DE2941681A1

DE2941681A1 - Brennkraftkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2941681A1
Application number: DE19792941681
Authority: DE
Inventors: Anthony Claude Wakeman
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1978-10-14
Filing date: 1979-10-15
Publication date: 1980-04-30
Also published as: IT7926479A0; US4284055A; FR2438745B1; IT1123835B; JPS5564126A; FR2438745A1

Description

Lucas Industries Limited

Great King Street

GB-Birmingham 11. Oktober 1979

Hubkolben-Brennkraftmotor

Die Erfindung betrifft einen Hubkolben-Brennkraftmotor.

Die bekannteste Form eines Hubkolben-Brennkraftmotors ist der Benzinmotor mit Funkenzündung, wie er in vielen Automobilen verwendet wird. Er hat den Vorteil, relativ billig herzustellen zu sein, leidet aber an einer geringen thermischen Effizienz unter anderem wegen der direkten Abgabe seiner heißen Abgase in die Atmosphäre. Es sind schon Versuche gemacht worden, den thermischen Wirkungsgrad von Brennkraftmotoren zu verbessern, beispielsweise durch den Eigenzündungs-Dieselmotor, wie er in vielen Gebrauchsfahrzeugen benutzt wird, wobei dieser mit höheren Verdichtungsverhältnissen als jenen arbeitet, die in Benzinmotoren entstehen, um damit ein Abgas geringerer Temperatur zu erlangen. Ein weiterer Motor, der mit noch höheren Verdichtungsverhältnissen arbeitet und damit die Abgastemperatur weiter senkt, ist der Wishart-Motor. Diese Motoren mit höherem Verdichtungsverhältnis leiden jedoch unglücklicherweise an hohen Reibungsverlusten, erhöhten Wärmeverlusten und Pump- (Druck-) Verlusten.

Eine Lösungsalternative zum Arbeiten mit Motoren mit höherem Verdichtungsverhältnis bei gleichzeitiger Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads des Benzinmotors besteht darin, Wärme vom Abgas zurückzugev/innen, um die Temperatur der in

Wa/Ti - 6 -

030018/0790

den Motor eingeleiteten Ladung zu erhöhen. Beispielsweise benutzt die Automobil-Gasturbine einen rotierenden regenerativen Wärmetauscher mit einer Kaltfläche an einem axialen Ende und einer Heißfläche am anderen Ende. Luft wird, in einem Kompressor verdichtet und von der Kalt- zur Heißseite von einem Teil des rotierenden Wärmetauschers übergeleitet, wo Kraftstoff ständig eingespritzt wird, um eine spontane Verbrennung hervorzurufen und den Verband aus Arbeitsturbine/ Kompressor anzutreiben.

Heiße Abgase strömen von der Heiß- zur Kaltseite des anderen Teils des rotierenden Wärmetauschers, der Wärme aus dem Abgas absorbiert und diese Wärme dann auf die einströmende verdichtete Luft überträgt. Solche Aggregate neigen jedoch dazu, besonders wenn sie eine kleine Baugröße haben und unter Teillast laufen, einen schlechten Wirkungsgrad zu haben, und sie sind natürlich teuer in der Herstellung. Ein anderes Beispiel für den Versuch zum Rückgewinnen von Abgaswärme besteht in einem Zusatzmerkmal des vorstehend erwähnten Wishart-Motors. In dieser Ausführung benutzt der Wishart-Motor einen statischen rekuperativen Wärmetauscher mit einer Kaltfläche an einem axialen Ende, die zu einem Außenkompressor gerichtet ist, und einer Heißfläche am anderen Ende, die zur Arbeits-Hubkolben-Zylinderanordnung gerichtet ist, welche eine Zündkerze enHB.lt. Stark verdichtete Luft vom Kompressor fließt von der Kaltseite zur Heißseite des Wärmetauschers, wo ein Kraftstoff (z.B. Methan) mit sehr oher Oktanzahl intermittierend in die erhitzte, komprimierte Luft eingespritzt wird, und die heiße Ladung gelangt in den Arbeitszylinder über ein Transferventil, wo sie von der Zündkerze entzündet wird. Wärme wird von den Abgasen übertragen, die von der Heiß- zur Kaltseite des Wärmetauschers fließen. Diese Ausführung des Wishart-Motors enthält als weiter die Nachteile der Verluste, die mit Motoren hohen Verdichtungsverhältnisses einhergehen, und benötigt für einen hohen thermischen Wirkungsgrad eine teure getrennte Kompressoranordnung.

030018/0790

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hubkolben-Brennkraftmotor mit geringem Verdichtungsverhältnis zu schaffen, der den Vorteil relativ geringer Herstellungskosten der bekannten Benzin- v/i:^J rieselmotoren hat, kombiniert mit einem überlegenden thermischen Wirkungsgrad.

Der Ausdruck "rekuperativer Wärmetauscher" wird hier als ein Wärmetauscher verstanden, bei dem das zu erwärmende Medium durch einen Kanal oder Kanäle fließt, die völlig vom Kanal oder von den Kanälen getrennt sind, durch den oder die das Heizmedium fließt, wobei die Wärme des rleizmediums auf das zu erwärmende Medium durch die Wand oder Wände übertragen wird, die die Kanäle trennt oder trennen.

Der Ausdruck "regenerativer Wärmetauscher" bedeutet hier einen Wärmetauscher, bei dem das zu erwärmende Medium durch denselben Kanal oder Kanäle wie das Medium fließt, das den Austauscher erwärmt, wobei die beiden Medien durch den Tauscher zu verschiedenen Zeiten fließen. Bei einem regenerativen Wärmetauscher wird also Wärme vom Heizmedium durch die Wände des Kanals oder der Kanäle absorbiert, und diese Wände geben dann anschließend ihre Wärme an das zu erwärmende Medium ab.

Der Begriff "Ladung" bedeutet hier, wie aus dem Zusammenhang hervorgeht, im Falle eines Vergasermotors das Kraftstoff/luft-Gemisch und im Falle eines Motors mit Kraftstoffeinspritzung den Luftanteil des Kraftstoff/Luft-Gemisches.

Erfindungsgemäß ist ein Hubkolben-Brennkraftmotor mit niedrigem Verdichtungsverhältnis, bestehend aus einer Kolben/Zylinder- Anordnung mit einem Arbeitsraum, in dem die Veridchtungs- und Arbeitstakte des Arbeitsspiels des Mcfc ors stattfinden, wobei der Arbeitsraum zum Teil durch die Kolbenkrone und den Zylinderkopf und zum Teil durch eine Einlaßventilanord±:ung, durch die ein Einlaßmedium in den Arbeitsraum zu gelangen ve.Tnag,

030018/0790

ORIGINAL INSPECTED

und durch eine Auslaßventilanordnung begrenzt ist, durch die im Arbeitsraum entstehende Verbrennungsprodukte aus dem Arbeitsraum auszutreten vermögen, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein regenerativer Wärmetauscher im Arbeitsraum befindet und dieser Wärmetauscher eine Heißiläche und eine Kaltfläche hat, zwischen denen Gase zwangsweise durchfließen, und daß Kittel zum Veranlassen eines Fließens des Sinlaßmediuras durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche vorgesehen sind, derart, daß es durch diesen unmittelbar vor dem Verbrennungstakt des Arbeitsspiels des Motors erwärmt wird, wobei das verbrennende und sich ausdehnende Kraftstoff/Luft-Gemisch zum direkten Wirken auf den Kolben der Kolben/Zylinder-Anordnung ohne Passieren des Wärmetauschers veranlaßt wird und die Verbrennungsprodukte anschließend zum Fließen durch den Wärmetauscher von der Heißfläche zur Kaltfläche zum Erwärmen des Wärmetauschers vor Verlassen des Arbeitsraums durch die Auslaßventilanordnung veranlaßt werden.

Zweckmäßigerweise ist die Heißfläche des regenerativen Wärmetauschers ständig der Krone des Kolbens ausgesetzt und die Mittel weisen einen Nebenstromweg auf, mittels dessen während der Verdichtung des Einlaßmediums das Medium durch diesen Nebenstrornweg zur Region der Kaltfläche des Wärmetauschers ohne Passieren des Wärmetauschers zu fließen vermag.

