DE902101C

DE902101C - Arbeitsverfahren fuer Verbund-Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE902101C
Application number: DEN856A
Authority: DE
Inventors: Albert Naccache
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1949-12-19
Filing date: 1950-05-10
Publication date: 1954-01-18

Description

Arbeitsverfahren für Verbund-Brennkraftm.aschinen Die Erfindung bezweckt eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades von Brennkraftinaschinen. Diese Erhöhung erhält man durch Einwirken auf diejenigen Faktoren, die in den Druck-Vo=umen- und Temperatur-Entropie-Diagrammen die Arbeitsflächen vergrößern. Die beiden physikalischen Hauptpunkte, auf die sich die Erfindung bezieht, sind einmal die Verkleinerung der Verdichtungsarbeit und zum anderen die Vergrößerung der Verbrennungs- und Entspannungsarbeit. Diese beiden Punkte können zu einem einzigen, nämlich die Vergrößerung der auf die Triebkolben wirkenden wirksamen Drücke, zusammengefaßt werden. Die Erhöhung des Wirkungsgrades kann man durch Beachtung der nachfolgenden acht Punkte erzielen r. Die Verdichtung erfolgt in aufeinanderfolgenden Stufen in getrennten Räumen, gleichgültig ob es sich um ein Gasgemisch oder um Luft handelt; z. Kühlung des Arbeitsmittels nach den ersten Verdichtungsstufen; 3. verbesserte Kühlung des die Endverdichtung und die Ausdehnung vornehmenden Kolbens, insbesondere durch Kühlung des Kolbens im Innern durch das teilweise komprimierte und gekühlte Arbeitsmittel bzw. Luft mit großer Geschwindigkeit; .4. teilweise oder vollständige Rückgewinnung der dem Kolben bei seiner Kühlung entzogenen Wärmemenge; 5. Ausdehnung in mehreren Stufen in getrennten Räumen; 6. Austreiben der Restgase beim im Viertakt arbeitenden Motorteil mittels Druckluft; 7. Verbrennung in mehreren Stufen in getrennten Räumen; B. Gestaltung der Verbrennungsräume derart, daß im ersten eine augenblickliche Verbrennung und eine teilweise Entspannung erfolgt, und daß im zweiten eine schnelle, aber verhältnismäßig allmähliche Verbrennung und die vollständige Entspannung erfolgt-Erfindungsgemäß erfolgt zur Anwendung der Mehrzahl der vorigen acht Punkte die Verdichtung in verschiedenen hintereinandergeschalteten Räumen, wobei in der letzten Stufe nach dem klassischen Viertaktzyklus gearbeitet wird. Andererseits erfolgt die Entspannung in zwei oder drei verschiedenen, in Reihe geschalteten Räumen, wobei sich die einzelnen Entspannungsstufen an die Anfangsentspannung des Viertaktzyklus anschließen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine vorteilhafte Kombination von verschiedenen Reglerbehältern mit den Verdichtungsstufen, die bezwecken: i. die Aufnahme und Glättung der verdichteten Arbeitsmittel, 2. die Kühlung der Arbeitsmittel, 3. die Lenkung und Aufspeicherung der das Kolbeninnere kühlenden Mittel, ¢. die Speisung der Einlaß- und Spülventile für die Austreibung der Restgase.
Zur Verringerung der Verdichtungsarbeit und zur Erhöhung der Kolbenkühlung werden die Arbeitsmittel vor ihrem Durchgang durch die Kolben in sogenannten vorderen Regelbehältern gekühlt und nach ihrem Durchgang durch die Kolben in sogenannten hinteren Regelbehältern wieder aufgefangen. die man gegebenenfalls zur Verringerung des Volumens des Arbeitsmittels ebenfalls kühlen kann und die gegebenenfalls zur Vergrößerung des Wirkungsgrades wärmeisoliert sein können. Man gewinnt so die von den Kolben abgeführte Wärmemenge gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung wieder zurück.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Abb. i zeigt im Grundriß eine Einheitsgruppe einer Bauart des Verbundmotors mit zwei nebeneinanderliegenden und auf dieselbe Kurbelwelle arbeitenden Kolben, wobei der obere Teil des einen Zylinders auch als Verdichter dient; Abb. 2 ist ein vertikaler gebrochener Schnitt durch den sogenannten Hochdruckzylinder auf der Seite des Riegelbehälters 5 der Abb. i; Abb.3 ist ein gebrochener Vertikalschnitt durch den sogenannten Niederdruckzylinder.auf der Seite des Riegelbehälters 6 der Abb. i ; Abb. 4. ist ein vertikaler gebrochener Längsschnitt durch die gesamte Einheitsgruppe der Abb. i ; Abb.5 zeigt den Grundriß der Einheitsgruppe eines Motors einer anderen Bauart mit drei nebeneinanderliegenden, auf die gleiche Kurbelwelle arbeitenden Zylindern, wobei die beiden Außenzylinder als Differentialzylinder gestaltet sind, die mit ihrem unteren Teil als Verdichter und mit ihrem oberen Teil als Viertaktmotor arbeiten, wobei der obere Teil des mittleren Zylinders im Zweitakt in den Entspannungsstufen arbeitet; Abb. 6 ist ein vertikaler gebrochener Längsschnitt durch die gesamte Einheitsgruppe der Abb. 5; Abb. 7 ist ein vertikaler gebrochener Querschnitt durch den .sogenannten Hochdruckzylinder auf der Seite des Regelbehälters 5 der Abb. 5; Abb. 8 ist ein vertikaler gebrochener Querschnitt durch den sogenannten Niederdruckzylinder ,auf der Seite des Regelbehälters 6 der Abb. 5; Abb. 9 ist ein vertikaler Schnitt durch den oberen Teil des ,aus verschiedenen Werkstoffen hergestellten Hochdruckkolbens, wobei der Weg des kühlenden Arbeitsmittels durch Pfeile angedeutet ist; Abb. i o ist ein Vertikalschnitt durch den Niederdruckzylinder, der die Lage der