CH666725A5 - Verbundmotor. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im Stand der Technik gibt es eine Vielfalt von Motoren mit Turboladung, bei denen die Abgase durch Turbinen aus-gestossen werden, um Kompressoren oder dergleichen zum Verdichten der Luft für die Kraftstoff-Luft-Gemische in dem Motor anzutreiben oder um im Verbund mit dem Motor Leistung über die Motorkurbelwelle abzugeben. Bei diesen bekannten Motoren, bei denen Abgasturbinen benutzt werden, gibt es einen aussergewöhnlich grossen Prozentsatz an irreversiblen Druckverlusten aufgrund der Drosselung der Abgase und weitere irreversible Verluste vor dem Ausstossen der einen reduzierten Druck aufweisenden heissen Abgase durch die Turbine, um darin ihre Energie abzugeben. Typisch für den Stand der Technik sind die Erfindungen, die die folgenden US-Patentschriften beschreiben, welche bei einer Vorrecherche ermittelt worden sind. Die US-PS 995 348 ist nicht einschlägig, sondern beschreibt einen dynamischen Zweitaktmotor, bei dem ein Schwungkraftausblaserad benutzt wird, um das Verdrängen der Abgase (durch das Frischgas beim Gaswechsel) zu unterstützen. Die US-PS 1 504 187 ist nicht einschlägig, sondern beschreibt die Vergasung bei einem Verbrennungsmotor, bei dem Kraftstoff vergast und mit der Luft vermischt wird. Die US-PS 1 921 907 ist nicht einschlägig und befasst sich nur mit der Anordnung von Einzelteilen zum Erzielen einer «kompakten Anordnung», während thermody-namische Überlegungen weder erwähnt noch beansprucht sind. Die US-PS 1 963 780 zeigt einen Turbokompressor für ein Triebwerk mit einem Verbrennungsmotor, in dem die Abgase eine Turbine zum Verdichten von Ansaugluft oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches nur für das Aufladen am Ende des Hubes antreiben. Die US-PS 2 245 163 ist nicht einschlägig, sondern beschreibt eine Kraftanlage für ein Flugzeug, bei der eine Turbine in Wirkverbindung mit der Auslassseite des Triebwerks steht, um entweder den Verdichter für das Flugzeug-Triebwerk anzutreiben oder um im Verbund mit dem Triebwerk Energie" abzugeben oder beides. Die US-PS 2 858 666 bezieht sich in etwa auf die wirksamere Ausnutzung der Abgasenergie zum Antreiben eines Abgasturboladers bei einem Zweitaktmotor. Die US-PS 2 932 156 ist nicht relevant und beschreibt eine Kanalanordnung zum Vermeiden einer Auspuffimpulsstörung. Die US-PS 2 982 087 ist nicht relevant und befasst sich nur mit Freikolbengasgeneratoren und -kompressoren. Die US-PS 3 029 594 ist nicht relevant, sondern zeigt die Anpassung zwischen Abgasturbolader und Motor. Die US-PS 3 673 798 beschreibt eine gute Entwurfsanordnung, bezieht sich aber nicht auf das «Problem» von irreversiblen Verlusten bei der Rückgewinnung von Energie aus Abgasen. Die US-PS 3 913 542 ist nicht relevant, sondern befasst sich mit vereinfachten Abgasturboladersteuereinrichtungen. Aus diesen US-Patentschriften ist zu erkennen, dass sich der Stand der Technik nicht nennenswert mit dem Problem der Irreversibilität von Verlusten bei der Rückgewinnung von Abgasenergie befasst. Nur die US-PS 2 858 666 erwähnt den Wunsch, mehr Energie aus der Turbine zu gewinnen, das aber nur in Verbindung mit der Turboaufladung von Zweitaktmotoren. Darüber hinaus ist in Texten über die Motorkonstruktion, theoretische Motorarbeitsspiele und idealisierte Arbeitsspiele und Prozesse, Kompressoren, Abgasturbinen und Wärmetauscher sowie Maschinenelemente die Notwendigkeit einer Lösung für diese irreversiblen Verluste beschrieben worden. Edward Obert schreibt in seinem Text INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND AIR POLLUTION, «Idealized Cycles and Processes», Har-per and Rowe, New York, 1973, dass «in dem wirklichen Motor nur ein Bruchteil (etwa 20%) der Ausblasearbeit... realisiert werden kann, weil der wirkliche Prozess irreversibel ist.» Charles Taylor beschreibt in seinem Text THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN THEORY AND PRAC-TICE, zweite Auflage, MIT Press, Massachusetts, 1967, Band 1, Seite 386: «In der Praxis ist es schwierig, mehr als einen bescheidenen Bruchteil der theoretischen Ausblaseenergie zu realisieren, und zwar aus folgenden Gründen:

1. wegen der unstetigen Natur der Strömung durch die Turbine,

2. wegen der Druckverluste in den Auslassventilen oder -Öffnungen,

3. wegen Wärmeverlusten zwischen dem Auslassventil und der Turbine.»

Taylor bemerkt in Band 2, dass Gewinne möglich sind, er gibt aber die im folgenden beschriebene und beanspruchte Lösung nicht an.

Es ist somit ersichtlich, dass zwar im Stand der Technik das Problem erkannt worden ist, dass aber keine pragmatische Lösung vorgeschlagen worden ist, um die irreversiblen Verluste zu reduzieren, die den schlechten Wirkungsgrad bei der Rückgewinnung der Gesamtenergie der Abgase und der Umwandlung eines grossen Teils in nutzbare Energie ergeben haben.

Es ist demgemäss Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die das Wiedergewinnen eines relativ grossen Prozentsatzes der verfügbaren Energie aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors gestattet, der bislang nicht möglich war.

Insbesondere sollen gemäss der Erfindung eine oder mehrere Turbinen so angeordnet und mit den zugeordneten Zylindern verbunden werden, dass die irreversiblen Verluste verringert und das Rückgewinnen eines viel grösseren Anteils der in den Abgasen verfügbaren Energie als durch bekannte Vorrichtungen ermöglicht wird.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 erreicht.

Der Einlass der Düsenvorrichtung umgibt die Auslassöffnung des Zylinders, und ihr Auslassende grenzt innerhalb des praktisch Möglichen an den Einlasskanal der Turbine. Es kann, wie oben erwähnt, eine einzelne Turbine mit mehreren Einlassöffnungen mit mehreren Düsenvorrichtungen verbunden sein, um eine wirksamere und konstantere Strömung von Verbrennungsprodukten durch die Turbine zu erzielen. Andererseits kann eine Anzahl Turbinen bei einem einzelnen Motor benutzt werden, wobei jede über ihre Einlasskanäle mit den Auslassenden der Düsenvorrichtungen von ausgewählten Zylindern verbunden ist, um die Energie in den Verbrennungsprodukten wirksam auszunutzen. Der Ausdruck «Verbrennungsprodukte» wird hier benutzt, um die Auspuffoder Auslassprodukte zu bezeichnen, zu denen die Verbrennungsprodukte wie Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmon-oxid gehören und die ausserdem die übrigen Heissgase wie Stickstoff, Stickoxide und dergleichen umfassen, welche eine erhöhte Enthalpie wegen ihrer erhöhten Temperatur und ihres erhöhten Druckes, wenn sie aus dem Zylinder ausge-stossen werden, haben können. Andere Ausdrücke, die hier synonym für Verbrennungsprodukte benutzt werden, sind Abgase und Auslassprodukte.

Die Aufgabenstellung zeigt implizit, dass die Erfindung eine Einrichtung schafft zum wirksamen Expandieren der Zylinderabgase von den Zuständen innerhalb des Zylinders auf Atmosphärendruck in dem Prozess, der so nahe wie möglich bei dem reversiblen adiabatischen (isentropischen) Zustand liegt, wodurch die resultierende Sekundärenergie maximiert wird, die als mechanische Wellenleistung rückgewonnen wird und benutzt werden kann, um eine Sekundärwelle anzutreiben, um den Antrieb zu unterstützen, Zusatzgeräte anzutreiben oder Antriebsenergie für andere Zwecke zu liefern, was beispielsweise durch Unterstützen des Antriebes

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

666 725

4

der Hauptkurbelwelle erfolgen kann. Das mechanische Verbinden der Turbine mit der Motorkurbelwelle ist mechanisch nicht einfach, und zwar wegen der charakteristischen Drehzahldifferenzen, es ist aber im folgenden ausführlicher dargestellt und beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Figur 1 eine Teillängsschnittansicht, die eine Abgasturbinenanordnung zeigt, bei der ein erstes Düsenventil mit einem zweiten herkömmlichen Ventil zum Ausstossen der Restgase benutzt wird,

Figur 2 eine Teillängsschnittansicht, die eine Turbine zeigt, welche ein Düsenventil mit verstellbarem Düsenhals in Verbindung mit einem zweiten herkömmlichen Ventil zum Ausstossen der Restgase zeigt,

Figur 3 in schematischer Darstellung und teilweise im Schnitt und in Draufsicht eine Ausführungsform der Erfindung mit einer zylinderseitigen Öffnung mit einem Düsenhül-senschieberventil und einer mittig angeordneten Turbine,

Figur 4 ein Düsenventil mit verstellbarem Düsenhals in der Ausführungsform der Erfindung mit der zylinderseitigen Öffnung,

Figur 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Düsenschlitzventil und einer sich im Takt drehenden Welle,

Figur 6 noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit mehreren konvergierenden Zylinderdüsen, die in einen einzelnen Einlass einer Radialturbine münden,

Figur 7 eine schematische Darstellung von Anordnungen von Verbundmotoren, bei denen verschiedene Zylinderzahlen und Typen von Zylinderanordnungen in Verbindung mit Tur-binenanbringungsorten, die den benachbarten Zylindern/ Düsen/Turbine(n) angepasst sind, zeigen, und Figur 8 schematisch eine Vorrichtung zum Verbinden der Abgasturbinenwelle mit der Motorkurbelwelle zur grösseren Leistungsabgabe gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.

Es dürfte hilfreich sein, einige der theoretischen Überlegungen ins Gedächtnis zu rufen, bevor die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung betrachtet werden. Wegen der Eigennatur des niedrigeren Kompressions- und Expansionsverhältnisses (die Kompressionsverhältnisse werden durch die erforderlichen Oktanzahlen begrenzt) geben die praktischen Motoren mit Fremdzündung einen grösseren Teil der Gesamtenergie mit ihrem Abgas ab. Wegen dieser Eigenschaften wird die wirksame Ausnutzung der vollen und nutzbaren Expansion auf den Atmosphärendruck, wie es bei dem Entwurf nach der Erfindung der Fall ist, wahrscheinlich eine grössere relative Verbesserung für den Motor mit Fremdzündung als für den Dieselmotor bringen, obgleich die Erfindung mit Vorteil beim Dieselmotor benutzt werden kann.

Es sei daran erinnert, dass die Verbrennungsmotoren gewöhnlich mehrere Zylinder und Kolben haben, die mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind. Zur Vereinfachung der Beschreibung und des Verständnisses der Erfindung werden jedoch die einfachsten Ausführungsformen mit einem Zylinder, einem Kolben, einer Düse, einem Ventil und einer Turbine in den ersten Ausführungsformen, die in den Figuren 1 bis 5 dargestellt sind, beschrieben.

Gemäss den Figuren 1 bis 4, die zur allgemeinen Beschreibung des Verbrennungsmotors herangezogen werden, enthält die Kombination 11 einen Verbrennungsmotor 13, der seinerseits wenigstens einen hin- und herbewegbaren Kolben 15, einen Zylinder 18, wenigstens einen Zylinderkopf 17, der auf dem Zylinder befestigt ist und das Ende des Zylinders ver-schliesst, um eine Brennkammer für den Kolben zu bilden, eine Einlassleitung 19, die mit dem Zylinder verbunden ist, um diesem wenigstens ein Sauerstoff enthaltendes Gas zuzuführen, eine Einrichtung zum Vermischen des ankommenden Kraftstoffes mit Sauerstoff enthaltendem Gas, eine Zündeinrichtung zum Zünden des Kraftstoffes und des Sauerstoff enthaltenden Gases, um Arbeit zu leisten, und eine Auslassöffnung 21 zum periodischen Abgeben von heissen Hochdruckverbrennungsprodukten aus dem Zylinder, die in einer Begrenzungswand der Brennkammer oben oder unten angeordnet ist, auf. Die Begrenzungswand kann wie in den Figuren 1 und 2 der Zylinderkopf oder wie in den Figuren 3 bis 5 die Zylinderwand sein.

Der Verbrennungsmotor 13 kann irgendein Verbrennungsmotor sein, wie oben angegeben, und es kann sich um einen Zwei- oder um einen Viertaktmotor handeln. Typisch handelt es sich um den Benzinverbrennungsmotor, der eine Zündkerze oder dergleichen zum Zünden des Kraftstoffes in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Erzeugen von Leistung hat. Bei Bedarf kann es sich um einen Motor mit Kompressionszündung mit oder ohne Glühkerzen oder Katalysatoren zum Unterstützen des Anfangs der Verbrennung, wenn der Druck oder die Temperatur hoch genug sind, wie bei einem Dieselmotor, handeln. Die Zündkerzen zum Zünden des Kraftstoffes, die Vergasungseinrichtung zum Vermischen von Kraftstoff und Luft oder statt dessen die Druckeinspritzung zum Einspritzen von Kraftstoff in die unter Druck gesetzte Luft sind herkömmlich und bekannt, weshalb sie nicht dargestellt und beschrieben zu werden brauchen. Sie sind infolgedessen in den Figuren 1 bis 4 der Einfachheit halber weggelassen worden.

Ebenso ist auch der Kolben 15 bekannt. Gewöhnlich hat er Ringe an seinem Umfang zum Verhindern des Vorbeiströ-mens der Hochdruckfluids, die im Anschluss an das Zünden und Verbrennen die Leistung erzeugen. Der Kolben ist gewöhnlich durch Pleuelstangen, die in Figur 3 mit gestrichelten Linien 23 angedeutet sind, mit einer Kurbelwelle 25 verbunden, die entsprechende Kröpfungen hat und sich um eine Achse dreht. Die Motorkurbelwelle 25 (Figur 3 und 8) dient zur Leistungsabgabe des Motors, beispielsweise zum Antreiben eines automatischen Getriebes oder dergleichen.

Selbstverständlich werden weitere Einrichtungen auch benutzt, um Zusatzgeräte anzutreiben. Beispielsweise Gebläsekeilriemen oder dergleichen werden benutzt, um Luft- oder Kältemittelkompressoren, Generatoren, Wechselstromgeneratoren, Servolenkungspumpen, Wasserpumpen und dergleichen anzutreiben. Das ist wiederum alles herkömmlich und für die Erfindung relativ unwesentlich und braucht nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Der Zylinder 18 kann irgendein bekannter Motorzylinder für das technische Gebiet (Flugzeug, Kraftfahrzeug, Schiene, Marine, stationär usw.) sein, auf dem der Motor benutzt wird. Er kann luft- oder flüssigkeitsgekühlt sein. Die Zylinder und die Zylinderköpfe und ihre dichte Verbindung mittels Dichtungen, Stehbolzen und dergleichen sind bekannt und brauchen hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Auf herkömmliche Weise sind Kanäle für Kühlfluids, Schmieröle und dergleichen auch bei der Erfindung vorgesehen.

Ebenso ist eine Ansaugleitung vorgesehen,um wenigstens Sauerstoff enthaltendes Gas und gewöhnlich ein Gemisch aus Kraftstoff in dem Sauerstoff enthaltenden Gas, wie beispielsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bei einem fremdgezündeten Motor, der Brennkammer zuzuführen, das, wenn es im Arbeitshub gezündet wird, Kraft entwickelt. Jede herkömmliche Leitungsanordnung zum Einleiten von Luft und Kraftstoff in den Zylinder kann bei der Erfindung benutzt werden. Gemäss den Figuren 1 und 2 ist die Ansaugleitung in dem Zylinderkopf gebildet und hat ein Tellerventil 27, das zum Einlassen des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem geeigneten Zeitpunkt öffnet, der durch Nocken festgelegt ist, welche durch eine Nockenwelle oder dergleichen betätigt werden.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

666 725

Auf gleiche Weise ist eine Auslassöffnung 21 im oberen oder unteren Teil des Zylinders vorgesehen, um nach der Verbrennung die Verbrennungsprodukte abzulassen. Bei Viertaktmotoren ist gewöhnlich eine Ventilanordnung bestimmter Art an der Auslassöffnung vorgesehen, um zu öffnen und den Verbrennungsprodukten das Abströmen in die Auslassleitung zu gestatten. Andererseits wird bei Zweitaktmotoren die Auslassöffnung 21 häufig durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 15 geöffnet oder freigelegt. Diese Seitenöffnung kann auch bei Viertaktmotoren vorgesehen sein, und eine solche Konstruktion ist in den Figuren 3 bis 5 gezeigt.

Genau an diesem Punkt werden die Vorteile der Erfindung ins Spiel gebracht, um einen überraschend hohen Prozentsatz an Rückgewinnung der verfügbaren Energie aus den Verbrennungsprodukten zu erzielen.

Gemäss Figur 1 sind zwei Auslassventile vorgesehen. Das erste Düsenventil 29 der beiden Auslassventile öffnet, wenn sich der Kolben dem unteren Ende des Arbeitshubes (Expansion) nähert. Dieses Düsen- oder Ausblaseventil 29 öffnet sehr schnell und entlässt das Abgas aus dem Zylinder in seine Turbinendüse 31. Das Einlassende 33 der Turbinendüse 31 grenzt an die Begrenzungswand 35 der Brennkammer 37 an der Auslassöffnung 21 und umschliesst abdichtend die Auslassöffnung 21, so dass die Leckage der heissen Hochdruckverbrennungsprodukte in die Atmosphäre verhindert wird. Das Auslassende 39 der Düse 31 ist mit dem Einlass 41 einer Turbine 43 verbunden. Anders ausgedrückt, der Einlasskanal der Turbine 43 ist so ausgebildet, dass er die Verbrennungsprodukte von dem Auslassende 39 der Düse 31 gleichmässig empfängt und irreversible Verluste, einen Druckabfall und dergleichen minimiert, bevor die Energie an die Turbine 43 abgegeben wird. Die Düsenform ist so konstruiert, dass sie den Druck- und Strömungsbedingungen angepasst ist, um so den Wirkungsgrad der Energierückgewinnung zu maximie-ren.

Die Turbine 43 kann irgendeine Turbine sein, die diese Art von intermittierender Strömung von Verbrennungsprodukten wirksam ausnutzen kann. Gewöhnlich ist die Ausblaseturbinenkonstruktion am besten und eliminiert Motorpumpverluste und minimiert irreversible Strömungsverluste. Anders ausgedrückt, die Konstruktion der Düse an ihrem Hals und sowohl an ihrem Einlass- als auch an ihrem Auslassende in Kombination mit den Einlasskanälen der Turbine ist so getroffen, dass so viel wie möglich von der kinetischen und thermischen Energie in den Vergrennungsprodukten geliefert wird und trotzdem ein ausreichendes Spülen der Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder beibehalten wird. Darüber hinaus sind sie so konstruiert, dass die Turbine so nahe wie möglich an die Zylinderauslassöffnungen verlegt wird (nur eine Düsenlänge davon entfernt), so dass die irreversiblen Strömungsverluste durch Reibung in Leitungen, die im Stand der Technik auftreten, den wirksamen Betrieb der Erfindung nicht stören. Der Turbinendüsenhals ist so bemessen und so geformt, dass er die Verbrennungsprodukte und ihre Enthalpie so schnell wie möglich und so wirksam wie möglich in kinetische Energie am besten umwandelt. Das schnell öffnende Ventil 29 ist relativ zu der Düsenhalsgrösse so gross wie möglich bemessen, um die «Drosselung» zu minimieren.

Ein zweites, kleineres Tellerventil und ein weiterer Strömungskanal, die in Figur 1 durch gestrichelte Linien 45 schematisch dargestellt und in Figur 2 bei 46 sichtbar sind, öffnen in einer Position, die bei der Kurbelwellendrehung später liegt, nachdem der grösste Teil der nutzbaren Abgasenergie über die Düse 31 und die Turbine 43 verbraucht worden ist. Das zweite Auslassventil öffnet, während das erste Ventil 29 zu schliessen beginnt. Das zweite Auslassventil gibt die einen relativ niedrigen Druck aufweisenden restlichen Gase direkt an das Auslassrohr 47 ab, das als Auspuffleitung dient. Diese Gase gehen daher direkt in die Atmosphäre und umgehen die Turbine. Es kann sich als praktisch erweisen, dieses zweite Auslassventil zu eliminieren.

Eine weitere Doppelauslassventilanordnung in dem oberen Zylinderkopf unter Verwendung von herkömmlichen Tellerventilen, Hülsenventilen oder anderen Arten von Ventilen ist unter Verwendung des folgegesteuerten Öffnens, das oben beschrieben ist, möglich.

In Figur 2 werden dieselben Elemente in dem Grundmotor benutzt, und zwar zusammen mit der Turbine 43, der Auspuffleitung 47 und dem weiteren Restgaskanal 45 und dem . weiteren Ventil 46. In der Ausführungsform nach Figur 2 ist das zweite Ventil 46 zu erkennen, weil das erste Ventil 29 nicht verwendet wird. Statt dessen wird ein Ventil 51 verwendet, das an dem Düsenhals angeordnet ist und einen Teil des Halses der Düse 31 bildet. Gemäss der Darstellung mit den gestrichelten Linien 53 kann das Schwenkventil 51 um seine Schwenkachse 55 durch eine Stossstange 57 in seine geschlossene Stellung bewegt werden, beispielsweise mittels eines Nockens oder dergleichen. Dadurch kann das Ventil leicht geöffnet werden, und es wird eine gleichmässige Strömung der Verbrennungsprodukte durch die Düse 31 während allen Phasen des Öffnens erzielt. Wie erläutert grenzt der Düsen-einlass 33 an die Begrenzungswand 35 der Brennkammer 37 und ist ein Teil derselben. In den Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 ist der Einlass der Düse in dem Zylinderkopf an der Auslassöffnung 21 angeordnet. Die Konstruktion nach Figur 2 kann leichter so ausgeführt werden, dass die Düsenkontur wärhend des Ausblasens optimal verändert werden kann, das ab hohem Druck beginnt (Erzeugen einer Überschallströmung durch eine konvergierende/divergierende Düse) und abnimmt, um sich dem Atmosphärendruck zu nähern, wenn das Düsenventil vollständig geöffnet wird, und zwar mit der gewünschten einfachen konvergierenden Düsenkontur. Gemäss obigen Angaben erzeugt der Einlass 41 der Turbine 43 eine gleichmässige Strömung und minimale irreversible Verluste wegen «Drosselung», Leitungsverlusten und dergleichen.

Das zweite Ventil 46 und der Abgasströmungskanal, der durch die gestrichelten Linien 45 dargestellt ist, arbeiten auf oben mit Bezug auf Figur 1 beschriebene Weise, um das Herausspülen der restlichen Gase aus dem Zylinder zu gestatten, ohne dass die wirksame Entwicklung von Kraft in dem Motor 13 gestört wird. Wie in Figur 1 kann es sich als praktischer erweisen, das zweite Ventil 46 zu beseitigen, indem dem Düsenventil gestattet wird, über den vollen Auspuffzyklus zur Turbine hin offenzubleiben.

In den Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 bildet das Einlassende der Düse einen integralen Bestandteil der durch den Zylinderkopf gebildeten Begrenzungswand und grenzt an diese. Bei vielen Motoren, wie beispielsweise bei Zweitaktmotoren und dergleichen, ist es möglich, dass das Düseneinlassende einen Teil einer Seitenwand des Zylinders oder dergleichen bildet und an diese grenzt, wie es beispielshalber in den Figuren 3 bis 5 dargestellt ist, und die üblicherweise benutzten Auslassseitenöffnungen werden bei den meisten Zweitaktmotoren auf diese Weise gebildet. Bei der Erfindung bildet die Seitenöffnung 21 ein integrales, glattes Einlassende für die Düse 31 und ist so dimensioniert, dass sie die Verbrennungsprodukte wirksam aus dem Zylinder 31 entlässt und zu der benachbarten Turbine 43 an dem Auslassende 39 der Düse gelangen lässt. Das kann bei Viertaktmotoren sowie bei der Doppelauslassventilanordnung benutzt werden.

Gemäss Figur 3 arbeiten die Zylinder 18 mit ihren hin-und herbewegbaren Kolben 15 auf herkömmliche Weise und geben die Verbrennungsprodukte über Düsen 31 an die Turbine 43 über mehrere Einlasskanäle ab.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

666 725

6

Bei Bedarf kann ein herkömmliches Auslassventil noch am oberen Ende des Zylinders benutzt werden, das aber so taktgesteuert wird, dass es später öffnet, wie in der oben mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschriebenen Zweiventilanordnung, nachdem die nutzbare Ausblaseenergie durch die Düse 31 verbraucht worden ist. Dieses Ventil ist bei Viertaktmotoren erforderlich. Die Konstruktion nach den Figuren 3 bis 5 hat sowohl Vorteile als auch Nachteile gegenüber der oben mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschriebenen Zweiventilanordnungen. Der Nachteil ist, dass in dem Fall von Viertaktmotoren eine Einrichtung vorgesehen werden muss, um die Kolbenbewegung daran zu hindern, die Düsenventil-Öffnung eine Kurbelwellenumdrehung später wieder zu öffnen, wenn der Kolben am Ende eines Ansaug- und am Beginn eines Kompressionshubes ist. Deshalb und nur in dem Fall von Viertaktmotoren muss die spezielle Ventilanordnung vorgesehen werden, um den Düsenweg zu der Turbine bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung zu blockieren, wenn der Kolben unten ist. Das kann durch irgendeine der in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Ventilanordnungen erreicht werden. Das Ventil kann ein Schieberventil 55 sein (Figur 3), das durch einen Nocken 57 gegen den Druck einer Feder 59 geöffnet wird. Diese Art von Schieberventil wird manchmal auch als Hülsenschieber bezeichnet. Grundsätzlich verschiebt es einen undurchlässigen Schieber über der Öffnung in dem Hals der Düse 31. Wenn es jedoch offen ist, bildet die Begrenzung der Öffnung eine glatte Wand, die in die glatte Strömungsdüse übergeht, um Druckverluste oder eine Strömungsstörung zu verhindern. Ein verstellbares Düsen-halsventil ist in der Ausführungsform nach Figur 4 gezeigt. Dabei arbeitet das Ventil 61 sowie das Ventil 51 nach Figur 2. Anders ausgedrückt, es wird durch die Bewegung der Stoss-stange 65 um die Achse 63 verschwenkt.

Figur 5 zeigt eine weitere Konstruktionsmöglichkeit zum Schliessen der Seitenöffnung bei jeder zweiten Umdrehung, die eine «Düsenventilwelle» vorsieht, die sich mit einem Viertel der Kurbelwellendrehzahl (Vi Nockenwellendrehzahl) dreht und offene Schlitze 67 in der Welle 69 hat, über die jede Düse während des Ausblasens Verbrennungsprodukte abgibt. Eine Kurbelwellenumdrehung später befinden sich die Schlitze bei 90° und sind geschlossen, um eine Fluidströmung am Beginn des Kompressionshubes zu verhindern. Nach einer weiteren Umdrehung sind die Düsenschlitze bei 180° und deshalb wieder korrekt offen.

Die Vorteile dieser Seitenöffnungskonstruktionen sind die Einfachheit der Anordnung, die gestattet, die Turbine an der Seite des Motorblockes statt an dem bereits überfüllten Kopfteil anzuordnen. Die Lage der Turbine und die anderen Motorkonstruktionsanordnungen müssen jedoch optimiert werden, um das erforderliche viel kleinere Auslassventil und die kleinere Auslassöffnung in dem Kopfbereich vorteilhaft nutzen zu können und insbesondere um von dem grösseren Raum Gebrauch zu machen, der dadurch für das Ansaugventil und die Ansaugöffnung verfügbar gemacht wird. Das verbessert den Betrieb des Motors und der Ansauganordnung durch Vergrössern der Luftströmungskapazität. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass das einen einfachen und sauberen Weg für das Ausblasen der Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder gestattet und die übliche Tellerventildrosselung und deren Erwärmungs- und Kühlprobleme eliminiert. Da die meisten Ausblasverbrennungsprodukte hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit in dem oberern Zylinderbrennraum vermieden werden, wird dieser wichtige Bereich auf niedriger Temperatur bleiben, was die Benutzung höherer Kompressionsverhältnisse bei einer bestimmten Kraftstoffoktanzahl gestattet, wodurch noch eine weitere schrittweise Wirkungsgradverbesserung erzeugt wird, die sonst nicht möglich ist.

Eine andere Ausführungsform für einen besseren Turbinenwirkungsgrad ist in Figur 6 gezeigt.

Gemäss Figur 6 sind mehrerer Zylinder 18 mit Düsen 31 verbunden, deren Einlassenden 33 an die Begrenzungswände der Brennkammern grenzen und deren Auslassenden 39 gleichmässig mti dem Einlass 41 der Turbine 71 verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform ist die Turbine 71 vorzugsweise eine Radialturbine, wobei die gruppenweise zusammengefassten Motorzylinder 18 bestrebt sind, die sonst pulsierend aus den Zylindern ausgeblasenen Verbrennungsprodukte zu integrieren. Je grösser die Anzahl der Zylinder ist, die auf die dargestellte Weise mit der Turbine verbunden werden können, mit um so grösserem Wirkungsgrad wird die richtig konstruierte Turbine arbeiten, weil die Strömung der Verbrennungsprodukte nahezu konstant sein wird.

Das Darlegen einer genauen Analyse des äusserst thermo-dynamischen Arbeitsspiels ist zwar schwierig, die Texte wie die eingangs erwähnten von Obert und Taylor zeigen jedoch, dass bei dem üblichen Motor ohne Abgasturbolader, der in Meereshöhe und mit einer mittleren Drehzahl von etwa 2000 U/min bei Vollgas arbeitet, der absolute Zylinderdruck, der beim Auslassventilöffnen bleibt, typisch 3,45 bar (50 pounds per square inch) oder mehr betragen wird. Wenn angenommen wird, dass diesen Gasen gestattet wird, durch eine glatte Düse wirksam in eine Turbine «auszublasen», von der zuerst angenommen wird, dass sie einen Wirkungsgrad von 100 Prozent hat, so sollte es eine zusätzliche Rückgewinnung etwa 35 bis 55 Prozent der Wellenleistung geben, die bereits aus dem in dem Motor verbrannten Kraftstoff zurückgewonnen wird. Es ist wichtig, daran zu erinnern, dass ein beträchtlicher Teil dieser zusätzlichen Leistung ohne Verschlechterung der normalerweise durch den Kolben gelieferten Leistung zurückgewinnbar ist. Infolgedessen wird die Motorausgangsleistung um die Grösse der Turbinenleistung vergrössert, die ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch und ohne nennenswerte Zunahme der Leistungsverluste zurückgewonnen wird. Bei einem Turbinenwirkungsgrad in dem Bereich von 50 bis 75 Prozent ist daher eine Zunahme der Leistung und des gesamten Motorwirkungsgrades von wenigstens 20 bis 30 Prozent durch die Erfindung möglich.

Eine wichtige Entwurfsüberlegung ist das Maximieren des Arbeitsspiels jeder Turbine durch sorgfältige Zylinderanordnung und Turbinenanbringung, so dass soviele Zylinder wie möglich sich eine einzelne Turbine teilen können, während die enge Nähe von Zylinder, Düse und Turbine im Rahmen der beigefügten Ansprüche aufrechterhalten wird. Je mehr Auspuffimpulse eine bestimmte Turbine pro Zeiteinheit bei demselben Getriebewirkungsgrad empfängt, um so Ideiner ist die Leerlaufzeit, die die Turbine haben wird, um Ventilationsverluste (schnelles Drehen im Leerlauf) zu erzeugen. Ausserdem, je mehr Zylinder über Düsen an eine einzelne Turbine bei einem bestimmten Motor auf oben beschriebene Weise angeschlossen werden können, um so weniger Turbinen sind erforderlich. Eine Anzahl von Motor-Turbinen-Anordnungen ist in Figur 7 gezeigt. Zum Beispiel bei dem Reihenmotor, der bei A gezeigt ist, sind zwei Zylinder 18, die durch zwei Düsen 31 mit einer einzelnen Turbine 43 verbunden sind, oben links dargestellt. Wenn vier Zylinder benutzt werden, kann eine einzelne Turbine 43 bei der dargestellten Anordnung benutzt werden, oder es können zwei Turbinen 43a benutzt werden, die mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Ebenso können bei sechs und acht Zylindern in Reihe wenigstens zwei Turbinen 43 erforderlich sein. In einer V-Anordnung, wie sie bei B gezeigt ist, kann die Turbine 43 in der Mitte angeordnet und über Düsen 31 mit den Zylindern 18 verbunden sein, wie es für die 2-, 4-, 6- und 8-Zylinder-Anordnung gezeigt ist. Bei C sind V plus 2 (2 sind aufrecht) Anordnungen gezeigt, bei denen die Turbine 43 zwischen den Zylindern 18 und den

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

666725

aufrechten Zylindern 18a bei den 4-, 6- und 8-Zylinder-Moto-ren angeordnet ist. Bei der Anordnung gemäss D, bei der eine aufrechte Anordnung mit nebeneinander angeordneten Kurbelwellen benutzt wird, kann die Turbine 43 zwischen den Zylindern 18 angeordnet werden. Ebenso kann gemäss E und gemäss F die Turbine 43 zwischen den Zylindern 18 angeordnet werden und trotzdem können die Einlass- und Auslassenden der Düsen 31 mit der Begrenzungswand der Brennkammer bzw. der Turbine verbunden werden.

Das Kuppeln der Turbine zum Unterstützen der nutzbaren Wellenabtriebsleistung ist im Stand der Technik gezeigt, beispielsweise in der US-PS 2 245 163. Das wirksame Kuppeln der beiden derart, dass hohe Trägheitskräfte in den Kupplungsteilen vermieden werden, und derart, dass die Turbine niemals zu einem Verbraucher von Motorleistung wird, sind die beiden Grundprobleme der praktischen Ausführung bei allen Verbrennungsmotoren, die mit leistungsabgebenden Abgasturbinen kombiniert sind, zu denen auch die nach der Erfindung gehören. Das Problem besteht wegen der Ungleichheit der charakteristischen Eigendrehzahlen der herkömmlichen Hubkolbenmotoren gegenüber ihren Abgasturbinen. Das einfache direkte mechanische Kuppeln der beiden, das unter Kosten- und Wirkungsgradgesichtspunkten vorzuziehen wäre, erfordert einen Drehzahluntersetzer mit grossem Untersetzungsverhältnis für die Turbine. Dieses Kuppeln bringt eigene Probleme mit sich, weil grosse Trägheitskräfte durch plötzliche Drehzahländerungen erzeugt werden, die bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen typisch sind (und in geringerem Ausmass bei Flugzeugen und Schiffen). Diese plötzlichen Änderungen werden durch die grosse Drehzahluntersetzung verstärkt. Diese plötzlichen Drehzahländerungen treten typisch auf, wenn Gas gegeben wird, ohne dass eine Belastung vorhanden ist, wenn plötzlich belastet wird und wenn das Getriebe geschaltet wird. Es ist deshalb eine flexible Kupplung erforderlich, um schädigende grosse Trägheitskräfte zu vermeiden. Eine Einrichtung zum Kuppeln der Turbine mit Motorwellen gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 8 gezeigt. Darin sind A und B Kupplungen unterschiedlichen Typs zwischen dem Drehzahluntersetzungsgetriebe 73, das die Motorkurbelwelle mit der Abtriebswelle 75 verbindet, und dem Drehzahluntersetzungsgetriebe 77, das die Turbinenwelle 79 mit der Abtriebswelle 75 verbindet. Die Lage der Kupplungen A und B dient lediglich zur Veranschaulichung und beschränkt sich nicht auf das dargestellte Beispiel. Die Kupplung A ist eine drehrichtungs-geschaltete Kupplung, die so konstruiert ist, dass sie Drehmoment nur in einer Richtung überträgt und in der entgegengesetzten Drehrichtung vollständig und automatisch auskuppelt. Solche Kupplungen sind in den verschiedensten Texten beschrieben. Die Beschreibung einer Überholkupplung findet sich beispielsweise in Figur 198 auf Seite 262 in DESIGN OF MACHINE MEMEBERS, Vallance and Doughtie, McGraw-Hill, New York, New York, 4. Auflage, 1964. Diese Kupplung beseitigt jede Möglichkeit eines Motorleistungsverbrauches durch die Turbine und Trägheitsstosskräfte in dieser Drehmomentrichtung.

Die Kupplung B ist eine Kupplung für begrenztes Drehmoment, für die es viele verfügbare Konstruktionen gibt. Beispielsweise kann die Kupplung B für begrenztes Drehmoment eine Plattenreibungskupplung sein, eine Kegelkupplung, eine Fliehkraftkupplung, eine Trommelkupplung, eine Bandkupplung oder eine Magnetkupplung, die trocken oder nass arbeitet. Ein weiteres Beispiel einer Konstruktion für begrenztes Drehmoment, die benutzt werden kann, ist eine Viskositätsoder Hydraulikflüssigkeitskupplung. Diese Kupplung würde so ausgelegt werden, dass sie nur dann schlüpft, wenn übermässige Trägheitskräfte vorhanden sind, und könnte in die drehrichtungsgeschaltete Kupplung A integriert werden.

Einige weitere Möglichkeiten zum Verbinden der Abtriebswelle der Turbine mit der Motorkurbelwelle oder mit einer gemeinsamen Welle sind folgende: 1. ein direktes Zahnradgetriebe mit ausreichender Stärke, Elastizität und Dämpfung, um Trägheitskräfte auszuhalten; 2. eine Zahnradgetriebe- und Fluidkupplung, wie sie in dem Wright-Turbover-bundmotor benutzt wird; 3. ein Zahnradgetriebe und eine schnelle Auskuppeleinrichtung, um übermässige Drehmomente zu vermeiden. Das Auskuppeln erfordert Kupplungen, die durch eine Steuereinheit oder durch Schlüpfen ausgerückt werden, weil ihre Kapazität so gewählt ist, dass sie unter einem schädigenden Drehmoment liegt. Diese Anordnung gleicht im wesentlichen der in Figur 8 dargestellten. Generator/Motor-Sätze können benutzt werden, wobei Wechselstrom oder Gleichstrom verwendet wird. Im Falle von Wechselstrom könnte ein Teil der benötigten Drehzahländerung durch eine Konstruktion erzielt werden, bei der eine kleinere Anzahl von Magnetpolen an Turbine/Wechselstromgenerator (hohe Drehzahl) und eine grössere Anzahl von Polen an dem Motor (niedrige Drehzahl) benutzt wird. Eine solche Anordnung könnte so ausgelegt werden, dass sie wirksam als Asynchronmaschine mit dem dieser eigenen Schlupfvermögen läuft. Diese Generator/Motor-Einheiten können einzelne integrierte Einheiten sein, die Magnetkupplungen haben,

oder sie können Permanentmagnetelemente an einem und eine veränderliche Anzahl von elektromagnetischen Polen am andern eingebaut haben. 5. Ein Typ von Generatoranordnung, bei der ein Generator oder Wechselstromerzeuger mit Gleichrichter oder eine Speicherbatterie und ein Gleichstrommotor benutzt wird, könnte verwendet werden, obgleich diese Anordnung keinen guten Wirkungsgrad aufweisen könnte. Ebenso können Turbinen und Flüssigkeitsmotoren mit oder ohne Akkumulatoren und Schwungräder benutzt werden, um das Speichern von Energie und das Anpassen der Energie an den Bedarf zu ermöglichen.

In TRANSACTIONS OF THE SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS (SAE), Band 62,1954, zeigen die Daten, dass der Wright-Turboverbundmotor, der mit «Startleistung» in Meereshöhe arbeitet, in den Abgasen eine kinetische Energie verfügbar hat, die bis zu 79 Prozent der gesamten Kolbenenergie beträgt, die durch die Motorkurbelwelle zurückgewonnen wird. Abgasturbinen gewannen Energie zurück, die bis zu 18,2 Prozent der gesamten Kolbenenergie betrug, was nur 23 Prozent der verfügbaren kinetischen Energie war. Bei «Reiseleistung», was grob einem natürlich beatmeten Motor entspricht, der mit voller Leistung arbeitet, betrug die verfügbare kinetische Energie des Abgases 55 Prozent der Kolbenenergie. Die Gesamtenergie, die durch die Turbinen zurückgewonnen wurde, betrug 9,5 Prozent oder nur 17,4 Prozent der verfügbaren kinetischen Energie. Diese Zahlen basieren auf dem 18-Zylinder-Flugzeugsternmotor, bei dem drei Ausblaseturbinen benutzt werden, wobei sechs Zylinder jede Turbine über ziemlich gekrümmte und herkömmliche «verlustbehaftete» Auslassleitungen und -krümmer mit herkömmlichen Auslasstellerventilen versorgen. Beim Betrieb in Meereshöhe betrugen die Energieverlustprozentsätze, die der Auslassventildrosselung zuzuschreiben sind, etwa 36 Prozent der Kolbenenergie beim Start und 31 Prozent der Kolbenenergie beim Reiseflug, was 45 Prozent bzw. 57 Prozent der verfügbaren kinetischen Energie ausmacht. Der Zweck der Erfindung ist es, diese Verluste wirksam in nutzbare Arbeit umzuwandeln. Der Übersichtlichkeit halber sind die obigen Daten in der Tabelle 1 aufgelistet.

t-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

666 725

Tabelle I

Wright-Turboverbundmotorleistungsdaten (Information entnommen aus SAE Transactions, Band 62, 1954)

Abgasenergie- Meereshöhe Kritische Höhe rückgewinnungs- Start- Reise- Start- Reise parameter leistung leistung leistung leistung

Verfügbare kinetische Abgasenergie

(% der Kolbenergie) 78,5 54,8 Rückgewonnene Gesamtturbinenenergie :

(% der Kolbenenergie) 18,2 9,5 26 19 (% der verfügbaren kinetischen Energie) 23,1 17,4 (% der verbleibenden Energie nach der Abgasventildrosselung) 42,8 40,4 Abgasventildrosselungs-verlust:

(% der Kolbenenergie) 36,0 31,3 (% der verfügbaren kinetischen Energie) 45,4 57,1

Die angegebenen Daten zeigen die Vorteile des Turboverbundbetriebes. Der Aufbau nach der Erfindung verringert jedoch stark die gezeigten hohen Verluste, vergrössert beträchtlich den Prozentsatz der rückgewonnenen Gesamtturbinenenergie und verbessert die angegebenen Ergebnisse durch Verlagern der Verluste in die Gesamtturbinenleistungs-abgabekategorie.

Wie erwähnt, können sich bei Motoren mit Fremdzündung die grössten Vorteile der Erfindung realisieren lassen. Es ist wichtig anzumerken, dass die Erfindung die Kombination der Vorverdichtung zusammen mit der des Verbundbetriebes bei Bedarf enthalten kann. Diese Vorverdichtung kann mit oder ohne innere Kühlung nach einer oder mehreren Kompressionsstufen wie in herkömmlicher Praxis erfolgen.

Im Betrieb eines herkömmlichen Verbrennungsmotors wird das Ansauggemisch aus Kraftstoff und Luft über die Ansaugleitung 19 durch das geöffnete Einlasstellerventil 27 in die Brennkamer 37 gesaugt, wenn sich der Kolben 15 nach unten bewegt. Anschliessend kehrt der Kolben seine Bewegungsrichtung um, bewegt sich nach oben und komprimiert das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Eine gewisse Anzahl Grad vor dem oberen Totpunkt wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Zündung einer Zündkerze (nicht dargestellt) verbrannt.

Die Zündkerze wird mit einer herkömmlichen Anordnung gezündet, in der eine Einrichtung, wie beispielsweise ein zusammenbrechender Primärstromkreis, eine hohe Spannung in einer Sekundärspule induziert, die einen elektrischen 5 Lichtbogen in dem Elektrodenspalt der Zündkerze verursacht. In jedem Fall entwickelt die Verbrennung des Kraftstoffes in der Luft unter die Verbrennung unterstützenden Bedingungen thermische Energie und verursacht einen hohen Druck; dadurch wird der Kolben 15 kräftig nach unten io bewegt, um die Motorkurbelwelle 25 in Drehung zu versetzen und den Motor an der Welle Leistung abgeben zu lassen. Anschliessend wird die Auslassöffnung 21 geöffnet, um die heissen Verbrennungsprodukte unter ihrem hohen Druck direkt in die Düse 31 und gleichmässig in den Einlass der 15 Turbine 43 ohne die irreversiblen Druck- und Kühlverluste abzugeben, die mit diesem Prozess bei herkömmlichen Motoren im Stand der Technik verbunden sind. Die Abgase strömen durch die Turbine und versetzen die Turbinenschaufeln in schnelle Drehung, wodurch Leistung erzeugt und die Tur-2o binenwelle 79 gedreht wird. Die Leistungsabgabe der Turbinenwelle wird dann nach Bedarf benutzt. Das kann entweder im Verbundbetrieb mit der Motorkurbelwelle erfolgen, wie es in Figur 8 dargestellt ist, oder durch Drehen eines Kompressors, wie es der Stand der Technik zeigt, beispielsweise die 25 US-PS 3 673 789. Selbstverständlich können beide bei Bedarf zum Ausnutzen der Leistung oder für jeden anderen Leistungsverwendungszweck benutzt werden, wie oben beschrieben.

Wie erwähnt gehen dann die niedrigen Druck und nied-3o rige Geschwindigkeit aufweisenden verbrauchten Abgase durch den Auslasskanal der Turbine 43 in die herkömmliche Auspuffanlage.

Der Zyklus wird für jeden Zylinder wiederholt. Die Taktsteuerung der Wiederholung hängt davon ab, ob es sich um 35 einen Zwei- oder um einen Viertaktmotor handelt. Darüber hinaus wird die beste Anordnung für die Ventilsteuerung und dergleichen davon abhängen, ob es sich um einen Zwei- oder um einen Viertaktmotor handelt.

Gemäss üblicher Praxis wird der Motor durch Luft oder 40 durch eine umgewälzte Flüssigkeit gekühlt, beispielsweise durch Wasser oder durch eine wässrige Lösung von Diethy-lenglycol. Der Motor wird durch herkömmliche Umlaufschmierung über entsprechende Schmierkanäle (nicht dargestellt) geschmiert.

45 Vorstehende Darlegungen zeigen, dass die Erfindung einen fortschrittlichen Verbundmotor schafft, der einen überraschend hohen Wirkungsgrad hat und eine überraschend grosse Rückgewinnung der theoretisch verfügbaren Energie gestattet.

50

3 Blatt Zeichnungen

Claims (21)

1. 666 725

   2

   PATE NTANS PRÜCHE

   1. Verbundmotor mit einem Verbrennungsmotor (13) und wenigstens einer Turbine (43), wobei der Verbrennungsmotor wenigstens einen Zylinder (18) hat, welcher einen hin- und herbewegbaren Kolben (15) enthält und einen Zylinderkopf

   (17) trägt, der ihn an einem Ende verschliesst und mit dem Kolben (15) eine Brennkammer begrenzt, mit einer Einlassleitung (19), die mit dem Zylinder (18) verbunden ist, um diesen wenigstens ein Sauerstoff enthaltendes Gas zuzuführen, mit einer Einrichtung zum Vermischen von ankommendem Kraftstoff mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas, mit einer Zündeinrichtung zum Zünden des Kraftstoffes in dem Sauerstoff enthaltenden Gas, um Leistung zu entwickeln, und mit einer Auslassöffnung (21) zum periodischen Abgeben von heissen Hochdruckverbrennungsprodukten aus dem Zylinder zu der Turbine (43), wobei die Auslassöffnung (21) in einer Begrenzungswand (35) der Brennkammer oder des Zylinders (18) angeordnet ist, und wobei die Turbine (43) Einlass- und Auslasskanäle (41) und eine Abtriebswelle (79) zur Leistungsabgabe hat, gekennzeichnet durch:

   wenigstens eine Turbineneinlassdüse (31), die etwa bei Erreichen des Endes des Expansionshubes des Kolbens (15) aufzusteuern und geeignet geformt ist, um die Hochdruckverbrennungsprodukte zu beschleunigen und aus dem Zylinder

   (18) zu der Turbine (43) zu fördern, wobei die Düse (31) ein Einlassende (33) und ein Auslassende (39) hat und wobei ihr Einlassende (33) an die Begrenzungswand (35) an der Auslassöffnung (21) grenzt und die Auslassöffnung (21) abdichtend umschliesst, so dass eine Leckage der heissen Hochdruckverbrennungsprodukte in die Atmosphäre verhindert wird, und ihr Auslassende (39) mit dem Einlasskanal (41) der Turbine (43) abgedichtet verbunden ist, so dass die Leckage von expandierten Verbrennungsprodukten hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre verhindert und die expandierten Verbrennungsprodukte hoher Geschwindigkeit gezwungen werden, durch die Turbine (43) hindurchzugehen, um dadurch ihre Energie an die Turbine (43) abzugeben und sich in Abgas niedrigen Drucks und niedriger Geschwindigkeit zu verwandeln, das über den Auslasskanal aus der Turbine (43) abgegeben wird.
2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Turbine (43) vorgesehen ist und dass der Motor mehrere Zylinder (18) und mehrere Turbineneinlassdüsen (31) hat, die mit den Auslassöffnungen (21) der Begrenzungswände (35) und der Turbine (43) verbunden sind, so dass sich eine konstantere Strömung von Verbrennungsprodukten durch die Turbine (43) ergibt.
3. 3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Turbine (43) zwischen den Zylindern (18) angeordnet ist und dass die Begrenzungswand (35) jedes Zylinders (18) an den Einlass (33) einer Düse grenzt, deren Auslassende (39) mit dem Turbineneinlasskanal (41) verbunden ist.
4. 4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (43) eine Axialturbine ist.
5. 5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Radialturbine (71) ist.
6. 6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Auslassventil (29) in dem Zylinderkopf (17) vorgesehen ist, zum Aufsteuern der Turbineneinlassdüse (31).
7. 7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (17) ein zweites Auslassventil (46) aufweist, das später öffnet als das erste Auslassventil (29) und die verbleibenden Niederdruckgase auslässt, wenn sich der Kolben (15) nach oben bewegt.
8. 8. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (21) in dem Zylinderkopf (17) angeordnet ist, und dass die Düse (31) ein einstellbares Düsenhaisventil (51) aufweist, welches zum Verschliessen der Auslassöffnung

   (21) dient und geeignete variable Düsenformen über der Öffnungsfolge der Düse (31) ergibt und irreversible Drosselungsverluste vor der Düse (31) eliminiert, wodurch die Düsenaus-trittsgasgeschwindigkeit und die Energierückgewinnung durch die Turbine (43) maximiert werden.
9. 9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenhaisventil (51) durch einen Nocken betätigt wird, der sich synchron mit dem Motor (13) dreht.
10. 10. Motor nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Auslassvorrichtung mit einem Auslassventil (46) in dem Zylinderkopf (17) vorgesehen ist.
11. 11. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Auslassöffnung (21) in der Seitenwand des Zylinders (18) angeordnet ist, so dass die heissen Hochdruckverbrennungsgase abgegeben werden, wenn die Auslassöffnung durch den sich nach unten bewegenden Kolben (15) freigegeben wird.
12. 12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbineneinlassdüse (31) mit einer Steuerventileinrichtung (55 ; 61 ; 67) versehen ist.
13. 13. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung ein einstellbares Düsenhaisventil (61) aufweist, welches zum Verschliessen der Auslassöffnung (21) dient und geeignete variable Düsenformen über der Öffnungsfolge der Düse (31) ergibt und irreversible Drosselungsverluste vor der Düse (31) eliminiert, wodurch die Düsenaustrittsgasgeschwindigkeit und die Energierückgewinnung durch die Turbine (43) maximiert werden.
14. 14. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung (55) ein Schieberventil (55) aufweist.
15. 15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberventil (55) durch einen Nocken (57) betätigt wird, welcher mit einem Bruchteil der Motorkurbelwellendrehzahl arbeitet.
16. 16. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventilvorrichtung (67) ein Schlitzventil (67) aufweist.
17. 17. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlitzventil (67) durch eine Welle (69) betätigt wird, welche mit einem Bruchteil der Motorkurbelwellendrehzahl umläuft.
18. 18. Motor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (13) ein Viertaktmotor ist, und dass das Düsenschlitzventil (67) nur benutzt wird, um die Strömung bei jedem zweiten Hub- und Saug-Kompressions-hub des Kolbens (15) zu blockieren und sich die Welle (69) mit einem Viertel der Drehzahl der Kurbelwelle (25) dreht.
19. 19. Motor nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Auslassvorrichtung mit einem Auslassventil in dem Zylinderkopf (17) vorgesehen ist.
20. 20. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    dass der Verbrennungsmotor (13) mehrere Zylinder (18) und Kolben (15) hat und dass mehrere Turbinen (43) mit den Zylindern (18) über die Düsen (31) verbunden sind, die an die Zylinder (18) und die Turbinen (43) grenzen.
21. 21. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Abtriebswelle (79) der Turbine (43) so angeschlossen ist, dass sie Leistung mit der Motorkurbelwelle (25) über ein Drehzahluntersetzungsgetriebe (73, 77) und eine drehrich-tungsgeschaltete Kupplung (A) abgibt, die so konstruiert ist, dass sie Drehmoment nur in einer Richtung überträgt, und über eine Kupplung (B) für begrenztes Drehmoment, so dass die Motorkurbelwelle (25) niemals Leistung zum Drehen der Abtriebswelle (79) der Turbine (43) liefert und auf notwendige Weise schlüpft, um übermässige Trägheitsdrehmomente zu verhindern.

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    45

    50

    55

    60

    65

    3

    666 725