EP0907555B1

EP0907555B1 - Pulsierender rückstossantrieb für wasserfahrzeuge

Info

Publication number: EP0907555B1
Application number: EP97929008A
Authority: EP
Inventors: Edmund Nagel
Original assignee: HMS Artist Scheier OEG
Current assignee: HMS Artist Scheier OEG
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2002-03-27
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: ATE215041T1; AU3327697A; EP0907555A1; DE59706776D1; US6132270A; WO1998001338A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer zum Verbrennen des Arbeitsgases in einem Explosionstakt und einer mit der Brennkammer in Verbindung stehenden Pumpkammer, die über eine Einlaßöffnung mit einer Antriebsflüssigkeit befüllbar ist und aus deren Auslaßöffnung die Antriebsflüssigkeit unter Einwirkung des im Explosionstakt gebildeten Verbrennungsgases ausstoßbar ist.

Ein solcher Verbrennungsmotor ist beispielsweise aus der CH-PS 450 946 bekannt und wird dort als Rückstoßmotor bezeichnet, der beispielsweise zum Antrieb von Wasserfahrzeugen verwendet werden kann. Bei diesen Motoren stellt die Flüssigkeit in der Pumpkammer eine Art Flüssigkeitskolben dar, der durch den Druck des Verbrennungsgases als Ganzes aus der Pumpkammer ausgetrieben werden soll.

Ein Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art, bei dem in einer Brennkammer durch Verbrennung eines Treibstoffs gebildete Verbrennungsgase in eine separate Pumpkammer geleitet werden und aus dieser eine Antriebsflüssigkeit ausstoßen, ist aus der FR-A-1 044 839 bekannt.

Weitere Verbrennungsmotoren mit einer Brennkammer und einer Pumpkammer, in die unter Druck stehendes Verbrennungsgas zum Ausstoß einer Antriebsflüssigkeit geleitet wird, sind beispielsweise aus der FR-A-1 206 530 und der CH-A-398 352 bekannt.

Nachteilig an den bekannten Verbrennungsmotoren dieser Art sind u.a. der relativ niedrige Wirkungsgrad der Maschine sowie die niedrigen erreichbaren Taktzahlen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art bereitzustellen, und erfindungsgemäß gelingt dies bei einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art dadurch, daß eine Sprüheinrichtung vorgesehen ist, mit der in einem an den Explosionstakt anschließenden Implosionstakt ein Kühlmedium in die Pumpkammer einsprühbar ist.

Durch ein Einspritzen von Kühlmedium in die Pumpkammer wird das heiße Verbrennungsgas schlagartig abgekühlt und verringert dadurch sein Volumen stark. Der entstehende Unterdruck unterstützt nun die Förderung des nächsten Flüssigkeitskolbens in die Pumpkammer und günstigerweise auch die Förderung von frischem Arbeitsgas in die Brennkammer. Dadurch wird die Dauer des Nachfülltaktes stark verkürzt und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht.

Eine gewisse Implosion tritt nach dem Explosionstakt auch bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren auf, doch läuft diese wesentlich langsamer ab und ist schwächer ausgeprägt, da der Wärmeaustausch des Verbrennungsgases nur langsam und unvollständig stattfindet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

In dieser zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, teilweise als Längsschnitt und teilweise als schematische Darstellung;

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-A von Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie B-B von Fig. 2;

Fig. 4 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung als Bootsantrieb;

Fig. 5a-5e die Ablaufdarstellung eines Taktzylinders;

Fig. 6 eine Detailansicht eines Einlaßventils im Längsschnitt;

Fig. 7 eine Detailansicht eines Auslaßventiles in Seitenansicht (a) und Hinteransicht (b);

Fig. 8 eine Detailansicht einer Zündstange im Längsschnitt;

Fig. 9 eine Detailansicht des Innenrohres der Injektorpumpe in aufgerollter Darstellung;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsschwungkreises mit einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor und die

Fig. 11a und b schematische Darstellungen einer Rohrkolben- und einer Kolbenblasenströmung.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der eine Mehrzahl von Pumpkammem 18 insgesamt ringförmig um eine Brennkammer 8 angeordnet sind. Die einzelnen Pumpkammem 18 sind dabei durch radiale Trennwände 35 voneinander abgegrenzt. Der Brennkammer 8 wird über das Brennkammer-Rückschlagventil 6, das Brennkammer-Einlaßventil 38 und den Vergaser 3 ein explosionsfähiges Arbeitsgas zugeführt. Für die erste Zündung beim Anlassen des Motors wird das Abeitsgas über die vom Antriebsmotor 1 angetriebene Förderpumpe 2 in die Brennkammer 8 gefördert. Sofort nach der ersten Zündung wird diese Förderpumpe 2 funktionslos, da die folgenden Ladungen der Brennkammer 8 durch den Unterdruck in den Pumpkammem 18 gefördert werden, wie weiter unten beschrieben wird. Die Förderpumpe 2 ist vorzugsweise als Axialpumpe ausgebildet, da eine solche einerseits schon bei relativ geringen Drehzahlen des Elektromotors 1 den erforderlichen Ladedruck für die erste Füllung der Brennkammer 8 erbringt und andererseits im inaktiven Zustand, also während des Normalbetriebes des Motors, kaum einen Strömungswiderstand gegen die eingesaugte Verbrennungsluft aufbaut.

