WO1998001338A1 - Pulsierender rückstossantrieb für wasserfahrzeuge - Google Patents

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WO1998001338A1
WO1998001338A1 PCT/AT1997/000142 AT9700142W WO9801338A1 WO 1998001338 A1 WO1998001338 A1 WO 1998001338A1 AT 9700142 W AT9700142 W AT 9700142W WO 9801338 A1 WO9801338 A1 WO 9801338A1
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chamber
internal combustion
combustion engine
engine according
gas
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PCT/AT1997/000142
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English (en)
French (fr)
Inventor
Edmund Nagel
Original Assignee
Hms Artist Scheier Oeg
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00Marine propulsion by water jets
    • B63H11/12Marine propulsion by water jets the propulsive medium being steam or other gas
    • B63H11/14Marine propulsion by water jets the propulsive medium being steam or other gas the gas being produced by combustion

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a combustion chamber for burning the working gas in an explosion cycle and a pump chamber connected to the combustion chamber, which can be filled with a drive fluid via an inlet opening and from whose outlet opening the drive fluid can be expelled under the action of the combustion gas formed in the explosion cycle.
  • Such an internal combustion engine is known for example from CH-PS 450 946 and is referred to there as a recoil engine which can be used, for example, to drive watercraft.
  • the liquid in the pumping chamber is a kind of liquid piston that is to be driven out of the pumping chamber as a whole by the pressure of the combustion gas.
  • Disadvantages of the known internal combustion engines of this type include the relatively low efficiency of the machine and the low achievable number of cycles.
  • the object of the invention is to provide an improved internal combustion engine of the type mentioned in the introduction, and according to the invention this is achieved by the features of claim 1.
  • the hot combustion gas is suddenly cooled, thereby greatly reducing its volume.
  • the resulting vacuum now supports the delivery of the next liquid piston into the pumping chamber and, advantageously, the delivery of fresh working gas into the combustion chamber. This greatly shortens the duration of the refilling cycle and increases the efficiency of the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the invention, partly as a longitudinal section and partly as a schematic representation
  • Fig. 2 is a cross section along the line A-A of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a cross section along the line B-B of Fig. 2;
  • FIG. 4 shows a longitudinal section of a second exemplary embodiment of the invention as a boat drive
  • FIG. 6 shows a detailed view of an inlet valve in longitudinal section
  • Fig. 7 is a detailed view of an exhaust valve in side view (a) and rear view
  • Fig. 10 is a schematic representation of a liquid flywheel circuit with an internal combustion engine according to the invention and Fig. 11a and b are schematic representations of a tubular piston and a piston bubble flow.
  • FIG. 1 to 3 show a first embodiment of the invention, in which a plurality of pumping chambers 18 are arranged in a ring around a combustion chamber 8.
  • the individual pumping chambers 18 are delimited from one another by radial partition walls 35.
  • the combustion chamber 8 is supplied with an explosive working gas via the combustion chamber check valve 6, the combustion chamber inlet valve 38 and the carburetor 3.
  • the waste gas is conveyed into the combustion chamber 8 via the feed pump 2 driven by the drive motor 1.
  • this Förde ⁇ umpe 2 is inoperative, since the subsequent charges of the combustion chamber 8 are promoted by the negative pressure in the pumping chambers 18, as will be described below.
  • the feed pump 2 is preferably designed as an axial pump, since on the one hand such a pump provides the necessary charging even at relatively low speeds of the electric motor 1. provides pressure for the first filling of the combustion chamber 8 and, on the other hand, in the inactive state, that is to say during normal operation of the engine, barely builds up a flow resistance against the combustion air drawn in.
  • the combustion chamber check valve 6 must withstand the high initial pressures during the explosion cycle and prevent the combustion gas from escaping through the carburetor 3. Furthermore, the check valve 6 must be heat-resistant and have a low mass of its moving parts in order to be able to follow high clock frequencies without an annoying time delay.
  • a non-return valve 6 is therefore, for example, a conventional valve with spring steel membranes.
  • the combustion chamber 8 has an elongated design, as a result of which the purging characteristic is improved and mixing between combustion gas from the previous explosion cycle and fresh working gas is kept particularly low. Since the working gas in the combustion chamber 8 is ignited at atmospheric pressure, the burning speed of the gas is relatively slow. If the gas were therefore ignited only at the burner head, for example, the excess pressure resulting from the combustion of fresh gas parts near the burner head would drive the remaining fresh gas charge into the pump tube 18 faster than the flame front could spread. For this reason, a multi-point ignition device in the form of an ignition rod 7 is used.
