WO1993009341A1 - Kolbenmotor - Google Patents

Kolbenmotor Download PDF

Info

Publication number
WO1993009341A1
WO1993009341A1 PCT/DE1992/000910 DE9200910W WO9309341A1 WO 1993009341 A1 WO1993009341 A1 WO 1993009341A1 DE 9200910 W DE9200910 W DE 9200910W WO 9309341 A1 WO9309341 A1 WO 9309341A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
cylinder
valve
cylinders
expansion
Prior art date
Application number
PCT/DE1992/000910
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Constantin Ivan
Gabriel Marinescu
Corneliu Berbente
Silviu Zancu
Tiberiu Marinescu
Original Assignee
Constantin Ivan
Gabriel Marinescu
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Constantin Ivan, Gabriel Marinescu filed Critical Constantin Ivan
Publication of WO1993009341A1 publication Critical patent/WO1993009341A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G3/00—Combustion-product positive-displacement engine plants
    • F02G3/02—Combustion-product positive-displacement engine plants with reciprocating-piston engines

Definitions

  • the invention relates to a piston engine, in particular for automobile, ship and aircraft construction according to the features in the preamble of patent claim 1.
  • a piston engine with external combustion is known from US Pat. No. 4,212,163.
  • the formation and combustion of the air-fuel mixture is carried out in an outer chamber.
  • the aim is to separate the compression and expansion parts from the combustion part of the piston engine. This separation is particularly necessary at high speeds, since here the relaxation time can be shorter than the combustion time.
  • the expansion cylinders have a larger diameter than the compression cylinders. As a result, the combustion gases can expand to the ambient pressure, which leads to an increase in the thermal efficiency.
  • the common combustion chamber of the combustion cylinder and expansion cylinder is divided into a circular cylinder and a central cylinder by a pipe socket arranged in the combustion chamber.
  • the compressed air is supplied via the circular cylinder along the wall of the central cylinder, which is simultaneously cooled.
  • the compressed air is mixed with the fuel in the central cylinder and the mixture is ignited.
  • the combustion gases are then piped to the expansion cylinders.
  • the energy contained in the combustion gases is converted into rotary energy via the crankshaft.
  • Piston engines with compression, combustion and expansion taking place in separate areas thus have the advantage that the formation and combustion of the air-fuel mixture takes place under the best possible conditions and thus an increase in the thermal efficiency and a reduction in the Pollutant emissions.
  • a disadvantage is that the valves between the combustion chamber and the expansion cylinders are exposed to a very high thermal load. Consequently, because of their short movement time, the valves can only be actuated by a camshaft using complicated movement mechanisms. Lubrication and sealing of the valve rods is also difficult to carry out owing to the high thermal load. Furthermore, the energy recovery of the combustion gases at the end of the relaxation phase is not possible without additional effort. Finally, it is disadvantageous that a large amount of the heat generated in the combustion chamber is lost through convection and radiation.
  • the invention is based on the problem of improving the overall efficiency with a simple structure and of ensuring the faultless functionality of particularly stressed individual components.
  • the invention leads to better utilization of the energy of the combustion gases.
  • the compression of the air and the expansion of the combustion gases take place in different cylinders.
  • the air from the compression cylinder reaches the combustion chamber via a pipe.
  • the air Before entering the combustion chamber, the air is passed through an electric heater and preheated.
  • the combustion chamber is assigned to the expansion cylinder at the front of the piston head.
  • the energy for preheating the air in the electric heater is recovered from the waste heat generated during the combustion and relaxation of the combustion gases.
  • the steam generated during the cooling of the piston engine is passed through a turbine, which in turn drives a power generator.
  • the electric current thus obtained is converted into heat in the electric heater.
  • the compressed preheated air enters the combustion chamber.
  • a combustion tube is arranged in this and encloses a ceramic tube for thermal insulation.
  • the fuel injection is provided on the side of the combustion tube facing away from the expansion cylinder.
  • the combustion tube On the circumferential side of the fuel injection, the combustion tube has air inlet bores that tangentially open into the tube.
  • the compressed air enters the combustion chamber via these air inlet bores and is mixed with the injected fuel.
  • the air / fuel mixture finally burns in a constant flame in the form of a vortex rotating about a longitudinal axis.
  • the diameter of the expansion cylinder is larger than the diameter of the compression cylinder, so that the expansion of the gases up to the surrounding pressure is possible. This leads to a further increase in the overall thermal efficiency.
  • combustion chamber can be assigned to each pair of cylinders.
  • an embodiment is also conceivable in which a plurality of cylinder pairs is assigned only one combustion chamber.
  • a process-controlled, cooled inlet valve is assigned to the expansion cylinder.
  • This inlet valve can be controlled both via the relative pressure prevailing between the expansion cylinder and the combustion chamber and also via an actuating device arranged in the piston of the expansion cylinder.
  • the inlet valve has a valve disk with a valve tappet projecting into the expansion cylinder. With its sealing surface, which is preferably ground flat, the valve disk lies on a valve plate arranged between the combustion tube and the expansion cylinder and thus seals the axial passage opening located in the valve plate.
  • the valve tappet is guided in a bushing carried by the valve plate and secured against slipping out of the bushing with the aid of a stop. The play between the valve tappet and the bushing is so great that no additional lubrication is necessary.
  • the actuating device is embedded flush in the piston head and consists of a sleeve which is guided in a bush and which is pressed against a stop of the bush by a spring.
  • the function of this process-controlled inlet valve is as follows:
  • the piston slides in the expansion cylinder towards top dead center.
  • the valve plate is pressed firmly onto the valve plate and seals the combustion chamber.
  • the exhaust valve closes under camshaft control and the combustion gases remaining in the expansion cylinder are compressed almost to the pressure in the combustion chamber.
  • valve lifter of the intake valve now comes into contact with the actuating device and presses on the sleeve. This now compresses the spring until the pressure force of the combustion gases still in the expansion cylinder and the spring force of the spring of the actuating device become greater than the pressure force of the gases in the combustion chamber.
  • the valve plate lifts off the valve plate and opens the passage opening.
  • the valve opening path is predefined in a defined manner by the stop located at the cylinder-side end of the valve rod.
  • the combustion gases flow out of the combustion chamber into the expansion cylinder in synchronism with the subsequent movement of the piston towards the bottom dead center.
  • the pressure in the expansion cylinder remains almost constant.
  • the pressure in the expansion cylinder only decreases with increasing piston speed.
  • the inlet valve closes automatically. At this moment the supply of the expansion cylinder with combustion gases from the combustion chamber ends and the relaxation phase begins. If, at low speeds of the piston engine, the pressure difference between the combustion chamber and the relaxation cylinder is not sufficient to open the inlet valve, the inlet valve is only opened mechanically, at the time when the sleeve is on the cylinder side Has reached the end of the socket. The then rigid actuating device presses on the inlet valve. This point in time can be predefined in a defined manner via the displacement path of the sleeve.
  • the inlet valve is therefore equipped with an effective phase cooling.
  • the valve plate has an annular channel which is connected to the coolant supply via a radial channel.
  • the annular channel is sealed off from the axial passage opening by a sleeve.
  • This sleeve is provided with several radial holes.
  • the coolant preferably water, is supplied via the ring channel and is injected during the entire inflow phase, depending on the pressure then prevailing, via the radial bores in the sleeve onto the sealing side of the valve disk and the valve tappet.
  • the cooling for the inlet valve is coupled to a pressure vessel, a control element and a check valve.
  • the coolant is located in the pressure vessel.
  • the pressure vessel is connected to a pipeline between the compression cylinder and the combustion chamber via a connecting line. the so that the pressure level is equally high everywhere.
  • a regulating element for example a ball valve, and a shut-off valve, for example a ball valve, are arranged in the connecting line between the pressure vessel and the phase cooling.
  • the control element causes a pressure drop from the high level to a predeterminable lower level behind the control element.
  • the piston engine has a low-pressure block and a high-pressure block, each with at least one compression cylinder and one expansion cylinder.
  • the compression cylinders are connected via an intercooler located between the low pressure block and the high pressure block. In this way, one approaches an isothermal compression and thus a more efficient yield of the compression work. Material stress is reduced and lubricant decomposition is counteracted.
  • the relaxation cylinders of the low-pressure block are connected to the relaxation cylinders of the high-pressure block via a pressure release. equally connected. This ensures that the pressure remains the same even between the pistons operating in opposite phases.
  • the compression cylinders and the expansion cylinders, the intermediate cooler, the pressure compensation chamber and the pressure vessel as well as the line between the compression cylinders and the combustion chambers are cooled by a circulation cooling.
  • the coolant has a characteristic which is at least adapted to the pressure conditions and the process temperature.
  • methyl alcohol is preferably used for this. This has the property of evaporating at the resulting pressure conditions and the process temperature.
  • the vapors generated in this way are fed to a turbine (claim 8).
  • the vapors of the cooling liquid relax in the turbine, as a result of which the turbine and a power generator coupled to it are driven.
  • the electricity obtained in this way is converted back into heat in the electric heater and used to preheat the combustion air. In this way, a large part of the energy otherwise lost through cooling can be returned to the thermal cycle, which in turn contributes to an increase in efficiency.
  • the exhaust valves of each compression cylinder in the low-pressure block and the intake valves and exhaust valves of each compression sealing cylinder in the high pressure block exclusively pressure controlled. This contributes to a complication-free, reliable and simple construction of the piston engine. The manufacturing effort for these valves is also significantly lower.
  • the features of claim 10 ensure that the intake of the combustion air and the exhaust of the combustion gases can be controlled in a defined manner.
  • the inlet valves of the expansion cylinders in the low-pressure block can be controlled both gas-dynamically and mechanically.
  • Any injectable fuel can be used, e.g. Diesel, gasoline, kerosene or also hydrogen,
  • the inlet valve of the expansion cylinders cooled with simple but effective means, is better able to withstand the extremely high thermal loads
  • the inlet valve can be controlled both gas-dynamically and mechanically,
  • valve tappet of the inlet valve is arranged in the expansion cylinder and is therefore exposed to the extremely high temperatures to a lesser extent, moreover the valve tappet is additionally cooled,
  • valve tappet slides in the guide bush with such a large clearance that no additional lubrication has to be provided
  • the two blocks work with different speed values. If, for example, only a small power is required from the piston engine, the speed of the low pressure block is almost the same as that of the high pressure block, while when the piston engine has to deliver a high output, the speed of the low pressure block is greater than that of the high pressure block .
  • Figure 1 is a schematic representation of a piston engine with two compression cylinders and two expansion cylinders;
  • FIG. 2 is a schematic representation of another
  • Embodiment of a piston engine with a low pressure block and a high pressure block Embodiment of a piston engine with a low pressure block and a high pressure block
  • Figure 3 is an enlarged longitudinal vertical section through the low pressure block of the
  • FIG. 4 also shows an enlarged longitudinal vertical section through the high-pressure block of FIG. 2 along the line IV-IV;
  • FIG. 5 shows an enlarged partial vertical section through a compression cylinder of the low-pressure block
  • FIG. 6 shows an enlarged partial vertical section through a compression cylinder of the high-pressure block
  • Figure 7 is an enlarged view of a vertical
  • FIG. 8 shows a diagram of the dependence of the pressure in an expansion cylinder during the supply of the combustion gases to the angle of rotation of the crankshaft
  • Figure 9 is a diagram of the movement of the
  • FIG. 10 shows a diagram of the dependence of the speed of the combustion gases on the rotation angle of the crankshaft.
  • 1 denotes a piston engine with combustion in stationary mode.
  • the piston engine 1 has an engine block 2.
  • the engine block 2 there are two compression cylinders 3, 4 and two expansion cylinders 5, 6 which are larger in volume ratio.
  • the compression cylinders 3, 4 and the expansion cylinders 5, 6 act together on a crankshaft 7.
  • Inlet valves 16, 17 and exhaust valves 18, 19 are assigned to the cylinder covers 14, 15 of the expansion cylinders 5, 6.
  • the intake valves 10, 11 of the compression cylinders 3, 4 and the exhaust valves 18, 19 of the expansion cylinders 5, 6 are controlled by a camshaft 20.
  • Combustion chambers 21, 22 are assigned to the expansion cylinders 5, 6.
  • the compression cylinders 3, 4 are connected to the combustion chambers 21, 22 via a pipe 23.
  • Electric heaters 24, 25 assigned to the combustion chambers 21, 22 are integrated in the pipeline 23.
