DE69512189T2

DE69512189T2 - Brennkraftmaschine mit hochwirksamen thermischem Regenerator

Info

Publication number: DE69512189T2
Application number: DE69512189T
Authority: DE
Inventors: John M. Clarke
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-12-12
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2015-11-25
Also published as: US5540191A; EP0717183A1; EP0717183B1; JPH08232761A; DE69512189D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen im Zylinder liegenden thermischen Regenerator für einen Verbrennungsmotor.
Die thermische Regeneration ist vorgeschlagen worden, um den thermischen Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors zu steigern. Die thermische Regeneration bzw. Wiedergewinnung besteht aus dem Einführen eines Wärmetauschers in den Zylinder, der einen Kern besitzt, der aus einem Material hergestellt ist, welches hohen Temperaturen widerstehen kann, während es eine geringe thermische Leitfähigkeit zeigt. Während des Abgas- bzw. Auslaßzykluses des Motors absorbiert der Kern die Abgaswärme, die dann vom Kern zum Arbeitsströmungsmittel folgend dem Kompressions- bzw. Verdichtungszyklus übertragen wird, jedoch vor oder während der Verbrennung des Brennstoffes, um die erforderliche zu verbrennende Brennstoffmenge zu verringern.
Ein regenerativer Verbrennungsmotor ist offenbart im US- Patent 4 790 284, welches einem Regenerator beschreibt, der die unverwandte Hitze aufnimmt, die normalerweise mit den Abgasprodukten eines Motors ausgestoßen wird, und diese auf das frische Arbeitsströmungsmittel zum geeigneten Zeitpunkt im nächsten Motorbetrieloszyklus überträgt, um die Brennstoffmenge zu verringern, die verbrannt werden muß, wie oben beschrieben. Dies wird durchgeführt durch Abwendung eines durchlässigen bzw. permeablen, beweglichen Wärmetauscher, der zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf gelegen ist. Jedoch entspricht die Wärmemenge, die in dieser Weise rückzirkuliert werden kann, der Kühlung von der Temperatur des Abgases nach der Expansion zu der Temperatur des komprimierten Gases spät im Kompressions- bzw. Verdichtungsprozeß. Wenn daher das Gas isentrop komprimiert wird, ist seine Temperatur am Ende der Dichtung hoch, was die Wirksamkeit des Regenerators einschränkt.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, dieses Problem zu überwinden.
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung besitzt ein Verbrennungsmotor einen Zylinderblock mit einer darin definierten ringförmig offenendigen Bohrung. Eine Kurbelwelle ist drehbar innerhalb des Zylinderblockes montiert. Ein Kolben ist betriebsmäßig mit der Kurbelwelle assoziiert und ist zur Hin- und Herbewegung zwischen einer oberen Totpunktposition an einer obersten Lage und einer unteren Totpunktposition an einer untersten Lage in der ringförmigen offenendigen Bohrung befestigt. Ein Kopf ist in schließender Beziehung an der ringförmigen offenendigen Bohrung montiert.
Ein thermischer Regenerator bzw. eine Wiedergewinnungsvorichtung ist innerhalb der inneren offenendigen Bohrung positioniert und ist beweglich zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben. Eine Regenerationskammer wird innerhalb der ringförmigen offenendigen Bohrung definiert, und zwar zwischen dem Zylinderkopf oder dem Kolben und dem thermischen Regenerator bei gewissen Positionen des Regenerators. Eine Brennkammer wird innerhalb der ringförmigen offenendigen Bohrung definiert zwischen dem anderen Teil des Zylinderkopfes oder des Kolbens und zwar an gewissen Positionen des Regenerators. Einlaßventilmittel sind vorgesehen, um frische Luft in die geteilte Kammer zu bringen. Auslaßventilmittel sind vorgesehen, um Abgase aus der Kammer herauszutreiben. Mittel zum Einspritzen von Brennstoff in die ringförmige Bohrung sind für die Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer vorgesehen. Eine Quelle von Kühlströmungsmittel ist vorgesehen. Einspritzmittel sind vorgesehen, um eine voreingerichtete Menge von Kühlflüssigkeit in die kalte Kammer oder Regenerationskammer während eines vorbestimmten Betriebszykluses des Motors hinzuzufügen.