  • the ignition rod 7 has a central electrode 28, on which the connection 27 for the ignition cable is located at one end and the electrode base 30 at the other end.
  • This insulating body 29 is electrically non-conductive and heat-resistant.
  • a metal outer tube 31 surrounding the insulating body is provided between the electrode foot 30 and the screw thread 32 of the ignition rod, which surrounds the insulating body in the vicinity of the connection 27 for the ignition cable and serves as an electrical opposite pole.
  • a plurality of interruptions 33 are provided between the electrode foot 33, outer tube 31 and screw-in thread 32 and inside the outer tube 31, which serve as a spark gap connected in series. The working gas is generated in several places by the sparks that form on the spark gaps during ignition ignited simultaneously in the combustion chamber 8, so that the burning time of the entire gas charge is significantly reduced.
  • a heating device or a drying device can be provided by means of an air flow.
  • the pressurized combustion gas formed in the explosion stroke flows through the head diffuser 37 and the inlet valve 16 into the pumping chambers 18 and drives the working fluid therein out of the pumping chamber outlet opening 182. It is important that the combustion gas expels the liquid in the pumping chambers 18 in a so-called tubular piston flow and not in a so-called piston bubble flow.
  • Such a cattail flow was characterized by Baker (in Dubbel, “Souther”, Springer), and the difference between these two types of flow will be briefly illustrated with reference to FIGS. 11a and b, in FIG. 11a cattail flow is shown, in which the flow in the Pump chamber 18 located drive liquid 40 is expelled from the combustion gas 41 formed in the combustion chamber 8 as a whole or as a "liquid piston".
  • the gas 41 breaks through the liquid surface, as a result of which the liquid piston is not driven out completely from the pump chamber and there is strong turbulence. The result is a drastic reduction in efficiency.
  • the pump chamber must not be less than a certain length for a given diameter.
  • Conventional internal combustion engines have only one pump chamber, which must therefore be relatively long overall in their effective length, ie over the length that the combustion gas acts on the drive fluid. The result is that the times required to drive out the liquid piston and to reload a new liquid piston are also relatively long. It is therefore only possible to achieve relatively low cycle numbers of the engine.
  • the combustion gas formed in the combustion chamber 8 is divided into a plurality of pumping chambers 18.
  • the total volume of the pumping chambers 18 is chosen such that the sum of the volume of the combustion chamber and pump tubes corresponds approximately to the volume (in practice it is somewhat larger) which the combustion gas takes up after it has expelled the working fluid from the pumping chambers 18 and has relaxed again to about atmospheric pressure. In this way, the working capacity of the combustion gas can be implemented as completely as possible. It follows from these considerations that the number of pump tubes in the square must be increased in order to shorten them.
  • the volume of the sealing gas begins to decrease as a result of its cooling.
  • the resulting negative pressure in the pump chamber 18 is already used in the conventional internal combustion engines of the prior art to convey the next working gas charge into the combustion chamber 8.
  • Another factor that also leads to negative pressure in the pumping chambers in the conventional liquid piston internal combustion engines or after the explosion cycle has ended is the kinetic energy of the escaping water piston.
  • the present invention goes one step further and a spray device is provided with which a cooling medium can be sprayed into the pump chamber 18 at the end of the explosion cycle.
  • This spray device can be provided regardless of the number of pumping chambers.
  • the spray device has a series of spray nozzles 19 which open into the individual pumping chambers 18 and which are connected to a cooling medium chamber 51.
  • This cooling medium chamber 51 is between the combustion chamber 8 and the pump chamber 18 Arranged in ⁇ ngformig around the combustion chamber 8 and can be pressurized via a clock pump 50.
  • bores 52 are provided between the cooling medium chamber 51 and the pump chamber 18.
  • these bores 52 are connected by an annular V-groove 54, in which a seal 53 in the form of an O-ring is clamped.
  • the cooling medium 51 is pressurized by the clock pump 50, it is sprayed via the spray nozzles 19 into the pumping chambers 18, mainly in the longitudinal direction thereof.
  • a flat band can also be provided as a seal.
  • the same liquid that also forms the drive liquid is preferably used as the cooling medium, for example — especially when the internal combustion engine is used as a boat engine
  • the negative pressure caused by the spraying of the cooling medium in the pumping chambers leads to the outlet valve 20 designed as a check valve closing.
