DE3017385C2 - Wassergekühlte Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine wassergekühlte Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Derartige Brennkraftmaschinen, bei denen mindestens eine Arbeitskammer sowohl mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch als auch mit Dampf beaufschlagt wird, sind bekannt. Beispielsweise ist in der US-PS 75 702 eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei der sich auf den Zylindern eine Dampferzeugungseinrichtung befindet, die vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine gespeist wird. Das in der Dampferzeugungseinrichtung befindliche Wasser wird durch die heißen Auspuffgase erwärmt und in Dampf übergeführt, mit dem die jeweiligen Zylinder zusätzlich zum Brennstoff-Luft-Gemisch beaufschlagt werden. Das Verschlußelement der Dampfeintrittsöffnungen der Zylinder wird dabei von der Nockenwelle der Brennkraftmaschine geöffnet, wobei vorausgesetzt wird, daß der Dampfdruck immer größer ist als der Zylinderinnendruck. Das Kühlwasser steht bei dieser bekannten Brennkraftmaschine immer mit der Dampferzeugungseinrichtung in Verbindung.

Eine Brennkraftmaschin^ der im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Art ist aus der GB-PS 49 535 bekannt. Auch hierbei wird das erhitzte Kühlwasser aus dem Kühlmantel in die Einrichtung zur Dampferzeugung geführt und dort in Dampf umgewandelt. Der Dampf wird von der Dampferzeugungscinrichtung über ein Leitungssystem der Dampfeintrittsöffnung in den Zylinder zugeführt.

Nach der Lehre der GB-PS 3 49 535 soll die Zuschaltung des Dampfieiles dann erfolgen, wenn die entsprechende Arbeitstemperatur und der entsprechende Arbeitsdruck des Dampfes erreicht ist Die Zuschaltung erfolgt durch Betätigung einer Steuereinrichtung, bei der es sich um eine Handkurbel handelt Dies bedeutet, daß das Kühlwasser immer, d. h. in jeder Phase des Betriebes der Brennkraftmaschine, durch die Dampferzeugungseinrichtung geführt wird. Es ist keine Möglichkeit vorhanden, die Dampferzeugungseinrichtung zu umgehen. Ferner ist nicht darauf hingewiesen, in welcher

ι ο Weise das verbrauchte Kühlwasser ergänzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsmaschine der angegebenen Art zu schaffen, bei der die automatische Zu- bzw. Abschaltung des Dampfteils mit möglichst einfachen Mitteln erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.

Mit den erfindungsgemäß angegebenen Lösungsmitteln kann die Brennkraftmaschine in einfacher Weise in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Maschine gesteuert werden. Dabei wird das Verschlußelement (Dampfeinlaßventil) erst dann automatisch geöffnet, wenn der am Verschlußelement anstehende Dampfdruck den nach Zündung des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches erreichten Kammerinnendruck übersteigt. Mit anderen Worten, in der Anlaufphase der Maschine, in der sich der Dampfdruck erst aufbaut, läuft die Maschine alc reiner Verbrennungsmotor, und erst wenn der Dampfdruck größer wird als der Kammerinnendruck wird der Dampfteil zugeschaltet. Beispielsweise liegt der Zylinderinnendruck bei Otto-Motoren etwa in einem Bereich von 30—40 bar, so daß ein über diesen Werten liegender Dampfdruck zur Verfügung gestellt werden muß, der beispielsweise um 50 bar liegen kann.

Um die durch die Dampfeinführung in die Arbeitskammer erreichte kinetische Energie vollständig zu nutzen, kommt es wesentlich darauf an, daß die Dampfeinführung mit dem durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkten Arbeitstakt des Kolbens richtig koordiniert wird. Die Steuervorrichtung für das Verschlußelement ist daher derart ausgebildet, daß dieses etwa im oberen Totpunkt des Kolbens bei verdichtetem Kraftstoff-Luft-Gemisch geöffnet und vor Erreichen des unteren Totpunktes des Kolbens geschlossen wird. Der Kolben wird somit sowohl durch den in den Arbeitszylinder bzw. in die Arbeitskammer eindringenden, expandierenden Dampf als auch durch das expandierende gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch abwärts getrieben, wobei die Dampfzufuhr vor Erreichen des

so unteren Kolbentotpunktes gestoppt wird. Der Niederdruckdampf wird dann zusammen mit dem verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisch ausgestoßen und gelangt in das Auspuffsystem der Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine verbraucht daher zusätzlich zum Kraftstoff Wasser, und es ist erforderlich, falls die Maschine für einen mobilen Antrieb genutzt wird, in entsprechenden Zeitabständen Wasser nachzutanken.

