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Arbeitsverfahren für Brennkraftmaschinen mit Innenkühlung
Es ist bekannt, durch Einspritzen von Wasser oder eines anderen Kühlmittels in flüssigem Zustande in den Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine die Kühlung des Zylinderinneren und vornehmlich des Kolbenbodens und des Auspuffventiles so wirksam durchzuführen, wie sie durch die vielfach angewandte Aussenkühlung, sei es nun Wasser-oder Luftkühlung, kaum zu erreichen ist. Die Innenkühlung hat ausserdem den Vorteil, dass das eingespritzte flüssige Kühlmittel beim Eintritt in das heisse Zylinderinnere verdampft, sich ausdehnt und dadurch zusätzliche Arbeit leistet, so dass die in der Masse des Zylinders und des Kolbens angesammelte Wärmemenge durch die Kühlung nicht nutzlos abgeführt, sondern zur Arbeitsleistung herangezogen wird.
Bei der bekannten Zylinderkühlung durch Anwendung von überschüssigem Kraftstoff im normalen Arbeitstakt der Brennkraftmaschinen wird bei hoher Leistung Kraftstoff noch über die theoretisch erforderliche Kraftstoffmenge hinaus zugegeben. Dadurch, dass gleichzeitig mit dem Verbrennen des der zugeführten Luftmenge entsprechenden Kraftstoffanteiles der Kraftstoff- überschuss nur verdampft, entsteht ein Gemisch von Verbrennungsgasen und verdampftem Kraftstoff, aus welchem der unverbrannte Anteil nicht oder nur schwer wiedergewonnen werden kann.
Der Wirkungsgrad der Maschine wird infolge dessen verschlechtert und erfährt eine weitere Verminderung durch das Absinken der Verbrennungswärme. Um den Verbrennungs-und Arbeitsgang der Maschine nicht ungünstig zu beeinflussen, ist es daher in jedem Falle zweckmässig, das Einspritzen des Kühlmittels nach Ablauf der normalen zwei oder vier Takte in einem zusätzlichen Saugtakt, der durch die Expansion des entstehenden Dampfes zu einem Arbeitstakt wird, und die Entfernung des entstandenen Dampfes in einem darauf folgenden zusätzlichen Auspufftakt vorzunehmen.
Ferner ist bekannt, die Wärme der Abgase dadurch auszunutzen, dass durch sie ein Röhrensystem erhitzt wird, das im Auspuffkrümmer vor den Auslassventilen liegt und in welches das flüssige Kühlmittel eingepumpt wird. In dem heissen Röhreninneren verdampft das Kühlmittel und kann nur hocherhitzt und hochgespannt nach
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aussetzen, wenn kein Brennstoff mehr vorhanden ist, da dieser beiden Zwecken zugleich dient. Die Kühlung der Maschine wird zwangsläufig der Belastung angepasst, weil bei höherer Belastung derselben durch vermehrte Einführung von Brennstoff sowohl die Leistung als auch die Kühlung gesteigert wird, wodurch der Zylinder nie überhitzt, sondern stets auf gleichbleibender, günstigster Temperatur gehalten werden kann.
Weiter ist es gemäss der Erfindung möglich, beide Arten der Innenkühlung derart miteinander zu verbinden, dass nach Ablauf der normalen zwei oder vier Takte in den Arbeitszylinder in einem ersten zusätzlichen Saug-bzw. Arbeitstakt durch die Abgase verdampfter Brennstoff eingeführt und in einem ersten zusätzlichen Auspufftakt entfernt und darauf in einem zweiten zusätzlichen Saug-oder Arbeitstakt flüssiger Brennstoff eingespritzt und in einem zweiten zusätzlichen Auspufftakt wieder entfernt wird.
Diese Reihenfolge ist vorteilhaft, weil zur Vermeidung von sprunghafter Abkühlung, die Spannungen in der Zylinderwand hervorrufen
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Brennstoffdampf in den noch heisseren Zylinder eingeführt und dann erst der kühle flüssige Brenn- stoff in den schon etwas abgekühlten Zylinder eingespritzt werden muss. Daher wird der erste
Kühltakt mehr Leistung und weniger Kühl- wirkung, der zweite Kühltakt weniger Leistung aber kräftiger Kühlwirkung zur Folge haben.
Endlich ist durch die Verwendung des Brenn- stoffes als Innenkühlmitte1 sowohl bei Otto-als auch bei Dieselmotoren eine Arbeitsweise der
Brennkraftmaschinen möglich, bei der ein Teil des verdampften Brennstoffes in der normalen
Taktfolge zur Verbrennung kommt. Dies ist natürlich erst durchführbar, wenn nach normalem Anlaufen der Maschine mit Innenkühlung genügend verdampfter Brennstoff zur Verfügung steht.
