DE4136223C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenmotor, insbesondere für den Automobil-, Schiffs- und Flugzeugbau gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch die US-PS 42 12 163 ist ein derartiger Kolbenmotor mit äußerer Verbrennung bekannt. Die Bildung und Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches wird in einer äußeren Kammer durchgeführt. Das Ziel ist die Trennung der Verdichtungs- und Entspannungsteile von dem Verbrennungsteil des Kol­ benmotors. Diese Trennung ist insbesondere bei hohen Drehzahlen notwendig, da hier die Entspannungszeit kürzer als die Verbrennungszeit werden kann. Die Entspannungs­ zylinder haben einen größeren Durchmesser als die Ver­ dichtungszylinder. Dadurch kann eine Entspannung der Ver­ brennungsgase bis zum Umgebungsdruck stattfinden, wodurch eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrads bewirkt wird.

Die gemeinsame Verbrennungskammer der Verbrennungszylin­ der und Entspannungszylinder wird durch einen in der Ver­ brennungskammer angeordneten Rohrstutzen in einen Kreis­ ringzylinder und einen Zentralzylinder unterteilt. Über den Kreiszylinder erfolgt die Zufuhr der verdichteten Luft entlang der Wand des Zentralzylinders, wobei dieser gleichzeitig gekühlt wird. In dem Zentralzylinder wird die verdichtete Luft mit dem Kraftstoff gemischt und das Gemisch entzündet. Die Verbrennungsgase werden dann über eine Rohrleitung zu den Entspannungszylindern geleitet. Hier wird die in den Verbrennungsgasen enthaltene Energie über die Kurbelwelle in rotatorische Energie umgewandelt.

Kolbenmotoren mit einer in getrennten Bereichen statt­ findenden Verdichtung, Verbrennung und Entspannung haben somit den Vorteil, daß die Bildung und die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches unter bestmöglichen Voraus­ setzungen stattfindet und damit eine Steigerung des ther­ mischen Wirkungsgrads sowie eine Verminderung des Schadstoffausstoßes einhergeht.

Ein solcher Kolbenmotor ist aber mit mehreren Nachteilen behaftet. Ein Nachteil besteht darin, daß die Ventile zwischen der Verbrennungskammer und den Entspannungs­ zylindern einer sehr hohen thermischen Belastung ausge­ setzt sind. Folglich können die Ventile wegen ihrer kurzen Bewegungszeit nur durch komplizierte Bewegungs­ mechanismen von einer Nockenwelle betätigt werden. Auch das Schmieren und das Abdichten der Ventilstangen ist wegen der großen thermischen Belastung schwer durchzufüh­ ren. Ferner ist die Energierückgewinnung der Verbren­ nungsgase am Ende der Entspannungsphase nicht ohne einen zusätzlichen Aufwand möglich. Schließlich ist es noch von Nachteil, daß eine große Menge der in der Verbrennungs­ kammer erzeugten Wärme durch Konvektion und Strahlung verlorengeht.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Kolbenmotor die Aufgabe zugrunde, bei einfachem Aufbau den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern und die einwandfreie Funktionalität von beson­ ders belasteten Einzelbauteilen zu gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Die Erfindung führt zu einer besseren Ausnutzung der Energie der Verbrennungsgase. Die Verdichtung, die Ver­ brennung und die Entspannung werden - wie im bekannten Fall - in verschiedenen Motorbereichen realisiert. Da­ durch wird eine optimale Dimensionierung dieser Motor­ bereiche in Bezug auf die zu erfüllenden Funktionen mög­ lich. Die Verdichtung der Luft und die Entspannung der Verbrennungsgase finden in verschiedenen Zylindern statt.

Aus dem Verdichtungszylinder gelangt die Luft über eine Rohrleitung zur Brennkammer. Vor dem Eintritt in die Brennkammer wird die Luft über einen Elektroerhitzer ge­ leitet und vorgeheizt. Die Verbrennungskammer ist dem Entspannungszylinder stirnseitig des Kolbenkopfs zugeord­ net. Die Energie zur Vorheizung der Luft im Elektroerhit­ zer wird aus der bei der Verbrennung und Entspannung der Verbrennungsgase entstehenden Abwärme zurückgewonnen. Hierzu wird der bei der Kühlung des Kolbenmotors entstan­ dene Dampf über eine Turbine geleitet, die ihrerseits einen Stromerzeuger antreibt. Der so gewonnene elek­ trische Strom wird in dem Elektroerhitzer in Wärme umge­ wandelt.

Die verdichtete vorerhitzte Luft gelangt in die Brenn­ kammer. In dieser ist ein Verbrennungsrohr angeordnet, das ein Keramikrohr zur thermischen Isolierung um­ schließt. An der dem Entspannungszylinder abgewandten Seite des Verbrennungsrohrs ist die Kraftstoffeinsprit­ zung vorgesehen. Umfangsseitig der Kraftstoffeinspritzung weist das Verbrennungsrohr tangential in das Rohr mün­ dende Lufteintrittsbohrungen auf. Über diese Luftein­ trittsbohrungen gelangt die verdichtete Luft in die Brennkammer und wird mit dem eingespritzten Kraftstoff gemischt. Durch die Anordnung der Lufteintrittsbohrungen verbrennt das Luft-Kraftstoff-Gemisch schließlich in einer ständigen Flamme in Form eines um eine Längsachse rotierenden Wirbels. Der Durchmesser des Entspannungs­ zylinders ist größer als der Durchmesser des Verdich­ tungszylinders, so daß die Entstehung der Gase bis zu dem umgebenden Druck möglich ist. Dies führt zu einer weite­ ren Vergrößerung des thermischen Gesamtwirkungsgrads.

Obwohl im Grundsatz nur zwei Zylinder vorgesehen sein müssen, kann dennoch eine beliebige Anzahl von Zylinder­ paaren (Verdichtungszylinder und Entspannungszylinder) additiv zusammengesetzt werden. Dabei kann jedem Zylin­ derpaar eine Verbrennungskammer zugeordnet sein. Denkbar ist aber auch eine Ausführungsform, bei welcher mehreren Zylinderpaaren nur eine Verbrennungskammer zugeordnet ist.

Dem Entspannungszylinder ist ein prozeßabhängig gesteuer­ tes, gekühltes Einlaßventil zugeordnet. Dieses Einlaß­ ventil ist sowohl über den zwischen dem Entspannungs­ zylinder und der Verbrennungskammer herrschenden Relativ­ druck als auch über eine im Kolben des Entspannungszylin­ ders angeordnete Betätigungsvorrichtung steuerbar. Das Einlaßventil weist einen Ventilteller mit einem in den Entspannungszylinder ragenden Ventilstößel auf. Mit seiner bevorzugt plan geschliffenen Dichtseite liegt der Ventilteller auf einer zwischen dem Verbrennungsrohr und dem Entspannungszylinder angeordneten Ventilplatte und dichtet damit die in der Ventilplatte befindliche axiale Durchlaßöffnung ab. Der Ventilstößel ist in einer von der Ventilplatte getragenen Buchse geführt und mit Hilfe eines Anschlags gegen ein Herausgleiten aus der Buchse gesichert. Das Spiel zwischen dem Ventilstößel und der Buchse ist so groß, daß keine zusätzliche Schmierung not­ wendig ist.

