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ZweitaktbrennkraftmaschinemiteingebautenWärmespeichern.
Die Erfindung betrifft eine mit in den Arbeitszylinder eingebauten Wärmespeicher ausgerüstete Zweitaktbrennkraftmasehine, also eine Wärmekraftmaschine, bei der das Arbeitsmittel, nachdem es in einem besonderen Verdichter in kaltem Zustande auf den Höchstdruck des Arbeitszylinders verdichtet worden ist, durch gesteuerte Absperrorgane an der kalten Seite der Wärmespeicher in den Arbeitszylinder gefördert und nach arbeitsleistenden Entspannung im Arbeitszylinder durch ein Auslassventil aus dem Arbeitsraum hinausgeschoben wird. Der Arbeitszylinder erhält also für jeden Arbeitshub eine frische Ladung des den Arbeitskreislauf ausführenden Arbeitsmittels.
Pufft die Zweitaktmaschine nicht in die natürliche Atmosphäre aus, sondern ist eine künstliche Atmosphäre mit höhrem als dem atmosphärischen Drucke vorgesehen, aus der die Ladepumpe der Zweitaktmaschine die als Arbeitsmittel dienenden Verbrennungsgase schöpft und in geschlossenem Kreislauf in den Arbeitszylinder drückt, so ist ausserdem noch die Einführung der auf den Höchstdruck des Arbeitszylinders verdichteten Verbrennungsluft und bei Verwendung eines gasförmigen Brennstoffes auch des letzteren in den geschlossenen Kreislauf erforder- lieh, wobei die äquivalente Gewichtsmenge Verbrennungsgas aus dem geschlossenen Kreislauf ausgeschieden werden muss.
Die Einführung der Frischgase und die Ausscheidung der Verbrennungsgase
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wärmespeicher in den Arbeitszylinder eingebaut sind bzw. mit diesem in ständiger Verbindung stehen.
Die mit dem Arbeitszylinder in ständiger Verbindung stehenden, also in den Arbeitszylinder eingebauten Haupt-und Hilfswännespeicher vergrössern aber sehr wesentlich den schädlichen Raum des Arbeitszylinders, selbst wenn die Wärmespeicher zur weitgehendsten Verminderung ihre Volumens mit möglichst engen Durehströmungsspalten ausgeführt sind.
Mit je grösserer spezifischen Leistung der Arbeitszylinder der Maschine arbeiten soll, desto grössere Abmessungen erhalten die Wärmespeicher und desto grösser fällt das Volumen der Wärmespeicher im Verhältnis zum wirksamen Volumen des Arbeitszylinders aus. Unter dem Volumen der Wärmespeicher wird dabei lediglich das Volumen der Durchtrittsspalten der Wärmespeicher verstanden. Der dach das Volumen der Wärmespeicher gebildete schädliche Raum wirkt aber auf den Wirkungsgrad derartiger Maschinen äusserst nachteilig ein, weshalb man bei den bisherigen Vorschlägen darauf ausgang, diesen schädlichen Raum weitgehend zu vermindern.
Zu diesem Zwecke sollten hauptsächlich unter weitgehendster Verminderung der Spaltweiten der Wärmespeicher deren Abmessungen möglichst verringert werden, was jedoch eine Schmälerung der Wärmeregenerierung zur Folge hatte. Die Anwendung möglichst grosser Wärmespeicher lässt sich also nicht umgehen und es muss daher die Aufgabe gelöst werden, die Nachteile des grossen schädlichen Raumes dieser Wärmespeicher zu t ermeiden.
Die Nachteile des durch die Wärmespeicher gebildeten schädlichen Raumes sind nun bei Zweitaktmaschinen die folgenden :
Bei allen Kolbenkraftmasehinen, bei denen in den Arbeitszylinder das Arbeitsmittel unter Druck eingeführt und hierauf entspannt wird, müssen vor Erreichung des Höchstdruckes die schädlichen Räume ausgefüllt werden. Bisher geschah dies bei den Maschinen, bei denen vor der Einführung der frisahen
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Würde man nun den nach dem Ausschub im Zylinder verbleibenden Teil des Arbeitsmittels, der die Höchsttemperatur des Wärmespeichers besitzt, zwecks Ausfüllens der schädlichen Räume auf den Einlassdruek P2 adiabatisch verdichten, so würde die Temperatur des in den Wärmespeicher gedrückten Gases und damit des warmen Endes des Wärmespeiehers allmählich auf T3 erhöht werden, so dass entweder der Wärmespeicher an der warmen Seite zerstört würde oder aber man müsste die Höchsttemperatur T,
des Kreislaufes auf T2 und die vor der Verdichtung herrschende Höchsttemperatur des Wärmespeiohers von T2 auf eine der adiabatischen Entspannung von T2 und P2 auf pi entsprechende Temperatur erniedrigen und damit den thermischen Wirkungsgrad der Maschine herabsetzen.