Das Brennkammer-Rückschlagventil 6 muß den hohen anfänglichen Drücken während des Explosionstaktes standhalten und ein Entweichen des Verbrennungsgases durch den Vergaser 3 verhindern. Weiters muß das Rückschlagventil 6 hitzebeständig sein und eine geringe Masse seiner beweglichen Teile aufweisen, um hohen Taktfrequenzen ohne störende Zeitverzögerung folgen zu können. Als Rückschlagventil 6 eignet sich daher beispielsweise ein herkömmliches Ventil mit Federstahlmembranen.

Die Brennkammer 8 weist eine längliche Bauform auf, wodurch die Spülcharakteristik verbessert wird und eine Vermischung zwischen Verbrennungsgas aus dem vorherigen Explosionstakt und frischem Arbeitsgas besonders gering gehalten wird. Da das Arbeitsgas in der Brennkammer 8 bei atmosphänschem Druck gezündet wird, ist die Brenngeschwindigkeit des Gases relativ niedrig. Würde man daher das Gas beispielsweise nur am Brennerkopf zünden, so würde der aus der Verbrennung von Frischgasteilen in Brennerkopfnähe resultierende Überdruck die restliche Frischgasladung schneller in die Pumprohre 18 austreiben als die Flammenfront sich ausbreiten könnte. Aus diesem Grund wird eine Mehrpunktzündeinrichtung in Form einer Zündstange 7 verwendet.

Eine solche Zündstange ist beispielsweise in der Fig. 8 dargestellt. Die Zündstange 7 weist eine zentrale Elektrode 28 auf, an der sich an einem Ende der Anschluß 27 für das Zündkabel und am anderen Ende der Elektrodenfuß 30 befindet. Die Elektrode 28 ist ab ihrem Anschluß 27 für das Zündkabel von einem rohrförmigen Isolierkörper 29 umgeben. Dieser Isolierkörper 29 ist elektrisch nichtleitend und hitzebeständig. Zwischen Elektrodenfuß 30 und Einschraubgewinde 32 der Zündstange, das den Isolierkörper in der Nähe des Anschlusses 27 für das Zündkabel umgibt und als elektrischer Gegenpol dient, ist ein den Isolierkörper umgebendes metallenes Außenrohr 31 vorgesehen. Zwischen Elektrodenfuß 33, Außenrohr 31 und Einschraubgewinde 32 sowie innerhalb des Außenrohres 31 sind mehrere Unterbrechungen 33 vorgesehen, die als in Serie geschaltete Funkenstrecke dienen. Von den an den Funkenstrecken bei der Zündung sich ausbildenden Funken wird das Arbeitsgas an mehreren Stellen in der Brennkammer 8 gleichzeitig gezündet, sodaß die Abbrenndauer der gesamten Gasladung wesentlich verringert wird.

Falls die Möglichkeit bestehen kann, daß die Zündstange 7 in der Startphase feucht ist, können verschiedene Maßnahmen vorgesehen sein, um diese Feuchtigkeit zu beseitigen. Beispielsweise können eine Heizeinrichtung oder eine Trockeneinrichtung mittels eines Luftstromes vorgesehen sein.

Das im Explosionstakt gebildete unter Überdruck stehende Verbrennungsgas strömt durch den Kopfdiffusor 37 und das Einlaßventil 16 in die Pumpkammem 18 und treibt die in diesen befindliche Arbeitsflüssigkeit aus der Pumpkammerauslaßöffnung 182 aus. Dabei ist es wichtig, daß das Verbrennungsgas die in den Pumpkammem 18 sich befindende Flüssigkeit in einer sogenannten Rohrkolbenströmung und nicht etwa in einer sogenannten Kolbenblasenströmung austreibt. Solche Rohrkolbenströmungen wurden von Baker (in Dubbel, "Maschinenbau", Springer) charakterisiert, und der Unterschied zwischen diesen beiden Strömungsarten soll anhand der Fig. 11a und b kurz veranschaulicht werden. In Fig. 11a ist eine Rohrkolbenströmung dargestellt, bei der die in der Pumpkammer 18 sich befindende Antriebsflüssigkeit 40 vom in der Brennkammer 8 gebildeten Verbrennungsgas 41 als Ganzes bzw. als "Flüssigkeitskolben" ausgetrieben wird. In Fig. 11b bricht das Gas 41 durch die Flüssigkeitsoberfläche durch, wodurch der Flüssigkeitskolben nicht vollständig aus der Pumpkammer ausgetrieben wird und es zu starken Turbulenzen kommt. Eine drastische Verringerung des Wirkungsgrades ist die Folge.