Die vorliegenden Erfindung verwendet einen thermischen Regenerator, der Wärme von heißen Verbrennungsgasen absorbiert, wenn er in einer Richtung bewegt wird, und der die absorbierte Wärme auf kühle Einlaßluft überträgt, wenn er in einer entgegengesetzten Richtung bewegt wird. Das Hinzufügen von Kühlflüssigkeit, vorzugsweise von hoher latenter Verdampfungswärme in die Einlaßluft, wie hier offenbart, kühlt die Einlaßluft auf eine niedrigere Temperatur, bevor der thermische Regenerator die absorbierte Wärme überträgt. Daher wird die Menge der von dem Regenerator ausgetauschten Wärme gesteigert, die Temperatur des Abgases wird verringert, und die Wirksamkeit des thermischen Regenerators wird gesteigert. Alternativ kann die Kühlflüssigkeit verwendet werden, um die Temperaturen zu verringern, die zur Verbrennung und für den Regenerator erforderlich sind, während man einen sehr hohen Motorwirkungsgrad aufrecht erhält.
Zwei Beispiele von Motoren gemäß der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen die Figuren folgendes darstellen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines regenerativen Verbrennungsmotors;
Fig. 2a-j eine schematische Darstellung der Betriebsabfolge der Ereignisse bei dem Vier-Takt-Zyklus- Betrieb des Motors der Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines regenerativen Verbrennungsmotors; und
Fig. 4a-j eine schematische Darstellung der Betriebsabfolge der Ereignisse in dem Vier-Takt- Zyklusbetrieb des Motors der Fig. 3.
Die hier offenbarte Erfindung kann entweder mit einem Zwei- oder einem Vier-Takt-Motor verwendet werden. Zur Bequemlichkeit sind Vier-Takt-Dieselmotoren veranschaulicht, es wird jedoch klar sein, daß die Erfindung auch auf andere Bauarten und Konfigurationen von Motoren anwendbar sein wird.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Fig. 1 und 2a-j weist ein Verbrennungsmotor 10 einen Zylinderblock 12 mit einem Zylinder 14 an einem oberen Ende 16 auf. Eine Kurbelwelle 20 ist drehbar innerhalb des Zylinderblockes 12 an einem unteren Ende 24 befestigt. Ein Kolben 28 ist innerhalb des Zylinders 14 befestigt und ist gegen die Wand des Zylinders 14 durch eine Vielzahl von Kolbenringen 30 abgedichtet. Der Kolben 28 ist mit der Kurbelwelle durch irgendeine Art von geeigneten Mitteln verbunden, die fähig sind, eine hin und her bewegliche lineare Bewegung vorzusehen, wie beispielsweise eine herkömmliche Verbindungs- bzw. Pleuelstange 34 und einem Kolbenstift 38 oder irgendeine andere Verbindung. Der Kolben 28 bewegt sich zwischen einer oberen Totpunktposition (TDC = top dead center) an der obersten Stelle und einer unteren Totpunktposition (BDC = bottom dead center) an der untersten Stelle im Zylinder 14 hin und her. Die Hin- und Herbewegung zwischen der oberen Totpunktposition (TCDC) und der unteren Totpunktposition (BDC) innerhalb des Zylinders 14 definiert den Vier-Takt- Zyklus des Motors 10, der die Einlaß-, Kompressions- bzw. Verdichtungs-, Leistungs- und Auslaßhübe aufweist.
