DE60021901T2

DE60021901T2 - Brennkraftmaschine mit regenerator und heissluftzündvorrichtung

Info

Publication number: DE60021901T2
Application number: DE60021901T
Authority: DE
Inventors: Richard Patton
Original assignee: Patton Richard Starkville
Current assignee: Patton Richard Starkville
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: EP1214506A1; US6340004B1; CA2421023A1; ES2246886T3; EP1214506B1; DE60021901D1; ATE301771T1; AU7091100A; WO2001016470A1; CA2421023C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brennkraftmaschinen und insbesondere auf die Verbesserung Ihres Wirkungsgrades unter Verwendung eines Regenerators. Die Maschine der vorliegenden Erfindung stellt eine Kombination von Elementen dar, welche die Ausbeute der Maschine mit einer Bremsleistung von mehr als 50% kombinieren, welche mit Brennstoffzellen und anderen fortschrittlichen Antrieben in Konkurrenz treten kann.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Die Brennstoffökonomie von Fahrzeugen hängt in erster Linie vom Wirkungsgrad des Antriebs ab, welcher das Fahrzeug antreibt. Es ist anerkannt, dass der gegenwärtigen Generation von Brennkraftmaschinen (IC) der Wirkungsgrad fehlt, der erforderlich ist, um mit Brennstoffzellen und andern fortschrittlichen Triebwerken konkurrenzfähig zu sein. Mindestens eine Studie empfahl den Automobilherstellern die Entwicklung von neuen Brennkraftmaschinen zu unterbrechen, da sie mit Dampfmaschinen vergleichbar sind – sie sind obsolet. Die vorliegende Erfindung ist auf eine IC-Maschine gerichtet, welche in ihrem Wirkungsgrad mit Brennstoffzellen konkurrenzfähig ist.
Die folgenden Prinzipien müssen in einem Triebwerk verkörpert sein, damit das Triebwerk einen maximalen Wirkungsgrad erreicht.
1) Variables Brennstoffverhältnis und Flammtemperatur
Für idealen Carnot-Zyklus-Wirkungsgrad: N = (Th – Tl)Th worin

T_h: = höchste Temperatur
T_l: = tiefste Temperatur (normalerweise Umgebungstemperatur)
n: = thermischer Wirkungsgrad

_h

_v

_p

_h

_l

_h

Die wirksamsten Dieselmotoren sind gross, niedertourige DI (Direkteinspritzung) turbogeladene 2-Takter. Dies sind Tiefgeschwindigkeitsmotoren (< 400 Upm) und haben typischerweise 100% bis 200% Luftüberschuss.
Die Verbrennungstemperatur ist umgekehrt proportional zum Kraftstoff/Luftverhältnis. Ein CI (Kompressionszündungs-) Triebwerk besitzt eine theoretische Flammtemperatur von 3000–4000 R im Gegensatz zum SI (Ottomotor) Triebwerk, das eine theoretische Flammtemperatur von 5000 R besitzt. Es soll beachtet werden, dass der Grund darin liegt, dass die spezifische Wärme wegen der Zunahme der Dissoziation der Luftmoleküle erhöht wird. Die Dissoziation führt zu erhöhten Abgasschadstoffen.
Ricardo erhöhte den angegeben Wirkungsgrad eines SI-Triebwerks, indem Wasserstoff verwendet wurde und das Kraftstoff-Luftverhältnis auf 0.5 reduziert wurde. Der Wirkungsgrad erhöhte sich um 30% bis 40%.
Wasserstoff ist der einzige Kraftstoff, der auf diese Weise verwendet werden kann. Es bestehen zwei Arten von Zündungen – Funken und Kompressionszündung. Für diesen Motor wird die Verwendung der Heissluftzündung (HAI) vorgeschlagen, welche eine Variierung des Kraftstoff-Luftgemisches erlaubt, ähnlich wie CI, jedoch mit dem zusätzlichen Vorteil, dass HAI nicht erfordert, dass der Motor arbeiten muss um die Luft auf eine Temperatur zu bringen, wo sie gezündet werden kann. Alle Motoren, die beanspruchen effizient zu sein, müssen ein Entzündungssystem verwenden, das breite Variationen beim Kraftstoff-Luftgemisch erlaubt. Ein beiläufiger Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass die molekulare Dissoziation bei tieferen Temperaturen viel kleiner ist, wobei die resultieren Abgasschadstoffe (der Art, wie Stickoxide, Ozon, usw.) ebenfalls vermindert werden.
2) Uniflow Konstruktion
Die Uniflow-(gleichlaufende)Konstruktion ist, obwohl sie kritischer ist als eine Rankine-Zyklus-Maschine, wie die Stumpf Unaflow-Dampfmaschine, ebenfalls wichtig für eine IC Maschine. Im Allgemeinen führt bei einer Gleichlaufkonstruktion die Bewegung der Arbeitsflüssigkeit in und aus dem Zylinder nicht zu einer Entartung des Wirkungsgrades des Zyklus. Die Uniflow-Konstruktion minimalisiert den unerwünschten Wärmetransfer zwischen den Motoroberflächen und der Arbeitsflüssigkeit. Nur Zweitakt-Dieselmotoren (IC) können eine Art einer Gleichlauf-Konstruktion beanspruchen.
Betrachtung des typischen Vier-Takt-Dieselmotors:

1) Ansaugen – Luft nimmt Wärme vom Saugventil und vom heissen Zylinderkopf, Kolben und Zylinder auf. Im Allgemeinen wird die Luft auf 100 bis 200 F erwärmt.
2) Kompression – Die Luft nimmt weiter Wärme auf, zusätzlich zur Arbeit, welch die Maschine leistet.
3) Antriebsleistung – Die Luft ist nach der Zündung heiss und beginnt Wärme an die Wände abzugeben. Die Intensität des Diesel-Verbrennungsprozesses trägt viel zum Wärmeverlust bei. Die kurze Zykluszeit eines Hochgeschwindigkeits-Dieselmotors hält diesen Wärmeverlust durch Leitung auf einem Minimum.
4) Ausstoss – Während dem Ausstoss wird Wärme auf das Auslassventil, und daher auf den Zylinderkopf übertragen.

Die Maschine der vorliegenden Erfindung besitzt separate Zylinder für Ansaugen/Kompression und für Antriebsleistung/Ausstoss. Der Ansaug-/Kompressions-Zylinder ist kühl und tatsächlich können während dem Ansaug- und Kompressionsprozess Anstrengungen unternommen werden, einen nahezu isothermischen Kompressionsprozess zu schaffen, indem der Ansaugluft Wassertröpfchen zugefügt werden. Die Zugabe von Wassertöpfchen ist fakultativ und ist nicht wesentlich für die Konstruktion, für welche Wirkungsgradberechnungen, ohne Berücksichtigung der Zugabe von Wassertröpfchen, durchgeführt wurden.
Die Zugabe von Wassertröpfchen ist natürlich bei einem Dieselmotor unmöglich. Eine Variante davon wird in SI-Maschinen verwendet, wo die Verdampfungswärme des Kraftstoffes die Temperatur während der Kompression tief hält. Dies ist ein Grund weshalb Methanol, der eine hohe Verdampfungsenergie aufweist, in einigen Hochleistungsmotoren verwendet wird.
Der Antriebsleistungs-/Ausstosszylinder ist der heisse Zylinder, mit typischen Kopf- und Kolbentemperaturen im Bereich von 1000–1100 F. Dies erfordert die Verwendung von 8/18 (SAE 300-Serie) rostfreien Stählen für Kopf und Kolben, und Superlegierungen für die Ventile. Jedes andere zweckmässige Hochtemperaturmaterial, wie Keramik, kann in der Anwendung verwendet werden. Die Verbrennungstemperaturen liegen in der Nähe von 2000–3000 F. Die hohe Temperatur der Verbrennungskammer vor der Verbrennung reduziert den Wärmetransfer von der Arbeitsflüssigkeit zur Kammer während dem Antriebsleistungstakt. Sie reduziert ebenfalls den Strahlungswärmetransfer, eine grössere Reduktion des Strahlungswärmetransfers kommt jedoch von der Aufrechterhaltung der maximalen Temperatur unter 3000 F.
Damit wird der unerwünschte Wärmetransfer der Maschine der vorliegenden Erfindung minimalisiert.
Es gibt verschiedene Dissoziationsreaktionen, die zu wichtigen Absorbern von Wärme oberhalb von 3000 F werden. Die zwei Wichtigsten sind: 2CO₂ ⇆ 2CO + O₂ a) 2H₂O ⇆ 2H₂ + O₂ b)
Die Erzeugung von CO, Kohlenmonoxid ist besonders unerwünscht, da es als Schadstoff betrachtet wird.
3) Regenerator
Bei der Verwendung eines Regenerators ist der Stand der Technik noch nicht kommerziell machbar.
Das Prinzip der Verwendung eines Regenerator ist nicht neu. Siemens (1881) patentierte eine Maschinenkonstruktion, welche ein Vorläufer der Maschine der vorliegenden Erfindung war. Sie hatte einen Kompressor, wobei die Luft vom Kompressor durch den Regenerator und in die Verbrennungskammer strömte. Es gibt jedoch einige grundlegende Unterschiede zwischen der Siemens-Maschine und der Maschine der vorliegenden Erfindung:

