DE2610508C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Brennkraftmaschine ge­ mäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige gattungsgemäße Kolben-Brennkraftmaschine entspricht thermodynamisch dem Brayton-Zyklus oder dem Joule-Zyklus, während sie physikalisch der Otto-Maschine ähnelt. Bei einer derartigen Maschine ist die Brennkammer von der Kolbenkammer bzw. Verdrängerkammer getrennt, so daß die Verbrennung extern zu der Verdrängerkammer erfolgt, was erhebliche Vorteile bietet.

Eine derartige gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der US-PS 18 47 260 bekannt. Der Nachteil bei dieser be­ kannten Brennkraftmaschine ist jedoch, daß dort die Brenn­ kraftmaschine nur in einer Phase, nämlich dem regenerativen Bremsbetrieb, als Luftkompressor arbeiten kann. Darüber hinaus ist zwar ein gleichzeitiger Betrieb als Luftkom­ pressor und Motor vorgesehen, wobei jedoch diese Betriebs­ art durch die Regelung der Kompression und entsprechende Abschaltvorgänge während eines Betriebes mit relativ gerin­ ger Last möglich ist. Für den Spülvorgang des Zylinder- oder Verdrängerraums ist bei der bekannten Brennkraftma­ schine ein separates Gebläse erforderlich, wobei der ent­ sprechende Lufteinlaß und -auslaß für die Spülluft ohne jegliches Ventil ausgebildet ist.

Nachteilig ist bei der bekannten Kolben-Brennkraftmaschine vor allen Dingen, daß bei einem Aufwärtshub des Kolbens, das Gebläse gegen einen plötzlich auftretenden Druck arbeiten muß. Dieser plötzlich auftre­ tende Druck wird durch das abrupte Verschließen des Luft­ eintritts durch die Kolbenwand beim Aufwärtsgleiten des Kolbens verursacht.

Ausgehend von diesem vorgenannten Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße Kolben-Brennkraftmaschine so zu gestalten, daß im Nor­ malbetrieb einfach und zuverlässig eine gesteuerte Luft­ kompression zur Versorgung eines Druckluftspeichers mög­ lich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Grundgedanke der Erfindung kann daher darin gesehen wer­ den, im Normalbetrieb in einem zyklischen Rhythmus die Ein- und Auslaßventile in eine gemeinsame Schließstellung zu steuern, so daß der Verdichtungshub als Kompressionshub zur Einleitung von Luft in einen Druckluftspeicher genutzt wird. Dazu wird vorgesehen, daß insbesondere jeder fünfte Auf­ wärtshub des Kolbens im Normalbetrieb zur reinen Luftver­ dichtung herangezogen wird. Um relativ verschleißfrei ar­ beiten zu können, ist im Lufteinlaß ein Ventil vorgesehen, das beim Kolbenabwärtshub öffnet.

Die Verwendung einer Brennkammer, welche von der Verdrän­ gerkammer getrennt ist, führt zu einer größeren Flexibili­ tät in der Form des verwendbaren Treibstoffes. Somit kann fester, flüssiger oder gasförmiger Treibstoff verwendet werden. Die Verbrennungstemperatur kann niedriger und die Verbrennungszeit länger sein, was zu einer vollständigeren Verbrennung führt, so daß dadurch die Schadstoffe in den Abgasen beträchtlich vermindert werden. Außerdem ist die Steuerung des Zündzeitpunktes bei einer solchen Anordnung nicht kritisch. Ein Kolben oder mehrere Kolben oder ein Abschnitt des Arbeitszyklus der Kolben können dazu verwen­ det werden, Luft zu komprimieren, welche durch einen Wär­ metauscher hindurchgeführt wird, um vorab aufgeheizt zu werden, während zugleich die Abgase gekühlt werden, wobei die aufgeheizte bzw. vorgeheizte Luft dann der Brennkammer zugeführt wird. Überschüssige komprimierte Luft kann in einem Sammelbehälter zu einer nachfolgenden Verwendung ge­ speichert werden, wobei diese Luft beispielsweise in Zei­ ten eines Spitzenleistungsbedarfes oder bei kalter Maschi­ ne verwendet werden kann.