Ein Zylinderkopf 42 ist am oberen Ende 16 des Zylinderblocks 12 in schließender Beziehung zum Zylinder 14 befestigt. Der Zylinderkopf 42 besitzt darin eine Bohrung 46, und zwar koaxial mit dem Zylinder 14 im Zylinderblock 12. Eine Kammer oder ein Motorzylinder 49 wird innerhalb des Zylinders 14 durch den Zylinderkopf 42 und den Kolben 28 und dazwischen geformt. Ein (unten genauer beschriebener) Regenerator 51 ist als in dem Zylinder 14 positioniert gezeigt, und ist in dem Zylinder 14 beweglich. Eine Brennkammer 50 ist zwischen dem Regenerator 51 und dem Kopf 42 im Zylinder 14 definiert, und eine kalte Kammer 52 von variabler Größe ist zwischen dem Kolben 28 und dem Regenerator 51 definiert.
Ein Einlaßventil 62 und ein Auslaßventil 66 sind innerhalb des Zylinderblockes 12 innerhalb eines Einlaßanschlußes 54 und eines Auslaßanschlußes 58 angeordnet, die innerhalb des Zylinderblockes 12 definiert sind und in Strömungsmittelverbindung mit dem Oberteil des Zylinders 14 sind. Das Einlaßventil 62 bringt Umgebungsluft in den Zylinder 14 während des Einlaßhubes des Motors. Abfühlmittel 68, wie beispielsweise ein herkömmlicher Feuchtigkeitsmesser zum Abfühlen der Feuchtigkeit der Einlaßluft sind innerhalb des Einlaßanschlußes 54 positioniert. Das Auslaßventil 66 gestattet es, daß der Auslaßanschluß 58 Abgase aus dem Motorzylinder während des Auslaßhubes herausdrückt. Die Einlaß- und Auslaßventile 62, 66 werden selektiv in die offenen und geschlossenen Positionen durch irgendwelche herkömmlichen Betätigungsmittel bewegt, wie beispielsweise durch eine (nicht gezeigte) Nockenwelle.
Eine herkömmliche Brennstoffeinspritzvorrichtung 76 ist innerhalb des Kopfes 42 in einem Winkel angeordnet, um die geeignet Brennstoffmenge in die Brennkammer 50 zur gewünschten Zeit während des Betriebszyklus des Motors 10 einzuspritzen.
Der Regenerator 51 ist ein permeabler bzw. durchlässiger Wärmetauscher, der aus zwei Komponenten besteht, einem Kern 84 und einer Hilfstragstruktur 86. Der Regeneratorkern 84 ist aus einem Material hergestellt, welches die Fähigkeit hat, hohen Temperaturen zu widerstehen, und ist so aufgebaut, daß er eine niedrige thermische Leitfähigkeit in einer Richtung parallel zur Längsachse des Zylin ders 14 hat. Die Hilfstragstruktur 86 besteht aus einem Paar von Metallscheiben 90, 90' und einem zylindrischen Rock bzw. Mantel 94, der den Kern 84 von der Wand des Zylinders 14 trennt. Eine Regeneratorbetätigungsstange 100 ist an einem Ende der oberen Metallscheibe 90 in irgendeiner geeigneten Weise angeschlossen und gestattet es, den Regenerator im Motorzylinder 14 hin und her zu bewegen. Die Betätigung der Stange 100 kann durch irgendwelche geeigneten Mittel 104 durchgeführt werden, wie beispielsweise eine mechanische, hydraulische, pneumatische oder elektrische Betätigungsvorrichtung, die auf ein Eingangssignal anspricht. Die Betätigung der Stange 100 wird durch irgendwelche geeigneten Mittel 108 gesteuert, wie beispielsweise ein elektronisches oder elektrisches Signal, welches mit den Betätigungsmitteln 104 kommuniziert. Für eine zusätzliche Detaildarstellung des thermischen Regenerators 51 sei Bezug genommen auf US-A-4 790 284.
