DE2142458A1

DE2142458A1 - COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: DE2142458A1
Application number: DE19712142458
Authority: DE
Inventors: Walter Swoboda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-08-25
Filing date: 1971-08-25
Publication date: 1973-03-08

Description

Verbrennungsmotor Die allgemein bekannten Nachteile des Otto-Motors führten letztlich dazu, daß viele verschiedene (sehr unterschiedliche) Konstruktionen von Dreh-und Kreiskolbenrnaschinen entwickelt wurden. Zur praktischen Anwendung gelangte lediglich der Wankelmotor. Aber auch dieser Motor hat einige negative Eigenschaften des Hubkolbenmotors; z. B. geringes Drehmoment bei kleiner Drehzahl, es wird eine Kupplung und ein Schaltgetriebe benötigt, es werden Ansprüche an den Kraftstoff gestellt. Die Abgase weisen ähnliche Anteile von Kohlenmonoxyd, Stickoxyd, unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Blei auf, wie konventionelle Hubkolbenmotoren. Zusätzliche Einrichtungen zur Abgasentgiftung sind erforderlich.Internal combustion engine The well-known disadvantages of the Otto engine ultimately led to many different (very different) constructions of rotary and rotary piston machines. For practical use only got the rotary engine. But this engine also has some negative properties of the reciprocating engine; z. B. low torque at low speed, it becomes a Clutch and a manual gearbox are required, there are demands on the fuel posed. The exhaust gases have similar proportions of carbon monoxide, nitrogen oxide, unburned Hydrocarbons and lead, like conventional reciprocating engines. Additional Facilities for exhaust gas decontamination are required.

In den USA wurden Versuche mit Dampfmaschinen unternommen, denn eine kontinuierliche Verbrennung wirft keinerlei Probleme bezüglich des Kraftstoffes und der Abgaszusammensetzung auf. Kondensator und Kessel haben jedoch beachtliche Ausmaße, abgesehen von den Schwierigkeiten mit der Schmierung und dem Arbeitsmedium.In the USA, attempts have been made with steam engines, because one continuous combustion does not pose any problems in terms of fuel and the exhaust gas composition. However, the condenser and boiler have considerable Dimensions, apart from the difficulties with lubrication and the working medium.

Die Abgaszusammensetzung von Motoren, die mit flüssigen Kohlenwasserstoffen betrieben werden, kann nur durch eine kontinuierliche Verbrennung optimale Werte erbringen. Nicht nur, daß dann keinerlei Ansprüche an die Klopffestigkeit gestellt werden, so daß Zusätze von Bleiverbindungen entfallen, vor allem die Emission schädlicher Stoffe weist nur noch Bruchteile der Werte auf, die bei intermittierender Verbrennung gemessen werden.The exhaust gas composition of engines that use liquid hydrocarbons can only be operated with continuous combustion provide. Not only that then no claims are made on the knock resistance so that additions of lead compounds are not required, especially the emission of harmful substances Substances only show fractions of the values they would with intermittent combustion be measured.

Verbrennungsmotoren mit äußerer Verbrennung sind bekannt, jedoch konnten mit den seitherigen Konstruktionen die hohen Temperaturen nicht beherrscht werden.Internal combustion engines with external combustion are known, but could with the previous constructions, the high temperatures cannot be mastered.

Es wird vorgeschlagen, Rotations- oder Hubkolbenrnaschinen als Verdichter, Antrieb des Verdichters und Arbeitsmaschine anzuordnen, so wie es bei der Gasturbine der Fall ist. Die Verbrennung erfolgt kontinuierlich in einer separaten Brennkammer. Die hauptsächlichsten Vorteile sind: Saubere Abgase, höchstes Drehmoment der Arbeitsmaschine bei kleiner Drehzahl, einfache Zündanlage, Schaltgetriebe und Kupplung werden nicht benötigt, da die Arbeitsmaschine mechanisch vom Antrieb des Verdichters getrennt ist. Die Vorteile einer solchen Anordnung gegenüber der Gasturbine sind: Geringere Drehzahl, billigere Herstellung, geringer Verbrauch.It is proposed that rotary or reciprocating machines be used as compressors, To arrange the drive of the compressor and the driven machine, as is the case with the gas turbine the case is. The combustion takes place continuously in a separate combustion chamber. The main advantages are: Clean exhaust gases, maximum torque the driven machine at low speed, simple ignition system, manual transmission and Clutches are not required because the driven machine is mechanically driven by the Compressor is disconnected. The advantages of such an arrangement over the gas turbine are: lower speed, cheaper production, low consumption.