Die Betätigungsvorrichtung ist in den Kolbenkopf bündig eingelassen und besteht aus einer in einer Buchse geführ­ ten Hülse, die von einer Feder gegen einen Anschlag der Buchse gedrückt wird.

Die Funktion dieses prozeßgesteuerten Einlaßventils ist wie folgt:
Während der Ableitung der Gase aus dem Entspannungszylin­ der durch das Auslaßventil gleitet der Kolben im Entspan­ nungszylinder in Richtung zum oberen Totpunkt. Der Ven­ tilteller ist dabei fest auf die Ventilplatte gedrückt und dichtet die Verbrennungskammer ab. Bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, schließt das Auslaßven­ til nockenwellengesteuert und die im Entspannungszylinder noch verbliebenen Verbrennungsgase werden fast bis zu dem in der Verbrennungskammer vorhandenen Druck verdichtet.

Die Ventilstange des Einlaßventils gelangt nunmehr in Kontakt mit der Betätigungsvorrichtung und drückt auf die Hülse. Diese drückt jetzt die Feder zusammen, und zwar so lange, bis die Druckkraft der im Entspannungszylinder noch befindlichen Verbrennungsgase und die Federkraft der Feder der Betätigungsvorrichtung größer werden als die Druckkraft der Gase in der Verbrennungskammer. In diesem Moment hebt sich der Ventilteller von der Ventilplatte ab und gibt die Durchlaßöffnung frei. Der Ventilöffnungsweg ist dabei durch den am zylinderseitigen Ende der Ventil­ stange befindlichen Anschlag definiert vorgegeben. Syn­ chron mit der daraufhin beginnenden Bewegung des Kolbens in Richtung unterer Totpunkt strömen die Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer in den Entspannungszylinder. Zu Beginn der Einströmphase bleibt der Druck im Entspan­ nungszylinder nahezu konstant. Erst mit steigender Ge­ schwindigkeit des Kolbens nimmt der Druck im Entspan­ nungszylinder ab. Infolge des entstandenen Druckunter­ schieds zwischen der Verbrennungskammer, dem Entspan­ nungszylinder und dem Verbrennungsrohr schließt das Ein­ laßventil selbsttätig. In diesem Augenblick endet die Versorgung des Entspannungszylinders mit Verbrennungs­ gasen aus der Verbrennungskammer und es beginnt die Ent­ spannungsphase.

Wenn bei niedrigen Drehzahlen des Kolbenmotors der Druck­ unterschied zwischen der Verbrennungskammer und dem Ent­ spannungszylinder nicht ausreicht, um das Einlaßventil zu öffnen, erfolgt die Öffnung des Einlaßventils ausschließ­ lich auf mechanischem Wege, und zwar zu dem Zeitpunkt, wenn die Hülse das zylinderseitige Ende der Buchse er­ reicht hat. Die dann starre Betätigungsvorrichtung drückt das Einlaßventil auf. Über den Verschiebeweg der Hülse ist dieser Zeitpunkt definiert vorgebbar.

Während der gesamten Einströmphase der Verbrennungsgase in den Entspannungszylinder sind der Ventilteller und der Ventilstößel einer extrem hohen thermischen Belastung ausgesetzt, da sie von den unter hohen Temperaturen strö­ menden Verbrennungsgasen umgeben werden. Erfindungsgemäß wird das Einlaßventil daher mit einer wirksamen Phasen­ kühlung ausgerüstet. Die Ventilplatte weist dazu einen Ringkanal auf, der über einen Radialkanal an die Kühlmit­ telversorgung angeschlossen ist. Der Ringkanal wird von einer Hülse gegenüber der axialen Durchlaßöffnung abge­ dichtet. Diese Hülse ist mit mehreren Radialbohrungen versehen. Über den Ringkanal wird das Kühlmittel, vor­ zugsweise Wasser, zugeführt und während der gesamten Ein­ strömphase in Abhängigkeit von dem dann herrschenden Druck über die Radialbohrungen in der Hülse auf die Dichtseite des Ventiltellers und den Ventilstößel ge­ spritzt.

Die Merkmale der Patentansprüche 2 und 3 ermöglichen einen selbsttätigen Kühlvorgang während der Einströmphase der Verbrennungsgase. Hierfür ist die Kühlung für das Einlaßventil mit einem Druckbehälter, einem Regelorgan und einem Sperrventil gekoppelt. In dem Druckbehälter be­ findet sich das Kühlmittel. Über eine Verbindungsleitung ist der Druckbehälter mit einer Rohrleitung zwischen dem Verdichtungszylinder und der Verbrennungskammer verbun­ den, so daß das Druckniveau überall gleichermaßen hoch ist. In der Anschlußleitung zwischen dem Druckbehälter und der Phasenkühlung ist ein Regelorgan, beispielsweise ein Kugelhahn, und ein Sperrventil, beispielsweise ein Kugelventil, angeordnet. Das Regelorgan bewirkt einen Drucksturz von dem hohen Niveau auf ein vorgebbares nied­ rigeres Niveau hinter dem Regelorgan. Daraus folgt, daß, so lange der Druck im Entspannungszylinder kleiner ist als der Druck hinter dem Regelorgan, durch die Radialboh­ rungen der Hülse Wasser auf die Dichtseite des Ventil­ tellers und den Ventilstößel gespritzt wird. Dieser Vor­ gang findet in dem letzten Teil der Entspannungsphase sowie während der ganzen Ableitungsphase der Verbren­ nungsgase statt. Das Sperrventil sorgt dabei dafür, daß keine Verbrennungsgase aus dem Entspannungszylinder in den Druckbehälter gelangen können. Übersteigt der Druck im Entspannungszylinder den Druck im Kühlsystem hinter dem Regelorgan, so schließt das Sperrventil und die Pha­ senkühlung wird unterbrochen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des grundsätzlichen Er­ findungsgedankens besteht in den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 4. Hierbei weist der Kolbenmotor einen Niedrigdruckblock und einen Hochdruckblock auf mit je­ weils mindestens einem Verdichtungszylinder und einem Entspannungszylinder. Die Verdichtungszylinder sind dabei über einen zwischen dem Niedrigdruckblock und dem Hoch­ druckblock liegenden Zwischenkühler verbunden. Auf diese Weise nähert man sich einer isothermen Verdichtung und damit einer effizienteren Ausbeute der Verdichterarbeit. Die Materialbeanspruchung wird verringert und einer Schmiermittelzersetzung entgegengewirkt.

Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 5 sind die Ent­ spannungszylinder des Niedrigdruckblocks mit den Entspan­ nungszylindern des Hochdruckblocks über einen Druckaus­ gleichraum miteinander verbunden. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß der Druck auch zwischen den in entge­ gengesetzten Phasen arbeitenden Kolben gleich bleibt.

Mit Hilfe der im Patentanspruch 6 gekennzeichneten ther­ mischen Isolierung des Druckausgleichraums wird der Aus­ nutzungsgrad noch weiter verbessert.

Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 7 werden die Ver­ dichtungszylinder und die Entspannungszylinder, der Zwischenkühler, der Druckausgleichraum und der Druckbe­ hälter sowie die Leitung zwischen den Verdichtungszylin­ dern und den Verbrennungskammern durch eine Umlaufkühlung gekühlt. Auf diese Weise wird die Wärme von den besonders stark belasteten Motorteilen abgeführt. Die Kühlflüssig­ keit weist dabei eine zumindest den Druckverhältnissen und der Prozeßtemperatur angepaßte Charakteristik auf.

