Terbrennungshr aftmasehine. Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei Verbrennungskraftmaschinen einen Teil der Verbrennungsgase für den nächsten Arbeits prozess zurückzubehalten. Bei diesen Maschinen ist zwischen einem warmen Arbeitsraum, in welchem die Zuführung der Verbrennungs wärme erfolgt, und einem kalten Arbeits raum, in welchem die zurückbehaltenen Verbrennungsgase verdichtet werden, ein Wärmespeicher eingeschaltet. Durch den Wärmespeicher soll die Wärme, die in den Verbrennungsgasen nach ihrer Expansion im warmen Arbeitsraume noch zurückbleibt, verwertet werden.
Die Verbrennungsgase werden nach ihrer Expansion im warmen Arbeitsraum durch den Wärmespeicher hin durch befördert und in einem Kühler gekühlt, bevor sie im kalten Arbeitsraum wieder ver dichtet und durch den Wärmespeicher in den warmen Arbeitsraum gefördert werden. Der Druck vor der Verdichtung im kalten Arbeitsraum ist zweckmässig möglichst hoch um selbst bei kleinem Verdichtungsverhältnis einen grossen mittleren Druck und dement- sprechend eine hohe spezifische Leistung zu erhalten.
Daraus folgt, dass die zur Ver brennung erforderliche Luft und wenn ein gasförmiger Brennstoff verwendet wird, auch dieser auf einen Druck verdichtet werden muss, der dem Druck der Verbrennungsgase von ihrer Verdichtung mindestens gleich ist, anderseits müssen die Auspuffgase, die noch eine bedeutende Arbeit enthalten, in einer Niederdruckmaschine bis auf den atmo sphärischen Druck entspannt werden. Ent zieht man nun den Auspuffgasen zuviel Wärme, so kühlen sie sich während ihrer Entspannung im Niederdruckmotor unter die atmosphärische Temperatur ab und leisten wenig Arbeit.
Gemäss der Erfindung erreichen die Aus puffgase bei ihrer Expansion im Niederdruck motor höchstens die Atmosphärentemperatur.
In der Zeichnung sind vier Ausführungs beispiele der Verbrennungskraftmaschine ge mäss der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Maschine für flüssigen Brennstoff, - Fig. 2 eine Variante der Wärmeaustausch vorrichtung ; Fig. 3 betrifft eine Variante; Fig. 4 -zeigt eine - Gasmaschine gemäss der Erfindung; Fig. 5 ist ein Wärmediagramm der Maschine gemäss Fig. 1; Fig. 6 zeigt schematisch den kalten und warmen Arbeitsraum der Maschine nach Fig. 4 und den Druckverlauf im Verbren nungsraum; Fig. 7 ist das dazu gehörige Wärme diagramm.
Die Maschine gemäss Fig. 1 besitzt einen den warmen Arbeitsraum bildenden Arbeits zylinder a mit einem Einlassventil y und einem Auslassventil /t, dessen Kolben 1 auf die Kurbelwelle 3 wirkt. Im Arbeitszylinder sind zwischen dem Kolben 1 und den Ven tilen g und lt ein Wärmespeicher<I>R</I> und ein Kühler e angeordnet. Das Einlassventil g beherrscht die Druckleitung des Kompressors (,; der von der Kurbelwelle 3 angetrieben wird und ein Druckventil f und ein Saug ventil besitzt.
Dieses beherrscht die Ver bindung des Kompressors mit einem Druck behälter d, in welchen die Auslassleitung des Zylinders a. und die Druckleitung<B>5,1</B> der Luftpumpe q münden. Die Druckleitung 5 q geht durch eine Wärmeaustauschvorrichtung 4, wo die Frischluft ihre Verdichtungswäririe an die gekühlten Auspuffgase abgibt, welch vom Motor k der Auslassleitung des Zylin ders a durch die Leitung 6 entnommen, durch die Wärmeaustauschvorrichtung 4 ge führt une mittelst der Leitung 5 k dem Mo tor k zugeleitet werden.
Der Motor k wirkt auf die Kurbelwelle 3, welche die Luftpumpe q und die Brennstoffpumpe b antreibt, die den Brennstoff unmittelbar in den Zylinder a einspritzt.
Im Nachstehenden ist der Arbeitsprozess anhand des Wärmediagrammes (Fig. 5) be schrieben, in welchem die Ordinaten die absoluten Temperaturen und die Abszissen die Entropien der Verbrennungsgase dar- stellen. Die Temperatur der aus dem Kühler e austretenden Verbrennungsgase kann prak tisch gleich der Kühlertemperatur To ange nommen werden, obwohl die Temperatur uni wenige Grade höher ist.
Die Temperatur der auf der warmen Seite des Wärmespeiebers heraustretenden bezw. an der warmen Seite desselben in den Wärmespeicher eintretenden Gase kann praktisch gleich der Temperatur T:, der warmen Seite des Wärmespeichers angenommen werden, obwohl die Tempe ratur der Gase beim Austritt um einige Grade niedriger, beim Eintritt aber um einige Grade höher ist.
Der Wärmespeicher ist im Verhältnis zu der Menge der bei jedem Hub hindurch strömenden (rase derart gross, dass die durch die Wärmeaufnahme bezw. Wärmeabgabe bewirkten Temperaturschwankungen vernach lässigt werden können.
Die Verbrennungsgase werden im Behälter d mit der von der Pumpe q geförderten Frischluft gemischt und stehen unter dem Drucke Pi von zum Beispiel 10 Atmosphären und besitzen die Temperatur<I>To,</I> sind also in dem durch den Punkt 1 des Diagramines bezeichneten Zustande. Der Kompressor sangt die Gase aus dem Behälter an und verdichtet sie adiabatisch gemäss der Strecke 1-2 des Diagranimes auf den Druck P2 von zum Beispiel 60 Atmosphären, wobei sich die Temperatur der Gase auf T= steigert.
Die Gase werden nun aus dein Kompressor c durch die Ventile<I>f</I> und g in den " plinder a hinübergeschoben, wobei sich dei Kolben in dein Zylinder c aus seiner innvrn Tot- pünktlage auswärts und der Kolben im Zy linder a einwärts bewegen, und zwar so, dass trotz der Temperaturänderung keine Druckänderung stattfindet. Die Gase treten zunächst durch den Kühler e hindurch, in welchem sie sich auf die Temperatur To ab kühlen, also längs der Strecke 2-3 des Diagrammes in den Zustand 3 gelangen.