Nachteilig sind die hohen Temperaturen in der Arbeitsmaschine und im Antrieb des Verdichters, da die Kühlwirkung des Gemischs entfällt, wenn die Verbrennung außerhalb der Zylinder erfolgt. Um das Schmierproblem zu umgehen wurde schon verschiedentlich vorgeschlagen, Hubkolbenmaschinen ohne Kolbenringe zu bauen. Deutsche Patentschrift Nr. 1158753.The high temperatures in the machine and are disadvantageous in the drive of the compressor, since the cooling effect of the mixture does not apply when the combustion takes place takes place outside the cylinder. In order to avoid the problem of lubrication, it has been mentioned several times proposed to build reciprocating engines without piston rings. German patent specification No. 1158753.

Zweifellos entstehen durch einen Ringspalt zwischen Kolben und Zylinder Gasverluste. Es entfallen aber dafür die Reibungsverluste zwischen den Kolbenringen und der Zylinderwandung, die bei hoher Verdichtung beträchtliche Werte annehmen können, Je höher die Hubfrequenzen, umso günstiger gestalten sich die Verhältnisse bei Anwendung der Gasdichtung.Undoubtedly arise from an annular gap between the piston and cylinder Gas losses. However, there are no friction losses between the piston rings and the cylinder wall, which take on considerable values at high compression The higher the stroke frequencies, the more favorable the conditions are when using the gas seal.

Damit steht fest, daß als Antrieb des Verdichters ein Kolbentriebwerk mit Ventilen nicht geeignet ist. Es bieten sich zwei Möglichkeiten an. Erstens eine Freikolbenmaschine, welche einfach herzustellen ist. Der Kolben kann mit Rillen versehen werden, die als Labyrinth-Dichtung wirken. Ferner benötigt der Kolben nicht unbedingt eine Lagerung, denn er wird von den komprimierten Gasen zentriert. Wenn auf das iibliche Gaspolster verzichtet wird, das normalerweise den Kolben zurücktreibt, und statt dessen der Kolben von beiden Seiten beaufschlagt wird, können hohe Hubfrequenzen erreicht werden. Einlaß und Auslaß kann durch Schlitze erfolgen.It is therefore certain that a piston engine is used to drive the compressor with valves is not suitable. There are two options. First one Free piston machine that is easy to manufacture. The piston can be grooved which act as a labyrinth seal. Furthermore, the piston does not need absolutely a storage, because it is centered by the compressed gases. if the usual gas cushion, which normally drives the piston back, is dispensed with, and instead of this the piston is acted upon from both sides, high stroke frequencies can occur can be achieved. The inlet and outlet can be through slots.

Die zweite Möglichkeit ist die Anwendung einer Rotationskolbenmaschine.The second option is to use a rotary piston machine.

'Von der Vielzahl der Konstruktionen kommen nur eir9ge wenige in Betracht, da ini C;egensatz zur konventionellen Dreh- oder Kreiskolbenmaschine eine lineare Abdicht Ing ausscheidet. Die berührungslose Gasdichtung erfordert große Flächen, Uifl eine ausreichende Wirkung zu erzielen.'Of the multitude of constructions, only a few come into consideration, In contrast to the conventional rotary or rotary piston machine, it is linear Abdicht ing is eliminated. The non-contact gas seal requires large areas, Uifl to achieve a sufficient effect.

Das ursprünglich als Pumpe gebaute Triebwerk von Behrens eignet sich sehr gut. Wankel hat eine solche Maschine mit Dichtleisten versehen und als Viertaktmotor vorgeschlagen. Deutsche Patentschrift Nr. 637701.The Behrens engine, originally built as a pump, is suitable very good. Wankel provided such a machine with sealing strips and as a four-stroke engine suggested. German patent specification No. 637701.