Eine Kühlflüssigkeitseinspritzvorrichtung 110 ist innerhalb des Kopfes 42 an einer Position positioniert, um Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, in den Zylinder 14 einzuspritzen. Die Einspritzvorrichtung 110 sollte mit einer (nicht gezeigten) Düse ausgerüstet sein, die fähig ist, die Kühlflüssigkeit während der Einspritzung fein zu zerstäuben. Eine Kühlflüssigkeitsleitung 114 verbindet die Einspritzvorrichtung 110 mit einer Quelle von Kühlflüssigkeit 116. Ein Ventil 118 ist innerhalb der Kühlflüssigkeitsleitung 114 angeordnet und steuert den Fluß der Kühlflüssigkeit von der Kühlflüssigkeitsquelle 116 in die Einspritzvorrichtung 110. Das Ventil 118 spricht auf ein Signal von den Steuermitteln 108 an, die mit den Abfühlmitteln 68 verbunden sind und darauf ansprechen. Das Ventil 118 bewegt sich zu festgelegten Zeiten während des Betriebszyklus des Motors in die offenen und geschlossenen Positionen. Getrennte Steuermittel könnten verwendet werden, um die Zeitsteuerung der Einspritzvorrichtung 110 zu steuern, und das Ventil 118 kann innerhalb der Einspritzvorrichtung 110 angeordnet werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 3 und 4a-j gezeigt. Die gleichen Bezugszeichen, wie in der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwendet, werden verwendet, um ähnliche Elemente in diesem Ausführungsbeispiel zu bezeichnen.
Beim Gebrauch des Verbrennungsmotors 10 und mit Bezug insbesondere auf die Fig. 2a-j wird der Vier-Takt- Zyklusbetrieb des Motors 10 gezeigt. Die Fig. 2a bis 2j zeigen die Position des Kolbens 28, des Regenerators 51 und der Ventile 62, 66 zu verschiedenen Zeiten oder Kurbelwellenwinkeln während des Zykluses. Die Konstruktion des Motors der Fig. 2a bis 2j ist derart, daß das Hochtemperaturvolumen (oder die Brennkammer), wo die Verbrennung auftritt, zwischen dem Regenerator 51 und dem Zylinderkopf 42 gelegen ist, und auf dies wird als eine Kaltkolbenmotorkonstruktion Bezug genommen. In dem Motorzyklus besteht der erste Schritt (Fig. 2a) aus der Öffnung des Einlaßventiles 62, während der Kolben 28 nahe der oberen Totpunktposition (TDC) ist, wobei das Auslaßventil 66 geschlossen ist, und der Regenerator 51 so nahe wie möglich an der Oberfläche des Zylinderkopfes 42 posi tioniert ist. Der Einlaßhub wird durchgeführt durch Bewegung des Kolbens 28 nahe zur unteren Totpunktposition (BDC) während der Regenerator 51 am Platz bleibt (Fig. 2a bis 2b). Der Abwärtshub des Kolbens 38 zieht frische Luft durch das Einlaßventil 62 herein und in das Volumen zwischen dem Kolben 28 und dem Regenerator 51. Das Feuchtigkeitsniveau der Frischluft wird überwacht durch Abfühlmittel 68, die ein Signal an die Steuermittel 108 senden, und die Steuermittel 108 senden ein Signal an das Ventil 118 zur Öffnung, was gestattet, daß Kühlflüssigkeit in die kalte Kammer 52 zwischen den Kolben 28 und dem Regenerator 51 durch die (nicht gezeigte) Düse in der Einspritzvorrichtung 110 eintritt.
Als nächstes wird das Einlaßventil 62 geschlossen (Fig. 2c), und der Kolben 28 wird nach oben bewegt, was die Luft zusammendrückt. (Fig. 2c bis 2d). Es sei bemerkt, daß die Steuermittel 108 alternativ das Signal an das Ventil 118 während des Kompressions- bzw. Verdichtungshubes senden können. Die Kühlflüssigkeit wird in die kalte Kammer 52 in einer feinen Dispersion bzw. Verteilung eingespritzt, die weiter durch das Einlassen der Frischluft verteilt bzw. zerstäubt werden kann. Das Einspritzen von fein zerstäubter Kühlflüssigkeit in die Kühlkammer 52 senkt die Temperatur und steigert die Dichte der Einlaßluft, wodurch ein größeres Volumen von Frischluft in das Volumen zwischen dem Kolben 28 und dem Zylinderkopf 42 zugelassen wird. Wenn man eine Mischung von fein dispergiertem Kühlströmungsmittel in der frischen Luft komprimiert, verringert die Verdampfung der fein dispergierten bzw. zerstäubten Kühlflüssigkeit die Verdichtungsarbeit und die resultierende Temperatur nach der Kompression.