Wird hiebei der kühlere Dampf zur Verbrennung verwendet, der durch Einspritzen des flüssigen Brennstoffes in den Zylinder entsteht, so muss der Brennstoffdampfin der normalen Taktfolge mit Luft angesaugt, verdichtet und gezündet werden. Dies hat den Vorteil, dass der Vergaser oder die Einspritzdüse abgeschaltet werden kann und der Brennstoff nicht in Tröpfchen-oder Nebelform, sondern vergast und vorgewärmt sich besser mit der Verbrennungsluft mischt und eine bessere Verbrennung erzielt wird, so dass die bekannten Nachteile des Vergasers entfallen, die nur teilweise durch Anwendung der Einspritzdüse vermieden werden können.
Wird jedoch der sehr heisse, durch die Abgase erzeugte Brennstoffdampf zur Verbrennung verwendet, so entsteht eine Arbeitsweise, die zwischen der des Otto-und der der Dieselmotors liegt und die Vorteile beider in sich vereinigt.
Hiebei wird die Luft in der normalen Taktfolge des Dieselmotors angesaugt, verdichtet und dann beim Verbrennungstakt erst der heisse, hochgespannte Brennstoffdampf eingeführt.
Die Arbeitsweise einer derartigen Maschine wäre also folgende :
1. Takt : Ansaugen der Luft,
2. Takt : Verdichten der Luft,
3. Takt : Einlass des Brennstoffdampfes aus dem
Verdampfer und Verbrennung,
4. Takt : Auspuff der verbrannten Gase (dabei
Erhitzen des Verdampfers),
5. Takt : Einlass des Brennstoffdampfes aus dem Verdampfer, Arbeitsleistung und Vorkühlung,
6. Takt : Ausströmen des Dampfes zum Kondensator,
7. Takt : Einspritzen des Brennstoffes zur Kühlung,
8. Takt : Ausströmen des verdampften Brennstoffes zum Kondensator.
Die Verdichtung der Luft kann dabei in den Grenzen des Ottomotors bleiben, da durch diese nicht die Entflammungstemperatur des flüssigen Brennstoffes wie beim Dieselmotor erzeugt werden muss, sondern der Brennstoffdampf beim Einströmen in den Zylinder schon selbst die Entflammungstemperatur besitzt oder, wenn dies nicht der Fall ist, durch eine Zündvorrichtung entzündet werden kann. Der Verbrennungsvorgang selbst liefert auf jeden Fall trotz niederer Verdichtung der Verbrennungsluft annähernd das be- kannte Gleichdruckdiagramm des Dieselverfahrens.
Beide Arten der Verbrennung eines Teiles des Brennstoffdampfes können auch zugleich angewendet werden, doch ist die alleinige Verwendung des durch die Abgase erzeugten Brennstoffdampfes nach dem zweiten Verfahren einfacher und vorteilhafter. Es ist besonders dann vorzuziehen, wenn die Maschine auch nach diesem Verfahren anlaufen soll. Dann können
Vergaser oder Einspritzdüse ganz entfallen und die Brennkraftmaschine wird dadurch angelassen, dass das Röhrensystem bei ruhender Maschine nicht durch die Abgase, sondern durch eine eigene
Heizvorrichtung erhitzt wird, wodurch der für den Anlauf und die Kühlung nötige Brennstoff- dampf erzeugt wird.
Über die konstruktive Durchführung der Neuerungen ist zu sagen, dass vor allem die Explosionsgefahr durch Anbringung geeigneter und allgemein bekannter Vorrichtungen zu beseitigen ist. Hierzu gehören z. B. Sicherheitsventile an Verdampfer und Kondensator und Rückschlagventile, die den Luftzutritt zu diesen Teilen verhindern, damit sich die heissen Dämpfe nicht selbst entzünden können.
Zweckmässig ist ein Hilfs-Brennstoffbehälter anzuordnen, der so tief liegt, dass das Kondensat aus dem Kondensator und Brennstoff aus dem Haupt-Brennstoffbehälter, letzterer zum Ersatz des durch die Verbrennung verbrauchten Brennstoffes, von selbst nachfliessen kann. Die Verbindung zwischen HilEs-und Haupt-Brennstoffbehälter ist vorteilhaft so anzubringen, dass nicht kondensierte Dampfreste sowie Luft in den Hauptbehälter entweichen können.