Während des Bremsens kann ein regeneratives Bremsen durch­ geführt werden, wodurch die Maschine verlangsamt wird, während Luft im Kompressor komprimiert wird, die dem Sam­ melbehälter zur Speicherung und anschließenden Verwendung zugeführt wird. Der Kompressor kann beim Start abgetrennt werden, so daß ein geringes Anlaufdrehmoment vorhanden ist. Die gespeicherte komprimierte Luft steht auch dazu zur Ver­ fügung, eine Zusatzeinrichtung mit Energie zu versorgen, oder es kann damit ein Spitzenleistungsbedarf abgedeckt werden oder der Start der Maschine unterstützt werden. Da komprimierte Luft für das Anlassen zur Verfügung steht, können die Kaltstarteigenschaften wesentlich verbessert werden. Auch kann gegebenenfalls der Treibstoff im Leer­ lauf vollständig abgeschaltet werden, da die Maschine bei Bedarf unverzüglich erneut mit komprimierter Luft gestar­ tet werden kann.

Die erfindungsgemäße Maschine hat z. B. einen hervorragen­ den Wirkungsgrad, geringere Abgase, ein gutes Startvermö­ gen und könnte auch Druckluft liefern. Sie ließe sich dynamisch bremsen und hätte ein gutes Leistungsvermögen sowie ein entsprechend gutes Anzugsvermögen. Ein besonde­ rer Vorteil besteht darin, daß im Verhältnis zur Maschinen­ größe eine hohe Leistung zur Verfügung steht, und zwar insbesondere während des Starts, da die Druckluft zur Er­ reichung eines maximalen Drehmomentes beim Start zur Un­ terstützung herangezogen werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, bei dem derselbe Kolben während eines Hubes des Zyklus als Kompressor dient und wäh­ rend des anderen Hubes durch die heißen Gase von der Verbrennungskammer angetrieben wird, und

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine, wobei die Steuer­ einheit im einzelnen näher veranschaulicht ist.

Die erfindungsgemäße Kolben-Brennkraftmaschine kann grund­ sätzlich in drei verschiedenen Betriebsarten gefahren wer­ den:

• 1. Normalbetrieb,
• 2. regenerativer Bremsbetrieb und
• 3. Spitzenleistungsbetrieb.

Die Fig. 1 veranschaulicht eine Ausführungsform des Erfin­ dungsgegenstandes, bei welcher eine Luftkomprimierung in der Verdrängerkammer während eines Hubes des Kolbens statt­ findet, wobei die übrigen Hübe des Zyklus Arbeitshübe sind, in welchen die Hochdruck-Verbrennungsgase den Kolben an­ treiben. Zur Vereinfachung der Darstellung wird ein Zylin­ der 80 mit einem einzigen Kolben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß in den meisten Anwendungsfällen, wie in Fahrzeugen, eine Mehrzahl solcher Zylinder üblicher­ weise vorhanden sind. Ein Kolben 82 kann in dem Zylinder 80 hin und her bewegt werden und hat eine Kolbenstange 84, welche an einer Kurbelwelle 86 angebracht ist, die an einem Ende ein Schwungrad 88 aufweist. Ein Gehäuse 90 um­ gibt die Kurbelwelle. Der Boden des Gehäuses kann als Öl­ sumpf dienen.

Für die Luftkomprimierungsstufe tritt Frischluft in den Zylinder durch einen Einlaß 92 und ein geeignetes Ventil, z. B. ein Zungenventil oder ein Klappenventil 94, ein, wäh­ rend der sich abwärts bewegende Kolben den Zylinderdruck vermindert und das Ventil 94 öffnet. Bei seinem Aufwärts­ hub komprimiert der Kolben 82 die Luft, schließt das Ein­ laßventil 94 und drückt die komprimierte Luft durch ein unter Federvorspannung stehendes Auslaßventil 96 in einen als Windkessel ausgebildeten Luftauslaß 98 hinaus, und an­ schließend über ein Drei-Wege-Ventil 100, welches einen gleitbaren Stößel 102 aufweist. Wenn der Stößel 102 in seiner linken Stellung ist, geht Luft durch das Ventil 100 in die Leitung 104 zu der Luftvorheizung 106 zum Zwecke eines indirekten Wärmeaustausches mit den verbrauchten heißen Abgasen.

