DE2217194A1

DE2217194A1 - Thermischer Motor mit innerer Verbrennung

Info

Publication number: DE2217194A1
Application number: DE19722217194
Authority: DE
Inventors: die Anmelder. F02d 5-02 sind
Original assignee: Jarret, Jacques Henri, Le Vesinet; Jarret, Jean Marie Baptiste, Fourqueux (Frankreich)
Priority date: 1971-04-09
Filing date: 1972-04-10
Publication date: 1972-11-02
Also published as: DE2217194B2; GB1392827A; CA970695A; IT953618B; DE2217194C3; BE816464Q; FR2133179A5

Description

Thermischer Motor mit innerer Verbrennung

Es ist bekannt, daß bei thermischen Motoren mit innerer Verbrennung, welche zylindrische Kolben aufweisen, bei jedem Zyklus eine Menge eines Brenngases verbrannt wird, welches zu großen Teilen aus in dem Zylinder verdichtetem Luftsauerstoff besteht, wobei die Gastemperaturen im allgemeinen Werte über 2000° K erreichen.

Es ist dabei wünschenswert, den Gehalt an Kohlenwasserstoffen ( bezogen auf die Menge an Luftsauerstoff, welcher an der Verbrennung teilnehmen kann, und auf die Sauerstoff menge, welche durch die vollständige Verbrennung des in den Zylinder eingeführten Brenngases aufgenommen wird) zu verringern. Der Gehalt an Kohlenwasserstoffen variiert gewöhnlich bei einer Maximalleistung des Motors von 0,4 für einen Dieselmotor mit großem Luftüberschuß bis zu 1,2 für einen Zünd- und Vergasermotor. Im Ergebnis führt eine Anreicherung des Gemisches zu einer Ausscheidung von drei toxischen Stoffen in die Atmosphäre:

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ORIGIMAL INSPECTED

1. von unverbrannten Verbrennungsrückständen, welche aus einer unvollständigen Verbrennung der Kohlenwasserstoffe folgen,

2. von Kohlenoxyden, welche aus einer Verbrennung in Gegenwart einer ungenügenden Sauerstoffmenge folgen und

3. von Stickstoffoxyden, welche hauptsächlich von dem Wert und der Dauer hoher Temperaturen abhängen.

Wenn man jedoch den Brennstoffanteil wesentlich verringert, ist es erforderlich, die Drehgeschwindigkeit zu vergrößern, damit die auf die Masse bezogene Leistung der Maschine aufrecht erhalten bleibt, was zu einer starken Vergrößerung der mechanischen Verluste führt und die Leistung in einem unzulässigen Maß verkleinert.

Um einen Verbrennungsmotor ohne unverbrannte Verbrennungsrückstände und mit hoher Leistung zu verwirklichen, sind daher gleichzeitig folgende Maßnahmen ■ zu treffen:

a) eine Verringerung des Brennstoffanteiles

b) ein kleines und von der Frequenz unabhängiges Verhältnis von "Mechanischen Verlusten/Leistung" und

c) eine Verringerung der Maximaltemperatur und der •Zeitdauer mit hohen Temperaturen.

Die vorliegende Erfindung löst die obigen Probleme, indem eine Verbrennungsmaschine mit wenigstens einem Zylinder geschaffen wird, welcher Einlaß- und Auslaßöffnungen aufweist und in welchem sich zwei bewegliche Geräte bewegen, die symmetrisch sind und gegenüberliegende Kolben aufweisen, die dazu bestimmt und geeignet sind, das in den Zylinder eingeführte Gemisch unter der Wirkung von zwei.elastischen Getriebeeinrichtungen zu verdichten.