Außer den schon beschriebenen Vorteilen kommt hinzu, daß ähnlich wie bei der Gasturbine eine mehrstufige Verdichtung und Expansion angewandt werden kann. Der groß dimensionierte Verdichter fördert mehr Luft, als für die Verbrennung benötigt wird. Diese überschüssige Luft wird verwendet, um die Temperatur der Abgase zu senken, bevor sie der Arbeitsmaschine zugeleitet werden. Vorteilhaft ist in jedem Fall, zumindest die Expansion zweistufig vorzunehmen. Die Ausführung von Verdichter und Verdichl:erantrieb in der Form einer Freikolbenmaschine eignet sich durch die günstigen Abmessungen besonders als Unterflurmoto r.In addition to the advantages already described, there is also the fact that similar to multi-stage compression and expansion can be used in the gas turbine. The large compressor conveys more air than is required for combustion will. This excess air is used to lower the temperature of the exhaust gases, before they are fed to the working machine. In any case, it is advantageous to carry out at least the expansion in two stages. The execution of compressor and Verdichl: er drive in the form of a free piston machine is suitable due to the favorable Dimensions especially as an underfloor motor.

Durch die erste Expansion im Antrieb des Verdichters und ein hohes Bypas-Verhältnis der Luft können die Verbrennungsgase, wenn sie den Verdichterantrieb verlassen, auf-eine Temperatur von etwa 300 bis 400 C gebracht werden. Diese Temperatur wäre niedrig genug, daß auch ein konventionelles Hub- oder Rotationskolbentriebwerk als Arbeitsmaschine verwendet werden könnte. Es müßte allerdings die übliche Kühlung vorgesehen werden. Bei Verwendung eines hochtourigen Drehkolben-Triebwerkes mit Gasdichtung kann zwar die Kühlung und Schmierung entfallen; es ist aber ein Untersetzung 5 getriebe erforderlich.By the first expansion in the drive of the compressor and a high The bypass ratio of the air allows the combustion gases when they are driving the compressor left to be brought to a temperature of about 300 to 400 C. This temperature would be low enough that even a conventional reciprocating or rotary piston engine could be used as a work machine. However, the usual cooling would have to be used are provided. When using a high-speed rotary piston engine with Although the gas seal can dispense with cooling and lubrication; but it is a reduction 5 gears required.

Fig. 1 zeigt einen Freikolbenmotor 1 mit angebautem Verdichter 2, separater Brennkammer 3 und nachgeschaltetem Arbeitsmotor 4, welcher als Drehkolbenmotor ausgebildet ist. Der Verdichterkolben 5 ist mit den Kanälen 6 und 7 versehen. Wie die Abbildung zeigt, wird die verdichtete Luft aus der Kammer 8 durch den Kanal 6 in die Luftleitung 9 gedrückt, wenn der Kanal 6 dem Auslaßschlitz 10 gegenübersteht. In die Kammer 11 wird durch den Einlaßschlitz 12 Luft angesaugt. Sobald der Motorkolben 13 den Verdichterkolben 5 in die Kammer 11 drückt, wird der Einlaßschlitz 12 und der Auslaßschlitz 10 vom Verdichterkolben 5 überdeckt.Fig. 1 shows a free piston engine 1 with an attached compressor 2, separate combustion chamber 3 and downstream working engine 4, which as a rotary piston engine is trained. The compressor piston 5 is provided with the channels 6 and 7. As the figure shows, the compressed air from the chamber 8 is through the duct 6 pressed into the air line 9 when the channel 6 faces the outlet slot 10. Air is drawn into the chamber 11 through the inlet slot 12. As soon as the engine piston 13 pushes the compressor piston 5 into the chamber 11, the inlet slot 12 and the outlet slot 10 is covered by the compressor piston 5.

Die Luft in Kammer 11 wird verdichtet, in Kammer 8 entsteht ein Unterdruck.The air in chamber 11 is compressed, and a negative pressure is created in chamber 8.