Aus dem Hilfsbehälter wird der Brennstoff durch eine Pumpe einerseits zur Kühlung in die Zylinder
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gespritzt, durch eine andere in den Verdampfer. Die Verdampferpumpe wird zweckmässig nicht durch die Maschine selbst, sondern durch einen Elektromotor aus der Starterbatterie angetrieben. Durch Erhöhen oder Erniedrigen der Drehzahl des Elektromotors wird mehr oder weniger Brennstoff in den Verdampfer gepresst, dadurch der Dampfdruck und die Menge des Dampfes erhöht oder erniedrigt, wodurch Umdrehungszahl und Leistung der Brennstoffmaschine in weiten Grenzen geregelt werden können.
Vorteilhaft ist es, in die gemeinsame Leitung vom Hilfsbehälter zu den zwei Brennstoffpumpen ein durch einen Thermostaten gesteuertes Ventil zu legen, das die Brennstoffzufuhr zu den Pumpen erst freigibt, wenn Zylinder und Verdampfer die zur Verdampfung nötige Temperatur erreicht haben.
Aus diesem Grunde erfolgt das Anlassen der Maschine am besten im normalen Viertakt als Vergasermotor, bei Schwerölmotoren unter Zuhilfenahme von leichtem Brennstoff für den Vergaser nur zum Anlassen. Erst wenn die Verdampfung eingesetzt hat, kann durch denselben Thermostaten der Vergaser und gegebenenfalls die Zündung abgeschaltet werden. Bei ortsfesten Anlagen kann das Anlassen unter Wegfall des Vergasers einfach durch Anwärmen des Ver- dampers erfolgen, der dann den zum Anlassen nötigen Dampf liefert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Arbeitsverfahren für Brennkraftmaschinen mit Innenkühlung des Arbeitszylinders, bei denen nach Ablauf der normalen zwei bzw. vier Takte in zusätzlichen Saug-und Auspufftakten ein flüssiges oder durch die Wärme der Abgase der Brennkraftmaschine verdampftes Kühlmittel in das Innere des Zylinders eingeführt und zur Arbeitsleistung infolge Dehnung des Dampfes herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Betrieb der Brennkraftmaschine dienende Brennstoff selbst als Kühlmittel verwandt wird und nach Arbeitsleistung in einen Kondensator geleitet wird, um kondensiert und wieder in den Kreislauf zurückgeführt zu werden.
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Working method for internal combustion engines with internal cooling
It is known to carry out the cooling of the cylinder interior and especially the piston head and the exhaust valve as effectively as possible by the often used external cooling, be it water or air cooling, by injecting water or another coolant in liquid state into the working cylinder of an internal combustion engine can hardly be reached. The internal cooling also has the advantage that the injected liquid coolant evaporates when it enters the hot cylinder interior, expands and thus performs additional work, so that the amount of heat accumulated in the mass of the cylinder and the piston is not uselessly dissipated by the cooling, but for the Work performance is used.
In the known cylinder cooling by using excess fuel in the normal working cycle of the internal combustion engine, fuel is added beyond the theoretically required amount of fuel at high power. Because the excess fuel only evaporates at the same time as the fuel fraction corresponding to the supplied air quantity is burned, a mixture of combustion gases and evaporated fuel is created from which the unburned fraction cannot be recovered or can only be recovered with difficulty.
The efficiency of the machine is deteriorated as a result and experiences a further decrease due to the decrease in the heat of combustion. In order not to have an unfavorable influence on the combustion and working process of the machine, it is therefore always advisable to inject the coolant after the normal two or four cycles have expired in an additional suction cycle, which becomes a working cycle due to the expansion of the steam produced. and remove the resulting vapor in a subsequent additional exhaust stroke.
It is also known to utilize the heat of the exhaust gases by heating a pipe system which is located in the exhaust manifold in front of the outlet valves and into which the liquid coolant is pumped. The coolant evaporates in the hot inside of the tube and can only be heated and tensioned afterwards
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stop when there is no more fuel, as this serves both purposes. The cooling of the machine is inevitably adapted to the load, because when the load is higher, both the performance and the cooling are increased by the increased introduction of fuel, so that the cylinder never overheats, but can always be kept at a constant, most favorable temperature.
Furthermore, according to the invention, it is possible to combine both types of internal cooling in such a way that after the normal two or four cycles in the working cylinder in a first additional suction or. Working cycle, fuel evaporated through the exhaust gases is introduced and removed in a first additional exhaust cycle, and then liquid fuel is injected in a second additional suction or working cycle and removed again in a second additional exhaust cycle.
This sequence is advantageous because, in order to avoid sudden cooling, the stresses in the cylinder wall cause
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Fuel vapor is introduced into the still hotter cylinder and only then does the cool liquid fuel have to be injected into the somewhat cooled cylinder. Hence the first
Cooling cycle more power and less cooling effect, the second cooling cycle results in less power but more powerful cooling effect.
