DE4241403A1 - Gas-generator engine assembly - keeps gas outlet temp. from expansion unit to min. by controlling gas inlet temp. and pressure - Google Patents

Gas-generator engine assembly - keeps gas outlet temp. from expansion unit to min. by controlling gas inlet temp. and pressure

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Abstract

The gas inlet temp. at the expansion unit (14) is the max. permissable for the material of the latter. This temp. and also the gas pressure, are such as to keep the temp. of the gas (32) leaving the unit outlet to the min. when the engine is running. The latter (16) can be four-stroke piston engine with inlet and exhaust ports, the latter ports being connected to the expansion unit inlet. Gas outlet temp. can be kept low by a pressure-charger (18) with charge-air cooling, connected to the engine inlet. The engine exhaust can be divided into high and low-pressure portions, feed respectively to high- and low-pressure stages in the expansion unit. USE/ADVANTAGE - Combines power of gas-turbine with thermal efficiency of diesel engine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen und ver­ besserten Motor, in den sowohl von der Gasturbine als auch von Kolbenzylindermotoren bestimmte vorteilhafte Merkmale eingehen.The present invention relates to a new and ver improved engine, in both of the gas turbine and also advantageous from piston-cylinder engines Enter features.

Gebräuchliche Motoren für Kraftfahrzeuge und entspre­ chende Systeme mit relativ geringer Ausgangsleistung sind Benzin- und Dieselmotoren, beides Ausführungen des Kolben/Zylinder-Motortyps. Obwohl sie auf einen relativ hohen Stand entwickelt wurden, haben solche Motoren verschiedene Nachteile. Sie sind in Bezug auf ihre Aus­ gangsleistung körperlich relativ groß. Außerdem sind Benzin oder Dieselkraftstoff benutzende Kolbenmotoren in sich große Verschmutzungseinheiten und weiterhin für - Vielstoffanwendungen nicht gut geeignet. Diese Nachteile sind die Folgen der kurzen Verbrennungszeit und dem grundsätzlich ungünstigen Verbrennungsraum und Form eines Kolbenmotors.Common engines for motor vehicles and entspre relatively low output power are petrol and diesel engines, both versions of the Piston / cylinder engine type. Although she relies on a relative High level have developed such engines various disadvantages. They are in terms of their off physically very large. Besides, they are Petrol or diesel fuel using piston engines in  big pollution units and continue for - Multi-substance applications are not well suited. These disadvantages are the consequences of the short combustion time and the basically unfavorable combustion chamber and shape a piston engine.

Mit der Entwicklung und Vervollkommnung von für die Anwendung in Wärmekraftmaschinen angepaßtem keramischem Material wird die Möglichkeit für eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen er­ reichbar. Diese Technologie kann jedoch für Kolbenmoto­ ren nicht nutzbringend angewendet werden. Der schon große Ausgangsenergieverlust von Kolbenmotoren wird in einem keramischen Kolbenmotor größer; jede Verringerung der notwendigen Motorkühlung infolge einer höheren Be­ triebstemperatur führt nur zu einer nominalen Zunahme der Bremsleistung, jedoch mit einer großen Zunahme des Ausgangsenergieverlustes.With the development and perfection of for the Application in ceramic heat exchangers adapted Material will be an opportunity for improvement thermal efficiency of heat engines he reichbar. However, this technology can be used for piston engine can not be used profitably. That already large output energy loss of piston engines is in a ceramic piston engine larger; every reduction the necessary engine cooling due to a higher Be operating temperature leads only to a nominal increase the braking power, but with a large increase in the Output energy loss.

Der Gasturbinenmotor wurde lange als attraktiver mögli­ cher Ersatz für den Kraftfahrzeugkolbenmotor betrachtet. Zusätzlich zu anderen Vorteilen ist die Gasturbine kom­ pakt, hat vorteilhafte Verbrennungseigenschaften und kann durch die Anwendung von ständig verbesserten Hoch­ temperaturmaterialtechnologien, wie z. B. Keramiktechno­ logien, in der Leistungsfähigkeit sehr verbessert wer­ den. Während der Gasturbinenmotor großen Erfolg in Bezug auf Flugzeugsysteme erreicht hat, wurde er in Bezug auf die Kraftfahrzeugtechnologie nicht erfolgreich verwer­ tet.The gas turbine engine was long as attractive mögli cher replacement for the motor vehicle engine considered. In addition to other benefits, the gas turbine is com pact, has favorable combustion characteristics and Can by the application of constantly improved high temperature material technologies, such as B. Keramiktechno logies, which greatly improves performance the. While the gas turbine engine has great success in terms On aircraft systems, he was referring to not successfully use automotive technology tet.

Für diese Nichteignung bestehen mehrere Gründe. Als erstes erfordert ein Kraftfahrzeugmotor die Möglichkeit, die Ausgangsleistung über einen breiten Lastbereich bereitzustellen. Der Basisgasturbinenmotor hat, wenn auch einen angemessenen thermischen Wirkungsgrad bei Vollast, einen sehr niedrigen thermischen Wirkungsgrad bei Teillast. Die daraus resultierende Gesamtkraftstoff­ wirtschaftlichkeit bei Anwendung in einem Kraftfahrzeug ist somit schlecht.There are several reasons for this unsuitability. When first, a motor vehicle engine requires the ability the output power over a wide load range  provide. The base gas turbine engine has, if also a reasonable thermal efficiency Full load, a very low thermal efficiency at partial load. The resulting total fuel economy when used in a motor vehicle is thus bad.

Aufgrund dieses Problems sind fast alle versuchsweisen Gasturbinenfahrzeugmotoren vom regenerativen Typ, der versucht, die verlorengegangene Ausgangsenergie in einem Regenerator oder Rekuperator zurückzugewinnen. Die Kraftstoffwirtschaftlichkeit solch eines Motors ist gegenüber der einer Basisgasturbine besser und in man­ chen Fällen mit der eines Kolbenmotors vergleichbar. Die Kompaktheit der Basisgasturbine ist jedoch durch den Regenerator stark beeinträchtigt. Zusätzlich ist der Regenerator teuer und neigt in einigen Ausführungen zu Wartungsproblemen.Because of this problem, almost all are experimental Regenerative type gas turbine engine engines, the trying to get the lost output energy in one Regenerator or recuperator recover. The Fuel economy of such a motor is compared to a basic gas turbine better and in one Chen cases comparable to that of a piston engine. The Compactness of the base gas turbine is, however, by the Regenerator severely impaired. In addition, the Regenerator expensive and tends in some versions too Maintenance problems.

Eine attraktivere Alternative ist ein ladeluftgekühlter aufgeladener Gasturbinenmotor, wie er in dem US-Patent 47 00 542 offenbart wurde. Diese Anordnung nutzt die Ladeluftkühlung und die Aufladung, um die Ausgangsener­ gieverluste unmittelbar zu reduzieren und so die Notwen­ digkeit für einen Regenerator zu beseitigen. Der Ab­ schnitt für die Ladeluftkühlung gebraucht ein Arbeits­ medium mit niedrigerer Temperatur als der Regenerator und arbeitet mit einem kleineren Ausmaß an Wärmeaus­ tausch. Er ist somit billiger, kleiner und weniger an­ fällig für Wartungsprobleme als der Regenerator oder Rekuperator. Obwohl die Verwendung eines Ladeluftkühlers das System weniger kompakt macht als die Basisgastur­ bine, ist es immer noch kompakter als die regenerative Gasturbine. A more attractive alternative is a charge air cooled turbocharged gas turbine engine, as described in the US Patent 47 00 542 was disclosed. This arrangement uses the Intercooling and charging to the output sener directly reduce losses and thus the emergency for a regenerator. The Ab cut used for the intercooler a working medium with lower temperature than the regenerator and works with a smaller amount of heat exchange. He is thus cheaper, smaller and less due for maintenance problems as the regenerator or Recuperator. Although the use of a charge air cooler makes the system less compact than the base guest bine, it is still more compact than the regenerative one Gas turbine.  

Während der ladeluftgekühlte aufgeladene Gasturbinen­ motor beträchtliche Möglichkeiten zum Ersatz von gegen­ wärtig benutzten Gasturbinenmotoren hat, lassen andere der Gasturbine eigene Eigenschaften darauf schließen, daß sie für Anwendungen bei geringen Ausgangsleistungen, wie z. B. für Kraftfahrzeuge, weniger geeignet ist. Der Grad der Arbeitsleistung des Verdichters und der Turbi­ neneinheiten des Gasturbinenmotors hängt von der Rey­ noldsschen Zahl der Einheiten ab. Das bedeutet, je klei­ ner der Verdichter und die Turbine ist, um so größer ist die Drehzahl, mit der sie betrieben werden müssen. Die Kombination von hoher Drehzahl und den dementsprechend für diese kleinen Einheiten erforderlichen präzisen Fer­ tigungstoleranzen machen sie unter den Beschränkungen der gegenwärtigen Technologie schwierig und teuer in der konstruktiven Gestaltung und Bauart. Andere Nachteile der Gasturbinen, wie das geringe Beschleunigungsvermögen und die kleine spezifische Leistung, sprechen ebenfalls gegen die allgemeine Anwendung in Kraftfahrzeugmotoren.During the intercooled supercharged gas turbines motor considerable possibilities for the replacement of against has used gas turbine engines, let others close the gas turbine's own characteristics, that they are suitable for low output applications, such as B. for motor vehicles, less suitable. The Degree of performance of the compressor and Turbi neneinheiten of the gas turbine engine depends on the Rey Nolds number of units. That means, ever klei ner the compressor and the turbine is, the larger it is the speed at which they must be operated. The Combination of high speed and the accordingly Precise Fer required for these small units Tolerances make them under the restrictions the current technology difficult and expensive in the constructive design and construction. Other disadvantages the gas turbines, such as the low acceleration capacity and the small specific power, also speak against the general application in motor vehicle engines.

Eine Lösung der Probleme des Verkleinerns von einer Gas­ turbine ist die Übernahme einer "Verbundmotor"-Anord­ nung. Es ist anerkannt, daß der Kolbenmotor sehr geeig­ net ist, um mit relativ kleinem Volumen bei hohen Drüc­ ken und Temperaturen umzugehen, während eine Turbine mittels ihres hohen mechanischen Wirkungsgrades und großen Strömungsquerschnitts am besten geeignet ist, um mit großen Volumen bei relativ kleinen Drücken umzuge­ hen. Eine Kombination beider Elemente in einer Reihen­ anordnung scheint viele der bestehenden Probleme der einzelnen Einheiten zu beseitigen.A solution to the problems of shrinking from a gas turbine is the acquisition of a "compound engine" -nord voltage. It is recognized that the piston engine is very suitable net is relatively small volume at high pressures ken and temperatures while using a turbine by their high mechanical efficiency and large flow cross section is best suited to with large volumes at relatively low pressures hen. A combination of both elements in a row Arrangement seems to solve many of the existing problems eliminate individual units.

Von seiten der Turbine wird das Problem der Entwicklung eines Systems beseitigt, das mit kleinem Volumen, hoher Drehzahl und hohen Temperaturen umgeht; ein Kolbenmotor kann die Anforderungen des kleinen Volumens und der hohen Temperaturen leicht handhaben.On the part of the turbine will be the problem of development of a system that deals with small volume, high  Speed and high temperatures bypasses; a piston engine can meet the requirements of small volume and easily handle high temperatures.

