungsprodukten zu-
; satnmeijfeehommen.
Die Steuerung des Kraftstoffs, der entsprechend dem Abfall des
Dimckes im gespeicherten Gas eingespritzt wird und die Steuerung
.' des Wassers, das entsprechend dem Anstieg der Temperatur einge-
: spritzt wird, stellen Sie einzigen wesentlichen Yeränderllchen
• Xm Kreislauf der Maschine dar- Mit Hilfe dieser Steuerungen wird ."
ein neuartiger Arbeitszyklus erzielt, bedingt durch die Kompression von angesaugter Luft im Verhältnis zur Drehzahl des -
Motors.. Das Ausgangsmoment Jedoch ist veränderliche wie es die -Speichertemperatur
und der Druck durch Änderung.. des .Sianessungsgesfcänges
sind. - * " ■"""-.' ;i : -
Eine Reihe von bedeutenden Merkmalen mtnä ©us der obigen allgemeinen
Beschreibung afoaialeifcea. Ein Mofeor,. wie beschrieben, arbeitet mit einem gespeicherten ÄrbeitsEitt&sli, nach dem der Starter
abgekoppelt ist. Der Motor kann sofort wieder* gestartet werden^
und zwar durch das gespeicherte Arbeitsmittel» Das Arbeitsmittel
wird bei einer Temperatur gespeichert, die oberhalb der Arbeits- |
temperatur liegt, die erforderlich ist, um eine Selbstzündung des
\ Treibstoffes zu bewirken, kühlt sich Jedoch langsam ab* Die
I ' - ■■■■■..■ A
\ Speicherung findet bei einem Druck statt, der hier mit 16,5 kg/cm
> angenommen wurde. Die Speicherung kann jedoch so eingestellt
werden, daß sie nach asm Anlassen mit einem Druck von etwa 35kg/cn|
speichert. - .
Wenn die Temperatur der gespeicherten komprimierten Luft (mit
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oder ohne Verbrennungsprodukten) durch Wärmeverlust absinkt, dann findet auch ein Abfallen des Druckes statt und der Motor (falls
in Bereitstellung, da das manuell betätigte Arbeitsmittelventil nicht betätigt wird, wenn eine Leistung nicht gefordert ist) beginnt
den Umlauf bei einem abgefallenen Druck von etwa 15*5 kg/cm oder sonst bei einen höheren Speicherdruck. Das Arbeitsmittelventil
öffnet sich, um Arbeitsmittel zu den Arbeitszylindern durchzu- '
lassen, um den Kompressor anzutreiben.
»1
Wird Arbeitsmittel mit einem Druck von 14 bis 15,5 kg/cm abgezogen,
damit weitere Luft komprimiert wird, dann findet eine Erder
höhung/spezifischen Enthalpie statt, d.h. es stellt sich ein höheres Druck-Temperatur-Produkt ein. Da eine Quelle niedrigerer spezifischer Energie eine höhere spezifische Energie erzeugt, ist erforderlich, daß eine größere Menge an abgezogenem Gas gebraucht wird, als sie an komprimierter angesaugter Luft bei höherem Druck und höherer Temperatur zugeführt wird. Dies wird erreicht durch die Verwendung von zwei Arbeitszylindern für jeweils einen Kompressionszylinder oder anderweitig durch eine vergrößerte Verdrängung gegenüber der Verdrängung im Kompressor, wie z.B. durch Zylinder oder Kurbelkröpfungen verschiedener Größe. Wird eine große Überhitzung benötigt, dann sollte das Verhältnis weniger !als 2il sein,beispielsweise 5*3·
höhung/spezifischen Enthalpie statt, d.h. es stellt sich ein höheres Druck-Temperatur-Produkt ein. Da eine Quelle niedrigerer spezifischer Energie eine höhere spezifische Energie erzeugt, ist erforderlich, daß eine größere Menge an abgezogenem Gas gebraucht wird, als sie an komprimierter angesaugter Luft bei höherem Druck und höherer Temperatur zugeführt wird. Dies wird erreicht durch die Verwendung von zwei Arbeitszylindern für jeweils einen Kompressionszylinder oder anderweitig durch eine vergrößerte Verdrängung gegenüber der Verdrängung im Kompressor, wie z.B. durch Zylinder oder Kurbelkröpfungen verschiedener Größe. Wird eine große Überhitzung benötigt, dann sollte das Verhältnis weniger !als 2il sein,beispielsweise 5*3·
Ein Umlauf zwecks Erhöhung der Temperatur kann mit einem Abfallen
des gesamten Druckes stattfinden, wenn mehr die Temperatur in der Umgebung der Treibstoffeinspritzvorrichtung betrachtet wird, als
der gesamte Temperatur-Druck-Zustand in der Kammer, weil mehr Gas
- 23 -
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entfernt wird als gespeichert wird, bis der Treibstoff verbrennt.
Wenn eine lokale geeignete Zündtemperatur vorherrscht, sogar kurzzeitig
bei der Luftzufuhr, und wenn die Arbeitsmitteldrossel geöffnet ist, dann wird Treibstoff eingespritzt und die Temperatür
wird unmittelbar mit einem zusätzlichen beträchtlichen Druck wiederhergestellt, so daß die Drossel zugesperrt wird (falls in
Bereitschaftsstellung). Wenn die verbrannte Treibstöffmenge ausreicht*
die Temperatur von etwa 52I-O0C zu erreichen, dann wird
,Wasser eingespritzt, um die Temperatur wieder auf den festgesetzten
iGrenzwert zu bringen. Offenbar findet dies nicht statt, wenn der
Druckanstieg, der die Verbrennung des Treibstoffes begleitet, j lediglich benötigt wird, um den Treibstoff abzusperren. Die Wasser-
j -
.einspritzung beschränkt sich auf das Einlaufen, wobei die Leistung
j hierfür der Welle abgenommen wird. "
I- '
iin Pig. 1 ist ein Motor gemäß der vorliegenden Erfindung in vereinfachter
form dargestellt, wobei das Auslaßventil z.B. zur jErzielung einer besseren Übersicht fortgelassen wurde. Der Motor Λ
ist auf einem Untergrund 1 aufgestellt. Vom Untergrund 1 erstreckt
sich ein Fundament 2 zum mit 3 bezeichneten Motorgehäuse. Das Motorgehäuse umschließt Arbeitsteile des Motors* in denen ein
Druck und eine Temperatur entsprechend den Arbeitsbedingungen des Motors erzeugt werden* Das Gehäuse "5 kann an seinem oberen Ende
gewölbt sein und ist vorzugsweise ohne scharfe Ecken hergestellt, die sonst Belastungspunkte bei äußerster Belastung darstellen
würden, wodurch dann das Gehäuse bei normalen Betriebsbedingungen '■
- 2k -!■ 009839/IB92
zu Beschädigungen neigen würde. Bei einigen Ausführungsformen
kann das Gehäuse 5 zwecks Raumersparnis in die Form eines Ellipsoiden
abgewandelt sein. Jede Anzahl von Zylindern kann darin eingeschlossen sein, allgemein zwei Arbeitszylinder auf einen
Kompressorzylinder. Zylinder von unterschiedlichen Abmessungen
bewirken 60 bis 100$ mehr Leistung als eine Verdrängung durch Verdichtung.
Es ist ein Druck-Gehäuseinnenraum 4 vorgesehen, der groß genug ist,
um die Teile aufzunehmen, die eine Brennkammer enthalten. Alternativ kann diese Kammer,wie in Fig. 2 gezeigt,ausgeführt werden.
Der Gehäuseinnenraum 4 besitzt erste und zweite Wände 5 und einen
Bodenabschluß"6, der entweder an den unteren Enden der Zylinder, die später noch beschrieben werden sollen, in der Höhe der Zylinderköpfe
oder am Boden des Motors angeordnet sein kann.
Die untere Seite des Gehäuses 3 ist durch ein geeignetes Verschlußteil
7' verschlossen, das einen pfannenartigen Raum 7 bildet, in dem entweder Unter- oder Überdruck in bezug auf die Atmosphäre
herrscht, oder in dem im wesentlichen ein atmosphärischer Druck herrscht, falls der Gehäuseinnenraum 4 an seinem Boden mit
Hilfe eines Bodenteils 6 abgeschlossen ist. In sämtlichen Fällen enthält der Gehäuseinnenraum 4 eine Speicherkammer mit einem
Volumen, das um ein mehrfaches größer ist als die Verdrängung eines ArbeitsZylinders bei einer Umdrehung der Kurbelwelle. Die
Speicherkammer weist für die in ihr erzeugte Temperatur, die einiges über 54o°C liegen kann, eine Isolierung gegenüber der
- 25 009839/1592
Raumtemperatur auf. Diese 1st außerdem für einer! Druck ausgelegt,
der z.B. über 16,5 kg/cm hinausgehen kann.
Da das Gehäuse 3* in dem die Zylinderköpfe, die Zylinder und das
Kurbelgehäuse eingeschlossen sind, unter erhöhtem Druck und erhöhter
Temperatur steht, umgibt die mit 8 bezeichnete Isolierung
das gesamte Gehäuse 3 und die Mulde 71· Die Isolierung ist vorzugsweise
von hoher Qualität und niedriger Dichte und für Temperaturen bis zu 99O°C geeignet. Sie ist ausreichend dick ausgeführt,
um die gespeicherte Wärme im Gehäuseinnenraum 4 oberhalb 352O0C
zu halten, wenn der Motor mit komprimierter Luft gespeist wird, oder nicht durch Verbrennung erwärmt wird.
Die Stirnwände des Gehäuses sind mit Bohrungen versehen, in denen
Lager 11 für eine Kurbelwelle 10 angeordnet sind. Die Lager sind
so angeordnet, daß sie für einen dynamischen Ausgleich der Arbeitskolben und des Kompressionskolben di©n©no Werden nur drei Zylinder
verwendet, wie schematisch gezeigt, liegen die Kröpfungen 12 für
die Arbeitszylinder um l8o° zu einander versetzt, während die Kröpfung 13 für den Kompressor in einem mittleren Winkel dazwischen *
liegt, obwohl sie jede gewünschte Ausrichtung gegenüber den
Kröpfungen 12 für die Arbeitszylinder haben kann. Wenn die Kurbelwelle
10 durch drei oder vier Kolben angetrieben wird, dann können die Kröpfungen der Kurbelwelle 10 um 120° bzw. um 90° zu
einander versetzt sein. Die Kolben 14 und 15 sind antreibende
Kolben, Währ end der Kolben 16 ein Kompressorkolben ist, der vorzugsweise
gleiche Abmessungen und eine gleiche Ausbildung aufweist, obwohl sowohl die Arbeitskolben 14 und 15 als auch der
: J - 26 -
009839/1592
Kompressorkolben 16 durch geeignete Halterungen und Endverschlüsse
doppelt wirken können. Mit dem Kolben 14, 15 und 16 sind Kolbenstangen 17, 18 und 19 verbunden, die ihrerseits mit den Kröpfungen
12 und IJ der Kurbelwelle 10 für die Hin- und Herbewegung der
Kolben in den Zylindern 20, 21 und 22 verbunden sind.
Auf der Oberseite des Zylinders 20 befindet sich eine öffnung 2j5,
die eineröffnung 24 auf der Oberseite des Zylinders 21 entspricht,
Diese öffnungen werden überdeckt oder freigegeben durch die Betätigung
einer geeigneten Ventilanordnung, hier dargestellt durch einen Ventilschieber. Eine öffnung 25 auf der Oberseite des
Kompressorzylinders 22 weist ein Rückschlagventil 26 auf, das federbeaufschlagt ist in der Weise, daß bei einem Hochfahren des
Kolbens 16 für einen Verdichtungshub das Ventil 26 öffnet, um die komprimierte Luft aus dem Zylinder 22 in einen Luftkanal 27 zu
lassen, durch den es in eine Luftsammeikammer 28 im oberen Gehäuseteil geleitet wird, die ein Ende des Gehäuseinnenraums 4
bildet. Ein ähnliches Rückschlagventil, das mit entgegengesetzter Wirkung arbeitet, läßt die Ansaugluft zum Zylinder 22 durch.
Innerhalb des Gehäuseinnenraums 4 in der Pig. 1 ist eine Brennkammer
angeordnet, die längs der Oberseite des Motors, der die Zylinder 20 bis 22 enthält, verläuft. Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Brennkammer, wie in den Pign. 2 und
3 gezeigt, ein Zylinder sein oder aus einem von vier Zylindern eines herkömmlichen Motorblocks mit 4, 6 oder 8 Zylindern gebildet
sein. Darin sind dann die Verschlüsse und die Dichtungen
- 27 BAD ORiGiNAL
009839/1592
geändert und der Kolben entfernt. Es wird eine Einlaßöffnung für
i ■ ..-.-■
[Luft und für Treibstoff an einem Ende und eine für die-Wasserein-
j spritzung am anderen Ende vorgesehen. Für diesen Fall ist es normalerweise
wünschenswert, eine zusätzliche Luftkammer zu speisen,
[in der Luft unter Druck gespeichert wird während längerer Still-
:Standzeiten des Motors.
Es ist eine Brennkammer^ mit einem durchlöcherten Kopfteil vorge-Isehen,
der die Kammer 30 von dem Luftsammelbehälter 28 trennt.
JDie -!Durchlöcherung ermöglicht einen bemessenen verteilten Zufluß ;
komprimierter Luft in die Kammer und entlang ihrer axialen Ausdehnung»
Eine ausführlichere Beschreibung einer geeigneten Brenn- !
!kammer erfolgt in Verbindung mit Fig. 2. Eine verhältnismäßig lange
!Kammer 50 endet am Kopfteil 29, der komprimierte Luft aus dem Zy- '
!linder 22 und vom Sammelraum 28 hindurch läßt. Der Kopfteil 29
weist vorzugsweise ein Brennrohr 31 auf, das sich durch den Sammelraum
28 hindurch erstreckt. Das Brennrohr 31 hat einen kleinen
:Durchmesser und erstreckt sich nur über eine geringe Länge in der
(Kammer 30. Das Brennrohr 31 wird vorzugsweise gespeist von dem
durch die Durchlöcherung strömenden parallelen Luftstrom im Kopfteil
29 und von durch ^die Durchlöcherung 33 ■ hineinströmendetLuft,
wobei die Durchlöcherung 33 direkt mit dem Sammelraum 28 verbunden
list. Ein weiteres Rohr 3^ erstreckt sich von dem Kopfteil 29 in
Längsrichtung der Kammer 30 und besitzt Durchlöcherungen 35» durch
die Luft aus dem Sammelraüm 28 hindurchtreten kann. , >
Bei einer Darstellung gelangt eine zweckmäßige Verteilung von Luft^
■■'■-■ - : ; ' " - 28 - ■ . j
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BAD ORIGINAL
Treibstoff und Verbrennungsprodukten bezogen auf etwa die Hälfte
der angesaugten Luft in der Brennkammer über das Rohr 31 hinein, und zwar teilweise radial und teilweise axial, um eine Mischung
herbeizuführen. Ein kleinerer Teil von den Bereichen um das Brennrohr herum gelangt über die Durchlöcherung 32 hinein. Ein noch
kleinerer Teil um das Rohr 34 herum gelangt durch die Durchlöcherung
35 hinein, in der Weise, daß eine kleine Luftmenge über einen
Längsbereich in das Rohr y\ gelangt. Zusätzlich kann ein weiterer
röhrenartiger Schild das Rohr 31 innerhalb des Rohres 3^ umgeben.
Er kann sich über einen Teil der Länge der Kammer 30 über das Rohr,
31 erstrecken, hat jedoch eine geringere Länge als das Rohr ~$K.
In diesem Fall gelangt die Luft zu beiden Seiten des zusätzlichen Rohres durch die Durchlöcherung 32. Die Verteilung der Luft erfolgt zweckmäßiger Weise in den Verhältnissen 1/2, 1/4, 1/8 und
1/8. .
