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DAMP FKOHLSYSTEM FÜR VERBRENNUNGSMOTOREN
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o Die Erfindung betrifft ein System für die peri.odische Dampfkühlung
der Innenräume von Verbrennungsmotoren s mit der Zielsetzung einerseits die verunreinigenden
Komponenten der Auspuffgase zu vermindern, anderseits den Anteil der in mechanische
Arbeit sich umwandelnden Wärme erhöhen zu können Der Wärmebilanz der Verbrennungsmotore
gemäß wird bei den Dieselmotoren etwa Eindrittel der eingeführ-
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Wärme in eine mechanische Arbeit umgewandelt, Eindrittel kommt bei der Kühlung zur
Anwendung, der übrigbleibende Teil verläßt mit den Auspuffgasen den Motor.
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Trotzdem, daß bei den bekannten Kühlsystemen die bei der Kühlung
Eustretende Wärme als ein Verlust betrachtet wird, kann der Anteil der in eine mechanische
Arbeit sich umwandelnden Wäre ausschließlich durch die Verbesserung der Kühlung
e-rhöht werden, da durch die Erhöhung der bei der Kühlung austretenden Wärme auch
der Anteil der in eine mechanische Arbeit sich umwandelnden Wärme - zu Lasten des
Wärmeanteils der mit den Auspuffgasen austritt - sich erhöht, Die übermäßige Kühlung
ist jedoch auch nachteilig, da bei dem Kaltanlassen und bei einer langsamen Motorumdrehung
die zum Verbrennen erforderliche Temperatur infolge der kalten Zylinderwände nicht
gewährleistet ist.
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Ein bedeutender Nachteil der bekannten Luft- und Wasserkuhlungsysteme
besteht darin, daß entlang der Zylinderwände die Flamme erlöscht 2 und infolge der
unvollkommenen Verbrennung toxische Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxydteile in
den Auspuffgasen zurückbleiben, Bei der Erhöhung des Anteils der in mechanische
Arbeit sich umwandelnden eingeführten Wärme, sowohl bei der Gestaltung der von Kohler%1t%ff
und Kohlenmonoxydrückständen freien Auspuffgase ist der bei hohem Druck uni Hochtemperatur
arbeitende Zweitakt-Freikolbenmotor als eine der ersten Entwicklungsphasen zu betrachten.
Der Verbrennungsdruck genannter Motore kann infolge ihrer konstruktiven Gestaltung
den 500 Atm Druck erreichen, sogar überschreiten; ein derartiger Motor ist z.B.
in dem USA Patent Nr.
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3 868 932 beschrieben. Infolge des hohen Verbrennungdruckes erhöht
sich der Anteil der in eine mechanische Arbeit sich umwandelnden Wärme, wobei der
Zylinderraum infolge des hohen Kompressionendruckee in solchem Maße sich erwärmt,
daß der eingepreßte Kraftstoff vollkommen
verbrennt.
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Die Temperatur des Zylinderraumes der Freikolben-Dieselmotore kann
bereits beim Einspritzen des Kreftstoffes 1000 °C erreichen, wobei die Temperatur
infolge der bekannten Kühlungen geringer Intensität im Laufe der Verbrennung auf
das Mehrfache sich erhöhen kann. Als Erfolg der momentanen hohen Temperatur tritt
der Luftstickstoff in eine Reaktion: wobei toxische Stickstoffoxyde entstehen.
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Der Erfindung wurde die Aufgabe gestellt, die erwähnten Nachteile
zu beseitigen und ein, den hoher Druck-und temperaturwerten der Freikoiben-Dieselmotore
sich anpassendes Kühlsystem zu entwickeln, das zur Verminderung der Verunreinigungskomponenten
der Auspuffgase geeignet ist und gleichzeitig den Anteil der in eine mechanische
Arbeit sich umwandelnden Wärme erhöht.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Freikolben-Verbrennungsmotor mit Wasserdampf: unter Zuhilfenahme eines das Kühlwasser
direkt in den Zylinder raum einführenden Spritzorgans gekühlt wird und ein Kühlorgan
vorhanden ist, welches beim Überschreiten einer vorgegebenen Druckerhöhung, bei
der Verbrennung des Kraftstoffes sich frei zu bewegen imstande iSt: desweiteren
ein Spritzorgan aufweist, das eine, der Fortbewegung des sich frei bewegenden Kühlorgans
proportionale Wassermenge einspritzt, weiterhin mit einem Organ versehen ist, welches
bei der Einspritzbohrung des Spritzorgans das Offenen verzögert und das Abschließen
beschleunigt, desweiteren ein weiteres Organ für das stufenweise offenen der Einspritzbohrung
des Einspritzorgans vorgesehen ist und der Einspritzrauminhalt des das Kühlwasser
einspritzenden Organs in einer Größe, die durch den Rauminhalt des Wassergehalts
des Trockendampfes begrenzt ist, ausgestaltet ist und der Trockendampf einen atmosphärischen
Druck entpsrechender Höhe aufweist.
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Die Gestaltungscharakteristiken der erfindungsgemäßen Innenkühlung
bezwecken die Verwirklichung folgender Teilaufgaben: - um die bei dem Kaltanlassen
entstandenen Schwierigkeiten und das unvollkommene Verbrennen des Kraftstoffes vermeiden
zu können, ist es dafür zu sorgen: daß der kalte Motor nicht gekühlt werde, und
das Einspritzen des Kühlwassers erst nach dem Erreichen eier Temperatur, bei der
die Stickstoffoxyde entstehen, erfolge; - um das Erlöschen der Flamme bzw das unvollkommene
Verbrennen des Kraftstoffes vermeiden zu können, ist der Beginn der einzelnen Kühlperioden
stufenweise festzusetzen: daß der Auslauf der Verbrennungaperioden sichergestellt
werden könne; - um die Bildung der Stickstoffoxyde vermeiden zu können muß die eingespritzte
Kühiwassermenge in jedwelchem Betriebszustand dafür genügend sein, daß die Temperatur
des Innenraumes die Temperatur der Stickstoffoxydenbildung nicht erreiche; um die
Kühlungswärme in eine wirksame mechanische Arbeit verwandeln zu können muß das Einspritzen
des Kühlwassers zu gebührender Zeit beendigt werden: daß arbeitsfähiger Dampf entstehe
und die auf den Kolben aufzuübende Wirkung sich einsetzen könne; - um das Auspuffgas
wirksam reinigen und die Standzeit der Motorzylinder verlängern zu können, ist die
Kühlwassermenge entsprechend zu begrenzen, damit die sich aus dem expandierenden
Dampf auf die verunreinigenden Gaspartikel niederschlagenden, sauer reagierenden
Wassertropfen nicht innerhalb des Zylinders, sondern erst durch die Wirkung der
in der Auspufftrommel vor sich gehenden Expansion kondensieren.
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Um die oben gestellten Forderungen befriedigen zu können, muß das
Kühlorgan den Ablauf der ersten Phase der Verbrennungaperiode wahrnehmen und auf
den Expansions-
ablauf des Dampf-Gasgemisches nach dem Kühlwassereinspritzen
folgen; auf Grund dieser Daten muß das Kühlorcan den zeitlichen und quantitativen
Ablauf des Kühiwasserspritzens regeln.
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Das erfindungsgemäße Kühlorgan führt auf Wirkung der Druckwellen
der ersten Phase der Verbrennung eire freie Bewegung ausr wobei der zeitliche Ablauf
der Bewegung nicht nur durch die bereits begonnene Verbrennung, sondern auch durch
den Bewegungszustand des den Brennraum an der einen Seite begrenzenden Arbeitskoltens
bestimmt wird, da die Länge des durch den Arbeitskolben abgegrenzten Zylindse raums,
die Bewegungsrichtung und die Beschleunigung die durch di.e Verbrennung hervorcerufenen
Druckwellen wirksam beeinflußene Der Beweyungszustand des Arbeitskolbens wird während
der ersten Phase der Verbrennung, wie auch im Laufe der der Verbrenu folgenden Expansion
primär durch die momentane Betriebsbelestung des Motors bestimmt; die freie Bewegung
des Kühlorgans während der ersten Phase der Verbrennung widerspiegelt daher di Ablaufcharakteristik
der der Verbrennung fokjerden Expansion, die wiederum von der mechanischen Belastung
abhängt; gleichzeitig werden in dem Ablauf genannter Bewegung die aus der Wechselwirkung
zwischen der mechanischen Belastung des Motors und der ersten Verbrennungephase
resultierenden Verhältnisse integriert wiederspiegelt.
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Bei dem Motorbetrieb bringt das durch die freie Bewegung bestimmte
Kühlwassereinspritzen einen selbststeuernden Mechanismus zustande, der durch die
Verdampfung des eingespritzten Kühlwassers, durch die Energie und Arbeit des entstandenen
Dampfes und Kondensierung des Abdampfes die zur vollkommenen stickstoffoxydfreen
Verbrennung des Kraftstoffes erforderliche Kühlung sicherstellt, einen bedeutenden
Anteil der Kühlwärme in eine mechanische Arbeit verwandelt und die Ausscheidung
der eventuell doch sich bildenden Rußkörner und toxischer Gase mit den in der
Auspufftrommel
sich niederschlagenden Wassertropfen- zusummen gewährleistet, Mit den bekannten
Lösungen verglichen kann das erfindungsgemäße Kühlorgan im wesentlichen als eine
Vorkammer mit beweglichen Wänden betrachtet werden: die nach erfolgter Expansion
Kühlmittel in selbstgesteuerter Menge in den Zylinderraum fördert.
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Bei den, bei verhältnismäßig niedriger Temperatur und unter Niederdruck
arbeitenden Zwangskolben-Verbrennungsmotoren kann als Kühlmittel Preßluft erfolgreich
angewendet werden, bei den, bei hoher Temperatur und unter Hochdruck arbeitenden
Freikolben-Verbrennungsmotoren ist jedoch ein Kühlmittel mit höherem Wärmeentzug,
zweckmäßig Wasserdampf erforderlich. Bei den Freikolben-Verbrennungsmotoren bringt
die Verdsmpfungsträgheit des Wassers keine Probleme mit sich, da der in dem E.ylinderraum
herrschende Druck beim Einspritzen des Wassers den kritischen Druck, 225 Atm, beinahe
erreicht, ja sogar überschreitet; über diesen Druck verwendet sich das Wasser ohne
Vaporisation, explosionsartig in überhitzten Dampf. Die einem Tausendstel einer
Sekunde entsprechende Verdampfuncszeit wird durch die besondere Beschaffenheit des
Kühlorgans ermöglicht, indem der Druck des Innenreumes auf eine Fläche, welche diejenige
der Einspritzkolben um das 20-50-fache überschreitet, eine Wirkung ausübt, hierdurch
wird der Einspritzdruck den 1000 Atm Druck überschreiten; infolgedessen gerät das
einzuspritzende Wasser bereits in der Einspritzbohrung in einen dem Dampfzustand
entsprechenden Energiezuetand, d.h. in dem Zylinderraum wird die Kühlwirkung nicht
durch das Wasser, sondern durch den Dampf ausgeübt.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird anhand eines vorteilhaften AusfUhrungsbeispiels,
mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert: wobei Figur 1 das erfindungsgemäßs
Kühlsystem,
Figur 2 ein Ausfühungabeispiel des Kühlwesser-Einsprntzorgans
(vergrößert), Figur 3 und 4 das Organ, welches das verzögerte Offenen und beschleunigtes
Schließen des Einspritzorgans hervorruft: bzwf für das stufenweise Offenen dienendes
Organ darstellen.
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Der Motorzylinder 1 ist mit Hilfe der Schrauben 7, mit dem Deckel
4 abgeschlossen. In der im Motorzylinder 1 vorhandenen Zylinderbüchse 3 gleitet
der mit-den Kolbenringen 6 abgedichtete Arbeitskolben 2. Die Kraftstoffdüse 10 ist
in dem Deckel 4 eingeschraubt. Die an dem Deckel 4 sich abstützenden Schraubenfedern
9 pressen die bewegliche Platte 8 des ühiorgans an den Rand der Zylirderbüchse 3
mit großer Kraft an. In der beweglichen Platte 8 sind mehrere (in unserem Ausführungsbeispiel
fünf) zylindrische Bohrungen 11 ausgestaltet; die an dem Deckel 4 befestigten Kolben
12 passen sich dichthaltend dem Deckel an. Die zylindrischen Bohrungen 11 sind über
die Eirspritzbohrungen 21 mit dem Zylinderraum 5 verbunden; an dem unteren Teil
der zylindrischen Bohrungen 11 ist ein Verschlußelement: zweckmäßig ein aus zwei
Hälften zussmmengesetztes Strahlverschlußelement 19, 20 vorgesehen.
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An dem Mittelteil der Kolben 12 sind die Bohrungen 15 ausgestaltet.
Die oberen Enden der Bohrungen 15 schließen sich dem Kühlwasserverteilkanal 14 an,
während die unteren Enden der Bohrungen 15 durch das, aus der Sperrfeder 18 und
der Kugel 13 bestehende Rückschlagventil verschlossen sind; der an dem Deckel 4
mit den Schrauben 22 befestigte Abschlußring 17 dient einerseits zur Befestigung
der Kolben 12 znderseits schließt er unter Zwischenschaltung des Verdichtungselementes
23 den Kanal 14 ab.
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Das Anschlußstück 16 ist mit dem Kanal 14 verbunden und 8ichert die
Zuführung des Niederdruck-Kühlwassers.
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Die Wirkungsweise des Kühlsystems ist, wie folgt: Der Kolben 2 fährt
aufwärts und preßt die in dem Zylin-
derraum 5 vorhandene Luft
zusammen, wonach die Kraftstoffdüse 10 bei der entsprechenden Lage des Kolbens 2
das Einspritzen durhhführt. Die in dem Zylinderraum 5 entstehende Hochdruck-Flammensäule
verschiebt die bewegliche Platte 8 gegenüber der Schraubenfeder 9, wodurch die Kolben
12 in die zylindrische Bohrungen 11 eindringen. Der in den zylindrischen Bohrungen
11 herrschende Wasserdruck faltet die Strahlverschlußelemente auseinander und durch
die Einspritzborliungen 21 werden DampfstrEhlen in den Zylinderraum 5 eingespritzt.
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Durch h die eingespritzten Dampfstrahlen wird der Zylinderraum 5
abgekühlt, wobei die Verdampfung explosionsartig vor sich geht; das derart entstandene
aus Gas und Wasserdampf bestehende Hochdruckgemisch schiebt den Kolben 2 abwärts,
während der in dem Zylinderraum herrschende Druck dermaßen sich -vermindert, daß
die Schraubenfedern 9 die bewegliche Platte zurückschieben; als erfolg wird der
Raum der zylindrischen Bohrungen erweitert; durch die Fortbewegung der Kugel 13
gegenüber der Sperrfeder 18 werden über die Bohrung 15 die zylindrischen Bohrungen
ii mit Kühlwasser aufgefüllt. Der übermäßige Rücklauf der beweglichen Platte 8 wird
durch den Anschlag an dem Deckel 4 verhindert.
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Das Kühlwassereinspritzorgan des in Figur 1 illustrierten Kühlsystems
ist in Figur 2 in Einzelheiten vergrößert dargestellt. Aus der Figur geht es elndeutig
hervor, daß zwischen dem Kolben 12 und dem Deckel 4 das elastische Element 24 eingesetzt
ist. Während des Rücklaufes der beweglichen Platte 8 begrenzt gewissermB8en der
in der zylindrischen Bohrung herrschende Wasserdruck die Versetzung des Kolbens
12 gegenüber dem elastischen Element 24, gleichzeitig werden die Strahlverschlußelemente
19, 20 geöffnet, wodurch über die Einspritzbohrung 21 ein Wasserstrahl in den Zylinderraum
5 eingespritzt wird.
