DE2137404A1

DE2137404A1 - Brennkraftmaschine mit luftver schmutzungsfreier Verbrennung und Verfahren fur ihren Betrieb

Info

Publication number: DE2137404A1
Application number: DE19712137404
Authority: DE
Inventors: Richard D. Palo Alto Furlong Dale Austin Sunnyvale; Calif Smith (V.St A.)
Original assignee: Combustion Power Co. Inc., PaIo Alto, Cahf. (V.StA.)
Priority date: 1970-07-30
Filing date: 1971-07-26
Publication date: 1972-02-03
Also published as: CA928178A; US3672341A; FR2101914A6; GB1312881A

Description

PATENTANV./ X L T E

D R. I. M A A 8

DR. VA PFEIFFER ,_{n7/ n/}

DR. F. V O ! T: I Γ£ ν L E ! Γ N E Rl Z IO /HUH

Ü M U .'·. 0 ;·;£!'·; ;. 3
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OLP 1102/1103

Combustion Power Company, Inc. Palo Alto, California /V.St.A.

Brennkraftmaschine mit luftverschmutzurigsfreier Verbrennung und Verfahren für ihren Betrieb

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit luftverschmutzungsfreier Verbrennung nebst Verfahren für ihren

Betrieb und stellt einen Zusatz zum Patent .

(P 20 04 579.8, Anmeldedatum 2. Februar 1970) dar. Ebenso wie die Hauptanmeldung bezieht sie sich auf eine Brennkraftmaschine, in welcher Sauerstoff für die Verbrennung eines Kraftstoffes benutzt wird und ferner Sprühwasser, das aus den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine gewonnen wird, während des Auspuffzyklus dafür verwendet wird, die Wände des Zylinders, des Kolbens, des Auslaßventils, sowie die Auspuffgase für Zwecke zu besprühen, die eingehender in der Hauptanmeldung erläutert sind. Die Erläuterung bzw. Offenbarung dieser Zwecke wird hiermit zum Bestandteil der

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vorliegenden Offenbarung gemacht.

Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung stellt eine Verbesserung dar und bezieht sich auf die Folge des Einspritzens bzw. Einblasens von Sauerstoff und Kraftstoff in den Zylinder. Es wurde nämlich festgestellt, daß sich merklich verbesserte Ergebnisse erzielen lassen, wenn das Einblasen des Sauerstoffs dem Einspritzen des Kraftstoffes vorausgeht. Allgemein ausgedrückt wird ge-r maß der Erfindung eine verbesserte Brennkraftmaschine geschaffen, deren Verbesserung dadurch gekennzeichnet ist, daß-die Einrichtung zum Einblasen einer abgemessenen Sauerstoffmenge in den Zylinder derart gesteuert ist, daß sie Sauerstoff während eines vorbestimmten 'Teils des Verbrennungs- bzw. Moborzyklus einbläst, nämlich dann, wenn verhältnismäßig niedrige Drücke im Zylinder herrschen, so wie vor der Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder.

Genauer gesagt, nachdem^das Auslaßventil geschlossen worden ist, um eine begrenzte Menge von Auspuffgas im Zylinder einzuschließen, und bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, wird eine abgemessene Menge im wesentlichen reinen Sauerstoffs in den Zylinder eingeblasen. Vorzugsweise wird genügend Sauerstoff eingeblasen, um mindestens die stöchiometrisch für die Sauerstoff-Kraftstoff-Verbrennung erforderliche Menge zur Verfügung zu stellen. Es kann auch ein Sauerstoffüberschuß eingeblasen werden, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung zu gewährleisten. Nachdem eine erhebliche Sauerstoffmenge eingeblasen worden ist, werden abgemessene Kraftstoffmengen fortschreitend unter hohem Druck in den bereits im Zylinder vorhandenen Sauerstoff eingespritzt. Eine Glühkerze oder ein anderes geeignetes Zündungselement ist vorzugsweise in der Nähe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung angeordnet, um die

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Verbrennung des .Kraftstoffes und des Oxydationsmittels hervorzurufen. Der Kraftstoff wird zweckmäßig in einer Weise eingespritzt, die der bei einem Dieselmotor entspricht, was das fortschreitende Verbrennen des Kraftstoffes , so wie er eingespritzt wird, gewährleistet.

Mit Ausnahme der Folge der Sauerstoff-Kraftstoff-Speisung und der Art und Weise, in der flüssiger Sauerstoff, falls verwendet, verdampft wird, ist die hierin offenbarte Brennkraftmaschine im wesentlichen die gleiche wie die in der genannten Hauptanmeldung offenbarte und arbeitet auch im wesentlichen gleich. ^

Demnach öffnet das Auslaßventil, sobald die Verbrennung im wesentlichen beendet ist, nachdem anfänglich Sauerstoff und dann Kraftstoff in den Zylinder eingeblasen bzw. eingespritzt wurde, und wird Wasser während des Auslaßhubes eingespritzt, um die Zylinderwände, Kolben, Wölbung, Brennkammer und Abgase durch Verdampfung des Wassers zu kühlen. Es ist zu beachten, daß-das eingespritzte Wasser während der Verbrennung und der Expansion keine wesentliche Kühlung der heißen Gase hervorruft. Das": im Abgas enthaltene Wasser kann in geeigneter Weise kondensiert und erneut den Wassereinspritzdüsen zugeführt werden.