Die Einrichtung, die den Zylinder 22 mit Kolben, das Rückschlagventil 26, den Luftraum 28 und die Brennkammer 30 innerhalb des
Gehäuseinnenraums 4 enthält, weist eine Vorrichtung auf, durch die komprimierte Luft bei einem Druck von etwa 16,5 kg/cm und einer
Temperatur von 38o°C zugeführt wird. Die Temperatur ist ein Ergebnis der Verdichtung. Wärmeverluste und Absorption sind vernach-
lässigt. Die Verbrennung des Treibstoffs ist nicht mit in Betracht
!gezogen. Die Verbrennung des Treibstoffes führt natürlich zu einer
j Erhöhung des Druckes und der Temperatur. Durch entsprechende j Ausbildung des Zylinderkopfes kann der Zwischenraum oberhalb des
Kolbens 16 im wesentlichen zu Null gemacht werden, um zu ermöglichen, daß die komprimierte Luft durch die öffnung 25 entweichen
- 29 009839/1592 BAD ORIGINAL
kann» Wenn angenommen wird, daß der Hub des Kolbens etwa 10 cm
beträgt, dann ergibt sich, daß der Kolben 16 ein Verdichtungsverhältnis
von 16 ;1 liefert, wenn er eine Stellung erreicht, in der
er etwa 0,6 cm vom Zylinderkopf entfernt ist. Entsprechend liefert
er eine Verdichtung von 16;1 der angesaugten Luft bei einem Hubweg
von etwa 0,6 cm. Beträgt der Anlaßdruck im Luftsammelbehälter 28 weniger als 16 atm, dann wird natürlich über einen größeren
Bruchteil des Hubweges Luft vom Zylinder 22 geliefert.
Eine Vorrichtung zur Betätigung der Kurbelkröpfung 13 zur anfänglichen Lieferung einer adiabatischen Verdichtung von etwa l6:l
besteht in einer herkömmlichen Starteranordnung, die mit einem
Ende der Kurbelwelle verbunden ist. Dieser Starter ist in Pig. I
nicht dargestellt, weil er eine herkömmliche Anordnung betrifft, die z.B. durch einen elektrischen Startermotor betätigt wird, ■ '
dessen Kapazität ausreicht, etwa 100 Umdrehungen der Kurbelwelle 10 ZVL liefern. Der freie Raum in dem Gehäuseinnenraum 4 wird
mit verdichteter Luft aufgefüllt. Die Luft wird dabei annähernd
adiabatisch erwärmt, mit Ausnahme anfänglicher Wärmeverluste wegen
des Aufwärmens metallischer tpeiie, wie den den Gehäuseinnenraum -*
begrenzenden Wänden.Eine geeignete Verbindung zwischen dem Startermotor
und einer Tempera tur-Begrenzungssteuerung zur Einleitung von Treibstoff zur Selbstzündung kann einen herkömmlichen Haltestromkreis
aufweisen, die den Startermotor so lange betätigt, bis
die Temperatur, die in der Umgebung des Brennrohres Jl erfaßt
■wird, ausreicht, um die Verbrennung des Treibstoffes einzuleiten.
; Falls die anfänglichen Verluste wesentlich sind und eine beträchtliche Abweichung von der adiabatischen Verdichtung eintritt, dann
009839/1592
- . BAD ORIGINAL
kann ein Druck von 16,5 kg/cm aufgebaut werden, ohne daß die Zündtemperatur erreicht wird. In einem solchen Pail ermöglicht
das durch Handbetätigung erfolgende öffnen der Arbeitsmitteldrossel
den Austritt eines Teiles der angesammelten Luft.
Bei diesem Motor wird der Treibstoff durch eine Einspritzvorrichtung
J>6 eingespritzt, die mit einer Leitung 37 verbunden ist,
die ihrerseits durch die Wand 5 hindurch geführt ist. Die Leitung
37 führt zu einer geeigneten Drossel 38, die mechanisch oder
elektrisch mit Mitteln zur Erfassung des Druckes und der Tempera-
™ tür in dem Gehäuseinnenraum 4 verbunden ist, in der Weise, daß
durch Betätigung der Kurbelwelle 10 eine Treibstoffeinspritzung entsprechend zur angesaugten Luft bewirkt wird, wenn immer die
Temperatur in der Brennkammer für eine Verbrennung ausreicht. Die maximale eingespritzte Treibstoffmenge kann mit Hilfe eines
Nadelventils 39 gesteuert werden, das in Reihe mit der Drossel
38 liegt. Die maximale Treibstoffmenge kann auf andere Weise durch
proportionale Abhängigkeit von einem Leistungsbedarfsignal gesteuert werden, oder wie bei einem Dieselmotor, bei dem durch den
A Betrieb der Kurbelwelle eine kleine festgesetzte Treibstoffmenge
durch eine Düse 36 in Abhängigkeit von der Drehung eingespritzt wird, ausgenommen die Einspritzung wird unterbunden durch Übersteuerung
einer thermostatischen Überwachung,-um eine Treibstoffeinspritzung
zu verhindern, wenn die Temperatur für eine Verbrennung nicht ausreicht.
Die Bedingungen für eine stetige oder unterbrochene Verbrennung
, von Treibstoff in dem Brennrohr 31 werden durch Mittel herge-
009839/1592
stellt, die für einen Luftdruck bei Selbstzündungstemperatur für :
einen besonderen ausgewählten Treibstoff sorgen, und durch Mittel,
die den Treibstoff mit einem hoch höheren Druck durch die Düse
36 einleiten. Es wird ein sehr viel höherer Druck verwendet, um
den Treibstoff gründlich zu zerstäuben. Die Verbrennungstemperätüren
für Treibstoffe aus flüssigem Kohlenwasserstoff liegen j zwischen 65Ο und 21000C, wobei ein kleiner Luftüberschuß zugeführt wird. Ein größerer Überschuß an Luft würde natürlich die
sich einstellende Temperatur verringern, würde jedoch nicht wesentlich
die tatsächliche Verbrennungstemperatur oder die Zündtempera*
tür beeinträchtigen. Bin Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung
j ist die Vermeidung der Kühlung von Verbrennungsprodukten durch
j - ■ ■ -
Kammerwände. Es ist das angestrebte Ziel, so viel wie möglich
j von dem warmen Verbrennungsprodukt in ein wirksames Arbeitsmittel
, umzuwandeln. Eine genau der zur Verbrennung gebrachten Treibstoffe
menge entsprechende Wassermenge wird über Düsen 40 in die Brennkammer
30 eingespritzt, vorzugsweise in der Nähe des Ausgangs der
Brennkammer. Die Düsen 4o sind an eine Wasseieitung 41 angeschlos-
! sen, die eine Drossel 42 und ein Nadelventil 43 zur Bemessung;
• der Wassermenge aufweist, die- vorzugsweise von einer Pumpe 44
geliefert wird, die an die Kurbelwelle 10 angeschlossen ist. Ein
Druckausgleichsbehälter 45 wird mit Wasser von der Pumpe 44 gespeist.
Eine Wasserleitung 46 fördert dieses Wasser zur Drossel :
42, die den Zeltpunkt und die Dauer der Wassereinspritzung steuert.
Die Einspritzung reicht gerade aus. um jede überschüssige Tempera-t
oberhalb der.Temperatur .^
tür in der Kammer ^0,/die als geeignet für die für das Rohr'34, <
die Kolben 14, I5, die Zylinder 20, 21 und das Gehäuse 3 verwenden
■ zu -. [
ten Werkstoffe gewählt wurde,/neutralisiere!}.Mit dem Eintritt j
00 9 8 39/1592
in die Kammer 30 wird das Wasser sofort verdampft und verwandelt sich in überhitzten Dampf.
Eine Verdrängerpumpe, wie die bei 44 gezeigte über ein Getriebe angetriebene Pumpe, entwickelt einen ausreichenden Druck in den
Wasserleitungen 46, um den Druck in der Wölbung 44 während des Anlassens durch den Startermotor zu überwinden und das durch die
Düsen 40 ausgespritzte Wasser zu zerstäuben. In ähnlicher Weise kann eine Treibstoffpumpe 48 durch die Kurbelwelle 10 angetrieben
werden. Der Treibstoff gelangt über eine Leitung 49 in eine Druckausgleichskammer
50 und von dort zu einem Nadelventil 39, das die eingespritzte Treibstoffmenge in Abhängigkeit von den dargestellten
Mitteln zur Einspritzung des Treibstoffs steuert.
Die Arbeitskolben 14 und 15 werden beaufschlagt, wenn die aus Dampf und den Verbrennungsprodukten bestehende Mischung in dem
Gehäuseinnenraum 4 in die Zylinder 20, 21 über die Öffnungen 23 und 24 eingeleitet wird. Es können verschiedene Ventilanordnungen
für die sich hin- und her bewegenden Kolben 14 und 15 verwendet werden. Wie hier dargestellt, ist ein Ventilschieber 51 vorgesehen,
der aus einem mit Öffnungen bestehenden Rohr gebildet ist, der entweder die eine oder die andere Öffnung 23 bzw. 24 öffnet,
je nach Stellung· der Kurbelwelle 10. Der Ventilschieber ist über einen Winkelhebel 52, eine Schubstange 53 und eine Nocke 55 mit
[der Kurbelwelle 10 mechanisch verbunden. Die Schubstange 53 geht durch eine Stopfbüchse 53 hindurch. Durch diese Anordnung wird die
Lage des Ventils 51 in Abhängigkeit von der Totpunktlage der i Kolben gesteuert. Bei der in Pig. 1 gezeigten Anordnung steht der
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Gehäuseinnenrautn 4 mit dem mit 56 bezeichneten, die Zylinder 20
bis 22 umgebenden Bereich' in Verbindung, so daß ein geschlossener
Behälter von beträchtlichem Volumen im Vergleich zum Verdrängungs-
■ be
volumen Jedes Kolbens \steht. Ein passendes Verhältnis bewegt sich im Bereich von JOtI oder 100:1, wobei das größere Verhältnis eine größere Reserve an Bereitstellungsleistung bietet, um den Motor aus der Bereitstellung in den Betrieb zu bringen. Dadurch ist jedoch ein längerer Betrieb des Starters erforderlich, damit ein Luftdruck erreicht wird, der für eine Zündtemperatur ausreicht.
volumen Jedes Kolbens \steht. Ein passendes Verhältnis bewegt sich im Bereich von JOtI oder 100:1, wobei das größere Verhältnis eine größere Reserve an Bereitstellungsleistung bietet, um den Motor aus der Bereitstellung in den Betrieb zu bringen. Dadurch ist jedoch ein längerer Betrieb des Starters erforderlich, damit ein Luftdruck erreicht wird, der für eine Zündtemperatur ausreicht.
Zwecks besserer Darstellung ist der Raum 56, der zwischen den
Zylindern 20 und 21 liegt, mit dem gleichen Druck beaufschlagt, wie der Gehäuseinnehraum 4. Er stellt einen geeigneten Anbringungsort für einen Druckfühler oder eine Steuereinrichtung dar. ·
Ein Fühler 57 ist darin angeordnet, der auf einen absinkenden
statischen Druck anspricht. Er besteht beispielsweise aus einem luftgefüllten Balg, der mit einem Hebel 58 verbunden ist, der in
einer Halterung 59 gelagert ist. Der Hebel 58 bewegt einen Ventilschieber
60, der auf dem Ventilschieber 5I angeordnet ist, um
Arbeitsmittel in das Ventil 51 einzulassen. Der Ventilschieber 5I I
ist als Rohr dargestellt r um das der Ventilschieber 60 herum
im Gleitsitz angeordnet ist. Der Ventilschieber 60 ist ausreichend
beweglich, um einen Zutritt in das Innere des Ventilschiebers 5I
zu zulassen, wenn der Druck in dem' Raum 56 unterhalb eines vorgegebenen
Minimalwertes sinkt. Dieser Minimalwert wird in der Druckfühlervorrichtung 57 eingestellt.
Die Vorrichtung 57 kann von herkömmlicher Art sein und kann an
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irgend einem geeigneten Ort angebracht sein, so daß sie den Eintritt
eines Arbeitsmittels unter hohem Druck in die Zylinder 20 und 21 über den Verteiler-Ventilschieber 51 steuern kann. Das Ventil 51 ;
ist ferner von Hand einstellbar in der Weise, daß die automatische Drucksteuerung übergangen wird. Dies geschieht über einen Hebel ;
58f, der in einem Drehzapfen 59* gelagert ist. Der Hebel 58' bewegt
den Boden des Fühlers 57, so daß das Ventil 60 vollständig
oder in veränderlicher Weise geöffnet wird. Dieser Mechanismus ist eine schematische Hauptsteuerung für den Motor und stellt sowohl
den Betrieb für die Leistungserzeugung als auch den Umlauf
der Kurbelwelle im Bereitstellungsbetrieb sicher, wenn der Druck in dem Gehäuseinnenraum 4 unterhalb eines eingestellten unteren ■
Grenzwertes abfällt. Der Mechanismus ist einstellbar, um einen ■
unterbrochenen Motorbetrieb zur erneuten Erzeugung komprimierter Luft zuzulassen oder einen kontinuierlichen Betrieb, wenn eine
Ausgangsleistung gefordert ist. Es sind eine Reihe von druckerfassenden Vorrichtungen vorhanden, die bei typischen Betriebstemperaturen
des Motors ansprechen. Sie werden, wie dargestellt, angeordnet, oder in anderer Weise, um auf einen Druckabfall in dem
Gehäuseinnenraum 4 anzusprechen. Es können getrennte, handbetätigbare Vorrichtungen zum öffnen der Drossel verwendet werden.
Sobald die Kurbelwelle durch Einleiten von Arbeitsmittel über das
Ventil 51 und die öffnungen 23 oder 24 in Gang gesetzt wird, dann
arbeitet der Kompressorkolben 16 in genau der gleichen Weise. Dies kann durch direkte Verbindung mit der Kurbelwelle oder über eine
Getriebeverbindung (nicht gezeigt) geschehen. Ein wesentliches "
- .35 009839/15 92
Merkmal besteht darin, daß jede Tätigkeit der Kolben 14 und 15
eine gleiche Tätigkeit des Kolbens 16 bewirkt, der so bemessen
ist, daß er .zusätzliche verdichtete Luft von einem Volumen liefert,
das gleich, dem Volumen ist, das während der Tätigkeit der Arbeitszylinder
verbraucht wurde. Er liefert jedoch ein größeres Volumen
bei Umlauf betrieb, wenn kein Dampf/erzeugt wird. Bei den ang$bmmenen
Bedingungen von 38Q0C und 16,5 kg/cm im Gehäuseinnenraum 4
bewirkt die Einspritzung von Treibstoff sowohl eine Temperaturerhöhung als auch eine Druckerhöhung während der Dauer der Treibstoffeinspritzung,
die von dem Ventil 38 gesteuert wird. Da die , .|
Temperatur bis zu schädlichen Werten erhöht wird, 1st für einen
kontinuierlichen Betrieb eineörensgsteuerung erforderlich. Eine '
Überschreitung der Wärme wird durch eine entsprechende Wasser- '
einspritzung über die Düsen 40 vermieden. Die Düsen 40 sind so
angeordnet, daß sie einen feinen Nebel quer vor dem Ausgangsende
der Brennkammer 30 erzeugen. Dadurch werden die Verbrennungspro- .
dukte vor dem Erreichen des Thermostaten 6l gekühlt. Der Thermostat 61 steuert die Dauer und die Wassermenge bei der Einspritzung
über das Drosselventil 42 innerhalb der von dem Nadelventil 43
festgelegten Grenze. *
; Vorzugsweise neben der Kopfplatte 29- ist innerhalb des Rohres 34
! ein Thermostat 62 angeordnet, der auf die Temperatur der Luft am
Eingangsende der Brennkammer 30 anspricht. Er ist in der Weise geschaltet,
daß er eine Treibstoffeinspritzung verhindert, wenn die '
■ " . I Temperatur zu niedrig ist. Die Bedeutung dieses Thermostaten 62
wird durch die Vorstellung deutlich, was bei einer plötzlichen -■.
