<Desc/Clms Page number 1>
VerbrennmngsItraftmaschine ind Verfahren zn ihrem Betrieb.
Die Erfindung bezieht sich auf Kraftmaschine mit hin und her gehendem Kolben oder auf solche der Turbinenart mit beliebigem Betriebsstoff.
Zweck der Erfindung ist, motorische Kraft mit geringerem Brennstoffverbrauch als bisher zu erzeugen, d. h. die Umwandlung von Wärme in Arbeit mit höherem Wirkungsgrad, als dies gegenwärtig der Fall ist, durchzuführen.
Zu diesem Zweck ist das Arbeitsspiel der Maschine so eingerichtet, dass die Expansion des Betriebs- stoffes annähernd isothermisch bei einer möglichst hohen, 6000 Übersteigenden Temperatur erfolgt und die Kompression gleichfalls annähernd isothermisch gehalten und bei der geringsten Temperatur des
Arbeitsspieles bis zum kleinsten Volumen desselben vorgenommen wird, worauf eine Erwärmung des Betr ; ebsstoffes bis zu einerTemperatur erfolgt, die möglichst hoch, jedenfalls aberüber der Zündtemperatur liegt. Die Erwärmung des kompr ; mierten Brennstoffes erfolgt regenerativ durch Ausnutzen der Wärme des expandierten Betriebsstoffes.
Die Kompression erfolgt stufenweise unter Anwendung von Zwischenstufenkühlern mit in bezug auf das enthaltene Betriebsstoffvolumen grosser Oberfläche. ers kann jedoch auch während der Kom- pression Einspritzkühlung mit oder ohne Benutzung von Wassermänteln Verwendung finden.
Dem Betriebsstoff wird nach seiner tatsächlichen Arbeitsleistung und vor dem Ausströmen durch ein umschaltbares Regeneratorbystem Wärme entzogen, die, wie erwähnt, an den Brennstoff abgegeben wird. Die verwendeten Regeneratoren sind in sehr kurzen Zwischenräumen umsteuerbar und besitzen zu die em Zweek eine grosse wärmeaufnehmende Fläche, aber sehr geringes freies Volumen für die Aufnahme von Betriebsstoff, daher eine kleine Aussenfläche.
Die Strahlungsverluste der Regeneratoren sind hiedurch auf ein Mindestmass beschränkt. Durch die Regeneratoren strömt abwechselnd heisser
Stoff unter verhältnismässig geringer oder Auspuffspannung und kalter Stoff unter höherer oder Ein- strömspannung.
EMI1.1
wodurch der durch die Expansion verursachte Temperaturverlust wieder wettgemacht wird.
Seit dem Bekanntwerden des Carnotsehen Prinzips, dass der höchste thermische Nutzeffekt, der in einer vollkommenen Wärmekraftmaschine theoretisch erreichbar ist, gleich ist dem Quotienten aus der Differenz zwischen Höchst-und Mindesttemperatur im Arbeitstakt und der höchsten absoluten
Temperatur in letzterem, ging das Bestreben dahin, Maschinen mit höherem thermischen Nutzeffekt durch Wahl eines hohen Wertes der Höchsttemperatur zu schaffen.
Bei den gegenwärtig in Gebrauch stehenden Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei jenen mit Verbrennung bei "konstantem Volumen" wird ein hoher Wert der Höchsttemperatur des
Betriebsstoffes erreicht ; gewöhnlich übersteigt diese Temperatur jene, die dem Schmelzpunkt des für die Zylinder verwendeten Materials entspricht. Daher sind die Zylinder entweder äusserlich durch einen Wasser-oder Luftstrom oder im Innern, z.
B. durch Einspritzen von Wasser oder Luft gekühlt, so dass die Innenfläche der Zylinder eine verhältnismässig niedrige Temperatur besitzt ; die Betriebs-
EMI1.2
<Desc/Clms Page number 2>
zwischen heissem Betriebsstoff und Zylindern verlorengehende Wärme, die vom Kühlmitel abgeführt wird, übersteigt 25-40% der durch den Brennstoff Zugeführten Gesamtwärme, wobei die Verluste an Wärme im Auspuff nicht eingerechnet sind.