  • This outlet valve 20 is designed in common for all pumping chambers 18 and consists of an elastic hose stub, one edge region 201 of which is attached to a region of the wall of the pumping chambers 18 adjacent to the outlet openings 182 of the pumping chambers 18 and which is prestressed into the closed position.
  • the magnitude of this preload in the closed position is selected such that the outlet valve 20 closes when the water piston has been completely expelled from the respective pump chamber 18 and only combustion gas flows in.
  • the outlet valve 20 can therefore pump chambers 18 in which gas arrives prematurely at the valve , complete and therefore has a synchronizing effect and prevents premature gas leakage. Since the membrane of the exhaust valve is very light, the valve closes and opens with little time delay and is therefore also suitable for a fast work cycle.
  • the inlet valve 16 Due to the negative pressure in the pumping chambers 18, the inlet valve 16 also opens the anti-liquid inlet opening 17, ie the valve flap 160 moves from its second closed position 162 in the direction of the first closed position 161. This allows anti-liquid, for example water, to flow through the anti-liquid inlet opening 17 flow into the rear part of the head diffuser 37 and further through the inlet openings 181 of the pumping chambers 18 into the pumping chambers 18.
  • the control device 36 has opened the combustion chamber inlet valve 38, which is designed, for example, as a flap valve. Due to the negative pressure in the pumping chambers 18 during the implosion cycle, combustion gas is therefore also conveyed out of the combustion chamber 8 and fresh working gas flows in.
  • the valve flap 160 of the inlet valve 16 is thus in an intermediate position between the second closed position 162 and the first closed position 161 and a mixture of working fluid and combustion gas flows into the pumping chambers 18. If the combustion gas formed in the next explosion stroke were to such a mixture of drive fluid and combustion gas hit, the Ver ⁇ rennungsgas could penetrate into this gas-filled liquid piston and a clean ejection of the liquid piston would be prevented. To counter this, the combustion chamber inlet valve 38 is closed before the end of the water piston run-down, so that the afterflow of gas from the combustion chamber 8 is stopped, whereby the inlet valve 16 described below moves into the first closed position 161 and no gas flows to the head of the water piston is added.
  • the negative pressure prevailing in the pumping chambers 18 in the implosion cycle thus already accelerates the liquid piston in the direction of ejection.
  • the thermal energy stored in the exhaust gas is therefore fully utilized, on the one hand for pre-acceleration and for reloading the liquid piston, on the other hand for purging the combustion chamber 8.
  • the negative pressure prevailing in the pumping chambers 18 during the implosion cycle is compensated by the inflowing liquid piston before the pumping chambers 18 are complete are filled with drive fluid.
  • the last phase of the filling, during which the outlet valve 20 opens, is brought about by the kinetic energy of the pre-accelerated liquid piston.
  • Inlet opening 17 aids in reloading the pumping chambers with drive fluid and in flushing the combustion chamber 8.
  • An important aspect of the invention is the special design of the inlet valve 16. It must namely be prevented that the combustion gas flowing out of the combustion chamber 8 in the explosion stroke flows tangentially past a drive liquid surface, since this causes drive liquid from the Combustion gas would be carried away and sprayed into the combustion gas, so to speak. Such a spraying of drive liquid into the combustion gas would, however, lead to cooling and a reduction in volume of the combustion gas even during the explosion cycle. The result would be a significant reduction in the efficiency of the engine.
  • the inlet valve 16 for the combustion gas is arranged at or - seen in the flow direction of the combustion gas - in front of the end of the pump chambers 18 opposite the outlet openings 182 of the pump chambers 18.
  • the inlet valve 16 for the combustion gas is arranged and designed in such a way that the combustion gas flowing out of the combustion chamber 8 essentially only hits the drive liquid from the front.
  • the inlet valve 16 for the combustion gas in the pumping chambers 18 and an inlet valve for the drive fluid in the pumping chambers 18 could be formed separately. However, it is preferred to form a common inlet valve 16 for the combustion gas and for the drive liquid, as shown in FIGS. 1 to 3.
  • the valve flap 160 of this inlet valve 16 closes the combustion chamber 8 in a first closed position 161 and the drive fluid inlet opening 17 in a second closed position 162. This second closed position 162 is assumed in the combustion chamber 8 or in the head diffuser 37 if there is overpressure.
  • the valve flap 160 is formed by an elastic hose stub, which can be made of silicone, for example.