Verbindungsleitung Zoo zeigt, durch die die beiden außenliegenden Teile des Regelbehälters 5 mit dem mittleren Kolben verbunden sind; Abb. i i ist eine Seitenansicht, gesehen von der Seite des Regelbehälters der Abb. 5, wobei im unteren Teil dieser Abbildung der Behälter io7 durch den Behälter 177 .ersetzt ist; Abb.12 ist ein vertikaler gebrochener Längsschnitt durch eine gesamte Einheitsgruppe der Abb. 5, wobei hier jedoch in Abwandlung der Abb. 5 alle drei Kolben als Differentialkolben ausgebildet sind, die im unteren Teil im Zweitakt als Verdichter arbeiten, während die oberen Teile der beiden außenliegenden Kolben als Viertaktmotor und der obere Teil des mittleren Kolbens im Zweitakt in den Entspannungsstufen arbeitet, wobei man an der letzteren Stelle zur Hebung der Entspannungskurven noch einen mechanischen Brennstoffinjektor anordnen kann; Abb.13 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Einlaß- und Förderverhältnisse im unteren Teil des mittleren Zylinders; Abb. 14 ist ein vertikaler gebrochener Querschnitt gemäß der Linie A-0 der Abb. 13, der die Einlaßverhältnisse am unteren Teil des mittleren Zylinders zeigt; Abb. 15 ist ein vertikaler gebrochener Querschnitt gemäß der Linie B-C-O-D@ der Abb. 13, der den Auslaß des unteren Teils des mittleren Zylinders sowie die Durchströmung des oberen Kolbenteils des mittleren Zylinders zeigt; Abb. 16 ist ein vertikaler Querschnitt durch den Niederdruckzylinder, der die Anordnung von gewissen Verbindungsleitungen zeigt; Abb.17 zeigt das Umlaufschema der Arbeits-und Spülmittel bei der Bauart gemäß Abb. 5; Abb. 18 zeigt übereinandergedeckt die schematischen Druck-Volumen-Arbeitsdiagramme für einen Viertakt-Dieselmotor (Spalte I) und eine erfindungsgemäße Verbund-Brennkraftmaschine der in Abb. 5 dargestellten Bauart (Spalte II), wobei charakteristische Punkte der Diagramme mit Zahlen bezeichnet werden, deren Verbindungslinien sich auf die verschiedenen Takte beziehen.
Die beiden erwähnten Bauarten können ferner noch zu einer dritten Bauart kombiniert werden. Die Kühlung der K:>Iben, wodurch diese hohe Drücke aushalten können, sowie die Austreibung der Restgase, die die vorverdichteten heißen Arbeitsmittel vorzeitig zur Entzündung bringen können, sind bei den erfindungsgemäßen Verbundmaschinen unerläßlich.
Zur Verwirklichung des Erfindungsgegenstandes braucht man sehr viel größere Verdichtungsverhältnisse, als sonst üblich, beispielsweise etwa 3o: i, so daß man die mit größerem Arbeitsaufwand verbundenen adiabatischen Verdichtungen verlassen und sich soweit wie möglich den isothermischen Verdichtungen anzunähern hat.
Die Notwendigkeit, die Verdichtungen und die Entspannungen unter möglichst günstigen Bedingungen vorzunehmen, verlangt die Durchführung derselben allmählich in getrennten Räumen in aufeinanderfolgenden Stufen. Dieser doppelte Zwang zur Verringerung der Verdichtungsarbeit und zur Vergrößerung des schließlichen Verdichtungsdrucks führte dazu, einmal die Arbeitsmittel nach einer jeden der ersten Verdichtungsstufen zu kühlen, zum andern hierfür verschiedene Regelbehälter vorzusehen, die in den Strömungsverlauf eingeschaltet sind, und ferner vier verschiedene Modelle von erfindungsgemäßen Verbund-Brennkraftmaschinen auszubilden, die je nach der Leistung gewählt werden.
ModellA: Bei dieser Bauart erfolgt die vollständige Verdichtung der Arbeitsmittel allmählich in zwei verschiedenen Räumen und in zwei aufeinanderfolgenden Stufen mit Kühlung nach der ersten Verdichtungsstufe. Die Entspannung erfolgt ebenfalls in zwei verschiedenen Räumen und in zwei aufeinanderfolgenden Stufen.
Modell B: Bei dieser Bauart erfolgt die vollständige Verdichtung in drei Räumen und in drei Stufen mit Kühlung nach jeder der beiden ersten Stufen. Die Entspannung erfolgt in ;w--i verschiedenen Räumen und in zwei aufeinanderfolgenden Stufen.
'Modell C : Bei dieser Bauart erfolgt die Verdichtung in vier Räumen und in vier Stufen mit Kühlung während oder nach jeder der drei ersten Stufen. Die Entspannung erfolgt entweder zweistufig in zwei Räumen oder dreistufig in drei Räumen.
Modell D : Bei dieser Bauart erfolgt die Verdichtung fünfstufig in fünf Räumen mit Kühlung während oder nach jeder der vier ersten Verdichtungsstufen. Die Entspannung erfolgt dreistufig in drei verschiedenen Räumen.
Die in den Abb. i bis ,4 dargestellte Einheitsgruppe eines Verbundmotors der ersterwähnten Bauart wird durch einen als Hochdruckzylinder gekennzeichneten, im Viertakt arbeitenden Motorzylinder g mit kleiner Bohrung und durch einen danebenliegenden, als Niederdruckzylinder gekennzeichneten, während zweier Takte als Verdichter und während zweier Takte als Entspanner arbeitenden Zylinder 68 mit großer Bohrung gebildet. Die Zylinder liegen in Reihe und arbeiten auf dieselbe Kurbelwelle, wobei die Kurbelwellenkröpfungen des Hochdruckkolbens und des Niederdruckkolbens um iSo° versetzt sind. Ein durch Flüssigkeitsumlauf gekühlter Regelbehälter 5 ist im Strömungsverlauf vor den Motorzylindern an der linken Seite der Einheitsgruppe angeordnet, während ein weiterer Regelbehälter 6, der im Strömungsverlauf unmittelbar hinter den Motorzylindern liegt, an der rechten Seite dieser Einheitsgruppe angeordnet ist.