Wenn der Stößel 102 in seine äußerste rechte Stellung be­ wegt wird, geht die Luft nur durch die Leitung 108 in einen auch als Sammler bezeichneten Druckluftspeicher 110. Dies wäre die Stellung des Ventils während des regenerativen Bremsens. Bei dieser Ausführungsform steht ein zusätzlicher Sammler oder weiterer Druckluftspeicher 112 in Verbindung mit dem Sammler 110, und zwar über ein Ein-Weg-Prüfventil 114. Wenn der Druck im Sammler 110 einen vorgegebenen Pe­ gel erreicht, wird das Ventil 114 geöffnet, und die unter Druck stehende Luft strömt in den Reservesammler 112, der zu Sicherheitszwecken ein Entlastungsventil 116 aufweist. Luft vom Reservesammler 112 kann durch die Leitung 118 und ein Ventil 120 in den Luftauslaß 98 strömen, falls dies erforderlich ist. Auf diese Weise würde das System immer eine ausreichende Menge an Luft haben, um die Maschine starten zu können, wenn sie kalt ist.

Wenn das Ventil 100 in seiner Mittelstellung ist, wird die Luftströmung vom Luftauslaß 98 in zwei Strömungen un­ terteilt, indem ein Teil der Luft zu dem Sammler 110 strömt und die übrige Luft zu der Luftvorheizung 106.

Die vorgeheizte Luft von der Vorheizung 106 geht durch eine Leitung 122 in das obere Ende einer Brennkammer 124. Die Luft tritt in die Brennkammer 124 konzentrisch um eine Treibstoffdüse 126 ein, welche Treibstoff in die Brenn­ kammer abgibt, der durch eine Zündeinrichtung 128 gezündet wird. Die auf hoher Temperatur von z. B. etwa 1093°C und hohem Druck befindlichen Verbrennungsgase treten in die zylindrische Verdrängerkammer 80 ein, wenn ein Einlaßven­ til 130 geöffnet wird, welches die Verbrennungsgase von der Austrittsleitung 132 der Brennkammer aufnimmt. Die un­ ter hohem Druck stehenden Gase drücken den oder die Kolben 82 nach unten, so daß die Kurbelwelle gedreht wird und das Fahr­ zeug angetrieben wird. Wenn sich die Kurbelwelle 86 um etwa 40 bis 50 Winkelgrad über ihren oberen Totpunkt hin­ weggedreht hat, wird das Einlaßventil 130 geschlossen, und am unteren Totpunkt wird das Auslaßventil 134 geöffnet, so daß die verbrauchten Gase über die Leitung 136 durch die Luftvorheizung 106 in die Abgasleitung 138 austreten.

Ein Steuerriemen 140 oder ein anderes geeignetes Übertra­ gungsmittel dient dazu, einen Betätigungsnocken 142 in einem Verhältnis 5 : 1 oder einem anderen vorgebbaren Verhältnis zur Maschinendrehzahl zu drehen. Dieser Nocken und ent­ sprechende zugehörige Ventile 100, 130 und 134, welche über eine geeignete Steuereinrichtung arbeiten, bringen die Maschine in einen Normalbetrieb, in einen Betrieb für regeneratives Bremsen, was mit Bremsbetrieb bezeichnet wird, oder in einen Spitzenleistungsbetrieb.

Das Öffnen und das Schließen des Einlaßventils 130 wird durch einen zweiarmigen Hebel 144 gesteuert, der über eine Stange 146 betätigt wird, deren unteres Ende in einer Ausnehmung in einer Ventilhubeinrichtung 148 angeordnet ist. Diese ist mit einer Nockenfolgeeinrichtung 150 ver­ bunden, welche einem Nocken 152 auf der Kurbelwelle 86 zu­ geordnet ist. Wenn sich der Nocken 152 in der dargestell­ ten Stellung befindet, wird die Stange 146 nach unten be­ wegt, und über den zweiarmigen Hebel 144 wird das Ventil 130 geschlossen. Wenn ein erhöhter Punkt auf dem Nocken 152 mit der Nockenfolgeeinrichtung 150 in Berührung ist, wird die Stange 146 angehoben, so daß das Ventil 130 ge­ öffnet wird.

Die Betätigung des Auslaßventils 134 erfolgt in ähnlicher Weise über einen zweiarmigen Hebel 154, eine Stange 156, eine Ventilhubeinrichtung 158, eine Nockenfolgeeinrich­ tung 160 und einen Nocken 162 auf der Kurbelwelle.