Von seiten des Kolbens wird der uneffektive Gasaus­ tauschprozeß des Kolbenmotors durch die sehr hohe "Lei­ stungsverstärkung" der aufladenden (oder turboaufla­ denden) Verdichter abgeschwächt. Außerdem kann der ho­ he Abgasenergieverlust als ein Ergebnis der in dem Ver­ drängungsmotor verfügbaren begrenzten Expansion durch die potentiell viel größere Expansion des Arbeitsmediums in der Turbine überwunden werden. Die Wirtschaftlichkeit kommt besonders zum Tragen, wenn der "Verbundmotor" auf einem ladeluftgekühlten Leistungszyklus basiert, so daß das Arbeitsmedium das größtmögliche Expansionsdruckver­ hältnis bei maximalem thermischem Wirkungsgrad erreicht. Bestehende bekannte "Verbundmotor"-Verfahren basieren jedoch nicht auf dem ladeluftgekühlten Leistungszyklus. Trotz ihrer zwingenden Logik ist keines von ihnen groß­ technisch erfolgreich.From the side of the piston, the ineffective gas is exhausted exchange process of the piston engine by the very high "Lei "boosting" the boosting (or turboaufla denden) attenuated compressor. In addition, the ho he exhaust energy loss as a result of the in the Ver Throttle motor available limited expansion the potentially much larger expansion of the working medium be overcome in the turbine. The economy comes especially to bear, if the "compound engine" on based on a charge air cooled power cycle, so that the working medium the largest possible expansion pressure ver achieved at maximum thermal efficiency. Existing known "compound engine" methods are based but not on the charge-air cooled power cycle. Despite their compelling logic, none of them is big technically successful.

Gegenwärtig bestehende "Verbundmotoren" sind im allge­ meinen von zwei Arten: der Verbundmotor und der Gasgene­ ratormotor. Als Beispiel für den Verbundmotor steht das Flugzeugtriebwerk Napier E 145 Nomad, das ein komplexes Getriebe erfordert, um seine schwache Leistung-Drehzahl- Charakteristik zu überwinden. Der Gasgeneratormotor wird als ein anpassungsfähigerer Motor betrachtet. Ein kom­ plexes Getriebe ist nicht erforderlich und die Leistung- Drehzahl-Charakteristik ist ausgezeichnet. Ein typischer Gasgeneratormotor besteht aus einer Verdichtungseinheit, einer Kolbeneinheit zur Verbrennung und Steuerung der Verdichtungseinheit und einer Nutzleistungsturbinenein­ heit. Die Verdichtungs-"Einheit" und die Kolben-"Ein­ heit" können unteilbar sein, wie im Falle des Freikol­ benmotors. In solch einem System ist das Expansions­ druckverhältnis des Arbeitsmediums in der Nutzleistungs­ turbine gleich dem Produkt aus dem Verdichtungsdruck­ verhältnis in der Verdichtungseinheit und dem Verhältnis des Auslaßdruckes zum Einlaßdruck der Kolbeneinheit PEX/PIN. Somit ist die maximale Ausgangsleistung des Motors abhängig von durch die Kolbeneinheit erreichten hohen PEX/PIN-Werten. Indem PEX sich erhöht, steigt auch TEX an und dementsprechend der Gastemperaturhöchstwert in der Kolben/Zylinder-Einheit, so daß der thermische Wir­ kungsgrad des Gasgeneratormotors ebenfalls von PEX ab­ hängig ist.Currently existing "compound engines" are generally of two types: the compound engine and the gas generator ratormotor. An example of the compound engine is the Napier E 145 Nomad aircraft engine, which requires a complex transmission to overcome its poor power-to-speed characteristics. The inflator motor is considered a more adaptable engine. A complex transmission is not required and the power-speed characteristic is excellent. A typical gas generator engine consists of a compression unit, a piston unit for combustion and control of the compression unit and a Nutzleistungsturbinenein unit. The compression "unit" and the piston "unit" may be indivisible as in the case of the free piston engine. In such a system, the expansion pressure ratio of the working fluid in the utility turbine is equal to the product of the compression pressure ratio in the compression unit and the ratio of the outlet pressure to the inlet pressure of the piston unit P EX / P IN . Thus, the maximum output power of the motor is dependent on the high P EX / P IN values achieved by the piston unit. As P EX increases, so does T EX , and accordingly the gas temperature peak in the piston / cylinder unit, so that the thermal efficiency of the gas generator motor is also dependent on P EX .

Bestehende Gasgeneratormotoren sind entweder in der Freikolbenausführung oder in der auf den Zweitakt-Kol­ benmotoren basierenden Ausführung ausgebildet. Für beide Ausführungen muß PEX/PIN kleiner als Eins sein, weil solche Motoren auf die einströmende Ladung angewiesen sind, um die verbrannte Ladung aus dem Zylinder zu spü­ len oder zu treiben. Ein PEX/PIN-Verhältnis über Eins würde die Ableitung der verbrannten Ladung durch den Austrittsschlitz verhindern. Dieses Erfordernis ist eine Beeinträchtigung für die Ausgangsleistung und den ther­ mischen Wirkungsgrad. Insbesondere ist solch ein Gasge­ neratormotor weniger leistungsfähig als der Verbundmotor und der turbogeladene Dieselmotor, besonders bei Teilla­ sten, und hat keinen deutlichen Vorteil gegenüber dem Dieselmotor.Existing gas generator engines are either in the free piston design or in the on the two-stroke Kol benmotoren based design. For both embodiments, P EX / P IN must be less than one, because such engines rely on the incoming charge to scavenge or drive the burned charge out of the cylinder. A P EX / P IN ratio above unity would prevent the discharge of burnt charge through the exit slot. This requirement is a detriment to the output power and the thermal efficiency. In particular, such a gas generator engine is less efficient than the compound engine and the turbocharged diesel engine, especially at Teilla costs, and has no significant advantage over the diesel engine.

Demgemäß ist der Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Betreibung von Gasgeneratormotoren zu schaffen, das den thermischen Wirkungsgrad maximiert und dementsprechend Gasgeneratormotoren in bessere Verbren­ nungsmotoren zu verwandeln, die in sich die Leistung des Gasturbinenmotors und den thermischen Wirkungsgrad der Dieselkolbenmotoren vereinen. Solche Motoren können die Anforderungen der zukünftigen Antriebsaufgaben erfüllen.Accordingly, the purpose of the present invention is a Method of operating inflator engines create, which maximizes the thermal efficiency and accordingly gas generator engines in better burn  to transform the engines of excellence into the performance of the engine Gas turbine engine and the thermal efficiency of Combine diesel piston engines. Such engines can Meet the requirements of future drive tasks.

Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren zur Betreibung der Kolben/Zylinder-Einheit des Gasgeneratormotors zu schaffen, bei denen der Auslaß­ druck der Kolben/Zylinder-Einheit angehoben werden kann, so daß die entsprechende Auslaßtemperatur auf einem den thermischen Wirkungsgrad maximierenden Niveau gehalten werden kann.Another purpose of the present invention is Method of operating the piston / cylinder unit of the To create gas generator motor, where the outlet pressure of the piston / cylinder unit can be raised so that the corresponding outlet temperature on a thermal efficiency maximizing level kept can be.

Noch ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren bereitzustellen, die das Grundprinzip des ladeluftgekühlten-aufgeladenen Leistungszyklus auf den Fall der Gasgeneratormotoren anwendet.Yet another purpose of the present invention is to provide procedures that are the basic principle of Charge air cooled-charged power cycle on the Case of inflator motors applies.

Die vorliegende Erfindung, bezeichnet als ein ladeluft­ gekühlter Gasgenerator/Expansions-Motor ("IGGEX"), ent­ hält einen mit einer Nutzleistungsturbine oder einer anderen Expansionsmaschine verbundenen ladeluftgekühlten Gasgenerator. Der ladeluftgekühlte Gasgenerator formt Kraftstoff und Luft in eine Hochtemperatur- und Hoch­ druckladung um und kann die Form einer Kolben/Zylinder- Einheit annehmen. Die Nutzleistungsturbine formt die Hochtemperatur- und Hochdruckladung in nutzbare Brems­ leistung und eine austretende Niedrigtemperaturladung mit atmosphärischem Druck um. Die zwei Einheiten sind pneumatisch miteinander verbunden. Die Temperatur des Ladungsaustrittes aus der Expansionsmaschine wird durch den Grad der Ladeluftkühlung und der Aufladung gesteu­ ert. Die Höchsttemperatur der Ladung innerhalb der Kol­ ben/Zylinder-Einheit wird durch den Kolben/Zylinder-Aus­ laßdruck gesteuert, der durch die betriebsbedingte An­ passung des ladeluftgekühlten Gasgenerators und der Nutzleistungsturbine auf einem hohen Wert gehalten wird. Um zu zeigen, wie die Höchsttemperatur der Ladung durch Anheben des Kolben/Zylinder-Auslaßdruckes erhalten wer­ den kann, werden Ausführungsformen dargestellt.The present invention, referred to as a charge air cooled gas generator / expansion engine ("IGGEX"), ent holds one with a power turbine or one other expansion machine connected intercooler Inflator. The charge-air-cooled gas generator shapes Fuel and air in a high temperature and high and can change the shape of a piston / cylinder Accept unity. The power turbine forms the High temperature and high pressure charge in usable brake performance and an exiting low-temperature charge with atmospheric pressure. The two units are pneumatically interconnected. The temperature of the Charge outlet from the expansion machine is through the degree of intercooling and charging gesteu The maximum temperature of the cargo within the col ben / cylinder unit is characterized by the piston / cylinder off  Laßdruck controlled by the operational Adjustment of the intercooled gas generator and the Power turbine is kept at a high value. To show how the maximum temperature of the charge is through Lifting the piston / cylinder outlet pressure who received can, embodiments are presented.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung treibt ein Viertakt-Kolbenmotor einen ladeluftgekühlten Verdichter an, wobei sich die ausströmende Ladung des Kolbenmotors durch eine Nutzleistungsturbine, vorzugsweise in zwei Stufen, ausdehnt, um die Arbeitsabgabe zu erzeugen.In a first embodiment of the invention drives Four-stroke piston engine a charge air cooled compressor on, with the outflowing charge of the piston engine by a power turbine, preferably in two Stages, expands to produce the labor tax.

In einer zweiten Ausführungsform ist der Viertakt-Kol­ benzylinder durch zwei Zweitakt-Kolben/Zylinder ersetzt, von denen einer den Ansaughub und den Kompressionshub ausführt, während der andere den Arbeits- und den Aus­ stoßhub des Viertaktvorgangs ausführt. Ein Übertragungs­ ventil zwischen dem Kolben/Zylinder-Paar überträgt die Ladung vom ersten Zylinder in den zweiten Zylinder. Dieses ermöglicht es, daß die Erfordernisse des Ansaug- und Kompressionshubes von denen des Arbeits- und Aus­ stoßhubes getrennt werden, so daß jeder Kolben entspre­ chend optimiert werden kann.In a second embodiment, the four-stroke col gas cylinder replaced by two two-stroke pistons / cylinders, one of which is the intake stroke and the compression stroke while the other is working and off Stoßhub the four-stroke operation performs. A transmission valve between the piston / cylinder pair transmits the Charge from the first cylinder to the second cylinder. This allows the requirements of the suction and compression stroke of those of the working and off shock stroke be separated so that each piston corre sponding can be optimized.