Zündung einer großen überschüssigen Treibstoffmenge im Rohr 34 j
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geschieht, wenn der Treibstoff vorher ohne gezündet zu werden eingespritzt wird. Das Ergebnis würde ein überstarkes und schnelles
Ansteigen der Temperatur sein, der nur durch die Einspritzung von Wasser begegnet wird. Die Wassereinspritzung vergrößert zwar das
Volumen des Arbeitsmittels, und zwar im Verhältnis 2:1, wenn die Betriebstemperatur im Gehäuseinneren 4 zwischen 380 und 54o°C
liegt. Der Thermostat 62 bildet ein Sicherheitsfaktor, der Überdrücke infolge angesammelten Treibstoffes oder einströmenden
Treibstoffes verhindert. Er kann beispielsweise auf 3200C oder
fe einer anderen geeigneten Temperatur eingestellt sein, so daß der
eingespritzte Treibstoff mit Sicherheit sofort zündet, ohne daß irgend eine elektrische Zündvorrichtung erforderlich ist. Als
ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor dient das Ventil 42, das die
Wasserströmung steuert. Es kann so eingestellt werden, daß die Wassereinspritzung fortgesetzt wird, bis die Temperatur bis zu
bestimmten Werten herunter gebracht wird, wie etwa 380 bis 52J-O0C.
Zu diesem Zeitpunkt endet die Einspritzung des Wassers und der Druck in dem Gehäuse inneren 4 bleibt statisch, bis durch ein
Bedarfssignal das Ventil 60 geöffnet wird, das Arbeitsmittel
' in den Ventilschieber 51 für den Eintritt in die Arbeitszylinder
über deren öffnungen 23 oder 24 durchläßt.
Das Ventil 42 wird zweckmäßiger Welse durch einen Magneten betä-
tigt. Eine veränderlich steuerbare Schienensteuerung für die
I Einspritzung oder ein elektrischer Motor wird für die Einspritzdauer benötigt, die abhängt von der Dauer, in der ein Schaltkreis
durch den Thermostaten 6l geschlossen gehalten wird. Dieser kann ein Bimetall sein, über den und über Leitungen 64, die an eine
- 37 -
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«α
: -»j der Magnet
■ geeignete Quelle, hier eine Batterie angeschlossen sind, /erregt
wird. In gleicher Weise steuert das Drosselventil J>8 die Treib-
, stoffeinspritzung, wobei der Treibstoff aus einer Druckquelle 50
zugeführt wird. Eine geeignete elektrische Steuerung, ähnlich der
: bei 63 ist so geschaltet, daß die Kontakte 63 des Thermostaten
normaler Weise offen sind. Der Thermostat 62 liegt in Reihe mit einer Spule 65j die mit Leitungen 66 an eine Energiequelle angeschlossen 1st, und mit einem mechanischen Gestänge^ das auf die
Drehung der Kurbelwelle 10 anspricht. Wie gezeigt, enthält das Gestänge eine Nooke J2, die mit einer Fliegkraftanordnung oder
einer elektronischen Anordnung versehen ist, um einen verzögert
öffnenden Schalter plötzlich zu schließen. Dieser Schalter liegt
ebenfalls in Reihe mit der Energiequelle, der Spule 65 und dem,
Thermostaten 63 zwecks Betätigung des Ventils 38.
Die Luftzufuhr 2um Zylinder 22 oberhalb des Kolbens 16 kann in
herkömmlicher Weise erfolgen, wie hier durch eine Einlaßöffnung 67* die durch das Gehäuse 3 und die Isolierung 8 hindurchgeht
in einen Raum, der vom Gehäuseinneren 4 getrennt ist. Wahrend des
Abwärtshubes des Kolbens 1(5 tritt die Luft in den Zylinder 22
über ein vorgespanntes Ventil 68 ein. Die eintretende Luft wird
durch eine Barriere 69 im oberen Teil des Eintrittsraumes im
Bereich der Öffnung 68f begrenzt, in gleicher Weise kann ein
Rohr die Eingangsöffnung 67 mit dem Ventil 68 verbinden, das bei
: 69 von der hohen Temperatur im Bereich 28 isoliert wird, so daß
die Ansaugluft des Kompressors außen nicht erwärmt wird, was zu
ν einem unnötigen Arbeitsverlust führt bei der Verdichtung festgelegter
Volumen oder zu einer entsprechenden Abnahme der Ansaugluft-
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to
menge. Mit der Treibstoffleitung 49 ist ein Treibstofftank 70
verbunden. Mit der Kurbelwelle 10 ist in geeigneter Weise eine Abtriebswelle 71 verbunden, an der die Ausgangsleistung abgenommen
werden kann.
Die Fign. 2, 5 und 4 zeigen eine andere mögliche Ausführungsform
einer Brennkammer oder eines Thermogenerators, der allgemein mit
75 bezeichnet ist. Er weist einen länglichen metallischen Körper
76 mit einem gewölbten Eingangsende 77 und einem gewölbten Ausgangsende 78 auf. Ein Treibstoffbrenner in Form einer Düse ist
allgemein mit 79 bezeichnet und entspricht dem Brenner nach Pig. I
Der Generator 75 ist von einer Isolierung 80 von geeigneter Güte und Dicke umgeben, um die Verdichtungswärme über eine beträchtliche
Bereitstellungszeit aufrecht zu erhalten. Von einem geeigneten Kompressor, der Drücke von 12 bis 50 atm liefert, wird Luft
über die Lufteingangsöffnung 8l zugeführt. Es sind ferner, wie in Fig. 1, eine Treibstoffeinlaßöffnung 82 und eine Wassereinlaßöffnung
85 gezeigt. Ein Zumessventil 91* reguliert die geförderte
Treibstoffmenge und ein Absperrventil 85 verhindert den Treibstoff zufluß, wenn der Thermostat 63 eine nicht ausreichende Temperatur
meldet. In der Nähe des hinteren Endes des Generators sind Wassereinspritzdüsen
87 angeordnet, die auf den Mittelpunkt oder die Achse des Generators gerichtet sind, wobei sie Jeweils etwa um
45° gegeneinander versetzt sind. Der Thermostat 62 ist vorzugsweise
mit Hilfe einer lösbaren Schraubgewindeanordnung 88 befestigt. Der Thermostat 62 kann mechanisch mit dem Ventil 85 gekoppelt
sein, obgleich diese Verbindung hier durch eine Leitung zu einer
- 59 -
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elektrischen Betätigungsvorrichtung 65 % 9 vergleichbar mit dem
.Magneten 65 aus Fig. 1, dargestellt ist.
.Magneten 65 aus Fig. 1, dargestellt ist.
Der Generator 75 besitzt eine Ausgahgsöffnung 90 für das erzeugte Arbeitsmittel, die von einem handbetätigtem Ventil 91 ge- j
steuert wird. Die Ausgangsöffnung ist mit den Arbeitszylindern ; verbunden und zwar über ein geeignetes Verteilventil, wie das ;
Ventil 51 nach Fig. 1. Ein Thermostat 61 · ist mittels einer Schraubverbindung
112 eingesetzt und ist elektrisch oder mechanisch mit
einem Ventil 86 verbunden. Für die Hauptkammer des Thermogenera- ^
tors sind als Sicherheitsmaßnahmen ein Überdruckventil 113 und
ein Zerreißventil 114 vorgesehen.
ein Zerreißventil 114 vorgesehen.
Mit 100 ist ein Druckmeßgeber bezeichnet der auf einen Druckabfall
in der Kammer anspricht. Er besitzt einen Auslaß zu einem ,·
Ventil 97, um das öffnen dieses Ventils zu bewirken, wenn der :
Druck fällt, beispielsweise unterhalb l6,5 kg/cm ,bis das Ventil
vollständig geöffnet wird bei einem Arbeitsdruck für den Thermo- J
generator wenn volle Last vorliegt. Das Zumeßventil 100 kann ι |
mechanisch, hydraulisch oder elektrisch sein und dient" dazu, eine 1
Treibstoffversorgung entsprechend dem Abfallen des Druckes unter- :
halb eines bestimmten Grenzwertes sicherzustellen, wobei dieser :
ι Grenzwert sich innerhalb eines Bereiches verwendbaren verdichteter!
Arbeitsmittels für den Motor befindet, d.h. zwischen 7 und 35 !
, ι
kg/cm . Ein Fühler und eine Zumeßsteuerung können in ähnlicher
Welse, eher nach der Temperatur arbeiten als nach dem Druck, in
so weit, als ein Absinken der Temperatur erfaßt wird und dieser
Welse, eher nach der Temperatur arbeiten als nach dem Druck, in
so weit, als ein Absinken der Temperatur erfaßt wird und dieser
absinkende Temperatur dafür verwendet wird,Treibstoff einzugeben
- 40 -
003839/1592
wenn es erforderlich ist, die Kammer 75 erneut zu erwärmen, wenn
neue Luftüber die Eingangsöffnüng 8l eingebracht wurde. Das Gaszumeßventil
91 kann mit Hilfe einer verstellbaren Armatur von Hand gesteuert werden, wobei die Armatur eine Übersteuerung aufweist,
die bei 111 mit einem Druckmeßgeber 115 verbunden ist. Ein Druckabfall im Generator 75 bewirkt ein ausreichendes öffnen
des Gasventiles, damit zusätzliche verdichtete Luft über den Einlaß 81 zugeführt werden kann. Eine Steuerungsart kann darin bestehen,
daß ein Gestänge zum Meßfühler führt, das das Ventil von einem Festpunkt ausgehend, der von Hand eingestellt wurde, steuert.
In einer Stellung wird der Kreislauf des Kompressors in der Bereitstellung gesteuert, um verdichtete Luft nachzufüllen, falls
erforderlich. In der anderen Endstellung wird ein öffnen des Gasventils bewirkt. Die Zwischenstellungen dienen zur Steuerung
des Leistungsbedarfs.
Ein gemäß Fig* 2 gesteuerter Thermogenerator sieht eine Vorrichtung
zum Verbrennen des Treibstoffes bei konstantem Druck und nahezu konstanter Brenntemperatur vor. Sowohl die Temperatur als auch
der Druck sind steuerbar. Sie können in bezug auf die Ausbildung des besonderen Motors, dem der Generator zugeordnet wird, abgestimmt
werden.
Nach dem Anlassen hat die in den Thermogenerator eingeleitete verdichtete Luft einen konstanten Druck, der durch eine den Thermogenerator
zugeordnete Steuerung bestimmt wird. Sofort nach dem Einspritzen des Treibstoffes unter hohem Druck setzt die Verbrennung
in der Kammer ein, wobei diese unter idealen Verbren-iungsl-
GÖW397i5
η j
bedingungen vor sich geht. Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades
und zur Vermeidung von Luftverunreinigungen, zu denen eine!" anfangs fettere Treibstoffmischung führen kann, als sie für ;
eine stö-chiometrische Mischung für eine vollständige Verbrennung
erforderlich ist, wird bei fortgesetzter Verbrennung zusätzliche j
Luft hinzugefügt. Diese Luftzufuhr erfolgt um den brennenden
Treibstoff herum. Die Zufuhrmenge überschreitet die Menge, die >
Treibstoff herum. Die Zufuhrmenge überschreitet die Menge, die >
■ i.
für eine vollständige Verbrennung der Treibstoffbestandteile erforderlich
ist. Zur Erzielung dieser mehr idealen Verbrennung,
die bei einem herkömmlichen Motor nicht möglich ist, wird vorzugs*- weise eine zylindrische Anordnung verwendet, die ein Brennrohr,
ein Luftrohr und eine Hitzeabschirmung aufweist. Sämtliche Teile ; sind in der Kammer angeordnet und liegen koaxial zur Treibstoff-, Einspritzdüse. Eine sich dem idealen Zustand nähernde, befriedi- :
die bei einem herkömmlichen Motor nicht möglich ist, wird vorzugs*- weise eine zylindrische Anordnung verwendet, die ein Brennrohr,
ein Luftrohr und eine Hitzeabschirmung aufweist. Sämtliche Teile ; sind in der Kammer angeordnet und liegen koaxial zur Treibstoff-, Einspritzdüse. Eine sich dem idealen Zustand nähernde, befriedi- :
j gende Verbrennungsbedingung wird mit Hilfe eines Brennrohres ;
■·! " ■ ί ' ■
• erreicht, dessen Durchmesser und Länge im Verhältnis zum Durch- ■
' messer und der Länge des Luftrohres und des Abschirmrohres etwa
ι das Verhältnis von 1:1-1/2ϊ2 haben. Bei einem Durchmesser des ■ j Brennrohres von 5 cm hat daher das Luftrohr einen Durchmesser
! von 7>5 cm und das Hitze-Abschirmrohr einen Durchmesser, von 10 cmj. | Die Rohre können gleiche Längenabmessungen haben, ihre Länge kann jedoch auch zunehmen. Wie in Pig. 1 dargestellt, wird die eintretende Luft durch eine Durchlöcherung im Kopfteil gesteuert, ' so daß etwa 50# der Luft in die Kammer über das Brennrohr eintritt. Sie wird gemischt und in axialer Richtung fortgestoßen. In das : Luftrohr tritt zusätzlich 25# der Luft durch den Kopfteil und : durch die Hitzeabschirmung etwa 12 oder 1J>% durch den Kopfteil ; außerhalb des Luftrohres. Die restliche Luft, die durch die
ι das Verhältnis von 1:1-1/2ϊ2 haben. Bei einem Durchmesser des ■ j Brennrohres von 5 cm hat daher das Luftrohr einen Durchmesser
! von 7>5 cm und das Hitze-Abschirmrohr einen Durchmesser, von 10 cmj. | Die Rohre können gleiche Längenabmessungen haben, ihre Länge kann jedoch auch zunehmen. Wie in Pig. 1 dargestellt, wird die eintretende Luft durch eine Durchlöcherung im Kopfteil gesteuert, ' so daß etwa 50# der Luft in die Kammer über das Brennrohr eintritt. Sie wird gemischt und in axialer Richtung fortgestoßen. In das : Luftrohr tritt zusätzlich 25# der Luft durch den Kopfteil und : durch die Hitzeabschirmung etwa 12 oder 1J>% durch den Kopfteil ; außerhalb des Luftrohres. Die restliche Luft, die durch die
;;- 42 -
■ Außenseite des Kopfteils hindurchtritt, gelangt über eine Durch-
! löcherung entlang des Abschirmrohres in die Kammer, über die
Düsen 87 wird entsprechend dem Temperaturanstieg während der Verbrennung Wasser zugeführt.
Wird der Thermogenerator nach Pig. 2 praktisch bei einem Motor verwendet, dann stellen sich eine Anzahl thermodynamischer Vorzüge
ein. Dies kann am besten verstanden werden durch einen Vergleich zwischen einem Motorkreislauf gemäß der Erfindung und
bekannten Kreisläufen, wie in den Fign. 5 bis 11 dargestellt. Dieser Kreislauf ist eine Kombination aus dem Kreislauf für die
Luftverdichtung und dem Kreislauf für Dampf, da sowohl Luft als auch Dampf als Arbeitsmittel verwendet werden, wobei beide Teile
zur Entwicklung des Drucks im Thermogenerator beitragen. Bei der Diskussion hierüber soll der Ausdruck "Luft" sowohl den mit der
verdichteten Luft verbrannten Treibstoff einschließen, als auch darüberhinaus vorhandene überschüssige Luft, also sämtliche Verbrennungsprodukte,
während der Ausdruck "Dampf" sich auf Wasser bezieht, das im flüssigen Zustand eingespritzt wird und zu
überhitztem Dampf wird, der jedoch während eines Teils des Kreis-Prozesses
seinen Zustand ändert, wobei ein Teil wieder flüssig wird. Der neuartige Kreislauf oder Kreisprozess der Treibstoffverbrennung
macht Gebrauch von der Kombination von Dampf und Luft, mit Ausnahme des Verdichtungsprozesses, bei dem lediglich
Luft beteiligt ist.
