Kolhenverbrennungsmotor. Bei Kolbenverbrennungsmotoren ist der Wärinenntzeffekt weitgehend durch das Aus dehnungsverhältnis der Gase bestimmt und nimmt bei steigendem Verhältnis zu, während die in dein Auspuffgas nach der Expansion noch vorhandene Wärme verlorengeht. Aus #-erschiedenen Gründen, z. B. um den bei der Verbrennung auftretenden Maximaldruck zu begrenzen, kann es wünschenswert sein, das Ausdehnungsverhältnis niedriger zu wählen, als dies für die Erreichung eines hohen Wär menutzeffektes erforderlich wäre.
Zweck der Erfindung ist nun, den Wärme nutzeffekt besonders bei niedrigeren Ausdeh nungsverhältnissen zu erhöhen. Der erfin dungsgemässe Kolbenverbrennungsmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass er in einem mit dem Zylinderraum zusammenhängenden Raum einen regenerativen Wärmeaustau- scher aufweist, der so angeordnet ist, dass er vom Auspuffgas beim Ausströmen aus dein Zylinder durchströmt wird und mit Frisch luft in Berührung kommt, die zu Beginn des Arbeitshubes in erhitztem Zustand in der der Auspuffgasströniung entgegengesetztenRich- tung in den Arbeitsraum des Zylinders ge langt,
in welchen Brennstoff eingespritzt wird.
Unter dem Ausdruck regenerativer Wär- meaustauscher soll eine Vorrichtunü, ver standen werden, die von heissen, über ihre Oberfläche streichenden Oasen Wärme auf nehmen und an kalte Gase abgeben kann, welche daraufhin über die gleiche Oberfläche strömen.
Die durch die Erfindung erzielbare Erhö hung des Wärmenutzeffektes ist dem Um stand zuzuschreiben, dass ein Teil der Aus- puffgaswärnie, welche normalerweise verlo- rengeht, mittels des Wärmeaustauschers zu rückgewonnen, der frischen Luft zugeführt und so verfügbar wird zur Verwendung im Arbeitszyklus. Um die Erhöhung des Wärme nutzeffektes ohne einen spürbaren Abfall der Leistung erzielen zu können, ist es jedoch nötig, dass die Erwärmung der Luft höch stens eine kleine Verminderung des Füllungs grades der Maschine mit sich bringt.
Dies kann auf folgende Weise erreicht werden: Bei Motoren, welchen die Frischluft auf den Enddruck komprimiert durch einen Kompressor geliefert wird, kann der Einlass über einen grösseren Kurbelwinkel erfolgen. Wenn die Frischluft vom Motor angesaugt wird, kann die Ausbildung so getroffen sein, dass die Frischluft erst beträchtlich erhitzt wird, nachdem sie im abgeschlossenen Motor zylinder enthalten ist. Bei solchen Motoren soll der tote Raum nicht zu gross sein, damit die Zündung des Brennstoffes nicht zu spät be ginnt.
Letzteres kann besonders dann ein treten, wenn die frische Luft, bevor sie selbst in den Brennraum des Zylinders eintreten kann, die in dem genannten toten Raum befindlichen Auspuffgase in den Brennraum schieben muss. Um zu bewirken, dass die frische Luft früh genug in den Brennraum des Zylinders eintritt, so dass die Zündung bei Verwendung von handelsüblichem Brennstoff spätestens bei<B>30'</B> Kurbelwinkel nach dem innern Tot punkt beginnt, wird der Wärmeaustauscher zweckmässig so ausgebildet,
dass sein Tot- raumvolumen (Totalvolumen des Wärmeaus- tauschers vermindert um das Volumen der Regenerativmasse) höchstens<B>5 0/,</B> vom Hub volumen des Arbeitskolbens beträgt.
]Durch die Erwärmung der Frischluft mit tels des Wärmeaustauschers kann im Motor Selbstzündung erreicht werden ohne die hohen für Dieselmotoren erforderlichen Kom pressionsverhältnisse.
Im Zylinder kann auch eine Hilfszünd vorrichtung angebracht sein, z. B. ein<B>Glüh-</B> faden oder eine Vorrielitung 'zum Erzeugen eines Funkens oder eines Lichtbogens, die beim Anlassen in Funktion tritt, oder wenn der Betrieb des Motors sich bei Bedingungen vollzieht, unter welchen die Erwärmung der Luft nicht ausreichend ist, um eine Zündung hervorzurufen.
Wenn ein Kompressor zum Zuführen der Frischluft verwendet wird, kann die Liefer menge der Brennstoffpumpe auch in Abhän gigkeit des Verdichtungsdruckes des Kom- pressors gesteuert werden.
Die Regenerativmasse des Wärmeaus- tauschers kann aus einer Anzahl übereinan- dergelegter Scheiben aus Drahtgewebe oder aus einer lose gepackten Drahtmasse bestehen. Wenn sie nicht die nötige mechanische Festigkeit besitzt, um ihre Form unter den herrschenden Arbeitsbedingungen zu behal ten, können Stützmittel vorgesehen sein, die das Durchströmen der Gase durch diese Masse nicht verhindern.