Jene Gasmenge, die während des Druckanstieges vom Auspuffdrucke bis zum einlassdrucke zum Auffüllen der schädlichen Räume diente bzw. eine der ersteren gleiche Gasmenge, muss während des in der Entspannungsperiode eintretenden Druckabfalles wieder aus den schädlichen Räumen austreten.
Dieser Austritt erfolgte bei den bisherigen Maschinen durchwegs in de. n warmen Arbeitsraum. Ist kein Wärmespeicher vorhanden, so entspricht ein solcher Austritt einer adiabatischen Expansion der im schädlichen Raum enthaltenen Gasmenge vom Einlass-bis zum Auspuffdruck. Diese Expansion ist ein genaues Spiegelbild der das Anfüllen der schädlichen Räume bezweckenden Verdichtung vom Auspuffdruck auf den Einlassdruck. In diesem Falle heben sich also die positiven und negativen Arbeitsleistungen während der Expansion bzw. Verdichtung gegenseitig auf, und der thermodynamische Kreislauf der Maschine wird durch den schädlichen Raum nicht beeinflusst.
Ist aber ein Wärmespeicher vorhanden, so entspricht der Austritt der Wärmespeieherladung ebenfalls einer Expansion, die jedoch kein Spiegelbild jener Zustandsänderung sein kann, die während der Verdichtung der Wärmespeicherladung stattgefunden hat. Die Wärmespeicherladung vollzieht in diesem Falle einen thermodynamischen Kreislauf und leistet eine entsprechende Arbeit, jedoch mit einem ungünqtigeren thermischen Wirkungsgrade als jenem, mit
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dabei nicht in allen ihren Teilen einen einheitlichen Kreislauf durch, sondern ein jeder elementarer Anteil derselben durchläuft einen elementaren Kreislauf und für die ganze Wärmespeicherladung ist die Summe
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Druck P2 verdichtet und mit der Temperatur T1, also im Zustande a des Wärmediagramms im Hochdruckbehälter,
während in den schädlichen Räumen, also auch im Wärmespeicher, der niedrigste Druck pi herrscht. Beim Öffnen des Einlassorgans strömt das Arbeitsmittel mit dem vollen Einlassdruck p, in nicht umkehrbarer Weise in den Wärmespeieher ein und füllt ihn allmählich vom Drucke pi auf den Druck pjj. Dieser erste Anteil des Arbeitsmittels bildet die Wärmespeicherladung.
Es sei angenommen, dass der Wärmespeicher bereits auf einen mittleren Druck p', entsprechend der Isobare P'aufgefüllt sei und es werde die Elementarmenge der Wärmespeieherladung, die während der elemtaren Drucksteigerung von p'auf p'+ A 1) in den Wärmespeicher eintritt mit A G'bezeichnet. Der Eintritt dieser Elemcntarmenge D G'entspricht einer Zustandsänderung gemäss der Isobare a'--b', denn die einzelnen Anteile dieser Elementarmenge verbreiten sich der Reihe nach auf alle Abschnitte des Wärmespeichers,
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die den Temperaturen T', T", T'"... entsprechen.
Die Druckdifferenz zwischen dem vollen Einlassdruck P2 und dem augenblicklichen Auffülldruck p'wird durch die Strömungswiderstände vernichtet, was einen der Fläche a a's', s a äquivalenten Verlust an Nichtumkehrbarkeit für je 1 kq der Elemantarmenge 6 G'verursacht. Während des weiteren Verlaufes der Füllung verharrt die Elementannenge 6G' in Ruhe, es treten gemäss den Isobaren P", P"'... weitere Elementarmengen # G", AG""... in den Wärmespeieher ein, bis dieser ganz auf den Druck P2 gefüllt ist. Nun folgt die Einführung der Hauptladung bei gleichbleibendem Drucke p2, wie bereits an Hand der Fig. 1 beschrieben wurde.
Während der Expansion c-d der Hauptladung treten nun die einzelnen Elementarmengen der Wärmespeicherladung in umgekehrter Reihenfolge aus dem Wärmespeicher in den warmen Arbeitsraum aus und vermischen sich dort mit der Hauptladung. Werden im warmen Arbeitsraum die Drücke p'+ 6p und p'erreicht, so tritt zwischen diesen Druckgrenzen wieder eine Elementarmenge 6G'aus dem Wärmespeicher aus, die als dieselbe Elementarmenge AG'angesehen werden kann, die während der Füllung zwischen denselben Druckgrenzen eingetreten ist und bis hieher im Wärmespeicher in den Zuständen f, f", f" ... der Isobare a'-b'verharrt ist.