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Die Strahlverschlußelemente 19, 20 und das
elastische
Element 24 verwirklichen mit einer guten Annäherung eine der kubischen Parabel entsprechende
Einsprltzwassermenge in der Abhängigkeit der Bewegung. Das Wassereinspritzorgan
ist gegen stoßartige Druckwellen unempfindlich, zeigt aber eine gewisse Empfindlichkeit
gegenüber der' bedeutenden Versetzungen der bewegliche Platte 8, und reagiert durch
die Einspeisung einer erhöhter Kühlwassermenge; dadurch findet wiederum die Anpassung
an der1 in dem Freikolben-Dieselmotor vor sich gehenden, mit der Druckerhöhung zusammenhängenden
Verbrennung statt.
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Das in Figur 2 im Querschnitt dargestellte elastische Element 24
ist zwecks Veranschaulichung der besonderen Gestaltung in Draufsicht in Figur o
vorgezeigt Das elastische Element 24 ist aus einem aus ela§tiscl1em korrosionsbeständigem
Stahlgrundstoff hergestellten zylindrischen Körper ausgestaltet, undzwar derweise,
daß dieser in der Mittelhöhe, in gleichmäßiger Verteilung durch sechs radialen zylindrischen
Bohrungen durchgebrochen ist, wobei jede zweite radiale Bohrung von unten1 die übrigbleibenden
radialen Bohrungen von oben durch eine Einfräsung unter eröffnet werden.
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Die Gestaltung kann verhältnismäßig leicht durchgeführt erden, wodurch
ein elastisches Element mit idealen Federchrakteristiken zur Verfügung steht.
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Ebenfalls können die Strahlverschlußelemente 19, 20, die ideale Betriebsparameter
aufweisen, und axonometrisch -in Figur 4 dargestellt sind, leicht hergestellt werden.
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Die Strahlverschlußelemente 19, 20 werden aus korrosionbeständigem
elestischem Stahlgrundmaterial, mit einem Halbzylindermantel, unten ebenflächig,-oben
mit einer konischen Vertiefung begrenzt, in der Trennungsebene genau geschliffen,
verfertigt.
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Die Strahlverschlußelemente 19, 20 pressen sich mit ihren Trennebenen
aneinander an, da ihre oberen zylinrischen Mäntel mit einer gewissen Oberdeckung
der zylindri-
schen Bohrung 11 sich anpassen; der von unten her
wirkende Druck drückt die Strshlverschlußelemente 19, 20 selbstsperrenderweise zusammen,
während der von oben, in der Richtung der oberen konischen Vertiefung wirkende Druck
nach Erreichen eines gewissen Druckwertes in dem Mittelteil eine schmale längliche
Spalte eröffnet, über welche der Kühlwasserstrahl auszuspritzen imstande ist. Die
beiden Strahlverschlußelemente 19 und 20 biegen gleicherweise gegenüber einander
aus, so tritt zwischen denen - weder beim Uffnen,. noch beim Schließen - eine metallische
Reibung auf, wodurch auch ihre Standzeit verlängert wird. Die zwischen den Strahlverschlußelementen
19, 20 vorhsndene Spalte eröffnet sich gradweise, wobei die die Größe der Spalte
der Bewegungsmenge proportional ist und diese Proportionalität den allmählichen
Aniaß des Einspritzens und die spezifische Drossselung konstanter Größe sicherstellt.
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Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlsystems bestehen
darin, daß die Verunreinigungskomponenten der Auspuffgase bedeutend herabgesetzt
und der Gesamtwirkungsgrad des Motors erheblich erhöht werden kann.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei dem höchsten Druckzustand
des Innenraumes das Kühlorgan sich frei zu bewegen imstande ist, wodurch die mechanische
Inanspruchnahme des Zylinderkopfes bedeutend herabgesetzt werden kann; die durch
den Kühldampf erzeugte Energie ist über die Erhöhung der mechanischen Leistung auch
in der Hinsicht der erhöhten Betriebsstabilität des MOtors vorteilhaft.
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Durch.die Anwendung des erfindungsgemäßen Kühl-Systems können einerseits
die Kühlungsprobleme gelöst werden, anderseits können die Verunreinigungen in den
Auspuffgasen bei den Diesel-Zweitakt-Verbrennungsmotoren bedeutend vermindert werden.