1) Siemens schlug vor ein Kurbelgehäuse anstelle eines separaten Zylinders zu verwenden um die Luft zu komprimieren Die Maschine scheint eine Variante der Zweitaktmaschine von Clerk (1978) zu sein. Die Merkmale der Maschine sind:
a) Die gesamte Kompression findet im Kurbelgehäuse statt.
b) Die maximale Kompression findet im Takt zum falschen Zeitpunkt statt. Sie sollte am Kolben und nicht am BDC stattfinden. Dies muss durch die Verwendung eines Reservoirs behoben werden. Dies erhöht die Kompressionsarbeit stark.
c) Es ist nicht klar ob die Siemens-Maschine das Kraftstoff-Luftverhältnis variieren kann. Es ist eine Funkenzündungs-Maschine (Ottomotor). Die Zündung wird durch Zugabe von Öl in den Regenerator unterstützt, wenn die frische Ladung durchläuft.
d) Die Siemens-Maschine hatte den Regenerator als Teil des obersten Teils des Zylinderkopfs. Der Regenerator ist der heissen Flamme ausgesetzt und die Verbrennung findet teilweise im Regenerator statt.

In der Maschine der vorliegenden Erfindung saugt der Kompressor eine Luftladung ein, komprimiert sie and transferiert dann die ganze Ladung durch den Regenerator. Die komprimierte Ladung umfasst den Raum, der durch den Regenerator beansprucht wird. Beim TDC des Antriebskolbens, (60° bTDC des Kompressors) öffnet das Ventil und die Ladung fliesst vom Kompressor in den Antriebszylinder. Die tote Luft wird im ganzen System minimal gehalten, damit die Vorteile des Regenerators realisiert werden können und die Kompressionsarbeit minimalisiert wird. Während der Verbrennung wird der Regenerator durch ein Ventil von den brennenden Gasen abgetrennt.
Hirsch (155 087) hat zwei Zylinder, Durchgänge dazwischen, und einen Regenerator. Luft von der Explosion im heissen Zylinder wird vom heissen Zylinder zum kalten Zylinder gezwungen, wo Wasserstrahlen zur Kühlung der Luft verwendet werden und ein Vakuum entsteht. Es scheint eine Heissluftmaschine zu sein, ihr Zündungssystem ist nicht spezifiziert und sie ein Druckgefäss auf.
König (1 111 841) ist ähnlich konstruiert wie die Maschine der vorliegenden Erfindung. Sie hat eine Antriebszylinder und einen Kompressionszylinder und einen Regenerator dazwischen. Die Zündung des Antriebskolbens ist nicht spezifiziert und die Ventilanordnung ist etwas verschieden. Insbesondere hat der Erfinder es versäumt ein Ventil zwischen dem Antriebskolben und dem Regenerator vorzuschreiben. Dies führt dazu, dass eine Luftladung vom Kompressionszylinder bei Atmosphärendruck in einen Regenerator transferiert wird. Da der Kompressionszylinder kleiner ist als der Antriebszylinder wird ein Duckverlust während dem Transferprozess verursacht.
Ferrera (1 523 341) offenbart einen Motor mit zwei Zylindern und einer gewöhnlichen Verbrennungskammer. Er unterscheidet sich wesentlich von der Maschine der vorliegenden Erfindung.
Metten (1 579 332) offenbart einen Motor mit zwei Zylindern und einer Verbrennungskammer dazwischen.
Ferrenberg (vgl. 5 632 255, 5 465 702, und 4 790 284) hat verschiedene Patente entwickelt, die sich auf einen beweglichen thermischen Regenerator beziehen. Die Maschine der Vorliegenden Erfindung besitzt einen befestigten Regenerator.
Clarke (5 550 191) schlug die Verwendung von Kühlwasser im Kompressionstakt in einer Maschine mit einem Regenerator vor.
Thring (5 499 605) schlug die Verwendung eines Regenerators in einem Benzinmotor vor. Diese Erfindung unterscheidet sich stark vom vorliegenden Heissluft-Zündungssystem.
Paul (4 936 262 und 4 791 787) schlug einen Regenerator als Einsatz im Innern des Zylinders vor.
Bruckner (4 781 155) hat einige Ähnlichkeiten mit der maschine der vorliegenden Erfindung. In diesem Patent wird frische Luft sowohl dem Antriebszylinder als auch dem Kompressionszylinder (Superlader) zugeführt.
Dies unterscheidet sich von der vorliegenden Erfindung, da Frischluft nur in den Kompressionszylinder geleitet wird. Zusätzlich besteht keine Ventilsteuerung des Luftdurchlaufs durch den Regenerator. Die Zylinder sind ausserhalb der Phase, jedoch variiert die Phasenlage.
Webber (4 630 447) besitzt eine Funkenzündungsmaschine, in welcher zwei Zylinder vorhanden sind, die nicht in der gleichen Phase sind, mit einem Regenerator dazwischen. Es ist jedoch keine Ventilsteuerung des Flusses der Luft durch den Regenerator vorhanden, wie in der vorliegenden Erfindung.
Millman (4 208 468) hat eine Einzylindermaschine in welcher sich der Regenerator zwischen den Ansaug- und Ausstossventilen am Zylinderkopf befindet. Sehr verschieden von der Maschine der vorliegenden Erfindung.
Stockton (4 074 533) hat ein modifizierte Stirling/Ericson-Maschine mit einer intermittierenden inneren Verbrennung und einem Regenerator.
Cowans (4 004 421) hat eine externe Verbrennungsmaschine halbgeschlossenen Kreis.
Es werden in den obigen Patenten verschiedene US-Patente erwähnt. Die gewöhnlichsten der nahen artverwandten Patente sind: 1 682 111, 1 751 385, 1 773 995, 1 904 816, 2 048 051, 2 058 705, 2 516 708, 2 897 801, 2 928 506, 3 842 808, 3 872 839, 4 026 114, 4 364 233, 5 050 570, 5 072 589, 5 085 179, 5 228 415.
4) Niedere Reibung & Kompressionsverhältnis
In einem regenerativen Motorenschema muss das Kompressionsverhältnis klein sein. Es stellte sich heraus dass das Aufweisen eines kleinen Kompressions-(und Expansions-)Verhältnisses folgende Vorteile besitzt:

1) Kleiner mittlerer wirksamer Reibungs-Druck (low friction mean effective pressure, fmep). Fmep besteht aus Reibungs- und Zusatz-mep (ramep) und Pump-mep (pmep). Da der Motor der vorliegenden Erfindung nicht gedrosselt ist, ist sehr wenig pmep vorhanden. Der pmep der vorliegenden Erfindung kommt in erster Linie vom Transfer der Luft vom Compressionszum Leistungszylinder und ist ist im Allgemeinen nicht mehr als 1–2 psi bei 1800 Upm. Ramep sollte sehr klein sein, da Spitzendrücke tief sind, und die Kompressionsverhältnisse sehr hoch sind.
2) Der Wirkungsgrad ist hoch. Dies wegen der Tatsache, dass die Abwärme von den Abgasen wieder gewonnen wird. Es ist wirksamer ein tiefes Kompressionsverhältnis zu haben und viel Abwärme zu gewinnen, als eine hohes Kompressionsverhältnis und nur einen kleinen Anteil Abwärme zu gewinnen. Das tiefe Kompressionsverhältnis wirkt mehr wie ein Stirling-Motor und daher ist der maximal mögliche Wirkungsgrad grösser.

