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Dokumentenidentifikation DE10297461T5 27.01.2005
Titel Regenerierter Motor mit sich hin und her bewegenden Kolben mit stationärem Regenerator
Anmelder Caterpillar Inc., Peoria, Ill., US
Erfinder Lowi, Alvin, Jr., Bishop, Calif., US;
Ferrenberg, Allan J., Rancho Palos Verde, Calif., US
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 10297461
Vertragsstaaten DE, GB, JP
WO-Anmeldetag 15.11.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/US02/36936
WO-Veröffentlichungsnummer 0003044355
WO-Veröffentlichungsdatum 30.05.2003
Date of publication of WO application in German translation 27.01.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.01.2005
IPC-Hauptklasse F02G 5/02
IPC-Nebenklasse F02B 41/08   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten hin und her laufenden (Kolben-)Verbrennungsmotor. Der Motor setzt die thermische Regeneration ein, um seinen Wirkungsgrad und seine Leistung zu verbessern. Die Regeneration wird durch Anwendung eines Wärmetauschers mit abwechselndem Fluss erreicht, der im folgenden als Regenerator bezeichnet wird und manchmal Wiedergewinnungsvorrichtung genannt wird. Der Motor besteht aus einem oder mehreren Zylindern, die ein Paar von gegenüberliegenden Kolben enthalten, die von einem stationären Regenerator getrennt werden. Die Kolben sind in geeigneter Weise mit einer oder mehreren Leistungsausgangswellen verbunden. Das Volumen auf einer Seite des Regenerators, d. h. zwischen dem Regenerator und einem der Kolben, wird als das heiße Volumen bezeichnet. Das Volumen zwischen dem Regenerator und dem anderen Kolben wird als das kalte Volumen bezeichnet. Der Motor ist mit Mitteln ausgerüstet, um gasförmigen oder flüssigen Brennstoff in das heiße Volumen einzuleiten. Es sind auch Mittel vorgesehen, um frisches Arbeitsströmungsmittel einzuleiten und Abgase aus dem kalten Volumen zu entfernen. Dieser Motor arbeitet in einem thermodynamischen Zyklus, der durch einen regenerierten Otto- oder Diesel-Zyklus angenähert wird. Dieser kann eine größere Expansion bieten als eine Kompression, und andere betriebliche Merkmale, die einzigartig sind, und sieht kritische und wesentliche Verbesserungen gegenüber früheren Motoren vor.

Hintergrund

Die thermische Regeneration ist die Aufnahme von thermischer Energie aus einem thermodynamischen Zyklus (oder einem heiße Motor, der in einem gewissen thermodynamischen Zyklus arbeitet), und die Verwendung dieser Energie innerhalb des Zyklus oder innerhalb des Motors, um die Leistung des Zyklus oder des Motors zu verbessern. Dies wird üblicherweise bei vielen heißen Motoren getan, einschließlich Sterling-Motoren, Gasturbinen und Vorrichtungen mit Rankine-Zyklus. Bei einer Gasturbine, die aus einem Kompressor, einem Brenner und einer Turbine besteht, ist die Temperatur der Luft, die die Turbine verlässt, oft größer als die Temperatur der Luft, die den Kompressor verlässt. Wenn die Energie in den Turbinenabgasen auf die Luft übertragen werden kann, die den Kompressor verlässt, wird es nicht nötig sein, so viel Wärme (Brennstoff) in den Brenner einzuleiten, um die Lufttemperatur auf die erwünschte Turbineneinlasstemperatur anzuheben. Dies bedeutet, dass die gleiche Arbeit geliefert wird, jedoch weniger Brennstoff eingesetzt wird. Daher wird der spezifische Brennstoffverbrauch von einer solchen thermisch regenerierten Gasturbine verbessert. Die thermische Regeneration von Gasturbinen wird üblicherweise durch Anwendung von Wärmetauschern mit Gegenfluss bzw. abwechselndem Fluss erreicht, die Energie von den Abgasen auf die komprimierte Luft übertragen.

Im Prinzip kann jeglicher Verbrennungsmotor thermisch regeneriert werden. Dies kann getan werden, in dem man Wärme von den Gasen bei der Vollendung des Expansionshubes auf die Gase des nächsten Zyklus bei der Vollendung des Kompressionshubes überträgt. Die Vorteile, die dadurch erreicht werden können, sind wesentlich. Der Brennstoffverbrauch wird in einer ähnlichen Weise reduziert wie bei der regenerierten Gasturbine. Zusätzlich kann ein regenerierter Verbrennungsmotor thermischdynamisch höhere Gastemperaturen liefern, was noch größere Verbesserungen beim Wirkungsgrad und bei der Leistung zur Folge hat. Da hin und her laufende Motoren bzw. Kolbenmotoren nur für kurze Zeit diese höheren Temperaturen erfahren, können Sie diesen höheren Temperaturen in einem gewissen Ausmaß widerstehen. Somit sind die Vorteile der Regeneration bei einem Verbrennungsmotor noch größer, als sie es für die bezüglich der Temperatur eingeschränkten Gasturbinen sind. Die Vorteile von thermisch regenerierten Benzin- oder Diesel-Motoren sind leicht offensichtlich und ziemlich wesentlich. Unglücklicherweise sind durchführbare und wirkungsvolle Mittel, durch welche dieses erreicht werden kann, zuvor noch nicht offenbart oder entwickelt worden.

Wie bei der regenerierten Gasturbine kann die regenerative Wärmeübertragung in einem Verbrennungsmotor, wie beispielsweise in einem Kolben-Verbrennungsmotor, am besten erreicht werden durch Anwendung eines Wärmetauschers mit abwechselnden Fluss. Dieser Ansatz wird üblicherweise bei außerhalb verbrennenden Stirling-Motoren angewandt und ist in einer großen Vielzahl von Formen für regenerierte Kolbenverbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Es gibt zwei grundlegende Ansätze: (1) man drückt auf das Arbeitsströmungsmittel, so dass es durch einen stationären Regenerator geht, oder (2) man bewegt den Regenerator durch das Gas.

Viele Erfinder auf diesem Gebiet haben den ersteren Ansatz unternommen, d. h. einen stationären Regenerator. Dies hat zu einer Anzahl von Ansätzen geführt, wie beispielsweise jene, die zu finden sind im US-Patent 155087 von Hirsch, im US-Patent 2 239 922 von Martinka, im US-Patent 3 777 718 von Pattas, im US-Patent 3 871 179 von Bland, im US-Patent 3 923 011 von Pfefferle, im US-Patent 4 004 421 von Cowans, im US-Patent 4 074 533 von Stockton, im US-Patent 4 630 447 von Webber; in der SAE-Schrift 930063 von Ruiz, 1993, und bei Charmichael (Chrjapin Master's Thesis, MIT, 1975). Alle diese Ansätze sehen mindestens zwei Zylinder vor, wobei im allgemeinen im einen die Kompression auftritt, und wobei in einem zweiten die Verbrennung und die Expansion auftreten. In dem Flussdurchlass, der diese Zylinder verbindet, oder in einem von diesen Zylindern ist ein stationäres permeables bzw. durchlässiges Material, welches den Regenerator bildet. Der Regenerator ist der Wärmetauscher mit abwechselndem Fluss. Die expandierten Verbrennungsgase werden durch den Regenerator geleitet und übertragen thermische Energie auf diesen. Während des nächsten Zyklus wird komprimierte Luft durch den Regenerator geleitet, wodurch dieser Energie absorbiert wird. Somit wird Wärme von den heißen Abgasen auf die komprimierte Luft übertragen, das Wesen der thermischen Regeneration.

Unglücklicherweise ist keiner dieser früheren Ansätze zur Anwendung eines stationären Regenerators, um einen regenerierten Verbrennungsmotor mit hin und her laufenden Kolben zu erhalten, erfolgreich gewesen. Dies kommt von einer Anzahl von Gründen, die den früheren Erfindern nicht offensichtlich gewesen sind, welche unter anderem die schlechteren Berechnungsfähigkeiten mit einschließen, die ihnen allgemein verfügbar gewesen sind, weiterhin die übermäßige Zeit, die erforderlich ist, um solche Motoren ordnungsgemäß zu analysieren, oder beides. Wir haben detaillierte Computermodelle von regenerierte Motoren entwickelt, die neue Einsichten in die Prozesse bieten, die auftreten, und die dem hier offenbarten verbesserten regenerierten Motor bewerten.

Die primäre Schwierigkeit bei diesen früheren Motorkonstruktionen mit stationärem Regenerator ist, dass sie nicht die Fähigkeit haben, das Gas durch den Regenerator zu den passenden Zeitpunkten während des Zyklus zu bewegen. Dies kann in kritischer Weise wichtig sein und den ganzen Unterschied zwischen einem Motor, der gerade läuft, und einem anderen ausmacht, der eine hohe Brennstoffausnutzung und eine hohe Leistungsdichte hat. In erster Linie ist das neuartige Merkmal dieser Erfindung, dass sie die fast optimale Bewegung der Kolben erkennt und genau beschreibt. Sie sieht auch Mittel vor, durch welche eine solche Bewegung erreicht werden kann.

Bei einer der am meisten versprechenden Konstruktionen von früheren regenerierten Motoren ist ein einzelner Zylinder durch einen stationären Regenerator in zwei Abschnitte aufgeteilt. Der Regenerator ist ein poröses Hochtemperatur-Material in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser gleich der Zylinderbohrung. Die Zylinderenden werden durch Kolben verschlossen, die durch Antriebsmechanismen mit der Ausgangswelle verbunden sind. Das Volumen zwischen einem Zylinder und den Regenerator wird als das kalte Volumen bezeichnet und hat benachbarte Mittel für den Austausch von Arbeitsströmungsmittel innerhalb des kalten Volumens. Das Volumen zwischen dem Regenerator und dem anderen Volumen wird als das heiße Volumen bezeichnet und hat benachbarte Mittel zur Einspritzung von Brennstoff in das heiße Volumen. Der Kolben in den heißen Volumen wird als der heiße Kolben bezeichnet, und der Kolben in dem kalten Volumen wird als der kalte Kolben bezeichnet.