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Erfindungsgemäß wird eine thermische Maschine mit einer Verbrennung ohne unverbrannte Verbreiinungsrüclcstande geschaffen, welche wenigstens einen Zylinder aufweist, der * mit Einlaß- und Auslaßöffnungen versehen ist und in welchem sich zwei bewegliche Geräte bewegen, die symmetrisch sind und einander gegenüberliegende Kolben bilden, die unter der Wirkung eines Getriebes aus zwei elastischen Einrichtungen ein in den Zylinder eingeführtes Brenngemisch verdichten, so daß unter der Wirkung der verbrannten Gase durch die Hin- und Herbewegung der beweglichen Geräte eine Nutzenergie erzeugt wird. Bei der erfindungsgemäßen Maschine wird die erzeugte Energie ohne die Anwesenheit desmodromischer, mit den Kolben verbundener Übertragungsgliedern abgeführt, wobei die Kolben eine Masse zwischen 35 Gramm pro ecm des Zylindervolumens haben, bezogen auf dessen maximalen Wert, wenn die beweglichen Geräte die Einlaß- und Auslaßöffnungen verschliessen, wobei die bei jedem Zyklus eingespritzte ' Brennstoffmenge bei maximaler Leistung zwischen 0,01 und 0,02 Miligramm Gasöl pro ecm des MaximalVolumens ( oder eine an thermischer Energie äquivalente Menge eines anderen Brennstoffes ) beträgt. Dabei sind die elastischen Getriebeeinrichtungen der beweglichen Geräte derart ausgelegt, daß sie bei jedem Zyklus eine mechanische Energie zwischen 0,5 und 2 Joule pro ecm des MaximalVolumens speichern und wieder abgeben.

Verschiedene andere Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist als nicht einschränkendes Beispiel in der Zeichnung dargestellt.

Die einzige Figur der Zeichnung stellt .einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Maschine dar.

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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, weist die Maschine einen einzigen thermischen Zylinder 1 auf, in welchem zwei bewegliche zylindrische Geräte 2 und 3 angeordnet sind. Der thermische Zylinder 1 weist Einlaßöffnungen 4 und 5 und Auslaßöffnungen 6 und 7 auf. Die beweglichen Geräte 2 und 3 bewegen sich symmetrisch zwischen einem inneren Totpunkt, der erreicht ist, wenn die aufeinander zuweisenden Arbeitsflächen der gegenüberliegenden Kolben sich um 0,2 cm voneinander befinden, bevor sie das in die mittlere im Volumen variable Kammer 8 , welche sie begrenzen, eingeführte Brenngemisch verdichten, und einem äußeren Totpunkt hin und her, welcher erreicht wird, wenn die gegenüberliegenden Flächen der Kolben die Flüssigkeit der beiden hydroelastischen Getriebeeinrichtungen 9 und 10 zusammengedrückt haben. Jeder Kolben trägt gleichermaßen eine Masse aus ringförmigen Platten 11 und 12, welche sich bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens innerhalb eines ringförmigen Induktionsapparates 13 oder 14 verschiebt. Die Induktionsapparate 13 und 14 stellen ebenso wie die Plattenpakete 11 und 12 Anlaßorgane zum Inbetriebsetzen der Maschine, Steuerorgane zur Phasenverschiebung der freilaufenden Kolben und Quellen für die Erzeugung und die Abgabe von elektrischer Energie dar, welche beim Betrieb der Maschine von dieser geliefert wird.

Es ist offensichtlich, daß man mit der Maschine eine andere Energieform verwirklichen kann, beispielsweise eine hydraulische Energie, welche an den hydraulischen Einrichtungen 9 und 10 abgenommen wird, die dann einen Flüssigkeitseinlaß und -auslaß aufweisen, oder auch eine in analoger Weise erzeugte pneumatische Energie.

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V/ie aus Obigem hervorgeht, besteht eine der Bedingungen für die Schaffung einer thermischen Maschine ohne unverbrannte Verbrennungsrückstände darin, den Anteil des Brennstoffes auf einen Wert zu senken, welcher erheblich unterhalb dem liegt, welcher die Verwendung eines großen Sauerstoffanteils mit sich bringt. Erfindungsgemäß wird, um diese Bedingung zu erfüllen, das bei jedem Zyklus eingespritzte Brennstoffgewicht im Fall eines Kohlenwasserstoffes wie GaSo¹I auf einen Wert unterhalb oder gleich 1/5o des in der Kammer 8 verdichteten Luftgemischs begrenzt.