Die Brennkraftmaschine nach vorliegender Erfindung arbeitet vorteilhafterweise nahe stöchiometrischen Temperaturen, da die erheblichen Stickstoffmengen nicht vorhanden sind, die miteingeblasen werden, wenn Luft das Oxydationsmittel darstellt; deshalb muß kein Stickstoff erwärmt werden, lediglich die Verbrennungsprodukte (GOp und HpO), sowie ein etwa vorhandener SauerstoffÜberschuß. Die Verdampfung des Kraftstoffes erfolgt wegen der hohen Flammentemperatur und

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der daraus resultierenden hohen Geschwindigkeit des Wärmeüberganges auf die Kraftstofftröpfchen sehr schnell.

Da der Kraftstoff in eine Umgebung eingespritzt wird, die annähernd die dreifache Sauerstoffkonzentration an Luft aufweist, können die Kraftstoffmoleküle leicht Sauerstoffmoleküle finden, wodurch eine schnelle und vollständige Verbrennung hervorgerufen wird. Zusätzlich zu der sauerstoff reichen Umgebung in dem Zylinder fördern die hohen Flammentemperaturen selber hohe Reaktionsgeschwindigkeiten. Demzufolge sollten im Abgas keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe und kein Kohlenmonoxyd vorhanden sein. Diese großen Reaktionsgeschwindigkeiten könnten in einem herkömmlichen Ottomotor Detonation und Klopfprobleme hervorrufen. .Bei der Brennkraftmaschine nach der Erfindung hingegen wird der Kraftstoff fortschreitend eingespritzt und verbrennt dementsprechend fortschreitend. Unter diesen Umständen begünstigen große Reaktionsgeschwindigkeiten einen gleichmäßigen Betrieb, da sie die Anhäufung unverbrannten Kraftstoffes ausschließen. Diese fortschreitende Verbrennung des Kraftstoffes erlaubt die Verwendung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen, die frei von verschmutzenden Antiklopf-Zusätzen sind, beispielsweise von den verschiedenen bleihaltigen Antiklopf-Verbindungen.

Die Verbrennung von Kraftstoff in einem Gas mit hoher Sauerstoffkonzentration schafft viele Vorteile, von denen eine vollständige Verbrennung und ein hoher Wärmewirkungsgrad die wichtigsten sind. Ferner übertragen die se.hr hohen Temperaturen größere Wärmemengen auf die Wände der Brennkammer und auf den Kolben. Die Urenzbedingungen im Zylinder werden von den Wänden der Brennkammer bestimmt, die bei etwa 2J2 ° C gehalten werden mür.sen, bzw. unterhalb dieser 'Temperatur, um einen Zusammenbruch des ölfilmes zu

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verhindern. Um dies zu erreichen, wird Wasser, wie dies in der Hauptanmeldung erläutert ist, während des Auslaßhubes innerhalb des Verbrennungszyklus in den Zylinder eingesprüht, um den Kolben, den Zylinder und dessen gasförmigen Inhalt zu kühlen. Das SprühwasseE benetzt die Überfläche der .Kammerwände und den Kopf des Kolbens. Die dadurch erzielte Wärmeübertragung ist sehr wirksam, da die Wärme nicht durch die Kammerwände abgeführt werden muß. Ferner kühlt das Sprühwasser die in der Kammer verbleibenden Abgase. Zusätzlich zu der Sprühwasserkühlung werden die üblichen Kühlmethoden für Motoren verwendet.

Die Brennkraftmaschine nach vorliegender Erfindung ist für viele Zwecke verwendbar und ist ideal geeignet für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges. Aus diesem Grunde wird eine Ausführungsform der Erfindung unten eingehender in Anwendung auf eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug beschrieben, wie auch das Betriebssystem für eine derartige Maschine nebst Kraftfahrzeug.

Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Teile in ,jeder der verschiedenen Ansichten bezeichnen.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Zylinders einer luftverschmutzungsfreien Brennkraftmaschine nach vorliegender Erfindung, wobei, bei einer Ausführungsform, die Brennkraftmaschine mit Wasserstoff-Sauerstoff, bei einer weiteren Ausführungsform mit Benzin-Sauerstoff, in einer nächsten Ausführungsform mit Diesel-Kraftstoff-Sauerstoff und in weiteren Ausgestaltungen mit Wasserstoff-1/U.ft oder Benzin-Luft betrieben wird.

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Die Fig. 2A bis 2E sind schematische Ansichten des

Brennkraftmaschinenbetriebes gemäß vorliegender Erfindung, in denen der Betriebsablauf bzw. Verbrennungszyklus der Brennkraftmaschine dargestellt ist;

Fig. 3 zeigt schematisch das uaszufuhrsysbem. für eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung;

Fig. 4 zeigt im Scnema die Verdampfung von. kryogenem flüssigem Sauerstoff durch Kontakt mit den heißen Abgasen.