Als eine Variante zu einem 1:1-Verhältnis zwischen An­ saug/Kompressions- und Arbeits/Ausstoß-Zylindern, können eine Vielzahl von Ansaug/Kompressions-Zylindern durch eine Ausgangssammelleitung miteinander verbunden sein, um die Ladung an eine separate Kammer abzugeben, in der eine kontinuierliche oder kontinuierlich-pulsierende Verbrennung aufrechterhalten wird, bevor sie den Arbeits/Ausstoß-Zylindern zugeführt wird. As a variant to a 1: 1 ratio between An suction / compression and working / ejection cylinders a variety of suction / compression cylinders through an output trunk to be interconnected to deliver the cargo to a separate chamber, in the one continuous or continuously pulsating Burning is maintained before the Working / ejection cylinders is supplied.  

Sowohl die Stufe der Absenkung der Temperatur der Ladung beim Austreten aus der Expansionsmaschine als auch die Stufe des Anhebens der Höchsttemperatur der Ladung in­ nerhalb des Kolbens/Zylinders nutzen ein gemeinsames Merkmal in seinen Wirkungen - gleichzeitige Verbesserun­ gen des thermischen Wirkungsgrades und des Ausgangslei­ stungs/Gewichts-Verhältnisses von IGGEX. Da der thermi­ sche Wirkungsgrad vor allem zur Kraftstoffwirtschaft­ lichkeit beiträgt, aber auch die Arbeitsleistung erhöht, und das Ausgangsleistungs/Gewicht-Verhältnis vor allem zur Arbeitsleistung beiträgt, aber auch die Kraftstoff­ wirtschaftlichkeit in Antriebsanwendungen erhöht, haben deren gleichzeitige Verbesserungen eine vergrößernde Wirkung. Von der vorliegenden Erfindung wird somit er­ wartet, daß sie eine außerordentliche Kraftstoffwirt­ schaftlichkeit und Arbeitsleistung besitzt.Both the degree of lowering of the temperature of the charge when exiting the expander and the Level of raising the maximum temperature of the cargo in inside the piston / cylinder use a common Characteristic in its effects - simultaneous improvement conditions of thermal efficiency and Ausgangslei ratio / weight ratio of IGGEX. Since the thermi efficiency especially for fuel economy but also increases the workload, and the output power / weight ratio above all else Contributes to the work, but also the fuel increased economy in drive applications have their simultaneous improvements are magnifying Effect. The present invention thus becomes wait for her to be an extraordinary fuel host efficiency and work performance.

Ein volleres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer wesentlichen Merkmale kann unter Berücksichtigung der nachfolgenden genauen Beschreibung von bevorzugten illustrativen Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erhalten werden.A fuller understanding of the present invention and Their essential features may be taken into account the following detailed description of preferred Illustrative embodiments in conjunction with the attached drawings are obtained.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Bestandteile der vor­ liegenden Erfindung; Fig. 1 is a block diagram of the components of the prior invention;

Fig. 2A und 2B sind Diagramme des thermischen Wirkungs­ grades von IGGEX als eine Funktion des Aufladedruckes bei verschiedenen Ladungstemperaturen; Figs. 2A and 2B are plots of the thermal efficiency of IGGEX as a function of supercharging pressure at various charge temperatures;

Fig. 3 ist eine Darstellung des Verbindungsteiles zwi­ schen dem Kolben und den Expansionselementen, die eine doppelte Kolbenauslaßventilanordnung zeigt; Fig. 3 is an illustration of the connecting part between the piston and the expansion elements, showing a double Kolbenauslaßventilanordnung;

Fig. 4 ist eine alternative Auslaßventilanordnung für die Ausführungsform in Fig. 3; Fig. 4 is an alternative exhaust valve arrangement for the embodiment in Fig. 3;

Fig. 5 ist eine Darstellung einer modifizierten Variante der Ausführungsform in Fig. 4, in der ein nahezu stö­ chiometrisches Kraftstoffgemisch in der Kolbeneinheit verwendet wird; Fig. 5 is an illustration of a modified variant of the embodiment in Fig. 4, in which a nearly stoichiometric fuel mixture is used in the piston unit;

Fig. 5A ist ein Temperatur-Entropie-Diagramm für die Ausführungsform nach Fig. 5; Fig. 5A is a temperature-entropy diagram for the embodiment of Fig. 5;

Fig. 6 ist eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Aus­ führungsform mit zwei Zylindern, in der die Funktionen eines einzelnen Viertakt-Zylinders zwischen zwei Zylin­ dern geteilt sind; Fig. 6 is an illustration of an embodiment of the invention with two cylinders, in which the functions of a single four-stroke cylinder are shared between two cylinders;

Fig. 7 ist ein Zeitdiagramm für die Zylinderanordnung aus Fig. 6; Fig. 7 is a timing chart for the cylinder assembly of Fig. 6;

Fig. 8 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform unter Berücksichtigung der kontinuierlichen Verbrennung. Fig. 8 is an embodiment of the present invention considering continuous combustion.

Fig. 1 stellt die verallgemeinerte Anordnung der Be­ standteile eines IGGEX-Motors 10 dar. Eine ladeluftge­ kühlte Gasgeneratoreinheit 12 liefert eine Hochtempera­ tur- und -druckeingangsleistung für eine Expansionsein­ heit 14, mit der sie verbunden ist. Die Gasgeneratorein­ heit 12 kann vorzugsweise eine Kolbenmotoreinheit 16 enthalten, die durch eine Welle 20 mechanisch mit einem Verdichter oder einer Aufladeeinheit 18 verbunden ist. Der Verdichter 18 kann allgemein bekannte Ladeluftkühler enthalten. Die Ausgangsleistung aus der von der Kolben­ einheit 16 angetriebenen Verdichtereinheit 18 ist ein Strom eines Arbeitsmediums 22 mit einem erhöhten Druck PIN, der mit dem Kraftstoff 24 zusammengeführt wird und in den Zylindern oder Verbrennungskammern der Kolbenmo­ toreinheit 16 gezündet wird, um eine Austrittsladung 26 mit einer erhöhten Temperatur TEX und einem Druck PEX zu bilden. Diese Ladung wird durch die Expansionseinrich­ tung 14 geführt, die in der Regel aus einer Nutz­ leistungsturbine 28 besteht, die eine Ausgangsleistung an der Welle 30 erzeugt. Das Abgas 32 der Turbine 28 wird mit atmosphärischem Druck in die Atmosphäre zurück­ geführt. Fig. 1 illustrates the generalized arrangement of the components of an IGGEX engine 10. A charge air cooled gas generator unit 12 provides a high temperature and pressure input to an expansion unit 14 to which it is connected. The gas-generator 12 may standardize preferably a piston engine unit included 16 which is mechanically connected by a shaft 20 with a compressor or a charger 18th The compressor 18 may include commonly known intercoolers. The output from the piston unit 16 driven by the compressor unit 18 is a flow of a working fluid 22 with an increased pressure P IN , which is merged with the fuel 24 and in the cylinders or combustion chambers of the Kolbenmo gate unit 16 is ignited to an outlet charge 26 with an elevated temperature T EX and a pressure P EX . This charge is performed by the device 14 Expansionseinrich, which usually consists of a useful power turbine 28 , which generates an output power to the shaft 30 . The exhaust 32 of the turbine 28 is returned to the atmosphere at atmospheric pressure.

Wie zuvor dargelegt, wird der Kolbenauslaßdruck in be­ kannten Kolbenmotoren so ausgewählt, daß er geringfügig kleiner als der Kolbeneinlaßdruck ist. Diese kleine Differenz dient dazu, das verbrannte Gas aus dem Kolben­ motorzylinder zu spülen. Bei der Verwendung des Kolben­ motors als ein Gasgenerator wird die dazupassende Nutz­ leistungsturbine so ausgewählt, daß ihr Druckverhältnis als Funktion der Durchflußmengencharakteristik einen Einlaßdruck annimmt, der gleich diesem Kolbenausgangs­ druck ist.As stated above, the piston outlet pressure in be piston engines were chosen to be slightly is less than the piston inlet pressure. This little one Difference serves to get the burnt gas out of the piston to flush the engine cylinder. When using the piston motors as a gas generator will be the matching utility power turbine selected so that their pressure ratio as a function of the flow rate characteristic Inlet pressure assumes that equal to this piston outlet pressure is.

Der erfindungsgemäße Kolbenmotor ist vorzugsweise als Viertaktmotor ausgebildet, dessen Eigenschaften ausge­ wählt wurden, um einen optimalen PEX-Wert zum Antreiben der Nutzleistungsturbine 28 zu erhalten. Eine Nutzlei­ stungsturbine kann so ausgewählt werden, daß ihr Druck­ verhältnis (Einlaßdruck als Funktion des Auslaßdruckes) als Funktion der Durchflußmengencharakteristik so ist, daß der Einlaßdruck der Turbine, der mit dem Kolbenaus­ laßdruck übereinstimmt, gleich dem Ladedruck in den Kolbenzylindern vor der Auslaßventilöffnung (EVO) ist und damit der Entspannungsverlust der Kolben/Zylinder- Einheit eliminiert wird. Solch eine Auswahl ist jedoch nicht der vorteilhafteste Auslaßdruck für den besten thermischen Wirkungsgrad. In jedem Fall kann die Wahl des Kolbenauslaßdruckes nicht unabhängig von der Auswahl des Kolbeneingangs- (oder Auflade-)druckes durchgeführt werden. Diese Sache ist nicht offensichtlich und wird im folgenden weiter untersucht.The piston engine according to the invention is preferably designed as a four-stroke engine, whose properties have been selected to obtain an optimal P EX value for driving the power turbine 28 . A Nutzlei stungsturbine can be selected so that their pressure ratio (inlet pressure as a function of the outlet pressure) as a function of the flow rate characteristic is such that the inlet pressure of the turbine, the laßdruck with the Kolbenaus equal to the boost pressure in the piston cylinders before the Auslaßventilöffnung (EVO ) and thus the relaxation loss of the piston / cylinder unit is eliminated. However, such a choice is not the most advantageous outlet pressure for the best thermal efficiency. In any case, the choice of Kolbenauslaßdruckes can not be performed independently of the selection of the Kolbeneingangs- (or charging) pressure. This matter is not obvious and will be further investigated below.

