DE650863C - Diesel- oder Halbdieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Bei den Diesel- und Halbdieselmotoren, die kein Brennstoff-Luft-Gemisch, sondern nur Luft ansaugen, verdichten und darauf Brennstoff einführen, entweichen die Abgase mit einer nicht unbedeutenden Temperatur und nehmen neben der Wärmeabfuhr durch das Kühlwasser auch einen erheblichen Teil der aufgewendeten Wärmeenergie ungenützt mit sich fort. Diese Energieverluste zusammen betragen, von den Reibungsverlusten abgesehen, etwa 6o°/₀.

Es ist für Brennkraftmaschinen bereits vorgeschlagen worden, zur Abkühlung der Abgase ein kaltes Gas, bevor ein Teil der Brenngaswärme derselben nutzlos entweichen kann, nach der Verbrennung in den Verbrennungsraum einzuführen, und zwar so, daß das kalte Gas den ungekühlten Verbrennungsgasen im Brennraum unmittelbar nach der Brennstofteinspritzung bis zum Ende des Ausdehnungshubes im Arbeitszylinder fortlaufend beigemischt wird und in den Einführungszeitpunkten jeweils mindestens unter gleichem Druck wie die Verforennungsgase steht, wohingegen seine Temperatur erheblich niedriger ist als die dem jeweiligen Druck der Verbrennungsgase entsprechende adiabatische Verdichtungstemperatur.

Hierdurch soll ein großer Teil der Verluste in nutzbare Arbeit umgewandelt und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.

Dieser selbe Zweck soll erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß ein stark gekühlter, vom Kolbenhubraum getrennter, aber ständig mit ihm verbundener Nebenraum angeordnet wird, in dem ein Teil der gesamten am Arbeitsvorgang teilnehmenden und in den Arbeitszylinder eingeführten Luftmenge durch den Kolben isothermisch verdichtet wird, während die übrige Luft im Kolbenhubraum adiabatisch verdichtet wird. Nach der Verbrennung des Brennstoffes strömt dann die isothermisch verdichtete Druckluft von Külilwassertemperatur aus dem Nebenraum bis zum Expansionshubende ständig in den KoI-henhtibräum zurück und vermischt sich ■dabei mit der adiabatisch verdichteten heißen Luft.

Der Brennraum wird dabei, wie es auch sonst bei'TBrennkraftmaschinen bekannt ist, zweckmäßig gegen Wärmedurchgang isoliert.

Da durch diese Anordnung das Mischungsverhältnis beider Teile einerseits Brenngase, andererseits kalte Preßluft gleicher Spannung beliebig gewählt werden kann, kann die Mischungstemperatur vom Beginn der Expansion an ohne Energieverlust erheblich niedriger als die normale Temperatur der verbrannten Gase gehalten werden; denn die höchste Brenngastemperatur wird schon zur Erwärmung der kalten Preßluft verwendet und wird dadurch geringer, ohne daß ein Wärmeverlust

durch die Isolation des Verbrennungsraumes bzw. von Teilen des Hubraumes hindurch an das Kühlwasser eintreten kann. Dadurch ergibt sich also auch die Möglichkeit, die Mischungstemperatur der Abgase jeweils so ■einzustellen, daß diese nach vollendetem'Ex--pansionshub mit jeder gewünschten EndV temperatur, herunter bis auf gewöhnliche. Kühlwassertemperatur, entweichen ·■ können.

ίο Eine Endtemperatur der Abgase von Kühlwassertemperatur, die etwa der Verdichtungsanfangstemperatur gleicht, kann aber nur erreicht werden, wenn die Mischungstemperatur ungefähr mit der adiabatischen Kompressionstemperätur der entsprechenden Kolbenstellung zusammenfällt.

Die Temperatur der Brenngase wird also ungefähr auf die adiabatische Verdichtungen temperatur abgesenkt, während bei allen bekannten Verfahren Diesel- und Halbdieselmaschinen die durch adiabatische Verdichtung vorgewärmte Ladeluft durch die Brenngase über die Verdichtungsendtemperatur hinaus erhitzt wird. Nur wenn kalte Betriebspreßluft von niedrigerer Temperatur als die Verbrennungsluft zugemischt wird, kann die höhere Brenngastemperatur auf jede beliebige Mischungstemperatur', herunter bis auf die der adiabatischen Verdichtung entsprechenden Temperatur en, abgesenkt werden.

Durch die isothermische Verdichtung eines Teiles der Luft gegenüber der adiabatischen der Gesamtluft wird außer den größeren Temperaturunterschieden und den damit verbundenen geringeren Wärmeverlusten an das Kühlwasser noch eine Ersparnis an aufz-uwendender Verdichtungsarbeit und so eine doppelte Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades erzielt.