Während des Bremsbetriebes werden zusätzlich zu der Unter­ brechung der Brennstoffströmung die Ventile 130 und 134 inaktiviert. Dies erfolgt über ein Spulenventil 164, wel­ ches in seiner unteren Stellung ermöglicht, daß Druckluft durch eine Leitung 166 aus einer geeigneten Quelle strömt, beispielsweise aus dem Sammler, und den Kolben 168 im Luftzylinder 170 anhebt. Ein Anheben des Kolbens 168 und einer daran befestigten Steuerstange 172 führt dazu, daß die Wirkung der Nocken 152 und 162 aufgehoben wird. Hier­ durch wird ein Hydrauliksystem inaktiviert, welches den Nocken zugeordnet ist, da ein Anheben der Stange 172 einen Rücklauf zum Ölbehälter 174 öffnet. Somit führt ein Anhe­ ben der Nockenfolgeeinrichtungen 150 und 160 durch die Nocken 152 und 162 nicht dazu, daß die Ventilhubeinrich­ tungen, welche der Stange 146 oder 156 zugeordnet sind, angehoben werden. Die Stangen sind dabei dem Einlaßventil 130 bzw. dem Auslaßventil 134 zugeordnet.

Gleichzeitig wird durch eine geeignete Steuereinrichtung, zu welcher der Luftzylinder 170 gehören kann, der Stößel 102 des Ventils 100 in seine äußerste rechte Stellung gebracht, so daß der Luftauslaß 98 nur mit dem Sammler 110 in Verbindung steht. Nunmehr wird bei der Abwärtsbewegung des Kolbens Luft durch den Einlaß 92 und das Ventil 94 eingesaugt, wird komprimiert, wenn sich der Kolben nach oben bewegt, und die komprimierte Luft wird durch das Ventil 96 und den Luftauslaß 98 in den Sammler 110 ge­ leitet und erforderlichenfalls in den Reservesammler 112.

Wenn bei der Beendigung des Bremsbetriebes die Maschine erneut gestartet wird, wird gespeicherte komprimierte Luft aus dem Sammler 110 durch das gesteuerte Ventil 100 abge­ leitet und gelangt schließlich in den Zylinder 80, und zwar durch das Einlaßventil 130. Somit kann die Maschine erneut gestartet werden, obwohl sie nicht im Leerlauf ge­ laufen ist. Wenn die Maschine z. B. neun Zylinder oder eine noch größere Anzahl von Zylindern hätte, ergäbe sich kein Totpunkt in der Maschine, so daß sie als Luftmotor arbei­ ten könnte und anlaufen würde, ohne daß sie im Leerlauf betrieben wird. Die erfindungsgemäße Maschine zeichnet sich durch außerordentlich geringe Emissionen aus, da der Treibstoffverbrauch während des Leerlaufs zumindest we­ sentlich vermindert und gegebenenfalls sogar vollständig vermieden werden kann.

Im Spitzenleistungsbetrieb wird ein Spulenventil 176 dazu verwendet, die Wirkung des Nockens 142 aufzuheben, so daß kein regenerativer Bremszyklus vorhanden ist. Dies läßt sich auf verschiedenen Wegen erreichen. Beispielsweise kann das Niederdrücken des Spulenventils 176 eine Luft­ strömung gegen die Fläche eines Luftzylinders 178 her­ vorrufen, wobei das Ventil 180 in eine geöffnete Stellung gebracht wird, so daß Öl aus der Kammer 182 in den Ölbe­ hälter 184 zurückkehren kann. Da ein hydraulischer Druck in der Kammer 182 nicht aufrechterhalten wird, kann ein Niederdrücken der Nockenfolgeeinrichtung 186, welche dem Nocken 142 zugeordnet ist, nicht dazu führen, daß ein hydraulischer Druck gegen den Kolben 168 wirkt, welcher der Stange 172 zugeordnet ist.

Im Normalbetrieb wirkt der Nocken 142, der sich mit einem Fünftel der Drehzahl des Motors dreht, durch Niederdrücken der Nockenfolgeeinrichtung 186 in Verbindung mit dem auf den Kolben 168 wirkenden Fluid in der Weise, daß die Wirkung der Ventilhubeinrichtungen aufgehoben wird, welche den Stangen 146 und 156 zugeordnet sind. Dies erfolgt bei jeder fünften Umdrehung der Nocken, da ein Anheben der Stange 172 es ermöglicht, daß Öl in den Behälter 174 zu­ rückkehrt. Die Maschine kann z. B. auch so ausgelegt sein, daß sie während des Normalbetriebes einen Luftüberschuß liefert, und somit als Luftkompressor verwendet werden kann.