Welche der beiden Strömungsarten sich ausbildet, hängt insbesondere vom Durchmesser der Pumpkammer, von ihrer Länge und von der Viskosität der Flüssigkeit ab. Um sicherzustellen, daß sich eine Rohrkolbenströmung ausbildet, darf bei vorgegebenem Durchmesser der Pumpkammer diese eine bestimmte Länge nicht unterschreiten. Herkömmliche Verbrennungsmotoren weisen nur eine Pumpkammer auf, die daher insgesamt in ihrer wirksamen Länge, d.h. über die Länge, die das Verbrennungsgas auf die Antriebsflüssigkeit wirkt, relativ lang sein muß. Die Folge ist, daß auch die Zeiten relativ lang sind, die benötigt werden, um den Flüssigkeitskolben auszutreiben und um einen neuen Flüssigkeitskolben nachzuladen. Es können daher nur relativ niedrige Taktzahlen des Motors erreicht werden.

Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, das in der Brennkammer 8 gebildete Verbrennungsgas auf eine Mehrzahl von Pumpkammem 18 aufzuteilen. Aufgrund ihres kleineren Radius bzw. ihrer kleineren Querschnittsfläche können diese unter Erhaltung einer Rohrkolbenströmung kürzer ausgebildet sein, wodurch die Taktzahl des Motors erhöht werden kann. Das Gesamtvolumen der Pumpkammem 18 wird dabei so gewählt, daß die Summe des Volumens aus Brennkammer und Pumprohren ungefähr dem Volumen entspncht (in der Praxis ist es etwas größer), welches das Verbrennungsgas einnimmt, nachdem es die Arbeitsflüssigkeit aus den Pumpkammem 18 ausgetrieben hat und sich wieder auf etwa atmosphärischen Druck entspannt hat. Auf diese Weise kann das Arbeitsvermögen des Verbrennungsgases möglichst vollstandig umgesetzt werden. Aus diesen Überlegungen ergibt sich, daß die Anzahl der Pumprohre im Quadrat zu ihrer Verkürzung erhöht werden muß.

Nach Ende des Explosionstaktes beginnt eine Volumensverminderung des Verbrennungsgases infolge seiner Abkühlung. Der daraus resultierende Unterdruck in der Pumpkammer 18 wird bereits bei den herkömmlichen Verbrennungsmotoren des Standes der Technik zur Förderung der nächsten Arbeitsgasladung in die Brennkammer 8 verwendet. Ein weiterer Faktor, der auch bei den herkömmlichen Flüssigkeitskolben-Verbrennungsmotoren zu einem Unterdruck in den Pumpkammem zu oder nach Ende des Explosionstaktes führt, ist die Bewegungsenergie des flüchtenden Wasserkolbens.

Die vorliegende Erfindung geht demgegenüber einen Schritt weiter und es ist eine Sprüheinrichtung vorgesehen, mit der am Ende des Explosionstaktes ein Kühlmedium in die Pumpkammer 18 einsprühbar ist. Diese Sprüheinrichtung kann dabei unabhängig von der Anzahl der Pumpkammern vorgesehen werden. Durch cas Einsprühen des Kühlmediums in die Pumpkammern 18 verringert sich das Volumen des Verbrennungsgases schlagartig und ein an den Explosionstakt anschließender Implosionstakt wird ausgeführt.

Die Sprüheinrichtung weist eine Reine von Spründusen 19 auf, welche in die einzelnen Pumpkammem 18 munden und die mit einer Kühlmediumkammer 51 verbunden sind. Diese Kühlmediumkammer 51 ist zwischen Brennraum 8 und Pumpkammem 18 ringförmig um den Brennraum 8 angeordnet und über eine Taktpumpe 50 mit einem Druck beaufschlagbar. Zur Ausbildung der Sprühdüsen 19 sind Bohrungen 52 zwischen Kühlmediumkammer 51 und Pumpkammem 18 vorgesehen. Auf der Seite der Pumpkammem 18 sind diese Bohrungen 52 durch eine ringförmige V-Nut 54 verbunden, in der ein Dichtungsring 53 in Form eines O-Ringes eingespannt ist. Wird das Kühlmedium 51 von der Taktpumpe 50 unter Druck gesetzt, so wird es über die Sprühdüsen 19 in die Pumpkammem 18 hauptsächlich in deren Längsrichtung eingesprüht. Anstelle eines O-Ringes kann auch ein Flachband als Dichtungsnng vorgesehen sein. Als Kühlmedium wird vorzugsweise die gleiche Flüssigkeit verwendet, die auch die Antriebsflüssigkeit bildet, beispielsweise - insbesondere bei der Verwendung des Verbrennungsmotors als Bootsantrieb - Wasser.