Im Zylinderkopf des Niederdruckzylinders ist ein Einlaßventil 52 (Abb. i und 4), ein Auslaßventil 56 (Abb. i), ein Einlaßventil 53 (Abb. i und 4) für die vom Hochdruckzylinder 9 (Abb. i, a und 4) kommenden Gase und ein Auslaßventil 55 (Abb. i und 3) für die entspannten Gase angeordnet.
Der Zylinderkopf des Hochdruckzylinders enthält eine Ausnehmung für einen mechanischen Brennstoffinjektor 69 (Abb. i und 4), der durch den Kanal 54 (Abb. i und 4) mit dem Ventil 53 in Verbindung steht. Dieser Kanal 54 bildet mit dem die beiden Zylinder verbindenden Kanal und mit dem über dem Hochdruckkolben vorhandenen Raum die Verbrennungskammer bzw. Explosionskammer. Im Zylinderkopf des Hochdruckzylinders ist ferner ein Einlaßventil 14 (Abb. i) für die Brennstoffzufuhr und gegebenenfalls ein weiteres Einiaßventil 25 (Abb. i und a) für Druckluft zur Inbetriebsetzung usw. vorgesehen. Gewisse Ventile müssen durch einen Druckölumlauf gekühlt werden.
Der Regelbehälter 6 ist mit dem Einlaßventil 14 (Abb. i) des Hochdruckzylinders durch die Verbindungsleitung 13 (Abb. i und 3) und der obere Teil des Regelbehälters 5 (Abb. i und z) durch eine Verbindungsleitung 57 (Abb. i) mit dem Auslaßventil 56 (Abb. i) des Niederdruckzylinders verbunden.
Der obere innere Teil 4 (Abb. z und 3) eines jeden Kolbens ist von seinem unteren Teil isoliert und als Kühlraum ausgestaltet, dessen Wärmeübergangsflächen durch aus einem Werkstoff großer Wärmeleitfähigkeit bestehenden Rippen vergrößert sind.
In den Zylindern und deren Laufbuchsen sind zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen 8 (Abb. z und 3) vorgesehen, durch die der untere Teil des Regelbehälters 5, wenn der Kolben seine untere Totlage erreicht hat, über die korrespondierenden öffnungen 7 und den Kühlraum des Kolbens mit dem unteren Teil des Regelbehälters 6 verbunden wird.
Die Arbeitsweise ist bei der soeben beschriebenen Motorbauart folgendermaßen: Das Arbeitsmittel tritt durch die Kammer 5 i (Abb. i und 4) und das Ventil 52 in den oberen Teil des dann als Verdichter arbeitenden Niederdruckzylinders und dann über das Ventil 56 und die Leitung 57 in den oberen Teil des Regelbehälters 5 (Abb. i und z).
Im Regelbehälter 5, in dem das vorverdichtete Arbeitsmittel gekühlt wird, läuft das Kühlwasser im Gegenstrom zum Arbeitsmittel um. In der unteren Totlage des Kolbens wird dieser dann durch das hindurchströmende Arbeitsmittel gekühlt, das seinerseits erwärmt wird.
Der Arbeitszyklus des Hochdruckzylinders ist derart, daß beim ersten Takt angesaugt und beim zweiten Takt als letzte Verdichtungsstufe verdichtet wird. Beim dritten Takt erfolgt die Verbrennung und die erste Stufe der Entspannung, zu dessen Ende sich das Ventil 53 (Abb. i und 4.) schnell öffnet, worauf dann im vierten Takt die noch nicht vollständig entspannten Gase über die Verbindungsleitung 5.4 und das Einlaßventil 53 in den oberen Teil des Niederdruckzylinders ausgestoßen werden.
Der Niederdruckzylinder vervollständigt während des anschließenden Taktes die im Hochdruckzylinder begonnene Entspannung und fördert dann während des nachfolgenden Taktes die entspannten Gase über das Auslaßventil 55 (Abb. i und 3) und die Leitung 58 ins Freie. Daraufhin arbeitet der Niederdruckzylinder wieder zwei Takte als Volverdichter. Die Taktfolge ist also derart, wenn man vom Viertakt im Hochdruckzylinder ausgeht, daß während der beiden ersten Takte des Hochdruckzylinders der Niederdruckzylinder als Entspanner und während der beiden letzten Takte des Hochdruckzylinders der Niederdruckzylinder als Vorverdichter arbeitet.
Die aus den Kolben bei ihrer Kühlung abgeführte Wärmemenge wird im Hochdruckzylinder 9 (Abb. i, a und 4.) zurückgewonnen, der über die Leitung 13 (Abb. i und 3) und das Ventil 14 aus dem Regelbehälter 6 mit vorverdichtetem, erwärmtem Brennstoff gespeist wird.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist also ersichtlich, daß bei dieser vorhin beschriebenen Motorbauart die ersten fünf von den acht den Wirkungsgrad erhöhenden Punkten berücksichtigt sind.
Bei der nachfolgend beschriebenen Motorbauart wird außerdem noch der sechste Punkt berücksichtigt, wodurch die wirksamen Drücke über die der vorhin beschriebenen Bauart hinaus vergrößert werden. Es sind hierbei je Einheitsgruppe zwei oben einen geringeren Durchmesser au`w,-isende Differentialzylinder vorhanden, deren obere Teile als Viertaktmotor und deren untere Teile als Zweitaktverdichter .arbeiten. Diese sogenannten Hochdruckzylinder sind beiderseits eines dritten, oben einen größeren Durchmesser aufweisenden Differentialzylinders angeordnet, der im oberen Teil Kfls Zweitakt-Entspanner und im unteren Teil als Zweitakt-Verdichter arbeitet und als Niederdruckzylinder gekennzeichnet ist. Diese Bauart hat noch den Vorteil, daß für die Lagerung der Pleuelstange im unteren erweiterten Teil der Hochdruckkolben ausreichend Platz vorhanden ist.
