DE2035605A1 - Internal combustion engine - Google Patents

Internal combustion engine

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DE2035605A1
DE2035605A1 DE19702035605 DE2035605A DE2035605A1 DE 2035605 A1 DE2035605 A1 DE 2035605A1 DE 19702035605 DE19702035605 DE 19702035605 DE 2035605 A DE2035605 A DE 2035605A DE 2035605 A1 DE2035605 A1 DE 2035605A1
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cylinder
temperature
pressure
stroke
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Application number
DE19702035605
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German (de)
Inventor
William H Woodside N Y Nebgen (V St A)
Original Assignee
The Treadwell Corp , New York, N Y (V St A)
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Publication date
Application filed by The Treadwell Corp , New York, N Y (V St A) filed Critical The Treadwell Corp , New York, N Y (V St A)
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Description

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

D R. I. M AASD R. I. M AAS

D R. W. PFEIrFER TR-17D R. W. PFEIrFER TR-17

DR-RVOiTHEMLEiTNERDR-RVOiTHEMLEiTNER

8 M ü \i CH H M 2 3
GEKiRSTR. 25 - Th'L 39 02 36
8 M ü \ i CH HM 2 3
GEKiRSTR. 25 - Th'L 39 02 36

Treadwell Corporation New York, New York, V.St.A.Treadwell Corporation New York, New York, V.St.A.

VerbrennungsmotorInternal combustion engine

Die Erfindung betrifft einen Viertakt-Kolbenverbrennungsmotor mit einer Brennstoffeinleiteinrichtung.The invention relates to a four-stroke piston internal combustion engine with a fuel inlet device.

Die von einer Wärmekraftmaschine erzeugte theoretische mechanische Arbeit entspricht der Differenz zwischen der der Maschine zugeführten Wärme und der von der Maschine abgeleiteten Wärme. Wenn ein Carnotscher Kreisprozeß oderThe theoretical mechanical work generated by a heat engine corresponds to the difference between the the heat supplied to the machine and the heat dissipated from the machine. If a Carnot cycle or

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irgendein anderer reversibler Arbeitszyklus angewendet wird, ist die größt-mögliche Umwandlung der verfügbaren Wärme in mechanische Arbeit, d. h. der maximale Wärmewirkungsgrad, eine Punktion der Wärmezufuhrungstemperatur (T1) und der Wärmeableitungstemperatur (T;-), nämlich:any other reversible work cycle is applied, the greatest possible conversion of the available heat into mechanical work, i.e. the maximum thermal efficiency, a puncture of the heat supply temperature (T 1 ) and the heat dissipation temperature (T ;-), namely:

Wärmewirkungsgrad (Bruchteil) =1 m— . T1 und T9 sindThermal efficiency (fraction) = 1 m—. T 1 and T 9 are

I1 ι d I 1 ι d

absolute Temperaturen. Es ist daher ersichtlich, daß ein maximaler Wirkungsgrad erzielt wird, wenn die Wärmezuführungstemperatur T. so hoch wie möglich und die Wärmeableitungstemperatur T2 so niedrig wie möglich ist. In einem isentropen Ausdehnungsprozeß, legt das dem Motor innewohnende Expansionsverhältnis das Verhältnis der Ableitungstemperatur T2 zur Zuführungstemperatur T1 fest. Für einen gegebenen Wert von T. ist der maximale Wärmewirkungsgrad daher durch dieses Expansionsverhältnis festgelegt.absolute temperatures. It is therefore apparent that a maximum efficiency is achieved when the heat supply temperature T as high as possible, and the heat dissipation temperature T is as low as possible. 2 In an isentropic expansion process, the engine's inherent expansion ratio determines the ratio of the discharge temperature T 2 to the supply temperature T 1 . For a given value of T. the maximum thermal efficiency is therefore determined by this expansion ratio.

Versuche zur Verbesserung des Wärmewirkungsgrades von ' Kolbenverbrennungsmotoren mit einem Diesel- oder Otto-Arbeitszyklus waren meistens auf eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses gerichtet, weil dadurch gleichermaßen das Expansionsverhältnis erhöht wird. Wie oben angegeben, führt für eine gegebene, maximal zulässige Wärmezuführungstemperatur ein größeres Expansionsverhältnis zu einer niedrigen Auslast- oder Wärmeableitungstemperatur und ergibt einen entsprechend höheren Wärmewirkungsgrad. Höhere Kompressionsverhältnisse bedingen jedoch höhere Arbeitsdrücke, was kostspieligere'Motoren erfordert. Es gibt einen Punkt, jenseits dessen die Kosten je Einheit Nutzarbeitsleistung schnell übermäßig groß werden. In jedem Fall begrenzen die Herstellungsmaterialien des Motors den Maximaldruck und die Maximaltemperatur, welche pra se angewen(jet werden können.Attempts to improve the thermal efficiency of reciprocating internal combustion engines with a diesel or Otto duty cycle have mostly been directed to increasing the compression ratio, because this also increases the expansion ratio. As stated above, for a given, maximum allowable heat supply temperature, a larger expansion ratio leads to a lower utilization or heat dissipation temperature and results in a correspondingly higher thermal efficiency. However, higher compression ratios require higher working pressures, which requires more expensive motors. There is a point beyond which the unit cost of useful work quickly becomes excessive. In any case, the materials of manufacture of the engine limit the maximum pressure and the maximum temperature which pra se angewen (j e can be t.

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Das Beschickungsvolumen eines bekannten Dieselmotors ist das Luftvolumen, welches im Zylinder enthalten ist, wenn der Kolben sich am unteren Totpunkt befindet, und der Volumenspielraum oder das Verdichtungsvolumen ist das Luftvolumen, welches im Zylinder enthalten ist, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet. Das Verhältnis von Beschickungsvolumen zu Verdichtungsvolumen wird Kompressionsverhältnis des Motors genannt. Das Beschickungsvolumen ist gleich der Summe des Verdichtungsvolumens und des Ansaugvolumens. Das Ansaugvolumen ist das vom Kolben angesaugte Volumen, wenn er sich vom oberen zum unteren Totpunkt bewegt. Während des Verdichtungshubes wird die das Beschickungsvolumen füllende Luftmasse auf das Verdichtungsvolumen verdichtet. Die· Volumenverringerung bewirkt sowohl einen Druckanstieg als auch einen Temperaturanstieg der Luft. Das Verhältnis von Enddruck und Endtemperatur zu Anfangsdruck und Anfangstemperatur ist exponentiell proportional zum Kompressionsverhältnis. Der Enddruck wird durch die Materialien des Motors begrenzt und der Anfangsdruck ist natürlich eine Atmosphäre. Die Materialien des Motors begrenzen daher das Verhältnis von End- zu Anfangsdruck und sie begrenzen auch das Kompressionsverhältnis. Brennstoff wird in die Luftmasse, welche durch Verdichten auf das Verdichtungsvolumen erhitzt worden ist, eingespritzt und mit dieser Luftmasse verbrannt. Der Brennstoff wird mit einer gesteuerten Geschwindigkeit einge- · spritzt, so daß der Druck konstant gehalten wird, während der Kolben vom oberen Totpunkt zurückkehrt. Die Auswärtsbewegung des Kolbens erzeugt im Zylinder ein größeres Volumen, welches die ursprüngliche Luftmasse füllen muß. Um den Luftdruck konstant auf seinem Maximal-The charge volume of a known diesel engine is the volume of air which is contained in the cylinder when the piston is at bottom dead center, and the Volume headroom or the compression volume is the volume of air that is contained in the cylinder, if the piston is at top dead center. The ratio of charge volume to compression volume is called the compression ratio of the engine. The loading volume is equal to the sum of the compression volume and the suction volume. The suction volume is the volume sucked in by the piston as it moves from top to bottom dead center. During the compression stroke the air mass filling the charge volume is compressed to the compression volume. The· A decrease in volume causes both an increase in pressure and an increase in the temperature of the air. The relationship of final pressure and final temperature to initial pressure and initial temperature is exponentially proportional to Compression ratio. The final pressure is limited by the materials of the engine and is the initial pressure of course an atmosphere. The materials of the engine therefore limit the ratio of final to initial pressure and they also limit the compression ratio. Fuel is released into the air mass, which by compressing it has been heated to the compression volume, injected and burned with this air mass. The fuel is fed in at a controlled speed splashes so that the pressure is kept constant while the piston returns from top dead center. the Outward movement of the piston creates a larger volume in the cylinder, which is the original air mass must fill. To keep the air pressure constant at its maximum

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wert zu haltenj muß der verbrannte Brennstoff die Lufttemperatur entsprechend erhöhen, um den Volumenanstieg auszugleichen. Der Brennstoff wird daher bei konstantem Druck verbrannt, bis die Lufttemperatur einen vorbestimmten maximal zulässigen Wert erreicht hat. Wenn die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird, befindet sich die ursprüngliche Luftmasse auf dem gleichen Druck, nimmt jedoch ein größeres Volumen ein und ist viel heißer als ™ beim Verdichten in das Verdichtungsvolumen.The burned fuel must maintain the air temperature increase accordingly to compensate for the increase in volume. The fuel is therefore at constant Pressure burned until the air temperature has reached a predetermined maximum allowable value. If the If the fuel supply is interrupted, the original air mass is at the same pressure that it decreases however, it has a larger volume and is much hotter than when compressing into the compression volume.

Diese heißere, in einem größeren Volumen befindliche Luftmasse kann sich nur bis zum ursprünglichen Zylinderbeschickungsvolumen ausdehnen. Daher ist das Verhältnis des Beschickungsvolumens zum Volumen beim Unterbrechungspunkt der Brennstoffzufuhr das Expansionsverhältnis, welches direkt proportional zum Beschickungsvolumen und umgekehrt proportional zum Volumen beim Unterbrechungspunkt ist. Das Volumen beim BrennstoffUnterbrechungspunkt ist · gleich dem Verdichtungsvolumen multipliziert mit dem Verhältnis der Unterbrechungstemperatur zu der Temperatur, fe welche erreicht wurde, als die Luft in das Verdichtungsvolumen verdichtet wurde. Das Expansionsverhältnis ist daher viel geringer als das Kompressionsverhältnis. Da der Druck im Unterbrechungsvolumen am Beginn des Expansionshubes gleich dem Druck im Verdichtungsvolumen am Ende des Kompressionshubes ist9 befinden sich die im Zylinder am Ende des Expansionshubes verbleibenden Gase notwendigerweise auf höherem Druck und höherer Temperatur als die Luft im Zylinder am Beginn des Kompressionshubes . This hotter, larger volume air mass can only expand to the original cylinder charge volume. Therefore, the ratio of the feed volume to the volume at the fuel cut-off point is the expansion ratio, which is directly proportional to the feed volume and inversely proportional to the volume at the break-off point. The volume at the fuel break point is equal to the compression volume multiplied by the ratio of the break temperature to the temperature that was reached when the air was compressed into the compression volume. The expansion ratio is therefore much lower than the compression ratio. Since the pressure in the interrupted volume at the beginning of the expansion stroke is equal to the pressure in the compression volume at the end of the compression stroke 9 , the gases remaining in the cylinder at the end of the expansion stroke are necessarily at a higher pressure and temperature than the air in the cylinder at the beginning of the compression stroke.

Bei bekannten Motoren ohne Vorverdichtung werden dieseIn known engines without pre-compression, these

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verhältnismäßig heißen, unter verhältnismäßig hohem Druck stehenden Abgase direkt an die Atmosphäre abgegeben. Relatively hot exhaust gases under relatively high pressure are released directly into the atmosphere.

Bei bekannten Motoren mit Vorverdichtung werden die Zylinderabgase zum Antreiben eines Vorverdichters verwendet. Dadurch werden die Betriebskosten je Einheit Nutzarbeitsleistung verringert, da der mit großem Volumen und mit gerigem Druck durchgeführte Teil der Ver- f dichtung und Expansion in kompakten, billigen und sehr leistungsfähigen Zentrifugen- oder Turbinenanlagen durchgeführt wird und die teure Kolbenanlage mit geringer Leistungsfähigkeit nur für den mit hohem Druck und niedrigem Volumen arbeitenden Teil des Arbeitszyklus verwendet wird. Der theoretische Wärmewirkungsgrad des Motois bleibt jedoch offensichtlich unverändert, da die Vorverdichtung nur den Druckpegel des ganzen Arbeitszyklus anhebt, und der Vorverdichter gibt theoretisch seine Abgase mit der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck ab wie ein nichtvorverdichteter Motor, der bei den gleichen Spitzenwerten von Temperatür und Druck Λ arbeitet. Der Aufbau des Motors begrenzt immer noch die in dem Arbeitszyklus zulässigen Spitzenwerte von Druck und Temperatur und infolgedessen auch den vom Motor erreichbaren maximalen theoretischen Wärmewirkungsgrad unabhängig davon, ob ein Vorverdichter verwendet wird oder nicht.In known engines with pre-compression, the cylinder exhaust gases are used to drive a pre-compressor. This reduces the operating costs per unit of useful work output, since the part of the compression and expansion carried out with a large volume and low pressure is carried out in compact, cheap and very powerful centrifuge or turbine systems and the expensive piston system with low efficiency is only for the the high pressure, low volume part of the duty cycle is used. However, the theoretical thermal efficiency of the Motois apparently remains unchanged, since the pre-compression only increases the pressure level of the whole working cycle, and the pre-compressor theoretically emits its exhaust gases at the same temperature and pressure as a non-pre-compressed engine, which operates at the same peaks of temperature and Pressure Λ is working. The design of the motor still limits the peak values of pressure and temperature permissible in the duty cycle and consequently also the maximum theoretical thermal efficiency that can be achieved by the motor, regardless of whether a supercharger is used or not.