Um ein taktweises Öffnen und Schließen des Verschlußelementes für die Dampfeintrittsöffnung in abge-

bo slimmter Weise zum Arbeitstakt des Kolbens des Arbeitszylinders bzw. der Arbeitskammer zu erreichen, können in verschiedenartiger Weise ausgebildete Steuervorrichtungen Anwendung finden. Neben geeigneten elektronischen Steucrungscinrichtungen können insbc-

(i"> sondere mechanische Steuerungseinrichtungen Verwendung finden, die beispielsweise über eine durch die Kolbcnbewegung getriebene Welle angetrieben werden. Hierbei weist die Steuervorrichtung eine lösbare

Arretiervorrichtung auf, die eine Arretierung des Verschlußelementes bzw. Ventils im geschlossenen Zustand bis etwa zum Erreichen des oberen Kolbentotpunktes bewirkt. Etwa bei Erreichen des oberen Kolbentotpunktes wird das Verschlußelement von der Arretiervorrichtung freigegeben, so daß sich dieses bei Überdruck auf der Dampfseite öffnen kann. Vor Erreichen des unteren Kolbentotpunktes wird eine erneute Arretierung des Verschlußelementes bewirkt. Hierbei funk-

von dem Speisewasser durchströmt wird, während die heißen Auspuffgase das Rohrschlangensystem umströmen. Derartige Ausführungsformen sind jedenfalls dem Fachmann hinreichend bekannt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemazeichnung, die den Aufbau einer mit Dampf beaufschlagbaren, wassergekühlten Brenn-

tioniert das Verschlußelement sozusagen als Sicher- 10 kraftmaschine verdeutlicht, wobei aus Übersichtlichheitsventil und wird nur über einen begrenzten Zeit- keitsgründen nur ein Arbeitszylinder dargestellt ist;
raum (etwa vom oberen Kolbentotpunkt bis vor den
unteren Kolbentotpunkt ) von dieser Arretierung frei

g gegeben. Wenn das Ventil freigegeben ist, bewirken alFig. 2 einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Arbeitszylinder für einen dampfbeaufschlagten, wassergekühlten Viertakt-Otto-Motor mit

lein die Druckverhältnisse auf der Dampfseite und der 15 hängenden Ventilen, wobei im Schnitt das Ein- und das Zylinderinnenseit-e ein Öffnen bzw. Geschlossenhalten Auslaßventil für das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erkendes Ventils. Ist auf der Dampfseite ein Überdruck vor- nen sind;

handen, so wird das Ventil geöffnet und verbleibt so Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausfüh-

la:ige in diesem Zustand, bis die Arretiervorrichtung das rungsform einer Steuerungseinrichtung für die Dampf-Ventil schließt und dieses im geschlossenen Zustand 20 eintrittsöffnung des Arbeitszylinders; und
hält. Offensichtlich muß diese Arretiervorrichtung so F i g. 4 eine stark vereinfacht dargestellte Draufsicht

ausgelegt sein, daß sie dem auf der Dampfseiti anste- auf den Kopf des Arbeitszylinders der F i g. 2 und 3.
henden Maximaldruck standhalten kann. Bei der in F i g. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1

Hiermit kann eine automatische Zuschaltung des handelt es sich um einen Viertakt-Otto-Motor, von dem Dampfteils der Maschine zur Verbrennungsteil erfol- 25 aus Übersichtlichkeitsgründen nur ein Arbeitszylinder 2 gen, wenn der Dampfteil in der Lage ist, die über den dargestellt ist. Der Motor kann beispielsweise als Rei-Verbrennungsteil erreichte Leistung zu erhöhen. Die henmotor, V-Motor oder als Boxermotor ausgebildet Zuschaltung erfolgt in der vorstehend beschriebenen sein und eine beliebige Zylinderzahl aufweisen. Bei dem Weise durch Vergleich der Drücke auf beiden Seiten im Ausführungsbeispiel (F i g. 2 und 3) gezeigten Motor des Verschlußelementes, wobei jedoch, wie erwähnt, 30 handelt es sich um einen Reihenmotor mit oben liegennur innerhalb einer genau begrenzten Phase der KoI- der Nockenwelle und hängenden Ventilen.