Die Teilchen, die vorher während der Füllung nur bis zu jenen Stellen des Wärmespeichers gedrungen sind, wo die Zustände f', f", f"' ... herschen, dringen nun bis
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zum wärmsten Abschnitt des Wärmespeichers vor und durchlaufen daher die ergänzenden Strecken *-b', /"-b', f"'-b'... der Isobare a'-b'und treten sodann alle im Zustande b'in den warmen Arbeitsraum ein. Hier mischt sich die ganze Elementa. rmenge/LG'mit dem übrigen Arbeitsmittel bei gleichbleibendem Drucke gemäss der Isobarstrecke b'-e'auf eine Misehtemperatur T'3 und macht sodann gemeinsam mit dem übrigen im warmen Arbeitsraum befindlichen Arbeitsmittel die adiabatische Expansion gemäss der Adiabatenstreeke e'-d mit.
Die Wärmezuführung sei so geregelt gedacht, dass die Vermischung
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Arbeitsraum befindliche Menge, Hauptladung samt Wärmespeicherladung, mit der oberen Temperatur T2 des Wärmespeichers in diesen ein und durchströmt ihn bei gleichbleibendem Drucke P1 gemäss der Isobare d-e, sich dabei auf die untere Temperatur Tl des Wärmespeichers abkühlend und im Zustande e in den Niederdruckbehälter entweichend. Von hier wird sodann die ganze Wärmespeicherladung gemeinsam mit der Hauptladung gemäss der Isotherme e-a in den Hochdruckbehälter verdichtet.
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ist, so ist der thermische Wirkungsgrad eines jeden Elementarprozesses, selbst wenn der Verlust der Nichtumkehrbarkeit unbeachtet bleibt, kleiner als jener des Hauptprozesses.
Als Mittel für die ganze Wärmespeicherladung gilt ein mittlerer Elementarprozess, etwa e a a" b" ("" d e mit dem Wirkungs-
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Entspannung in den warmen Arbeitsraum erfolgt, und er bleibt daher bestehen, auch wenn zur Auffüllung der schädlichen Räume Verdichtung verwendet wird. Der Verlust infolge der Nichtumkehrbarkeit wird allerdings durch diese Massnahme vermieden.
Der schlechte thermische Wirkungsgrad der Wärmespeicherladung erniedrigt nun den thermischen Wirkungsgrad der Maschine desto mehr, je grösser
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Die Erfindung bezweckt nun die Beseitigung dieser Nachteile dadurch, dass der Austritt der Wärmespeicherladung aus den Wärmespeichern während der Expansion nach der kalten Seite hin und der Eintritt der Wärmespeicherladung während der gleichzeitigen Verdichtung im Arheitsraume unter stetigem Druckanstieg gleichfalls von der kalten Seite der Wärmespeicher erfolgt.
Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass an die zwischen den Ein- und Auslassorganen des Arbeitszylinders und den Wärmespeiehern befindlichen Teile des Arbeitszylinders Expansionsräume angeschlossen sind, deren Inhalt nach einer entsprechend den Arbeitstakten der Maschine gesteuerten Weise verändert wird, indem diese Räume während der im Arbeitszylinder stattfindenden Entspannung derart vergrössert werden, dass sie das aus den schädlichen Räumen expandierende Arbeitsmittel aufnehmen, anderseits werden der mit dem Hauptwärmespeieher zusammenwirkende Expansionsraum und die mit den Hilfswärmespeichern zusammenwirkenden Frischgaskammern nach Entleerung des wirksamen Arbeitsraumes und vor Einführung der frischen Ladung des Arbeitszylinders derart verkleinert,
dass das kalte Arbeitsmittel und die Frischgase während der Verdichtungshubstrecke des Arbeitskolbens auf den Einführungsdruck der frischen Ladung verdichtet und von der kalten Seite aus in die Wärme- speicher gefördert werden.
Der Eintritt der Wärmespeicherladung erfolgt also unter stetigem Anstieg des Druckes, d. h. unter Vermeidung eines Verlustes an Druckenergie. Es erfolgt die Verdichtung jedoch von der kalten Seite aus, die Wärmespeicherladung wird im kalten Zustande in den Wärmespeicher gedrückt, was gegenüber der bisher bekannten Verdichtung von der warmen Seite her den bedeutenden Vorteil aufweist, dass hiezu sowohl ein im Verhältnis der Temperaturen geringerer Verdichtungsraum als auch eine geringere Verdiehtungsarbeit notwendig ist. Diese wird durch die beim Austritt der Wärmespeicherladung in die
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gesteuert werden, dass der Ein- und Austritt der Wärmespeicherladung - die Atmung des Wärmespeichers-sich als zueinander spiegelbildlich gleiche Zustandsänderungen gestalten.
Diese heben sich
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der Maschine nicht beeinträchtigt.
Fig. 4 veranschaulicht die Zustandsänderung der Wärmespeicherladung, wenn diese während der Expansion der Arbeitsladung gemäss der Erfindung in einen an der kalten Seite des Wärmespetchers angeschlossenen veränderlichen Expansionsraum tritt. Am Anfang der Expansion befindet sich die Wärmespeicherladung unter dem Höchstdrucke p. und der mittleren Temperatur T5 deF Wärmespeichers, also in einem dem Punkte f entsprechendem Zustande.