Betrachten wir zuerst abstrakte Entwürfe des IGGEX bei verschiedenen Aufladeverhältnissen RSUP (d. h., das Ver­ hältnis des Aufladeausgangsdruckes zum Einlaßdruck (in der Regel atmosphärischer Druck)) mit auf einem konstan­ ten Stand gehaltener Temperatur TEX. Beginnend mit einer Bauart mit sehr niedrigem RSUP, ist, um die Temperatur TEX zu erhalten, beim Betrieb ein bedeutendes Kraftstoff- Luft-Verhältnis erforderlich, auch wenn ein niedriger Bedarf an Aufladeleistung besteht. Das würde zu einem Überschuß an Kolbenleistung über die zum Antreiben des Aufladers hinaus notwendige Leistung führen, es sei denn, der Kolbenrückdruck (der Druck in der Aus­ laß/Einlaß-Ladeleitung) wurde sehr erhöht - höher als der Ladedruck unmittelbar vor der Auslaßventilöffnung (EVO). Bei sehr niedrigem RSUP ist zwischen dem Ladedruck unmittelbar vor EVO und PEX (Turbineneingangsdruck) nicht nur keine Entspannung oder Druckabfall, sondern eigent­ lich ein Rückstrom über das Kolbenauslaßventil. Der Rückstrom ist natürlich eine Form des Ventilströmungs­ verlustes.First, consider abstract designs of the IGGEX at different supercharging ratios R SUP (ie, the ratio of supercharging pressure to inlet pressure (usually atmospheric pressure)) with temperature T EX maintained at a constant level. Starting with a very low R SUP design , to maintain the T EX temperature requires a significant fuel-to-air ratio during operation, even when there is a low demand for recharge performance. This would lead to an excess of piston power beyond the power necessary to drive the supercharger unless the piston back pressure (the pressure in the off / intake charge line) has been greatly increased - higher than the boost pressure immediately before the exhaust valve opening (EVO ). At very low R SUP is not just no relaxation or pressure drop between the boost pressure immediately before EVO and P EX (turbine inlet pressure), but actually a return flow through the Kolbenauslaßventil. The return flow is of course a form of valve flow loss.

Mit dem allmählichen Ansteigen von RSUP wird sich der Rückstrom verringern und bei einem spezifischen RSUP, ab­ hängig von der angenommenen Ladungstemperatur TEX, wird der Gasgeneratormotor weder einen Rückstrom noch eine Entspannung über das Auslaßventil aufweisen. With the gradual increase in R SUP , the return flow will decrease and at a specific R SUP , depending on the assumed charge temperature T EX , the inflator motor will have neither backflow nor expansion via the exhaust valve.

Für Bauarten mit größerem RSUP wird das Leistungsgleich­ gewicht zwischen der Kolbeneinheit und den Vorverdich­ tern den Druck PEX auf einem Niveau erfordern, das die Entspannung über das Auslaßventil bewirkt. Mit größer und größer werdendem RSUP wird eine größere Entspannung notwendig, um den Kolbenrückdruck zu senken und die größer und größer werdenden Kompressionsleistungsanfor­ derungen zu erfüllen. In Fig. 2A ist ein schematisches Diagramm des thermischen Wirkungsgrades als Funktion von RSUP für verschiedene ausgewählte TEX-Werte dargestellt, in dem die Bereiche des Rückstromes bei niedrigem RSUP und die Bereiche der Entspannung bei hohem RSUP gekenn­ zeichnet sind.For designs with larger R SUP , the power balance between the piston unit and the precompressors will require the pressure P EX at a level which causes the expansion via the exhaust valve. As the R SUP grows larger and larger, more relaxation is needed to lower the piston back pressure and meet the increasing and decreasing compression performance requirements. Referring now to Figure 2A, there is shown a schematic diagram of the thermal efficiency as a function of R SUP for various selected T EX values, in which the regions of backflow at low R SUP and the regions of relaxation at high R SUP are indicated.

Jede durchgehende Kennlinie verkörpert eine Darstellung des thermischen Wirkungsgrades als eine Funktion des Kolbens PIN für eine gegebene TEX mit Kurven für anstei­ gende TEX-Werte, die in der Figur von unten links nach oben rechts (TEX)1 < (TEX)2 < (TEX)3 dargestellt sind. Jede Kurve hat entsprechend dem Grundprinzip des ladeluftge­ kühlten-aufgeladenen Leistungszyklus für ein entspre­ chendes Ph-Optimum einen Maximalwert für den thermischen Wirkungsgrad, dargestellt durch den unterbrochenen Kreis. Die Stelle der Punkte des Nullströmungsverlustes (weder Rückstrom noch Entspannung) auf den Kurven ist durch die gepunktete Kurve dargestellt. Diese gepunktete Kurve zeigt einen monoton steigenden thermischen Wir­ kungsgrad im Vergleich zu PIN. Das ist durch die Tatsache erklärt, daß TEX nicht konstant ist, aber ansteigend auf der gepunkteten Kurve. Ebenfalls dargestellt ist die charakteristische Verschiebung der Punkte des Nullven­ tilströmungsverlustes auf höhere relative PIN-Stufen wenn TEX ansteigt. Mit "höhere relative PIN" ist gemeint, daß die Nullverlustpunkte bei niedrigen TEX-Werten niedriger als der Punkt des PIN-Optimums sind und sich ansteigend näher zum PIN-Optimum und bei hohen TEX-Werten schließlich auf die rechte Seite des PIN-Optimums bewegen. Diese charakteristische Verschiebung kann erwartet werden, wenn das Ansteigen von PIN bei einem Nullventilströmungs­ verlust als Funktion von TEX schneller erfolgt als das Ansteigen des PIN-Optimums bei dem maximalen thermischen Wirkungsgrad als Funktion von TEX.Each continuous characteristic embodies a representation of the thermal efficiency as a function of the piston P IN for a given T EX with rising T EX values plotted in the figure from bottom left to top right (T EX ) 1 <(T EX ) 2 <(T EX ) 3 are shown. Each curve has a maximum value for the thermal efficiency, represented by the broken circle, according to the basic principle of the charge-air cooled, supercharged power cycle for a corresponding Ph optimum. The location of the points of zero flow loss (neither return flow nor relaxation) on the curves is represented by the dotted curve. This dotted curve shows a monotonically increasing thermal efficiency compared to P IN . This is explained by the fact that T EX is not constant but increasing on the dotted curve. Also shown is the characteristic shift in the points of zero valve flow loss to higher relative P IN levels as T EX increases. By "higher relative P IN " it is meant that the zero loss points are lower than the point of the P IN optimum at low T EX values and increasing towards the P IN optimum and finally to the right side at high T EX values of the P IN optimum. This characteristic shift can be expected if the rise in P IN at a zero valve flow loss as a function of T EX is faster than the increase in the P IN peak at the maximum thermal efficiency as a function of T EX .

Für den Fall eines "niedrigen" TEX-Wertes werden die mög­ lichen Auslegungspunkte für einen gegebenen PIN als gleich dem PIN-Optimum entsprechend dem ausgewählten TEX- Wert angesehen. Mit dem Ansteigen des Kolbenauslaßdruc­ kes, und damit der Kolbenauslaßtemperatur, steigt nicht nur die Ausgangsleistung, sondern auch der thermische Wirkungsgrad infolge der Reduzierung des Entspannungs­ verlustes. Der Auslegungspunkt ist dementsprechend fest­ gelegt, wenn der Kolbenausgangsdruck seinen Optimalwert, an dem Punkt erreicht, an dem die Kolbenauslaßtempe­ ratur gleich TEX - der Temperaturgrenze des Materials - ist. Der thermische Wirkungsgrad am Auslegungspunkt ist ein absolutes Maximum bei dem durch das Ladeluftkühlen- Aufladen erreichten Ph-Optimum und bei dem durch das Mittel zum Erhöhen des Kolbenauslaßdruckes erreichten optimalen Kolbenauslaßdruck. In diesem Fall schließt der Auslegungspunkt einen Entspannungsverlust und einen Gas­ austrittsverlust an der Expansionseinrichtung ein. Den­ noch ist der zusammengesetzte Verlust kleiner als jede andere mögliche Kombination des Ladeluftkühler-Auflade­ druckes und des Kolbenauslaßdruckes um den Ausle­ gungspunkt herum in Abhängigkeit von der Temperaturgren­ ze des Materials. For the case of a "low" T EX value, the possible design points for a given P IN are considered equal to the P IN optimum according to the selected T EX value. With the rise of Kolbenauslaßdruc kes, and thus the Kolbenauslaßtemperatur, not only increases the output power, but also the thermal efficiency due to the reduction of the relaxation loss. The design point is accordingly set when the piston output pressure reaches its optimum value at the point where the piston outlet temperature is equal to T EX - the temperature limit of the material. The thermal efficiency at the design point is an absolute maximum at the Ph optimum achieved by the charge air charge charging and at the optimum piston discharge pressure achieved by the means for increasing the piston discharge pressure. In this case, the design point includes a relaxation loss and a gas leakage at the expansion device. Still, the composite loss is less than any other possible combination of charge air cooler charge pressure and piston discharge pressure around the delivery point around depending on the temperature limit of the material.

Für den Fall einer "hohen" TEX werden die möglichen Aus­ legungspunkte entlang dem konstanten PIN wiederum als gleich dem PIN-Optimum angesehen, wie es in Fig. 2B dar­ gelegt ist. Das Ansteigen des thermischen Wirkungsgrades wird als ein Ergebnis der Reduzierung des Entspannungs­ verlustes durch Erhöhen des Kolbenauslaßdruckes er­ reicht. Es ist interessant, daß sich das Ansteigen fort­ setzt, auch wenn der Entspannungsverlust eliminiert ist und ein Rückstromverlust infolge des weiteren Anstiegs des Kolbenauslaßdruckes auftritt. Der Auslegungspunkt ist wiederum erreicht, wenn der Kolbenauslaßdruck das PEX-Optimum und die Kolbenauslaßtemperatur die Material­ grenze, TEX, erreicht. Der Auslegungspunkt beim PIN-Opti­ mum und PEX-Optimum stimmt wiederum mit dem maximalen thermischen Wirkungsgrad überein, der durch den klein­ sten zusammengesetzten Verlust aus dem Rückstrom und dem Gasausgangsverlust der Expansionseinrichtung (in diesem Fall infolge einer zu niedrigen Temperatur) charakteri­ siert ist.In the case of a "high" T EX , the possible design points along the constant P IN are again considered equal to the P IN optimum, as shown in FIG. 2B. The increase in thermal efficiency is achieved as a result of reducing the relaxation loss by increasing the piston outlet pressure. It is interesting that the increase continues even if the relaxation loss is eliminated and backflow loss occurs due to the further increase in the piston outlet pressure. The design point is again reached when the piston outlet pressure reaches the P EX optimum and the piston outlet temperature reaches the material limit, T EX . The design point for the P IN -Optimum and P EX -Optimum again coincides with the maximum thermal efficiency, which is characterized by the smallest composite loss from the return flow and the gas exit loss of the expansion device (in this case due to too low a temperature) ,

Um ständig zu wiederholen, das PIN-Optimum und das PEX- Optimum werden gleichzeitig bestimmt. Bis das PIN-Optimum bekannt ist, kann man das obige Verfahren benutzen, um den PEX-Wert zu finden, der mit dem Auslegungswert von TEX bei einem gegebenen PIN übereinstimmt. Eine Wiederho­ lung des Verfahrens für andere PIN-Werte folgt, bis der maximale Betriebspunkt des thermischen Wirkungsgrades gefunden ist. An diesem (Auslegungs)-Punkt ist PIN das PIN-Optimum und entsprechend PEX das PEX-Optimum.To keep repeating, the P IN optimum and the P EX optimum are determined simultaneously. Until the P IN optimum is known, one can use the above procedure to find the P EX value that matches the design value of T EX for a given P IN . A repetition of the process for other P IN values follows until the maximum operating point of the thermal efficiency is found. At this (design) point, P IN is the P IN optimum, and P EX is the P EX optimum.