Bei Motoren mit stationärem Regenerator wird das Arbeitsströmungsmittel durch den Regenerator mittels der Wirkung der Kolben gedrückt. Die Motorleistung ist sehr stark abhängig von dem genauen Zeitplan der Kolbenbewegungen. Keiner der früheren Erfinder von regenerierten Motoren hat einen Mechanismus vorgeschlagen, der die erforderlichen Kolbenbewegungen liefern konnte. Ebenfalls hat keiner der früheren Erfinder die erforderlichen Kolbenbewegungen ausreichend detailliert beschrieben, um zu gestatten, dass ein geeigneter Antriebsmechanismus ausgewählte oder entwickelt wird. Das US-Patent 3 777 718 von Pattas offenbart beispielsweise eine herkömmliche Anordnung aus Kurbelwelle und exzentrischen Mitteln als Kolbenantriebsmechanismus zur Steuerung der Kolbenpositionen in dem Motor. Es ist bei einem solchen Mechanismus nicht möglich, eine sehr ungewöhnliche oder nicht sinusförmige Art der Bewegung vorzusehen, die für den regenerierten Zyklus erforderlich ist. Ein viel flexiblerer Konstruktionsansatz ist für den Kolbenantriebsmechanismus erforderlich, wie im folgenden besprochen wird.

Ein solches beispielhaftes Ausführungsbeispiel zur Steuerung der Kolbenbewegung ist ein Motor mit einer Trommelnocke, bzw. mit einer Trommelnocke, die alternativ als axiale Nocke oder Nockezylinder bezeichnet wird. Ein Motor mit gegenüberliegenden Kolbennocken, der für diesen Zweck nutzbar ist, wird offenbart im US-Patent 5 375 567 von Lowi, welches durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hier eingeschlossen sei, wie wenn es offenbart worden wäre.

Zusätzlich dazu, dass sie keine zufriedenstellende Kolbenbewegung liefern können oder beschreiben können haben viele der früheren Konstruktionen nicht korrekte oder schlechter arbeitende Bewegungen für die Kolben beschrieben. Beispielsweise schlägt Pattas vor, dass, nachdem die heißen Gase auf der heißen Seite expandiert haben, der heisse Kolben bewegt werden sollte, so dass die heißen Gase zurück durch den Regenerator gedrückt werden. Dann wird "wenn das Arbeitsmedium sich in dem Zylinder des Abschnittes für kaltes Gas aufbaut, der kalte Kolben aus dem Regenerator heraus bewegt, um den Abschnitt für kaltes Gas zu expandieren bzw. zu vergrößern". Unsere Analysen zeigen klar, dass diese Art der Bewegung eine sehr schlechte Leistung zur Folge hat. Es ist daher viel vorteilhafter, vollständig das Gas zu expandieren, in dem man den kalten Kolben zu einer Position nahe seiner vollständig ausgefahrenen Position bewegt, und der den Zylinder vor dem Einsatzhub des heißen Kolbens "herunterbläst". Der hier offenbarte Motor vermeidet diesen Fehler indem er nahezu optimale Bewegungen der Kolben liefert und einen Kolbenantriebsmechanismus vorsieht, der diese Bewegungen ausführen kann.

Schließlich hat der hier offenbarten Motor eine inhärente Fähigkeit, eine größere Expansion als eine Kompression vorzusehen, ein Prozess, der manchmal als "Miller-Zyklus" bezeichnet wird, der allgemein bekannt ist als der vollständige Expansionszyklus (more-complete-expansion-cylce). Dieses Merkmal kann stark die Brennstoffausnutzung und die Leistung verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung ist ein hin und her laufender regenerierter Verbrennungsmotor, der aus einer Anzahl von ähnlichen Arbeitseinheiten aufgebaut ist, die oft als Zylinder bezeichnet werden. Jede Arbeitseinheit besteht aus einem Zylinder, der an jedem Ende durch einen bewegbaren Kolben geschlossen ist, der mit einer Leistungausgangswelle verbunden ist. Mittel sind vorgesehen, um den Fluss von Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder hinein und aus diesem herauszusteuern, um Brennstoff in den Zylinder einzuspritzen. Ein Wärmetauscher mit hin und her laufenden Fluss, der Regenerator genannt wird, ist innerhalb des Zylinders zwischen den Kolben gelegen. Die Kolben werden derart bewegt, und andere Mittel sind derart vorgesehen, dass die folgenden Vorgänge auftreten werden: (1) Kompression des Arbeitsströmungsmittels, (2) regenerative Aufheizung des Arbeitsströmungsmittels, (3) Verbrennung innerhalb des aufgeheizten Arbeitsströmungsmittels, (4) Expansion des Arbeitsströmungsmittels, (5) regenerative Abkühlung des Arbeitsströmungsmittels und (6) Austausch eines Teils des Arbeitsströmungsmittels. Diese Vorgänge treten in sequenzieller Weise mit einem gewissen Grad an Überlappung auf. Das primäre und einzigartigste Merkmal dieser Erfindung ist, dass diese Prozesse in geeigneter Weise und mit geeigneter Zeitsteuerung auftreten, so dass sie eine optimale Leistung und eine optimale Brennstoffausnutzung bieten.

Ein Ausführungsbeispiel diese Erfindung verwendet eine Trommelnocke bzw. laufen Laufnockenbahnmittel, durch welche die Kolben in der ungewöhnlichen Weise bewegt werden können, die für den thermodynamischen Zyklus dieses Motors erforderlich ist.

Ziel der Erfindung

Das primäre Ziel der Erfindung ist es, einen regenerierten Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad vorzusehen.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen Motor mit einem sehr hohen effektiven mittleren Bremsdruck vorzusehen.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, die starken Vorteile auszunutzen, die durch die Regeneration eines Otto- oder Diesel-Motors erhalten werden.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, den hohen Freiheitsgrad bei der Kolbenbewegung auszunutzen, der mit einer Trommelnocke zu erreichen ist, wodurch die besonders unkonventionelle Kolbenbewegung erreicht wird, die für den regenerierten Motor erforderlich ist.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen regenerierten Motor vorzusehen, der einen stationären Regenerator einsetzt, bei dem die Kolbenbewegungen ausgelegt sind, um eine gute Leistung zu liefern.

Weitere Ziele, Vorteile und neuartige Merkmale werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnittes eines einzelnen Zylinders eines ersten veranschaulichenden Ausführungsbeispiels der Erfindung;

2 bildet eine Betriebsabfolge für das Ausführungsbeispiel der 1 ab;

3 ist eine schematische Darstellung eines Querschnittes eines einzelnen Zylinders eines zweiten veranschaulichenden Ausführungsbeispiels der Erfindung;

4 bildet eine Betriebsabfolge für das Ausführungsbeispiel der 3 ab;

5 ist ein Längsschnitt von einem Ausführungsbeispiel der Motoranordnung der vorliegenden Erfindung;

6 ist eine Perspektivansicht einer Nockenanordnung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und

7 ist ein ebenes schematisches Diagramm, welches die Hin- und Herbewegung der Kolben veranschaulicht, die von der Nockenanordnung vorgesehen wird, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Diese Erfindung ist ein hin und her laufender regenerierter Verbrennungsmotor bzw. regenerierter Kolbenmotor, der einen stationären Regenerator einsetzt. Dieser Motor kann mit einem herkömmlichen Gasaustauschzyklus arbeiten, der die Prozesse des Gasaustausches, der Kompression, der regenerativen Aufheizung, der Expansion und der regenerativen Kühlung aufweist. Dieser Motor kann auch mit einem verbesserten Gasaustauschzyklus arbeiten, der die gleichen Prozesse ausführt, wobei der Gasaustauschprozess getrennte Einlass- und Auslassprozesse verwendet.

Das Arbeitsströmungsmittel, welches zur Anwendung bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel dieses Motors vorgesehen ist, ist Luft; jedoch kann irgend eine Mischung von Gasen und Flüssigkeiten verwendet werden, die eine exotherme chemische Reaktion mit dem Brennstoff ausführen kann. Der Brennstoff kann irgendein fester, flüssiger (beispielsweise Diesel-Brennstoff oder Benzin) oder gasförmigen Brennstoff sein (beispielsweise Erdgas oder Propan), der mit dem Arbeitsströmungsmittel reagieren kann.

1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, welches einen einzelnen Zylinder 10 dieses Motors aufweist, welcher einen Gasaustauschprozess verwendet, während dem sehr wenig Bewegung des kalten Kolbens auftritt. Der Zylinder 10 ist an beiden Enden durchgegenüberliegende Kolben 12 und 14 geschlossen. Der erste, kalte Kolben 12 ist mit einer Leistungausgangswelle 16 durch eine Kolbenstange 18 und einen geeigneten Antriebsmechanismus verbunden, um die lineare Bewegung des kalten Kolbens 12 in die Drehbewegung der Leistungsausgangswelle 16 umzuwandeln. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel besteht der Antriebsmechanismus aus der Kolbenstangenrollenanordnung, die Rollenfolgemittel 20 aufweist, und aus der Trommelnocke 22 die Rollenfolgemittel 20 sind rollende Mittel (beispielsweise ein Rad) welche entlang der Außenfläche oder Felge der Trommelnocke 22 rollen. Diese Felge der Trommelnocke 22 variiert ihre axiale Position entlang des Umlaufes der Trommelnocke 22, wodurch eine variierende Positionierung des Kolbens 12 vorgesehen wird. Andere Wege, die dem Fachmann bekannt sind, könnten ebenfalls verwendet werden, um die lineare Bewegung des Kolbens 12 in die Drehbewegung der Welle 16 umzuwandeln, und diese Variationen des Antriebsmechanismus werden in dem allgemeinen Konzept der Erfindung miteingeschlossen.