Wie schematisch in Fig. 5 dargestellt, weist der Motor in seinem
Kreisprozess zwei thermische Zustandsänderungen und zwei
.- 43 -
009839/159?
Bruckzustandsänderungen auf. Die Verhältnisse für Druck mal
Volumen oder P · V und für die Entropie sind in Fign. 6 bis 11
dargestellt. Es wird angemerkt* daß diese Diagramme von den herkömmlichen
Diagrammen sich, unterscheiden, und zwar sowohl für
den Dampfkreislauf als auch, für den Kreislauf für heißes Gas
(Luft) . Getrennte Diagramme für mehrere Bestandteile von den
Verbrennungsprodukten sind nicht dargestellt, da diese nahe an
die Diagramme für Luft herankommen.
In Fig. 5 sind zwei getrennte Strömungsmittel dargestellt, die
in einen Kssislauf eingeleitet werden, der zwischen den Punkten
1, 2, 3 und 4 liegt. Der Punkt 1 a bezeichnet den Eingang des
Luftkompressors, während 1 s den Eingang einer Wasserpumpebezeichnet
j 2a .bezeichnet den Eingang des Therraogenerators für
Luft und 2s den Eingang des Thermogenerators für Wasser j J be- '
zeichnet den gemeinsamen Eingang für den Expansionsteil, des
Prozesses, wobei Ja den Eingang für Luft und Js den Eingang für
Dampf darstellt, wobei der Dampf durch Wärmeabgabe im Thermogene-.
rator entsteht, wenn die Verbrennungswärme auf einen gleichmäßigen
Wert heruntergebracht wirdj und 4 bezeichnet den Eingang zum
Kondensator, wobei 4a der Eingang für Luft und 4s der Eingang für
Dampf ist, wenn angenommen wird, daß zum Zwecke der Darstellung des vollständigen Kreislaufs ein Kondensator verwendet wird.
Bei der nachfolgenden Diskussion sollen die Temperatur mit T,
der Druck mit B, das Volumen mit V, die Enthalpie mit H und =
- ■ . I
die Entropie mit S bezeichnet werden. Die Diagramme sollen als '
besonderer zusäfezSöier Schritt verstanden werden, im Vergleich" zu
- 44 -
009839/1503
den veränderlichen Zuständen, die durch eine Bedienungsperson, f
durch die Last, den Motor oder andere Paktoren gegeben sind,
wobei diese innerhalb eines praktisch anwendbaren Bereiches
unendlich variiert werden können.
Die Pig. 6 zeigt ein FV-Diagramm für die Komponenten von Luft
und Wasser, wobei ein Volumen angenommen wird, das bei Verbrennung von 0,45 kg eines bestimmten Kraftstoffes entsteht. In
dem Diagramm ergibt der Verlauf von Ic nach 2c eine gleichmäßige Änderung der Entropie, entsprechend einer adiabatischen Kompression,
bei der eine Arbeitssubstanz oder ein Arbeitsmittel von einem Ansaugsustand bis zum Zustand im Thermogenerator verdichtet
wird. Bei diesem Diagramm ist eine Drückerhöhung lediglieh
bis 16 kg/cm durchgeführt. Der tatsächlich verwendbare
Bereich geht jedoch bis 280 kg/cm"". Bei der Zustandsänderung
von 2c nach 5c bleibt der Druck konstant. In Abänderung kann
diese Zustandsänderung auch bei konstanter Temperatur erfolgen. In dieser Hinsicht unterscheidet sich der Thermogenerator von
früheren Anordnungen grundsätzlich, da der Thermogenerator Mittel aufweist, mit der das Arbeitsmittel entweder auf einen konstanten
Druck oder auf eine konstante Temperatur gebracht werden kann, wobei das letztere mittels einer gesteuerten Wassereinspritzung
erreicht wird in Abhängigkeit von dem Übersteigen der Tempera- ! tür oberhalb eines festgesetzten Grenzwertes. Es ist daher mög- ;
lieh, die Temperatur von einem Niveau, das so niedrig ist wie die Sättigungstemperatur des Wassers beim Druck im Thermogenerator
bis zu einem Niveau, das so hoch 1st wie die adiabatische
steuern, Brenntemperatur des bestimmten, zu verbrennenden Treibstoffs,zuv
009Ϊ3Ϊ/Ϊ592
Die praktische Grenze für die Temperatur im Generator wird durch j·
die Festigkeit des Werkstoffs bestimmt, aus dem die Wände hergestellt
sind, die dieser Temperatur ausgesetzt sind. Diese Eintrittstemperatur wird zwischen geeigneten Grenzen gesteuert durch
Veränderung der Einspritzung von unter hohem Druck stehenden Wassefc·,
das augenblicklich in Dampf umgewandelt wird, wobei die Verdampfungswärme und die überhitzung mit der Verbrennungswärme des
verbrannten Treibstoffes einen mittleren Wert bilden. Die einzuspritzende Wassermenge wird daher von der gewünschten Betriebstemperatur
bestimmt, wobei sie geringer ist für hohe überhitzungs- :
temperatures Sie hält Jedoch dauernd eine feste Betriebstemperatur
aufrecht. Die dritte Zustandsänderung in Pig. 6 ist die
von 3o nach 4c. Sie gilt für die kombinierten Gase und stellt die
adiabatische Expansion auf den Auslaßdruck dar, der durch den gewünschten Auslaßdruck des Motors bestimmt ist. Der Auslaßdruck
wird festgelegt durch einen Druckfühler und durch die Betätigung für die Treibstoffeinspritzung.
Pig. 7 stellt ein Temperatur-Entropie (TS)-Diagramm dar.für die |
kombinierten Arbeitsmittel. Die Zustandspunkte in diesem Diagramm
!entsprechen den Zustandspunkten des FV-Diagramms nach Fig. 6.
Der in Fig. 7 dargestellte Kreislauf zeigt das kombinierte Arbeite *·
Es mittel in einem Carnot'sehen Kreisprozess./ermöglicht bei Aufrecht*·
erhaltung einer konstanten Temperatur im Thermogenerator eine
neuartige Maßnahme mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung. ".!
Die Eintrittstemperatur im Thermogenerator kann nicht nur konstant1
gehalten werden, sondern über weite Grenzen verändert werden durch
entsprechende Wahl der Einspritzwasser-Temperatur, durch die
- 46 -
00383971532
Ausgangstemperatur festgelegt wird.
Pig. 8 zeigt ein FV-Diagramm für den Luftanteil des Arbeitsmittels
[nach Fig. 7* wobei die Zustandsänderung von la bis 2a eine
adiabatisehe Kompression darstellt. Die Zustandsänderung zwischen
2a und 3a ist isotherm und in diesem besonderen Pail entspricht
sie einer Druckverminderung und einer Volumenausdehnung. Die Zustandsänderung von 3a bis 4a wird durch das Vorhandensein von
Dampf bewirkt, wie bei anderen Zustandsänderungen t bei denen zwei
ψ verschiedene Strömungsmittel vorliegen. In diesem Fall nimmt die
Entropie der Luft zu, wobei diese Zunahme der Energie entspricht, die dem Dampf während des ExpansionsVorgangs mitgeteilt wird.
Aus der Expansion und dem Austausch ergibt sich eine entsprechende Abnahme der Entropie des Dampfes.
Fig. 9 zeigt ein TS-Diagramm für einen Luft-Kreislauf nach dem Diagramm aus Fig. 7· Zwischen la und 2a findet eine adiabatische
Kompression statt, die reversibel ist zwischen den Umgebungsbe- ^ dingungen und dem Betriebsdruck des Thermogenerators. Die Temperatur
T im Thermogenerator steigt in ausreichender Höhe an, um eine Zündung bei Einspritzung von Treibstoff hervorzurufen. Zwischen
2a und 3a wird bei der Zustandsänderung Wärme zugeführt, die
zur Folge hat: (a) Anstieg von T mit einer Abnahme von P, während ■
jV ansteigt; (b) konstantes T mit einer Abnahme von P und einer
j Zunahme von V (wie im Carnot'sehen Kreisprozeß); (c) eine Abnahme !
I - i
von T mit einer Zunahme von P und einer Zunahme von V. Zwischen !3a und 4a findet eine Expansion auf etwa atmosphärischen Druck ·
statt, bei der die Entropie annähernd konstant bleibt, ausgenommen
009839/1592
der geringen Zunahme der Entropie in Folge des Wärmeaustausches \
zwischen Dampf und Luft, welche unterschiedliche Expansions- i
Koeffizienten haben. Dieses Diagramm setzt voraus, daß keine j
Wärmeverlu.ste durch die Begrenzung der Kammer eintreten, in der
der Prozeß stattfindet, PUr diesen Motor ist dies zu verwirklichen, weil seine Wände isoliert sind, ganz im Gegenteil zu dem Prozeß,
der bei herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Ver- ; brennung stattfindet, bei denen die Wände gekühlt werden müssen,
um sie vor den Temperaturen des brennenden Treibstoffs zu schützenj. Zwischen den Punkten 4a und la findet eine Wärmeabgabe statt, ! bei der T absinkt und P ansteigt, so daß die Startbedingung im j
der Prozeß stattfindet, PUr diesen Motor ist dies zu verwirklichen, weil seine Wände isoliert sind, ganz im Gegenteil zu dem Prozeß,
der bei herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Ver- ; brennung stattfindet, bei denen die Wände gekühlt werden müssen,
um sie vor den Temperaturen des brennenden Treibstoffs zu schützenj. Zwischen den Punkten 4a und la findet eine Wärmeabgabe statt, ! bei der T absinkt und P ansteigt, so daß die Startbedingung im j
Diagramm hergestellt ist. \
Die Pign. 10 und 11 stellen die entsprechenden PV- und TS Dia- ·-
gramme für den Wasser-Kreisprozeß dar; Sie stellen Wasser in den ,
'Zuständen flüssig, flüssig-dampfförmig und dampfförmig dar, da im :
Thermogenerator eine Zustandsänderung stattfindet. Eine zweite
Zustandsänderung findet bei der Expansion auf einem Druckwert j von Null in dem Arbeitsmotor statt. Pig. 11 zeigt ebenfalls, daß I der Wasseranteil des zusammengesetzten Kreislaufs dem Rankine1 j sehen Kreisprozeß folgt, ausgenommen der geringen Abweichung vom ; Rankine'schert Kreisprozeß während der Expansion in der Weise, daß i mit der Expansion von J5s nach 4s ein kleiner Abfall der Entropie ; verbunden ist. Mit diesem Abfallen der Entropie ist ein Energie- ] verlust verbunden, der gleich ist der Energie^ die der Luft
während der Zustandsänderung von 3a nach 4a zugeführt wurde.' Dies führt zu dem oben erwähnten kleinen Anstieg der Entropie der
Luft. -
Zustandsänderung findet bei der Expansion auf einem Druckwert j von Null in dem Arbeitsmotor statt. Pig. 11 zeigt ebenfalls, daß I der Wasseranteil des zusammengesetzten Kreislaufs dem Rankine1 j sehen Kreisprozeß folgt, ausgenommen der geringen Abweichung vom ; Rankine'schert Kreisprozeß während der Expansion in der Weise, daß i mit der Expansion von J5s nach 4s ein kleiner Abfall der Entropie ; verbunden ist. Mit diesem Abfallen der Entropie ist ein Energie- ] verlust verbunden, der gleich ist der Energie^ die der Luft
während der Zustandsänderung von 3a nach 4a zugeführt wurde.' Dies führt zu dem oben erwähnten kleinen Anstieg der Entropie der
Luft. -
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Es zeigt sich, daß der in Pig. 2 dargestellte Thermogenerator [
bei Versorgung mit komprimierter Luft bei Zündtemperatur für den Treibstoff, der Treibstoff bei der Einspritzung verbrannt
wird, wobei der Generator ferner mit nach der Temperatur bemessenem Wasser versorgt wird und wobei die Einstellung der Wasser-
; einspritzung mit geforderten Werten erfolgt. Auf Druck ansprechende
PUhlervorrichtungen betätigen ein Treibstoffventil, wobei
ι die Vorrichtung auf Temperatur und/oder Druckabweichungen unterhalb
eines festgesetzten Wertes anspricht. Es erfolgt eine Verbrennung des Treibstoffes, die zur Entwicklung eines Arbeitsmittels
führt, das bei konstanter Temperatur und konstantem Druck, wobei jedoch diese Temperatur und dieser Druck durch Steuerung
von einer Bedienungsperson über weite Grenzen veränderbar sind, abgezogen werden kann. Dieser Kreisprozeß kann als "veränderlicher
Luft-Wasser-Kreisprozeß" bezeichnet werden. Er ist im wesentlichen ein Zweiströmungsmittel-Krelsprozeß, bei dem sich
mindestens ein Strömungsmittel zwischen zwei Zuständen ändert. Er ist ein Kreisprozeß, bei dem die beiden Strömungsmittel als
getrennte Strömungsmittel oder Substanzen gekennzeichnet sind, nämlich Verbrennungsprodukte plus überschüssiger Luft und Wasser,
; wobei beide ihren eigenen Partialdruck im Gesamtdruck aufweisen,
, der zur abhängigen Steuerung des Treibstoffeintritts in den Thermogenerator erfaßt oder gemessen wird. Diese getrennte Substanz
wird adiabatisch verdichtet in ihren zwei Anteilen und ' zusammen getan, wobei zum gesamten Strömungsmittel Wärme bei
kpnstantem Gesamtdruck zugeführt wird. Es folgt eine adiabatische
Expansion des zusammengesetzten Strömungsmittels zur Erzeugung \
verwendbarer Leistung. Eine Wärmeabfuhr für das zusammengesetzte
003839/1592
Strömungsmittel findet schließlich bei konstantem Gesamtdruck ;
stat. Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß der erste Strömungsmittelanteil, der komprimierte Luft ist, mit einem Druck eingeleitet
} wird, der von einem Druckregler oder einer anderen.Regulierungsvorriehtung
reguliert wird, um das Wiederauffüllen von Arbeitsmittel
nach Maßgabe des Druckabfalls zu steuern, wobei der Druckabfall entweder im Leerlauf oder beim Gebrauch des Motors
auftreten kann. Der zweite Anteil des Arbeitsmittels ist das Wasser, das unter Druck gesetzt wird und am Ende der Kammer
während oder nach der Verbrennung eingeleitet wird. Dies stellt |
eine unabhängige Beimischung eines StrÖmungsmitiBls dar. Die
Zusammensetzung aus Luft und Wasser weist eine Wärme auf, die entsprechend dem verbrannten Treibstoff ergänzt wird. Die Ergänzung
wird durch den Eintritt des Luftanteils bemessen. Das
Wasser wird zugeführt im Verhältnis zur erhöhten Wärme in dem
MaBe, daß das zugefUhrte Wasserader Wärme des zusammengesetzten
Ströraungsmittels entspricht. Bei einer Betrachtung der Vorrichtung
im Betrieb geht hervor, daß die Strömungsmittel verdichtet und adiabatisch eingespritzt werden, und daß Wärme zugeführt wird
unter Bedingungen, durch die der Gesamtdruck konstant gehalten wird, obgleich^die Anteile von Wasser und Luft verändert werden
können, wenn es notwendig wird, die Temperaturen bei unterschiedlichen Mengen abgeführten Arbeitsmittel konstant zu halten oder
den Wärtnefluß auszugleichen. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß
der Arbeitsmotor das Arbeitsmittel in adiabatischer Expansion aufnimmt, um die gewünschte Leistung zu liefern, ohne daß eine
wesentliche Kühlung an der begrenzenden Wand stattfindet, wenn , die Wände die Temperatur des in den Arbeitszylinder
~— - 50 '- _J
000839/1502
eintretenden Arbeitsmittels oder des austretenden Arbeitsmittels aufweisen. Bei anderen Wärmekraftmaschinen wird das zusammengesetzte
Arbeitsmittel bei konstantem Druck abgeschieden, wobei dieser Druck entweder der atmosphärische Druck ist oder ein
geringerer Druck, wenn ein Kondensator verwendet wird, um diesen Druck durch Kondensierung des Dampfes zu verringern.