Um diese Verluste vermeiden zu können, muss die Betriebstemperatur der Zylinder usw. wesentlich höher gehalten werden und demgemäss wird nach der Erfindung mit einer der Rotgluthitze entspreehenden Betriebstemperatur gearbeitet. Um dies jedoch zu ermöglichen, müssen Materialien für die dem heissen Brennstoff ausgesetzten Teile verwendet werden, die auch bei diesen hohen Temperaturen noch genügende Festigkeit anweisen und überdies gegen die chemischen Einwirkungen des Betriebsstoffes unempfindlich
EMI2.1
Erfindungsgemäss bestehen nun die den hohen Temperaturen ausgesetzten Teile der Maschine aus nicht porösen, hitzebeständigen Metallen oder Legierungen, die auch bei Rothitze, die während des Betriebes durch die Brennstoffwärme aufrechterhalten wird, betriebsfähig sind. Unter Rothitze werden
EMI2.2
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
reversierbarer Regeneratoren R, mit einem dreistufigen Brennstoffverdichter und mit Brennstoffein- spritzung für jeden der drei Zylinder. Fig. 3 zeigt in teilweisem Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer
Einzylinderkolbenmaschine mit im Zylinderkopf eingebauten Regenerator, mit einem Verbundkompressor für Luft, mit Zwischenstufen- und Wassermantelkühlung, mit einem zweistufigen Brennstoffkompressor und mit Einspritzvorrichtungen für den Zylinder.
Fig. 4 ist ein Schnitt durch den in Fig. 3 dargestellten ) Arbeitszylinder unmittelbar unterhalb des Regenerators. Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine andere Ausführungsform des Zylinders und Kolbens, ähnlich seller, die in Fig. 3 dargestellt ist.
Die
Fig. 6-8 beziehen sich auf den in Fig. 3 ersichtlichen Gaskompressor, u. zw. ist Fig. 6 ein Längsschnitt nach einer zur Bildebene der Fig. 3 senkrechten Ebene, Fig. 7 eine Längsansicht mit geschnittenem Kurbel- gehäuse und Fig. 8 eine Draufsicht auf dem Kompressor mit entferntem Gehäusedeckel. Fig. 9 ist ein Schnitt, der den in Fig. 3 dargestellten, im Zylinderkopf angeordneten Regenerator deutlicher veran- schaulicht. Fig. 10 ist eine Draufsicht auf denselben und Fig. 11 zeigt eine Einzelheit. Fig 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Zylinderkopfregenerators.
Die Fig. 13-15 beziehen sich auf einen Gegen- stromregenerator, u. zw. ist Fig. 13 ein Längsschnitt und Fig. 14 ein Querschnitt durch denselben, während
Fig. 15 eine Endansicht der inneren Regeneratorelemente und Fig. l (j eine Einzelheit derselben zeigt.
EMI3.2
In Fig. 1 ist C das Turbinengehäuse mit Sätzen feststehender Schaufeln 2, D ist die Turbinen- trommel mit den Sehaufelsätzen 3. Bei 4 wird heisse verdichtete Luft zugeführt, während die Abgase der Turbine durch den Stutzen 5 in die Rohrleitung 14 entleert werden. Die genannten Teile werden
EMI3.3
Die heissen Abgase der Turbine gelangen durch die Rohrleitung 14 in die Regeneratoren, während die gekühlten Abgase den Regenerator durch das Rohr 15 verlassen.
Die Turbine und der rotierende Kompressor sind gleichachsig angeordnet und direkt gekuppelt. Der Gaskompressor F wird von der Turbinenwelle aus durch Getriebe 16, die ins Langsame übersetzen, angetrieben.
Als blosses Beispiel sei erwähnt, dass die Luft auf ungefähr 7 Atm. isothermisch, soweit dies praktisch möglich ist, verdichtet werden kann und dass die Temperatur der durch den Regenerator strömenden verdichteten Luft auf ungefähr 650 C steigt. Bei der Verbrennung des zuerst zugeführten Brennstoffes wird die Temperatur des Gasgemisches am Einlassende der Turbine (bei 4) auf ungefähr 700 C steigen. Bei der Expansion des Gemisches wird letzteres auf ungefähr 650 C abgekühlt, worauf durch die Verbrennung des in der nächsten Stufe zugeführten Brennstoffes die Gemischtemperatur wieder auf ungefähr 7000 C steigt ; das Sinken und Steigen der Temperatur wiederholt sich in gleicher
EMI3.4
zwischen den genannten Grenzen gehalten wird.