So dann durchsetzen die Gase den Wärme speicher b', wobei sie sich längs der Isobaren strecke 3-4 auf die Temperatur T2 er hitzen. Die Temperatur T2 liegt über der Entzündungstemperatur, so dass wenn nun die Pumpe b Brennstoff in die aus dem Wärmespeicher tretenden heissen Gase ein spritzt, der Brennstoff sofort verbrennt, wo durch die Temperatur der Gase auf Ts steigt. Auch die Brennstoffeinspritzung findet so statt, dass der Druck konstant P2 bleibt. Die Zustandsänderung der Gase veranschau licht also die Strecke 4-5 der Isobare P2.
Der Kolben 1 setzt seinen .Auswärtshub fort und die Gase expandieren gemäss der Strecke 5-6 des Diagrammes adiabatisch auf den Druck Pi und auf annähernd die Höchst temperatur T2 des Wärmespeichers. Hierauf wird das Ventil lt geöffnet und die Gase durch den Wärmespeicher R und den Kühler e bei gleichbleibendem Druck P, in den Be hälter d zurückgeschoben. Dabei kühlen sich die Gase ini Wärmespeicher längs der Isobare 6-1 bis auf die Temperatur To ab und erreichen also wieder ihren Anfangszu stand 1.
Das Arbeitsmittel hat also den Kreislauf 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1 durchgemacht und während dessen eine der Fläche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1 äquivalente mechanische Arbeit geleistet.
Wie aus dem Wärmediagramm ersicht lich, wird dem Wärmespeicher die der Fläche 7, 3, 4, 9, 7 entsprechende Wärme menge entzogen, wenn die kalten Gase durch den Wärmespeicher streichen, und die warmen Gase geben bei ihrem Durch tritt durch den Wärmespeicher die der Fläche 10, 6, 1, 8, 10 entsprechende Wärme menge an den Wärmespeicher ab. Da die beiden Isobaren P2 und Pi äquidistänte Kurven sind und die beiden Punkte 4 und 6 der Kurven der gleichen Temperatur T2 und die beiden Punkte 3, 1 der gleichen Temperatur To entsprechen, so sind die Flächen 7, 3, 4, 9, 7 und 8, 1, 6, 10, 8 kongruent. Die vom Wärmespeicher abge gebenen und aufgenommenen Wärmemengen sind daher einander gleich, so dass das Wärmegleichgewicht des Wärmespeichers gewahrt ist.
Die durch Verbrennung zuge führte Wärmemenge wird durch die Fläche 9, 4, 5, 10, 9 dargestellt, während die Fläche 7, 3, 2, 8 vom Kühlere abgeführte Wärme menge veranschaulicht. Die Differenz dieser beiden Flächen, das heisst der eingeführten und abgeführten Wärme, ist der Fläche 1, 2, 4, 5, 6, 1 gleich, also der geleisteten Arbeit äquivalent.
Die Frischluft wird durch die Pumpe q vom Atmosphärendruck Po mit Atmosphären# temperatur, welche der Kühlertemperatur To gleich sein soll, also in einem Zustand angesaugt, welchen der Schnittpunkt 11 der Isobare Po mit der Isotherme To entspricht, adiabatisch gemäss der Linie 11-12 auf Druck Pi verdichtet -und erhält die Temperatur 7.2. Aus der Pumpe<I>q</I> tritt die Frischluft in die Wärmeaustauschvor- richtung 4 ein und wird dort auf die Kühler temperatur To abgekühlt.
Dieser Vorgang entspricht der Zustandsänderung 12-1 längs der Isobare Pi, wobei jedem 1 kg Frisch luft der Wärmemenge 8, 1, 12, 13, 8 ent zogen wird. Die Frischluftmenge 01 gelangt nun in den Niederdruckbehälter d, in wel chem sie sich mit der Verbrennungsgasmenge G vermischt, wird mit dieser in den Zu stand 2 verdichtet und im Wärmespeicher R auf die Temperatur P2 erhitzt, gelangt also in den Zustand 4 und wird dann mit der entsprechenden Brennstoffmenge Ob zu Ver brennungsgas verbrannt.
Diese wird mit der Verbrennungsgasmenge G vermischt nach der Expansion durch den Wärmespeicher R in dem, dem Punkt 1 des Wärmediagrammes entsprechenden Zustand in die nach dem Niederdruckbehälter d führenden Auslass- leitung ausgestossen. Aus der Auslassleitung wird durch die Zweigleitung 6 eine der Summe der eingeführten Frischluftmenge <B>GI</B> und Brennstoffmenge Ob gleiche Menge G, Verbrennungsgas ausgeschieden.
Die Leitung, welche die Frischluft einführt und die Lei tung, welche die Auspuffgase abführt, mün den also an Stellen, wo die Verbrennungs gase die gleiche Temperatur besitzen. Die Aus puffgasmenge G, tritt mit dem Drucke P1 und der Temperatur To, also in dem Zu stand 1 des Wärmediagrammes in die Wärme austauschvorrichtung 4 ein und nimmt dort die Wärmemenge auf, die vorher von der Frischluft an die Wärmeaustauschvorrichtung übermittelt wurde.
Wäre die ausscheidende Menge G, dem Gewichte nach der Frisch- luftrnenge Gl gleich, so würde bei Über tragung der Verdichtungswärme der Frisch luft G, auf die ausscheidende Menge G, die Temperatur der letzteren genau auf die Verdichtungstemperatur TXs erhöht werden. Ihre Zustandsänderung in der Wärmeaus tauschvorrichtung würde also der Isobar- strecke 1--12 entsprechen.
In Wirklichkeit ist die ausscheidende Menge CTo um das Gewicht des Brennstoffes Gb grösser, als die Frischluftmenge Gl, somit erhöht sich ihre Temperatur nur bis zu einem niedrigeren Werte T$-, entsprechend dem Punkte 12' der Isobare Pi. hie Zustandsänderung der ausscheidenden Menge in der Wärmeaus tauschvorrichtung entspricht also der Isobar- strecke 1-12', urrd es wird für jedes Kilogramm der ausscheidenden Menge in der Fläche 8, 1, 12', 13',
8 entsprechende Wärmemenge auf genommen. Diese Wärmemenge multipliziert mit dem Ge@vicht GP ergibt die gleiche Wärmemenge wie die der Fläche 8, 1, 12, 13, 8 entsprechende Wärmemenge multipli ziert mit dem Gewicht CTl der Frischluft menge. Der Unterschied zwischen dem (Ie- wicht G, der Auspuffgase und der Frisch luft G, ist kein bedeutender.