  • Combustion tubes 26, 27 are arranged in the combustion chambers 21, 22. On the relaxation cylinders 5, 6 Side of the combustion tubes 26, 27 facing away from fuel injectors 30, 31 are embedded in covers 28, 29. On the circumference of the fuel injectors 30, 31, the combustion tubes 26, 27 have air inlet bores 32, 33 that open tangentially into the combustion tube 26, 27.
  • a turbine 34 and a power generator 35 can also be seen in FIG.
  • the power generator 35 is connected to the electric heaters 24, 25 via a line 36.
  • the turbine 34 works together with a circulation cooling, not shown, for the engine block 2.
  • the working cycle of the piston engine 1 begins with the arrival suck air from the environment through the valves 10, 11 in the indicated as such by the arrows PF ON Rich ⁇ processing in the compression cylinder 3, 4. Then er ⁇ followed by the air compression to 60 bar. When this pressure is reached, the compressed air passes the outlet valves 12, 13 of the compression cylinders 3, 4 and from there into the pipeline 23.
  • the compressed air is preheated in the electric heaters 24, 25 and supplied to the combustion chambers 21, 22. It first arrives in the space 37 between the walls of the combustion chambers 21, 22 and the combustion tubes 26, 27. The air is further preheated by the heat convection of the combustion tubes 26, 27, which means that the combustion tubes 26, 27 are cooled at the same time.
  • the air flows into the interior of the combustion tubes 26, 27 via the air inlet bores 32, 33 in such a way that the air flows from the outside into the interior of the tube in the opposite direction of rotation to the injected fuel.
  • the fuel is injected into the combustion pipes 26, 27 via the fuel injectors 30, 31. Due to the opposite sense of rotation of air and fuel, the two components are intensively mixes. The resulting mixture then burns with a constant flame in the form of a vortex rotating about a longitudinal axis in a stationary mode. The combustion takes place with an excess of air, so that complete combustion is ensured.
  • the combustion gases formed in the combustion tubes 26, 27 are then sucked off into the expansion cylinders 5, 6 via the inlet valves 16, 17.
  • the inlet valves 16, 17 close and the combustion gases are expanded to ambient pressure.
  • the exhaust valves 18, 19, which are also controlled by the camshaft 20 the combustion gases in the by the arrows borrowed direction derived from the relaxation cylinders 5, 6.
  • This heat is used for preheating the compressed air before it is introduced into the combustion chambers 21, 22. In this way, part of the heat which is otherwise lost can be reintroduced into the thermal cycle of the piston engine 1.
  • the expansion of the vapors in the turbine 34 converts the methyl alcohol back into its liquid state and it can be returned to the cooling circuit.
  • the circulation of the methyl alcohol is realized with the help of a pump, not shown.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a piston engine 1 a with an engine block 2 a, which has a low pressure block 38 and a high pressure block 39.
  • Two compression cylinders 3a, 4a with inlet valves 10a, 11a and outlet valves 12a, 13a and two expansion cylinders 5a, 6a with a larger volume ratio and inlet valves 16a, 17a and outlet valves 18a, 19a are assigned to the low-pressure block 38.
  • the compression cylinders 3a, 4a and the expansion cylinders 5a, 6a act on a common crankshaft 7a.
  • the inlet valves 10a, 11a of the compression cylinders 3a, 4a and the outlet valves 18a, 19a of the expansion cylinders 5a, 6a are controlled by a camshaft 20a.
  • the high-pressure block 39 has two compression cylinders 3b, 4b with inlet valves 10b, 11b and outlet valves 12b, 13b as well as two expansion cylinders 5b, 6b, which are larger in volume ratio, with inlet valves 16b, 17b and outlet valves 18b, 19b.
  • the compression cylinders 3b, 4b and the expansion cylinders 5b, 6b in the high pressure block 39 act on a common crankshaft 7b.
  • the exhaust valves 18b, 19b of the expansion cylinders 5b, 6b are controlled by a camshaft 20b.
  • An intermediate cooler 40 is integrated between the compression cylinders 3a, 4a in the low pressure block 38 and the compression cylinders 3b, 4b in the high pressure block 39.
  • the expansion cylinders 5b, 6b in the high pressure block 39 are assigned combustion chambers 21a, 22a.
  • the Ver- sealing cylinders 3b, 4b are connected to the combustion chambers 21a, 22a via a pipe 23a.
  • Electric heaters 24a, 25a are assigned to pipe 23a.
  • Combustion tubes 26a, 27a are embedded in the combustion chambers 21a, 22a.
  • Fuel injectors 30a, 31a are provided in the covers 28a, 29a of the combustion chambers 21a, 22a. On the circumference of the fuel injectors 30a, 31a, air inlet bores 32a, 33a open into the combustion pipes 26a, 27a.
  • the expansion cylinders 5b, 6b in the high pressure block 39 and the expansion cylinders 5a, 6a in the low pressure block 38 are connected to one another via a pressure compensation chamber 41.
  • the pressure compensation chamber 41 has thermal insulation 42 on all sides.
  • a turbine 34a and a power generator 35a are also assigned to the engine block 2a.
  • the power generator 35a is connected to the electric heaters 24a, 25a via a line 36a.
  • the turbine 34a cooperates with a circulation cooling system which cools the engine block 2a.
  • the function of the piston engine la in the stationary mode begins with the suction of the air from the environment into the compression cylinders 3a, 4a by the valves 10a, 11a.
  • the air compression follows in a first stage up to 6 bar.
  • the outlet valves 12a, 13a open and the compressed air is fed to the intercooler 40.
  • the compressed air is recooled at a constant pressure.
  • the compressed air flows from the intercooler 40 via the inlet valves 10b, 11b into the compression cylinders 3b, 4b of the high-pressure block 39, where the air is compressed further to about 60 bar in a second stage.
  • the compressed air passes the valves 12b, 13b and reaches the combustion chambers 21a, 22a via the pipeline 23a.
  • the compressed Preheated air in the electric heaters 24a, 25a is fed via the air inlet bores 32a, 33a to the combustion tubes 26a, 27a, where it mixes with the injected fuel and burns in a constant flame.
  • the combustion gases are drawn off via the valves 16b, 17b into the expansion cylinders 5b, 6b of the high-pressure block 39.
  • the valves 16b, 17b close and the combustion gases are expanded to 6 bar.
  • the outlet valves 18b, 19b open and the combustion gases flow into the pressure compensation chamber 41. Since the expansion cylinders 5b, 6b work in opposite phases, the pressure in the pressure compensation chamber 41 remains almost constant.
  • the combustion gases are sucked out of the pressure compensation chamber 41 via the inlet valves 16a, 17a into the expansion cylinders 5a, 6a of the low pressure block 38.
  • the combustion gases are expanded to ambient pressure and the combustion gases are expelled via outlet valves 18a, 19a.
  • FIG. 3 shows a vertical longitudinal section through the low-pressure block 38 of the piston engine 1a.
  • the compression cylinders 3a, 4a and the expansion cylinders 5a, 6a can be seen in the engine block 2a.
  • the pistons 43, 44 are guided in the compression cylinders 3a, 4a and the pistons 45, 46 are guided in the relaxation cylinders 5a, 6a.
  • the pistons 43, 44, 45, 46 are articulated to the crankshaft 7a via connecting rods 47, 48, 49, 50.
  • the low-pressure block 38 is flushed with the methyl alcohol during operation via flow channels 51 and the heat generated is dissipated in this way.
  • a vertical longitudinal section through the high-pressure block 39 of the piston engine la is shown in FIG.
  • the compression cylinders 3b, 4b and the expansion cylinders 5b, 6b are arranged in the engine block 2a.
  • the pistons 52, 53 are guided in the compression cylinders 3b, 4b and the pistons 54, 55 are guided in the expansion cylinders 5b, 6b.
  • the pistons 52, 53, 54, 55 are articulatedly connected to a crankshaft 7b via connecting rods 56, 57, 58, 59.
  • the engine power is passed to the consumer via the crankshaft 7b.
  • the high-pressure block 39 is flushed with the methyl alcohol during operation via flow channels 51a, so that the heat generated is removed from the motor block 2a.
  • FIG. 5 shows a partial section through the compression cylinder 3a of the low-pressure block 38.
  • the air is sucked in from the environment via an intake port 60 and is fed into the compression cylinder 3a via the camshaft-controlled inlet valve 10a.
  • the outlet valve 12a is arranged on the outlet side of the compression cylinder 3a.
  • the outlet valve 12a works exclusively under pressure control. It has a valve disk 62 in a bush 61, which is pressed by a valve spring 63 against a stop 64 of the bush 61.
  • the valve spring 63 is fixed in the socket 61 with the aid of a screw sleeve 65.
  • FIG. 6 shows a partial section through the compression cylinder 3b of the high-pressure block 39.
  • the inlet valve 10b is exclusively pressure-controlled. It has a valve plate 67 with a valve tappet 68.
  • the Valve tappet 68 is guided in a bore 69.
  • Via a valve spring 70 the valve plate 67 is pressed with its side facing the connecting piece 66 against a valve seat 71 onto a radial ring 72.
  • On the valve lifter 68 there is also a stop 73 for the valve spring 70.
  • the stop 73 has a disk 74 with a wedge-shaped axial bore 75 which is pushed onto a wedge-shaped sleeve 76 on the valve lifter 68.
  • a part of the piston 52, flow channels 51a for the methyl alcohol and an outlet valve 12b can also be seen in FIG.
  • the outlet valve 12b is likewise exclusively pressure-controlled and of identical construction to the outlet valve 12a (see FIG. 5).
  • FIG. 7 shows a section through part of the combustion chamber 21a and part of the expansion cylinder 5b.
  • a combustion tube 26a is arranged in the combustion chamber 21a and surrounds a ceramic tube 77.
  • the piston 54 slides in the expansion cylinder 5b.
  • the combustion chamber 21a is assigned to the expansion cylinder 5b on the front side of the piston head 78.
  • a process-dependent, cooled inlet valve 16b is embedded between the combustion chamber 21a and the expansion cylinder 5b.
  • the inlet valve 16b can be controlled via the relative pressure prevailing between the expansion cylinder 5b and the combustion chamber 21a and / or via an actuating device 79 embedded in the piston 54.
  • the inlet valve 16b has a valve disk 80 with a valve tappet 81 projecting into the expansion cylinder 5b and a valve plate 82 with an axial passage opening 83.
  • valve tappet 81 is guided in a bushing 84 carried by the valve plate 82 and provided with a stop 85 which is effective in the direction of the combustion chamber 21a. Furthermore, the valve plate 82 has a radial channel 86 and an annular channel 87, which is sealed off from the axial passage opening 83 by a sleeve 89 provided with inclined radial bores 88.
  • the inlet valve 16b is connected to a phase cooling 92 which will be explained in more detail below.
  • the phase cooling 92 for the inlet valve 16b is coupled to a pressure vessel 93, a control element 94 and a shut-off valve 95, for example a ball valve.
  • the check valve 95 is integrated in the connecting piece 91.
  • the pressure vessel 93 is connected to the line 23a between the compression cylinders 3b, 4b and the combustion chambers 21a, 22a via a line 96 which is only indicated. This ensures that the pressure in pressure vessel 93 is at the same level as in line 23a.
  • the control element 94 for example a water tap, causes a pressure drop from 60 bar to 6 bar. It follows from this that water is sprayed through the radial bores 88 of the sleeve 89 from the pressure vessel 93 onto the valve tappet 81 and the sealing side of the valve plate 80, as long as the pressure in the expansion cylinder 5b is less than 6 bar. This process takes place in the last part of the relaxation phase and during the entire discharge phase of the combustion gases.
  • the valve lifter 81 slides in the bushing 84 with a play of approx. 0.2 mm, so that no lubrication is necessary here.
  • the actuating device 79 has a sleeve 97 which is closed toward the inlet valve 16b and is guided in a sealed manner in a bushing 98 embedded in the piston head 78. Under the influence of a spring 99, the sleeve 97 is pressed against a stop 100 of the bush 98. The actuating device 79 is fixed in the piston head 78 with the aid of a union screw 101.
  • camshaft-controlled outlet valve 18b and flow channels 51a for the circulation cooling are shown in FIG.
  • the inlet valve 16b closes the combustion chamber 21a tightly before the piston 54 has reached the upper end of the expansion cylinder 5b, which corresponds to approximately 7 degrees of rotation of the curves Belwelle 7b.
  • the exhaust valve 18b closes and the combustion gases still remaining in the expansion cylinder 5b are compressed almost up to the pressure present in the combustion chamber 21a.
  • the actuating device 79 comes into contact with the valve tappet 81, it presses on the sleeve 97. As a result, the sleeve 97 slides downward in the bush 98 and presses the spring 99 together.
  • the valve disk 80 lifts off from the valve plate 82 and is pressed by the spring 99 into the combustion tube 26a until the stop 85 hits the bushing 84.
  • the piston 54 then moves downward and thus allows the combustion gases to flow into the expansion cylinder 5b under a pressure which is almost constant in the first phase (see also FIG. 8). As the speed of the piston 54 increases, the pressure in the relaxation cylinder 5b decreases.
  • FIG. 9 shows the sequence of movements of the inlet valve 16b for regulating the flow of the combustion gases from the combustion chamber 21a into the expansion cylinder 5b as a function of the angle of rotation of the crankshaft 7b.
  • valve plate 80 lifts off the valve plate 82;
  • valve lifter 81 separates from the sleeve 97 and only moves under the influence of the pressure of the combustion gases?
  • valve plate 80 is again on the valve plate 82 and the inlet of the combustion gases from the combustion chamber 21a into the expansion cylinder 5b is ended.
  • the inlet valve 16b moves in the interval 1-2 exclusively under the influence of the spring 99 in which Interval 2-3 exclusively under the pressure effect of the combustion gases from the combustion tube 26a and the expansion cylinder 5b and in interval 3-4 under the same pressure effect together with the spring force of the spring 99.
  • FIG. 10 shows the dependence of the speed of the combustion gases flowing from the combustion pipe 26a via the inlet valve 16b into the expansion cylinder 5b on the angle of rotation of the crankshaft. It should be pointed out here in particular that the flow velocity of the combustion gases through the valve 16b is less than 100 m / s almost over the entire range. The entropy losses as a measure of the energy, which cannot be converted into mechanical work, are thus negligibly low.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