Bei dieser Anordnung der Brennstoffeinspritzung und bei richtigem Verhältnis der Brennstoffmenge, kann die Höchsttemperatur ihrem Höchstwert nach vorhcrbestimmtwerden, u. zw. derart, dass dieser Wert mit der Festigkeit und den Widerstandseigenschaften der metallischen Legierung, aus welcher die dem heissen Betriebsstoff ausgesetzten Teile hergestellt sind, im richtigen Einklang steht. Die Zündung des Brennstoffes in der Turbine wird nach dem Anlassen durch die heisse Luft, in die er eingespritzt wird, bewirkt. Die positive Arbeit wird zur Gänze bei oder nahe bei Höchsttemperatur, die wesentlich höher ist als dies bisher möglich war, und die negative Arbeit bei der niedersten Temperatur des Kreisprozesses geleistet.
Der Regenerator entzieht den Abgasen Wärme, nachdem die gesamte, praktisch verwertbare Druckenergie des Betriebsstoffes in mechanische Arbeit umgesetzt wurde, so dass die durch die Abgase verlorengehende Wärme auf ein Mindestmass eingeschränkt ist.
Für die hier beschriebenen Maschinen oder Turbinen kann auch flüssiger Brennstoff verwendet werden, wobei die Vorrichtungen für die Brennstoffzufuhr zu den Zylindern oder Turbinengehäusen entsprechend der Natur des Brennstoffes eingerichtet sind.
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
Luft in entgegengesetzter Richtung durch den andern Zylinder streicht. Wenn zwei Paare von Zylindern Verwendung finden, so werden sie, je (in Paar zu gleicher Zeit, in halben Perioden so umgesteuert, dass die Betriebszustände in der Turbine so konstant als möglich gehalten werden. Es ist selbst-
EMI4.2
werden können, wenn praktisch gleiche Temperatur und Druck erzielbar ist. Die kalten Enden der Regeneratorzylinder weisen gewöhnliche Ventile 18 auf, die entsprechend gesteuert sind.
Die der Hitze unter-
EMI4.3
sind verkleidet, um Wärme zurückzuhalten und bloss die Stopbüchsen, Lager und Ständer sind gekühlt.
Bei Maschinen mit hin und her gehendem Kolben wird die kalte Luft vorteilhaft in einem mehrstufigen Kolbenkompressor mit, soweit praktisch möglich, vollständiger Kühlung und Zwischenkühlung
EMI4.4
steigt. Dadurch erreicht der Druck sein Maximum. Der heisse Betriebsstoff expandiert nun, indem er Arbeit leistet, und sinkt auf eine entsprechende Spannung, die über dem Atmosphärendruck liegt. und auf eine Temperatur von ungefähr 800 C. Beim Ausschubhub durch den Regenerator geben die Abgase die ganze nutzbare Wärme ab und gelangen in praktisch kaltem zustand mit einer Temperatur von ungefähr 150" C durch das Auslassventil ins Freie. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind beide Ventile in den Zylinderwandungen mit kaltem Betriebsstoff in Berührung.
Der Regenerator kann jedoch auch, wie in Fig. 2 dargestellt, von den Zylindern getrennt sein ; um den Strom des Betriebsstoffes zum und vom Regenerator zu regeln, sind eigene Ventile und eine Ventilsteuerung vorgesehen. In diesem Falle besteht die Hälfte der Regeneratorventile aus Heissventilen.
Desgleichen sind die MasehinenvEntile als Heissventile ausgebildet.
Die in Fig. 2 dargestellte Dreizylindermaschine mit hin und her gehendem Kolben ist samt ihren zugehörigen Vorrichtungen in ihrem Schema ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Maschine. Zwischen den Zylindern sind Aufnehmer V angeordnet, wie dies bei dieser Maschinengattung üblich ist. Die zwei Nocken 21, die die am kälteren Ende des Regenerators angeordneten Ventile steuern, können auf einer Welle aufgekeilt sein, die vorteilhaft von der Maschinenwelle aus durch ein entsprechendes Getriebe intermittierend derart angetrieben wird, dass die Ventile 18 entweder gleichzeitig oder der Reihe nach umgesteuert werden, je nachdem der Regenerator ein oder mehrere Paare von Zylindern enthält.
Es ist selbstverständlich, dass Fig. 2 bloss ein Schema veranschaulicht und nicht den tatsächlichen Aufbau oder die gegenseitige Anordnung der einzelnen Teile zeigt. Insbesondere sind die Ventile bloss sehematiseh angedeutet.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Arbeitszylinder aus zwei Teilen besteht : der eine Teil C. der durch den heissen Betriebsstoff der Rotglut ausgesetzt ist, besteht aus einer hitzebeständigen Legierung, wie oben beschrieben, während der andere Teil Cl. der nicht unmittelbar dem heissen Betriebsstoff ausgesetzt ist, mit dem Mantel C2 aus einem Stück und aus dem üblichen Material besteht. Der Iantel C2 umgibt
EMI4.5
ebenfalls aus zwei Teilen ; der der Rotglut ausgesetzte Teil D ist aus einer hitzebeständigen Legierung hergestellt, der kühlere Teil D1 besteht aus gebräuchlichem Material. Die zwei Teile sind durch entsprechende Mittel starr miteinander verbunden.