Für Rohöl beträgt er 6-8 %. Er kann also vernach- lässigt werden.
Unter dieser Annahme tritt die ausscheidende Menge im Zustand 12, also mit dem Druck Pi und der Temperatur T= s aus der Wärmeaustauschvorrichtung in den Niederdrucknrotor k ein und erleidet hier unter Leistung von Arbeit eine Erst spannung nach der Adiabate 12-11 auf den Atmosphärendruck Po und die Atmo sphärentemperatur To.
Nach Vorstehendem erfährt also die Frisch luft G, in der Pumpe<I>q</I> und der Wärme austauschvorrichtung 4 die dem Linienzug 11-12-1 entsprechende Zustandsänderung, während die ausscheidende Menge G, und in der Wärmeaustauschvorrichtung und im Niederdruckmotor k die gleiche, nur dem Sinne nach entgegengesetzte Zustandsände rung 1-12-11 erleidet. Die im Motor K gewonnene Arbeit ist also gleich der Arbeit der Pumpe q. Die Verdichtungswärme wird unmittelbar als solche durch die Wärmeaus tauschvorrichtung auf die ausscheidende:Nleuge übertragen.
Würde man abweichend von der Erfindung die Verdichtungswärme der Frisch luft nicht auf die Auspuffgase übertragen, so würden letztere mit dein Druck P, und der Kühlertemperatur To, also dem Zu stand 1 entsprechend in den Niederdruck motor lc eintreten. Die Entspannung der letzteren auf den Atmosphärendruck P, würde gemäss der Adiabate 1-14 erfolgen und die Temperatur von To auf eine unter halb der Atmosphäre liegende Temperatur Ts sinken. Die gewonnene Arbeit wäre kleiner um die Arbeit, der die durch die Fläche 1, 12, 11, 14, 1 dargestellte Wärme entspricht.
Aber auch die für die Kompres sion der Frischluft aufzuwendende Arbeit im Zylinder C wäre grösser, denn sie würde un ter dem Druck Pi und mit der Temperatur Tz2 in den Niederdruckbehälter d eintreten. Im Kompressor e würde die Frischluft eine weitere Verdichtung vom Druck Pi auf den obern Druck P:.> gemäss der Adiabate 12-17 erfahren und die dein Zustand 17 ent sprechende Temperatur TZi erhalten. Die Verdichtungsarbeit wäre also grösser um die Arbeit, welcher die durch die Fläche 1, 2, 17, 12, 1 dargestellte Wärmemenge ent spricht.
Im Zustand 17 gelangte nun die Frischluft in den Kühler und würde dort gemäss der Isobarenstrecke 17, 3 auf die Kühlertemperatur To unter Abgabe der Wärme 13, 17, 3, 7. 13 abgekühlt ete. Durch die Erfindung wird also mehr Arbeit gewonnen, und zwar entspricht die Fläche 11, 17, 2, 14, 11 der dein Arbeitsgewinn äquivalenten Wärme.
Gemäss Fig.2 ist statt einer Kontakt wärmeaustauschvorrichtung 4 in einer die Frischluftpumpe g) und den -,Niederdruck- motor <I>7c</I> mit dem Kreislauf verbindende ge meinsame Leitung 5 ein Wärmespeicher 4' eingeschaltet, durch den die Wärme Frisch- luft und die kalten Verbrennungsgase ab wechselnd und in entgegengesetzten Rich tungen fliessen.
Man kann die Frischgase statt in einer Stufe auch in mehreren Stufen auf den Ein führungsdruck des Kreislaufes verdichten, die au dem Kreislauf ausscheidenden Aus puffgas in entsprechend mehrstufigen Nieder- drucknrotoren entspannen und die Kompres sionswärmen der Frischluft zwischen den einzelnen Stufen auf die Auspuffgase über tragen.
Gemäss Fig. 3 sind die die Frischluft ein führende und die Verbrennungsgase ab führenden Leitungen 5 q und 51{ an den Wärmespeicher R bei der Stelle 7 ange schlossen, wo dieser die Temperatur Txi be sitzt, welche die Frischluft bei ihrer adiaba- tischen Verdichtung vom atmosphärischen Zustand auf den Druck P2 erreicht.
In der Pumpe q erfolgt die Verdichtung der Frisch luft vom Atmosphärendruck Po und von der Atmosphärentemperatur To, also wieder vom Zustand 11 des Wärmediagrammes aus gehend gemäss der Adiabate 11-17 auf den Druck P2 und bis zur Temperatur Tti. Die verdichtete Frischluft wird, während im Arbeitszylinder a der obere Druck P2 herrscht, an der Stelle 7 des Wärmespeichers R eingeführt.
Diese Luft vereinigt sich dort mit den Verbrennungsgasen G, welche von der kalten Seite des Wärmespeichers her kommend sich bereits im obern Teil des Wärmespeichers von der Temperatur To auf die Temperatur Tai erwärmt haben. Beide gehen nun durch den untern Teil des Wärmespeichers, erwärmen sich der Iso- barenstrecke 17-4 entsprechend von der Temperatur Tyi auf die Höchsttempe ratur T2 des Wärmespeichers und treten mit dieser in den warmen Arbeitsrahm ein. Die Frischluft verbrennt hier mit dem eingeführten Brennstoff Gb bei gleich bleibendem Druck P2 zu Verbrennungsgas.
Dabei steigt die Temperatur der Isobar- strecke 4-5 gemäss auf die Höchsttempera tur Tu. Nach erfolgter Expansion gemäss der Adiabate 5-6 kehrt die ganze Gasmenge beim untern Druck 1'i durch den Wärme speicher zurück und kühlt sich im wärmeren Teil desselben der Isobarstrecke 6-18 ge mäss auf die Temperatur T.-,i ab. Bei der Stelle 7 geben die Auspuffgase G, durch die Leitung<B>51,</B> ab.
Während die übrigen Verbrennungsgase G im kälteren Teil des Wärmespeichers gemäss der Isobarstrecke i8-1 bei gleichbleibendem Druck Pi auf die Temperatur Po abgekühlt werden, treten die Auspuffgase G, mit dem Druck Pi und der Temperatur T_,:, in den Nieder motor k ein, expandieren dort adiabatisch auf den Atmosphärendruck Po gemäss der Adiabate 18-19 und puffen im Zustande 19 in die Atmosphäre aus.
