DE60021568T2

DE60021568T2 - Verfahren zur verbrennung in einer geschlossenen kammer

Info

Publication number: DE60021568T2
Application number: DE60021568T
Authority: DE
Inventors: Kjell Isaksen
Original assignee: Isaksen Kjell Mercer Island; Isaksen Kjell
Current assignee: Nova Ventura As Asgardstrand No
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: TW467994B; EP1185763B1; DE60021568D1; AU5726300A; US6283087B1; EP1185763A1; ATE300663T1; WO2000073628A1

Description

TECHNISCHES SACHGEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf verbesserte Prozesse für eine Verbrennung in Motoren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Motor mit zusammengesetztem Zyklus ist aus dem US-Patent US-A-3,961,483 bekannt. Der Kreiskolbenmotor vom Typ mit Leitschaufel verwendet einen Auslass von einem Mehrfachkammer-Auto-Zyklus-Motor, um einen Motor mit Sterling-Zyklus an derselben Welle zu betreiben.
Mit zunehmenden Ölpreisen und einer größeren Abhängigkeit in Amerika von importiertem Öl führen Motoren mit einer verbesserten Kraftstoffökonomie zu sehr großen Vorteilen. Zusätzlich kann ein sorgfältiges Kontrollieren des Typs und der Menge von Emissionen von einem Motor wichtig sein.
Aufgestellte Belange in Bezug auf eine globale Warnung weisen auf die übermäßige Emission von Luftschadstoffen durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen hin. Kontrollierte Emissionsgase sind derzeit Kohlenmonoxid, und überschüssige Kohlenwasserstoffe, wobei beide durch eine übermäßig angereicherte Verbrennung verursacht werden. Eine Emission von Kohlendioxid kann wesentlich durch Einführen von anderen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen einer unterschiedlichen Wasserstoff-Kohlenstoff-Struktur verringert werden.
Ein wesentlicher Anteil an Kraftstoff kann dann eingespart werden, wenn Motoren mit Zündkerzen-Zündung (SI) so gestaltet werden können, um unter viel magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen ohne einen wesentlichen Verlust in der Motorleistung und eines potenziellen Brennschlusses zu arbeiten. Die thermischen Betriebseffektivitäten von vielen Motoren sind schlecht, und nur ein geringer Fortschritt ist in Bezug auf Verbesserungen in den letzten paar Jahren erzielt worden.
In Motoren mit Otto-Zyklus werden Kraftstoff und Luft außerhalb der Brennkammer gemischt und durch einen elektrischen Zündfunken nach einer Kompression gezündet.
Dies führt zu einem lokalen Kraftstoff-Luft-Gemisch oberhalb der Selbstzündtemperatur, um die Verbrennung zu starten, was dann über eine kleine Änderung in dem Volumen der Brennkammer stattfindet. In einem Diesel-Zyklus wird Luft alleine in der Brennkammer auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau komprimiert. Dies bringt die Lufttemperatur oberhalb der Selbstzündtemperatur, wobei Kraftstoff in die Brennkammer direkt eingespritzt wird und zerstäubt wird, um einen Teil des Verbrennungsvolumens zu durchdringen. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird durch die heiße Luft gezündet und eine Verbrennung findet in der Kammer während einer fortgeführten Kraftstoffeinspritzung und einer Volumenexpansion der Brennkammer statt, was eine Verbrennung mit einem konstanten Druck in einem bestimmten Grad simuliert.
In einem Motor mit Otto-Zyklus durchdringt ein relativ homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch die Brennkammer und wird nahezu vollständig entsprechend dem Kraftstoff-Luft-Gemisch und den lokalen Gemischtemperaturen verbrannt. In einem Motor vom Diesel-Typ wird ein gerichtetes, lokal angereichertes Kraftstoff-Luft-Gemisch durch überschüssige Luft umschlossen, die Wärme von der Kompression der Luft aufnimmt. Es ist deshalb offensichtlich, dass eine Verbrennung in einem Dieselmotor in einem sehr viel magereren Kraftstoff-Luft-Gemisch als bei einer Brennkammer eines Otto-Motors stattfinden kann, wo die Verbrennungsflamme die Brennkammer vollständig durchdringen muss. Das gesamte Kraftstoff-Luft-Gemisch muss innerhalb der Entflammbarkeitsgrenze und oberhalb der Selbstzündtemperatur liegen, um den gesamten Kraftstoff zu verbrauchen. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird zusammen in einem Otto-Motor komprimiert. Es muss deshalb darauf geachtet werden, einen verfrühten Start einer Verbrennung, verursacht durch heiße Stellen oder eine übermäßige Kompressionstemperatur oberhalb des Niveaus der Selbstzündtemperatur, zu verhindern. Dies macht es nahezu unmöglich, einen herkömmlichen Zyklus eines Otto-Motors in einem Betrieb vom adiabatischen oder nahezu adiabatischen Typ zu betreiben, wo die Temperaturflecke der Brennkammerwand selbst Zündniveaus erreichen können.
Das Problem einer frühzeitigen Selbstzündung oder Frühzündung in einem Otto-Motor wird unter Verwendung von Kraftstoffen mit hoher Oktanzahl für eine Verbrennung gelöst. 1 der Technologie-Referenz (Tech. Ref.) 1 stellt Selbstzündtemperaturen für ungesättigte Gemische mit einer niedrigen Oktanzahl JP-4 und einer hohen Oktanzahl AVGAS 115/145 und Luft bei atmosphärischem Druck gegenüber niedrigen Strömungsge schwindigkeiten dar. Für gesättigte Gemische bei stagnierenden oder niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten sind Selbstzündtemperaturen niedriger. Die Figur stellt die Selbstzündtemperaturen für Kraftstoff-Luft-Gemische mit hoher Oktanzahl dahingehend dar, dass sie einige 648,9 Grad Celsius (200 Grad Fahrenheit) höher als solche mit niedriger Oktanzahl sind. Diese Werte sind typisch für Gruppen von ähnlichen Kraftstoffen. Die Figur zeigt auch, dass die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemischs das Fehlen der entsprechenden Oktanzahl kompensieren kann. Zündverzögerungen für einen Kraftstoff mit niedriger Oktanzahl zeigen ungefähr 10 Sekunden bei dem niedrigsten Temperaturniveau ohne eine Strömung. Dies verringert sich auf 0,2 Sekunden bei 648,9 Grad Celsius (1200 Grad Fahrenheit) bei Strömungsgeschwindigkeiten eines Kraftstoff-Luft-Gemischs von ungefähr 5,5 m/sec (18 ft/sec). Eine Verbrennungszeit bei einer Verbrennung unter konstantem Druck ist normalerweise 30 mal länger als die Zündverzögerung, was eine sehr langsame Reaktion mit sich bringt. Die wichtige Erkenntnis hier ist diejenige, dass die Verbrennungsrate im Wesentlichen dann erhöht wird, wenn sie in einer Strömung durchgeführt wird.
Die 2 und 3 in den Darstellungen von Tech. Ref. 2 zeigen die thermische Effektivität eines Motors und die angezeigte Leistung in einem Einzylinder-Motor mit sich hin- und herbewegendem Kolben in einem Betrieb unter einem Otto-Zyklus als Funktionen von Äquivalenzverhältnissen für Methanol- und Benzin-Kraftstoffen. Die 2 und 3 zeigen, dass ein Standardgemisch aus Benzin und Luft nicht über ein Äquivalenzverhältnis von ungefähr 0,8 hinaus zünden und brenne wird, ohne dass eine Turbulenz eingeführt wird. In diesem Fall kann der Eniflammbarkeitsbereich ein Äquivalenzverhältnis von ungefähr 0,7 durch ein verbessertes Gemisch und mit einer Turbulenz verbessern. Methanol wird, allerdings, in dem Standardgemisch zu einem Äquivalenzverhältnis von ungefähr 0,68 und für ein verbessertes Gemisch mit einer Turbulenz zu einem Äquivalenzverhältnis von ungefähr 0,6 zünden und verbrennen. Dabei sind einige Unterschiede zwischen Benzin und Methanol in der Verbrennungsfunktionsweise vorhanden. Gemäß den 2 und 3 ist das stöchiometrische Gemisch in dem dargestellten Motor bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,5 bezogen auf die Masse des Benzins zu finden, während Methanol ein stöchiometrisches Gemisch von 6,5 besitzt. Der Entflammbarkeitsbereich von Benzin ist als 0,6 bis 3,8 in Bezug auf ein Äquivalenzverhältnis und für Methanol als 0,45 bis 4,2 gegeben. Noch wichtiger könnte die Geschwindigkeit der laminaren Flamme sein, die für Benzin als 0,11 m/sec (0,37 ft/sec) und für Methanol mit 0,16 m(sec (0,52 ft/sec) gegeben ist. Die adiabatischen Flammentemperaturen sind ungefähr dieselben und die Wärmen einer Verbrennung liegen in demselben Verhältnis wie die stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnisse.
2 stellt weiterhin dar, dass eine gewisse Verbesserung in der thermischen Effektivität bei Betriebsweisen unter niedrigerem Äquivalenzverhältnis erreichbar ist. Dies erfolgt auf Kosten der angegebenen Leistung, wie anhand von 3 zu sehen ist.
Die 2 und 3 der Darstellungen zeigen eine geringe Verbesserung in der mageren Entflammbarkeitsgrenze in einem Einzylindermotor mit innerer Verbrennung mit sich hin- und herbewegendem Kolben aufgrund einer Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemischs verglichen mit Standardwerten. Die Werte dieser Figuren sind mit Werten verglichen, die für dieselben Kraftstoffe unter Standardbedingungen in chemischen Handbüchern angegeben sind, wie sie in dem Abschnitt zum Hintergrund dieser Unterlagen beschrieben sind. Die Einführung einer Turbulenz und einer Strömung in das Kraftstoff-Luft-Gemisch erweiterte andererseits die niedrigen Entflammbarkeitsgrenzen auf niedrigere Äquivalenzverhältnisse. Das Niveau einer Turbulenz, verfügbar in einem Kolbenmotor, ist sehr beschränkt. Falls ein hoher Grad einer Turbulenz gewollt ist, kann dies nur mit einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden. Eine solche hohe Strömungsgeschwindigkeit kann in einer Verbrennung mit geschlossener Kammer dann durchgeführt werden, wenn sich die Brennkammer unter wesentlichen Geschwindigkeiten relativ zu den Brennkammerbegrenzungen bewegt. Dieser Typ einer Bewegung wurde in einem sehr moderaten Grad in dem Wankelmotor eingeführt, allerdings litt dieser Motor unter einer sehr langsamen Verbrennungswahrscheinlichkeit aufgrund einer niedrigen Zündtemperatur und einer Positionierung der Zündkerze.
In dem Wankelmotor bewegt sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch unter Geschwindigkeiten von bis zu 9,1 m/sec (30 ft/sec) relativ zu dem Stator. In den Brennkammern eines Gasturbinenmotors ist die Strömungsgeschwindigkeit selten mehr als 21,3 m/sec (70 ft/sec).
Informationen und Daten, verwendet in diesen Unterlagen, basieren auf Daten und Darstellungen, die von den angegebenen Technologie-Referenzen (Tech. Ref.) herangezogen sind, um die Technologie-Basis für die Beobachtungen und die Verfahren, die verwendet sind, zu beschreiben und zu substantiieren.
TECHNOLOGIE-REFERENZEN
Die nachfolgenden Technologie-Referenzen, die in dem Text als Tech. Ref. angegeben sind, werden dazu angegeben, um die beschriebene Technologie zu stützen.

1. ASD Technology Report 61–288, „Study of Minimization of Fire and Explosion Hazards in Advanced Flight Vehicles", Lockheed California for Aeronautical Systems Division, Air Force Systems Command, U.S. Air Force, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, under contract AF33(616)-7387, Task No. 60768, 1961.
2. Galopoulos, N.E., "Alternative Fuels for Reciprocating internal Combustion Engines", Volume 62, "Progress in Aeronautics and Astronautics," A Squid Workshop entitled "Alternative Hydrocarbon Fuels, Combustion and Chemical Kinetics, " American Institute of Aeronautics and Astronautics, September 1977.
3. Heywood, J.B., "Pollutants Formation and Control in Spark Ignition Engines", from Progress in Combustion Science, Volume 1. 1976.
4. Brokaw, S., "Thermal Ignition with Particular Reference to High Temperatures", Article from "Selected Combustion, Ignition, Attitude Behavior and Scaling of Aeroengines", Combustion Colloquium Liege, Butterworth Scientific Publications, 1956.
5. Slutsky. S. Tamagno, J. and Fructman, I., "An Analysis of Hydrocarbon-Air Combustion Flames", AIAA Second Propulsion Joint Specialist Conference, Colorado Springs, Colorado, Juni 1317, 1966.
6. Anderson, G.Y. and Vick, A.R., "An Experimental Study of Flames in Supersonic Premixed Flow of Hydrogen and Air", National Aeronautics and Space Administration, 1968.
7. Hall, A.R. and Diederichsen, J., "An Experimental Study of the Burning of Single Drops of Fuel in Air at Pressures up to 20 Atmospheres", Controlled by H.M.B. Stationary Office, London, England.
8. Mizutani, Y. and Nishimoto, T., "Turbulent Flame Velocities in Premixed Sprays – Part I Experimental Study", Combustion Science and Technology, 1972, Volume 6, Seiten 10, Gordon and Breach, Scientific Publications Ltd., U.K..
9. Sautet, J., "Investigation of Atomization in Carburetors," NACA TM No. 518, Juni 1928, as Translated from Zeitschrift der Deutschen Ingenieure, November 3, 1926.
10. Zabetakis, M.G., "Fite and Explosion Hazards at Temperature and Pressure Extremes", A.I.Ch.E. – I.Chem.E. Symposium Series, No. 2, 1965, Institution of Chemical Engineers, London, U.K..
11. Zajac, L.J. and Oppenheim, A.R., "Dynamics of an Explosion Reaction Center", A. I. A. A. Journal, Volume 9, Nummer 4, 1971.
12. Brewster, S. and Kerley, R.V., "Automotive Fuels and Combustion Problems", Society of Automotive Engineers, National West Coast Meeting, Seattle, Washington, August 19–22,1963.
13. Laderman, A.J. and Oppenheim, A.K., "Initial Flame Acceleration in an Explosive Gas", NASA Grant No. NSG(638)-166, 1961.
14. Kuchta, J.M. and Cato, R.J., "Hot Gas Ignition Temperatures of Hydrocarbon Fuel Vapor-Air Mixtures", Report on Investigation 6857, Bureau of Mines, US Department of the Interior, 1966.
15. Kuchta. J.M., Labiris and Zabetakis, M.G., "Flammability of Autoignition of Hydrocarbon Fuels under Static and Dynamic Conditions", Report on Investigation 5992, Bureau of Mines, US Department of the Interior, 1962.
16. O'Neil, C., Jr., "Effects of Pressure on Spontaneous Ignition Temperature of Liquid Fuels", NACA TN 3829, National Advisory Committee for Acronautics, Lewis Flight Propulsion Laboratory, Ohio, 1956.
17. Grobman, J., Anderson, D.N., Diehl, L.A. and Niedzwiecki, R. W.- "Aeronautical Propulsion Proceedings," NASA SP-381, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio, 1975.
18. Fem, A. and Agnone, A., "NO Formation by Hydrogen Buming Engines", New York University, NYU-AA-09 supported by NASA under Contract NGR-33-016-131.

Der Motor, beschrieben in dem angegebenen US-Patent Nr. 3,762,844 (das '844 Patent) wird entwickelt, seit dem dieses Patent zuerkannt wurde. Diese Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in dem Prozess und dem Verfahren einer Verbrennung eines Motors des Typs, der in dem '844 Patent beschrieben ist.
Als eine erste Basis, um beim Verständnis der Verfahren, die in diesen Unterlagen beschrieben sind, zu unterstützen, ist eine große Anzahl von Technologie-Referenzen zitiert. Darstellungen aus vielen dieser Quellen werden dazu verwendet, die Realisierbarkeit der Verfahren zu beschreiben. Die Erfindung ist auf die neuartige Kombination von Struk turen und Verfahren, eingesetzt beim Erreichen der angegebenen Ziele, gerichtet, allerdings wird ein bestimmter, allgemeiner Hintergrund zuerst beschrieben.
CHEMIE EINER VERBRENNUNG
Ein Kraftstoff, der historisch immer verwendet wurde, ist Kohle. Die chemische Reaktion von Kohle in einem Verbrennungsvorgang von freien Kohlenstoffen ist wie folgt: 1 kg C + 2,67 kg O2 = 3,67 kg CO2 + 7.777,8 kWh/kg
Kohle ist in der Natur in vielen Formen verfügbar, die auch andere Chemikalien enthalten können, die nicht in dem Verbrennungsvorgang per se partizipieren, allerdings dazu geeignet sind, die Atmosphäre zu belasten. Eine von diesen ist Schwefel, das sauren Regen und eine Zerstörung der Wälder verursacht. Eine große Menge von teilchenförmigem Material wird abgegeben. Die Wärme, die von einer Kohleverbrennung freigesetzt wird, ist moderat.
Es ist deutlich zu sehen, dass für jedes Kilogramm von freiem Kohlenstoff, das verbrannt ist, 3,67 kg an Kohlendioxid abgegeben wird.
Ein anderer Kraftstoff ist Wasserstoff, der nicht ein Feststoff oder eine Flüssigkeit, sondern ein Gas, bei normalen Temperaturen und Drücken, ist. Wasserstoff in einer Verbrennung mit Sauerstoff reagiert wie folgt: 1 kg H2 + 8 kg O2 = 9 kg H2O + 34.444,5 kWh/kg
Da Wasserstoff nur Wasser abgibt, muss es als der ultimative Typ von sauberem Kraftstoff angesehen werden. Die Verfügbarkeit und die Verteilung von Wasserstoffgas ist allerdings nicht so fortgeschritten vorhanden wie diejenige von Benzin.
Der meiste übliche Kraftstoff, der für einen Fahrzeugbetrieb in Benutzung ist, ist Oktan, das in einer Verbrennung mit Sauerstoff in der folgenden Art und Weise reagiert: C8H18 + 12,5 O2 = 8 CO2 + 9 N2O + 10.642,2 kWh/kg
Dabei ist eine kleine Zunahme in der Masse während der Verbrennung vorhanden. Diese variiert entsprechend dazu, wie der Kraftstoff reagiert, allerdings kann dies ansonsten in Atomgewichten wie folgt ausbalanciert werden: [8(6)+(18)] + [12,5[(6) + (32)] = 8[(6) + (32)] + 9[(2) + (16)] oder 1 kg C8H18 + 6,06 kg O2 = 4,61 kg CO2 + 2,45 kg H2O + 10.642,2 kWh/kg
Es ist hier zu sehen, dass ein kg Oktan 4,61 kg Kohlendioxid erzeugen wird. Verglichen mit Kohle, die 3,67 kg Kohlendioxid pro kg, die verbrannt ist, erzeugte, ist dies keine Verbesserung. Da der Heizwert von Oktan höher als derjenige für Kohlenstoff ist, wird Oktan weniger Kohlendioxid pro Leistungseinheit, die erzeugt ist, erzeugen, oder: CO2 = (4,61/3,67)(7.777,8/10.642,2) CO2 = 0,918 mal desjenigen von Kohle.
Die meisten Motorfahrzeuge werden derzeit durch Verdränger-Motoren mit innerer Verbrennung mit Zündkerzenzündung (SI) vom Otto-Typ, betrieben mit Benzin, das sehr nahe zu Oktan ist, angetrieben. Die großen Zahlen im Betrieb an vielen Orten tragen übermäßig zu der Belastung der Atmosphäre an Kohlendioxid bei. Andere Belastungsstoffe von einer Verbrennung sind Kohlenmonoxid und unverbrannte Dämpfe von Benzin, entweder aus einer Volumenverdrängung oder aus einem Fehlen von Sauerstoff in dem Verbrennungsvorgang.
Ein Emissionstest, der bei einem Gasturbinenmotor mit 480 kW durchgeführt wurde, betrieben mit JP-1 Gas-Turbinenkraftstoff, zeigte die folgenden Ergebnisse:
Tabelle 1
Es ist hier zu sehen, dass, wenn 1 kg von JP-1 verbrannt wird, 3,150 kg von Kohlendioxid mit dem Abgas emittiert wird. Falls diese Gasturbine bei einem vollen Leistungsniveau für ein Jahr betrieben wird, würde der Motor etwa 4.778,6 Tonnen (metrische Tonnen) an Kohlendioxid emittieren. Falls eine große Zahl von ähnlichen Motoren in demselben Gebiet betrieben werden, könnten sie zusammen ernsthaft die Zusammensetzung der Atmosphäre lokal ändern. Es ist deshalb wesentlich, Mittel anzugeben und einzuführen, die eine Emission von Kohlendioxid pro Leistungseinheit, die erzeugt ist, verringern, ökonomische Mittel einer Leistungserzeugung zu entwickeln und bessere, alternative Kraftstoffe, oder beides, zu entwickeln.
Natürliches Gas, abgegeben von Öl- oder Gasbohrlöchern während eines Bohrens oder Pumpens von Öl, besitzt die folgende Zusammensetzung: Tabelle 2