Der zweite, heiße Kolben 14 ist mit der Leistungsausgangswelle 16 mittels einer anderen Kolbenstange 24 verbunden, und ein gleicher Antriebsmechanismus zur Umwandlung der linearen Bewegung des heißen Kolbens 14 in die Drehbewegung der Leistung Ausgangswelle ist vorgesehen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel besteht dieser Antriebsmechanismus aus der Kolbenstangenrollenanordnung 21 und der Trommelnocke 26.

Es sollte auch offensichtlich sein, dass der Antriebsmechanismus für die heißen um kalten Kolben nicht der Gleiche sein muss. Beispielsweise kann eine Trommelnocke für einen Kolben eingesetzt werden, und ein alternativer Antriebsmechanismus kann für den anderen eingesetzt werden. Der Unterschied bei den Bewegungen und Belastungen für die heißen und kalten Kolben macht einen solchen Ansatz wünschenswert.

Der Zylinder wird durch den Regenerator 28 in zwei Teile aufgeteilt. Der Regenerator ist ein poröses Material, welches so in dem Zylinder angeordnet ist, dass irgend ein Arbeitsströmungsmittel, welches von einer Seite des Regenerators zur anderen Seite des Regenerators läuft, durch den Regenerator laufen muss. Das veränderbar bemessene Volumen zwischen dem kalten Kolben 12 und dem Regenerator 28 wird als das kalte Volumen 30 bezeichnet. Das veränderbar bemessene Volumen zwischen dem Regenerator 28 und dem heißen Kolbens 14 wird als das heiße Volumen 32 bezeichnet. Der Teil des Zylinders um das kalte Volumen 30 herum wird als der kalte Zylinder 34 bezeichnet, und der Teil des Zylinders um das heiße Volumen herum wird als der heiße Zylinder 36 bezeichnet.

Mittel zum Einfluss und Ausfluss des Arbeitsströmungsmittels sind durch einen oder mehrere Einlassanschlüsse 38 bzw. Auslassanschlüsse 40 vorgesehen. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 1 kann ein Auslassanschluss 40 durch ein Hülsenventil 42 geöffnet und geschlossen werden. Wie unten besprochen wird, kann bei einigen Ausführungsbeispielen in der Auslassanschluss 42 geöffnet und geschlossen werden, in dem er durch den kalten Kolben 12 verdeckt und freigelegt wird. Der Einlassanschluss 38 wird dadurch geöffnet und geschlossen, in dem er von dem kalten Kolben 12 verdeckt und freigelegt wird, oder durch Anschlüsse in dem Hülsenventil oder durch beides. Der Einlassanschluss 38 ist mit einer Quelle für frisches Arbeitsströmungsmittel verbunden und kann durch einen Turbolader, einen Superlader oder Kompressionsmittel in Kurbelgehäuse unter Druck gesetzt werden, die üblicherweise bei kleineren Zwei-Takt-Motoren angewandt werden. Andere Ventilmittel, um die ordnungsgemäß zeitgesteuerte Einleitung von frischen Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder zu gestatten, und um die Entfernung der Abgase zu gestatten, wie beispielsweise Sitzventile, Drehventile, Schieberventile, Butterfly-Ventile bzw. Klappenventile, Hülsenventile oder Kugelventile können auch verwendet werden. Diese Ventilmechanismen werden mit dem kalten Volumen 30 durch die Zylinderwand oder den Kolben in Verbindung stehen. Hülsenventile, die außerhalb der Zylinderwand gelegen sind, und Hülsenventile die sich drehen, sich hin und her bewegen oder beides, können ebenfalls angewandt werden.

Konstruktionen mit Anschlüssen bzw. Kanälen, bei denen statische Kanäle vollständig durch den kalten Kolben gesteuert werden, sind ebenfalls möglich. Ein solches Beispiel ist im allgemeinen in der Technik der Zwei-Takt-Motoren als "Schleifenspülung" bekannt. Eine solche Kanalanordnung kann äußere Ventile entweder am Einlasskopf oder am Auslasskopf oder an beiden Köpfen einsetzen, um weiter die Zeitsteuerung des Flusses zu optimieren. Beispielsweise können automatischen Einweg-Membranventile in der Einlassleitung vorgesehen werden, um zu gestatten, dass ein Fluss durchläuft, wenn der Einlassanschluss offen ist, und zwar nur wenn der Einlassdruck den Zylinderdruck überschreitet, wodurch ein Rückfluss des Abgases verhindert wird. Ein weiteres Beispiel ist in der Technik als MAN-Spülung bekannt, bei dem der Auslassanschluss größer ist als der Einlassanschluss, so dass er durch den Kolben in seinem Auslasshub früher geöffnet wird, um zu gestatten, dass das Abgas durch die Auslasssammelleitung ausbläst, bevor das Einlasssystem den Zylinderdrücken ausgesetzt ist. Um dann einen übermäßigen Spülluftfluss zu verhindern und eine Überladung des Zylinders zu gestatten, wird der Auslassanschluss geschlossen, bevor der Kolben ankommt, um ihn zu schließen, und zwar durch ein außeres mechanisch betätigtes Ventil, wie beispielsweise ein Butterfly- bzw. Klappenventil oder ein Drehventil. Da schließlich die axialen Kräfte, die auf den Zylinder wirken, klein sind, ist es möglich, den Zylinder in dem kalten Volumen zu "unterbrechen" so dass er auseinander gezogen werden kann, falls erwünscht, um eine Öffnung für den Austausch von Gasen vorzusehen.

Der heiße Zylinder 14 hat Mittel zur Einleitung von Brennstoff dort hinein, wie beispielsweise eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen 44, die darauf montiert sind, um fein verteilten Brennstoff in das heiße Volumen 32 zu dem geeigneten Zeitpunkten während des Motorzyklus einzuleiten. Das heiße Volumen 32 des beispielhaften Ausführungsbeispiels wird typischerweise viel heißer sein als bei einem herkömmlichen Diesel- oder Benzinmotor. Wegen diesen hohen Temperaturen und den daraus folgenden Wärmeverlusten kann es vorteilhaft sein, eine thermische Barriere auf der Stirnseite des Kolbens 14, auf den Wänden des heißen Zylinders 36 oder auf beiden aufzubringen. Diese thermischen Barrieren können aus Beschichtungen, Plattierungen, Flächenelementen oder anderen Strukturen bestehen, die aus Materialien gemacht sind, die hohen Temperaturen widerstehen können, und die eine niedrige thermische Leitfähigkeit haben. Keramiken, wie beispielsweise Zirkonoxid sind Beispiele von Materialien für thermische Barrieren, die verwendet werden können. Der heiße Kolben und der heiße Zylinder können auch gekühlt werden.

Der Zylinder muss keinen konstanten Querschnitt haben. Das heißt, der Innendurchmesser des heißen Zylinders 36 muss nicht der gleiche sein wie der Innendurchmesser des kalten Zylinders 34. Auch werden typischerweise die Hügel der zwei Kolben 12 und 14 nicht die Gleichen sein. Schließlich ist es nicht einmal notwendig, dass die Achsen der zylindrischen heißen und kalten Volumen axial ausgerichtet sind. Das heißt, der Zylinder kann bei der Stelle des Regenerators gebogen sein, so dass er nun aus zwei nicht axial ausgerichteten Zylindern besteht, die an ihren Enden verbunden sind, wobei dieser Verbindungsabschnitt einen Regenerator enthält. Schließlich ist es nicht nötig, dass der Regenerator präzise scheibenförmig ist. Der Regenerator könnte in einer Richtung gebogen sein, das heißt, er könnte eine konvexe/konkave Form haben, oder er könnte eine konische Form oder eine andere Form haben. Jedoch ist es vorzuziehen, dass die Oberfläche der Kolbenstirnseiten zu der nächsten Stirnseite des Regenerators passt, so dass an der innersten Position des Kolbens das Volumen zwischen dem Regenerator und dem Kolben minimiert wird.

2A bis 2H stellen die Abfolge von Prozessen dar, die den herkömmlichen Gasaustauschzyklus dieses Motors bilden. Diese Figuren basieren auf der in 1 veranschaulichten den Motorkonstruktion. Die Hülse ist in den Skizzen diese 2A bis zwei H nicht gezeigt, und die Anschlüsse sind nur gezeigt, wenn sie offen sind oder wenn auf sie Bezug genommen wird. Jedoch wird der Fachmann erkennen, wie die Hülse verwendet wird, um die Anschlüsse bzw. Kanäle zu öffnen und zu schließen. Andere Konstruktionsansätze, wie beispielsweise Zylinder mit unterschiedlichen Durchmesser, die die heißen und kalten Volumen 30 und 32 umgeben, oder andere Ansätze für Ventile können verwendet werden, ohne diese grundlegenden Prozesse zu verändern oder von dem erfindungsgemäßen Konzept abzuweichen. In Wirklichkeit wird es aufgrund von mechanischen Einschränkungen typischerweise eine gewisse Überlappung bei diesen Prozessen geben. In der folgenden Besprechung dieser Figur bezieht sich der Ausdruck einerseits auf eine Bewegung zum Regenerator hin, während der Ausdruck auswärts sich auf eine Bewegung weg vom Regenerator bezieht.

2 stellt die Motorkonfiguration zum Beginn des Kompressionshubes dar. Der kalte Kolben 12 hat gerade begonnen, sich zum Regenerator 28 hin zu bewegen. Der Einlassanschluss 38 ist gerade geschlossen worden, in dem er mit dem Kolben mit der Hülse oder mit beiden verdeckt wurde, und der Auslassanschluss 40 ist gerade durch die Hülse geschlossen worden. Die exakte und optimale Zeitsteuerung und die Reihenfolge des Schliessens dieser Anschlüsse hängt von den Einlass- und Auslasssammelleitungsdrücken und von anderen Faktoren ab. Der heiße Kolben 14 ist nahe an Regenerator 28. An seiner nächsten Position zum Regenerator 28 gibt es nur einen kleinen Spalt, wie es notwendig für die Toleranzvariationen bei den Motorkomponenten ist, der den heißen Kolben 14 vom Regenerator 28 trennt.