Es ist vorzuziehen, für diese Masse hitze- und oxydationsbeständige Legierungen zu verwenden, wie z. B. bekannte, nichtrostende Stähle, Nickel-Chrom- und Nickel-Chrom- Eisen-Legierungen.
Die beigefügte Zeichnung stellt schema tisch einige beispielsweise Ausführungsfor- inen von verschiedenen erfindungsgemässen Motoren dar.
Fig. <B>1</B> zeigt den Längsschnitt durch einen Zylinder eines Motors, bei welchem die Frisch luft in einem Kompressor auf den Enddruck komprimiert in den Zylinder eingeführt wird.
Fig. 2 zeigt den Grundriss eines Zylinders eines Viertaktmotors, bei welchem die Luft angesaugt wird.
Fig. <B>3</B> zeigt einen Schnitt nach der Linie <B>A -A</B> der Fig. 2.
Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie B<B><I>-</I></B><I> B</I> der Fig. 2, und Fig. <B>5</B> stellt einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines andern Zweitaktmotors dar.
Auf den verschiedenen Figuren sind glei che Teile mit den gleichen Überweisungszei- eben versehen.
Der Kolbenverbrennungsmotor nach Fig. <B>1</B> umfasst einen Zylinder<B>10,</B> einen Kolben<B>11,</B> eine Lufteinlassöffnung <B>12</B> mit Ventil<B>13</B> und einen Auspuffkanal 14 mit Ventil<B>15.</B> Die Ein- und Auslassöffnungen und Ventile sind im Zylinderkopf<B>16</B> gelegen.
Ein Wärme- austauscher <B>18</B> ist in einer Aussparung<B>17</B> des Zylinderkopfes angeordnet und steht in Ver bindung mit den Ein- und Auslassöffnungen. Auf der dem Kolben<B>11</B> zugewendeten Seite des Wärmeaustauschers <B>18</B> befindet, sich eine Brennstoffeinspritzdüse <B>19.</B>
Im Betrieb wird Luft mittels eines auf der Zeichnung nicht dargestellten Kom- pressors auf den Enddruck komprimiert und dem Zylinder des Zweitaktmotors durch die Einlassöffnung zugeführt, die kurz vor Erreichung des innern Totpunktes öffnet und während des Anfanges des Expansions hubes offen bleibt. Dabei werden die im Austauscher zurückgebliebenen Auspuffgase gase in den Zylinder ausgeschoben, und nachfolgende Frischluft gelangt auf eine zur Zündung des Brennstoffes genügende Tem peratur erhitzt in den Zylinder. Kurz nach Erreichung des innern Totpunktes beginnt die Brennstoffeinspritzung.
Nachdem das Einlassventil geschlossen hat, etwa<B>30'</B> Kur belwinkel nach dem innern Totpunkt, erfolgt die Zündung. Das Auslassventil öffnet kurz vor Durchsehreitung des äussern Totpunktes. Die austretenden Auspuffgase strömen auf ihrem Weg zur Auslassöffnung durch den Wärmeaustauscher <B>18.</B> Das Auslassventil schliesst kurz vor Öffnung des Einlassventils, und der Zyklus beginnt dann von neuem.
Zum Anlassen des Motors im kalten Zu stand können Mittel zum Vorheizen des Wär- meaustauschers oder eine Zündkerze zur Entzündung des Brennstoffes bei den ersten Hüben während der Erwärmungsperiode des Austauschers vorgesehen sein.
Bei einem gemäss der Fig. <B>1</B> ausgebildeten Versuchsmotor besass der Wärmeaustau- scher 24 aufeinandergelegte Scheiben von <B>7,5</B> cm Durchmesser, bestehend aus Draht gewebe mit<B>8</B> Maschen pro cm, das aus hitze beständigem Stahldraht von<B>0,38</B> mm Durch messer angefertigt war. Das Volumen des Wärmeaustauschers betrug etwa<B>5 0/0</B> des Hub - volumens des Kolbens. Das Totraumvolumen (Gesamtvolumen des Austauschers vermin dert um das Drahtvolumen) war etwas klei ner.
Die Entzündung des Brennstoffes begann ungefähr<B>30'</B> nach Durchschreitung des in- nern Totpunktes. Der Wärmeaustauscher besass einen Wirkungsgrad von<B>70</B> bis<B>80</B> 0/" und der maximale Wärmenutzeffekt bei die sem Wirkungsgrad wurde bei einem Ausdeh nungsverhältnis von<B>3,5:1</B> erreicht.
Die Tem peratur des heissen Endes des Wärmeaustau- schers erreichte einen Wert von<B>900-1000' C.</B> Unter Wirkungsgrad<B> </B> des Wärmeaustau- schers ist zu verstehen das Verhältnis der Temperaturerhöhung der Luft zur Tempera turdifferenz zwischen den heissen Auspuff gasen und der kalten Luft, welche in den Wärmeaustauscher einströmt.