  • One edge region 163 of this hose stub is fastened to the outer wall of the motor, while the other edge region in the first closed position 161 rests on the wall of the head diffuser 37 on the inside of the motor and in the second closed position 162 on the wall of the head diffuser 37 on the outside of the motor.
  • the hose stub is prestressed in the first closed position 161 by the elasticity of the material.
  • support elements 164, 165 are provided, which can be designed, for example, as a grid or as strip-shaped elements aligned in the direction of flow of the respective medium.
  • the sequence of the explosion and implosion cycles is controlled by the control device 36, which can be designed, for example, as a cam control.
  • the control device 36 To ignite the ignition rod 7, the control device 36 emits a signal to the control electronics 10 containing the ignition coil.
  • the clock pump 50 To spray cooling medium into the pumping chambers, the clock pump 50 is started by the control device 36.
  • the energy consumed by this clock pump 50 corresponds to less than 1 percent of the total energy and is therefore insignificant.
  • the combustion chamber inlet valve 38 is opened and closed by the control device 36.
  • control device 36 controls slow running by inserting pause cycles after the implosion cycle in the slow running mode. During these pause cycles, drive fluid that flows against the motor can simply flow through the pump chambers 18.
  • the head diffuser 37 which forms the connection between the combustion chamber 8 and the pump chamber 18 and in which the inlet valve 16 and the drive fluid inlet opening 17 are located, widens conically starting from the combustion chamber and has the task of reducing the speed of the working gas emerging from the combustion chamber.
  • the conical shape of the combustion chamber supports this function, which means that the length of the head diffuser can be reduced.
  • the pumping chambers 18 also have a conical design, namely their cross-sectional area is reduced from their inlet opening 181 to their outlet opening 182. As a result, the area of the inlet opening can be increased if the outlet opening 182 is of a desired size, thereby maximizing the possible number of cycles since the water inlet done faster and the pump chamber length can be shortened.
  • the connecting bolts 60 By loosening the connecting bolts 60, the front plate 61 of the combustion chamber 8 can be removed and access to the combustion chamber 8 can be created.
  • the mode of operation of the exemplary embodiment shown in FIGS. 4 to 9 is basically the same and analog parts have been designated with the same reference numerals.
  • the motor is used as a boat drive and is therefore arranged on a boat bottom 9 below the water line 26.
  • the pumping chambers 18 are not arranged around the combustion chamber 8 but in series therewith.
  • the combustion gas flowing out of the combustion chamber 8 is divided into a plurality of gas distributor pipes 15 in a gas distributor 14.
  • inlet valves 16 are provided between gas branch pipes 15 and pump chambers 18, which on the one hand can block access to the gas branch pipes 15 and on the other hand the drive fluid inlet openings 17.
  • These inlet valves 16 are shown enlarged in FIG. 6 and are similar in structure and function to the inlet valves of the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 3, but a separate inlet valve 16 is provided for each pump chamber 18.
  • Each of the pumping chambers 18 in turn has spray nozzles 19.
  • these are not acted upon by a pump, but open automatically at a low negative pressure of, for example, 0.1 to 0.5 bar in the pumping chambers.
  • a negative pressure is present at the beginning of the implosion cycle due to the cooling of the combustion gas and also due to the kinetic energy of the expelled water piston.
  • outlet valves 20 which close when the pumping chambers 18 are under vacuum.
  • the outlet valve 20 has elastic membrane 21 in the form of circular segments which, in the closed state, overlap like a shingle like a central shutter of a camera. Supports (not shown in FIG. 7) at the end of the pump chamber 18, which preferably radially span the outlet of the pump chamber 18, prevent these membranes 21 from being inverted into the pump chamber 18 by a negative pressure in the pump chamber 18. Rather, the circle segments grow a disk shape in front of the outlet end of the pump chamber 18 and block the water return. In this form, the membranes 20 are also biased so that they load the water piston with the closing pressure as it passes through the valve. At the same time as the end of the water piston passes, the outlet valve 20 closes extremely quickly because of its small mass.
  • the Injekto ⁇ umpe 23 has a crown-like serrated inner tube 24, which is shown in a rolled up representation in FIG. 9. This inner tube 24 is surrounded by a flexible and tensile outer tube 25 which is fastened to the side of the inlet opening of the inner tube 24, while its other side is free.
  • the outer tube 25 expediently widens slightly conically in the closing direction.
