Verfahren zur Nutzbarmachung von Energie aus brennbaren flüssigen, dampfförmigen oder gasförmigen Brennstoffen sowie Maschine zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nutzbarmachung von Energie aus brennbaren flüssi gen, dampfförmigen oder gasförmigen Brennstoffen und auf eine Maschine zur Durchführung dieses Ver fahrens. Die Erfindung ist ausser bei Kolben- auch bei Drehkolbenmaschinen prinzipiell anwendbar.
Bei bekannten Verfahren zu diesem Zweck wird entweder die Verbrennungsluft oder das Brennstoff dampf-Luft-Gemisch adiabat komprimiert bis auf einen dem Brennstoff und dem Zündungsprinzip angepassten Enddruck, wird dann entweder mittels elektrischer Zündung zum Verpuffen gebracht oder es wird der Brennstoff kurz vor dem oberen Totpunkt oder sogar darüber hinaus in die heisse Luft eingespritzt, wo er unter hoher Druckentwicklung verbrennt.
Denkt man sich einen Kolben b, Fig. 1 in einem gewöhnlichen Zylinder c ohne Ringraum, so ist der in einer beliebigen Lage des Kolbens herrschende Druck bestimmt durch das Verhältnis (Anfangsvolumen V1:Momentanvolumen Vmom.)kaPPa, ausgehend vom Anfangsdruck p=1 ata.
Gewöhnlich wird nur das Verhältnis e des An fangsvolumens zum Endvolumen betrachtet.
Aus dem vorletzten Satz lässt sich aber die Folge rung ziehen, dass jedes momentane Raumverhältnis die Möglichkeit bietet, mittels der Gleichung
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den Momentandruck zu bestimmen.
Wie oben näher erwähnt, kann das Verdichtungs verhältnis für jeden Momentanzustand berechnet wer den, um daraus auch auf den Momentandruck zu schliessen. Aus diesem Grunde ist das Verdichtungs verhältnis auch definierbar als Variable. Die bekannten Verfahren weisen aber den Nachteil auf, dass bei ein und derselben Maschine nur ein Brennstoff anwendbar ist, sowie dass dieser schlecht ausgenützt ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist: Ein Ver fahren zur Anwendung zu bringen, welches die Ver wendung der verschiedensten flüssigen, dampf- oder gasförmigen Brennstoffe gestattet in derselben Maschine und zudem eine bessere thermische Ausnüt- zung der Brennstoffe gewährleistet, wie auch die dazu nötige Maschine zu definieren.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Nutzbarma chung von Energie aus brennbaren flüssigen, dampf- oder gasförmigen Treibstoffen durch Komprimieren eines Brennstoff-Luft-Gemisches, eines Brennstoff dampf-Luftgemisches oder atmosphärischer Luft allein verbunden mit Brennstoff-Einspritzung ist dadurch ge kennzeichnet, dass der Kompressionsvorgang in einer Kolbenmaschine isotherm auf 45-50 ata vollzogen wird, dabei einen thermischen Impuls auslöst, der die Verbrennung einleitet,
welche sich isochor-isobar voll zieht mit höchstens ca. 20 % Nachbrennung, bei 45-68 ata abläuft und das Indikator-Diagramm durch die isotherme Expansionslinie mit anschliessender adia- bater Auspuffung ergänzt wird, wobei der mittlere Druck pi=14-25 ata beträgt, je nach Wärmezufuhr,
bedingt durch den geringen Arbeitsbedarf beim Kom primieren einerseits und die bessere thermische Aus- nützung der Brennstoffe andererseits.
Durch diese besondere Form der Kompressionslinie wird die Arbeitsfläche für die Kompression sehr klein. Dies bedeutet einen ersten Gewinn an Nutzarbeitsflä- che.
Zweckmässig wird in einem Zylinder mit Ringraum RR am Zylinderkopf gearbeitet.
Wenn der Kolben dem oberen Totpunkt schon sehr nahe kommt während dem Zündverzug, so bleibt dann dem Brenngas hauptsächlich nur der Ringraum RR zur Verfügung, bis der Totpunkt überschritten ist. Bei der erfolgenden Verbrennung würde nun der Druck iso- chor auf 85-90 ata steigen.
Um diese Spitze zu vermei den, wird die p-V-Linie bei 68 ata in eine Isobare um gewandelt, indem die weitere durch die die Luftüber- schusszahl berücksichtigende effektive Brennstoff menge verursachte Temperaturerhöhung fiktiv verur sachte Volumenvergrösserung/Zeit im Ringraum, bei konstantem Druck gerechnet, der Volumenvergrösse- rung/Zeit gleichgesetzt wird, die vom Kolben aus dem oberen Totpunkt heraus durchlaufen wird.
Um aus der Isochore direkt in die Isobare umzu springen, soll die unten folgende Beziehung (3) erfüllt werden:
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Man setzt:
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Wenn dieser Zustand ungefähr während 1-3 % des Hubes andauert,
so vollzieht sich während der Nach- brennung und Ausbreitung des Gases über die Kolben oberfläche die Zustandsänderung zwangsläufig isobar. Daher kommt eine 2. Vergrösserung der Nutzarbeits- fläche.
Denkt man sich den Kolben b, Fig.4 in einer momentanen Lage seiner Oberkante auf der Höhe der Unterkante UK des Ringraumes RR während des Kompressionshubes, so gilt:
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Kürzt man durch b1 - jc)4, so folgt:
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wobei x ein variables Längenverhältnis DA:DRR darstellt. In diesem x drin ist die erste Dimension des Ringraumes RR eingeschlossen. Die dritte Dimension ist sein mitt lerer Umfang, der ebenfalls bereits enthalten ist.
Wird nun die zweite Dimension<B>bi</B> ebenfalls gleich dem Ver hältnis x wieder eingeführt, indem man die bereits modulierte Funktion (5) l:(1-x-) multipliziert mit x (dem Durchmesserverhältnis) und differentiert nach dx, so resultieren von den üblichen, bekannten Aus führungen abweichende Differential-Quotienten, näm lich:
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Die nähere Untersuchung der modulierten, multipli- zierten Ausgangsfunktion y = x : (1 - x2) und deren erste und zweite Ableitungen zeigen, dass drei Kurven existieren, eine jede mit einem speziellen Definitionsbe reich, von denen
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der <SEP> erste <SEP> - <SEP> x <SEP> <B>x <SEP> ;;-z</B> <SEP> - <SEP> 1
<tb> der <SEP> zweite <SEP> - <SEP> 1 <SEP> <B>;#</B> <SEP> x <SEP> @ <SEP> + <SEP> 1
<tb> der <SEP> dritte <SEP> + <SEP> 1 <SEP> <B>;#</B> <SEP> x <SEP> <B>;
#</B> <SEP> + <SEP> 00 wobei <I>für die erste Funktion:</I> f (x) = + ^o bei x = -1, f'"(-1) < 0; f'(-^@)=0. <I>Für die zweite Funktion:</I> f' (x - 1) - "c und f'(x=0)=+1. <I>Für die dritte Funktion:</I>
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f' <SEP> (x) <SEP> - <SEP> + <SEP> ^o <SEP> für <SEP> 1,C <SEP> x <SEP> < <SEP> ca. <SEP> 1,15 <SEP> und
<tb> f' <SEP> (x) <SEP> =0 <SEP> für <SEP> x= <SEP> +-. Die Kurven in den Definitionsbereichen 1 und 3 sind Hyperbeln.
Die Kurve im Definitionsbereich 2 ist ungerader Potenz und verläuft somit durch den ersten und dritten Quadranten, während diejenige des Defini tionsbereiches 1 im zweiten Quadranten, diejenige des dritten Definitionsbereiches im vierten Quadranten verläuft.
Diese Betrachtungen sagen auch aus, dass ausser der Grösse auch die Lage des toten Raumes von Bedeu tung ist in bezug auf den Verlauf der p-V-Linie.
Ähnliche Überlegungen, wie welche in den Glei chungen (4)-(7) dargelegt sind, führen, wenn dabei die Eintauchtiefe des Kolbens über die Unterkante UK des Ringraumes hinauf in Betracht gezogen wird, auf eine weitere Form von f' für die modulierte Ausgangsfunk tion von: f'(x)=(x3+1):(xe-2x3+1), die hier keine nähere Erörterung findet.
Das erfindungsgemässe Verfahren bietet zudem die Möglichkeit, mittels der voreinstellbaren Kompression die Entzündung der verschiedenen Dieselöle und der anderen Treibstoffe diesen entsprechend genau einzu stellen. Weitere, noch wesentlichere Vorteile dieses Verfahrens sind die besseren Ausnützungsmöglichkei- ten der Brennstoffe in thermischer Hinsicht, die Mög lichkeit, mit ausserordentlichen Verdichtungsgraden arbeiten zu können, wenn die aktive Kolbenfläche erst beim überschreiten des oberen Totpunktes freigegeben wird, so dass vor diesem Zeitpunkt die grössten Kräfte nur radial auf den Kolben wirken.
Die technischen Vorteile aller dieser Kombinationen sind nennenswert: Der volumetrische Wirkungsgrad beim Komprimieren, Bemittelt aus 7 Läufen, beträgt 86 %, das absolute Maximum erweist sich als zu 90-92 l', 'c erreicht.
Zum Erreichen des hohen volumetrischen Wir kungsgrades beim Nachladen des Zylinders wird vor teilhaft der Restüberdruck der Abgase mit c=Mach 1 abgeführt. Dadurch sinkt der Druck für kurze Zeit sehr tief ab, womit für die Frischluft das Druckverhältnis zum Zylinder unterkritisch wird und diese selber auch wieder mit sehr hoher Geschwindigkeit den Zylinder füllt.
Der Ringraum RR kann sich am Zylinderumfang oder im Zylinderboden befinden.
Das Verfahren kann sich im 2-Takt und im 4-Takt vollziehen.
In den Zeichnungen ist ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Fig.l zeigt die Maschine schematisch. Fig.2 zeigt die Maschine im Längsschnitt.
Fig.3 zeigt im Schnitt den Anschluss des Brenn stoff-Zufuhrorgans PA.
Fig.4 zeigt Details im Bereiche des oberen Tot punktes. Hier sind auch Zeichen eingetragen, auf wel che sich die Beschreibung bezieht.
Die Kolbenmaschine besteht im wesentlichen aus dem Kurbelgehäuse cu, Fig.2, versehen mit einer Laufbüchse LaBü für ein Nadellager, in welchem eine Kurbelwelle t läuft mit einer Kolbenstange s und einer Unterlagscheibe Us, welche von einer Mutter gegen eine Schulter am Kurbelzapfen gedrückt wird. Ein Splint Sp verhindert das Lösen der Mutter. Der Zylin der c und das Kurbelgehäuse cu sind beide mit einem zentralen, feingängigen Regulier- und Befestigungsge winde versehen.
Dieses kann für die Zylindereinstellung zum Kolben wie auch für die Beeinflussung des soge nannten Zeitquerschnittes verwendet werden. Ein Kon terring KoRi gestattet das gegenseitige Verspannen von Zylinder und Kurbelgehäuse.
Der Zylinder ist am Umfang mit mehreren gerun deten, düsenförmig ausgebildeten Einlass- und Auslass- COffnungen a und a1 versehen. Die Einlasse a zeigen mit der engsten Stelle der Düse nach dem Zylinderinnern. Die Auslasse a1 dagegen zeigen mit der engsten Stelle nach aussen.
Die Zylinder-Wand-, Boden-, Hub-, Ringraum- und anderen Abmessungen, wie auch deren Verhält nisse zueinander sind derart gewählt, dass die thermo dynamischen Eigenschaften der Maschine der Iso- therme recht gut gerecht werden. Die Kurbelstange s läuft unten und oben in Nadellagerungen. Oben und unten sind je eine Lagerbüchse LB eingebaut in die Kurbelstange s (Fig. 2).
Weitere Teile der Maschine sind: Der Kolbenbol zen r, die Kolbenringe q, der Kolben b und das Brenn- stoff-Einspritzorgan PA. Ein Deckel de ermöglicht den Abschluss der zur Montage nötigen Öffnung. Boh rungen ps und SL dienen der ölzufuhr zu Pleuel- und Kurbellager.
Method for harnessing energy from combustible liquid, vapor or gaseous fuels and a machine for carrying out this method The invention relates to a method for harnessing energy from combustible liquid, vapor or gaseous fuels and to a machine for carrying out this process. In addition to piston engines, the invention can also be used in principle in rotary piston engines.
In known methods for this purpose, either the combustion air or the fuel vapor-air mixture is adiabatically compressed to a final pressure adapted to the fuel and the ignition principle, is then either caused to deflagrate by means of electrical ignition or the fuel is shortly before top dead center or even further injected into the hot air, where it burns under high pressure.
If one imagines a piston b, Fig. 1 in an ordinary cylinder c without an annular space, the pressure prevailing in any position of the piston is determined by the ratio (initial volume V1: instantaneous volume Vmom.) KaPPa, starting from the initial pressure p = 1 ata .
Usually only the ratio e of the initial volume to the final volume is considered.
From the penultimate sentence, however, the conclusion can be drawn that every momentary spatial relationship offers the possibility of using the equation
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to determine the current pressure.
As mentioned in more detail above, the compression ratio can be calculated for each instantaneous state in order to infer the instantaneous pressure from it. For this reason, the compression ratio can also be defined as a variable. However, the known methods have the disadvantage that only one fuel can be used in one and the same machine, and that this is poorly utilized.
The aim of the present invention is: to apply a method that allows the use of a wide variety of liquid, vapor or gaseous fuels in the same machine and also ensures better thermal utilization of the fuels, as does the machine required for this define.
The inventive method for harnessing energy from combustible liquid, vapor or gaseous fuels by compressing a fuel-air mixture, a fuel vapor-air mixture or atmospheric air combined with fuel injection is characterized in that the compression process in a Piston engine is carried out isothermally to 45-50 ata, thereby triggering a thermal impulse that initiates combustion,
which is isochoric-isobaric with a maximum of approx. 20% afterburning, takes place at 45-68 ata and the indicator diagram is supplemented by the isothermal expansion line with subsequent adiabatic exhaust, the mean pressure being pi = 14-25 ata , depending on the heat supply,
due to the low work required for compression on the one hand and the better thermal utilization of the fuels on the other.
This special shape of the compression line makes the work surface for the compression very small. This means an initial gain in usable work space.
It is expedient to work in a cylinder with an annular space RR on the cylinder head.
If the piston comes very close to the top dead center during the ignition delay, then mainly only the annular space RR remains available for the fuel gas until the dead center is exceeded. With the ensuing combustion the pressure isochoric would now rise to 85-90 ata.
In order to avoid this peak, the pV line at 68 ata is converted into an isobar by calculating the further increase in temperature caused by the fictitious volume increase / time in the annulus, which is caused by the effective fuel quantity taking into account the excess air number, at constant pressure, is equated to the volume increase / time which the piston travels from top dead center.
In order to jump from the isochore directly into the isobar, the following relationship (3) should be fulfilled:
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One sets:
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If this condition lasts for about 1-3% of the stroke,
During the afterburning and spreading of the gas over the piston surface, the change of state is inevitably isobaric. This is why there is a second increase in the usable work area.
If one imagines the piston b, Fig. 4 in a momentary position of its upper edge at the level of the lower edge UK of the annular space RR during the compression stroke, the following applies:
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If one abbreviates by b1 - jc) 4, it follows:
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where x represents a variable length ratio DA: DRR. The first dimension of the annular space RR is enclosed in this x. The third dimension is its mean size, which is also included.
If now the second dimension <B> bi </B> is also reintroduced equal to the ratio x, by multiplying the already modulated function (5) l: (1-x-) by x (the diameter ratio) and differentiating according to dx , this results in differential quotients deviating from the usual, known designs, namely:
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A closer examination of the modulated, multiplied output function y = x: (1 - x2) and its first and second derivatives show that there are three curves, each with a special definition range
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the <SEP> first <SEP> - <SEP> x <SEP> <B> x <SEP> ;; - z </B> <SEP> - <SEP> 1
<tb> the <SEP> second <SEP> - <SEP> 1 <SEP> <B>; # </B> <SEP> x <SEP> @ <SEP> + <SEP> 1
<tb> the <SEP> third <SEP> + <SEP> 1 <SEP> <B>; # </B> <SEP> x <SEP> <B>;
# </B> <SEP> + <SEP> 00 where <I> for the first function: </I> f (x) = + ^ o when x = -1, f '"(- 1) <0; f '(- ^ @) = 0. <I> For the second function: </I> f' (x - 1) - "c and f '(x = 0) = + 1. <I> For the third function: </I>
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f '<SEP> (x) <SEP> - <SEP> + <SEP> ^ o <SEP> for <SEP> 1, C <SEP> x <SEP> <<SEP> approx. <SEP> 1.15 <SEP> and
<tb> f '<SEP> (x) <SEP> = 0 <SEP> for <SEP> x = <SEP> + -. The curves in definition areas 1 and 3 are hyperbolas.
The curve in definition area 2 is an odd power and thus runs through the first and third quadrants, while that of definition area 1 runs in the second quadrant and that of the third definition area in the fourth quadrant.
These considerations also state that in addition to the size, the position of the dead space is also of importance with regard to the course of the p-V line.
Similar considerations, such as those set out in equations (4) - (7), lead, if the immersion depth of the piston over the lower edge UK of the annulus is taken into account, to a further form of f 'for the modulated output radio tion of: f '(x) = (x3 + 1) :( xe-2x3 + 1), which is not discussed further here.
The method according to the invention also offers the possibility, by means of the presettable compression, to set the ignition of the various diesel oils and the other fuels accordingly precisely. Further, even more important advantages of this method are the better utilization possibilities of the fuels from a thermal point of view, the possibility of being able to work with extraordinary degrees of compression when the active piston area is only released when the top dead center is exceeded, so that the largest before this point in time Forces only act radially on the piston.
The technical advantages of all these combinations are noteworthy: The volumetric efficiency when compressing, averaged from 7 runs, is 86%, the absolute maximum turns out to be 90-92 l ',' c.
To achieve the high volumetric efficiency when reloading the cylinder, the residual overpressure of the exhaust gases with c = Mach 1 is discharged before geous. As a result, the pressure drops very low for a short time, which means that the pressure ratio to the cylinder becomes subcritical for the fresh air and the cylinder itself fills the cylinder again at a very high speed.
The annular space RR can be located on the cylinder circumference or in the cylinder base.
The procedure can be carried out in a 2-stroke and in a 4-stroke.
An exemplary embodiment according to the invention is shown in the drawings. Fig.l shows the machine schematically. Fig.2 shows the machine in longitudinal section.
3 shows in section the connection of the fuel supply element PA.
Fig. 4 shows details in the area of the top dead point. Characters to which the description refers are also entered here.
The piston machine consists essentially of the crankcase cu, Fig.2, provided with a liner LaBü for a needle bearing, in which a crankshaft t runs with a piston rod s and a washer Us, which is pressed by a nut against a shoulder on the crank pin. A split pin Sp prevents the nut from loosening. The cylinder c and the crankcase cu are both provided with a central, fine-pitch regulating and fastening thread.
This can be used for setting the cylinder to the piston as well as for influencing the so-called time cross-section. A KoRi counter ring allows the cylinder and crankcase to be braced against each other.
The circumference of the cylinder is provided with several rounded, nozzle-shaped inlet and outlet openings a and a1. The inlets a point to the inside of the cylinder with the narrowest point of the nozzle. The outlets a1, on the other hand, point outwards with the narrowest point.
The cylinder wall, floor, stroke, annular space and other dimensions, as well as their relationships to one another, are selected in such a way that the thermodynamic properties of the machine do justice to the isotherms quite well. The connecting rod s runs in needle bearings above and below. A bearing bush LB is built into the connecting rod s above and below (Fig. 2).
Other parts of the machine are: the piston pin r, the piston rings q, the piston b and the fuel injection element PA. A cover de enables the opening required for assembly to be closed. Bores ps and SL are used to supply oil to the connecting rod and crank bearings.