DE3047138C2 - Freikolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

1) daß das von den Wassereinspritzdüsen eingespritzte Wasser einen mit der Kolbenachse koaxialen Wasserhohlzylinder bildet, und is

2) daß eine Brennstoff-Wassermischung mit geringem Winkel entgegen den Wirbel durch die Düse zur Einführung von Brennstoff eingeblasen wird, und

3) daß die Brennkraftmaschine eine aufgeladene Freikolbenbrennkraftmaschine ist

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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs, gemäß DE-PS 9 46 858. Ausgehend von einer Brennkraftmaschine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs, gemäß DE-PS 9 46 858 soll die Aufgabe gelöst sein, eine breite Palette von Brennstoffen mit sehr hoher Verdichtung und hohem Wirkungsgrad des Arbeitsprozesses im Brennraum ohne Klopfen zu verarbeiten.

Die gestellte Aufgabe wird rrer einer Brennkraftmaschine der eingangs genarnten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale gelöst, die im kennzeichnenden Teil des Anspruches aufgeführt sind. Alle im Patentanspruch aufgeführten Merkmale, insbesondere die Merkmale 1 —3 des Kennzeichens sind wesentlich.

Erfindungsgemäß ausgebildete Freikolben-Brennkraftmaschinen können mit staubförmigen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden. Sie benötigen kein Zylinderöl und wenig Kühlwasser. Die Abgase enthalten nur sehr wenige Schadstoffe. Die Brennkraftmaschinen können zweckmäßig für stationäre Kraftanlagen ausgelegt werden, später aber auch für den Einbau in Kraftfahrzeugen entwickelt und bemessen sein.

In der erfindungsgemäß ausgebildeten Freikolben-Brennkraftmaschine wird das gewählte Brennstoff/Luft-Gemisch stoßartig hochverdichtet und sofort wieder entspannt. Dabei wird der eigentliche Brennraum durch das eingespritzte Wasser und den rotierenden Wassermantel so geformt, daß er sich wie eine Gummiblase verengen und wieder ausdehnen kann. Es erfolgt eine sehr hohe Verdichtung und eine anschließende detonationsähnliche Gleichraumverbrennung. Der Brennraum wird von dem eingespritzten Wasser und vom gebildeten Wasserwirbel so geformt, daß es kurz vor und während der Verbrennung, und auch noch über den wichtigsten Teil der Expansionsphase eine etwa kugelähnliche Gestalt mit unzerklüfteter Raumausdeh= nung und kleiner Oberfläche erhält. Dadurch werden Gasschwingungen und das von Otto-Motoren her bekannte Klopfen unterdrückt, da den sich bildenden Feuergasen der Schwingungsweg fehlt.

Dem Brenngemisch wird zerstäubtes Wasser beigemischt und es wird so erreicht, daß das Brenngemisch Durch die Neigung der Einlaßkanäle lür den Brennstoff und für die Spülluft in entgegengesetzten Richtungen und mit unterschiedlichen Neigungswinkeln zur Radialrichtung des Zylinders lassen sich sogenannte Planetenwirbel erzeugen, bei denen sehr hohe Spiegel-Beschleunigungen des einhüllenden Wassermantels zulässig sind. Der Wasserspiegel rotiert, ohne daß das Wasser verspritzt und der Gesamtaufwand an Energie zur Erzielung des rotierenden spritzfreien Wasserspiegels ist minimal.

Durch die tangentiale Neigung der Wassereinlaßdüsen und der Einlaßkanäle für die Spülluft des Zylinders lassen sich Wirbel erzeugen, die bei der Verdichtung angenähert dem Gesetz für Planetenwirbel (U · W = konst) folgen.

Am Wasserspiegel eines rotierenden und einhüllenden Wassermantels ist deshalb auch bei der Verpuffung eine sehr hohe Spiegelbeschleunigung zulässig.