Der Verbrennungsmotor weist in üblicher Weise einen Kraftstofftank 18 auf, von dem Kraftstoff einem Vergaser 17 zugeführt werden kann. Das im Vergaser rungseinrichtungen zu versehen, über die, entweder au- 35 gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch wird über entspretomatisch oder manuell, ein grundsätzliches Zu- oder chende Ansaugkrümmer in die einzelnen Arbeitszylinder eingeführt. Wie in F i g. 1 dargestellt ist, gelangt das im Vergaser 17 gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch zu einer im Arbeitszylinder 2 ausgebildeten Eintrittsöffweder nur auf herkömmlichen Verbrennungsbetrieb 40 nung5.
oder auf Verbrennungs-Dampf-Betrieb geschaltet wer- Bei der in Fi g. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1

den. So ist es beispielsweise möglich, nur dann, wenn die handelt es sich um einen wassergekühlten Motor, desMaschine unter bestimmten Lastbedingungen läuft, den sen im Kühlsystem befindliches Kühlwasser gleichzeitig Dampfteil zuzuschalten, was beispielsweise über geeig- als Speisewasser für eine Einrichtung zur Dampferzeunete automatische Steuerungseinrichtungen erfolgen 45 gung 13 verwendet wird; der dort erzeugte Dampf wird kann, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Last einen über ein geeignetes Leitungssystem 30 dem Arbeitszyderartigen Schaltvorgang bewirken. linder 2 zugeführt, und zwar einer Dampfeintrittsöff-

Die Brennkraftmaschine eignet sich insbesondere für nung 6 des Zylinders, die in diesem zusätzlich zu der mobile Antriebe. Sie kann in Form der bekannten Ver- Eintrittsöffnung 5 für das Kraftstoff-Luft-Gemisch und brennungsmotoren ausgebildet sein, beispielsweise als 50 der Austrittsöffnung 4 für das verbrannte Gasgemisch

benbewegung eine Zuschaltung erfolgen soll bzw. kann.

Es empfiehlt sich, die erfindungsgemäß ausgebildete

Brennkraftmaschine desweiteren mit geeigneten Steue-

, g

Abschalten des Dampfteils zum bzw. vom Verbrennungsteil möglich ist. Wenn die Maschine mit derartigen Einrichtungen versehen ist, kann sie phasenweise entd

Zweitakt- und Viertakt-Otto-Motor, als Kreiskolbenmotor oder als Dieselmotor. Die Zahl der Arbeitszylinder bzw. Arbeitskammer ist ohne Bedeutung, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Motoren bei vergleichbarer Leistungsabgabe mit herkömmlich ausgebildeten Motoren eine Hubraumreduzierung und damit ein verminderter Kraftstoffverbrauch erzielen läßt.

Die Einrichtung zur Dampferzeugung umfaßt einen

vorgesehen ist. Das Speisewasser-Kühlwasser-System ist dabei folgendermaßen aufgebaut:

Die Maschine ist mit einem Wassertank 7 versehen, in dem eine geeignete Menge Wassers gelagert wird. Da die Maschine Wasser verbraucht, muß der Tank 7 in bestimmten Zeitabständen wieder aufgefüllt werden. Vom Wassertank 7 gelangt Wasser über ein geeignetes Leitungssystem 8 zum Motorblock, wo es in die dort vorgesehenen Kühlräume eingeführt wird. In F i g. 1 ist i d dll

Dampfkessel, in dem Speisewasser durch Wärmeaus- 60 ein den dargestellten Arbeitszylinder 2 umgebender tausch mit den Auspuffgasen des Verbrennungsmotors Kühlmantel 3 gezeigt. Das im Kühlmantel 3 befindliche in Dampf überführbar ist. Der Dampfkessel ist hierzu
vorzugsweise als Wärmetauscher ausgebildet und weist

eine von den heißen Auspuffgasen des Verbrennungs-

Wasser nimmt die vom Arbeitszylinder 2 während des Betriebes desselben abgegebene Wärmeenergie auf und wird als Siedewasser über eine Leitung 9 und ein ent-

motors durchströmte Heizschlange für das Speisewas- 65 sprchendes Pumpaggregat 10 abgepumpt. In der Leiser auf. Naturgemäß sind auch andere Ausführungsfor- tung 9 ist ein geeignetes Dreiwegeventil 11 angeordnet, men für den Wärmetauscher denkbar. Beispielsweise
könnte dieser ein Rohrschlangensystem aufweisen, das