Basierend auf den obigen Überlegungen, ist PEX und daher der Ladungsdruck während des Ausstoßtaktes auf einem höheren Wert als der PIN-Wert zu halten. Da der Ansaug­ prozeß in den Zylinder nicht stattfinden kann bis der Ladedruck innerhalb des Zylinders auf den Einlaßdruck sinkt, kann kein Überlappen der Betätigung des Auslaß- und Einlaßventils oder Abströmen durch das Einlaßventil auftreten. Statt dessen muß das Auslaßventil nahezu am oberen Totpunkt schließen. Um den Kolbendruck zu senken, ohne den PEX-Wert für die Turbine nachteilig zu beein­ flussen, ist jedoch ein zusätzliches Spülauslaßventil vorgesehen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Dieses Ventil öffnet gleichzeitig mit dem Schließen des Aus­ laßventils 40 und ist zugänglich für eine Ladeleitung 44, die bei einem Druck, der etwas niedriger als PIN ist, versorgt wird, und bleibt geöffnet, bis eine ausreichen­ de Spülung bewirkt ist. Damit umfaßt der Ausstoßprozeß die folgenden Schritte:Based on the above considerations, P EX and therefore the charge pressure during the exhaust stroke is to be maintained at a higher value than the P IN value. Since the intake process in the cylinder can not take place until the boost pressure within the cylinder drops to the inlet pressure, no overlap of the operation of the exhaust and intake valve or outflow through the intake valve can occur. Instead, the exhaust valve must close almost at top dead center. However, to reduce the piston pressure without adversely affecting the P EX value for the turbine, an additional purge outlet valve is provided, as shown in FIG. 3. This valve opens simultaneously with the closing of the off laßventils 40 and is accessible to a charging line 44 , which is supplied at a pressure which is slightly lower than P IN , and remains open until a sufficient de purging is effected. Thus, the ejection process includes the following steps:

  • 1. Das Auslaßventil öffnet einige Kurbelgehäusegrade - vor dem unteren Totpunkt.1. The exhaust valve opens some crankcase degrees - before bottom dead center.
  • 2. Das Auslaßventil schließt unmittelbar nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht.2. The exhaust valve closes immediately after the Piston reaches the top dead center.
  • 3. Gleichzeitig mit dem Schließen des Auslaßventils öffnet das zweite Spülauslaßventil.3. Simultaneously with the closing of the exhaust valve opens the second Spülauslaßventil.
  • 4. Die Ladungsspülung setzt sich fort, wenn das Ein­ laßventil bei einem Kurbeldrehwinkel hinter dem oberen Totpunkt öffnet. Wenn die Ladeleitung einen Druck unter PIN hat, entweicht das Abgas weiter aus dem Zylinder.4. The charge purge continues when the A laßventil opens at a crank angle behind the top dead center. If the charge line has a pressure below P IN , the exhaust gas escapes further out of the cylinder.
  • 5. Das Spülauslaßventil schließt und der Ansaugprozeß beginnt.5. The purge outlet valve closes and the suction process starts.

Der obige Prozeß, der ein Paar von Auslässen bei ver­ schiedenen Drücken bildet, erfordert demgemäß, daß die Nutzleistungsturbine oder die Expansionseinrichtung als eine Zwei-Stufen-Turbine ausgebildet ist. Die PEX-Ladung dehnt sich beim Durchströmen der ersten Stufe in einer Zwischenladeleitung von PEX auf einen Druck etwas unter PIN aus. Die ausgedehnte Ladung wird beim Einströmen in diese mit der zusätzlichen Ladungsmasse direkt vom Zy­ linder durch das Spülauslaßventil zusammengeführt. Diese zusammengesetzte Ladung wird dann durch die zweite Stufe der Turbine geführt, in der sie sich weiter von dem Zwischendruck auf den atmosphärischen Druck entspannt.The above process, which forms a pair of outlets at different pressures, accordingly requires that the power turbine or expander be formed as a two-stage turbine. The P EX charge expands as it passes through the first stage in an intermediate charge line from P EX to a pressure slightly below P IN . The extended charge is merged as it flows into this with the additional charge mass directly from the Zy cylinder through the Spülauslaßventil. This composite charge is then passed through the second stage of the turbine, where it continues to relax from the intermediate pressure to the atmospheric pressure.

Wie in Fig. 3 gezeigt, nimmt der mit einem Kolben 36 versehene Zylinder 34 die unter Druck stehende einströ­ mende Ladung 22 mit einem Druck PIN durch das Einlaßven­ til 38 in konventioneller Weise auf. Die unter Hochdruck stehende und hohe Temperatur aufweisende austretende Ladung 26 wird bei PEX, TEX durch das erste Auslaßven­ til 40, das während des Ausstoßtaktes öffnet und offen­ bleibt, bis der Kolben 36 den oberen Totpunkt erreicht, ausgestoßen. Die austretende Ladung 26 dehnt sich durch den ersten Turbinenabschnitt 42 aus und tritt in eine Zwischenladeleitung 44 zwischen den zwei Stufen 42 und 46 der Turbine 28 aus. Die Zwischenladeleitung 44 ist ausgelegt, um bei einem Druck etwas unterhalb von PIN zu arbeiten, der natürlich unterhalb von PEX liegt, und hat demgemäß einen Arbeitsdruck unter dem von PEX. Am oberen Totpunkt schließt das Auslaßventil und das zweite Spül­ auslaßventil 48 öffnet. Das Spülauslaßventil 48 führt die restliche austretende Ladung in die Zwischenladelei­ tung 44, wo es mit der austretenden Ladung des ersten Abschnittes 42 der Turbine 28 zusammengeführt wird. Die Zwischenladeleitung 44 dient als Einlaß für die zweite Turbinenstufe 46, in der zusätzliche mechanische Arbeit von der austretenden Ladung gewonnen wird, die die zwei­ te Stufe als 37 mit atmosphärischem Druck verläßt.As shown in Fig. 3, the provided with a piston 36 cylinder 34 takes the pressurized einströ coming charge 22 with a pressure P IN through the Einlaßven valve 38 in a conventional manner. The high-pressure and high-temperature exiting charge 26 is at P EX , T EX through the first Auslaßven valve 40 , which opens during the exhaust stroke and remains open until the piston 36 reaches the top dead center, ejected. The exiting charge 26 expands through the first turbine section 42 and exits into an intermediate charge line 44 between the two stages 42 and 46 of the turbine 28 . The intermediate charge line 44 is designed to operate at a pressure slightly below P IN , which of course is below P EX , and accordingly has a working pressure below that of P EX . At top dead center closes the exhaust valve and the second purge exhaust valve 48 opens. The Spülauslaßventil 48 carries the remaining exiting charge in the Zwischenladelei device 44 , where it is merged with the exiting charge of the first portion 42 of the turbine 28 . The intermediate charge conduit 44 serves as an inlet to the second turbine stage 46 in which additional mechanical work is obtained from the exiting charge leaving the second stage 37 at atmospheric pressure.

In Fig. 3 ist das Spülauslaßventil 48 als ein "Ablaß"- Ventil dargestellt, das in seiner Arbeitsweise gleich den konventionellen Einlaß- und Auslaßventilen 38, 40 des Zylinders ist. Solch eine Ausbildung erfordert rela­ tiv komplizierte Verbindungen am Zylinderkopf und kann beträchtliche Änderungen der herkömmlichen Zylinderkopf­ bauarten erfordern, um das Anordnen eines zusätzlichen Ventils körperlich zu ermöglichen.In Fig. 3, the purge outlet valve 48 is shown as a "drain" valve which is similar in operation to the conventional intake and exhaust valves 38 , 40 of the cylinder. Such an embodiment requires relatively complex connections to the cylinder head and may require significant changes to the conventional cylinder head design to physically permit the placement of an additional valve.

Folglich ist in Fig. 4 eine Alternative zu der Bauart als Ablaßventil vorgestellt. Wie darin gezeigt ist, arbeitet ein Drehschieber oder eine andere Art von Ven­ til 50, das vom Zylinder 34 versetzt angeordnet sein kann, zusammen mit einem herkömmlichen Auslaßventil 40 und ist zeitgesteuert, um die ausströmende Ladung entwe­ der in die erste Stufe 42 der Turbine 28 oder in die einen niedrigeren Druck aufweisende Zwischenlade­ leitung 44 zu leiten. Durch eine vom Kolben und vom Zylinder entfernte Anordnung des Ventils 50 wird die beträchtliche Umgestaltung des Zylinderkopfes vermieden. Statt dessen muß nur die Gesamtöffnungszeit für das Auslaßventil 40 modifiziert werden, um die Zeit zu um­ fassen, die gebraucht wird, um beide Teile der ausströ­ menden Ladung zu transportieren.Consequently, in Fig. 4, an alternative to the type is presented as a drain valve. As shown therein, a rotary valve or other type of valve 50 , which may be staggered from the cylinder 34 , operates together with a conventional exhaust valve 40 and is timed to discharge the discharged charge into the first stage 42 of the turbine 28 or in the lower pressure intermediate charging line 44 to lead. By a remote from the piston and the cylinder arrangement of the valve 50 , the considerable transformation of the cylinder head is avoided. Instead, only the total opening time for the exhaust valve 40 needs to be modified to accommodate the time taken to transport both parts of the exhausting charge.

Wenn das Aufladedruckverhältnis (PIN/Patm) sehr hoch ist, muß der Kompressionsgrad des Kolbenmotors niedrig gehal­ ten werden, auferlegt vor allem durch die Maximaldruck­ begrenzung des Zylinderblockes. Ein niedriger Kompres­ sionsgrad, verbunden mit der Verwendung einer Ladungs­ zwischenkühlung im Auflader, führt zu einer niedrigen Ladungstemperatur am Ende des Kompressionstaktes. Dieses schließt demnach die Anwendung der Kompressionszündungs­ verbrennung aus. In Abhängigkeit von der maximal zuläs­ sigen Auslaßtemperatur entsprechend der projektierten Einlaßtemperatur für die Turbine, kann das maximale Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf Werte unterhalb der stö­ chiometrischen begrenzt werden. Folglich werden mit mageren Gemischen fahrende Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung, wie z. B. ein Schichtladungsverbrennungs­ motor oder ein Mehrkanaleinspritzmotor, die zu einer sparsameren Verbrennung als die allgemein bekannten fähig sind, bevorzugt für die Aufnahme als Kolbenmotor­ einheit des IGGEX ausgewählt.If the supercharging pressure ratio (P IN / P atm ) is very high, the degree of compression of the piston engine must be kept low, imposed mainly by the maximum pressure limit of the cylinder block. A low degree of compression, combined with the use of charge intercooling in the supercharger, results in a low charge temperature at the end of the compression stroke. This excludes the application of the compression ignition combustion. Depending on the maximum permissible outlet temperature corresponding to the projected inlet temperature for the turbine, the maximum fuel / air ratio can be limited to values below the stoichiometric. Consequently, running with lean mixtures driving internal combustion engines with spark ignition, such. As a stratified combustion engine or a multi-channel injection engine, which are capable of more economical combustion than the well-known, preferably selected for inclusion as a piston engine unit of IGGEX.