Der Kolbenmotor (1a) mit Verbrennung im stationären Modus umfaßt einen Niedrigdruckblock (38) und einen Hochdruckblock (39). Im Niedrigdruckblock (38) sind zwei Verdichtungszylinder (3a, 4a) und zwei Entspannungszylinder (5a, 6a) angeordnet, die auf eine Kurbelwelle (7a) wirken. Im Hochdruckblock (39) sind zwei Verdichtungszylinder (3b, 4b) und zwei Entspannungszylinder (5b, 6b) angeordnet, die auf eine Kurbelwelle (7b) wirken. Zwischen den Kurbelwellen (7a, 7b) besteht keine mechanische Verbindung. Die Verdichtungszylinder (3a, 4a) im Niedrigdruckblock (38) und die Verdichtungszylinder (3b, 4b) im Hochdruckblock (39) sind über einen Zwischenkühler (40) miteinander verbunden. Die Entspannungszylinder (5b, 6b) im Hochdruckblock (39) und die Entspannungszylinder (5a, 6a) im Niedrigdruckblock (38) sind über einen Druckausgleichraum (41) miteinander verbunden. Die Verdichtungszylinder (3b, 4b) im Hochdruckblock (39) sind über eine Leitung (23a) mit Verbrennungskammern (21a, 22a), die den Entspannungszylindern (5b, 6b) zugeordnet sind, verbunden. In die Leitung (23a) sind Elektroerhitzer (24a, 25a) integriert. In den Verbrennungskammern (21a, 22a) befinden sich Verbrennungsrohre (26a, 27a). Die angesaugte Luft wird zweistufig bis zum maximalen Druck verdichtet und strömt über die Elektroerhitzer (24a, 25a) in die Verbrennungskammern (21a, 22a), wo sie mit dem Kraftstoff gemischt wird und unter einer ständigen Flamme verbrennt. Die Verbrennungsgase gelangen über Einlaßventile (16b, 17b) in die Entspannungszylinder (5b, 6b). Von hier gelangen die Verbrennungsgase über den Druckausgleichraum (41) in die Entspannungszylinder (5a, 6a), wo sie bis zum Umgebungsdruck entspannt und ausgeschoben werden.