Der durch das Einsprühen des Kühlmediums in den Pumpkammern hervorgerufene Unterdruck führt dazu, daß sich das als Rückschlagventil ausgebildete Auslaßventil 20 schließt. Dieses Auslaßventil 20 ist für alle Pumpkammern 18 gemeinsam ausgebildet und besteht aus einem elastischen Schlauchstumpf, dessen einer Randbereich 201 an einem den Auslaßöffnungen 182 der Pumpkammern 18 benachbarten Bereich der Wand der Pumpkammem 18 befestigt ist und der in die Schließstellung vorgespannt ist. Die Größe dieser Vorspannung in die Schließstellung ist derart gewählt, daß das Auslaßventil 20 bereits schließt, wenn der Wasserkolben vollständig aus der jeweiligen Pumpkammer 18 ausgestoßen worden ist und nur noch Verbrennungsgas nachströmt. Das Auslaßventil 20 kann daher Pumpkammern 18, in denen vorzeitig Gas am Ventil ankommt, abschließen und wirkt daher synchronisierend und verhindert einen voreilenden Gasaustritt. Da die Membrane des Auslaßventils sehr leicht ist, schließt und öffnet das Ventil mit nur geringer Zeitverzögerung und ist somit auch für einen schnellen Arbeitstakt geeignet.

Durch den Unterdruck in den Purripkammem 18 öffnet weiters das Einlaßventil 16 die Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung 17, d.h. die Ventilklappe 160 bewegt sich von ihrer zweiten Schließstellung 162 in Richtung der ersten Schließstellung 161. Dadurch kann Antnebsflüssigkeit, beispielsweise Wasser, durch die Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung 17 in den hinteren Teil des Kopfdiffusors 37 und weiter durch die Einlaßöffnungen 181 der Pumpkammem 18 in die Pumpkammern 18 strömen.

Während des Explosionstaktes oder zu Beginn des Implosionstaktes ist von der Steuereinrichtung 36 das Brennkammer-Einlaßventil 38, welches beispielsweise als Klappenventil ausgebildet ist, geöffnet worden. Durch den Unterdruck in den Pumpkammem 18 während des Implosionstaktes wird daher auch Verbrennungsgas aus der Brennkammer 8 gefördert und frisches Arbeitsgas strömt nach. Die Ventilklappe 160 des Einlaßventils 16 befindet sich somit in einer Zwischenstellung zwischen der zweiten Schließstellung 162 und der ersten Schließstellung 161 und eine Mischung aus Arbeitsflüssigkeit und Verbrennungsgas strömt in die Pumpkammem 18. Würde das im nächsten Explosionstakt gebildete Verbrennungsgas auf eine solche Mischung aus Antriebsflüssigkeit und Verbrennungsgas treffen, so könnte das Verbrennungsgas in diesen mit Gas durchsetzten Flüssigkeitskolben eindringen und ein sauberes Ausstoßen des Flüssigkeitskolbens würde verhindert. Um dem zu begegnen, wird das Brennkammer-Einlaßventil 38 vor Ende des Wasserkolbennachlaufs geschlossen, sodaß das Nachströmen von Gas aus der Brennkammer 8 gestoppt wird, wodurch sich das weiter unten beschriebene Einlaßventil 16 in die erste Schließstellung 161 bewegt und dem Kopf des Wasserkolbens kein Gas beigemischt wird. Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Ventil 38 geschlossen wird, soll die Spülung der Brennkammer 8 mit Frischgas möglichst gerade abgeschlossen sein. Im nächsten Explosionstakt trifft das gebildele Verbrennungsgas somit auf reine Antriebsflüssigkeit auf und der Kopf des Flüssigkeitskolbens in der jeweiligen Pumpkammer 18 ist gegenüber dem Verbrennungsgas dicht.

Der im Implosionstakt in den Pumpkammern 18 herrschende Unterdruck beschleunigt also den Flüssigkeitskolben bereits in die Ausstoßrichtung vor. Die im Abgas gespeicherte Wärrneernergie wird daher vollständig genützt, einerseits zur Vorbeschleunigung und zum Nachladen des Flüssigkeitskolbens, andererseits zum Spülen der Brennkammer 8. Der in den Pumpkammern 18 während des Implosionstaktes herrschende Unterdruck wird von dem einströmenden Flüssigkeitskolben ausgeglichen, bevor die Pumpkammem 18 vollständig mit Antriebsflüssigkeit gefüllt sind. Die letzte Phase der Füllung, während der sich das Auslaßventil 20 öffnet, wird durch die kinetische Energie des vorbeschleunigten Flüssigkeitskolbens bewirkt. Wenn der Motor bereits in Fahrt ist, d.h. entweder er sich gegenüber der Antriebsflüssigkeit bewegt oder - im geschlossenen Flüssigkeitskreislauf - die Antriebsflüssigkeit den Motor anströmt, wirkt auch dieses Anstromen der Antriebsflüssigkeit auf die Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung 17 unterstützend auf das Nachladen der Pumpkammern mit Antriebsflüssigkeit sowie auf die Spülung der Brennkammer 8.