Die Luft könnte auch von der Luftheizung weiter aufgeheizt werden, während sich die Luft in der Leitung 122 gemäß Fig. 2 befindet.

Die erfindungsgemäße Maschine kann als Innenverbrennungs­ motor, wobei innen in bezug auf den Arbeitsfluidkreis verstanden wird, oder als Außenverbrennungsmotor arbeiten. Wenn die Maschine als Außenverbrennungsmotor arbeitet, sind die Abgase aus den Arbeitszylindern frei von Ver­ brennungsprodukten und können zur Oxidation bei der Ver­ brennung von Treibstoff verwendet werden. Als Treibstoff kann fester, flüssiger oder gasförmiger Treibstoff verwen­ det werden, dessen Restsubstanzen oder schädliche Rückstän­ de im Inneren der Maschine extern verbrannt würden. Ein Schließventil oder ein Drosselventil würde die heiße Abgas­ luft durch oder um den verbrennenden Treibstoff herum füh­ ren. Bei einem festen Treibstoff würde die Partikelgröße die Zündansprechzeit bestimmen.

Claims (3)

1. Kolben-Brennkraftmaschine, die in einem Normalbetrieb, einem Bremsbetrieb und einem Spitzenleistungsbetrieb betreibbar ist, mit mindestens einer Verdrängerkammer (in 80) und einem darin auf und ab bewegbaren Kolben (82), mit einer außerhalb der Verdrängerkammer ange­ ordneten Brennkammer (124) zum Einspeisen eines heißen Arbeitsgases in die Verdrängerkammer über ein zwangs­ gesteuertes Einlaßventil (130) während eines Arbeits­ hubes des Kolbens, mit einem Auslaß für das Arbeitsgas aus der Verdrängerkammer, mit einem Lufteinlaß (92) in die Verdrängerkammer (in 80), mit einem selbsttätig öffnenden Druckluft-Auslaßventil (96) für einen Luft­ auslaß (98) aus der Verdrängerkammer (in 80), mit ei­ nem Druckluftspeicher (110, 112), der die nicht un­ mittelbar der Brennkammer zugeführte verdichtete Luft aus der Verdrängerkammer aufnimmt, mit einer Steuereinrichtung, die während des Bremsbetriebes das Einlaßventil (130) in eine dauernde Schließstellung steuert, während bei jedem Verdichtungshub des Kolbens komprimierte Luft über das Druckluft-Auslaßventil und den Luftauslaß an den Druckluftspeicher (110, 112) ab­ gebbar ist, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß der Auslaß des Arbeitsgases aus der Verdränger­ kammer durch ein von der Steuereinrichtung zwangs­ gesteuertes Ventil (134) beherrscht ist,
• b) daß dem Luftauslaß (98) ein von der Steuerein­ richtung gesteuertes Ventil (100) nachgeordnet ist, das je nach seiner Stellung eine Verbindung zwischen dem Luftauslaß und der Brennkammer (124), zwischen dem Luftauslaß und dem Druckluftspeicher (110) oder zwischen dem Luftauslaß und dem Druck­ luftspeicher (110) und der Brennkammer (124) her­ stellt,
• c) daß im Normalbetrieb die Steuereinrichtung das Ein­ laß- (130) und das Auslaßventil (134) derart steu­ ert, daß ein vorgebbarer zyklischer Aufwärtshub, insbesondere jeder fünfte Aufwärtshub des Kolbens (82), ein Verdichtungshub zur Komprimierung von Luft ist, und
• d) daß der Lufteinlaß (92) ein Rückschlagventil (94) aufweist, das für den Lufteintritt in die Verdrän­ gerkammer (in 80) während des dem vorgebbaren zyklischen Verdichtungshub vorausgehenden, ent­ gegengerichteten Hubes des Kolbens ausgelegt ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (94) als Klappen- oder Zungenventil ausgebildet ist.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zwei das Einlaß- (130) und das Auslaßventil (134) steuernde Nockenfolgeeinrich­ tungen (150, 160) aufweist, die von einer weiteren, unabhängigen Nockenfolgeeinrichtung (186) im Normalbe­ trieb im vorgebbaren Zyklus des Verdichtungshubes zur Komprimierung von Luft in Schließstellung für das Einlaß- und das Auslaßventil übersteuert werden.