Wenn der Kolben 28 auf oder nahe der oberen Totpunktposition (TDC) ist, ist die Verdampfung der Flüssigkeit vollständig und der Regenerator 51 wird nach unten bewegt (Fig. 2d bis e) zu einer Position sehr nahe dem Kolben 28. Die komprimierte Luft mit niedriger Temperatur tritt in die untere kühlere Oberfläche des Regenerators 51 ein und wird aufgeheizt, wenn sie durch den Regenerator 51 vorankommt, wobei der Regenerator 51 vorher erhitzt worden ist (in dem vorherigen Motorzyklus) wie unten beschrieben. Die Wärmeübertragung zwischen der komprimierten Luft mit niedriger Temperatur und dem Regenerator 51 ist größer als die Wärmeübertragung in einem herkömmlichen Generatorsystem, was den Wirkungsgrad des Regenerators 51 steigert.
Die komprimierte Luft tritt aus der heißen Oberseite bzw. oberen Oberfläche des Regenerators 51 in die Brennkammer 50 mit einer höheren Temperatur aus, und der Brennstoff wird dann in die erhitzte Luft in der Brennkammer 50 eingespritzt und wird verbrannt, um dem Arbeitsströmungsmittel zusätzlich Wärme zu bringen (Fig. 2f). Das Hochdruckarbeitsströmungsmittel drückt den Kolben 28 nach unten auf oder nahe zu seiner unteren Totpunktposition (BDC) während der Regenerator 51 bewegt wird, um den Kolben 28 so nahe wie möglich zu folgen (Fig. 2f-2g). Bevor der Kolben 28 die untere Totpunktposition (BDC) erreicht, kehrt der Regenerator 51 um und wird nach oben bewegt (Fig. 2h-2i) und zwar durch die expandierten Verbrennungsprodukte, um die nicht verwendete in dem Gas übrigbleibende Hitze mit hoher Temperatur herauszuziehen. Der Auslaßhub (Fig. 2i-2j) wird durchgeführt durch Öffnung des Auslaßventils 66 zu irgendeiner Zeit nachdem oder Regenerator 51 vorbeigelaufen ist und über dem Auslaßanschluß ist, und durch Bewegung des Kolbens 28 zu seiner oberen Totpunktposition (TDC). Der ansteigende Kolben 28 drückt die verbrauchten abgekühlten Verbrennungsprodukte nach außen durch das Auslaßventil 66. Das Auslaßventil 66 wird dann geschlossen, das Einlaßventil 62 wird geöffnet, und der nächste Betriebszyklus beginnt.
Der Betrieb des Motors 10 der Fig. 1 in einem Zwei-Takt- Zyklus ist ähnlichen dem oben beschriebenen Vier-Takt- Zyklus. Jedoch treten die Einlaß- und Auslaßprozesse nahezu gleichzeitig auf, und zwar nahe oder nach der Vollendung des Leistungshubes. Wenn sich der Kolben 28 der unteren Totpunktposition (BDC) nähert, steigt der Regenerator 51 zum Zylinderkopf 42. Das Auslaßventil 66 öffnet sich, was die unter Druck gesetzten Verbrennungsprodukte ausläßt, die aus der kalten Kammer 52 zwischen den Regenerator 51 und den Kolben 28 laufen und aus dem Auslaßventil 66 entweichen. Sobald der Druck ausreichend abgefallen ist, wird das Einlaßventil 62 geöffnet. Die Spülung tritt dann auf, wenn beide Ventile 62, 66 offen sind, und frische Luft tritt ein, um das Abgas zu ersetzen. Beide Ventile 62, 66 schließen darauffolgend früh in Kompressionshub. Während dieses Teils des Zykluses senden die Steuermittel 108 ein Signal an das Ventil 118 zur Öffnung, was gestattet, daß die Kühlflüssigkeit in die kalte Kammer 52 durch die (nicht gezeigte) Düse in der Einspritzvorrichtung 110 eintritt. Es sei bemerkt, wie oben erwähnt, daß die Steuermittel 108 das Signal an das Ventil 118 während eines Teils des Kompressionshubes senden können.
Mit Bezug auf die Fig. 3 und 4a-j wird die Brennkammer 50 innerhalb des Zylinders 14 zwischen dem Regenerator 51 und dem Kolben 28 geformt. Der Einlaßanschluß 54 und der Auslaßanschluß 58 werden innerhalb des Zylinderkopfes 42 geformt, und zwar in Verbindung mit der kalten Kammer 52, die zwischen den Zylinderkopf 42 und dem Regenerator 51 gelegen ist, und zwar durch das Einlaßventil 62 und das Auslaßventil 66. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 76 und die Kühlflüssigkeitseinspritzvorrichtung 110 sind innerhalb des Zylinderblockes 12 angeordnet.