Alternativ ist der Wärmetauscher im Arbeitsraum zwischen einer ersten Position, in der seine Kaltfläche der Kolbenkrone ausgesetzt ist, und einer zweiten Position bewegbar, in der die Heißfläche der Kolbenkrone ausgesetzt ist, wobei der Wärmetauscher seine erste Position während der Verdichtung des Mediums einnimmt und den Arbeitsraum teilt, derart, daß das Medium zur Erwärmung durch Passieren des Wärmetauschers von der Kaltfläche zur Heißfläche vor der Verbrennung gebracht wird, und der Wärmetauscher seine zweite Position während der Arbeits- und Auslaßtakte einnimmt, derart, daß das verbrennende und sich ausdehnende Kraftstoff/Luft-Gemisch direkt auf den Kolben einzu-

- 9 030018/0790

wirken vermag und die entstehenden Verbrennungsprodukte zum Fließen durch den Wärmetauscher von der Heißfläche zur Kaltfläche unter Erwärmung des Wärmetausehers zum Verlassen des Arbeitsraums durch die Auslaßventilanordnung gebracht werden.

Wenn die Mittel den Nebenstromweg aufweisen, ist der Wärmetauscher zweckmäßigerweise innerhalb des Arbeitsraums statisch, und die Mittel weisen weiter einen Verdrängungskolben auf, der innerhalb des Arbeitsraums zum Treiben der verdichteten Ladung durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche bewegbar ist, wobei der Nebenstromweg ein Fließn der verdichteten Ladung in eine Region des Arbeitsraums zwischen dem Verdrängungskolben und der Kaltfläche des Wärmetauschers ermöglicht.

Wenn die Mittel den Nebenstromweg aufweisen, ist der Wärmetauscher alternativ relativ zum Zylinder der Kolben/Zylinder-Anordnung bewegbar, und die rela.tive Bewegung zwischen dem Kolben und dem Wärmetauscher treibt die Ladung durch den Nebenstromweg von der Heißfläche des Wärmetauschers zur Kaltfläche ohne Passieren des Wärmetauschers.

Zweckmäßigerweise weist die Kolben/Zylinder-Anordnung einen ersten Kolben und Zylinder und einen zweiten Kolben und Zylinder auf, und ein Fließweg sorgt für eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder, wobei das Hubvolumen des ersten und des zweiten Zylinders und das Volumen des Fließwegs zum Gesamtarbeitsraum der Anordnung beitragen und die Kolben mit einer gemeinsamen Kurbelwelle gekoppelt sind, jedoch um einen bestimmten Bogenwinkel der Kurbelwellendrehung außer Phase angeordnet sind, wobei der erste Kolben gegenüber dem zweiten Kolben vbrläuft und während der Verdichtung einer Einlaßladung diese Ladung zunächst der Heißfläche des Wärmetauschers ausgesetzt ist, jedoch von beiden Kolben in den zweiten Zylinder verdichtet wird, der während des Abschlusses des Verdichtungstckts der Kaltfläche des Wärmetauschers ausgesetzt ist, derart,

- 10 030018/0790

daß die verdichtete Ladung durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche unmittelbar vor der Verbrennung zu fließen vermag.

Zweckmäßigerweise sitztder Wärmetauscher in einem Kanal des Fließwegs, und seine Heißfläche ist ständig dem ersten Kolben ausgesetzt und seine Kaltfläche bei geöffnetem Zustand eines Transferventils dem zweiten Kolben, wobei die Auslaßventilanordnung der kaltfläche des Wärmetauschers ausgesetzt äs t und die Einlaßventilanordnung ein erstes und ein zweites Einlaßventil aufweist, die Einlasse zum ersten bzw. zweiten Zylinder bilden, wobei der Fließweg eine Leitung aufweist, die zusammen mit dem Teil des Kanals vom zweiten Zylinder zur Kaltfläche des Wärmetauschers einen Nebenstromweg bildet, derart, daß während des Abschlusses des Verdichtungstakts des Arbeitssspiels des Motors die verdichtete Ladung vom ersten Zylinder zur Kaltfläche des Wärmetauschers ohne Fließen durch den Wärmetauscher von dessen Heißfläche zu gelangen vermag.

Vorzugeweise werden, unabhängig davon, wie die Ladung zum Fließen durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche gebracht wird, die Verbrennungsprodukt e zum Fließen durch den Wärmetauscher von der Heißfläche zur Kaltfläche durch die Bewegung des Kolbens der Anordnung zum oberen Totpunkt hin gebracht.

Vorteilhafteriwese ist die Einlaßladung Luft, und Kraftstoff wird in den Arbeitsraum über eine Kraftstoffeinspritzdüse eingeleitet.

Vorzugsiwese erfolgt die Kraftstoffeinspritzung nahe an der Heißfläche des Wärmetauschers.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert» In den Zeichnungen sind: *

11 -

030018/0790

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Hubkolben-Brennkraftmotors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Pig. 2 bis 6 Ansichten, die das Arbeitsspiel des in Fig. 1 gezeigten Motors veranschaulichen,

Fig. 7 eine graphische Darstellungdes Arbeitsspiels des in Fig. 1 gezeigten Motors,

Fig. 8 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 1, die einen Motor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 1, die einen Motor nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,

Fig. 10 bis 12 Ansichten, die das Arbeitsspiel des in Fig. 9 gezeigten Motors veranschaulichen,

Fig. 13 eine Ansicht ähnlich der in Fig. 1, die einen Motor nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, und

Fig. 14 bis 19 Ansichten, die das Arbeitsspiel des in Fig. 13 gezeigten Motors veranschaulichen.

Nach Fig. 1 weist der Motor eine Kolben/Zylinder-Anordnung auf, in der ein Kolben 11 in einem Zylinder 12 hubbewegbar ist. Der Zylinderkopf 13 des Motors ist mit einer zylindrischen Ausnehmung 14 versehen, deren offenes Ende über einen Teil ihres Umfangs bei 14a erweitert ist. Der Arbeitsraum des Zlinders 12 umfaßt die Ausnehmung 14, und Luft kann in den Arbeitsraum mittels eines Einlaßventils 15 gelangen, und Verbrennungsprodukte können den Arbeitsraum über ein Auslaßventil 16 verlassen, das sich an einem Ende der Ausnehmung 14 entfernt vom Kolben 11 befindet. Eine Kammer 17 des Zylinderkopfs 13 längs der Ausnehmung 14 enthält einen ortsfesten regenerativen Wärmetauscher 18.

Der Wärmetauscher 18 kann in verschiedenen Formen vorgesehen sein, und seine Hauptfunktion besteht darin, Wärme vom heißen

- 12 -

030018/0790

ORlGiNAL INSPECTED

Gas zu absorbieren, das durch ihn durchfließt, und die absorbierte Wärme auf kühlere Gase zu übertragen, die anschließend durch ihn durchfließen. Der Wärmetauscher soll den Gasfluß nicht hemmen, rad er kann in verschiedenen Formen ausgeführt sein, um diesen Bedingungen gerecht zu werden. Der regenerative Wärmet aus eher kann also aus Metallgitter oder gewickeltem Metalldraht ausgeführt sein, wobei die Wahl des Metalls durch die Art und die Temperatur der Gase bestimmt wird, denen der Wärmetauscher ausgesetzt wird. Solche Wärmetauscher sind schon vorgeschlagen worden, ebenso regenerative Wärmetauscher, die aus einem Zellengefüge aus Keramikmaterial gebildet sind. In gewisser Hinsicht können Keramik-Wärmetauscher vorzuziehen sein, wegen ihrer größeren Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und korrosiven Atmosphären. Eine große Vielfalt an Wärmetauschern können in den vorstehend genannten Werkstoffen ausgeführt sein.

Eine Fläche 19 des ortsfesten regenerativen Wärmetauschers steht mit dem Ende der Ausnehmung 14 am Auslaßventil 16 über eine Öffnung 21 in Verbindung, und die gegenüberliegende Fläche 22 des Wärmetauschers 18 steht mit einer Wirbelkammer über eine Öffnung 24 in Verbindung. Die Wirbelkammer steht über eine Öffnung 25 mit dem oberen Ende des Zylinders 12 in Verbindung, und eine Kraftstoffeinspritzdüse 26 ist so angeordnet, daß sie im Betrieb in die Wirbelkammer einspritzt.

