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Arbeitsverfahren für Kraftmaschinenanlagen.
Um die wertvollen thermischen Eigenschaften der Verbrennungskraftmasehine mit der leichten Regelbarkeit einer gewöhnlichen Kolbendampf- oder Pressluftexpansionsmaschine zu verknüpfen, wurden Kraftübertragungsverfahren ersonnen, bei welchen die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine, die mit höherem als atmosphärischem Drucke aus dem Verbrennungszylinder ausströmen, mit Druckluft von annähernd demselben Drucke gemischt und hernach einer Expansionsmaschine zugeführt werden, um dort noch weiter Nutzarbeit zu verrichten.
Um allen diesen Verfahren einen möglichst grossen thermischen Wirkungsgrad abzugewinnen, ist es notwendig, im Verbrennungszylinder einen sehr hohen Verbrennungsdruck anzuwenden, die Abgase mit möglichst hohem Druck aus dem Verbrennungszylinder ausströmen zu lassen und die denselben beizumengende Pressluftmenge möglichst klein zu halten.
Mit diesen Forderungen wachsen aber die konstruktiven Schwierigkeiten, da der Verbrennung. zylinder kleiner, die Kühlflächen geringer und damit die Wärmeableitung aus den Zylinderwänden schlechter wird. Mit der Erhöhung des Expansionsdruckes und mit der Verringerung der beizumengenden Pressluftmenge steigt die Temperatur des Pressluft-Abgasgemisehes und es wird sehr bald die für die Auslassorgane des Dieselmotors und die Einlassorgane der Expansionskraftmaschine zulässige Höchst. temperaturgrenze überschritten.
Gegenstand der Erfindung ist ein Spül-und Ladeverfahren, bei welchem diese Nachteile vermieden und durch ein besonderes Kühlverfahren noch eine weitere Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades gegenüber dem bekannten Verfahren erreicht wird. Das Verfahren ist sowohl für Gleichdruek-als auch
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(Dieselverfahren) und auf eine Zweitaktgasmaschine dargestellt.
In Fig. la, lb, le bedeutet : K einen Verdichter zur Erzeugung der Pressluft, welche zum Teil als Ladeluft für den Verbrennungszylinder, zum Teil als Zusatzluft zu den Abgasen dient ; D den Dieselmotor, einen Speieh er (Aufnehmer) zur Aufnahme der Pressluft aus dem Verdichter K, R1 einen Behälter (Aufnehmer) zur Aufnahme des Abgas-Luftgemisches, Z den Expansionszylinder, V ein gesteuertes Ventil zum Einlassen und Hinausschieben von Pressluft. 81 sind Einlassschlitze für die Spül-und Ladeluft, 8z sind Auslassschlitze für das Abgas-Luftgemisch.
In Fig. 2 ist ein Diagramm für den Verbrennungszylinder dargestellt.
Die Arbeitsvorgänge sind folgende :
Vom Verdichter K, der entweder einstufig oder zur Erreichung eines höheren thermischen Wirkung. grades mehrstufig mit Zwischenkühlung ausgeführt ist, wird aus der Atmosphäre Luft angesaugt, möglichst isothermisch verdichtet und in den Speicher s, welcher ebenfalls mit Kühlrohren versehen sein kann, gedrückt.
Steht der Kolben des Verbrennungsmotors D in der unteren Totpunktstellung (Fig. Ib), so tritt aus dem Speicher durch Schlitze 81 und das geöffnete Ventil V Druckluft in den Zylinder (entsprechend Punkt 5 in Fig. 2), bestreicht möglichst vollkommen die Innenwände desselben, mischt sich mit den Abgasen im Zylinder, worauf das Abgas-Druekluftgemisch durch die Auslassschlitze in den Behälter R1 tritt.
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Am Schlusse des Spülvorganges ist der Zylinder wegen der grossen Spülluftmenge mit sehr reiner Luft gefüllt, welche nach Schliessen der Schlitze 81 und 82 durch den Kolben beim Rückgang desselben (Punkt 4 in Fig. 2) durch das Offenbleiben der Ventile V wieder in den Speicher R2 zurückgeschoben wird, um am Spülvorgang zwecks besserer Kühlung nochmals teilzunehmen. Ist eine so kräftige Kühlung durch die Spülluft nicht erforderlich, so kann diese überschüssige Luftmenge durch einen Kanal 7c entsprechend Fig. 1d direkt in den Behälter ssi ausgeschoben werden. Hat der Kolben die Stellung entsprechend Punkt 6 in Fig. 2 erreicht, so wird das Ventil V geschlossen und es beginnt die Verdichtung.