!ig. 5 zeigt im Schema das Wassersx)rüh-

und Wasserrückgewinnungssystem gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 6 zeigt teilweise als Blockdiagramm

und teilweise als Draufsicht scnematisch die Anpassung der mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Ausführungsform an ein Kraftfahrzeug;

Fig. 7 zeigt eine schematische Seitenansicht des in Fig. 6 dargestellten. Kraftfahrzeuges;

Fig. 8 zeigt, ebenfalls teilweise als Blockdiagramm und teilweise als Draufsicht schematisch die Anpassung der mit Benzin und Sauerstoff betriebenen Ausführungsform an ein Kraftfahrzeug.

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Pur Illustrationszwecke ist die vorliegende Erfindung in Anwendung auf eine Zweitaktmaschine mit vier in Reihe angeordneten Zylindern gezeigt, die jeweils mittels eines Pleuels mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind. Die Maschine weist einen herkömmlichen Kühlmittelraum, eine Kühlmittelpumpe, ein Zündverteilersystem, Auslaßventil und, falls im folgenden nicht anders erwähnt, herkömmliche Zusatzaggregate und RegelungseinxrLchtungen auf.

]?ig. 1 zeigt einen Zylinder der vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweisenden Zweitaktmaschine, die die vorliegende Erfindung erläutern soll, wobei jeder Zylinder eine Bohrung von 6,6 cm und einen Hub von 10,2 cm aufweist. Das Abgas ™ wire, vom Zylinder 31 durch ein einzelnes "Überkopfventil über Abgaskanal 35' und Abgasrohr 35" abgeführt, wobei das Ventil 35 von einem oben liegenden Nocken betätigt wird, der in herkömmlicher, nicht gezeigter Weise angetrieben ist. Mit einem Expansionsverhältnis von 20 : 1 beträgt das VoIumen jeder Brennkammer 6,7 cm/. Die allgemein mit Ί2 bezeichnete Brennkraftmaschine benutzt die Kurbelwelle einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit einem Hub von 10,2 cm. Die Wassersprühdüse 36, die Sauerstoffeinblasdüse 38? die Kraftstoffeinspritzdüse 39 und eine Glühkerze 41 sind sämtlich im Zylinderkopf angeordnet. Die Wassereinspritzung 36 ist in der Bohrung zentriert, um ein gleichförmiges Be- Λ sprühen des Kolbens 32 und der Wände des Zylinders 31 zu gewährleisten. Das V/asser, der Kraftstoff und der Sauerstoff werden von einem Ventil 42 abgemessen, das von einem Hilfsnocken auf einer Welle 43 angetrieben wird, wobei die Welle 43 ihrerseits in herkömmlicher, nicht gezeigter Weise von der Kurbelwelle 34 angetrieben wird. Das Kraftstoff zumeßventil ist vom Sauerstoffzumeßventil getrennt, um eine völlige Trennung der Stoffe bis zum Einspritzen bzw. Einblasen ind ie Brennkammer zu gewährleisten. Eine

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typische, gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Brennkraftmaschine ist beispielsweise 68,5 cm lang, 63,5 cm hoch, 38 cm "breit und wiegt etwa 100 kg.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird Wasserstoffgas als Kraftstoff und Sauerstoffgas als Oxydationsmittel verwendet. Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein flüssiger Kohlenwasserstoff wie Dieselkraftstoff oder Benzin als Kraftstoff verwendet und Sauerstoffgas als Oxydationsmittel. Nachdem die Wasserstoff- und Sauerstoffgase, wie weiter unten eingehender beschrieben werden wird, unter ausreichendem Druck stehen, werden sie von den entsprechenden Aufbewahrungstanks Drosselventilen und Zumeßventilen, die vom Hilfsnocken auf der Welle 23 angetrieben werden, über geeignete, mit den entsprechenden Aufbewahrungstanks verbundene Leitungen zugeführt. Wenn flüssiges Benzin als Kraftstoff verwendet wird, wird dieses Benzin vom Tank, der unter atmosphärischem Druck steht, zu Drossel- und Zumeßventilen gepumpt, wobei die Pumpe einen ausreichenden Druck erzeugt, damit das flüssige Benzin in der erforderlichen Menge in den Zylinder eingespritzt werden kann.. Zu diesem Zweck kann eine Pumpe verwendet werden, die in herkömmlicher Weise von der Kurbelwelle 34- angetrieben ist und geeignete Drossel- und Zumeßeinrichtungen aufweist. In gleicher Weise wird eine solche Pumpe für die Zufuhr von Wasser mit ausreichendem Druck zum Zwecke der Sprühkühlung Jedes Zylinders verwendet.

Es wird nunmehr auf die Fig. 2A bis 2D Bezug genommen, in denen das typische Arbeitsspiel einer Brennkraftmaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, bei welcher Wasserstoffgas als Kraftstoff und im wesentlichen reines Sauerstoffgas als Oxydationsmittel verwendet wird. In !'ig. 2A ist einer der Zylinder 31 der Brennkraft-

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maschine mit einem Kolben 32 gezeigt, der über eine Pleuels bange 33 mit der Kurbelwelle 34 verbunden ist. Der Kolben 32 ist nahe dem Ende des Arbeitshubes nach der Verbrennung des gasförmigen Wasserstoffes und im wesentlichen reinen Sauerstoffes gezeigt. Die Verbrennungsprodukt e sind expandiert worden, z.B. 20 : 1, und das Auslaßventil 35 ist dabei, zu öffnen.