WO 99/30017 beschreibt eine Brennkraftmaschine worin ein Arbeitszylinder durch ein erstes Ventil geschlossen wird, welches durch eine Rohrleitung durch einen Wärmetauscher verbunden ist und ein zweites Ventil mit einem Arbeitszylinder, welcher mit einem Abgasventil versehen ist, welches das Abgas zu einer Abgasleitung führt. Die Bewegung des Kolbens im Zufuhrzylinder ist anhängig von der Bewegung des Kolbens im Arbeitszylinder. Das Abgasventil ist am Arbeitszylinder angeordnet und ist mit der Abgasleitung verbunden, welche durch den Wärmetauscher hindurch führt. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist das Abgasventil zwischen dem Wärmetauscher und der Kompressionskammer angeordnet, und es ist keine zusätzliche Abgasleitung mit einer Wärmetauschvorrichtung im Regenerator erforderlich.
DE 40 24 558 beschreibt eine Wärmekraft-Kolbenmaschine zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie gemäss dem Stirling-Prozess. Die Maschine besitzt drei variable Kammern, d.h. eine Kompressionskammer, eine Expansionskammer und eine Abgaskammer, welche durch Leitungen und gesteuerte Ventile verbunden sind. Der Apparat gemäss der vorliegenden Erfindung hat nur zwei variable Kammern.
Der gegenwärtige Stand der Technik, wie er kommerziell praktiziert wird, produziert keine Motoren, welche eine adäquate Kraftstoffökonomie besitzen. Der in der Patentliteratur dargelegte Stand der Technik reguliert den Luftfluss durch den Regenerator nicht in adäquater Weise. Zum Beispiel im Webber-Patent können heisse Gase ungehindert von der heissen Seite zur kühlen Seite übergeführt werden, nach der Zündung. Da heisse Gase expandieren, bewirkt die Volumenverminderung in dieser Bewegung Verlust von Kraft und Wirkungsgrad. Der Regenerator nimmt Verbrennungswärme und nicht Abgaswärme auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung kombiniert Kraftstoff sparende Eigenschaften eines variablen Kraftstoff/Luft-Verhältnisses, tiefe Flammtemperatur, kleine Wärmeverluste und ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad, indem separate Kompressions- und Leistungszylinder verwendet werden, die durch einen Regenerator mit einer Uniflow-Konstruktion verbunden sind, wobei eine Heissluft-Zündung ermöglicht wird.
Es ist demzufolge ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welche einen extrem hohen Wirkungsgrad besitzt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welche sehr wenige Schadstoffe erzeugt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 erläutert eine Vier-Ventil-Maschine der vorliegenden Erfindung.
2 erläutert eine Fünf-Ventil-Maschine der vorliegenden Erfindung.
3a–b erläutert eine Sieben-Ventil-Maschine der vorliegenden Erfindung.
4 erläutert ein typisches Ventilöffnungsdiagramm einer Vier-Ventil-Maschine der vorliegenden Erfindung.
5 erläutert einen typischen Kompressionszylinderprozess und ein Ventilöffnungsdiagramm einer Vier-Ventil-Maschine der vorliegenden Erfindung.
6 erläutert einen typischen Antriebszylinderprozess und ein Ventilöffnungsdiagramm einer Vier-Ventil-Maschine der vorliegenden Erfindung.
7 erläutert einen Vier-Ventil-Maschinen-Kompressions-/Übertragungsprozess der vorliegenden Erfindung.
8 erläutert einen typischen Vier-Ventil-Maschinen-Expansions- und Rückschlagprozess der vorliegenden Erfindung.
9 erläutert einen typischen Vier-Ventil-Maschinen-Ansaug- und Abgasprozess der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Maschine der vorliegenden Erfindung hat separate Zylinder für Ansaugen/Kompression (Kompression) und für Leistung/Ausstoss (Leistung). Der Kompressionszylinder ist kühl und tatsächlich können während dem Ansaug- und Kompressionsprozess Anstrengungen unternommen werden um einen nahezu isothermischen Kompressionsprozess zu schaffen, wahlweise durch Zuführen von Wassertröpfchen zur Ansaugluft.
Der Antriebszylinder ist der „heisse" Zylinder, mit typischen Kopf- und Kolbentemperaturen im Bereich von 1000–1100 F. Dies erfordert die Verwendung von 8/18 (SAE 300-Serie) rostfreien Stählen für Kopf und Kolben, und Superlegierungen für die Ventile. Die Verbrennungstemperaturen liegen in der Nähe von 2000–3000 F. Die hohe Temperatur der Verbrennungskammer vor der Verbrennung reduziert den Wärmetransfer von der Arbeitsflüssigkeit zur Kammer während dem Antriebsleistungstakt. Sie reduziert ebenfalls den Strahlungswärmetransfer, eine grössere Reduktion des Strahlungswärmetransfers kommt von der Aufrechterhaltung der maximalen Temperatur unter 3000 F.
Der Kompressor- und der Antriebszylinder sind durch einen Regenerator verbunden und die Kompressions- und Antriebskolben werden 30–90° ausserhalb der Phase angetrieben. Die Ventilanordnung des Kompressionszylinders, des Regenerators und des Antriebzylinders, die aus fünf bis sieben Ventilen besteht, arbeitet unter Bildung eine Uniflow-Konstruktion.
Im Betrieb nimmt der Kompressor eine Ladung Luft auf, komprimiert sie und transferiert die gesamte Ladung durch den Regenerator. Die komprimierte Ladung umfasst den Raum, welcher der Regenerator einnimmt. Am TDC des Antriebskolbens (60 Grad bTDC des Kompressors) öffnet das Ventil und die Ladung fliesst vom Kompressor zum Antriebszylinder. Nahe des TDC des Kompressors wird Kraftstoff in den Antriebszylinder gesprüht. Die tote Luft wird durch das gesamte System minimalisiert um die Vorteile des Regenerators zu realisieren und die Kompressionsarbeit zu minimalisieren. Während der Verbrennung wird der Regenerator von den brennenden Gasen durch ein Ventil abgetrennt.
Während dem Antriebstakt muss die Regeneratorverbindung unterbrochen werden. Geschieht dies nicht, führt der Regenerator unerwünschte Übertragungen von Gasen von der einen Seite zur andern. Um Energie raubende Druckversätze zu vermeiden, sollte die Regeneratorverbindung nur dann geändert werden, wenn der eine oder der andere Kolben am TDC (oberer Totpunkt) ist und sollte nur geöffnet werden, wenn gewünscht wird, dass Gase von der kühlen Seite zur heissen Seite transferiert werden.
Während dem Kompressionstakt ist es möglich beide Seiten der Regeneratorverbindung zu öffnen. Dies sollte nur getan werden, nachdem der Abgasausstoss beendet ist und die Drücke in den beiden Zylindern relativ tief sind.
Nach dem Kompressionstakt wird die Regeneratorverbindung zwischen dem Antriebszylinder und dem Regenerator unterbrochen. Die Zündung der Luft findet nahezu simultan statt; der Druckanstieg wegen der Verbrennung hilft das Ventil zu schliessen.
Nach der Zündung befindet sich komprimierte Luft im Regenerator und in den Durchgangsleitungen zwischen den Zylindern. Diese komprimierte Luft wird dem Kompressionszylinder wieder zugeführt, wo sie wertvolle Arbeit im Abwärtstakt leistet. Dieses Merkmal neigt dazu, dass die Maschine baubarer wird, da der Bedarf an kleinen Durchgängen vermindert wird. Die Grösse des Regenerators und der Durchgänge hat mit diesem Merkmal einen viel kleineren Effekt auf den Wirkungsgrad der Maschine. Dies wird als „Rückschlag-Prozess" bezeichnet, da die komprimierte Luft in den Kompressionszylinder zurück schlägt.
Wie in den 1–2 erläutert, hat die Brennkraftmaschine 100 einen (kalten) Kompressionszylinder 110 und einen heissen Antriebszylinder 120. Beide Zylinder haben Kolben 115 und 125, die durch die Verbindungsstäbe 117 und 127 zu einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden 130 sind, mit dem Antriebszylinder 125, der den Kompressionszylinder mit 30–90 Grad (60 Grad ist dargestellt) führt. Jeder der Zylinder 110 und 120 ist entweder durch einen oder zwei separate Regeneratoren 140 verbunden. Wenn die Maschine 100 mit nur einem Regenerator konstruiert ist, gibt es zwei Varianten: Eine Vier-Ventil-Konfiguration, wie in 1 gezeigt, und eine Fünf-Ventil-Konfiguration, wie in 2 gezeigt. In der Fünf-Ventilkonfiguration ist der Antriebszylinder 120 mit einem zusätzlichen Ausstossventil 154 ausgestattet, und nicht die gesamte heisse Arbeitsflüssigkeit durchläuft den Regenerator 140 auf ihrem Weg zum Auspuff. In der Vier-Ventilkonfiguration tritt die gesamte heisse Arbeitsflüssigkeit durch den Regenerator 140 hindurch, jedoch wird etwas davon in den Kompressionszylinder 110 zurückgestossen. Der Kraftstoff wird im Antriebszylinder 120 gezündet. Die Ventilanordnung 150 153/154 ist so angeordnet, dass der Kompressionskolben 115 das Gas sowohl im Zylinder 110 als auch im Regenerator 140 komprimiert, und der Antriebskolben 125 durch die Gase im Antriebszylinder 120 angetrieben wird. Komprimierte Luft beginnt durch den Regenerator 140 zum Antriebszylinder 120 hindurch zu treten, wenn der Antriebskolben 125 beim TDC ist. Am Ende des Flüssigkeitstransfers (nahe dem Kompressionzylinder-TDC) wird das Ventil 153 zwischen dem Antriebszylinder 120 und dem Regenerator 140 geschlossen und der Kraftstoff wird im Antriebszylinder 120 gezündet. In der Zwischenzeit kann komprimierte Luft vom Regenerator 140 und dem oder den Durchgängen zwischen den Zylindern in den Kompressionszylinder 110 zurückfliessen, wo sie nützliche Arbeit beim Abwärtstakt leistet. Das Öffnen des Ansaugventils 110 wird verschoben bis dies stattfindet.
An diesem Punkt wird das Ansaugventil 150 geöffnet und das Ventil 151 zwischen dem Regenerator 140 und dem Kompressionszylinder 110 wird geschlossen. Beim BDC (oder kurz danach) des Kompressionszylinders 110 wird das Ansaugventil 150 geschlossen. Am oder nahe am BDC des Antriebszylinders 125 wird das Ausstossventil 153 am Regenerator 140 geöffnet, das Verbindungsventil 153 zwischen dem Regenerator 140 und dem Antriebszylinder 120 wird geöffnet, und die heisse Flüssigkeit tritt durch den Regenerator 140 hindurch und wird ausgestossen. Der Motor 100 wird durch Kraftstoffeinspritzung in den Antriebskolben 120 gegen das Ende des Flüssigkeitstransfers gezündet. Die Wärme vom Regenerator 140 ist für die Zündung des Kraftstoffes ausreichend. Das Ausstossventil 152 am Regenerator 140 wird etwas nach dem Ausblasen geschlossen.
Es gibt zwei Varianten der Ein-Regeneratoren-Konstruktion, wie oben diskutiert.
Vier Ventile
In der Vier-Ventilkonstruktion von 1 ist das Ventil 151 zwischen dem Kompressionszylinder 110 und dem Regenerator 140 geöffnet, und die heissen Gase im Antriebszylinder 120 werden in den Kompressionszylinder 110 getrieben. Dies hat keine grosse Wirkung auf den Wirkungsgrad, obschon er zu einer leichten Verminderung neigt.
Der Maschinenzyklus kann in eine Serie von Prozessen unterteilt werden:

Antriebszylinder: Kompression/Transfer Zündung Expansion Ausstoss Kompression

Kompressionszylinder: Kompression/Transfer Rückschlag Ansaugen
Während dem Kompressions-/Transferprozess beider Zylinder sind die Ansaugventile und die Ausstossventile 150 und 152 geschlossen, jedoch sind die Transferventile 151 und 153 zwischen den Zylindern offen, was den Gasen erlaubt, durch den Regenerator 140 von einem Zylinder zum andern frei zu fliessen. Da der Antriebszylinder 120 den Kompressionszylinder 110 führt, wenn sich der Kompressionskolben 115 dem oberen Totpunkt (TDC) nähert, ist der Antriebskolben 125 auf seinem Abwärtstakt, die Gase werden komprimiert und der grösste Teil der Gase ist im Antriebszylinder 120.
Während der Zündung/Expansion im Antriebszylinder 120 und dem Rückschlag im Kompressionszylinder 110, wird Kraftstoff in den Antriebszylinder 120 gesprüht. Nach einer Zündungsverzögerung wird die Mischung gezündet. Der scharfe Druckanstieg zwingen das Transferventil zwischen dem Antriebszylinder 120 und dem geschlossenen Regenerator (welcher in jedem Fall nahezu geschlossen war) und die expandierenden heissen Gase im Antriebszylinder 120 zu arbeiten. In der Zwischenzeit ist das Transferventil zwischen dem Kompressionszylinder 110 und dem Regenerator offen geblieben und die komprimierten Gase im Regenerator und den Durchgängen „schlagen zurück" in den Kompressionszylinder 110 und beginnt am Kompressionskolben zu arbeiten.
Während dem Rückschlag fällt der Druck im Kompressionszylinder 110. Da er sich dem atmosphärischen Druck nähert, konnte der grösste Teil der Arbeit der komprimierten Gase im Regenerator und in den Durchgängen eingefangen werden. Zu dieser Zeit öffnet das Ansaugventil und das Transferventil zwischen dem Kompressionszylinder 110 und der Regenerator schliesst. Der Kompressionszylinder 110 beginnt mit dem Ansaugen frischer Luft für den nächsten Zyklus.
Etwa 20 Grad vor dem unteren Totpunkt (BDC) im Antriebszylinder 120, wird das Ausstossventil geöffnet und das Transferventil zwischen dem Antriebszylinder 120 und dem Regenerator geöffnet. Die zwei Ventile müssen sich nicht simultan öffnen. Das Ausstossventil wird jedoch gewöhnlich vor dem Transferventil geöffnet. Die Gase beginnen aus dem Ausstosszylinder 120 durch den Regenerator in die Atmosphäre auszuströmen. Der Regenerator gewinnt viel Wärme der Abgase zurück, und behält sie für den nächsten Zyklus. Der Ausstossprozess macht ein heftiges Ausblasen durch, nach welcher Zeit sind die heissen Gase im Antriebszylinder 120 nahezu auf Atmosphärendruck. Der Ausstossprozess beginnt normalerweise vor dem BDC, so dass der Druck der heissen Gase im Aufwärtstakt nahe dem Atmosphärendruck ist, und so nicht viel negative Arbeit macht. Der Ausstossprozess endet, wenn das Ausstossventil schliesst.
Nach dem Beenden des Ansaugens im Ansaugzylinder 110 (nach dem BDC) wird das Ansaugventil geschlossen und die Gase im Kompressionszylinder beginnen komprimiert zu werden. In ähnlicher Weise wird nach dem Beenden des Ausstossprozesses das Ausstossventil geschlossen, ebenfalls nach dem BDC, und die heissen Gase im Antriebszylinder 120 fangen an komprimiert zu werden. Das Transferventil zwischen dem Antriebszylinder 120 und dem Regenerator bleibt offen. Die Zeitvorgabe der Kompression ist so, dass beide Zylinder ungefähr die gleichen Drücke haben. Das Transferventil vom Kompressionszylinder 110 zum Regenerator ist geöffnet und der Kompressions-/Transferprozess hat begonnen. Das Gas kann wiederum frei vom einen Zylinder in den andern fliessen. Da der Druck in beiden Zylindern nahezu gleich ist, wird durch das Öffnen des Kompressions-Transferventils sehr wenig Leistung verloren.
Fünf Ventile
In dieser Konstruktion ist der Transfer-/Kompressionsprozess geändert.
Ein Haupteinwand bei den Vier Ventilen ist die Re-Kompression der heissen Abgase, was der Maschine Leistung raubt. Eine vollständige Trennung der Ausstoss- und Kompressionsprozesse wird in der Fünf-Ventilmaschine erreicht. Während dem Ausstosszyklus ist das Ventil zwischen dem Antriebszylinder 120 und dem Regenerator geschlossen und der Rest des Ausstossprozesses findet durch das fünfte Ventil statt, welches ein zweites Ausstossventil am Antriebszylinder 120 ist.
Es gibt keinen Kompressionsprozess im Antriebszylinder 120. Nachdem das Ausstossventil und das Ventil zwischen dem Regenerator und dem Antriebszylinder 120 geschlossen sind, wird das Ventil zwischen dem Regenerator und dem Kompressionszylinder 110 geöffnet. Die Kompression schreitet im Kompressionszylinder 110 fort bis der Antriebskolben 120 den TDC erreicht, bei welchem Punkt das Transferventil zwischen dem Antriebszylinder 120 und dem Regenerator geöffnet wird und das zweite Ausstossventil geschlossen wird und komprimierte Luft in den Antriebszylinder 120 fliesst. Bei dieser Konstruktion sind daher die Ausstoss-, Kompressions-, und Transferprozesse voneinander getrennt.
Die Konstruktion hat zwei Hauptnachteile. Ein Haupt Nachteil besteht darin, dass die heissen Gase vom zweiten Ausstossventil den Regenerator umgehen, was Wärmeverluste bewirkt. Der zweite Nachteil besteht darin, dass die Ventilsteuerung signifikant komplexer ist. Insbesondere ist das Ventil vom Regenerator zum Antriebszylinder 120 nur während einer kurzen Zeitperiode offen, was die Konstruktion der Kurbelwelle für diese Konstruktion sehr viel schwieriger macht, da die Nocken-Beschleunigungen sehr viel höher sind.
Sieben Ventile
Alternativ sind die Zylinder durch zwei separate Regeneratoren verbunden, die von einander gegenphasig arbeiten. Jeder Generator hat 3 Ventile: ein Ventil, das vom Regenerator zum Arbeitszylinder 120 führt. Ein Ventil, das vom Regenarator zum Kompressionszylinder führt, und ein Ventil auf der kalten Seite, das den Regenerator mit dem Ausstoss verbindet. Der Kompressionszylinder 110 hat auch ein Ansaugventil. Um ein Überlappen zu vermeiden, wird Flüssigkeit auf abwechselnden Umläufen durch verschiedene Regeneratoren geführt. Während dies ein signifikant komplexeres Ventilsystem ist, hat es den Vorteil, dass alle heissen Abgase durch den Regenerator hindurch gehen. Wenn die Regeneratoren die Rolle von Katalysatoren spielt, ist diese Anordnung für die Steuerung der Verschmutzung sehr viel günstiger, da alle Abgase in den Regeneratoren behandelt werden können.
Im Gegensatz dazu hat neigt komplexe Ventilsystem dazu, dass es sehr schwierig zu konstruieren ist. Insbesondere ist die Konstruktion der Nockenwelle sehr schwierig; die Ventile sind nicht lange genug offen, um eine effiziente Nockenkonstruktion zu erlauben.
Das Problem ist bei der 4-Ventil-Konstruktion nicht vorhanden, die eine wahre 2-Taktzyklus-Konstruktion ist. In dieser Konstruktion sind die Ventile lange genug offen um eine gute Nockenkonstruktion zu erlauben, und dass alle Abgase durch den Regenerator fliessen, welcher die Rolle eines Katalysators übernehmen kann. Daher ist die 4-Ventilkonstruktion eine einfachere, besser zu erzeugende Konstruktion, obwohl der Wirkungsgrad etwas beeinträchtigt ist, enthält sie die meisten Merkmale einer sehr effizienten Maschine. Somit ist die 4-Ventilmaschine die bevorzugte Ausführungsform.
Vom technischen Standpunkt her ist die Maschine eine Zwei-Taktmaschine, in welcher ein äusserer Kompressor vorhanden ist. Da die Maschine ein Ganzes mit dem Kompressor ist, der dem Zylinder komprimierte Luft zuführt, kann die Maschine als 4-Taktmaschine betrachtet werden, in welcher der Ansaug- und Kompressionstakt im Kompressionszylinder 110 stattfindet und der Antriebs- und Ausstosstakt im Antriebszylinder 120 stattfindet.
4 zeigt die Ventilanordnung für die vier Ventile, eine Regeneratormaschine. Die vier Ventile sind:

1) Ansaugventil – Ventil 150 vom Ansaugverteiler zum Kompressionszylinder.
2) Transfer-Kompressionsventil – Ventil 151 vom Kompressionszylinder 110 zum Regenerator 140.
3) Ausstossventil – Ventil 152 vom Durchgang zwischen dem Kompressionszylinder 110 und dem Regenerator 140 zum Ausstossverteiler.
4) Transfer-Antriebsventil – Ventil 153 vom Antriebszylinder 120 zum Regenerator 140.

5 zeigt die Kompressionszylinder 110 -Prozesse und 6 zeigt die Antriebszylinder 120 -Prozesse. Die Ventile werden geschlossen, wenn das Ventilzustandsdiagramm das Ventil bei null zeigt, und geöffnet, wenn das Ventil bei einer positiven Zahl ist. In ähnlicher Weise laufen die Prozesse in den 5–6 ab, wenn der Prozess bei einer positiven Zahl ist. Zwecks Klarheit sind die Ventilöffnungen und Verfahren auf verschiedenen Stufen gezeigt. Die x-Achse soll die Progression des Zyklus zeigen, statt die exakten Öffnungs- und Schliess-Zeiten (der Start oder Endzeiten).
Beim Start des Zyklus (Antriebskolben TDC) hat der Antriebskolben 125 den obersten Punkt des Taktes erreicht und beginnt mit der Abwärtsbewegung. Der Kompressionskolben 115 eilt dem Antriebskolben 125 hinterher und ist so noch immer auf seinem Aufwärtstakt. Sowohl das Transferkompressionsventil 151 als auch das Transferantriebsventil 153 sind offen, so dass die Gase frei vom einen Zylinder zum andern fliessen können. Da der Kompressionskolben 115 auf seinem Aufwärtstakt ist, und der Antriebszylinder 125 auf seinem Abwärtstakt ist, wird Luft vom Kompressionszylinder 110 transferiert, beim Durchgang durch den Regenerator 140 erwärmt, und geht in den Antriebszylinder 120. Alle andern Ventile sind geschlossen. Dies ist der Transferteil des Kompressions-/Transferteils des Zyklus.
7 zeigt die vier Ventile während diesem Prozess. Dies ist der Transferteil des Kompressions-/Transferteils des Zyklus. Das Transferarbeitsventil 153 schliesst und die Maschine wird gezündet. Kraftstoff ist vor dieser Zeit in den Antriebszylinder 120 eingespritzt worden und nach der Zündungsverspätung brennt er sehr rasch. Die Kraftstoffeinspritzung bei 160 ist so eingestellt, dass diese schnelle Verbrennung zur korrekten Zeit (Zündzeitpunk) im Zyklus stattfindet. Der Arbeitszylinder 120 beginnt mit seinem Expansionsprozess und der Kompressionszylinder 110 beginnt mit dem Rückschlagprozess. Das Transferantriebsventil 153, das Ansaugventil 150 und das Ausstossventil sind geschlossen und nur das Transferkompressionsventil 151 ist offen. 8 zeigt die Vier-Ventilmaschine während diesem Prozess.
Der Rückschlagprozess endet und so schliesst das Transferkompressionsventil 151, während das Ansaugventil 150 öffnet. Damit beginnt der Ansaugprozess im Kompressionszylinder 110. Zu einer etwas späteren Zeit öffnet das Ausstossventil 152 und simultan oder leicht nach diesem Zeitpunkt öffnet das Transferantriebsventil 153. Damit beginnt der Ausstossprozess im Antriebszylinder 120. 9 zeigt die Vier-Ventilmaschine, während beide diese Prozesse am laufen sind.
Das Ansaugventil 150 schliesst und damit beginnt der Kompressionsprozess im Kompressionszylinder 110. Zu einem andern Zeitpunkt, normalerweise später, schliesst das Ausstossventil 152. Damit beginnt der Kompressionsprozess im Antriebszylinder 120. Die zwei Kompressionsprozesse sind unterschiedliche Prozesse.
Schliesslich öffnet das Transferkompressionsventil 151. Damit beginnt der Kompressionstransferprozess, welcher den Zyklus beendet.
Tabelle 1 zeigt die Ventilbewegung für die Ein-Regeneratormaschinen-Variante, welche fünf Ventile 151 besitzt (die zum Regenerator 140 führen) am Kopf des Kompressionszylinder 110, ein Ausstossventil 152 an der Kompressionsseite des Regenerators 140, ein Transfer-Antriebsventil 153 (das zum Regenerator 140 führt) und ein Ausstossventil 154 am Kopf des Antriebszylinders 120. Das Ausstossventil 154 führt zu einem 2. Ausstossverteiler. Die Ventilbewegung in 30°-Schritten ist folgende:

1. Start: Es wird begonnen Luft vom Kompressionszylinder 110 zum Antriebszylinder 120 zu transferieren. Wenn sie transferiert wird, tritt sie durch den Regenerator 140 hindurch, welcher sie aufwärmt. Zur Erleichterung des Transfers eilt der Kompressionskolben 115 dem Antriebskolben 125 hinterher. Während dem Transfer ist das Transferkompressionsventil 151 offen, das Transferantriebsventil 153 offen und die drei andern Ventile geschlossen.
2. (30°) Der Transfer wird fortgesetzt.
3. (60°) Der Transfer endet. Das Ausmass des Kurbelwinkels für den Transfer ist gleich dem Rückstand des Kompressionskolbens 115 zum Antriebskolben 125. In diesem Beispiel war der Rückstand genau 60°, das exakte Ausmass des Rückstandes kann jedoch variieren. Dieser Phasenrückstand hat einen wichtigen Effekt, da er das Kompressionsverhältnis der Maschine bestimmt. Am Ende des Transfers bleibt das Transferkompressionsventil 151 offen, wobei der Rückschlagsprozess startet und das Transferantriebsventil 153 schliesst. Dadurch fährt der Fluss vom Regenerator 140 zum Antriebszylinder 120 herunter.
4. Die Verbrennung findet nun statt. Kraftstoff wird in den Antriebszylinder 120 gesprüht, welcher gezündet wird. Die Luft hat vom Regenerator genügend Wärme um den Kraftstoff (> 900°F) zu zünden. Im aktuellen Betrieb würde der Kraftstoff leicht vor diesem Zeitpunkt eingespritzt, um Zeit zu lassen den Kraftstoff zu zünden.
5. (90°) Der Antriebszylinder 120 ist in seinem Expansions-(Antriebs)-Prozess. Das Transferkompressionsventil 151 schliesst und das Ansaugventil 150 öffnet. Der Nompressionszylinder 110 beginnt mit seinem Ansaugprozess, Waseer oder verdampfbarer Kraftstoff kann während dem Ansaugtakt über 161 zugeführt werden um später im Zyklus eine nahezu isothermische Kompression zu unterstützen.
6. (120°) Fortsetzung des Expansions- und Ansaugtaktes.
7. (150°) Fortsetzung des Expansions- und Ansaugtaktes.
8. (180°) Fortsetzung des Ansaugtaktes. Der Expansionsprozess wurde beendet und das Regenerationsausstossventil 152 und das Transferantriebsventil 153 öffnen. Damit wird der Ausblasprozess gestartet. Heisse Gase verlassen den Antriebszylinder 120, gehen durch den Regenerator 140 hindurch und durch das Ausstossventil 152 und hinaus zum Abgasverteiler. In diesem Prozess nimmt der Regenerator Wärme 140 auf, welche an die nächste Luftladung weitergegeben wird.
9. (210°) Fortsetzung des Ansaug- und Ausblastaktes.
10. (240°) Ansaugprozess endet, wobei das Ansaugventil 150 schliesst. Das Ausblasen im Antriebszylinder 120 wird fortgesetzt.
11. (270°) Der Kompressionsprozess beginnt im Kompressionszylinder 110. Das Ausblasen wird fortgesetzt.
12. (300°) Das Ausblasen durch den Regenerator 140 endet. Das Ausstossventil 152 Schliesst, die Wärme des Transferantriebsventils wird durch die Antriebszylindergase verloren. {Anmerkung: Berechnungen haben gezeigt, dass über 80% der Wärme durch den Regenerator geht, aber 100% der Abgase durch einen Regenerator in der Sieben-Ventil-Zwei-Regenerator-Maschine und in der Vier-Ventil-Maschine geht. Enthält der Reagenerator einen Katalysator und einen Partikelfilter, kann nur ein Teil der Abgase einen negativen Effekt auf die Emissionen haben}. Das Transferkompressionsventil 151 am Kompressionszylinder 110 wird geöffnet, so dass die Gase sowohl im Kompressionszylinder 110 als auch im Regenerator 140 und in ihren Durchgängen für den nächsten Zyklus erwärmt werden.
13. (330°) Die Kompressions- und Ausstossprozesse werden fortgesetzt.
14. (360°) Der Antriebskolben 125 erreicht den oberen Totpunkt. Das Ausstossventil schliesst, wobei der Ausstossprozess beendet wird. Das Transferantriebsventil 153 öffnet, wodurch der nächste Zyklus des Transfers einer frischen Ladung zum Antriebszylinder 120 beginnt.