Da die Expansion gegen die kalte Seite des Wärmespeichers erfolgt, treten sämtliche Teile der Wärmespeicherladung mit der unteren Temperaturgrenze T'i des Wärmespeichers aus, kühlen sich aber infolge der in dem kalten Expansionsraume nachträglich erfolgenden weiteren Expansion unter die Temperatur Tl ab. Da die in verschiedenen Zeitpunkten in den Expansionsraum eintretenden Gasteilchen in diesem Raum eine verschiedene Druckverminderung und dementsprechend eine verschiedene Abkühlung erleiden, so kann hier nur die mittlere Temperatur T@ in Betracht kommen. Nach erfolgter Expansion wird die in den Expansionsraum ausgetretene Wärmespeicherladung die unterhalb Ti liegende mittlere Temperatur T, und den Druck pi besitzen : ihr Zustand entspricht dem Punkte h.
Die Expansion erfolgt also etwa gemäss dem Linien- zuge {-ho Es wird hiebei auf Kosten der dem Gase innewohnenden inneren Wärme Expansionsarbeit geleistet und gleichzeitig an den Wärmespeicher die der Fläche ss h f ss entsprechende Wärmemenge abgegeben. Während der Verdichtung tritt die entgegengesetzte Zustandsänderung von h auf f längs der Linie t'h auf. Es ist dabei die der Expansionsarbeit gleiche Verdichtungsarbeit zu. leisten ; vom Wärmespeicher wird die der Fläche s@f @f s5 entsprechende Verdichtungswärmemenge aufgenommen und auf Kosten dieser Energie wird die innere Wärme im Punkte f wieder auf den anfänglichen Wert gehoben.
Es ist also klar, dass die Expansion und Verdichtung der Wärmespeicherladung ohne Arbeitsleistung vor sich geht und weder das Wäm1egleichgewicht des Wärmespeichers gestört, noch der Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreislaufes der nützlichen Ladung beeinträchtigt wird. Da gemäss der Erfindung der Einfluss der Wärmespeicherladung vollständig beseitigt werden kann, so sind für Gssen- abmessungen der Wärmespeicher praktisch keine Grenzen gesetzt.
Die Veränderlichkeit der gemäss der Erfindung an der kalten Seite derWärmespeicher angeschlossenen Expansionsräume kann in verschiedener Weise durchgeführt werden. So z. B. können zu diesem Zwecke Kolbenzylinder vorgesehen sein, deren Kolben derart bewegt werden, dass die Expansionszylinder ihr Volumen in der oben angegebenen Weise ändern. Man kann aber auch die gleiche Wirkung durch eine Reihe von Expansionsbehältern erzielen, die unter verschiedenen Drücken stehen und mittels einer Steuerung während der Expansionsperiode nacheinander und am Ende des Auspuffhubes in umgekehrter Reihenfolge mit dem Arbeitszylinder verbunden werden.
In Fig. 2 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Zweitaktmaschine gemäss der Erfindung dargestellt, die beispielsweise im geschlossenen Kreislauf mit künstlicher Atmosphäre arbeitet und bei dem die Expansionsräume durch Kolbenzylinder gebildet sind.
In Fig. 2 ist 1 der mit einer feuerfesten wärmeisolierenden Bekleidung 2 versehene Arbeitszylinder und 4 der an die Kurbelwelle 3 angeschlossene Arbeitskolben. 5 ist der Wärmespeicher, durch den die frische Ladung der Arbeitsgase aus dem Behälter 6 über das gesteuerte Einlassventil 7 eintritt und 8 ist das gesteuerte Auspuffventil, durch das die Gase in den die künstliche Atmosphäre darstellenden Nieder- druckbehälter 9-in dem ein Kühler 10 angeordnet sein kann-auspuffen bzw. geschoben werden.
Aus dem Niederdruckbehälter N saugt die zweckmässig schnellaufende, mehrstufige Pumpe 11 die das Arbeitsmittel bildenden Verbrennungsgase in kaltem Zustande mit der niedrigsten Temperatur Tl
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isothermisch auf den Druck p verdichtet in den Hochdruckbehälter 6, entsprechend der Strecke e-a in Fig. 1.
Da das Arbeitsmittel aus Verbrennungsgasen besteht, so muss während eines jeden Arbeitshubes die zur Verbrennung erforderliche Frischluft und, falls ein gasförmiger Brennstoff benutzt wird,
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der Maschine in nicht dargestellter Weise ihren Antrieb erhalten, schöpfen über die gesteuerten Ventile 18 und 19 das Gas und die Luft aus den Niederdruckbehältern 14 und 15 mit dem Drucke pi und fördern diese Gase in der weiter unten beschriebenen Weise verdichtet durch die gleichfalls gesteuerten Einlassventile 20 und 21 sowie die Hilfswärmespeicher 22 und 2. 3 in den Verbrennungsraum des Arbeitszylinders 1.