Obwohl für die Kühlung grundsätzlich alle geeigneten Kühlflüssigkeiten in Frage kommen, wird hierfür bevorzugt Methylalkohol eingesetzt. Dieser besitzt die Eigenschaft, bei den entstehenden Druckverhältnissen und der Prozeß­ temperatur zu verdampfen. Die auf diese Weise entstan­ denen Dämpfe werden einer Turbine zugeführt (Patentanspruch 8). In der Turbine entspannen sich die Dämpfe der Kühlflüssigkeit, wodurch die Turbine und ein mit ihr gekoppelter Stromerzeuger angetrieben werden. Der so gewonnene Strom wird in den Elektroerhitzern wieder in Wärme verwandelt und zum Vorheizen der Verbrennungsluft benutzt. Auf diese Weise kann ein Großteil der ansonsten durch die Kühlung verlorengegangenen Energie wieder in den thermischen Zyklus zurückgeführt werden, was wiederum zu einer Steigerung des Wirkungsgrads beiträgt.

Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sind die Auslaß­ ventile jedes Verdichtungszylinders im Niedrigdruckblock und die Einlaßventile und die Auslaßventile jedes Ver­ dichtungszylinders im Hochdruckblock ausschließlich druckgesteuert. Dies trägt zu einem komplikationslosen funktionssicheren und einfachen Aufbau des Kolbenmotors bei. Auch der Herstellungsaufwand für diese Ventile ist wesentlich geringer.

Mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 wird gewähr­ leistet, daß das Ansaugen der Verbrennungsluft und das Ausstoßen der Verbrennungsgase definiert gesteuert werden kann.

Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sind die Ein­ laßventile der Entspannungszylinder im Niedrigdruckblock sowohl gasodynamisch als auch mechanisch steuerbar.

Der erfindungsgemäße Kolbenmotor hat folgende Vorteile:

• - hoher thermischer Wirkungsgrad wegen der Entspannung der Gase bis zu dem umgebenden Druck und der Verringerung der in der Verbrennungskammer entstehenden Wärmeverluste,
• - merklich erhöhte Sicherheit im Betrieb des Kolben­ motors,
• - es kann jeder einspritzbare Kraftstoff verwendet wer­ den, wie z. B. Diesel, Benzin, Kerosin oder auch Wasser­ stoff,
• - eine Reihe von bislang unbedingt notwendigen Bauteilen kann jetzt entfallen, wie z. B. eine aufwendige Zündanlage in Verbindung mit einer für jeden Zylinder genau abzu­ stimmenden Kraftstoffzuteilung,
• - der spezifische Kraftstoffverbrauch ist wesentlich niedriger als bei herkömmlichen Bauarten, da die durch die Motorkühlung verlorengegangene Energie mit einem hohen Wirkungsgrad zurückgewonnen und in den thermischen Zyklus wieder eingeführt wird,
• - eine vollständigere Verbrennung und damit weniger Ab­ gas- und Schadstoffemission,
• - das mit einfachen, aber wirkungsvollen Mitteln gekühlte Einlaßventil der Entspannungszylinder ist den extrem hohen thermischen Belastungen besser gewachsen,
• - das Einlaßventil ist sowohl gasodynamisch als auch mechanisch steuerbar,
• - der Ventilstößel des Einlaßventils ist im Entspannungs­ zylinder angeordnet und somit den extrem hohen Temperatu­ ren in geringerem Maße ausgesetzt, darüberhinaus wird der Ventilstößel zusätzlich gekühlt,
• - der Ventilstößel gleitet in der Führungsbuchse mit einem so großen Spiel, daß keine zusätzliche Schmierung vorgesehen werden muß,
• - bei der Ausführungsform mit Niedrigdruckblock und Hoch­ druckblock besteht keine mechanische Verbindung zwischen den beiden Blöcken. Es ist daher möglich, daß die beiden Blöcke mit verschiedenen Drehzahlwerten arbeiten. Wird von dem Kolbenmotor beispielsweise nur eine geringe Lei­ stung abverlangt, so ist die Drehzahl des Niedrigdruck­ blocks fast gleich zu der des Hochdruckblocks, während dann, wenn der Kolbenmotor eine hohe Leistung abgeben muß, die Drehzahl des Niedrigdruckblocks größer als die des Hochdruckblocks ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Kolben­ motors mit zwei Verdichtungszylindern und zwei Entspannungszylindern;

Fig. 2 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kolbenmotors mit einem Niedrigdruckblock und einem Hochdruckblock;

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Längsschnitt durch den Niedrigdruckblock der Fig. 2 entlang der Linie III-III;

Fig. 4 ebenfalls in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Längsschnitt durch den Hochdruck­ block der Fig. 2 entlang der Linie IV-IV;

Fig. 5 in nochmals vergrößerter Darstellung einen vertikalen Teilschnitt durch einen Verdich­ tungszylinder des Niedrigdruckblocks;

Fig. 6 in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Teilschnitt durch einen Verdichtungszylinder des Hochdruckblocks;

Fig. 7 in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Teilschnitt durch einen Entspannungszylinder des Hochdruckblocks zusammen mit einem Lei­ tungsschema einer Phasenkühlung;

Fig. 8 ein Diagramm über die Abhängigkeit des Drucks in einem Entspannungszylinder während der Zu­ fuhr der Verbrennungsgase vom Rotationswinkel der Kurbelwelle;

Fig. 9 ein Diagramm über den Bewegungsablauf des Einlaßventils eines Entspannungszylinders in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Kurbel­ welle und

Fig. 10 ein Diagramm über die Abhängigkeit der Ge­ schwindigkeit der Verbrennungsgase vom Rota­ tionswinkel der Kurbelwelle.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein Kolbenmotor mit Verbrennung im stationären Modus bezeichnet.

Der Kolbenmotor 1 weist einen Motorblock 2 auf. Im Motor­ block 2 sind zwei Verdichtungszylinder 3, 4 und zwei im Volumenverhältnis größere Entspannungszylinder 5, 6 ange­ ordnet. Die Verdichtungszylinder 3, 4 und die Entspan­ nungszylinder 5, 6 wirken gemeinsam auf eine Kurbelwelle 7 ein. In den Zylinderdeckeln 8, 9 der Verdichtungszylin­ der 3, 4 sind Einlaßventile 10, 11 und Auslaßventile 12, 13 angeordnet.

Den Zylinderdeckeln 14, 15 der Entspannungszylinder 5, 6 sind Einlaßventile 16, 17 und Auslaßventile 18, 19 zuge­ ordnet.

Die Einlaßventile 10, 11 der Verdichtungszylinder 3, 4 und die Auslaßventile 18, 19 der Entspannungszylinder 5, 6 werden von einer Nockenwelle 20 gesteuert.

Den Entspannungszylindern 5, 6 sind Verbrennungskammern 21, 22 zugeordnet. Die Verdichtungszylinder 3, 4 sind über eine Rohrleitung 23 mit den Verbrennungskammern 21, 22 verbunden. In die Rohrleitung 23 sind jeweils den Ver­ brennungskammern 21, 22 zugeordnete Elektroerhitzer 24, 25 integriert.