Tabelle 1
Tabelle 2 zeigt die Ventilstellungen für die Maschine mit zwei Regeneratoren. Es gibt 1 Ansaugventil 150 und 2 Sätze Transferkompressionsventile 151a, 151b, Ausstossventile 152a, 153b und Transferantriebsventile 153a, 153b, welche zu den zwei Regeneratoren gehören, wie in der Qberansicht von 3a dargestellt, Es gibt somit sieben Ventile. – Ein Ansaugventil und zwei Transferkompressionsventile (eines für jeden Regenerator) am Kompressionskopf, ein Paar Ausstossventile auf der Kompressionsseite jedes Regenerators, und zwei Transferantriebsventile (eines für jeden Regenerator) an Antriebszylinderkopf. Die Maschinensequenz in 30° Schritten ist wie folgt:

1. Start: Es wird begonnen Luft vom Kompressionszylinder 110 zum Antriebszylinder 120 zu transferieren. Wenn sie transferiert wird, tritt sie durch den Regenerator 140a hindurch, welcher sie aufwärmt. Zur Erleichterung des Transfers eilt der Kompressionskolben 115 dem Antriebskolben 125 hinterher. Während dem Transfer ist das Transferkompressionsventil 151a offen, das Transferantriebsventil 153a am Antriebskopf offen; alle andern Ventile geschlossen.
2. (30°) Der Transfer wird fortgesetzt.
3. (60°) Der Transfer endet. Das Ausmass des Kurbelwinkels für den Transfer ist gleich dem Rückstand des Kompressionskolbens zum Antriebskolben. In diesem Beispiel war der Rückstand genau 60°, das exakte Ausmass des Rückstandes kann jedoch variieren. Dieser Phasenrückstand hat einen wichtigen Effekt, da er das Kompressionsverhältnis der Maschine bestimmt. Am Ende des Transfers öffnet das Transferantriebsventil 153a. Dies schliesst den Fluss vom Regenerator 140a zum Antriebszylinder 120. Das Transferkompressionsventil 151a bleibt offen, wobei der Rückschlagsprozess gestartet wird.
4. (60°) Verbrennung. Kraftstoff wird durch den Injektor 160 in den Antriebszylinder 120 gesprüht, welcher gezündet wird. Die Luft hat vom Regenerator genügend Wärme um den Kraftstoff (> 900°F) zu zünden. Im aktuellen Betrieb würde der Kraftstoff leicht vor diesem Zeitpunkt eingespritzt, um Zeit zu lassen den Kraftstoff zu zünden.
5. (90°) Der Antriebszylinder 120 ist in seinem Expansions-(Antriebs)-Prozess. Das Ansaugventil 150 öffnet und das Transferkompressionsventil 151a schliesst und das Transferkompressionsventil 151b öffnet. Dies startet den Ansaugprozess.
6. (120°) Fortsetzung des Expansions- und Ansaugtaktes.
7. (150°) Fortsetzung des Expansions- und Ansaugtaktes.
8. (180°) Fortsetzung des Ansaugprozesses. Der Expansionsprozess wurde beendet und das Ausstossventil 152a und das Transferantriebsventil 153a öffnen. Damit wird der Ausstossprozess gestartet. Heisse Gase verlassen den Antriebszylinder 120, gehen durch den Regenerator 140a hindurch und verlassen das Ausstossventil 152a. In diesem Prozess nimmt der Regenerator 140a Wärme auf.
9. (210°) Fortsetzung des Ansaug- und Ausblastaktes.
10. (240°) Ansaugprozess endet, wobei das Ansaugventil 150 schliesst. Das Ausblasen im Antriebszylinder 120 wird fortgesetzt.
11. (270°) Der Kompressionsprozess beginnt im Kompressionszylinder 110. Das Ausblasen wird fortgesetzt.
12. (300°) Die Kompressions- und Ausstossprozesse werden fortgesetzt.
13. (330°) Die Kompressions- und Ausstossprozesse werden fortgesetzt.
14. (360°) Der Antriebskolben 125 erreicht den oberen Totpunkt. Das Transferantriebsventil 153a schliesst, was den Ausstossprozess durch den Regenerator 140a beendet. Das Transferantriebsventil 153b öffnet, wodurch der nächste Zyklus des Transfers einer frischen Ladung zum Antriebszylinder 120 beginnt. Diesmal bewegt sich die Ladung durch den Regenerator 140b. Das Transferkompressionsventil 151b ist schon offen; alle übrigen Ventile sind geschlossen.
15. (390°) Der Transfer wird fortgesetzt.
16. (420°) Der Transfer ist beendet. Am Ende des Transfers schliesst das Transferantriebsventil 153b. Damit wird der Fluss vom Regenerator 140b zum Antriebszylinder 120 unterbrochen. Das Transferkompressionsventil 151b bleibt offen, wobei der Rückschlagsprozess gestartet wird.
17. (420°) Verbrennung. Kraftstoff wird in den Antriebszylinder 120 eingespritzt, welcher gezündet wird. Die Luft hat vom Regenerator genügend Wärme aufgenommen um den Kraftstoff zu zünden (> 1000°F). Im gegenwärtigen Betrieb würde der Kraftstoff leicht vor dem Zeitpunkt eingespritzt, um Zeit für das Zünden zur Verfügung zu stellen.
18. (450°) Der Antriebszylinder 120 ist in seinem Expansion-(Antriebs-)Prozess, und der Kompressionszylinder 110 beendet seinen Rückschlagsprozess. Das Ansaugventil 150 öffnet, und das Transferkompressionsventil 151b schliesst und das Transferkompressionsventil 151a öffnet. Damit wird der Ansaugprozess gestartet.
19. (480°) Fortsetzung des Expansions- und Ansaugprozesses.
20. (510°) Fortsetzung des Expansions- und Ansaugprozesses.
21. (540°) Fortsetzung des Ansaugprozesses. Der Expansionsprozess wurde beendet, und das Ausstossventil 152b und das Transferantriebsventil 153b öffnen. Damit wird der Ausstossprozess gestartet. Heisse Gase verlassen den Antriebszylinder 120, und gehen durch den Regenerator 140b und aus dem Ausstossventil 152b. In diesem Prozess nimmt der Regenerator 140b Wärme auf.
22. (570°) Fortsetzung des Ansaug- und Ausstossprozesses.
23. (600°) Ansaugprozess endet, daher schliesst das Ansaugventil 150. Der Ausstoss im Antriebszylinder 120 wird fortgesetzt.
24. (630°) Der Kompressionsprozess beginnt im Kompressionszylinder 110. Der Ausstoss durch den Regenerator 140b wird fortgesetzt.
25. (660°) Fortsetzung des Kompressions- und Ausstossprozesses.
26. (690°) Fortsetzung des Kompressions- und Ausstossprozesses.
27. (720°) Der Antriebskolben erreicht den oberen Totpunkt. Das Transferantriebsventil 153b schliesst, wobei der Ausstossprozess durch den Regenerator 140b endet. Das Transferantriebsventil 153a öffnet, wodurch der nächste Zyklus beginnt, indem eine neue Ladung durch den Antriebzylinder 120 transferiert wird. Diesmal bewegt sich die Ladung durch den Regenerator 140a, wobei hier der neue Zyklus gestartet wird. Das Transferkompressionsventil 151a ist schon offen; alle andern Ventile sind geschlossen. Der Zyklus wird wiederholt.