Es sei bemerkt, daß obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem herkömmlichen Vier-Takt-Verbrennungsmotor beschrieben wird, andere Motorkonfigurationen und -variationen verwendet werden können.
Insbesondere mit Bezug auf die Fig. 4a-4j ist der Vier-Takt-Betriebszyklus des Motors 10 abgebildet, wobei ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht wird. Der Hauptunterschied zwischen der Konstruktion der Fig. 2a-j und der Konstruktion der Fig. 4a-j ist, daß das Hochtemperaturvolumen, wo die Verbrennung auftritt, zwischen dem Regenerator 51 und dem Kolben 28 gelegen ist, anstelle zwischen dem Regenerator 51 und dem Zylinderkopf 42. Auf dies wird Bezug genommen als eine Heißkolbenmotorkonstruktion. Der erste Schritt im Zyklus (Fig. 4a) besteht aus dem Öffnen des Einlaßventils 62, wenn der Kolben 28 nahe dem oberen Teil seines Hubes ist, wobei das Auslaßventil 66 geschlossen ist, und wobei der Regenerator 51 so nahe wie möglich zum Oberteil des Kolbens 28 positioniert ist. Der Kolben 28 und der Regenerator 51 werden dann zusammen zum unteren Teil des Hubes bewegt (Fig. 4a-4b). Die Abwärtsbewegung des Kolbens 28 zieht frische Luft in die kalte Kammer 52 durch das Einlaßventil 62. Das Einlaßventil 62 wird nun geschlossen, (Fig. 4c) und der Kolben 28 und der Regenerator 51 werden zusammen nach oben (Fig. 4c-4d) zum Oberteil des Hubes bewegt, was die Luft in dem Volumen am Oberteil der Brennkammer 50 komprimiert. Während des Einlaßhubes (Fig. 4b) senden die Steuermittel 108 ein Signal an das Ventil 118 zum Öffnen, was gestattet, daß Kühlflüssigkeit in die kalte Kammer 52 durch die (nicht gezeigte) Düse in der Einspritzvorrichtung 110 eintritt, wie oben genauer im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben (Fig. 2a- 2j). Wenn sich der Kolben 28 dem Oberteil des Hubes nähert, wird der Regenerator vom Kolben 28 getrennt und zum Oberteil des Zylinders 14 bewegt (Fig. 4d-4e). Wenn sich der Regenerator 51 nach oben bewegt, tritt die komprimierte Luft mit tiefer Temperatur in seine kühlere Oberseite und wird gezwungen, durch den Regeneratorkern 84 zu laufen, und wenn sie dies tut, wird sie durch den Regenerator 51 aufgeheizt. Brennstoff wird nun von der Brennstoffeinspritzvorrichtung 76 in die Brennkammer 50 zwischen dem Oberteil des Kolben 28 und dem Unterteil des Regenerators 51 eingespritzt (Fig. 4f) und wird durch die hohe Temperatur der Luft gezündet. Das heiße Hochdruckarbeitsströmungsmittel drückt den Kolben 28 zum Un terteil seines Hubes, während bewirkt wird, daß der Regenerator 51 in Ruhe nahe dem Oberteil des Zylinders 14 bleibt (Fig. 4f-4g). Während der Abwärtsbewegung des Kolbens 28 expandiert das heiße Arbeitsströmungsmittel und wandelt einen Teil der in dem Arbeitsströmungsmittel enthaltenen Hitze in Arbeit um. Wenn sich der Expansionshub der Vollendung nähert (Fig. 4h), wird der Regenerator 51 aus seiner Position nahe dem Oberteil des Zylinders 14 nach unten zum Kolben 28 bewegt, wobei er durch das expandierte Arbeitsströmungsmittel läuft und die nicht verwendete Hitze mit hoher Temperatur absorbiert, die es enthält. Wenn das Arbeitsströmungsmittel durch seinen Durchgang durch den Regenerator 51 gekühlt wird, wird der Druck im Zylinder verringert. Wenn der Regenerator 51 nach unten bewegt wird, wird das Auslaßventil 66 geöffnet (Fig. 41). Der Kolben 28 und der Regenerator 51 treffen sich und bewegen sich dann zusammen nach oben, wobei das verbrauchte, gekühlte Arbeitsströmungsmittel durch das Auslaßventil 66 ausgestoßen wird (Fig. 4i- 4j). Das Auslaßventil 66 schließt nun, das Einlaßventil 62 öffnet, und der nächste Zyklus beginnt (Fig. 4a).