Gas-Typ Anteil

Methan 72,3%

Ethan 14,4

Stickstoff 12,8

Kohlendioxid 0,5
Natürliches Gas ist sehr reichlich in Zuführleitungen während eines Pumpens der Öl- und Gasbohrlöcher vorhanden und wird oftmals abgefackelt oder zurück in das Bohrloch gepumpt, wobei es darüber hinaus für viele Heizanwendungen verwendet wird. Die Verbrennungsreaktion von Methan und Sauerstoff aus Luft ist: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 12.324,5 kWh/kgoder in Atom-Gewicht: [(6) + 4(1)] + t2(32)] = [(6) + + (32)] + 2[(2) + (16)] [10] + [64] = [38] + [36]
Dies bedeutet, dass für jedes kg an Methan, das verbrannt ist, 3,8 kg an Kohlendioxid abgegeben wird. Dies ist etwas besser als bei der Verwendung von Benzin, das 4,61 kg Kohlendioxid pro kg Kraftstoff abgibt. Verglichen mit Benzin besitzt Methan einen 15,2% höheren Heizwert, und es wird deshalb weniger Kraftstoff verbrauchen, um dieselbe Leistung zu erzeugen, falls die Verbrennung korrekt durchgeführt wird. Dieser Betrag an Kohlendioxid, der auf der gleichen Leistungsbasis emittiert ist, ist deshalb: CO2 = (38/10)(10.642,2/12.324,5) = 3,28 kg CO2/kg Kraftstoffoder eine Reduktion einer Emission von CO₂ verglichen mit Benzin um etwa 29 Prozent.
Methanol wird auch als ein alternativer Kraftstoff in Fahrzeuganwendungen verwendet, allerdings ist Methanol teuer und der Heizwert ist geringer als die Hälfte desjenigen von Benzin. Methanol ist sehr korrosiv, ist allerdings noch ein brauchbarer Kraftstoff in dieser Studie. Die Verbrennungsreaktion von Methanol mit Sauerstoff ist: CH3OH + 1,5 O2 + 5,65 N2 = CO2 + 2H2O + 5,65 N2 + 4.928,7 kWh/kgoder in Atom-Gewicht: [(6) + (3) + (16) + (1)] + 1,5[(32)] = [(6) + (32)] + 2[(2) + (16)] [26] + [24] = [38] + [36]
Es ist zu sehen, dass Stickstoff nicht an der Verbrennungsreaktion teilnimmt und dass die Menge an Kohlendioxid auf einer gleichen Leistungsbasis mit Benzin ist: CO2 = (38/26)(10.642,2/4.928,7) = 3,155 kg/kg Kraftstoffwas ungefähr 31 % besser als Benzin ist und etwa dasselbe wie Düsentreibstoff ist.
Dabei sind andere Alkohole und Kraftstoffe für eine Motorbenutzung verfügbar, die mit Methan und Benzin auf einer gleichen Leistungsabgabebasis verglichen werden könnten. So ist, während Methanol gut aus einem Gesichtspunkt einer Gewichtskonversion einer Emission von Kohlendioxid ist, die Situation weniger favorisierbar auf einer gleichen Leistungsbasis, was eine andere Hauptbasis für einen Vergleich ist.
Normale Luft ist aus den folgenden Gasen, bezogen auf das Gewicht, zusammengesetzt: Tabelle 3

Komponenten Anteil

Stickstoff 75,54%

Sauerstoff 23,14

Argon 1,27

Kohlendioxid 0,05

Neon 0,0012
Um ein gewisses Verständnis darüber zu erhalten, wie wir die Atmosphäre mit Kohlendioxid belasten, wurde berichtet, dass 1986 der US-Verbrauch an Rohöl betrug: Tabelle 4

Öl-Benutzung Millionen Barrel

Fahrzeuge und leichte LKWs 2.360

schwere LKWs 540

zivile Flugzeuge 310

industrielle Prozesswärme 772

Raum- und Wasserbeheizung 1.485
Ein Barrel an Rohöl entspricht 1,1924 × 10^–1 m³, und dessen spezifisches Gewicht beträgt ungefähr 0,9 Tonnen/m³. Die Weltproduktion betrug 1993 67 Millionen Barrel pro Tag und erhöht sich um 2,3 % pro Jahr. Ohne ernsthafte Innovationen wird es unmöglich sein, die Konzentration an Kohlendioxid in der Atmosphäre zu verringern. Zusätzlich wurden 809,4 Millionen metrische Tonnen (892,2 Millionen kleine Tonnen (short tons)), (10,7 × 10^–6 m³) an Kohle verbraucht und 2,28 Quadrillionen kJ (2,16 Quadrillionen Btu) wurden an natürlichem Gas verbraucht. Dies erfordert deshalb eine sehr nachsichtige Atmosphäre, um das durch die Bevölkerung erzeugte Kohlendioxid zu absorbieren, ohne sie auf toxischen Niveaus zu belasten. Die gesamten Kohlenwasserstoff-Verbrennungsreaktionen erzeugen Kohlendioxid.
Diese Patentbeschreibung diskutiert, wie Energie unter einem wesentlich niedrigeren, spezifischen Kraftstoffverbrauch zu erzeugen ist und wie dadurch die Menge an Kohlendioxid und anderen Belastungsstoffe, die in die Atmosphäre abgegeben werden, reduziert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Basis dieser Patentbeschreibung ist die Entdeckung und die Anwendung einer neuen und nützlichen Art und Weise, um einen Hochgeschwindigkeitsprozessvorgang in einem geschlossenen Verbrennungsvorgang und durch Weiterbilden des Stands der Technik durchzuführen. Die Verfahren, beschrieben in dieser Beschreibung, befassen sich mit Verbrennungsdynamiken, die entwickelt sind, um spezifische Betriebserfordernisse gegenüber und über den Stand der Technik in der Motortechnologie hinaus zu erfüllen. Die Nützlichkeit der beschriebenen Verfahren wird in dem Rest dieser Beschreibung ersichtlicher werden. Das neue Verfahren einer geschlossenen Verbrennung bzw. einer Verbrennung mit geschlossenem Behälter, offenbart in dieser Beschreibung, ist mit dem Wärmemotor kompatibel, der in dem US-Patent Nr. 3,762,844 beschrieben ist. Der vollständige, erfindungsgemäße Ablaufweg des neuen Prozesses ist in dieser Offenbarung enthalten.
Das offenbarte, fortschrittliche Verfahren einer Verbrennung und dessen Ablauf können einige oder alle der nachfolgenden Aufgaben erreichen:
einen sehr schnellen Typ eines geschlossenen Verdränger-Verbrennungsmotors mit sehr schnellen Prozessoperationen sicherzustellen;
eine Verbrennung unter sehr niedrigen Äquivalenzverhältnissen sicherzustellen, um Volllast- und Teillastbetriebe eines Motors zu verbessern und die Emission von Schadstoffen zu verringern;
sicherzustellen, dass ein nahezu adiabatischer Motorbetrieb mit Kraftstoff und Luft, gemischt außerhalb des Motors, erreicht werden kann;
sicherzustellen, dass ein nahezu adiabatischer Betrieb nicht zu einer übermäßigen Emission von Oxiden von Stickstoff führen wird;
einen Mehrfach-Kraftstoffbetrieb unabhängig der Oktanwerte des Kraftstoffs sicherzustellen;
das Potenzial einer Motorleistungsfunktionserhöhung und einer Abgastemperaturverringerung durch Ausnutzen einer überschüssigen Abgaswärme und eines -drucks zu untersuchen;
alternative Konfigurationen für eine Motordrehmoment- und Leistungserhöhung aufzudecken;
den spezifischen Kraftstoffverbrauch und dadurch die Emission von Kohlendioxid wesentlich zu verringern; und/oder
die Effekte von alternativen Kraftstoffen in Bezug auf die Emission von Kohlendioxid zu studieren. Dabei ist eine Magergrenze in der Festigkeit eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischs vorhanden, über das hinaus Kraftstoff-Luft-Gemische nicht zünden und verbrennen werden. Die Grenze einer Mager-Flammfähigkeit ist in einer Energieumwandlung sowohl unter ökonomischen als auch umweltmäßigen Betrachtungen wichtig. Eine Aufgabe dieser Offenbarung ist es, zu zeigen, wie eine magere Flammbildungsfähigkeitsgrenze zu mageren Werten hin in einigen geschlossenen Verdränger-Verbrennungsmotoren oder solchen mit positiver Verschiebung bewegt werden kann und eine hohe Rate einer Wärmefreisetzung und den Vorteilen, die damit erzielt werden können, beibehalten werden kann.
In den verbesserten Versionen und dem Prozess dieser Erfindung, die in dem Motor, beschrieben in dem US-Patent Nr. 3,762,844, verwendet werden können, erreicht das Verbrennungsgemisch Geschwindigkeiten bis zu 280 m/sec der experimentellen Daten, die zeigen, dass eine Verbrennung bei noch höheren Strömungsgeschwindigkeiten in homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischen unter Atmosphärendruck durchgeführt werden kann, wenn eine Turbulenz durch einen bestimmten Flammenhalter erzeugt wird, um zu verhindern, dass die Flamme ausgeblasen wird, und zwar entsprechend der Erfindung.
Die Einführung einer Strömung in den Verbrennungsprozess bedeutet, dass der Prozess bzw. Vorgang intensiviert wird und mehr Wärmeenergie in einem kürzeren Zeitintervall freisetzen wird. Dies bedeutet, dass die Druck- und Temperatur-Peaks in der Verbrennung stärker zusammengesetzt werden und höhere Werte erreichen und besser zu der Position des vorteilhaftesten Zeitpunkts hin gerichtet werden können. Dies bedeutet auch, dass viel mehr Energie in einer Verbrennung mit magerem Gemisch als in einem angereicherten Gemisch eines besten Leistungs-Kraftstoff-Luft-Verhältnisses entwickelt werden kann.
Die Verbrennung unter hoher Geschwindigkeit ist stark von der Verfügbarkeit eines Wirbels oder eines Flammenhalters in der gemischten Strömung abhängig, um zu verhindern, dass die schnelle Verbrennungsflamme ausgeblasen wird. Eine Verbrennung durch einen kleinen Kanal wird auch einer Wärmeeinschnürung und eines Verlusts der Verbrennungs-Mach-Zahl unterworfen, was in diesen Unterlagen beschrieben ist.
Der Betrieb eines schnell laufenden Motors, in dem eine Kompression und Verbrennung in einer sehr kurzen Zeitspanne stattfindet, bringt auch verschiedene andere Vorteile mit sich. Diese umfassen eine nahezu adiabatische Betriebsfähigkeit mit einem extern zubereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisch, eine Mehrfach-Kraftstoff-Verbrennungsfähigkeit mit Kraftstoffen mit hoher oder niedriger Oktanzahl, eine verringerte Emission von Oxiden von Stickstoff und eine extrem gute Motorleistung und eine kleine Aufbaugröße.
Diese umfassen auch extern gemischte Luft und Kraftstoff, welche Oktanwerte auch immer verwendet werden. Dies wird mittels einer sorgfältigen Beeinflussung der Leckageraten der Brennkammer und von Zündverzögerungen erreicht, um die beabsichtigten Aufgaben zu lösen.
Ein adiabatischer Betrieb bedeutet, dass mehr Wärme zur Umwandlung in Leistung in dem Motor verfügbar ist, bedeutet allerdings auch, dass mehr Wärme über das Abgas verloren geht. Um diesen zusätzlichen Abgasverlust mit dem dazu zugeordneten hohen Geräuschpegel zu kompensieren, kann mehr Wärme extrahiert werden und das Rauschen kann mittels einer Abgasturbine oder eines Expanders verringert werden, bis das Abgas außerhalb des Drucks herausläuft. Eine weitere Zurückgewinnung kann in einem Wärmeaustauscher oder anderen Typen von Verbundanordnungen vorgenommen werden.
Der Effekt einer erhöhten Verbrennungstemperatur in einem nahezu adiabatischen Vorgang in Bezug auf die Bildung von Oxiden aus Stickstoff in den beschriebenen Motoren ist stärker als der Versatz durch die sehr kurze Verweilzeit bei den hohen Gastemperaturen aufgrund des sehr schnellen Prozessbetriebs.
Die gesamten Ergebnisse eines Anwendens der offenbarten Verfahren können die Entwicklung von Wärmemotoren mit extrem hohen Leistungs/Gewichts-Verhältnissen, einem extrem guten, spezifischen Kraftstoffverbrauch, einem extrem hohen Leistungs/Luft-Verhältnis, extrem hohen Leistungsabgaben, extrem niedrigen Niveaus einer Emission von Luftschadstoffen und von extrem einfachen, obwohl fortschrittlichen, mechanischen Designs umfassen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgenden Zeichnungen und Erläuterungen werden dazu angegeben, diese Beschreibung zu unterstützen, um die technologischen Grundprinzipien und die mechanischen Ausführungsformen, die beim Erreichen der beabsichtigten Verbrennungs- und Leistungsfunktionen des offenbarten Typs von Verdränger-Verbrennungsmotoren umfasst sind, zu beschreiben.
1 stellt Selbstzündtemperaturen und Zündverzögerungen von AVGAS 115/145 mit hoher Oktanzahl und JP-4 von ungesättigten Dampf-Luft-Gemischen gegenüber einer Strömungsgeschwindigkeit mit niedriger Oktanzahl bei einem Atmosphärendruck in einem erwärmten Strömungskanal dar. Tech. Ref. 1.
2 gibt die angegebene, thermische Effektivität eines Einzylinder-Motors mit sich hin- und herbewegendem Kolben gegenüber eines Äquivalenzverhältnisses im Betrieb mit Methanol- und Benzinkraftstoffen an. Tech. Ref. 2.
3 stellt die angegebene Leistung eines Einzylinder-Motors mit sich hin- und herbewgendem Kolben gegenüber einem Äguivalenzverhältnis im Betrieb mit Methanol- und Benzinkraftstoffen dar. Tech. Ref.2.
4 stellt Variationen von HC, CO und NO Konzentrationen eines herkömmlichen SI-Motors mit sich hin- und herbewegendem Kolben mit einem Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis dar. Tech. Ref. 4.
5 stellt den Effekt eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in Bezug auf eine Auslassventil-Drosseltemperatur bei vier konstanten IMEP Niveaus dar.
6 stellt einen Vergleich von Zündverzögerungen und Verbrennungszeiten gegenüber einer Gastemperatur für Kerosin mit niedriger Oktanzahl und IsoOktan oder Benzin mit hoher Oktanzahl dar. Tech. Ref. 4.
7 stellt ein Histogramm einer Methan-Luft-Zündverzögerung und einer Verbrennungszeit in einer Überschallströmung dar. Tech. Ref. 5.
8 stellt Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten gegenüber einem Äquivalenzverhältnis für verschiedene gasförmige Kraftstoffe bei einer Gemischströmungsgeschwindigkeit von Mach-Zahl 1,5 dar. Tech. Refs. 5 und 6.
9 stellt den Effekt einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in Bezug auf eine Zündverzögerung und eine Verbrennungszeit gegenüber einer Temperatur von Methan-Luft in einem angereicherten Gemisch dar. Tech. Refs. 5 und 6.
10 stellt eine typische Ausblasgrenze einer Brennkammer eines Gasturbinenmotors, ausgedrückt als ein Äquivalenzverhältnis gegenüber einem Korrelationsfaktor PT/V, dar.
11 stellt einen statischen Kompressionsdruck gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit an kalten und warmen Tagen für den beschriebenen Verdrängermotor dar.
12 stellt eine statische Kompressionstemperatur gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit an kalten und warmen Tagen gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit desselben Verdrängermotors dar.
13 stellt die inneren Strömungsgeschwindigkeiten über die Stator-Wand an zwei Stellen gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit dar.
14 stellt die individuellen und kombinierten Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktoren, verursacht durch Temperatur, Druck und Gemischgeschwindigkeit, berechnet für den beschriebenen Basismotor, dar.
15 stellt eine Kombination von Daten aus 1 und aus 7 der Kraftstoff-Luft-Selbstzündtemperaturdaten gegenüber einer Gemischgeschwindigkeit in logarithmischen Maßstäben dar, Gemisch-Zündverzögerungs-Werte bis zu 435 m/sec einer relativen Geschwindigkeit angebend.
16 stellt ein Histogramm eines Drucks, erzeugt durch Zündung von 9,6 Volumen-% von Methan-Luft in einem 0,02976 m² Zylinder (experimentell und theoretisch), dar.
17 stellt einen Brennkammer-Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktor gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit dar, den beschriebenen Verdrängermotor an warmen und kalten Tagen und bei einer Belastung von 25% an einem kalten Tag mit einem herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben, der unter denselben Prozessgeschwindigkeiten und unter demselben Leckagefaktor in einem angereicherten Gemisch arbeitet, vergleichend.
18 stellt verfügbare Verbrennungszeiten gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit für die beschriebenen, sich bewegenden Brennkammern für drei unterschiedliche Zündpunkte dar.
19 stellt Zündtemperaturerfordernisse gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit für den normalen Zündpunkt entsprechend 17 dar.
20 stellt Variationen eines Heißgas-Temperaturerfordernisses gegenüber der Hin- und Herbewegung des Heißluft-Strahldurchmessers für eine Zündung von verschiedenen Kohlenwasserstoff-Dampf-Luft-Gemischen dar. Tech. Ref. 14.
21 stellt eine Verbrennungstemperatur gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit in dem beschriebenen Verdrängungsmotor in einem adiabatischen Betrieb und in einem Betrieb mit den Verbrennungswänden auf 350 Grad Fahrenheit abgekühlt dar.
22 stellt den Verbrennungsdruck gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit in dem beschriebenen Verdrängungsmotor in einem adiabatischen Betrieb und in einem Betrieb mit den Verbrennungswänden auf 350 Grad Fahrenheit abgekühlt dar.
23 stellt eine Zündverzögerung gegenüber einer Temperatur von verschiedenen Druckniveaus für ein JP-6 Kraftstoff-Luft-Gemisch mit niedriger Oktanzahl mit Kompressionsgas und Temperaturen des ungekühlten Rotors darin angegeben, dar. Tech. Ref. 15.
24 stellt den Effekt eines Drucks in Bezug auf die Zündtemperatur eines Iso-Oktan, JP-4 oder Jet A, und JP-5 in stagnierenden Kraft-Stoff-Luftgemischen dar. Tech. Ref. 16.
25 stellt einen NO_x Emissions-Index gegenüber einer Flammentemperatur bei einem Gleichgewicht dar. Tech. Ref. 17.
26 stellt einen NO_x Emissions-Index gegenüber einer Verweilzeit für eine 5 festgelegte Gleichgewichtskonzentration dar. Tech. Ref. 18.
27 stellt die thermodynamischen Zyklustemperaturen gegenüber einer Rotorbewegung für eine Bank aus Brennkammern bei 6000 U/min für den Motor eines Grunddesign-Konzeptes dar.
28 stellt in einer halbtransparenten Ansicht der Viertakt-Ausführungsform des Leistungsabschnitts des Motors, der in dem US-Patent Nr. 3,762,844 beschrieben ist, dar.
29 stellt eine halbtransparente Ansicht einer neuen Zweitaktversion des Leistungsabschnitts eines Motors einer ähnlichen Ausführungsform zu dem Motor, der in 28 gezeigt ist, dar.
30A–D stellen eine Anordnung eines modifizierten Viertaktzyklus für den Motor, dargestellt in 28, dar.
31 stellt eine Abschätzung der Leistungsfunktionspotenziale eines normal mit Luft versorgten Motors, dargestellt in 28, und in einer Verbundversion mit Leistungsrückgewinnung der Anordnungen, die in 28 und 34 dargestellt sind, dar.
32 stellt einen abgeschätzten, bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch (brake specific fuel consumption – BSFC) gegenüber einer Motorleistung für GE CT7, Lycoming AGT-1500, Thunder, den Motor des Grunddesign-Konzeptes der 28 und den Grundmotor in turbo-aufgeladenen und Leistungszurückgewinnungskonfigurationen, 28 und 35, dar.
33 zeigt eine schematische Darstellung des Leistungsabschnitts des Motors in 28 in einer mit Turbo aufgeladenen Version.
34 stellt eine schematische Darstellung des Leistungsabschnitts der 28 in einer Verbundversion und mit einem Untersetzungsgetriebe, verbunden mit der Antriebswelle, dar.
35 zeigt eine schematische Darstellung des Leistungsabschnitts der 28 in einer verbunden Anordnung mit einem Expander und einem Kompressor, antriebsmäßig verbunden mit einer Antriebswelle.
36 zeigt eine schematische Ansicht des Zweitakt-Leistungsabschnitts der 29 in einer zusammengesetzten Version mit zwei Expandern, antriebsmäßig verbunden mit der Motorwelle.
37 stellt eine schematische Ansicht des Zweitakt-Leistungsabschnitts der 29 in einer aufgeladenen Version mit zwei Expandern und zwei Kompressoren dar.
38 zeigt eine schematische Ansicht des Zweitakt-Leistungsabschnitts der 29 in einer zusammengesetzten Version mit zwei Expandern und zwei Kompressoren, antriebsmäßig verbunden mit der Antriebswelle.
39 stellt eine Explosionsansicht des Motors der 28 dar.
40 zeigt eine schematische, isometrische Ansicht, die die Beziehung zwischen dem Rotor, Rotorschaufein und den sinusförmigen Statorflächen des Motors der 28 darstellt.
41 zeigt eine isometrische Ansicht der Komponenten des Motors der 28, die deutlicher die sinusförmigen Statorflächen darstellt.
42 zeigt einen Vergleich der Funktions-Charakteristika in Bezug auf Bremsleistungen eines Motors, betrieben gemäß dem offenbarten Verfahren, und zwei anderer Motoren.
43 stellt einen Vergleich der Funktions-Charakteristika in Bezug auf Drehmoment-Pound-Fuß eines Motors, betrieben gemäß dem offenbarten Verfahren, und von zwei anderen Motoren, dar.
BESCHREIBUNG DER TECHNOLOGIE
Keine Verbrennung wird in einem Kraftstoff-Luft-Gemisch entstehen, bis die Bedingungen für eine Verbrennung erfüllt worden sind. Eine Zündung für eine Verbrennung kann durch eine heiße Oberfläche, eine offene Flamme oder einen heißen Gasstrahl, durch einen elektrischen Zündfunken, oder sogar durch eine Druckwelle, induziert werden, wenn die Zündtemperatur erreicht wird. Falls die Zündtemperatur niedrig ist, kann die Zündung verzögert werden und die nachfolgende Verbrennung kann sich verlangsamen. Unterschiedliche Kraftstoffe in brennbaren Gemischen besitzen unterschiedliche Selbstzünd- oder spontane Zündtemperaturen, A.I.T. (Autoignition or Spontaneous Ignition Temperatures). Diese können innerhalb des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses oder der Kraftstoff-Sauerstoff-Stärke, den Druck- und Gas-Temperaturniveaus und schließlich der Geschwindigkeit des Gemischs, was auch das Turbulenzniveau umfasst, variieren.
1 von Tech. Ref. 1 stellt Autozündtemperaturen gegenüber einer Gemisch-Geschwindigkeit für ein nicht gesättigtes Gemisch mit einer niedrigen Oktanzahl JP-4 und einer hohen Oktanzahl AVGAS 115/145 dar. Zündverzögerungswerte in Sekunden sind entlang der JP-4 Dampf-Luft-Kurve dargestellt. Die Figur zeigt deutlich, dass die Differenz in Autozünd- bzw. Selbstzündtemperaturen der zwei Kraftstoffe leicht durch die Einführung einer Strömung in das Gemisch kompensiert werden kann. Dies verkürzt auch die Zündverzögerung und damit verbunden die Verbrennungszeit.
Für einen Einzylinder-Verbrennungsmotor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben ist anhand der 2 und 3 von Tech. Ref. 2 zu sehen, dass die magere Entflammbarkeitsgrenze im Hinblick auf ein Äquivalenzverhältnis auch durch das Turbulenzniveau des Kraftstoff-Luft-Gemischs beeinflusst wird. Gerade deshalb sind die dargestellten, normalen Mager-Gemisch-Äquivalenzverhältnisgrenzen nur mit den Basiswerten vergleichbar, die für dasselbe Kraftstoff-Luft-Gemisch unter Ruhe in chemischen Büchern berechnet bzw. angegeben ist.
Einige Motoren, wie beispielsweise Dieselmotoren und Gasturbinen, können unter sehr niedrigen Äquivalenzverhältnissen arbeiten. In Dieselmotoren wird Kraftstoff in Luft, komprimiert auf Temperaturen über Selbstzündniveaus hinaus, eingespritzt. Wenn der Kraftstoff zerstäubt wird, wird er einen geschichteten, angereicherten Bereich des Kraftstoff Luft-Gemischs oxidieren, der später in ein insgesamt sehr mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch hinein verdünnt werden wird. In einer Gasturbine kann Kraftstoff unter angereicherten Kraftstoff-Luft-Verhältnissen in dem Verbrennerabschnitt der Brennkammer oxidiert werden. Kühlende Luft wird dann eingeführt, um die Produkte einer Verbrennung auf Verbrennungsgastemperaturniveaus zu verdünnen, die für Turbineneinlass-Führungsschaufeln akzeptabel sind.
4 von Tech. Ref. 3 stellt dar, wie verschiedene Produkte einer Verbrennung, abgegeben von einem Verbrennungsmotor vom Kolben-Typ, mit dem Äquivalenzverhältnis variieren. Ein Betrieb in einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch verursacht, dass niedrigere Niveaus der dargestellten Schadstoffe emittiert werden. Diese Kurven werden sich verbessern, wenn die Entflammbarkeitsgrenzen des mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs zu noch mageren Werten hin bewegt werden.
5 von Tech. Ref. 12 stellt die Auslassdrosselventiltemperatur für einen Verbrennungsmotor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben bei vier konstanten, angezeigten, durchschnittlichen, effektiven Druckniveaus (IMEP) dar. Es wird nur die 180 IMEP Linie als ein Startpunkt ausgewählt und das angereicherte Gemisch des Kraftstoff Luft-Verhältnisses von 0,0782 auf der IMEP Linie markiert. Falls die Verbrennungsgeschwindigkeit beibehalten werden kann, wird dort ein anderer Punkt bei einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von ungefähr 0,054 vorhanden sein, das dieselbe Freisetzung von Wär meenergie besitzt. Dies ist sehr nahe bei der oder über der Entflammbarkeitsgrenze für Motoren mit sich hin- und herbewegbaren Kolben. Da die Verbrennungsgeschwindigkeit in diesem Bereich normalerweise langsam ist, wird viel weniger Energie erzeugt werden. Die Aufgabe ist diejenige, die beste Energieverbrennungsgeschwindigkeit, oder besser, wieder einsetzen zu lassen, um dieselbe Energie für diese Punkte in sowohl angereicherten als auch mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen zu extrahieren.
Das Problem ist dasjenige, wie ein vorgemischtes, homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer geschlossenen Brennkammer gebildet werden kann, um unter Äquivalenzverhältnissen magerer als die normale, magere Entflammbarkeitsgrenze zu verbrennen, um die Vorteile zu erreichen, die ein solcher Vorgang mit sich bringt. Eine Verbrennung mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch ist für einen verringerten Kraftstoffverbrauch und eine niedrigere Emission von Luftschadstoffen bevorzugt. Der wichtigste Schadstoff, der in großem Umfang durch die meisten Verbrennungsreaktionen emittiert wird, ist Kohlendioxid, das entsprechend der molekularen Struktur des Kraftstoffs, der verwendet ist, emittiert wird, und in Mengen, die meistens die Menge des Kraftstoffs, der in dem Motor verwendet wird, übersteigen.
6 von Tech. Ref. 4 stellt die Beziehung zwischen einer Zündverzögerung und einer Verbrennungszeit gegenüber Gemisch- und Zündtemperaturen für angereicherte Gemische von Kerosin mit niedriger Oktanzahl und Benzin mit hoher Oktanzahl nahe oder bei Ruhe dar. Es wird herkömmlich akzeptiert, dass es 30-mal länger benötigt, um eine Verbrennung abzuschließen, als es benötigt, ein Gemisch in einer Verbrennung unter konstantem Druck zu zünden. Diese Figur zeigt deutlich, dass, wenn sich die Zündtemperatur erhöht, die Zündverzögerungen und die Verbrennungszeiten kürzer werden.
Tech. Ref. 4 sagt auch, dass eine Druckerhöhung in dem niedrigeren Druckbereich die Zündverzögerung mit einer Potenz von –0,86 (power of –0,86) des Druckverhältnisses beeinflusst. Eine unveröffentlichte Quelle sagt, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit mit dem Druckverhältnis zu einer Potenz von –1,0 in dem höheren Druckbereich variiert. Tech. Ref. 7 zeigt, dass für Kerosin der Exponent von –1,0 akzeptierbar sein kann, während deren Experimente vermitteln, dass ein Exponent von –0,69 gewöhnlich in Ordnung sein kann. Entsprechend zu Tech. Ref. 4 könnte der Exponent des Druckverhältnisses von –0,5 bis –1,5 in Abhängigkeit von dem Typ des Kraftstoffs, der eingesetzt ist, variieren. Einige Differenzen können aufgrund von Ungenauigkeiten in den experimentellen Daten folgen.
Tech. Ref. 8 suchte nach einem Verfahren zum Vorhersagen einer Grundflammengeschwindigkeit und kam zu der folgenden Beziehung: ST = K/d(φ –0,012)(u)1,15 [m/sec]wobei