Tabelle 2
Kraftstoffzugabe
Für jede der Ausführungsformen kann Kraftstoff an jeder der folgenden Stellen zugegeben werden:

a) Während dem Ansaugtakt. Die zugegebenen Kraftstoffe könnten Benzin oder andere Funkenzündungskraftstoffe an Stelle von Wasser bei 161 sein.
b) Während dem Transfer vom Kompressionszylinder 110 zum Antriebszylinder 120. Da die Luft nach dem Verlassen des Regenerators heiss ist, könnten die zugefügten Kraftstoffe feste Kraftstoffe, wie Kohle sein, die eine Vergasung benötigen. Oder Kraftstoffe die einen Reformprozess benötigen. Da die Luft schon komprimiert ist, sollten diese Prozesse rascher ablaufen und die durch diese Prozesse gebildete Wärme ist nicht verloren.
c) Im Antriebszylinder 120. Das im Abschnitt 3 beschriebene Kraftstoffsystem war Dieselkraftstoff. Bei dieser Maschine besteht die Möglichkeit der Mehrkraftstoffkapazität. Andere Kraftstoffe als Benzin oder Methan können in den Antriebszylinder 120 gegeben werden. Die Gase im Antriebszylinder 120 sind sehr heiss, was eine Mehrkraftstofffähigkeit erlaubt.

Die Zündung kann in zwei verschiedenen Prozessen erfolgen. Es kann entweder eine Funkenzündung sein, wenn der Kraftstoff normalerweise in Funkenzündungsmaschinen verwendet wird (z.B. Benzin), oder sie kann durch heisse Luft erfolgen, wenn der Kraftstoff gewöhnlich in Kompressionszündungsmaschinen verwendet wird (z.B. Diesel-Kraftstoff). Es wird darauf hingewiesen, dass im 2. Fall dies nicht eine Kompressionszündungsmaschine ist; im Gegensatz dazu ist die Luft nach dem Verlassen des Regenerators genügend heiss, um den Diesel-Kraftstoff zu zünden. Daher könnte in diesem Fall diese Maschine Regeneratorzündungsmaschine genannt werden.
Im Fall von Funkenzündungsmaschinen, wie Benzin, kann die Zündung durch Funkenzündung oder durch andere Mittel oder Kombinationen davon erfolgen. Dies trifft im Besonderen zu, wenn Luft/Kraftstoffmischungen kleiner als stöchiometrisch sind. Da die Gase im Antriebszylinder 120 so heiss sind (über 300 Grad F), besteht die Möglichkeit sehr magere Mischungen mit Benzin zu verwenden. Die Flammgeschwindigkeit erhöht sich mit der Temperatur, und es besteht eine kleinere Chance eines Brennschlusses (Flame-out) bei höheren Temperaturen. Ebenfalls ist die Temperatur am Zylinderkopf und am Kolbenboden des Antriebszylinders 120 oberhalb der Selbstzündungstemperatur von Benzin.
Im Regenerator werden Heizvorrichtungen und Glühkerzen im Antriebszylinder angebracht, um das Starten zu erleichtern. Das Starten ist abhängig vom genügenden Erwärmen im Regenerator 140 und an den Oberflächen des Antriebszylinders 120, so dass der Kraftstoff zündet, wenn Diesel-Kraftstoff verwendet wird. Wenn der Kraftstoff durch einen Vergasungsprozess erzeugt wird, dann muss der Regenerator 140 heiss genug sein, um den Kraftstoff zu bilden. Im Fall von Funkenzündungskraftstoffen, wie Benzin, hängt der Startprozess vom verwendeten Luft/Kraftstoff-Verhältnis ab.
Da das Hauptziel des Regenerators darin besteht, soviel Wärme wie möglich einzufangen, wird angenommen dass es besser ist, die Ventile des Ausstosszylinders nicht zu kühlen. Damit die Ventile lebendig bleiben können, ist es erforderlich, dass jedes Mal eine unter-stöchiometrische Mischung im Antriebszylinder 120 verrannt wird. Wenn eine stöchiometrische Mischung verbrannt werden soll, muss das Ventil gekühlt werden. Der Zylinder wird gekühlt. Die Maschine kann entweder wasser- oder luftgekühlt sein.
Der Hauptvorteil dieser Maschine besteht darin, dass ein angegebener thermischer Wirkungsgrad von mehr als 50% geplant wurde, wobei realistische Modelle der Maschinenprozesse und der Wärmeverluste verwendet wurden. Der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch wurde mit 40% weniger als bei den gegenwärtig besten Dieselmotoren und mit 50% weniger als bei den gegenwärtig besten Benzinmotoren geplant.
Die verschieden Motoren besitzen unterschiedliche Wirkungsgrade. Die Vier-Ventilmaschine hat einen Kompressions-/Transferprozess, der heisse Abgase komprimiert, was Ineffizienz bewirkt. In Abhängigkeit des Zeitablaufs der Ventilbewegung und anderen Faktoren werden hier die Wirkungsgrade von verschiedene Maschinen angegeben:
Geplanter angegebener mittlerer effektiver Druck: ungefähr 127 psi.
Der Vier-Ventiler ist die am wenigsten effiziente der vier Maschinen, ist aber eine viel leichter baubare Maschine. Die Ventilbewegung in den Fünf- und Siebenventilmaschinen ist sehr komplex. Zusätzlich hat die Fünf-Ventilmaschine das Problem, dass nicht alle Auspuffgase durch den Regenerator hindurch treten, was sie bezüglich der Schadstoffsteuerung etwas problematisch macht.
Die Sieben-Ventilmaschine ist wegen ihren komplexen Ventilbewegungen und der teuren Nockenkonstruktion schlecht baubar.
Aus diesen Gründen wird die Vier-Ventilmaschine im Allgemeinen als bevorzugte Ausführungsform betrachtet. Diese Maschine hat, da sie normalerweise mit kleineren als stöchiometrischen Mischungen läuft, weniger Schadstoffprobleme als derzeitige Maschinen. Die Gegenwart des heissen Regenerators ermöglicht, für die effiziente Entfernung von Schadstoffen aus dem Abgasstrom, die Verwendung eines Katalysators.
Der grosse Vorteil dieser Maschine gegenüber andern Maschinen besteht darin, dass bei einer Kombination des Katalysators mit einem Regenerator diese Maschine nicht startert, ausser wenn der Katalysator heiss ist. Somit können die Kaltstartschadstoffe ausserhalb der Maschine durch Konstruktion verhindert werden.
Ein zweiter Vorteil besteht darin, dass der Regenerator auch als Filter verwendet werden kann. Er kann Russ und andere Kohlenpartikel einfangen. Da ersehr heiss ist, kann er diese Partikel verbrauchen, oder der Umkehrdurchlaufs stosst sie in den Antriebszylinder 120 zurück, um verbrannt zu werden.
Somit ist das Russproblem in einer Dieselmaschine vermindert oder eliminiert. Es ist bekannt, dass ein Filter an einem Dieselmotor eingesetzt werden kann um die Schadstoff zu eliminieren, es muss aber gereinigt werden, d.h. die Partikel müssen periodisch verbrannt werden. Der Filter im Regenerator wird so heiss sein, dass er sich fortlaufend selbst reinigt und dass die Wärme von den Partikeln in den Antriebszylinder 120 transferiert wird, zum nächsten Zyklus.
Die früheren Wirkungsgrad-Berechnungen setzen voraus, dass ein Regenerator aus einen rostfreien zylindrischen Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,0044'' (Zoll) besteht, der rechtwinklig zum Durchlauf angeordnet ist. Andere Regeneratormöglichkeiten umfassen, ohne darauf eingeschränkt zu sein, Stahlwolle, (von zweckmässiger Qualität und Grösse) und mit zum Durchlauf rechtwinkligen Maschen. Diese Systeme sind für Sterling-Motoren entwickelt worden und sind recht wirksam. Vorzugsweise wird ein Keramikfilter in den Regenerator eingebaut um partikelförmige Schadstoffe zu eliminieren, wobei der Filter heiss genug sein muss um den Russ zu verbrennen. Der Filter wurde nicht in die obigen Berechnungen eingeschlossen. Der Wärmetransfer zwischen dem Draht und den heissen Gasen wurde berücksichtigt, ebenso wie der Druckabifall wegen dem Widerstand der Drähte.
Nichts in diesem Dokument soll so ausgelegt werden, dass es den einzig möglichen Zeitablauf darstellt. Er umfasst sowohl den Ventilzeitablauf als auch die zeitliche Verzögerung zwischen dem Kompressionskolben und dem Antriebskolben. Bei der Verwendung der vorliegenden Maschine sollten die beschriebenen Vorgänge annähernd der hier dargelegten Sequenz folgen. Der jeweilige optimale Zeitablauf für eine besondere Maschine kann wesentlich von dem in diesen Beispielen angegebenen abweichen.
Es wurden verschiedene Simulationen bezüglich der relativen Grössen der Zylinder durchgeführt, insbesondere für die Vier-Ventilmaschine. Es wurde im Allgemeinen gefunden, dass wenn der Kompressionszylinder 110 etwas grösser (ungefähr 45% grössere Bohrung, gleicher Takt) ist als der Antriebszylinder 120, die Maschine am besten läuft. Die Gründe hierzu sind:

a) Der Kompressionszylinder 110 stösst mehr Luft in den Antriebszylinder 120, was den Druck und dem mittleren Effektivdruck (mep) der Maschine erhöht.
b) Die Extraluft füllt auch den Regenerator und die Durchgänge. Es hat genügend Luft um diese zu füllen und Luft in den Regenerator zu drücken. Der Effekt des Volumens des Totvolumens (Regenerator, Durchgänge und Ventilspiel) wird minimiert. Daher kann ein realistisches Totvolumen (d.h. genügendes Volumen um eine relative leichte Herstellung der Maschine zu erlauben) realisiert werden, ohne dass viel Leistung geopfert wird.
c) Während dem Kompressions-/Trransferprozess werden heisse Gase vom Antriebszylinder in den Kompressionszylinder 110 gepresst. Mit einem grösseren Kompressionszylinder 110 gibt es mehr Raum für diese Gase, wodurch die schädlichen Effekte minimalisiert werden.

