DE2410948B2 - Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren und nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine Brennkraftmaschinenanlage zur < >" Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff von Anspruch 8.

Es ist ein Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren der angegebenen Gattung bekannt (DLi-PS 1H0 0J7), bei dem Verbrennungsluft außerhalb des Arbeiis/.ylinders "■ verdichtet wird, verdichtete Luft und Brenngas in vorbestimmten Mengen getrennt /u einer in den Arbeitszylinder führenden Brennerdüse geführt, in dieser vermischt und nach Zündung im Arbeitszylinder mit einem geringen Luftüberschuß ohne Drucksteigerung verbrannt werden, wobei die Energie der ungekühlt expandierenden Verbrennungsgase auf den Arbeitskolben übertragen wird und die Abgase dann aus dem Arbeitszylinder abgeführt werden. Bei diesem Arbeitsverfahren wird nach beendeter Füllung des Arbeitszylinders die Verbrennung derart eingeleitet und durchgeführt, daß keine Explosion eintritt, sondern eine gleichzeitige starke Expansion des zur Füllung des Zylinders verwendeten Gemisches bei annähernd gleichbleibendem Druck stattfindet, worauf nach beendeter Verbrennung eine adiabatische Expansion der Verbrennungsgase erfolgt. Erreicht wird dieser Verbrennungsablauf durch eine hohe Kolbengeschwindigkeit im Zeitpunkt der Zündung und damit eine ausreichend schnelle Volumenzunahme im Arbeitszylinder. Dieses Arbeitsverfahren bietet den Vorteil, daß auch Brenngase mit vergleichsweise geringem Energieinhalt, z. B. Generatorgas oder Hochofengas, eingesetzt werden können. Wie bei anderen Brennkraft-Arbeilsverfahren auch ist jedoch der effektive Wirkungsgrad gering, was hauptsächlich auf die hohen Wärmeverluste bei der Expansion der Verbrennungsgase und bei der Kompression der vorher zu verdichtenden Brenngase und der Luft sowie auch auf den hohen Wärmeinhalt der Auspuffgase zurückzuführen ist.

Bei einem anderen bekannten Arbeitsverfahren für Gleichdruck-Brennkraftmaschinen (DE-PS 2 86 050) erfolgt die Kompression der Verbrennungsluft und die Expansion der Verbrennungsgase zweistufig, indem die Abgase des Verbrennungszylinders zum Vorkomprimieren der Verbrennungsluft auf 2 bis 4 at herangezogen werden und sich an diese Vcrkompression die Weiterverdichtung auf einen Verbrennungsdruck von etwa 45 at anschließt. Während der Vorkompression und der weiteren Verdichtung wird die Selbstzündungstemperatur des Brennstoffes erreicht, wobei auch eine zusätzliche Aufheizung der Verbrennungsluft vor Eintritt in den Arbeitszylinder möglich ist. Eine äußere Erwärmung der Verbrennungsluft oder des Gemisches auf die Selbstzündungstemperatur ist auch in der DE-PS I 22 377 beschrieben.

Aus der DE-PS 1 61 687 ist ein Ladeverfahren für Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren bekannt, bei dem zum Erhalt eines stöchiometrischen Mischungsverhältnisses des Brennstoffes und der Verbrennungsluft mehrere Viertaktperioden nacheinander ablaufen, wobei im Arbeitszylinder in verschiedenen Kolbenhüben die Verbrennungsluft und ein Brenngas oder verdampfte Brennstoffe angesaugt und verdichtet werden.

Aus der AT-PS 38 701 ist ein Arbeitsverfahren für Brennkraftmaschinen mit äußerer Aufladung der Gemischkomponenten bekannt, bei dem die Verbrennungsluft durch die heißen Abgase aufgeheizt wird und der Verbrennungsvorgang unter Gleichdruck abläuft.

Bei einem aus der DE-AS 10 20 829 bekannten Brermkraft-Arbeitsverfahren wird flüssiger Brennstoff in die außerhalb des Arbeitszylinders hochverdichtete Luft eingespritzt, wobei zur Verdichtung der Verbrennungsluft ein Kolbenverdichter dient. Die Verbrennungsluft wird annähernd isotherm komprimiert und durch die heißen Abgase in einem gesonderten Wärmeaustauscher auf die Selbstzündungstemperatur aufgeheizt. Während des gesamten Arbeit.shubes wird Brennstoff in vorbestimmten Mengen in den Arbeitszylinder eingespritzt, so daß zunächst eine isobare Erwärmung bis zur Höchsttemperatur erreicht wird und

darauf die Verbrennungsgase bis zur völligen Expansion auf annähernd dieser Temperatur bleiben.