Die beiden Hochdruckzylinder 9 (Abb. 5 und 7 ) und der Niederdruckzylinder 7? (Abb. 5 und 8) sind in Reihe angeordnet, und .alle drei Kolben arbeiten auf dieselbe Kurbelwelle. Die beiden Hochdruckkolben i (Abb. 6) arbeiten auf gleichgelagerte Kurbe:wellenkröpfungen; die oberen Teile der Hochdruckzylinder arbeiten jedoch hinsichtlich des Arbeitszyklus um 36o° versetzt. Die Kurbelwellenkröpfung des Niederdruckkolbens i" ist gegenüber denen der beiden Hochdruckkolben um i8o° versetzt.
Der Zylinderkopf eines jeden Hochdruckzylinders weist ein Einlaßventil 14 (Abb. 5, 6 und 12) für die Zufuhr des Brennstoffes und ein Einlaßventil ; 4. (Abb. 5 bis 7) für die für die Luftspülung erforderliche Druckluft auf. Das Einlaßventil74 wird vor dem Ende des vierten Taktes schnell geöffnet und bei Beginn des ersten Taktes schnell geschlossen, so daß eine kräftige Luftspülung die heißen Restgase abführt.
B.-i Motoren mit Brennstoffeinspritzung wird in einer entsprechenden Aussparung ein mechanischer Brennstoffinjektor 173 (Abb. 12) untergebracht, der bei Vergasermotoren durch einen entsprechenden Stöpsel ersetzt wird, wobei dann in einer entsprechenden Ausnehmung eine Zündkerze 174 -(Abb. 12) vorgesehen ist, die sonst durch einen entsprechenden Stöpsel ersetzt wird.
Im Zylinderkopf des Niederdruckzylinders sind zwei Einlaßventile 53 (Abb. 5 und 12) für die heißen Gase und ein Auslaßventi155 (Abb.5 und 8) und gegebenenfalls ein mechanischer Brennstoffinjektor 175 (Abb. 5 und 16) angeordnet. Die Ausnehmung eines jeden Injektors 173 ist mit der Ausnehmung für das entsprechende Ventil 53 durch einen Kanal 54 (Abb. 5 und 12) verbunden.
Bei Motoren kleiner Leistung werden die Kolben wie bei der ersten bereits beschriebenen Motorbauart durch ein Hindurchströmen der vorverdichteten und abgekühlten Arbeitsmittel durch die oberen Teile der Zylinder und Kolben gekühlt, während bei Motoren mittlerer und großer Leistung das ganze Arbeitsmittel für die Kühlung der oberen Teile der Hochdruckkolben vorbehalten ist. Der obere Teil des Niederdruckkolbens wird dann durch hindurchströmende Druckluft gekühlt, die von einem über ein Getriebe mit der Motorwelle gekuppelten Turbokompressor erzeugt wird, dessen Turbine durch die vom Niederdruckzylinder kommenden Auspuffgase betätigt wird, so daß die in den Auspuffgasen noch verfügbare Energie u. a. zur Erhöhung der Kolbenkühlung ausgenutzt wird.
Bei Bauarten für geringere Leistungen sind nur die äußeren Zylinder, jedoch nicht der mittlere Niederdruckzylinder als Differentialzylinder ausgebildet (Abb.6).
Der Einlaß in einen unteren Verdichter, beispielsweise in den linken Verdichter der Abb.6, erfolgt durch ein selbsttätiges Ventil i56 (Abb. 5) aus der Atmosphäre oder einem Vergaser oder Zerstäuber, je nachdem, was als Arbeitsmittel dient. Der Auslaß erfolgt ebenfalls durch ein dem Einlaßventil 156 benachbartes selbsttätiges Ventil i55. Der Einlaß zum anderen Verdichter (der rechte der Abb. 6) erfolgt durch eine Öffnung i i i (Abb. 7 und i i), welche in der unteren Kolbentotlage die Verbindung zu Atmosphäre schafft. Der Auslaß dieses Verdichters erfolgt über zwei Ventile 157, 158 (Abb. 5), die bei Motoren mit Brennstoffeinspritzung getrennte Verbindungen zu verschiedenen Motorteilen schaffen.
Für mittlere und große Leistungen benutzt man eine Anordnung gemäß dem erwähnten Modell B, bei dem der mittlere Differentialzylinder am unteren Teil und die Hochdruckzylinder am oberen Teil einen kleineren Durchmesser aufweisen (Abb. 1-2, 14 und 15). Die gleichzeitige Benutzung dieser beiden Arten von Differentialzylindern bietet große mechanische und sich auf die Verdichtung beziehende Vorteile und ist ein charakteristischer Zug dieser Motorbauart.
Der Einlaß in den unteren Verdichter des Niederdruckzylinders erfolgt wiederum durch eine in der Zylinderwand angeordnete Öffnung i i i (Abb. 14), die in der oberen Kolbentotlage freigegeben wird, so daß durch die Leitung 171 das bereits vorverdichtete und abgekühlte Arbeitsmittel aus dem Regelbehälter einströmen kann. Der Auslaß erfolgt durch einen Kanal 153 über ein in der Ausnehmung 154 (Abb. 15) untergebrachtes selbsttätiges Ventil und über die Verbindungsleitung 173 zum Regelbehälter 5.
Zwischen den verschiedenen Verdichtungsstufen sind durch Flüssigkeitsumlauf gekühlte Regelbehälter einzuschalten, wodurch die Verdichtungsarbeit verringert wird. Die Regelbehälter nehmen die von der vorherigen Verdichtungsstufe ankommenden Arbeitsmittel auf, speichern sie, glätten die Druckschwankungen und kühlen sie, wonach sie dann die Kolben durchströmen und in den nächsten Regelbehälter gelangen, von dem sie dann der nächsten Verdichtungsstufe, beispielsweise dem oberen Teil des Hochdruckzylinders, zugeführt werden.
Bei Vergasermotoren müssen selbstverständlich für die zur Luftspülung erforderliche Druckluft getrennte Regelbehälter vorgesehen sein. Dasselbe gilt für die zur Kühlung des Niederdruckzylinders erforderliche Druckluft, welche einen kleineren Druck als die der Luftspülung dienende hat. Ferner können noch weitere Regelbehälter vorgesehen sein, die als Verteiler für die von den verschiedenen Verdichtern geförderten Arbeitsmittel auf verschiedene Teile des Motors sowie zu ihrem Auslaß ins Freie dienen.