Ein Verdrängungskolben 27, der von einer Schubstange 28 gehalten ist, ist innerhalb der Kammer 14 verschiebbar, wobei die Schubstange 28 in einer Führung im Zylinderkopf 13 aufgenommen ist. Der erweiterte Bereich 14a der Peripherie der Ausnehmung 14 stellt eine Verbindung zwischen dem oberen Ende des Zylinders 12 und der Ausnehmung 14 her, wenn sich der Kolben 27 an dem unteren Ende seines Hubs innerhalb der Ausnehmung 14 befindet. Wie zu sehen ist, besteht dann, wenn der Kolben 27 über den erweiterten Bereich 14a der Peripherie der Ausnehmung 14 angehoben ist, die einzige Verbindung, die zwischen

- 13 030018/0790

- ■ 13 .-

der Ausnehmung 14 über den Kolben 27 und dem Zylinder 12 unter dem Kolben 27 vorhanden sein kann, durch den Wärmetauscher 18 und die Wirbelkammer 23.

Der in Pig. 1 gezeigte Motor ist ein Viertakt-Motor, und dessen Arbeitsweise ist die folgende:

Zu Beginn des Ansaugtakts (Figur 2), wird das Einlaßventil 15 geöffnet, und der Kolben 27 befindet sich am untersten Punkt seines Hubs, so daß der Nebenstromweg offen ist, der zum Teil durch den erweiterten Bereich 14a gebildet ist. Eine Ladung Luft wird damit in den Zylinder 12 durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 11 gesaugt, und wenn der Kolben 11 seine untere Totpunktposition passiert, schließt sich das Einlaßventil 15, und im anschließenden Verdichtungstakt (Figur 3) wird die Luft im Zylinder 12 in die Ausnehmung 14 durch den erweiterten Bereich 14a verdichtet. Während sich der Kolben 11 seinem oberen Totpunkt nähert, beginnt sich der Kolben 27 nach oben zu bewegen, um den Nebenstromweg zu schließen, der von der erweiterten Partie 14a gebildet ist. Der Kolben 27 treibt damit die in der Ausnehmung 14 verdichtete Luft durch die Öffnung 21, durch den Wärmetauscher 18 und die Öffnung 24 in die Wirbelkammer 'denn sich der Kolben 11 wieder nach unten zu bewegen beginnt, um seinen Arbeitshub auszuführen (Figur 4), wird Kraftstoff durch die Einspritzdüse 26 in die nun erhitzte Luft eingespritzt, die in die Wirbelkammer gelangt. Es erfolgt eine spontane Verbrennung als Folge der hohen Temperatur der Luft, die aus dem Wärmetauscher 18 in die Wirbelkammer 23 austritt, und die durch die Verbrennung entstehenden, sich ausdehnenden Gase strömen durch die Öffnung 25 in den Zylinder 12, um damit den Kolben 11 nach unten zur Ausführung seines Arbeitstakts zu treiben (Figur 5). Am Ende des Arbeitstaks beginnt der Kolben 11 wieder hochzufahren.(Figur 6). Der Kolben 27 nimmt eine Zwischenposition ein, in der der Nebenstromweg geschlossen ist_f und das Auslaßventil 16 ist geöffnet. Damit können die Verbrennungsprodukte das Auslaßventil 16 nicht über die Ausnehmung 14

- 14 030018/0790

erreichen, weil dieser Weg durch den Kolben 27 blockiert ist. Die Verbrennungsprodukte werden damit durch die Öffnung 25, die Wirbelkammer 23, die Öffnung 24, den Wärmetauscher 18 und die Öffnung 21 getrieben, um das offene Auslaßventil zu erreichen. Die heißen Abgase, die durch den Wärmetauscher 18 fließen, erwärmen damit den Wärmetauscher in Vorbereitung auf einen weiteren Arbeitstakt. Es ist zu erkennen, das beim ersten Anlassen des Motors der Wärmetauscher kalt ist und damit die verdichtete Luft innerhalb der Ausnehmung 14 über dem Kolben 27, die durch den Wärmetauscher gedrückt wird, um die Wirbelkammer zu erreichen, während des ersten Arbeitsspiels nicht erhitzt wird. Um ein Anlassen des Motors zu begünstigen, kann es deshalb wünschenswert sein, eine Zündkerze oder andere Zündungseinrichtungen in die Wirbelkammer 23 einzubauen. Sobald der Wärmetauscher 18 jedoch durch den Durchfluß von Abgasen erhitzt worden ist, wird die Verwendung einer Zündungsvorrichtung in der Wirbelkammer als nicht nötig angesehen, weil die durch den erhitzten Wärmetauscher 18 fließende Luft, die in die Wirbelkammer 23 gelangt, eine ausreichende Temperatur annimmt, um eine spontane Verbrennung bei Einspritzen von Kraftstoff in die Kammer 23 sicherzustellen.

Die vorstehende Beschreibimg der Arbeitsweise beschreibt die Grundbewegungen der verschiedenen Teile, die erfolgen müssen. Es sind jedoch bestimmte Varianten möglich, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Beispielsweise kann, während sich der Kolben 27 nach oben bewegt, urn verdichtete Luft durch den Wärmetauscher 18 su drücken, der Kolben 27 schneller nach oben während des ersten Teils seiner Bewegung nach oben bewegt werden als während des Rests seiner Bewegung nach oben, um einen stetigen Fluß von Luft durch den Wärmetauscher sicherzustellen, indem ein Ausgleich für den Druckanstieg geschaffen wird, der während der Verbrennung in der Wirbelkammer und im Zylinder 12 unter dem Kolben 27 entsteht. Wie zu erkennen ist, schirmt der Kolben 27 die Kaltfläche 19 des Wärmetauschers on den yerbrennungsprodukten im Zylinder 12 während des Arbeitstakts

- 15 030018/0790

ab. Vorteilhafterwise bleibt der Kolben 27 kurze Zeit während der ersten Hälfte des Arbeitstaks in seiner'obersten Position, lind etwa bei halb durchlaufendem Arbeitstakt, wenn die Temperatur der Verbrennungsprodukte wesentlich im Vergleich mit der sehr hohen Temperatur abgesunken ist, die zu Beginn der Verbrennung vorhanden ist, wird der Kolben 27 nach unten zu seinem untersten Punkt bewegt. Diese Bewegung bewirkt, daß ein kleiner Teil des Gesamtverbrennungsprodukts durch den Wärmetauscher 18 fließt, um damit eventuell zurückgehaltene Luft aus dem Wärmetauscher herauszudrücken. Ein Mischen der durchgespülten Gase mit dem großen Rest der Verbrennungsprodukte erfolgt, während der Verdrängungskolben 27 seine unterste Position erreicht. In diesem Stadium erreicht der Kolben 11 seinen unteren Totpunkt und beünnt hochzufahren, um den Spültakt auszuführen. Unmittelbar mit Beginn des Spültakts wird der Kolben 27 aus seiner mitersten Position in die Zwischenposition bewegt, derart, daß der Nebenstromweg durch den erweiterten Bereich 14a geschlossen wird, um damit sicherzustellen, daß die heißen Abgase durch den Wärmetauscher 13 fließen müssen, um das Auslaßventil zu erreichen. Die Rückkehr des Kolbens 27 in seine Zwischenposition zum Schließen des ITebenstromwegs kann jedoch gegebenenfalls verzögert v/erden, um einen Teil der Verbrennungsprodukte durch die Ausnehmung 14 zum Auslaßventil fließen zu lassen, ohne durch den Wärmetauscher 18 zu fließen, um damit die Temperaturerhöhung im Wärmetauscher 18 während des Spültakts zu knntrollieren. Eine solche Anordnung kannerforderlich sein, wenn die gewählte Kombination aus Kraftestoff und Luft und dem Verdichtungsverhältnis anderenfalls zu einer Überhitzung des Wärmetauschers führen würde.

Wie zu erkennen ist, kann zum Zwecke der Steuerung des Leistungsabgangs des Motors ein Drosselventil in der Luftzufuhr zum Motor eingesetzt sein, und die der Einspritzdüse 26 zugeführte Kraftstoffmenge wird entsprechend dem Massenluftzufluß zum Hotor geregelt. Damit der Motor so arbeitet, daß eine im wesentlichen konstante Wärmetauschertemperatur während des

- 16 030018/0790

- ,16 -

gesamten Drehzahlbere.ichs des Motors erhalten v/ird, kann es zweckmäßig sein, sicherzustellen, daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch bei voller Drosselöffnung reicher ist als bei Teildrosselöffnung.

Wie ersichtlich ist, kann eine Vergaserversion des vorstehenden Motors hergestellt werden, falls erwünscht, wobei das Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Motor durch das Einlaßventil 15 eingeleitet und durch Durchgang durch den Wärmetauscher 18 zum entsprechenden Zeitpunkt erhitzt wird. Eine spontane Verbrennung des Kraftstoff/Luft-G-emisches erfolgt, ^fahrend es aus der Heißfläche des Wärmetauschers austritt. Versionen mit Kraftstoffeinspritzung in der vorstehend beschriebenen Ausführung werden jedoch Vergaserversionen derzeit vorgezogen, weil die Verwendung einer Kraftstoffeinspritzung dem Motorkonstrukteuer eine bessere Kontrolle über den Verbrennungsvorgang im Motor geben dürfte, um damit einen höheren Wirkungsgrad, einen leiseren Lauf und eine saubere Abgasemission zu liefern. Die bevorzugte Anordnung besteht darin, ein Diesel-Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzsystem zu verwenden, das zeitlich so eingestellt ist, daß Kraftstoff in die Wirbelkammer in der Nähe der oberen Totpunktposition des Kolbens 11 eingespritzt wird. Eine Niederdruck-Kraftstoffeinspritzungs-Alternative könnte jedoch benutzt werden, bei der der Kraftstoff zu Beginn des Verdichtungshubs eingespritzt wird, d.h. an einem Punkt, bei dem der Luftdruck im Zylinder 12 und damit in der Wirbelkammer 23 niedrig ist.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Bewegung des Verdrängungskolbens 27 während eines vollständigen Arbeitsspiels des Motors.

Fig. 8 zeigt einen Zweitakt-Motor, der nach dem gleichen Prinzip arbeitet, jedoch eine völlig andere mechanische Konstruktion hat.

- 17 030018/0790

Der Zweitakt-i-Iotor nach Fig. 8 weist einen Zylinderblock 31 auf, in dem sich eine zylindrische Bohrung 32 befindet, die an einem Ende durch einen Zylinderkopf 33 verschlossen ist. Der Zylinderkopf 33 ist mit einem in der Mitte sitzenden Auslaßkanal 34 versehen, der mit dem Zylinder 32 in Verbindung steht und durch ein Auslaßventil 35 verschließbar ist. Im Zylinder 32 ist eine Hetallhülse 36 verschiebbar, die an ihrem Ende am Zylinderkopf 33 durch einen regenerativen Wärmetauscher 37 verschlossen ist. In der Hülse 36 ist ein Kolben 38 verschiebbar, der eine Kurbelwelle eines Motors durch eine Kurbelstange 39 antreiben kann. Eine Ausnehmung 41 in der Wand des Zylinders 32 enthält eine Kraftstoffeinspritzdüse 42, und im wesentlichen diametral gegenüber der Ausnehmung 41 ist die Wand des Zylinders 32 mit einem sich axial erstreckenden Kanal 43 versehen. Der Kanal 43 erstreckt sich vom Zylinderkopf 33 an einem Ende zu einem Punkt etwa in der Mitte längs der axialen Länge des Zylinders 32.

Die Hülse 36 ist im Zylinder 32 durch eine Antriebskurbel 44 hubbewegbar, die von der Kurbelwelle des Motors angetrieben wird und sich mit der gleichen Drehzahl wie die Kurbelwelle des Motors dreht. Die Kurbel 44 trägt ein Gelenklager 45, das zwischen zwei teilzylindrischen Wänden 46, 47 sitzt, die von der Außenseite der Hülse 36 im rechtei \7inkel dazu vorstehen. Die Wände 46, 47 und das Lager 45, die die Kurbel 44 mit der Hülse 36 kuppeln, sind so ausgeführt, daß während der Drehung der Kurbel 44 die Hülse 36 veranlaßt wird, eine axiale Hubbewegung innerhalb des Zylinders 32 auszuführen, und gleichzeitig mit ihrer axialen Hubbewegung erfolgt eine begleitende Winkelhubbewegung, derart, daß bei Betrachtung irgendeines Punkts an der Oberfläche der Hülse während einer Umdrehung der Kurbel 44 dieser gewählter Punkt an der Fläche der Hülse 36 eine elliptische BaIm beschreibt, wobei die Ebene der Ellipse eine zylindrische Ebene ist, deren Achse mit der Achse der Hülsezusammenfällt.

- 18 030018/0790

-'■18 -

Unraottelbar unter dei· Lage des .Wärmetauschers 37 ist die Hülse 36 mit mehreren Löchern 48 versehen, die um den Umfang der Hülse herum verteilt sind. Teilweise längs der Hülse 36 ist sie mit einem zweiten Satz Löcher 49 versehen, die ebenfalls um den Umfang der Hülse herum verteilt sind. Unter dem Kanal 43 ist der Zj^Ünderblock 41 mit einem Lufteinlaßkanal 51 versehen.

Der in Fig. 8 dargestellte Motor soll ohne irgendeine Form einer Zündkerze oder einer ähnlichen Zündungseinrichtung arbeiten, nachdem der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat. Eine solche Zündungseinrichtung wird vorgesehen, um ein Anlassen des kalten Motors zu unterstützen, und es erfolgt nun eine Beschreibung der Funktion des Motors, wobei angenommen wird, daß sich der Motor bereits auf Betriebstemperatur befindet. Der Wärmetauscher 37 ist also durch ein vorhergehendes Arbeitsspiel des Motors erhitzt worden, und die innere Fläche 37a des Tauschers wird als die Heißfläche des Tauschers bezeichnet, während die Fläche 37b, die zum Zylinderkopf 33 hin zeigt, die Kaltfläche des Tauschers ist.

V/ie vorstehend erwähnt, wird die Kurbel 44, die die Hülse treibt, selbst von der Kurbelwelle des Motors mit der gleichen Drehzahl v/ie die Kurbelwelle angetrieben. Die Kopplung zwischen der Kurbel 44 und der Kurbelwelle ist derart, daß die Bewegung der Hülse 36 und damit des Wärmetauschers 37 außer Phase in bezug auf die Bewegung des Kolbens 38 ist, wobei die Phase der Bewegung der Hülse 36 der Phase der Bewegung des Kolbens 38 um 40° nachläuft. Darüber hinaus ist die Exzentrizität der Kurbel 44 derart, daß der axiale Hub der Hülse 36 die Hälfte desjenigen des Kolbens 38 beträgt.

Während sich der Kolben 38 zu seinem unteren Totpunkt bewegt, öffnet sich also etwa 50 vor dem unteren Totpunkt das Auslaßventil 35, und weil die Hülse 36 dem Kolben 38 um 40° nachläuft, befindet sich diese um 9o° über dem unteren Totpunkt,

- 19 030018/0790

d.h. hat die Hälfte eines Hubs nach unten ausgeführt. Obgleich nur ein Kanal 43 in der Zeichnung dargestellt ist, versteht es sich, daß weitere Kanäle 43 um den Umfang des Zylinders 32 herum angeordnet sind. Die Winkelorientierung, die von der Hülse 36 eingenommen wird, wenn sie sich um 90° vor dem unteren Totpunkt befindet, ist jedoch derart, daß keines der Löcher 48 mit einem Kanal 43 in Flucht liegt. Weil der Motor ein Zweitakt-Motor ist, ist bei diesem Punkt in der Bewegung des Kolbens 38 die Verbrennung erfolgt, und heiße Abgasprodukte stehen im Raum zwischen dem Kolben 38 und dem Zylinderkopf 33 unter Druck. Während sich das Auslaßventil 35 öffnet, erfolgt ein Fließen von heißen Abgasprodukten durch den Wärmetauscher 37 zum Auslaßventil 35, so daß der Wärmetauscher 37 durch die heißen Abgase erhitzt wird. In diesem Stadium sind auch die Löcher 49 in der Hülse 36 vom Kolben 38 geschlossen. Mit weitergehendem Arbeitshub bev/egt sich der Kolben 38 jedoch nach unten relativ zur Hülse 36, auch wenn die Hülse 36 sich nach unten relativ zum Block 31 bewegt. Bei etwa 30° vor dem unteren Totpunkt des Kolbens 38 gibt der Kolben 38 die Löcher 49 frei, und die Löcher 49 stehen mit der Lufteinlaßöffnung 51 in Verbindung, und ebenso mit entsprechenden Öffnungen 51, die um den Umfang des Zylinders 32 herum angeordnet sind. Die Lufteinlaßöffnungen werden mit kalter Luft unter Druck etweder von einem Fremdkompressor oder vom Kurbelwellengehäuse des Motors versorgt. Wie ersichtlich ist, wird bei einem Zweitakt-Motor die Zuluft im Kurbelwellengehäuse durch die Abwärtsbewegung des Kolbens verdichtet, und bei diesem Motor kann das gleiche Prinzip angewendet werden. Die Bewegung des Kolbens 38 nach unten verdichtet also Zuluft im Kurbelwellengehäuse, und wenn die Löcher 49 mit den Öffnungen 51 fluchten, kann die verdichtete Luft in den Raum zwischen der Oberseite des Kolbens 38 und dem Wärmetauscher fließen. Dieses Einströmen von Zuluft verdrängt heißer.Verbrennungsproduktrückstände aus dem Inneren der Hülse durch den Wärmetauscher 37 und das Auslaßventil 35, um damit die Erhitzung des Wärmetauschers 37 abzuschließen. Nahe am unteren Totpunkt des Kolbens 38 hat sich die Hülse 36 ausreichend weit gedreht,

- 20 -

030018/0790

-,20 -

damit die Löcher 48 mit den Kanälen 43 in Verbindung stehen. Die Kanäle 43 bilden iMobenstromwege, durch die die kalte Luft um den Wärmetauscher 37 herumfließen kann, anstatt durch ihn durch. Wenn sich der Kolben 38 also nahe an seinem unteren Totpunkt befindet, beginnt die Zuluft aus der Hülse 36 durch die Löcher 48 und die Kanäle 43 und in den Raum zwischen der Kaltfläche 37b des Wärmetauschers 37 und dem Zylinderkopf 33 zu fließen. Das anfängliche Fließen der Luft in diesem Bereich verdrängt kalte Abgasprodukte durch den Auslaß 34, 35. Das Auslaßventil 35 schließt sich nun, und der Kolben 38 passiert seinen unteren Totpunkt. Die Hülse 36 bewegt sich jedoch immer noch zu ihrem unteren Totpunkt hin, und damit nähert sich die obere Fläche des Kolbens 38 der Heißfläche 37a des Wärmetauschers. Die Zuluft wird damit aus dem Raum zwischen dem Wärmetauscher, nnd dem Kolben 38 in den Raum zwischen dem Wärmetauscher 37 und dem Zylinderkopf 33 durch die Löcher 48 und die Kanäle 43 gedrückt. Während dieser Bewegung überdeckt und verschließt damit der Kolben 38 die Löcher 49, um einen Rückfluß von Luft durch die Einlaßöffnungen 51 zu verhindern. Bei etwa 40 vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 38 hat sich der Kolben 38 so weit bewegt, daß er fast den Wärmetauscher 37 berührt, und damit ist praktisch die gesamte Zuluftladung aus dem Bereich zwischen dem Kolben 38 und dem Wärmetauscher 37 durch die Kanäle 43 zum Raum zwischen dem Wärmetauscher 37 und dem Zylinderkopf 33 gedrückt worden. Die Luftladung ist also zur Kaltfläche des Wärmetauschers 37 übergeleitet worden, ohne durch den Wärmetauscher zu fließen. Die weitere Bewegung der Hülse 36 erreicht nun einen Punkt, bei dem die Drehung der Hülse 36 die Verbindung zwischen den Löchern 48 und den Kanälen 43 unterbricht. Sowohl der Kolben 38 als auch die Hülse 36 bewegen sich nun nach oben, und damit wird die kalte Luftladung zwischen dem Zylinderkopf 33 und dem Kolben 38 verdichtet und dadurch veranlaßt, durch den Wärmetauscher 37 von der Kaltfläche 37b zur Heißfläche 37a zu fließen, und dabei erfolgt eine Erwärmung durch den Wärmetauscher. Der Kolben 38 erreicht seinen oberen. Totpunkt, und dann beginnt er sich weider nach unten zu bewe-

- 21 030018/0790

r 21 -

gen, und nach 40° naoh- Erreichen des oberen Totpunkts durch den Kolben 38 erreicht die Hülse 36 ihren oberen Punkt,und fast die gesamte luft ist durch den Wärmetauscher in den Raum zwischen dem Kolben 38 und der Heißfläche des Wärmetauschers

37 geflossen. An irgendeinem Punkt zwischen 10 unter dem oberen Totpunkt und 20° nach dem oberen Totpunkt des Kolbens

38 wird Kraftstoff durch die Einspritzdüse 42 eingespritzt, und der Kraftstoff wird durch eines der Löcher 48 in die Hülse 36 eingespritzt. Es erfolgt eine spontane Verbrenung als Folge der hohen Temperatur der Luft in der Hülse 36, und während der ersten Hälfte des sich anschließenden Arbeitstakts fließt, weil sich der Wärmetauscher 37 nahe am Zylinderkopf 33 befindet, nur ein kleiner Bruchteil der Verbrennungsprodukte zurück durch den Wärmetauscher zur Kaltseite 37b des Wärmetauschers. Der größte Teil der Ausdehnung von Gasen, die während der Verbrennung erfolgt, \/ird also benutzt, um den Kolben 38 im Arbeitstakt zu bewegen. Es versteht sich, daß in diesem Stadium die Löcher 49 noch vom Kolben 38 verschlossen sind und die Löcher 48 noch außer Flucht mit den Kanälen 43 sind. Wenn jedoch etwa die Hälfte des Arbeitstakts durchlaufen ist, hat die Hülse 36 den Punkt in ihren Hub erreicht, v/o sie sich schneller nach unten zu bewegen beginnt, um den Spalt zwischen dem Kolben 38 und dem Wärmetauscher 37 zu schließen, so daß heiße Verbrennungsprodukte, durch den Wärmetauscher 37 von der Heißfläche 37a zur Kaltfläche 37b fließen, ma damit den Wärmetauseher zu erhitzen. Bis zu der Zeit, zu der sich das Auslaßventil 35 wieder öffnet, ist über die Hälfte der Verbrennungsprodukte durch den Wärmetauscher verdrängt worden.

Es versteht sich, daß thermodynamisch die ideale Situation die ist, daß der Arbeitstakt beendet wird und dann der Wärmetauscher relativ zum Kolben 33 bewegt wird, damit alle Verbrennungsprodukte durch den Wärmetauscher gehen und dadurch gekühlt werden, um damit zu einer Kühlung konstanten Volumens zu führen, die beendet wird, ehe den Gasen die Möglichkeit gegeben wird,

- 22 030018/0790

' - 22 -

durch das Auslaßventil zu fließen. Die Anordnung, die beschrieben worden ist und bei der über die Hälfte der Abgasprodukte gekühlt werden, indem sie den Wärmetauscher in der letzten Hälfte des Arbeitstakts passieren, führt jedoch zu einer Verbesserung im Wirkungsgrad verglichen mit einem Abschluß des Arbeitstakts und dem Durchfließenlassen der Gase durch den Wärmetauscher zum Auslaß bei Ausdehnung auf atmosphärischen Druck und damit unter Abkühlung durch adiabatische Ausdehnung.

Eine v/eitere alternative Motorkonstruktion, die nachdem gleichen Arbeitsprinzip läuft v/ie die beiden vorstehenden Ausführungsbeispiele, ist in Pig. 9 gezeigt, und sie besteht aus einem Hot orblock 61 mit zwei parallelen Zylinders 62, 63, die beide an einein Ende durch einen Zylinderkopf 64 verschlossen sind. Im Zylinder 62 ist ein Kolben 65 verschiebbar, und ein gleicher Kolben 66 ist im Zylinder 63 verschiebbar. Die Kolben 65 und 66 sind jeweils durch betreffende Kolbenstangen mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden und so angeordnet, daß sie außer Phase zueinander laufen, wobei der Kolben 66? dem Kolben 65 um zwischen 50 und 90° der Kurbelwellendrehung nachläuft. Die Wahl der Winkelverlagerung zwischen dem Kolben 65 und dem Kolben 66 wird durch das erforderliche Verdichtungsverhältnis des Motors bestimmt, wobei das Verdichtungsverhältnis bei einer Verlagerung um 50° 10:1 und 5;1bei einer Verlagerung um 90° beträgt. Im Ausführungsbeispiel, das in Pig. 9 dargestellt ist, läuft der Kolben 66 dem Kolben 65 um 70° der Kurbelwellendrehung nach. Die in Pig. 9 gezeigte Position ist die, bei der sich der Kolben 65 am oberen Totpunkt befindet, so daß der Kolben 66 sich damit um 70 unter dem oberen Totpunkt befindet.