Allen genannten Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren ist der Nachteil eines relativ geringen effektiven Wirkungsgrades gemeinsam, der neben den Wärmeverlusten durch die heißen Abgase zum überwiegenden Teil auf die notwendige indirekte Kühlung der Arbeitszylinder zurückzuführen ist. Aufgrund der Eigenschaften der Kolben- und Zylindermaterialien sowie der gebräuchlichen Schmieröle dürfen die Wandtemperaturen der Zylinder bzw. der zu schmierenden Gleitflächen der Laufbuchsen Temperaturen von 220 bis 25O⁰C nicht übersteigen. Da die mittleren Temperaturen im Zylinderraum um ein Vielfaches höher liegen, wird ein erheblicher Teil der von den heißen Verbrennungsgasen auf die Zylinderwände übertragenen Wärme durch Wasser- oder Luftkühlung abgeführt. Diese notwendige Kühlung der Zylinderwände führt in mehrfacher Hinsicht zu den insgesamt hohen Wärmeverlusten. Durch die großen Temperaturdifferenzen zwischen dem Zylinderinneren und den gekühlten Zylinderwandungen werden insbesondere bei der Verbrennung des Gemisches, bei der Expansion der heißen Verbrennungsgase und während des Auspuffs erhebliche Mengen an Wärmeenergie an die Zylinderwandungen abgegeben und von den Kühlmitteln abgeführt.

Durch diese Abkühlung der Wandungen des Arbeitszylinders entsteht der weitere Nachteil, daß die Verbrennung im Bereich der gekühlten Wände unter einer niedrigeren Temperatur abläuft als im Zentrum. Dies führt zu einer insgesamt unvollkommenen Verbrennung mit relativ hohen unverbrannten Bestandteilen in den Abgasen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit wesentlich geringeren Wärmeverlusten behaftetes Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren aufzuzeigen und eine danach arbeitende Kolbenbrennkraftmaschine mit entsprechend höherem effektiven Wirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 sowie diejenigen des Ansnruchs 8 gelöst.

Zur Verhinderung von Überhitzungen im Arbeitszylinder kann zweckmäßig Heißdampf der Verbrennungsluft oder dem Gas-Luftgemisch zugesetzt werden. Zur weiteren Verbesserung der Energiebilanz ist es vorteilhaft, diesen Heißdampf in einem Wärmelauscher durch die heißen Abgase zu erzeugen. Die Verbrennungsluft kann isotherm bis auf jeden gewünschten Druck komprimiert und danach durch die heißen Abgase bis auf eine geeignete Temperatur erwärmt werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Kolbenbrennkraftmaschinenanlage, bei der den Zylindern über gesonderte Kanäle und mindestens eine gesteuerte Brennerdüse vorkomprimierl ein gasförmiger Kraftstoff und die Verbrennungsluft zugeführt und das in der Brennerdüse gebildete Gemisch in den Zylindern ohne wesentliche Drucksteigerung verbrannt wird, zeichnet sich aus durch einen gesonderten Lu Γ !kompressor zum annähernd isothermen Verdichten der Verbrennungsluft, einen von den Abgasen beheizten Wärmetauscher zum Aufheizen der komprimierten Verbrennungsluft, ein eine Teilmenge der komprimierten, aufgeheizten Luft abzweigendes Ventil, eine Hinrichtung zum Vergasen und/oder Komprimieren des Kraftstoffes, die mit der Tcilltift beaufschlagt ist, einen llrenniaum im heißen, fieren den Zylinder wiirmeiso-/vlindcrkoiif, in dem das im OT-Bereich getrennt von der Luft eingepreßte Brenngas durch Selbstzün dung verbrennt, und durch mindestens ein Auslaßventi zum Abführen der expandierten Verbrennungsgase au dem Brennraum in den Wärmetauscher beim Kolben rückhub, wobei die Leistung durch unterschiedliche mittels der Ventile gesteuerte Füllungsgrade kontinuier lieh vom Leerlauf bis zur vollen Leistung steuerbar ist.

Der Kompressor zum Verdichten der Verbrennungs luft kann vorteilhafterweise ein gekühlter, mehrstufige Kolbenkompressor sein, dessen Einsaugventil durd einen in der Hochdruckleitung eingeschalteten Grenz druckregler gesteuert wird und bei dem zwischen der einzelnen Verdichtungsstufen Zwischenkühler vorgesehen sind. Obwohl es auch möglich ist, den als gesondert Baueinheit ausgeführten Kolbenkompressor durct einen äußeren Antrieb, z. B. sinen Elektromotor anzutreiben, ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Kolbenkompressor direkt mit de Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt. Eii einziger Kompressor kann — ggf. unter Einschaltung eines Druckspeicheis — mehrere Zylinder eines Motor; mit Verbrennungsluft beliefern.

Die Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses unc damit die Einhaltung eines optimalen Verbrennungs ablaufes erfolgt durch einen Abgas-Meßfühler in Auspuff, der die Anteile an unverbrannten Kohlenwas serstoffen und Kohlenmonoxyd und/oder die Kohlen dioxyd- und Stickoxyd-Gehalte in den Auspuffgasei kontinuierlich bestimmt, sowie durch Thermostaten ii

jo der Auspuffleitung bzw. im Zylinderkopf. Der Abgas Meßfühler und die Thermostaten wirken gemeinsam au ein Verstellorgan, welches das Ventil entsprechen betätigt und dadurch das Luft-Brennstoff-Verhältni den jeweiligen Betriebsbedingungen anpaßt.