In 2B hat sich der kalte Kolben 12 zu einer Position nahe am Regenerator 28 bewegt, während der heiße Kolben 14 nahezu stationär auf, oder nahe seiner nächsten Position zum Regenerator 28 geblieben ist. Dies ist der Zeitpunkt der maximalen Kompression des Gases im Zylinder. Die Position des kalten Kolbens 12 zu diesem Zeitpunkt der maximalen Kompression kann die Grenze seines Weges nach innen sein (d. h. seine minimale Trennung vom Regenerator 28), oder kann abhängig von dem erwünschten Kompressionsverhältnis von dieser Position geringfügig auswärts liegen.

Zwischen den 2B und 2C setzt der kalte Kolben 12 seine Bewegung nach innen fort, wenn er nicht schon an seiner nächsten Distanz zum Regenerator 28 ist, und der heiße Kolben 14 beginnt, sich vom Regenerator 28 weg zu bewegen. Dies drückt auf das komprimierte Arbeitsströmungsmittel, so dass es durch den Regenerator 28 läuft, und zwar vom kalten Volumen 30 zum heißen Volumen 32, und dass es Energie von den heißen inneren Oberflächen des Regenerators 28 absorbiert. Dies wird als der regenerativen Aufheizungsprozess bezeichnet. Während dieses regenerative Aufheizungsprozesses beginnt die Brennstoffeinspritzung in das heiße Volumen 32. In 2C hat der kalte Kolben 12 seine nächste Position am Regenerator 28 erreicht, und zwar mit nur einen kleinem Spalt, wie es für die Toleranzveränderungen bei den Motorkomponenten nötig ist, der diesen vom Regenerator 28 trennt.

Der kalte Kolben 12 bleibt dann nahezu stationär, und der heiße Kolben 14 setzt seine Bewegung weg vom Regenerator 28 fort, wobei das heiße Volumen 32 ausgedehnt wird, wie von 2C zu 2D und dann zu 2E gezeigt. Manchmal bewirkt die sehr heiße Temperatur des Arbeitsströmungsmittels in dem heißen Volumen 32, dass der Brennstoff zündet, und zwar kurz nachdem die Brennstoffeinspritzung beginnt (2D). Wenn der Brennstoff verbraucht ist, bewegt sich der heiße Kolben 14 nach außen zu seiner maximalen Entfernung vom Regenerator 28. Dies ist der Expansionshub der heißen Seite oder der Leistungshub des heißen Kolbens. Das Ende dieser Expansion der heißen Seite ist in 2E abgebildet.

Der nächste Schritt stellt einen der Vorteile der vorliegenden Erfindung heraus. Bei anderen regenerierten Motoren (beispielsweise bei Pattas) wird der heiße Kolben zum Regenerator hin bewegt, während gleichzeitig der kalte Kolben weg vom Regenerator bewegt wird. Unsere Analysen zeigen, dass dieser Ansatz nicht die Brennstoffausnutzung des Motors maximiert. Es ist vorzuziehen, vollständiger das Arbeitsströmungsmittel zu expandieren, indem man den heißen Kolbens 14 nahezu stationär an seiner äußersten Position hält und dem kalten Kolben 12 zu seiner äußersten Position bewegt, wie es zwischen 2E und 2F gezeigt ist. Jedoch hängt die vorliegende Erfindung nicht insbesondere nur von diesem Expansionsprozess des heißen und dann des kalten Kolbens ab, weil es manche Anwendungen oder Motorbetriebszustände geben kann (beispielsweise sehr leicht belastete Motoren), bei denen ein Expansionsprozess mit gleichzeitiger Kolbenbewegung bevorzugt sein wird.

Der Grund dafür, dass man den zuvor erwähnten Ansatz der vollständigen Expansion des Arbeitsströmungsmittel bei gewissen Anwendungen des beispielhaften Ausführungsbeispiels verwendet, wird aus dem folgenden klarwerden. Nach der Expansion der heißen Seite (2E) gibt es immer noch einen beträchtlichen Druck im Zylinder. Wenn der heiße Kolben 14 nun nach innen bewegt wird (zum Regenerator hin), während der kalte Kolben 12 sich nach außen (weg vom Regenerator) bewegt, dann wird der heiße Kolben 14 Arbeit von der Welle abnehmen, während der kalte Kolben 12 diese hinzuführt. Wenn jedoch der kalte Kolben 12 sich bewegt, wird zuerst Arbeit aus dem Arbeitsströmungsmittel herausgezogen und dann auf die Welle übertragen. Wenn der kalte Kolben 12 sich seiner äußersten Position (2F) nähert, öffnet sich das Auslassventil 40 und es tritt ein Vorbeiblasen (von Gasen) auf. Nachdem der Druck in dem Zylinder durch die Expansion der kalten Seite und das Vorbeiblasen reduziert worden ist, wird der heiße Kolben 14 zum Regenerator 28 hin bewegt. Da der Druck nun viel niedriger ist, ist die Motorarbeit kleiner, die erforderlich ist, um den heißen Kolben 14 nach innen zu bewegen. Somit wird mehr Netto-Arbeit herausgezogen. Diese Abfolge von Prozessen sieht auch das vor, welches üblicherweise als "Miller-Zyklus" bezeichnet wird, wodurch das Arbeitsströmungsmittel eine Expansion ausführt, die größer als die Kompression ist, was weiter die Leistung verbessert.

2F zeigt die Auslassanschlüsse bzw. Auslasskanäle 40, die geöffnet sind, wenn der kalte Kolben 12 sich seiner äußeren Position nähert. Dieses hat das Vorbeiblasen der Zylindergase zur Folge. Während der Expansion im kalten Volumen 30 und während des Vorbeiblasens muss läuft ein Teil des Arbeitsströmungsmittels aus dem heißen Volumen 32 in das kalte Volumen 30, wobei es durch den Regenerator 28 läuft. Wenn es hindurchläuft, überträgt das Gas thermische Energie auf den Regenerator 28. Dies wird als der erste Teil des regenerativen Kühlungsprozesses bezeichnet. Diese Bewegung des kalten Kolbens 12, die zwischen den 2E und 2F abgebildet wird, wird auch als Expansion der kalten Seite bezeichnet.

Zwischen den Positionen, die in den 2F und 2G abgebildet sind, bewegt sich der Kolben 14 von seiner äußeren Position zu seiner innersten Position benachbart zum Regenerator 28. Diese Bewegung hat einen zusätzlichen Massenfluss durch den Regenerator 28 und eine Wärmeübertragung auf diesen zur Folge, und dieser heiße Kolbenhub wird als der zweite Teil des regenerativen Kühlungsprozesses bezeichnet. Bevor der Kolben 14 diesem Hub ausführt oder während er dieses tut werden die Einlassanschlüsse 38 geöffnet, und eine Spülung beginnt. Während der Spülung wird ein Teil des Arbeitsströmungsmittels aus den Auslassanschlüssen 40 herausgedrückt und wird durch frisches Arbeitsströmungsmittel vom Einlassanschluss 38 ersetzt.

Es kann auch vorteilhaft sein, einen Überladungsprozess nach der Beendigung der Spülung zu verwenden. Dieser Prozess ist in 2H gezeigt, wobei der Auslassanschluss bzw. Auslasskanal 40 geschlossen ist, und wobei der Zylinder dadurch vom Einlassanschluss unter Druck gesetzt wird, bevor die Einlassanschlüsse 38 geschlossen werden. Alternativ kann es zufriedenstellend oder wünschenswert sein, sowohl den Einlassanschluss 38 als auch den Auslassanschluss 40 eher simultan zu schließen. Ob dies vorteilhaft ist, hängt von den relativen Drücken in den Einlass- und Auslasssammelleitungen ab, weiter von den Zeitsteuerriemenmöglichkeiten der Ventile oder Hülsen und von anderen Faktoren. Wenn der Einlasssammelleitungsdruck viel höher ist als der Auslasssammelleitungsdruck wird es allgemein vorteilhaft sein, dem Zylinder zu überladen.

Egal ob der Zylinder überladen ist oder nicht, werden beide Anschlüsse nahe dem Beginn des Einwärtshubes des kalten Kolbens geschlossen (beim Kompressionshub). Somit haben wir den Zyklus vollendet und sind zu 2A zurückgekehrt.

3 ist eine schematische Zeichnung des Zylinders eines zweiten veranschaulichenden Ausführungsbeispiels des regenerierten in Motors der vorliegenden Erfindung. Diese Zeichnung ist nicht so detailliert wie jene der 1, wobei die einzigen wesentlichen Unterschiede gegenüber 1 folgende sind: (1) dieser Motor hatte die Einlassanschlüsse 138 benachbart zu den Auslassanschlüssen 140 und nahe den Regenerator 128 angeordnet, (2) eines oder mehrere Einlasssitzventile 152 werden verwendet, um das Öffnen und Schließen von einem oder mehreren Einlassanschlüssen zu steuern und (3) ein oder mehrere Auslasssitzventile 154 werden verwendet, um das Öffnen und das Schließen von dem einen Auslassanschluss oder von mehreren Auslassanschlüssen zu steuern. Diese Einlass- und Auslassdurchlässe und die assoziierten Ventile könnten auch Anschlüsse sein, die von einem Hülsenventile betätigt werden, oder von anderen Mitteln, die üblicherweise eingesetzt werden, um den Fluss durch die Durchlässe zu steuern. Einer oder mehrere Anschlüsse mit Abdeckungsventilen können für jeden der Auslass- und Einlassdurchlässe verwendet werden. Da schließlich die axialen Kräfte, die auf den Zylinder wirken, klein sind, ist es auch möglich, den Zylinder in dem kalten Volumen "aufzubrechen", so dass er auseinandergezogen werden kann, falls erwünscht, um eine Öffnung für den Austausch von Gasen vorzusehen.