Ein theoretischer Wärmewirkungsgrad von etwa 55 % läßt sich mit einem modernen Dieselmotor mit einem Kompressionsverhältnis von 15,6 erreichen, welcher. Luft mit Um-A theoretical thermal efficiency of about 55 % can be achieved with a modern diesel engine with a compression ratio of 15.6, which. Air with

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gebungstemperatur und Umgebungsdruck absaugt, dieselbe auf Hl Atmosphären und 660° C (1220° P) verdichtet, Brennstoff zum Aufheizen der Luft auf 2504° C (45^0° P) verbrennt und die Gase aus dem Zylinder bei etwa k 1/2 Atmosphären und 1177° C (2150° P) ausstößt. Es ist möglich, diese Zylinderabgase äußerlich weiter zu entspannen und dadurch einen kombinierten theoretischen Wirkungsgrad von etwa 60 % zu erreichen, aber dies muß durch Antreiben von leistungsverbrauchenden Vorrichtungen außerhalb des Arbeitszyklus durchgeführt werden«. "Diese äußeren Vorrichtungen können die Verbesserung des Wirkungsgrades unwirtschaftlich machen, da in vielen Fällen die zusätzlich auftretenden Kosten durch den ersparten Brennstoff nicht gerechtfertigt werden können»Ambient temperature and pressure are sucked off, the same compressed to Hl atmospheres and 660 ° C (1220 ° P), fuel to heat the air to 2504 ° C (45 ^ 0 ° P) burns and the gases from the cylinder at about k 1/2 atmospheres and ejects 1177 ° C (2150 ° P). It is possible to further expand the external pressure of these cylinder exhaust gases and thereby achieve a combined theoretical efficiency of about 60 % , but this must be done by driving power-consuming devices outside the working cycle «. "These external devices can make the improvement of the efficiency uneconomical, since in many cases the additional costs can not be justified by the saved fuel"

Erfindungsgemäß wird ein viertäktiger Kolbenmotor verwendet, in welchem das Zylinderverdichtungsvolumen so gering wie .möglich gehalten wird. Mit dem Ausdruck "minimaler Volumenspielraum" oder "minimales Verdichtungsvolumen" wird das tatsächlich zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben am oberen Totpunkt vorhandene Volumen bezeichnet. Dieses Volumen ergibt sich aus dem rein mechanischen Spielraum, welcher zwischen benachbarten Teilen erforderlich ist. Anders als bei einem bekannten Motor beeinflußt das Volumen nicht das Kompressionsverhältnis des Motors, da es nicht erforderlich ist, daß die im Beschickungsvolumen enthaltene Luft auf das Verdichtungsvolumen verdichtet wird. Jeder Zylinder des Motors hat ein Heißluft- und ein Kaltluft-Einlaßventil sowie ein Heißluft- und ein Kaltluft-Auslaßventil. Bei einem Mehrzylindermotor ist der Motor mit einer Heißluft- und einer Kaltluft-Ansaugverteilerleitung sowie einer Heiß-According to the invention, a four-day piston engine is used in which the cylinder compression volume is so is kept as low as possible. With the expression "minimal volume leeway" or "minimal compression volume" is the actual volume between the cylinder head and the piston at top dead center. This volume results from the purely mechanical clearance that is required between adjacent parts is. Unlike a known engine, the volume does not affect the compression ratio of the Motor, as it is not necessary that the load volume contained air is compressed to the compression volume. Every cylinder in the engine has a hot air and a cold air inlet valve and a hot air and a cold air outlet valve. In the case of a multi-cylinder engine, the engine is equipped with a hot air and a cold air intake manifold and a hot

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luft- und einer Kaltluft-Auslaßverteilerleitung versehen. Zum Verdichten der Luft wird zusätzlich zu den Zylindern des Verbrennungsmotors ein Turbo-Vorverdichter, vorzugsweise mit gekühlter Saugluft, verwendet, welcher mehrstufig ausgeführt sein kann und als Zusatzverdichter arbeitet. Schließlich wird ein Abgaswärme-Rekuperator verwendet, in welchem die vollständig verdichtete Luft vorzugsweise wenigstens auf die für die Selbstzündung des Brennstoffs erforderliche Temperatur erhitzt wird. fair and a cold air outlet manifold. To compress the air, in addition to the Cylinders of the combustion engine a turbo supercharger, preferably with cooled suction air, which can be designed in several stages and as an additional compressor is working. Finally, there is an exhaust heat recuperator used, in which the fully compressed air preferably at least for the Auto-ignition of the fuel is heated to the required temperature. f

Die ersten zwei Hübe oder Takte des Kolbens bilden den Kühlabschnitt des Arbeitszyklus, wobei das Kalteinlaß- und das Kaltauslaßventil verwendet werden. Es wird bemerkt, daß damit verhältnismäßig kalt gemeint ist, da in Teilen dieser beiden Takte die Temperatur tatsächlich oberhalb Umgebungstemperatur sein kann, jedoch viel geringer ist als die Temperaturen in den beiden übrigen Takten, bei welchen das Heißeinlaß- und das Heißauslaß-, ventil verwendet wird. Zur einfacheren Beschreibung werden jedoch die Ausdrücke "heiß" und "kalt" in diesem relativen Sinn verwendet. Die äußerlich verdichtete "kalte" μ Luft, welche in den Zylinder durch das Kalteinlaßventil während des ersten Taktes des Arbeitszyklus einströmt, trägt zur Kühlung der inneren Teile des Motors, wie des Kolbens und der Zylinderwand, bei. Eine zusätzliche Kühlung des Motors wird natürlich durch den üblichen Was-· sermantel oder Kühlrippen vorgesehen.The first two strokes or strokes of the piston form the cooling portion of the duty cycle, using the cold inlet and cold outlet valves. It is noted that this means relatively cold, since in parts of these two cycles the temperature may actually be above ambient, but is much lower than the temperatures in the other two cycles in which the hot inlet and hot outlet valves are used will. However, for convenience of description, the terms "hot" and "cold" are used in this relative sense. The externally compressed "cold" μ air, which flows into the cylinder through the cold inlet valve during the first stroke of the operating cycle, contributes to the cooling of the internal parts of the engine, such as the piston and the cylinder wall. Additional cooling of the motor is of course provided by the usual water jacket or cooling fins.

Der äußere Abgaswärme-Rekuperator dient zur Erhitzung · der voll verdichteten Luft vorzugsweise auf eine ausreiche:The external exhaust gas heat recuperator is used for heating the fully compressed air preferably to a sufficient level:

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hohe Temperatur zur Auslösung der Selbstzündung des Brennstoffs. Diese Ausführungsform der Erfindung, welche einen Betrieb bei konstantem Druck während des Verbrennungsteils des Arbeitszyklus ermöglicht, ist eine bevorzugte Ausführungsform und wird zuerst beschrieben, aber es wird weiter unten ausgeführt, daß auch andere Ausführungsformen möglich sind. Eine Verbrennung bei konstantem Druck ist ähnlich demjenigen, was in einem gewohnlichen Dieselarbeitszyklus eintritt, es ist jedoch festzustellen, daß die vorliegende Erfindung nicht einen Dieselarbeitszyklus betrifft, obwohl bei dieser Ausführungsform eine Verbrennung bei konstantem Druck angewendet wird. Dies wird aus der weiteren Beschreibung und auch aus einer Betrachtung der durch die Erfindung ermöglichten, stark erhöhten Wirkungsgrade klar.high temperature triggering auto-ignition of the fuel. This embodiment of the invention which enabling constant pressure operation during the combustion portion of the duty cycle is one preferred embodiment and will be described first, but others will be pointed out below as well Embodiments are possible. A burn at constant Pressure is similar to what occurs in a typical diesel duty cycle, but it is note that the present invention is not concerned with a diesel duty cycle, although in this embodiment constant pressure combustion is applied. This will become apparent from the further description and also clear from a consideration of the greatly increased efficiencies made possible by the invention.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Atmosphärenluft vor dem Eintritt in den Vorverdichter, d. h. den Zusatzverdichter, gekühlt. Die den Vorverdichter verlassende verdichtete Luft kann vorteilhafterweise wiederum gekühlt werden, bevor sie in die Kalteinlaß-Verteilerleitung und von dort durch das Kalteinlaßventil in'!den Zylinder strömt. Die Betätigungen des Auslaß-, Einlaß- und Brennstoffeinspritzventils werden hier so beschrieben, daß sie am theoretisch idealen Punkt, beispielsweise am oberen oder unteren Totpunkt, eintreten. Eine Verzögerung oder Vorstellung der Ventilsteuerung ist in der Praxis gewöhnlich erwünscht.In a preferred embodiment of the invention Atmospheric air before entering the pre-compressor, d. H. the additional compressor, cooled. The pre-compressor exiting compressed air can advantageously be cooled again before entering the cold inlet manifold and from there it flows through the cold inlet valve into the cylinder. The operations of the exhaust, Inlet and fuel injectors are described here as being at the theoretically ideal point, for example at top or bottom dead center. A delay or introduction to the valve timing is usually desirable in practice.

Das Kalteinlaßventil wird am oberen Ende des Hubes geöffnet und bleibt offen, während der Kolben sich zuerst absenkt und sodann über den ersten, vorbestimmten TeilThe cold inlet valve opens at the top of the stroke and remains open while the piston first descends and then over the first predetermined portion

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seines Rückkehrhubes zurückkommt. Wie oben ausgeführt, dient die gekühlte Luft zur Kühlung der inneren Teile des Motors einschließlich des Zylinders und Kolbens und infolgedessen wird sie aufgewärmt, obwohl sie sich immer noch ziemlich unter der Umgebungstemperatur befinden kann. Die vom Kolben während des ersten Teils des Rückhubes verdrängte Luft wird in die Kalteinlaß-Verteilerleitung durch das noch geöffnete Kalteinlaßventil zurückgeleitet. Der Temperaturpegel der gekühlten Luft (( wird tief genug angesetzt, um jede kleine Wärmezuführung auszugleichen. Bei einem vorbestimmten Punkt des Rückhubes wird das Ventil geschlossen, und wenn der Kolben weiterhin ansteigt, wird die im Zylinder verbleibende eingeschlossene kühle Luft weiter verdichtet. Diese eingeschlossene Luftmasse stellt die im Arbeitszyklus tatsächlich arbeitende Fluidmenge dar. ,his return stroke comes back. As stated above, the cooled air is used to cool the inner parts of the engine including the cylinder and piston and as a result, they will be warmed up even though they are still well below ambient can. The air displaced by the piston during the first part of the return stroke is released into the cold inlet manifold returned through the still open cold inlet valve. The temperature level of the cooled air (( is set deep enough to compensate for any small heat input. At a predetermined point of the return stroke the valve is closed, and when the piston continues to increase, the trapped cool air remaining in the cylinder is further compressed. This included Air mass represents the amount of fluid actually working in the work cycle.,

Wenn die Luft auf den gewünschten Druck verdichtet ist, wird cks Kaltauslaßventil in einem zweiten vorbestimmten Punkt des Rückhubes geöffnet. Die im Zylinder eingeschlossene Luft kann sich vor der Verdichtung auf einer aus- μ reichend tiefen Temperatur befinden, so daß sie sich nach der Verdichtung idealerweise auf Umgebungstemperatur befindet. Der Kolben setzt seine Bewegung bis zum Ende seines Hubes fort, wo das Verdichtungsvolumen sehr klein ist, und die auf Umgebungstemperatur befindliche Hochdruckluft wird nahezu vollständig aus dem Zylinder ausgestoßen. Bei einer Ausführungsform wird die Hochdruckluft zur Kaltauslaß-Verteilerleitung geleitet und strömt durch einen Wärmetauscher-Rekuperator, in welchem sie auf mindestens die für die Selbstzündung erforderliche TemperaturWhen the air is compressed to the desired pressure, the cold outlet valve is opened at a second predetermined point of the return stroke. The trapped air in the cylinder can be located prior to compression on a Removing μ sufficiently low temperature so that it is located downstream of the compression ideally at ambient temperature. The piston continues to move until the end of its stroke, where the compression volume is very small and the high pressure air at ambient temperature is almost completely expelled from the cylinder. In one embodiment, the high pressure air is directed to the cold outlet manifold and flows through a heat exchanger recuperator in which it is heated to at least the temperature required for auto-ignition

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erhitzt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform strömt die Hochdruckluft in die Kaltauslaß-Verteilerleitung und wird in Reihe durch einen mit'niedriger Temperatur ar~ beitenden Auslaßwärme-Rekuperator und sodann durch einen bei hoher Temperatur arbeitenden Auslaßwärme-Rekuperator geleitet. In diesem letzteren, bei hoher Temperatur arbeitenden Wärmerekuperator wird die Temperatur auf den Wert vermindert, den eine Expansions- oder Entspannungsmaschine, wie eine Gasturbine, aushalten kann, und der bei niedriger Temperatur arbeitende Rekuperator nimmt die Auslaßgase aus der Turbine auf. Die rekuperativ erhitzte Hochdruckluft strömt sodann in die Heißeinlaß-Verteilerleitung. is heated. In another embodiment, the high pressure air flows into the cold outlet manifold and is given in series by a low temperature ar ~ outlet heat recuperator and then through an outlet heat recuperator operating at high temperature directed. In this latter, working at high temperature heat recuperator, the temperature is on the Reduced value that an expansion or expansion machine, such as a gas turbine, can withstand, and the The recuperator operating at low temperature absorbs the exhaust gases from the turbine. The recuperatively heated High pressure air then flows into the hot inlet manifold.