Durch den Planetenwirbel des rotierenden Wassermantels wird der Betrieb mit Kohlenstaub ermöglicht Der schleifende Staub wird von der Zylinderwand ferngehalten oder weggespült

Durch die Tangentialkomponente der in den Zylinder einströmenden Spülluft wird zunächst im Zylinder nur ein »Wirklicher Luftwirbel« — kein Potentialwirbel — entstehen. Bei einem Potentialwirbel müßte nach dem Gesetz W.a=consi. für W=Q die Geschwindigkeit werden, was unmöglich ist Unter dem Reibungseinfluß bildet sich vielmehr ein Luft-Wirbelkern, der sich etwa wie ein fester Körper (W= const) dreht

In diesem Wirbelkern kann dei Brennstoff schon recht frühzeitig — mit leichtem Gegendrall — eingeblasen werden.

Durch den Luftplanetenwirbel wird eine frühzeitige Gemischbildung und eine sehr hohe Relativgeschwindigkeit im idealen Brennraum zwischen Luft und größeren Brennstoffteilchen erreicht. Das ganze Gemisch wirbelt, und eine Dissoziation wird durch den sich im Zylinder aufbauenden hohen Druck weitgehend unterdrückt. Dadurch wird die Verbrennung völlig unabhängig von der Art des Brennstoffes. Der Wasserstaub ersetzt die Antiklopfmittel. Auch bestehen nicht die bei Brennstoff-Einspritzmaschinen auftretenden Probleme, und Probleme der Zylinderschmierung entfallen praktisch. Eine Ölschmierung im Brennraum, also im Feuerbereich der Maschine, ist nicht mehr erforderlich, weil bei Freikolbenmaschinen kein oder nur ein minimaler Flächendruck auf der Zylindergleitbahn auftritt.

Die Verbrennung ist vollständiger als bei anderen Brennkraftmaschinen. Dabei können auch billige staubförmige Brennstoffe verwendet werden, Durch den besseren Arbeitsprozeß und den Wasserzusatz sind die Auspuffgase auch nicht oder mit weniger giftigen Anteilen belastet und weniger lästig. Sehr wichtig ist auch die Tatsache, daß der Zylinder thermisch nicht so stark wie bei anderen Brennkraftmaschinen beansprucht wird. Auch entfällt die Wärmebelastung der

Kolben, da sie durch ak Flüssigkeit der angeschlossenen |l hydraulischen Kraftübertragungseinrichtung und durch $ die Innenkühlung gekühlt werden,
f. Bei erfindungsgemäß ausgebildeten Freikolben- ; Brennkraftmaschinen können Abgasturboverdichter : zur Aufladung angwendet werden, so daß sich ein ! geringes Leistungsgewicht ergibt, was bei der Anwen- ! dung für Flugzeugtriebwerke wichtig ist
jj Der Brennstoffverbrauch ist dann, bei mittlerer

* Betriebsgeschwindigkeit, geringer als bei Gasturbinen-Düsentriebwerken.

' Wichtig ist auch der Vorteil, daß die Brennkraftiria-

schine als Vielstoff-Brennkraftmaschine eingesetzt < werden kann und einen besonders wirtschaftlichen \ Verbundbetrieb von verschiedenen Brennstoffen erlaubt

■ Die erfindungsgemäß ausgebildete Freikolben-Brennkraftmaschine ermöglicht also eine momentane

« Gleichraumverbrennung. Durch die Wasserspülung ist

■ sie für beliebige, auch ascheerzeugende Brennstoffe f geeignet. Der geringe Wärmeverlust während des höchsten Druckes und der höchsten Temperatur trägt wesentlich zum hohen induzierten Wirkungsgrad der Maschine bei.

Die Freikolben-Brennkraftmaschine hat beim Aufbau ' als Gegenkolbenmaschine praktisch einen vollkomme- [ nen Masseausgleich und ein sehr geringes Leistungsge- ; wicht

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnungen nä- ^: her erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den größten Teil einer Freikolben-Brennkraftmaschine, teilweise entlang der Schnittlinie A-C\n F i g. 13,

Fi g. \2 einen Querschnitt durch die Maschine, in der linken Hälfte entlang der Linie D-F und in der rechten Hälfte entlang der Linie C-Hm F i g. 1,

F i g. 13 einen Schnitt durch die Maschine entlang der LinieL-MinFig. 1,

Fig, 1.4 einen Schnitt durch die Maschine, im oberen Teil entlang der Linie N-O und im unteren Teil entlang derLinieP-<?inFig. 1.

F i g. 1 zeigt einen schematisierten Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Freikolben-Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, das einen zentralen Zylinder 1 umfaßt, der in der Zeichnung nicht

über seine ganze Länge dargestellt is*, und in welchem ' zwei gegenläufig arbeitende Freiflugkoiben angeordnet

sind. Die beiden Kolben 2 und 2a sind in ihrer äußersten Stellung dargestellt, in der sie den Mittelbereich des ' Zylinders 1 freigeben, in welchen im Arbeitsbereich des

einen Kolbens 2 in der Zylinderwandung Spülluft-Schlitzkanäle 3 münden,deren Ausrichtung aus Fig. 1.2 ersichtlich ist Nahe dieser Spülluft-Schlitzkanäle 3 münden Brennstoff-Einkanäle 4, deren Einlaßrichtung ebenfalls aus Fig. 1 2 ersichtlich ist. Fig. 1.2 zeigt, daß die Spülkanäle 3 und die Brennstoffeinlaßkanäle 4 in

entgegengesetzten Richtungen und unterschiedlich stark zur Radialrichtung des Zylinders geeignet sind. Die Spülluft wird mittels eines Ringkanais 29 und der Brennstoff wird mittels eines Ringkanals 30 in die über den Umfang des Zylinders 1 verteilt angeordneten Kanäle 4 gebracht.

Im mittleren Bereich der Maschine münden zwei Sätze von jeweils vier Wasserspritzdüsen 5 und 5a mit entgegengesetzter Neigung zur Radialrichtung des Zylinders, durch welche aus einem äußeren Ringkanal 31 Wasserströme in gegeneinanderlaufenden Schraubenlinien in den Zylinder einspritzbar sind, die sich schraubenlinienförmig an der Zylinderwandung entlangbewegen und in der Zylindermitte aufeinandertreffen. Das Wasser wird über Auslaßkanäle 6 in Ringkanäle 32 eingeleitet Der Abfluß des Wassers aus dem Ringkanal 32 kann mittels Drosselklappen reguliert werden.

Die Abgase der Verbrennungsmaschine werden durch über den Umfang des Zylinders verteilte Auslaßschlitzkanäle 13 in einen Abgasringkanal 35 (Fig. 1.4) abgeleitet Alle erwähnten Ringkanäle sind natürlich jeweils mit mindestens einem äußeren Einlaßoder Auslaßkanal verbunden, die alle in den Fig. 1, 12 — 1.4 dargestellt aber nicht näher bezeichnet sind.

Die Wirkungsweise der Freikolben-Brennkraftmaschine ist folgende:

In der in F i g. 1 dargestellten Stellung, in der sich die beiden Kolben 2 und 2a an ihren äußeren Umkehrpunkten befinden, wird der Zylinderraum im Gleichstromverfahren gespült Der Brennstoff wird dabei durch die Einlaßkanälc 4 mit leichtem Gegendrall zu dem aus den Kanälen 3 austretenden Spülluftstnr -, so eingespritzt oder eingeblasen, daß die ersten BtanDstoffteilchen nicht mehr in die Abgas-Auslaßkanäle 13 gerissen werden, aber noch die letzten Brennstoffteilchen sicher in den Zylinder gespült werden. Durch die Spüiiuft-Schlitzkf'Aäle 3 erhält die einströmende Luft einen scharfen Drall um die Zylinderachse. Gleichzeitig wird durch die Wasserspritzdüsen 5, 5a Wasser in den Zylinder eingespritzt. Die Spritzströme treffen in der Zylindermitte mit praktisch noch ihrer vollen Drallströmungsenergie zusammen. Das Wasser fließt mit abnehmendem Drall während der Spülperiode der Brennkraftmaschine durch die Wasserauslaßschlitze 6, 6a ab, wobei der Wasserauslaß durch die Drosselklappen reguliert wird, so daß nur wenig Abgase durch die Wasserauslaßschlitze mit ausströmen können.

Beim anschließenden Verdichtungshub überschieben die Kolben 2 und 2a die Spülluft-Schlitzkanäle 3, die Auslaßschlitze 13 für die Abgase und die Wcssersjjritzdüsen 5,5a, bis schließlich vor dem inneren Kolbentotpunkt das Brennstoffgemisch explodiert und der rotierende Wassermantel auf geringen Kolbenabstand verkürzt ist Da die Verdichtung sehr rasch erfolgt, bleibt der Einfluß der Flüssigkeitsreibung klein, und es entsteht annähernd ein Potentialwirbel. Das bedeutet, daß die Wasserteilchen eine Planetenbewegung nach dem Flächensatz ausüben. Gegenüber Otto- und Dieselmotoren gleichen Hubvolumens wird dabei eine wesentlich höhere Leistung bei geringeren Wärmeverlusten erreicht. Bei der Verdichtung wird der Gasraum durch den äußeren Wassermantel auf einen kleineren Durchmesser zusammengedrückt, wobei die Wirbelgeschwindigkeit der leichten Luftteilchen etwa entsprechend dem Planetengesetz zunimmt Dabei werden sehr energiereiche Gaswirbel erzeugt, in denen Tröpfchen flüssigen Brennstoffe schon vor der Zündung sehr fein zerteilt werden, was die angestrebt rasche Verbrennung begünstigt Es erfolgt also eine geschichtete Ladung des Zylinders, wobei der Brennstoff als reiches Gemisch zunächst im langsai.i gegenrotierenden Wirbelkern des einschließenden Luftwirbels verbleibt.

Das eingespritzte zerstäubte Wasser wird bei der Kompression völlig verdampft In der dadurch inngekühlten Zylinderwand bildet sich nur ein normaler Ölfilm oder ein Wasser-Ölfilm. Bei der Verpuffung ist das eigentliche Brenngemisch in den kugeligen Raum zwischen den Kolben verdrängt Der Spülluftwirbel und

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der gegenrotierende Brennstoffgemischwirbel werden so geführt und geschichtet, daß gegen die Zylinderwand zu der Wasserdampf und Wasserstaub reichlicher, das Brennstoffgemisch aber ärmer ist.

Weil die kühlen, schweren und schnellen Luft- und Wasserteilchen radial nach außen drängen, wird der etwa brennstofffreibleibende Raum zwischen dem planen Kolbenflächenteil nur mäßig erhitzt.

Bei der Verdichtung mit den beiden Freikolben beginnt zonenweise die adiabatische Verdichtung mit dem starken Temperaturanstieg erst nach dem Verdampfen des Wassers. Durch Trennstoffschichtung und Wasserstaubschichtung ist also schon bei der Verdichtung ein erhebliches Temperaturgefälle gegen die Zylinderwand erreichbar. Es wird so eine nahezu ideale Wirbel- oder Brennkammer gebildet, in der mit hohem Zündverzug, welcher durch den Wasserstaub regulierbar ist, bei hohem Verdichtungsverhältnis eine detonationsähnliche Verpuffung stattfindet.

Die I.uft und der Brennstoff werden mittels nicht dargestellter Gebläse über die Ringkammer 29 und 32 zu den entsprechenden Einlaßkanälen 4 oder 4 gebracht. Die Brennkraftmaschine nach Fig.! eignet sich durch die gegenseitige Anordnung der Brennstoffeinlaßkaäle 4 und der Spülluftkanäle 3 auch zur Verwendung staubförmiger Brennstoffe, wie Stroh- und Grashäcksel, Sägespäne, Torfkrümel, Kohlenstaub. Der Kolben 2 gibt nach der Explosion auf seinem Weg zum äußeren Totpunkt zuerst die Spülluftkanäle 3 frei, so daß zunächst mit starkem Drall die Spülung beginnt. Dann erst werden die Brennstoffeinlaßkanäle 4 geöffnet, durch welche ein Gemisch aus Luft und Brennstaub mit leichtem Gegendrall in den Zylinder einströmt. Bei einer Verdichtung = 100 beträgt die Moleküldichte für den Sauerstoffanteil in der Luft nach Avogadro

100

2,688 · lO'Vcm³ = 5,376 ■ lO'Vcrrr

Bei der Bildung des Luftpotentialwirbels während des anschließenden Verdichtungshubs können die Brennstoffteilchen im langsamen Wirbelkern der rnsteigenden Umfangsgeschwindigkeit der Luft nicht rasch genug folgen. Zwischen Luft und Brennstaub entsteht deshalb eine hohe Relativgeschwindigkeit, die etwa 300 m/sec erreicht. So wird ein Kohlestaubkorn mit einer Fläche von 0,1 χ 0,1 =0,02 mm² in der Zeit 0,001 see in der verdichteten Luft etwa

5,376 · IQ'⁸ · 100 · 30000,0
lOO² ■ I0³

= 1,61 · 10'

Sauerstoffteilchen streifen. Auf diese Weise wird eine sehr hohe Brenngeschwindigkeit selbst bei gröberem Brennstaub erreicht. Die Hubraumleistung ist entsprechend groß. Bei der hohem Temperatur verbindet sich der Sauerstoff des Wasserdampfes mit dem Kohlenstoff. Der Wasserstoff H? zerfällt zum Teil in atomaren Wasserstoff H.

Die absolute Umfangsgeschwindigkeit U] am etwa koaxialen Wasserspiegel beträgt bei einem Radius ri etwa

U₂ = U — ,
r,

während für den Radius r, die Normalbeschleunigung

. i/l-'
Dn₁ =

ist, wird beim kleineren Radius r- die Beschleunigung

Dies bedeutet bei

{/, = 25 m/sec /■, = 0.15 m .
r₂ = 0,05 /μ ein A₂ = 112 500 m/sec² .

Eine Überschlagsrechnung der Flüssigkeitsreibung ergibt, daß mit einem minimalen Aufwand an Verlustlei-

->, stung eine absolute Spritzsicherheit des Wasserspiegels erreicht wird. Bei einer ausführungsgerrrß ausgebildeten Gegenkolbenmaschine lassen sich Wasserspiegel-Beschleunigungen erzielen, die ein Mehrfaches der Beschleunigung von schnellaufenden Otto-Motoren

;, sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Selbstzündung einer geschichteten Ladung, bei der sich ein Wirbel im Brennraum um die Kolbenachse ausbildet und bei der Wassereinspritzdüsen tangential zur Zylinderwand in Richtung des Wirbels vorgesehen sind, mit einer Düse zur Einführung von Brennstoff in den Brennraum, dadurch gekennzeich- io gen. net,

   erst im günstigsten Moment der Verdichtung, nach Überschreitung der Zündtemperatur detoniert Die Verdichtung erfolgt dann zuerst polytropisch bis zur Verdampfung oder dem teilweisen Ausschleudern des Wasserstaubes, anschließend adiabatisch. Vorverdichtete Luft oder Gemisch kann bei Maschinen mit Aufladung auch vorher rückgekühlt werden. Die Ausscheidung größerer Wassertröpfchen kann auch noch im Zylinder durch Zentrifugalwindsichtung eifol-