Der Antriebsmechanismus für dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3 nicht gezeigt, er kann jedoch ähnlich oder identisch sein wie in 1. Der einzige Unterschied wäre die Form der Oberfläche der Trommelnocke, welche ein Detail ist, das in keiner Zeichnung gezeigt ist.

4A bis 4I bilden den Betrieb dieses Motors in einem Betriebszustand mit verbesserten Gasaustausch ab. In diesem Ausführungsbeispiel bewegt sich der kalte Kolben, wie es im folgenden beschrieben wird, insbesondere und in erster Linie zum Zwecke des Herausdrückens von Gasen aus den Auslassanschlüssen und zum Einziehen von Gasen durch die Einlassanschlüsse. Der hauptsächliche Unterschied zwischen dem Betrieb des Motors während des herkömmlichen Gasaustauschzyklus und dem verbesserten Gasaustauschzyklus ist das zusätzliche Vorsehen von zwei zusätzlichen Hüben des kalten Kolbens während des verbesserten Gasaustauschzyklus, um einen verbesserten Gasaustausch in dem kalten Volumen zu erleichtern. Somit sind die Betriebsschritte, die in den 4A bis 4F abgebildet wurden, im allgemeinen die gleichen wie jene, die in den 2A bis 2F abgebildet sind.

In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel, welches in den 4A bis 4I abgebildet ist, wird die Zylinderkonfiguration der 3 verwendet, wobei die Anschlüsse durch Sitzventile geöffnet und geschlossen werden. Zur Vereinfachung sind die Ventile in den 4A bis 4I nicht dargestellt. Wenn ein Anschluss bzw. Kanal geöffnet wird, ist er als eine Öffnung in der Zylinderwand gezeigt. Wenn der Anschluss geschlossen ist, ist er nicht gezeigt. Es sei bemerkt, dass der verbesserte Gasaustauschzyklus, der in den 4A bis 4I abgebildet wird, auch mit einer Motorstruktur eingesetzt bzw. betrieben werden kann, die ein Hülsenventil einsetzt, um die Einlass- und Auslassanschlüsse zu öffnen und zu schließen. Weiterhin kann der herkömmlichen Gasaustauschzyklus, der in den 2A bis 2N abgebildet ist, mit der Motorstruktur der 3 genauso wie mit jener der 1 betrieben werden.

Andere Konstruktionsansätze, wie beispielsweise Zylinder mit unterschiedlichen Durchmesser, die das heiße Volumen 132 und das kalte Volumen 130 umgeben, oder Ansätze mit anderen Ventilanordnungen können verwendet werden, ohne diese grundlegenden Prozesse zu verändern oder von dem erfindungsgemäßen Konzepte abzuweichen. Tatsächlich wird es aufgrund von mechanischen Einschränkungen typischerweise eine gewisse Überlappung bei diesen Prozessen geben, die in den 4-4I dargestellt werden.

Die 4A bis 4F bilden Motorkonfigurationen ähnlich jenen ab, die in den 2A bis 2F dargestellt sind. 4A stellt die Motorkonfigurationen zum Beginn des Kompressionshubes dar. 4B bildet den kalten Kolben 112 nahe am Regenerator 128 ab, während der heiße Kolben 114 nahezu stationär an seiner nächsten Position zum Regenerator 128 geblieben ist oder sehr nahe an dieser Position geblieben ist. Wie bei der 2B ist dies der Zeitpunkt der maximalen Gaskompression im Zylinder. Zwischen den 4B und 4C setzt der kalte Kolben 112 seine Bewegung nach innen fort, und der heiße Kolben 114 beginnt, sich weg vom Regenerator 128 zu bewegen. Wie bei den 2B und 2C wird dies als der regenerative Aufheizungsprozess bezeichnet.

Der kalte Kolben 112 bleibt dann nahezu stationär, und der heiße Kolben 114 setzt seine Bewegung weg vom Regenerator 128 fort, wobei er das heiße Volumen 132 expandiert, wie in 4C bis 4D und dann bei 4E gezeigt. Manchmal bewirkt kurz nachdem die Brennstoffeinspritzung beginnt (4D) die sehr hohe Temperatur des Arbeitsströmungsmittels in dem heißen Volumen 132, dass der Brennstoff zündet, was eine Expansion der heißen Seite oder den Leistungshub des heißen Kolbens zur Folge hat. Das Ende dieser Expansion der heißen Seite ist in 4E abgebildet.

Wie in den 2E und 2F bilden die 4E und 4F ab, wie der heiße Kolben 114 nahezu stationär an seiner äußersten Position gehalten wird, und der kalte Kolben 112 zu seiner äußersten Position bewegt wird. Wiederum hängt die vorliegende Erfindung nicht insbesondere von diesem speziellen Prozess der Expansion des heißen und dann des kalten Kolbens ab, da es manche Anwendungen oder Motorbetriebszustände geben kann (beispielsweise sehr leicht belastete Motoren), bei denen der Expansionsprozess mit simultaner Kolbenbewegung bevorzugt sein wird.

Wie 2F zeigt 4F die Auslassanschlüsse 140, die durch ihre Sitzventile geöffnet werden, wenn sich der kalte Kolben 112 seiner äußersten Position nähert. Dies hat das Vorbeiblasen von Zylindergasen zur Folge. Während der Expansion in dem kalten Volumen 130 und während des Vorbeiblasens läuft ein Teil des Arbeitsströmungsmittel ist von dem heißen Volumen 132 zum kalten Volumen 130, wobei es durch den Regenerator 128 läuft. Wenn es durch ihn hindurchläuft, überträgt das Gas thermische Energie auf den Regenerator 128. Dies wird als der erste Teil des regenerativen Kühlungsprozesses bezeichnet. Diese Bewegung des kalten Kolbens 112, die zwischen den 4E und 4F abgebildet ist, wird auch als die Expansion der kalten Seite bezeichnet.

Zwischen den Positionen, die in den 4F und 4G abgebildet sind, bewegt sich der heiße Kolben 114 von der Nähe seiner äußersten Position zur Nähe seiner innersten Position benachbart zum Regenerator 128. Diese Bewegung hat einen zusätzlichen Massenfluss durch den Regenerator 128 und eine Wärmeübertragung auf diesen zur Folge. Dieser Hub des heißen Kolbens wird als der zweite Teil des regenerativen Kühlungsprozesses bezeichnet. Während dieses Hubes des heißen Kolbens kann der kalte Kolben 112 nahezu stationär in der Nähe seiner äußersten Position bleiben. Alternativ kann der kalte Kolben 112 seine Bewegung nach innen zum Regenerator 128 hin beginnen. Die Einwärtsbewegung von jedem der Kolben drückt Abgase aus dem Auslassanschluss 140.

Der nächste Schritt (4G bis 4N) weist den Auslasshub auf. Der kalte Kolben 112 bewegt sich aus der Nähe seiner äußersten Position zu einer Position näher an Regenerator 128. Der heiße Kolben 114 hat sich schon zu seiner innersten Position bewegt, oder er vollendet sonst seine Bewegung während des Auslasshubes des kalten Kolbens. Es ist wichtig, dass der heiße Kolben 114 sehr nahe am Regenerator an dem Ende des Auslasshubes des kalten Kolbens ist, um so viel von den Abgasen aus dem heißen Volumen wie möglich herauszubringen. Wenn alternativ das Zurückhalten von zusätzlichem Abgas erwünscht ist (beispielsweise um NOX zu minimieren) dann muss der heiße Kolben 114 nicht an seiner innersten Position sein.

Während des Auslasshubes des kalten Kolbens bleiben der Auslassanschluss oder die Auslassanschlüsse 140 offen. In diesem Ausführungsbeispiel erfordert dies, dass die Auslasssitzventile offen bleiben. Die Einlassanschlüsse werden geschlossen. Abgase werden somit aus dem Zylinder herausgedrückt. Es ist wichtig zu erkennen, dass dieser Auslasshub des kalten Kolbens 112 nicht ein voller Hub sein muss, d. h., der kalte Kolben muss sich nicht vollständig zu seiner innersten Position bewegen. Der Trommelnockenantriebsmechanismus von diesem Ausführungsbeispiel bietet die Möglichkeit, dass dieser Auslasshub des kalten Kolbens 112 kürzer ist als sein vorheriger Hub, der Kompressionshub der 4A bis 4B. Somit muss der kalte Kolben 112 nicht so weit laufen, dass er auf die sich nach innen öffnenden Sitzventile trifft, die die Einlass- und Auslassanschlüsse 138 und 140 steuern.

Wenn der kalte Kolben 112 sich schließlich dem Ende seines Auslasshubes nähert, beginnen die Einlasssitzventile, die Einlassanschlüsse 138 zu öffnen, und die Auslasssitzventile beginnen, die Auslassanschlüsse 140 zu schließen. Ein gewisser Grad an Überlappung bei diesen Vorgängen ist im allgemeinen wünschenswert oder unvermeidbar. Dann bewegt sich der kalte Kolben 112 nach außen von der innersten Position seines Auslasshubes, wie in den 4H bis 4I gezeigt. Dieser Hub des kalten Kolbens wird als der Einlasshub bezeichnet. Vor diesem Einlasshub oder früh in diesem Einlasshub vollenden die Auslassventile den Verschlussvorgang der Auslassanschlüsse 140, und die Einlassventile vollenden ihren Öffnungsvorgang der Einlassanschlüsse 138. Der heiße Kolben 114 bleibt über den gesamten Einlasshub nahe seiner innersten Position. Wenn der kalte Kolben 112 diesen Einlasshub ausführt, wird frisches Arbeitsströmungsmittel in dem Zylinder durch den offenen Einlassanschluss 138 gezogen. Schließlich schließen die Einlassventile nahe dem Zeitpunkt, zu dem der kalte Kolben 112 diesen Einlasshub vollendet, die Einlassanschlüsse 138, und der Kompressionshub beginnt. Dies bringt uns wieder zu der Situation zurück, die in 4A abgebildet ist.