Der Teil D hat einen etwas kleineren Durchmesser als der Zylinderteil C, so dass er die Wand des letzteren nirgends berührt.
Es möge hier erwähnt werden, dass im Gegensatz zu kleineren Maschinen oder Turbinen, bei welchen die Zylinder und Gehäuse zwecks Vermeidung von Wärmeverlusten durch Strahlung verkleidet sind, bei grösseren Maschinen oder Turbinen diese Verkleidung entfallen kann, während bei noch grösseren Maschinen und Turbinen die äusseren Flächen der in Berührung mit dem heissen Betriebsstoff stehenden Teilen vorteilhaft, z. B. mittels Luftstromes, gekühlt werden können.
Eine derartige Kühlung gestattet noch höhere Temperaturen des heissen Betriebsstoffes, während sie gleichzeitig gewährleistet, dass die Höchsttemperatur der genannten Teile innerhalb der Grenzen bleibt, in welchen die hitzebeständige Legierung dem Temperatureinfluss widerstehen kann.
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
stehenden Teile rotglühend werden, während die unteren, in Reibungsberührung miteinander stehenden Teile verhältnismässig kühl bleiben, so dass sie wirksam geschmiert werden können.
Der Zylinderdeekel 27 (Fig. 3) weist einen Sitz für das hohlzylindrische Einlassventil 28 auf, das eine rohrförmige Spindel 29 besitzt. Das Auslassventil 32 sitzt auf dem Einlassventil. Die Ventile werden
EMI5.2
ist, die zwischen sieh nur schmale Durchgänge für den Betriebsstoff lassen.
Anders liegen die Verhältnisse beim Turbinenregenerator oder beim selbständigen Regenerator für Maschinen mit hin und her gehenden
EMI5.3
fläche und die lTmschaltzahl des Regenerators soll in jedem Falle genügend gross sein, um die Temperatur der Abgase auf wenige Grade der Temperatur der in den R generator einströmenden Gase herabzusetzen, so dass ein guter Wirkungsgrad des Regenerators erzielt wird ; dies ist von wesenlichem Einfluss auf einen hohen Wirkungsgrad der Maschine, da ein grosser Prozentsatz der Gesamt- wärme im und vom Gegenerator zu übertragen ist.
Obgleich das Regeneratorgehäuse oder der Mantelteil aus kräftigem, unangreifbareïl, hitze-
EMI5.4
spezifische Wärme besitzen. Der Wärme aufnehmende Teil des Regenerators kann ans dünnen Bändern hitzebeständigen Metalls bestehen. Diese Bänder sollen so eng aneinanderliegen, dass der Regenerator ein möglichst kleines Fassungsvermögen an Betriebsstoff besitzt.
Beispielsweise enthält der innerhalb des rotglühenden Zylinderteiles einer Maschine liegende Regenerator eine Anzahl von geraden Banstreifen 61 (Fig. 10), die in entsprechenden Abständen von-
EMI5.5
auch durch sie und durch alle Bandstreifen hindurchragende Nietbolzen tragen, durch deren Schliessen die erwähnten Teile zusammengehalten werden. Sämtliche Teile bestehen aus hitzebeständiger, widerstandsfähiger Legierung. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Bandstreifen werden durch Ein-
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
Beispielsweise betrug bei einem Versuchsregenerator, der eine Büchse von ungefähr 915 MM Durchmesser bildete, die Dicke der Bandstreifen 1-3 mm und der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Streifen 0-8 mm. Die Höhe der Büchse betrug 1650 mm, die Oberfläche des Regenerators ungefähr 9680 cm2.
Der in Fig. 12 dargestellte Regenerator besteht aus drei solchen Büchsen, deren jede aus schmäleren.
Bändern zusammengesetzt ist, als jene des in Fig. 9 gezeigten Regenerators.
EMI6.2
Die dünne Platte 65 wird vorteilhaft 1. 3 bis 2. 6 nun stark ausgeführt. der Abstand zwischen den Wänden jeder Zelle beträgt 8 bis 13 mm. Werden die kleineren Werte der genannten Abmessungen gewählt, so besitzt ein Gegenstromregenerator mit den Innenabmessungen 200 X 76 x 380 mm ein Oberfläche von ungefähr 6450 cm2, die für die Leitung der Wärme durch die Zellenwandungen von dem einen zum andern Medium zur Verfügung steht.