Am oberen Ende des Hubes wird das Kaltauslaßventil geschlossen und das Heißeinlaßventil wird geöffnet und beim Absteigen des Kolbens strömt die rekuperativ erhitzte Luft von der Heißeinlaß-Verteilerleitung in den Zylinder.At the top of the stroke, the cold outlet valve is closed and the hot inlet valve is opened and When the piston descends, the recuperatively heated air flows from the hot inlet manifold into the Cylinder.

Brennstoff wird mit einer gesteuerten Geschwindigkeit zusammen mit der erhitzten Luft eingespritzt und verbrennt beim Einspritzen. Dieses allmähliche Einspritzen und Verbrennen des Brennstoffs kann bei bekannten Motoren nicht erreicht werden. Bei bekannten Motoren wird der ■ Brennstoff in die gesamte arbeitende Luftmasse eingespritzt und das Ergebnis ist eine Explosion und unvollständige Verbrennung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verbrennt der Brennstoff bei im wesentlichen konstantem Druck und steigender Temperatur,, während-sich der Kolben absenkt. Bei einem vorbestimmten funkt im Leistungshub oder Leistungstakt wird das HeißeinlaßventilFuel is injected at a controlled rate along with the heated air and burns when injecting. This gradual injection and burning of the fuel can be used in known engines cannot be achieved. In known engines, the fuel is injected into the entire working air mass and the result is an explosion and incomplete combustion. In a preferred embodiment the fuel burns at essentially constant pressure and increasing temperature, while the piston lowers. At a predetermined spark in the power stroke or power stroke, the hot inlet valve is

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geschlossen, die Brennstoffzufuhr unterbrochen und die Gase dehnen sich weiter isentrop aus, wobei sie sowohl Temperatur als auch Druck verlieren, während sie den Kolben bis zum unteren Ende seines Hubes drücken. Das Heißauslaßventil wird etwa an dem Punkt geöffnet, an dem der Kolben seinen Rückhub beginnt, wodurch der Kolben bei Beendigung des Hubes nahezu vollständig die Abgase aus dem Zylinder in die Heißauslaß-Verteilerleitung ausstoßen kann.closed, the fuel supply interrupted and the Gases continue to expand isentropically, being both Losing both temperature and pressure while using the Push the piston to the bottom of its stroke. The hot outlet valve is opened at about the point on which the piston begins its return stroke, whereby the piston at the end of the stroke almost completely the exhaust gases from the cylinder into the hot outlet manifold can eject.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung strömen diese heißen Abgase durch eine Expansions- oder Entspannungsturbine, welche den Vorverdichter antreibt, der als Zusatzverdichter verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform muß die Menge des eingespritzten Brennstoffs so gesteuert werden, daß die Temperatur der Abgase nicht die Temperatur übersteigt, welche die Turbine aushalten kann. Die Abgase strömen dann durch einen Auslaßwärme-Rekuperator, von welchem sie etwa mit Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur zur Atmosphäre austreten.In one embodiment of the invention, these flow hot exhaust gases through an expansion or relaxation turbine, which drives the pre-compressor, which acts as an auxiliary compressor is used. In this embodiment, the amount of fuel injected must be so controlled ensure that the temperature of the exhaust gases does not exceed the temperature that the turbine can withstand. The exhaust gases then flow through an exhaust heat recuperator, from which they are approximately at ambient pressure and temperature leak to atmosphere.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung strömen die heißen Abgase zuerst durch einen bei hoher Temperatur arbeitenden Rekuperator, in welchem ihre Temperatur auf diejenige abgesenkt wird, welche die Turbine aushalten kann, und sodann werden sie durch die Entspannungsturbine geleitet, welche den Vorverdichter antreibt. Die Gase aus der Turbine strömen durch einen bei niedriger Temperatur arbeitenden Auslaßwärme-Rekuperator, von welchem sie etwa auf Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck zur Atmosphäre austreten wie bei der oben beschrie-In a further embodiment of the invention flow the hot exhaust gases first through a recuperator working at high temperature, in which their temperature is lowered to that which the turbine can withstand can, and then they are through the expansion turbine which drives the pre-compressor. The gases from the turbine flow through one at lower Temperature working exhaust heat recuperator, from which it is approximately at ambient temperature and pressure to the atmosphere as in the case of the

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benen Ausführungsform der Erfindung. Die verhältnismäßig kühle, unter hohem Druck stehende Luft strömt
zuerst durch den bei niedriger Temperatur arbeitenden
Rekuperator und dann in Reihe durch den bei hoher Temperatur arbeitenden Rekuperator.
benen embodiment of the invention. The relatively cool, high-pressure air flows
first by the one working at low temperature
Recuperator and then in series through the high temperature recuperator.

Da der Motor mit einem sehr geringen Verdichtungsvolumen arbeitet, werden am Ende des Hubes die Abgase nahezu
vollständig aus dem Zylinder ausgestoßen und der. Arbeitszyklus kann wiederholt werden. Es wird bemerkt, daß die
heißen Abgase praktisch ihre gesamte Wärme nützlich und
reversibel abgeben, und zwar entweder in Form von Arbeit in der den Vorverdichter antreibenden Entspannungsturbine oder im Gegenstrom in den Rekuperatoren durch das Aufwärmen verhältnismäßig kalter, verdichteter Luft auf die
für die Selbstzündung erforderliche Temperatur. Dies ist eines der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung, da bei einem gewöhnlichen Dieselarbeitszyklus eine große Wärmemenge in den Abgasen verlorengeht. Beim Arbeitszyklus gemäß der Erfindung wird jedoch diese Wärme in
einer einfachen Anlage wirkungsvoll ausgenützt.
Since the engine works with a very low compression volume, the exhaust gases are almost at the end of the stroke
completely ejected from the cylinder and the. Duty cycle can be repeated. It is noted that the
hot exhaust gases useful and practically all of their heat
release reversibly, either in the form of work in the expansion turbine driving the pre-compressor or in countercurrent in the recuperators by warming up relatively cold, compressed air on the
temperature required for auto-ignition. This is one of the important features of the present invention since a large amount of heat is lost in the exhaust gases in an ordinary diesel duty cycle. In the working cycle according to the invention, however, this heat is in
effective use of a simple system.

Die zweite Ausfuhrungsform, bei welcher ein bei hoher und ein bei niedriger Temperatur arbeitenderRekuperator verwendet werden, erhöht wesentlich die Leistungsabgabe des erfindungsgemäßen Motors bei geringem Absinken des Wärmewirkungsgrades, was für viele Zwecke erwünscht ist.The second embodiment, in which a high and Using a low temperature recuperator will significantly increase the power output of the Motor according to the invention with a slight decrease in thermal efficiency, which is desirable for many purposes.

Es wurden oben bevorzugte Ausführungsbeispiele besehrieben, aber es sind auch andere Ausführungsformen möglich, indem ein gewisses. Ausmaß an Wirtschaftlichkeit oderPreferred exemplary embodiments have been described above, but other embodiments are also possible by adding a certain. Degree of profitability or

- 13 009887/1U5 - 13 009887 / 1U5

203S605203S605

.- 13 -.- 13 -

Leistungsfähigkeit geopfert wird, wobei Jedoch immer noch Resultate erzielt werden, die viel besser sind, als sie bei üblichen Arbeitszyklen erreichbar sind. Beispielsweise kann die ganze Luftverdichtung außerhalb des Kolbenmotors durchgeführt werden, aber die Kosten werden dadurch erhöht. Es ist auch möglich, die gesamte Kompression durch den Kolbenmotor durchzuführen, was ebenfalls eine Kostenerhöhung bedeutet. Statt eines mit gekühlter Saug- , luft arbeitenden Turboverdichters können mehrstufige ä Performance is sacrificed, but results are still achieved that are much better than can be achieved with normal work cycles. For example, all of the air compression can be done outside of the reciprocating engine, but this increases the cost. It is also possible to carry out all of the compression by the piston engine, which also means an increase in costs. Instead of a turbo compressor that works with cooled suction and air, multi-stage similar can be used

äußere Verdichter mit Ansaugung von auf Umgebungstemperatur befindlicher Luft und mit Zwischenkühlung auf Umgebungstemperatur verwendet werden, wobei wiederum die Kosten leicht steigen und der Wärmewlrkungsgrad leicht sinkt. Es ist auch möglich, die Saugluft des Turboverdichters auf einen so tiefen Wert zu kühlen, daß ohne weitere Kühlung die Sauglufttemperatur des Kolbenverdichters den gewünschten niedrigen Wert hat. Es ist nicht wesentlich, daß die Verbrennung bei konstantem Druck, mit Selbstzündung stattfindet, da die Verbrennung bei konstantem Volumen den gleichen hohen Wirkungsgrad, jedoch bei geringerer Nutzarbeitsleistung erzeugt. Es ist auch die Anwendung einer niedrigeren Rekuperatortempera- ' tür in Verbindung mit Zündkerzen- oder Glühkerzenzündung möglich, aber dies führt zu einem Verlust an Wärmewirkungsgrad .external compressors with intake of air at ambient temperature and with intermediate cooling to ambient temperature can be used, again the cost increases slightly and the heat efficiency slightly increases sinks. It is also possible to cool the suction air of the turbo compressor to such a low value that without further cooling the suction air temperature of the reciprocating compressor has the desired low value. It is not essential that the combustion takes place at constant pressure, with auto-ignition takes place, however, since the constant volume combustion has the same high efficiency generated at lower useful work output. It is also the use of a lower recuperator temperature in connection with spark plug or glow plug ignition possible, but this leads to a loss in thermal efficiency.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated by way of example using the figures explained in more detail. It shows

Figur 1 eine schematische Darstellung mit einem Schnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung, wobei die zugehörigen Teile ebenfalls schematisch dargestellt sind,FIG. 1 shows a schematic illustration with a section through a cylinder of an internal combustion engine according to FIG Invention, the associated parts are also shown schematically,

009887/1445 - ik - 009887/1445 - ik -

203S605203S605

Figur 2 ein Arbeitsdiagramm des in Figur 1 gezeigten Motors mit den verschiedenen Kolbenstellungen,Figure 2 is a working diagram of the engine shown in Figure 1 with the different piston positions,

Figur 3 ein Ventildiagramm für eine Ausfuhrungsform der Erfindung,Figure 3 is a valve diagram for an embodiment of the Invention,

Figur ^ ein Temperatur-Entropie-Diagramm eines Dieselarbeit szyklus,Figure ^ a temperature-entropy diagram of a diesel work s cycle,

Figur 5 ein ähnliches Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher mehrstufige, zwischengekühlte, äußere Verdichter verwendet werden,FIG. 5 is a similar diagram of an embodiment of FIG Invention in which multi-stage, inter-cooled, external compressors are used,

Figur 6 ein ähnliches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Verbrennung bei konstantem Druck angewendet wird,Figure 6 is a similar diagram of a preferred embodiment of the invention, in which combustion at constant pressure is applied,

Figur 7 ein ähnliches Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Verbrennung bei konstantem Volumen angewendet wird,FIG. 7 shows a similar diagram of a further embodiment of the invention, in which combustion at constant Volume is applied

Figur 8 ein ähnliches Diagramm einer Ausführungsform eines normalen Dieselarbeitszyklus undFigure 8 is a similar diagram of an embodiment a normal diesel duty cycle and

Figur 9 eine Abwandlung der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform, wobei die bei hoher Temperatur und bei tiefer Temperatur arbeitenden Rekuperatoren gezeigt sind.FIG. 9 shows a modification of the embodiment shown in FIG. 5, showing the recuperators operating at high and low temperatures.

Figur 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung. Der Zylinder 1 mit einem üblichen Wassermantel 26 weist einen Kolben 2 auf, welcher über einen Teil seines WegesFigure 1 shows a schematic section through a cylinder of an internal combustion engine according to the invention. The cylinder 1 with a conventional water jacket 26 has a piston 2, which over part of its way

- 15 009887/1445 - 15 009887/1445

nach unten verschoben beim Einlaßhub für die erste oder kalte Zwischendruckluft dargestellt ist. Die Drehung der Kurbelwelle erfolgt im Uhrzeigersinn, wie aus Figur 2 ersichtlich. Eine Reihe von vier Tellerventilen 6, 7, 8 und 9 ist vorgesehen, wobei das Ventil 6 zum Einlassen von kalter Zwischendruckluft und das Ventil 7 zum Einlassen von heißer Hochdruckluft dient. Das Ventil 8 ist ein Auslaßventil für heiße, unter verhältnismäßig niedrigem Druck stehende Abgase und das Ventil 9 ist ein ä Auslaßventil für kalte Hochdruckluft. Eine Brennstoffeinspritzdüse 10 ist vorgesehen und die vier Ventile sind jeweils an Verteilerleitungen 16, 17, 18 und 19 angeschlossen. In der Figur ist zwar nur ein Zylinder dargestellt, in Wirklichkeit weist der Verbrennungsmotor jedoch gewöhnlich mehrere Zylinder auf und darum sind Verteilerleitungen dargestellt. Da Figur 1 den Kolben nahe dem Beginn seines Hubes zum Kaltlufteinlaß zeigt, ist nur das Ventil 6 geöffnet. Im allgemeinen sind die Ventile üblich ausgebildet und die Betätigungseinrichtungen, wie Nocken, Nockenwellen und dergleichen, sind nicht gezeigt, da ihre Ausbildung von der Erfindung nicht beeinflußt wird. Natürlich müssen die Nocken die ™ Ventile entsprechend dem noch zu beschreibenden Arbeitszyklus betätigen.is shown shifted downwards on the intake stroke for the first or cold intermediate compressed air. The rotation of the crankshaft takes place in a clockwise direction, as can be seen from FIG. A series of four poppet valves 6, 7, 8 and 9 are provided, the valve 6 serving for the intake of cold intermediate compressed air and the valve 7 serving for the intake of hot high-pressure air. The valve 8 is an exhaust valve for hot, is under relatively low pressure exhaust gases and the valve 9 is a similar exhaust valve for cold high-pressure air. A fuel injector 10 is provided and the four valves are connected to manifolds 16, 17, 18 and 19, respectively. Although only one cylinder is shown in the figure, in reality the internal combustion engine usually has several cylinders and therefore distribution lines are shown. Since Figure 1 shows the piston near the beginning of its stroke to the cold air inlet, only valve 6 is open. In general, the valves are conventionally designed and the actuating devices, such as cams, camshafts and the like, are not shown since their design is not influenced by the invention. Of course, the cams must operate the ™ valves according to the work cycle to be described.

Figur 2 ist rein schematisch und zeigt die Lage des oberen Kolbenendes bei einer Anzahl von Punkten im Arbeitszyklus. Damit die Figur übersichtlicher wird, zeigt die schematische Darstellung nur das obere Ende des Kolbens. In Figur 2 sind die vier Hübe in römischen Ziffern dar- ' gestellt, und zwar I für den .Einlaß von kalter Zwischendruckluft, II für den Auslaß von kaltem ZwischendruckgasFigure 2 is purely schematic and shows the position of the upper end of the piston at a number of points in the working cycle. To make the figure clearer, the schematic representation of only the upper end of the piston. In Figure 2, the four strokes are shown in Roman numerals. set, namely I for the inlet of cold intermediate compressed air, II for the outlet of cold intermediate pressure gas

. - 16 009887/1U5 .. - 16 009887 / 1U5 .

und sodann Hochdruckkompression und -auslaß, III für den Einlaß von heißer Hochdruckluft, die Verbrennung des Brennstoffs und die nachfolgende isentrope Ausdehnung und IV für den Auslaß des heißen, unter verhältnismäßig- niedrigem Druck stehenden Abgases. Der Hub I verläuft vom oberen Totpunkt, wo der Spielraum sehr gering ist, bis zum unteren Totpunkt. Der obere Totpunkt ist mit (T), der untere Totpunkt mit CD» Zwischenstellungen im Aufwärtshub für II mit (2a) und (2b), der obere Tot-™ punkt mit (3), eine Zwischenstellung im Leistungshub III mit Q>&), der untere Totpunkt mit (]y bezeichnet und schließlich verläuft der Aufwärtsbuh IV vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt (X). In den Zwischenstellungen ist die Verbindungsstange dargestellt, wobei sich ihre Kurbel am Umfang der Kurbelwelle befindet, die sich um einen Mittelpunkt 5 dreht, und dieser umfang zeigt auch die obere und untere Totpunktstellung und die Zwischenstellungen für die verschiedenen Hübe des vierhubigen Taktes.and then high pressure compression and discharge, III for the inlet of hot high pressure air, the combustion of the fuel and subsequent isentropic expansion, and IV for the discharge of the hot, relatively low pressure exhaust gas. The stroke I runs from the top dead center, where the margin is very small, to the bottom dead center. The top dead center is with (T), the bottom dead center with CD »intermediate positions in the upstroke for II with (2a) and (2b), the top dead center with (3), an intermediate position in the power stroke III with Q>&) , the bottom dead center is denoted by (] y and finally the upward boom IV runs from bottom dead center to top dead center (X) , and this scope also shows the top and bottom dead center position and the intermediate positions for the various strokes of the four-stroke cycle.

Figur 3 ist ein Ventildiagramm, welches aus sich selbst mk verständlich ist, wobei die Kolbenstellungen längs der Oberseite und die Ventilnummern mit ihren Bezeichnungen auf der linken Seite angegeben sind und wobei zwei Linien jeweils den mit. O bzw. C bezeichneten geöffneten und geschlossenen Perioden entsprechen. Das Diagramm zeigt außerdem die öffnungs- und Schließperioden für die Brennstoffeinspritzdüse 10.Figure 3 is a valve diagram is self-explanatory mk, wherein the piston positions of the top and valve numbers are indicated along with their labels on the left side, and wherein the two lines each with. O and C, respectively, correspond to open and closed periods. The diagram also shows the opening and closing periods for the fuel injector 10.

Am Beginn des Hubes I, welcher in Figur 1 dargestellt ist, wird Atmosphärenluft durch den Kühler 25 unter demAt the beginning of the stroke I, which is shown in Figure 1, atmospheric air is through the cooler 25 under the

- 17 0 0 9 8 8 7 / U 4 5 - 17 0 0 9 8 8 7 / U 4 5

Sog des Turboverdichters 22 gekühlt, welcher von der Welle 21 angetrieben wird, wie weiter unten beschrieben. Die durch die Leitung 23 austretende verdichtete Luft wird durch den Kühler 24 abermals auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlt. Die kalte Zwischendruckluft befindet sich nicht auf dem höchsten Druck des Arbeitszyklus, da, wie weiter unten beschrieben, die endgültige Verdichtung durch den Kolben 2 im Zylinder 1 des Motors erfolgt. Die Kühler 24 und 25 erhöhen den Wirkungsgrad der Verdichtung. Außerdem liegt die Temperatur der den Kühler 24 verlassenden Kaltluft tiefer als die Temperatur der Umgebung, so daß die inneren Teile des Zylinders stärker gekühlt werden, als sie durch Umgebungsluft gekühlt werden würden. Da die maximal zulässige Betriebstemperatur der Mittelwert der Spitzentemperatur und der Einlaßtemperatur ist, ermöglicht eine Verminderung der Einlaßtemperatur eine entsprechende Erhöhung der Spitzentemperatur. Die Kühler können in üblicher Weise ausgebildet sein und daher sind keine Einzelheiten gezeigt. Sie sind in Figur 1 rein schematisch als Rechtecke dargestellt. Sie können auch mehrstufig ausgebildet sein, so daß sie einen reversiblen Betrieb annähern.Suction of the turbo compressor 22 cooled, which of the Shaft 21 is driven as described below. The emerging through line 23 compressed Air is once again brought to a temperature by the cooler 24 cooled below ambient temperature. The cold intermediate compressed air is not on the highest pressure of the duty cycle, since, as described below, the final compression by the piston 2 takes place in cylinder 1 of the engine. The coolers 24 and 25 increase the compression efficiency. In addition, the temperature of those leaving the cooler 24 lies Cold air lower than the ambient temperature, so that the inner parts of the cylinder are more strongly cooled, than they would be cooled by ambient air. There the maximum allowable operating temperature is the mean of the peak temperature and the inlet temperature a decrease in inlet temperature a corresponding one Increase in the peak temperature. The cooler can be designed in the usual way and therefore no details are shown. They are pure in Figure 1 shown schematically as rectangles. You can also be designed in several stages, so that they approximate a reversible operation.

Wenn sich der Kolben während des Hubes I absenkt, strömt kalte Zwischendruckluft in den Zylinder durch das Ventil 6 ein. Der Kolben führt einen vollen Hub bis zum unte- . ren Totpunkt © aus und steigt sodann während des Hubes II in die Zwischenstellung (|a). Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß das Ventil 6 während dieser ganzen Zeit geöffnet war. Zwischen den Stellungen (g) und (gjp wird einWhen the piston lowers during stroke I, cold intermediate compressed air flows into the cylinder through valve 6. The piston performs a full stroke down to the bottom. ren dead center © and then rises to the intermediate position (| a) during stroke II. From Figure 3 it can be seen that the valve 6 was open during this entire time. Between the positions (g) and (gjp there is a

- 18 009 8 87/U45- 18 009 8 87 / U45

Teil der kalten Zwischendruckluft In die Verteilerleitung 16 zurückgeblasen. Dies ist eine bevorzugte Ausfüh- ' rungsart, da sie eine maximale Kühlung ergibt.Part of the cold intermediate compressed air into the distribution line 16 blown back. This is a preferred embodiment because it gives maximum cooling.

Wenn der Kolben den in Figur 2 gezeigten Punkt (§a) erreicht hat, wird das Ventil 6 geschlossen, wodurch die übrige Luft im Zylinder eingeschlossen wird. Der Punkt (^a) wird durch die Luftmasse bestimmt, welche beim folgenden Leistungshub zu verarbeiten ist. Es wird bemerkt, daß die Zwischenstellungen (5a), (2b) und Qa) nicht die gleichen sind. Wenn der Kolben während des Hubes II vom Punkt (2a) zum Punkt (2b) weiter ansteigt, so wird die eingeschlossene, verhältnismäßig kalte Zwischendruckluft weiter bis zum Spitzendruck des Arbeitszyklus verdichtet. In diesem Punkt hat ihre Temperatur normalerweise Umgebungstemperatur erreicht. Das Ventil 9 wird sodann geöffnet und wenn der Kolben seine Bewegung fortsetzt, wird die auf Umgebungstemperatur befindliche Hochdruckluft nahezu vollständig aus dem Zylinder in die kalte Auslaß-Verteilerleitung 19 und von dort durch die Leitung 15 in einen Abgas-Wärmerekuperator 12 ausgestoßen, wobei die teilweise erhitzten Gase sodann durch das Rohr 29 zu einem Hochtemperatur-Rekuperator 27 geleitet werden, wo sie bis zur Endtemperatur aufgeheizt werden. Diese Rekuperatoren sind normale Wärmetauscher., z.- B. Rohre, um welche die heißen Gase strömen, und sie sind daher in Figur 1 nur schematisch angedeutet. Die Rekuperator ' ren heizen die auf Umgebungstemperatur befindliche Hochdruckluft auf eine Temperatur auf, welche ausreichend hoch ist, so daß eine Selbstzündung des Brennstoffs eintreten kann. Die heiße Hochdruckluft verläßt den Rekupe-When the piston reaches the point (§a) shown in Figure 2 the valve 6 is closed, whereby the remaining air is trapped in the cylinder. The point (^ a) is determined by the air mass, which in the following Power stroke is to be processed. It is noted that the intermediate positions (5a), (2b) and Qa) are not are the same. If the piston continues to rise from point (2a) to point (2b) during stroke II, then the enclosed, relatively cold intermediate compressed air is further compressed up to the peak pressure of the working cycle. At this point, their temperature has usually reached ambient temperature. The valve 9 is then opened and when the piston continues its movement, the high-pressure air at ambient temperature is almost completely out of the cylinder into the cold one Outlet distribution line 19 and from there through line 15 into an exhaust gas heat recuperator 12, wherein the partially heated gases are then passed through the pipe 29 to a high-temperature recuperator 27, where they are heated to the final temperature. These recuperators are normal heat exchangers, e.g. pipes, around which the hot gases flow, and they are therefore only indicated schematically in FIG. The recuperator ' Ren heat the high pressure air, which is at ambient temperature, to a temperature which is sufficient is high so that auto-ignition of the fuel can occur. The hot high pressure air leaves the recuperation

- 19 -- 19 -

009087/1445009087/1445

rator 27 und tritt in die Verteilerleitung 17 durch die Leitung 20 ein.rator 27 and enters the distribution line 17 through the line 20 a.