Der Kreisprozeß eines derartigen Motors hat imGegensatz zu
bekannten Prozessen folgende Vorteile:
(a) Vollständige Steuerung von T und P am Ausgang der Maschine über einen weiten Bereich;
(b) Großer Veränderungsbereich von T und P durch Steuerung einer Bedienungsperson während des Laufs;
(c) Einstellbare Betriebsbedingungen ohne Veränderung der Ausbildung
des Motors;
(d) Umwandlung der Verbrennungsenergie in ein Arbeitsmittel mit
einem thermischen Wirkungsgrad von im wesentlichen 1OO#;
(e) StcLchiometrisches Treibstoff-Luftgemisch oder beim Beginn
der Verbrennung angereichert, wobei die Anreicherung von einer Mischung mit einem Überschuß an Luft gefolgt wird,
um eine vollständige Verbrennung in der geschlossenen Kammer sicherzustellen;
(f) Keine sich bewegenden Teile in der Nähe der Treibstoffverbrennung
und
(g) Keine kühlenden Wände oder Veränderung in der Temperatur, des Druckes und der umgebenden Gastemperatur während des
Verbrennungsprozesses.
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Durch die Verbindung des zweistufigen Wassersysteras, das. nach dem
Rankine*schen Kreisprozeß arbeitet, mit Luft und Verbrennungsprodukten, die nach dem Carnot*sehen Kreisprozeß arbeiten, sind
Vorteile erreichbar, die nicht bei den getrennten Kreisprozessen erzielt werden. Während einige dieser Vorteile mit Hilfe des
Brsytonfachen Kreisprozeß erzielt werden, der nicht auf Kolbenmaschinen
anwendbar ist, kann der vorliegende Kreisprozeß sowohl für Turbinen als auch für Kolbenmaschinen angewendet Werden.
Alle Verbrennungsarten neigen dazu, Stoffe zu erzeugen^ die in
der Luft rauchartigen Nebel; (Smog) bilden, und: zwar sowohl bei
Motoren oder bei Feuerungsanlagen in der Industrie in der unterschiedlichsten
Art und Weise. Verbrennungskraftmaschinen mit
j. innerer Verbrennung arbeiten mit gekühlten Zylinderwänden,, und
' die Zylinderköpfe haben eine Grenzschichtkühlung des Treibstoff-Luft-Gemisches,
die ausreicht, daß ein kleiner Prozentsatz unyerbrannten Kohlenwasserstoffs während des Auspuffhubes ausgestoßen
wird. Die Erfindung sieht Mittel vor, durch die eine Kühlung der
Wände der Brennkammer vermieden und bei der auf zwei verschiedene Arten die Brenntemperatur des Treibstoffs hoch gehalten wirds
j 1. Durch eine heiße Luftströmung um den Verbrennungsraum auf der
Innenseite der äußeren Wand derart, daß die Verbrennung lediglich
innerhalb des Raumes stattfindet, der oberhalb der ZÜndtemperatur
erwärmt wird.
2. Durch Abschirmung der Flamme gegen Luft, die nicht mit Treib-
.'.■■' ■"■"■'■■-"'.. ' · ■ ί
• stoff gemischt ist.
Der Brennstoff ist von einer Hitzeabschirmung umgeben. Die Ab- j
sehirmung ist isoliert und wird vor der Einspritzung des Treib-
BAD ORIGINAL
! stoffes auf die Zündtemperatür erwärmt, da sie von heißer, eintretender
Luft umgeben ist. Daher ist in dem Motor eine Verbrennung mit erhitzten Wänden möglich, vorzugsweise mit Temperaturen
oberhalb 110O0C. Die Verbrennung wird außerhalb der,Arbeltszylinder
durchgeführt. In der Brennkammer mit der darin angeordneten Luftabschirmung wird eine gleichmäßige hohe Temperatur aufrecht
erhalten durch die darin stattfindende Treibstoffverbrennung.
Kürzlieh angestellte Untersuchungen haben ergeben, daß CO und
andere Produkte einer teilweisen Verbrennung bei einer Verbrennung bei hohen Temperaturen, vorzugsweise über 6500C unterbunden
werden, wobei diese längere Zeit nach dem Beginn der
Verbrennung erhalten werden. Bei höheren Temperaturen entstehen
mehr Stiok.oxydu?.e und Stickdioxyde, so daß weder hohe noch niedrige
Temperaturen -υ ine Abhilfe bringen." Die vorliegende Erfindung
liefert jedoch tine vollständige Abhilfe, in^dem die Verbrennung
bei hoher Temperatur begonnen wird, die Temperatur dann nach einer gewissen Zeit verringert wird und (nach erfolgter vollständiger
Verbrennung) darm durch Einspritzen von Wasser auf eine annehmbare Temperatur gekühlt wird, und zwar auf einen zulässigen
Temperaturwert, um eine vollständige Verbrennung des gesamten Kohlenwasserstoffs sicherzustellen, die zunächst mit angereicherter
Mischung, und dann mit einem Überschuß an Luft erfolgt. Die Oase werden unterhalb 16500C gekühlt,über die halbe oben erwähnte
Zeitdauer in der Brennkammer und dann durch Wasser abgeschreckt auf die Betriebstemperatur.
Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades muß Treibstoff aus
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BAD ORIGINAL
•Kohlenwasserstoff in einer Mischung mit Luft verbrannt werden,
die etwas mehr Luft enthält als für die Zufuhr von Sauerstoff
■ zur Verbrennung des Treibstoffes erförderlich ist, d.h. als die
ι - ■ ■ - '
j stoL-ehiömetrisGhen Verhältnisse es erforderlich machen» Dies
führt zu einem Überschuß an CO und mehreren komplexen Produkten
J einer unvollständigen Verbrennung. Eine Verdünnung mit weiterer
! ■■■■"-
! Luft 1st erforderlich, sie sollte jedoch erst während eines zwei-
■-."■"
ten Vorgangs nach einer bestimmten Verzögerungszeit erfolgen.
Die Erfindungsieht eine progressive Luftzufuhr vor, und zwar
■■ - -■■■ ■ ■'■■■■ i
zunäohst in dem Brennrohr und dann im Luftrohr und der Hltzeabschirmung,
wobei Jeder Teil getrennt mit ungemischter Luft gespeist wird, Dies führt zu einer stufenweise Zufuhr über die
Länge der Kammer, um eine gewisse Verweilzeit für die angereicherte Mischung und dann für die magere und kühlere Mischung zu erhalten.
Stickstoffdioxyde bilden sich schneller bei hohen Temperaturen,
scheinen sich jedooh langsamer zu bilden, wenn ~ "eine gesteuerte
Verdünnungsmenge an Luft dazu beiträgt, die Bildung von J
Stickstoffdioxyden zu steuern» Dieser Vorgang scheint sich mit
einer vollständigen und wirksamen Treibstoffverbrennung vereinbaren
zu lassen, um unvollständige Verbrennungsprodukte zu vermeiden
; und die Erzeugung anderer Produkte, wie Stiekoxyde, zu verringern.
Nach einer beträchtlichen Verweilzeit bei einer verringerten, , jedoch noch wirksamen Brenntemperatur werden die Verbrennungsprodukte
und die überschüssige Luft auf die Arbeitstemperatur des
Motors gekühlt. Diese kann in dem Bereich von 540 bis 99Ö°C oder
bei niedrigeren Werten, wie etwa 370 bis 43O0C liegen. Sie werden
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BAD ORIGINAL
durch die im Thermostaten festgesetzten Grenzwerte für den EInspritzvorgang
des Wassers erhalten. Eine Temperatur im Bereich um 40O0C vermindert sowohl das CO und Stickoxyde, .falls Zeit vorgesehen
ist, einen Gleichgewichtszustand herzustellen.
Dies wird dadurch erreicht, in dem die Brennkammerj bis vierma
: länger gemacht wird als die Brennzone. Das hintere Ende wird ! mittels Wasser auf die gewählte Temperatur abgeschreckt. Es wird
eine räumliche Trennung zwischen den Zonen höherer Temperatur und niedrigerer annehmbarer Temperatur ·
Eine gegenseitige Beeinflussung wird daher auf ein Mindestmaß beschränkt.
Die Luftströmung entlang der Kammer ist progressiv. Es stellen sich große Temperaturunterschiede ein, die bei dauernder
Verbrennung fortwährend bestehen. Der sich einstellende Druck ergibt sich aus den Zustandsänderungen an Jedem Ende der Kammer.
Die Strömung ist progressiv und verhältnismäßig langsam, wie aus einer Übergangszeit zwischen dem Eintritt der Luft und dem Austritjt
von mehreren Sekunden hervorgeht.
Die beschriebene Verbrennung sieht eine Methode zur Verringerung '■
Smog-bildender Elemente vor und die Vermeidung der Bildung anderer1
Elemente, wobei zur gleichen Zeit eine vollständige Umwandlung der Treibstoffenergie in Arbeitsmittelenergie erfolgt.
Ein Thermogenerator, wie er in den Pign. 1 und 2 dargestellt ist,
j erfordert eine Zumeßsteuerung. In Fig. 12 ist eine geeignete
Steuervorrichtung für die Treibstoffeinspritzung dargestellt.
Sie ist abhängig von der Motordrehzahl, wenn der Kompressor in · - 55 -
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ORIGfNAL
Abhängigkeit von der Motordrehzahl Luft liefert. Die Steuervorrichtung
ist auch abhängig von der Ausgangsleistung des Motors, wenn ..er normal betrieben wird. Der Thermogenerator 75* wie er in
Fig. 2 allgemein dargestellt ist, besitzt einen länglichen Körper
76, der mit Treibstoff über eine Leitung 82 und einen Einsatz
für eine Einspritzvorrichtung gespeist wird. Der Einsatz geht
durch das gewölbte Ende 77 des Thermogenerators. Der Treibstoff
kommt von einer Hochdruck-Treibstoffpumpe, deren Pumpendruck
oberhalb eines gewünschten Mindestwertes von der Motordrehzahl abhängt. Der Treibstoff wird in dem Generator über ein Gehäuse
79 für die Einspritzvorrichtung geleitet, die eine Düse wie in . *
Pig. 1 aufweist. Der Thermogenerator besitzt eine Lufteintrittsleitung
81, und Treibstoff- und Wasserleitungen 82 und 85 und
. eine Gasleitung 84 mit einem Ventil 85, das die Drosselung des
Treibstoffes steuert. Ein Absperrventil 86 befindet sich in der
Leitung 8>, die zu Düsen 87 führt. Ein Absperrventil 85 für
Treibstoff wird von einem ersten Thermostaten gesteuert, der bei 88 angeordnet ist und Leitungen 89 * zu einer Betätigungsvorrichtung,
wie bei 65,aufweist. Das zum Antrieb des Motors entwickelte
Arbeitsmittel füllt die Kammer 28, die mit einer Gasleitung |
84 verbunden ist, die zu einem herkömmlichen Druckminderventil
91 führt, das seinerseits mit einem Eingang 92 in eine Kammer
der Treibstoffeinspritzvorrichtung verbunden ist. Mit 100 ist
allgemein eine Absperrvorrichtung gezeigt, die ein Zumeßventil aufweist.
Das Ventil 85 ist ein herkömmliches Dreiwege-Ventil, das ein N j
- ■ i
drehbares Ventilelement aufweist, das eine Eingangs- und Auslaß- J
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BADORIGINAL
I Öffnung wahlweise mit einer Druckleitung 94 verbindet, die zum
! Eingang 95 einer zweiten Kammer 96 des Zumeßventiles führt.
Dieses Ventil stellt die abhängige Wirkungsweise her, um den
j Druck in der Kammer 28 zu verringern, wobei das Treibstoffventil
geöffnet ist, wenn die Kurbelwelle sich dreht und die Pumpe anj
treibt. Ein Nadelventil 97 weist einen Sitz 97* auf. Der Sitz 97»
befindet sich in der Treibstoffleitung 82 und verbindet diese mit
■der Treibstoffleitung 82', die zum Treibstofftank zurückgeht. Der
Sitz 97f wirkt mit einer Nadel 98 zusammen, durch die das Ventil
fortschreitend geschlossen werden kann, wodurch die Rückleitung 82! zurück zum Treibstofftank abgesperrt wird. Diese Anordnung
!ermöglicht ein Betrieb der Treibstoffpumpe in Abhängigkeit von der Drehung der Kurbelwelle und ermöglicht eine Ableitung des
Treibstoffs durch die Rückleitung 82', wenn erforderlich ist,
den zu der Düse fließenden Treibstoff abzusperren. Die Absperrung erfolgt fortschreitend und allmählich entsprechend der Lage der
Nadelspitze 98 der Ventilnadel 101.
Eine ähnliche Nadelventilanordnung kann die Treibstoffdüse im Gehäuse 79 schließen. Im Gehäuse 79 ist ein Ventilsitz vorgesehen,
ider mit einer Nadel 99 zusammenwirkt. Wenn das Ventil 97 gej
schlossen ist, gelangt der Druck der Treibstoffpumpe über die
Leitung 82 in das Gehäuse 79 und wirkt gegen eine Feder 104, die an einer Schulter 105 anliegt, die mit der Ventilnädel verbunden'
ist, um das Ventil zu schließen. Die Feder 104 ist so ausgelegt, daß das Ventil 99 geschlossen ist, wenn der Druck in der Leitung
82 niedriger ist als ein gewünschter Mindestwert. Oberhalb dieses
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Wertes ist das Ventil 99 geöffnet.
j Die Treibstoff-Einspritzvorrichtung 100 besitzt eine gleitende
jFührung 102 fürdie Ventilnadel 101. Dichtungen an jedem Ende des
»Gehäuses verhindern einen Druckabfall in den Kammern 93 und 96
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! durch die Endteile des Gehäuses und verhindern, daß Treibstoff
durch das untere Ende des Ventilgehäuses in die Kammer 96 gedrückt
wird. Eine Feder 104* und eine Schulter 105',ähnlich der Feder
! 1θ4 und der Schulter 105 des Düsengehäuses 79 ermöglichen eine
j Pederbeaufschlagung der Ventilnadel 101. Die Ventilnadel hat inneif-I
halb der Kammern 93 und 96 Schultern I06 und 107*. die von den *
j Drücken in den geschlossenen Kammern in entgegengesetzter Richtung
beaufschlagt werden. Der Druck in der Kammer 96 wird durch den
! Druck in der Kammer 28 bestimmt, der über die Leitung 84, das
Ventil 85 und die Einlaßöffnung 95 in die Kammer 96 gelangt. Der
Druck in der Kammer 93 wird durch das Druckminderventil 91 bestimmt, die über die Einlaßöffnung 92 mit der Kammer 93 verbunden
ist. Der Druck ist vorzugsweise auf 7 sfcü bei normalem Betrieb des
Thermogenerators eingestellt. Der Druck in der Kammer 96 ändert
sich direkt proportional mit dem Druck in der Kammer 28S ausge- |
' nommen, wenn das Ventil 85 das Gas aus der Kammer 96 über 95*
! 94, 85 und die Auslaßleitung I08 ableitet. Wenn die mit dem Thermostat
gekoppelte Betätigungsvorrichtung 65 einen zu niedrigen
Druck für eine Treibstoffeinspritzung anzeigt, ist es daher möglich,
das Ventil 97 zu Öffnen, wodurch der Treibstoff zurück in
den Treibstofftank gepumpt wird. Wenn der Thermostat so betätigt ,
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wird, daß die Leitung 94 zur Leitung 84 hin geöffnet ist* und i
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die Leitung 92 zur Leitung 84 über das Druckminderventil 91,
dann unterstützt der Druck in der Kammer 93 die Feder 104*, um das Nadelventil 97 geschlossen zu halten. Wenn Jedoch der
Druck in der Kammer 28 ansteigt und auf die Kammer 96 Übertragen wird, dann öffnet das Ventil 97 fortschreitend entsprechend dem
Anstieg des Druckes, so daß der Druck in- der Leitung 82 verändert j wird. Das Ventil 99 dient dazu zu verhindern, daß nicht unerwar-
tet Treibstoff in die Brennkammer tropft. Das Ventil 99 ermögi
licht ferner die Zumessung der Einspritzung, die von dem Druck in der Leitung 82 abhängt, wenn der Druck darin ausreicht, das Ventil 99 zu öffnen. Die Steuerung der Betätigung der Ventile 97 und 99 wird durch die Einstellung der Federn 104 und 104· bewirkt, die durch Federdeckel 109 und 110 erfolgt, mit denen die Federspannung verändert werden kann. Bei einer anderen Ausführung|e form kann, das Ventil 85 in der Leitung 92 angeordnet sein, so daß die von dem Thermostaten gesteuerte Betätigungsvorrichtung das Ventil 97 durch eine Druckbeaufschlagung in der Kammer 93 schließt, oder das öffnen des Ventils 97 sichersten, indem die Einlaßöffnung 92 zur Atmosphäre hin geöffnet wird.
licht ferner die Zumessung der Einspritzung, die von dem Druck in der Leitung 82 abhängt, wenn der Druck darin ausreicht, das Ventil 99 zu öffnen. Die Steuerung der Betätigung der Ventile 97 und 99 wird durch die Einstellung der Federn 104 und 104· bewirkt, die durch Federdeckel 109 und 110 erfolgt, mit denen die Federspannung verändert werden kann. Bei einer anderen Ausführung|e form kann, das Ventil 85 in der Leitung 92 angeordnet sein, so daß die von dem Thermostaten gesteuerte Betätigungsvorrichtung das Ventil 97 durch eine Druckbeaufschlagung in der Kammer 93 schließt, oder das öffnen des Ventils 97 sichersten, indem die Einlaßöffnung 92 zur Atmosphäre hin geöffnet wird.