Die Atmosphäre kühlt die Auspuffgase gemäss der Isobar- strecke 19-11 unter Entziehung der Wärme menge 20, 19., 11, 13 auf die Atmosphären temperatur<I>To</I> ab und diese gelangen also den Kreisprozess schliessend in denselben Zustand 11, in welchem die Frischluft von der Pumpe q angesaugt wurde.
Die Frischluft und die Auspuffgase machen demnach zusammen den Kreispro zess 11, 17, 4, 5, 6, 18, 19, 11 durch und leisten zusammen eine dieser Fläche ent sprechende Arbeit. Diese Fläche ist aber gleich der Fläche des Kreisprozesses der Verbrennungsgase 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1. Denn die Flächen 1, 2, 17, 13, 1 und 11, 12, 18, 19, 11 entsprechen Kreisprozessen mit zwei adiabatischen Zustandsänderungen zwischen den der Druck konstant gehalten wird, bei denen drei Temperaturen beim Wechsel der Zustandsänderung einander gleich sind.
1, 11= To 12, 12 - T.,2, und 17, 18 = T" also sind es auch die vierten <I>2,</I> 19-T% und die Flächen 1, 2, 17, 12, 1 und 11, 12, 18, 19, 11 sind einander gleich. Das Arbeits verfahren der Maschine gemäss Fig. 3 ist also ebensogut wie das der Maschine ge mäss Fig. 1.
Bei der Gasmaschine gemäss Fig. 4 wird im Verbrennungszylinder ai lediglich Druck- gas erzeugt, welches in einem Druckgas motor a4, zum Beispiel in einer Turbine, in mechanische Arbeit umgesetzt wird.
Der die Nutzarbeit liefernde Druckgas motor<I>a -</I> wird aus dem Druckgasbehälter<I>d 2</I> gespeist. Nach der Arbeitsleistung gelangen die Auslassgase des Druckgasmotors a2 in den Druckbehälter di. Statt einer Druck gasturbine kann eine oder eine grössere An zahl anderer Druckgaskraftmaschinen, Kol benmotoren, Werkzeugmaschinen mit Druck gasantrieb zwischen die beiden Behälter di und d? eingeschaltet sein. Die Druckgas behälter di und d.a.stehen durch Ventile g und<B>lt,</B> mit der obern Seite des Verbrennungs zylinders a i in Verbindung.
Im Zylinder ai spielt ein als Verdränger wirkender Kol ben u, der mit einer Kurbelwelle 3 gekuppelt ist. Auf der untern Seite des Zylinders ai ist der Verbrennungsraum angeordnet, der durch den Wärmespeicher 1R und die Lei tung i mit dem Kühler e, mit der obern Seite des Zylinders ai in ständig offener Verbindung steht. Im Druckbehälter di ist eine selbsttätige Entwässerungsvorrichtung 12 angeordnet, die Kondenswasser ausscheidet.
An der Kurbelwelle 3 sind noch ange schlossen: die Frischluftpumpe q und die Brennstoffpumpe b, ein Niederdruckmotor und Messpumpen yi, y.-" die von unrunden Scheiben der Kurbelwelle 3 01-c4 mittelst Hebeln 8i-84 angetrieben werden.
Die Messpumpen y1-Y4 sind einerseits durch Leitungen 5 mit Wärmespeichern ri und r:-, am Zylinder ai und anderseits mit Druck behältern zv, <I>z</I> und<I>v</I> verbunden, von denen der, eine tv an den Niederdruckmotor k an geschlossen ist, während die beiden andern z und v von den Pumpen<I>b</I> und<I>q</I> mit Brennstoff bezw. Luft gefüllt werden.
Die Einführung der Frischgase und der Abführung der Verbrennungsgase aus dem Kreislauf wird durch die Messpumpen yi-y4 bestimmt, deren Antriebsmechanismus mit Leichtigkeit den besonderen Anforderungen angepasst werden kann, weil die Messpumpen so eingerichtet sind, dass sie keine nennens werte Arbeit leisten müssen und demnach das Gestänge keine nennenswerte Bean spruchung erleidet. Die obere Seite der Zylinder-Messpumpen ist geschlossen und durch ein Rohr 11 mit dem Arbeitsraum a i verbunden. Hierdurch werden die Kolben der Steuerpumpen entlastet, so dass diese Pumpe bloss die Reibungsarbeit zu überwinden hat.
Obwohl die Zwischenbehälter unter dem niedrigsten Druck des geschlossenen Kreis laufes stehen, können die Messpumpen y, und des Brennstoffgases und die Frischluft in den Verbrennungsraum einführen, während dieser unter dem hohen Druck steht, ohne dass die Kolbenstangen eine grössere, als die zur L'berwindung der Reibungsarbeit er forderliche Kraft vermitteln müssten.
In gleicher Weise werden auch die Kolben der Messpumpen y;3 und y., keine Arbeit leisten, wenn der Druck im Arbeitsraume a i den Druck des Zwischenbehälters in während des Auslassens der Auspuffgase übersteigt.
Die Wärmespeicher R, ri und r2 be sitzen eine so grosse Wärmekapazität im Verhältnis zu den aufzuspeichernden Wärme mengen, dass die Temperatur an jeder Stelle derselben konstant bleibt. Der Wärme speicher R hat auf der warmen Seite zum Beispiel die Temperatur T =1200 G, auf der kalten Seite die Temperatur des Kühlers, zum Beispiel 'L1 = 300 .
Bei der in Fig. G gezeichneten untern Totpunktlage des Verdrängers 2s befindet sich die ganze Gasmasse G im Verbrennungs zylinder unter Vernachlässigung der in dein Wärmespeicher R und der Leitung i, deren Volumen als schädlicher Raum wirkt, be findlichen Menge in dem "kalten Arbeits raum" unter dem Druck Pi von zum Bei spiel 10 Atmosphären des Niederdruckbe- hälters di und besitzt die Temperatur Ti des Kühlers ei, welche gleich der Atmo sphärentemperatur sei.
Dieser Zustand ent spricht dem Schnittpunkt der Isobare Pl, mit der Isotherme T, im Wärmediagramm (Fig. 7). Die ganze Gasmasse G denke man sich in drei Teile geteilt: Die als Ver dichtungsmenge G" Fördermenge Gf und Nutzmenge G" bezeichnet werden sollen.
Während der Verdränger u sich von der untern Totlage um die Strecke hi im Diagramm in Fig. 6 in die Lage x bewegt, wird die mit Cr, bezeichnete Verdichtungs menge von dem Verdränger t4 aus dem kalten Arbeitsraum durch die Leitung i und den Wärmespeicher 1i hindurch in den un ter dem Verdränger u liegenden "warmen Arbeitsraum" hinübergeschoben.