  • the outer tube 25 When the water piston emerges from the pump tubes 18, the outer tube 25 is drawn into the tooth recesses of the inner tube 24 by a vacuum, whereby a conical jet tube is formed. Depending on the duration and formation of the negative pressure or of negative pressure regions within the inner tube 24, the outer hose 25 is drawn in to a different length. In the pauses between the ejection of the individual water pistons from the pumping chambers 18, the outer hose 25 is released and can adapt to the running water in a fluttering and flow-optimized manner. When shock waves occur, the slightly conically widening outer tube 25 is inflated, whereby a shock wave can also be used to improve propulsion.
  • the timing sequence of the ignition sparks and the starting of the drive engine 1 in the starting phase is effected by the control electronics 10. For this purpose, it receives the signal of a speed controller 12 and the signal of a travel speed meter 13 as input signals, since the maximum due to the supportive effect of the travel speed on reloading the liquid pistons into the pumping chambers 18 possible clock frequencies depend on the speed of travel.
  • the control electronics 10 are supplied with energy via the battery 11.
  • the carburetor 3 is also shown somewhat more precisely. It has a conventional float chamber 4 with a fuel valve.
  • a pressure equalization line 5 is placed from the floating chamber 4 to the inlet opening of the carburetor 3 in order to equalize the inlet pressure in the chambers, which is above atmospheric pressure, in the starting phase. This means that fuel is added to the air in the same mixing ratio even in the starting phase.
  • FIGS. 5 a to e A machine cycle is shown in FIGS. 5 a to e, fresh working gas 42, combustion gas 41 and drive fluid 40 being identified differently.
  • FIG. 5a An ignition has just taken place in FIG. 5a. A variety of flames spread, the inlet valve 16 is inflated, i.e. open to the combustion chamber 8 and closed to the drive fluid inlet opening 17. The outflow valves 20 are open and the water pistons begin to be expelled from the pump tubes 18.
  • the pumping chambers 18 have completely filled with a new water charge and the combustion chamber is also filled with a combustible mixture.
  • the next cycle can be fired.
  • 5e shows the starting phase of the engine. In this, fresh gas is conveyed into the combustion chamber 8 via the axial pump 2 driven by the drive motor 1, the gas (or the liquid therein) in the combustion chamber being able to escape through the pumping chambers 18.
  • the drive device shown in FIG. 10 has a liquid oscillating circuit 80 which is driven by an internal combustion engine 81 according to the invention.
  • a flow turbine 82 preferably a Kaplan or Francis turbine, is arranged in the oscillating circuit, the rotation of which drives a drive shaft 83.
  • the liquid swing circuit has a large and a small circuit.
  • the large circuit is indicated by the arrows 84 and leads through the motor 81. In this, the liquid is accelerated and subsequently drives the turbine 82. If the inlet opening of the motor is closed, the liquid can short-circuit it and run through a small circuit according to arrows 85.
  • An exhaust gas collection chamber 86 is arranged on an inside of the curve of the liquid flywheel circuit, through whose inlet openings 87 the combustion gas which accumulates in the negative pressure region on the inside of the curve can enter and can then escape through the exhaust 88.
  • An inlet pipe 89 for a cooler 90 is provided on an outside of the curve (overpressure region). In this, the drive fluid is cooled and is then returned through the outlet pipe 91, which opens on an inside of the curve (negative pressure region) of the fluid swing circuit, back into the fluid swing circuit.

Abstract

Bei einem 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, ist eine Sprüheinrichtung (19, 50) vorgesehen, mit der in einem an den Explosionstakt anschließend Implosionstakt ein Kühlmedium in die Pumpkammer (18) einsprühbar ist.

Description

PULSIERENDER RÜCKSTOSSANTRIEB FÜR WASSERFAHRZEUGE
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 befullbar 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.