Das Auslaßventil 35 öffnet kurz vor dem unteren Totpunkt, und die heißen Gase in dem Zylinder blasen bis herunter auf einen niedrigen"Druck aus, wobei sich das Gas in dem Zylinder adiabatisch entspannt. Kurz nach dem Abblasen des überhitzten Dampfes im Zylinder beginnt die Wasserein- ™ spritzung durch die Einspritzdüse 36, um die Zylinderwände, die Kolben und Auslaßventile zu kühlen (siehe ü'ig. 2B). Das Auslaßventil 35 wird während eines Teiles des Auslaß-Jaubes offengelassen, um die Entleerung eines Teiles der Abgase durch das Abgasrohr 35" zu erlauben. Während dieses Teiles des Auslaßhubes hat der Kolben 32 den größeren Teil des eine hohe Temperatur aufweisenden Dampfes aus dem Zylinder gespült. Ein Teil dieses Dampfes wird direkt durch die Verdampfung des eingespritzten Wassers gekühlt, wenn dieses gegen die Wände gesprüht wird. Das auf die Wände, den Kolbenkopf und das Auslaßventil auftreffende Wasser verdampft augenblicklich zu Wasserdampf niedriger Temperatur, der ä

sich mit dem restlichen Wasserdampf hoher Temperatur mischt und diesen weiter kühlt. Ein Teil dieses Dampfes strömt dann zusammen mit dem restlichen Dampf aus dem Auslaßventil.

Das Auslaßventil 35 ist vor Beendigung des Auslaßhubes geschlossen (siehe JPig. 2B), um eine begrenzte Abgasmenge im Zylinder zu behalten. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel wird das Auslaßventil geschlossen, sobald der

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Kolben eine Stellung erreicht hat, in der lediglich ein Volumenverhältnis von 5 '· 1 verbleibt. Zu dem Zeitpunkt, in dem das Auslaßventil geschlossen ist, Lst das im Zylinder über dem Kolben verbleibende Volumen mit gesättigtem Dampf gefüllt.

Zum Schließzeitpunkt des Auslaßventils 35 wird mit dem Einblasen von im wesentlichen reinem, gasförmigem Sauerstoff seitens der Einblaseinrichtung 38 begonnen (siehe Fig. 2C). Dieses Einblasen findet sbatt zwischen lern Schließen des Auslaßventils und dem Erreichen des oberen Totpunktes seitens des Kolbens, d.h., bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht; gleichzeitig herrschen verhältnismäßig niedrige Drücke, beispielsweise kleiner als

etwa 300 psia * 21,O9kp/cm , im Zylinder. Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise ein SauerstoffÜberschuß von annähernd 15 % eingeblasen, um eine vollständige Verbrennungsicher zustellen.

Mit der Kraftstoffeinspritzung wird begonnen, nachdem ein wesentlicher Teil der abgemessenen Sauerstoffmenge eingeblasen worden ist, so daß der Kraftstoff fortschreitend in die im Zylinder vorhandene, sauerstoffreiche Umgebung eingespritzt wird. Die Kraftstoffeinspritzung wird begonnen, nachdem Sauerstoff eingeblasen worden ist (wie in Fig. 2C gezeigt ist), jedoch bevor der Zylinder beim Auslaßhub seinen oberen Totpunkt erreicht. Die Stellung des Kolbens bei Beginn der Kraftstoffeinspritzung isu schematisch durch die strichpunktierte Linie A in Fig. 2G gezeigt. Diese sauerstoffreiche Umgebung, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, vergrößert die Möglichkeit für ein Kraftstoffmolekül, mit einem Sauerstoffmolekül zusammenzustoßen, um eine wirkungsvollere Verbrennung zu erzielen. Der Kraftstoff wird in der Nähe einer heißen Glühkerze 4-1 einge-

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spritzt, die die Zündung des Sauerstoff-Kj?aftstoff-Gemisches am oberen Totpunkt hervorruft (siehe Fig. 2D). Der Kraftstoff wird unter hohem Druck eingespritzt, der größer ist als der, welcher im Zylinder vorhanden ist. Während der Kraftstoffeinspritzung kann der Druck im Zylinder zweckmäßigerweise zwischen etwa 300 und I3OO psia «

21,09bis 91,4- kp/cm variieren.

Die resultierende Verbrennung findet in erster Linie in einem Bereich statt, der die Kraftstoffeinspritzdüse 39' umgibt und erzeugt ein graduelles und fortschreitendes Verbrennen des Kraftstoffes, was praktisch zu einer Eliminierung des Klopfens innerhalb der Brennkraftmaschine führt.

Es ist nicht wesentlich, daß der gesamte Kraftstoffbedarf eingespritzt wird, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht; der verbleibende Teil des Kraftstoffes kann natürlich eingespritzt werden, nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat und seinen abwärts gerichteten Arbeit shüb beginnt, wie in Fig. 2E gezeigt ist.