Der Verdichtungsbeginn kann durch entsprechende Steuerung des Ventiles V nach dem gewünschten Verdichtungsenddruck (Punkt 1 in Fig. 2) eingestellt werden. Von Punkt 1 in Fig. 2 an erfolgt in bekannter Weise Einspritzung und Verbrennung unter Gleichdruck, von Punkt 2 bis 3 Expansion bis nahe auf den Druck
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zu leisten.
Dadurch, dass die ganze Pressluftmenge in den Zylinder tritt und die Wandungen desselben von innen bestreicht, wird Wärme, die sonst nutzlos ins Kühlwasser ginge, aus der Zylinderwand aufgenommen und im nachfolgenden Expansionszylinder Z mit zur Arbeitsleistung herangezogen. Da ein grosser Teil der Zusatzluftmenge durch Vermittlung des erwähnten gesteuerten Ventiles V bei dem an erster Stelle beschriebenen Verfahren zweimal in den Verbrennungszylinder tritt, wird sie sich mit mehr Zylinderwandwärme anreichern können als bei anderen Verfahren, daher geht weniger Wärme ins Kühlwasser und mehr in den Zylinder Z, wodurch ebenfalls eine Vergrösserung des thermischen Wirkungsgrades erreicht wird.
Eine wesentliche Steigerung des thermischen Wirkungsgrades erzielt man durch richtige Kühlung der Spül-und Zusatzluft. Die zulässige Endtemperatur des Abgas-Luftgemisches kann nämlich bei demselben Gemischdrucke durch Beimengung eines viel geringeren Druckluftquantums erzielt werden, wenn dasselbe wirksam gekühlt wird, oder es kann bei derselben Druckluftmenge mit Kühlung derselben ein viel höherer Gemischdruck bei gleicher Gemischtemperatur erreicht werden, als ohne Kühlung. In beiden Fällen steigt aber der Wirkungsgrad des Verfahrens, da die Diesel- und Kompressorleistnng, die den Umformverlusten unterliegen, verkleinert, die direkte Leistung im Expansionszylinder Z aber vergrössert wird.
Auch kann die gekühlte Druekluft wegen ihrer tieferen Temperatur mehr Wärme aus der Zylinderwand aufnehmen und im Expansionszylinder Z in mechanische Arbeit umsetzen.
Da der Verbrennungszylinder und damit seine Kühlflächen durch den späteren Beginn der Verdichtung grösser werden, so vermindern sich dadurch die Kühlschwierigkeiten.
Der Druckabfall am Ende der Expansion und damit die Flächenverluste des Diagrammes können durch Steuerung des Ventiles V beliebig klein gemacht werden.
Der Wärmeübergang aus den Wänden des Verbrennungszylinders an die Druckluft ist, wenn letztere noch gekühlt wird, wegen des hohen Temperaturgefälles derselben gegenüber den heissen Innenwänden des Verbrennungszylinders und der Ventile sehr wirksam, so dass noch ein sehr wesentlicher Teil der Zylinderwandwärme zur Arbeitsleistung im nachfolgenden Zylinder Z herangezogen wird und zur Erhöhung des Wirkungsgrades wesentlich beiträgt, wobei auch die Kühlung des Verbrennungszylinders verbessert wird.
Fig. 3s, & , c zeigt eine nach diesem Verfahren im Zweitakt arbeitende Gaskraftmaschinenanlage, als Beispiel für ein Verpuffungsverfahren. Hierin bedeutet : G M die Gaskraftmaschine, L K den Luft-
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Die Wirkungsweise ist folgende : Im Arbeitszylinder des Gasmotors G M befindet sich der Kolben in der unteren Totpunktstellung, die Spülschlitze 81 und 82 sind freigelegt, auf der einen Zylinderseite tritt aus dem Speicher R2 Druckluft durch die Einlassschlitze 8J. ein, spült den Zylinder aus, auf der anderen Seite tritt das Abgas-Luftgemisch durch die Auslassschlitze 82 nach dem Behälter R1. Beim Hochgang
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Druck gebrachten Gas mischt, worÅauf das Gas-Luftgemisch durch Ventil Vg in den Zylinder tritt und die in demselben befindliche Luft durch Ventil V2 verdrängt. In Punkt 6 des pv-Diagrammes ist die Ladung vollzogen, die Ventile V2, Vg, Vg schliessen sich und die Verdichtung beginnt.