Der Zylinderkopf 64 enthält ein Lufteinlaßventil 67, durch das Luft in den Zylinder 62 gelangen kann, und ein gleiches Lufteinlaßventil 68, durch das Luft in den Zylinder 63 gelangen kann. In Zuordnung zum Zylinder 63 enti. alt der Zylinderkopf

- 23 030018/0790

auch ein Transfervent:.l 69, und im Zylinderkopf befinden sich eine Wärmet aus ehe i-kammer 71 und eine Wirbelkammer 72. Ein regenerativer Wärmetauscher 73 sitzt in der Kammer 71, und dessen Heißfläche 73a steht mit der Wirbelkammer 72 in Verbindung, während die Kaltfläche 73b mit dem Transfernventil 69 in Verbindung steht. An der Kaltfläche des Wärmetauschers 73 ist die Kammer 71 mit einem Auslaßkanal 74 versehen, der von einem Auslaßventil 65 gesteuert wird. Die Wirbelkammer 72 steht auch über einen Kanal 76 mit dem Zylinder 62 in Verbindung, und eine Kraftstoffeinspritzdüse 77 kann Kraftstoff in die Wirbelkammer 72 einspritzen. Ein Nebenstromweg 78 verbindet das obere Ende des Zylinders 62 mit einem Punkt zwischen den Enden des Zylinders 63, und ein gleicher Nebenstromweg 79 verbindet das obere Ende des Zylinders 63 mit einem Punkt zwischen den Enden des Zylinders 62.

Der Motor arbeitet als Viertakt-Motor in der folgenden Weise: Der Beginn des Saugtakts überlappt sich mit dem Ende des Spültakts auf Grund der Phasendifferenz zwischen den Kolben 65 und

66. Während also der Kolben 65 aus seinem oberen Totpunkt im Saugtakt nach unten zu fahren beginnt, öffnet sich das Ventil

67, so daß Luft in den Zylinder 62 gesaugt v/ird. Der Kanal

79 wird vom Kolben 65 geschlossen, und der Kanal 78 ist durch den hochfahrenden Kolben 66 verschlossen. Abgase werden in diesem Stadium im Zylinder 63 aus dem Zylinder 63 durch das offene Transferventil 69 und das offene Auslaßventil 75 herausgespült. Zum Zwecke dieser Beschreibung wird angenommen, daß der Wärmetauscher 73 bereits durch vorhergehende Arbeitsspiele erhitzt worden ist. Nach einer Drehung der Kurbelwelle um 70° aus dem oberen Totpunkt des Kolbens 65 schließt der Kolben 65 immer noch den Kanal 79, und der Kolben 66 befindet sich am oberen Totpunkt. Das Transferventil 69 und das Auslaßventil schließen sich, und das Einlaßventil 68 öffnet, so daß während der weiteren Bewegung des Kolbens 65 nach unten und dem ersten Teil der Bewegung des Kolbens 66 nach unten Luft in beide Zylinder 62 und 63 eingesaugt wird. Während der Kolben 65 seinen

- 24 030018/0790

unteren Totpunkt erreicht, schließt sich das Einlaßventil 67, und während der Kolben 66 immer noch nach unten fährt, beginnt der Kolben 65 zu seinem oberen Totpunkt hin hochzufahren, um die Luft im Zylinder 62 zu verdichten und sie im Zylinder durch die Kanäle 78 und 79 in den Zylinder 63 zu verdrängen. Mit dem Beginn der Aufwärtsbewegung des Kolbens 66 schließt sich das Ventil 68, so daß in diesem Stadium alle Ventile geschlossen sind. Während der Kolben 65 den Kanal 79 passiert, schließt er den Kanal 79, Luft wird aber weiter aus dem Zylinder 62 in den Zylinder 63 durch den Kanal 78 (Figur 10) verdrängt. Wenn der Kolben 65 seinen oberen Totpunkt erreicht, ist der Kolben 66 in die in Fig. 9 gezeigte Position hochgefahren, in der er den Kanal 78 schließt, und damit wird im wesentlichen die gesamte Luftladung für beide Zylinder 62, 63 im Zylinder 63 aufgenommen und befindet sich dabei, vom hochfahrenden Kolben 66 verdichtet zu werden. Das Transferventil 69 öffnet nun, so daß der hochfahrende Kolben 66 Luft, die durch Verdichtung teilweise erwärmt worden ist, durch den Wärmetauscher 73 von der Kaltfläche 73b zur Heißfläche 73a treibt, v/ob ei die Luft durch den Wärmetauscher während des Durchgangs durch ihn erhitzt wird. Die heiße Luft gelangt dann in die Wirbelkammer 72, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird, der durch die Einspritzdüse 77 in die Kammer 72 eingespritzt wird. Die Temperatur der Luft ist derart, daß eine spontane Verbrennung erfolgt, und sich ausdehnende Gase treiben den Kolben 65 nach unten, während sich der Kolben 66 weiter nach oben zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, um damit weiter Luft durch den Wärmetauscher zu drükken, um den Verbrennungsprozß in der Wirbelkammer 72 und im Zylinder 62 (Fig. 11) zu speisen.

Der Transfer von Luft aus dem Zylinder 63 zum Zylinder 62 wird abgeschlossen, während der Kolben 66 seinen oberen Totpunkt erreicht. An diesem Punkt in der Bewegung des Kolbens 66/ ist der Kolben 65 gerade dabei, den Kanal 79 zu öffnen, und das Transfervem.il 69 schließt sich. Wenn beide Kolben nach unten fahren, köni. en die sich ausdehnenden Gase au3 dem Zylinder 62

- 25 030018/0790

τ/ 25 -

durch den Kanal 79 in den Zylinder 63 gelangen, so daß Arbeit im Zylinder 63 ausgeführt wird und damit der Kolben 66 zum Arbeitstakt des Motors beiträgt. Während der Kolben 65 den unteren Totpunkt passiert, beginnt er mit seinem Spültakt, und das Auslaßventil 75 öffnet sich. Der hochfahrende Kolben 65 treibt damit heiße Abgase durch den Kanal76, die Wirbelkammer 72 und den Wärmetauscher 73 von der Heißfläche zur Kaltfläche und dann durch den Auslaßkanal 74 nach außen. Ein Teil der im Zylinder 63 enthaltenen Abgase wird natürlich aus dem Zylinder 63 in den Zylinder 62 durch den Kanal 78 und dann durch den Wärmetauseher gedrückt, um den Wärmetauscher weiter zu erhitzen. Wenn der Kolben 65 seinen oberen Totpunkt erreicht und nach unten zu fahren beginnt, öffnet sich das Ventil 67, so daß Frischluft in den Zylinder 62 eingesaugt werden kann, und zusätzlich öffnet sich das Transferventil 69, so daß die übrigen Abgasprodukte im Zylinder 63 direkt zum Auslaß fließen, ohne den Wärmetauscher zu passieren (Fig. 12). Das Arbeitsspiel wird dann wiederholt. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen kann eine Zündungseinrichtung in der Form einer Zünd- oder Glühkerze eingebaut sein, vorzugsweise in der Wirbelkammer 72, um ein Anlassen des kalten Motors zu unterstützen.