Die aus dem geschlossenen Kreislauf mit dem Druck p1 auszuscheidende, der Gewichtsmenge der eingeführten Frischgase äquivalente Gewichtsmenge Verbrennungsgase tritt durch die gesteuerten Aus-
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in die Messpumpen. 35 und. 36, welche die auszuscheidende Verbrennungsgasmenge mit dem Druck pi in den Behälter 27 fördern. Die Kolben der Pumpen 16, 17, 30, 31 und 35, 36 werden in der weiter untm beschriebenen Weise gleichfalls von der Kurbelwelle der Maschine bewegt. Aus dem Behälter 27 gelangt das Verbrennungsgas vom Drucke pi über den Wärmerekuperator oder Regenerator 26 in die Nieder-
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druckkraftmaschine 28.
Die während ihres Durchtrittes durch die Hilfswärmespeicher 22 und 23 auf die niedrigste Temperatur T1 des Arbeitskreislaufes abgekühlten und mit dieser Temperatur im Behälter 27 aufgespeicherten Verbrennungsgase nehmen während ihres Durchtrittes durch den Rekuperator 26 die Verdichtungswärme der in den Pumpen 12 und 13 verdichteten Gase auf. Die Verbrennungsgase treten also mit der Temperatur, die der adiabatischen Verdichtung vom atmosphärischen Druck auf den Druck pi entspricht, in die Niederdruckmaschine 28, in der sie arbeitsleistend expandieren und die Verdichtungsarbeit für die beiden Pumpen 12 und 1 : ; liefern.
Da die durch die Niederdruckmaschine 28 gelieferte Arbeit nicht genügt, um ausser der Verdiehtungsarbeit auch die Reibungskraft des Maschinenaggregates 28, 12, 13 zu liefern, so ist es zweckmässig, die Kurbelwelle-36 dieses Aggregates mit der Kurbelwelle 3 der Verbrennungskraftmaschine zu kuppeln.
37 und') 8 sind die Druckventile der Expansionszylinder 30, 31, und 39 ist ein Druckgasbehälter, in dem der Druck p2 + Ap herrscht und der durch die gesteuerten Ventile 40, 41 an die Hilfswärmespeicher 22, 23 angeschlossen werden kann.
Gemäss der Erfindung sind nun der kalten Seite der Wärmespeieher 5, 22 und 23 zwischen diesen und den Einlassventilen 7,20, 21 sowie Auslassventilen 8, 24,25 die Expansionszylinder 29, 30 und. 37 angeschlossen, in denen die Expansionskolben 32, 33 und 34 beweglich sind. Das Antriebsgestänge der expansionskolben 33 und 34 ist der Einfachheit halber in Fig. 2 nicht angegeben.
Die Wirkungsweise der Expansionszylinder sei zunächst ohne Rücksicht auf ihren Antrieb beschrieben, da die Expansionskolben eine intermittierende Bewegung ausführen müssen, die durch ein Kurbelgetriebe nur mehr oder weniger annähernd erzielt werden kann.
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befinden, in dem ihre dem Arbeitsraum zugekehrte Seite die Temperatur Ta und die entgegengesetzte Seite die Temperatur T1 besitzt, und dass der Arbeitskolben 4 sowie die Expansionskolben. 32, 33 und 34 in ihrer inneren Totpunktlage stehen. Der Wärmespeicher 5 sei mit Verbrennungsgase unter dem Drucke p2 gefüllt.
Im Betriebszustande sind die Behälter 9 und 27 mit Verbrennungsgasen vom Drucke pi. der Behälter 6 mit Verbrennungsgasen vom Drucke pa und der Behälter 39 mit Verbrennungsgasen vom Drucke ps + ss 1) gefüllt. Der Behälter 14 enthält brennbares Gas und der Behälter 15 Verbrennungsluft unter dem Drucke pi. In allen Behältern herrscht die Temperatur T\ und die Behälter sind so gross, dass die Druckschwankungen vernachlässigt werden können. Der schädliche Raum des Arbeitszylinders 1,
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des Arbeitsspieles gefüllt, u. zw. enthält der Hauptwärmespeicher 5 Verbrennungsgase, der Hilfswärmespeicher 22 brennbares Gas und der Hilfswärmespeicher 23 Frischluft.
Das Öffnen des gesteuerten Einlassventiles 7 erfolgt in der Nähe der inneren Totpunktlage des Kolbens 4, dem Punkte a der Fig. 1 und 5 entsprechend. Hiedurch wird der das auf den Einlassdrurk P2 verdichtete Arbeitsmittel enthaltende Behälter 6 mit dem Zylinder 1 verbunden. Da in diesem bereits
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strömung, bis der Arbeitskolben 4 seinen Arbeitshub beginnt. Beim Steigen des Kolbens 4 strömt aus dem Behälter 6 durch das Einlassventil 7 das Arbeitsmittel mit dem Drucke pis in dem der Bewegung des Arbeitskolbens entsprechenden Masse nach und schiebt die im Wärmespeicher 5 befindlichen Gase vor sich in den Arbeitszylinder 1.