In den Verbrennungskammern 21, 22 sind Verbrennungsrohre 26, 27 angeordnet. An der den Entspannungszylindern 5, 6 abgewandten Seite der Verbrennungsrohre 26, 27 sind in Deckeln 28, 29 Kraftstoffeinspritzer 30, 31 eingebettet. Umfangsseitig der Kraftstoffeinspritzer 30, 31 weisen die Verbrennungsrohre 26, 27 tangential in die Verbrennungs­ rohre 26, 27 mündende Lufteintrittsbohrungen 32, 33 auf.

In der Fig. 1 ist weiterhin eine Turbine 34 und ein Stromerzeuger 35 zu erkennen. Der Stromerzeuger 35 ist über eine Leitung 36 mit den Elektroerhitzern 24, 25 ver­ bunden. Die Turbine 34 arbeitet mit einer nicht näher dargestellten Umlaufkühlung für den Motorblock 2 zusam­ men.

Der Arbeitszyklus des Kolbenmotors 1 beginnt mit dem An­ saugen von Luft aus der Umgebung durch die Ventile 10, 11 in der durch die Pfeile PF_EIN kenntlich gemachten Rich­ tung in die Verdichtungszylinder 3, 4. Anschließend er­ folgt die Luftverdichtung bis auf 60 bar. Bei Erreichen dieses Drucks passiert die verdichtete Luft die Auslaß­ ventile 12, 13 der Verdichtungszylinder 3, 4 und gelangt von dort in die Rohrleitung 23. In den Elektroerhitzern 24, 25 wird die verdichtete Luft vorgeheizt und den Ver­ brennungskammern 21, 22 zugeführt. Dabei gelangt sie zunächst in den Raum 37 zwischen den Wänden der Verbren­ nungskammern und den Verbrennungsrohren 26, 27. Dabei wird die Luft durch die Wärmekonvektion der Verbrennungs­ rohre 26, 27 weiter vorgeheizt, wodurch gleichzeitig die Verbrennungsrohre 26, 27 gekühlt werden. Über die Luft­ eintrittsbohrungen 32, 33 strömt die Luft in das Innere der Verbrennungsrohre 26, 27, und zwar so, daß die Strö­ mung der Luft von außen in das Rohrinnere im entgegenge­ setzten Drehsinn zu dem eingespritzten Kraftstoff er­ folgt. Der Kraftstoff wird über die Kraftstoffeinspritzer 30, 31 in die Verbrennungsrohre 26, 27 eingespritzt. Durch die entgegengesetzten Drehsinne von Luft und Kraft­ stoff werden die beiden Komponenten intensiv gemischt. Das entstandene Gemisch brennt anschließend mit ständiger Flamme in Form eines um eine Längsachse rotierenden Wir­ bels in einem stationären Modus ab. Die Verbrennung fin­ det mit einem Luftüberschuß statt, so daß eine vollstän­ dige Verbrennung gewährleistet ist. Die in den Verbren­ nungsrohren 26, 27 entstandenen Verbrennungsgase werden anschließend über die Einlaßventile 16, 17 in die Ent­ spannungszylinder 5, 6 abgesaugt. Am Ende der Absaugphase schließen die Einlaßventile 16, 17 und es erfolgt eine Entspannung der Verbrennungsgase bis auf Umgebungsdruck.

Nach Öffnung der Auslaßventile 18, 19, die ebenfalls von der Nockenwelle 20 angesteuert sind, werden die Verbren­ nungsgase in der durch die Pfeile PF_AUS kenntlich gemach­ ten Richtung aus den Entspannungszylindern 5, 6 abgelei­ tet.

Sowohl die Luftverdichtung und die Entspannung der Ver­ brennungsgase als auch die Strömung der Luft und der Ver­ brennungsgase finden unter Wärmeverlusten statt. Zur Ab­ führung dieser Wärme ist eine Umlaufkühlung vorgesehen. Als Kühlflüssigkeit wird Methylalkohol verwendet, der die Eigenschaft besitzt, bei einer Temperatur von 100°C und einem Druck von 3,4 bar zu verdampfen. Die auf diese Weise entstandenen Dämpfe werden der Turbine 34 zuge­ führt, wo sie sich entspannen und damit die Turbine 34 antreiben. Die Verbindung zwischen der Turbine 34 und dem Motorblock 2 kann so dimensioniert werden, daß der Dampf­ druck der Kühlflüssigkeit auf 3,4 bar konstant gehalten wird. Die Turbine 34 treibt ihrerseits den Stromerzeuger 35 an. Der von dem Stromerzeuger 35 erzeugte elektrische Strom wird in den Elektroerhitzern 24, 25 in Wärme umge­ wandelt. Diese Wärme wird für die Vorheizung der verdich­ teten Luft verwendet, bevor diese in die Verbrennungs­ kammern 21, 22 eingeleitet wird. Auf diese Weise kann ein Teil der ansonsten verlorengehenden Wärme in den thermi­ schen Zyklus des Kolbenmotors 1 wieder eingeführt werden. Durch die Entspannung der Dämpfe in der Turbine 34 wird der Methylalkohol wieder in seinen flüssigen Zustand ge­ wandelt und kann wieder dem Kühlkreislauf zugeführt wer­ den. Der Umlauf des Methylalkohols wird dabei mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Pumpe realisiert.

Eine schematische Darstellung eines Kolbenmotors 1a mit einem Motorblock 2a, der einen Niedrigdruckblock 38 und einen Hochdruckblock 39 aufweist, zeigt die Fig. 2.

Dem Niedrigdruckblock 38 sind jeweils zwei Verdichtungs­ zylinder 3a, 4a mit Einlaßventilen 10a, 11a und Auslaß­ ventilen 12a, 13a sowie zwei im Volumenverhältnis größere Entspannungszylinder 5a, 6a mit Einlaßventilen 16a, 17a und Auslaßventilen 18a, 19a zugeordnet. Die Verdichtungs­ zylinder 3a, 4a und die Entspannungszylinder 5a, 6a wir­ ken auf eine gemeinsame Kurbelwelle 7a ein. Die Einlaß­ ventile 13a, 11a der Verdichtungszylinder 3a, 4a und die Auslaßventile 18a, 19a der Entspannungszylinder 5a, 6a werden von einer Nockenwelle 20a gesteuert. Der Hoch­ druckblock 39 weist jeweils zwei Verdichtungszylinder 3b, 4b mit Einlaßventilen 10b, 11b und Auslaßventilen 12b, 13b sowie zwei im Volumenverhältnis größere Entspannungs­ zylinder 5b, 6b mit Einlaßventilen 16b, 17b und Auslaß­ ventilen 18b, 19b auf. Die Verdichtungszylinder 3b, 4b und die Entspannungszylinder 5b, 6b im Hochdruckblock 39 wirken auf eine gemeinsame Kurbelwelle 7b ein. Die Aus­ laßventile 18b, 19b der Entspannungszylinder 5b, 6b wer­ den von einer Nockenwelle 20b gesteuert.

Zwischen die Verdichtungszylinder 3a, 4a im Niedrigdruck­ block 38 und die Verdichtungszylinder 3b, 4b im Hoch­ druckblock 39 ist ein Zwischenkühler 40 integriert.

Den Entspannungszylindern 5b, 6b im Hochdruckblock 39 sind Verbrennungskammern 21a, 22a zugeordnet. Die Ver­ dichtungszylinder 3b, 4b sind mit den Verbrennungskammern 21a, 22a über eine Rohrleitung 23a verbunden. Der Rohr­ leitung 23a sind Elektroerhitzer 24a, 25a zugeordnet. In die Verbrennungskammern 21a, 22a sind Verbrennungsrohre 26a, 27a eingebettet. In den Deckeln 28a, 29a der Ver­ brennungskammern 21a, 22a sind Kraftstoffeinspritzer 30a, 31a vorgesehen. Umfangsseitig der Kraftstoffeinspritzer 30a, 31a münden Lufteintrittsbohrungen 32a, 33a in die Verbrennungsrohre 26a, 27a. Die Entspannungszylinder 5b, 6b im Hochdruckblock 39 und die Entspannungszylinder 5a, 6a im Niedrigdruckblock 38 sind über einen Druckaus­ gleichraum 41 miteinander verbunden. Der Druckausgleich­ raum 41 weist allseitig eine thermische Isolierung 42 auf.

Dem Motorblock 2a ist weiterhin eine Turbine 34a und ein Stromerzeuger 35a zugeordnet. Der Stromerzeuger 35a ist über eine Leitung 36a mit den Elektroerhitzern 24a, 25a verbunden. Die Turbine 34a arbeitet mit einer den Motor­ block 2a kühlenden Umlaufkühlung zusammen.

Die Funktion des Kolbenmotors 1a im stationären Modus be­ ginnt mit dem Ansaugen der Luft aus der Umgebung in die Verdichtungszylinder 3a, 4a durch die Ventile 10a, 11a. Es folgt die Luftverdichtung in einer ersten Stufe bis auf 6 bar. Bei diesem Druck öffnen sich die Auslaßventile 12a, 13a und die verdichtete Luft wird dem Zwischenkühler 40 zugeführt. Hier erfolgt eine Rückkühlung der verdich­ teten Luft bei gleichbleibendem Druck. Vom Zwischenkühler 40 strömt die verdichtete Luft über die Einlaßventile 10b, 11b in die Verdichtungszylinder 3b, 4b des Hoch­ druckblocks 39, wo die Luft in einer zweiten Stufe bis auf ca. 60 bar weiter verdichtet wird. Bei Erreichen die­ ses Drucks passiert die verdichtete Luft die Ventile 12b, 13b und gelangt über die Rohrleitung 23a zu den Verbren­ nungskammern 21a, 22a. Auf diesem Weg wird die verdich­ tete Luft in den Elektroerhitzern 24a, 25a vorgeheizt. In den Verbrennungskammern 21a, 22a wird die verdichtete Luft über die Lufteintrittsbohrungen 32a, 33a den Ver­ brennungsrohren 26a, 27a zugeführt, wo sie sich mit dem eingespritzten Kraftstoff vermischt und in einer ständigen Flamme verbrennt.

Die Verbrennungsgase werden über die Ventile 16b, 17b in die Entspannungszylinder 5b, 6b des Hochdruckblocks 39 abgesaugt. Am Ende der Absaugphase schließen die Ventile 16b, 17b und es erfolgt die Entspannung der Verbrennungs­ gase bis auf 6 bar. Bei diesem Druck öffnen die Auslaß­ ventile 18b, 19b und die Verbrennungsgase strömen in den Druckausgleichraum 41. Da die Entspannungszylinder 5b, 6b in entgegengesetzten Phasen arbeiten, bleibt der Druck im Druckausgleichraum 41 nahezu konstant. Aus dem Druckaus­ gleichraum 41 werden die Verbrennungsgase über die Ein­ laßventile 16a, 17a in die Entspannungszylinder 5a, 6a des Niedrigdruckblocks 38 abgesaugt. Hier erfolgt die Entspannung der Verbrennungsgase bis zum Umgebungsdruck und der Ausstoß der Verbrennungsgase über die Auslaßven­ tile 18a, 19a.

Einen vertikalen Längsschnitt durch den Niedrigdruckblock 38 des Kolbenmotors 1a zeigt Fig. 3. Im Motorblock 2a sind die Verdichtungszylinder 3a, 4a und die Entspan­ nungszylinder 5a, 6a zu erkennen. In den Verdichtungs­ zylindern 3a, 4a werden die Kolben 43, 44 und in den Ent­ spannungszylindern 5a, 6a werden die Kolben 45, 46 ge­ führt. Die Kolben 43, 44, 45, 46 sind über Pleuelstangen 47, 48, 49, 50 gelenkig mit der Kurbelwelle 7a verbunden.

Über Strömungskanäle 51 wird der Niedrigdruckblock 38 während des Betriebs von dem Methylalkohol umspült und auf diese Weise die entstehende Wärme abgeführt.

Ein vertikaler Längsschnitt durch den Hochdruckblock 39 des Kolbenmotors 1a ist in Fig. 4 dargestellt. Im Motor­ block 2a sind die Verdichtungszylinder 3b, 4b und die Entspannungszylinder 5b, 6b angeordnet. In den Verdich­ tungszylindern 3b, 4b werden die Kolben 52, 53 und in den Entspannungszylindern 5b, 6b werden die Kolben 54, 55 ge­ führt. Über Pleuelstangen 56, 57, 58, 59 sind die Kolben 52, 53, 54, 55 gelenkig mit einer Kurbelwelle 7b ver­ bunden. Über die Kurbelwelle 7b wird die Motorleistung an den Verbraucher geleitet. Über Strömungskanäle 51a wird der Hochdruckblock 39 während des Betriebs von dem Me­ thylalkohol umspült, so daß die entstehende Wärme aus dem Motorblock 2a abgeführt wird.

Einen Teilschnitt durch den Verdichtungszylinder 3a des Niedrigdruckblocks 38 zeigt Fig. 5. Über einen Ansaug­ stutzen 60 wird die Luft von der Umgebung angesaugt und über das nockenwellengesteuerte Einlaßventil 10a in den Verdichtungszylinder 3a geleitet. Auslaßseitig des Ver­ dichtungszylinders 3a ist das Auslaßventil 12a angeord­ net. Das Auslaßventil 12a arbeitet ausschließlich druck­ gesteuert. Es weist in einer Buchse 61 einen Ventilteller 62 auf, der von einer Ventilfeder 63 gegen einen Anschlag 64 der Buchse 61 gedrückt wird. Die Ventilfeder 63 wird mit Hilfe einer Schraubhülse 65 in der Buchse 61 fixiert.

Weiterhin sind in der Fig. 5 die Strömungskanäle 51 für den Methylalkohol der Umlaufkühlung zu erkennen.

In der Fig. 6 ist ein Teilschnitt durch den Verdich­ tungszylinder 3b des Hochdruckblocks 39 dargestellt. Vom hier nicht abgebildeten Zwischenkühler gelangt die ver­ dichtete Luft über einen Verbindungsstutzen 66 durch das Einlaßventil 10b in den Verdichtungszylinder 3b. Das Ein­ laßventil 10b ist ausschließlich druckgesteuert. Es weist einen Ventilteller 67 mit einem Ventilstößel 68 auf. Der Ventilstößel 68 ist in einer Bohrung 69 geführt. Über eine Ventilfeder 70 wird der Ventilteller 67 mit seiner zum Verbindungsstutzen 66 gerichteten Seite gegen einen Ventilsitz 71 auf einen Radialring 72 gedrückt. Auf dem Ventilstößel 68 befindet sich weiterhin ein Anschlag 73 für die Ventilfeder 70. Der Anschlag 73 weist eine Scheibe 74 mit einer keilförmig ausgebildeten Axial­ bohrung 75 auf, die auf eine keilförmig ausgebildete Hülse 76 auf dem Ventilstößel 68 geschoben wird.