Bei andern Ausdehnungsverhältnissen sind auch die optimalen Wirkungsgrade des Wärmeaustauschers zur Erreichung des maxi malen Wärmenutzeffektes andere. So z. B. beträgt dieser optimale Wirkungsgrad für ein Ausdehnungsverhältnis von<B>3:1</B> etwa<B>80</B> 0/-1 für ein Expansionsverhältnis von 4,7:1 ist es ungefähr<B>60</B> 0/" und für ein Expansionsver hältnis von<B>6,5:1</B> etwa 40 0/,. In bestimmten Fällen kann jedoch der theoretisch vorteil hafteste Wirkungsgrad in der Praxis nicht verwirklicht werden, da am heissen Ende des Wärmeaustauschers eine Temperatur auftre ten würde, der die Regenerativmasse nicht, widerstehen könnte.
Der Motor nach Fig. 2,<B>3</B> und 4 besitzt seitlich angebrachte Ventile. Der Wärmeaus- tauscher ist in einer Aussparung<B>17</B> des Zylin- 'derkopfes angeordnet. Die Einlassöffnung <B>1-1</B> steht direkt mit dem Brennraum im Zylinder <B>10</B> in Verbindung, während<B>-</B>die Auslassöff- nung auf der andern Seite des Austauschers vorgesehen ist, so dass die Auspuffgase durch den Austauscher strömen müssen, bevor sie die Austrittsöffnung erreichen.
Der in Fig. <B>3</B> im Schnitt und in Fig. 4 im Aufriss gezeigte Wärmeaustauscher <B>18</B> besitzt die Form eines hohlen Kegelstumpfes. Die Regenerativmasse ist von einem mit Löchern 22 versehenen, kegelstumpfförm-igen Stützorgan 20 getragen, das zwischen einem nach innen vorstehenden Flansch<B>21</B> am untern Ende und der Wand der Aussparung<B>17</B> am obern Ende gehalten ist.
Der Injektor <B>19</B> ist koaxial zum Wärm-e- austauscher angeordnet und spritzt Brenn stoff in axialer Richtung in den vom Stütz organ 20 umgebenen Raum, der einen Teil der Brennkammer darstellt.
Die Zeitpunkte der Betätigung der Ventile und der Einspritzung sind derart gewählt, dass der Motor nach einem Viertaktzyklus wie folgt funktioniert: Ein Teil der im Ansaughub unter Atmo sphärendruck angesaugten Luft wird beim Kompressionshub in und durch den Wärme- austauscher gedrückt.
Beim Arbeitshub strömt im Wärmeaustauscher erhitzte Luft in zur Auspuffgasströmung entgegengesetzter Richtung aus dem Austauscher in die Brenn kammer, in welche nach Durchsehreiten des innern Totpunktes Brennstoff eingespritzt wird, der infolge der hohen Temperatur der aus dem Austauscher kommenden Luft zur Zündung kommt. Die Verbrennung geschieht unter nahezu gleichbleibendem Druck.
Vor Erreichen des<B>'</B> äussern Totpunktes öffnet das Auslassventil, und der Kolben drückt beiin nachfolgenden Hub durch die Verbrennung entstandene Abgase durch den Wärmeaustauscher und durch die Auslassöff- nung hinaus.
lin Verbrennungsrauin ist eine Zündkerze <B><U>23</U></B> angebracht, um die Entzündung zu be werkstelligen, bis der Wärmeaustauscher aus dem kalten Zustand aufgewärmt, ist. Wenn der Austauscher seine Betriebsten)-peratur erreicht hat, wird die Luft über die Entzün dungstemperatur des Brennstoffes erhitzt.
Der Zweitaktmotor nach Fig. <B>5</B> besitzt eine durch ein Ventil<B>13</B> gesteuerte Einlass- öffnung <B>12</B> und eine Mehrzahl durch den Kol ben<B>11</B> gesteuerte Auslassöffnungen 14. Der Wärmeaustauscher <B>18</B> ist in einem am Kolben sitzenden Aufsatz 24 in einem bestimmten Abstand vom Kolbenboden angeordnet, so dass-der Austritt des Auspuffgases durch die Öffnungen<B>225</B> des Aufsatzes 24 ermöglicht ist.
Im äussern Totpunkt des Kolbens schiebt die einströmende Luft, die durch einen nicht gezeichneten Kompressor auf einen höheren als Atmosphärendruck vorverdichtet ist, das Auspuffgas auf seinem Weg zur Auslassöff- nung durch den Austauscher hindurch. Der Kompressor kann beispielsweise von der Kur belwelle des Motors aus angetrieben sein.
Bei der Kompression strömt ein Teil der Frischluft in und durch den Wärmeaustau- scher <B>18.</B> Beim Arbeitshub kehrt ein Teil der erhitzten Luft in zur Auspuffgasströmung entgegengesetzter Richtung wieder in äen Arbeitsrauni des Zylinders zurück, in welchen zu diesem Zeitpunkt Brennstoff eingespritzt wird, so dass die Zündung erfolgt. Die Ver brennung findet unter nahezu gleichbleiben dem oder leicht fallendem Druck statt-.
Die Anordnung des Wärmeaustauschers am Kolben hat den Vorteil, dass die Kolben fläche weniger heiss wird als bei bekannten Motoren, da der Kolbenboden der kalten Seite des Austauschers gegenüberliegt.