S_T: = Geschwindigkeit der turbulenten Flamme [m/sec]
K: = konstant (6800 für Kerosin-Spray, 4300 für leichten Diesel)
d: = Sauter-Durchschnitts-Durchmesser [Mikron]
φ: = Kraftstoff-Luft-Verhältnis [g/g]
u': – Turbulenzintensität von einer sich annähernden Strömung [m/sec]

Die Autoren beanspruchen eine Gültigkeit für die Beziehung für Flammengeschwindigkeiten bis zu 2,5 m/sec, Kraftstoff-Tröpfendurchmesser, die von 30 bis 100 Mikron reichen, Kraftstoff-Luft-Verhältnisse, die von 0,015 bis 0,05 reichen, und eine Turbulenz-Intensität der sich annähernden Strömung, u', bis zu 1,0 m/sec. Die Strömungsgeschwindigkeit ist normalerweise 5-mal oder mehr höher als die Turbulenz-Intensität. Das Sauter-Verfahren zum Messen von Tröpfchengrößen ist in Tech. Ref. 9 beschrieben.
Von der vorstehenden Referenz wird angenommen, dass die Experimente, eingerichtet bei einer stabilen Flamme bei einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 0,015 in einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und bei annehmbaren Zündtemperaturniveaus vorgenommen sind.
Eine Verbrennung in einem geschlossenen Behälter oder Volumen ist gegenüber einer Verbrennung in einem offenen Strömungsrohr sehr unterschiedlich, da sich sowohl Druck als auch Temperatur des eingeschlossenen Gemischs erhöhen, wenn die Verbrennung fortschreitet. Tech. Ref. 10 beschreibt die minimale, abgelaufene Zeit für eine Verbrennung eines an Kraftstoff reichen Benzindampfs in einem sphärischen Behälter bei einer Zündgastemperatur von 70 bis 80 Grad Fahrenheit, die ist: tm = 75(V)1/3 wobei

t_m: = minimale, abgelaufene Zeit [Millisekunden)
V: = Volumen der sphärischen Umhüllung [ft³]

Eingeschlossen ist hier auch S_u, die maximale Flammengeschwindigkeit, erhaltbar für den Temperturbereich, der betrachtet ist. Es ist hier offensichtlich, dass unterschiedli che Kraftstoffe unterschiedliche Konstanten, entsprechend zu deren Verbrennungszeiten und Zündverzögerungsverhältnissen, haben, was hier durch die Angabe S_u angezeigt ist.
Die Technologie, die bis hier beschrieben ist, ist ausreichend, um die Verbrennungszeit in einer Brennkammer vom sphärischen Typ in einem Verbrennungsmotor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben aufzustellen. Der Unterschied in der Verbrennungszeit zwischen Kammern vom sphärischen, zylindrischen und ebenen Typ ist unwesentlich entsprechend zu Tech. Ref. 11.
Der Unterschied zwischen einem Verbrennungsmotor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben und dem Motor, der in dem US-Patent Nr. 3,762,844, im Betrieb, beschrieben ist, ist derjenige, dass sich die Brennkammern in dem letzteren innerhalb des Staler bei einer wesentlichen Geschwindigkeit bewegen. Eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 21,3 m/sec (70 Fuß pro Sekunde) relativ zu der Zündquelle ist ausreichend, um die Vorteile, die hier offenbart sind, zu realisieren, obwohl solche Vorteile natürlich mit höheren Strömungsgeschwindigkeiten realisiert werden können, und, in einigen Fällen, mit niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten realisiert werden können. Dies bedeutet, dass die Gemisch-Strömungsgeschwindigkeit relativ zu der Stator-Wand und dem Rotor auch als zusätzliche Faktoren beim Einrichten der Zündverzögerung und der Verbrennungszeit berücksichtigt werden muss. Ein Verfahren, um dies vorzunehmen, wurde deshalb entwickelt.
7 von Tech. Ref. 5 zeigt ein Histogramm einer Verbrennungstemperatur in einem Strömungsrohr mit homogenen Kraftstoff-Luft-Gemischen, die unter einer Mach-Zahl 1,5 strömen und durch eine zentrale Sauerstoff-Luft-Flamme gezündet werden, die als ein Flammenhalter und eine Zündeinrichtung dient. Das Histogramm der Temperaturentwicklung während der Verbrennung zeigt, dass es ungefähr 10^–6 Sekunden benötigt, um die Strömung des homogenen Gemischs von Methan und Luft bei einer Zündtemperatur von 1600 Grad Kelvin zu zünden. Die Peak-Temperatur von ungefähr 2600 Grad Kelvin zeigt den Abschluss der Verbrennung bei 3 × 10^–5 Sekunden. Gerade bei dieser Geschwindigkeit ist die Verbrennungszeit ungefähr 30-mal länger als die Zündverzögerung. Diese Verbrennung wurde unter einem konstanten, atmosphärischen Druck durchgeführt.
8 stellt die Flammenpropagationsgeschwindigkeiten für verschiedene gasförmige Kraftstoffe als Funktionen des Äquivalenzverhältnisses bei einer Mach-Zahl 1,5 dar, herangezogen von Tech. Ref. 5. Tech. Ref. 6 verwendete dieselbe experimentelle Vor richtung und berechnete höhere Flammenpropagationsgeschwindigkeiten. Eine Flammenpropagationsgeschwindigkeit oder eine Flammengeschwindigkeit ist ein berechneter Wert und kann zu unterschiedlichen Ergebnissen entsprechend zu der Theorie, die für diese Berechnung verwendet wird, führen, wie dies in den Referenzen beschrieben ist. Es ist hier zu sehen, dass Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethylen bei Atmosphärendruck und einer Einlass-Stagnationstemperatur von 300 Grad Kelvin in einer Gasströmung der angezeigten Gemischstärken und einer Strömung mit einer Mach-Zahl 1,5 oder 1429 ft/sec (435 m/sec) zünden und unter extrem kurzen Zeiten verbrennen können, während deren Flammenpropagationsgeschwindigkeiten sehr niedrig verbleiben.
Es ist hier anzumerken, dass die magere, statistische Entflammbarkeitsgrenze für Wasserstoff, angegeben in Chemie-Texten, bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,1 basierend auf dem Gewicht liegt. Für Methan sind sie 0,45 bis 0,68, während die Werte an den niedrigsten Testpunkten in Tech. Ref. 8 dahingehend gezeigt sind, dass sie nahe dem Äquivalenzverhältnis von 0,2 liegen. Da dort keine große Differenz in der Flammenpropagationsgeschwindigkeit über den dargestellten Bereich von Äquivalenzverhältnissen, mit Ausnahme für Wasserstoff, vorhanden ist, muss man schließen, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer hohen, relativen Bewegung die Flammengeschwindigkeit stabilisiert. Die Verbrennung der meisten Kraftstoff-Luft-Gemische werden ein wenig durch deren Äquivalenzverhältnisse in Bezug auf eine Zündverzögerung und Verbrennungszeiten beeinflusst. Mit anderen Worten wird es möglich sein, nahezu so schnell wie in einem mageren als auch in einem angereicherten oder besseren Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verbrennen. Demzufolge wird, so lange wie dieselbe Menge an Wärme verfügbar ist, dieselbe Energie bzw. Leistung in spezifizierten, angereicherten oder mageren Kraftstoff Luft-Gemischen verfügbar sein.
Die Zündverzögerung eines angereicherten Gemischs aus Methan und Luft nahezu unter Ruhe ist in 9, herangezogen von Tech. Ref. 5, dargestellt. In dieser Figur ist eine parallele Linie durch den Punkt bei 0,001 Millisekunden und 1600 Grad Kelvin oder 1327 Grad Celsius gezogen. Die Differenz in der Strömungsgeschwindigkeit zwischen den zwei Linien in Bezug auf eine Zündverzögerung beträgt ungefähr 435 m/sec (1429 ft/sec). Da die Verbrennungszeit unter einer Verbrennung mit konstantem Druck 30-mal länger als die Zündverzögerung ist, kann eine andere, parallele Linie 30-mal langsamer als die Zündverzögerungslinie, bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 435 m/sec (1429 ft/sec), gezogen werden. Die neue Linie stellt die Verbrennungszeit in einer Methan-Luft-Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 435,9 m/sec (1430 ft/sec) dar Zwischengeschwindigkeitseffekte können zwischen einem Fall mit niedriger Geschwindigkeit von ungefähr 5,5 m/sec (18 ft/sec) einer Strömungsgeschwindigkeit und den gezogenen Linien ohne einen großen Verlust in der Genauigkeit vorberechnet werden. Es kann weiterhin angenommen werden, dass sich die Geschwindigkeitseffekte für andere Kraftstoff-Luft-Gemische ähnlich zu den Geschwindigkeitseffekten für Methan und Luft verhalten werden. Diese Situation könnte sich dann ändern, wenn der Sauerstoffgehalt in dem Oxidierer unterschiedlich ist. Das beschriebene, grafische Verfahren wird für den Zweck der Vereinfachung verwendet, um die verschiedenen Effekte in Bezug auf Zündverzögerungen und Verbrennungszeiten darzustellen.
Aus den beschriebenen Informationen ist es möglich, einen Faktor für die kombinierten Effekte eines Gemischdrucks, einer Temperatur und einer Strömungsgeschwindigkeit in Bezug auf die Rate einer Verbrennung in einem identifizierten Kraftstoff-Luft-Gemisch aufzustellen. Ein solcher Faktor kann dann in Verbindung mit der Basis-Zündverzögerung und Verbrennungszeiten unter normalen, atmosphärischen Bedingungen verwendet werden, um eine tatsächliche Zündverzögerung und Verbrennungszeit für eine Vielzahl von Druck-, Temperatur- und Strömungsgeschwindigkeitsbedingungen aufzustellen.
Es ist auch zu sehen, dass eine wesentliche Verschiebung in der Grenze des mageren Eniflammbarkeits-Gemischs, verbrannt in schnell strömender Luft, in den meisten Fällen zu einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch hin stattfindet. Eine normale, statische Entflammbarkeitsgrenze eines mageren Gemischs für Benzin wird bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,60 vorgefunden und der Entflammbarkeitswert von Kerosin sollte ungefähr derselbe sein.
10 stellt das Äquivalenzverhältnis von Kerosin gegenüber dem korrelierenden Faktor, PT/V, für eine typische Brennkammer eines Gasturbinenmotors dar. Diese Figur bestätigt auch, dass eine magere Entflammbarkeitsgrenze zu einem niedrigeren Wert sogar bei moderaten 5 Strömungsgeschwindigkeiten verschoben werden muss. Dieser Korrelationsparameter, der dargestellt ist, weist einen Gemischdruck, eine Temperatur und eine Referenzlaufgeschwindigkeit auf. Eine stabile Verbrennung findet innerhalb der Kurvengrenze statt. Die Verbrennungseffektivität nahe zu der Kurve ist sehr schlecht.
In den meisten Fällen, wo eine Verbrennung von Gemischen unter hohen Fließgeschwindigkeiten vorhanden ist, entsteht die Frage von Flammenhaltern. Ein Flammenhalter induziert eine Störung, die dazu vorgesehen ist, eine Turbulenz oder einen Wirbel zu erzeugen, um zu verhindern, dass die Flamme ausgeblasen wird. Sehr kleine Störungen können vorgenommen werden. Ein Wirbel ermöglicht, dass sich die Flamme zurück gegen die allgemeine Strömungsrichtung bewegt, um einen Rückstoß zu erzeugen. Der Flammenhalter in einer Brennkammer einer Gasturbine erzeugt im Wesentlichen eine Turbulenz. Falls eine Verbrennung von Kraftstoff bei einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen wird, kann es notwendig sein, einen Wirbel zum Halten der Flamme zu erzeugen, oder um einen Rückstoß in den einströmseitigen Strömungsbereich zu ermöglichen.
Die Lehren dieser Technologiebeschreibung in Bezug auf eine Verbrennung zeigen, dass Zündverzögerungen und Verbrennungszeiten Funktionen des Typs eines Kraftstoffs, eines oxidierenden Mittels, einer Kraftstoff-Tröpfchengröße, eines Turbulenzniveaus und einer Laufgeschwindigkeit, und schließlich einer Zündtemperatur, eines Drucks und eines Kraftstoff-Energieniveaus sind.
Der nachfolgende Abschnitt wird in weiterem Detail beschreiben, wie die Aufgaben für diesen Typ eines Motors genutzt werden und wie eine weitere Technologie eingeführt wird, die dazu notwendig ist, diese Aufgaben zu erfüllen. Die Philosophie hier ist diejenige, dass ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb spezielle Vorteile hat, die nicht in der Vergangenheit verwendet worden sind. Ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb bringt seine eigenen Probleme mit sich, wobei es notwendig wird, eine Technologie zu verfolgen, die zuvor nicht entwickelt wurde, die allerdings durch diese Erfindung gelehrt wird.
VERFAHREN EINER ANWENDUNG
Um Arbeit aus Kraftstoff herauszuziehen, wird ein Oxidationsprozess, bezeichnet als Verbrennung, durchgeführt. Eine Verbrennung wird in Motoren mit Kompressionszündung bei erhöhten Drücken und Temperaturen durchgeführt, wobei Krafttstoff getrennt in die komprimierte Luft durch irgendeine mechanische Einrichtung eingespritzt wird. Arbeit wird von den verbrannten Gasen während der Gasexpansion herausgezogen.
In dem Wärmemotor des US-Patents Nr. 3,762,844 wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Volumenreduktion wie bei einem Verbrennungsmotor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben komprimiert. Die 11 und 12 stellen einen statischen Kompressionsdruck und eine Temperatur gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit für einen Betrieb an sehr warmen und sehr kalten Tagen dar. Warme und kalte Tage wurden so ausgewählt, dass sie bei 60,18 und –53,71 Grad Celsius (600 und 395 Grad Rankine) jeweils lagen. 13 stellt die Strömungsgeschwindigkeiten über eine angenommene Zündeinrichtungsstelle und die durchschnittliche, relative Brennkammer-Strömungsgeschwindigkeit über der Stator-Fläche dar. Der gesamte Kompressionsdruck und die Temperatur der Brennkammer bei dem Kompressions-Peak sind deshalb höher als das dargestellte Kompressionsverhältnis von 9,0. Während die durchschnittliche Geschwindigkeit einen maximalen Wert von 700 ft/sec bei 12.000 U/min zeigt, könnte die maximale Strömungsdurchgangsgeschwindigkeit 920 ft/sec erreichen. Dies bedeutet, dass eine Flamme, eingeleitet einströmseitig des Kanals, während der Verbrennung gedehnt wird, bevor sie in das expandierende, ausströmseitige Volumen der Brennkammer hinein diffundiert. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit relativ zu dem Rotor ist nahezu die Hälfte derjenigen relativ zu dem Stator. Dies ist wichtig, um den Druckabfall über den Kompressions-Peak zu verringern, da die Brennkammer durch den Rotor auf fünf von ihren sechs Seiten umschlossen ist.
Der Effekt eines Kompressionsdrucks und einer Temperatur und die relativen Strömungsgeschwindigkeiten in der Brennkammer, können zu Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktoren kombiniert werden, wie dies in den 14 und 17 für angereicherte und magere Kraftstoff-Luft-Gemische jeweils dargestellt ist. In den 14 und 17 sind die Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktoren für einen Motor berechnet, dessen Brennkammer unter einer wesentlichen Geschwindigkeit relativ zu dem Stator läuft, und für herkömmliche Kolbenmotoren. Das erstere ist der Fall des Motors, der in dem US-Patent Nr. 3,762,844 beschrieben ist, dargestellt verglichen mit einem herkömmlichen Motor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben, der bei derselben Prozessgeschwindigkeit und mit demselben Leckagefaktor arbeitet. Drücke und Temperaturen einer Kompression wurden in den 11 und 12 dargestellt. Die relativen Strömungsgeschwindigkeiten wurden in 13 dargestellt. Die Betriebsunterschiede zwischen den zwei Motor-Typen sind auf den Effekt der relativen Geschwindigkeitskomponenten beschränkt. Diese sind in der Realität als zusätzliche Kompressionsverhältnisse verdeckt vorhanden. 14 stellt die Einflussfaktoren von Kraftstoff-Luft-Gemisch-Druck, Temperatur und Geschwindigkeit und kombinierte Effekte gegenüber der Motor-Rotor-Geschwindigkeit dar. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Kolbenmotoren besitzt die beschriebene Wärmemotor-Brennkammer auch eine wesentliche Strömungsgeschwindigkeitskomponente, die, wie die Grafik zeigt, die Verbrennungsgeschwindigkeit um Faktoren bis zu 10-mal erhöht. Die obere Linie stellt die kombinierten Effekte der Verbrennungserhöhungsfaktoren dar.
15 zeigt eine Kombination der 1 und der 7, die zeigt, wie die Kraftstoff-Luft-Selbstzündtemperatur mit einer Kraftstoff-Luft-Gemisch-Strömungsgeschwindigkeit bei konstantem Atmosphärendruck variiert. Die Log-Log-Linearbeziehung ist offensichtlich.
Eine Verbrennung in einem geschlossenen Volumen ist vollständig unterschiedlich gegenüber einer solchen, die in einer Strömungsröhre mit konstantem Druck durchgeführt wird. 16 von Tech. Ref. 10 stellt ein Histogramm des Druckanstiegereignisses während einer Verbrennung von Benzin in einem geschlossenen Volumen dar. Während die Verbrennung 30-mal länger als die Zündverzögerung in einer Verbrennung mit konstantem Druck betrug, ist hier zu sehen, dass eine Verbrennung bei einem konstanten Volumen nur 5-mal länger als die Zündverzögerung stattfindet. Die Kurven zeigen eine sehr gute Korrelation zwischen Theorie und Experimenten.
Falls bei Atmosphärendruck und einer Temperatur statisch gearbeitet wird, sagt Tech. Ref. 10, dass die Verbrennung des Kompressionsvolumens in einem angereicherten Gemisch herangezogen werden sollte: tm = 75(1,28/1728)1/3 = 6,786 [Millisekunden]
Für einen Vergleich muss der Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktor invers zu der Verbrennungszeit angegeben werden. Der Motor, dargestellt in 17, der bei einer vollen Belastung und vollen Geschwindigkeit arbeitet, zeigt: tm = 6,786/30280,8 = 0,002246 [Millisekunden]mit einem angereicherten Gemisch an einem heißen Tag arbeitend.
Derselbe Motor, der an einem kalten Tag arbeitet, zeigt: tm = 6,786/741 = 0,00916 [Millisekunden]
Ein Betrieb bei einer Last von 25% an einem kalten Tag führt zu der folgenden Verbrennungszeit: tm = 6,786/60 = 0,113 [Millisekunden]
Der Motor mit sich hin- und herbewegendem Kolben mit demselben Kompressionsvolumen, der bei einer vollen Last an einem heißen Tag arbeitet, besitzt die folgende Verbrennungszeit: tm = 6,786/300 = 0,0226 (Millisekunden]was exakt 10-mal der Verbrennungszeit des beschriebenen SI-Motors vom Verdränungs-Typ ist. Derselbe, herkömmliche Kolbenmotor wird an einem kalten Tag 0,089 Millisekunden für eine Verbrennung desselben Volumens benötigen.
Der Unterschied zwischen angereicherten und mageren Flammengeschwindigkeiten in einem strömenden Kraftstoff-Luft-Gemisch kann im Wesentlichen so sein, wie dies in 8 dargestellt ist, im Gegensatz zu dem Fall in einem herkömmlichen Motor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben, wo ein magereres Krafstoff-Luft-Gemisch eine langsamere Verbrennung bedeutet.
Umgewandelt in einen äquivalenten Kurbelwinkel wird der Kolbenmotor unter einer vollen Belastung an einem kalten Tag 17,13 Grad eines vorverlegten Zündzeitpunkts vor dem Peak-Druckpunkt benötigen. Der beschriebene Verdrängermotor wird einen äquivalenten Kurbelwinkel von 20,22 Grad eines vorverlegten Zeitpunkts vor dem Peak-Druckpunkt, allerdings nur die Hälfte seiner tatsächlichen Motorbewegung, benötigen.
17 stellt die kombinierten Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktoren, auf die vorstehend Bezug genommen ist, gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit für die neue Motoranordnung bei voller Last, an warmen und kalten Tagen und bei einer Last von 25% an kalten Tagen dar. Für einen Vergleich stellt die Figur auch die kombinierten Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktoren gegenüber einer Wellengeschwindigkeit für einen herkömmlichen Verbrennungsmotor vom Kolben-Typ dar, der die anspruchsloseste innere Strömungsgeschwindigkeit besitzt. Wie anhand der 2 und 3 zu sehen ist, verbessern innere Wirbel diese Situation leicht.
Während die Zündung in einem Motor mit sich hin- und herbewegendem Kolben so zeitlich abgestimmt werden kann, um an irgendeiner Position des Kolbens zu zünden, wird eine laufende Brennkammer nur einer Zündung während des Kammerdurchgangs ausgesetzt. Dies begrenzt die Zündvorverstellung/Verzögerung. 18 stellt den möglichen Bereich von verfügbaren Verbrennungszeiten gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit dar. Drei Linien sind dargestellt; eine für die maximale Zeit, die bis zu 10 Grad nach der oberen Totpunktmitte verfügbar ist; eine für eine normale Verbrennungszeit, wenn die Brennkam mer-Mittellinie 20 Grad vor der oberen Totpunktmitte liegt; und eine für die angenommene, minimale, verfügbare Zeit, wenn die Mittellinie der Brennkammer an der oberen Totpunktmitte liegt. Andere Alternativen sind auch verfügbar. Die normale Linie, wo die Zündung 20 Grad vor der oberen Totpunktmitte auftritt, führt zu einer Druckanstiegsrate von 172,4 kPa/Grad (25 psi/Grad) eines äquivalenten Kurbelwinkels, was, entsprechend zu Tech. Ref. 12, für Motoren mit sich hin- und herbewegendem Kolben mit einem Kompressionsverhältnis von 9,0, und gezündet von einer einzelnen Quelle, normal ist.
Unkontrollierte, mehrfache Zündungen können in Motoren mit sich hin- und herbewegendem Kolben auftreten, falls die Druckanstiegsrate einen etwa 854,95 kPa/Grad (124 psi/Grad) Kurbelwinkel erreichen sollte. Da eine unterschiedliche und sehr schnelle Verbrennung betroffen ist, kann eine viel höhere Druckanstiegsrate akzeptabel sein. Unter einigen Bedingungen kann es notwendig sein, die Verbrennungsrate zu verlangsamen, um den Zündpunkt den gesamten Weg zu der oberen Totpunktmitte, oder darüber hinaus, zu bewegen.
Die Zeitskala in 18 ist in Sekunden dargstellt, und bei einem Betrieb unter 12.000 U/min sind die jeweiligen Zeiten:

maximale, verfügbare Verbrennungszeit 0,0008[Sekunden]

normale, herkömmliche Verbrennungszeit 0,0004[Sekunden]

minimale, verfügbare Verbrennungszeit 0,0014[Sekunden]
Um eine Verbrennung zu starten, muss eine Zündquelle verfügbar sein, die, im Hinblick auf die Temperatur, nahe zu dem Spalt bzw. Zwischenraum liegen muss, um die vorgesehene Verbrennungszeit zu erreichen. Die Verbrennungszeit wird aus der verfügbaren Zeit einer Zündung, um den maximalen Druckpunkt zu erreichen, berechnet, der für die normale, herkömmliche Verbrennungszeit in 18 bei 500 U/min einer Rotorgeschwindigkeit, 0,01 Sekunde beträgt. Dieser Wert wird zuerst durch den Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktor von, zum Beispiel, 17 für den Betrieb mit einem mageren Gemisch an einem warmen Tag bei voller Last von ungefähr 8,35 geteilt. Dies führt zu der Basislinie für das Zündtemperaturerfordernis, das in 15 dargestellt war. Andere Zündpunktstellen werden zu unterschiedlichen Temperaturen führen.
Durch Anwenden der berechneten, verfügbaren Zeit zu einer Ableitung der 18 wird die Zündtemperatur gefunden. 19 stellt die berechneten Zündtemperaturen für die normale, herkömmliche Verbrennungszeitlinie der 18 für Benzin, angegeben mit IsoOktan und Kerosin für 25% und vollen Belastungen an warmen und kalten Tagen, dar. Der Verdrängermotor mit laufenden Brennkammern wird mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben.
Die Temperaturlinien der 19 sind so zu sehen, dass sie schräg nach unten für zunehmende Rotorgeschwindigkeiten verlaufen. Dies kommt von dem Geschwindigkeitseffekt in Bezug auf die Verbrennungszeit. Die niedrigere Motorlast von 25% bewirkt, dass sich das Zündtemperaturerfordernis erhöht. Noch niedrigere Lasten werden dieses Zündtemperaturerfordernis noch höher machen.
Die Zündtemperaturen, der Zündeinrichtung in herkömmlichen Kolben-Verbrennungsmotoren arbeiten normalerweise zwischen 800 und 900 Grad Celsius, um sich selbst sauber zu halten, allerdings ist es nicht unüblich, dass viel niedrigere Temperaturen in dem Vorgang vorgefunden werden. Um die Temperaturen der 19 in Übereinstimmung zu bringen, muss der Teillast-Zündpunkt vorverlegt werden, um eine längere Verbrennungszeit mit einer kühleren Zündeinrichtung zu ermöglichen. Umgekehrt muss, falls eine kürzere Verbrennungszeit bei voller Last erwünscht ist, eine Zündeinrichtung mit höherer Temperatur eingeführt werden. Ein weiter vorverlegter Zündpunkt für eine Teillast bedeutet eine längere Verbrennung und einen niedrigeren Verbrennungsdruck und weniger Leistung.
In einem herkömmlichen Betrieb wird der Zündpunkt vorverlegt, um den Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu berücksichtigen. Hierbei sind Brennkammerleckage- und Geschwindigkeitseffekte so, dass die Zündung sowohl für eine niedrigere Geschwindigkeit als auch eine niedrigere Last vorverlegt werden muss. Verschiedene Verfahren sind für eine Verbrennungskontrolle verfügbar, umfassend einen Vorverlegungs/Verzögerungsvorgang des Zündpunkts entweder mechanisch oder durch eine elektrische Schaltung, und auch durch Kontrollieren der Energiefreigabe von den Zündeinrichtungen. In den bisherigen Elektroniken ist keines dieser Verfahren nicht vorstellbar. Das Verfahren einer Änderung der Energiefreisetzung über den Zündeinrichtungsspalt kann am einfachsten mit Zündeinrichtungen vom Plasma-Typ erreicht werden. Diese ionisieren zuerst den Kerzenspalt mittels einer Hochspannung und entladen dann eine kontrollierte Zündenergie bei einer niedrigeren Spannung über die ionisierte Brücke. Eine Motorsteuerung mittels Zündkerzentemperaturen ist bis jetzt noch nicht erfolgreich in Motoren mit sich hin- und herbewegendem Kolben gewesen. Dies kann zu einem bestimmten Problem hier auch führen, da eine sehr schnelle Energieentladung wesentlich ist, um ein Nachglühen der Zündeinrichtung zu verhindern, um eine Vorzündung und eine verringerte Motortunktion zu verursachen. Das Energieerfordernis für einen Betrieb unter voller Last, voller Geschwindigkeit ist am geeignetsten und ein großer Spielraum ist für eine Energiekontrolle verfügbar.
Die minimale Zündenergie kann so, wie dies in Tech.Ref. 13 beschrieben ist, wie dies in 19 dargestellt ist, berechnet werden.
Da es die Gemischströmung ist, die auf eine Zündtemperatur erwärmt werden muss, kann dabei eine Differenz zwischen der Zündeinrichtungstemperatur und der Zündtemperatur bestehen, die in dieser Gleichung verwendet wird. 1 zeigt auch, dass dann, wenn ein verbrennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch über eine erwärmte Oberfläche strömt, sich die Selbstzündtemperatur, A.I.T., drastisch erhöht. In dem Fall, wenn keine Strömung existierte, war A.I.T. niedrig, und die Zündverzögerung, und durch diese die Verbrennungszeit, war sehr lang. Ein Ausdruck der Zündenergien wird zeigen, dass eine Zündeinrichtung, die der Kraftstoff-Luft-Gemisch-Strömung ausgesetzt ist, mehr Energie für eine Zündung benötigt als eine solche, die in einem nicht strömenden Bereich liegt. Die Zündenergieerfordernisse erhöhen sich mit einer verringerten Rotorgeschwindigkeit. Das Zündquellenenergieerfordernis wird demzufolge beim Motorstarten in einem großen Umfang entschieden.
Eine Zündung kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch entweder von einer Zündeinrichtung, die unterhalb der Kontaktlinie zwischen der Rotorschaufel-Kantendichtung und der Stator-Wand vertieft ist, erreichen, oder die Zündeinrichtung kann in ihre eigene Kavität vertieft sein. Diese ist dann mit der Hauptbrennkammer durch einen kleinen Kanal verbunden. Die Zündeinrichtung wird dann einer sehr geringen Strömung ausgesetzt werden. Wenn die Zündeinrichtung gegenüber der vollen Strömungsgeschwindigkeit in der Brennkammer oder derjenigen der Grenzschicht ausgesetzt ist, findet ein wesentlicher Wärmeverlust von der Zündeinrichtung statt. Tech. Ref. 13 beschreibt die Funktionsweise von drei Verfahren, die als Zündkerzenzündung, Pilotflammenzündung und Glühzündung identifiziert sind. Während die Pilotflammen- oder Hohlraumzündung ein wenig langsam beim Starten sein kann, erzeugt die hohe Temperatur des Zündungs-Jets, der von dem Hohlraumzugangskanal ausgeht, eine sehr schnelle, sekundäre Verbrennung in dem Brennkammer-Strömungskanal. Dieser Typ einer Verbrennung wird teilweise durch die Zündverzögerung, verursacht durch das brennbare Gemisch, das in den Hohlraum eintritt, kontrolliert, wird gezündet und eine Jet-Flamme tritt durch den Zugangskanal aus. Hierdurch ist das Energieerfordernis einer Hohlraumzündung viel niedriger als die direkt in dem Brennkammer-Strömungskanal ausgesetzte Zündeinrichtung. Die Jet-Zündung kann allerdings bestimmte Grenzen beim Betrieb mit einem mageren Gemisch haben.
Der Ort der Zündeinrichtung in dem thermodynamischen Zyklus ist wichtig. Wenn die nachlaufende Rotor-Schaufel der Brennkammer bei der Verbrennung an der Zündeinrichtung vorbeiführt, wird die nachfolgende Brennkammer bei der Kompression der Zündeinrichtung ausgesetzt. Heiße Gase von der voranführenden Brennkammer können manchmal das brennbare Gemisch bei der Kompression vorzeitig zünden. Falls zum Beispiel die Zündeinrichtung später als 20 Grad vor der oberen Totpunktmitte angeordnet ist, wird sich die Mittellinie der Brennkammer über die obere Totpunktmitte und in der Verbrennung befinden. Der Zündeinrichtungshohlraum wird mit heißen Gasen unter Druck voll sein, und diese werden in die sich komprimierenden Gase in der folgenden Brennkammer eingespritzt werden und diese zünden. Falls der Verbrennungs-Peak spät genug liegt, kann die nachfolgende Brennkammer dieser Zündung ausweichen, wobei ansonsten die Zündeinrichtung ein paar Grad einströmseitig bewegt werden muss. Umgekehrt muss, falls der Zugang zu der Zündeinrichtung ausströmseitig der oberen Totpunktmitte angeordnet ist, diese so weit ausströmseitig angeordnet sein, dass der Kompressionsdruck und der Druck der expandierten Verbrennung nahezu dieselben sind. Ansonsten können die restlichen Verbrennungsgase in dem Hohlraum heiß genug sein, um das sich komprimierende Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Eine Restgaszündung ist nicht ein kontrollierter Vorgang und er verringert die Motorleistung. In einem solchen Fall wird der Motor fortfahren, zu laufen, nachdem die Motorzündung abgeschaltet ist. 20 von Tech. Ref. 14 stellt die Temperaturen und die Zugangslochgrößen, erforderlich für eine Jet-Zündung, dar. Die Verbrennungsgastemperaturen sind weit höher als die Werte, die in der Figur dargestellt sind, die den Abgastemperaturen des Verdrängermotors ohne Energierückgewinnung entsprechen. Es muss erkannt werden, dass eine Flammenfront, die sich mit der Luftströmung bewegt, zu einer viel schnelleren Verbrennung als eine solche führt, die sich dagegen bewegt, gerade dann, wenn ein Wirbel verfügbar ist. Die bevorzugte Lösung ist deshalb eine durch einen kontrollierten elektrischen Zündfunken induzierte Verbrennung anstelle einer selbst induzierten Gas-Jet-Zündung durch Restgase. Der Zustand einer Jet-Zündung durch eine elektrische Funkenbildung ist eine ausreichende Belüftung des Zündeinrichtungshohlraums mit einem frischen Kraftstoff-Luft-Gemisch, was kein Problem ist.
Die Frage der Motorleistung ist eng deren Verbrennungsleistung und deren Wärmeverluste zugeordnet. Dies wird in der Wärmebalance wiedergegeben. Eine typische Balance für einen Viertaktwärme-Benzinmotor, vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben, kann sein Tabelle 5

Energienutzung magerer Betrieb

Energieerzeugung 25%

Kühlverlust 36

Abgasverlust 34

Reibungsverlust 5

100%
Die Wärmebalance für die verbesserte Version des Motors, beschrieben in dem US-Patent 3,762,844, der bei 6000 U/min und in einem angereicherten Gemisch von 0,0782 kg Kraftstoff/kg an Luft (0,0782 lb. fuel/lb.) an Luft und einer Kühlung der Brennkammerwände auf 176,7 Grad Celsius (350 Grad Fahrenheit) arbeitet, führt zu:
Tabelle 6
Falls eine Rotortemperatur von 1140 Grad Fahrenheit und eine Stator-Temperatur von 500 Grad Fahrenheit maximal akzeptierbar sind, und der Motor so gestaltet wird, um bei einem mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnis von 0,054 lb. Kraftstoff/lb. Luft zu arbeiten, ist die Wärmebalance:
Tabelle 7
Die letzte Wärmebalance zeigt, dass ein übermäßig hoher Wärmeverlust über das Abgas erfolgt. Dieser kann auf verschiedene Arten und Weisen zurückgewonnen werden. Falls eine solche Wärmerückgewinnung mittels einer Gasturbine, angebracht an der Motorhauptwelle, erfolgt, kann die neue Wärmebalance sein:
Tabelle 8
Diese Tabelle zeigt, dass, ohne ein Hinzufügen irgendeiner zusätzlichen Wärme zu dem Motor, eine wesentliche Erhöhung in der Leistungserzeugung auf Kosten des Abgasverlusts stattgefunden hat. Diese Zurückgewinnung ist durch den verfügbaren Abgasdruck begrenzt.
Eine solche Beeinflussung einer Motorwärmebalance kann auch den Verbrennungsvorgang und den Strömungspfadvorgang beeinflussen. Die 21 und 22 stellen die Verbrennungstemperaturen und die Drücke gegenüber einer Rotorgeschwindigkeit für den beschriebenen Verdrängermotor in einem adiabatischen Betrieb und in einem Be trieb in Brennkammern, wo die Wände auf 176,7 Grad Celsius (350 Grad Fahrenheit) gekühlt worden sind, dar. Beide Fälle zeigen eine wesentliche Brennkammerleckage in dem niedrigeren Rotorgeschwindigkeitsbereich, was tatsächlich auch ein Wärmeverlust ist. Eine Energierückgewinnung aus dem Abgas beeinflusst allerdings nicht den Brennkammervorgang über einen leicht höheren Gegendruck hinaus.
Neben einer Verbesserung des Motorleistungsabtriebs und seiner Betriebseffektivität werden der höhere Brennkammerdruck und die Temperatur das Zündungsenergieerfordernis verringern. Dies ist anhand der Gleichung für eine minimale Zündungsenergie zu sehen. Ein niedrigerer Wärmeverlust von den Brennkammern kann auch zu einer höheren Verbrennungsgeschwindigkeit aufgrund einer verrringerten Flammeneinschnürung beitragen.
Eine Flammeneinschnürung findet dann statt, wenn sich die Verbrennung durch einen schmalen Schlitz oder Kanal, wie dies hier der Fall ist, bewegt. Da diese Wände im Wesentlichen nicht gekühlt sind, kann diese Situation auf das Starten eines kalten Motors beschränkt werden. Der Strömungskanal muss deshalb sorgfältig dimensioniert werden, um einen Brennschluss beim Starten zu verhindern.
Ein nahezu adiabatischer Vorgang zeigt seine eigenen Probleme. Eine Entwicklung eines nahezu adiabatischen Vorgangs ist bis jetzt auf Dieselmotoren beschränkt worden, wo der Kraftstoff direkt in die Brennkammer an einer zeitabgestimmten Position des Kolbens eingespritzt werden kann. Ein reduzierter Wärmeverlust der Brennkammer wird normalerweise mittels keramischer Materialien mit verringerten thermischen Leitfähigkeiten und Hochtemperatureigenschaften erreicht. Aufgrund der Hochtemperaturniveaus, die vorhanden sind, werden vorgemischte Kraftstoff-Luft-Gemische von der Außenseite normalerweise selbst zünden und eine Motorbeschädigung oder eine verringerte Leistung verursachen.
In dem Typ von Motoren, der in dieser Beschreibung beschrieben ist, ist der Prozessvorgang zu schnell für das Auftreten einer Vorzündung gerade in einem vorgemischten Kraftstoff-Luft-Gemisch aus Kraftstoffen mit niedriger Oktanzahl. 23 stellt eine Zündverzögerung in Millisekunden gegenüber der Temperatur für Gemische von JP-6 mit niedriger Oktanzahl, verwendet in Gasturbinenmotoren, bei verschiedenen Druckniveaus, dar, wie dies aus Tech. Ref. 15 herangezogen ist. In dieser Darstellung sind zwei Betriebstemperaturlinien von dem beschriebenen Betrieb eines Verdrängermotors vorhanden. Die Niveaulinie der niedrigeren Temperatur stellt den Vorgang bei der maximalen Kompressionsgastemperatur unter voller Last dar; und die obere Linie stellt die Metalltemperaturen der Rotorbauteile dar. Einer der Punkte zeigt die Rotorbetriebstemperaturen in einer aufgeladenen Anordnung bei zwei Atmosphären eines Verteilerdrucks, was nicht deutlich sichtbar ist. Der Rotor wird in beiden Fällen als ein Wärme-Recouperator dienen, der das eintretende Kraftstoff-Luft-Gemisch mit Wärme von dem Rotor, aufgenommen von dem Kompressionshub, vorwärmt. Er wirkt auch dahingehend, die volumetrische Effektivität dieses Motors zu verringern, falls die Wärme so früh in dem Einlasshub hinzugefügt wird, um die Dichte des Kraftstoff-Luft-Gemischs, das in die Brennkammer über die Einlassöffnung eintritt, zu reduzieren.
Die Rotorkomponenten-Betriebslinie ist so dargestellt, dass sie die Linie von 5 Atmosphären in dem Betriebsbereich von 500 bis 1000 U/min kreuzt. Dies ist ohne Folge, da die Verbrennungszeit für ein konstantes Volumen ungefähr 5-mal der Zündverzögerung entspricht, so dass sich ein früher Druckanstieg nicht zu irgendeinem Grad in der Zeitspanne, die verfügbar ist, entwickeln wird. Wenn eine niedrigere als die maximale Last dem Motor in diesem Geschwindigkeitsbereich auferlegt wird, wird sich die Betriebslinie weg von der Linie mit 5 Atmosphären äquivalent zu 506,6 kPa bewegen, wie dies durch den Pfeil bei 1000 U/min dargestellt ist, wie dies in 23 zu sehen ist.
Der Brennkammer-Kompressionsdruck bei diesem Kompressionsverhältnis wird offensichtlich oberhalb des Niveaus von 5 Atmosphären, das dargestellt ist, ansteigen. 24 von Tech. Ref. 16 zeigt allerdings, dass für diese Kraftstoffe, die eingesetzt sind, Drücke von oberhalb 5 Atmosphären nur einen geringen Effekt in Bezug auf die minimalen, spontanen oder Selbstzündtemperaturen, A.I.T., haben.
Der Fall des Stators ist ein wenig unterschiedlich. Eine Verbrennung in der Brennkammer wird immer in demselben Sektor des Stator-Umfangs stattfinden, so dass kein Kühleffekt von dem ankommenden Kraftstoff-Luft-Gemisch erhalten wird. Eine gewisse Kühlung ist deshalb in diesem Sektor erforderlich. Da die Brennkammer durch den Rotor auf fünf Seiten und der Stator nur auf einer umschlossen ist, ist der Umfang einer Kühlung, die erforderlich ist, sehr gering. Die Frage, die sich hier stellt, ist diejenige, ob die Stator-Wand geschmiert werden sollte oder nicht. Ein Betrieb mit Temperaturen einer gleitenden Wand bis zu 398,9 Grad Celsius (700 Grad Fahrenheit) ist mit synthetischem Öl demonstriert worden. Ein Betrieb unter einem trockenen Reiben ist auch akzeptierbar, wenn eine Kühlung verfügbar ist, und eine Zwischenanordnung ist sorgfältig für einen solchen Betrieb entwickelt worden. Dies liegt allerdings außerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung. Die Materialauswahl für die Laufkomponenten wird durch die Verbrennung von Laufbeanspruchungsniveaus in Standfestigkeit und Spannungsbruch bei erhöhten Temperaturen kontrolliert.
Eine Energierückgewinnung ist in kommerziellen Motoren, wie beispielsweise den Curtiss-Wright R-3350TC, Turbo-Verbund-Motoren, verwendet worden, wo einige 700 BHP von dem Abgas mittels drei Gasturbinen, verzahnt zurück zu der Hauptwelle, extrahiert wurden. Dort ist allerdings kein Grund vorhanden, warum das Abgas nicht zu nahe atmosphärischem Druck mittels eines Verdrängungs-Expanders expandiert werden kann. Eine Wankelmotor-Konfiguration wurde mit guten Ergebnissen durch die Rolls Royce Ltd. einige Jahre zuvor getestet. Während der Curtiss-Wright R-3350 Turbo-Verbundmotor einen äquivalenten Brems-Durchschnitts-Effektivdruck (Equivalent Brake Mean Effective Pressure) von 3171,6 kPa (460 psi) erzeugte, kann eine Turbo-Verbund-Version des beschriebenen Verdrängermotors leicht 3378,4 kPa (490 psi) erzeugen, wenn er bei einem Verteilerdruck von 2 Atmosphären betrieben wird.
Ein Betrieb unter sehr hohen Verbrennungstemperaturen, wie dies für einen adiabatischen Betrieb in 21 dargestellt ist, führt einen neuen Betrachtungsaspekt ein. Oxide von Stickstoff sind Nebenprodukte einer Verbrennung, erzeugt dann, wenn der Stickstoff in den Verbrennungsgasen Luft bei hohen Temperaturen über eine finite Zeit ausgesetzt wird. 25 von Tech. Ref. 18 zeigt den NO_x-Emissionsindex, ausgedrückt in Gramm von NO_x pro Kilogramm Kraftstoff, der verbrannt ist, gegenüber maximalen Flammentemperaturen, wenn einem Gleichgewicht ausgesetzt wird. Während nahezu kein NO_x bei 2600 Grad Fahrenheit oder 926,7 Grad Celsius (1700 Grad Kelvin) erzeugt wird, werden bei 2593,3 Grad Celsius (4700 Grad Fahrenheit) oder 1574,4 Grad Celsius (2866 Grad Kelvin) ungefähr 80 Gramm an NO_x pro Kilogramm Kraftstoff, der verwendet wird, erzeugt. 26 von Tech. Ref. 17 zeigt erneut den NO_x-Emissionsindex, allerdings dieses Mal gegenüber der Verweilzeit, die gegen einen Gleichgewichts-NO_x-Index von 242 arbeitet. Die Figur zeigt, dass das NO_x-Niveau bei einer Verweilzeit von 2 Millisekunden nur 19,6% des Gleichgewichtsniveaus erreichen wird. 17 und Seite 25 zeigen, dass für den Motor, der in dieser Offenbarung beschrieben ist, eine Verweilzeit von 0,014 Millisekunden einer Verbrennungszeit gut erreichbar ist. Dies entspricht einem Volllastbetrieb in einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch, was an einem warmen Tag ungefähr 0,138% des Gleichgewichtsniveaus erzeugen wird. Bei 6000 U/min, wo die Verbrennungstemperatur bei voller Last nahezu dieselbe sein kann, kann zweimal dieses Niveau erzeugt werden. Da die Flammentemperatur niedrig ist, um sich zu entwickeln, wird sogar weniger NO_x emittiert werden. Für einen Betrieb bei einer nahezu adiabatischen Flammentemperatur von mehr als 5000 Grad Fahrenheit oder 2777 Grad Kelvin zeigt 25 einen Gleichgewichts-NO_x-Index von ungefähr 75 g NO_x/kg Kraftstoff. Dies wird zu einem effektiven NO_x-Emissionsindex von 0,104 g NO_x/kg Kraftstoff nach einem Aussetzen von 0,014 Millisekunden bei dieser Temperatur führen. Da die Temperaturspitzen schräg zu der Oberseite hin verlaufen, ist dies wahrscheinlich ein sehr konservativer Wert, da die Zeitbeschränkung eine ausreichende Aussetzung gegenüber hohen Temperaturniveaus in diesem schnell laufenden Motor verhindert.
27 stellt Brennkammertemperaturspuren gegenüber einer Rotor-Position dar. Diese Darstellung stellt sechs Brennkammern auf einer Seite des Rotors dar, während andere sechs auf der anderen Seite zwischen den dargestellten Spuren angeordnet sind. Die Peak-Temperaturwerte, die dargestellt sind, sind hier ungefähr 4800 Grad Rankine und stellen einen Betrieb bei 6.000 U/min dar. Ein Betrieb bei 12.000 U/min wird heißer sein. Wie in der Figur dargestellt ist, beginnt die Verbrennung bei 504,6 Grad Celsius (1400 Grad Rankine) und dauert etwas mehr als ein Winkel von mehr als 10 Grad, was ungefähr 20 Grad eines Kurbelwinkels in dem Viertakt-(SI)-Motor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben entspricht. Ein repräsentativer Wert für irgendeine Dauer bei einer Temperatur in diesem Fall sollte ungefähr 2171,3 Grad Celsius (4400 Grad Rankine) oder 2444,44 Grad Kelvin, sein, was konservativ einem Emissionsindex für ein Gleichgewicht von ungefähr 7 g/kg Kraftstoff, der verbrannt ist, entspricht. Diese Zeit eines Aussetzens dieser Temperatur über ungefähr 10 Grad eines Wellenwinkels beträgt ungefähr 0,277 Millisekunden bei 6.000 U/min. Unter einem Vorbemessen anhand von 26 für die Zeit, für die ein Aussetzen erfolgt, wird die sich ergebende NO_x-Emission 0,14 g NO_x/kg an Kraftstoff, der verbrannt ist. Unter einem Betrieb bei 12.000 U/min unter voller Last wird die sich ergebende Emission geringer als 0,1 g NO_x/kg an Kraftstoff sein.
Ein Betrieb bei weniger als der vollen Last wird zu einer niedrigeren Verbrennungstemperatur führen und wird zu einer niedrigeren NO_x-Emission führen.
Für einen Vergleich gibt ein fortschrittlicher Gasturbinenmotor mit hohem Druckverhältnis ungefähr 36 g NO_x kg an Kraftstoff bei voller Leistung trotz seines Betriebs unter einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch ab. Es muss offensichtlich sein, dass, falls ein adiabatischer Betrieb vorgesehen ist, ein Motor unter verringerten Verweilzeiten oder verringerten Lasten arbeiten muss, um die Emission von NO_x in Grenzen zu halten. Weiterhin wird es, da die NO_x-Emission als ein Anteil des Kraftstoffs, der verwendet ist, definiert ist, unumgänglich, ökonomisch zu arbeiten und so viel Leistung wie möglich von dem Kraftstoff herauszuziehen. Eine Emission von überschüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid sollte nicht in einem Betrieb mit magerem Gemisch mit einem vorgemischten, nahezu homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch und sehr geringer Kühlung auftreten. Eine Emission von Kohlendioxid wird auch bei einer Hochleistungs-Magermischungs-Verbrennung reduziert. Ein nahezu adiabatischer Betrieb bedeutet eine erhöhte Abgastemperatur und erhöhte Abgasgeräuschniveaus. Diese können unter Verwendung eines Abgasexpanders bzw. -dämpfers verringert werden, um einen Teil der Abgasenergie wegzunehmen und sie zu der Hauptmotorwelle zurückzuführen.
Die Wichtigkeit einer kontrollierten Brennkammer-Leckagerate sollte nicht übersehen werden. Eine gute Dichtung führt zu erhöhten Kompressionsdrücken und -temperaturen bei niedrigeren Geschwindigkeiten, was bei einem Niedriggeschwindigkeitsdrehrnoment von Vorteil sein wird. Sie wird auch die Wahrscheinlichkeit einer Frühzündung bei niedriger Geschwindigkeit und einen erhöhten NO_x-Indexwert aufgrund der erhöhten Verweilzeit bei höheren als den normalen Verbrennungstemperaturen erhöhen. Gewöhnlich ist eine volle Leistung nicht in einem normalen Motorbetrieb erforderlich, noch ist ein abfallendes Drehmoment normalerweise bei verringerten Motorgeschwindigkeiten erforderlich, was bedeutet, dass die NO_x-Indexwerte, dargestellt in diesen Analysen, stark überzogen sind.
Dieser Abschnitt lehrt einen Teil der Technologie, die bei der Entwicklung des Verbrennungsvorgangs eingesetzt wird, notwendig dazu, Verdrängungs-Wärmemotoren zu verbessern, wie beispielsweise die Wärmemotoren, die in dem US-Patent Nr. 3,762,844, mit sich bewegenden Brennkammern, beschrieben sind. Keiner der Autoren des Stands der Technik, der hier zitiert ist, konnte die Anwendung voraussehen, welche bekannten Informationen verwendet werden könnten, und angewandt worden sind, um den erfindungsgemäßen Vorgang, der hier beschrieben ist, zu schaffen. Ein wesentlicher Beweis ist deshalb verfügbar, um die Erkenntnisse und die Verfahren, die in dieser Offenbarung verwendet sind, zu unterstützen. Die Philosophie, die gemäß der Erfindung angegeben ist, zeigt, dass große Vorteile aus einem schnelleren Motorbetrieb abgeleitet werden können. Dies steht deutlich im Gegensatz zu der herkömmlichen Ansicht, die nach niedrigen Motorgeschwindigkeiten sucht, um eine bessere Motorhaltbarkeit zu unterstützen, während Materialien mit niedrigerer Qualität verwendet werden. Der originale Motor, der in dem '844 Patent angegeben ist, entwickelte nur einige 355,626 kW/kg (178 BHP/lb.) von Luft, die verwendet ist. Die erste Verbesserung gemäß der Erfindung brachte die Funktion oberhalb von 599,370 kW/kg (300 BHP/lb.) von Luft mit sich, und die späteren Versionen zeigen Funktionswerte von bis zu 1848,058 kW/kg (925 BHP/lb.) von Luft. Kleine Gasturbinenmotoren erzeugen selten mehr als 249,737 kW/kg (125 BHP/lb.) an Luft.
WEITERE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Während die zwei vorhergehenden Abschnitte die Verfahren und die Technologie beschrieben, die bei einer schnellen Verbrennung vorhanden sind, manchmal dargestellt mit Beispielen, beschreibt dieser Abschnitt eine bevorzugte Ausführungsform des Motors und solche Aufbaumerkmale, die die beschriebene Verbrennung möglich machen. Der Basismotor wurde in dem US-Patent Nr. 3,762,844 beschrieben, der die allgemeinen, mechanischen Merkmale zeigte, die bei diesem Niveau einer Entwicklung umfasst waren. Weitere Verbesserungen, die zu der ausgezeichneten Motorleistung beitragen, sind in dieser Offenbarung beschrieben. Es wird Bezug auf das '844 Patent für eine detaillierte Beschreibung der Grundausführungsform genommen, die hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen wird.
Es ist in Thermodynamiken herkömmliche Praxis, dass der Verbrennungsvorgang eines Zyklus den thermodynamischen Zyklus beschreibt. Einige dieser thermodynamischen Zyklen sind ideal, wie beispielsweise Verbrennungszyklen mit konstantem Volumen und konstantem Druck. Praktikablere Variationen sind als die Otto- und die Diesel-Zyklen beschrieben, die beide von den idealen Zyklen in einem gewissen Grad abweichen. Dabei sind auch verschiedene andere thermodynamische Zyklen vorhanden, die hier nicht erwähnt werden. Das Verfahren einer Verbrennung, das hier dargestellt ist, ist viel näher zu dem idealen Verbrennungszyklus mit konstantem Volumen als dies der Otto-Zyklus jemals war, obwohl das Verfahren zum Erreichen hiervon vollständig von dem Otto-Zyklus unterschiedlich ist. Dies kommt aufgrund der kombinierten Effekte in Bezug auf eine Verbren nung bei einer relativ hohen Gas-Gemisch-Geschwindigkeit neben den Effekten eines Kompressionsdrucks und einer Temperatur in Bezug auf die Verbrennungsgeschwindigkeit. Beschrieben wird deshalb in dieser Offenbarung ein neuer und unabhängiger, thermodynamischer Betriebszyklus.
Um den vorgesehenen, thermodynamischen Zyklus durchzuführen, muss die Ausführungsform des Motors mit dem Prozess, der eingesetzt wird, kompatibel sein. In dem Fall der Otto- und Diesel-Zyklen kann dieser in herkömmlichen Motoren vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben ausgeführt werden, die für einen Zwei- oder Viertaktbetrieb ausgelegt sind und so ausgelegt sind, um deren Erfordernisse für eine Verbrennung zu erfüllen. Das Erfordernis zum Ausführen des beschriebenen schnellen Verdränger-Verbrennungszyklus sieht allerdings eine vollständig unterschiedliche Ausführungsform vor. Um eine hohe Strömungsgeschwindigkeit in einer geschlossenen Brennkammer zu erzeugen, muss die Kammer eine wesentliche Geschwindigkeit relativ zu einem Stator, der mindestens teilweise die Brennkammer umschließt, bewegen. Diese Geschwindigkeit kann entweder eine lineare Translation oder eine solche in einer Kammer mit einer Drehung um eine Welle sein. Wenn sich die Brennkammern bewegen, muss seine Volumenkompression und -expansion vor und nach dem Verbrennungsvorgang stattfinden.
In einigen Aspekten erfüllt der Wankelmotor das Erfordernis einer sich bewegenden Brennkammer. Die maximale Gleitgeschwindigkeit in dem Wankelmotor liegt allerdings in der Größenordnung von 30 ft/sec relativ zu dem Stator, und dies kann nur schwer als eine wesentliche Geschwindigkeit angesehen werden. Die Verbrennung in diesem Motor wird auch dahingehend befunden, dass sie sehr langsam ist, was zeigt, dass die Effekte einer schnellen Verbrennung, beschrieben in diesen Unterlagen, nicht vorhanden ist. Der Motor muss als ein Orbital- bzw. Kreiskolbenmotor klassifiziert werden, während der beschriebene Motor ein Gasturbinenmotor mit positiver Verschiebung bzw. Verdrängung ist.
Die 28 und 39 stellen die bevorzugte Ausführungsform des offenbarten Viertakt-Verdrängermotors dar, der zum Ausführen des beschriebenen, neuen thermodynamischen Zyklus geeignet ist. Der Motor ist eine Ableitung des Motors, der in dem angegebenen US-Patent beschrieben ist, der stark in jeglicher Hinsicht verbessert und entwickelt worden ist, um die Erfordernisse der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen. 29 stellt die bevorzugte Ausführungsform des Zweitakt-Motors, der mit den neuen Prinzipien arbeitet, dar.
Die Hauptmerkmale des Motors sind in den 28, 30 und 39–41 wie folgt dargestellt:
Ein Rotor 1 ist so gestaltet, um sich innerhalb eines Stator-Gehäuses 2 auf einer Hauptwelle 3, getragen in zwei Wellenlagern 4, zu drehen, wie dies in den 28, 29 und 39 dargestellt ist. Der Rotor 1 weist eine Rotor-Nabe 5, eine Rotor-Scheibe 6 und einen Rotor-Rand 7 auf. In der Rotor-Nabe 5, die auch als ein Axiallager dient, sind 6 Schaufeln, alternativ Rotor-Flügel 8, schwenkbar für eine axiale Bewegung gehalten, während sie die Rotor-Scheibe 6 über sechs Schlitze durchdringen. Wie am besten in den 40 und 41 gesehen werden kann, sind die Seiten des Stator-Gehäuses 2, die zu der Rotor-Scheibe 6 auf jeder Seite der Rotor-Scheibe 6 hinweisen, als doppel-sinusförmige Krümmungen geformt und bilden konturierte Stator-Wände 9, orientiert mit 90 Grad außerhalb einer Phase zueinander. Die sechs Rotor-Schaufeln 8, die Rotor-Scheibe 6 und die konturierten Stator-Wände 9 umschließen sechs laufende Brennkammern vom Typ mit positiver Verschiebung bzw. Verdrängung an jeder Seite des Rotors 1.
In den 28 und 39 ist eine Einlassöffnung 10, eine Auslassöffnung 11 und ein Zündeinrichtungsloch 12 in jeder konturierten Stator-Wand 9, auf jeder Seite der Rotor-Scheibe 6, vorhanden, um eine Strömung in die laufenden Brennkammern 13 hinein und von dort heraus zu erreichen (30A–D), und um das komprimierte Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Merkmale zum Kühlen und Schmieren, und andere wesentliche Vorgänge, sind aus der Zeichnung zur Deutlichkeit der Darstellung weggelassen worden.
29 stellt denselben Grundleistungsabschnitt in einer Version mit Zweitakt-Zyklus dar, mit zwei Einlassöffnungen 10, zwei Auslassöffnungen 11 und zwei Zündeinrichtungen 12 pro Seite. 29 ist nicht maßstabsgerecht und stellt demzufolge nicht genau dar, dass die Einlassöffnungen 10 näher zu der Hauptwelle 3 als zu den Auslassöffnungen 11 angeordnet sind, wie dies in 28 dargestellt ist. Die Positionierung erleichtert ein Spülen und Wiederbefüllen der Brennkammer, um den fehlenden Saughub in den Zweitakt-Kolbenmotoren zu ersetzen. In den Viertakt-Versionen erhöht diese Positionierung die Motorleistung.
Die Merkmale der zwei Motoren, dargestellt in den 28, 29 und 39–41, sind sehr ähnlich, mit der Ausnahme der Hinzufügung von zwei Sätzen von Einlass-, Auslass-Zündeinrichtungsöffnungen und entsprechenden Kühlmaßnahmen für den Zweitakt-Motor. Da die Zweitakt-Zyklus-Versionen des Motors bestimmte Einrichtungen benötigen, um die zwei fehlenden Hübe in deren Zyklus zu kompensieren, werden diese zwei Hübe von den Viertakt-Motoren für eine Kraftstoff-Luft-Gemisch-Befüllung und Entleerung verwendet, und in dem Zweitakt-Motor werden sie für Leistung, und nicht zum Befüllen bzw. Entleeren, verwendet. Demzufolge haben die Zweitakt-Motoren nahezu zweimal das Verdrängungsvolumen der Viertakt-Motoren, und werden demzufolge zweimal so viel an Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels eines radialen Pumpens befüllen. Dieser Motor ist deshalb eine äußerst leistungsstarke Version, sehr kompakt aufgebaut. Die Einlass- und Auslassöffnungen dieses Motors sind von einer verringerten Größe, um das Motorkompressionsverhältnis beizubehalten.
30 stellt die vier Verdrängungsvorganghübe des thermodynamischen Arbeitszyklus des Motors, dargestellt in den 28 und 39, dar. Die Einlassöffnung ist nun unter einem rechten Winkel 14 zu der laufenden Brennkammer 13 angeordnet. Dies bewirkt, dass sich die Strömung trennt und einen Wirbel 17 bildet, um zu verhindern, dass die Flamme in dem höheren Rotorgeschwindigkeitsbereich ausgeblasen wird. Dies ist ein stehender Wirbel, bis die laufende Rotor-Schaufel 8 die Brennkammer 13 schließt, und der Wirbel 17 bewegt sich mit der Brennkammer 13 als ein freier Wirbel, wo das Produkt der Winkelgeschwindigkeit und des Rotationsradius konstant ist.
Die Auslassöffnung 11 ist unter einem rechten Winkel zu der Laufrichtung der Brennkammer 13 platziert. Dies verhindert eine unausgeglichene Kraft gegen die laufende Rotor-Schaufel 8, was die Motorleistung verringern könnte.
Die Stelle des Zündkerzenlochs ist zuvor in diesen Unterlagen diskutiert worden und die dargestellte Stelle ist ein Beispiel, und andere könnten verwendet werden. Die Einlass- 10 und die Auslassöffnungen 11 in diesen Motoren sind Seite an Seite in den kontrahierenden und expandierenden Volumenstellen angeordnet.
In dem originalen Motor, der in dem angegebenen '844 Patent beschrieben ist, waren radiale Strömungsdurchgangswege in dem Kern der Rotor-Scheibe 6 vorgesehen, um die Rotorwände auf ungefähr 176,7 Grad Celsius (350 Grad) Fahrenheit zu kühlen. Eine Flüssigkeitskühlung war erforderlich, um dieses Temperaturniveau zu erzielen. Da der Rotor eine leistungsfähige Radialpumpe ist, entwickelte sich ein wesentlicher Leistungsverlust von etwa 64,130 kW (86 BHP) bei 10.000 U/min einer Rotorgeschwindigkeit. Ein solcher Verlust war nicht akzeptabel und die Flüssigkeitskühlung wurde durch eine weniger effektive Luftkühlung ersetzt. Das Luftblasen erzielte eine geringere Kühlung und ver ursachte eine viel höhere Rotortemperatur, mit Spitzenwerten bei ungefähr 5000 U/min. Hierbei war die Pumpfähigkeit niedrig und die Verbrennungstemperatur hatte bereits nahezu ihren maximalen Wert erreicht. Die Temperatur der Rotor-Scheibe war niedriger bei 12.000 U/min einer Rotorgeschwindigkeit, da das Pumpen von Luft stärker war.
Durch eine Luftkühlung der Rotor-Scheibe 6, wie sie beschrieben ist, konnte die Temperatur des Rotors 1 um einige 93,3 Grad Celsius (200 Grad Fahrenheit) verringert werden, allerdings wurde dieser Effekt nur als mäßig angesehen. Eine Untersuchung, durchgeführt bei einem Betrieb ohne eine Kühlung der Rotor-Scheibe 6, eine andere als diejenige, die durch das Eintreten eines Kraftstoff Luft-Gemischs erzielt wird, wie dies in 23 dargestellt ist, ergab, dass ein nicht gekühlter Rotor eine Frühzündung in dem Kompressions-Kraftstoffluft-Gemisch sogar dann verursachen wird, wenn Kraftstoffe mit niedriger Oktanzahl verwendet werden. Den Rotorbeanspruchsungsniveaus bei einer erhöhten Temperatur könnte durch Verwendung von besseren Rotormaterialien entgegengetreten werden. In einer normal belüfteten Version, dargestellt in den 28 und 29, wird erwartet, dass die Temperaturen der Rotor-Scheibe 6 gelegentlich 615,6 Grad Celsius (1140 Grad Fahrenheit) bei einem Betrieb unter Volllast erreichen. In einer aufgeladenen Version werden die Temperaturen höher sein. Die Anordnung ohne Rotorkühlung wird deshalb als akzeptabel für alle Betriebsweisen angesehen.
Die Temperatur der konturierten Stator-Wand 9 wurde aufgrund von Reibungs- und Lebensdauererfordernissen eingerichtet. Eine Wandtemperatur von 176,7 Grad Celsius (350 Grad Fahrenheit) könnte unter Verwendung eines Stator-Wandmaterials mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit beibehalten werden, allerdings favorisierte eine Reibung eine Abnutzungsflächentemperatur von 260 bis 315,6 Grad Celsius (500 bis 600 Grad Fahrenheit). Das Erfordernis keiner Abnutzung von 10.000 Stunden bei 10.000 U/min in entweder einem trocken reibendem oder einem geschmierten Gleitkontakt favorisierte auch ein solches Temperaturniveau. Gerade dann, wenn die Abnutzungslebensdauer in einem geschmierten Gleitkontakt mehr als 1000-mal länger als bei einem Trockenreiben ist, kann letzterer vorzugsweise aufgrund von vielen Gesichtspunkten sein. Die sehr kurze Verweilzeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs, das sich unter Kompression befindet, in dem Hochtemperaturabschnitt des Stators, kann einfach das Temperaturniveau ohne irgendeine Erwartung einer Frühzündung akzeptieren. Der Motor ist demzufolge für einen nahezu adiabatischen Betrieb geeignet.
Ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in diesem Motor kann mittels eines Vergasers oder durch eine Kraftstoffeinspritzung entweder in den Lufteinlassverteiler oder direkt in die Brennkammer während der Befüllung erfolgen. Dies ist nur eine Frage der Steuerung. Nahezu gleichförmige Tröpfchengrößen werden sich durch die sich drehende Rotor-Scheibe 6 entwickeln. Eine Emission von Kohlendioxid wird allerdings niedriger sein, wenn Methan verwendet wird. Methan ist ein Gas mit hoher Oktanzahl unter einem normalen Zustand.
Ein spezielles Problem, das entsteht, das sich auf den Verbrennungsvorgang bezieht, ist dasjenige der Zündung. In einem Motor mit 12 Brennkammern 13, die alle für jede Rotorumdrehung zünden, werden insgesamt 144.000 Zündfunken pro Minute bei 12.000 U/min benötigt. Dies übersteigt die Fähigkeit der meisten Zündsysteme. Um dieses Erfordernis zu verringern, werden zwei getrennte Zündsysteme verwendet, eines für jede Zündkerze. Dies verringert das Zündungserfordernis von 72.000 Zündfunken pro Minute pro Seite, was nicht mit kommerziell erhältlichen Kapazitätslade- oder CD-Zündsystemen für ein Fahrzeug-Design erreichbar ist. Ein neues Zündsystem, das für 100.000 Zündfunken pro Minute geeignet ist, befindet sich in der Entwicklung. Diese Zündfrequenz lässt kaum genug Zeit für die Kondensatoren des CD-Zündsystems zu, um auf eine volle Kapazität vor der nächsten Entladung aufzuladen. Die normalen Zündauslöser- und Verteilungssysteme, die in Viertakt-Verbrennungsmotoren vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben verwendet werden, sind nicht in den beschriebenen Motoren akzeptierbar und müssen durch einen speziell ausgelegten Kopf ohne Verteiler ersetzt werden.
Die Frage der Zündeinrichtungstemperatur und der Entladungsenergie ist stärker betroffen. In herkömmlichen Zündfunken-Zündeinrichtungen kann die Funkenenergie entsprechend der Anforderung variiert werden, da es eine bestimmte Spannung benötigt, um den festgelegten Funkenspalt zu überspringen, und die kapazitive Ladung unter einer konstanten Spannung kann nicht die Energieentladungen variieren. Dies kann mit Zündsystemen vom Plasma-Typ erreicht werden, wo eine hohe Spannung verwendet wird, um den Zündfunkenspalt zu ionisieren, und ein variabler Hochspannungsenergiestrom wird über die ionisierte Brücke entladen. Dies kann nicht wichtig sein, da eine Zündungs-Vorverstellungs-Verzögerung noch verfügbar ist, um die Variation in der Temperatur und dem Energieerfordernis, wie dies in 19 dargestellt ist, oder besser, zu kompensieren. Ein elektronischer Typ einer Vorverstellungs-Verzögerungsanordnung befindet sich in der Entwicklung, allerdings ist ein herkömmliches System, das induktive Abnehmer relativ zu sich drehenden Sollstellen bewegt, auch akzeptierbar.
Der Durchgangsweg 15 über den Kompressions-Peak 16 ist wichtig, wie in 30 zu sehen ist. Die Größe dieses Durchgangswegs besitzt einen gewissen Einfluss in Bezug auf das Kompressionsverhältnis, und auf die Strömungsgeschwindigkeit über den Kompressions-Peak 16. Um einen Flammenbrennschluss in diesem Durchgang zu verhindern, wenn der Motor in dem hohen Rotorgeschwindigkeitsbereich betrieben wird, wird ein Wirbel 17 eingeführt. Die Durchgangshöhe ist von einer kontrollierten Größe, um dieses zu bewirken. Ein Betrieb bei erhöhten Brennkammerwandtemperaturen trägt auch dazu bei, den Effekt einer Flammeneinschnürung zu verhindern. Ohne den beschriebenen Wirbel kann der Motor Schwierigkeiten haben, oberhalb von 6000 U/min zu arbeiten, bevor ein Brennschluss stattfindet. Es ist wichtig, eine Frühzündung bei hohen Betriebsbelastungen in dem niedrigeren Geschwindigkeitsbereich zu verhindern, was auch die Brennkammer-Leckagerate ist. Eine verringerte Leckagerate ist auch möglich, und dies wird in vorteilhafter Weise die Drehmomenteigenschaften bei niedriger Geschwindigkeit und die zugeordnete Kraftstoffeffektivität bei niedriger Geschwindigkeit verbessern. Da die meisten Motoren nicht auf maximale Drehmomentwerte bei niedrigen Geschwindigkeiten belastet werden, kann dieser Punkt einer Motoranwendung zugeordnet werden.
BETRIEBSMODEN
Der grundsätzliche Betriebsmodus ist auf den thermodynamischen Viertakt-Prozesszyklus gerichtet, obwohl ein bestimmter Vorteil durch Zweitakt-Zyklus-Betriebsweisen mit deren radialen Strömungseinrichtungen zum Einführen von Kraftstoff-Luft-Gemischen erreicht werden kann.
Der grundsätzliche Betriebsmodus ist wie folgt. (Siehe 28, 29, 30 und 39). Ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in die Brennkammer 13 hineingezogen, wie dies in den 28, 29, 30 und 39 zu sehen ist. Dies tritt dann auf, wenn die Brennkammer 13 dem Einlasskanal 10 bei der Expansion relativ zu der sinusförmig konturierten Stator-Wand 9 ausgesetzt wird. Kraftstoff und Luft werden in dem Einlassverteiler 10 zu einem nahezu homogenen, verbrennbaren, gasförmigen Fluid gemischt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch fließt hinter die Ecke oder Kante 14, um in die Brennkammer 13 einzutreten, wobei sich die Strömung trennt und sich ein stehender Wirbel 17 an der Ecke 14 entwickelt. Alternativ kann eine aufrecht stehende Begrenzung in der Nähe zu dem Ein lass die Strömung in eine Bewegung versetzen. Wenn die Brennkammer 13 nachläuft, schließt die Rotor-Schaufel 8 die Brennkammer 13 von dem Einlasskanal 10, der Wirbel 17 wird sich mit der Brennkammer 13 unter einer Geschwindigkeit des Rotors 1 relativ zu der sinusförmig konturierten Stator-Wand 9 bewegen. Der Wirbel verringert sich im Durchmesser und erhöht sich in der Geschwindigkeit einer Zirkulation, wenn die Kammer 13 zu einer Kompression übergeht und in den Strömungskanal 15 eintritt. Dieser Zirkulation überlegt ist eine radiale Zirkulation, die das Füllen der Brennkammer 13 unterstützt. Die Strömungsgeschwindigkeit in dem Einlasskanal 10 ist ungefähr dieselbe wie die Rotorgeschwindigkeit relativ zu der konturierten Stator-Wand 9.
Während der Gasbewegung führt die Brennkammer 13 die Zündeinrichtung in das Zündungsloch 12, von wo aus eine Flamme zu einer zeitabgestimmten Position der Brennkammer 13 relativ zu der konturierten Wand 9 austritt. Der laufende Wirbel 17 induziert eine relative Rückströmung nahe der konturierten Stator-Wand 9 und diese Strömungsdrehung sichert eine stabile Flamme ausströmseitig und einströmseitig der Zündeinrichtungsstelle für die Dauer der Verbrennung. Während des Gasflusses durch den Strömungskanal 15 über den Kompressions-Peak 16 der sinusförmigen, konturierten Stator-Wand 9 bewegt sich das Gas unter einer sehr hohen Laufgeschwindigkeit. Die Strömungsdiffusion ausströmseitig des Strömungskanals 15 verringert die Laufgeschwindigkeit der Verbrennungsgase und erhöht den statischen Druck und die Temperatur, während der dynamische Kopf reduziert wird.
Während der Strömung der Gase durch den Strömungskanal 15 zwischen der Rotor-Scheibe 6 und dem Stator 2 werden die Rotor-Schaufeln 8 variierenden Bereichen ausgesetzt werden. Die Druckaufbringung der umschlossenen Gase unter angehobenen Druckniveaus in der Brennkammer 13 entwickelt folglich ein Drehmoment um die Hauptwelle 3 herum über einen konstanten Arm.
Eine Verbrennung des eingeschlossenen, brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemischs findet während einer Gasströmung durch den Strömungskanal 15 in der Rotor-Scheibe 6 statt. Während der Verbrennung innerhalb der Brennkammer 13 findet ein schneller Anstieg im Druck und in der Temperatur statt, was einen radialen Abfall in der Strömungs-Mach-Zahl bewirkt, während die Strömungsgeschwindigkeit konstant verbleibt. Dies führt zu einem merkbaren Anstieg in dem statischen Druck und zu einem verringerten Druckabfall über den Strömungskanal innerhalb der Brennkammer 13. Der statische Druck wird weiter während der Diffusion in den voranführenden Teil der Brennkammer 13 nach Passieren des Kompressions-Peaks 16 ansteigen, wie dies vorstehend erwähnt ist.
Zu dem Ende des Expansionshubs hin öffnet der Auslassverteiler die Brennkammer 13 zu der Atmosphäre oder die Energiezurückgewinnungseinrichtung unter einem scharfen Winkel zu der Rotor-Scheibe 6 und der Richtung einer Drehung hin. Dies verhindert einen Gegendruck auf der nachlaufenden Rotor-Schaufel 8 und lässt den restlichen Druck der Brennkammer 13 für einen neuen Einlasshub nach einem Spülen des Restgases während des Durchgangs des zweiten Kompressions-Peaks 16 ab.
Die Arbeitsweise des Strömungskanals, die hier beschrieben ist, ist stark gegenüber derjenigen unterschiedlich, die in dem angegebenen US-Patent beschrieben ist. Die Erzeugung eines Strömungswirbels, um die Flamme bei hohen Rotorgeschwindigkeiten zu stabilisieren, um gegenüber einem Brennschluss während der Verbrennung durch den Strömungskanal 15 sicher zu sein, um die Einlass- und Auslassströmungen senkrecht zu der Bewegung der Rotor-Scheibe zu richten, um die Rotorkühlung zu beseitigen, die stark reduzierte Stator-Kühlung, die zu einem nahezu adiabatischen Betrieb führt, das Verfahren einer Verbrennung mit einem mageren Gemisch, die alternativen Verfahren einer Energiezurückgewinnung durch Zufügen der Restwärmeenergie in dem Abgas und das kombinierte Verfahren einer Energiezurückgewinnung und eines Turboaufladens, um ein extrem hohes Leistungsergebnis von dem Kraftstoff-Luft-Gemisch sicherzustellen, verbessern die neuen Motorversionen über das frühere Konzept hinaus. Wie dargestellt ist, ermöglicht das beschriebene Verfahren einer Verbrennung einen Betrieb bei reduzierten Äquivalenzverhältnissen, eine schnelle Verbrennung und eine hohe Prozessgeschwindigkeit, die die Verwendung von Kraftstoff mit niedriger Oktanzahl zulassen, einen Wärmewert, der durch einen Leistungsausgang kontrolliert ist, und ein externes Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dies führt zu einer höheren Motorleistung und einer sehr stark reduzierten Emission von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, einer überschüssigen Kraftstoffemission und einer Emission von Oxiden von Stickstoff, die in nahezu adiabatischen Motoren mit einer hohen Leistungsextraktion entgegenwirkend sein können.
29 stellt denselben Typ eines Motors in einem thermodynamischen Zweitakt-Betrieb dar. Die meisten Zweitakt-Motoren sind nicht in Bezug auf eine Kraftstoff-Luft-Einführung und -Spülung selbst arbeitend, da ihnen die Fähigkeit fehlt, ohne irgendeine zusätzliche Maßnahme eines Pumpens, entweder einer externen Pumpe oder des Kurbel gehäuses, zu befüllen und zu entleeren. Unter der Annahme, dass die Bewegung für solche Funktionen verfügbar ist, wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in derselben Brennkammer 13 in einem Vorgang mit verwirbelndem Wirbel 17 zwischen der konturierten Stator-Wand 9 und der Rotor-Scheibe 6 komprimiert werden. Unter Erreichen der maximalen Kompression an dem Kompressions-Peak wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Zündeinrichtung 12 gezündet werden, während die Gasmischung durch den Strömungskanal 15 strömt. Die Flamme wird nach unten in den expandierenden Teil der Brennkammer 13 und auch nach oben gegen die Strömung dringen. Da jede Brennkammer 13 über zwei Hübe während jeder Umdrehung des Rotors 6 abschließt, wird das Verdrängungsvolumen dieses Motors zweimal desjenigen des Viertakt-Motors, der in den 28 und 30 dargestellt ist. Dieser Motor wird deshalb 288.000 Zündimpulse pro Minute während eines Betriebs unter 12.000 U/min benötigen. Mit zwei Triggerköpfen, die parallel verbunden sind, kann diese Zahl auf 72.000 Zündfunken pro Minute unter Verwendung von vier Zündsystemen und zwei Zündkerzen verringert werden. Mit nahezu zweimal so viel Energie und demselben Widerstand kann dieser Motor oberhalb von 12.000 U/min arbeiten. Ein leichter Verlust in dem Kompressionsverhältnis herrscht für diesen Motor vor, da die Einlassöffnungen in dem Bereich des Kompressionshubs des Motorbetriebs platziert sind. Ein Einführen und ein Spülen in diesen Motoren wird durch Anordnen der Einlassöffnung näher zu der Rotorwelle als die Auslassöffnungen unterstützt, und der Effekt einer Radialpumpe wird für diesen Zweck dienen.
VERBRENNUNGSKONTROLLE UND MOTORLEISTUNG
Dieser Abschnitt der Beschreibung ist auf das Verfahren von Verbrennungs- und Strömungspfadvorgängen, die dieser Verbrennung zugeordnet sind, gerichtet. Dies könnte in vielen Motoren, einschließlich demjenigen des '844 Patents, verwendet werden, allerdings ist für diesen Abschnitt eine Ausführungsform eines spezifischen Motors nicht notwendig, um dies zu diskutieren, und der theoretische Vorgang wird erläutert. Neue Motoren sind normalerweise in Bezug auf deren Funktion bzw. Leistung und für einen viel geringeren Grad in Bezug auf deren Architektur ausgelegt, obwohl sie an deren beabsichtigten Verwendungen anpassbar sein müssen.
Bei der Verfolgung der Motorleistung ist die Verbrennungsfunktionsweise sehr wichtig. Eine Motorkompressions- und Motorbelüftungsfähigkeit muss in Bezug auf deren praktische Grenzen des Typs eines Motors, der eingesetzt ist, beachtet werden. Eine Ver brennung muss so schnell wie möglich durchgeführt werden, mit einem minimalen Verlust an Motorkühlung und -abgas. Die verschiedenen Parameter, die die Verbrennungsgeschwindigkeit kontrollieren, wurden in den vorherigen Abschnitten beschrieben. Die wichtigste Variable, die für eine Verbrennungskontrolle in einem definierten Motorbetrieb in Bezug auf ein festgelegtes Kraftstoff-Luft-Verhältnis verfügbar ist, ist die Zündtemperatur.
Aufgrund eines Fehlens einer anderen Verbrennungskontrolle in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit sich hin- und herbewegendem Kolben wird eine Zündungskontrolle durch einen Vorverlegungs-Verzögerungsmechanismus erreicht. Dieser bewegt den Zündpunkt nach vorne oder nach hinten in dem Kompressionshub des thermodynamischen Zyklus, um Variationen in der Verbrennungsgeschwindigkeit während verschiedener Geschwindigkeits- und Belastungszustände zu kompensieren. Dies wird vorgenommen, um den Peak-Verbrennungsdruck korrekt zu platzieren und ist für den besten Leistungsabtrieb in dem Leistungshub ausgelegt. Eine frühe oder späte Zündung bedeutet eine langsamere Verbrennung mit weniger klar definiertem Druck-Peak.
19 zeigt, dass dann, wenn eine volle Last von dem beschriebenen Motor erforderlich ist, und die Umgebungstemperatur nicht variiert, eine einzelne Zündtemperatur zufriedenstellend sein wird. Der niedrigere Kompressionsdruck und die niedrigere Temperatur in einem Teillastbetrieb, verursacht durch eine Brennkammer-Leckage und eine Einlassverteilungsdrosselung, erfordert mehr Zeit für eine Verbrennung, so dass der Zündpunkt vorverlegt werden muss. Eine langsame Verbrennung bedeutet normalerweise, dass weniger Drehmoment entwickelt wird, so dass ein Verfahren, um eine variable Zündtemperatur zu ermöglichen, stärker erwünscht ist als Vorgänge einer Vorverlegung oder Verzögerung. Während das letztere Verfahren üblicher ist, kann eine Variation in der Zündtemperatur nur eine Frage einer Entwicklung sein.
Den Zündzeitpunkt für einen induktiven Abgreifer relativ zu den sich bewegenden Rotorsollstellen zu variieren ist sehr einfach, und ein herkömmlicher Einlassverteiler-Aktuator vom Druck-Typ kann mit ein paar Änderungen an Standardkomponenten angepasst werden. Eine Zündtemperatur zu variieren kann schwieriger sein, insbesondere dann, wenn eine Jet-Flamme dazu verwendet wird, das komprimierte Gemisch der Brennkammer zu zünden. Die Frage einer Flammentemperatur des Jets bzw. Strahls kann sehr stark im Vordergrund stehen.
Das üblichste Verfahren, um die Last- und Motorgeschwindigkeitserfordernisse in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit sich hin- und herbewegendem Kolben zu erfüllen, ist dasjenige einer Drosselung des Einlassverteilers. Dies verringert den Druck des Einlassverteilers, der für einen Motorbetrieb verfügbar ist, da dann der Motor in einer weniger dichten Luft bei einer großen Höhe betrieben wird. Dies ist das einzige Verfahren, das in herkömmlichen Benzinmotoren mit sich hin- und herbewegendem Kolben verwendbar ist, da die Grenze einer mageren Entflammbarkeit in diesen einen Betrieb mit magerem Gemisch beschränkt. Steuerungen eines Betriebs mit magerer Gesamtmischung werden in Dieselmotoren verwendet. Motoren, die in Flugzeugen verwendet werden, haben normalerweise Einrichtungen für eine Kraftstoff-Luft-Abmagerung zur Verwendung bei einer großen Höhe.
Die Entflammbarkeitsgrenze eines expandierten, mageren Gemischs in dem beschriebenen Wärmemotor eröffnet die Möglichkeit, dass die Motorgeschwindigkeit und die Lastkontrolle sowohl durch eine Einlassdrosselung als auch durch eine Luft-Kraftstoff-Gemisch-Variation erreicht werden kann, was demzufolge zu einer besseren Motorkontrolle führt.
10 stellt die Entflammbarkeitsgrenzen für das Flammenrohr in einer Modem-Gasturbinenmotor-Brennkammer dar. Der Brennschluss-Grenzbereich ist hier als das Kraftstoff Luft-Äquivalenzverhältnis, ausgedruckt gegenüber einem Korrelationsparameter, PT/V, zu sehen, wobei:

P: = Brennkammer-Kompressionsdruck [psia] [1 psia = 1,0145 × 10^–5 Pa]
T: = Brennkammer-Kompressionstemperatur [°R] [1°C = 0,56° K]
V: = Brennkammer-Gaslaufgeschwindigkeit [ft/'sec] [1 ft/sec = 0,3048 m/sec]

Unter Ändern der Werte der 11, 12 und 13 als ein Beispiel wird der Parameter, berechnet für den angegebenen Motor bei 1000 U/min, an einem warmen Tag ungefähr: PT/V =(50)(900)/50 = 900 (psia)(°R)/(R/sec) = 1,664 × 10–8 Pa ÷ m/sec
Wiederum ist, unter Bezugnahme auf 10, zu sehen, dass die Brennkammer bei einem Äquivalenzverhältnis bis herunter zu 0,30 betrieben werden kann, während ein Verhältnis von mehr als eins normalerweise in den Verbrennungsmotoren mit sich hin- und herbewegendem Kolben verwendet wird. Es ist anzumerken, dass dies ein unterschiedliches Verfahren einer Verbrennung ist.
In Tech. Ref. 5 besaß die Gasströmung einen statischen Druck von 1,014 × 10^–5 Pa (14,7 psia), und eine statische Temperatur von 210 Grad Kelvin oder 378 Grad Rankine, was sehr kalt ist.
Bei einer Mach-Zahl von 1,5 ergibt sich PTN =(14,7 × 378)/(952,8) = 5,83(psia)(°R)/(ft/sec) bei einer Massenfraktion von Methan zu Luft von (0,037 kg/kg) 0,037 Ib./lb., was zu einem Äquivalenzverhältnis von 0,058 (=0,636) führt. 10 zeigt, dass die Brennschlussgrenze für dieses Äquivalenzverhältnis in der Auskleidung der Brennkammer einer Gasturbine PT/V-Werte von ungefähr 400(psia)(°R)/(ft/sec) = 7,396 × 10^–7 Pa × K ÷ m/sec haben sollte. 12 stellt viel höhere Temperaturen dar. Es ist demzufolge zu sehen, dass das Strömungsrohr, das Methan-Luft mit hoher Geschwindigkeit verbrennt, in einer stabilen Art und Weise bei einem viel niedrigeren PT/V-Wert als bei der Brennkammerauskleidung der Gasturbine betrieben werden kann.
Ähnlich findet, in 7, eine Zündung bei einer Gastemperatur von 1600 Grad Kelvin oder 2880 Grad Rankine statt. Der PT/V-Wert, berechnet für Mach-Zahl 1,5, basierend auf dieser Temperatur, führt zu einem PT/V-Wert von 16,1 (psia)(°R)/(ft/sec) 2,97 Pa × K m/sec, was sehr nahe zu dem zuvor berechneten Wert liegt, bevor eine Zündung stattfindet.
Wenn die Verbrennung stattfindet, wird die Kettenreaktion von Ereignissen in dem Strömungsrohr und in einer geschlossenen Brennkammer sehr unterschiedlich. In einem Strömungsrohr herrscht die Mach-Zahl vor, während sich die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit in dem Wert erhöhen, wenn Wärme zugeführt wird. Der Druck verbleibt konstant. In einer Brennkammer mit geschlossenem Volumen, wie dies in dem beschriebenen Wärmemotor dargestellt ist, herrscht die Strömungsgeschwindigkeit vor, der Druck und die Temperatur erhöhen sich und die Mach-Zahl verringert sich. Durch Anwenden der Werte von den 13, 21 und 22 für denselben Betrieb bei 500 U/min wird der neue PT/V-Wert für den offenbarten Motor 38.000 (psia)(°R)/(ft/sec) = 7,03 × 10^–9 Pa × K m/sec. Dies zeigt, dass die Flamme noch stabiler wird, wenn die Verbrennung fortschreitet, wenn eine Flammenstabilität über eine solche kurze Zeitspanne überhaupt Sinn macht.
Es erscheint hier, dass sich die Brennschlussgrenze zu einem niedrigeren, korrelierenden Parameterwert mit der Erhöhung in der Geschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs, verglichen mit einer Modem-Brennkammer-Auskleidung in einem Gasturbi nenmotor, bewegt hat. Eine Flammenstabilität ist deshalb kein Problem in der Ableitung des Motors mit positiver Verschiebung, der in dem US-Patent angegeben ist.
Deshalb stellt der Betrieb unter Leerlaufleistung unter einer hohen Höhe oder mit einer nahezu geschlossenen Verteilerklappe kein Problem dar. Es kann besser sein, einen Betrieb unter magerem Gemisch bei einer hohen Höhe anstelle einer Einlassverteilerdrosselung zu benutzen. Um bei einer großen Höhe zu starten, kann es erwünscht sein, eine weit offene Drosselklappe mit dem Einlassdruck durch irgendeinen verfügbaren Rampendruck unterstützt zu benutzen und bei einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch laufenzulassen.
31 stellt die Leistungsfunktion des Viertakt-Motors in zwei unterschiedlichen Konfigurationen dar. Die unteren Werte beziehen sich auf den Basismotor in einer normal belüfteten Version. Die höheren Werte beziehen sich auf denselben Viertakt-Motor in einer normal belüfteten Version mit einer Energierückgewinnung in dem Abgasauslass, der zurück mit der Hauptwelle verbunden ist. Beide Motoren verbrauchen dieselbe Menge eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, allerdings zieht der Motor mit der Leistungsrückgewinnung mehr Energie von dem Kraftstoff heraus. In einer turbogeladenen Version wird der Peak-Leistungspegel einige 1,19 kW (1600 BHP) erreichen, allerdings hat dann die Masse des Kraftstoff-Luft-Gemischs nahezu das doppelte. In den Zweitakt-Anordnungen erreicht das Peak-Leistungsniveau ungefähr 2,46 kW (3300 BHP), allerdings ist hier die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemischs das doppelte verglichen mit den Versionen des entsprechenden Viertakt-Motors.
32 stellt die Motorleistung in der Basis und turbogeladenen Turbo-Verbund-Versionen des beschriebenen Viertakt-Motors in Bezug auf einen bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch (Brake Specific Fuel Consumption) gegenüber einer Motorleistung dar. Diese werden mit zwei kleinen Gasturbinenmotoren und einem Fahrzeugmotor, modifiziert für die Benutzung in einem Flugzeug, verglichen. Wie anhand der Figur zu sehen ist, sind die beschriebenen Motoren sehr ökonomisch bei 50% Leistung oder bei ungefähr 6000 U/min. Die Kraftstoff-Verbrauchs-Kurven verbleiben allerdings nahezu flach von etwa 2000 bis 12.000 U/min. Der Motor General Electric CT-7 wird umfangreich in großen Helikoptern verwendet, der Lycoming AGT 1500 Turbinenmotor wird ausschließlich in dem M-1 Abram Main Kampfpanzer verwendet und der Thunder Motor ist für eine Verwendung offen.
Ein Betrieb unter bester Leistung in herkömmlichen Verdränger-Verbrennungs-(SI)-Motoren vom Typ mit herkömmlichen Kolben wird normalerweise bei ungefähr 15% eines angereicherten Kraftstoff-Luft-Gemischs vorgefunden, wo die Verbrennungsgeschwindigkeit am höchsten ist. Mehr Wärme, allerdings weniger Energie, ist bei einem stöchiometrischen Kraftstoff Luft-Verhältnis verfügbar, allerdings bei einer langsameren Verbrennungsgeschwindigkeit. Da die innere Strömungsgeschwindigkeit in den offenbarten Wärmemotor eingeführt wurde, übertrifft der Verlust in dem Brems-Durchschnitts-Effektiv-Druck (BMEP), der normalerweise dann vorgefunden wird, wenn mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, und zwar aufgrund der langsameren Verbrennungsrate, den höheren Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktor. Der Motorleistungsausgang wird nun eine Funktion der verfügbaren Wärme werden. Demzufolge ist viel Energie oder sogar mehr nun bei 15% eines mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs wie bei einem 15% angereicherten Gemisch verfügbar. Die Werte, die in diesen Unterlagen dargestellt sind, beziehen sich auf 15% angereicherter und auf ungefähr 15% abgemagerter Kraftstoff-Luft-Gemische.
Ein Betrieb mit mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen ohne einen Verlust in der Motorleistung führt zu einer verringerten Emission von Kohlenmonoxid und einer Emission von weniger überschüssigen Kohlenwasserstoffen bei der Verbrennung, und da weniger Kraftstoff verwendet wird, führt dies auch zu einer verringerten Emission von Kohlendioxid. Nahezu keine Emission von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff wird abgegeben werden. Da Kraftstoffe mit niedriger Oktanzahl akzeptabel sind, ist die Verbrennung schnell, praktisch alle erkannten Schadstoffe werden auf extrem niedrige Emissionspegel eingestellt, wenn fossile Kohlenwasserstoffkraftstoffe in den angegebenen Verdrängermotoren verwendet werden. Pegel von Oxiden von Stickstoff mit 0,01 bis 0,1 g/kg eines Kraftstoffs sind möglich. Unter Verwendung von Methan für den Kraftstoff können die Kohlendioxidniveaus um 70% bestenfalls der beschriebenen Motoren verglichen mit Jet-Kraftstoffen und Benzin in deren jeweiligen Motoren reduziert werden.
Die Viertakt-Versionen der beschriebenen Verdränger-Wärmemotoren können 7,1 kW/kg (4,3 BHP/lb.) an Motorgewicht in der Basisversion erzeugen. Dies steht im Vergleich zu ungefähr 0,822 kW/kg (0,5 BHP/lb.) an Motorgewicht für die besten Viertakt-Motore mit sich hin- und herbewegendem Kolben. Auch wird, da die Motorluftpumprate sehr hoch für deren Verdrängungsvolumen ist, und geringe Wärmeenergie verloren geht, um zu kühlen, die beschriebene Basisversion des Motors etwa 5,0 BHP/cu. in. einer Verdrängung bei voller Motorgeschwindigkeit und -last, und etwa 1069 kW/kg (640 BHP/lb.) von Luft, die verbraucht wird, erzeugen. Ein kleiner Gasturbinenmotor wird ungefähr 205,5 kW/kg (125 BHP/lb.) an Luft, die verbraucht ist, erzeugen. Der Motorleistungsabtrieb wird nun um einen Faktor von 2,5 gegenüber dem Motor, beschrieben in dem angegebenen US-Patent, erhöht. Diese Funktionsverbesserung ist auch das Ergebnis von mechanischen Verbesserungen außerhalb des Schutzumfangs dieser Unterlagen. Von einer Kraftstoffverbrauchsrate von 2,5 10^–4 Kg/Whr (0,5 lb./BHP-hr) für einen typischen Viertakt-Motor mit sich hin- und herbewegendem Kolben reicht der Kraftstoffverbrauch des offenbarten Basismotors von 2 10^–4 bis 10^–4 Kg 1,3 Kg/Whr KG 0,4 bis 0,26 lb./BHP-hr in der verbesserten Ausführungsform. Ein Kraftstoffverbrauch geht dann weiter nach unten auf etwa 9,01 10^–5 Kg/Whr (0,18 lb./BHP-hr) für die Verbundversionen. Da weniger Kraftstoff verbraucht wird, um dieselbe Leistung zu erzeugen, muss weniger Kohlendioxid auch erzeugt werden. Falls Methan als Kraftstoff verwendet wurde, kann eine weitere Verringerung von 15,2% im Kraftstoffverbrauch erwartet werden.
Ein Vergleich der Funktions-Charakteristika des Betriebs des vorstehend beschriebenen Motors und von anderen Motoren ist in den 42 und 43 dargestellt. Der Referenzmotor, betrieben unter den Prinzipien, die hier beschrieben sind, entwickelt wesentlich mehr Bremsleistung und Drehmoment als vergleichbare Motoren.
Aufgrund einer niedrigen Verbrennungsgeschwindigkeit müssen Verbrennungsmotoren vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben (Verdränger-Typ) deren Kraftstoff-Luft-Verhältnisse auf ein angereichertes Gemisch erhöht haben, wenn sie unter Leerlaufgeschwindigkeiten und Lasten betrieben werden. Wie zuvor in diesem Abschnitt dargestellt ist, wird der beschriebene Verdrängermotor mindestens 21 % schneller verbrennen. Magere Kraftstoff-Luft-Gemische werden auch bei Leerlaufgeschwindigkeiten verwendbar sein, und die Emission von überschüssigen Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid wird nahezu beseitigt werden.
Ein nahezu adiabatischer Betrieb des offenbarten Motors wird zu höheren Abgasdrücken und -temperaturen führen, was zu einer hohen Infrarotemission und hohen Abgasgeräuschpegeln führt. Peak-Abgastemperaturen bis zu 1012 Grad Celsius (1855 Grad Fahrenheit) und ein Restdruck, hoch genug, um Ultraschallabgasgeschwindigkeiten zu erreichen, werden erwartet. Dies wird freie Abgasgeräuschpegel unterhalb des Schwell werts, der unangenehm ist, auf der A-gewichteten Skala, korrigiert für eine hohe Impulsfrequenz, um bis zu 113,8 dB bei 3,05 m (10 ft.) eines Abstands zu gehen, verursachen. Dies bedeutet 85,3 dB bei einem Abstand von 60,96 m (200 ft) und 66 dB bei einem Abstand von 304,8 m(1000 ft.) von dem Abgasauslass während eines Betriebs unter 10.000 U/min. Der höchste Geräuschpegel wird in der sieben Oktave vorgefunden.
Da relativ kleine Gasmassen eingesetzt sind, kann der Geräuschpegel einfach nach unten nahezu zu ungefähr 75 dB(A) gedämpft werden. Noch vorteilhafter, allerdings auch stärker eingesetzt, ist die Zurückgewinnung einer bestimmten Wärmeenergie von dem Abgas. Dies umfasst ein Expandieren des Abgasdruckes auf ein niedrigeres Druckniveau und dadurch Reduzieren der Restabgastemperatur und der Austrittsstrahlgeschwindigkeit.
Eine Abgasrückgewinnung kann in unterschiedlichen oder zusätzlichen Arten und Weisen eingesetzt werden, die das Umwandeln von Energie zu Motorwellenleistung, zu Schub oder zu Dampf oder Wärme umfasst. Ein statisches Schubniveau von etwa 75 kg/kg (75 lb./lb.) von Luft ist für das Abgas für spezielle Anwendungen verfügbar. Die Energiezurückgewinnung durch Ausgehenlassen (blow-down) ist auf einen verfügbaren Druck begrenzt, allerdings kann mehr Wärme in anderer Weise zurückgewonnen werden. Sowohl Geräusch als auch Abgastemperaturen werden durch diese Verfahren reduziert.
ALTERNATIVE VERFAHREN UND AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Verdränger-Verbrennungsmotoren mit konstantem Volumen (SI), wo das Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis gleich sind, wird immer eine wesentliche Menge eines Energieverlustes durch die Auslassöffnungen vorhanden sein. Dieser Wärmeverlust ist höher für nahezu adiabatische Motoren als für herkömmliche solche, wobei ein Teil dieses Verlusts über das Kühlen der Brennkammer stattfindet. Der Zweck der dargestellten Alternativen ist derjenige, mehr Leistung von dem offenbarten Wärmezyklus mittels einer Abgasrückgewinnung und einer zusätzlichen Turboaufladung zu erzeugen oder zurückzugewinnen.
Diese Beschreibung beschreibt ein fortschrittliches Verfahren einer Verbrennung mit geschlossenem Behälter oder Brennkammer, das in einer speziellen Klasse von schnell arbeitenden Verdränger-Verbrennungsmotoren ausgeführt werden kann. Eine schnelle Strömung innerhalb der Verbrennungskammer dient dazu, die Entflammbarkeitsgrenze eines mageren Kraftstoff Luft-Gemischs zu erweitern, so dass magerere Kraftstoff-Luft-Verhältnisse verbrannt werden können. Der schnelle Prozessvorgang bedeutet auch, dass dieser Motor unempfindlich für Kraftstoff-Oktanwerte wird und einen nahezu adiabatischen Betrieb ohne die Verwendung von Keramiken ermöglicht. Da ein nahezu adiabatischer Betrieb auch einen höheren Abgasenergieverlust mit sich bringt, als er normal ist, wird eine bestimmte Maßnahme für eine Energiezurückgewinnung wichtig.
In einem Verbrennungs-(SI)-Motor vom Typ mit sich hin- und herbewegendem Kolben basieren das Verdrängungsvolumen und das Kompressionsverhältnis auf dem Volumen, das zwischen der unteren und der oberen Totpunktmitte überstrichen wird. In dem beschriebenen Motor mit positiver Verdrängung ist das überstrichene Volumen das Volumen, das zwischen dem Schließen der Einlassöffnung und der oberen Totpunktmitte überstrichen ist. Das Expansionsvolumen ist das Volumen, das zwischen der oberen Totpunktmitte und der Öffnung der Auslassöffnung überstrichen ist. Durch Bewegung der Einlassöffnung näher zu der oberen Totpunktmitte hin kann das Kompressionsverhältnis kleiner als das Expansionsverhältnis gemacht werden, was wiederum den Leistungsausgang reduzieren kann, allerdings die Motorbetriebseffektivität verbessern kann. Um diesen Vorgang zu erfüllen, kann die Anzahl von Brennkammern in dem Umfang erhöht werden, was demzufolge das Kompressionsverhältnis erhöht. Dies bedeutet wiederum einen größeren Motordurchmesser und eine Rotor-Nabe mit größerem Durchmesser, so dass die Vorteile dieser Änderung in Frage gestellt werden können.
33 stellt eine schematische Darstellung des Grund-Viertakt-Leistungsabschnitts A der 28 in einer turboaufgeladenen Version dar. Luft wird in den Kompressor 10 hineingezogen und auf höhere Druck- und Temperaturniveaus komprimiert. Kraftstoff B wird in die komprimierte Luft eingeführt, um ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Dieses Gemisch tritt in die Verbrennungskammer des Motors A ein und wird weiter komprimiert, verbrannt und expandiert. Das restliche Expansionsgas auf einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck wird weiter zu atmosphärischem Druck hin in dem Expander E expandiert bzw. entspannt. Dies wiederum treibt den Kompressor C über die Welle D an. Die gesamte überschüssige Energie wird an die Atmosphäre abgegeben.
34 zeigt eine schematische Darstellung des Viertakt-Leistungsabschnitts A von 28 in einer Verbundversion mit einem Expander E, mit seiner Welle D mit der Motorwelle verbunden. Restliche Verbrennungsgase unter erhöhten Drücken und Temperaturen werden zu dem Atmosphärendruck in dem Expander E expandiert, der den Lei stungsausgang zu der Welle B des Basismotors über einen Geschwindigkeitsuntersetzer F überträgt. Eine Turbine sollte mit bis zu 40.000 bis 60.000 U/min laufen. Ein Expander mit positiver Verschiebung bzw. Verdrängung sollte nahe zu der Geschwindigkeit des Basisrnotors laufen.
35 stellt eine schematische Anordnung des Basis-Viertakt-Leistungsabschnitts A von 28 mit einem Turboladegerät C, D und E, verbunden mit seiner Antriebswelle über einen Geschwindigkeitsuntersetzer F, dar. Luft wird wiederum in den Kompressor C hineingezogen und auf höhere Druck- und Temperaturniveaus komprimiert, wobei Kraftstoff B eingeführt wird, um ein nahezu homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird weiterhin in dem Basisleistungsabschnitt A komprimiert, wo eine Verbrennung und Expansion auch stattfindet. Die expandierten Gase werden dann in einen Expander E ausgegeben. Hier wird der restliche Druck weiter zu nahezu atmosphärischem Druck bei C expandiert. Die Turbo-Kompressor-Antriebswelle ist mit der Leistungsabschnittswelle mittels eines Geschwindigkeitsuntersetzers F verbunden. Mehr Energie wird hier von dem Abgas genommen als dies erforderlich ist, um den Kompressor C anzutreiben.
Die Funktionsweise dieses letzten Typs eines Motorsystems bei einem Einlassverteilerdruck von 2 Atmosphären stellt eine Erhöhung des äquivalenten Bremsdurchschnitts-Effektivdrucks (BMEP) auf ungefähr 3,378 × 10³ kPa (490 psi) dar. Der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch ist noch gut unterhalb von 1,0 × 10^–4 Kg/Whr (0,20 lb. an Kraftstoff/BHP-hr), wie dies in 32 dargestellt ist. Das Leistungs/Gewichtsverhältnis dieses Motors ist nahezu 1,6 10^–4 Kg/Whr (8 BHP/lb.) eines Gewichts, was von der Auswahl des Materials und der Komponenten abhängig ist. Abgastemperatur- und Geräuschpegel sind niedriger als für den vorhergehenden Fall.
36 zeigt eine schematische Anordnung des Zweitakt-Motor-Leistungsabschnitts von 29 mit zwei Abgasexpandern in dem Abgasströmungspfad. Die doppelte Anordnung ist so dargestellt, um die Bearbeitung des Kanals der Verteiler zwischen dem Motorleistungsabschnitt A und den Expandern E zu vereinfachen. Diese Anordnung verdoppelt den Leistungsausgang verglichen mit der Anordnung in 34 aufgrund des höheren Strömungsvolumens. Eine Verbesserung in dem Motorleistungs/Gewichtsverhältnis wird erwartet.
37 stellt eine schematische Anordnung des Zweitakt-Motor-Leistungsabschnitts A von 29 mit zwei Turboladern C, D und E in dem Gasströmungspfad dar. Die doppelte Anordnung ist so dargestellt, um die Bearbeitung des Kanals der Verteiler zwischen dem Motor A und den Turboladern C, D und E zu vereinfachen. Der Strömungspfad ist ähnlich zu der Viertakt-Anordnung der 29. Die Ausnahme ist diejenige, dass zwei, anstelle von einer, Einlauföffnungen, zwei Auslassöffnungen und zwei Zündeinrichtungen pro Seite vorhanden sind. Dieser Motor besitzt deshalb die zweifache Verdrängung des Viertakt-Motors mit denselben Dimensionen, und der Leistungsausgang ist nahezu zweimal so hoch. Das Leistungs/Gewichtsverhältnis dieses Motors beträgt ungefähr 2,25 10^–4 W/kg (11,25 BHP/lb.) eines Motorgewichts. Der Äquivalent-Brems-Durchschnitts-Effektivdruck (BMEP) wird in der Nähe von 2413 kPa (350 psi) liegen und der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch (BSFC) wird nahe zu 1,3 10^–4 Kg an Kraftstoff/Whr (0,26 lb.) eines Kraftstoffs/BHP-hr liegen. Der Verteilerdruck ist hier 202,65 kPa (2 Atmosphären).
38 stellt denselben Basis-Zweitakt-Motorleistungsabschnitt A von 29, wiederum mit zwei Turboladern C, D und E, dar. Diese haben nun die Welle D mit der Welle B mittels zwei Geschwindigkeitsuntersetzern F verbunden. Der Gasströmungspfad ist ähnlich zu der Anordnung der 35 und 37. Der Basismotor hier nimmt überschüssige Energie von einem überdimensionierten Abgasexpander E auf, der Leistung zurück zu dem Motorleistungsabschnitt A, mit der Antriebswelle B über die Antriebswelle D und den Geschwindigkeitsuntersetzer F, überträgt.
Diese Motoranordnung ist sehr leistungsfähig und wird ungefähr 15 BHP/lb. eines Motorgewichts bei einem äquivalenten Brems-Durchschnitts-Effektivdruck (BMEP) von ungefähr 3378 kPa (490 psi) erzeugen. Der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch (BSFC) wird geringer als 1,0 × 10^–4 Kg an Kraftstoff/Whr (0,20 lb) eines Kraftstoff/BHP-hr sein, wie dies in 32 dargestellt ist. Diese Funktion ist bei einer vollen Last unter 6000 bis 8000 U/min auf Meereshöhe und mit einem Einlassverteilerdruck von zwei Atmosphären vorhanden. Die Abgastemperatur und das Abgasgeräuschniveau werden niedriger als in der Ausführungsform der 29.
Es ist zu sehen, dass Kraftstoff in den supergeladenen Motoreinlassverteiler bei B nach dem Austritt von dem Kompressor eingeführt wird. Dies wurde vorgenommen, um die Einlassverteiler-Gastemperatur so einzudämmen, um als ein Vorkühler für das Kraft stoff-Luft-Gemisch zu wirken. Es ist allerdings auch möglich, diesen Kraftstoff in den Kompressoreinlass einzuführen.
Dies schließt die Beschreibung der alternativen Motorausführungsformen und konfigurativen Anordnungen der beschriebenen Motorverbrennung und deren Strömungspfadoperation, die in diesem Zusammenhang geprüft ist, ab. Weitere Kombinationen sind allerdings möglich. Es muss deutlich sein, dass irgendein Motor, der die schnellen, inneren Strömungskriterien erfüllt, bei dem Verbrennungsverfahren und der Strömungspfad-Ausführungsform dieser Erfindung anwendbar sein wird. Einige Motoren, die das Verfahren der Erfindung verwenden, können größere oder geringere Vorteile erlangen, in Abhängigkeit von dem Motordesign und anderen Aspekten des Motors selbst.
Es muss auch deutlich sein, dass diese Familie von Hochleistungs-Wärmemotoren mit einigen spezifischen Anwendungen, an die gedacht ist, entwickelt worden sind. Dies sollte allerdings nicht deren universelle Anpassung an andere Anwendungen verhindern.
SCHLUSSFOLGERUNG
Die Technologie einer Verbrennung ist keine exakte Wissenschaft und ist Interpretationen und einigen Abweichungen von den Testdaten unterworfen. Die Daten, die in diesen Unterlagen dargestellt sind, sind dazu vorgesehen, Verfahren und Trends zu zeigen, die von einigen anderen Verfahren und Informationsquellen abweichen können und einigen Meinungen entgegenstehen können. Dies ist in jeder Wissenschaft üblich, wo Interpretationen und Logiken erforderlich sind, um an richtigen Ergebnissen anzukommen. Manchmal kann man die Ergebnisse, die man wünscht, nicht aus den Informationen erhalten, die verfügbar sind, und muss zu annehmbaren Annahmen zurückkehren.
In ersichtlicher Weise kann die Selbstzündtemperatur angehoben werden, indem das Kraftstoff-Luft-Gemisch fließen gelassen wird, und die Zündverzögerung und die Verbrennungszeit können wesentlich reduziert werden, wenn Temperatur, Druck und Strömungsgschwindigkeit erhöht werden. Die Zündverzögerung und die Verbrennungszeiten sind dazu in Bezug gesetzt, wie die Verbrennung durchgeführt wird, normalerweise mit 30-mal in einer Verbrennung mit konstantem Druck und ungefähr 5-mal in einer Verbrennung mit konstantem Volumen. Ein Vergleich der Funktionsweise einer Benzin- und Methanol-Verbrennung in einem Einzylinder-Verdrängungs-Verbrennungsmotor bestätigt, dass schneller brennende Kraftstoffe und höhere Mischungsturbulenzniveaus verursachen und ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch die Entflammbarkeit begrenzt.
Ein vereinfachtes Verfahren einer Analyse wurde dargestellt, um Zündverzögerungen und Verbrennungszeiten für verschiedene Motorbetriebsweisen einzurichten, und ein Verbrennungsgeschwindigkeitsfaktor wurde für diese Vorgehensweise definiert, um die erhöhten Zündverzögerungen und Verbrennungszeiten für atmosphärische Basislinien zu bestimmen.
Neben den vorstehenden Entdeckungen und Beobachtungen lehren die Analysen, dass Kraftstoffe mit niedriger Oktanzahl anstelle von solchen mit hoher Oktanzahl verwendet werden können, wenn schnelle Prozessvorgänge vorhanden sind. Eine schnelle Verbrennung kann durch Einführen einer schnellen Kraftstoff-Luft-Gemisch-Strömungsgeschwindigkeit in den Verbrennungsprozess hinein erreicht werden. Dies erhöht das Zündtemperaturerfordernis, allerdings verringert dies auch die Zündverzögerungs- und Verbrennungszeiten, so dass eine sehr schnelle Verbrennungsrate entwickelt werden kann. Eine Multi-Kraftstoff-Betriebsfähigkeit wurde dadurch eingerichtet und Kraftstoff-Oktanwerte wurde irrelevant.
Diese Offenbarung lehrt weiterhin, dass eine Erhöhung in der Zündtemperatur so weit bewegt werden kann, dass ein nahezu adiabatischer Betrieb erreichbar ist, gerade dann, wenn Kraftstoffe mit niedriger Oktanzahl verwendet werden. Ein schnell arbeitender Motor ist allerdings erforderlich, um die Prozessvorgänge schnell genug zu erreichen, um die Zündverzögerung zu überwinden, um eine Frühzündung zu verhindern.
Ein relativ kleiner Umfang einer Statorkühlung wurde belassen, um die asymmetrischen, thermischen Beanspruchungen in dem Stator zu lockern. Der Rotor wird automatisch durch das kältere Kraftstoff-Luft-Gemisch von dem Einlassverteiler gekühlt. Dies gewinnt eine gewisse Wärme von dem Verbrennungssektor über den Rotor mit niedriger, thermischer Leitfähigkeit des beschriebenen Motors zurück.
Diese Offenbarung lehrt weiterhin, dass Zündverzögerungs- und Verbrennungszeiten Funktionen von Parametern sind, wie beispielsweise Brennkammer-Kompressionsgasdruck und -temperatur, Verbrennungs-Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenzniveau, Kraftstoff-Luft-Verhältnis und Kraftstofftröpfchengröße.
Auch wurde das Erfordernis eines Flammenhalters oder eines Wirbels diskutiert, um zu verhindern, dass die Flamme bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausgeht, wenn der Verbrennungskammerdruck und die -temperatur unzureichend sind, um ein Flammenausblasen bzw. einen Brennschluss oder Betriebsweisen mit kalter Wand zu verhindern.
Die Lehren stellen ein Verfahren zum Abschätzen von Zünd-Energie-Niveaus vor, und vermitteln, dass die Zündtemperatur mittels des Zünd-Energie-Niveaus und des Zündspalts variiert werden kann.
Die Lehren zeigen weiterhin, dass die Entflammbarkeitsgrenzen, die in dem sich hin- und herbewegenden Kolben, in einem Einzylinder-Verbrennungs-(SI)-Motor, beobachtet sind, in einen Bereich eines mageren Kraftstoff Luft-Gemischs erweitert werden können, wenn eine innere Strömung und Turbulenz eingeführt wird. Die erhöhte Verbrennungsgeschwindigkeit, die beschrieben ist, wird die Verbrennungsleistungsniveaus eines mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs zu den besten Leistungsniveaus in einem angereicherten Gemisch, oder besser, zurückführen. Die Flammenstabilität verbessert sich, falls eine solche kurze Verbrennungsdauer als stabil bezeichnet werden kann, verglichen mit dem Betrieb einer Gasturbinen-Brennkammer, auch in dem offenbarten Betrieb.
Auch sind Erweiterungen des Expansionshubs verglichen mit dem Kompressionshub in einem Verdrängungs-Verbrennungsmotor beschrieben. Dies wird zu einer höheren Zurückgewinnung von Restabgasenergie führen, die dazu verwendet werden kann, die Motorwellenleistung und die Betriebseffektivität zu erhöhen.
Dann ist eine Umwandlung des angegebenen Basis-Verdrängungs-Viertakt-Motors zu einem Zweitakt-Motor mit nahezu zweimal dem Verdrängungsvolumen dargestellt.
Die Lehren umfassen auch die Effekte eines schnellen Prozessvorgangs in Bezug auf eine Emission von Oxiden von Stickstoff, die bewirken, dass sich Smog und saurer Regen, Kohlenmonoxid, das Atemprobleme verursacht, und überschüssige Kohlenwasserstoffe neben Abgasgeräusch und einer Infrarotemission der Abgase bildet. Eine Reduktion in den Oxiden von Stickstoff auf etwa 0,01 bis 0,1 g/kg Kraftstoff bei einer maximalen Rotorgeschwindigkeit ist gut erreichbar. Wenn Methangas als Kraftstoff verwendet wird, kann die Emission von Kohlendioxid um 64% verglichen mit einer kleinen Gasturbine, die mit Kerosin arbeitet, oder einem mit Benzin angetriebenen Verdrängungsmotor, verringert werden.
Die gesamte Technologie, die bei der Verbrennung und den Strömungspfadvorgängen umfasst ist, ist durch dokumentierte Testdaten und Analysen substantiiert worden. Dies zeigt die Durchführbarkeit der verschiedenen Betriebsaspekte und zeigt die Ausfüh rung der Betriebsweise des offenbarten Prozesses des Systems eines Verdrängungs-Verbrennungsmotors. Die Anwendung dieser Technologie ist die Basis dieser Offenbarung.
Das abschließende Ergebnis ist eine Familie von Motoren, die für außergewöhnliche Funktionsniveaus sowohl im Hinblick auf eine spezifische Kraftstoff-Ökonomie als auch in einer Leistungsabgabe geeignet sind. Diese Motoren sind auch umweltmäßig akzeptierbarer als irgendein existierender Verbrennungsmotor. Sie sind schnell im Betrieb, einfach im Design, kompakt aufgebaut und sind auch leicht im Gewicht. Im Hinblick auf die vereinfachte Philosophie und die Verfahren, die verwendet sind, führt diese Beschreibung zu einem sehr fortschrittlichen Motorkonzept.