Gleichzeitig mit dem Einlassventile 7 sind aber auch die Einlassventile 40 und 41 für das im Behälter 39 unter dem Druck pa-}-A stehende Verbrennungsgas geöffnet worden, welches das im Hilfswärmespeicher 22 unter dem Druck Pa aufgespeicherte brennbare Gas und die im Hilfswärmespeicher 23 aufgespeicherte Frischluft gegen den Arbeitszylinder 1 drängt.
Während ihres Durchtrittes durch die Wärmespeicher erhitzen sich die Gase gemäss der Strecke n-b der Isobare pa (Fig. 1) auf die Höchsttemperatur Ta der Wärmespeicher und treten mit dieser in den Arbeitszylinder ein. Da diese Temperatur über der Entzündungstemperatur liegt. so entzündet sich und verbrennt das aus dem Hilfswärmespeicher 22 austretende brennbare Gas mit der aus dem Hilfswärmespeicher dz austretenden Frischluft in der Düse 42 und die Verbrennungsgase vermischen sich mit den aus dem Hauptwärmespeicher 5 austretenden Arbeitsgasen, wobei diese gemäss der Strecke b-e der Isobare P2 (Fig. 1) auf eine noch höhere Temperatur T3 erhitzt werden.
Der Arbeitskolben 4 vollzieht in dieser Weise den Teil a-c (Fig. 5) seines Arbeitshubes mit gleichbleibendem Druck Pus. während auf Kosten der durch Innenverbrennung gelieferten Wärme Arbeit geleistet wird. Im Zeitpunkte e des Hubes werden die Einlassventile 7,40 und 41 geschlossen, so dass während der Strecke c--d des Arbeitshubes (Fig. l und 5) eine adiabatische Entspannung der im Zylinder 1 befindliehen Arbeitsgase von dem Drucke pa auf den Druck P1 erfolgt, während welcher eine Abkühlung der Gase von der Temperatur T3 auf die Temperatur T2 stattfindet.
Während der Expansionsperiode sollen nun die Expansionskolben 32, 33 und 34 in Wirkung treten, von denen angenommen worden ist, dass sie bis zu diesem Augenblicke in ihrer gezeichneten inneren Totpunktstellung in Ruhe verharrt hatten. Am Anfang der Expansionsperiode im Zeitpunkte c (Fig. 1 und
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und diesen am Ende der Expansionsprriode bei d vollenden. Dabei sollen die Expansionskolben derart bewegt werden, dass die Gase, die sieh beim Druck zea in den Wärmespeichern a, 22 und 2.'3, sowie in den
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befinden, während der Entspannung in die durch die Expansionskolben 32, 33 und 34 in den Expansions- zylindern 29, 30 und. 31 eröffneten Räume expandieren können, aber nicht an der warmen Seite der Wärme- speicher aus-und in den Arbeitszylinder 1 eintreten.
Diese Einrichtung wirkt also gerade so, als ob am
Anfange der Expansion die Wärmespeicher durch je eine Wand an ihrer warmen Seite gegen den Arbeitsraum des Zylinders 1 abgesperrt würden.
Am Ende des Auswärtshubes des Arbeitskolbens 4 ist der Druck in dem Arbeitszylinder-falls die Auspuffperiode d'-d (Fig. 5) der Einfachheit halber nicht berücksichtigt wird-auf pi gesunken und die Expansionskolben 32,. 33 und 34 haben ihre äussere Totpunktlage erreicht. Die Expansions- zylinder sind mit den aus den Wärmespeichern expandierten kalten Verbrennungsgasen gefüllt. Es wird nun das Auslassventil 8 geöffnet, worauf der Arbeitskolben 4 seinen Abwärtshub d-e (Fig. 1 und 5) ausführt. Die Expansionskolben 32,. 33 und. 34 verharren dabei in Ruhe.
Während seines Niederganges schiebt der Kolben 4 aus dem Arbeitszylinder durch den Hauptwärmespeicher 5 und das Ventil 8 eine solche Gewichtsmenge Verbrennungsgas mit der Temperatur Ti und dem Druck pj in den Behälter 9, die der während des Arbeitshubes durch das Ventil 7 mit dem Druck P2 eingeführten Gewichtsmenge Verbrennungsgas gleich ist. Gleichzeitig treten die Messpumpen 35 und 36 in Wirkung und saugen durch die Zylinder 30, 31 und die Verbindungskanäle 24', 25' (welche durch die Kolben 33,34 freigegeben worden sind) aus den Arbeitszylinder 1 durch jeden Hilfswärmespeicher 22, 23 eine solche Gewichtsmenge Verbrennungsgas ab, die der durch den betreffenden Hilfswärmespeicher während der Verbrennungsperiode gespeisten Frischgasmenge gleich ist.