Wenn der Kolben beginnt, sich während des Hubes III von der oberen Totpunktstellung (D nach unten zu bewegen, wird das Ventil 7 geöffnet, wie aus Figur 3 ersichtlich, und läßt die Heißluft ein. Gleichzeitig wird Brennstoff in einer kontrollierten Menge durch die Einspritzdüse 10 eingespritzt, wie in Figur 3 gezeigt, und verbrennt bei konstantem Druck, während der Kolben weiter in die Stellung (3a) zurückkehrt. Die Brennstoffeinspritzdüse 10 wird sodann geschlossen, das Ventil 7 wird geschlossen und der restliche Leistungshub III stellt theoretisch eine isentrope Ausdehnung dar.When the piston begins to move down from top dead center position (D during stroke III, the valve 7 is opened, as can be seen from Figure 3, and lets in the hot air. At the same time will Fuel is injected in a controlled amount through the injector 10, as shown in Figure 3, and burns at constant pressure while the piston continues to return to position (3a). The fuel injector 10 is then closed, valve 7 is closed and the remaining power stroke III is set theoretically represents an isentropic expansion.

Wenn der Kolben den unteren Totpunkt (T) erreicht und in seinem Auslaßhub IV zu steigen beginnt, wird das Ventil 8 für die heißen Abgase geöffnet. Das Ventil 8 ist in Figur 3 als Auslaßventil für verhältnismäßig niedrigen Druck bezeichnet. Die Gase befinden sich auf sehr hoher Temperatur und der Druck ist noch ziemlich hoch, beispielsweise etwas unter 2 Atmosphären, ist Jedoch im Vergleich zum Spitzendruck des Arbeitszyklus, welcher am Beginn des Hubes III herrschte, niedrig. Vom Ventil 8 strömen die heißen Gase in die Abgas-Verteilerleitung 18 und in einen Hochtemperatur-Rekuperator 27 und von dort durch das Rohr 28 in den Turboentspanner 11. Der Hochtemperatur- · Rekuperator 27 senkt die Temperatur der Abgase ausreichend, so daß der Turboentspanner 11 dieselben verarbeiten kann. Dieser Entspänner betreibt die Welle 21, welche gemäß Figur 1 den Turboverdichter 22 antreibt. In derWhen the piston reaches bottom dead center (T) and begins to rise in its exhaust stroke IV, the valve 8 is opened for the hot exhaust gases. The valve 8 is shown in FIG 3 referred to as the outlet valve for relatively low pressure. The gases are at a very high temperature and the pressure is still quite high, e.g. a little below 2 atmospheres, but is in comparison at the peak pressure of the duty cycle, which prevailed at the beginning of stroke III, low. The flow from valve 8 hot gases into the exhaust manifold 18 and into one High-temperature recuperator 27 and from there through the pipe 28 into the turbo-expansion valve 11. The high-temperature · Recuperator 27 lowers the temperature of the exhaust gases sufficiently so that the turbo-expansion valve 11 can process them can. This relaxer operates the shaft 21, which according to Figure 1, the turbo compressor 22 drives. In the

- 20 0098-87/U A 5. - 20 0098-87 / UA 5.

Turbine 11 entspannen sich die heißen Gase auf etwa Atmosphärendruck und treten in den Rekuperator 12 durch · die Leitung 13 ein. Sie sind noch ziemlich heiß und dienen zum Aufheizen der ankommenden kalten Hochdruckluft im Gegenstrom, wie weiter unten erläutert. Während dieser Vorerwärmung sinkt die Temperatur der heißen Gase auf etwas über Umgebungstemperatur ab und die Gase treten durch die Abgasleitung I1I zur Atmosphäre aus. Die höchsten in dem Arbeitszyklus vorkommenden Temperaturen werden im allgemeinen durch die maximale Temperatur bestimmt, welche die Materialien in den Verschiedenen Teilen aushalten können, und werden so gewählt, daß jeder Teil der Anlage unter sicheren, jedoch nahezu optimalen Bedingungen betrieben wird. Es wird bemerkt, daß der Hochtemperatur-Rekuperator 27, welcher keine beweglichen Teile enthält, viel höhere Temperaturen aushalten kann als die schnell umlaufende Turbine 11. Dadurch wird eine höhere Endtemperatur im Arbeitszyklus ermöglicht und, wie oben ausgeführt, bei nur geringem Absinken des Gesamtwirkungsgrades die Leistung merklich erhöht.Turbine 11, the hot gases relax to approximately atmospheric pressure and enter recuperator 12 through line 13. They are still quite hot and are used to heat the incoming cold high pressure air in countercurrent, as explained below. During this preheating, the temperature of the hot gases drops to slightly above ambient temperature and the gases exit through the exhaust pipe I 1 I to the atmosphere. The highest temperatures encountered in the duty cycle are generally determined by the maximum temperature that the materials in the various parts can withstand and are chosen so that each part of the plant is operated under safe, but near optimal, conditions. It is noted that the high-temperature recuperator 27, which contains no moving parts, can withstand much higher temperatures than the rapidly rotating turbine 11. This enables a higher end temperature in the working cycle and, as stated above, the overall efficiency with only a slight decrease Noticeably increased performance.

An diesem Punkt soll darauf hingewiesen werden, daß der Arbeitszyklus eine weitgehende Verbesserung gegenüber dem normalen Dieselarbeitszyklus darstellt, da sich die Abgase etwa auf Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck befinden. Außerdem bewirkt die Verwendung von gekühlter Luft beim Hub I eine sehr starke Kühlung der inneren Teile des Zylinders. Dadurch kann der Leistungshub mit einer wesentlich höheren Spitzentemperatur durchgeführt werden,als es möglich wäre, wenn die Kolben und die Zylinderwände bei Kühlung derselben durch viel wärmere Luft heißer wären, wie es bei dem bekannten Dieselarbeits·At this point it should be noted that the Duty cycle represents a major improvement over the normal diesel duty cycle, since the Exhaust gases are approximately at ambient temperature and pressure. It also causes the use of refrigerated Air during stroke I has a very strong cooling of the inner parts of the cylinder. This allows the power swing with a much higher peak temperature than would be possible if the pistons and cylinder walls if they were cooled by much warmer air, they would be hotter, as is the case with the well-known diesel work

- 21 009887/1A45 - 21 009887 / 1A45

zyklus der Fall, 1st. Es 1st oben erläutert worden, daß der theoretische Wirkungsgrad des Arbeitszyklus von der maximal zulässigen Spitzentemperatur und von der erzielbaren minimalen Abgasendtemperatur abhängt. In beiden Hinsichten ist der erfindungsgemäße Arbeitszyklus wesentlich besser als sogar der beste Dieselarbeitszyklus. cycle the case, 1st. It has been explained above that the theoretical efficiency of the duty cycle of the maximum permissible peak temperature and the achievable depends on the minimum exhaust gas temperature. In both respects, the duty cycle of the present invention is significantly better than even the best diesel duty cycle.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können belegt werden, indem Figur 4, die ein Temperatur-Entropie-Diagramm eines normalen, wirkungsvollen und modernen Dieselarbeitszyklus wiedergibt, die Figur 8, welche ein ahnliches Diagramm des gleichen Arbeitszyklus unter Verwendung der Zylinder-Abgasenergie wiedergibt und die Figur 6 betrachtet werden, welche ein ähnliches Diagramm der gerade beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt. In jedem Diagramm ist der Betrag der erzeugten Nutzarbeit proportional zur umschlossenen Arbeitszyklusfläche. In den Figuren 4 bis 8 sind diese Flächen leicht schraffiert, um ihre Unterschiede klarer zum Ausdruck zu bringen.The advantages of the present invention can be demonstrated by Figure 4, which is a temperature-entropy diagram shows a normal, efficient and modern diesel duty cycle, FIG. 8, which shows a similar one Diagram of the same duty cycle using the cylinder exhaust energy reproduces and the figure 6, which is a similar diagram of the preferred embodiment of FIG Invention reproduces. In each diagram, the amount of useful work generated is proportional to the enclosed Duty cycle area. In Figures 4 to 8 these are Areas lightly hatched to express their differences more clearly.

In Figur 1J 1st der Arbeitszyklus eines normalen, modernen Dieselmotors mit einem Kompressionsverhältnis von 15>6 durch die Kurve A-H-J-K-A dargestellt. Der Punkt A entspricht einem Druck von 1 Atmosphäre und etwa 38° C (100° F), H entspricht 47 Atmosphären und 6k9° C (1200° F), J entspricht 47 Atmosphären und \ 2504° C (4540° F) und K entspricht 4,66 Atmosphären und 1177° C (2150° P). Der Weg A-H entspricht einer isentropen Kompression, H-J einer Isobaren Wärmeerhöhung, J-K einer Isentropen Expansion und K-A einer isohorenIn Figure 1, the duty cycle 1st J of a normal, modern diesel engine having a compression ratio of 15> represented by the curve 6 AHJKA. Point A corresponds to 1 atmosphere pressure and approximately 38 ° C (100 ° F), H corresponds to 47 atmospheres and 6k9 ° C (1200 ° F), J corresponds to 47 atmospheres and \ 2504 ° C (4540 ° F) and K. corresponds to 4.66 atmospheres and 1177 ° C (2150 ° P). The path AH corresponds to an isentropic compression, HJ to an isobaric heat increase, JK to an isentropic expansion and KA to an isohoric

- 22 009887/U45 - 22 009887 / U45

Wärmeableitung. Der theoretische Wirkungsgrad beträgt etwa 55 Es wird bemerkt, daß beim Vergleich der Arbeitszyklen theoretische Wirkungsgrade verwendet werden. Der Wirkungsgrad eines wirklichen Motors ist geringer als der theoretische, was auf dem Druckabfall, der Reibung und anderen mechanischen Verlusten im Motor beruht.Heat dissipation. The theoretical efficiency is about 55 %. It is noted that theoretical efficiencies are used when comparing the duty cycles. The efficiency of a real engine is less than theoretical due to the pressure drop, friction and other mechanical losses in the engine.

In Figur 8 entspricht der Punkt K einer Temperatur von 1177° C (2150° F) und einem Druck von 4,66 Atmosphären. Theoretisch kann diese Luft eine zusätzliche Arbeit leisten, wenn sie gemischt oder durch einen Turboentspanner geleitet wird, aber in der Praxis ist sie zu heiß für die Verwendung und muß zuerst isochor auf etwa 8l6° C (1500° F) und 2a27 Atmosphären abgekühlt werden, bevor sie isentrop auf eine Atmosphäre und 1»93° C (920° F) in einem Turboentspanner ausgedehnt werden kann. In Figur 8 ist diese isochore Abkühlung der Weg zwischen K und M und die isentrope Expansion ist der Weg zwischen M und N. Der Zyklus wird durch die Linie A-H-J-K-M-N-A dargestellt, wobei die Punkte A, H, J und K die gleichen sind wie in Figur 4. Die Lufttemperatur beim Austritt aus dem Kompressor am Punkt H liegt um etwa 167° C (300° F) höher als die Turbinenauslaßtemperatur am Punkt N, so daß es unmöglich ist, die Abgaswärme wiederzugewinnen, und dies stellt/einen der unvermeidlichen Hauptnachteile eines Dieselarbeitszyklus dar. Die Verwendung einer Entspannungsturbine vom Punkt M zum Punkt N erhöht theoretisch' den Wirkungsgrad auf etwa 60$, jedoch nur, wenn die so aus den Zylinderabgasen entnommene Arbeitsenergie zum Antrieb eines Generators oder einer anderen- Arbeit ver- . brauchenden Vorrichtung außerhalb fle® ItotomrbeltszyklusIn Figure 8, point K corresponds to a temperature of 1177 ° C (2150 ° F) and a pressure of 4.66 atmospheres. Theoretically, this air can afford an additional work when it is mixed or passed through a turbo expander, but in practice it is cooled too hot for use and must first isochoric to about 8L6 ° C (1500 ° F), and 2 a 27 atmospheres before it can be isentropically expanded to one atmosphere and 1 »93 ° C (920 ° F) in a turbo-vent. In Figure 8, this isochoric cooling is the path between K and M and the isentropic expansion is the path between M and N. The cycle is represented by the line AHJKMNA, with points A, H, J and K being the same as in Figure 4. The compressor exit air temperature at point H is about 167 ° C (300 ° F) higher than the turbine outlet temperature at point N, making it impossible to recover exhaust heat and this is one of the major inevitable disadvantages Diesel work cycle. The use of an expansion turbine from point M to point N theoretically increases the efficiency to about $ 60, but only if the work energy extracted from the cylinder exhaust gases is used to drive a generator or other work. needing device outside of the fle® Itotomrbelts cycle

- 23 7/U45- 23 7 / U45

verwendet wird. Wenn die Arbeitsenergie zum Antrieb
eines Vorverdichters für den Motor verwendet wird, läßt sich theoretisch keine Erhöhung des Wirkungsgrades erzielen.
is used. When the work energy to drive
a supercharger is used for the engine, theoretically no increase in efficiency can be achieved.