Motoren mit Fremdzündung, die mit nahezu stöchiometri­ schen Gemischen fahren, können jedoch für die Anwendung in der Kolbeneinheit für IGGEX mit der folgenden Modifi­ kation aufgenommen werden. Solche Kolbenmotoren müssen mit "übergroßen" Vorverdichtern verbunden sein. Diese notwendige Änderung ist in den Fig. 5 und 5A beschrie­ ben, in denen ein Mehrstufenverdichter mit Zwischenstu­ fenkühlung als Auflader verwendet wird.However, spark-ignition engines that run with nearly stoichiometric mixtures can be accommodated for use in the IGGEX piston unit with the following modification. Such piston engines must be connected to "oversized" superchargers. This necessary change is described in FIGS . 5 and 5A, in which a multi-stage compressor with intercooling cooling is used as a supercharger.

Die als Mehrstufeneinheit ausgebildete Verdichterein­ heit 18 besitzt Verdichter 104, 106, mit anschließendem Wärmetauscher 108 bzw. Kühler 110.The trained as a multi-stage unit Verdichterein unit 18 has compressor 104 , 106 , followed by heat exchanger 108 and radiator 110th

"Überschuß"-Luft vom letzten (zweiten) Vorverdichter 106 im Zustand A umgeht den Ladeluftkühler 110 der letzten Stufe und die Kolbeneinheit 16 und tritt statt dessen in eine das Kolbenabgasrohr umgebende Wärmetauscherein­ heit 112 ein. Als ein Ergebnis des Wärmeaustausches ist die umgeleitete Luft von A auf B aufgeheizt und der Kolbenaustritt von C auf D und dann während des Entspan­ nens von C auf E abgekühlt. Der Kolbenaustritt wird noch zu dem ersten Einlaß der ersten Expansionseinrichtung 42 der Turbine 28 und nach der teilweisen Kühlung und wei­ teren Entspannung zu der einen niedrigeren Druck auf­ weisenden Zwischenladeleitung 44 geführt. Die erste Ex­ pansion ist durch die Strecke D-F dargestellt. Die er­ wärmte umgeleitete Luft im Zustand B und die die erste Stufe der Turbine verlassende Ladung im Zustand F ver­ binden sich mit dem Kolbenspülabgas im Zustand E in der Zwischenladeleitung 44, um ein Gemisch im Zustand G zu bilden. Zusätzliche mechanische Arbeit wird von der Expansion des Gemisches von G auf H in der zweiten Stufe 46 der Turbine gewonnen. Die Temperaturgrenze des Turbi­ nenmaterials setzt die Grenze für die Gastemperatur im Zustand D. In dieser Ausführung kann die Kolbenaus­ trittstemperatur bei C höher als die Temperaturgrenze des Turbinenmaterials sein, da der Kolbenaustritt zuerst genutzt wird, um die umgeleitete Luft aufzuheizen, bevor sie bei D in Kontakt mit der Turbine kommt."Excess" air from the last (second) supercharger 106 in state A bypasses the last stage charge air cooler 110 and the piston unit 16 and instead enters a heat exchanger unit 112 surrounding the piston exhaust tube. As a result of the heat exchange, the bypassed air is heated from A to B and the flask exit from C to D and then cooled from C to E during flashing. The piston outlet is still led to the first inlet of the first expansion device 42 of the turbine 28 and after the partial cooling and Wei teren relaxation to the lower pressure on facing intermediate charge line 44 . The first ex pansion is represented by the route DF. It warmed the bypassed air in state B and the charge leaving state F in the first stage of the turbine binds to the piston scavenging exhaust gas in state E in the intermediate charge line 44 to form a mixture in state G. Additional mechanical work is gained from the expansion of the mixture from G to H in the second stage 46 of the turbine. The temperature limit of the Turbi nenmaterials sets the limit for the gas temperature in the state D. In this embodiment, the Kolbenaustrittstemperatur at C may be higher than the temperature limit of the turbine material, since the piston outlet is first used to heat the bypassed air before at D in Contact with the turbine is coming.

Eine alternative Methode zum Erhöhen von PEX auf ein höheres Niveau als PIN mit minimalem Rückstrom über das Einlaßventil ist, den Viertakt-Kolben/Zylinder in zwei Zweitakt-Kolben/Zylinder zu teilen, einen für Ansaugen und Verdichten und den anderen für Leistung und Ausstoß. Der Ansaug/Kompressions-Kolben/Zylinder kann mit einem sehr hohen "Kompressionsgrad" versehen sein, um so den Rückstrom über das Einlaßventil auf einem unbedeutenden Stand zu halten. Zusätzlich hat die getrennte Kolben/ Zylinder-Ausführung andere potentielle Vorteile. An alternative method of increasing P EX to a higher level than P IN with minimum return flow across the intake valve is to divide the four-stroke piston / cylinder into two two-stroke pistons / cylinders, one for intake and compression and the other for power and compression emissions. The intake / compression piston / cylinder can be provided with a very high "degree of compression" so as to keep the return flow through the intake valve to an insignificant level. In addition, the separate piston / cylinder design has other potential advantages.

Wie oben dargelegt wurde, kann der erfindungsgemäße Viertakt-Kolbenmotor nicht sowohl Strömungsverluste über das Auslaßventil als auch Verluste infolge einer Aus­ laßtemperatur über oder unter dem Optimum vermeiden. Solche Verluste können nur minimiert werden. Im allge­ meinen ist der Expansionstakt für die Zylinder zu kurz, wenn die Kolbenauslaßtemperatur niedriger als ein fest­ gesetzter ausschließlicher Wert ist. Demzufolge ist ein niedrigerer Rückdruck mit begleitender Entspannung er­ forderlich, um eine ausreichende Leistung bei einem optimalen Einlaßdruck zu erzeugen. Die Temperatur des entsprechenden Nutzleistungsturbinenauslasses wird etwas höher als das Optimum sein. Wenn die Kolbenauslaßtempe­ ratur höher als der optimale Wert ist, ist der Expan­ sionstakt zu lang und die Turbinenauslaßtemperatur wird zu niedrig sein.As stated above, the inventive Four-stroke piston engine not both flow losses over the exhaust valve as well as losses due to an off Keep the temperature above or below the optimum. Such losses can only be minimized. In general mine the expansion stroke for the cylinders is too short, when the piston outlet temperature is lower than a fixed set exclusive value. Consequently, a lower back pressure with accompanying relaxation necessary to provide sufficient performance at one to produce optimal inlet pressure. The temperature of the corresponding power turbine outlet will be something be higher than the optimum. When the piston outlet cam is higher than the optimal value, the expan The cycle is too long and the turbine outlet temperature be too low.

In Erwartung der Verfügbarkeit von immer höheren Auslaß­ temperaturen infolge von Fortschritten in der Material­ technologie kann die Korrektur eines übermäßigen Expan­ sionstaktes und Hubvolumens, die in einem Viertakt-Hub­ kolbenmotor unvermeidlich sind, ohne weiteres alternativ in einer getrennten Kolben/Zylinder-Ausführung erfüllt werden, da jeder Zylinder optimiert werden kann, um die zwei Takte auszuführen, die er zu erfüllen hat. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, sind die Zylinder 52 und 54 durch einen Übertragungskanal 56 verbunden. Ihre ent­ sprechenden Kolben 58 und 60 sind mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 62 verbunden. Der erste Kolben 58 in dem sogenannten kalten Kolbenzylinder 52 führt den Ansaug- und Kompressionstakt aus, wobei er die Ansaugluft über das Einlaßventil 64 erhält, während der zweite Kolben 60 in dem heißen Kolbenzylinder 54 den Arbeits- und Ausstoßtakt ausführt, wobei die Ladung bei PEX, TEX durch das Auslaßventil 66 ausgestoßen wird. Der heiße Kolben wird entlang einem Winkel Ra verschoben.In anticipation of the availability of ever higher outlet temperatures due to advances in material technology, the correction of excessive expansion stroke and stroke volume, which are inevitable in a four-stroke piston engine, may be readily met alternatively in a separate piston / cylinder design. because each cylinder can be optimized to perform the two strokes that it has to fulfill. As shown in FIG. 6, the cylinders 52 and 54 are connected by a transmission channel 56 . Your ent speaking pistons 58 and 60 are connected to a common crankshaft 62 . The first piston 58 in the so-called cold piston cylinder 52 performs the intake and compression strokes, receiving the intake air via the intake valve 64 , while the second piston 60 in the hot piston 54 performs the working and exhaust strokes, the charge at P EX , T EX is exhausted through the exhaust valve 66 . The hot piston is displaced along an angle R a .

Das Übertragungsventil 68, das zwischen den Kolbenpaaren arbeitet und den Durchfluß zwischen den Zylindern durch den Kanal 56 steuert, öffnet annähernd am oberen Tot­ punkt des Kolbenweges des heißen Kolbens 60, was dem Winkel Ra vor dem oberen Totpunkt für den kalten Kol­ ben 58 entspricht. Das Übertragungsventil 68 schließt ungefähr am oberen Totpunkt des kalten Kolbens 58, über­ einstimmend mit dem Ra-Vorschub hinter dem oberen Tot­ punkt des heißen Kolbens 60. Die verdichtete Ladung wird aus dem kalten Zylinder 52 ausgestoßen und während die­ ser Periode in den heißen Zylinder 54 hineingelassen. Die Verbrennung wird im heißen Zylinder bei einem ausge­ wählten Kurbeldrehwinkel vor dem Schließen des Übertra­ gungsventils durch eine Zündkerze 70 nach dem Zuführen von Kraftstoff durch die Einspritzdüse 72 eingeleitet. Das Volumen des Übertragungskanales 56 wird so klein wie möglich gehalten, um einen ausreichend hohen "Kompres­ sionsgrad" in der Verbundeinheit des heißen Zylinders und dem Übertragungskanal zu erhalten. Die Verbrennung wird somit auf der Basis eines "Stoßes" unter einer nahezu konstanten Mengenbeschaffenheit ausgeführt.The transfer valve 68 , which operates between the pairs of pistons and controls the flow between the cylinders through the channel 56 , opens approximately at the top dead center of the piston travel of the hot piston 60 , which corresponds to the angle R a before top dead center for the cold Kol ben 58 , The transfer valve 68 closes approximately at the top dead center of the cold piston 58 , in accordance with the R a- advance beyond the top dead center of the hot piston 60th The compressed charge is expelled from the cold cylinder 52 and allowed to enter the hot cylinder 54 during this period. The combustion is introduced in the hot cylinder at a selected crank angle of rotation before closing the transfer valve by a spark plug 70 after supplying fuel through the injector 72 . The volume of the transmission channel 56 is kept as small as possible in order to obtain a sufficiently high degree of "compression" in the composite unit of the hot cylinder and the transmission channel. The combustion is thus carried out on the basis of a "shock" under a nearly constant quantity condition.