Durch die besondere Ausbildung des Einlaßventils 16 wird verhindert, daß das im Explosionstakt aus der Brennkammer 8 ausströmende Verbrennungsgas tangential an einer Antriebsflüssigkeitsoberfläche vorbeiströmt, da dadurch Antriebsflüssigkeit vom Verbrennungsgas mitgerissen würde und diese sozusagen in das Verbrennungsgas eingesprüht würde. Ein solches Einsprühen von Antriebsflüssigkeit in das Verbrennungsgas würde aber zu einer Abkühlung und Volumensverringerung des Verbrennungsgases noch während des Explosionstaktes führen. Eine wesentliche Verringerung des Wirkungsgrades des Motors wäre die Folge. Das Einlaßventil 16 für das Verbrennungsgas ist daher am bzw. - in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases gesehen - vor dem den Auslaßöffnungen 182 der Pumpkammern 18 gegenüberliegenden Ende der Pumpkammern 18 angeordnet. Das Einlaßventil 16 für das Verbrennungsgas ist dabei derart angeordnet und ausgebildet, daß das aus der Brennkammer 8 ausströmende Verbrennungsgas im wesentlichen nur frontal auf die Antriebsflüssigkeit auftrifft.

Prinziprell könnten das Einlaßventil 16 für das Verbrennungsgas in die Pumpkammem 18 und ein Einlaßventil für die Antriebsflüssigkeit in die Pumpkammern 18 separat ausgebildet sein. Bevorzugt wird aber die Ausbildung eines gemeinsamen Einlaßvenutiles 16 für das Verbrennungsgas und für die Antriebsflüssigkeit, wie dies in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist. Die Ventilklappe 160 dieses Einlaßventils 16 schließt in einer ersten Schließstellung 161 den Brennraum 8 ab und in einer zweiten Schließstellung 162 die Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung 17. Diese zweite Schließstellung 162 wird bei einem Überdruck in der Brennkammer 8 bzw. im Kopfdiffusor 37 eingenommen. Die Ventilklappe 160 wird von einem elastischen Schlauchstumpf gebildet, der beisoielsweise aus Silikon bestenen kann. Der eine Randbereich 163 dieses Schlauchstumpfes ist an der Motoraußenwand befestigt, wahrend der angere Randbereich in der ersten Schließsteilung 161 an der auf der Motorinnenseite gelegenen Wand des Kopfdiffusors 37 und in der zweiten Schließstellung 162 an der auf der Motoraußenseite gelegenen Wand des Kopfdiffusors 37 anliegt. Durch die Elastizität des Materials ist der Schlauchstumpf in der ersten Schließstellung 161 vorgespannt.

Zum Abstützen des Schlauchstumpfes in den beiden Schließstellungen 161, 162 sind Stützelemente 164, 165 vorgesehen, die beispielsweise als Gitter oder als in Strömungsrichtung des jeweiligen Mediums ausgerichtete streifenförmige Elemente ausgebildet sein können.

Die Abfolge der Explosions- und Implosionstakte wird von der Steuereinrichtung 36 kontrolliert, die beispielsweise als Nockensteuerung ausgebildet sein kann. Zur Zündung der Zündstange 7 wird von der Steuereinrichtung 36 ein Signal an die die Zündspule enthaltende Steuerelektrik 10 abgegeben. Zum Einsprühen von Kühlmedium in die Pumpkammem wird die Taktpumpe 50 von der Steuereinrichtung 36 in Betrieb gesetzt. Die von dieser Taktpumpe 50 verbrauchte Energie entspricht dabei weniger als 1 Prozent der Gesamtenergie und fällt daher nicht ins Gewicht. Weiters wird von der Steuereinrichtung 36 das Brennkammer-Einlaßventil 38 geöffnet und geschlossen.

Da auch im Langsamlauf der Maschine der Implosionstakt unmittelbar auf den Explosionstakt folgen muß, steuert die Steuereinrichtung 36 einen Langsamlauf dadurch, daß im Langsamlauf Pausetakte nach dem Implosionstakt eingelegt werden. Während dieser Pausetakte kann Antriebsflüssigkeit, welche den Motor anströmt, die Pumpkammem 18 einfach durchströmen.

Der die Verbindung zwischen Brennkammer 8 und Pumpkammem 18 herstellende Kopfdiffusor 37, in dem sich das Einlaßventil 16 und die Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung 17 befindet, erweitert sich ausgehend von der Brennkammer konisch und hat die Aufgabe, die Geschwindigkeit des aus der Brennkammer austretenden Arbeitsgases zu verringem. Die konische Form der Brennkammer unterstützt dabei diese Funktion, wodurch die Länge des Kopfdiffusors verringert werden kann.