Das Diagramm A-G-H-J-K-L-A in Figur 6 gibt den Arbeitszyklus einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem theoretischen Wärmewirkungsgrad von etwa 82 % wieder, welcher nahezu 50 % über dem in Figur M darge- ä stellten Arbeitszyklus eines normalen Dieselmotors liegt. Punkt A entspricht wie in Figur 4 einer Atmosphäre und 38° C (100° F). Der Punkt G nach der Kompression entspricht kl Atmosphären und 38° C (100° F). Die Vorwärmung im
äußeren Rekuperator 12 bringt die Luft beim Punkt H auf kj Atmosphären und etwa 6^9° C (1200° F). Während des
Brennstoffeinspritzabschnitts des Leistungshubes steigt die Temperatur auf 2504° C (Λ5*»0ο F) am Punkt J. Es
wird bemerkt, daß dies die gleiche Temperatur ist, welche beim normalen Dieselarbeitszyklus in Figur 4 erreicht wurde. Die Temperatur wurde genormt, um Vergleiche der verschiedenen Arbeitszyklen zu erleichtern, und es wurde kein Vorteil aus der Tatsache gezogen, daß Kolben- und m Zylinderwände eine zusätzliche Kühlung durch die kalte Hochdruckluft während der Hübe I und II empfangen haben und daß erfindungsgemäß der Punkt J bei sicherem Betrieb auf einer höheren Temperatur sein könnte. Der Punkt 0
entspricht 1,78 Atmosphären und 8l6° C (1500° F) und " der Punkt L entspricht einer Atmosphäre und 6M90 C
(1200° F). Der Weg A-G entspricht einer Isothermen Kompression, welche durch Verwendung genügend vieler Kühlstuf en eng angenähert werden kann. Die Kompression kann
The diagram AGHJKLA in Figure 6 is the duty cycle of a preferred embodiment of the invention with a theoretical thermal efficiency of about 82% again, which is almost 50% higher than the ones shown, presented in FIG M ä duty cycle of a normal diesel engine. Point A corresponds to one atmosphere and 38 ° C (100 ° F) as in Figure 4. Point G after compression corresponds to kl atmospheres and 38 ° C (100 ° F). The preheating in
outer recuperator 12 brings the air at point H to kj atmospheres and about 6 ^ 9 ° C (1200 ° F). During the
In the fuel injection section of the power stroke, the temperature rises to 2504 ° C (Λ5 * »0 ο F) at point J. Es
it is noted that this is the same temperature that was reached in the normal diesel duty cycle in FIG. The temperature was standardized, to facilitate comparisons of the various working cycles and it was drawn, no advantage from the fact that the piston and m cylinder walls additional cooling by the cold high-pressure air during the strokes I and receiving II and that according to the invention, the point J could be at a higher temperature during safe operation. The point 0
corresponds to 1.78 atmospheres and 816 ° C (1500 ° F) and "the point L corresponds to one atmosphere and 6M9 0 C
(1200 ° F). The way AG corresponds to an isothermal compression, which can be closely approximated by using a sufficient number of cooling stages. The compression can

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teilweise oder vollständig außerhalb des Arbeitszylinders erfolgen. Der Weg G-H entspricht einer rekuperativen Isobaren Wärmeerhöhung. H-J entspricht einer direkten Isobaren Wärmeerhöhung durch Verbrennung von Brennstoff, wie im Fall der Figur 4. J-O entspricht einer isotropen Expansion im Motorzylinder, 0-L entspricht der isentropen Expansion im Turoentspanner und L-A entspricht einer rekuperativen isobaren Wärmeableitung. Die Luftkompression A-G kann vollständig außerhalb des Kolbenmotors durchgeführt werden, aber der Kompressionsabschnitt mit der höchsten Druckerhöhung wird am wirtschaftlichsten im Motorzylinder selbst durchgeführt. Wenn die Kompression bei mehrstufig gekühlter Saugluft durchgeführt wird, können die Abgase des Motorzylinders Energie zum Betreiben des Vorverdichters liefern, so daß er ein Kompressionsverhältnis von etwa 6,6 erzielt. Von dem insgesamt erforderlichen Kompressionsverhältnis von 47,0 muß der Zylinder daher nur ein Verhältnis von 7,1 liefern.take place partially or completely outside of the working cylinder. The path GH corresponds to a recuperative isobar heat increase. HJ corresponds to a direct isobaric heat increase through combustion of fuel, as in the case of FIG. 4. JO corresponds to isotropic expansion in the engine cylinder, 0-L corresponds to isentropic expansion in the turbo-expansion valve and LA corresponds to recuperative isobaric heat dissipation. The air compression AG can be carried out entirely outside the reciprocating engine, but the compression section with the highest pressure increase is most economically carried out in the engine cylinder itself. If the compression is carried out with multi-stage cooled suction air, the exhaust gases of the engine cylinder can provide energy to operate the supercharger so that it achieves a compression ratio of about 6.6. Therefore, of the total required compression ratio of 47.0, the cylinder only needs to deliver a ratio of 7.1.

Die Erhitzung der Luft im Rekuperator bei konstantem Druck bewirkt eine wesentliche Erhöhung des Luftvolumens. Diese Volumenerhöhung wird durchgeführt, um Arbeit zu erzeugen, indem man die Luft durch das Heißluft-Einlaßventil einströmen und den Kolben des Motors bewegen läßt. Bei einem Mehrzylindermotor mit Verteilerleitungen, welcher bevorzugt wird, wird die der Verteilerleitung entzogene Luftmenge gleichzeitig durch eine Frischluftbeschickung ersetzt, welche in einem der anderen Zylinder komprimiert und im Rekuperator erhitzt worden ist. Der Druck in der Verteilerleitung bleibt daher nahezu konstant. The heating of the air in the recuperator at constant pressure causes a significant increase in the air volume. This increase in volume is done in order to work too by letting the air flow in through the hot air inlet valve and moving the piston of the engine. In the case of a multi-cylinder engine with distributor lines, which is preferred, the one withdrawn from the distributor line Amount of air replaced at the same time by a supply of fresh air, which in one of the other cylinders has been compressed and heated in the recuperator. The pressure in the distribution line therefore remains almost constant.

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Die Temperatur am Punkt J des Diagramms ist die Spitzentemperatur des Arbeitszyklus. Der Druck am Ende des Kolbenhubs, welcher bei O dargestellt ist, beträgt etwa 1,78 Atmosphären und die Temperatur liegt nahe 8.16° C (1500° F). Der minimale Volumenspielraum oder das Verdi chtungs volumen, welcher ein Merkmal der vorliegenden Erfindung bildet, ermöglicht, daß der Kolben die auf hoher Temperatur befindlichen Abgase aus dem Zylinder nahezu vollständig herausdrückt.The temperature at point J on the graph is the peak temperature of the duty cycle. The pressure at the end of the piston stroke, which is shown at O, is approximately 1.78 atmospheres and the temperature is close to 8.16 ° C (1500 ° F). The minimum volume headroom or the compaction volume, which is a feature of the present Invention forms, enables the piston to close the high temperature exhaust gases from the cylinder pushes out completely.

Erfindungsgemäß ist wie bei bekannten Motoren das Expansionsverhältnis das Verhältnis des Beschickungsvolumens zum Volumen der im Zylinder bei Unterbrechung der Brennstoffzufuhr enthaltenen Luft. Erfindungsgemäß ist das Expansionsverhältnis vollständig unabhängig vom Kompressionsverhältnis oder vom maximal zulässigen Betriebsdruck. Es wird vielmehr festgelegt durch das Volumen'der unter hohem Druck stehenden erhitzten Luft, welche im Zylinder enthalten ist, wenn die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird. Dieses Volumen kann so gewählt werden, daß sich irgendeine gewünschte Zylinderauslaßtemperatur ergibt. Die Zylinderauslaßtemperatur ist die gleiche wie die Einlaßtemperatur des Turboentspanners und im üblichen Betrieb wird diese Temperatur auf maximal etwa 8l6° C (1500° P) begrenzt. Bei bekannten Motoren wird die erforderliche Temperaturverringerung durch ein energievergeudendes Abblasen erreicht und die Zylinderauslaßventile werden . ebenso einer viel höheren Temperatur unterworfen.According to the invention, the expansion ratio is as in known engines the ratio of the charge volume to the volume in the cylinder when the fuel supply is interrupted contained air. According to the invention, the expansion ratio is completely independent of the compression ratio or the maximum permissible operating pressure. Rather, it is determined by the volume of the under high pressure heated air which is in the cylinder is included when the fuel supply is interrupted. This volume can be chosen so that gives any desired cylinder outlet temperature. The cylinder outlet temperature is the same as the inlet temperature of the turbo-expansion valve and in normal operation this temperature is limited to a maximum of about 8l6 ° C (1500 ° P) limited. In known motors, the required temperature reduction is a waste of energy Blow off is achieved and the cylinder exhaust valves are. also subjected to a much higher temperature.

Theoretisch 1st die einzige thermische Nichtumkehrbarkeit bei der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung die Differenz zwischen der Temperatur von 6^9° C (1200° P) Theoretically, the only thermal irreversibility in the preferred embodiment of the invention is the difference between the temperature of 6 ^ 9 ° C (1200 ° P)

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der den Rekuperator verlassenden Hochdruckluft.(Punkt H) und der Spltzentemperatur des Arbeitszyklus von 2504° C (4540° P , Punkt J). Diese Nichtumkehrbarkeit begrenzt den theoretischen Wärmewirkungsgrad auf 82 %* Auch wenn die Materialien des Rekuperators 250*1° C (4540° P) aushalten könnten und dadurch eine Erhitzung der verdichteten Luft auf diese Spitzentemperatur des Arbeitszyklus möglich wäre, würde der theoretische Wärmewirkungsgrad des Arbeitszyklus nur auf etwa 89 % steigen, was genau dem Wirkungsgrad eines zwischen den gleichen Temperaturgrenzen von 2504° und 38° C (451IO0 und 100° P) durchgeführten Carnotschen Kreisprozesses entspricht. Um jedoch einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es noch wichtig, daß die Temperatur der den Rekuperator verlassenden Luft so hoch wie möglich ist. Die übliche Rekuperatorausbildung begrenzt diese Temperatur auf etwa 649° C (1200° P). Der Turboentspanner muß daher mit einer Einlaßtemperator von 8l6° C (1500° F) und einer Auslaßtemperatur von 649° C (1200° P) arbeiten. Dies erfordert theoretisch eine isentrope Ausdehnung von einem Druck von 1,78 Atmosphären auf einen Druck von einer Atmosphäre.the high pressure air leaving the recuperator (point H) and the split temperature of the working cycle of 2504 ° C (4540 ° P, point J). This irreversibility limits the theoretical thermal efficiency to 82 % increase to about 89 % , which corresponds exactly to the efficiency of a Carnot cycle carried out between the same temperature limits of 2504 ° and 38 ° C (45 1 IO 0 and 100 ° P). However, in order to achieve maximum efficiency, it is still important that the temperature of the air leaving the recuperator is as high as possible. The usual recuperator training limits this temperature to about 649 ° C (1200 ° P). The turbo ventilator must therefore operate with an inlet temperature of 816 ° C (1500 ° F) and an outlet temperature of 649 ° C (1200 ° P). This theoretically requires isentropic expansion from 1.78 atmospheres pressure to one atmosphere pressure.

Eine minimaler Volumenspielraum wurde oben als tatsächliches Volumen zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf definiert, welcher auf zwischen diesen Teilen erforderlichen, rein mechanischen Spielräumen beruht. Die in diesem Volumen am Ende des Verdichtungshubes verbleibende Kaltluft kann im Rekuperator nicht erwärmt werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Arbeitszyklus verringert. Beim folgenden Leistungshub vermischt sich diese Kaltluft mit der vorgewärmten Heißluft und kühltA minimum volume clearance was defined above as the actual volume between the piston and the cylinder head, which is based on the purely mechanical clearances required between these parts. The cold air remaining in this volume at the end of the compression stroke cannot be heated in the recuperator. This reduces the efficiency of the duty cycle. During the following power stroke, this cold air mixes with the preheated hot air and cools

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dieselbe. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Arbeitszyklus ebenfalls verringert. Die in diesem Volumen am , ' Ende des Auslaßhubes verbleibenden heißen Abgase vermischen sich mit der ankommenden gekühlten Luft und wärmen diese auf und daher ist die Wärme der Abgase im Rekuperator nicht verfügbar. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Arbeitszyklus weiter verringert'. Die ankommende Luft muß auf einen tieferen Wert gekühlt werden, um diese ungewünschte Wärmezuführung auszugleichen, und dadurch wird abermals der Wirkungsgrad des Arbeitszyklus verringert. Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades ist es daher erwünscht, jedoch für den Betrieb nicht wesentlich, daß dieser minimale Volumenspielraum so klein wie möglich gehalten wird.same. This also reduces the efficiency of the duty cycle. Those in this volume on, ' The hot exhaust gases remaining at the end of the exhaust stroke mix with the incoming cooled air and warm this on and therefore the heat of the exhaust gases is not available in the recuperator. This further reduces the efficiency of the duty cycle. The incoming Air must be cooled to a lower value in order to compensate for this undesired heat input, and this again increases the efficiency of the duty cycle decreased. In order to achieve maximum efficiency, it is therefore desirable, but not essential for operation, for this minimum volume margin to be so small as possible.