Da außerdem im isothermischen Verdichtungsraum die Temperatur während der Expansion nicht absinkt, sondern auf Kühlwassertemperatur bleibt, wird die verdichtete Kühlluft bei der Expansion dem Kühlwasser einen Teil der vorher abgeleiteten Wärme entziehen und dem Arbeitszylinder nutzbringend wieder zuführen und damit gleichfalls eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgjades herbeiführen.

Da die neue Maschine auch nur mit einem Kolben und Arbeitszylinder wie bisher arbeitet, ist sie nicht verwickelter,- und die neue Einrichtung kann auch in bestehende Motore eingebaut werden.

Um aber beim Viertaktdieselmotor die Kühlpreßluft bei jedem beliebigen Druck, gleich oder kleiner als der höchste Verbrennungsdruck, und entweder fortdauernd nach beendigter Brennstoffeinspritzung oder bei gleichbleibendem "Druck auf einmal oder teilweise bei gleichbleibendem Druck und teilweise fortdauernd einführen zu können, wird, und das ist ein weiterer Teil der Erfindung, mehreren Arbeitszylindern ein Verdichter- _ zylinder mit entsprechender Kurbelversetzung ■zugeordnet, der Frischluft isothermisch verdichtet, die während des Expansionshubes in die Arbeitszylinder übertritt.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 die Erfindung z. B. an einem' Viertaktdieselmotor dargestellt.

Der Verbrennungs- oder Kolbenhubraum C ist von einer in die Zylinder wand, den Kolbenboden und Zylinderdeckel eingefügten, z. B. aus Asbest oder Glimmer bestehenden Isolierschicht D allseitig umgeben. Zweckmäßig wird diese Isolierschicht D innerhalb der Zylinderwand noch in der Hublänge so weit ausgedehnt, bis die Mischungstemperatur im Zylinder etwa auf die entsprechende adiabatische Verdichtungstemperatur gesunken ist, um den sehr empfindlichen Wärmeverlust an das Kühlwasser sicher zu verhindern. Von dem Kolbenhubraum C getrennt, aber ständig mit ihm verbunden ist ein Nebenraum B angeordnet.

Dieser Raum kann sowohl im Kühlwassermantel des Zylinderdeckels oder des Arbeitszylinders oder . in beiden untergebracht werden.

Er besteht am besten aus einem Kühlrohrsystem, das außen vollständig von Kühlwasser umgeben ist. Bei Dieselmotoren, bei denen der Verdichtungsdruck durch die Verbrennung stark ansteigt, wird die Verbindung zwischen dem nach der Verdichtung mit kalter Preßluft von Kühlwassertemperatur angefüllten Raum B und dem dann mit heißer Preßluft von etwa 8oo° gefüllten Raum C zweckmäßig durch ein von einer Nockenwelle gesteuertes Ventilvä beherrscht. Während des Verdichtungshubes bleibt das Ventil offen und wird, wenn der Kolben im oberen Totpunkt angelangt ist, so lange geschlossen gehalten, bis die Verbrennung beendet und das Einspritzventil wieder geschlossen ist. Während sich nun nach dieser Verbrennung im Verbrennungsraum bzw. Zylinder Gase von etwa 2 ooo° abs. und darüber befinden, enthält der Raum/? Preßluft von gleicher Spannung von Kühl- up. wassertemperatur. Wird das Ventil A geöffnet, so strömt die kalte Preßluft zur Mischung in den Zylinder zurück.

Bei Gleichdruckmotoren kann das Ventil A auch wegfallen. Die Mischungstemperatur muß bei beiderseits gleichem Dr$ck so berechnet werden, daß die Abgase nach beendigtem adiabatischen Expansionshub mit der gewünschten Endtemperatur entweichen können.

Die gleiche Einrichtung ist auch für Zweitaktmotoren mit gleichem Vorteil, auch für die größten Leistungen, verwendbar.

Die Erfindung läßt sich auch auf einen Glühkopfmotor übertragen.

Ist durch ein Brennstoffventil das Treiböl in den über dem Zylinder angeordneten Glühkopf eingespritzt und der Verbrennungsdruck beim darauffolgenden Expansionshub wieder auf den Verdichtungsdruck gesunken, wird das Einlaßventil zum Verdichtungsraum B geöffnet, um die kalte Preßluft gleicher Spannung zum gemeinsamen Arbeitsraum einströmen zu lassen.

Soll die Einrichtung nach der Erfindung in bereits bestehende Motore eingebaut werden, so wird der adiabatische Verdichtungsraum im Arbeitszylinder z. B. durch Aufschrauben von Vollmaterial so verkleinert, daß er zusammen mit dem Inhalt des neu hinzuzufügenden isothermischen Verdichtungsraumes dasselbe Luftgemisch aufnimmt. Die Brennstoffzufuhr wird entsprechend verringert; die Zündung bleibt dieselbe.