Alle diese Ventilwirkungen können variiert werden, ohne von der grundlegenden Lehre dieser Erfindung abzuweichen. Der Grad der Ventilüberlappung kann variiert oder weggelassen werden. Der Verschluss des Einlassventils kann verzögert werden, um teilweise einen Teil des Arbeitsströmungsmittels in einer Weise auszustoßen, die üblicherweise eingesetzt wird, um den Grad der Expansion des Arbeitsströmungsmittels gegenüber dem Grad der Kompression zu vergrößern (d. h. wie bei einem "Miller-Zyklus"). Ein weiterer Weg, um den Miller-Zyklus bei diesen Motor einzurichten ist, den Einlasshub so zu reduzieren, dass der kalte Kolben nicht seine äußerste Position erreicht, bevor er seinen nach innen gerichteten Kompressionshub beginnt.

Sowohl für das Ausführungsbeispiel mit herkömmlichem Gasaustausch als auch für das Ausführungsbeispiel mit verbessertem Gasaustausch dieser Erfindung sei bemerkt, dass alternative Verfahren zur Einleitung von Brennstoff in das heiße Volumen verwendet werden können und immer noch innerhalb des Umfangs der Erfindung bleiben. Beispielsweise kann (1) Brennstoff direkt in das heiße Volumen eingespritzt werden, (2) Brennstoff in das kalte Volumen eingespritzt werden und darauffolgend durch den Regenerator geleitet werden oder (3) Brennstoff kann in das Arbeitsströmungsmittel vor dem Eintritt des Arbeitsströmungsmittels in den Zylinder eingeleitet werden und dann darauf folgend durch den Regenerator und in das heißen Volumen geleitet werden. Brennstoffeinspritzvorrichtungen, die verwendet werden, um die vorliegende Erfindung praktisch auszuführen, können irgend eine Vorrichtung aufweisen, die Brennstoff in den Zylinder einleitet, einschließlich Vorrichtungen zum Verdampfen und zum Versprühen, hydraulische Vorrichtungen und pneumatische Vorrichtungen.

Für einige Brennstoffe mit großen Einspritzungsverzögerungen (beispielsweise leichtere Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Propan und Erdgas) und für manche Betriebsbedingungen (beispielsweise beim Start, beim Leerlauf und leichter Belastung) kann es nötig oder vorteilhaft sein, eine Zündungsquelle in dem heißen Zylinder vorzusehen, wie beispielsweise eine Zündkerze oder eine Glühkerze. In manchen Situationen und bei manchen Brennstoffen kann es möglich sein, die heißen Oberflächen des Regenerators, die Verdichtungswärme oder beides zu verwenden, um die vorgemischte Mischung aus Brennstoff und Luft zu zünden.

Ein wichtiges Merkmal der hier offenbarten Erfindung ist die spezielle festgelegte Bewegung der Kolben. Eine ordnungsgemäße Bewegung kann essenziell sein, wenn ein einsatzbereiter Motor herzustellen ist. Beispielsweise bleibt der heiße Kolben vorzugsweise sehr nahe an Regenerator während des Kompressionsvorgangs. Anderenfalls werden Gase durch den Regenerator gedrückt, wodurch sie während der Kompression aufgeheizt werden. Dies steigert die Kompressionsarbeit, die im Motor erforderlich ist und verschlechtert die Leistung und den Wirkungsgrad. In ähnlicher Weise bleibt während des Expansionshubes des heißen Kolbens der kalte Kolben vorzugsweise sehr nahe am Regenerator. Wenn der kalte Kolben sich weg vom Regenerator bewegt, werden heiße Gase durch den Regenerator und in das kalte Volumen gezogen. Bei dem Prozess werden diese heißen Gase durch den Regenerator abgekühlt. Somit wird thermische Energie zu früh herausgezogen und sehr heiße Gase werden in den Regenerator gezogen. Dies wird die Leistung verschlechtern und wahrscheinlich den Regenerator zerstören. Die hier offenbarte Erfindung beschreibt insbesondere diese kritische Kolbenbewegung und bietet Mittel, durch welche diese Bewegung erreicht werden kann.

5 ist ein Längsschnitt von einem Ausführungsbeispiel der Motoranordnung der vorliegenden Erfindung. Dieses spezielle Ausführungsbeispiel verwendet den herkömmlichem Gasaustauschzyklus, der oben mit Bezugnahme auf die 2A bis 2H beschrieben wurde. Nur minimale und offensichtliche Konstruktionsveränderungen, wie sie in dieser Offenbarung beschrieben werden, sind zum Betrieb in einem verbesserten Gasaustauschzyklus erforderlich, wie er oben mit Bezug auf die 4A bis 4I beschrieben wurde. Dieses Ausführungsbeispiel mit herkömmlichem Gasaustausch verwendet ein Paar von Trommelnocken 22 und 26, um die ungewöhnlichen und stark nicht-sinusförmigen Kolbenbewegungen vorzusehen, die dieser Motor benötigt. Die besonders flexible Bewegung, die mit Trommelnocken vorgesehen werden kann, macht sie insbesondere zur Anwendung bei diesen Motor anwendbar. Das Ausführungsbeispiel der 5 weist vier Zylinder auf, Zylinder 10 und 11, genauso wie zwei Zylinder, die außerhalb der Ebene der Querschnittsansicht sind. Wie oben mit Bezug auf den Zylinder 10 der 1 beschrieben sind die Zylinder 10 und 11 an beiden Enden durchgegenüberliegende Kolben 12 und 14 verschlossen. Der kalte Kolben 12 ist mit einer Leistungsausgangswelle 16 durch eine Kolbenstange 18, durch eine Rollenanordnung 62 und eine Trommelnocke 22 verbunden. Der heiße Kolben 14 ist mit der Leistungausgangswelle 16 durch eine andere Kolbenstange 24, eine andere Rollenanordnung 64 und eine Trommelnocke 26 verbunden. Die Trommelnocken 22 und 26 werden verwendet, um die lineare Bewegung der Kolben 12 und 14 in die Drehbewegung der Leistungausgangswelle 16 umzuwandeln. Wie in 1 gezeigt ist jeder Zylinder in zwei Teile durch einen Regenerator 28 aufgeteilt und hat dadurch ein veränderbar bemessenes kaltes Volumen 30 zwischen dem kalten Kolben 12 und den Regenerator 28 und ein veränderbar bemessenes heißes Volumen 32 zwischen dem Regenerator 28 und dem heißen Kolben 14.

6 veranschaulicht eine Perspektivansicht der Nockenanordnung 20, die die Trommelnocken 22 und 26 auf gegenüber liegenden Enden der Welle 16 aufweist. Die Nocken 22 und 26 sind konturiert, um die oben offenbarte periodische Kolbenbewegung vorzusehen.

7 ist ein ebenes schematisches Diagramm, welches die spezielle nichtsinusförmige Kolbenbewegung und Phasenanordnung veranschaulicht, die durch die Nockenanordnung 20 vorgesehen wird. Die Nocken 22 liefert die Bewegung für den kalten Kolben 12 und die Kolbenstange 18 über die Folgeanordnung 20. Die Folgeanordnung 20 weist die Lastrolle bzw. belastete Rolle 46 und die Rolle 48 der unbelasteten Seite bzw. Führungsrolle 48 auf, die auf dem Joch 50 montiert ist. Wenn man dem unteren Teil der schematischen Darstellung von links nach rechts folgt, sehen wir die spezielle Nockengeometrie, die verwendet wird, um die sehr speziellen Positionen des kalten Kolbens 12 relativ zum Regenerator 28 über die 360 Grad des Wellenwinkels zu liefern. In ähnlicher Weise zeigt der obere Teil der schematische Darstellung die Nocke 26, die die Bewegung für den heißen Kolben 14 und die Kolbenstange 24 über die Folgeanordnung 52 vorsieht, die auch eine belastete Rolle und eine Rolle der unbelasteten Seite bzw. Führungsrolle aufweist, die auf einem Joch montiert sind. Wie bei der kalten Seite des Zylinders wird, wenn man der schematische Darstellung von links nach rechts folgt, veranschaulicht, wie die Geometrie der Nocke 26 die spezielle Bewegung des heißen Kolbens 14 mit Bezug zum Regenerator 28 vorsieht, und zwar über 360 Grad des Wellenwinkels. Der Fachmann würde jedoch erkennen, wie die Bewegung von irgend einem oder von beiden Kolben 12 und 14 jeweils durch Variieren der Geometrie der Nocken 22 und 26 zu variieren ist.

Während die Trommelnocke einen hervorragenden Antriebsmechanismus aufweist, durch welchen die sehr ungewöhnlichen Kolbenbewegungen vorgesehen werden können, die für den regenerierten Zyklus erforderlich sind, gibt es andere Mittel, um die gleiche oder eine sehr ähnliche Bewegung zu erreichen. Diese Erfindung kann mit alternativen Antriebsmechanismen praktisch ausgeführt werden, die eine nicht sinusförmige Kolbenbewegung mit einer Ruhezeit an jedem Ende des Hubes vorsehen.

Offensichtlich sind im Lichte der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es sei daher bemerkt, dass innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche diese Erfindung in anderer Weise praktisch ausgeführt werden kann als sie speziell hier beschrieben wurde.