Die Arbeitsweise dieser Motorbauart ist wie folgt: Die Verdichtung erfolgt in den durch die unteren Teile der Motorzylinder gebildeten Verdichtern, von wo aus in einem oder mehreren längs der Leitung angeordneten Regelbehältern gekühlt und dann im Regelbehälter 5 (Abb. 5 und 7), der im Strömungsverlauf unmittelbar vor den drei Motorzylindern angeordnet ist, aufgespeichert wird. In den unteren Totlagen der Kolben werden diese von den vorverdichteten und gekühlten Arbeitsmitteln wie bei der vorher beschriebenen Motorbauart zur Kühlung durchströmt. Ein im Strömungsverlauf unmittelbar hinter den drei Motorzylindern angeordneter weiterer Regelbehälter 6 (Abb. 5 und 8) dient als Auffangbehälter für das erhitzte Arbeitsmittel.
Die beiden Hochdruckzylinder 9 (Abb. 6 und 7) arbeiten im Viertakt und werden aus dem Regelbehälter 6 (Abb. 5 und 8) über die Ventile 14 (Abb. 5 und 6) und die Leitungen 13 (Abb. 5 und 8) gespeist. Sie nehmen nur einen geringen Bruchteil der Entspannung vor.
Gegen das Ende ihres dritten Taktes, der die; erste Stufe der Entspannung darstellt, öffnet sich eines der Einlaßventile 53 (Abb. 5 und 6) des Niederdruckzylinders sehr schnell und bleibt während eines großen Teils des vierten Taktes eines der Hochdruckzylinder offen, der dem ersten Takt des entsprechenden Niederdruckzylinders entspricht. Hierbei wird im Niederdruckzylinder die im Hochdruckzylinder begonnene Entspannung vollendet, und im nächsten Takt werden die heißen Abgase über das Ventil 55 (Abb. 5 und 8) und die Leitung 73 ins Freie oder zu einem Turbokompressor abgeführt. Der im Zweitakt arbeitende obere Teil des Niederdruckzylinders 72 (Abb. 5, 6, 8) vollendet abwechselnd die in den beiden zugehörigen Hochdruckzylindern (Abb. 6 und 7) jeweils begonnenen Entspannungen.
Nachfolgend werden einige Anwendungsbeispiele angeführt.
i. Gasmotor nach ModellA: Es sind hierbei die in den Abb. 5 bis i i dargestellten Teile zu berücksichtigen. Der obere Teil des Niederdruckzylinders arbeitet als Entspanner; er hat im unteren Teil den gleichen Durchmesser wie oben. Bei diesem Anwendungsbeispiel sind die mit den Bezugszeichen 161, 162, 113 und 107 versehenen Teile der Abb. i i und 16 und der untere Teil der Abb. i i auszuscheiden. Vor den Kolben ist .ferner nur ein einziger Regelbehälter 5 zu berücksichtigen, der durch die beiden Zwischenwände I 17 (Abb. 5 und i i) unterteilt ist, so daß so zwei außenliegende Abteilungen 5 für die Aufnahme, Kühlung, Druckglättung und die Verteilung der vorverdichteten Arbeitsmittel und eine mittlere Abteilung 77 (Abb. ii) für die Aufnahme, Kühlung, Druckglättung und Verteilung der zur Luftspülung erforderlichen Druckluft geschaffen werden.
Der linke untere Verdichter wird über ein selbsttätiges Einlaßventil 156 (Abb. 5) mit dem gasförmigen Brennstoff gespeist. über das Auslaßventil 155 erfolgt über die Leitung 12 (Abb. 5, 7 und i i) die Verbindung mit den oberen Teilen der beiden außenliegenden Abteilungen des Regelbehälters 5.
Der rechte untere Verdichter wird über die Öffnung i i i (Abb. 7 und i i) mit Außenluft gespeist und fördert die verdichtete Luft durch ein erstes Ventil 157 (Abb. I I) und eine Leitung i 6o in die oberen Teile der außenliegenden Abteilungen des Regelbehälters 5, wo sich diese Luft mit den bereits durch den linken unteren Verdichter in diese Abteilungen geförderten verdichteten Speisegasen mischt. Durch ein zweites Ventil 158 und eine Leitung 159 fördert er die für die Luftspülung erforderliche Druckluft in die mittlere Abteilung 77.
Die beiden außenliegenden Abteilungen des Regelbehälters 5 sind durch eine Leitung Zoo (Abb. i o) verbunden, die an der rechten Innenseite der mittleren Abteilung 77 angeordnet ist. Die Verbindungsleitung ist reichlich bemessen und stützt sich auf die beiden Zwischenwände 117 (Abb. 5) und ist in der Mitte mit der auf der linken Seite des Niederdruckzylinders liegenden Öffnung 8 verbunden, welche die Durchströmung des oberen Kolbenteils in der unteren Totlage gestattet. Eine Leitung 13 (Abb. 5 und 8) verbindet den Regelbehälter 6 mit dem Einlaßventi114 des Hochdruckzylinders. Zwei Leitungen 114 (Abb. i z) verbinden die mittlere Abteilung 77 mit den Einlaßventilen 7,4 (Abb. 5 und 6) für die Luftspülung, die sich plötzlich vor dem Ende des vierten Taktes öffnen, so daß die aus der Abteilung 77 kommende Druckluft die heißen Restgase durch die Leitungen 54 (Abb. 6) und die Ventile 53 und 5 5 (Abb. 6 und 5) austreibt.