Die Einrichtung nach Fig. 2 ist folgendermaßen:
Zwischen je zwei Viertaktzylinder I und. "III mit den Ansaugventilen 1 und 2, den Brennstoffventilen 3 und 4 und den Auspuff ventilen 5 und 6 wird ein gewöhnlicher Verdichterzylinder II mit dem Ansaugventil 7 und dem Verbindungsventil 8 eingebaut, der nacheinander beide Arbeitszylinder bei jedem gewünschten Druck, z. B. beim höchsten Verbrennungsdruck, mit Kühlpreßluft versieht.

10 und 11 sind die Verbindungsventile zwischen den Arbeitszylindern und dem Verdichterzylinder.

Die Gesamtanordnung kann z. B. so getroffen werden, daß sich jeweils zwei Arbeitszylinder und ein Verdichterzylinder, also drei Zylinder, im entsprechenden Kurbelwinkel versetzt gegenüberliegen, die zur gewünschten Einführung der Kühlpreßluft erforderlich ist.

Ist im Zylinder I Arbeitshub bei geöffnetem

Ventil 10 und geschlossenem Ventil 11, so ist im Zylinder III Ansaughub bei geöffnetem Ventil 2 und geschlossenem Ventil 1 und umgekehrt. Der Kolben des Zylinders II wird am besten so angeordnet, 'daß die Preßluft vom Zylinder II durch das Ventil 8 im gewünschten Augenblick durch den zwischen den Zylindern im Kühlwassermantel gelegenen Ringkühlraum 9 durch die Ventile 10 und

11 den beiden Arbeitszylindern I und III zugeführt werden kann. Die Ventile 10 und 11 können auch jeweils vor Öffnen der Auspuffventile 5 und 6 wieder geschlossen werden, um im Ringkühlraum 9 einen höheren Druck und eine Art Stufenverdichtung verbunden mit Gasmischung zu erreichen. An Stelle des letzteren kann auch je nach der erforderlichen Größe z. B. ein Rohrschlangensystem irgend* welcher Art angeordnet werden.

Notwendigerweise müssen auch hierbei die Verbrennungsräume der Arbeitszylinder I und III mit der Isolierschicht D allseitig ausgekleidet werden, um den Wärmeabfluß an das Kühlwasser zu verhindern, ehe die Kühlpreßluft die Brenngastemperatur abgekühlt hat.

Neben den bereits erwähnten Vorteilen hat die Erfindung noch die Vorteile, daß durch die überschüssige Luftzufuhr nach der Brennstoffeinführung eine vollständige Verbrennung gewährleistet wird und daß durch die überschüssige Luftzufuhr gleichzeitig noch eine solche Verdünnung und Abkühlung der Auspuffgase schon innerhalb des Motors bewirkt wird, daß die Abgase färb- und geruchlos ausströmen. Dies ist besonders wichtig für Fahrzeugdieselmotore.

Claims (2)

1. Patentansprüche:.

   i. Diesel- oder Halbdieselbrennkraftmaschine, bei der den ungekühlten Verbrennungsgasen, bevor ein Teil von ihnen nutzlos entweichen kann, ein kaltes Gas zur Abkühlung nach der Brennstoffeinspritzung beigemischt wird, und zwäl· zu einem Zeitpunkt, an dem das kalte Gas unter gleichem Druck wie die Verbrennunsggase steht, wobei seine Temperatur erheblich niedriger ist als die dem jeweiligen Druck der Veriarennunggsase entsprechende adiabatische Verdichtungstenv peratur, dadurch gekennzeichnet, daß ein stark gekühlter, vom allseitig wärmeisolierten Kolbenhubraum (C) getrennter, aber ständig mit ihm verbundener Nebenrauim (B) angeordnet ist, in dem ein Teil der gesamten a'm Arbeitsvorgang teilnehmenden, in den Arbeitszylinder eingeführten Luftmenge vomArbeitskolben isothermisch, der übrige Teil im Kolbenhubraum (C) adiabatisch verdichtet wird, so daß nach der Verbrennung des Brennstoffs die isothermisch verdichtete Druckluft von Kühlwassertemperatur aus dem Nebenraum (J5) bis zum Expansionshubende ständig in den Hubraum zurück- 1111 strömt und sich mit der adiabatisch verdichteten heißen Luft mischt.
2. 2. Diesel- oder Halbdieselbrennkraftmaschine, 'bei der den ungekühlten Verbrennungsgasen, bevor ein Teil von ihnen nutzlos entweichen kann, ein kaltes Gas zur Abkühlung nach der Brennstoffeinspritzung beigemischt wird, und zwar zu einem Zeitpunkt, an dem das kalte Gas unter gleichem Druck wie die Verbrennungsgase steht, wobei seine Temperatur erheblich niedriger ist als die. dem. je-

   weiligen Druck der Verbrennungsgase entsprechende adiabatische Verdichtungstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren Arbeitszylindern (I und III) ein Verdichterzylinder (II) mit entsprechender Kurbelversetzung zugeordnet ist, der Frischluft ansaugt, die in dem Ringkühlraum (9) isothermisch verdichtet wird und während des Expansionshubes in die Arbeitszylinder (I und III) übertritt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen