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Durch Kraftmaschine mit innerer Verbrennung angetriebene Lokomotive.
Gegenstand der Erfindung ist eine Brennkraftlokomotive, d. h. eine Lokomotive, deren Antriebskraft durch Verbrennungsmotoren mit oder ohne Explosion erzeugt wird, und die neue Bauart der Lokomotive ermöglicht den Bau derartiger Lokomotiven für alle Leistungen.
Vergleicht man im Zugkraft-Geschwindigkeitsdiagramm Fig.] die aus der Zugkraft e als Funktion der Fahrgeschwindigkeit v sieh ergebende Kurve a einer Dampfmaschine von der Leistung ('mit der Kurve b eines Verbrennungsmotors gleicher Leistung, so ergibt sich, dass die erstere fast in allen Punkten die letztere übersteigt. Wegen dieses Vorteils über die Verbrennungskraftmasehine wird die Dampfmaschine "viel anpassungsfähiger als die letztere"genannt.
Um diese Unterlegenheit der Verbrennungsmotoren auszugleichen, die in der Tat eine ungenügende Anpassungsfähigkeit zur Folge hat, sind bereits zwischen den Motor und seine Belastung Energietransformatoren mit umschaltungsfähigen Kraftübertragungsmitteln eingefügt worden, wobei die letzteren mechanischer, hydraulischer, elektrischer oder pneumatischer Art sein können. Abgesehen davon, dass diese Kraftübertragungsmittel einen Teil der Motorleistung verzehren, sind sie kostspielig und verhindern durch ihr Gewicht und ihren Platzbedarf den Ausbau der Lokomotiven zu sehr hohen Leistungen.
Es wurde auch zur Verstärkung des Motoraggregates die Anwendung von durch eigene Motoren angetriebenen Luftkompressoren vorgeschlagen, die den Hauptmotor mit Druckluft versehen und gegebenenfalls den Viertaktprozess der den Lokomotivantrieb besorgenden inneren Brennkraftmaschine in einen Zweitaktprozess umzuwandeln gestatten sollten.
Diese Einrichtungen scheinen indes nicht sehr wirksam zu sein, besonders soweit die bei der Lokomotive kritischen Perioden des Anfahrens in Betracht kommen.
Durch die Erfindung werden nun Brennkraftlokomotiven geschaffen, die frei von diesen Nachteilen sind.
Die Erfindung besteht zur Hauptsache in der Verbindung zweier "thermo-pneumatischen Motoren", von welchen einer, der als "Hauptmotor" bezeichnet werden soll, unmittelbar, d. h. ohne zwischengeschaltete Umschaltmittel an der Belastung angreift, während der andere, im folgenden"Ergänzungsmotor"genannte, dem ersten Leistung zuschiesst, besonders dann, wenn die Kraftkurve b des Hauptmotors in dem eingangs besprochenen Diagramm unter die Kurve a der gleichstarken Dampfmaschine zu sinken droht, wie z. B. beim Anfahren unter Last und bei Fahrtgeschwindigkeiten die ausserhalb des günstigen Gesehwindigkeitsbereiehes des Hauptmotors liegen.
Unter einem thermo-pneumatischen Motor ist jeder Verbrennungsmotor zu verstehen, in welchem als Antriebsmittel gleichzeitig Brennstoff und Pressluft gebraucht wird ; dabei kann der Motor eine mehr oder weniger grosse Zahl von Zylindern oder Zylindergruppen haben, deren Kolben auf eine gemeinsame Kurbelwelle oder zusammenarbeitende Kurbelwellen wirken.
Vorzuziehen sind jedoch in erster Linie mehrzylindrige thermo-pneumatische Motoren, besonders solche mit Wärmerückgewinnung, bei Welchen zwei oder mehr Kolben in Tandemanordnung auf eine gemeinsame Kolbenstange aufgekeilt und durch feste Scheidewände voneinander getrennt sind, so dass jeder Zylinder aus über einander angeordneten Kammern besteht, deren erste vom Zylinderdeckel und der oberen Fläche des ersten Kolbens begrenzte, als Verbrennungskammer und als Expansionskammer für die Verbrennungsgase dient, während in den übrigen Kammern die Pressluft arbeitet.
Gemäss der Erfindung ist weiter die ganze aus Haupt-"und Ergänzungsmotor"bestehende Mo-
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können. Die beiden Motoren drehen sich unabhängig voneinander und stehen nur durch einen zwischengeschalteten Behälter mit einander in Verbindung, in welchen der Ergänzungsmotor Pressluft für die Speisung der Pressluftkammern des Hauptmotors auf Vorrat liefern kann.
Diese kurze Darstellung zeigt unabhängig von den später zu beschreibenden Einzelheiten, dass die zur Leistungssteigerung des Hauptmotors dienende Pressluft nicht in desssen Verbrennungs-und Expansionskammer gelangt und daher sein Arbeiten als Verbrennungsmotor niemals stören kann :' So kann der Hauptmotor eine doppelte Antriebskraft abgeben, die ihm eigene in seiner Verbrennungskammer erzeugte und die ihm von aussen als Pressluft zugeführte.
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tisch dargestellt.
Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, ruht der Rahmen 1 der Lokomotive auf der Laufachse 2 und den angetriebenen Achsen 3, 4, 5, deren Räder durch Kuppelstangen 6 und 7 verbunden sind. Der Antrieb erfolgt über eine am Rahmen in Lagern 9 und 10 gelagerte Blindwelle 8, die in Kurbeln 11 und 12 endet,
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Eingriff stehen. Der thermo-pneumatische Hauptmotor hat 16 Zylinder, die in vier Gruppen 181, 182, 18s ; 184 zu je vier Zylindern angeordnet sind.
Die Gruppen 181 und 182 sind an ihren Kurbelwellen durch das Ritzel 16, und die Gruppen 183 und 184 in gleicher Weise durch das Ritzel 17 gekuppelt, so dass alle vier Gruppen ihre Kraft gemeinsam über das Zahnradgetriebe 15, 16 und 17 die Blindwelle 8, die Treib- stangen 13 und 14 und die Kuppelstangen 6 und 7 auf die Treibachsen 3, 4 und 5 übertragen. Die Kurbelwellen sind in solcher Stellung zueinander angeordnet, dass von den miteinander verbundenen vier
Gruppen eine praktisch gleichbleibende Kraft auf die Blindwelle 8 übertragen wird. Von den Kurbelwellen überträgt jede nur ein Viertel und von den Zahnrädern 16 und 17 jedes die Hälfte der gesamten Kraft.
Die Kurbelwellen und die Ritzel sind daher leichter an Gewicht und leichter und billiger auszuführen, als wenn alle Kolben des Motors auf ein und dieselbe Welle wirkten, und diese nur ein Ritzel anzutreiben hätte.
Der Ergänzungsmotor 19 besteht aus einer Vierzylindergruppe, wie der Hauptmotor 18 deren 4 hat. Seine Kurbelwelle ist an einem Ende an eine Dynamo 20, am andern Ende an ein Schwungrad 21 gekuppelt. Die Luftkammern des Motors 19 sind durch Leitungen 17, 28, 29 und 30 mit dem Pressluft- vorratsbehälter 22 verbunden, und von diesem führen Leitungen 23 und 24 und Abzweigungen hievon zu den Luftkammern des Motors 18.
In Fig. 4 ist ein Zylinder des eingangs kurz beschriebenen thermo-pneumatisehen Motors mit seinen zwei Kolben in Tandemanordnung in axialem Längsschnitt dargestellt. Der Einfachheit wegen sei angenommen, dass es sich um einen Viertaktexplosionsmotor handelt.
Die thermische Arbeitskammer 31, d. h. die Verbrennungs-und Expansionskammer, die pneumatischen Arbeitskammern 32 und 33 liegen übereinander ; in den letzteren wird die Luft angesaugt, wenn die Kolben 34 und 35 als Kompressoren arbeiten, oder die Pressluft wird eingelassen, wenn diese Kolben als Motoren arbeiten. Diese Kammern werden durch die hohle Scheidewand 36 und die Kolben 34 und 35 begrenzt. Kurbelwelle und Schubstangen des Motors liegen in dem Gehäuse 37. Am oberen Ende des Zylinders liegen die Ein-und Auslassventile 38 bzw. 39, die durch Nockenwellen 40 und 41 mittels gefederter Hebel 42, 42'gesteuert werden. Durch die Vorrichtung nach Fig. 5 ist das Ganze einschliesslich Zündung umsteuerbar.
Bei dieser Vorrichtung ist auf der Welle 40 lose ein Ritzel 43 aufgesteckt ; das Ritzel hat eine Nase 44, die an beiden Armen d und f eines auf der Welle 40 aufgekeilten Anschlages 46 seitlich zum Anliegen kommen kann. Eine gleiche Anordnung 47, 48, 49 ist auf der Welle 41 aufgebracht.
Die Ritzel 43 und 47 werden durch eine Kette 51 und ein Zahnrad 52, in welches sie kämen, von der Kurbelwelle 50 aus angetrieben ; dreht sich nun die letztere in der Richtung des Pfeiles M, dann drehen sich die Ritzel in Richtung der Pfeile n und die Nasen 44 und 48 kommen in den Armen f bzw. g der zugehörigen Anschläge 46 und 49 zum Anliegen und nehmen dann die Welle 40 bzw. 41 mit. Wird die Drehrichtung der Welle 50 umgekehrt, dann kommen die Nasen 44 und 48 an den Armen d und h ihrer zugehörigen Anschläge zum Anliegen und nehmen die Wellen 40 und 41 in der entgegengesetzten Richtung mit.
Dadurch, dass die Arme g und h einen anderen Winkel miteinander bilden, als die Arme d und f, ergibt sich bei jeder Drehrichtung von selbst eine zuverlässige Steuerung des zugehörigen thermischen Kreisprozesses. Die Drehrichtung wird von den Luftkammern aus bestimmt.
Zur Verteilung der Pressluft auf die Zylinder 32 und 33 ist neben diesen ein Verteilerraum 53 mit Schieber 54 angeordnet, der mittels einer Schubstange 55 durch eine Kulissenvorrichtung System Hackworth angetrieben wird, die einen Umkehrhebel 56 hat und ihrerseits über einen Exzenter 57 von der Kurbelwelle 50 angetrieben wird. Ein Schieber 58 mit zwei Durchlässen 59 und 60, der durch einen Hebel 61 vertellbar ist, regelt die Pressluftzufuhr. Ist der Hebel in der Stellung j, dann ist der Verteilerraum durch die Öffnung 60 und die Leitung 23 unmittelbar mit dem Behälter 22 verbunden, ist dagegen der Hebel in der Stellung k, dann ist diese Verbindung mittelbar durch die Öffnung 59, die Leitung 63, die Schlange 64 und die Leitung 24 hergestellt.
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Der Vorratsbehälter 22 ist für alle Kammern 32 und 33 des Motors gemeinsam, und die vorhandenen Rohrschlangen 64 liegen in einem Topf 66, der zur Vorwärmung der Pressluft von den aus der Kammer 31 durch das Ventil 39 und die Leitung 67 zuströmenden Auspuffgasen durchströmt wird. Der Hohlraum in der Zwischenwand 36 stellt einen Aufnahmeraum dar, der durch die Leitung 68 und die Höhlung 69 im Schieber 54 die Kammern 32 und 33 abwechselnd mit dem Aufnahmeraum 70 und dem Vergaser 71 in Verbindung bringt, wenn das Ventil 72 angehoben und das Ventil 73 geschlossen ist, und abwechselnd mit der Atmosphäre, wenn die Ventile 72 und 73 umgekehrt stehen.
Sollen nun die Kolben 34 und 35 als Motoren arbeiten, dann braucht nur der Hebel 61 in die Lage k eingestellt zu werden, dann strömt die Pressluft auf dem Wege 24,64, 63 aus dem Behälter 22 in den Verteilerraum 53 und wird durch den Schieber 54 abwechselnd auf die Kolben 34 und 35 verteilt, worauf sie sich entspannt und dann auf dem Wege 69, 36, 68 zum Ventil 72, durch dieses in den Aufnahmeraum 70 und dann durch die Leitung 71 und das Ventil 38 in die Kammer 31 gelangt. Zum Bestimmen der Drehrichtung genügt es, den Hackworthhebel 56 entsprechend einzustellen, u. zw., wenn die Kurbelwelle in der Richtung des Pfeiles m laufen soll, in die Lage q und wenn sie umgekehrt laufen soll, in die Lage p.
Sollen die Kolben 34 und 35 als Kompressoren laufen, dann wird der Hebel 61 in die Lage i gestellt. Da dann aus dem Behälter 22 keine Luft mehr in den Verteilerraum 53 strömen kann, weil die Leitung 63 versperrt ist, und das Ventil 62 die Luft vom Behälter 22 nicht mehr durchströmen lässt, erzeugen die Kolben dann in ihren Kammern abwechselnd ein Vakuum beim Einlasshub und saugen durch das Filter 74 und das Ventil 73 frische Luft an, die auf dem Wege 68, 36 durch die Schieberhöhlung 69 in den Zylinder strömt und dann beim entgegengesetzten uub durch den Schieber 54, den Durchlass 62, die Öffnung 60 im Schieber 58 und die Leitung 23 in den Behälter 22 gedruckt wird. Sollen die Kolben 34 und 35 zuverlässig als Kompressor arbeiten, dann muss bei jeder Drehrichtung der Hebel 56 von den
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Für Vorwärtsfahrt der Lokomotive (wobei der Motor sich in Richtung des Pfeiles m dreht) wird der Hebel 61 des Motors 18 in die Lage k, und der gleiche Hebel des Ergänzungsmotors in die Lage j gestellt, während die Hebel 56 der beiden Motoren auf q bzw. p gestellt werden. Dann wird der Ergänzungsmotor angeworfen.