Auch die Pumpkammern 18 weisen eine konische Bauform auf, und zwar verringert sich ihre Querschnittsfläche von ihrer Einlaßöffnung 181 zu ihrer Auslaßöffnung 182. Dadurch kann bei einer Sollgröße der Ausiaßöffnung 182 die Fläche der Einlaßöffnung vergrößert werden, wodurch die mögliche Taktzahl maximiert wird, da der Wasserzulauf rascher erfolgt und die Pumpkammeriänge verkürzt werden kann.

Durch Lösen der Verbindungsbolzen 60 kann die Frontplatte 61 der Brennkammer 8 abgenommen werden und ein Zugang zur Brennkammer 8 geschaffen werden.

Die Funktionsweise des in den Fig. 4 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiels ist prinzipiell gleich und analoge Teile wurden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Motor wird in diesem Ausführungsbeispiel als Bootsantrieb verwendet und ist daher an einem Bootsboden 9 unterhalb der Wasserlinie 26 angeordnet. Im Unterschied zu dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Pumpkammem 18 nicht um die Brennkammer 8 herum angeordnet sondern in Serie zu dieser. Dazu wird das aus der Brennkammer 8 ausströmende Verbrennungsgas in einem Gasverzweiger 14 auf mehrere Gasverzweigerrohre 15 aufgeteilt. Zwischen Gasverzweigerrohren 15 und Pumpkammern 18 sind wiederum Einlaßventile 16 vorgesehen, die einerseits den Zugang zu den Gasverzweigerrohren 15 und andererseits die Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnungen 17 absperren können. Diese Einlaßventile 16 sind in Fig. 6 vergrößert dargestellt und sind in ihrem Aufbau und ihrer Funktion analog zu den Einlaßventilen des Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 1 bis 3, wobei aber für jede Pumpkammer 18 ein separates Einlaßventil 16 vorgesehen ist.

Jede der Pumpkammern 18 weist wiederum Sprühdüsen 19 auf. Diese werden aber im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 nicht von einer Pumpe beaufschlagt, sondern öffnen bei einem geringen Unterdruck von beispielsweise 0,1 bis 0,5 bar in den Pumpkammem selbsttätig. Ein solcher Unterdruck liegt zu Beginn des Implosionstaktes durch das Auskühlen des Verbrennungsgases und auch durch die kinetische Energie des ausgestoßenen Wasserkolbens vor. Am Auslaßende der Pumpkamrnem 18 sind wiederum Auslaßventile 20 vorgesehen, welche bei einem Unterdruck in den Pumpkammern 18 schließen. Diese Auslaßventile 20, die in diesem Ausführungsbeispiel für jedes Pumprohr 18 separat ausgebildet sind, sind in der Fig. 7 offen (a) und geschlossen (b) dargestellt. Das Auslaßventil 20 weist elastische Membrane 21 in der Form von Kreissegmenten auf, die sich im geschlossenen Zustand ähnlich einem Zentralverschluß einer Kamera schindelartig überlappen. In der Fig. 7 nicht dargestellte Stützen am Ende der Pumpkammer 18, welche vorzugsweise stemförmig den Auslaß der Pumpkammer 18 radial überspannen, hindern diese Membranen 21 daran, durch einen Unterdruck in der Pumpkammer 18 umgekehrt in die Pumpkammer 18 gestülpt zu werden. Vielmehr legen sich die Kreissegmente zu einer Scheibenform vor dem Auslaßende der Pumpkammer 18 zusammen und sperren den Wasserrücklauf. In dieser Form sind die Membranen 20 auch vorgespannt, sodaß sie den Wasserkolben während seines Passierens des Ventils mit dem Schließdruck auflasten. Zugleich mit dem Passieren des Endes des Wasserkolbens schließt das Auslaßventil 20, und zwar aufgrund seiner geringen Masse außerordentlich rasch.