Die maximale Temperatur am Punkt J ist ebenfalls begrenzt, und zwar in diesem Fall durch die Ausbildung des Kolbenmotors. Der optimale Wärmewirkungsgrad ergibt sich, wenn ein isentroper, arbeiterzeugender Temperaturabfall von der maximal zulässigen Spitzentemperatur des Arbeitszyklus (J) zur maximal zulässigen Rekuperatortemperatur (L) vorhanden ist. Für die gegebenen Temperaturbedingungen tritt dieser Temperaturabfall theoretisch auf, wenn der Anfangsdruck des gesamten AusdehnungsVorgangs das 47fache des Auslaßdruckes beträgt. Dies ist die optimale Bedingung. Wenn ein höherer Anfangsdruck verwendet wird, übersteigt die Temperatur im Punkt L den maximal' zulässigen Wert, wodurch eine isochore Abkühlung erforderlich wird, und der Wärmewirkungsgrad leidet wiederum darunter.The maximum temperature at point J is also limited, in this case by the design of the piston engine. The optimal thermal efficiency results when an isentropic, labor-producing temperature drop of the maximum permissible peak temperature of the working cycle (J) to the maximum permissible recuperator temperature (L) is present. For the given temperature conditions Theoretically, this temperature drop occurs when the initial pressure of the entire expansion process is the 47 times the outlet pressure. This is the optimal one Condition. If a higher initial pressure is used, the temperature at point L will exceed the maximum ' permissible value, which requires isochoric cooling, and the thermal efficiency in turn suffers underneath.

Das Vorhandensein eines optimalen anfänglichen Ausdeh-The presence of an optimal initial expansion

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nungsdruckes, welcher auch der optimale Betriebsspitzendruck ist, ist ein nur der vorliegenden Erfindung zu- · kommendes Merkmal. Obwohl sich der anfänglich niedrige Wärmewirkungsgrad von bekannten Motoren mit Jeder Steigerung des Betriebsdrucks zunehmend verbessert, wäre eine unmöglich zu erfüllende Betriebsbedingung von mehr als 2000 Atmosphären bei 2504° C (4540° P) erforderlich, damit ein bekannter Motor den Wärmewirkungsgrad des bevorzugten Arbeitszyklus.gemäß der Erfindung annähert.pressure, which is also the optimum peak operating pressure, is only one of the present invention. coming feature. Although the initially low thermal efficiency of known engines increases with each increase the operating pressure is increasingly improved, would be an impossible to meet operating condition of more than 2000 atmospheres at 2504 ° C (4540 ° P) required, for a known engine to approximate the thermal efficiency of the preferred duty cycle according to the invention.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein gleicher theoretischer Wärmewirkungsgrad von 82 % erreicht, wenn der Brennstoff bei konstantem Volumen statt bei konstantem Druck verbrannt wird. Bei dieser Verbrennung mit konstantem Volumen wird ebenfalls gekühlte Saugluft verdichtet und es findet eine volle Gegenstrom-Vorwärmung bei der gleichen Maximaltemperatur und dem gleichen Maximaldruck wie bei der vorher beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung statt. Anstelle der maximalen mechanischen Verdichtung von 47 Atmosphären, welche bei dem Verfahren mit konstantem Druck erforderlich ist, erfordert das Verfahren mit konstantem Volumen eine mechanische Verdichtung von nur 15,8 Atmosphären. Der Rest des Enddruckes von 47 Atmosphären ergibt sich aus der Wärmezuführung bei konstantem Volumen zu der im Zylinder enthaltenen Luft. Der Rekuperator muß daher so ausgebildet sein, daß er einen Druck von nur 15,8 Atmosphären statt 47 Atmosphären aushält und daher sind der Rekuperator, die Verteilerleitungen, Ventile und Rohrleitungen wesentlich billiger. Die Nutzarbeitsleistung eines Motors mit einer gegebenen Saugleistung ist jedoch etwas geringer als inIn another embodiment of the invention, the same theoretical thermal efficiency of 82 % is achieved when the fuel is burned at constant volume rather than constant pressure. In this constant-volume combustion, cooled suction air is also compressed and full countercurrent preheating takes place at the same maximum temperature and the same maximum pressure as in the previously described preferred embodiment of the invention. Instead of the maximum mechanical compression of 47 atmospheres required in the constant pressure process, the constant volume process requires mechanical compression of only 15.8 atmospheres. The remainder of the final pressure of 47 atmospheres results from the supply of heat at constant volume to the air contained in the cylinder. The recuperator must therefore be designed so that it can withstand a pressure of only 15.8 atmospheres instead of 47 atmospheres and therefore the recuperator, the distribution lines, valves and pipes are much cheaper. However, the useful work power of an engine with a given suction power is slightly less than in

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dem bevorzugten Fall und die Auswahl des Verfahrens mit konstantem Druck oder mit konstantem Volumen kann auf der Grundlage einer gesamtwirtschaftlichen Abschätzung erfolgen. Die Wärmezuführung bei konstantem Volumen unterscheidet sich von der Wärmezuführung bei konstantem Druck in der Zeitsteuerung und in der Geschwindigkeit der Brennstoffeinspritzung. Beim Verfahren mit konstantem Volumen wird der Brennstoff schnell, theoretisch augenblicklich, eingespritzt, nachdem sich der Kolben über einen Teil des Leistungshubes bewegt hat und nachdem sich das Heißluft-Einlaßventil geschlossen hat oder etwa im Zeitpunkt dieses Schließens. Beim Verfahren mit konstantem Druck wird der Brennstoff gleichzeitig mit der vorgewärmten Verbrennungsluft mit geregelter Geschwindigkeit eingespritzt, um den Druck konstant zu halten.the preferred case and the choice of constant pressure or constant volume method can be based on based on a macroeconomic assessment. The heat supply at constant volume is different away from the heat supply at constant Pressure in the timing and speed of fuel injection. When using constant By volume, the fuel is injected quickly, theoretically instantaneously, after the piston moves has moved over part of the power stroke and after the hot air inlet valve has closed or around the time of this closing. When using At a constant pressure, the fuel is injected simultaneously with the preheated combustion air at a regulated speed in order to keep the pressure constant keep.

Diese Ausführungsform der Wärmezuführung bei konstantem Volumen ist mit der Kurve A-C-E-G-A in Figur 7 dargestellt, A-G entspricht einer Isotherme, C-D einer Isobare, D-E einer Isochore, E-G einer Isentrope und G-A einer Isobare. Der Punkt A entspricht wie oben einer Atmosphäre und 38° C (100° F), der Punkt B entspricht 6,6 Atmosphären und 38° C (100° F), der Punkt C entspricht 15,8 Atmosphären und 38° C (100° F), der Punkt D entspricht 15,8 Atmosphären und 649° C (1200° F), der Punkt E entspricht 47 Atmosphären und 2504° C (4540° F), der Punkt F entspricht 1,78 Atmosphären und 8l6° C (1500° F) und der Punkt G entspricht einer Atmosphäre und 649° C (1200° F). Der Weg A-B entspricht der isothermen Arbeit, welche für die äußere Turboverdichtung erforderlich undThis embodiment of the heat supply at constant Volume is shown with the curve A-C-E-G-A in Figure 7, A-G corresponds to an isotherm, C-D to an isobar, D-E an isochore, E-G an isentropic and G-A an isobar. As above, point A corresponds to an atmosphere and 38 ° C (100 ° F), point B corresponds to 6.6 atmospheres and 38 ° C (100 ° F), point C corresponds to 15.8 Atmospheres and 38 ° C (100 ° F), point D corresponds to 15.8 atmospheres and 649 ° C (1200 ° F), point E corresponds to 47 atmospheres and 2504 ° C (4540 ° F), the point F equals 1.78 atmospheres and 816 ° C (1500 ° F) and point G corresponds to one atmosphere and 649 ° C (1200 ° F). The way A-B corresponds to the isothermal work, which are required for the external turbo compression and

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gleich der von der äußeren isentropen Turboentspannung hergeleiteten Arbeit ist. Der Weg B-C entspricht der er- · forderlichen isothermen Verdichtungsarbeit des Kolbenmotors. Der Weg C-D entspricht der äußeren Isobaren rekuperativen Wärmezuführung. Der Weg D-E entspricht der direkten Wärmezuführung bei konstantem Volumen, der Weg E-P entspricht der isentropen Ausdehnung des Kolbenmotors, der Weg P-G entspricht der äußeren isentropen Turboentspannung und der Weg Q-A entspricht der Isobaren rekuperativen Wärmeableitung.equal to that of the external isentropic turbo-relaxation is derived work. The path B-C corresponds to the required isothermal compression work of the piston engine. Path C-D corresponds to the external isobars of recuperative heat input. The path D-E corresponds to direct heat supply at constant volume, the Path E-P corresponds to the isentropic expansion of the piston engine, path P-G corresponds to the outer isentropic Turbo relaxation and the path Q-A corresponds to the isobars of recuperative heat dissipation.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden gegenseitig auf Umgebungstemperatur gekühlte mehrstufige Verdichter verwendet, wie in der Kurve A-B-C-D-E-P in Figur 5 gezeigt. Der theoretische Wärmewirkungsgrad dieses Arbeitszyklus beträgt etwa 76 %, Die Wege A-B und C-D entsprechen der äußeren Verdichtung auf Insgesamt 5,3 Atmosphären und der Weg E-P entspricht der Motorzylinder-Verdichtung von 5,3 auf 47 Atmosphären, Die für die äusseren Zusatzverdichtungsschritte A-B und C-D erforderliche Energie wird durch die endgültige Ausdehnung der Motorzylinderabgase vom Punkt O (1,78 Atmosphären, 8l6° C bzw. 1500° P) zum Punkt L (1 Atmosphäre, 649° C bzw. 1200° F) in einer geeigneten Turboanlage mit hohem Leistungsvermögen geliefert. Der Schritt E-P, welcher einem KompressionsVerhältnis von etwa 8,9 entspricht, muß im Motorzylinder vorgenommen werden. (Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Verdichtungsarbeit durch die Verwendung von gekühlter Saugluft verringert, so daß der gleiche Betrag von Arbeitsenergie, welcher von den Zyllnderabgaaen wiedergewonnen wird, bei der bevor-In a further embodiment of the invention, multistage compressors which are mutually cooled to ambient temperature are used, as shown in the curve ABCDEP in FIG. The theoretical thermal efficiency of this work cycle is about 76%, the paths AB and CD correspond to the external compression to a total of 5.3 atmospheres and the path EP corresponds to the engine cylinder compression from 5.3 to 47 atmospheres, the ones for the external additional compression steps AB and CD The energy required is generated by the final expansion of the engine cylinder exhaust from point O (1.78 atmospheres, 81.6 ° C or 1500 ° P) to point L (1 atmosphere, 649 ° C or 1200 ° F) in a suitable high-performance turbo system delivered. Step EP, which corresponds to a compression ratio of approximately 8.9, must be carried out in the engine cylinder. (In the preferred embodiment of the invention, the compression work is reduced by the use of cooled suction air, so that the same amount of work energy, which is recovered from the cylinder exhausts, in the preferred

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zugten Ausführungsform ein größeres äußeres Kompressionsverhältnis ergibt als bei dieser Ausführungsform). Die Turbinenauslaßtemperatur (Punkt L) liegt etwa 355° Q (640° P) höher als die Verdichterauslaßtemperatur (Punkt P), so daß ein wesentlicher Betrag von Abgaswärme-Wiedergewinnung möglich ist.This embodiment gives a greater external compression ratio than this embodiment). the Turbine outlet temperature (point L) is about 355 ° Q (640 ° P) higher than the compressor outlet temperature (point P), allowing a significant amount of exhaust heat recovery is possible.

Der theoretische Wirkungsgrad von 76 % ist nicht ganz so hoch wie bei dem oben beschriebenen, in Figur 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel, er ist jedoch noch viel höher als er von den besten bekannten Motoren erreicht werden kann. Das Weglassen der Kühlung kann in bestimmten Fällen wirtschaftliches Interesse besitzen und es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß verschiedene Ausführungsformen zur Erzielung des besten wirtschaftlichen Kompromisses in allen Fällen angewendet werden können. The theoretical efficiency of 76 % is not quite as high as in the preferred embodiment described above and shown in FIG. 6, but it is still much higher than that which can be achieved by the best known motors. The omission of cooling may in certain cases be of economic interest, and it is an advantage of the present invention that various embodiments can be used in all cases to achieve the best economic compromise.