über das das siedende Kühlwasser entweder der Einrichtung 13 zur Dampferzeugung oder einem herkömm-

lieh ausgebildeten Kühler 19 zugeführt werden kann. Natürlich kann mit dem Ventil 11 auch eine Aufteilung des Kühlwasserstromes durchgeführt werden, so daß eine Teilmenge in die Dampferzeugungseinrichtung und eine Teilmenge zum Kühler 19 geführt wird. Die zur Dampferzeugungseinrichtung 13 geführte Siedewassermenge gelangt über eine Leitung 12 in diese und wird dort in Trockendampf bzw. Heißdampf überführt. Um dies zu erreichen, ist die Einrichtung 13 als Wärmetauscher ausgebildet und weist ein Heizschlangensystem 14 auf, das von den heißen Auspuffgasen des Motors durchströmt wird. Der Dampf gelangt dann über ein weiteres Leitungssystem 30, in dem ebenfalls eine geeignete Ventileinrichtung 21 (Drosselventil, Sperrventil ) vorgesehen ist, zur Dampfeintrittsöffnung 8 des Arbeitszylinders 2.

Die genaue Funktionsweise des Arbeitszylinders 2 wird in Verbindung mit den F i g. 2 bis 4 beschrieben. An dieser Stelle sei nur bemerkt, daß sowohl durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches als auch durch die Einführung des Dampfes in den Zylinder 2 Arbeit geleistet wird, die über eine geeignete Einrichtung (Kurbelwelle) in Form einer Rotationsbewegung zur Verfugung gestellt wird. Die über die im Arbeitszylinder 2 vorgesehene Austrittsöffnung 4 austretenden verbrannten Gase und der aus der Öffnung 4 austretende Niederdruckdampf gelangen über ein Leitungssystem 16 in die erwähnte Heizschlange 14 der Dampferzeugungseinrichtung 13 und werden nach Passieren der Heizschlange einem Auspuffsystem 15 zugeführt.

Diejenige Teilmenge des Kühlwassers, die durch das Dreiwegeventil 11 für den Kühlkreislauf abgezweigt wird, gelangt über eine Leitung 20 in einen herkömmlich ausgebildeten Kühler 19, in dem das siedende Wasser gekühlt wird. Das abgekühlte Wasser wird dann in den Wassertank 7 zurückgeführt, von wo es erneut dem Motorblock zugeführt wird. Wie erwähnt, kann das Wasser je nach Bedarf durch den Kühlkreis bzw. den Dampfteil geführt werden.

In Fig. 2 ist in schematischer Weise der in Fig. 1 gezeigte Arbeitszylinder 2 im Längsschnitt dargestellt. Der Arbeitszylinder ist, wie vorstehend ausgeführt, neben den üblichen Ein- und Austrittsöffnungen 21, 22 für das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer weiteren Eintrittsöffnung versehen, der über das Leitungssystem 30 von der Dampferzeugungseinrichtung 13 Heiß- bzw. Trockendampf zugeführt wird. Dieser Dampf wird nur dann in den Arbeitszylinder eingeführt, wenn er den durch Zündung des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches eingeleiteten Arbeitstakt des Kolbens 29 unterstützt. Dies wird dadurch erreicht, daß der Dampfeintritt etwa im oberer. Totpunkt des Kolbens 29 erfolgt, so daß der im Zylinder expandierende Dampf die durch das expandierende gezündete Gasgemisch erfolgende Abwärtsbewegung des Kolbens beschleunigt.

In F i g. 2 ist der Arbeitszylinder 2 in der Phase dargestellt, in der sich der Kolben 29 nach Zündung des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine übliche Zündkerze 28 abwärts bewegt und dadurch Arbeit leistet Dabei befindet sich sowohl das Einlaßventil 23 als auch das Auslaßventil 24 im geschlossenen Zustand. Bei beiden Ventilen handelt es sich um hängend angeordnete Ventile, die über Kipphebe! 25,26 betätigt werden, welche durch eine Nockenwelle gesteuert werden, von der ein Nocken 27 in schematischer Weise dargestellt ist.