Die Fig. 2D zeigt Zündung im oberen Totpunkt des Auslaßhubes, wo die Verbrennung beginnt und den Druck und die Temperatur im Zylinder erhöht. Als nächstes wird das überhitzte Sas 20 : 1 im Arbeitshub entspannt, um die Leistung abzugeben (sie Fig. 2E). Das überhitzte Gas überträgt War- ä me auf die Wäiite, die zusätzlich zur Kühlung durch den Wasserraum 31^f auch durch das interne Wassereinsprühen beim nach oben gerichteten Auslaßhub gekühlt werden. Sobald der Kolben den unteren Totpunkt erreicht (Fig. 2A), beginnt das Arbeitsspiel aufs neue mit der Einleitung des aufwärts .gerichteten Auslaßhubes.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung

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wird ein flüssiger Kohlenwasserstoff als Kraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff oder Benzin, eher als Wasserstoff, mit im wesentlichen reinem Sauerstoff verbrannt, um eine Zweitakt-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher sich die Höchstleistung im Bereich von 25 bis 50 HP S / PS bewegt. Obgleich eine solche Maschine in der Lage ist, eine Maximalleistung von 200 HP £ /⁼ und ein Drehmoment von 250 lbs-ft i^Zj-^mkp zu erbringen. Für. "Vergleichszwecke ist die Brennkraftmaschine nach dieser Ausführungsform mit der gleichen Kompression, der gleichen Bohrung und dem gleichen Hub ausgebildet wie die oben beschriebene, Wasserstoff und Sauerstoff verwendende luftverschmutzungsfreie Brennkraftmaschine. Die Dieselkraftstoff oder Benzin und Sauerstoff verbrennende Maschine arbeitet grundlegend mit demselben Zyklus bzw. Arbeitsspiel wie die Wasserstoff und Sauerstoff verbrennende Maschine, wobei der Sauerstoff die Kohlenwasserstoffe in dem Kraftstoff vollständig oxydiert. Dementsprechend können säuerst off reiche Mischungen verwendet werden, um den Kraftstoff sorgfältig zu verbrennen, ohne daß die übliche Erzeugung von Stickstoffoxyden erfolgt, wie es bei den herkömmlichen Brennkraftmasahinen der Fall ist, bei welchen Luft verwendet wird.

Der Betrieb der Brennkraftmaschine entsprechend dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen dem unter Hinweis auf die Fig. 2A bis 2E beschriebenen Betrieb, wobei jedoch flüssiger Dieselkraftstoff oder Benzin anstelle von Wasserstoff durch die Leitung 39 in den Zylinder geführt wird. Der flüssige Kraftstoff wird in einer Gasmischung mit hoher Sauerstoffkonzentration verbrannt, und zwar zweckmäßig mit einem SauerstoffÜberschuß von 15%. Als Ergebnis sind am Ende des Verbrennungshubes, wie in Fig. 2A gezeigt, die Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffes vollständig zu Wasser

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/⁼ 197,28 PS - 12 -

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•und Kohlendioxyd oxydiert.

Wie bei der Wasserstoff und Sauerstoff verbrennenden Maschine wird als erstes eine erhebliche Menge Sauerstoff eingeführt, wonach die Kraftstoffeinspritzung in die sauerstoff reiche Umgebung erfolgt, um eine wirkungsvolle Verbrennung hervorzurufen.

Bei dieser .Benzin und Sauerstoff verwendenden Ausführungsform der Erfindung werden die Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe im wesentlichen vollständig verbrannt, um das luftverschmutzende üohlenmonoxyd zu eliminieren, sowie unverbrannte Kohlenwasserstoff- und Stickstoffoxyde, die sich normalerweise bei der Verwendung von Benzin und Luft in Bremskraft- f maschinen ergeben. Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Urzeugung von Stickstoffoxyden nicht möglich, da das Element Stickstoff im Zylinder nicht vorhanden ist. Darüberhinaus wird ein inniger Kontakt zwischen den Benzinmolekülen und den Sauerstoffmolekülen vollzogen, wenn das Benzin in dem hochkonzentrierten Sauerstoffmilieu gemäß der Erfindung verbrannt wird. Im Vergleich zur Verbrennung des gleichen Kraftstoffes in Luft ist die Brenngeschwindigkeit erhöht, die Temperatur der Verbrennungsprodukte ist höher und die Vollständigkeit der Verbrennung des Kraftstoffes ist sichergestellt.

In Figo 3 ist eine schematische Darstellung des Lagerungsund Einblassystems für das Sauerstoffgas bei der Brennkraftmaschine nach vorliegender Erfindung gezeigt. Das Sauerstoffgas wird anfänglich in Aufbewahrungstanks bei einem Druck, der höher ist als der Einblasdruck, gelagert. Das Gaseinblassystem der dargestellten Ausführungsformen verwendet den niedrigstmöglichen Gaseinblasdruck um größtmöglichen Vorteil aus dem Fassungsvermögen der Aufbewahrungstanks zu ziehen* Fällt der Druck unter den Gaseinblas-