Zur Verbesserung des Verbrennungsablaufes, insbe sondere zur Senkung der Flamm-Temeraturen in Brennerbereich, ist ein im Wärmetauscher von der heißen Abgasen umströmter Verdampfer angeordnet dessen Hochdruck-Auslaß entweder über eine geson derte Leitung direkt mit dem Brenner oder mit de Hochdruck-Luftleitung verbundein ist.

Die Einrichtung zur Aufbereitung des Brennstoffe kann beim Einsatz flüssiger Brennstoffe, z. B. Benzii oder Dieselkraftstoff, als Vergaser ausgebildet sein, de:

über eine Einspritzleitung und eine Druckpumpe mi dem flüssigen Brennstoff beaufschlagt wird. Um di< Kolbenbrennstoffmaschine mit Brennstoffen unter schiedlicher Konsistenz betreiben zu können, die siel nicht rückstandsfrei vergasen lassen, kann es vorteilhaf sein, zwei wechselweise einschaltbare Vergaser ii Parallelschaltung vorzusehen, wobei jeweils einer diese Vergaser ohne Unterbrechung des Maschinenbetriebe abgeschaltet- und gereinigt, ggf. auch ausgewechselt werden kann.

Einen wesentlichen Beitrag zur erfindungsgemäßei angestrebten Verbesserung des Wirkungsgrades de Kolbcnbrennkraftmaschine liefert ein Zylinderkopf, ii den in jeweiliger Verlängerung des oder der Zylinde Ausnehmungen eingearbeitet sind, in die der obere Tci

ι,ιι der Kolben ungeführt und unter Ausbildung eine schmalen Ringspaltcs in den oberen Kolbenhubberei chen eintaucht und in denen die Verbrennung bc wcitcstgehend gleichbleibendem Druck erfolgt. De wärmctechnisehc Vorteil einer derartigen Zylinder

ι,-, kopfausführung liegt in der Möglichkeit, den Zylinder kopf gegenüber den gekühlten Zylindern im Zylinder block zu isolieren und dadurch die Warme in dci iingekiihlteii Wandungen der Ausnehmungen im Zy

linderkopf, die die Brennräume begrenzen, zurückzuhalten, ohne daß die Lebensdauer des Motors beeinträchtigt wird. Die Ausnehmungen sind dabei so ausgelegt, daß bei OT-Stellung der Kolben zwischen der Aiisnehmungs-Stirnwand und der Kolben-Stirnwand kein freier Raum mehr besteht, wie es bei herkömmlichen Kolben-Brennkraftmaschinen zur Aufnahme des hochkomprimierlen Brennstoff-Gemisches notwendig ist. Zur Verringerung der thermischen Belastungen des Zylinderkopfmaterials und insbesondere der Kolbenstirnwand können die Innenwände der Ausnehmungen mit einem hochfeuerfesten Material dünn beschichtet werden, wobei jedoch der Innendurchmesser der beschichteten Ausnehmungen zur Ausbildung des Ringspaltcs immer noch geringfügig größer als der Kolbendurchmesser ist. ■

Eine weitere Verringerung der nachteiligen Wärmeabfuhr aus dem Brennraum in den Motorblock kann dadurch erreicht werden, daß die Kolben — wie üblich — als Hohlkolben ausgeführt werden und daß an ihren Innenwänden Wärmeisolierungen vorgesehen sind.

Da im Zylinder keine Konipressionsarbeit verrichtet werden muß, sondern die Brenn- bzw. verbrannten Gase erst bei jedem Arbeitshub in den Zylinder eingeführt werden, ist jeder zweite Kolbenhub, also jeder Auswärlshub, ein Arbeitshub. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß ein z. B. im Zylinderkopf angeordnetes Auslaßventil während des gesamten Rückhubes geöffnet sein kann, so daß ein gleichmäßiges Austreiben der expandierten Verbrennungsgase beim Kolbenrückhub sichergestellt ist.

Da Brenngas aus der Vergasungseinrichtung und Verbrennungsluft durch Strömungskanäle im bis auf Sclbslzündungslemperalur erwärmten Zylinderkopf der Düse zugeführt werden und ein Verbrennungsvorgang erst im kurz vor dem OT des Kolbens eingeleitet werden darf, ist ein besonders ausgebildetes, im Takt betätigtes Ventil vorgesehen. Dieses Ventil stellt sicher, daß die beiden Gase erst in der Brennerdüse zusammengeführt und dort möglichst intensiv verwirbelt werden. Da die Verbrennung in der Düse ohne Drucksteigerung abläuft, besteht nicht die Gefahr, daß bei einer eventuell unvollkommenen Vergasung der Brennstoffe und einem noch vorhandenen Luftanteil in der Brenngasleitung ein Rückschlagen der Flamme eintritt.

Das Ventil zum taktweisen Mischen der beiden Gase kann beispielsweise als Schieber ausgebildet sein, wie er in ähnlicher Form auch bei Hochdruck-Dampfmaschinen angewandt wird. Von besonderem Vorteil ist jedoch ^r,a eine Vcntilausführung, bei welcher der vertikal in einer entsprechenden Zylindcrkopfausnehinung geführte Stößel sich mit unteren Schrägflächen auf als Ventilsitze ausgebildete Schrägflächen der Zylinderkopfausnehmung abstützt. In jeder dieser Zylindcrkopf-Schriigflä- y, dien mündet jeweils ein Strömungskanal für das Brenngas und die Verbrennungsluft. An seinem unteren linde besitzt der Ventilstößel einen den oberen Teil der Brennerdüse in zwei Kammern abteilenden Steg, dessen Seilcnwände zur Ausbildung von jeweiligen Wirbelströ- mi men profiliert sein können. Dieser Steg ist an seinen gekrümmten Schmalseiten durch die Wände des Brenners geführt und verhindert so ein vorzeitiges Zusammenströmen der beiden Gase bei geöffnetem Ventil. Selbstverständlich können auch je ein Ventil für ho die Brenngas- und die Verbrennungsluftzufuhr vorgesehen werden, wodurch sich der Vorteil einer gesonderten Mengenregelung ergibt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführung der erfindungsgemäßen Kolben-Brennkraftmaschine für rückstandsfrei vergasende Brennstoffe;

F i g. 2 eine schematische Darstellung zweier parallelgeschalteter Einrichtungen zum nichtrückstandsfreien Vergasen von Brennstoffen;

Fig.3 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Kolben-Brennkraftmaschine für gasförmige Brennstoffe, die in einem gesonderten Kompressor verdichtet werden;

Fig.4 einen Vertikalschnitt durch das bei den Brennkraftmaschinen nach den F i g. 1 und 3 eingesetzte Ventil und den Brenner;

Fig. 5 eine schematische Vorderansicht der erfindungsgemäßen Kolben-Brennkraft maschine.

Die in Fig. 1 gezeigte Brennkraftmaschine besteht aus zwei gesonderten Baugruppen, nämlich einem mehrstufigen Kolbenkompressor 1 und der eigentlichen Brennkraftmaschine 2 mit den jeweiligen Hilfsorganen. Die Kolben beider Baugruppen sind dabei in üblicher Weise durch Pleuelstangen mit einer einzigen Kurbelwelle 3 verbunden.

In den Wänden 4 des Kolbenkompressors 1 sind .Strömungskanäle 5 für ein Kühlmittel eingearbeitet. Zwischen dem Auslaß 6 der Niederdruckstufe und dem Einlaß 7 der Hochdruckstufe ist ein Zwischenkühler 8 eingeschaltet, der aus einem Gehäuse 9 und Rohrschlangen 10 besteht. In der Hochdruckleitung Ii ist ein Druckbegrenzer 12 eingeschaltet, der in üblicher Weise auf ein Ventil 13 in der Ansaugleitung 14 der Niederdruckstufe einwirkt.

In der Hochdruckleitung 11 strömt die weitgehend isothermisch komprimierte Verbrennungsluft in Richtung des Pfeiles 15 in einen Wärmetauscher 16, der über eine Auspuffleitung 17 von den heißen Abgasen durchströmt wird, die danach über eine Leitung 18 ins Freie gelangen. Zur Erzielung eines möglichst intensiven Wärmeüberganges ist die Hochdruckleitung H im Wärmetauscher 16 als Rohrschlange ausgebildet. Zusätzlich zu den Rohrschlangen zum Aufheizen der Verbrennungsluft ist im Wärmetauscher ein Verdampfer 20 angeordnet, in dem Wasser oder Naßdampf zur Senkung der Flammtemperaturen im Brenner erhitzt und ggf. komprimiert wird.

In der Auspuffleitung 18 sind ein Abgas-Meßfühler 21 und ein Thermostat 22 angeordnet, deren Meßwerte an ein Verstellorgan 23 abgegeben werden. Dieses Verstellorgan wirkt auf ein Dreiwegeventil 24, in dem von der erwärmten, hochkomprimierten Verbrennungsluft eine Teilmenge abgezweigt und über eine Leitung 25 zu einer Einrichtung 26 geführt wird, in welcher die Vergasung des durch eine Leitung 27 und eine Pumpe 28 zugeführtcn Flüssig-Brennstoffes erfolgt. Das gebildete Brenngas wird durch eine Leitung 29 abgeführt.