Zusammenfassung

Ein verbesserter Verbrennungsmotor mit sich hin und her bewegenden Kolben setzt die thermische Regeneration ein, um seinen Wirkungsgrad und seine Leistung zu verbessern. Die Regeneration wird durch Anwendung eines Wärmetauschers mit abwechselndem Fluss erreicht. Bei einem Ausführungsbeispiel besteht der Motor aus einem oder mehreren Zylindern (10), die ein Paar von gegenüberliegenden Kolben (12, 112, 14, 114) enthalten, weiter einen heißen Kolben (14, 114) und einen kalten Kolben (12, 112), die durch einen stationären Regenerator (28, 128) getrennt werden. Der Motor ist mit Mitteln ausgerüstet, um gasförmigen oder flüssigen Brennstoff in das heißen Volumen (32, 132) einzuleiten, weiter mit Mitteln zur Einleitung von frischen Arbeitsströmungsmittel und mit Mitteln zur Entfernung von Abgasen aus dem kalten Volumen (30, 130). In einem Ausführungsbeispiel sind eine oder mehrere Auslassanschlüsse (40, 140), die den Fluss von Abgasströmungsmittel aus dem Zylinder (10) gestatten, zwischen einem kalten Kolben (12, 112) und dem thermischen Regenerator (28, 128) gelegen, und einer oder mehrere Einlassanschlüsse (38, 138), die den Fluss von frischem Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) gestatten, sind zwischen dem kalten Kolben (12, 112) und den Auslassanschlüssen (40, 140) gelegen. Der Motor kann eine größere Expansion als Kompression bieten und kann kritische und wesentliche Verbesserungen gegenüber früheren Motoren bieten. (1)


Anspruch[de]
  1. Regenerierter Verbrennungsmotor, der Folgendes aufweist:

    mindestens einen Zylinder (10), der an einem Ende durch einen bewegbaren heißen Kolben (14, 114) geschlossen ist, und der am anderen Ende durch einen bewegbaren kalten Kolben (12, 112) geschlossen ist, wobei die Kolben (12, 112, 14, 114) sich in einer Hin- und Herbewegung bewegen und mit einer Leistungsausgangswelle (16) verbunden sind;

    einen thermischen Regenerator (28, 128), der innerhalb des Zylinders (10) zwischen den Kolben (12, 112, 14, 114) gelegen ist, wobei der Regenerator (12, 112, 14, 114) den Zylinder (10) aufteilt in ein heißes Volumen (32, 132) und ein kaltes Volumen (30), 130), wobei das heiße Volumen (32, 132) zwischen dem Regenerator (28, 128) und dem heißen Kolben (14, 114) liegt, und wobei das kalte Volumen (30, 130) zwischen dem Regenerator (28, 128) und dem kalten Kolben (12, 112) liegt;

    mindestens einen Auslassanschluss (40, 140) an den Zylinder (10), um den Fluss von Auslassströmungsmittel aus den Zylinder (10) zu gestatten, wobei der Auslassanschluss (40, 140) zwischen dem kalten Kolben (12, 112) und dem thermischen Regenerator (28, 128) gelegen ist; und

    mindestens einen Einlassanschluss (38, 13) an dem Zylinder (10), um den Fluss von zwischen Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) zu gestatten, wobei der Einlassanschluss (38, 138) zwischen dem kalten Kolben (12, 112) und dem Auslassanschluss (40, 140) gelegen ist.
  2. Motor nach Anspruch 1, wobei das kalte Volumen (30, 130) des Zylinders ein erstes Ende in der Nähe des Regenerators (28, 128) hat, und ein zweites Ende entfernt von dem erwähnten Regenerator (28, 128), und wobei der mindestens einen Auslassanschluss (40, 140) an dem ersten Ende des Zylinders gelegen ist, und wobei der mindestens einen Einlassanschluss (38, 138) an dem zweiten Ende des Zylinders gelegen ist.
  3. Motor nach Anspruch 2 nicht, wobei der mindestens einen Einlassanschluss (38, 138) so konfiguriert ist, dass er mit dem kalten Volumen (30, 130) in Verbindung steht, wenn der kalte Kolben (12, 112) am zweiten Ende ist und konfiguriert ist, um nicht mit dem kalten Volumen (30, 130) in Verbindung zu stehen, wenn der kalte Kolben (12, 112) am ersten Ende ist.
  4. Motor nach Anspruch 1, der weiter ein Hülsenventil (42) aufweist, welches den Auslassanschluss (40, 140) bedeckt und freilegt.
  5. Motor nach Anspruch 1, der weiter Sitzventile (152, 154) aufweist, die die mögliche Vielzah (von Einlassanschlüssen (38, 138) und die mögliche Vielzahl von Auslassanschlüssen (40, 140) öffnen und schließen kann.
  6. Motor nach Anspruch 1, wobei die Kolben (12, 112, 14, 114) mit der Ausgangswelle (16) durch eine oder mehrere Trommelnocken (22, 26) verbunden sind.
  7. Motor nach Anspruch 1, der weiter eine Brennstoffeinspritzvorrichtung (44) aufweist.
  8. Regenerierter Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist:

    mindestens einen Zylinder (10), der an einem Ende durch einen bewegbaren heißen Kolben (14, 114) geschlossen ist, und der am anderen Ende durch einen bewegbaren kalten Kolben (12, 112) geschlossen ist, wobei die Kolben (12, 112, 14, 114) sich in hin und her laufender Weise bewegen und mit einer Leistungsausgangswelle (16) durch eine oder mehrere Trommelnocken (22, 26) verbunden sind;

    einen thermischen Regenerator (28, 128), der innerhalb des Zylinders (10) zwischen den Kolben (12, 112, 14, 114) gelegen ist, wobei der Regenerator (28, 128) den Zylinder (10) in einen heißes Volumen (32, 132) und ein kaltes Volumen (30, 130) aufteilt, wobei das heiße Volumen (32, 132) zwischen dem Regenerator (28, 128) und dem heißen Kolben (14, 114) liegt, und wobei das kalte Volumen (30, 130) zwischen dem Regenerator (28, 128) und dem kalten Kolben (12, 112) liegt;

    mindestens einen Auslassanschluss (40, 140) an dem Zylinder (10), um den Fluss von Abgasströmungsmittel aus dem Zylinder (10) zu gestatten; und

    mindestens einen Einlassanschluss (38, 138) an dem Zylinder (10), um den Fluss von frischem Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) zu gestatten.
  9. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem festen Regenerator (28, 128), welches folgende Schritte aufweist:

    Vorsehen eines Verbrennungsmotors, der Folgendes aufweist:

    mindestens einen Zylinder (10), wobei der Zylinder (10) an einem Ende durch einen bewegbaren heißen Kolben (14, 114) geschlossen ist, und am anderen Ende durch einen bewegbaren kalten Kolben (12, 112) geschlossen ist und weiter einen thermischen Regenerator (28, 128) aufweist, der innerhalb des Zylinders (10) zwischen den Kolben (12, 112, 14, 114) gelegen ist und den Zylinder (10) in ein heißes Volumen (32, 132) und ein kaltes Volumen (30, 130) aufteilt;

    einen oder mehrere Einlassanschlüsse (38, 138);

    einen oder mehrere Auslassanschlüssen (40, 140); eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen (44); und Komprimieren eines Arbeitsströmungsmittels in erster Linie in dem kalten Volumen (30, 130) und Leiten des Arbeitsströmungsmittels von dem kalten Volumen (30, 130) zum heißen Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128);

    Einspritzung von Brennstoff in das heiße Volumen (32, 132), Einleitung der Verbrennung und Expansion des verbrennenden Strömungsmittels in das heiße Volumen (32, 132);

    Übertragung eines Teils des Arbeitsströmungsmittels zu dem kalten Volumen (30, 130) durch den Regenerator (28, 128);

    Expansion des Teils des Arbeitsströmungsmittels in dem kalte Volumen (30, 130), während man die Größe des heißen Volumens nahezu konstant hält;

    Ausstoßen eines Teils des Arbeitsströmungsmittels in dem kalten Volumen (30; 130), durch die Auslassanschlüsse (40, 140) zusammen mit der Übertragung von zusätzlichem Arbeitsströmungsmittel aus dem heißen Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128) und in das kalte Volumen (30, 130), während man die Größe des heißen Volumens nahezu konstant hält;

    Übertragung des größten Teils des Restes des Arbeitsströmungsmittels in das heiße Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128) in das kalte Volumen (30, 130); und

    teilweiser Austausch des Arbeitsströmungsmittels über die Einlassanschlüsse (38, 138) und die Auslassanschlüsse (40, 140).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des teilweisen Austausches des Arbeitsströmungsmittels weiter folgende Schritte aufweist:

    Halten oder Bewegen des heißen Kolbens (14, 114) zu seiner innersten Position und halten des Kolbens dort;

    Schließen der Auslassanschlüsse (40, 140); und

    Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) zu seiner äußersten Position, wodurch frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) durch die Einlassanschlüsse (38, 138) gezogen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schritte des Ausstoßens eines Teils des Arbeitsströmungsmittels, der Übertragung des größten Teils des Restes des Arbeitsströmungsmittels und des teilweisen Austausches des Arbeitsströmungsmittels einander im wesentlichen überlappen.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schritte des Ausstoßens eines Teils des Arbeitsströmungsmittels, der Übertragung des größten Teils des Restes des Arbeitsströmungsmittels und des teilweisen Austausches des Arbeitsströmungsmittels im wesentlichen gleichzeitige Schritte sind.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Einlassanschlüsse (38, 138) und die Auslassanschlüsse (40, 140) mit entsprechenden Ventilen ausgerüstet sind, um den Gasaustausch zu erleichtern.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Einlassanschlüsse (38, 138) und die Auslassanschlüsse (40, 140) in erster Linie durch die Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) gesteuert werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Einlassanschlüsse und die Auslassanschlüsse (40, 140) durch die Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) und durch Ventile (42) außerhalb des Zylinders (10) gesteuert werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der teilweise Austausch des Arbeitsströmungsmittels über den Einlassanschluss (38, 138) und den Auslassanschluss (40, 140) durch den folgenden Spülungsprozess erreicht wurde;

    Öffnen der Auslassanschlüsse (40, 140);

    Öffnen der Einlassanschlüsse (38, 138);

    Halten des heißen Kolbens (14, 114) nahezu stationär in der Nähe der innersten Position und halten des kalten Kolbens (12, 112) nahe seiner äußersten Position; und