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druck, so beginnt die Brennkraftmaschine an Leistung zu verlieren, wodurch der Wahrer darauf hingewiesen wird, an einer Tankstelle zu halten und die Tanks erneut zu füllen.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Sauerstoff in einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Aufbewahrungstanks 51 gelagert. Die Einblasleitung 33 für den Sauerstoff sorgt für die Verbindung zwischen den Tanks 51 und- dem Zylinder $1. Der Sauerstoff wird zweckmäßig bei einem Arbeitsdruck von etwa 5000 psia »351,5kp/cia gelagert. Die .Leitung 38 enthält ein Schließventil 53 > einen Jruckminderregler 54- zur Verminderung des Sauerstoff druckes auf einen verhältnismäßig geringen Druck, der ausreicht, um den Sauerstoff in den Zylinder zu blasen, und ein Drosselventil 55· Das Schließventil 53 wird von dem Zündschlüssel des Kraftfahrzeuges betätigt. An der Brennkraftmaschine strömt der Sauerstoff durch das Drosselventil 55, das von dem nicht gezeigten Gaspedal des Kraftfahrzeuges geregelt wird,, und ein Zumeßventil 4-2, das von der Welle 4-3 angetrieben¹ wird, um Sauerstoff zum geeigneten Zeitpunkt des Arbeitsspieles in den Zylinder einzublasen.

Das Wasserstoff-Lager-und Einblassystem bei dem Wasserstoffgas als Kraftstoff verwendenden Ausführungsbeispiel ist ebenfalls in Fig. 3 gezeigt und entspricht dem Sauer-™ stoffsystem. Es umfaßt eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Drucktanks 65> ein Schließventil 66, ein Druckminderventil 67 und ein Drosselventil 63. Das .urosselven-.til 68 und das Wasserstoff-Zumeßventil 4-2 werden in einer Weise betätigt und geregelt, die derjenigen bei den Drossel- und Zumeßventilen für den Sauerstoff entspreche

Als Alternative zu der Lagerung des Sauerstoffgases unter hohem Druck kann auch eine Aufbewahrung in Form von kryogenem flüssigem Sauerstoff in geeignet isolierten Tanks erfolgen,

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und zwar in einer Anordnung, die der in Fig. 4- gezeigten entspricht.

In diesen Ji'all ist es nötig, Einrichtungen für die Verdampf ung des (Sauerstoffes vorzusehen, "bevor dr'.oser in den Zylinder einget>lasen wird. Diese zur Verdampfung nöüige Värme kann, wie schematisch in Fig. 4 gezeigt ist, aus den Abgasen der Brennkraftmaschine dadurch zurückgewonnen werden, daß man einen Strom flüssigen Sauerstoffes 9ü und den Abgasstrom 71' durch einen herkömmlichen Wärmetauscher 91 führt, in dem die Wärme der Abgase für die Verdampfung des flüssigen Sauerstoffes genutzt wird. Der % verdampfte Sauerstoff wird sodann durch eine Einblasleitung 38, die in der erforderlichen Weise mit geeigneten, herkömmlichen Ventilen versehen ist (in Fig. 4 nicht gezeigt), der Brennkraftmaschine zugeführt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann flüssiger Sauerstoff dadurch verdampft werden, daß man ihn als Kühlflüssigkeit im Kondensator 75 des Systems für die Wasserrückgewinnung aus dem Abgas verwendet, wie nachstehend näher erläutert wird. In diesem Fall wird die beim Kondensieren des Wassers seitens des kalten, flüssigen Sauerstoffes frei werdende Verdampfungswärme für das * Verdampfen des flüssigen Sauerstoffes verwendet.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird Wasser für die interne Wassersprühkühlung der Zylinderwände, des Kolbens, der Wölbung, der Brennkammerwände und der Abgase dadurch beschafft, daß man das Wasserdampf-Verbrennungsprodukt und das für Kühlzwecke verwendete Sprühwasser, die aus dem Abgaskanal 35' austreten, kondensiert. Das Abgasrohr 35" ist über eine Leitung 71 mit dem Oberteil eines Heißdampfkühlers 72 verbunden, der seinerseits in Bodennähe

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mit einem Kondensator 75 verbunden ist. 13a die wacsermenge für die Wassersprühkühlung geringer ist als die durch das Auslaßventil 35 und das Abgasrohr 35" ausgeblasene Wasserdampfmenge, kann ein Teil der Abgase durch eine Leitung 71' in die Atmosphäre abgeführt werden. Durch das Röhrensysteni 74- im Kondensator 75 läßt man Wasser oder kühlmittel aus dem Heizungs- und Kühlsystem der Maschine 12 zirkulieren. Wahlweise kann man flüssigen Sauerstoff aus den Aufbewahrungstanks 51 durch das Röhrensystem 74- zirkulieren lassen, wie oben erläutert ist, um den flüssigen Sauerstoff vor seinem Einblasen in den Zylinder 31 zu verdampfen.