Während des Durchganges durch den Wärmespeicher wer den die Gase von der Temperatur Ti der kalten Seite des Wärmespeichers auf die Temperatur T2 der warmen Seite erwärmt. Da das Volumen des Druckgasgenerators nicht geändert wird, bewirkt diese Er wärmung eine Steigerung des Druckes von Pi auf Druck P2,
gemäss der Kurve I-II des in Fig. 6 eingezeichneten Diagrammes. Infolge dieser Drucksteigerung werden die in dem kalten Arbeitsraum verbleibende Fördermenge Gf und die Nutzmenge G" adiabatisch vom Drucke Pi und der Tempe ratur Ti auf den Druck P2 und eine ent sprechende Temperatur Ts verdichtet. Dieser Zustandsänderung entspricht die Adiabate 1-2 des Wärmediagrammes (Fig. 7).
Ein jedes Teilchen der Menge Go, welches bei einem zwischen Pi und P2 liegenden Druck mit der Höchsttemperatur T2 des Wärme speichers in den warmen Arbeitsraum ein tritt, erleidet hier eine weitere adiabatische Drucksteigerung bis auf den Druck P2 und erfährt daher eine dieser Drucksteigerung entsprechende Temperatursteigerung über T2.
Diese Temperatursteigerungen sind für die einzelnen Anteile von GP verschieden und ergeben für die ganze Menge G, bei Er reichung des Druckes P2 eine mittlere Temperatur T,,. Es entspricht somit der Zustand der Menge G, naeli ihrem Durch tritt in den warmen Arbeitsraum dein Punkt 7 des Wärmediagrammes. Die ganze Zustandsänderung der Menge Cr, während der Hubstrecke hi versinnlicht die Linie 1-7 des Wärmediagrammes. Die Menge G,
hat hierbei vom Wärmespeicher eine Wärme menge Q, aufgenommen, welche für 1 kg die Fläche 9, 1, 7, 12, 9 des Wärmedia- grammes darstellt. Alle während der Hub strecke hi erfolgten Wirkungen sind auf Kosten dieser Wärmemenge Q, entstanden.
Während der Verdränger u sich von der Lage x um die Hubstrecke h2 in die obere Totlage bewegt, wird eine weitere Gasmenge, die Fördermenge Gf, durch die Leitung<I>i</I> und durch den Wärmespeicher R in den warmen Arbeitsraum hinübergeschoben.
Da sich die Druckventile h beim Druck P2 öffnen; bleibt der Druck während der ganzen Förderperiode entsprechend der Strecke II bis III des Diagrammes in Fig. 6 ständig P2. Die Menge Gf durchströmt auf ihrem Wege durch die Leitung i der) Kühler ei und wird durch diesen gemäss der Isobarstrecke 2-3 von der Temperatur Ts auf die Kühler temperatur Ti abgekühlt.
Dabei gibt die Fördermenge Gf an den Kühler die Wärme menge Q2 ab, welche für 1 kg der Menge Gf durch die Fläche 8, 3, 2, 9, 8 des Wärmediagrammes dargestellt wird. Die Menge Gf tritt mit der Temperatur T; in den Wärmespeicher R und erwärmt sich hier bei gleichbleibendem Druck P2, also gemäss der Isobarstrecke 3-4, auf die Höchst temperatur T2 des Wärmespeichers, so dass sein Volumen sich auf das ss = T'/Tl fache vergrössert.
Das Gas nimmt aus dem Wärme speicher die Wärmemenge Q f auf, die für 1 kg der Menge Gf durch die Fläche 8, 3, 4, 10, 8 des Wärmediagrammes dargestellt wird. Während der Förderperioden schieben die Messpumpen ys und ?,4 die auf den Druck P2 verdichtete Brennstoffmenge Gb ,und Frischluftmenge G1 durch die Wärme speicher ri und r2 in den warmen Arbeits raum.
Die Frischgase erwärmen sich in den Wärmespeichern ri und r2 auf deren Höchst temperatur, welche gleich der Höchsttempe ratur T2 des Wärmespeichers R ist. T2 liegt oberhalb der Entzündungstemperatur des Brennstoffes, deshalb verbrennt der Brennstoff beim Eintritt in den warmen Arbeitsraum ohne besondere Zündung und teilt die Verbrennungswärme den in dem warmen Arbeitsraum befindlichen Gasen mit, so dass deren Temperatur bei gleichbleiben- dem Druck P# steigt. In Wirklichkeit ver mischen sich alle im warmen Arbeitsraum befindlichen Gase miteinander.
Doch denke man sich der Einfachheit der Erklärung halber, dass die Gasmenge G, unverändert in ihrem am Ende der Verdichtungsperiode eingenommenem Zustand 7 verharrt und die Fördermenge Gf die ganze Wärmemenge Q1 aufnimmt, welche für 1 kg derselben durch die Fläche 10, 4, 5, 11, 10 des Wärmediagrammes dargestellt wird.
Während des Hinüberschiebens der Fördermenge Gf und der Verbrennung wird, da das Volumen der beiden Arbeitsräume unverändert bleibt, eine der der Fördermenge Gf entsprechende Menge der im kalten Arbeitsraum verblie benen Verbrennungsgase, die Nutzmenge G", durch das Druckventil<I>lt.</I> verdrängt. Während der Verbrennung und während des Abwiirts- hubes des Verdrängers u werden die Ver brennungsgase aus dem warmen Arbeitsraum hinausgedrückt.
Beim Passieren des Wärmespeichers R kühlen sie sich auf der Temperatur T1 ab, wodurch infolge der Unveränderlichkeit des Gesamtvolumens ein Druckabfall längs der Kurve I11-IV des Diagrammes in Fig. 6 ein tritt. Wenn der Verdrängen 2c den Hub<I>7r s</I> zurückgelegt und die Stelle J erreicht hat, ist der Druck bis auf den Druck P1 ge sunken.
Der leichteren Verständlichkeit hal ber sei angenommen, dass die auf die kalte Seite zurückkehrende Menge gerade die als Verdichtungsmenge Cr, bezeichnete Gas menge sei, von der angenommen wurde, dass sie im Zustand 7 verharrt sei. Die einzelnen Teile dieser Verdichtungsmenge machen dann alle jenen Zustandsänderungen in unigekehr- ter Reihenfolge und in umgekehrtem Sinne durch, welche sie während der Verdichtungs periode durchgemacht haben. Infolgedessen kehrt die Verdichtungsmenge G,. aus dein Zustand 7 längs derselben Linie 7-1 in den Anfangszustand 1 zurück.