Um die zweite Bedingung zu erfüllen und das Verhältnis "Mechanische Verluste/Leistung" klein und unabhängig von der Bewegungsfrequenz zu machen, beseitigt man vollständig ein desmodromisches Übertragungssystem, wie Gelenke, und nimmt die gelieferte Energie direkt ab, wie oben beschrieben, entsprechend der Art der erzeugten Energie.

Um die dritte Bedingung zu erfüllen, begrenzt man die im verdichteten Gas erzeugte Energiemenge unter Vermittlung der beweglichen Geräte mittels der Einrichtungen 9 und und man verringert die Masse dieser Geräte, was es erlaubt, die Bewegungsfrequenz auf einen Wert von beispielsweise über 5o Zyklen- pro Sekunde zu vergrößern und somit den Zeitraum, in welchem hohe Verbrennungstemperaturen herrschen, zu verringern.

Erfindungsgemäß wird in der Kammer 8 nach dem Schließen der öffnungen 4—5 und 6-7 ein Maximalvolumen von 200 ecm vorgesehen. Die Menge des durch eine Einspritzvorrichtung 15 eingespritzten Brennstoffes beträgt zwischen 0,01 und 0,02 mg Gasöl/ccm des Maximalvolumens oder eine an thermischer Energie äquivalente Menge eines anderen Brennstoffes.

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Im vorliegenden Beispiel ist die Brennstoffmenge auf 0,015 mg/ccm, also auf 3 mg, festgelegt. Wenn man annimmt, daß das in dem Zylinder enthaltene Luftgewicht 0,2 g beträgt, ist das Verhältnis von Brennstoff zu Luft 1/67, was einen beträchtlichen Luftüberschuss bedeutet und einen Brennstoffgehalt in der Größenordnung von 0,22.

In einer solchen Maschine ist, wenn die Einspritzung vor dem inneren Totpunkt endet und für eine geeignete Zerstäubung gesorgt wird, die Verbrennung vollständig, ohne daß unverbrannte Rückstände vorhanden sind.

Im Falle eines großen Luftüberschusses kann man nahezu vollständig die Bildung von Kohlenoxyden vermeiden, wenn die Verteilung des Brennstoffes in dem Zylinder durch die Einspritzung und durch die Gasbewegungen ohne großen Druck ausreichend ist und zu einem homogenen Gemisch führt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die hydroelastischen Getriebeeinrichtungen so ausgelegt, daß sie eine Gesamtenergie zwischen 0,5 und 2 Joule pro ecm speichern und wiedergeben, das sind im Fall von 1 Joule pro ecm 2oo Joule. Um dies zu erreichen, enthält jede elastische Einrichtung 200 ecm Gasöl, welches bei jedem Zyklus auf einen Druck von 426 bar zusammengedrückt wird. Wenn die Kompressibilität des Gasöls o,qooo55 pro bar beträgt, ist die in jeder elastischen Einrichtung gespeicherte Energie:

0,000 Oft χ 426² χ 200 2o

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Andererseits sorgt man dafür, daß die beweglichen Geräte eine Masse zwischen 35 Gramm pro ecm des Maximalvolumens haben. Diese Masse ist im vorliegenden Beispiel auf 1o g pro ecm festgelegt, was 2 kg für beide Geräte entspricht. Jedes Gerät mit einer Masse von 1 kg kann durch die elastische Einrichtung 9 und 10 mit einer theoretischen Maximalgeschwindigkeit von\2 χ 100 ■= 14,4 m/s zurückbewegt wer-

den, was einer mittleren Geschwindigkeit von 1o m/s entspricht. Die Betriebsfrequenz der Maschine beträgt daher 1oo Zyklen pro Sekunde. Die Dauer jedes Zyklus beträgt somit 1o ms und die Zeitdauer für Temperaturen über 1200° K liegt in der Größenordnung von 1 ms.