Der Unterschied zwischen den Spannungen der beiden Medien kann gross sein ; im folgenden soll angegeben werden, wie derartige dünne, namentlich ebene Platten solchen grossen Drucken standhalten können. Dies kann auf verschiedene Arten erreicht werden.
Es können zwischen jedem Paar von Falten der Platte 65, die unter dem Druck des Mediums die Neigung haben, sich einander zu nähern, Längsstangen eingelegt sein, die in entsprechenden Abständen durch dünne Stangen oder Drähte auseinandergehalten werden ; es können aber auch vor der Faltenbildung in die Platte 65 eine Anzahl runder Vertiefungen oder auch zwei Gruppen von parallelen Wellen eingepresst werden, u. zw. derart, dass nach dem Falten der Platte diese zwei Wellengruppen sich kreuzen, so dass in regelmässigen Abständen Auflager
EMI6.3
gegen Wärmeleitung betrifft, ist das widerstandsfähige Metal oder die Legierung mit Schamotte u. dgl. vergleichbar, also widerstandfähiger als gewöhnliche Metalle und Legierungen.
Wird in einer gemäss der Erfindung ausgeführten Maschine als Betriebsstoff Dampf benutzt, so werden die Wärmeverluste während des tatsächliche Arbeit leistenden Teiles des thermodynamischen Kreisprozesses zufolge der geringen Wärmeleitungsfähigkeit des Materials auf einen sehr kleinen Wert herabgesetzt. Vorteilhaft wird in Fällen, wo ein Vorrat an Kühlwasser zur Verfügung steht, ein Kondensator benutzt, um die Mindesttemperatur des Kreisprozesses so nieder als möglich zu halten.
Der niedrig
<Desc/Clms Page number 7>
gespannte Abdampf der Maschine oder Turbine, der noch die der Rotglut entsprechende oder eine nahe dieser liegende Temperatur besitzt, wird durch einen Gegenstromregenerator geleitet, in dem er den
EMI7.1
in dem seine Temperatur erhöht wird ; das Kondensat kann in gesättigten oder schwach überhitzten Dampf von vorher bestimmten Druck umgewandelt werden. Es fliesst hierauf durch einen mittels Brenn-
EMI7.2
Die ersten oder Hochdruckexpansionsstufen des rotglutheissen Dampfes können in einer Kolbendampfmaschine mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Zylindern, die Niederdruekexpansionsstufen in einer Turbine angeordnet sein.
In allen Fällen bestehen die Regeneratoren, Turbinengehäuse, Schaufeln und Trommeln oder Zylinder und Kolben aus Metallen oder Legierungen, die imstande sind, den Betriebsbeanspruchungen bei den hohen Temperaturen, unter welchen die genannten Teile zu arbeiten haben, zu widerstehen. Sie sind ausserdem imstande, dem Angriff des heissen Betriebsstoffes, d. h. der Heissluft, der Verbrennungprodukte, bei diesen Temperaturen Widerstand zu bieten, sei es durch die Eigenschaft, selbst unangreifbar zu sein oder durch eine Schutzschichte unangreifbar gemacht worden zu sein.
Es ist ersichtlich, dass bei Zuführung von Brennstoff oder Brennstoffwärme an den Betriebsstoff in einer Anzahl von Stufen während seiner Expansion letztere annähernd isothermisch wird. In Verbrennungskraftturbinen kann diese Annäherung an die isothermisehe Expansion sehr genau sein. Die Expansion in der letzten Stufe bis herab auf die Auspuffspannung kann ohne weitere Zufuhr von Brennstoff oder Brennstoffwärme erfolgen. Zufolge des grossen Widerstandes der arbeitenden Teile gegen Wärmeleitung wird sich eine derartige Expansion viel genauer der adiabatisehen Expansion nähern als dies bis jetzt verwirklicht wurde.
Die Kompression des Betriebsstoffes bei niedriger Temperatur (Verdichtung der Luft in einem mehrstufigen Kompressor mit Wassermänteln und Zwischenkiihlern oder Förderung von Wasser durch eine Speisepumpe in das Hochdrucksystem von Behältern und Leitungen) nähert sich genau der isothermischen Kompression.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion annähernd isothermisch bei einer möglichst hohen, 6000 übersteigpnden Temperatur erfolgt.