Da die Ausstoßgeschwindigkeit des Wasserkolbens aus der Pumpkammer 18 wesentlich höher als die Geschwindigkeit des Bootes ist, würde diese Geschwindigkeitsdifferenz bei der direkten Verwendung des Verbrennungsmotors als Bootsantrieb den Wirkungsgrad deutlich verringern. Es ist daher den Pumpkammem 18 eine Injektorpumpe 23 nachgeschaltet, die eine Verringerung der Geschwindigkeit unter gleichzeitiger Vergrößerung des Volumens des ausgestoßenen Wasserstrahls bewirkt. Die Injektorpumipe 23 weist ein kronenartig gezacktes Innenrohr 24 auf, das in aufgerollter Darstellung in der Fig. 9 abgebildet ist. Dieses Innenrohr 24 wird von einem biegsamen und zugfesten Außenschlauch 25 umgeben, der auf der Seite der Einlaßöffnung des Innenrohrs 24 an diesem befestigt ist, während seine andere Seite frei ist. Günstigerweise erweitert sich der Außenschlauch 25 in Schließrichtung leicht konisch. Beim Austreten vom Wasserkolben aus den Pumprohren 18 wird der Außenschlauch 25 durch einen Unterdruck in die Zackenausnehmungen des Innenrohres 24 eingesogen, wodurch sich ein konisches Strahlrohr bildet. Je nach Dauer und Ausbildung des Unterdruckes oder von Unterdruckregionen innerhalb des Innenrohres 24 wird der Außenschlauch 25 auf eine unterschiedliche Länge eingesogen. In den Pausen zwischen dem Ausstoßen der einzelnen Wasserkolben aus den Pumpkammem 18 wird der Außenschlauch 25 losgelassen und kann sich frei flatternd und strömungsgünstig an das Fließwasser anpassen. Bei einem Auftreten von Stoßwellen wird der sich leicht konisch erweitemde Außenschlauch 25 aufgebläht, wodurch auch eine Stoßwelle zur Vortriebsverbesserung ausgenützt werden kann.

Die zeitliche Abfolge der Zündfunken sowie das Anlassen des Antriebsmotors 1 in der Startphase wird von der Steuerelektrik 10 bewirkt. Dazu erhält sie als Eingangssignale das Signal eines Geschwindigkeitsreglers 12 sowie das Signal eines Fahrtgeschwindigkeitsmessers 13, da aufgrund der unterstützenden Wirkung der Fahrtgeschwindigkeit auf das Nachladen der Flüssigkeitskolben in die Pumpkammem 18 die maximal möglichen Taktfrequenzen von der Fahrtgeschwindigkeit abhängen. Die Energieversorgung der Steuerelektrik 10 erfolgt über die Batterie 11.

In der Fig. 4 ist weiters der Vergaser 3 etwas genauer dargestellt. Er weist eine übliche Schwimmerkammer 4 mit Treibstoffventil auf. Außerdem wird von der Schwimmerkammer 4 zur Einlaßöffnung des Vergasers 3 eine Druckausgleichsleitung 5 gelegt, um den über atmosphärischen Druck liegenden Einlaßdruck in der Startphase in den Kammern auszugleichen. So wird Treibstoff auch in der Startphase in gleichbleibendem Mischungsverhältnis der Luft beigemischt.

In den Fig. 5a bis e ist ein Maschinenzyklus dargestellt, wobei frisches Arbeitsgas 42, Verbrennungsgas 41 und Antriebsflüssigkeit 40 unterschiedlich gekennzeichnet sind.

In der Fig. 5a ist gerade eine Zündung erfolgt. Eine Vielzahl von Flammenherden breiten sich aus, das Einlaßventil 16 ist aufgeblasen, d.h. zur Brennkammer 8 hin geöffnet und zur Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung 17 hin geschlossen. Die Abströmventile 20 sind geöffnet und die Wasserkolben beginnen aus den Pumprohren 18 ausgestoßen zu werden.

In der Fig. 5b hat der Explosionsdruck die Wasserkolben fast vollständig ausgetrieben. Ab jetzt zeigen die flüchtenden Wasserkolben einen Initialunterdruck in die Pumprohre. Das brennbare Gemisch ist restlos verbrannt.

Im Zustand des Motors nach der Fig. 5c ist der Explosionstakt bereits abgeschlossen und der Implosionstakt hat begonnen. Der Initialunterdruck hat die Sprühdüsen 19 aktiviert und diese verstärken den Untergrund, indem sie das Restgas in den Pumprohren vollständig abkühlen. Die Auslaßventile 20 sind geschlossen und die Einlaßventile 16 haben die Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung 17 geöffnet. Neue Wasserkolben werden in die Pumprohre eingesaugt und in die Brennkammer 8 wird eine neue Ladung brennbaren Arbeitsgases eingesaugt.

Im Zustand gemäß Fig. 5d haben sich die Pumpkammem 18 vollständig mit einer neuen Wasseriadung gefüllt und ebenso ist die Brennkammer mit brennbarem Gemisch gefüllt. Der nächste Zyklus kann gezündet werden.

Fig. 5e zeigt noch die Startphase des Motors. In dieser wird Frischgas über die vom Antriebsmotor 1 angetriebene Axialpumpe 2 in die Brennkammer 8 gefördert, wobei das in der Brennkammer befindliche Gas (oder die darin befindliche Flüssigkeit) durch die Pumpkammem 18 austreten kann.

Die in Fig. 10 dargestellte Antriebseinrichtung weist einen Flüssigkeitsschwungkreis 80 auf, der von einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 81 angetrieben wird. Im Schwunkreis ist eine Strömungsturbine 82, vorzugsweise Kaplan- oder Francisturbine angeordnet, deren Rotation eine Antriebswelle 83 antreibt.