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 durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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 Ver- brennungsmotor 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 Pumpkammern 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 Fördeφumpe 2 in die Brennkammer 8 gefördert. Sofort nach der ersten Zündung wird diese Fördeφumpe 2 funktionslos, da die folgenden Ladungen der Brennkammer 8 durch den Unterdruck in den Pumpkammern 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 Lade- druck 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 atmosphärischem 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 Mehφunktzündeinrichtung 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 Isolierköφer
29 umgeben. Dieser Isolierkörper 29 ist elektrisch nichtleitend und hitzebeständig. Zwischen Elektrodenfuß 30 und Einschraubgewinde 32 der Zündstange, das den Isolierköφer in der Nähe des Anschlusses 27 für das Zündkabel umgibt und als elektri- scher 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 mitteis 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 einem ersten Aspekt 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 entspricht (in der Praxis ist es etwas größer), welches das Verbrennungsgas einnimmt, nachdem es die Arbeitsflüssigkeit aus den Pump- kammem 18 ausgetrieben hat und sich wieder auf etwa atmosphärischen Druck entspannt hat. Auf diese Weise kann das Arbeitsvermögen des Verbrennungsgases möglichst vollständig 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 VeΦren- nungsgases 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 Flüssig- keitskolben-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 das 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 Reihe von Sprühdüsen 19 auf, welche in die einzelnen Pumpkammem 18 münden und die mit einer Kühlmediumkammer 51 verbunden sind. Diese Kühlmediumkammer 51 ist zwischen Brennraum 8 und Pumpkammem 18 πngformig um den Brennraum 8 angeordnet und über eine Taktpumpe 50 mit einem Druck beaufschlagbar. Zur Ausbildung der Sprühdusen 19 sind Bohrungen 52 zwischen Kuhlmediumkammer 51 und Pumpkammem 18 vorgesehen. Auf der Seite der Pumpkammem 18 sind diese Bohrungen 52 durch eine ringförmige V-Nut 54 verbun- den, in der ein Dichtungsnng 53 in Form eines O-Ringes eingespannt ist. Wird das Kühlmedium 51 von der Taktpumpe 50 unter Druck gesetzt, so wird es über die Sprühdusen 19 in die Pumpkammem 18 hauptsächlich in deren Längsπchtung eingesprüht. Anstelle eines O-Rιnges 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 Bootsantπeb - 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 Pumpkammem 18 gemeinsam ausgebildet und besteht aus einem elastischen Schlauchstumpf, dessen einer Randbereich 201 an einem den Auslaßöffnungen 182 der Pumpkammem 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 nachstromt 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 Zeitverzogerung und ist somit auch für einen schnellen Arbeitstakt geeignet.
Durch den Unterdruck in den Pumpkammem 18 öffnet weiters das Einlaßventil 16 die Antπebsflussigkeit-Emlaßöffnung 17, d.h. die Ventilklappe 160 bewegt sich von ihrer zweiten Schließstellung 162 in Richtung der ersten Schließstellung 161. Dadurch kann Antπebsflussigkeit, beispielsweise Wasser, durch die Antπebsflussigkeit-Einlaß- όffnung 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 VeΦrennungs- gas 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 gebildete 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 gespei- cherte Wärmeernergie 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 Pumpkammern 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 Anströmen der Antriebsflüssigkeit auf die Antriebsflüssigkeit- Einlaßöffnung 17 unterstützend auf das Nachladen der Pumpkammem mit Antriebsflüssigkeit sowie auf die Spülung der Brennkammer 8.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung, der auch unabhängig von den anderen Aspekten realisierbar ist, ist die besondere Ausbildung des Einlaßventils 16. Es muß nämlich verhindert werden, 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 An- triebsflüssigkeit 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. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist das Einlaßventil 16 für das Verbrennungsgas am bzw. - in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases gesehen - vor dem den Auslaßöffnungen 182 der Pumpkammem 18 gegenüberliegenden Ende der Pumpkammem 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.
Prinzipiell könnten das Einlaßventil 16 für das Verbrennungsgas in die Pumpkammem 18 und ein Einlaßventil für die Antriebsflüssigkeit in die Pumpkammem 18 separat ausgebildet sein. Bevorzugt wird aber die Ausbildung eines gemeinsamen Einlaß- ventiles 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 beispielsweise aus Silikon bestehen kann. Der eine Randbereich 163 dieses Schlauchstumpfes ist an der Motoraußenwand befestigt, während der andere Randbereich in der ersten Schließstellung 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 verringern. 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 Auslaßöffnung 182 die Fläche der Einlaßöffnung vergrößert werden, wodurch die mögliche Taktzahl maximiert wird, da der Wasserzulauf rascher erfolgt und die Pumpkammerlänge 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 die- ser. Dazu wird das aus der Brennkammer 8 ausströmende Verbrennungsgas in einem Gasverzweiger 14 auf mehrere Gasverzweigerrohre 15 aufgeteilt. Zwischen Gasver- zweigerrohren 15 und Pumpkammem 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 Pumpkammem 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 Zu- stand ähnlich einem Zentralverschluß einer Kamera schindelartig übertappen. In der Fig. 7 nicht dargestellte Stützen am Ende der Pumpkammer 18, welche vorzugsweise sternförmig 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 Geschwindigkeits- differenz 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 Injektoφumpe 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 Außen- schlauch 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 erweiternde 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 Pumpkammern 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 Schwim- mβrkammer 4 zur Einlaßöffnung des Vergasers 3 eine Druckausgleichsleitung 5 gelegt, um den über atmosphärischen Druck liegenden Einlaßdruck in der Startphase in den Kammem 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 Antriebsfiüssigkeit-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 Wasserladung 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 Francis- turbine 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 Abgassammeikammer 86 angeordnet, durch deren Einlaßöffnungen 87 das sich in der Unterdruck- region 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

Patentansprüche:
1. 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 befullbar 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.