Da^s aus den Abgas im Kondensator 75 kondensierte Wasser wird durch eine Leitung 77 einem Reservoir 76 zugeführt;, das eine 'Überlaufleitung 80 zum Auslassen überschüssigen Wassers in die Atmosphäre aufweist. Das Reservoir 76 ist über eine Leitung 76'? die wiederum über eine Leitung 77' mit dem Kondensator 75 verbunden ist, mit einer Pumpe 7^C) verbunden. Von der Pumpe 78 wird das Wasser durch das Drosselventil 79 und das Zumeßventil 4-2 der Wassereinsprübdüse 36, und, über ein Ventil 79" und eine Leitung y?, dem Sprühkopf im Heißdampfkühler 72 zugeführt. Heißdampfkühler 72, Kondensaten? 751 Reservoir 76, Pumpe 78 und die verschiedenen Leitungen sind mit kleinen Ventilen bzw. Auslassen versehen, so daß nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine jedwedes im System verbleibende Wasser in die Atmosphäre entlassen wird. Auf diere Weise wird ein Einfrieren des Systemes dort vermieden, wo die Außentemperatur sich unterhalb des Gefrierpunktes befindet und die Brennkraftmaschine für eine längere Zeit abgestellt wird. In d3n erläuternden Ausführungsbeispielcn wird in jeden Zylinder bei jedem Auslaßhub genügend Wasser eingesprühb, um die Zylinderwände, den Kolben, die Wölbung, die Brenn-

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kammerwände und die Abgase zu füllen. Dieses Wasser wird durch den in ifig. 1 gezeignen Sprühkopf 36 als ein m'ibbel-■ feiner öpr-ühsbrahl in den Zylinder eingespritzt. Isb er zu fein, dann wird der Sprühstrahl verdampfb und erreicht nicht die Zylinderwände und den Kolbenkopf zur Kühlung. Ist er zu grob, dann verteilt sich das Sprühwasser nicht gleichmäßig auf den Zylinderwänden. Vorzugsweise werden an der Wassersprühdüse lediglich Nenndrücke, beispielsweise 120 psia » 8,44 kp/cm verwendet. Die Menge des einzusprüheriden Wassers wird durch ein Ventil 79 gesteuert (Fig. 5)· -Uas Wasser wird nicht in den Zylinder eingespritzt, um die heißen Gase während der Verbrennung und Expansion zu kühlen und dabei die Temperaturen, denen die Kolben- und Zylinderwände während der Verbrennung unterworfen sind, zu verringern. Vielmehr erlaubt man das Entstehen von maximalen Verbrennungstemperaburen, um eine Brennkraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung zu schaffen. Das Wasser wird eingespritzt, nachdem die Verbrennung im wesentlichen vollsbändig ist, um diejenigen Teile der Brennkraftmaschine schnell zu kühlen, deren Temperaturen durch die Wärme erhöht worden sind, die durch die heißen Verbrennungsgase auf sie übertragen wurden.

Die Brennkraftmaschine nach der vorliegenden Erfindung, ob nun die Ausführungsform, bei der der Kraftsboff Wasserstoff ist oder bei der Ausführungsform, bei der der Kraftstoff flüssiger Kohlenwasserstoff ist, läßt sich im Vorderteil oder im Heck eines Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von der Konstruktion derselben einbauen; es ist in herkömmlicher Weise mit dem Antrieb verbunden, beispielsweise mittels einer herkömmlichen Kraftübertragung,, eines Drehmomenbwandlers oder dgl. Die Tanks, ob sie nun Wasserstoff und Sauer'stoffgase oder einen flüssigen Kohlenwasserstoff und Sauerstoffgas enthalten, sind in dem Fahrzeug an geeig-

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neter Stelle angeordnet, wo sie nicht; im Wege sind und bequem gefüllt werden können. Aus Gründen der Sicherheit sind die Tanks jedoch an verschiedenen Stellen des Fahrzeuges angeordnet.

Bei der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsform ist eine Zweitakt-Brennkraftmschine 12 vor dem Passagierraum 13 des allgemein mit 12 bezeichneten Fahrzeuges angeordnet. Bei dieser Ausführungsforra wird der brennstoff für die Maschine 12 aus Wasserstofftank 16 bezogen, die an eier Rückseite des Passagierraumes 13 angeordnet sind und über eine Leiste 17 mit der Maschine 12 verbunden sind. Das Oxydationsmittel wird aus Sauerstoff tanks i-'i- zugeführt, die an der Vorderseite des Passagierraumes 13 angeordnet; und mit der Maschine 12 über eine Leitung 15 verbunden sind. Die Sauerstoff tanks 14- werden aus Sauerstoff -Layertanks, beispielsweise aus Tank 18 an einer Tankstelle, über eine Leitung 21 aufgefüllt, die eine Schnellkupplung zur Verbindung mit einem geeigneten Fitting am Fahrzeug aufweist. Me Wasserstofftanks 16 werden in gleicher V/eise aus 'Wasserstoff-Lager tanks 19 über eine Leitung 22 aufgetankt.

in Fig. 8 ist diejenige Ausführungsform der Erfindung in Anpassung an einen Personenkraftwagen gezeigt, bei ν/βίο her Benzin als .kraftstoff und Sauerstoff als Oxydationsmittel bei einer Zweitaktbrennkraftmaschine nacn vorliegender Erfindung verwendet werden. Die Maschin e 12' ist vor dem Passagierraum 13' angeordnet; der Kraftstoff wird der Maschine 12' über eine Leitung 17' vom benzintank 16' zugeführt. Die Benzintanks 16' und die Maschine 12' sind vor dem Passagierraum 13' angeordnet. Die oaue^tofftanks 14·' sind hinter dem Passagierraum 13' bzw. am deck angeordnet und über eine Leitung 15' mit der Maschine 12' verbunden. Die Benzintanks 16' werden aus an der Tankstelle vorhandenen Benzin-Lagertanks 19' über eine Leitung 22'

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aufgoüankt;, ηηό. zwar in. der für das Auftanken-von Personenkraftwagen mit konventionellen Viertakt motoren ^:übl:ichen Weise, Das Sauerstoff gas für das Auftanken der o3"ierstofftanks 14-' des Fahrzeuges wird von jüagertanks 13' für flüssigen Sauerstoff bezogen, die in der tankstelle" vorgesellen sind, und zwar über eine Leitung 21' durcii einen Converter 20'. Sowohl am Fahrzeug als auch am ünde der Leitung 21' ist eine geeignete Schnellkupplung für die /zufuhr von Saueostoff vom converter 20' zu den Sauerstoff caiüts 14* vox'gesehen. Diese Sc Im el lkupp lung dient an Fahrzeug auch dazu, beim Trennen der Verbindung einen Absnluli z.u bewirken, wenn das Ende der Leitung 21 vom VerbiiKiungsteil des Fahrzeuges entfernt wird. Bei der Λ jienzin und Wasserstoff verwendenden, soeben beschriebenen Aus führung s form kann das Jienzin durch Dieselkraftstoff ersetzt werdan.

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Claims

Patentansprüche

.j Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 des Patentes <>..

-^ (Pat.-Anm. P 20 04 579.8), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einspritzen bzw. -blasen einer abgemessenen fienge Sauerstoff in den Zylinder derart gesteuert ist, daß der Sauerstoff während eines vorbestimmten Teils des Verbrennungszyklus eingeblasen wird, nämlich dann, wenn im Zylinder verhältnismäßig niedrige Drücke vorhanden sind, sowie vor dem Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sauerstoffzumeßeinrichtung ein Ventil (42) aufweist, welches von einem Hilfsnocken auf einer ihrerseits von der Kurbelwelle (.34) angetriebenen Welle (43) angetrieben ist, und daß der Kraftstoff, gesteuert von einer ebenfalls vom Hilfsnocken angetriebenen Kraftstoffzumeßeinrichtung,nach dem Einspritzen einer erheblichen Menge Sauerstoff in den Zylinder eingeblasen wird, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß das Einblasen von Sauerstoff nach dem Schließen des Auslaßventils in^vVorbereitung des Kompressionshubes beginnt und vor dem Ende des Kompressionshubes beendet wird, während die dem Einblasen des Sauerstoffes folgende Kraftstoffeinspritzung vor dem Ende des Kompressionshubes beginnt und vor oder nach demselben beendet wird.
3» Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Sauerstoffquelle mit einer

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Mehrzahl untereinander verbundener, isolierter Lagertanks C14-', 51), welche flüssigen Sauerstoff enthalten, der durch eine zwischen den Tanks und der Einrichtung zum Einblasen des Sauerstoffs angeordnete Einrichtung (91) verdampft wird.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung einen Wärmetauscher (91) aufweist, durch den ein Strom flüssigen Sauerstoffs und heiße Abgase geführt sind, wobei die Wärme der letzteren zum Verdampfen des flüssigen Sauerstoffs dient.
5· Brennkraftmaschine nach Anspruch ^, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Rückgewinnung von Wasser aus den Abgasen mit einem Kondensator, durch den der flüssige Sauerstoff als kühlflüssigkeit geführt ist, um die Wasserdampf-Verbrennungsprodukte zu kondensieren, wobei die beim Kondensieren des Wasserdampfes erhaltene Verdampfungswärme zum Verdampfen des flüssigen Sauerstoffs dient.
6. Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine stöchiometrische rienge im wesentlichen reinen Sauerstoffs nach dem dchließen des Auslaßventils in den Zylinder eingeblasen wird, während in dem Zylinder verhältnismäßig niedriger Dr-ick herrscht, sowie vor dem Ende des Kompressionshubes, und daß danach eine abgemessene Kraftstoffmenge unter Hochdruck in den Zylinder eingespritzt wird, um eine fortschreitende Verbrennung des Kraftstoffes, so wie er eingespritzt wird, zu erzielen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten verhältnismäßig niedrigen

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Drücke geringer sind als . ^OO psia ~ 2T,09 kp/cm*".
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet , daß der verwendete oJX'uck in dem Zylinder während der Kraftstoffeinspritzung zwischen etwa 300 - 1300 psia - 21,09- 91,4 kp/cm² liegt.
9· Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis ¹^, dadurch gekennzeichnet , daß die Sauerstoffmenge, die eingeblasen wird, einen 15/'oigen i/berschuß über aie süöchiometrisch erforderliche iuenge hinaus aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η a e i c h net, daß das Auslaßventil geschlossen wird, aobalo. ö.er Kolben im Zylinder wahrend des Auslaßhubes eine dcellung erreicht, bei welcher im Zylinder ein Volumenverliälcnis von annähernd h : 1 vorhanden ist.

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L e.e r s e ι t e