In Fig. 12A verbindet das Ventil 85 die Leitung 92 mit der ; Leitung 84 über ein Druckminderventil 911, bei einer Betätigung
durch eine Betätigungsvorrichtung 61 ·. Die Betätigungevorrichtung
61f ist in einer Bypass-Anordnung gezeigt, wenn die Temperatur
in der Kammer 76 unterhalb Zündtemperatur liegt. Die Kammer 93
ist bei 108 geöffnet, und der Druck in der Kammer 96 reicht aus, das Ventil 97 zu öffnen« Wird die Zündtemperatur erreicht, er- "
folgt eine Betätigung durch die Vorrichtung 6lf, die die Leitung
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BH mit der Kammer 9"5 verbindet, um das Ventil 97 zu. steuern. I
Es: sind in· schemaiiischer Darstellung yersohie.disne Steuerungen
gezeigt worden, "die in ihrer--Ausbildung- und in ihrer /Verknüpfung j
mit Temperatur- und Bruafefüfrlera verändert werden können, ohne
daß von der grundsätzlichen^ hier beschriebenen Steuerung abgewichen
wird.
6ö -
39/1592
BAD ORIGINAL
Claims (1)
- Patentansprüchemit
Wärme- ic ,,si:uioc;hi .aeri/innerer Verbrennung, gekennzeichnetdurch einen Kompressor zur Druekeiiiöhung angesaugter Luft auf einen Wer" .·- : p.twa 12 atm und mehr, so daß die Temperatur auf die Ziliid^er^peratur· eines bestimmten Treibstoffes erhöht wird, eine g-üöohlossans Brennkammer,, die vorn Kompressor ge-t rennt wi zur Verföt= für den Ktimerü:.:1Kammei* vexuon.cS «til; diese λ Über ein Rückschlagventil ;:cxst-:'5r:rang verbunden ist, eine Isolierung£■ Kammer zur Vermeidung von Kompres-Rten während der Speicherperioden der in der $ ten LuIt1, eine Startvorrichtung zum anfänglichen Antrieb des Kompressors während der Speicherung verdichteter L1Jf: bis au einem unteren Grenzwert, bei dem die Verdi eilt ur.£SViaruie die Sün&ternperatur erreicht, ein Auslaßventil für üia Kammer, des -entsprechend dem Leistungsbedarf betätigbar ist, fei.a ; rbeitsn-iotor, der entsprechend dem Leistungsbedayf über das Auts.U3ventIl feespeist wird, eine Kupplungsvorrichtung zwischen eiern Kompressor und dem Motor zur Wie derauf füllung verdichtet'.>r Jjutt in dens Maße wie Luft durch das Auslaßventil hlndurchgetrt-'ren ist> ein Druckmeßfeßber in de,; Kammer, der so :-61- iÖQ9839/ 1 592BADeingestellt ist, daß er ein Steuersignal erzeugt bei Abfall des Druckes unterhalb eines Mindestwertes, eine Treibstoff- ) ' einspritzvorrichtung mit einer unter Druck stehenden Treibst off quelle« einer in die Kammer weisenden Einspritzdüse und einer Zündvorrichtung, die auf das Steuersignal anspricht, eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Luftströmung, die eine fortschreitende Vermischung der verdichteten Luft des Kompressors mit dem Brennstoff entlang den Abmessungen der Kammer in Richtung auf das Auslaßventil bewirkt t ein in - ; der Kammer angeordneter Thermostat, der anspricht, wenn die ^ Temperatur in der Kammer oberhalb eines festgesetzten Temperaf turhöchstwertes steigt, um ein"zweites""Steuersignal zu erzeugen und eine Wasser-Einspritzvorrichtung mit einer unter; Druofejstehenden Wasserquelle, mindestens einer in die Kammer ! weisenden Düse und einer Wasser^ZumeSvorrichtraagi, cäi© auf . l das zweite Steuersignal anspricht und lasser in einspritzt, die ausreicht, Sie vom.Temperatur zu senken, wobei ■ der ÄÄeitsfflofcof5' mit einer Mischung aus komprimierter Luft, Treibstoff-Yerbreimmgsprodukten und , aus "Wasser umgewandelten Dampf--gespeist.wirel^ bei ©iaern Druckoberhalb eines Mindestwertes und einer Tmp&&tm? oberhalb - ! der Zündtemperatur und unterhalb des2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet**. ■ öaS;4@r - ; Kompressor mindestens einen Kolben aufweist, der Ia einem \~ Zylinder angeordnet ist und von -einer,Kurbelwelle angetrieben ;-, ist·. - · - ■;."-. ■ V ''■'■'.; ;■■■■■ ';3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor eine nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Vorrichtung ist, und daß der Arbeitsmotor mehrere Zylinder aufweist, deren Verdrängungsvolumen das gesamte Verdrängungsvolumen des Kompressors übersteigt, wobei der Arbeitsmotor eine Kurbelwelle
antreibt, die -zum Antrieb des Kompressors mit diesem verbunden ist.4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor und der Arbeitsmotor nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Vorrichtungen sind, und daß der Thermostat zur Erzeugung des zweiten Steuersignals in einem Bereich von 3850C bis
99O0C eingestellt ist.5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Startvorrichtung zum anfänglichen Antrieb des Kompressors eine Vorrichtung enthält, die eine Betätigung der Treibstoff- Einspritzvorrichtung verhindert.6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
auf Druck ansprechende Druckvorrichtung vorgesehen ist, die
anspricht, wenn der Druck niedriger ist als ein zweiter Mindestwert, und daß eine auf das Signal der Druckvorrichtung ansprechende Betätigungsvorrichtung vorgesehen ist, die einen
Betrieb der Treibstoff-Einspritzvorrichtung verhindert.7. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derKompressor und der Arbeitsmotor Zylinder mit Kolben besitzen,- 63 -009839/15 92und daß die Kompressionszylinder im wesentlichen das halbe Verdrangungsvolutnen von dem der Zylinder des Arbeitsmotors haben. ■8. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kompressor und Arbeitsmotor über eine gemeinsame Kurbelwelle oder miteinander verbundene Kurbelwellen mit den Kolben im Kompressor und in den Arbeitsmotorzylindern verbunden sind.ί 9· Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtungen so eingestellt sind, daß sie Wasser und Treibstoff in einem Gewichtsverhältnis von über JtI zumessen.10. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtungen so eingestellt sind, daß sie Treibstoff von einer Gewichtsmenge zumessen, die etwa 3 bis 8$ des Gewichts der in die Kammer geförderten Luft ist* und daß sie 7 mal soviel an Gewicht Wasser zumessen, als Treibstoff, um zu ! verhindern, daß die mittlere Temperatur in der Kammer über 99O0C steigt.:11. Kolbenmaschine, die mindestens Kompressions- und Expansions-j hübe aufweist, gekennzeichnet durch einen ersten Zylinder miteinem Kolben zur Verdichtung von Luft auf ein Verdichtungsverhältnis von 12:1 oder höher, eine getrennte Brennkammer, die über ein Rückschlagventil mit dem Kompressor verbunden ist, um die verdichtete Luft aufzunehmen und zu speichern, wobei die Kammer eine Wärmeisolierung aufweist, um die Verdichtungs-■ 0Ö9 8 3 9715 92 ■wärme zu speichern, mindestens ein zweiter Zylinder mit einem zweiten Kolben, der Gas aus der Kammer aufnimmt, um den zweiten Kolben anzutreiben, Kurbelwellen, die den ersten und zweiten Kolben miteinander koppeln, um den ersten Kolben in Tätigkeit zu setzen, wenn der zweite Kolben betätigt wird, eine Venti!vorrichtung zur Ableitung aufeinander folgender Anteile komprimierten Gases aus der Kammer, um den zweiten Kolben wiederholt anzutreiben, ein Druckmeßgeber zur Erfassung eines Druckabfalls in der Kammer unterhalb eines festgesetzten Wertes, wenn Gas entnommen wird, eine Treibstoff-Einspritzvorrichtung, die in die Kammer weist und die in Abhängigkeit vom erfaßten Druckabfall eine Treibstoffmenge einbringt, eine Temperaturmeßvorrichtung, die eine Erhöhung der Temperatur in der Kammer oberhalb eines vorgegebenen Betriebstemperatur-erfaßtNbereiches/und eine Wasser-Einspritzvorrichtung, die in Abhängigkeit von dem erfaßten Temperaturanstieg in die Kammer eine bestimmte Menge zerstäubter kühlender Flüssigkeit einbringt, die so bemessen ist, daß sie im wesentlichen die Verbrennungswärme der Treibstoffmenge aufnimmt.12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Zylinder getrennte Kammern zur Kompression und Expansion eines Arbeitsmittels aufweisen, wobei die Treibstoffeinspritzung und die Kühlung durch die Flüssigkeiteinspritzung in der getrennten Brennkammer stattfindet.15. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zylinder mit Kolben Gas ansaugt und verdichtet, daß der- 65 009839/1R9?zweite Zylinder mit Kolben den Arbeitshub ausführt und auspufft, daß die Brennkammer Vorrichtungen zur Trennung der einzelnen Schritte des Arbeitsprozesses des Motors aufweist, und zwar Ansaugen-Komprimieren, Verbrennen-Kühlen und Arbeiten-Auspuffen.14. Mit flüssigem Treibstoff betriebene Eigenzündungsmaschine, gekennzeichnet durch mehrere Strömungsmittelkammern, von denen jede einen Kompressions-Expansions-Teil aufweist,, der mit einer rotierenden Welle verbunden ist und entsprechend der- ■■-■■■■■■■■■■- iDrehung der Welle das Gasvolumen steuert, wobei die erste " Kammer einen Volumen-Kompressionsfaktor von nicht weniger als 16 aufweistj eine weitere Gaskammer von festem Volumen, die mit den veränderlichen Kammern verbunden ist und die eine Druckmeßvorrichtung zur Erfassung eines Druckabfalls in der Kammer unterhalb eines festgesetzten Wertes aufweist, eine Zufuhrvorrichtung für die Zufuhr von oxydierendemGas in die erste Strömungsmittelkammer in Abhängigkeit von.der Drehung der Welle, eine Auslaßvorrichtung, die das in der ersten Kammer komprimierte Gas in die weitere Kammer leitet, eine veränder- g liehe Auslaßvorrichtung, die die weitere Kammer mit einem oder mehreren der änderen Kammern verbindet und die veränderliche Ventile"zur Steuerung des Hindurchtritts von Arbeitsmittel aufweist, eine Treibstoffquelle, deren Druck den augenblicklichen Druck in der weiteren Kammer übersteigt, eine Treibstoff-Einspritzvorrichtung, die mit der Treibstoffquelle verbunden ist und die so reguliert wird, daß der Treibstoff in Abhängigkeit von dem Druckabfall eingespritzt wird, eine009839/1592Temperaturmeßvorrichtung in der weiteren Kammer zur Erfassung einer Temperatur, die oberhalb eines festgesetzten Wertes ; ansteigt und eine Flüssigkeits-Einspritzvorrichtung zur . Einspritzung von Flüssigkeit in die Kammer in Abhängigkeit von dem Temperaturanstieg oberhalb eines festgesetzten Wertes.,15. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der festgesetzte Temperaturwert sich in einem Bereich von 2βθ bis 99O0C bewegt.16. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich j der augenblickliche Druck im Bereich von 14 bis 56 atü bewegt.17. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist, deren Zumessung in Abhängigkeit von dem erfaßten Temperaturanstieg erfolgt, so daß die Temperatur wieder auf den erfaßten Anstiegswert gebracht wird.18. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet', daß eine Wärmeisolierung die Kammern zur Aufrechterhaltung einer gespeicherten Wärme zwischen den Betriebszeiten der Maschine umgibt.19. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern gegeneinander wärmeisoliert sind, um zu verhindern, daß Wärme von der weiteren Kammer zur ersten Kammer und zu.den anderen Kammern übertritt.- 67 -009839/159220. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern Kolben aufweisen, die mit einer Kurbelwelle verbunden sind zur Erzielung einer Verdrängung, die im wesentlichenj das Hoppelte an Volumen aufweist, als die Volumenänderung! in der ersten Kammer.! ■ ■■■"■■. - ", 21. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß einej Vorrichtung zur wiederholten Volumenänderung in der erstenι ·j Kammer vorgesehen ist, und daß die Auslaßvorrichtung blockiertwird, wenn die Temperatur in der weiteren Kammer sich unter- ! halb eines Grenzwertes befindet, um eine zuverlässige Zündung Jeingespritzten Treibstoffs zu erhalten.22. Eigenzündungsmaschine, gekennzeichnet durch mehrere Zylindermit Kolben und eine Brennkammer, die zusammen einen Block bilden, ein an dem Block angepaßtes Kurbelgehäuse, eine innerhalb des Gehäuses angepaßte Kurbelwelle mit Kröpfungen, die mit den Kolben der Zylinder verbunden sind, ein Ansaugventil für einen ersten Zylinder für den Durchtritt von Luft beim ; Ansaughub des Kolbens, wenn die Kurbelwelle rotiert, wobei der ä ( erste Zylinder gegenüber den Hub des Kolbens so bemessen ist, j daß eine adiabatische Kompression auf eine Selbstzündungstemperatur erfolgen kann, eine Luftauslaßvorrichtung für den Hindurchtritt einer Beschickung in die Brennkammer, die ein in einer Richtung wirkendes Ventil aufweist, wodurch in der Kammer wiederholte Beschickungen gesammelt werden, ein in der Kammer angeordneter Druckmeßgeber, eine mit Unterbrechungen arbeitende Einspritzvorrichtung für die Zufuhr einer ver-·0098 39/1592dampften Treibstoffmenge in die Füllung eine Betätigungsvorrichtung für die Einspritzvorrichtung, deren Betätigung in Abhängigkeit von einem erfaßten Druckabfall unterhalb eineserfolgt Druckes, bei dem die Auslaßvorrichtung in Betrieb ist,/eine Zufuhrvorrichtung mit Ventil, die die Kammer mit einem der Zylinder verbindet, und die die Strömung des Arbeitsmittels in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf steuert, ein in der Kammer angeordneter Temperaturmeßgeber, eine Quelle für zu verdampfende Flüssigkeit mit einem Druck, der den Druck in der Kammer übersteigt, und die mit einem Ventil für die Steuerung der Einspritzung in Abhängigkeit von dem erfaßten Temperaturanstieg oberhalb eines vorgegebenen Punktes verbunden ist, und eine mit der Kurbelwelle gekoppelte Abtriebsvorrichtung.2j5. Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung, gekennzeichnet durch einen oder mehrere nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Luftkompressor-Kolben und mehrere nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Arbeitskolben, deren Anzahl doppelt so groß ist wie die der Kompressionskolben, wobei jeder für eine hin- und hergehende Bewegung in einem Zylinder angeordnet ist und wobei eine Kurbelwelle mit dem Kolben über Kröpfungen mit gewünschten Ausrichtungen verbunden sind, um eine gleichseitige Betätigung der Kolben zu erzielen, eine außerhalb der Zylinder angeordnete Brennkammer, die in einerRichtung strömende Luft von den Kompressorzylindern aufnimmt, und die ein Arbeitsmittel in die Zylinder speist zur Beaufschlagung der Arbeitskolben, eine Treibstoff-Einspritzvorrichtung für die Kammern, die entsprechend der Luftströmung zumißt, eine Einspritzvorrichtung- 69 009839/159?für ein Yerdampfungsfähiges Kühlmittel für die Einspritzung in die Kammer in Abhängigkeit des eingespritzten Treibstoffes, um durch Verdampfung die Menge des Arbeitsmittels, das Luft und Verbrennungsprodukte aus der Treibstoffverbrennung enthält, im wesentlichen zu verdoppeln.24. Wärmekraftmaschine, gekennzeichnet durch Zylinder mit Kolben, zur Aufnahme von Umgebungsluft und zur Verdichtung des aufgenommenen Volumens mit einem Verdichtungsverhältnis, das ausreicht, eine Selbstzündungstemperatur für einen ausgewählten _Treibstoff zu erzeugen, ein Speicherbehälter zur Speicherung f der Luft nach erfolgter Kompression in den Zylindern, von den ersten Zylindern getrennte Arbeitszylinder mit Kolben, die im wesentlichen ein doppelt so großes Verdrängungsvolumen wie die ersten Zylinder aufweisen, eine Treibstoff-Einspritzvorrichtung zur Einspritzung des Treibstoffs zwecks Zündung in dem Speicherbehälter, eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung einer verdampfungsfähigen Flüssigkeit in den Speicherbehälter in Abhängigkeit der verbrennenden Treibstoffmenge und bemessen nach der entwickelten Wärme, wodurch eine ä Zunahme von verwendbarem Arbeitsmittel erfolgt, eine Zufuhrvorrichtung zur Regulierung des Durchtritts von verdampfter Flüssigkeit und Verbrennungsprodukten in die Arbeitszylinder, und eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung der Kompressorkolben mit den Arbeitskolben, um den Speicherbehälter wieder mit Luft aufzufüllen in Abhängigkeit der entnommenen Arbeitsmittelmenge. '009839/1 59225. Maschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das ;gesamte Verdrängungsvolumen der Arbeitszylinder im wesentlichen doppelt so groß ist wie das der Kompressorzylinder. l26. Verfahren zur Erzeugung von Leistung durch Expansion ver- ; brannten Gases zum Antrieb einer Abtriebsvorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte, kontinuierliche adiabatische Kompression von angesaugten Gasmengen auf eine Temperatur, die die ZUndtemperatur eines ausgesuahten Treibstoffes übersteigt, Speicherung von nacheinander komprimierter Gasmengen in einer getrennten Kammer, wobei eine Treibstoffmenge in das Gas eingespritzt wird, und zwar bei oder oberhalb dieser Zündtemperatur, Kühlen der Verbrennungsprodukte in der Kammer auf eine vorbestimmte Temperatur, Expansion von Anteilen dieses Produktes zum Antrieb der Abtriebsvorrichtung, und Verwendung eines Teils der durch die Gasexpansion erzeugten Arbeit zur gleichzeitigen Kompression weiteren angesaugten Gases.27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen durch Einspritzung einer Wassermenge erfolgt.28. Ein Verfahren zur Verbrennung von Treibstoff zur Bildung eines Arbeitsmittels für eine Maschine, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Einleiten von Luft in eine Kompressionskammer, adiabatische Kompression dieses Gases auf eine erste Temperatur und auf einen Druck, der ausreicht, eine Selbstzündung von damit gemischten Treibstoffs zu erzie-00 9 839/15 9?len, Ausleiten der komprimierten Luft in eine getrennte Brennkammer bei Selbstzündungstemperatur für einen flüssigen Treibstoff, Einspritzen einer Treibstoffmenge in die Kammer zur Erhöhung der Temperatur und des Druckes, wenn der Treibstoff verbrannt wird, Einspritzen einer verdampfungsfähigen Flüssigkeit in die Kammer zur Verringerung der Kammertempera tur mittels Verdampfung in Richtung der ersten Temperatur, Ableiten einer Gasmenge aus der Kammer und gleichzeitige Ver wendung eines Anteils des abgeleiteten Gases für die Kompres■■■■■- . ' ■
sion einer entsprechenden Luftmenge in der Brennkammer.ι 29. Verfahren zur Energieerzeugung durch eine innere Treibstoff- ; verbrennung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte, j adiabatische Kompression von Luft auf ein Verdichtungsverhältnis das nicht geringer als 16:1 ist, Einleiten der Luft , in eine getrennte Kammer, Beschickung der Kammer mit eingespritztem Treibstoff, Ermittlung des Temperaturanstiegs in der Kammer oberhalb eines vorgegebenen· Temperaturwertes, Beschickung der Kammer mit einer Wassermenge, die zur Wiederherstellung des vorgegebenen Temperaturwertes ausreicht, Ableiten eines Anteils des sich ergebenden Gemisches zum Antrieb eines Motors und zugleich mit dem Betrieb des. Motors ein Wiederauffüllen der Kammer mit komprimierter Luft bei einer Temperatur unterhalb des vorgegebenen Temperaturwertes.50. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Temperaturwert im Bereich von 585 bis 99O°C liegt. '009839/159231. Verfahren nach Anspruch 29* dadurch gekennzeichnet, daß die Luft über 3,5 atü verdichtet ist, wenn sie in die Kammer eintritt und daß die Einspritzung des Treibstoffes in Abhängigkeit von der in die Kammer geleiteten Luftmenge bemessen ist.32. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine mit Innerer Verbrennung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Stufenweise Kompression von Umgebungsluft in einem Kompressionsverhältnis von mindestens 12:1, stufenweise Speicherung der komprimierten Luftmengen in einer wärmeisolierten Kammer, Abführen eines Teils des gespeicherten Gases in einen Arbeitszylinder, der zur proportionalen Vermehrung der komprimierten Luft mit dem Kompressor verbunden ist, Einspritzung einer Treibstoffmenge in die gespeicherte Luft, wobei bei einer ausreichenden Verdichtungstemperatur für die Selbstzündung des Treibstoffs zu jeder Zeit ein Gasanteil abgeführt wird, und Einspritzung einer Wassermenge in die Luft und in die Verbrennungsprodukte in einerMenge, die ausreicht, das gespeicherte Gas auf eine Temperatur abzukühlen, die innerhalb eines Bereiches von 385 bis 99O°C liegt und wobei der sich bildende DampfAnteil des gespeicherten Gases wird.33· Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß derTemperaturbereich zwischen 385 und 5400C liegt und daß die ι Wassermenge im wesentlichen gleich dem Gewicht der Luft und ; , der Verbrennungsprodukte ist.- 73 009839/159234. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessung des eingespritzten Treibstoffs und des Wassers in Abhängigkeit vom abgeführten Gas erfolgt.35· Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung von Treibstoff und Wasser fortwährend in Abhängigkeit steht zu der im wesentlichen konstanten Kompression der Luft und der Entnahme des Gases.36. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine * Vorverdichtung der umgebenden "Luft stattfindet, um ein Verdichtungsverhältnis von über l6 rl zu erzielen, wobei eine entsprechende Zunahme des gespeicherten Gases erfolgt.37· Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das entnommene Gas in einem Arbeitszylinder expandiert, der mit der Kompression gekoppelt ist.38. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der M Treibstoff ein flüssiger, durch fraktionierte Destillationvon Petroleum gewonnener Kohlenwasserstoff ist, und daß das Gewicht desfeingespritzten Wassers im wesentlichen gleich Gewichtsanteilen eingespritzten Treibstoffs ist.39. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser zu einem Dampfvolumen expandiert, das mindestens gleich dem Volumen der komprimierten Luft bei der; Temperatur und dem009839/1592Druck während der Speicherung ist. j40. Verfahren nach Anspruch ~*>2, dadurch gekennzeichnet, daß das entnommene Gas zum Antrieb eines rotierenden Motors verwen- \det wird.41. Längliche Brennkammer zur Erzeugung eines Arbeltsmittels für eine Maschine, gekennzeichnet durch eine Zufuhreinrichtung , für die Zuführung komprimierter Luft bei Selbstzündungstempera tür in ein Ende der Kammer entsprechend der entnommenen Ar- ι beitsmittelmenge, eine axial zur Kammer ausgerichtete Treibstoff-Einspritzvorrichtung für die Zündung am einen Ende derι Kammer, eine erste Begrenzungsvorrichtung zur Begrenzung der ' Flamme in einer ersten mittleren Zone der Kammer über einen ersten Längsbereich der Kammer, eine Speisungsvorrichtung für die Speisung eines ersten Anteils komprimierter Luft, der nicht für eine vollständige Verbrennung ausreicht, in die erste Begrenzungsvorrichtung für die Flamme, eine zweite Begrenzungsvorrichtung für die Flamme in einer zweiten Zone, die den ersten Bereich umgibt und die sich über dessen Ende hinaus erstreckt, eine zweite Speisungsvorrichtung für die Einspeisung eines zweiten Luftanteils zur Herstellung einer vollständigen Treibstoffverbrennung in einer zweiten Zone, eine dritte Begrenzungsvorrichtung für die Flamme in einer dritten Zone, die die zweite Zone umgibt, und die sich in der Kammer über die zweite Zone hinaus erstreckt, eine dritte Speisungsvorrichtung für einen dritten Anteil von Luft in&Le dritte Zone, wobei der Anteil ausreicht, um mindestens eine- 75 -009839/1592vollständige Verbrennung in der dritten Zone zu bewirken, eine Luftzufuhrvorrichtung für die Zufunr überschüssiger Luft in die Kammer um die dritte Zone herum zur Bildung einer Mischung mit den Verbrennungsprodukten jenseits der dritten Zone, eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von kühlendem Wasser in die Mischung jenseits der dritten Zone im Be-I- -reich des zweiten Endes der Kammer und eine Entnahmevorrich--tung für die Entnahme für das aus zwei Stoffen bestehende Arbeitsmittel zur Beaufschlagung einer Maschine, die zwecks j - Antrieb mit dem Luftkompressor verbunden ist. · -s42. Kammer nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Begrenzungsvorrichtung zylindrisch sind und konzentrisch zu der ersten Begrenzungsvorrichtung angeordnet sind, und daß jede sich über die Flammen-Begrenzungsvor-. richtung hinaus erstreckt, so daß nacheinander eine Mischung. mit zugeführten Anteilen um die gebildeten Verbrennungszonen ; herum stattfindet.. Kammer nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Λ Wasser-Einspritzvorrichtung von dem einen Ende mindestens so weit entfernt ist, um ein Kühlen dieser Mischung zu verhindern, wo die Verbrennung noch nicht aufgehört hat, wenn die Mischung durch die Kammer hindurchgeht.44. Kammer nach Anspruch 4;5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand im wesentlichen gleich dem Durchmesser der dritten Begrenzungsvorrichtung ist, so daß eine Zeit für die Bildung ;009839/1592eines Gleichgewichtszustands zur Verfügung steht zwischen überschüssiger Luft und unerwünschten Verbrennungsprodukten mit Temperaturen, die der überschüssigen Luft vor der Kühlung durch Wasser entsprechen.45. Kammer nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser-Einspritzvorrichtung in der Nähe des zweiten Endes der Kammer angeordnet und so weit von der dritten Zone entfernt liegt, daß die Zeit zwischen erfolgter Verbrennung und dem Kühlen durch Wasser die Brennzeit in den drei Zonen überschreitet.46. Kammer nach Anspruch 4l, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte Luft über eine zusätzliche Vorrichtung zur Umformung eines pulsierenden Luftstroms in einen im wesentlichen gleichförmigen Luftstrom eingespeist wird mit einer Geschwindigkeit, die im Verhältnis zur Portpflanzungsgeschwindigkeit der Brennflamme gering ist, so daß die Mischung aus den Verbrennungsprodukten und der überschüssiges Luft auf Arbeitsmitteldruck gehalten wird und einer Temperatur, die die Temperaturen am Umfang der Kammer übersteigt.47. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine durch Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Treibstoffs in komprimierter Luft, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Adiabatische Kompression eines Luftvolumens auf ein Druckverhältnis von mindestens 16:1 in einer ersten Kammer, wobei die Luft isotherm in eine zweite Kammer geführt wird,009839/1592Einspritzen einer Treibstoffmenge in die zweite Kammer, wobei die Luft eine Temperatur aufweist, die oberhalb der Selbstzündungstemperatur des Treibstoffes liegt, Erfassen des Temperaturanstiegs in der zweiten Kammer oberhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches, Einspritzen einer Flüssigkeitsmenge in die zweite Kammer in Abhängigkeit des zu jeder Zeit gemessenen Temperaturanstiegs, wobei diese Flüssigkeit in diesem Temperaturbereich verdampfungsfähig ist. Entnahme eines Anteils des Arbeitsmittels, das aus Luft, Treibstoff und Verbrennungsprodukten des Treibstoffs besteht und der verdampften Flüssigkeit, Expansion des Arbeitsmittels in einer | dritten Kammer zur Beaufschlagung eines Motors, und Verwendungeines Anteils der Ausgangsleistung dieses Motors zur Vergleich dichtung einer weiteren Luftmenge, die im wesentlichen/derentnommenen verbrauchten Arbeitsmittelmenge ist.48. Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Kammer der Druckabfall unter einem vorgegebenen. Wert erfaßt wird, und daß die Treibstoff-Einspritzung in Abhängigkeit dieses Wertes erfolgt.49, Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine, die Kompressions-, Speicher - und Arbeitskammern aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Adiabätische Kompression von Luftmengen in einer ersten Kammer, Speicherung dieser Luftmengen in einer Brennkammer bei einem ersten Druck und einer ersten Temperatur, wobei die Temperatur die Selbstzündungstemperatur eines gewählten Treibstoffs über-00983 9/1592steigt, Ableitung eines Anteils dieser Luft in eine Arbeitskammer, um den Druck zu verringern, Erfassung eines Druckabfalls unterhalb eines ersten Druckwertes, Einspritzung einer Treibstoffmenge in die Speicherkammer zur Verbrennung in ΐder Luft, so daß der Druck und die Temperatur angehoben werden1 > Erfassung des Temperaturanstiegs in der Brennkammer oberhalb j eines zweiten Temperaturwertes und Einspritzung einer Wassermenge in die Brennkammer derart, daß die Temperatur unterhalb j! des zweiten Temperaturwertes absinkt, so daß der Druck in |der zweiten Kammer weiter ansteigt.50. Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine, bei der Treibstoff in komprimierter Luft verbrannt wird, gekennzelch-net durch folgende Verfahrensschritte: Adiabatische Kompression von Luft zur Herbeiführung der Selbstzündungstemperatur in einem Kompressionshub, Einspritzen von Treibstoff in die Luft zur Vergrößerung des Volumens und der thermischen Energie des gebildeten Strömungsmittels, Einspritzen einer Wassern menge in dieses Strömungsmittel, um zu verhindern, daß die sich einstellende Temperatur einen vorgegebenen Arbeitsbereich überschreitet, und zur Herbeiführung eines vergrößerten Arbeitsmittel-Volumensi Entnahme eines Anteils des Arbeitsmittels zur Bewirkung eines Arbeitshubes, Herbeiführung aufeinander folgender Kompressionshube während aufeinander folgender Arbeitshube.