Die Ver dichtungsmenge GP gibt Trierbei an den Wärmespeicher .I.' für je 1 kg die der Fläche 12, 7, 1, 9, 12 entsprechende Wärme menge ab, genau dieselbe Wärmemenge welche er während der Verdichtungsperiode aufgenommen hat. Die Verdichtungsmenge G,. hat also im Ganzen weder Arbeit ge leistet, noch .Arbeit oder Wärme verbraucht.
Die Fördermenge Gf verbleibt während dieser Periode im warmen Arbeitsraum und erleidet da eine adiabatische Entspannung vom Druck P_ und der Temperatur T4 enü <B>-</B> Adiabate 5-6 auf den Druck g<U>äss</U> dei P1 und erreicht bei entsprechender Be rnessung der eingeführten Brennstoff- und Frischluftmenge G,,
beziv. G1 gerade die obere Temperatur \I'. des Wärmespeichers.
Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Verdrängers um die Hubstrecke h4, das heilt von der Stellung<B>y</B> bis zur untern Totlage, bleibt der Druck konstant gleich P a, denn die Saugentile g öffnen sich und die Nutzmenge G" strünrt aus dem Niederdruch- behälter d1, der unter dein gleichbleibenden Druck P1 steht, mit der Temperatur T, also im Anfangszustand 1,
in den kalten Arbeitsraum ein. Die auf die kalte Seite zurückkehrende Fördermenge Gf kühlt sich inzwischen im Wärmespeicher gemäss der Isobarstrecke 6-1 von der Temperatur T. auf die Temperatur T, ab und kehrt eben falls in den Anfangszustand zurück. So gibt hierbei an den Wärmespeicher für jedes kg die der Fläche 9, 1, 6, 11, 9 entsprechende Wärmemenge ab.
Infolge der Äquidistanz der Isobaren M und P, sind die zwischen den gleichen Isotherinen T1 und T. liegen den Flächen 8, 3, 4, 10. 8 und 9, 1, 6, 11, 9 einander kongruent, somit ist die von der Fördermenge Gf während der Saugperiode an den Wärmespeicher rückerstattete Wärme menge gleich der während der Förderperiode aufgenommen.
Ain Ende der Saugperiode ist daher der kalte Arbeitsraum mit Ver brennungsgasen von dem Druck P1 und von der Temperatur T, gefüllt und enthält genau dieselbe Gewichtsmenge wie am An fang der Verdichtungsperiode.
Die Fördermenge Gf hat also den Kreis lauf 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1 durchgemacht, also für jedes Kilogramm eine der durch die Fläche 1, 2, 4, 5, 6, 1 desselben dargestellte Wärnle- menge äquivalente Arbeit geleistet, welche mit<B>1,</B> bezeichnet; werde. Nun ist die Fläche 1, 2, 4, 5, 6, 1 = 8, 3, 4, 10, 8 - 8, 3, 2, 9, 8 10, 4, 5, 11, 10 - 9, 1, 6, 11, 9 Das erste Glied entspricht der vom Wärme speicher R durch die Fördermenge G, auf genommenen das letzte die von ihr an denselben rückerstattete Wärme, welche einander gleich sind, also bleibt 1, 2, 4, 5, 6, 1 = 10, 4, 5, 11, 10 <B>-8,</B> 3, 2, 9, B.
Das erste Glied bedeutet hierin jedem Kilo gramm der Fördermenge bei der Verbrennung zugeführte Wärmemenge q <B>l,</B> das zweite die von jedem Kilogramm abgeführte Menge q?. Es ist
EMI0009.0006
das Wärmeäquivalent der Arbeit bedeutet. Für die ganze Fördermenge G, beträgt die geleistete Arbeit L, <I>=</I> 0f <B>1,</B> und die ein- bezw. abgeführte Wärme Qi <I>=</I> G, qi (Q2 = Gf q2, wobei A Lf=Qi-Q2.
In Wirklichkeit sind die Verhältnisse verwickelter, denn die Verdichtungs- und Fördermenge vermischen sich stets und eine jede Elementarmenge der Mischung macht einen besonderen Arbeitskreislauf durch. Das Gesamtergebnis dieser Elementarzyklen ist aber stets dasselbe und wird durch die vier letzten Gleichungen ausgedrückt.
Die erzeugte Arbeit wird unmittelbar auf die Nutzmenge Gn übertragen, indem diese vom Zustand 1 auf 2 verdichtet wird. Dies entspricht einer Pumpenarbeit, welche für je 1 kg mit 1" bezeichnet werden soll. Die Verdichtung der ganzen Nutzmenge G" erfordert die Arbeit GI, 1" und es besteht die Gleichung L, <B><I>=</I></B> G± <B><I>1,</I> =</B> G. 1n.
Die auf den Druck P2 und die Temperatur Ti verdichtete Nutzmenge tritt in diesem, dem Punkt 2 des Wärmediagrammes ent sprechenden Zustand in die Turbine a2 ein, in welcher sie eine adiabatische Entspannung gemäss der Adiabate 2-1 des Wärmedia grammes erleidet und in dem Anfangszustand 1 in dem Niederdruckbehälter di strömt. In diesem herrscht also der Zustand 1, das heisst der Druck Pi und die Temperatur Ti. Aus diesem Behälter wird die Nutzmenge G. vom Druckgaserzeuger neu angesaugt.
Die Nutzmenge führt demnach einen ge schlossenen Kreislauf aus, welcher durch die Linie 1-2-1 irn Wärmediagramm darge stellt wird. Der Verbrennungszylinder ai und der Druckgasmotor<I>a2</I> bilden infolgedessen zusammen eine Kraftanlage, in welcher der Verbrennungszylinder a i gleichzeitig die Rolle einer Verbrennungskraftmaschine und eines mit dieser gekuppelten Kompressors spielt.
Zur Beschreibung der Frischluft- und der Brennstoffgaszufuhr und der Abfuhr einer entsprechenden Menge Auspuffgase soll der Einfachheit halber angenommen werden, dass für alle drei beteiligten Stoffe dieselben Isobarlinien im Wärmediagramm Geltung haben.' Die Pumpen b und q (Fig. 4) schöpfen die Brennstoffgasmenge Gb und die Frisch luftmenge G, aus einer Gasquelle bezw. aus der Atmosphäre mit dem Druck Po der Atmosphäre und der Atmosphärentemperatur Ti (Fig. 7). Also im Zustand 13 des Wärme diagrammes.