Der Flüssigkeitsschwungkreis weist einen großen und einen kleinen Kreislauf auf. Der große Kreislauf ist durch die Pfeile 84 angedeutet und führt durch den Motor 81. In diesem wird die Flüssigkeit beschleunigt und treibt in der Folge die Turbine 82 an. Ist die Einlaßöffnung des Motors geschlossen, so kann die Flüssigkeit diesen kurzschließen und entsprechend den Pfeilen 85 einen kleinen Kreislauf durchlaufen.

Auf einer Kurveninnenseite des Flüssigkeitsschwungkreises ist eine Abgassammelkammer 86 angeordnet, durch deren Einlaßöffnungen 87 das sich in der Unterdruckregion auf der Kurveninnenseite ansammelnde Verbrennungsgas eintreten kann, das anschließend durch den Auspuff 88 entweichen kann.

Auf einer Kurvenaußenseite (Überdruckregion) ist ein Einlaßrohr 89 für einen Kühler 90 vorgesehen. In diesem wird die Antriebsflüssigkeit gekühlt und wird anschließend durch das Auslaßrohr 91, welches an einer Kurveninnenseite (Unterdruckregion) des Flüssigkeitsschwungkreises mündet, wieder in den Flüssigkeitsschwungkreis rückgeführt.

Claims

Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer (8) zum Verbrennen des Arbeitsgases in einem Explosionstakt und einer mit der Brennkammer (8) in Verbindung stehenden Pumpkammer (18), die über eine Einlaßöffnung (181) mit einer Antriebsflüssigkeit befüllbar ist und aus deren Auslaßöffnung (182) die Antriebsflüssigkeit unter Einwirkung des im Explosionstakt gebildeten Verbrennungsgases ausstoßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sprüheinrichtung (19, 50) vorgesehen ist, mit der in einem an den Explosionstakt anschließenden Implosionstakt ein Kühlmedium in die Pumpkammer (18) einsprühbar ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprüheinrichtung (19, 50) eine Pumpeinrichtung (50) aufweist, durch die das Kühlmedium mit einem Druck beaufschlagbar ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprüheinrichtung (19, 50) zumindest eine in der Pumpkammer (18) vorgesehene Sprühdüse (19) umfaßt, die derart ausgebildet ist, daß das Kühlmedium hauptsächlich in die Längsrichtung der Pumpkammer (18) eingesprüht wird.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Brennkammer (8) zusammen mit dem Volumen der Pumpkammem (18) im wesentlichen dem Volumen des expandierten und entspannten Verbrennungsgases entspricht.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (182) der Pumpkammer (18) von einem Auslaßventil (20) verschließbar ist, das als ein bei einem Unterdruck in der Pumpkammer (18) die Pumpkammer (18) verschließendes Rückschlagventil ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (8) eine längliche Form aufweist und das Arbeitsgas von einer Mehrpunktzündeinrichtung, insbesondere Zündstange (7), gezündet wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brennkammer (8) vom Gaseinlaßbereich ausgehend konisch erweitert.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (36), vorzugsweise Nockensteuerung, vorgesehen ist, durch die die Zündeinrichtung (10, 7) für das Arbeitsgas und die Sprüheinrichtung (19, 50) derart zeitlich koordinierbar sind, daß das Einsprüchen des Kühlmediums unmittelbar nach Ende des Explosionstaktes erfolgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsprühen des Kühlmediums erst nach der vollständigen Entspannung des Verbrennungsgases bis im wesentlichen auf atmosphärischen Druck erfolgt.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung eines Langsamlaufes des Verbrennungsmotors die Steuereinrichtung (36) nach dem Implosionstakt eine Wartepause bis zum nächsten Explosionstakt zwischenschaltet.
Bootsantrieb mit einem Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der/den Pumpkammer(n) (18) eine Injektorpumpe (23) nachgeschaltet ist, welche ein kronenartig gezacktes Innenrohr (24) aufweist, dessen Spitzen in Fließrichtung weisen und vorzugsweise abgeflacht sind, und welche einen das Innenrohr (24) umgebenden biegsamen und zugfesten Außenschlauch (25) aufweist, der auf der Seite der Einlaßöffnung des Innenrohres (24) an diesem befestigt ist und dessen andere Seite frei ist und sich vorzugsweise in Fließrichtung leicht konisch erweitert.
Antriebseinrichtung mit einem Flüssigkeitsschwungkreis (80), einem den Flüssigkeitsschwungkreis antreibenden Motor (81) und einer im Flüssigkeitsschwungkreis angeordneten Antriebsturbine (82), dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (81) ein Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsturbine (82) eine Strömungsturbine, vorzugsweise Kaplan- oder Francis-Turbine, ist, deren Rotation eine Antriebswelle (83) antreibt.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsschwungkreis (80) einen großen Kreislauf, der durch die Pumpkammer(n) des Verbrennungsmotors (81) verläuft, und einen kleinen Kreislauf, der den Verbrennungsmotor (81) kurzschließt, umfaßt.