In Punkt 7 erfolgt die Zündung des Gemisches, wodurch der Druck bis auf Punkt 1 des Diagrammes steigt. Der weitere Expansions- und Kühlvorgang ist genau so wie beim vorher beschriebenen Verfahren. Der Luftverdichter
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L K versorgt den Speicher R2 mit Pressluft, der Verdichter G K bringt das Gas vom normalen Leitungsdruck annähernd auf den Druck des Aufnehmers ssg, fördert es nach R4, so dass es beim Öffnen von Vg aus demselben austritt, sich mit Pressluft aus Ra mischt und durch Ventil V, in den Zylinder tritt.
Es ist bekannt, zum Zweck der gefahrlosen Erhöhung des Verdiehtungsenddruckes und damit
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tungsenddrücke über 15 Atmosphären, für welche eine Kühlung der Ladungsmenge erst in Betracht käme, da bei den für normale Gasmaschinen verwendeten Gasen mit hohem CO-Gehalt hiebei erst die gefährliche Verdiehtungsendtemperatur erreicht wird, aus folgenden Gründen nicht zu erzielen : Bei hohen Verdichtungsenddrüeken ergeben sich wegen des daraus sich ergebenden hohen Verpuffungsdruckes sehr hohe Diagrammspitzen mit geringer Diagrammfläche, so dass die durch die hohen Verpuf- fungsdrüeke bedingte Reibungsarbeit den Gewinn an indizierter Arbeit aufzehrt, so dass der Gesamtwirkungsgrad sogar sinkt.
Der durch Kühlung der Ladungsmenge angestrebte Effekt kann tatsächlich erst bei einer wesentlichen Erhöhung des mittleren indizierten Druckes im Verbrennungszylinder eintreten, was bis jetzt bei keiner Gasmaschine erreichbar war, weswegen man bei denselben die Ladegemisehkühlung auch unterliess.
Das beschriebene Arbeitsverfahren ermöglicht jedoch in einfacher Weise die Anwendung eines hohen mittleren indizierten Druckes, wodurch bei Anwendung der Ladungskühlung ein weit höherer Wirkungsgrad auch tatsächlich erreicht wird.
Die beschriebene Kraftmaschinenanlage ist überall dort gut verwendbar, wo eine grössere Schwankung des Drehmomentes und eine gute Manövrierfähigkeit erforderlich ist, wie z. B. für Lokomotiven, Fördermaschinen, Walzenzugmaschinen, Gebläsemaschinen, Schiffsmaschinen, Triebwagen, Autos, Flugzeuge, Luftschiffe usw.
Da sieh jedoch noch ein höherer thermischer Wirkungsgrad als bei allen bekannten Wärmekraftmaschinen erreichen lässt, so kann die beschriebene Kraftmaschinenanlage in den meisten Fällen an Stelle der vorhandenen Wärmekraftmaschinen treten, insbesondere die beschriebene Gaskraftmasehinenanlage.
Dabei können gegebenenfalls vorhandene Hilfsbetriebe, wie Kühlwasserpumpen, Ventilatoren, Dynamos zu Lieht-und Kraftzwecken, Kompressoren, Sehmierpumpen, Speisepumpen usw. von der Welle der Verbrennungskraftmaschine direkt angetrieben werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Arbeitsverfahren für Kraftmaschinenanlagen, die aus einer Brennkraftmaschine für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, einem mit dieser Maschine über einen Druckluftspeicher verbundenen Luftverdichter, einer mit dem Gemisch aus den mit höherem Drucke ausströmenden Abgasen und Druck-
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je einem Verdichter für Ladeluft und Brenngas besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der nach erfolgter Spülung und Ladung des Verbrennungszylinders in diesem verbleibende, für die Verbrennung nicht erforderliche Luftüberschuss zu Beginn des Verdichtungshubes in den vom Luftverdichter belieferten Druckluftspeicher BJ zurückgeschoben wird und somit an den folgenden Arbeitsspielen zwecks grösserer Wärmeaufnahme aus den Zylinderwänden wieder teilnimmt, oder,
falls eine so starke Zylinderkühlung nicht erforderlich ist, durch Leitung (K) direkt in den Behälter (RJ für das Abgas-Luftgemisch ausgeschoben wird.