Description

Kolbenmotor
Die Erfindung betrifft einen Kolbenmotor, insbesondere für den Automobil-, Schiffs- und Flugzeugbau gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Durch die US-PS 42 12 163 ist ein Kolbenmotor mit äußerer Verbrennung bekannt. Die Bildung und Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches wird in einer äußeren Kammer durchgeführt. Das Ziel ist die Trennung der Verdichtungs¬ und Entspannungsteile von dem Verbrennungsteil des Kol¬ benmotors. Diese Trennung ist insbesondere bei hohen Drehzahlen notwendig, da hier die Entspannungszeit kürzer als die Verbrennungszeit werden kann. Die Entspannungs- Zylinder haben einen größeren Durchmesser als die Ver¬ dichtungszylinder. Dadurch kann eine Entspannung der Ver¬ brennungsgase bis zum Umgebungsdruck stattfinden, wodurch eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrads bewirkt wird.
Die gemeinsame Verbrennungskammer der VerbrennungsZylin¬ der und Entspannungszylinder wird durch einen in der Ver¬ brennungskammer angeordneten Rohrstutzen in einen Kreis¬ ringzylinder und einen Zentralzylinder unterteilt. Über den Kreiszylinder erfolgt die Zufuhr der verdichteten Luft entlang der Wand des Zentralzylinders, wobei dieser gleichzeitig gekühlt wird. In dem Zentralzylinder wird die verdichtete Luft mit dem Kraftstoff gemischt und das Gemisch entzündet. Die Verbrennungsgase werden dann über eine Rohrleitung zu den Entspannungszylindern geleitet. Hier wird die in den Verbrennungsgasen enthaltene Energie über die Kurbelwelle in rotatorische Energie umgewandelt. Kolbenmotoren mit einer in getrennten Bereichen statt¬ findenden Verdichtung, Verbrennung und Entspannung haben somit den Vorteil, daß die Bildung und die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisσhes unter bestmöglichen Voraus- Setzungen stattfindet und damit eine Steigerung des ther¬ mischen Wirkungsgrads sowie eine Verminderung des Schadstoffausstoßes einhergeht.
Ein solcher Kolbenmotor ist aber mit mehreren Nachteilen behaftet. Ein Nachteil besteht darin, daß die Ventile zwischen der Verbrennungskammer und den Entspannungs¬ zylindem einer sehr hohen thermischen Belastung ausge¬ setzt sind. Folglich können die Ventile wegen ihrer kur¬ zen Bewegungszeit nur durch komplizierte Bewegungs- mechanismen von einer Nockenwelle betätigt werden. Auch das Schmieren und das Abdichten der VentilStangen ist we¬ gen der großen thermischen Belastung schwer durchzufüh¬ ren. Ferner ist die Energierückgewinnung der Verbren¬ nungsgase am Ende der Entspannungsphase nicht ohne einen zusätzlichen Aufwand möglich. Schließlich ist es noch von Nachteil, daß eine große Menge der in der Verbrennungs¬ kammer erzeugten Wärme durch Konvektion und Strahlung verlorengeh .
Der Erfindung liegt ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Kolbenmotor das Problem zugrunde, bei einfachem Aufbau den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern und die einwandfreie Funktionalität von beson¬ ders belasteten Einzelbauteilen zu gewährleisten.
Die Lösung dieses Problems besteht in den im kennzeich¬ nenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.
Die Erfindung führt zu einer besseren Ausnutzung der Energie der Verbrennungsgase. Die Verdichtung, die Ver¬ brennung und die Entspannung werden - wie im bekannten Fall - in verschiedenen Motorbereichen realisiert. Da¬ durch wird eine optimale Dimensionierung dieser Motor¬ bereiche in Bezug auf die zu erfüllenden Funktionen mög¬ lich. Die Verdichtung der Luft und die Entspannung der Verbrennungsgase finden in verschiedenen Zylindern statt.
Aus dem Verdichtungszylinder gelangt die Luft über eine Rohrleitung zur Verbrennungskammer. Vor dem Eintritt in die Verbrennungskammer wird die Luft über einen Elektro- erhitzer geleitet und vorgeheizt. Die Verbrennungskammer ist dem Entspannungszylinder stirnseitig des Kolbenkopfs zugeordnet. Die Energie zur Vorheizung der Luft im Elektroerhitzer wird aus der bei der Verbrennung und Ent¬ spannung der Verbrennungsgase entstehenden Abwärme zu- rückgewonnen. Hierzu wird der bei der Kühlung des Kolben¬ motors entstandene Dampf über eine Turbine geleitet, die ihrerseits einen Stromerzeuger antreibt. Der so gewonnene elektrische Strom wird in dem Elektroerhitzer in Wärme umgewandelt.
Die verdichtete vorerhitzte Luft gelangt in die Brenn¬ kammer. In dieser ist ein Verbrennungsrohr angeordnet, das ein Keramikrohr zur thermischen Isolierung um¬ schließt. An der dem Entspannungszylinder abgewandten Seite des Verbrennungsrohrs ist die Kraftstoffeinsprit¬ zung vorgesehen. Umfangsseitig der Kraftstoffeinspritzung weist das Verbrennungsrohr tangential in das Rohr mün¬ dende Lufteintrittsbohrungen auf. Über diese Luftein¬ trittsbohrungen gelangt die verdichtete Luft in die Ver- brennungskammer und wird mit dem eingespritzten Kraft¬ stoff gemischt. Durch die Anordnung der Lufteintrittsboh¬ rungen verbrennt das Luft-Kraftstoff-Gemisch schließlich in einer ständigen Flamme in Form eines um eine Längsachse rotierenden Wirbels. Der Durchmesser des EntspannungsZylinders ist größer als der Durchmesser des Verdichtungszylinders, so daß die Entspannung der Gase bis zu dem umgebenden Druck möglich ist. Dies führt zu einer weiteren Vergrößerung des thermischen Gesamtwir¬ kungsgrads.
Obwohl im Grundsatz nur zwei Zylinder vorgesehen sein müssen, kann dennoch eine beliebige Anzahl von Zylinder¬ paaren (Verdichtungszylinder und Entspannungszylinder) additiv zusammengesetzt werden. Dabei kann jedem Zylin¬ derpaar eine Verbrennungskammer zugeordnet sein. Denkbar ist aber auch eine Ausführungsform, bei welcher mehreren Zylinderpaaren nur eine Verbrennungskammer zugeordnet ist.
Dem Entspannungszylinder ist ein prozeßabhängig gesteuer- tes, gekühltes Einlaßventil zugeordnet. Dieses Einla߬ ventil ist sowohl über den zwischen dem Entspannungs¬ zylinder und der Verbrennungskammer herrschenden Relativ¬ druck als auch über eine im Kolben des EntspannungsZylin¬ ders angeordnete Betätigungsvorrichtung steuerbar. Das Einlaßventil weist einen Ventilteller mit einem in den Entspannungszylinder ragenden Ventilstößel auf. Mit sei¬ ner bevorzugt plan geschliffenen Dichtseite liegt der Ventilteller auf einer zwischen dem Verbrennungsrohr und dem Entspannungszylinder angeordneten Ventilplatte und dichtet damit die in der Ventilplatte befindliche axiale Durchlaßδffnung ab. Der Ventilstößel ist in einer von der Ventilplatte getragenen Buchse geführt und mit Hilfe ei¬ nes Anschlags gegen ein Herausgleiten aus der Buchse ge¬ sichert. Das Spiel zwischen dem Ventilstößel und der Buchse ist so groß, daß keine zusätzliche Schmierung not¬ wendig ist.
Die Betätigungsvorrichtung ist in den Kolbenkopf bündig eingelassen und besteht aus einer in einer Buchse geführ- ten Hülse, die von einer Feder gegen einen Anschlag der Buchse gedrückt wird. Die Funktion dieses prozeßgesteuerten Einlaßventils ist wie folgt:
Während der Ableitung der Gase aus dem Entspannungszylin- der durch das Auslaßventil gleitet der Kolben im Entspan¬ nungszylinder in Richtung zum oberen Totpunkt. Der Ven¬ tilteller ist dabei fest auf die Ventilplatte gedrückt und dichtet die Verbrennungskammer ab. Bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, schließt das Auslaßven- til nockenwellengesteuert und die im Entspannungszylinder noch verbliebenen Verbrennungsgase werden fast bis zu dem in der Verbrennungskammer vorhandenen Druck verdichtet.
Der Ventilstößel des Einlaßventils gelangt nunmehr in Kontakt mit der Betätigungsvorrichtung und drückt auf die Hülse. Diese drückt jetzt die Feder zusammen, und zwar so lange, bis die Druckkraft der im Entspannungszylinder noch befindlichen Verbrennungsgase und die Federkraft der Feder der Betätigungsvorrichtung größer werden als die Druckkraft der Gase in der Verbrennungskammer. In diesem Moment hebt sich der Ventilteller von der Ventilplatte ab und gibt die Durchlaßöffnung frei. Der Ventilöffnungsweg ist dabei durch den am zylinderseitigen Ende der Ventil¬ stange befindlichen Anschlag definiert vorgegeben. Syn- chron mit der daraufhin beginnenden Bewegung des Kolbens in Richtung unterer Totpunkt strömen die Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer in den Entspannungszylinder. Zu Beginn der Einströmphase bleibt der Druck im Entspan¬ nungszylinder nahezu konstant. Erst mit steigender Ge- schwindigkeit des Kolbens nimmt der Druck im Entspan¬ nungszylinder ab. Infolge des entstandenen Druckunter¬ schieds zwischen der Verbrennungskammer und dem Entspan¬ nungszylinder schließt das Einlaßventil selbsttätig. In diesem Augenblick endet die Versorgung des Entspannungs- Zylinders mit Verbrennungsgasen aus der Verbrennungskam¬ mer und es beginnt die Entspannungsphase. Wenn bei niedrigen Drehzahlen des Kolbenmotors der Druck¬ unterschied zwischen der Verbrennungskammer und dem Ent¬ spannungszylinder nicht ausreicht, um das Einlaßventil zu öffnen, erfolgt die Öffnung des Einlaßventils ausschließ- lieh auf mechanischem Wege, und zwar zu dem Zeitpunkt, wenn die Hülse das zylinderseitige Ende der Buchse er¬ reicht hat. Die dann starre Betätigungsvorrichtung drückt das Einlaßventil auf. Über den Verschiebeweg der Hülse ist dieser Zeitpunkt definiert vorgebbar.
Während der gesamten Einströmphase der Verbrennungsgase in den Entspannungszylinder sind der Ventilteller und der Ventilstößel einer extrem hohen thermischen Belastung ausgesetzt, da sie von den unter hohen Temperaturen strö- menden Verbrennungsgasen umgeben werden. Erfindungsgemäß wird das Einlaßventil daher mit einer wirksamen Phasen¬ kühlung ausgerüstet. Die Ventilplatte weist dazu einen Ringkanal auf, der über einen Radialkanal an die Kühlmit¬ telversorgung angeschlossen ist. Der Ringkanal wird von einer Hülse gegenüber der axialen Durchlaßöffnung abge¬ dichtet. Diese Hülse ist mit mehreren Radialbohrungen versehen. Über den Ringkanal wird das Kühlmittel, vor¬ zugsweise Wasser, zugeführt und während der gesamten Ein¬ strömphase in Abhängigkeit von dem dann herrschenden Druck über die Radialbohrungen in der Hülse auf die Dichtseite des Ventiltellers und den Ventilstößel ge¬ spritzt.
Die Merkmale der Patentansprüche 2 und 3 ermöglichen einen selbsttätigen Kühlvorgang während der Einströmphase der Verbrennungsgase. Hierfür ist die Kühlung für das Einlaßventil mit einem Druckbehälter, einem Regelorgan und einem Sperrventil gekoppelt. In dem Druckbehälter be¬ findet sich das Kühlmittel. Über eine Verbindungsleitung ist der Druckbehälter mit einer Rohrleitung zwischen dem Verdichtungszylinder und der Verbrennungskammer verbun- den, so daß das Druckniveau überall gleichermaßen hoch ist. In der Anschlußleitung zwischen dem Druckbehälter und der Phasenkühlung ist ein Regelorgan, beispielsweise ein Kugelhahn, und ein Sperrventil, beispielsweise ein Kugelventil, angeordnet. Das Regelorgan bewirkt einen Drucksturz von dem hohen Niveau auf ein vorgebbares nied¬ rigeres Niveau hinter dem Regelorgan. Daraus folgt, daß, so lange der Druck im Entspannungszylinder kleiner ist als der Druck hinter dem Regelorgan, durch die Radialboh- rungen der Hülse Wasser auf die Dichtseite des Ventil¬ tellers und den Ventilstößel gespritzt wird. Dieser Vor¬ gang findet in dem letzten Teil der Entspannungsphase so¬ wie während der ganzen Ableitungsphase der Verbren¬ nungsgase statt. Das Sperrventil sorgt dabei dafür, daß keine Verbrennungsgase aus dem Entspannungszylinder in den Druckbehälter gelangen können. Übersteigt der Druck im Entspannungszylinder den Druck im Kühlsystem hinter dem Regelorgan, so schließt das Sperrventil und die Pha¬ senkühlung wird unterbrochen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des grundsätzlichen Er¬ findunggedankens besteht in den Merkmalen des Pa¬ tentanspruchs 4. Hierbei weist der Kolbenmotor einen Niedrigdruckblock und einen Hochdruckblock auf mit je- weils mindestens einem Verdichtungszylinder und einem Entspannungszylinder. Die Verdichtungszylinder sind dabei über einen zwischen dem Niedrigdruckblock und dem Hoch¬ druckblock liegenden Zwischenkühler verbunden. Auf diese Weise nähert man sich einer isothermen Verdichtung und damit einer effizienteren Ausbeute der Verdichterarbeit. Die Materialbeanspruchung wird verringert und einer SchmiermittelZersetzung entgegengewirkt.
Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 5 sind die Ent- spannungszylinder des Niedrigdruckblocks mit den Entspan¬ nungszylindem des Hochdruckblocks über einen Druckaus- gleichrauiri miteinander verbunden. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß der Druck auch zwischen den in entge¬ gengesetzten Phasen arbeitenden Kolben gleich bleibt.
Mit Hilfe der im Patentanspruch 6 gekennzeichneten ther¬ mischen Isolierung des Druckausgleichraums wird der Aus¬ nutzungsgrad noch weiter verbessert.
Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 7 werden die Ver- dichtungszylinder und die Entspannungszylinder, der Zwi¬ schenkühler, der Druckausgleichraum und der Druckbehälter sowie die Leitung zwischen den VerdichtungsZylindern und den Verbrennungskammern durch eine Umlaufkühlung gekühlt. Auf diese Weise wird die Wärme von den besonders stark belasteten Motorteilen abgeführt. Die Kühlflüssigkeit weist dabei eine zumindest den Druσkverhältnissen und der Prozeßtemperatur angepaßte Charakteristik auf. Obwohl für die Kühlung grundsätzlich alle geeigneten Kühlflüssigkei¬ ten in Frage kommen, wird hierfür bevorzugt Methylalkohol eingesetzt. Dieser besitzt die Eigenschaft, bei den ent¬ stehenden Druckverhältnissen und der Prozeßtemperatur zu verdampfen. Die auf diese Weise entstandenen Dämpfe wer¬ den einer Turbine zugeführt (Patentanspruch 8). In der Turbine entspannen sich die Dämpfe der Kühlflüssigkeit, wodurch die Turbine und ein mit ihr gekoppelter Stromer¬ zeuger angetrieben werden. Der so gewonnene Strom wird in den Elektroerhitzem wieder in Wärme verwandelt und zum Vorheizen der Verbrennungsluft benutzt. Auf diese Weise kann ein Großteil der ansonsten durch die Kühlung verlo- rengegangenen Energie wieder in den thermischen Zyklus zurückgeführt werden, was wiederum zu einer Steigerung des Wirkungsgrads beiträgt.
Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sind die Auslaß- ventile jedes VerdichtungsZylinders im Niedrigdruckblock und die Einlaßventile und die Auslaßventile jedes Ver- dichtungsZylinders im Hochdruckblock ausschließlich druckgesteuert. Dies trägt zu einem komplikationslosen funktionssicheren und einfachen Aufbau des Kolbenmotors bei. Auch der Herstellungsaufwand für diese Ventile ist wesentlich geringer.
Mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 wird gewähr¬ leistet, daß das Ansaugen der Verbrennungsluft und das Ausstoßen der Verbrennungsgase definiert gesteuert werden kann.
Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sind die Ein¬ laßventile der Entspannungszylinder im Niedrigdruckblock sowohl gasodynamisch als auch mechanisch steuerbar.
Der erfindungsgemäße Kolbenmotor hat folgende Vorteile:
- hoher thermischer Wirkungsgrad wegen der Entspannung der Gase bis zu dem umgebenden Druck und der Verringerung der in der Verbrennungskammer entstehenden Wärmeverluste,
- merklich erhöhte Sicherheit im Betrieb des Kolben¬ motors,
- es kann jeder einspritzbare Kraftstoff verwendet wer¬ den, wie z.B. Diesel, Benzin, Kerosin oder auch Wasser¬ stoff,
- eine Reihe von bislang unbedingt notwendigen Bauteilen kann jetzt entfallen, wie z.B. eine aufwendige Zündanlage in Verbindung mit einer für jeden Zylinder genau abzu¬ stimmenden KraftstoffZuteilung,
der spezifische Kraftstoffverbrauch ist wesentlich niedriger als bei herkömmlichen Bauarten, da die durch die Motorkühlung verlorengegangene Energie mit einem ho- hen Wirkungsgrad zurückgewonnen und in den thermischen Zyklus wieder eingeführt wird,
- eine vollständigere Verbrennung und damit weniger Ab- gas- und Schadstoffemission,
- das mit einfachen, aber wirkungsvollen Mitteln gekühlte Einlaßventil der Entspannungszylinder ist den extrem ho¬ hen thermischen Belastungen besser gewachsen,
- das Einlaßventil ist sowohl gasodynamisch als auch me¬ chanisch steuerbar,
- der Ventilstößel des Einlaßventils ist im Entspannungs- zylinder angeordnet und somit den extrem hohen Temperatu¬ ren in geringerem Maße ausgesetzt, darüberhinaus wird der Ventilstößel zusätzlich gekühlt,
- der Ventilstößel gleitet in der Führungsbuchse mit ei- nem so großen Spiel, daß keine zusätzliche Schmierung vorgesehen werden muß,
- bei der Ausführungsform mit Niedrigdruckblock und Hoch¬ druckblock besteht keine mechanische Verbindung zwischen den beiden Blöcken. Es ist daher möglich, daß die beiden Blöcke mit verschiedenen Drehzahlwerten arbeiten. Wird von dem Kolbenmotor beispielsweise nur eine geringe Lei¬ stung abverlangt, so ist die Drehzahl des Niedrigdruck¬ blocks fast gleich zu der des Hochdruckblocks, während dann, wenn der Kolbenmotor eine hohe Leistung abgeben muß, die Drehzahl des Niedrigdruckblocks größer als die des Hochdruckblocks ist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun- gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 die schematische Darstellung eines Kolben¬ motors mit zwei VerdichtungsZylindern und zwei EntspannungsZylindern;
Figur 2 die schematische Darstellung einer weiteren
Ausführungsform eines Kolbenmotors mit einem Niedrigdruckblock und einem Hochdruckblock;
Figur 3 in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Längsschnitt durch den Niedrigdruckblock der
Figur 2 entlang der Linie III-III;
Figur 4 ebenfalls in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Längsschnitt durch den Hochdruck- block der Figur 2 entlang der Linie IV-IV;
Figur 5 in nochmals vergrößerter Darstellung einen vertikalen Teilschnitt durch einen Verdich¬ tungszylinder des Niedrigdruckblocks;
Figur 6 in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Teilschnitt durch einen Verdichtungszylinder des Hochdruckblocks;
Figur 7 in vergrößerter Darstellung einen vertikalen
Teilschnitt durch einen Entspannungszylinder des Hochdruckblocks zusammen mit einem Lei¬ tungsschema einer Phasenkühlung;
Figur 8 ein Diagramm über die Abhängigkeit des Drucks in einem Entspannungszylinder während der Zu¬ fuhr der Verbrennungsgase vom Rotationswinkel der Kurbelwelle;
Figur 9 ein Diagramm über den Bewegungsablauf des
Einlaßventils eines Entspannungszylinders in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Kurbel¬ welle und
Figur 10 ein Diagramm über die Abhängigkeit der Ge- schwindigkeit der Verbrennungsgase vom Rota¬ tionswinkel der Kurbelwelle.
In der Figur 1 ist mit 1 ein Kolbenmotor mit Verbrennung im stationären Modus bezeichnet.
Der Kolbenmotor 1 weist einen Motorblock 2 auf. Im Motor¬ block 2 sind zwei Verdichtungszylinder 3, 4 und zwei im Volumenverhältnis größere Entspannungszylinder 5, 6 ange¬ ordnet. Die Verdichtungszylinder 3, 4 und die Entspan- nungszylinder 5, 6 wirken gemeinsam auf eine Kurbelwelle 7 ein. In den Zylinderdeckeln 8, 9 der Verdichtungszylin¬ der 3, 4 sind Einlaßventile 10, 11 und Auslaßventile 12, 13 angeordnet.
Den Zylinderdeckeln 14, 15 der Entspannungszylinder 5, 6 sind Einlaßventile 16, 17 und Auslaßventile 18, 19 zuge¬ ordnet.
Die Einlaßventile 10, 11 der Verdichtungszylinder 3, 4 und die Auslaßventile 18, 19 der Entspannungszylinder 5, 6 werden von einer Nockenwelle 20 gesteuert.
Den Entspannungszylindem 5, 6 sind Verbrennungskammern 21, 22 zugeordnet. Die Verdichtungszylinder 3, 4 sind über eine Rohrleitung 23 mit den Verbrennungskammern 21, 22 verbunden. In die Rohrleitung 23 sind jeweils den Ver¬ brennungskammem 21, 22 zugeordnete Elektroerhitzer 24, 25 integriert.
In den Verbrennungskammem 21, 22 sind Verbrennungsrohre 26, 27 angeordnet. An der den EntspannungsZylindern 5, 6 abgewandten Seite der Verbrennungsrohre 26, 27 sind in Deckeln 28, 29 Kraftstoffeinspritzer 30, 31 eingebettet. Umfangsseitig der Kraftstoffeinspritzer 30, 31 weisen die Verbrennungsrohre 26, 27 tangential in die Verbrennungs- röhre 26, 27 mündende Lufteintrittsbohrungen 32, 33 auf.
In der Figur 1 ist weiterhin eine Turbine 34 und ein Stromerzeuger 35 zu erkennen. Der Stromerzeuger 35 ist über eine Leitung 36 mit den Elektroerhitzem 24, 25 ver- bunden. Die Turbine 34 arbeitet mit einer nicht näher dargestellten Umlaufkühlung für den Motorblock 2 zusam¬ men.
Der Arbeitszyklus des Kolbenmotors 1 beginnt mit dem An- saugen von Luft aus der Umgebung durch die Ventile 10, 11 in der durch die Pfeile PFEIN kenntlich gemachten Rich¬ tung in die Verdichtungszylinder 3, 4. Anschließend er¬ folgt die Luftverdichtung bis auf 60 bar. Bei Erreichen dieses Drucks passiert die verdichtete Luft die Auslaß- ventile 12, 13 der Verdichtungszylinder 3, 4 und gelangt von dort in die Rohrleitung 23. In den Elektroerhitzem 24, 25 wird die verdichtete Luft vorgeheizt und den Ver¬ brennungskammern 21, 22 zugeführt. Dabei gelangt sie zunächst in den Raum 37 zwischen den Wänden der Verbren- nungskammem 21, 22 und den Verbrennungsrohren 26, 27. Dabei wird die Luft durch die Wärmekonvektion der Verbrennungsrohre 26, 27 weiter vorgeheizt, wodurch gleichzeitig die Verbrennungsrohre 26, 27 gekühlt werden. Über die Lufteintrittsbohrungen 32, 33 strömt die Luft in das Innere der Verbrennungsrohre 26, 27, und zwar so, daß die Strömung der Luft von außen in das Rohrinnere im entgegengesetzten Drehsinn zu dem eingespritzten Kraft¬ stoff erfolgt. Der Kraftstoff wird über die Kraftstoff- einspritzer 30, 31 in die Verbrennungsrohre 26, 27 einge- spritzt. Durch die entgegengesetzten Drehsinne von Luft und Kraftstoff werden die beiden Komponenten intensiv ge- mischt. Das entstandene Gemisch brennt anschließend mit ständiger Flamme in Form eines um eine Längsachse rotie¬ renden Wirbels in einem stationären Modus ab. Die Ver¬ brennung findet mit einem Luftüberschuß statt, so daß eine vollständige Verbrennung gewährleistet ist. Die in den Verbrennungsröhren 26, 27 entstandenen Verbrennungs¬ gase werden anschließend über die Einlaßventile 16, 17 in die Entspannungszylinder 5, 6 abgesaugt. Am Ende der Ab¬ saugphase schließen die Einlaßventile 16, 17 und es er- folgt eine Entspannung der Verbrennungsgase bis auf Umge¬ bungsdruck. Nach Öffnung der Auslaßventile 18, 19, die ebenfalls von der Nockenwelle 20 angesteuert sind, werden die Verbrennungsgase in der durch die Pfeile
Figure imgf000016_0001
lieh gemachten Richtung aus den Entspannungszylindem 5, 6 abgeleitet.
Sowohl die Luftverdichtung und die Entspannung der Ver¬ brennungsgase als auch die Strömung der Luft und der Ver¬ brennungsgase finden unter Wärmeverlusten statt. Zur Ab- führung dieser Wärme ist eine Umlaufkühlung vorgesehen. Als Kühlflüssigkeit wird Methylalkohol verwendet, der die Eigenschaft besitzt, bei einer Temperatur von 100 °C und einem Druck von 3,4 bar zu verdampfen. Die auf diese Weise entstandenen Dämpfe werden der Turbine 34 zuge- führt, wo sie sich entspannen und damit die Turbine 34 antreiben. Die Verbindung zwischen der Turbine 34 und dem Motorblock 2 kann so dimensioniert werden, daß der Dampf¬ druck der Kühlflüssigkeit auf 3,4 bar konstant gehalten wird. Die Turbine 34 treibt ihrerseits den Stromerzeuger 35 an. Der von dem Stromerzeuger 35 erzeugte elektrische Strom wird in den Elektroerhitzem 24, 25 in Wärme umge¬ wandelt. Diese Wärme wird für die Vorheizung der verdich¬ teten Luft verwendet, bevor diese in die Verbrennungs¬ kammem 21, 22 eingeleitet wird. Auf diese Weise kann ein Teil der ansonsten verlorengehenden Wärme in den thermi¬ schen Zyklus des Kolbenmotors 1 wieder eingeführt werden. Durch die Entspannung der Dämpfe in der Turbine 34 wird der Methylalkohol wieder in seinen flüssigen Zustand ge¬ wandelt und kann wieder dem Kühlkreislauf zugeführt wer¬ den. Der Umlauf des Methylalkohols wird dabei mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Pumpe realisiert.
Eine schematische Darstellung eines Kolbenmotors la mit einem Motorblock 2a, der einen Niedrigdruckblock 38 und einen Hochdruckblock 39 aufweist, zeigt die Figur 2.
Dem Niedrigdruckblock 38 sind jeweils zwei Verdichtungs¬ zylinder 3a, 4a mit Einlaßventilen 10a, 11a und Ausla߬ ventilen 12a, 13a sowie zwei im Volumenverhältnis größere Entspannungszylinder 5a, 6a mit Einlaßventilen 16a, 17a und Auslaßventilen 18a, 19a zugeordnet. Die Verdichtungs¬ zylinder 3a, 4a und die Entspannungszylinder 5a, 6a wir¬ ken auf eine gemeinsame Kurbelwelle 7a ein. Die Einla߬ ventile 10a, 11a der Verdichtungszylinder 3a, 4a und die Auslaßventile 18a, 19a der Entspannungszylinder 5a, 6a werden von einer Nockenwelle 20a gesteuert. Der Hoch¬ druckblock 39 weist jeweils zwei Verdichtungszylinder 3b, 4b mit Einlaßventilen 10b, 11b und Auslaßventilen 12b, 13b sowie zwei im Volumenverhältnis größere Entspannungs¬ zylinder 5b, 6b mit Einlaßventilen 16b, 17b und Auslaß- Ventilen 18b, 19b auf. Die Verdichtungszylinder 3b, 4b und die Entspannungszylinder 5b, 6b im Hochdruckblock 39 wirken auf eine gemeinsame Kurbelwelle 7b ein. Die Aus¬ laßventile 18b, 19b der Entspannungszylinder 5b, 6b wer¬ den von einer Nockenwelle 20b gesteuert.
Zwischen die Verdichtungszylinder 3a, 4a im Niedrigdruck¬ block 38 und die Verdichtungszylinder 3b, 4b im Hoch¬ druckblock 39 ist ein Zwischenkühler 40 integriert.
Den Entspannungszylindem 5b, 6b im Hochdruckblock 39 sind Verbrennungskammern 21a, 22a zugeordnet. Die Ver- dichtungszylinder 3b, 4b sind mit den Verbrennungskammern 21a, 22a über eine Rohrleitung 23a verbunden. Der Rohr¬ leitung 23a sind Elektroerhitzer 24a, 25a zugeordnet. In die Verbrennungskammern 21a, 22a sind Verbrennungsrohre 26a, 27a eingebettet. In den Deckeln 28a, 29a der Ver¬ brennungskammern 21a, 22a sind Kraftstoffeinspritzer 30a, 31a vorgesehen. Umfangsseitig der Kraftstoffeinspritzer 30a, 31a münden Lufteintrittsbohrungen 32a, 33a in die Verbrennungsrohre 26a, 27a. Die Entspannungszylinder 5b, 6b im Hochdruckblock 39 und die Entspannungszylinder 5a, 6a im Niedrigdruckblock 38 sind über einen Druckaus¬ gleichraum 41 miteinander verbunden. Der Druckausgleich¬ raum 41 weist allseitig eine thermische Isolierung 42 auf.
Dem Motorblock 2a ist weiterhin eine Turbine 34a und ein Stromerzeuger 35a zugeordnet. Der Stromerzeuger 35a ist über eine Leitung 36a mit den Elektroerhitzem 24a, 25a verbunden. Die Turbine 34a arbeitet mit einer den Motor- block 2a kühlenden Umlaufkühlung zusammen.
Die Funktion des Kolbenmotors la im stationären Modus be¬ ginnt mit dem Ansaugen der Luft aus der Umgebung in die Verdichtungszylinder 3a, 4a durch die Ventile 10a, 11a. Es folgt die Luftverdichtung in einer ersten Stufe bis auf 6 bar. Bei diesem Druck öffnen sich die Auslaßventile 12a, 13a und die verdichtete Luft wird dem Zwischenkühler 40 zugeführt. Hier erfolgt eine Rückkühlung der verdich¬ teten Luft bei gleichbleibendem Druck. Vom Zwischenkühler 40 strömt die verdichtete Luft über die Einlaßventile 10b, 11b in die Verdichtungszylinder 3b, 4b des Hoch¬ druckblocks 39, wo die Luft in einer zweiten Stufe bis auf ca. 60 bar weiter verdichtet wird. Bei Erreichen die¬ ses Drucks passiert die verdichtete Luft die Ventile 12b, 13b und gelangt über die Rohrleitung 23a zu den Verbren¬ nungskammem 21a, 22a. Auf diesem Weg wird die verdich- tete Luft in den Elektroerhitzem 24a, 25a vorgeheizt. In den Verbrennungskammern 21a, 22a wird die verdichtete Luft über die Lufteintrittsbohrungen 32a, 33a den Ver¬ brennungsrohren 26a, 27a zugeführt, wo sie sich mit dem eingespritzen Kraftstoff vermischt und in einer ständigen Flamme verbrennt.
Die Verbrennungsgase werden über die Ventile 16b, 17b in die Entspannungszylinder 5b, 6b des Hochdruckblocks 39 abgesaugt. Am Ende der Absaugphase schließen die Ventile 16b, 17b und es erfolgt die Entspannung der Verbrennungs¬ gase bis auf 6 bar. Bei diesem Druck öffnen die Ausla߬ ventile 18b, 19b und die Verbrennungsgase strömen in den Druckausgleichraum 41. Da die Entspannungszylinder 5b, 6b in entgegengesetzten Phasen arbeiten, bleibt der Druck im Druckausgleichraum 41 nahezu konstant. Aus dem Druckaus¬ gleichraum 41 werden die Verbrennungsgase über die Ein¬ laßventile 16a, 17a in die Entspannungszylinder 5a, 6a des Niedrigdruckblocks 38 abgesaugt. Hier erfolgt die Entspannung der Verbrennungsgase bis zum Umgebungsdruck und der Ausstoß der Verbrennungsgase über die Auslaßven¬ tile 18a, 19a.
Einen vertikalen Längsschnitt durch den Niedrigdruckblock 38 des Kolbenmotors la zeigt Figur 3. Im Motorblock 2a sind die Verdichtungszylinder 3a, 4a und die Entspan¬ nungszylinder 5a, 6a zu erkennen. In den Verdichtungs¬ zylindern 3a, 4a werden die Kolben 43, 44 und in den Ent¬ spannungszylindem 5a, 6a werden die Kolben 45, 46 ge- führt. Die Kolben 43, 44, 45, 46 sind über Pleuelstangen 47, 48, 49, 50 gelenkig mit der Kurbelwelle 7a verbunden.
Über Strömungskanäle 51 wird der Niedrigdruckblock 38 während des Betriebs von dem Methylalkohol umspült und auf diese Weise die entstehende Wärme abgeführt. Ein vertikaler Längsschnitt durch den Hochdruckblock 39 des Kolbenmotors la ist in Figur 4 dargestellt. Im Motor¬ block 2a sind die Verdichtungszylinder 3b, 4b und die Entspannungszylinder 5b, 6b angeordnet. In den Verdich- tungsZylindern 3b, 4b werden die Kolben 52, 53 und in den Entspannungszylindem 5b, 6b werden die Kolben 54, 55 ge¬ führt. Über Pleuelstangen 56, 57, 58, 59 sind die Kolben 52, 53, 54, 55 gelenkig mit einer Kurbelwelle 7b ver¬ bunden. Über die Kurbelwelle 7b wird die Motorleistung an den Verbraucher geleitet. Über Strömungskanäle 51a wird der Hochdruckblock 39 während des Betriebs von dem Me¬ thylalkohol umspült, so daß die entstehende Wärme aus dem Motorblock 2a abgeführt wird.
Einen Teilschnitt durch den Verdichtungszylinder 3a des Niedrigdruckblocks 38 zeigt Figur 5. Über einen Ansaug- stutzen 60 wird die Luft von der Umgebung angesaugt und über das nockenwellengesteuerte Einlaßventil 10a in den Verdichtungszylinder 3a geleitet. Auslaßseitig des Ver- dichtungszylinders 3a ist das Auslaßventil 12a angeord¬ net. Das Auslaßventil 12a arbeitet ausschließlich druck¬ gesteuert. Es weist in einer Buchse 61 einen Ventilteller 62 auf, der von einer Ventilfeder 63 gegen einen Anschlag 64 der Buchse 61 gedrückt wird. Die Ventilfeder 63 wird mit Hilfe einer Schraubhülse 65 in der Buchse 61 fixiert.
Weiterhin sind in der Figur 5 die Strömungskanäle 51 für den Methylalkohol der Umlaufkühlung zu erkennen.
In der Figur 6 ist ein Teilschnitt durch den Verdich¬ tungszylinder 3b des Hochdruckblocks 39 dargestellt. Vom hier nicht abgebildeten Zwischenkühler gelangt die ver¬ dichtete Luft über einen Verbindungsstutzen 66 durch das Einlaßventil 10b in den Verdichtungszylinder 3b. Das Ein- laßventil 10b ist ausschließlich druckgesteuert. Es weist einen Ventilteller 67 mit einem Ventilstößel 68 auf. Der Ventilstößel 68 ist in einer Bohrung 69 geführt. Über eine Ventilfeder 70 wird der Ventilteller 67 mit seiner zum Verbindungsstutzen 66 gerichteten Seite gegen einen Ventilsitz 71 auf einen Radialring 72 gedrückt. Auf dem Ventilstößel 68 befindet sich weiterhin ein Anschlag 73 für die Ventilfeder 70. Der Anschlag 73 weist eine Scheibe 74 mit einer keilförmig ausgebildeten Axial¬ bohrung 75 auf, die auf eine keilförmig ausgebildete Hülse 76 auf dem Ventilstößel 68 geschoben wird.
Weiter sind in Figur 6 ein Teil des Kolbens 52, Strö¬ mungskanäle 51a für den Methylalkohol und ein Auslaßven¬ til 12b zu erkennen. Das Auslaßventil 12b ist ebenfalls ausschließlich druckgesteuert und baugleich mit dem Aus- laßventil 12a (siehe Figur 5) ausgebildet.
Von dem Verdichtungszylinder 3b aus gelangt die verdich¬ tete Luft über das Auslaßventil 12b in die Rohrleitung 23a.
Die Figur 7 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Ver- brennungskammer 21a und einen Teil des Entspannungszylin¬ ders 5b. In der Verbrennungskammer 21a ist ein Verbren¬ nungsrohr 26a angeordnet, welches ein Keramikrohr 77 um- schließt.
In dem Entspannungszylinder 5b gleitet der Kolben 54. Die Verbrennungskammer 21a ist dem Entspannungszylinder 5b stirnseitig des Kolbenkopfs 78 zugeordnet. Zwischen der Verbrennungskammer 21a und dem Entspannungszylinder 5b ist ein prozeßabhängig gesteuertes gekühltes Einlaßventil 16b eingebettet. Das Einlaßventil 16b ist über den zwi¬ schen dem Entspannungszylinder 5b und der Verbren¬ nungskammer 21a herrschenden Relativdruck und/oder über eine im Kolben 54 eingebettete Betätigungsvorrichtung 79 steuerbar. Das Einlaßventil 16b weist einen Ventilteller 80 mit einem in den Entspannungszylinder 5b ragenden Ven¬ tilstößel 81 und eine Ventilplatte 82 mit einer axialen Durchlaßδffnung 83 auf. Der Ventilstößel 81 ist in einer von der Ventilplatte 82 getragenen Buchse 84 geführt und mit einem in Richtung zur Verbrennungskammer 21a wirk¬ samen Anschlag 85 versehen. Weiterhin weist die Ventil¬ platte 82 einen Radialkanal 86 und einen Ringkanal 87 auf, der durch eine mit geneigten Radialbohrungen 88 ver¬ sehene Hülse 89 gegenüber der axialen Durchlaßöffnung 83 abgedichtet ist.
Über eine Bohrung 90 und einen Anschlußstutzen 91 ist das Einlaßventil 16b an eine nachfolgend noch näher erläu¬ terte Phasenkühlung 92 angeschlossen. Die Phasenkühlung 92 für das Einlaßventil 16b ist mit einem Druckbehälter 93, einem Regelorgan 94 und einem Sperrventil 95, bei¬ spielsweise einem Kugelventil, gekoppelt. Das Sperrventil 95 ist in den Anschlußstutzen 91 integriert. Der Druckbe¬ hälter 93 ist über eine nur angedeutete Leitung 96 mit der Leitung 23a zwischen den VerdichtungsZylindern 3b, 4b und den Verbrennungskammern 21a, 22a verbunden. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß der Druck im Druckbehälter 93 auf dem gleichen Niveau liegt wie in der Leitung 23a.
Für die Beschreibung des Kühlvorgangs für das Einlaßven¬ til 16b soll von einem Druck von 60 bar ausgegangen wer¬ den. Das Regelorgan 94, beispielsweise ein Wasserhahn, bewirkt einen Drucksturz von 60 bar auf 6 bar. Daraus folgt, daß durch die Radialbohrungen 88 der Hülse 89 Was- ser aus dem Druckbehälter 93 auf den Ventilstößel 81 und die Dichtseite des Ventiltellers 80 gespritzt wird, so¬ lange der Druck im Entspannungszylinder 5b kleiner als 6 bar ist. Dieser Vorgang findet im letzten Teil der Ent¬ spannungsphase sowie während der ganzen Ableitungsphase der Verbrennungsgase statt. Der Ventilstößel 81 gleitet in der Buchse 84 mit einem Spiel von ca. 0,2 mm, so daß hier keine Schmierung notwendig ist.
Die Betätigungsvorrichtung 79 weist eine zum Einlaßventil 16b hin geschlossene Hülse 97 auf, die in einer im Kol¬ benkopf 78 eingebetteten Buchse 98 abgedichtet geführt ist. Unter dem Einfluß einer Feder 99 wird die Hülse 97 gegen einen Anschlag 100 der Buchse 98 gedrückt. Die Be¬ tätigungsvorrichtung 79 wird mit Hilfe einer Überwurf- schraube 101 im Kolbenkopf 78 fixiert.
Weiterhin sind in der Figur 7 das nockenwellengesteuerte Auslaßventil 18b und Strömungskanäle 51a für die Umlauf¬ kühlung dargestellt.
Während die Verbrennungsgase aus dem Zylinder 5b über das Auslaßventil 18b abgeleitet werden, schließt das Einla߬ ventil 16b die Verbrennungskammer 21a dicht ab, bevor der Kolben 54 das obere Ende des EntspannungsZylinders 5b er- reicht hat, das entspricht ca. 7 Rotationsgrade der Kur¬ belwelle 7b. Nun schließt das Auslaßventil 18b und die noch im Entspannungszylinder 5b verbliebenen Verbren¬ nungsgase werden fast bis zu dem in der Verbrennungskam¬ mer 21a vorhandenen Druck verdichtet. Beim Kontakt der Betätigungsvorrichtung 79 mit dem Ventilstößel 81 drückt dieser auf die Hülse 97. Dadurch gleitet die Hülse 97 in der Buchse 98 nach unten und drückt die Feder 99 zusam¬ men. Wenn die Druckkraft der Verbrennungsgase im Entspan¬ nungszylinder 5b auf die untere Seite des Ventiltellers 80 des Ventils 16b zusammen mit der Federkraft der Feder 99 auf den Ventilstößel 81 größer als die Druckkraft der Verbrennungsgase in der Verbrennungskammer 21a auf der oberen Seite des Ventiltellers 80 wird, hebt sich der Ventilteller 80 von der Ventilplatte 82 ab und wird von der Feder 99 so weit in das Verbrennungsrohr 26a hinein¬ gedrückt, bis der Anschlag 85 auf die Buchse 84 trifft. Danach bewegt sich der Kolben 54 abwärts und erlaubt da¬ mit den Verbrennungsgasen in den Entspannungszylinder 5b einzuströmen unter einem in der ersten Phase fast kon¬ stanten Druck (siehe hierzu auch Figur 8). Mit steigender Geschwindigkeit des Kolbens 54 nimmt der Druck im Ent¬ spannungszylinder 5b ab. Wegen des entstandenen Druck¬ unterschieds der Verbrennungsgase im Entspannungszylinder 5b und in der Verbrennungskammer 21a schließt das Einla߬ ventil 16b. In diesem Augenblick endet die Versorgung des Entspannungszylinders 5b mit Verbrennungsgasen aus der Verbrennungskammer 21a und die Entspannungsphase beginnt. In Figur 9 ist der Bewegungsablauf des Einlaßventils 16b für die Regelung der Strömung der Verbrennungsgase von der Verbrennungskammer 21a in den Entspannungszylinder 5b in Abhängigkeit von dem Rotationswinkel der Kurbelwelle 7b dargestellt.
Die in der Figur 9 gekennzeichneten Punkte bedeuten die Zeitpunkte, in denen
1 - der Ventilteller 80 von der Ventilplatte 82 abhebt;
2 - sich der Ventilstößel 81 von der Hülse 97 trennt und nur unter dem Einfluß der Druckkraft der Verbrennungsgase weiterbewegt?
3 - der Kontakt des Ventilstößels 81 mit der Hülse 97 wieder hergestellt wird;
4 - der Ventilteller 80 wieder auf der Ventilplatte 82 liegt und der Einlaß der Verbrennungsgase aus der Ver¬ brennungskammer 21a in den Entspannungszylinder 5b been¬ det wird.
Das Einlaßventil 16b bewegt sich dabei in dem Intervall 1-2 ausschließlich unter dem Einfluß der Feder 99, in dem Intervall 2-3 ausschließlich unter der Druckeinwirkung der Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsrohr 26a und dem Entspannungszylinder 5b und im Intervall 3-4 unter der gleichen Druckeinwirkung gemeinsam mit der Federkraft der Feder 99.
In Figur 10 ist die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der vom Verbrennungsrohr 26a über das Einlaßventil 16b in den Entspannungszylinder 5b strömenden Verbrennungsgase vom Rotationswinkel der Kurbelwelle dargestellt. Hier ist be¬ sonders darauf hinzuweisen, daß die Strömungsgeschwindig¬ keit der Verbrennungsgase durch das Ventil 16b nahezu über den gesamten Bereich kleiner als 100 m/s ist. Damit sind die Entropieverluste als ein Maß der Energie, die nicht in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann ver¬ nachlässigbar gering.

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenmotor, der wenigstens einen Verdichtungszylinder (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b) mit einem Kolben (43, 44; 52, 53) sowie wenigstens einen zum Verdichtungszylinder (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b) im Volumenverhältnis größeren Ent¬ spannungszylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) mit einem Kolben (45, 46; 54, 55), Einlaßventile (10, 11; 16, 17; 10a, 11a; 16a, 17a; 10b, 11b; 16b, 17b) und Auslaßventile (12, 13; 18, 19? 12a, 13a? 12b, 13b) an beiden Zylindern (3, 4; 3a, 4a; 5, 6; 5a, 6a; 3b, 4b; 5b, 6b), eine Kurbel¬ welle (7, 7a, 7b), eine Nockenwelle (20, 20a, 20b), eine Verbrennungskammer (21, 22? 21a, 22a) mit Verbrennungs¬ rohr (26, 27? 26a, 27a) und Verwirbelungseinrichtung (32, 33? 32a, 33a) für den Kraftstoff sowie eine Kühlung für den Motorblock (2, 2a) aufweist, g e k e n n z e i c h - n e t d u r c h folgende Merkmale:
a) die Verbrennungskammer (21, 22? 21a, 22a) ist stirn- seitig des Kolbenkopfes (78) dem Entspannungszylinder
(5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) zugeordnet;
b) zwischen dem Verdichtungszylinder (3, 4? 3a, 4a? 3b, 4b) und der Verbrennungskammer (21, 22? 21a, 22a) ist ein Elektroerhitzer (24, 25? 24a, 25a) vorgesehen?
c) der Elektroerhitzer (24, 25? 24a, 25a) ist mit einem von einer Turbine (34, 34a) angetriebenen Stromerzeu¬ ger (35, 35a) verbunden?
d) das Verbrennungsrohr (26, 27? 26a, 27a) umschließt ein Keramikrohr (77) und weist an einem Ende umfangsseitig der Kraftstoffeinspritzer (30, 31? 30a, 31a) tangen- tial in das Verbrennungsrohr (26, 27; 26a, 27a) mün¬ dende Lufteintrittsbohrungen (32, 33; 32a, 33a) auf;
e) dem Entspannungszylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) ist ein prozeßabhängig gesteuertes gekühltes Einlaßventil
(16, 17; 16a, 17a; 16b, 17b) zugeordnet;
f) das Einlaßventil (16, 17; 16a, 17a; 16b, 17b) ist über den Relativdruck Entspannungszylinder (5, 6; 5a, 6a? 5b, 6b) / Verbrennungskammer (21, 22; 21a, 22a) und/oder über eine im Kolben (45, 46; 54, 55) des Entspannungszylinders (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) angeord¬ nete Betätigungsvorrichtung (79) steuerbar;
g) das Einlaßventil (16, 17? 16a, 17a; 16b, 17b) weist einen Ventilteller (80) mit einem in den Entspannungs¬ zylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b) ragenden Ventilstößel (81) und eine Ventilplatte (82) mit axialer Durchla߬ öffnung (83) auf;
h) der Ventilstößel (81) ist in einer von der Ventil¬ platte (82) getragenen Buchse (84) geführt und mit ei¬ nem in Richtung zur Verbrennungskammer (21, 22; 21a, 22a) wirksamen Anschlag (85) versehen;
i) die Ventilplatte (82) weist einen Radialkanal (86) und einen Ringkanal (87) auf, der durch eine mit Radialbohrungen (88) versehene Hülse (89) gegenüber der axialen Durchlaßöffnung (83) abgedichtet ist.
j) die Betätigungsvorrichtung (79) weist eine zum Einla߬ ventil (16, 17; 16a, 17a; 16b, 17b) hin geschlossene Hülse (97) auf, die in einer im Kolbenkopf (78) fi¬ xierten Buchse (98) abgedichtet geführt und unter dem Einfluß einer Feder (99) gegen einen Anschlag (100) der Buchse (98) andrückbar ist.
2. Kolbenmotor nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Phasenkühlung (86- 88) für das Einlaßventil (16, 17; 16a, 17a? 16b, 17b) mit einem Druckbehälter (93), einem Regelorgan (94) und einem Sperrventil (95) gekoppelt ist.
3. Kolbenmotor nach Patentanspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Druck im Druckbe¬ hälter (93) gleich dem Druck in einer Leitung (23, 23a) zwischen dem Verdichtungszylinder (3, 4? 3a, 4a? 3b, 4b) und der Verbrennungskammer (21, 22? 21a, 22a) bemessen ist.
4. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, mit einem Niedrigdruckblock (38) und einem Hochdruckblock
(39), die jeweils mindestens einen Verdichtungszylinder (3a, 4a? 3b, 4b) und einem Entspannungszylinder (5a, 6a? 5b, 6b) aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n t , daß die Verdichtungszylinder (3a, 4a? 3b, 4b) über einen Zwischenkühler (40) miteinander verbunden sind.
5. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, mit mindestens einem Verdichtungszylinder (3a, 4a? 3b, 4b) sowie wenigstens zwei EntspannungsZylindern (5a, 6a? 5b, 6b) im Niedrigdruckblock (38) und im Hochdruckblock (39), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Entspannungszylinder (5a, 6a) des Niedrigdruckblocks (38) mit den Entspannungszylindem (5b, 6b) des Hoch- druckblocks (39) über einen Druckausgleichraum (41) mit¬ einander verbunden sind.
6. Kolbenmotor nach Patentanspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Druckausgleichraum (41) eine thermische Isolierung (42) aufweist.
7. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verdichtungszylinder (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b), die Entspan¬ nungszylinder (5, 6; 5a, 6a; 5b, 6b), der Zwischenkühler (40), der Druckausgleichraum (41), der Druckbehälter (93) und die Leitung (23, 23a) zwischen den Verdich¬ tungszylindern (3, 4; 3a, 4a; 3b, 4b) und den Verbren- nungskammern (21, 22; 21a, 22a) durch eine Umlauf ühlung gekühlt sind, deren Kühlflüssigkeit eine mindestens den Druckverhältnissen und der Prozeßtemperatur angepaßte Charakteristik aufweist.
8. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kühlflüssigkeit der Umlaufkühlung über die Turbine (34, 34a) geführt ist.
9. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Aus- laßventil (12a, 13a) jedes VerdichtungsZylinders (3a, 4a) im Niedrigdruckblock (38) und das Einlaßventil (10b, 11b) sowie das Auslaßventil (12b, 13b) jedes Verdichtungs¬ zylinders (3b, 4b) im Hochdruckblock (39) ausschließlich druckgesteuert sind.
10. Kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ein¬ laßventil (10a, 11a) jedes VerdichtungsZylinders (3a, 4a) im Niedrigdruckblock (38) sowie das Auslaßventil (18b, 19b; 18a, 19a) jedes Entspannungszylinders (5b, 6b; 5a, 6a) im Hochdruckblock (39) und im Niedrigdruckblock (38) nockenwellengesteuert sind.
11. Kolbenmotor nach Patentanspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jedem Entspannungszy¬ linder (5a, 6a) des Niedrigdruckblocks (38) ein Einlaß- ventil (16a, 17a) zugeordnet ist, welches über den Rela¬ tivdruck Druckausgleichraum (41) / Entspannungszylinder (5a, 6a) und/oder über die im Kolben (45, 46) des Ent¬ spannungszylinders (5a, 6a) angeordnete Betätigungsvor- richtung (79) steuerbar ist.
PCT/DE1992/000910 1991-11-02 1992-10-31 Kolbenmotor WO1993009341A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19914136223 DE4136223C1 (de) 1991-11-02 1991-11-02
DEP4136223.3 1991-11-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1993009341A1 true WO1993009341A1 (de) 1993-05-13