Hierauf werden die Ventile 24,25 geschlossen und die Expansionskolben. 33,34 zurückgeschoben, die das in den Expansionszylinder 30, 31 befindliche Verbrennungsgas, auf den Druck P2 + P verdichtet, durch die Ventile 37, 38 in den Behälter 39 drückt und hiemit die diesem früher entnommene
Gasmenge rückerstattet. Die Messpumpen 35, 36 schieben die aufgesaugten Verbrennungsgasmengen ohne Drucksteigerung in den Behälter 27 hinüber. Der Druckbehälter 27 kann mit dem Behälter 9 vereinigt sein. Inzwischen hat die Gaspumpe 16 aus dem Behälter 14 und die Frischluftpumpe 17 aus dem
Behälter 15 brennbares Gas bzw. Frischluft mit dem Drucke angesaugt.
In der Nähe des Endes des Abwärtshubes, im Zeitpunkte e (Fig. 5), wird das Auslassventil 8 gesperrt, während die Ventile 20, 21 geöffnet werden. Während der Vollendung seines Abwärtshubes verdichtet der Arbeitskolben 4 bis zur Erreichung seiner inneren Totpunktlage a (Fig. 5) das im Arbeitszylinder 1 zurückgebliebene Arbeitsmittel auf den Einlassdruck P2, der Strecke e-a der Fig. 5 entsprechend.
Während dieser Verdichtungsperiode e-a des Arbeitskolbens 4 haben der Expansionskolben 32 und die
Kolben der Pumpen 16, 17 gleichfalls ihren Einwärtshub auszuführen und die in den zugehörigen Zylindern befindlichen Gase allmählich auf den Druck P2 zu verdichten, wobei der Expansionskolben 32 die im Expansionszylinder 29 befindlichen Verbrennungsgase in den Wärmespeicher 5, die Pumpe 16 das in ihr befindliche Brenngas in den Hilfswärmespeicher 22 und die Pumpe 17 die in ihr befindliche Frischluft in den Hilfswärmespeicher 23 drückt.
Es ist somit der Arbeitszylinder zum Einlass der frischen Ladung fertig und die Wärmespeicher 5, 22,23 sowie die an ihrer kalten Seite befindlichen schädlichen Räume sind wieder mit Arbeitsmittel, Brenngas bzw. Frischluft vom Drucke P2 gefüllt.
Der Expansionskolben 32 soll, wie aus obigem ersichtlich, eine eigenartige, von der harmonischen periodischen Bewegung abweichende Bewegung ausführen. In Fig. 6 veranschaulicht die mit dünner Linie gezeichnete Sinuskurve I die Bewegung des Arbeitskolbens 4, wogegen die stark ausgezogene Linie 11 die durch Expansionskolben 32 auszuführende Bewegung veranschaulicht, falls das Hubvolumen des Expansionskolbens beispielsweise etwa drei Viertel des Hubvolumens des Arbeitskolbens beträgt.
Die übrigen Expansionskolben haben eine mehr oder weniger ähnliche Bewegung auszuführen, weshalb im nachstehenden nunmehr lediglich vom Expansionskolben des Hauptwärmespeichers die Rede sein wird. In Fig. 6 ist die Volumenfläche des Arbeitszylinders lotrecht und die Volumenfläche des Expansionszylinders schief schraffiert.
Der Expansionskolben hat also gemäss Fig. 6 sowohl in seiner inneren Totpunktlage während der kürzeren Zeitdauer a-c, während welcher der Arbeitszylinder seine Ladung erhält (vgl. Fig. 5), als auch in seiner äusseren Totpunktlage, während der längeren Zeitdauer d-e, während welcher das Hinausschieben der Verbrennungsgase aus dem Arbeitszylinder erfolgt (vgl. Fig. 5), in Ruhe zu verharren.
Nach seiner kürzeren Ruhepause a-c der inneren Totpunktlage muss der Expansionskolben einen von der Bewegung des Arbeitskolbens verhältnismässig wenig abweichenden, sich auf die Expansionsstrecke c-d des Arbeitskolbens erstreckenden Arbeitshub c-k und nach der längeren Ruhepause k--m der äusseren Totpunktlage einen sehr steilen Einwärtshub m-a ausführen, der sich auf die Verdichtungsstrecke e-a des Arbeitskolbens zu beschränken hat.
Wie aus der in Fig. 6 strichliert eingezeichneten Kurve 111 ersichtlich ist, lässt sich die Volumenfläche des Expansionszylinders mittels einer sinoidalen Kurve annähernd darstellen, deren unterhalb der V-Minimallinie bzw. oberhalb der V-Maximallinie liegenden Wellenberg-bzw. Wellentalspitzen abgeschnitten sind. Die Sinuskurve Ill muss in bezug auf die Sinuskurve I um den Winkel x nacheilen.
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kalte Seite des Wärmespeichers 5 angeschlossen, aber in der Fig. 2 nicht dargestellt ist, im Zeitpunkte d' mit seiner Expansionsperiode einsetzt und bis zum Zeitpunkte d diese fortsetzt. Der primäre Expansionszylinder bleibt während dieser Zeit unwirksam.