Wie bei herkömmlichen Benzin- und Dieselmotoren fällt der Zeitpunkt der Ventilöffnungen und -Schließungen nicht genau mit dem oberen und unteren Totpunkt der betreffenden Kolben zusammen, und die optimalen Ventilfunktionezeitpunkte für jede Motorkonstruktion werden durch Versuche bestimmt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Einzylinder-Viertakt-Hotors ist in Fig. 13 dargestellt und weist einen Zylinderblock 81 auf, in dem sich ein Zylinder 82 befindet, in dem ein Kolben 83 verschiebbar ist. Der Zylinderkopf 84 ist mit einem Einlaßventil 85 versehen, durch das Luft in den Zylinder·82 gelangen kann, und er enthält eine Kammer 86, die mit dem Zylinder über eine„Öffnung 87 in Verbindung steht. Ein Auslaßventil

- 26 030018/0790

steht mit der Kamin er 36 in Verbindung und befindet sich an der gleichen Seite der Kammer 82 wie die Öffnung 87. Eine Uf fnung 89 gegenüber der öffnung 87 stellt eine Verbindung zwischen der Kammer 86 und einer Wirbelkammer 91 her, in die Kraftstoff durch eine Einspritzdüse 92 eingeleitet werden kann. Ein regenerativer Wärmetauscher 92 sitzt an einem drehbaren Rad 94, das sich in der Kammer 86 befindet. Das Rad 94 sitzt an einem Ende einer Achse 95, die drehbar im Zylinderkopf 84 gelagert ist, wobei die Drehachse des Rads 94 und der Achse 95 parallel zur Achse der Hubbewegung des Kolbens 83 liegen. Diametral gegenüber dem Wärmetauscher 93 ist der massive Teil des Rads 94 mit einem Loch 96 versehen, wobei das Loch 96 und der Wärmetauscher 93 in der Lage sind, für eine Verbindung zwischen gegenüberliegenden Seiten des Rads au sorgen, wobei die Peripherie und ein Teil der unteren Seite des Rads sich im gleitenden, jedoch dichtenden Kontakt mit dem Zylinderkopf 84 befinden. Es folgt nun eine Beschreibung der Arbeitsweise des Motors unter Bezugnahme auf Pig. 14_;bis 19, die verschiedene Positionen des Rads 94 relativ zur öffnung 87 und zum Auslaßventil 88 darstellen.

Während der Kolben 83 aus seinem oberen Totpunkt zu Beginn seines Ansaugtakts nach unten fährt, öffnet sich das Ventil 85, so daß Luft aus der Atmosphäre in den Zylinder 82 gesaugt wird. In diesem Stadium befindet sich das Rad 94 in der in Pig. 13 gezeigten Position, und der Wärmetauscher 93 ist bereits von einem vorhergehnden Arbeitsspiel her heiß. Während der Kolben 83 seinen unteren Totpunkt passiert und hochzufahren beginnt, verdichtet er Luft im Zylinder 82 und treibt die Luft durch den heißen Wärmetauscher 93 in die Kammer 91. Die Luft wird damit sowohl durch Verdichtung als auch durch Passieren des heißen Wärmetauschers erhitzt. Während der Kolben 83 seinen oberen Totpunkt erreicht, ist ersichtlich, daß praktisch die gesamte Luft, die in den Zylinder 82 gesaugt worden ist, durch den Wärmetauscher in die Kammer 91 gedrückt worden ist. Unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 83 wäh-

- 27 030018/0790

rend seines Verdichtungstakte wird das Rad 94 gedreht, um das Loch 96 mit der Öffnung 87 in Verbindung zu setzen, und Kraftstoff wird in die Kammer 91 durch die Einspritzdüse 92 eingelassen. Es erfolgt eine spontane Verbrennung als Folge der
Temperatur der Luft in der Kammer 91, und die sich schnell
ausdehnenden Gase treten durch die Öffnung 89, das Loch 96 und die Öffnung 87 aus und gelangen in den Zylinder 82, um den Kolben 83 nachunten in seinem Arbeitstakt zu treiben. Die Bewegung des Rads am oboe ren Totpunkt des Kolbens ist in Pig. 14 dargestellt. Der Kolben 83 fährt also nach unten im Arbeitstakt,
und bis der Kolben 83 den unteren Totpunkt seines Arbeitstakts erreicht hat, hat sich das Rad 95 um die in Fig. 15 gezeigte
Position in die in Pig. 16 gezeigte Position gedreht, so daß
der Wärmetauscher über dein Auslaßventil 88 liegt. Während der Kolben 83 den unteren Totpunkt passiert, öffnet sich das Auslaßventil 88, und weil das Ventil 85 seit dem Beginn des Verdichtungshubs geschlossen worden ist, werden die heißen Abgase, die sich im Zylinder 82 befinden, durch den hochfahrenden
Kolben 83 durch die Öffnung 87 und das Loch 96 gedrückt und
fließen über die Oberseite des Rads 94, dann nach unten durch den Wärmetauscher 93 und durch das offene Auslaßventil 88 aus dem Motor. Beim Durchgang durch den Wärmetauscher 93 von der
heißen oberen Fläche zur kalten unteren Fläche erhitzen die
Gase den Wärmetauscher in Vorbereitung auf einen weiteren Arbeitsprozeß. Das Auslaßventil 88 wird vorzugsweise geöffnet,
ehe der Kolben den unteren Totpunkt in seinem Arbeitstakt erreicht, so daß Abgase durch den Wärmetauscher zum Auslaß zu
fließen beginnen, ehe der Spültakt beginnt. Fig. 16 zeigt die Position unmittelbar vor dem unteren Totpunkt des Spültakts,
Fig. 17 zeigt die Position des Rads nach halbem Spültakt,
und Fig. 13 zeigt die Position des Rads am Ende des Spültakts und zu Beginn des Saugtakts. Während der Kolben also seinen
oberen Totpunkt am Ende des Spültakts passiert, schließt sich das Auslaßventil 88, und das Einlaßventil 85 öffnet sich, so
daß der anschließende Hub -^qes Kolbens 83 nach unten eine neue Luftladnung in den Zylinder '32 in Vorbereitung auf ein weite-

- 28 -

030018/0790

res Arbeitsspiel säurt. Bis der Kolben 83 das Ende seines Saughubs erreicht hat, befindet sich der heiße Wärmetauscher wieder in einer Position über der Öffnung 87 in Bereitschaft für den Verdichtungstakt, um die frische Luftladung durch den Wärmetauscher in die Wirbelkammer 91 zu drücken. Es versteht sich, daß nicht beabsichtigt ist, das Rad zwischen einer Reihe statischer Positionen zu bewegen, sondern daß es sich kontinuierlich bewegt, und zweckmäßigerweise wird es von der Kurbelwelle des Motors angetrieben, um sich mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle zu drehen.

Wie in Verbindung mit allen vorhergehenden Ausführungsbeispielen erwähnt worden ist, wird eine Zündungseinrichtung in der Form einer Zündkerze oder einer Glühkerze in die Wirbelkammer 91 eingebaut, ixm ein Zünden des Kraft st off/Luft-Gemisches zu erleichtern, wenn der Wärmetauscher kalt ist. Die Zündungseinrichtung wird jedoch abgeschaltet, sobald die normale Betriebstemperatur des Motors erreicht worden ist.

Es versteht sich, daß das Loch 96 und der Weg über die Oberseite des Rads 94 zusammen mit der Drehung des Rads relativ zur Öffnung 87 einen Nebenstrornweg bilden, mittels dessen zwar die frische Luftladung durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche gedrückt wird, aber die Abgase die Kaltfläche des Wärmetauschers im Nebenstrom passieren, und während der gleichen Bewegungsrichtung des Kolbens wie beim Verdichtungshub werden die Abgase durch den Wärmetauscher von der Heißfläche zur Kaltfläche gedrückt.

Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, das vorstehend beschrieben worden ist, kann jedes der weiteren Ausführungsbeispiele als Vergasermotor arbeiten, falls erwünscht, und nicht als ein Motor mit Kraftstoffeinspritzung. Aus den Gründen, die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel angegeben worden sind, wird die Version mit Kraftstoffeinspritzun jedoch derzeit bevorzugt.

- 29 030018/0790

\ .' I ■■

ii3 versteht sich, daß in juuoi.i ihm· vorstehend beschriebenen j-iotoren der regenerative /,'.-I emiu".-"'^'iior Wärme aus den Abgasen zurückgewinnt und mindestens <;. n n i.'üaiiteil des Kraftstoff/ Luft-Gemische s erhitzt. Weil d.i.; iV:tü|'eratur_f auf die die Ladung erhitzt wird, sehr hoch ist, zündet der mit der erhitzten Luft gemischte Kraftstoff spontant. Tatsächlich kann die Temperatur der Luft, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, viel höher sein als die, die normalerweise rein durch Verdichtung erreichtv/ird, wie das beispielsweise bei einem herkömmlichen Diesel-i-lotor der !''all ist. Mit den vorstehend beschriebenen iiotoren kann der Hotorkonstruktuer beim Konstruieren eines Motors die Temperatur des Wärmetauschers wählen (indem er die Hen/ e an Abgasen kontrolliert, die durch den Wärmetauscher beiiii vorhergehenden Takt fließen,und indem ei' das entsprechende Kraftstoff/Luft-Verhältnis und Verdichtungsverhältnis wählt), und damit kann er die Temperatur kontrollieren, auf die die Luft gebracht wird. Der Konstruktuer kann auch die Geschwindigkeit und den Zeitpunkt des Transfers von Luft durch den Wärmetauscher und das Timing der Kraftstoffeinspritzung bestimmen. Der iiotorkonstrukteur halt also erheblichen Bewegungsraum in der Konstruktion, und es kann eine optimale Verbrennungsrate und ein entsprechendes Timing für die beabsichtigten Betriebsbedingungen des Hotors gewählt werden.