Sobald der Auslaßschlitz 14 dem Kanal 7 gegenübersteEt, wird die verdichtete Luft aus Kammer 11 in die Leitung 9 strömen. In die Kammer 8 wird zur gleichen Zeit über den Einlaßschlitz 12 Luft angesaugt. Die Steuerung des Motors 1 erfolgt auf die gleiche Weise.As soon as the outlet slot 14 faces the channel 7, the compressed Air from chamber 11 flows into line 9. In the chamber 8 is at the same time Air is sucked in via the inlet slot 12. The control of the motor 1 takes place on the same way.

Die von der Brennkammer 3 kommende Leitung 15 führt das heiße, unter Druck stehende Gas zum Einlaßschlitz 16, es strömt über den Kanal 17 in die Klammer 18 und drückt den Kolben 13 in die Kammer 19. Dort ist das expandierte Gas durch den Auslaßschlitz 20 entwichen. Ebenso wie beim Verdichter bleibt auch im Motor jeweils ein Gas rest zurück, der wieder verdichtet werden muß. Sobald der Kolben 13 seinen rechten Totpunkt erreicht hat, stehen sich Kanal 21 und- Einlaßschlitz 22 gegenüber und es strömt aus der Leitung 15 heißes Gas in die Kammer 19. Die Kammer 18 hat sich inzwischen über den Auslaßschlitz 20 entleert und der Kolben 13 bewegt sich wieder nach links.The line 15 coming from the combustion chamber 3 leads the hot under Pressurized gas to inlet slot 16, it flows through channel 17 into the clamp 18 and pushes the piston 13 into the chamber 19. There the expanded gas is through the outlet slot 20 escaped. As with the compressor, it also stays in the motor a gas residue that has to be compressed again. As soon as the piston 13 has reached its right dead center, there are channel 21 and inlet slot 22 opposite and it flows from the line 15 hot gas into the chamber 19. The chamber 18 has meanwhile emptied through the outlet slot 20 and the piston 13 has moved turn left again.

Die aus dem Verdichter 2 kommende Druckluft strömt über die Leitung 9 in die Brennkammer 3. Um die Luftförderung des Verdichters 2 gleichmäßiger zu gestalten, ist vor der Brenkkammer 3 ein Luftgefäß 24 angeordnet. ttber die Düse 25 wird Kraftstoff zugeführt. Die Zündeinrichtung ist nicht dargestellt.The compressed air coming from the compressor 2 flows through the line 9 into the combustion chamber 3. In order to increase the air flow of the compressor 2 more evenly shape, an air vessel 24 is arranged in front of the Brenk chamber 3. over the nozzle 25 fuel is supplied. The ignition device is not shown.

ttber die Leitung 23 strömen die Gase, nachdem sie den Verdichtermotor verlassen haben in den Arbeitsmotor 4, der hier als Drehkolbenmotor ausgeführt ist. Wenn der Arbeitsmotor 4 relativ niedertourig betrieben werden soll, sind Dichtleisten und Schmierung erforderlich. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Gastemperatur auf 300 bis 4000 C zu senken. Zu diesem Zweck wird dem Gas über die Leitung 36 überschüssige verdichtete Luft zugeführt.The gases flow through line 23 after they have driven the compressor motor have left in the working engine 4, which is designed here as a rotary piston engine. If the working motor 4 is to be operated at a relatively low speed, sealing strips are used and lubrication required. In this case it is advantageous to adjust the gas temperature lower to 300 to 4000 C. For this purpose, the gas via the line 36 is excess compressed air supplied.

Zur Steuerung des Arbeitsmotors 4 ist in der Leitung 23 eine Klappe 28 vorgesehen. Beim Gasgeben wird die Klappe 28 geöffnet, dadurch sinkt der Druck in der Leitung 23 ab. Der Fühler 29 betätigt sofort die Kraftstoffzufuhr zur Düse 25 und öffnet die Drosselklappe 30 in der Ansaugleitung 31 des Verdichters 2.To control the working motor 4, a flap is in the line 23 28 provided. When accelerating, the flap 28 is opened, thereby reducing the pressure in line 23. The sensor 29 immediately actuates the fuel supply to the nozzle 25 and opens the throttle valve 30 in the suction line 31 of the compressor 2.