2. :Motor mit Brennstoffeinspritzung nach Modell A: Bei dieser Motorbauart dient als Arbeitsmittel nur Luft, so daß keine getrennten Regelbehälter und Verbindungsleitungen für gasförmigen Brennstoff und Luftspülung erforderlich sind, wodurch folgende Vereinfachungen vorgenommen werden können: Der rechte untere Verdichter ist wie der untere linke Verdichter zu behandeln, so daß bei ihm die Zufuhrleitungen i io und i i i (Abb. 7 und i i) sowie die Leitungen 159 und i 6o fortfallen, welche durch eine der Leitung 12 analoge Leitung ersetzt werden. Ferner können die Zwischenwände 117 (Abb. 5 und i i) und die durch sie geschaffene Unterteilung des Regelbehälters 5, die Ventile 74 (Abb. 5 und 7) für die Luftspülung und ihre Steuerorgane, die die mittlere Abteilung 77 mit dem Ventil 74 verbindenden Leitungen 114 sowie die die Außenabteilungen 5 (Abb. i) mit der Einlaßöffnung 8 (Abb. 8) des Niederdruckzylinders verbindende Leitung Zoo (Abb. i o) fortfallen. Wenn man trotzdem .eine Luftspülung vornehmen will, braucht man nur die unteren Verdichter geeignet zu bemessen und den Einlaßventilen 14 (Abb. 5 und 6) eine geeignete Voreilung zu geben.
3. Gasmotor nach Modell B : Zum Übergang vom Modell A auf das Modell B sind nur folgende Veränderungen vorzunehmen: Es ist ein Verdichter durch Ausbildung des mittleren Druckzylinders als Differentialverdichter hinzuzufügen. Ferner ordnet man vor dem Regelbehälter 5 (Abb. 5, 7 und i i ) und unterhalb desselben einen neuen Regelbehälter 177 (Abb. 16) mit senkrechten Zwischenwänden 117 (Abb. i i) an, durch die zwei außenliegende Abteilungen 177 für die Aufspeicherung und Kühlung des Arbeitsmittels sowie eine mittlere Abteilung 77 für die Aufspeicherung und Kühlung der zur Luftspülung erforderlichen Druckluft ,geschaffen werden.
Der untere Verdichter des Niederdruckzylinders gestattet die Zufuhr der Arbeitsmittel erst dann, wenn sie eine erste Verdichtung in den unteren Verdichtern der Hochdruckzylinder und eine erste Abkühlung in den außenliegenden Abteilungen 177 (Abb. i i) des hinzugefügten Regelbehälters erfahren haben. Nach einer zweiten Verdichtung im unteren Verdichter des Niederdruckzylinders werden die Arbeitsmittel zur zweiten Abkühlung in den Regelbehälter 5 (Abb. i i bis 16) gefördert, der nicht unterteilt ist. Die unteren Verdichter der Hochdruckzylinder fördern also nicht in den Regelbehälter 5, sondern über den Leitungen 12, 159 und i 6o (Abb. i i) ähnliche, aber verschieden geneigte Leitungen in die entsprechenden Abteilungen des neuen Regelbehälters 177 (Abb. i i), dessen beide außenliegende Abteilungen untereinander durch eine reichlich bemessene Leitung Zoo (Abb. i o) verbunden sind, die an der rechten unteren Ecke der Abteilung 77 (Abb. i i) angeordnet ist und sich auf den beiden Zwischenwänden 117 abstützt. Diese Verbindungsleitung besitzt keine mittlere Öffnung, sondern dient lediglich zum Ausgleich der beiden Außenabteilungen 177.
Der Niederdruckverdichter wird aus den außenliegenden Abteilungen 177 über die Leitung 171 (Abb. 14 und i i) und die Öffnung i i i gespeist, wobei die Leitung 171 die Verbindung zwischen der Öffnung i i i und einer der außenliegenden Abteilungen 177 schafft. Dieser untere Niederdruckverdichter fördert über den Kanal 153 (Abb.15), über ein in einer Ausnehmung 154 untergebrachtes selbsttätiges Auslaßventil und die Leitung 173 in den Regelbehälter 5.
Das Modell B hat den Vorteil, daß man sich durch die zusätzliche Verdichtungsstufe und infolge der Kühlung nach der .ersten und zweiten Verdichtungsstufe der isothermischen Verdichtung noch mehr nähert, wodurch die Verdichtungsarbeit verringert wird. Ferner ist die Dichte der die Kolben durchströmenden Arbeitsmittel größer, was sich in einer besseren Kühlung der Kolben und in einer höheren Temperatur des Arbeitsmittels nach dem Durchgang durch die Kolben äußert. Hinzu kommt noch, daß wegen der höheren Temperatur und größeren Dichte der in den oberen Teilen der Hochdruckzylinder bei den Endverdichtungen zu erzielende Verdichtungsgrad beträchtlich verringert wird, was deshalb besonders vorteilhaft ist, weil hierbei die kostspieligste und größte Verdichtungsarbeit zu leisten ist. Weiterhin erfolgt die Rückgewinnung der aus mechanischen Gründen ,aus den Kolben abzuführenden Wärme unter ausgezeichneten Bedingungen.
4. Motor mit Brennstoffeinspritzung nach Modell B Hierfür gelten die gleichen Angaben wie die für das entsprechende Anwendungsbeispiel nach Modell A gemachten.
5. Gasmotor nach Modell C : Zum Übergang vom Modell B zum Modell C sind nur folgende Veränderungen vorzunehmen: Man kuppelt mit der Hauptwelle des Motors über ein Getriebe einen Turbokompressor, dessen Turbine mit den vorn oberen Teil des Niederdruckzylinders kommenden Abgasen gespeist wird. Ferner fügt man an der linken Seite des Modells B an einer geeigneten Stelle unterhalb des Regelbehälters 177 einen Regelbehälter i o7 (Abb. 7 und i i) hinzu, der gegebenenfalls durch einen Flüssigkeitsumlauf gekühlt wird und durch eine geeignete Leitung, von der in den Abb. 5 und 7 ein Ende 163 sichtbar ist, von dem erwähnten umlaufenden Verdichter mit Druckluft gespeist wird. Diese aufgespeicherte und gekühlte Druckluft dient einerseits zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Verdichtung und andererseits zur Kühlung des oberen Teils des Niederdruckkolbens.
Eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Verdichtung erhält man dadurch, daß man durch eine nicht dargestellte Leitung den Regelbehälter 107 (Abb. 7 und i i) mit der dem Einlaßventil 156 (Abb. 5) des unteren Verdichters des linken Hochdruckzylinders das Gasgemisch zuführenden Vorrichtung verbindet, so daß dieser Zylinder mit vorverdichteter gekühlter Luft gespeist wird.