Der Hauptteil der Verbrennungsluft strömt von dem Dreiwegeventil 24 durch eine zumindest teilweise im Zylinderkopf 30 eingearbeitete Leitung 31. Die Hrenngaslcitung 29 und die Verbrennungsluflleitung 31 münden in Schrägflächen 32 bzw. 33 eines VcnliKit/es (l⁷ig. 4). An diesen Schrägfliichcn 32, 33 stützt sich ein zylindrischer Ventilstößel 34 ab, der in einer Ausnehmung 35 im Zylinderkopf geführt ist. Die unteren Schrägflächen des Venlilslößels verschließen oder öffnen die beiden Leitungen 29 und 31 gleichzeitig. Der Stößel endet in einem unleren Steg 3b, der den oberen

Teil eines Brennerraumes in Längsrichtung in eine Kammer 38 für die Verbrennungsluft und eine Kammer 39 für das Brenngas teilt und bewirkt, daß eine intensive Vermischung beider Gase und damit die Zündung unterhalb seines freien Endes in der Brennerdüse 37 einsetzt.

Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt, ist im Zylinderkopf 30 eine zylindrische Ausnehmung 40 eingearbeitet, in die der obere Teil 41 des Kolbens 42 hineinragt. Diese Ausnehmung 40 stellt den eigentlichen Brenn- und Expansionsraum dar. Ihr Durchmesser ist geringfügig größer als der Durchmesser des Kolbenoberteiles 41, so daß der Kolben unter Ausbildung eines Ringspaltes R sich ungeführt in dieser Ausnehmung bewegt. Die Kolbenführung erfolgt durch normale Kolbenringe 43 im unteren Teil des Kolbens 42, die an den Innenwänden üblicher Zylinderbuchsen geführt sind. Zur Beherrschung der durch die verwendeten Schmiermittel begrenzten Temperaturen der Zylinderwände besitzt der Zylinder 45 Kühlrippen 46 für Luftkühlung. Selbstverständlich können die Zylinderwände 45 jedoch auch durch flüssige Kühlmittel, z. B. Wasser, gekühlt werden.

Um die angestrebten hohen Temperaturen in der Ausnehmung 40 des Zylinderkopfes aufrechtzuerhalten und einen beträchtlichen Wärmeübergang vom Zylinderkopf 30 auf den gekühlten Zylinderblock zu verhindern, befindet sich an der Verbindungsstelle eine stark wärmeisolierende Einlage 47. Die Innenwände der Zylinderkopf-Ausnehmung 40 und zumindest die obere Stirnwand des Kolbens 42 sind mit einer dünnen Auflage 50 eines hochfeuerfesten Materials beschichtet, um die Wärmebeanspruchungen des Zylinderkopfmaterials in Grenzen zu halten. Dabei können auch die Seitenwände des Kolbenoberteils 41 mit diesem feuerfesten Material beschichtet sein. Zur Verhinderung größerer Wärmeabstrahlung durch die Kolbenwände in den Innenraum des Hohlkolbens 42 ist dieser Innenraum zumindest im Bereich des Kolbenoberteiles mit einer Wärmeisolation 52 versehen.

In der Stirnwand der Zylinderkopf-Ausnehmung 30 mündet die zum Wärmetauscher 16 führende Auspuffleitung 17, die durch ein gebräuchliches, taktweise betätigtes Auslaßventil 53 verschlossen bzw. geöffnet wird.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kolben-Brennkraftmaschine ist folgende:

Im gekühlten mehrstufigen Kolben-Kompressor I wird die über die Ansaugleitung 14 zugeführte Luft komprimiert, wobei die dabei entstandene Verdichtungswärme weitgehend durch Kühlung der Kolbenwände und durch den Zylinderkühler 10 abgeführt wird, so daß die Verdichtung annähernd isothermisch abläuft. Die gegebenenfalls bis auf einen technisch vertretbaren Druck komprimierte Luft wird im Wärmetauscher 16 durch die heißen Abgase so weit wie möglich erwärmt und strömt danach zum Dreiwegeventil 24. Die im Ventil abgezweigte Teilluftmenge vergast den über die Leitung 27 zugeführten Flüssigbrennstoff in der Einrichtung 26 und drückt das hochgespannte heiße Brenngas über die Leitung 29 bei angehobenem Ventilstößel 34 in die Kammer 39 oberhalb des Brenners 3/(Fig. 4).

Der tlauptieil der Verbrennungsluft strömt vom Ventil 24 über die Druckleitung 31 bei angehobenem Ventilstößel 34 zur durch den Steg 36 abgetrennten Kammer 38 oberhalb der Düse 37. Aufgrund der verwundenen Ausbildung der Seitenwande des Steges 36 wird bei geöffnetem Ventilstößel den beiden Gasen ein Drall erteilt, der zu einer intensiven Verwirbelung in der Brenndüse 37 führt. Die Verbrennung erfolgt dann durch das Aufeinanderstoßen der heißen Brenngas- und Sauerstoffmoleküle, deren Temperatur über der Selbstzündungstemperatur liegt, zwischen den heißen Wänden der Düse bzw. des Zylinderkopfes und des Kolbenbodens ohne Drucksteigerung, wobei die Brenndauer bei gleichbleibender Zufuhr an Brenngas und

ίο Verbrennungsluft zur Düse 37 einem bestimmten Kurbelwellen-Verdrehwinkel bzw. einem bestimmten Kolbenweg entspricht. Wenn die von den Verbrennungsgasen umspülten Wände der Zylinderkopf-Ausnehmung unter wirtschaftlich vertretbarem Aufwand