Finally, through the use of the fuel as an internal coolant, both Otto and diesel engines can work
Internal combustion engines possible in which part of the evaporated fuel in the normal
Cycle sequence for combustion comes. Of course, this can only be carried out if enough evaporated fuel is available after normal start-up of the machine with internal cooling.
If the cooler steam is used for combustion, which is created by injecting the liquid fuel into the cylinder, the fuel steam must be sucked in with air, compressed and ignited in the normal cycle sequence. This has the advantage that the carburetor or the injection nozzle can be switched off and the fuel is not in the form of droplets or mist, but rather gasified and preheated and mixes better with the combustion air and better combustion is achieved, so that the known disadvantages of the carburetor do not apply. which can only partially be avoided by using the injection nozzle.
If, however, the very hot fuel vapor generated by the exhaust gases is used for combustion, a mode of operation is created which lies between that of the Otto engine and that of the diesel engine and combines the advantages of both.
The air is sucked in in the normal cycle sequence of the diesel engine, compressed and then the hot, high-tension fuel vapor is only introduced during the combustion cycle.
The working principle of such a machine would be as follows:
1st cycle: sucking in the air,
2nd stroke: compressing the air,
3rd stroke: Inlet of fuel vapor from the
Evaporator and combustion,
4th stroke: exhaust of the burnt gases (included
Heating the evaporator),
5th cycle: Inlet of fuel vapor from the evaporator, work performance and pre-cooling,
6th cycle: the steam flows out to the condenser,
7th cycle: injection of fuel for cooling,
8th cycle: Evaporated fuel flows out to the condenser.
The compression of the air can remain within the limits of the gasoline engine, since it does not have to generate the ignition temperature of the liquid fuel as in the diesel engine, but the fuel vapor itself already has the ignition temperature when flowing into the cylinder or, if this is not the case , can be ignited by an ignition device. In any case, the combustion process itself delivers almost the same pressure diagram as known from the diesel process, despite the low compression of the combustion air.
Both types of combustion of part of the fuel vapor can also be used at the same time, but the sole use of the fuel vapor generated by the exhaust gases is simpler and more advantageous according to the second method. It is particularly preferable if the machine is also to start using this procedure. Then can
There is no need for a carburetor or an injection nozzle, and the internal combustion engine is started up by the fact that the pipe system does not pass through the exhaust gases when the machine is idle, but through its own
Heating device is heated, whereby the fuel vapor required for start-up and cooling is generated.
Regarding the constructive implementation of the innovations, it should be said that above all the risk of explosion must be eliminated by attaching suitable and generally known devices. These include B. Safety valves on the evaporator and condenser and non-return valves that prevent air from entering these parts so that the hot vapors cannot ignite by themselves.
It is advisable to arrange an auxiliary fuel tank that is so deep that the condensate from the condenser and fuel from the main fuel tank, the latter to replace the fuel used by the combustion, can flow automatically. The connection between the HilEs and the main fuel container is advantageously to be made in such a way that non-condensed vapor residues and air can escape into the main container.
From the auxiliary tank, the fuel is pumped into the cylinders for cooling
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injected, through another into the vaporizer. The evaporator pump is expediently not driven by the machine itself, but by an electric motor from the starter battery. By increasing or decreasing the speed of the electric motor, more or less fuel is pressed into the evaporator, thereby increasing or decreasing the steam pressure and the amount of steam, whereby the speed and power of the fuel engine can be regulated within wide limits.
It is advantageous to place a valve controlled by a thermostat in the common line from the auxiliary container to the two fuel pumps, which valve only releases the fuel supply to the pumps when the cylinder and evaporator have reached the temperature required for evaporation.
For this reason, the engine is best started in the normal four-stroke cycle as a carburetor engine, with heavy-oil engines using light fuel for the carburettor only for starting. Only when the evaporation has started can the carburetor and, if necessary, the ignition be switched off by the same thermostat. In the case of stationary systems, starting can be done without the carburetor simply by heating the evaporator, which then supplies the steam necessary for starting.
PATENT CLAIMS:
1. Working method for internal combustion engines with internal cooling of the working cylinder, in which, after the normal two or four cycles in additional suction and exhaust cycles, a liquid coolant or coolant evaporated by the heat of the exhaust gases of the internal combustion engine is introduced into the interior of the cylinder and for work performance as a result of expansion of the steam is used, characterized in that the fuel used to operate the internal combustion engine itself is used as a coolant and, after work, is passed into a condenser in order to be condensed and returned to the circuit.