Die Maximaltemperatur kann nur zur Aufheizung des Gases führen, welche einerseits aus der Verbrennung der eingespritzten Brennstoffe und andererseits aus der Umwandlung von etwa 8o % der durch die hydroelastischen Getriebeeinrichtungen wiederhergestellten mechanischen Energie folgt. Wenn man in vorliegendem Beispiel eine Thermoleistung von 1o Kalorien pro 1 mg Brennstoff und eine mittlere spezifische Wärme von o,25 annimmt, entspricht die Aufheizung des Gases angenähert

.(1Ox 3) ₊(|^ö x 0,8)

1 0,2 χ 0,25

Wenn im Augenblick des Schließens der öffnungen die Gastemperatur 35o ° K beträgt, wird eine Maximaltemperatur von 136o + 35o » 17I0 ° K erreicht.

Bei einer solchen Maximaltemperatur und einer solchen Hochtemperatur-Zeitdauer von 1 ms ist die Bildung von Stickoxyden extrem gering.

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Die Maschine stößt daher praktisch keine schädlichen .Gase aus und darüber hinaus ist ihre Leistung einerseits wegen des großen volumetrischen Verhältnisses von 1/26 und wegen der geringen Verluste an den Wänden und andererseits wegen der geringen mechanischen Verluste, die aus der Abwesenheit von desmodromisehen Übertragungsgliedern folgen, vergrößert. Außerdem erhält man eine erhebliche Leistung, etwa 8 PS pro 200 ecm wirksamen Zylindervolumens, ungeachtet des geringen Brennstoffgehaltes, bei erhöhter Frequenz und gutem Wirkungsgrad.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und im einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können vielmehr diverse Abwandlungen vorgenommen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Unter desmodromisch im Sinne der vorstehenden Ausführungen wird zwangsverbunden oder gekuppelt verstanden. Desmodromische übertragungsglieder sind somit gebundene, insbesondere mechanische Übertragungsglieder .

Pat ent ansprüche

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Claims

Pate.nt ansprüche

ί 1.)Thermische Verbrennungsmaschine mit wenigstens einem V_/ Zylinder, welcher Ein- und Auslaßöffnungen aufweist und in welchem zwei bewegliche symmetrische Geräte bewegbar gelagert sind, welche zum Verdichten eines in den Zylinder eingeführten Brenngemische mit zwei elastischen Getriebeeinrichtungen zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die unter der Wirkung der im Zylinderraum (8) verbrannten Gase auf die beweglichen Geräte (2,3 ) einwirkende Nutzenergie von diesen ohne mit denvKolben, insbesondere mechanisch, gekuppelte Übertragungsglieder abgeführt ist, daß die Kolben eine Masse zwischen 5 und 3o Gramm pro ecm des Zylindervolumens bezogen auf dessen maximalen Wert bei geschlossenen Ein- und Außl aß öffnung en (4·,5>6,7) haben, daß die bei jedem Bewegungszyklus der Kolben eingespritzte Brennstoffmenge bei Maximalleistung zwischen 0,01 und 0,02 mg Gasöl oder eine thermischer Energie äquivalente Menge eines anderen Brenngases, pro ecm des maximalen Zylindervolumens trägt und daß die elastischen Getriebeeinrichtungen (9j10) der mobilen Geräte (2,3) derart ausgelegt sind, daß sie bei jedem Zyklus eine mechanische Energie zwischen 0,5 und zwei Joule pro pcm des maximalen Zy- * lindervolumens speichern und wieder abgeben.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Getriebeeinrichtungen (9»10) von zwei hydraulischen, in dem Zylinder angeordneten, bei jedem Zyklus durch die Eückflachen der beweglichen Geräte zusammendrückbaren Füllungen gebildet sind.

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3· Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, · daß sie eine elektrische, durch die Hin- und Herbewegung einer aus Platten geschichteten magnetischen Masse (11,12), welche auf jedem Kolben (2,3) angeordnet ist, relativ zu einem Induktionsapparat (13^²O, welcher auf dem Zylinder (1) befestigt ist, erzeugte Nutzenergie liefert.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Energie eine hydraulische Energie ist, welche aus den elastischen Getriebeeinrichtungen (9,10) abnehmbar ist, die mit einem Flüssigkeitseingang und einem Flüssigkeitsausgang verbunden sind.

$. Maschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Energie eine pneumatische Energie ist.

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