Sobald dieser läuft unter der Wirkung des in Kammern 31 eingeführten Brennstoffes, fördern seine Luftkammern Pressluft in den Behälter 22 und von dort durch die kurze Leitung 24, den Vorwärmer 64, die Leitung 63, die Schieberöffnung 59 und den Schieber 54 in die Druckluftkammern 32 und 33 des Hauptmotors, dessen Schieber 54 und 58 wie in Fig. 4 beispielsweise für die Kammer 32 dargestellt auf"Einlass"stehen.
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der Verteilervorrichtung drückt dabei der Kolben 34 die zuerst in der Kammer enthaltene Luft in den Behälter 22, während der Kolben 34 auf dem Wege über 74, 73, 68, 36, 69 atmosphärische Luft in die Kammer 33 saugt.
Darauf werden die Kolben 34 und 35 von den anderen Kolben, die zu der Zeit gerade auf die Kurbelwelle wirken, mittels dieser an das andere Ende ihrer Bahn gedrückt, und das hat die
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nötigen Druck steht, über 24, 64, 63, 59, 54, 32 unter den Kolben 34 eines anderen Zylinders gelangt und dort die an der Oberfläche der Schlange 64 von den auf dem Wege 39, 67, 66 dorthin gelangten
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Soll nach dem Halten in derselben Richtung weitergefahren werden, dann werden alle Hebel 61 wieder auf k und alle Hebel 56 wieder auf q gestellt, so dass aus dem Behälter 22 Pressluft in die Kammern 3 : ; und 33 tritt, wobei der Ergänzungsmotor je nach Bedarf in Gang ist oder nicht.
Soll die Fahrt nicht in der alten, sondern in entgegengesetzter Richtung fortgesetzt werden, dann werden alle Hebel 61 und 56 auf k bzw. p gestellt und Pressluft aus dem Behälter in die Kammern 3'2 und 33 gelassen ; dann bewirkt die Verteilervorrichtung, dass die Kolben 34 und 35 und infolgedessen die Nockenwellen 40 und 41 und schliesslich die Lokomotive in der gewollten Richtung anlaufen.
Gibt der Hauptmotor trotz voller Fahrt die gewollte Leistung nicht her, dann lässt man den Hilfsmotor den Behälter 22 mit Pressluft aufladen, welche alle Kammern 32 und 33 des Hauptmotors speisen soll und stellt alle Hebel 61 und 56 der jeweiligen Fahrrichtung entsprechende ; dann arbeiten alle Kolben. 34 und 35 als Druckluftmotoren, die vom Ergänzungsmotor gespeist werden. Dann addiert sich zur Leistung des Hauptmotors diejenige des Ergänzungsmotors und die Arbeit, die in den im Austauscher 64 auf die durchströmende Pressluft übergegangenen Wärmeeinheiten steckt.
Fährt die Lokomotive bergab oder muss sie entweder langsam fahren oder anhalten, so dass sie gebremst werden muss, während der Motor in Richtung des Pfeiles m weiterläuft, dann wird die Verbrennung in den Kammern 31 unterbrochen und alle Hebel 56 auf p gestellt. Dann müssen die Kolben 34 und 35 beim Weitergang gegen den im Behälter 22 angestauten Druck anarbeiten, und ihre Bewegung wird verzögert. Dieser Druck wird vom Regler 65 beherrscht, so dass an diesem der bremsende Widerstand
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oder der regelrechte Kompressionsvorgang ein.
Unter den bisher beschriebenen Betriebsbedingungen wird die Luft unter einem Druck von 3 bis 6 leg in den Behälter 22 gefördert. Das ist der normale Kompressionsdruek, der nicht nur in den Luftkammern 32 und 33 des Hauptmotors herrscht, während sie zur Speisung des Behälters 22 beitragen, sondern auch in den Luftkammern 32 und 33 des Ergänzungsmotors. Zur Erzielung von Spitzenleistungen, z. B. beim Anfahren auf Steigungen bei angehängter Last, ist es zweckmässig, mit überkomprimierter Luft zu arbeiten. Für diesen Fall sind die Verbindungen zwischen dem Behälter und den Zylindern des Ergänzungsmotors, wie in Fig. 6 ausgeführt, u. zw. sind die Zylinder r, s, t, u, wie bei Fig. 2 und 3 schon erwähnt, durch Leitungen 27, 28, 29, 30 an den Behälter angeschlossen.