2 Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser ist.
3 Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium die gleiche Flüssigkeit wie die Antriebsflüssigkeit ist.
4 Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pumpkammer (18) zumindest eine Sprühdüse (19) angeordnet ist, welche sich bei einem in der Pumpkammer (18) herrschenden Unterdruck, vorzugsweise im Bereich 0,1 bis 0,5 bar, selbsttätig öffnet.
5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprüheinrichtung (19, 50) eine Pumpeinrichtung (50) aufweist, durch die das Kühlmedium mit einem Druck beaufschlagbar ist.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprüheinrichtung (19, 50) zumindest eine in der Pumpkammer (18) vorgesehene Sprühdüse (19) umfaßt, die derart ausgebildet ist, daß das
Kuhlmedium hauptsächlich in die Längsrichtung der Pumpkammer (18) emgesprύht wird.
7. Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer (8) zum Verbrennen des AΦeitsgases in einem Explosionstakt und einer mit der Brennkammer (8) in Verbindung stehenden Pumpkammer (18), die über eine Einlaßöffnung (181) mit einer Antriebsflüssigkeit befullbar ist und aus deren Auslaßöffnung (182) die Antriebsflüssigkeit unter Einwirkung des im Explosionstakt gebildeten
Verbrennungsgases ausstoßbar ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Brennkammer (8) mehrere separate Pumpkammem (18) derart verbunden sind, daß sich das in der Brennkammer (8) im Explosionstakt gebildete Verbrennungsgas auf die mehreren Pumpkammem (18) aufteilt.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpkammem (13) außen um die Brennkammer (8) herum und diese insgesamt ringförmig umgebend angeordnet sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Brennkammer (8) außen ringförmig umgebende Kühlmedium-Kammer (51) vorgesehen ist, welche vorzugsweise zwischen Brennkammer (8) und Pumpkammem (18) angeordnet ist.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühdüsen (19) jeweils eine Bohrung (52) zwischen Kühlmedium-Kammer (51) und Pumpkammer (18) umfassen, wobei die Bohrungen (52) ringförmig um die Kühlmedium-Kammer (51) angeordnet sind und ihre Ausgänge in die einzelnen Pumpkammem (18) von einem elastischen Dichtungsring (53), vorzugsweise einem O-Ring oder einem ringförmigen Flachband, verschlossen sind.
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (53) in einer Nut (54), vorzugsweise einer V-Nut, angeordnet ist.
12. VeΦrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpkammern (18) mit den Brennkammern (8) über einen Kopfdiffusor (37) zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases verbunden sind.
13. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Längen der Pumpkammem (18) gegenüber einer Einzelpumpkammer, welche die gleiche Querschnittsfläche wie die Summe der Querschnittsflächen der Pumprohre (18) aufweist, unter Erhalt der
Rohrkolbenströmungscharakteristik um etwa die Wurzel der Anzahl der Pumprohre (18) verkürzt ist.
14. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 13, 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.
15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpkammer(n) (18) sich von ihrer Einlaßöffnung (181) zu ihrer Auslaßöffnung (182) konisch erweitert (erweitem).
16. Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer (8) zum Verbrennen des Arbeitsgases in einem Explosionstakt und einer Pumpkammer (18), die über eine Einlaßöffnung (181) mit einer Antriebsflüssigkeit befullbar ist, mit der
Brennkammer über ein Einlaßventil (16) für das Verbrennungsgas in Verbindung steht und aus deren Auslaßöffnung (182) die Antriebsflüssigkeit unter Einwirkung des im Explosionstakt gebildeten Verbrennungsgases ausstoßbar ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (16) für das Verbrennungsgas am bzw. - in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases gesehen - vor dem der Auslaßöffnung (182) gegenüberliegenden Ende der Pumpkammer (18) angeordnet ist.