Beide Expansionszylinder sind bis zum Zeitpunkte e unwirksam, worauf bis zum Zeitpunkte a sowohl der primäre als der sekundäre Expansionszylinder ihre
Verdichtungsperioden gleichzeitig oder im wesentlichen gleichzeitig derart auszuführen haben, dass die
Gesamtvolumenänderung der beiden Expansionszylinder dem Linienzuge m-a (Fig. 6) entspricht.
Wie aus dem obigen hervorgeht, kann man mittels einfacher Kurbelgetriebe die erforderlichen Volumkurven der Expansionszylinder nur annähernd wiedergeben. Eine genaue Wiedergabe der Volumkurven könnte mittels Unrundscheiben mit Leichtigkeit erzielt werden, doch sind derartige Antriebs-' mechanismen zur Übertragung grösserer Kräfte, wie solche im vorliegenden Falle auftreten, vollkommen ungeeignet. Ein anderes Mittel, um beliebige Volumenkurven der Expansionsräume wiedergeben zu können, besteht in der Anwendung einer Reihe von Druckbehältern, die vom niedrigsten Drucke pi bis zum höchsten Drucke P2 des Kreislaufes verschiedene Druckstufen darstellen.
Je kleiner die Unterschiede zwischen den einzelnen Druckstufen sind, also je grösser die Anzahl der Druckbehälter, desto genauer lässt sich eine jede Volum-oder Druckkurve des Diagramms des Expansionsraumes erzielen. Die Verbindung der Druckbehälter mit dem Arbeitsraume der Kraftmaschine an der kalten Seite des Wärmespeichers vermittelt eine Steuerung, die derart wirkt, dass während der Expansionsperiode die Druckbehälter in einer von dem Drucke P2 bis zum Drucke pi abnehmenden Reihenfolge nacheinander und einzeln jeweils in jenem Augenblick an die kalte Seite des Wärmespeicher angeschlossen werden, in dem im Arbeitsraume ein um Ap höherer Druck herrseht als in der angeschlossenen Stufe der Druckbehälterreihe.
Während der Verdichtungsperiode des Arbeitsraumes schliesst die Steuerung die einzelnen Stufen der Druckbehälterreihe in umgekehrter Reihenfolge an den Arbeitsraum an.
In Fig. 9 ist ein Beispiel einer solchen Einrichtung schematisch veranschaulicht. An die kalte Seite 46 des Wärmespeicher 5 des Arbeitszylinders 1 der Kraftmaschine können durch die von einer Steuerung 47 beherrschten Ventile 49 die Druckbehälter 48a, 48b... 48f angeschlossen werden. Im ersten Druckbehälter 48 a herrscht der Druck P2, im letzten Druckbehälter 481 der Druck PI'In den Zwischengliedern der Reihe 48 a-48f herrschenverschiedene Zwischenstufen der beiden Druckgrenze pa und pi.
Während der Expansionsperiode verbindet die Steuerung 47 die Behälter in der Reihenfolge 48 a...
48f in dem Zeitabschnitte c-k (Fig. 8) in solchen Zeitpunkten nacheinander einzeln mit dem Raume 46, in denen im Arbeitszylinder ein etwa um Ap grösserer Druck herrscht als in den jeweils angeschlossenen Behälter 48. Während der Zeitdauer k-m (Fig. 8) sind sämtliche Behälter 48 abgeschaltet. Vom Zeitpunkte m bis zum Zeitpunkte a (Fig. 8) werden die Behälter 48 in der Reihenfolge 48 f... 48 a nach- einander und einzeln mit dem Raume 46 verbunden, so dass in diesem und im Wärmespeicher 5 der Druck in gleichem Masse steigt, in dem der Druck durch den Kolben 4 der Maschine in dem zwischen diesem und dem warmen Ende des Wärmespeichers 5 befindlichen Raum gesteigert wurde.
Infolgedessen expandiert während der Druckabfallperiode die Wärmespeicherladung in die Behälter 48 a... 48 t und nicht den warmen Raum des Arbeitszylinders, während der Drucksteigerungsperiode aber wird die Wärmespeicherladung nicht von der warmen Seite in den Wärmespeicher gedrückt, sondern gelangt mit allmählicher Drucksteigerung aus den Behältern 48 f... 48 a in den Wärmespeicher.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Zweitaktbrennkraftmaschine mit eingebauten Wärmespeichern, bei der das in einer besonderen Pumpe auf den Höchstdruek verdichtete Arbeitsmittel durch gesteuerte Absperrorgane in kaltem Zustande in den Arbeitszylinder eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt der Wärmespeicherladung aus den Wärmespeichern während der Expansion nach der kalten Seite hin und der Eintritt der Wärmespeicherladung gleichfalls von der kalten Seite des Wärmespeichers her gleichzeitig mit der im Arbeitszylinder durch den Arbeitskolben erzeugten Verdichtung erfolgt.