Zwischen die Leitung 27 und einen Stutzen 76t-ist nun ein Ventil 751" eingefügt, und dieses Ventil wird von der Kolbenstange 771" des im Zylinder 79)'hin und herbewegliehen Kolbens 78r getragen.
Die Stange 771'steht unter den durch die Mutter 811- einstellbaren Druck einer Feder 80r. Damit die Luft nicht unmittelbar aus dem Behälter in die Leitung 27 übertritt, ist diese durch ein Rückschlagventil 821', gesichert. Zwischen dem Behälter und dem Zylinder 79r ist weiter eine Leitung 831'eingefügt, durch welche der Behälterdruck entgegen der Feder 80r auf den Kolben 781" wirkt, so dass die Feder zusammengedrückt und das Ventil geöffnet wird, sobald der Druck im Behälter denjenigen der Feder 80r übersteigt, so dass dann der überschüssige Druck sich durch den Stutzen 76r ins Freie entspannen kann.
Der Stutzen 76r könnte auch an den Kammern 32 und 33 angeordnet sein, so dass diese ohne Zwischenschaltung der Leitung 27 mit der Aussenluft verbunden werden können.
Gleiche Bauteile wie an der Leitung 27 sind entsprechend an den Leitungen 28, 29 und 30 angeordnet.
Wird nun der Motor angelassen, dann fördern die Luftkammern in den Behälter 22. Der Druck der Feder 80r ist auf den Betriebsluftdruck eingestellt, so dass das Ventil 76r durch seinen Kolben angehoben und somit die Leitung 27 geöffnet wird, wenn der Betriebsdruck erreicht ist. Die Kolben or und 35r laufen dann leer, sind also ohne unmittelbaren Arbeitswiderstand, während allein die Luftkolben der Zylinder s, t und u weiter Pressluft nach 22 fördern. Die Feder 80s ist etwas stärker gespannt, als 80r, und die Feder 80t um einen weiteren Betrag stärker als 80s und so fort.
Steigt nun der Behälterdruck über die Spannung der Feder 80s, dann wird eine Verbindung der Leitung 28 mit der Aussenluft hergestellt und bei weiterer Drucksteigerung eine Verbindung der Leitung 29 mit der Aussenluft. Wird also die Drucksteigerung im Behälter 22 eine gewisse Zeit fortgesetzt, dann fördern nur noch die Kammern 32 und 55 M
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Luft in den letzteren. Da dem Kolben 34 und 35 der Zylinder r, s und t zu der Zeit kein unmittelbarer Arbeitswiderstand gegenübersteht, vereinigt sich nun die ganze Leistung des Motors auf den Antrieb der Luftkolben 34u und 35u und kann den Luftdruck im Behälter 22 so hoch steigern, wie es die Erzielung der höchsten von der Lokomotive zu verlandenden Zugleistung erfordert.
Da die Spannung der Federn 80r, s, t und u verschieden ist, können deren Werte so bemessen werden, dass der Motor ständig mit voller Leistung laufen kann, ohne sich festzufressen. Sinkt der Druck im Behälter 22 durch eine Änderung in der Speisung der Luftkammern des Hauptmotors unter'die Federspannung bei 80t, dann schliesst diese das Ventil 75t, so dass die Leitung 29 wieder dicht wird, und die Kolben 34t und 35 t wieder Pressluft in den Behälter 22 fördern. Auf die gleiche Weise werden die Kolben
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Leitungen 28 und 27 wieder schliessen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Durch Kraftmaschine mit innerer Verbrennung angetriebene Lokomotive, gekennzeichnet durch die Anordnung von mindestens zwei Motorengruppen (18 und 19), von denen jede aus mit pneumatischen Maschinen (32 bis 33) gekuppelten Verbrennungskraftmaschinen (31) besteht, wobei mindestens eine dieser Motorengruppen, Hauptmotorgruppe (18) mechanisch mit den Triebrädern der Lokomotive verbunden ist und Druckluft von beliebig veränderlichem Druck und regelbarer Menge sowohl liefern als auch von der oder den änderen Motorengruppen (Ergänzungsmotorengruppen 19) empfangen kann.