ι* gegen Wärmeverlust geschützt sind, haben deren Oberflächen bei Vollast eine Temperatur von etwa 1000°. Durch die Expansion der Verbrennungsgase und durch den damit verbundenen Temperaturabfall ist dem Gas die Möglichkeit und ausreichend Zeit gegeben, bei kleinstmöglicher Luftüberschußzahl die letzten unverbrannten Gemisch-Gasreste noch zu verbrennen. Da der gesamte Brennraum von heißen Wandflächen begrenzt wird, treten die bekannten Schwierigkeiten nicht auf, daß an den gekühlten Wänden eine vollkommene Verbrennung der in diesen Bereichen befindlichen Brenngase durch Unterkühlung verhindert wird.

Durch Plasmaaufspritzen kann auf die Wände der Zylinderkopf-Aiisnehmung und des Kolbenoberteiles eine hochwärmefeste Isolierschicht von 3/10 bis 4/10 mm Stärke aufgebracht werden, die in der Lage ist, die Wärmeenergie so lange im höchsten Temperaturbereich zu speichern, bis diese Energie den bei der Expansion sich abkühlenden Gasen größtenteils zurückgeführt wird. Die Wärmemenge, die durch das Kühlmittel des Motors nicht abgeführt werden muß, bleibt dem thermodynamischen Prozeß erhalten und muß demzufolge nicht durch Brennstoffe zusätzlich aufgebracht werden.

Sollte sich bei der Verwendung von hochenergetischen Brennstoffen zu hohe Flammentemperaluren im Brenner ergeben, dann ist es zweckmäßig, entweder die Verbrennungsluft mit dem im Verdampfer 20 erzeugten Hochdruck-Dampf zu versetzen oder aber diesen Dampf durch gesonderte Leitungen zum Brenner oder zu der Brennstoff-Vergasungseinrichtung zu führen.

In F i g. 2 ist schematisch eine Einrichtung zum Vergasen von Brennstoff gezeigt, die aus zwei gleichen Einheiten 60, 61 besteht. Von der Verbrennungsluft-Tcilleitung 25 führt je eine Leitung 62, 63 zu jener der Vergasungs-Einheiten 60 bzw. 61, wobei wahlweise zu betätigende Absperrorgane 64, 65 in diesen Leitungen eingeschaltet sind. Abströmleitungen 66, 67 mit entsprechenden Absperrorganen 68, 69 führen zur Leitung 29. Die Brennstoffzufuhr erfolgt durch die Leitung 27 und die Pumpe 28 über ein Dreiwegeventil 70 wahlweise zu jeder der Einheiten 60 bzw. 61. Durch diese Ausbildung der Vergasungs-Einheit wird es möglich, auch unvollständig vergasende Brennstoffe einzusetzen, da jede der Veigasungseinheiten durch entsprechende Betätigung der Absperrorgane stillgesetzt und gereinigt oder ausgetauscht werden kann, ohne daß der Betrieb der Brennkraftmaschine unterbrochen werden muß. Durch diese Ausführung der Vergasungs-Einrichtungen können auch Feststoffe, z. B. Kohle, Holz od. dgl. und zähflüssige ungereinigte Brennstoffe, z. B. Teer, Massut, Altöl etc. zum Antrieb von Brennkraftmaschinen herangezogen werden. Falls

erforderlich können anstatt der beiden Vergasungseinheiten 60, 61 noch v/eitere vorgesehen und jeweils parallel geschaltet werden. In besonderen Fällen kann das Ventil 70 eine Verbindung zwischen den beiden Einheiten 60 und 61 hergestellt werden, um das Anbrennen des in die Nebenkammer eingefüllten frischen Materials zu erreichen.