Der thermische Wirkungsgrad aller vorstehend beschriebenen Motoren kann v/eiter verbessert werden, indem die Krone des Kolbens, die Wandung des Zylinders und er Zylinderkopf isoliert v/erden. Bei Verwendung einer solchen Isolierung wird die Wärme, die normalerweise durch diese Teile des Hotors verlorengeht, im System gehalten, um effektiv eine Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsprodukte zu bewirken. Diese durch Isolierung zurückgehaltene Wärme wird also von regenerativen Wärmetauscher zurückgewonnen und in nützliche Arbeit umgesetzt, indem eine Einleitung in die Luft erfolgt, die den Wärmetauscher beim.nächsten Arbeitsspiel passiert.

- 30 -

030018/0790 BAD ORIGINAL

Als Beispiel ist beabsichtigt, das die vorstehend beschriebenen Motoren ein niedriges Verdichtungsverhältnis von zwischen 5:1 und 12:1 haben, während herköminliclke Diesel-Motoren hohe Verdichtungsverhältnisse in de Größenordnung von 15:1 bis 23:1 haben und der genannte Wishart-Hotor ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis in der Grö 13 en Ordnung von 30:1 hat.

030018/0790

Claims

Lucas Industries Limited

Great King Street

GB-Birmingham 11. Oktober 1979

Ansrr liehe

fiJ Hubkolben-Brennkraftmotor mit niedrigem Verdichtungsverhältnis, bestehend aus einer Kolben/Zylinder-Anordnung mit einem Arbeitsraum, in dem die Verdichtungs- und Arbeitstakte des Arbeitsspiels des I-Iotors stattfinden, wobei der Arbeitsraum zum Teil durch die Kolbenkrone und den Zylinderkopf und zum Teil durch eine Einlaßventilanordnung, durch die ein Einlaßmedium in den Arbeitsraum zu gelangen vermag, und durch eine Auslaßventilanordnung begrenzt ist, durch die im Arbeitsraum entstehende Verbrennungsprodukte aus dem Arbeitsraum auszutreten vermögen, dadurch gekennzeich net, daß sich ein regenerativer Wärmetauscher im Arbeitsraum befindet und dieser Wärmetauscher eine Heißfläche und eine Kaltfläche hat, zwischen denen Gase ZAvangsweise durchfließen, und daß Mittel zum Veranlasseneines Fließens des Einlaßmediums durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche vorgesehen sind, derart, daß es durch diesen unmittelbar vor dem Verbrennungstakt des Arbeitsspiels des Motors erwärmt wird, wobei das verbrennende und sich ausdehnende Kraftstoff/Luft-Gemisch zum direkten Wirken auf den Kolben der Kolben/Zylinder-Anordnung ohne Passieren des Wärmetauschers veranlaßt wird und die Verbrennungsprodukte anschlie-

35 365

Wa/Ti - 2 -

030018/0790

ORlGfNAL INSPECTED

— O _

»τ

Bend zum Fließen durch den Wärmetauscher von der Heißfläche zur Kaltfläche zum Erwärmen des V/ärmet aus eher s vor Verlassen des Arbeitsraums durch die Auslaßventilanordnung veranlaßt werden.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Heißfläche des regenerativen Wärmetauschers ständig der Krone des Kolbens ausgesetzt ist und die Mittel einen Nebenstromweg aufweisen, mittels dessen während der Verdichtung des Einlaßmediums das Medium durch diesen Nebenstromweg zur Region der Kaltfläche des Wärmetauschers ohne Passieren des Wärmetauschers zu fließen vermag.
3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher im Arbeitsraum zwischen einer ersten Position, in der seine Kaltfläche der Kolbenkrone ausgesetzt ist, und einer zweiten Position bewegbar ist, in der die Heißfläche der Kolbenkrone ausgesetzt ist, wobei der Wärmetauscher seine erste Position während der Verdichtung des Mediums einnimmt und den Arbeitsraum teilt, derart, daß das Medium zur Erwärmung durch Passieren des Wärmetauschers von der Kaltfläche zur Heißfläche vor der Verbrennunggebracht wird, und der Wärmetauscher seine zweite Position während der Arbeits- und Auslaßtakte einnimmt, derart, daß das verbrennende und sich ausdehnende Kraftstoff/Luft-Gemisch direkt auf den Kolben einzuwirken vermag und die entstehenden Verbrennungsprodukte zum Fließen durch den Wärmetauscher von der Heißfläche zur Kaltfläche unter Erwärmung des Wärmetauschers zum Verlassen des Arbeitsraums durch die Auslaßventilanordnung gebracht werden.
4. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher innerhalb des Arbeitsraums statisch ist und die Mittel weiter einen Verdrärgingsk'olben aufweisen, der innerhalb des Arbeitsraums zum Treiben

- 3 030018/0790

der verdichteten Ladung durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche bewegbar ist, wobei der Nebenstromweg ein Fließen der verdichteten Ladnung in eine Region des Arbeitsraums zwischen dem Verdrängungskolben und der Kaltfläche des Wärmetauschers ermöglicht.
5. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher relativ zum Zylinder der Kolben/Zylinder-Anordnung bewegbar ist und die relative Bewegung zwischen dem Kolben und dem Wärmetauscher die Ladung durch den Nebenstromweg von der Heißfläche des Wärmetauschers zur Kaltfläche ohne Passieren des Wärmetauschers treibt.
6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kolben/Zylinder-Anordnung einen ersten Kolben und Zylinder und einen zweiten Kolben und Zylinder aufweist und ein Fließweg für eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder sorgt, wobei das Hubvolumen des ersten und des zweiten Zylinders und das Volumen des Fließwegs zum Gesamtarbeitsraum der Anordnung beitragen und die Kolben mit einer gemeinsamen Kurbelwelle gekoppelt sind, jedoch um einen bestimmten Bogenwinkel der Kurbelwellendrehung außer Phase angeordnet sind, wobei der erste Kolben gegenüber dem zweiten Kolben vorläuft und während der Verdichtung einer Einlaßladung diese Ladung zunächst der Heißfläche des Wärmetauschers ausgesetzt ist, jedoch von beiden Kolben in den zweiten Zylinder verdichtet wird, der während des Abschlusses des Verdichtungstakts der Kaltfläche des Wärmetauschers ausgesetzt ist, derart, daß die verdichtete Ladnung durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche unmittelbar vor der Verbrennung zu fließen vermag.
7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher in einem Kanal des Fließwegs sitzt und seine Heißfläche ständig dem ersten Kolben

- 4 030018/0790

ausgesetzt ist und seine Kaltfläche bei geöffnetem Zustand eines Transferventils dem zweiten Kolben ausgesetzt ist, wobei die Auslaßventilanordnung der Kaltfläche des Wärmetauschers ausgesetzt ist und die Einlaßventilanordnung ein erstes und ein zweites Einlaßventil aufweist, die Einlasse zum ersten bzw. zweiten Zylinder bilden, wobei der Fließweg eine Leitung aufweist, die zusammen mit dem Teil des Kanals vom zweiten Zylinder zur Kaltfläche des Wärmetauschers einen Nebenstromweg bildet, derart, daß während des Abschlusses des Verdichtungstakts des Arbeitsspiels des Motors die verdichtete Ladung vom ersten Zylinder zur Kaltfläche des Wärmetauschers ohne Fließen durch den Wärmetauscher von dessen Heißfläche zu gelangen vermag.
8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß unabhängig davon, wie die Ladung zum Fließen durch den Wärmetauscher von der Kaltfläche zur Heißfläche gebracht wird, die Verbrennungsprodukte zum Fließen durch den Wärmetauscher von der Heißfläche zur Kaltfläche durch die Bewegung des Kolbens der Anordnung zum oberen Totpunkt hin gebracht werden.
9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Einlaßladung Luft ist und Kraftstoff in den Arbeitsraum über eine Kraftstoffeinspritzdüse eingeleitet wird.
10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Kraftstoffeinspritzung nahe an der Heißfläche des Wärmetauschers erfolgt.
030018/0790