In Figur 9 entspricht die Kurve A-F-C-G-A einem normalen Dieselarbeitszyklus und die Kurve A-B-C-E-A entspricht einem erfindungsgemäßen Arbeitszyklus, wobei B-F einem Rekuperatorvorgang bei niedriger Temperatur entspricht. In diesem Diagramm sind auch Linien konstanten Volumens dargestellt und es ist ersichtlich, daß der Punkt D auf der Linie von 22 654 1 (800 ft3) Volumen liegt. Aus der obigen Beschreibung ist zu entnehmen, daß der Punkt D auch der Saugleistung des Motors entspricht. Der Punkt G liegt beim normalen Dieselarbeitszyklus auf der Linie von 11 554 1 (4o8 ft3) Volumen. Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Motor erfordert daher nahezu die zweifache Saugleistung eines normalen Dieselmotors Je Kilogrammmol verarbeiteter Luft und obwohl er je Kilogrammol eineIn FIG. 9, the curve AFCGA corresponds to a normal diesel work cycle and the curve ABCEA corresponds to a work cycle according to the invention, with BF corresponding to a recuperator operation at low temperature. Lines of constant volume are also shown in this diagram and it can be seen that point D lies on the line of 22,654 1 (800 ft 3 ) volume. From the above description it can be seen that point D also corresponds to the suction power of the engine. Point G is on the 11,554 1 (408 ft 3 ) volume line for the normal diesel duty cycle. An engine designed according to the invention therefore requires almost twice the suction power of a normal diesel engine per kilogram mole of processed air and although it has one per kilogram mole

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viel größere Arbeit bei viel größerem Wirkungsgrad leistet, beträgt sein mittlerer Wirkungsdruck (BMEP) nur 80 % eines Dieselmotors.does much more work with much greater efficiency, its mean effective pressure (BMEP) is only 80 % of that of a diesel engine.

Die Kurve A-B-K-L-C-G-H-J-A entspricht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei B-K-J-A eine Rekuperatorwirkung bei niedriger Temperatur und K-L-G-H eine Rekuperatorwirkung bei hoher Temperatur ist. Der theoretische Wärmewirkungsgrad dieses abgeänderten Arbeitszyklus beträgt etwa 80,5 % und sein mittlerer Wirkungsdruck liegt etwa 40 % höher als derjenige von normalen Dieselarbeitszyklen, die einen Wärmewirkungsgrad von nur 55 % aufweisen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung liegt der Punkt L theoretisch bei etwa 771° C (1^20° P), was höher ist, als es bei gegenwärtig erhältlichen Rekuperatoren zulässig ist. In der Praxis muß jedoch eine Temperaturdifferenz zwischen den Abgasen und der ankommenden verdichteten Luft herrschen, so daß praktisch die Temperatur der ankommenden verdichteten Luft die etwas flexible Grenze von etwa 619° C (1200° P) nicht überschreitet.The curve ABKLCGHJA corresponds to another embodiment of the invention, where BKJA is a recuperative effect at low temperature and KLGH is a recuperative effect at high temperature. The theoretical thermal efficiency of this modified duty cycle is about 80.5 % and its mean effective pressure is about 40% higher than that of normal diesel duty cycles, which have a thermal efficiency of only 55 % . In this embodiment of the invention, point L is theoretically about 771 ° C (1 ^ 20 ° P), which is higher than is permissible with currently available recuperators. In practice, however, there must be a temperature difference between the exhaust gases and the incoming compressed air, so that in practice the temperature of the incoming compressed air does not exceed the somewhat flexible limit of about 619 ° C (1200 ° P).

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Claims (8)

PatentansprücheClaims %% / 1.] Viertakt-Kolbenverbrennungsmotor mit einer Brennstoff- v—<_ zuführeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verdichten von Luft außerhalb des Motors und zum Kühlen der verdichteten Luft auf eine vorbestimmte Temperatur, zwei Sätze von Einlaß- und Auslaßventilen für jeden Zylinder einschließlich eines Einlaßventils zum Einlassen gekühlter verdichteter Luft in den Zylinder während des Saughubes des viertaktigen Arbeitszyklus des Motors, wodurch die verhältnismäßig kalte Ansaugluft zur Kühlung des MotorZylinders beiträgt, wobei das Einlaßventil nahe dem oberen Totpunkt des Saughubes öffnet und an einem Punkt schließt, bei dem ein vorbestimmtes Luftarbeitsvolumen erreicht ist, eine Zylinderausläßeinrichtung für die gekühlte Luft, welche während des gesamten Saughubes geschlossen und während des Verdichtungshubes geöffnet ist, wenn sich die verdichtete Luft auf dem Spitzendruck des Arbeitszyklus befindet, eine Wärmetauschereinrichtung für zwei Gasströme, welche die Gasströme voneinander getrennt hält, wobei die Wärmetauscheinrichtung eine Einlaßeinrichtung für die gekühlte verdichtete Luft vom Zylinder unter dem Spitzendruck des Arbeitszyklus und eine Auslaßeinrichtung für erhitzte verdichtete Luft aufweist und die verdichtete Luft durch die Wärmetauschereinrichtung als einer der zwei Gasströme strömt, wodurch die gekühlte verdichtete Luft aufgeheizt wird, ein zweites Zylindereinlaßventil/ 1] Four-stroke internal combustion piston engine with a fuel v- <_ feeding means, characterized by means for compressing air outside of the motor and for cooling the compressed air to a predetermined temperature, two sets of intake and exhaust valves for each cylinder including an intake valve for admitting cooled compressed air into the cylinder during the intake stroke of the four-stroke duty cycle of the engine, whereby the relatively cold intake air helps to cool the engine cylinder, the intake valve opens near top dead center of the intake stroke and closes at a point at which a predetermined Air working volume is reached, a cylinder outlet device for the cooled air, which is closed during the entire suction stroke and open during the compression stroke when the compressed air is at the peak pressure of the working cycle, a heat exchanger device for two gas flows, which the gases röme holding separated from each other, wherein the heat exchange means having an inlet means for the cooled compressed air from the cylinder under the peak pressure of the working cycle and an outlet for heated compressed air and the compressed air flows through the heat exchanger means as one of the two gas streams, whereby the cooled, compressed air is heated becomes, a second cylinder intake valve - 3* OQ9887/1U0 - 3 * OQ9887 / 1U0 zum Einleiten der erhitzten verdichteten Luft von der Wärmetauschereinrichtung, wobei sich das zweite Einlaßventil etwa am oberen Totpunkt des nächstfolgenden Leistungshubes öffnet, so daß die in der Wärmetauschereinrichtung erhitzte verdichtete Luft in den Zylinder eingeleitet wird, und wobei das zweite Einlaßventil geöffnet bleibt, bis ein vorbestimmtes Volumen heißer verdichteter Luft in den Zylinder eingeströmt ist, und sodann geschlossen wird, eine Einrichtung zum Einleiten von Brennstoff und zum Verbrennen desselben im Zylinder während wenigstens eines Teils der Periode, während welcher das zweite Einlaßventil geöffnet ist, ein zweites Zylinderventil, welches nahe dem unteren Totpunkt des Leistungshubes öffnet und während des nächstfolgenden Auslaßhubes geöffnet bleibt, eine äußere Gasentspannungsmaschine, wie eine Gasturbine, und eine Einrichtung zum Einleiten von heißem Abgas, welches im Zylinder während des Leistungshubes entsteht, so daß sich die heißen, unter hohem Druck stehenden Abgase in der Maschine auf etwa Umgebungsdruck entspannen und Leistung erzeugen, sowie durch eine arbeitleistende Einrichtung zum Verbinden des Auslasses der Entspannungsmaschine mit mindestens einem Teil der Wärmetauscheinrichtung, so daß die unter niedrigem Druck stehenden Abgase der Maschine gekühlt wer-. den und ihre Wärme an die auf dem Spitzendruck des Arbeitszyklus befindliche, gekühlte Luft abgeben.for introducing the heated compressed air from the heat exchanger means, wherein the second inlet valve opens approximately at top dead center of the next following power stroke, so that in the heat exchanger device heated compressed air is introduced into the cylinder, and the second inlet valve is opened remains until a predetermined volume of hot compressed air has entered the cylinder, and then is closed, means for introducing fuel and burning it in the cylinder a second during at least a portion of the period during which the second intake valve is open Cylinder valve which opens near the bottom dead center of the power stroke and during the next one Exhaust stroke remains open, an external gas expansion machine, such as a gas turbine, and a device for Introducing hot exhaust gas, which arises in the cylinder during the power stroke, so that the hot ones are below High pressure exhaust gases in the machine relax to around ambient pressure and generate power, as well by a work-performing device for connecting the outlet of the expansion machine to at least one Part of the heat exchange device, so that the under low Pressurized exhaust gases from the machine are cooled. den and their heat to those at the peak pressure of the working cycle release any chilled air. 2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheinrichtung zwei Teile aufweist, durch · welche die auf dem Spitzendruck des Arbeitszyklus befindliche gekühlte Hochdruckluft in Reihe strömt und erhitzt wird, wobei die heißen Abgase aus dem weiten Auslaßventil2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that that the heat exchange device has two parts through which the one located at the peak pressure of the working cycle cooled high pressure air flows in series and is heated, with the hot exhaust gases coming out of the wide exhaust valve - 35 -- 35 - 009887/1US009887 / 1US - 35 - ■.■■■■*- 35 - ■. ■■■■ * durch den ersten der zwei Teile der Wärmetauscheinrichtung strömen, wobei diese Wärmetauseheinrichtung · ausreichende Abmessungen besitzt, um die Temperatur der heißen Abgase so zu erniedrigen, daß die Entspannungsmaschine dieselbe aushalten kann, und wobei der zweite Teil mit dem Auslaß der Entspannungsmaschine verbunden ist, so daß die Strömung der auf dem Spitzendruck des Arbeitszyklus befindlichen gekühlten Hochdruckluft in Reihe zuerst durch den zweiten Teil und dann durch den ersten Teil strömt.flow through the first of the two parts of the heat exchange device, this heat exchange device Has sufficient dimensions to lower the temperature of the hot exhaust gases so that the expansion machine can withstand the same, and wherein the second part with the outlet of the expansion machine is connected so that the flow of the cooled high pressure air at the peak pressure of the duty cycle flows in series first through the second part and then through the first part. 3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Mehrzylindermotor ist und Kaltlufteinlaß- und -auslaß-Verteilerleitungen sowie Heißlufteinlaß- und Heißabgase-Verteilerleitungen vorgesehen sind, welche mit den Kaltluft- und Heißluft-Einlaß- und Auslaßventilen verbunden sind, so daß Stoßwellen in der Strömung der heißen und kalten Gase möglichst gering sind.3. Internal combustion engine according to claim 1 and 2, characterized in that it is a multi-cylinder engine and cold air inlet and outlet distribution lines and hot air inlet and hot exhaust manifolds are provided which are connected to the cold air and hot air inlet and outlet Exhaust valves are connected so that shock waves in the flow of hot and cold gases are as low as possible. k. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf am oberen Totpunkt nicht wesentlich größer ist als der minimale Spielraum, welcher erforderlich ist, ' um ein mechanisches Aufeinandertreffen der benachbarten Teile zu vermeiden. . · k. Internal combustion engine according to Claims 1 to 3, characterized in that the distance between the piston and the cylinder head at the top dead center is not significantly greater than the minimum clearance required to avoid mechanical contact between the adjacent parts. . · 5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentspannungsmaschine die äußere Luftverdichtungseinrichtung antreibt und wenigstens einen Teil der Leistung für die Verdichtung liefert.5. Internal combustion engine according to claim 1 to 4, characterized in that that the gas expansion machine drives the external air compression device and at least one Provides part of the performance for the compression. 6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn-6. Internal combustion engine according to claim 1 to 5, characterized -36-009887/1U5 -36-009887 / 1U5 203SSQ203SSQ zeichnet, daß die die Wärmetauscheinrichtung verlassende verdichtete Luft sich auf einer ausreichend hohen Temperatur befindet, um die Selbstzündung beim Einleiten des Brennstoffs zu bewirken.shows that the compressed air leaving the heat exchange device is at a sufficiently high level Temperature is to cause auto-ignition when the fuel is introduced. 7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinleitung etwa in dem Zeitpunkt beginnt, in welchem das zweite Einlaßventil geöffnet wird, und daß die Verbrennung während der Brennstoffeinspritzung im wesentlichen unter konstantem Druck stattfindet.7. Internal combustion engine according to claim 1 to 6, characterized in that that the introduction of fuel begins approximately at the point in time at which the second inlet valve is opened and that the combustion during fuel injection is essentially under constant pressure takes place. 8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinleiteinrichtung Brennstoff einleitet, nachdem ein vorbestimmtes Volumen heisser verdichteter Luft in den Zylinder durch das zweite Einlaßventil eingetreten 1st, und daß der Brennstoff mit solcher Geschwindigkeit verbrannt wird, daß der Druck im Zylinder steigt.8. Internal combustion engine according to claim 1 to 6, characterized in that the fuel introducing device introduces fuel after a predetermined volume of hot compressed air has entered the cylinder through the second inlet valve, and that the fuel is burned at such a rate that the pressure in the cylinder increases. 009887/ 1U5009887 / 1U5 LeerseiteBlank page
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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AT410699B (en) * 1997-08-25 2003-06-25 Bernhard Dipl Ing Feistritzer WORKING METHOD OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE
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