Mit der Trennung des Kolbenzylinders in zwei separate Kolben ist es möglich, einen Turbolader-Gasgenerator als auch einen mechanisch aufgeladenen Gasgenerator anzuwen­ den.With the separation of the piston cylinder into two separate Piston, it is possible to use a turbocharger gas generator as also apply a mechanically charged gas generator the.

Fig. 7 zeigt die Ventilzeitsteuerung für eine turboge­ ladene getrennte Zylinderausführung. Wie darin gezeigt ist, kennzeichnet IVO die Einlaßventilöffnung; IVC - die Einlaßventilschließung; EVO - die Auslaßventilöffnung; EVC - die Auslaßventilschließung; TVO - die Übertra­ gungsventilöffnung; TVC - die Übertragungsventilschließ­ ung; IGN - den Zündungsbeginn. Die für die Zylinderpa­ rameter und Zeitsteuerung charakteristischen Werte bezo­ gen auf den Kurbeldrehwinkel des heißen Kolbens sind folgende: Fig. 7 shows the valve timing for a turboge loaded separate cylinder design. As shown therein, IVO indicates the intake valve opening; IVC - the inlet valve closure; EVO - the exhaust valve opening; EVC - the exhaust valve closure; TVO - the transfer valve opening; TVC - the transfer valve closure; IGN - the start of ignition. The characteristic values for the cylinder parameters and timing with respect to the crank angle of rotation of the hot piston are as follows:

Bohrung des kalten Zylinders|0,16 mDrilling the cold cylinder | 0.16 m Bohrung des heißen ZylindersBore of the hot cylinder 0,12 m0.12 m Hub des kalten ZylindersStroke of the cold cylinder 0,12 m0.12 m Hub des heißen ZylindersStroke of the hot cylinder 0,12 m0.12 m Länge der Pleuelstange der ZylinderLength of the connecting rod of the cylinder 0,22 m0.22 m "Kompressionsgrad" (Verhältnis des Volumens bei BDC zum Volumen bei TDC) des kalten Zylinders"Compression degree" (ratio of volume at BDC to volume at TDC) of the cold cylinder 2525 "Kompressionsgrad" des heißen Zylinders/Übertragungskanals"Compression degree" of the hot cylinder / transmission channel 1313 Kurbeldrehwinkelverschiebung des heißen gegenüber dem kalten Zylinder Ra Cranking angle displacement of the hot relative to the cold cylinder R a 50°50 °

R von IVO = 52° (2 Grad ATDC des kalten Zylinders)
R von IVC = 245° (15 Grad ABDC des kalten Zylinders)
R von TVO = 0° (50 Grad BTDC des kalten Zylinders und bei TDC des warmen Zylinders)
R von TVC = 53° (3 Grad ATDC des kalten Zylinders und 53 Grad ATDC des warmen Zylinders)
R von EVO = 140° (40 Grad BBDC des heißen Zylinders)
R von EVC = 4° (4 Grad ATDC des heißen Zylinders)
R von INJ = 47°
R von IGN = 49°
R of IVO = 52 ° (2 degrees ATDC of the cold cylinder)
R of IVC = 245 ° (15 degrees ABDC of the cold cylinder)
R of TVO = 0 ° (50 degrees BTDC of the cold cylinder and TDC of the warm cylinder)
R of TVC = 53 ° (3 degrees ATDC of the cold cylinder and 53 degrees ATDC of the warm cylinder)
R of EVO = 140 ° (40 degrees BBDC of the hot cylinder)
R of EVC = 4 ° (4 degrees ATDC of the hot cylinder)
R of INJ = 47 °
R of IGN = 49 °

Für eine gegebene Ausführung, bei der die Auslaßtempera­ tur mit der Materialtemperaturgrenze übereinstimmt, gibt es ein optimales Volumen oder Bohrungsverhältnis zwi­ schen den Zylindern. Solch eine Bestimmung kann auf einer experimentellen Grundlage durch die Entwicklung einer Reihe von Isothermen PIN als Funktion von PEX/PIN für ein spezifisches Volumenverhältnis durchgeführt werden. Auf der Kurve liegt übereinstimmend mit der erwünschten TEX das Optimum PIN. Außerdem werden dann Isothermen für eine gegebene Auslaßtemperatur für Aus­ führungen mit verschiedenen Volumenverhältnissen ent­ wickelt. Stellt man die Reihen der Isothermen gemeinsam dar, stimmt die am höchsten gelegene Kurve mit dem opti­ malen Volumenverhältnis überein.For a given design where the outlet temperature matches the material temperature limit, there is an optimum volume or bore ratio between the cylinders. Such a determination may be made on an experimental basis by the development of a series of isotherms P IN as a function of P EX / P IN for a specific volume ratio. On the curve, in accordance with the desired T EX, the optimum P IN lies. In addition, isotherms for a given outlet temperature for embodiments with different volume ratios are then developed. If the series of isotherms is represented together, the highest curve agrees with the optimal volume ratio.

Genauer gesagt, das auf die obige Art und Weise ermit­ telte optimale Volumenverhältnis stimmt mit dem maxima­ len Leistungsausgang überein; es kann nicht genau mit dem maximalen thermischen Wirkungsgrad übereinstimmen, da die Maschinenblockkühlung der verschiedenen Vergaser etwas unterschiedlich sein kann. In der Praxis kann es jedoch akzeptiert werden, daß das optimale Volumenver­ hältnis mit der maximalen Leistung übereinstimmt und das optimale Volumenverhältnis mit dem maximalen thermischen Wirkungsgrad ausreichend übereinstimmt, da keine echte Differenz zur Auswahl des einen oder anderen führen wird. More specifically, in the above manner optimal volume ratio is correct with the maxima len power output match; it can not exactly match match the maximum thermal efficiency, because the engine block cooling of the various carburetors something can be different. In practice it can However, it can be accepted that the optimal volume ver the maximum performance and that optimal volume ratio with the maximum thermal Efficiency sufficiently matches, since no real Difference lead to the selection of one or the other becomes.  

Die zuvor dargestellte Ausführung sowohl des einzelnen als auch des getrennten Zylinders nutzen die Verbrennung in einem "stoßweisen"-Prozeß, weniger in einem kontinu­ ierlichen Prozeß.The previously illustrated embodiment of both the individual as well as the separate cylinder use the combustion in a "jerky" process, less in a continuum process.

Der stoßweise Charakter des Verbrennungsprozesses der herkömmlichen Kolbenmotoren ist sowohl der Hauptgrund für ihren wirtschaftlichen Erfolg als auch der Grund für die ihnen innewohnenden Begrenzungen in der Reduzierung der durch sie erzeugten Schadstoffe.The intermittent nature of the combustion process of conventional piston engines is both the main reason for their economic success as well as the reason for their inherent limitations in reduction the pollutants generated by them.

Statt, wie zuvor beschrieben, die Ladung direkt vom kalten in den heißen Zylinder zu überführen, kann eine Modifikation zur Anwendung kommen, die eine Vielzahl von kalten Zylindern enthält, die durch eine Sammelleitung miteinander verbunden sind, um die Ladung in eine sepa­ rate Verbrennungskammer zu führen, in der eine kontinu­ ierliche oder kontinuierlich-pulsierende Verbrennung aufrechterhalten wird. Diese Art des Verbrennungsprozes­ ses wurde in dem ursprünglichen Brayton-Zyklus übernom­ men. Solch ein Verbrennungsprozeß, der seit über 100 Jahren bekannt ist, verlor schnell an Popularität zugun­ sten des Otto-Viertakt-Verbrennungsmotors wegen der Möglichkeit des Erreichens höherer Kompressionsgrade und der Reduzierung der Pump- und Reibungsverluste in der letztgenannten Anordnung. Mit der Anwendung eines hohen Aufladedruckes in der vorliegenden Erfindung, ist ein hoher (tatsächlicher) Kompressionsgrad in dem Ansaugver­ dichtungszylinder nicht länger notwendig. Außerdem neigt der hohe Einlaßdruck dazu, die Pump- und Reibungsver­ luste zu vermindern. In Verbindung mit IGGEX und seinen verminderten Nachteilen, kann die kontinuierliche Ver­ brennung eine sauberere Verbrennung erreichen als eine intermittierende Verbrennung in einem stoßweisen Prozeß. Instead, as described above, the charge directly from To convert cold into the hot cylinder, one can Modification come to be used that a variety of contains cold cylinders passing through a manifold are interconnected to the charge in a sepa rate combustion chamber in which a continuous continuous or continuously pulsating combustion is maintained. This type of combustion process This was taken over in the original Brayton cycle men. Such a combustion process that has been over 100 years Years ago, quickly lost popularity Most of the Otto four-stroke internal combustion engine because of Possibility of achieving higher compression ratios and the reduction of pumping and friction losses in the the latter arrangement. With the application of a high Charge pressure in the present invention is a high (actual) degree of compression in the Ansaugver sealing cylinder no longer necessary. Besides, it tends the high inlet pressure, the pump and Reibverver lessening losses. In conjunction with IGGEX and his reduced disadvantages, the continuous Ver Achieve a cleaner combustion than one intermittent combustion in an intermittent process.  

Weiterhin ist ein sanfterer Lauf des Motors mit vorteil­ hafter Vielkraftstofftauglichkeit und reduzierter War­ tung möglich.Furthermore, a smoother running of the engine with advantage good fuel-efficiency and reduced War possible.

Solch eine kontinuierliche Verbrennung in der Form eines "Wankel"- oder Rotationskolbenmotors, die Drehkolben oder Rotoren verwenden, sind besonders von Interesse. Dies ist in Fig. 8 dargestellt. Wie darin gezeigt ist, kann eine Ansaug-Verdichterrotoreinheit 74 ein erstes Rotorpaar 76, 78 innerhalb einer Ummantelung 80 umfas­ sen, benannt als kaltes Rotorgehäuse. Wie allgemein bekannt ist, erlaubt die Form des Rotors eine Vielzahl von Kammern oder Zwischenräumen, in der Regel 3 an der Anzahl, die mit der Drehung des Rotors das Volumen ver­ ändern. Die Winkelstellungen der beiden Rotoren sind gegeneinander versetzt, so daß die daraus ausströmenden verdichteten Ladungen räumlich voneinander getrennt sind, um eine beständigere und ununterbrochen verbundene austretende Ladung zu liefern. Eine aufgeladene Ein­ gangsladung wird durch die Einlaßöffnung 82 in die Ro­ torkammern eingeleitet, die verdichteten austretenden Ladungen werden durch Auslaßrückschlagklappenventile 86 zu einem Verteiler 84 geführt und in ihm gesammelt. Der Verteiler 84 versorgt die Verbrennungskammer 88, in die ebenfalls Kraftstoff eingespritzt wird. Die Verbren­ nungsprodukte werden über Ventile 98 zu der Expansions- Ausstoß-Rotoreinheit 90 übertragen, die Rotoren 92, 94 in der Ummantelung 96 besitzt, die wiederum in Bezug aufeinander winkelförmig versetzt angeordnet sind, um eine kontinuierlicher nutzbare Verbrennungskammer für den Verbrennungsausstoß zu schaffen. Durch die Expansion in den durch die Rotoren gebildeten Kammern in der Um­ mantelung werden die Rotoren, die durch die Welle 100 mit den Ansaugrotoren 76, 78 und dem Vorverdichter ver­ bunden sind, angetrieben, um den Verdichter und die Kompressionsrotoren zu betreiben, wobei der PEX/TEX-Aus­ laß durch Auslaßschlitze 102 zu der Turbinen-Expansions- Einheit geführt wird.Such continuous combustion in the form of a "Wankel" or rotary piston engine using rotary lobes or rotors is of particular interest. This is shown in FIG. 8. As shown therein, a suction compressor rotor unit 74 may include a first pair of rotors 76 , 78 within a shell 80, termed a cold rotor housing. As is well known, the shape of the rotor allows a plurality of chambers or spaces, usually 3 in number, the volume change ver with the rotation of the rotor. The angular positions of the two rotors are staggered so that the compressed charges flowing therefrom are spatially separated to provide a more consistent and uninterruptedly connected discharge charge. A charged A gangsladung is introduced through the inlet port 82 in the Ro torkammern, the compacted exiting charges are guided through outlet check valves 86 to a manifold 84 and collected in it. The manifold 84 supplies the combustion chamber 88 into which fuel is also injected. The Burn drying products are transferred via valves 98 to the expansion ejection rotor unit 90, the rotors 92, has 94 in the casing 96 which are in turn arranged successively offset angularly with respect to create a continuous usable combustion chamber for the combustion emissions. Due to the expansion in the chambers formed by the rotors in the order sheathing, the rotors, the ver by the shaft 100 with the suction rotors 76 , 78 and the supercharger are connected, driven to operate the compressor and the compression rotors, the P EX / T EX - let out through outlet slots 102 to the turbine expansion unit.

Claims (13)

1. Verbesserter Gasgeneratormotor, bestehend aus einer Expansionseinrichtung (14) mit einer Hochdruckein­ laßöffnung und einer Niedrigdruckauslaßöffnung, mit einem mit der Einlaßöffnung verbundenen Mittel zum Erzeugen einer Gaszufuhr mit solchen Druck- und Temperatureigenschaften (PEX; TEX), daß die Tempera­ tur die maximal durch das Material der Expansions­ einrichtung (14) erlaubte ist und der Druck so ausgewählt wird, daß die Temperatur des die Auslaß­ öffnung der Expansionseinrichtung (14) verlassenden Abgase (32) während des Betriebes des Motors mi­ nimiert ist.An improved inflator motor comprising an expansion device ( 14 ) having a high pressure inlet opening and a low pressure outlet opening having means connected to the inlet opening for producing a gas supply having such pressure and temperature characteristics (P EX ; T EX ) that the temperature is maximum by the material of the expansion device ( 14 ) is allowed and the pressure is selected so that the temperature of the outlet opening of the expander ( 14 ) leaving the exhaust gases ( 32 ) during the operation of the engine is mi mi nimated mi. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mittel zum Erzeugen der Gaszufuhr aus einer Viertakt-Kolbenmotoreinheit (16) besteht, die Einlaß- und Auslaßöffnungen besitzt und deren Aus­ laßöffnung mit der Einlaßöffnung der Expansionsein­ richtung (14) verbunden ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the means for generating the gas supply from a four-stroke piston engine unit ( 16 ), the inlet and outlet ports and whose laßöffnung from the inlet opening of the Expansionsein direction ( 14 ) is connected. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mittel zum Erzeugen der Gaszufuhr zusätzlich aus einem Mittel zum Minimieren der Abgastemperatur des Auslasses der Expansionsein­ richtung besteht, das mit der Einlaßöffnung der Kolbenmotoreinheit (16) verbunden ist.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the means for generating the gas supply additionally consists of a means for minimizing the exhaust gas temperature of the outlet of the expansion device, which is connected to the inlet opening of the piston motor unit ( 16 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mittel zum Minimieren der Abgastempe­ ratur des Auslasses der Expansionseinrichtung (14) ein ladeluftgekühlter Auflader (18) ist. 4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the means for minimizing the exhaust gas temperature of the outlet of the expansion device ( 14 ) is a charge air cooled supercharger ( 18 ). 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gaserzeugungsmittel zusätzlich aus einem Mittel zum Teilen des Abgases der Kolbenmo­ toreinheit (16) in Hoch- und Niedrigdruckanteile besteht und die Expansionseinrichtung (14) entspre­ chende Hoch- und Niedrigdruckstufen (42; 46) be­ sitzt, wobei die Hochdruckstufe (42) mit der Ein­ laßöffnung der Expansionseinrichtung (14) verbunden ist und die Niedrigdruckstufe und der Auslaß der Hochdruckstufe (42) mit einer zweiten Einlaßöffnung verbunden und die Hoch- und Niedrigdruckabgasantei­ le zu der Einlaßöffnung der Expansionseinrichtung (14) bzw. der zweiten Einlaßöffnung geführt sind.5. The device according to claim 2, characterized in that the gas generating agent gate unit of a means for dividing the exhaust gas of the Kolbenmo (16) is additionally in high and low pressure components and the expander (14) follow-reaching high and low pressure stages (42; 46 ), wherein the high-pressure stage ( 42 ) is connected to the inlet opening of the expansion device ( 14 ) and the low-pressure stage and the outlet of the high-pressure stage ( 42 ) connected to a second inlet port and the high and Niedrigdruckabgasantei le to the inlet opening of the expansion device ( 14 ) and the second inlet opening are guided. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mittel zum Teilen des Abgases in Hoch- und Niedrigdruckanteile aus einem Kolbenzylinder (34) besteht, der ein erstes Auslaßventilmittel (40) besitzt, das angepaßt ist, um während eines vor dem unteren Totpunkt beginnenden und am oberen Totpunkt endenden Zeitintervalls wirksam zu sein, wobei während dieses Zeitraumes der Hochdruckabgas­ anteil definiert ist, und ein zweites Auslaßventil­ mittel besitzt, das angepaßt ist, um während eines zweiten, am oberen Totpunkt beginnenden und kurz danach endenden, Zeitintervalls wirksam zu sein, wobei während dieses Zeitraumes der Niedrigdruck­ abgasanteil definiert ist, und das erste Auslaßven­ tilmittel (40) mit der Einlaßöffnung der Ex­ pansionseinrichtung (14) und das zweite Ventilmit­ tel mit der zweiten Einlaßöffnung der Expansion­ seinrichtung (14) verbunden ist. 6. The device according to claim 5, characterized in that the means for dividing the exhaust gas in high and low pressure parts of a piston cylinder ( 34 ) which has a first Auslaßventilmittel ( 40 ) which is adapted to during a before the lower Dead time beginning and ending at the top dead center time interval to be effective, wherein during this period, the high-pressure exhaust gas share is defined, and has a second exhaust valve medium, which is adapted to effective during a second, at top dead center and ending shortly thereafter, the time interval be, wherein during this period the low pressure exhaust gas portion is defined, and the first Auslaßven tilmittel ( 40 ) with the inlet opening of the ex pansionseinrichtung ( 14 ) and the second Ventilmit tel with the second inlet opening of the expansion device ( 14 ) is connected. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste und zweite Auslaßventilmittel (40 bzw. 48) in der Wand des Zylinders (34) ange­ ordnet ist.7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the first and second Auslaßventilmittel ( 40 or 48 ) in the wall of the cylinder ( 34 ) is arranged. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste und zweite Auslaßventilmittel (40 bzw. 48) aus einem Ventil (50) besteht, das in einer Abgassammelleitung für die Kolbenmotoreinheit (16) angeordnet und angepaßt ist, um alternativ an die Einlaßöffnung der Expansionseinrichtung (14) und die zweite Einlaßöffnung anzuschließen, wobei die Abgassammelleitung mit dem Zylinder (34) durch ein Hauptauslaßventil (40) verbunden wird.8. The device according to claim 6, characterized in that the first and second Auslaßventilmittel ( 40 or 48 ) consists of a valve ( 50 ) which is arranged in an exhaust manifold for the piston motor unit ( 16 ) and adapted to alternatively to the Inlet port of the expansion device ( 14 ) and the second inlet port to connect, wherein the exhaust manifold is connected to the cylinder ( 34 ) by a Hauptauslaßventil ( 40 ). 9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Viertakt-Kolbenmotoreinheit (16) ein fremdgezündeter, homogener Lademotor ist.9. Apparatus according to claim 2, characterized in that the four-stroke piston engine unit ( 16 ) is a externally ignited, homogeneous loading motor. 10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mittel zum Minimieren der Abgastempe­ ratur des Auslasses der Expansionseinrichtung (14) ein ladeluftgekühlter Auflader (18) ist, der einen ersten Auslaß zum Liefern eines verdichteten Gas­ ausstoßes mit einer ersten Temperatur und einen zweiten Auslaß zum Liefern eines verdichteten Gas­ ausstoßes mit einer zweiten, höheren Temperatur be­ sitzt, wobei der zweite Auslaß in einer Wärmeaus­ tauschbeziehung mit den Abgasleitungen verbunden ist, wodurch der verdichtete, die zweite Temperatur aufweisende Gasausstoß erwärmt und das Gas in der Abgasleitung abgekühlt wird, und der zweite Auslaß an der zweiten Einlaßöffnung endet. 10. The device according to claim 2, characterized in that the means for minimizing the exhaust gas tempera ture of the outlet of the expansion device ( 14 ) is a charge air cooled supercharger ( 18 ) having a first outlet for delivering a compressed gas discharge at a first temperature and a second outlet for delivering a compressed gas discharge having a second, higher temperature be seated, wherein the second outlet is connected in a heat exchange relationship with the exhaust pipes, whereby the compressed, the second temperature having gas output is heated and the gas is cooled in the exhaust pipe, and the second outlet at the second inlet port ends. 11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Viertakt-Kolbenmotoreinheit (16) aus in Reihe verbundenen kalten und heißen Kolbenein­ heiten (58; 60) besteht.11. The device according to claim 2, characterized in that the four-stroke piston motor unit ( 16 ) consists of series-connected cold and hot Kolbenein units ( 58 , 60 ). 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Motoreinheit (16) zusätzlich aus einer Verbrennungskammer besteht, die getrennt von den kalten und heißen Kolben (58; 60) ist, der Leistungsausgang des heißen Kolbens (60) zum An­ treiben des kalten Kolbens (58) verbunden wird und einen Auflader (18) zum Erzeugen einer Ladungsein­ ganges für die Motoreinheit (16).12. The device according to claim 11, characterized in that the motor unit ( 16 ) additionally consists of a combustion chamber which is separate from the cold and hot pistons ( 58 ; 60 ), the power output of the hot piston ( 60 ) to drive the cold piston ( 58 ) is connected and a supercharger ( 18 ) for generating a charge Ganges for the motor unit ( 16 ). 13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Viertakt-Kolbenmotoreinheit (16) ein Rotationskolbenmotor ist.13. The apparatus according to claim 2, characterized in that the four-stroke piston engine unit ( 16 ) is a rotary piston engine.
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