- 79 -009839/159251. Maschine mit getrennten Arbeits- und Kompressionszylindern, deren Kolben mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Speicherkammer zur Speicherung eines Arbeitsmittels, Einlaß- und Auslaßventile für mindestens einen Kompressorzylinder für den Eintritt von Umgebungsluft und den Austritt komprimierter Luft in die Speicherkammer, Einlaß- und Auslaßventile für mehrere Arbeitszylinder, wobei■ die Einlaßventile mit der Speicherkammer verbunden sind, und j wobei die Kolben der Arbeitszylinder ein im wesentlichemdoppelt so großes Verdrängungsvolumen haben als die Kolben g der Kompressionszylinder, so daß nach einem· Kompressionshub ein höherer Druck und eine höhere Temperatur auftritt als im gespeicherten Arbeitsmittel in der Kammer, wenn dem Ar- ; beitsmittel keine Wärme zugeführt wird.52. Arbeitsmaschine, die mit einem außerhalb erzeugten Arbeitsmittel betrieben wird, gekennzeichnet durch mehrere Arbeitszylinder mit Kolben, die mit einer Kurbelwelle verbunden sind,; mindestens einem Luftkompressor mit einem Kolben, der mit ^der Kurbelwelle verbunden ist und von dieser angetrieben wird, J ein Einlaßventil und eine Auslaßvorrichtung zur Aufnahme von Umgebungsluft in den Kompressor und zur Abgabe komprimierter Luft, eine Speicherkammer zur Aufnahme der komprimierten Luft, eine mit der Speicherkammer verbundene Arbeitsmittel-Abgabevorrichtung, die ihrerseits zum Antrieb der Kurbelwelle mit den Arbeitszylindern verbunden ist, wobei die Arbeitszylinder ein Verdrängungsvolumen aufweisen, das das- Verdrängungsvolumenj des Kompressors so weit übersteigt, daß die komprimierte Luft :009839/15 92eine höhere Temperatur und einen höheren Druck aufweist, als das Arbeitsmittel, mit dem die Arbeitsmaschine betrieben wird, und eine in der Kammer angeordnete Brennvorrichtung, die in Abhängigkeit von der aufgenommenen komprimierten Luft oberhalb einer vorgegebenen Temperatur betrieben wird.55· Maschine nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil, die Abgabevorrichtung, die Speicherkammer und mindestens ein Teil der Arbeitszylinder wärmeisoliert sind, um einen Wärmeverlust zu vermeiden.54. Maschine nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängungsvolumen der Arbeitskolben im wesentlichen doppelt so groß ist wie das des Kompressors.55. Thermogenerator zur Speisung einer Wärmekraftmaschine, gekennzeichnet durch eine längliche Druckkammer, die an einem Ende eine Luft-Einlaßvorrichtung und am anderen Ende eine Auslaßvorrichtung für ein Verbrennungsprodukt aufweist, ein in der Einlaßvorrichtung angeordnetes Rückschlagventil, das den Durchtritt von Luft erlaubt, wenn der Druck in der Kammer geringer ist als der Druck in der Einlaßvorrichtung, ein in der Auslaßvorrichtung angeordnetes Abgabeventil zur Entnahme von Arbeitsmittel aus der Druckkammer, eine mit der Einlaß-vorrichtung verbundene Luftpumpe zur Versorgung mit komprimierter Luft von einer Temperatur, die für eine Selbstzündung eines Treibstoffes ausreicht, eine Luft-Verteilanordnung, die sich in der Nähe des Einlaßendes quer zur Kammer erstreckt,- 81 009839/1592ein mittleres Brennrohr, das sich axial in der Kammer von der Luftverteileranordnung in Richtung des Auslaßendes erstreckt, eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff entlang des Brennrohres in Abhängigkeit von der Betätigung des Auslaßventiles, ein zweites, konzentrisch um das Brennrohr angeordnetes Rohr, das sich von der Luftverteileranordnung längs der Kammer über das Ende des Brennrohres hinaus erstreckt, ein drittes, das zweite Rohr konzentrisch umgebendes Rohr, das sich von der Luftverteileranordnung mindestens über die halbe Kammerlänge erstreckt, eine in der /^ Luftverteileranordnung vorgesehene Durchlöcherung für den Durchlaß von Luft zwischen dem Brennrohr und dem zweiten Rohr, dem zweiten und dem dritten Rohr und außerhalb des dritten Rohres derart, daß die Luftströmung in die Kammer axial und vorwiegend um den eingespritzten Treibstoff herum verläuft, und eine in Abhängigkeit vom Betrieb des Abgabeventils arbeitende Erfassungsvorrichtung zur Aufrechterhält tung eines Druckes und einer Temperatur in der Kammer oberhalb der Zündtemperatur,des eingespritzten Treibstoffes.56. Thermogenerator nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer ein Temperaturfühler vorgesehen ist, der einen Anstieg der Temperatur oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes anzeigt, und daß eine mit dem Temperaturfühler gekoppelte Flüssigkeits-Einspritzvorrichtung vorgesehen ist, die mindestens eine Auslaßöffnung in die Kammer aufweist zur Einspritzung einer kühlenden Flüssigkeit in Abhängigkeit von dem angezeigten TBmperaturanstieg.009839/15 9257. Thermogenerator nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, : daß eine Betätigungsvorrichtung für die Luftpumpe vorgesehen ist, durch die während des Öffnens des Abgabeventils dauernd ein kontinuierlicher Luftstrom in den Rohren erzeugt wird.58. Thermogenerator nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits-Einspritzvorrichtung in Abhängigkeit von dem in der Kammer erfaßten Temperaturanstieg betätigtwird. j59. Thermogenerator für einen Motor, gekennzeichnet durch eine Zufuhreinrichtung für die Zufuhr einer eine Verbrennung unterstützenden Gasmischung in festgesetzten Mengen in Abhängigkeit von wiederholten Auslöseimpulsen, eine zylindrische Kammer mit einer Verteileranordnung an einem Ende zur Aufnahme desGasgemisches, eine Trennvorrichtung zur Trennung des Bereichs der Verteileranordnung von der übrigen Kammer, ein hohles Brennrohr, das sich von der Verteileranordnung durch die Trennvorrichtung hindurch erstreckt und axial in der Kammer verläuft zur Abgabe eines Teils des Mischgases, ein das Brennrohr umgebendes zweites Rohr, das sich von der Trennvorrichtung ausgehend über das Brennrohr hinaus erstreckt, ein das zweite Rohr umgebendes drittes Rohr, das sich in Richtung auf das andere Ende der Kammer erstreckt, erste öffnungen, die die Verteileranordnung mit dem Inneren des zv;eiten Rohrs verbinden für den Durchlaß eines Teils des Mischgases, zweite öffnungen, die die Verteileranordnung und einen Raum außerhalb des zweiten Rohres verbinden für den Durchlaß eines weiteren- 83 -009839/1592Anteils des Mischgases, eine in das Brennrohr einspeisende ' Einspritzvorrichtung, die die Verbrennungsgase aus der Kammer j ausbringt, und eine Impulsvorrichtung zur Erzeugung eines Auslöseimpulses, wenn das Gas aus der Kammer ausgetreten ist.i60. Thermogenerator nach Anspruch 59* dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen 4o# der Luft durch das Brennrohr eingebracht wird.- ■ ■ -6l. Thermogenerator nach Anspruch βθ, dadurch gekennzeichnet, ·daß im wesentlichen 25% der Luft durch die Trennvorrichtung "* zwischen dem zweiten Rohr und der Außenseite des Brennrohrs geleitet wird., 62. Thermogenerator nach Anspruch 6l, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 10$ der Luft zwischen dem zweiten und dem dritten Rohr durch die Trennvorrichtung geleite,t wird.6j5. Thermogenerator nach Anspruch 59* dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Brennrohres im wesentlichen Ko>% des inne- - M ren Durchmessers der Kammer beträgt. .64.' Thermogenerator nach Anspruch 6^, dadurch gekennzeichnet,daß der Durchmesser des zweiten Rohres etwa 60% des inneren ! Durchmessers der Kammer beträgt.Ϊ ' ■ " 1j 65. Thermogenerator nach Anspruch 59* dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des dritten Rohres im wesentlichen 80$ des009839/1592inneren Durchmessers der Kammer beträgt.66. Thermogenerator nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennrohr Mittel zur Aufnahme von Luft und zur Zerstäubung von Treibstoff aufweist, der in das Brennrohr eingespritzt wird, bevor es durch die Trennvorrichtung hindurch geht.67. Kreisprozeß für eine Maschine, gekennzeichnet durch eine Kompressionsanordnung zur adiabatischen Kompression zweier getrennter Strömungsmittel, die ein Zusammengesetztes Strömungsmittel ergeben, eine Heizvorrichtung für die Zuführung von Wärme in das zusammengesetzte Strömungsmittel bei konstantem Strömungsmitteldruck, eine Arbeitsmaschine, in der das erhitzte zusammengesetzte Strömungsmittel adiabatisch expandiert und eine Vorrichtung zur Ausscheidung der verbliebenen Wärme des zusammengesetzten Strömungsmittels bei konstantem Strömungsmitteldruck.68. Ein Kreisprozeß, bei dem getrennte Strömungsmittel zu einem zusammengesetzten Strömungsmittel " gemischt werden, gekennzeichnet durch ein getrenntes Komprimieren beider Komponenten mit im wesentlichen konstanter Entropie, ein Zusammenführen der komprimierten Teile, ein Erwärmen der zusammengesetzten Teile bei im wesentlichen konstantem Druck, eine adiabatische Expansion des zusammengesetzten Strömungsmittels gegen eine Arbeitsfläche, und ein Ausstoßen der verbliebenen Wärme der zusammengesetzten Teile bei konstantem Druck.- 85 009839/ 159269. Verfahren zur Umwandlung von-Wärme in Arbeit, gekennzeichnet durch ein adiabatisches Komprimieren zweier getrennter Strömungsmittel, ein Vermischen der Strömungsmittel zu .einem zusammengesetzten Strömungsmittel, ein Erwärmen des zusammengesetzten Strömungsmittels bei einem gestmerten konstanten Druck, eine adiabatische Expansion des zusammengesetzten Strömungsmittels gegen eine Arbeitsfläche,»und ein Ausstoßen der restlichen zugeführten Wärme bei konstantem Druck.70.· Ein Verfahren zur Verbrennung von Treibstoff zur Erzeugungeines Arbeitsmittels in einer Kammer, gekennzeichnet durch " ein kontinuierliches Komprimieren von Luft in einem Zylinder, ein Einströmen eines ersten Anteils der Luft von einer Seite der Kammer zur anderen, ein Einspritzen von zerstäubtem Treibstoff in diese Einströmung, wobei mehr Treibstoff eingespritzt wird als verbrannt werden kann, Einleiten eines zweiten Luftanteils längs der ersten Strömung zur Herbeiführung einer weiteren Verbrennung des Treibstoffs, Einleiten eines dritten Luftstromes, der längs des zweiten Luftstromes verläuft und der sich mit den bereits vermischten ersten M beiden Anteilen vermischt, Einleiten einer vierten Strömung, die die gemischten Teile so umgibt, daß sie um den Verbrennungsbereich eine gasförmige Abschirmung bildet, und ein verzögertes Abkühlen der Luft und der Verbrennungsprodukte, um das Arbeitsmittel zu bilden.71. Verfahren nach Anspruch 70, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen durch Einspritzung einer ausreichenden Wassermengeη 0 9 8 3 9 7 τ 5 9 2erfolgt, um die Temperatur der Produkte auf eine Speichertemperatur in einer Kammer zu bringen.72. Steuereinrichtung für eine Treibstoff-Einspritzvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Pumpe mit einem Bypass und eine von einer Treibstoffquelle kommende Leitung, wobei die Pumpe einen Druck erzeugt, der proportional einer Arbeitsgeschwindigkeit ist, ein Ventil, das· zwischen der Pumpe und dem Einspeisepunkt einer unter Druck stehenden Kammer angeordnet ist, wobei das Ventil einen'Sitz in einer zum Einspeisepunkt führenden Bypass-Leitung aufweist, wobei das Ventil eine veränderliche Schließvorrichtung für das öffnen des Bypasses aufweist und wobei es einen vorgespannten Ventilstößel besitzt, der bei Aufsitzen auf dem Ventilsitz den Bypass schließt, und wobei der Ventilstößel eine Schulter aufweist, die von der Treibstoffleitung getrennt ist, eine um die Schulter herum angeordnete Ventilkammer in der der Ventilstößel sich hin- und herbewegen kann und in der ein Gasdruck aufgebaut v/erden kann, Leitungen zur Verbindung der unter Druck stehenden Kammer mit der Ventilkammer und in den Leitungen angeordnete Gasventile, durch die ein Druck entweder auf die eine oder die andere Seite der Schulter gegeben wird zur Überwindung oder zur Unterstützung der Vorspannung des Ventilstößels.73· Einrichtung nach Anspruch 72, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstößel mit Hilfe einer von Hand einstellbaren Feder vorgespannt ist. ο009839/159274. Einrichtung nach Anspruch 72, dadurch gekennzeichnet., daß die Leitungen Abzweigungen aufweisen, die zu beiden Seiten der Schulter in die Ventilkammer· führen, und daß die Venti.lkammer durch eine dichte, gleitende Führung des Ventilstößeis in zwei Teile unterteilt ist, wodurch die Schultern voneinander getrennt sind.·! 75· Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in Arbeit unter Verwendung von mindestens zwei Haupt- Arbeitsstromungsmittel, gekennzeichnet durch getrenntes Komprimieren der Strömlings- | ι mittel bei im wesentlichen konstanter Entropie, eine Vermischung der komprimierten Strömungsmittel zur Bildung eines zusammengesetzten Strömungsmittels, Erwärmung des zusammengesetzten St.römungsmittels bei konstantem Druck, eine adiabatische Expansion des zusammengesetzten Strömungsmittels gegen eine Oberfläche, durch deren Nachgeben Arbeit erzeugt wird, und Ableiten der Wärmeenergie in Form des zusammengesetzten Strömungsmittels nach der Expansion bei im wesentlichen konstantem Druck.76. Maschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 75* gekennzeichnet durch einen Gaskompressor zur Erzeugung eines vorgegebenen Arbeitsdruckes, eine Brennkammer, die mit dem Kompressor zur Erzeugung des Arbeitsdruckes verbunden ist, eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Treibstoff in die Kammer, wenn diese eine Selbstzündungs-Temperatur aufweist, eine weitere Einspritzvorrichtung zum Einspritzen einer- 88 - ; 009839/1592verdampfungsfähigen Flüssigkeit in die Kammer in Abhängigkeit vom eingespritzten Treibstoff, wobei der Treibstoff und die Flüssigkeit mit der Luft vermischt werden, die in gesteuerten Mengen zugegeben wird, um während des Betriebs der Maschine einen im wesentlichen konstanten Druck zu erzeugen, und einen Motor, der die Oberfläche aufweist zur Aufnahme des zusammengesetzten Strömungsmittels bei dem sich einstellenden Druck.009839/ 1 592
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| SH | Request for examination between 03.10.1968 and 22.04.1971 |