Die Frischgase werden gemäss der Adiabate 13-14 auf den Druck P1 verdichtet und in den Druckgas- bezw. den Druckluftbehälter z bezw. v geschoben.
In diesen herrscht also der Zustand 14, das heisst der Druck Fi und die Temperatur T6. Von hier werden die Frischgase durch die Messpumpen y1, y2 (Fig.4) angesaugt und gemäss der Adiabate 14-15 (Fig. 7) auf den Druck P2 und auf die Temperatur T7 ver dichtet, sodann während der Förderperiode (Fig. 6) durch die Wärmespeicher ri und r-, in dem warmen Arbeitsraum gedrückt.
In den Wärmespeichern, deren kältere Seite im Beharrungszustande die Temperatur Ta und die wärmere die Temperatur T2 hat, erwärmen sich die Frischgase gemäss der Isobarstrecke 15-4 auf die Temperatur T2, wobei jedes 1 kg die der Fläche 16, 15, 4, 10, 16 entsprechende Wärmemenge von den Wärmespeichern ri bezw. rz aufnimmt.
Die Temperatur T2 liegt oberhalb der Zünd- temperatur (beispielsweise T2 = 1200 o abs.), so dass die Frischgase beim Eintritt in den warmen Arbeitsraum sofort verbrennen und sich mit den dort befindlichen Gasen ver mischend ihre Verbrennungswärme auf die letzteren übertragen.
Die aus den Frisch gasen entstandenen Verbrennungsgase, deren Menge Ga, gleich Ob -;- Gi ist, erwärmen sich zugleich mit den übrigen Gasen beim gleichbleibenden Druck P2 gemäss der Iso- barstrecke 4-5 auf die Höchsttemperatur T., des Kreislaufes und jedes Kilogramm nimmt hierbei die durch die Fläche 10, 4, 5, 11, 10 dargestellte Wärmemenge, das heisst auf, insgesamt also Ga,
qi. Während der Entspannungsperiode expandiert die Gasmenge Ga gemäss der Adiabate 5-6, wodurch ihr Druck auf P2 und ihre Temperatur auf T2 sinkt.
Während der Saugperiode saugen die Messpumpen y3, y.i (Fig. 4) bei gleichbleiben dem Druck Pi durch die Wärmespeicher ri und r2 die Auspuffgase Ga ab und schieben dieselbe in den Behälter iv, wobei sich die ausscheidende Gasmenge Ga von der Höchsttemperatur T2 der Wärmespeicher r i und r <I>2</I> auf deren untere Temperatur T-,
gemäss der Isobarstrecke 6-17 des Wä rme- diagrammes abkühlen und an die letzteren für jedes Kilogramm Gas die der Fläche 18,17, 6, 11, 18 entsprechende Wärmemenge abgeben. Infolge der Äquidistanz der Isobarlinien Fi und P2 ist diese Fläche der Fläche 16, 15, 4, 10, 16 gleich.
Die Messpumpen y3, y-, sind so bemessen, dass durch den Wärme speicher ri die der Brennstoffmenge Ob und durch den Wärmespeicher r. die der Frisch luftmenge Ga gleiche 11lenge Auspuffgase ausströmt. Bei beiden Wärmespeichern sind die aufgenommenen und abgegebenen Wärme mengen einander gleich, so dass sich auch die Wärmespeicher 7-i und r2 im Wärme gleichgewicht befinden.
Aus dem Behälter ic, in dem der Zustand 17, das heisst der Druck Pi und die Temperatur T7 herrscht, gelangen die Auspuffgase in den Nieder- druekmotor k und entspannen sich dort un ter Leistung von Arbeit gemäss der Adiabate 17-19 auf den Atmosphärendruck Po und auf eine Temperatur Tia. Dlit dieser pufft sie schliesslich in die Atmosphäre aus.
Die Frischgase und die Auspuffgase führen dem nach gemeinsam den Kreislauf 13, 14, 15, 4, 5, 6, 17, 19, 13 aus und jedes 1 kg leistet eine der Flüche dieses Kreislaufes äquivalente Arbeit.
Da die Adiabaten 17-19 und 14-13 zwischen den gleichen Isobaren liegen, so gilt:
EMI0010.0079
da auch die Adiabaten 15-14 und 2-1 zwischen den gleichen Isobaren liegen gilt:
EMI0010.0081
Aus beiden Gleichungen folgt Tis = Ts das heisst der Punkt 19 liegt mit dem Punkt 2 auf der gleichen Isotherme Ts. Infolge der Äquidistanz der Isobaren Po, Pi und P#- sind die Flächen 13, 15, 17, 19, 13, 1, 2, 15, 17, 1 einander gleich.
Die Fläche 13, 14, 15, 4, 5, 6, 17, 19, 13 ist daher gleich der Fläche 1, 2, 4; 5, 6, 1 und die Frischgase leisten infolgedessen pro 1 kg die gleiche Arbeit wie die Fördermenge G,. Da die Menge der Frischgase nur einen Bruchteil der Fördermenge G, ausmacht, so ist auch ihre Arbeit nur ein Bruchteil der von dieser geleisteten Arbeit.
Terbrennthr aftmasehine. It has already been proposed to retain some of the combustion gases for the next work process in internal combustion engines. In these machines, a heat accumulator is switched on between a warm working space, in which the combustion heat is supplied, and a cold working space, in which the retained combustion gases are compressed. The heat accumulator is intended to utilize the heat that remains in the combustion gases after their expansion in the warm work area.
After their expansion in the warm work area, the combustion gases are conveyed through the heat accumulator and cooled in a cooler before they are compressed again in the cold work area and conveyed through the heat accumulator into the warm work area. The pressure before compression in the cold working space is expediently as high as possible in order to obtain a high mean pressure and, accordingly, a high specific power, even with a low compression ratio.
It follows that the air required for combustion and, if a gaseous fuel is used, this must also be compressed to a pressure at least equal to the pressure of the combustion gases from their compression, on the other hand, the exhaust gases, which still contain significant work be relaxed down to atmospheric pressure in a low-pressure machine. If too much heat is extracted from the exhaust gases, they cool down to below atmospheric temperature during their relaxation in the low-pressure engine and do little work.
According to the invention, the exhaust gases reach maximum atmospheric temperature during their expansion in the low pressure engine.
In the drawing, four execution examples of the internal combustion engine are shown ge according to the invention.