17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (16) für das Verbrennungsgas derart angeordnet und ausgebildet ist, daß das aus der Brennkammer (8) ausströmende Verbrennungsgas im wesentlichen nur frontal auf die Antriebsflüssigkeit auftrifft.
18. Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung (17) in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases gesehen nicht vor dem Einlaßventil (16) für das Verbrennungsgas angeordnet ist.
19. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (16) für das Verbrennungsgas gleichzeitig ein Einlaßventil (16) für die Antriebsflüssigkeit in die Pumpkammer (18) bildet, wobei eine Ventilklappe (160) in einer ersten Schließstellung (161) den Brennraum (8) abschließt und in einer zweiten Schließstellung (162) die
Antriebsflüssigkeit-Einlaßöffnung (17) abschließt.
20. Verbrennungsmotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (160) in die erste Schließstellung (161) vorgespannt ist und bei einem Überdruck in der Brennkammer (8) die zweite Schließstellung (162) einnimmt.
21. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (160) im Kopfdiffusor (37) unmittelbar vor der jeweiligen Pumpkammer (18) angeordnet ist, wobei die Ventilklappe (160) in der zweiten Schließstellung (162) einen Teil der Diffusorwand bildet.
22. Verbrennungsmotor nach einem der Anspüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (160) des Einlaßventils (16) von einem elastischen Schlauchstumpf, vorzugseise aus Silikon, gebildet wird, dessen einer
Randbereich (163) an der Motoraußenwand befestigt ist.
23. Verbrennungsmotor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß Stützelemente (164, 165) zum Abstützen des Schlauchstumpfes in der ersten (161) und/oder zweiten Schließstellung (162) vorgesehen sind.
24. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 23, 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.
25. Verbrennungsmotor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Pumpkammem (18) ein gemeinsames Auslaßventil (20) vorgesehen ist.
26. Verbrennungsmotor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (20) von einem elastischen Schlauchstumpf gebildet ist, dessen einer Randbereich (201) an einem den Ausiaßöffnungen (182) benachbarten Bereich der Wand der Pumpkammem (18) befestigt ist und der in die
Schließstellung vorgespannt ist.
27. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (8) eine längliche Form aufweist und das Arbeitsgas von einer Mehrpunktzündeinrichtung, insbesondere Zündstange (7), gezündet wird.
28. Verbrennungsmotor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brennkammer (8) vom Gaseinlaßbereich ausgehend konisch erweitert.
29. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 28, 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.
30. Verbrennungsmotor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsprühen des Kühlmediums erst nach der vollständigen Entspannung des Verbrennungsgases bis im wesentlichen auf atmosphärischen Druck erfolgt.
31. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (36) vorgesehen ist, welche ein Brennkammer-Einlaßventil (38) für das Arbeitsgas in den Brennraum (8) vor Ende des Implosionstaktes schließt, wobei für die restliche Zeit des Implosionstaktes im wesentlichen reine Antriebsflüssigkeit ohne Beimengung von Verbrennungsgas oder Arbeitsgas in die Pumpkammer(n) (18) strömt.
32. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung eines Langsamlaufes des Verbrennungsmotors die Steuereinrichtung (36) nach dem Implosionstakt eine Wartepause bis zum nächsten Explosionstakt zwischenschaltet.
33. Bootsantrieb mit einem 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 befullbar ist und aus deren Auslaßöffnung (182) die Antriebsfiüssigkeit unter Einwirkung des im Explosionstakt gebildeten Verbrennungsgases ausstoßbar ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der/den Pumpkammer(n) (18) eine Injektoφumpe (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.
34. 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 33 ist.
35. Antriebseinrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsturbine (82) eine Strömungsturbine, vorzugsweise Kaplan- oder Francis- Turbine, ist, deren Rotation eine Antriebswelle (83) antreibt.
36. Antriebseinrichtung nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Kurveninnenseite des Flüssigkeitsschwungkreises (80) eine Abgassammeikammer (86) zum Sammeln und Ableiten des Abgases vorgesehen ist.
37. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Kurvenaußenseite des Flüssigkeitsschwungkreises ein Einlaßrohr (89) für einen Kühler (90) vorgesehen ist, wobei das Auslaßrohr (91) des Kühlers (90) an einer Kurveninnenseite angeordnet ist.
38. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 36, 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.
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