Zur Kühlung des oberen Teils des Niederdruckkolbens ordnet man gemäß den Abb. 7 und 8 vom Regelbehälter 107 ausgehend die Verbindungsleitungen 161 und 162, die Kanäle 8 und die Leitung 113 durch die Regelbehälter 5 und 6 hindurchgehend an, so daß der Niederdruckkolben in seiner unteren Totlage durch einen starken Strom hindurchströmender kalter Druckluft gekühlt wird. Hierdurch hängt die Kühlung des Niederdruckkolbens also nicht mehr von dem Arbeitsmittel ab, sondern vom Volumen und von der Dichte der vom umlaufenden Verdichter geförderten Luft, was durch geeignete konstruktive Maßnahmen beliebig beeinflußt werden kann. Die gesamten Arbeitsmittel stehen somit für eine erhöhte Kühlung der Hochdruckkolben zur Verfügung.
Durch die Verdichtung in vier Stufen mit Kühlung nach jeder der drei ersten Stufen hat man sich der isothermischen Verdichtung noch mehr genähert. Die Entspannung erfolgt dreistufig in drei getrennten Räumen, wobei man unter den bestmöglichen Bedingungen einen großen Teil der im Abgas enthaltenen Wärme zurückgewinnen kann.
6. Motor mit Brennstoffeinspritzung nach Modell C Hierfür gelten die gleichen Angaben wie die für die entsprechenden Anwendungsbeispiele nach den Modellen A und B gemachten.
7. Kombinierter Motor mit Zylindern, die als Gasmotor arbeiten, und mit einem mit Brennstoffeinspritzung arbeitenden Zylinder innerhalb der gleichen Einheitsgruppe: Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, die Hochdruckzylinder als Gasmotor und den Niederdruckzylinder mit Brennstoffeinspritzung arbeiten zu lassen. Hierzu wird im Zylinderkopf des Niederdruckzylinders ein mechanischer Brennstoffinjektor 175 (Abb. 5 und 16) angeordnet, der zur bestimmten Zeit in den oberen Teil des Niederdruckzylinders eine feinzerstäubte Brennstoffmenge einspritzt, so daß der obere Teil des Niederdruckzylinders während eines Bruchteils seines ersten Taktes als Entspanner und während des größten Teils seines ersten Taktes als Dieselmotor arbeitet. Hierdurch wird die Entspannungskurve des Niederdruckzylinders angehoben und infolgedessen die Masseleistung vergrößert und ferner die Verdichtungsarbeit verringert, denn die zur Entzündung des Brennstoffes erforderlichen hohen Temperaturen werden nicht mehr durch die Komprimierung des die Verbrennung fördernden Stoffes, sondern durch die Verbrennung eines Gasgemisches erhalten, das reich an dem die Verbrennung fördernden Stoff und arm an Brennstoff ist, wobei die hohen Temperaturen dieses Gemisches bestmöglich ausgenutzt werden.
Man sieht, daß bei diesem Anwendungsbeispiel also sämtliche acht eingangs erwähnten Punkte berücksichtigt sind; man kann jedoch noch weitere Verbundanordnungen herstellen, indem man in besonderer Weise gewisse Teile der beschriebenen Motorbauarten kombiniert. Als Beispiel wird nachstehend eine einfache und wirkungsvolle, aus zwei Differentialzylindern bestehende Verbundanordnung beschrieben, bei der die oberen Zylinderräume in der für die erste Motorbauart (Abb. i bis q.) angegebenen Weise und die unteren Zylinderräume in der für die zweite Motorbauart (Abb. 12 bis 16) angegebenen Weise ausgebildet sind, wobei der Hochdruckkolben oben und der Niederdruckkolben unten einen kleineren Durchmesser aufweisen.
Man erhält so eine Einheitsverbundgruppe, die nur zwei Zylinder, aber vier unabhängige Verdichter aufweist, von denen der erste durch den oberen Raum des Niederdruckzylinders, der zweite durch den unteren Raum des Hochdruckzylinders, der dritte durch den unteren Raum des Niederdruckzylinders und der vierte durch den oberen Raum des Hochdruckzylinders gebildet wird.
Als Motor mit Brennstoffeinspritzung fördern der erste und der dritte Verdichter parallel in einen einzigen Regelbehälter 177 (Abb. i i ), aus dem der zweite Verdichter gespeist wird und der in den Regelbehälter 5 (Abb. i i) fördert, wo ein zweites Mal gekühlt wird und dann nach Kühlung der Kolben der obere Teil des Hochdruckzylinders gespeist wird.
Als Gasmotor besteht nur der Unterschied, daß der dritte Verdichter statt in den Regelbehälter 177 in den Regelbehälter 77 (Abb. i i) fördert, indem die Druckluft für die Luftspülung aufgespeichert wird.
Bei dieser besonderen Verbundanordnung erfolgt die Gesamtverdichtung des Arbeitsmittels dreistufig mit Kühlung nach den beiden ersten Stufen, und wenn man beim Arbeiten als Motor mit Brennstoffeinspritzung einen umlaufenden Turbokompressor hinzufügt, kann diese Motorbauart gemäß Modell D arbeiten.
Die stufenweise Verdichtung des Arbeitsmittels erfolgt längs des Zufuhrweges in Richtung von vorn nach hinten, wobei die erste im mit der Turbine verbundenen umlaufenden Verdichter, die zweite im oberen Teil des Niederdruckzylinders, die dritte im unteren Teil des Hochdruckzylinders, die vierte im unteren Teil des Niederdruckzylinders und die fünfte im oberen Teil des Hochdruckzylinders stattfindet.
Jeder Verdichter fördert in einen Regelbehälter, der durch Flüssigkeitsumlauf gekühlt wird und den nächsten Verdichter speist; nur der umlaufende Verdichter kann eine Ausnahme bilden, wobei hier durch Luftumlauf im Verdichter selbst gekühlt werden kann.
Von der stufenweisen Entspannung erfolgt die erste Stufe im oberen Teil des Hochdruckzylinders, die zweite im oberen Teil des Niederdruckzylinders und die dritte in der Turbine des umlaufenden Turbokompressoraggregats.