Der Zwei-Takt-Zyklus-Betrieb des Motors 10 der Fig. 3 ist ähnlich dem oben beschriebenen Vier-Takt-Zyklus. Der Zwei-Takt-Zyklus-Betrieb beginnt mit dem Kompressions- bzw. Verdichtungshub. Der Kolben 28 und der Regenerator 51 sind nahe zusammen positioniert und sind in oder nahe der unteren Totpunktposition (BDC). Sowohl das Einlaß als auch das Auslaßventil 62, 66 ist geschlossen. Der Kolben 28 und der Regenerator 51 werden zusammen nach oben bewegt, wobei sie die Luft im oberen Teil der Zylinderboh rung 14 komprimieren. Auf oder nahe dem Ende des Kompressionshubes trennt sich der Regenerator 51 vom Kolben 28 und bewegt sich nach oben durch die komprimierte Luft zum Oberteil des Zylinders 14, was die Luft auf eine hohe Temperatur aufheizt. Die Einspritzvorrichtung spritzt dann Brennstoff in die erwärmte Luft zwischen dem Kolben 28 und dem Regenerator 51 ein. Der Brennstoff wird durch die hohe Temperatur der Luft, durch die heiße Bodenseite des Regenerators 51 und durch die Verbrennung gezündet, und führt dem Arbeitsströmungsmittel Wärme zu. Der Brennstoff könnte auch während des Expansionshubes eingespritzt und verbrannt werden. Das heiße Arbeitsströmungsmittel drückt den Kolben 28 nach unten, und wandelt während seiner Expansion etwas von der Wärme in Arbeit um. Der Regenerator 51 bleibt nahe dem Oberteil des Zylinders 14 während des größten Teils des Expansionshubes. An einem gewissen Punkt während des Expansionshubes beginnt der Regenerator 51, sich nach unten zu bewegen und kurz danach öffnet sich das Auslaßventil 66. Da der Hauptteil des Arbeitsströmungsmittels immer noch auf hoher Temperatur ist, ist der Druck im Zylinder 14 höher als der atmosphärische Druck, und das Arbeitsströmungsmittel fließt durch den Regenerator 51 und aus dem Auslaßventil 66. Das Arbeitsströmungsmittel gibt seine nicht verwendete Hitze von hoher Temperatur ab, während es durch den Regenerator 51 läuft. Sobald der Druck in dem Zylinder 14 ausreichend abgefallen ist, öffnet sich das Einlaßventil 62. Eine Spülung tritt nun auf, wobei die beiden Ventile 62, 66 offen sind und frische Luft eintritt, um das Abgas zu ersetzen. Beide Ventile 62, 66 schließen darauffolgend früh im Kompressionshub. Während dieses Teils des Zykluses senden die Steuermittel 108 ein Signal an das Ventil 118 zur Öffnung, was gestattet, daß Kühlflüssigkeit in die kalte Kammer 52 zwischen dem Regenerator 51 und dem Zylinderkopf 42 durch die (nicht gezeigte) Düse in der Einspritzvorrichtung 110 eintritt. Es sei bemerkt, daß wie oben erwähnt die Steuermittel 108 das Signal an das Ventil 118 während eines Teils des Kompressionshubes senden können. Wenn der Regenerator 51 sich dem Kolben 28 eng nähert, und der Druck sich dem atmosphärischen Druck annähert, schließt das Einlaßventil 62 und der nächste Zyklus beginnt.
Das Zufügen von Kühlflüssigkeit in die Einlaßluft kühlt die Einlaßluft auf eine Temperatur, die gestattet, daß ein thermischer Regenerator seine absorbierte Hitze auf die Einlaßluft mit größerer Kapazität bzw. Leistungsfähigkeit überträgt. Daher wird die von dem Regenerator ausgetauschte Wärmemenge gesteigert, die Temperatur des Abgases wird verringert, und die Wirksamkeit des thermischen Regenerators wird gesteigert. Alternativ kann die Kühlflüssigkeit verwendet werden, um die zur Verbrennung und für den Regenerator erforderlichen Temperaturen zu verringern, während man einen sehr hohen Motorwirkungsgrad beibehält.