Claims

Geschlossener Verdränger-Verbrennungs-Wärmemotor mit wenigstens drei Brennkammem (13), die sich mit einer wesentlichen Geschwindigkeit relativ zu einem Paar einander gegenüberliegender Stator-Wände (9) bewegen, wobei die Brennkammern (13) durch die Stator-Wände (9) und wenigstens einen vorderen und einen hinteren Rotor-Flügel (8) gebildet werden, die von einer Rotor-Welle (3) getragen werden und sich durch entsprechende Schlitze hindurch erstrecken, die in einer Rotor-Scheibe (6) ausgebildet sind, die Stator-Wände (9) Kühlkanäle, eine Einlassöffnung (10) und eine Auslassöffnung (11) enthalten, die Einlassöffnung (10) radial innerhalb der Auslassöffnung (11) ausgebildet ist, eine Kraftstoff-Luft-Mischeinrichtung der Einlassöffnung (10) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zuführt, und die Stator-Wände (9) in Kombination mit dem vorderen und dem hinteren Rotor-Flügel (8) aufeinanderfolgend durch die Brennkammern (13) umschlossene Volumen während der Bewegung derselben verdichten und ausdehnen, so dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch veranlasst wird, durch die Einlassöffnung (10) in die Brennkammern (13) zu strömen und dort verdichtet zu werden, und Zündeinrichtungen, die in die Brennkammern (13) geführt werden, das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem elektrischen Funken zünden, der während des Stroms des Kraftstoff-Luft-Gemischs durch einen Strömungskanal (15) über eine Zündöffnung (12) in der Stator-Wand (9) eingeleitet wird, um Drehmoment um die Rotor-Welle (3) herum durch erhöhten Druck zu erzeugen, der auf unterschiedlich beeinflusste Abschnitte des vorderen und des hinteren Rotor-Flügels (8) und einen Konstantdrehmoment-Arm (5) an der Rotor-Welle (3) in Reaktion auf Verdichtung in den Brennkammern (13) vor einer Ausdehnung nach Strom durch den Strömungsdurchlass (15) wirkt, und wenigstens eine der Brennkammern (13) über die Auslassöffnung (11) nach dem Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemischs entleert wird, um ein vorgerücktes Verfahren der geschlossenen Verbrennung und der damit verbundenen Strömungsleitungsfunktion zu ermöglichen und komplette thermodynamische Zyklen durchzuführen; wobei der hintere Rotor-Flügel (8) wenigstens einer der Brennkammern (13) während der Bewegung vorgerückt wird, um die Einlassöffnung (10) zu verschließen und die Verwirbelung (17) in der wenigstens einen Brennkammer (13) einzuschließen und während der Bewegung das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer (13) weiter zu verdichten und das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer erheblichen Geschwindigkeit relativ zu der Stator-Wand (9) und der Rotor-Scheibe (6) über eine Verdichtungsspitze (16) zu einem sich vergrößernden vom liegenden Volumen der Brennkammer (13) nach der Verdichtungsspitze (16) zu leiten, wobei Vorrücken während der Bewegung des hinteren Rotor-Flügels (8) auf den Strömungsdurchlass (15) die Verwirbelung (17) zusammen mit der Brennkammer (13) beschleunigt, so dass sie sich mit der Geschwindigkeit der Brennkammer (13) bewegt, während gleichzeitig eine zirkulatorische Radialbewegung der Verwirbelung (17) in der Brennkammer (13) aufrechterhalten wird, so dass durch die erhöhte Brennkammer-Innenstromgeschwindigkeit eine Entzündbarkeitsgrenze des Kraftstoff-Luft-Gemischs bei brennbarem Kraftstoff-Luft-Magergemisch gesenkt wird und in Kombination mit einem erhöhten Verdichtungsdruck und einer erhöhten Temperatur eine Brennkammer-Zündtemperatur und eine innere Verbrennungsgeschwindigkeit zunehmen; wobei die Rotor-Scheibe (6) nur gekühlt wird, indem Wärme von der Rotor-Scheibe dem Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer (13) zugeführt wird, während das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer (13) verdichtet wird, ohne Vorzündung zu verursachen, so dass die Brennkammer (13) mit fetten und mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen unter Verwendung von Multioktan- und Multikraftstoff-Verbrennung arbeitet; und ein flüssiges Kühlmittel in den Kühlkanälen in den Stator-Wänden (9) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass: eine erste Ecke (14) am Austritt der Einlassöffnung (10) angeordnet ist, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Stator-Wand (9) zu trennen und eine stehende Verwirbelung (17) an einem vorderen Ende der Einlassöffnung (10) zu erzeugen, wobei die erste Ecke (14) in einem rechten Winkel zur Bewegungsrichtung der Brennkammer (13) angeordnet ist; eine zweite Ecke an einem Eintritt in die Auslassöffnung (11) angeordnet ist, um Verbrennungsprodukte aus den Brennkammern (13) über die Auslassöffnung (11) während Ausdehnung in einem Winkel nahezu senkrecht zu der Rotorscheibe (6) an die Atmosphäre abzuleiten und eine unausgeglichene Kraftgegenwirkung auf einen hinteren der Rotorflügel (8) zu verhindern, wobei die zweite Ecke in einem rechten Winkel zur Bewegungsrichtung der sich bewegenden Brennkammer (13) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines geschlossenen Verdränger-Verbrennungs-Wärmemotors nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Trennen des Kraftstoff-Luft-Gemischs, das in die Brennkammer (13) eintritt, indem das Kraftstoff-Luft-Gemisch über eine Kante oder Ecke (14) geleitet wird; und Beschleunigen des getrennten Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer (13) relativ zu der Zündquelle an der Zündöffnung (12).
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren gekennzeichnet durch: Beschleunigen des getrennten Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer (13) durch Vorrücken während der Bewegung des hinteren Rotor-Flügels (8) auf den Strömungsdurchlass (15) zu, und wobei sich die Zündöffnung (12) in einer Stator-Wand (9) befindet, die wenigstens einen Abschnitt der Brennkammer (13) bildet.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch das Beschleunigen des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer (13) über eine Verdichtungsspitze (16) für das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer (13) vor dem Zünden des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemischs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch relativ zu einer Geschwindigkeit von wenigstens 70 Fuß pro Sekunde relativ zu der Zündöffnung (12) beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch relativ zu der Zündöffnung (12) beschleunigt wird, indem wenigstens eine der Brennkammern (13) relativ zu der Stator-Wand (9) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren das Erhöhen der Geschwindigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer (13) über eine Verdichtungsspitze (16) für das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer (13) vor dem Zünden des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemischs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (14) eine erste Ecke in der Einlassöffnung (10) ist, die an einem Einlass in die Brennkammer (13) angeordnet ist, und wobei Trennen des Kraftstoff-Luft-Gemischs, das in die Brennkammer (13) eintritt, des Weiteren Erzeugen einer stehenden Verwirbelung (17) in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Einlassöffnung (10) in die Brennkammer (13) durch Leiten des Kraftstoff-Luft-Gemischs über die erste Ecke umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin das Erzeugen eines ausreichend niedrigen Drucks in der Brennkammer (13) durch Ausdehnen der Verdichtungskammer (13) umfasst, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch, das die stehende Verwirbelung (17) aus Kraftstoff-Luft-Gemisch enthält, als eine freie Verwirbelung (17) aus Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer (13) anzusaugen.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das Leiten des Kraftstoff-Luft-Gemischs über die Kante (14) des Weiteren umfasst: Leiten des Kraftstoff-Luft-Gemischs über einen aufrechtstehenden Zaun zu der Einlassöffnung (10) in die Brennkammer (13), um eine stehende Verwirbelung (17) in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen; und Ansaugen der stehenden Verwirbelung aus Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer (13) als eine freie Verwirbelung (17) aus Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Ausdehnen der Brennkammer (13).
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass es auch das Leiten des Kraftstoff-Luft-Gemischs über einen aufrechtstehenden Zaun (14), der in einem im Wesentlichen rechten Winkel in Bezug auf eine Linie tangential zu einer Drehbewegung der Drehscheibe (6) ausgebildet ist, die wenigstens einen Abchnitt der Brennkammer (13) bildet; und das Ansaugen des getrennten Kraftstoff-Luft-Gemischs in die Brennkammer (13) als eine freie Verwirbelung (17) aus Kraftstoff-Luft-Gemisch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass das Leiten des Kraftstoff-Luft-Gemischs über die Kante (14) das Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemischs in die Brennkammer (13) im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf die Rotorscheibe (6) einschließt, die wenigstens einen Teil der Brennkammer bildet.