Die in Fig. 3 dargestellte Maschinenausführung entspricht in ihren wesentlichen Teilen derjenigen nach Fig. I, so daß auf ihre Gemeinsamkeiten nicht mehr eingegangen werden muß. Die Ausführung nach F i g. 3 ist zur Verbrennung gasförmiger Brennstoffe ausgelegt. Die Brenngase werden in einem kleinen, mehrstufigen Kolbenkompressor 75, der ebenfalls durch die Kurbelwelle 3 angetrieben werden kann, weitgehend isothermisch komprimiert. Zu diesem Zwecke ist ein Zwischenkühler 76 zwischen der Niederdruckstufe 77 und der Hochdruckstufe 78 eingeschaltet. Beide Kompressoren I und 75 verdichten das jeweilige Medium auf den gleichen Druck, beispielsweise auf 40 bis 50 aiii. Die Verbrennungsluft und das Verbrennungsgas werden in zwei von heißen Abgasen umströmten, an die Leitungen 11 bzw. 82 angeschlossenen Wärmeschlangen 79 bzw. 80 erhitzt, wobei ein Regler 81 die Mengen so steuert, daß im Brenner 37 das gewünschte Gas-Luft-Gemisch entsteht, welches bei Selbstzündung unter Gleichdruck verbrennt. Der Verbrennungsvorgang läuft ohne Druckanstieg so lange ab, bis das Einlaßventil 34 schließt. Der Kolben 42 legt dabei im Arbeitszylinder einen Weg zurück, der bei Vollast annähernd demjenigen Volumen eines Dieselmotors entspricht, welches die verbrannten Gase nach der Zündung und Verbrennung des eingespritzten Dieselöls einnehmen. Die jeweils verlangte Leistung des Motors wird dadurch gesteigert, daß das oder die Einlaßventile nur die »Füllung« zulassen, die zum Erhalt dieser Leistung notwendig ist, wie es z. B. bei Kolbendampfungschienen durchgeführt wird. Der oder die Kompressoren liefern nur die Gasmengen, die beim jeweiligen Betriebszustand benötigt werden. Nach dem Schließen des Ventilstößels 34 erfolgt die reine Expansion der Brenngase ohne wesentliche Nachverbrennung. Durch das Vorsehen eines gesonderten, gekühlten Kompressors 75 für die Brenngase und die Erwärmung der Brenngase durch die Abgase im Wärmetauscher 16 kann jedes Gas gefahrlos unter hohem Druck mit bestem effektivem Wirkungsgrad verbrannt werden.

Die taktmäßige Zufuhr und Bildung des Gemisches in der Düse 37 erfolgt — wie bei der Ausführung nach Fi g. I — durch die in Fig.4 dargestellte Ventileinrichtung.

In F i g. 5 ist gezeigt, daß die Tiefe der Ausnehmung 40 im Zylinderkopf 30 möglichst dem Kolbenhub H entsprechen soll. Dadurch ist sichergestellt, daß die eigentliche Brennkammer nur in dem wärmeisolierten Zylinderkopf liegt, so daß nur eine sehr geringe Wärmemenge an das Kühlmittel des Motors abgegeben wird.

Bei kaltem Motor und noch nicht erwärmter Luft und Gas erfolgt die Zündung durch einen stehenden Lichtbogen einer Zünd- oder Glühkerze im Bereich der Gas- bzw. Lufteintritte in den Arbeitszylinder. Die Fremdzündung bleibt so lange in Tätigkeit, bis die jeweilige Betriebstemperatur für Selbstzündung erreicht ist.

Die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung kann in beiden Drehrichtungen umlaufen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (29)

Patentansprüche·.

1. Brennkraftmaschinen-Arbeitsverfahren, bei welchem Verbrennungsluft außerhalb des Arbeitszylinders verdichtet wird, verdichtete Luft und ein gasförmiger Kraftstoff in vorbestimmten Mengen getrennt zu einer in den Arbeitszylinder führenden Brennerdüse geführt, in dieser vermischt und nach Zündung ohne Drucksteigerung im Arbeitszylinder verbrannt werden, wobei die Energie der ungekühlt expandierenden Verbrennungsgase auf den Arbeitskolben übertragen wird und die Abgase sodann aus dem Arbeitszylinder abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft annähernd isotherm komprimiert und danach durch die heißen Abgase aufgeheizt wird, daß ein Teil der komprimierten Heißluft zum Vorwärmen und Vergasen und/oder Komprimieren des Kraftstoffes abgezweigt wird und daß der restliche Teil der Verbrennungsluft und das gebildete Brenngas annähernd stöchiometrisch durch Selbstzündung verbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beim isothermen Komprimieren anfallende Wärme durch ein Kühlmittel abgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß Heißdampf zur Senkung der Verbrennungstemperaturen der Verbrennungsluft oder dem Gas-Luftgemisch zugesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwände nur im unteren Teil des Kolbenhubes gekühlt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft bis zu dem höchsten technisch sinnvollen Druck isotherm komprimiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft bis auf eine der Wärmetauscher-Bilanz entsprechende maximale Temperatur durch die heißen Abgase aufgeheizt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem flüssigen oder festen Brennstoff und der Teilmenge der Verbrennungsluft gebildete Brenngas und die Verbrennungsluft sofort zünden, sobald sie in gegenseitige Berührung gelangen.

8. Brennkraftmaschinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche I bis 7, bei der den Zylindern über gesonderte Kanäle und mindestens eine gesteuerte Brennerdüse vorkomprimiert ein gasförmiger Kraftstoff und die Verbrennungsluft zugeführt und das in der Brennerdüse gebildete Gemisch in den Zylindern ohne wesentliche Drucksteigerung verbrannt wird, gekennzeichnet durch einen gesonderten Luftkompressor (I) zum annähernd isothermen Verdichten der Verbrennungsluft, einen von den Abgasen beheizten Wärmetauscher (16) zum Aufheizen der komprimierten Verbrennungsluft, ein eine Teilmenge der komprimierten, aufgeheizten Luft abzweigendes Ventil (24), eine Einrichtung (26) zum Vergasen und/oder Komprimieren des Kraftstoffes, die mit der Teilluft beaufschlagt ist, einen Brennraum (40) im heißen, gegen den Zylinder (45) würnieisolierien Zylinderkopf (30), in dem das im OT-Uereich getrennt von der Luft eingepreßte Brenngas durch

Selbstzündung verbrennt, und durch mindestens ein Auslaßventil (53) zum Abführen der expandierten Verbrennungsgase aus dem Brennraum in den Wärmetauscher (16) beim Kolbenrückhub, wobei die Leistung durch unterschiedliche vom Leerlauf bis zur vollen Leistung steuerbar ist.

9. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkompressor (1) gekühlt ist.

10. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkompressor ein mehrstufiger Kolbenkompressor (1) ist.

11. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verdichtungsstufen (6, 7) des Kompressors als Kühlkammern ausgebildete Zwischenkühler (10) vorgesehen sind.

12. Brennkraftmaschinenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kompressor (1) ein ein Einsaugventil (13) steuernder Grenzdruckregler (12) unmittelbar nachgeschaltet ist.

13. Brennkraftmaschinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (1) mit der Maschinen-Antriebswelle (3)gekoppelt ist.

14. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 10 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrstufige Kolbenkompressor (1) an die Kurbelwelle (3) der Maschine direkt angeschlossen ist.

15. Brennkraf(maschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) eine vor den heißen Abgasen umströmte Rohrschlange enthält, die mit dem Kompressor-Auslaß durch eine Druckleitung (11) verbunden ist.

16. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abzweigventil (24) ein abgas- und temperaturgesteuertes Organ (23) zur Änderung des Luft-Brennstoffverhältnisses zugeordnet ist.

17. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmetauscher (16) ein von den heißen Abgasen umströmter Verdampfer (20) angeordnet ist, dessen Dampfauslaß mit der Luftleitung (31) verbunden ist.

18. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (26) zur Aufbereitung des Brenngases als Vergaser für flüssige Brennstoffe ausgebildet ist und über eine Leitung (27) mit einer Druckpumpe (28) verbunden ist.

19. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwei wechselweise einschaltbare Vergasungseinheiten (60, 61) in Parallelschaltung vorgesehen sind.

20. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderkopf (30) getrennte Strötnungskanäle(31,29) für die Verbrennungsluft und das Brenngas eingearbeitet sind, die in einer schieber- oder ventilgesteuerten, im heißen Zylinderkopf (30) angeordneten Brennerdüse (37) zusammengeführt sind.

21. Brennkruftmuschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderkopf (30) mindestens eine Ausnehmung (40) vorgesehen ist, in die der obere Teil (41) des Kolbens (42) ungeführt hineinragt und in der die Verbrennung bei weitgehend gleichbleibendem Druck erfolgt.

22. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (30) gegenüber dem gekühlten, den Kolbenunterteil (42) führenden Zylinderwandungen (45) wärmeisoliert ist.

23. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände der Zylinderkopfausnehmung (40) und die Außenwände des Kolbenoberteils (41) mit einem hochfeuerfesien Material (50) beschichtet sind. ι ο

24. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines schmalen Ringspaltes (R) der Durchmesser des Kolbenoberteils (41) kleiner als der Durchmesser dor Zylinderkopfausnehmung (40) ist. '⁵

25. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Innenwänden des hohlen Kolbens (41) eine Wärmeisolierung (52) vorgesehen ist.

26. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (53) im Zylinderkopf (30) bei jedem Kolbenrückhub während annähernd der gesamten Rückhubzeit geöffnet ist.

27. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8, ²^ dadurch gekennzeichnet, daß das die Gas-Luft-Zufuhr zu einer Brennerdüse (37) steuernde Ventil einen in einer Zylinderkopf-Ausnehmung (35) geführten Stößel (34) besitzt, der sich in seiner geschlossenen Stellung mit unteren Schrägflächen ^)CI auf entsprechend ausgebildeten schrägen Sitzflächen (32, 33) abstützt und in einem Steg (36) enuet, der den oberen Teil der Brennerdüse in angehobener Stellung in einen Verbrennungsluft-Spalt (38) ut.d einen Brenngas-Spalt (39) unterteilt, wobei die '"' Verbrennungsluft-Leitung (31) im Bereich der Schrägfläche (33) und die Brenngas-Leitung (29) im Bereich der Schrägfläche (32) des Ventilsitzes münden.

28. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch ^w 27, dadurch gekennzeichnet, daß die die Spalte (38 bzw. 39) begrenzenden Wände des Steges (36) zur Ausbildung eines Strömungsdralls und zur innigen Verwirbelung der Gase in der Düse (37) profiliert sind. ■»■">

29. Brennkraftmaschinenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung gasförmiger Brennstoffe die Vergasungseinrichtung (26) durch einen Mehrstufenkompressor (75) mit Zwischenkühler (76) ersetzt ist und das Ventil (24) ^r>" durch einen auf die Verbrennungsluft-Leitung (11) und die Brenngasleitung (82) einwirkenden Gasmetigenregler(81)gebildet ist.