Family

ID=6444022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1992/000910 WO1993009341A1 (de) 1991-11-02 1992-10-31 Kolbenmotor

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE4136223C1 (de)
WO (1) WO1993009341A1 (de)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2748776B1 (fr) * 1996-04-15 1998-07-31 Negre Guy Procede de moteur a combustion interne cyclique a chambre de combustion independante a volume constant
AU7241498A (en) * 1998-03-04 1999-09-20 Viktor Leonidovich Brilev Multifuel engine and method to run it
EP0957250A3 (de) * 1998-05-14 2000-08-30 HMS Artist Scheier OEG Verbrennungsmotor
US6216444B1 (en) 1998-05-14 2001-04-17 Edmund Ferdinand Nagel Combustion engine
EP1092851A3 (de) 1999-10-13 2002-04-17 Heinzle, Friedrich Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine
RU2176323C1 (ru) * 2000-06-22 2001-11-27 Дмитриев Сергей Васильевич Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания
EP1195503A3 (de) 2000-10-04 2003-04-16 Heinzle, Friedrich Verbrennungsmotor
FR3085725A1 (fr) * 2018-09-10 2020-03-13 Psa Automobiles Sa Moteur a combustion externe a cycle divise
CN111706398B (zh) * 2020-07-31 2024-04-09 中南大学 一种高膨胀比水平对置活塞式膨胀机及控制方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2046148A5 (de) * 1969-03-11 1971-03-05 Warren Glenn
FR2288856A1 (fr) * 1974-06-12 1976-05-21 Kovacs Andre Machine thermodynamique a cycle de carnot
US4015424A (en) * 1975-04-11 1977-04-05 Sakuta Shinohara Combustion engine with dual function motor element and rotary valve for cyclical fuel and exhaust metering
US4099489A (en) * 1975-10-06 1978-07-11 Bradley Curtis E Fuel regenerated non-polluting internal combustion engine
FR2416344A1 (fr) * 1978-02-02 1979-08-31 Kovacs Andre Moteur a combustion interne a chambre de compression et de detente separees
GB2019499A (en) * 1978-04-21 1979-10-31 Combustion Res & Tech Constant volume continuous external combustion reciprocating-piston rotary engine
US4212163A (en) * 1978-06-16 1980-07-15 Mikina Stanley J Heat engine
FR2502243A1 (fr) * 1979-07-26 1982-09-24 Brun Michel Reutilisation partielle de la chaleur produite par le dispositif de refroidissement et d'echappement des moteurs a combustion interne

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2046148A5 (de) * 1969-03-11 1971-03-05 Warren Glenn
FR2288856A1 (fr) * 1974-06-12 1976-05-21 Kovacs Andre Machine thermodynamique a cycle de carnot
US4015424A (en) * 1975-04-11 1977-04-05 Sakuta Shinohara Combustion engine with dual function motor element and rotary valve for cyclical fuel and exhaust metering
US4099489A (en) * 1975-10-06 1978-07-11 Bradley Curtis E Fuel regenerated non-polluting internal combustion engine
FR2416344A1 (fr) * 1978-02-02 1979-08-31 Kovacs Andre Moteur a combustion interne a chambre de compression et de detente separees
GB2019499A (en) * 1978-04-21 1979-10-31 Combustion Res & Tech Constant volume continuous external combustion reciprocating-piston rotary engine
US4212163A (en) * 1978-06-16 1980-07-15 Mikina Stanley J Heat engine
FR2502243A1 (fr) * 1979-07-26 1982-09-24 Brun Michel Reutilisation partielle de la chaleur produite par le dispositif de refroidissement et d'echappement des moteurs a combustion interne

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 11, no. 146 (M-587)13. Mai 1987 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 15, no. 491 (M-1190)12. Dezember 1991 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE4136223C1 (de) 1992-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19581654B4 (de) Regenerierter Motor mit verbessertem Heizhub
EP1330592B1 (de) Verfahren zum betreiben einer dampf-wärmekraftmaschine, insbesondere als fahrzeug-antriebsaggregat
DE19581652B4 (de) Regenerierter Motor mit verbesserten Heiz- und Kühlhüben
DE2916423A1 (de) Brennkraftmaschine
DE2942212A1 (de) Thermodynamische maschine
DE2941681A1 (de) Brennkraftkolbenmaschine
WO1993009341A1 (de) Kolbenmotor
DE10297461T5 (de) Regenerierter Motor mit sich hin und her bewegenden Kolben mit stationärem Regenerator
DE3935367C2 (de)
WO1983001816A1 (en) Oil pump with oscillating piston
CH667132A5 (de) Drehkolben-eintakt-verbrennungsmotor.
EP3452704A1 (de) Zweitakt-brennkraftmaschine
CH394753A (de) Vorrichtung zur Umwandlung einer hin und her gehenden Bewegung in eine Drehbewegung
DE19819233A1 (de) Aus mehreren Maschineneinheiten zusammengesetzte Kolbenbrennkraftmaschine
DE3687821T2 (de) Zweitakt - brennkraftmaschine.
EP1092851A2 (de) Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine
EP4253738B1 (de) Verfahren zum betreiben eines getaktet angetriebenen kolbenmotors
CH581784A5 (en) Combined power unit with engine and turbine - supplies air to turbine from compressor and from reciprocating engine cylinder
DE102007061976B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine
DE4023372C2 (de) Zweitakt-Dieselmotor mit Zweitdehnung
DE4105960C2 (de) Radialkolbenmotor
DE3927853A1 (de) Verfahren zum herstellen einer brennkraftmaschine und umruestsatz
DE3042624C2 (de) Luft- oder gemischverdichtende Ein- oder Mehrfach- Kreiskolben-Brennkraftmaschine
WO1992014917A1 (de) Radialkolbenmotor
DE4418286A1 (de) Kraftmaschine

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP KR US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IE IT LU MC NL SE

122 Ep: pct application non-entry in european phase