Claims

1. Verbrennungsmotor (10) mit einem Zylinderblock (12) mit einem darin definierten Zylinder (14), wobei eine Kurbelwelle (20) drehbar innerhalb des Zylinderblockes (12) montiert ist, wobei ein Kolben (28) betriebsmäßig mit der Kurbelwelle (20) assoziiert ist und zur Hin- und Herbewegung zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition in dem Zylinder (14) befestigt bzw. montiert ist, weiter mit einem Zylinderkopf (42), mit einem thermischen Regenerator (51), der innerhalb des Zylinders (14) positioniert ist und in vorgewählte Positionen zwischen dem Kolben (28) und dem Kopf (42) bewegbar ist, wobei der Regenerator (51) mit dem einen Teil von dem Kolben (28) und dem Kopf (42) eine Brennkammer (50) definiert, und wobei er mit dem anderen Teil von dem Kolben (28) und dem Kopf (42) eine kalte Kammer (52) definiert, weiter mit Einlaßventilmitteln (62), um selektiv Einlaßluft in die kalte Kammer (52) einzulassen, mit Auslaßventilmitteln (66), um selektiv Abgase aus dem Zylinder (14) zwischen dem Kolben (28) und dem Kopf (42) auszustoßen, Mittel (76) zum Einspritzen von Brennstoff in den Zylinder (14) für Verbrennung in der Brennkammer (50), gekennzeichnet durch:

Einspritzmittel (110) zur Lieferung von Kühlflüssigkeit in die kalte Kammer (52) während des Betriebes des Motors (10).

2. Motor nach Anspruch 1, der weiter Mittel (68) zum Abfühlen der Feuchtigkeit in der Einlaßluft aufweist.

3. Motor nach Anspruch 2, wobei die Abfühlmittel (68) Signale zur Regulierung der Zeitsteuerung der Einspritzmittel (110) liefern, um die Menge des in die kalte Kammer (52) eingespritzten Kühlströmungsmittels zu regeln.

4. Motor nach Anspruch 1, wobei die Einspritzmittel (110) angeordnet sind, um Kühlflüssigkeit während des Einlaßhubes zu liefern.

5. Motor nach Anspruch 1, wobei die Einspritzmittel (110) angeordnet sind, um Kühlflüssigkeit während des Kompressionshubes zu liefern.

6. Motor nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer (50) zwischen dem Kolben (28) und dem Regenerator (51) definiert ist, und wobei die Kühlkammer (52) zwischen dem Kopf (42) und dem Regenerator (51) definiert ist.

7. Motor nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer (50) zwischen dem Kopf (42) und dem Regenerator (51) definiert ist, und wobei die kalte Kammer (52) zwischen dem Kolben (28) und dem Regenerator (51) definiert wird.

8. Motorsystem, welches einen Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Quelle von Kühlflüssigkeit (116) aufweist.

Motorsystem nach Anspruch 8, wobei die Kühlflüssigkeit eine hohe latente Verdampfungswärme besitzt.

10. Motorsystem nach Anspruch 8, wobei die Kühlflüssigkeit Wasser ist.