Weiter sind in Fig. 6 ein Teil des Kolbens 52, Strö­ mungskanäle 51a für den Methylalkohol und ein Auslaßven­ til 12b zu erkennen. Das Auslaßventil 12b ist ebenfalls ausschließlich druckgesteuert und baugleich mit dem Aus­ laßventil 12a (siehe Fig. 5) ausgebildet.

Von dem Verdichtungszylinder 3b aus gelangt die verdich­ tete Luft über das Auslaßventil 12b in die Rohrleitung 23a.

Die Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Ver­ brennungskammer 21a und einen Teil des Entspannungszylin­ ders 5b. In der Verbrennungskammer 21a ist ein Verbren­ nungsrohr 26a angeordnet, welches ein Keramikrohr 77 um­ schließt.

In dem Entspannungszylinder 5b gleitet der Kolben 54. Die Verbrennungskammer 21a ist dem Entspannungszylinder 5b stirnseitig des Kolbenkopfs 78 zugeordnet. Zwischen der Verbrennungskammer 21a und dem Entspannungszylinder 5b ist ein prozeßabhängig gesteuertes gekühltes Einlaßventil 16b eingebettet. Das Einlaßventil 16b ist über den zwischen dem Entspannungszylinder 5b und der Verbren­ nungskammer 21a herrschenden Relativdruck und/oder über eine im Kolben 54 eingebettete Betätigungsvorrichtung 79 steuerbar. Das Einlaßventil 16b weist einen Ventilteller 80 mit einem in den Entspannungszylinder 5b ragenden Ven­ tilstößel 81 und eine Ventilplatte 82 mit einer axialen Durchlaßöffnung 83 auf. Der Ventilstößel 81 ist in einer von der Ventilplatte 82 getragenen Buchse 84 geführt und mit einem in Richtung zur Verbrennungskammer 21a wirk­ samen Anschlag 85 versehen. Weiterhin weist die Ventil­ platte 82 einen Radialkanal 86 und einen Ringkanal 87 auf, der durch eine mit geneigten Radialbohrungen 88 ver­ sehene Hülse 89 gegenüber der axialen Durchlaßöffnung 83 abgedichtet ist.

Über eine Bohrung 90 und einen Anschlußstutzen 91 ist das Einlaßventil 16b an eine nachfolgend noch näher erläu­ terte Phasenkühlung 92 angeschlossen. Die Phasenkühlung 92 für das Einlaßventil 16b ist mit einem Druckbehälter 93, einem Regelorgan 94 und einem Sperrventil 95, bei­ spielsweise einem Kugelventil, gekoppelt. Das Sperrventil 95 ist in den Anschlußstutzen 91 integriert. Der Druckbe­ hälter 93 ist über eine nur angedeutete Leitung 96 mit der Leitung 23a zwischen den Verdichtungszylindern 3b, 4b und den Verbrennungskammern 21a, 22a verbunden. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß der Druck im Druckbehälter 93 auf dem gleichen Niveau liegt wie in der Leitung 23a.

Für die Beschreibung des Kühlvorgangs für das Einlaßven­ til 16b soll von einem Druck von 60 bar ausgegangen werden. Das Regelorgan 94, beispielsweise ein Wasserhahn, bewirkt einen Drucksturz von 60 bar auf 6 bar. Daraus folgt, daß durch die Radialbohrungen 88 der Hülse 89 Wasser aus dem Druckbehälter 93 auf den Ventilstößel 81 und die Dichtseite des Ventiltellers 80 gespritzt wird, solange der Druck im Entspannungszylinder 5b kleiner als 6 bar ist. Dieser Vorgang findet im letzten Teil der Ent­ spannungsphase sowie während der ganzen Ableitungsphase der Verbrennungsgase statt. Der Ventilstößel 81 gleitet in der Buchse 84 mit einem Spiel von ca. 0,2 mm, so daß hier keine Schmierung notwendig ist.

Die Betätigungsvorrichtung 79 weist eine zum Einlaßventil 16b hin geschlossene Hülse 97 auf, die in einer im Kol­ benkopf 78 eingebetteten Buchse 98 abgedichtet geführt ist. Unter dem Einfluß einer Feder 99 wird die Hülse 97 gegen einen Anschlag 100 der Buchse 98 gedrückt. Die Be­ tätigungsvorrichtung 79 wird mit Hilfe einer Überwurf­ schraube 101 im Kolbenkopf 78 fixiert.

Weiterhin sind in der Fig. 7 das nockenwellengesteuerte Auslaßventil 18b und Strömungskanäle 51a für die Umlauf­ kühlung dargestellt.

Während die Verbrennungsgase aus dem Zylinder 5b über das Auslaßventil 18b abgeleitet werden, schließt das Einlaß­ ventil 16b die Verbrennungskammer 21a dicht ab, bevor der Kolben 54 das obere Ende des Entspannungszylinders 5b er­ reicht hat, das entspricht ca. 7 Rotationsgrade der Kur­ belwelle 7b. Nun schließt das Auslaßventil 18b und die noch im Entspannungszylinder 5b verbliebenen Verbren­ nungsgase werden fast bis zu dem in der Verbrennungskam­ mer 21a vorhandenen Druck verdichtet. Beim Kontakt der Betätigungsvorrichtung 79 mit dem Ventilstößel 81 drückt dieser auf die Hülse 97. Dadurch gleitet die Hülse 97 in der Buchse 98 nach unten und drückt die Feder 99 zusam­ men. Wenn die Druckkraft der Verbrennungsgase im Entspan­ nungszylinder 5b auf die untere Seite des Ventiltellers 80 des Ventils 16b zusammen mit der Federkraft der Feder 90 auf den Ventilstößel 81 größer als die Druckkraft der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer 21a auf der oberen Seite des Ventiltellers 80 wird, hebt sich der Ventilteller 80 von der Ventilplatte 82 ab und wird von der Feder 99 so weit in das Verbrennungsrohr 26a hinein­ gedrückt, bis der Anschlag 85 auf die Buchse 84 trifft. Danach bewegt sich der Kolben 54 abwärts und erlaubt damit den Verbrennungsgasen in den Entspannungszylinder 5b einzuströmen unter einem in der ersten Phase fast kon­ stanten Druck (siehe hierzu auch Fig. 8). Mit steigender Geschwindigkeit des Kolbens 54 nimmt der Druck im Ent­ spannungszylinder 5b ab. Wegen des entstandenen Druck­ unterschieds der Verbrennungsgase im Entspannungszylinder 5b und in der Verbrennungskammer 21a schließt das Einlaß­ ventil 16b. In diesem Augenblick endet die Versorgung des Entspannungszylinders 5b mit Verbrennungsgasen aus der Verbrennungskammer 21a und die Entspannungsphase beginnt.

In Fig. 9 ist der Bewegungsablauf des Einlaßventils 16b für die Regelung der Strömung der Verbrennungsgase von der Verbrennungskammer 21a in den Entspannungszylinder 5b in Abhängigkeit von dem Rotationswinkel der Kurbelwelle 7b dargestellt.

Die in der Fig. 9 gekennzeichneten Punkte bedeuten die Augenblicke, in denen

• 1 - der Ventilteller 80 von der Ventilplatte 82 abhebt;
• 2 - sich der Ventilstößel 81 von der Hülse 97 trennt und nur unter dem Einfluß der Druckkraft der Verbrennungsgase weiterbewegt;
• 3 - der Zeitpunkt, in dem der Kontakt des Ventilstößels 81 mit der Hülse 97 wieder hergestellt wird;
• 4 - der Ventilteller 80 wieder auf der Ventilplatte 82 liegt und der Einlaß der Verbrennungsgase aus der Ver­ brennungskammer 21a in den Entspannungszylinder 5b beendet wird.

Das Einlaßventil 16b bewegt sich dabei in dem Intervall 1-2 ausschließlich unter dem Einfluß der Feder 99, in dem Intervall 2-3 ausschließlich unter der Druckeinwirkung der Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsrohr 26a und dem Entspannungszylinder 5b und im Intervall 3-4 unter der gleichen Druckeinwirkung gemeinsam mit der Federkraft der Feder 99.

In Fig. 10 ist die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der vom Verbrennungsrohr 26a über das Einlaßventil 16b in den Entspannungszylinder 5b strömenden Verbrennungsgase vom Rotationswinkel der Kurbelwelle dargestellt. Hier ist be­ sonders darauf hinzuweisen, daß die Strömungsgeschwindig­ keit der Verbrennungsgase durch das Ventil 16b nahezu über den gesamten Bereich kleiner als 100 m/s ist. Damit sind die Entropieverluste als ein Maß der Energie, die nicht in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann ver­ nachlässigbar gering.

Bezugszeichenaufstellung

1 Kolbenmotor
1a Kolbenmotor mit 2 Blöcken
2 Motorblock
2a Motorblock
3 Verdichtungszylinder
3a Verdichtungszylinder Niedrigdruckblock
3b Verdichtungszylinder Hochdruckblock
4 Verdichtungszylinder
4a Verdichtungszylinder Niedrigdruckblock
4b Verdichtungszylinder Hochdruckblock
5 Entspannungszylinder
5a Entspannungszylinder Niedrigdruckblock
5b Entspannungszylinder Hochdruckblock
6 Entspannungszylinder
6a Entspannungszylinder Niedrigdruckblock
6b Entspannungszylinder Hochdruckblock
7 Kurbelwelle
7a Kurbelwelle Niedrigdruckblock
7b Kurbelwelle Hochdruckblock
8 Zylinderdeckel Verdichtungszylinder
9 Zylinderdeckel Verdichtungszylinder
10 Einlaßventil Verdichtungszylinder
10a Einlaßventil Verdichtungszylinder Niedrigdruckblock
10b Einlaßventil Verdichtungszylinder Hochdruckblock
11 Einlaßventil Verdichtungszylinder
11a Einlaßventil Verdichtungszylinder Niedrigdruckblock
11b Einlaßventil Verdichtungszylinder Hochdruckblock
12 Auslaßventil Verdichtungszylinder
12a Auslaßventil Verdichtungszylinder Niedrigdruckblock
12b Auslaßventil Verdichtungszylinder Hochdruckblock
13 Auslaßventil Verdichtungszylinder
13a Auslaßventil Verdichtungszylinder Niedrigdruckblock
13b Auslaßventil Verdichtungszylinder Hochdruckblock
14 Zylinderdeckel Entspannungszylinder
15 Zylinderdeckel Entspannungszylinder
16 Einlaßventil Entspannungszylinder
16a Einlaßventil Entspannungszylinder Niedrigdruckblock
16b Einlaßventil Entspannungszylinder Hochdruckblock
17 Einlaßventil Entspannungszylinder
17a Einlaßventil Entspannungszylinder Niedrigdruckblock
17b Einlaßventil Entspannungszylinder Hochdruckblock
18 Auslaßventil Entspannungszylinder
18a Auslaßventil Entspannungszylinder Niedrigdruckblock
18b Auslaßventil Entspannungszylinder Hochdruckblock
19 Auslaßventil Entspannungszylinder
19a Auslaßventil Entspannungszylinder Niedrigdruckblock
19b Auslaßventil Entspannungszylinder Hochdruckblock
20 Nockenwelle
20a Nockenwelle ND-Block
20b Nockenwelle HD-Block
21 Verbrennungskammer
21a Verbrennungskammer HD-Block
22 Verbrennungskammer
22a Verbrennungskammer HD-Block
23 Rohrleitung
23a Rohrleitung HD-Block
24 Elektroerhitzer
24a Elektroerhitzer HD-Block
25 Elektroerhitzer
25a Elektroerhitzer HD-Block
26 Verbrennungsrohr
26a Verbrennungsrohr HD-Block
27 Verbrennungsrohr
27a Verbrennungsrohr HD-Block
28 Deckel Verbrennungskammer
28a Deckel Verbrennungskammer HD-Block
29 Deckel Verbrennungskammer
29a Deckel Verbrennungskammer HD-Block
30 Kraftstoffeinspritzer
30a Kraftstoffeinspritzer HD-Block
31 Kraftstoffeinspritzer
31a Kraftstoffeinspritzer HD-Block
32 Lufteintrittsbohrung
32a Lufteintrittsbohrung HD-Block
33 Lufteintrittsbohrung
33a Lufteintrittsbohrung HD-Block
34 Turbine
34a Turbine
35 Stromerzeuger
35a Stromerzeuger
36 Leitung
36a Leitung
37 Raum zw. Verbrennungskammer u. Verbrennungsrohr
37a Raum zw. Verbrennungskammer u. Verbrennungsrohr
38 Niedrigdruckblock
39 Hochdruckblock
40 Zwischenkühler
41 Druckausgleichraum
42 thermische Isolierung
43 Kolben Verdichtungszylinder Niedrigdruckblock
44 Kolben Verdichtungszylinder Niedrigdruckblock
45 Kolben Entspannungszylinder Niedrigdruckblock
46 Kolben Entspannungszylinder Niedrigdruckblock
47 Pleuelstange Niedrigdruckblock
48 Pleuelstange Niedrigdruckblock
49 Pleuelstange Niedrigdruckblock
50 Pleuelstange Niedrigdruckblock
51 Strömungskanal
51a Strömungskanäle
52 Kolben Verdichtungszylinder Hochdruckblock
53 Kolben Verdichtungszylinder Hochdruckblock
54 Kolben Entspannungszylinder Hochdruckblock
55 Kolben Entspannungszylinder Hochdruckblock
56 Pleuelstange Hochdruckblock
57 Pleuelstange Hochdruckblock
58 Pleuelstange Hochdruckblock
59 Pleuelstange Hochdruckblock
60 Ansaugstutzen
61 Buchse Ventil 12a
62 Ventilteller Ventil 12a
63 Ventilfeder Ventil 12a
64 Anschlag Ventil 12a
65 Schraubhülse
66 Verbindungsstutzen
67 Ventilteller Ventil 10b
68 Ventilstößel Ventil 10b
69 Bohrung Ventil 10b
70 Ventilfeder Ventil 10b
71 Ventilsitz Ventil 10b
72 Radialring Ventil 10b
73 Anschlag Ventil 10b
74 Scheibe
75 Axialbohrung
76 Hülse
77 Keramikrohr
78 Kolbenkopf
79 Betätigungsvorrichtung
80 Ventilteller Ventil 16b
81 Ventilstößel Ventil 16b
82 Ventilplatte Ventil 16b
83 Durchlaßöffnung
84 Buchse
85 Anschlag
86 Radialkanal
87 Ringkanal
88 Radialbohrungen
89 Hülse
90 Bohrung
91 Anschlußstutzen
92 Kühlung
93 Druckbehälter
94 Regelorgan
95 Sperrventil
96 Kühlung Ventil 16b
97 Hülse
98 Buchse
99 Feder
100 Anschlag
101 Überwurfschraube
PF_EIN Ansaugrichtung
PF_AUS Ausstoßrichtung

Claims (11)

1. Kolbenmotor, der wenigstens einen Verdichtungszylinder (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b) mit einem Kolben (43, 44; 52, 53) sowie wenigstens einen zum Verdichtungszylinder (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b) im Volumenverhältnis größeren Ent­ spannungszylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) mit einem Kolben (45, 46; 54, 55), Einlaßventile (10, 11; 16, 17; 10a, 11a; 16a, 17a; 10b, 11b; 16b, 17b) und Auslaßventile (12, 13; 18, 19; 12a, 13a; 12b, 13b) an beiden Zylindern (3, 4; 3a, 4a; 5, 6; 5a, 6a; 3b, 4b; 5b, 6b), eine Kurbel­ welle (7, 7a, 7b), eine Nockenwelle (20, 20a, 20b), eine Verbrennungskammer (21, 22; 21a, 22a) mit Verbrennungs­ rohr (26, 27; 26a, 27a) und Verwirbelungseinrichtung (32, 33; 32a, 33a) für den Kraftstoff sowie eine Kühlung für den Motorblock (2, 2a) aufweist, gekennzeich­ net durch folgende Merkmale:

• a) die Verbrennungskammer (21, 22; 21a, 22a) ist stirn­ seitig des Kolbenkopfes (78) dem Entspannungszylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) zugeordnet;
• b) zwischen dem Verdichtungszylinder (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b) und der Verbrennungskammer (21, 22; 21a, 22a) ist ein Elektroerhitzer (24, 25; 24a, 25a) vorgesehen;
• c) der Elektroerhitzer (24, 25; 24a, 25a) ist mit einem von einer Turbine (34, 34a) angetriebenen Stromerzeu­ ger (35, 35a) verbunden;
• d) das Verbrennungsrohr (26, 27; 26a, 27a) umschließt ein Keramikrohr (77) und weist an einem Ende umfangsseitig der Kraftstoffeinspritzer (30, 31; 30a, 31a) tangen­ tial in das Verbrennungsrohr (26, 27; 26a, 27a) mün­ dende Lufteintrittsbohrungen (32, 33; 32a, 33a) auf;
• e) dem Entspannungszylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) ist ein prozeßabhängig gesteuertes gekühltes Einlaßventil (16, 17; 16a, 17a; 16b, 17b) zugeordnet;
• f) das Einlaßventil (16, 17; 16a, 17a; 16b, 17b) ist über den Relativdruck Entspannungszylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) / Verbrennungskammer (21, 22; 21a, 22a) und/oder über eine im Kolben (45, 46; 54, 55) des Entspannungszylinders (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) angeord­ nete Betätigungsvorrichtung (79) steuerbar;
• g) das Einlaßventil (16, 17; 16a, 17a; 16b, 17b) weist einen Ventilteller (80) mit einem in den Entspannungs­ zylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) ragenden Ventilstößel (81) und eine Ventilplatte (82) mit axialer Durchlaß­ öffnung (83) auf;
• h) der Ventilstößel (81) ist in einer von der Ventil­ platte (82) getragenen Buchse (84) geführt und mit einem in Richtung zur Verbrennungskammer (21, 22; 21a, 22a) wirksamen Anschlag (85) versehen;
• i) die Ventilplatte (82) weist einen Radialkanal (86) und einen Ringkanal (87) auf, der durch eine mit Radialbohrungen (88) versehene Hülse (89) gegenüber der axialen Durchlaßöffnung (83) abgedichtet ist.
• j) die Betätigungsvorrichtung (79) weist eine zum Einlaß­ ventil (16, 17; 16a, 17a; 16b, 17b) hin geschlossene Hülse (97) auf, die in einer im Kolbenkopf (78) fixierten Buchse (98) abgedichtet geführt und unter dem Einfluß einer Feder (99) gegen einen Anschlag (100) der Buchse (98) andrückbar ist.

2. Kolbenmotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkühlung (86-88) für das Einlaßventil (16, 17; 16a, 17a; 16b, 17b) mit einem Druckbehälter (93), einem Regelorgan (94) und einem Sperrventil (95) gekoppelt ist.

3. Kolbenmotor nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Druckbe­ hälter (93) gleich dem Druck in einer Leitung (23, 23a) zwischen dem Verdichtungszylinder (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b) und der Verbrennungskammer (21, 22; 21a, 22a) bemessen ist.

4. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, mit einem Niedrigdruckblock (38) und einem Hochdruckblock (39), die jeweils mindestens einen Verdichtungszylinder (3a, 4a; 3b, 4b) und einen Entspannungszylinder (5a, 6a; 5b, 6b) aufweisen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verdichtungszylinder (3a, 4a; 3b, 4b) über einen Zwischenkühler (40) miteinander verbunden sind.

5. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, mit mindestens einem Verdichtungszylinder (3a, 4a; 3b, 4b) sowie wenigstens zwei Entspannungszylindern (Sa, 6a; 5b, 6b) im Niedrigdruckblock (38) und im Hochdruckblock (39), dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungszylinder (5a, 6a) des Niedrigdruckblocks (38) mit den Entspannungszylindern (5b, 6b) des Hoch­ druckblocks (39) über einen Druckausgleichraum (41) mit­ einander verbunden sind.

6. Kolbenmotor nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleichraum (41) eine thermische Isolierung (42) aufweist.

7. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungszylinder (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b), die Entspan­ nungszylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b), der Zwischenkühler (40), der Druckausgleichraum (41), der Druckbehälter (93) und die Leitung (23, 23a) zwischen den Verdich­ tungszylindern (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b) und den Verbren­ nungskammern (21, 22; 21a, 22a) durch eine Umlaufkühlung gekühlt sind, deren Kühlflüssigkeit eine mindestens den Druckverhältnissen und der Prozeßtemperatur angepaßte Charakteristik aufweist.

8. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit der Umlaufkühlung über die Turbine (34, 34a) geführt ist.

9. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­ laßventil (12a, 13a) jedes Verdichtungszylinders (3a, 4a) im Niedrigdruckblock (38) und das Einlaßventil (10b, 11b) sowie das Auslaßventil (12b, 13b) jedes Verdichtungs­ zylinders (3b, 4b) im Hochdruckblock (39) ausschließlich druckgesteuert sind.

10. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein­ laßventil (10a, 11a) jedes Verdichtungszylinders (3a, 4a) im Niedrigdruckblock (38) sowie das Auslaßventil (18b, 19b; 18a, 19a) jedes Entspannungszylinders (5b, 6b; 5a, 6a) im Hochdruckblock (39) und im Niedrigdruckblock (38) nockenwellengesteuert sind.

11. Kolbenmotor nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Entspannungszy­ linder (5a, 6a) des Niedrigdruckblocks (38) ein Einlaß­ ventil (16a, 17a) zugeordnet ist, welches über den Rela­ tivdruck Druckausgleichraum (41) / Entspannungszylinder (5a, 6a) und/oder über die im Kolben (45, 46) des Ent­ spannungszylinders (5a, 6a) angeordnete Betätigungsvor­ richtung (79) steuerbar ist.