Die Verdichtung erfolgt also fünfstufig in fünf verschiedenen Räumen mit Kühlung während oder nach jeder der ersten vier Stufen, während die Entspannung dreistufig in drei getrennten Räumen stattfindet. Man erkennt aus den besonderen Merkmalen dieser dritten Motorbauart, daß die Gesamtverdichtung genügend regelmäßig auf alle verfügbaren Verdichter aufgeteilt werden kann. Vorteilhaft ist auch die vollständige Rückgewinnung der sonst bei der Kolbenkühlung gewöhnlicher Motoren abgeführten Wärmemenge. Die gleiche zyklische Gleichmäßigkeit könnte man mit Motoren der zweiten Bauart nur durch Kupplung mit einer zweiten Einheitsgruppe der dritten Bauart erzielen. Wenn auch die soeben beschriebene dritte Bauart komplizierter ist, so ist sie doch für Motoren großer Leistung mit großen Vorteilen verbunden, die u. a. in einer Verringerung der Verdichtungsarbeit und in einer besseren Kolbenkühlung liegen, wobei übrigens alle acht der eingangs erwähnten Punkte berücksichtigt sind.
Je nach dem Belastungsfall kann man auf dieselbe Motorwelle mehrere Einheitsgruppen gleicher oder verschiedener Verbundarten hintereinander, parallel, sternförmig usw. gegebenenfalls gegeneinander versetzt .arbeiten lassen. Wenn man einen umlaufenden Turbokompressor von der Art des fünften Anwendungsbeispiels nach Modell C hinzufügt, erhält man eine zusätzliche Verdichtungsstufe und .eine zusätzliche Entspannungsstufe, wodurch der Wirkungsgrad der betreffenden Gruppe und die Kolbenkühlung verbessert werden.
In der Abb.8 sind die Arbeitsdiagramme der Verbundmaschine und eines einfachen Dieselmotors übereinander gezeichnet, wobei unberücksichtigt bleiben konnte,- daß die verschieden aufgewandten und geleisteten Arbeiten in verschiedenen Räumen erfolgen, von denen gewisse im Zweitakt arbeiten. Im Arbeitsdiagramm der Verbundanordnung begrenzen die Linien 202-207,1208-209/210-21I die einzelnen von jedem Hochdruckzylinder bzw. Niederdruckzylinder bzw. oberen Verdichter des Hochdruckzylinders geleistete Verdichtungsarbeit; die Linien 207-208/ 2o9-21 o begrenzen die Kontraktionsarbeit in den Regelbehältern 177 und 5 und die Linien 2II-2I2/212-213,;#213-2i4 die Verbrennungs- und Entspannungsarbeit in den oberen Räumen der Hochdruck- und ':Mieder druckzylinder.
Für eine beliebige Stellung des die verschiedenen Kolben der Verbundanordnung ersetzenden fiktiven Kolbens ergibt sich der auf diesen Kolben wirksame Druck aus der Differenz der Ordinaten der Verbrennungs- und Entspannungskurven und der Verdichtungs- und Kontraktionskurven.
Die durch die Verbundanordnung im Vergleich zum einfachen Dieselmotor erzielte Ersparnis wird hinsichtlich der Verringerung der Verdichtungsarbeit durch die waagerecht schraffierte Fläche und hinsichtlich der Vergrößerung der Verbrennungs- und Entspannungsarbeit durch die Differenz aus den schräg und senkrecht schraffierten Flächen angegeben.
Zum Modell B der zweiten und dritten Matorbauart ist noch zu erwähnen, daß die gleichen Hauptteile des Motors von vornherein so ausgebildet werden können, daß er sowohl als Gasmotor als auch als Motor mit Brennstoffeinspritzung arbeiten kann, was durch die beträchtlichen Volumverringerungen bei den erfindungsgemäßen Motoren, welche die hohen Wirkungsgrade gewährleisten, erzielt werden kann, wobei man ihnen gleichen Wert geben kann, unabhängig davon, ob es sich um einen Gasmotor oder um einen Motor mit Brennstoffeinspritzung handelt.
Da die Wärmeübertragung u. a. von der Glätte der umströmten Fläche und der Dichte des gasförmigen Mediums und insbesondere von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, ergibt sich durch die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Durchströmung der Kolben durch die verdichteten und gekühlten Arbeitsmittel bzw. Luft eine ausgezeichnete Kolbenkühlung, die bei manchen Motorbauarten nicht nur einer üblichen Wasserkühlung von Zylinder und Zylinderkopf gleichkommen, sondern diese sogar übertreffen. Bei Modell A ist gegenüber dem Modell B die Dichte des Kühlmediums und somit die Wärmeabsorption und Wärmeübertragung größer und insbesondere die ausgezeichnete Rückgewinnung der aus den Kolben abzuführenden Wärme bemerkenswert. Diese kann bei Motoren mit Brennstoffeinspritzung vollständig sein, so daß der in den oberen Teilen der Hochdruckzylinder zu erreichende Endverdichtungsgrad, durch den die eine schnelle und vollständige Entzündung des eingespritzten Brennstoffes bewirkenden hohen Temperaturen erreicht werden, beträchtlich verringert werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Arbeitsverfahren für Verbund-Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der Arbeitsmittel und die Entspannung mehrstufig in getrennten Räumen erfolgen, wobei die Arbeitsmittel nach den ersten Verdichtungsstufen und nach Durchströmen der zu kühlenden Kolben unter teilweiser oder vollständiger Rückgewinnung der abgeführten Wärme in Regelbehältern (z. B. 5 und 6) gekühlt werden.
2. Arbeitsverfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Restgase aus dem im Viertakt arbeitenden Zylinder durch Druckluft ausgespült werden.
3. Arbeitsverfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung mehrstufig in getrennten Räumen erfolgt, wobei der erste für eine augenblickliche Verbrennung und eine Anfangsentspannung und der zweite für eine schnelle, aber verhältnismäßig allmähliche Verbrennung und zur Vervollständigung der Entspannung eingerichtet sein können.