    Gestatten oder Bewirken, dass frisches, unter Druck gesetztes Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) durch die Einlassanschlüsse (38, 138) eintritt, und Herausdrücken des Arbeitsströmungsmittels aus dem Zylinder (10) durch die Auslassanschlüsse (40, 140).
  17. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des teilweisen Austausches des Arbeitsströmungsmittels weiter folgende Schritte aufweist:

    Halten oder Bewegen des heißen Kolbens (14, 114) zu seiner innersten Position und halten des Kolbens dort;

    Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) von seiner äußersten Position zu einer inneren Position wodurch Arbeitsströmungsmittel aus den Auslassanschlüssen (40, 140) gedrückt wird;

    Schließen der Auslassanschlüsse (40, 140) und Öffnen der Einlassanschlüsse (38, 138); und

    Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) zu der äußersten Position, wodurch frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) durch die Einlassanschlüsse (38, 138) gezogen wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Schliessens der Auslassanschlüsse (40, 140) und des Öffnens der Einlassanschlüsse (38, 138) weiter das Schließen der Auslassanschlüsse (40, 140) vor dem Öffnen der Einlassanschlüsse (38, 138) aufweist.
  19. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt der Verdichtung eines Arbeitsströmungsmittels weiter die Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) aus der Nähe seiner äußersten Position zur Nähe seiner innersten Position aufweist, während man den heißen Kolben (14, 114) auf oder nahe seiner innersten Position hält.
  20. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt der Expansion des Arbeitsströmungsmittels in dem heißen Volumen (32, 132) die Bewegung des heißen Kolbens (14, 114) aus der Nähe seiner innersten Position zu seiner äußersten Position aufweist, während man den kalten Kolben (12, 112) auf oder nahe seiner innersten Position hält.
  21. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt der Übertragung des größten Teils des Restes des Arbeitsströmungsmittels vor dem Schritt des teilweisen Austausches des Arbeitsströmungsmittels über die Einlassanschlüsse (38, 138) und die Auslassanschlüsse (40, 140) vollendet wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt der Übertragung des größten Teils des Restes des Arbeitsströmungsmittels teilweise oder vollständig während des Schrittes des teilweisen Austausches des Arbeitsströmungsmittels über die Einlassanschlüsse und die Auslassanschlüsse (40, 140) auftritt.
  23. Verfahren nach Anspruch 9, welches weiter den Schritt aufweist, eine oder mehrere Trommelnocken (22, 26) vorzusehen, die die Kolben (12, 112, 14, 114) mit einer Ausgangswelle (16) verbindet bzw. vorbinden.
  24. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennung Motors mit einem festen Regenerator (28, 128), welches folgende Schritte aufweist:

    Vorsehen eines Verbrennungsmotors, der folgendes aufweist:

    mindestens einen Zylinder (10), wobei der Zylinder (10) an einem Ende durch einen bewegbaren Kolben (14, 114) verschlossen ist, und am anderen Ende durch einen bewegbaren kalten Kolben (12, 112) verschlossen ist und weiter einen thermischen Regenerator (28, 128) aufweist, der innerhalb des Zylinders (10) zwischen den Kolben (12, 112, 14, 114) gelegen ist und den Zylinder (10) in ein heißes Volumen (32, 132) und ein kaltes Volumen (30, 130) aufteilt;

    einen oder mehrere Einlassanschlüsse (38, 138);

    einen oder mehrere Auslassanschlüsse (40, 140);

    eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen (44); und

    Komprimieren eines Arbeitsströmungsmittels in erster Linie in dem kalten Volumen (30, 130) und Leiten des Arbeitsströmungsmittels aus dem kalten Volumen (30, 130) in das heiße Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128);

    Einspritzung von Brennstoff in das heißen Volumen (32, 132), Einleitung der Verbrennung und Expansion des verbrennenden Strömungsmittels in das heißen Volumen (32, 132);

    Übertragung eines Teils des Arbeitsströmungsmittels in das kalte Volumen (30, 130) durch den Regenerator (28, 128);

    Expansion des erwähnten Teils des Arbeitsströmungsmittels in dem kalten Volumen (30, 130), während man die Größe des heißen Volumens nahezu konstant hält;

    Übertragung des größten Teils des Restes des Arbeitsströmungsmittels in dem heißen Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128) in das kalte Volumen (30, 130); und

    Öffnen der Auslassanschlüsse (40, 140);

    Öffnen der Einlassanschlüsse (38, 138);

    Halten des heißen Kolbens (14, 114) nahezu stationär in der Nähe seiner innersten Position und halten des kalten Kolbens (12, 112) in der Nähe seiner äußersten Position; und

    Gestatten oder Bewirken, dass frisches, unter Druck gesetztes Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) durch die Einlassanschlüsse (38, 138) eintritt, und dass das Arbeitsströmungsmittel aus dem Zylinder (10) durch die Auslassanschlüsse (40, 140) herausgedrückt wird.
  25. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennung Motors mit einem festen Regenerator (28, 128, welches folgende Schritte aufweist:

    Vorsehen eines Verbrennungsmotors, der folgendes aufweist:

    mindestens einen Zylinder (10), wobei der Zylinder (10) an einem Ende durch einen bewegbaren Kolben (14, 114) verschlossen ist, und am anderen Ende durch einen bewegbaren kalten Kolben (12), wundert 12) verschlossen ist und weiter einen thermischen Regenerator (28, 128) aufweist, der innerhalb des Zylinders (10) zwischen den Kolben (12, 112, 14, 114) gelegen ist und den Zylinder (10) in ein heißes Volumen (32, 132) und ein kaltes Volumen (30, 130) aufteilt;

    einen oder mehrere Einlassanschlüsse (38, 138);

    einen oder mehrere Auslassanschlüsse (40, 140);

    eine oder mehrere Brennstofteinspritzvorrichtungen (44); und Komprimieren eines Arbeitsströmungsmittels in erster Linie in dem kalten Volumen (30, 130) und leiten des Arbeitsströmungsmittels aus dem kalten Volumen (30, 130) in das heißen Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128);

    Einspritzung von Brennstoff in das heiße Volumen (32, 132), Einleitung der Verbrennung und Expansion des verbrennen den Strömungsmittels in dem heißen Volumen (32, 132);

    Übertragung eines Teils des Arbeitsströmungsmittels in das kalten Volumen (30, 130) durch den Regenerator (28, 128);

    Expansion des erwähnten Teils des Arbeitsströmungsmittels in dem kalten Volumen (30, 130), während man die Größe des heißen Volumens nahezu konstant hält;

    Ausstoß eines Teils des Arbeitsströmungsmittels in dem kalten Volumen (30, 130) durch die Auslassanschlüsse (40, 140) zusammen mit der Übertragung von zusätzlichem Arbeitsströmungsmittel von dem heißen Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128) und in das kalte Volumen (30, 130), während man die Größe des heißen Volumens nahezu konstant hält;

    Übertragung des größten Teils des Restes des Arbeitsströmungsmittels in dem heißen Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128) in das kalte Volumen (30, 130);

    Halten oder Bewegen des heißen Kolbens 14, 114) zu seiner innersten Position und halten des Kolbens dort;

    Schließen der Auslassanschlüsse (40, 140); und

    Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) zu seiner äußersten Position, wodurch frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) durch die Einlassanschlüsse (38, 138) gezogen wird.
  26. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem festen Regenerator (28, 128), welches folgende Schritte aufweist:

    Vorsehen eines Verbrennungsmotors, der folgendes aufweist:

    mindestens einen Zylinder (10), wobei der Zylinder (10) an einem Ende durch einen bewegbaren Kolben (14, 114) verschlossen ist, und am anderen Ende durch einen bewegbaren kalten Kolben (12, 112) verschlossen ist und weiter einen thermischen Regenerator (28, 128) aufweist, der innerhalb des Zylinders (10) zwischen den Kolben (12, 112, 14, 114) gelegen ist und den Zylinder (10) in ein heißes Volumen (32, 132) und ein kaltes Volumen (30, 130) aufteilt;

    einen oder mehrere Einlassanschlüsse (38, 138);

    einen oder mehrere Auslassanschlüsse (40, 140);

    eine oder mehrere Brennstoffeinspritzvorrichtungen (44); und

    Komprimieren eines Arbeitsströmungsmittels in erster Linie in dem kalten Volumen (30, 130) und leiten des Arbeitsströmungsmittels aus dem kalten Volumen (30, 130) in das heiße Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128);

    Einspritzung von Brennstoff (44) in das heiße Volumen (32, 132), Einleitung der Verbrennung und Expansion des verbrennenden Strömungsmittels in dem heißen Volumen (32, 132);

    Übertragung eines Teils des Arbeitsströmungsmittels in das kalte Volumen (30, 130) durch den Regenerator (28, 128);

    Expansion des erwähnten Teils des Arbeitsströmungsmittels in dem kalte Volumen (30, 130), während man die Größe des heißen Volumens nahezu konstant hält;

    Ausstoß eines Teils des Arbeitsströmungsmittels in dem kalten Volumen (30, 130) durch die Auslassanschlüsse (40, 140) zusammen mit der Übertragung von zusätzlichem Arbeitsströmungsmittel von dem heißen Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128) und in das kalte Volumen (30, 130), während man die Größe des heißen Volumens nahezu konstant hält;

    Übertragung des größten Teils des Restes des Arbeitsströmungsmittels in dem heißen Volumen (32, 132) durch den Regenerator (28, 128) und in das kalte Volumen (30, 130);

    Halten oder Bewegen des heißen Kolbens (14, 114) zu seiner innersten Position und halten des Kolbens dort;

    Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) von seiner äußersten Position zu einer inneren Position, wodurch das Arbeitsströmungsmittel aus den Auslassanschlüssen (40, 140) gedrückt wird;

    Schließen der Auslassanschlüsse (40, 140) und Öffnen der Einlassanschlüsse (38, 138); und

    Bewegung des kalten Kolbens (12, 112) zu seiner äußersten Position, wodurch frisches Arbeitsströmungsmittel in den Zylinder (10) durch die Einlassanschlüsse (38, 138) gezogen wird.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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