In F i g. 3 ist die Steuervorrichtung für das Ventil für die Dampfeintrittsöffnung dargestellt Die Steuervorrichtung sorgt dafür, daß das Öffnen des Ventiles 41 erst dann erfolgt, wenn der Druck des zugeführten Dampfes den Zylinderinnendruck nach erfolgter Zündung des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches übersteigt. Mit anderen Worten, hierbei erfolgt erst dann ein öffnen des Ventiles 41, wenn durch den bereitgehaltenen Dampf zusätzliche Arbeit geleistet werden kann. Dies wird steuerungstechnisch so verwirklicht, daß ein üblicher Kipphebel 42 von einer exzentrisch gelagerten Nockenscheibe 44 betätigt wird. Wenn das Ventil 41 die Dampfeintrittsöffnung 40 geschlossen hält, befindet sich der Kipphebel in der in F i g. 3 bei 43 gestrichelt dargestellten Lage. In dieser Lage wird der Kipphebel durch die Nockenscheibe 44 arretiert, so daß auch bei auf der Dampfseite vorhandenem Überdruck kein öffnen des Ventiles erfolgen kann. Wenn jedoch etwa der obere Totpunkt des Kolbens erreicht ist, hat die Nockenscheibe 44 durch Drehung etwa die in F i g. 3 dargestellte Stellung eingenommen, wodurch der Kipphebel 42 aus der bei 43 angedeuteten Stellung herausgeschwenkt werden kann. Die Arretierung des Ventils 41 ist nunmehr gelöst, so daß das Ventil durch den vorhandenen Überdruck geöffnet wird und der Dampf in den Arbeitszylinder einströmen kann. Vor Erreichen des unteren Kolbentotpunktes wird der Kipphebel durch die sich weiter drehende Nockenscheibe 44 mit Unterstützung der Ventilfeder in die bei 43 gezeigte Lage zurückgeschwenkt, wodurch das Ventil 41 wieder geschlossen wird.

Fig.4 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf den Zylinderkopf, wobei die Dampfeintrittsöffnung 40, die Eintrittsöffnung 21 für das Kraftstoff-Luft-Gemisch und die gemeinsame Austrittsöffnung 22 für das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch und den Niederdruckdampf dargestellt sind. Es versteht sich von selbst, daß in bezug auf den Arbeitszylinder entsprechende Maßnahmen getroffen sind, um eine Korrosion durch den in den Brennraum eingeführten Dampf zu vermeiden. Hierzu können die bei Dampfmotoren gewonnenen Erfahrungen nutzbar gemacht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Wassergekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einer Arbeitskammer, in der durch Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches ein Arbeitstakt eines Kolbens eingeleitet wird, einer Einrichtung zur Dampferzeugung, die durch die von der Arbeitskammer abgegebene Wärmeenergie und deren heiße Auspuffgase betreibbar ist und durch das Kühlwasser der Brennkraftmaschine gespeist wird, einer Einrichtung zur Zuführung des erhitzten Kühlwassers zur Dampferzeugungseinrichtung, einer Einrichtung zur Zuführung des Dampfes von der Erzeugungseinrichtung zu der Arbeitskammer, einer Dampfeintrittsöffnung für die Kammer, einem bewegbaren Verschlußelement für die Dampfeintrittsöffnung und einer Steuereinrichtung zum taktweisen Öffnen und Schließen des Verschlußelementes, so daß der Kolben während seines Arbeitstaktes durch das geöffnete Verschlußelement mit Dampf beaufschlagbar ist, gekennzeichnet durch
   ein Dreiwegeventil (11) in einer das erhitzte Kühlwasser führenden Leitung (9), durch welches das Kühlwasser über anschließende Leitungen (12, 20) gleichzeitig oder alternativ der Dampferzeugungseinrichtung (13) und/oder über einen Kühler (19) einem nachfüllbaren Wassertank (7) zuführbar ist, und eine Steuervorrichtung (42, 43, 44), die das Ventil (41) zum Einlaß von Dampf in die Arbeitskammer (2) schließt, bzw. geschlossen hält und nur während eines Teils des Expansionstaktes freigibt, so daß es dann bei Überdruck auf der Dampfseite öffnen kann.