Bei manchem Anwendungszweck mag es vorteilhaft sein, mittels den Abgasen aus dem Arbeitsmotor 4 die Verbrennungsluft vorzuwärmen, bevor sie in die Brennkammer 3 strömt. Verdichter und Verdichtermotor können auch mit einer anderen Steuerung ausgerüstet werden.For some purposes it may be advantageous to use the exhaust gases from the working engine 4 to preheat the combustion air before it enters the combustion chamber 3 flows. The compressor and compressor motor can also be controlled with a different control be equipped.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung mit Drehkolbenmaschinen auch als Verdichter und Verdichterantrieb. Der Drehkolbenverdichter 32 ist durch die Welle 33 mit dem Drehkolbenmotor 34 verbunden. Die durch die Leitung 31 einströmende Luft wird zur Brennkammer 3 gefördert. Die Gase aus der Brennkammer 3 durchströmen den Drehkolbenmotor 34. Dahinter ist nochmals eine Brennkammer 35 angeordnet. Da bei kontinuierlicher Verbrennung mit Luftüberschuß gearbeitet wird, ist im Gas noch genügend Sauerstoff vorhanden, deshalb kann nochmals eine Nachverbrennung erfolgen.Fig. 2 shows an embodiment with rotary piston machines also as a compressor and compressor drive. The rotary piston compressor 32 is through the shaft 33 with the Rotary piston engine 34 connected. The air flowing in through line 31 becomes Combustion chamber 3 promoted. The gases from the combustion chamber 3 flow through the rotary piston engine 34. A combustion chamber 35 is arranged behind it again. Since with continuous Combustion is carried out with excess air, there is still enough oxygen in the gas available, so afterburning can take place again.

Im Leerlauf und bei Teillast arbeitet nur die Brennkammer 3. Beim Beschleunigen oder bei Vollast wird die Brennkammer 35 da zuges chaltet. Diese Anordnung würde allerdings hohe Gastemperaturen ergeben, jedoch ist dies bei Motoren mit Gasdichtung kein Problem. Eventuell kann der Arbeitsmotor 4 auch mehrstufig gebaut werden.Only combustion chamber 3 works when idling and at part load Accelerate or at full load, the combustion chamber 35 is switched on there. This arrangement would, however, result in high gas temperatures, but this is the case with engines with gas seals no problem. The working motor 4 can possibly also be built in several stages.

Diese Konstruktion bietet alle Möglichkeiten, den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern. Für Verdichter 32 und Drehkolbenmotor 34 kann auch ein Luftlager verwendet werden. Dazu ist die Druckluft des Verdichters ebenso wie die heißen Gase geeignet, welche den Motor antreiben. Die Steuerung, welche auf die gleiche Weise erfolgen kann wie bei der Konstruktion nach Fig. 1, ist hier nicht dargestellt.This construction offers all possibilities, the thermal efficiency to improve. An air bearing can also be used for compressor 32 and rotary piston engine 34 be used. For this purpose, the compressed air of the compressor as well as the hot gases suitable, which drive the motor. The controls working in the same way can take place as in the construction of FIG. 1, is not shown here.

Claims

Protection claims

Internal combustion engine with external combustion characterized by that at least three piston engines (1, 2, 4, 32, 34) of any design, as well as one or several combustion chambers (3, 35) are arranged in such a way that at least two mechanically coupled machines (1, 2, 32, 34) as compressor and compressor drive work; the third machine (4) mechanically separated as a work engine.

2) Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the Gas first flows through the compressor drive (2, 34) and then through the working motor (4).

3) internal combustion engine according to claim 1 and 2, characterized in that that the combustion chambers (3, 35) or the exhaust pipes after the combustion chambers (15, 23) are provided with devices (36) which allow the hot gases to air Mix in to lower the temperature.

4) internal combustion engine according to claim 1 to 3, characterized in that that one or more additional combustion chambers are arranged in front of the working engine (4) that are put into operation when there is an increased power requirement.

5) internal combustion engine according to claim 1 to 4, characterized in that that the control of the fuel injection as a function of the pressure in the line (23) takes place, which leads from the compressor drive to the working motor (4).

6) internal combustion engine according to claim 1 to 5, characterized in that that the control of the working motor (4) is carried out by a throttle element (28), which is arranged in front of the working motor (4).

L e r s e i t e