Es wurde durch Simulation gefunden, dass es besser ist, eine Mischung wenige Grade vor der Beendigung des Transferprozess zu zünden. Dies aus folgenden Gründen:

a) Bei diesem Punkt ist die grösste Luftmasse transferiert worden (90–95%);
b) Während den letzten wenigen Graden fällt der Druck und die Temperatur im Antriebszylinder 120 fällt; (Der Kompressionskolben steht nahezu still, während sich der Antriebszylinder abwärts bewegt. Die nicht verbrannten Gase im Antriebszylinder 120 werden expandiert und führen die Arbeit im Antriebszylinder 120 durch).
c) Somit wird Leistung verloren, wenn nicht der Zylinder vor dem Beenden des Transferprozess gezündet wird, d.h. bevor der Kompressionskolben den TDC erreicht.
d) Wenn der Antriebszylinder 120 gezündet wird, muss das Antriebstransferventil schliessen (Es ist nötig ein Ventil zu haben, das automatisch schliesst, als Reaktion auf die Druckwelle von der Zündung des Zylinders); und
e) Sobald der Kompressionszylinder seinen Takt beendet hat, komprimiert er entweder sogar mehr Gase im Regenerator und in den Durchgängen nach der Zündung, oder das Ansaugventil öffnet und die Gase entweichen in den Ansaugverteiler. Ohne den Rückschlagprozess, wäre dies bezüglich Energie sehr verschwenderisch. Demnach ist der Rückschlagsprozess durch Rückgewinnung von Energie für eine Maschine mit hohem Wirkungsgrad wesentlich, da er ein optimales Zündungstiming erlaubt.

Obschon die Erfindung mittels wenigen beispielhaften Ausführungsformen beschrieen wurde, können zahlreiche weitere Änderungen vorgenommen werden, ohne dass vom Definitionsbereich der Erfindung gemäss den Ansprüchen abgewichen wird. Zum Beispiel kann ein Turbolader oder Superlader verwendet werden um den mittleren Effektivdruck zu erhöhen und die Leistungsausgabe der Maschine zu erhöhen. Trotz der Tatsache dass der Wirkungsgrad vermindert würde, könnte die Maschine der vorliegenden Erfindung gedrosselt werden. Zusätzlich ist es naheliegend, dass eine Maschine gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, mit zahlreichen Zylinderpaaren, die an einer gemeinsamen Antriebswelle befestigt sind, und/oder mit fortschrittliche Materialien, wie Keramik und Verbundwerkstoff und/oder mit fortschrittlichen Ventilsystemen, wie magnet- oder direkt ausgelösten Ventilen.

Claims

Brennkraftmaschine enthaltend: einen Kompressionszylinder (110) mit einem Einlassventil (150) und mindestens einem Transfereinlassventil (151); einen Kompressionskolben (115), der für eine Hin- und Herbewegung innerhalb des genannten Kompressionszylinders (110) befestigt ist; einen Antriebszylinder (120), der mindestens ein Transfer-Antriebsventil besitzt (153); einen Antriebskolben (125), der für eine Hin- und Herbewegung innerhalb des genannten Antriebszylinders (120) befestigt ist; einen Durchgang, welcher jedes Transfer-Kompressionsventil (151) und Transfer-Antriebsventil verbindet und dieser Durchgang einen Regenerator (140) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regeneratorauslassventil (152) zwischen dem genannten Transfer-Kompressionsventil (151) und dem genannten Regenerator angeordnet ist.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, worin die Maschine ein einziges Transfer-Kompressionsventil (151), ein einziges Transfer-Antriebsventil (153), einen einzigen Durchgang und einen einzigen Regenarator enthält.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 2, worin die Maschine weiter ein Antriebs-Auslassventil im genannten Antriebszylinder (120) enthält.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, worin die Maschine ein Paar Transfer-Kompressionsventile (151), ein paar Transfer-Antriebsventile (153), ein Paar Durchgänge und ein Paar Regeneratoren (140) enthält.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, welche weiter Mittel für die Injektion von Wasser in den genannten Kompressionszylinder (110) enthält.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, welche weiter Mittel für die Einspritzung von Brennstoff in den genannten Kompressionszylinder (110) enthält.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, welche weiter Mittel für die Einspritzung von Brennstoff in den genannten Antriebszylinder enthält.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, welche weiter Mittel für die Verbindung des genannten Kompressionskolbens (115) enthält.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 8, worin der genannte Kompressionskolben und der genannte Antriebskolben (125) ungefähr 60 Grad ausserhalb der Phase rotieren.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, worin der genannte Kompressionszylinder (110) eine ungefähr 30% grössere Bohrung und der gleiche Hub wie der genannte Antriebszylinder (120) aufweist.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, enthaltend weiter einen Turbolader oder einen Superlader für die Kompression der eingelassenen Luft.
Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, enthaltend weiter eine Antriebswelle (130) für die Verbindung von mehreren Kolbenpaaren.
Prozess einer Brennkraftmaschine enthaltend: einlassen von Luft durch ein Einlassventil (150) in einen Kompressionszylinder; schliessen des genannten Einlassventils und Kompression der genannten Luft mit dem Kompressionskolben (115); öffnen mindestens einer der Transferkompressionsventile (151) um komprimierte Luft durch einen Regegenerator und ein Transferantriebsventil (153) zu leiten, um die erwärmte komprimierte Luft einem Antriebszylinder (120) zuzuführen; verbrennen des Brennstoffs in der genannten komprimierten Luft um den genannten Antriebskolben anzutreiben; und öffnen der genannten Transferantriebsventils (153), dadurch gekennzeichnet, dass das Auspuffgas durch den genannten Regenerator und durch das Regeneratorauslassventil (152), das zwischen dem Regenerator (140) und dem Kompressionsventil (1519 angeordnet ist, durchtritt, um das Auspuffgas zu regenerieren.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, worin die genannte Luft durch eine einziges Transferkompressionsventil (151), eine einziges Transferantriebsventil (153), einen einzigen Durchgang und einen einzigen Regenerator in einem zyklischen Zweitaktprozess durchgeleitet wird.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 14, welcher weiter den Durchgang des Auspuffgases durch ein Antriebsauslassventil am genannten Antriebszylinder umfasst.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, worin die Luft alternierend durch ein Paar von Transferkompressionsventilen, ein Paar von Transferantriebsventilen, ein Paar von Durchgängen und ein Paar von Regeneratoren in einem Viertaktprozess tritt.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, worin die Kompression von Luft im genannten Kompressionszylinder (110) oder im genannten Antriebszylinder nahezu isotherm wird, durch Zugabe von Wasser oder Brennstoff zur genannten Luft.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, worin Brennstoff in die genannte Luft im Kompressionszylinder (110) oder im genannten Antriebszylinder (120) eingespritzt wird, und die Verbrennung eingeleitet wird durch ein verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus. Heissluftzündung; Funkenzündung oder eine Kombination davon.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, welcher weiter einen Rückfederungsprozess für den genannten Kompressionszylinder umfasst, wobei das genannte Transferkompressionsventil offen bleibt um komprimierte Luft in den genannten Regenerator (140) und den genannten Durchgang eindringen zu lassen, um den genannten Kompressionszylinder (115) zu bewegen bis der atmosphärische Druck erreicht ist, bei welchem Punkt das genannte Transferkompressionsventil (151) schliesst und das genannte Einlassventil (150) öffnet.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, umfassend weiter die Verbindung des genannten Kompressionskolbens (115) und des genannten Antriebskolbens (125) zur Rotation zwischen 30–90 Grad ausserhalb der Phase.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 20, worin der genannte Kompressionskolben und der genannte Antriebskolben ungefähr 60 Grad ausserhalb der der Phase rotieren.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, worin der Brennstoff durch ein Verfahren aus der Gruppe zugeführt wird, bestehend aus: Funkenzündungs-Brennstoffzugabe während einem Ansaugtakt, Brennstoffe, die eine Vergasung oder Umformung erfordern, während dem Transfer vom Kompressions- zum Antriebszylinder, Heissluftzündungs-Brennstoffeinspritzung in den Antriebszylinder, und seine Verbrennung.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, worin der Antrieb durch die Verwendung eines Turboladers oder eines Superladers verstärkt wird.
Prozess einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 13, worin mehrere Kolbenpaare an einer gemeinsamen Antriebswelle befestigt sind.