Fig. 1 shows a machine for liquid fuel, - Fig. 2 shows a variant of the heat exchange device; 3 relates to a variant; 4 shows a gas engine according to the invention; Fig. 5 is a thermal diagram of the machine of Fig. 1; Fig. 6 shows schematically the cold and warm working space of the machine according to Figure 4 and the pressure curve in the combustion chamber; Fig. 7 is the associated heat diagram.
The machine according to FIG. 1 has a working cylinder a, which forms the warm working space, with an inlet valve y and an outlet valve / t, the piston 1 of which acts on the crankshaft 3. A heat accumulator <I> R </I> and a cooler e are arranged in the working cylinder between the piston 1 and the valves g and lt. The inlet valve g dominates the pressure line of the compressor (,; which is driven by the crankshaft 3 and has a pressure valve f and a suction valve.
This dominates the connection of the compressor Ver with a pressure vessel d, in which the outlet line of the cylinder a. and the pressure line <B> 5,1 </B> of the air pump q open. The pressure line 5 q goes through a heat exchange device 4, where the fresh air gives off its compression heat to the cooled exhaust gases, which is taken from the engine k of the outlet line of the cylinder a through the line 6, through the heat exchange device 4 leads une means of the line 5 k the Motor k are fed.
The motor k acts on the crankshaft 3, which drives the air pump q and the fuel pump b, which injects the fuel directly into the cylinder a.
The work process is described below with the aid of the heat diagram (FIG. 5), in which the ordinates represent the absolute temperatures and the abscissas the entropies of the combustion gases. The temperature of the combustion gases emerging from the cooler e can be assumed to be practically the same as the cooler temperature To, although the temperature is a few degrees higher.
The temperature of the emerging respectively on the warm side of the heat accumulator. Gases entering the heat accumulator on the warm side can be assumed to be practically the same as the temperature T :, the warm side of the heat accumulator, although the temperature of the gases is a few degrees lower when they exit, but several degrees higher when they enter.
The heat accumulator is so large that the temperature fluctuations caused by the heat absorption or heat dissipation can be neglected in relation to the amount of grass flowing through it with each stroke.
The combustion gases are mixed in the container d with the fresh air conveyed by the pump q and are under the pressure Pi of, for example, 10 atmospheres and have the temperature <I> To, </I> are therefore in the one indicated by point 1 of the diagram Conditions. The compressor sings the gases from the container and compresses them adiabatically according to the distance 1-2 of the diagram to the pressure P2 of, for example, 60 atmospheres, the temperature of the gases increasing to T =.
The gases are now pushed over from your compressor c through the valves <I> f </I> and g into the plinder a, whereby the piston in your cylinder c moves out of its inner dead center position and the piston in cylinder a move inward, in such a way that, despite the temperature change, there is no change in pressure. The gases first pass through the cooler e, in which they cool down to temperature To, that is, they reach state 3 along distance 2-3 of the diagram .
So then the gases penetrate the heat storage b ', where they stretch along the isobars 3-4 to the temperature T2 he heat. The temperature T2 is above the ignition temperature, so that if the pump b injects fuel into the hot gases emerging from the heat accumulator, the fuel burns immediately, where the temperature of the gases rises to Ts. The fuel injection also takes place in such a way that the pressure P2 remains constant. The change in state of the gases thus illustrates the distance 4-5 of the isobars P2.
The piston 1 continues its outward stroke and the gases expand adiabatically according to the distance 5-6 of the diagram to the pressure Pi and to approximately the maximum temperature T2 of the heat accumulator. The valve is then opened and the gases pushed back through the heat accumulator R and the cooler e into the container d while the pressure P remains constant. The gases in the heat accumulator cool down along the isobars 6-1 down to the temperature To and thus reach their initial state 1 again.
The working medium has thus gone through the cycle 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1 and during this has performed a mechanical work equivalent to the area 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1.
As can be seen from the heat diagram, the heat accumulator is withdrawn from the area 7, 3, 4, 9, 7 corresponding amount of heat when the cold gases pass through the heat accumulator, and the warm gases give when they pass through the heat accumulator Area 10, 6, 1, 8, 10 corresponding amount of heat to the heat storage. Since the two isobars P2 and Pi are equidistant curves and the two points 4 and 6 of the curves correspond to the same temperature T2 and the two points 3, 1 correspond to the same temperature To, the surfaces 7, 3, 4, 9, 7 and 8, 1, 6, 10, 8 congruent. The amounts of heat given off and absorbed by the heat accumulator are therefore equal to each other, so that the heat balance of the heat accumulator is maintained.
The amount of heat supplied by combustion is represented by the area 9, 4, 5, 10, 9, while the area 7, 3, 2, 8 illustrates the amount of heat dissipated by the cooler. The difference between these two areas, i.e. the heat introduced and removed, is equal to the area 1, 2, 4, 5, 6, 1, i.e. equivalent to the work performed.
The fresh air is sucked in by the pump q from atmospheric pressure Po with atmospheric temperature, which should be the same as the cooler temperature To, i.e. in a state to which the intersection 11 of the isobar Po with the isotherm To corresponds, adiabatically according to the line 11-12 Pressure Pi compresses -and receives the temperature 7.2. The fresh air enters the heat exchange device 4 from the pump <I> q </I> and is cooled there to the cooler temperature To.
This process corresponds to the change of state 12-1 along the isobar Pi, with each 1 kg of fresh air of the amount of heat 8, 1, 12, 13, 8 being withdrawn. The amount of fresh air 01 now enters the low-pressure container d, in which it mixes with the amount of combustion gas G, is compressed with this into state 2 and heated to temperature P2 in heat accumulator R, thus entering state 4 and then with the corresponding amount of fuel whether burned to combustion gas.
This is mixed with the amount of combustion gas G after the expansion through the heat accumulator R in the state corresponding to point 1 of the heat diagram and discharged into the outlet line leading to the low-pressure container d. From the outlet line through the branch line 6 one of the sum of the introduced fresh air quantity <B> GI </B> and fuel quantity Ob equal quantity G, combustion gas is excreted.
The line that introduces the fresh air and the line that discharges the exhaust gases therefore open in places where the combustion gases have the same temperature. From the puffgas amount G occurs with the pressure P1 and the temperature To, ie in the state 1 of the heat diagram in the heat exchange device 4 and there absorbs the amount of heat that was previously transmitted from the fresh air to the heat exchange device.
If the exiting quantity G would be equal to the weight according to the fresh air quantity Gl, the temperature of the latter would be increased exactly to the compression temperature TXs when the heat of compression of the fresh air G was transferred to the exiting quantity G. Your change of state in the heat exchange device would therefore correspond to the isobar line 1--12.
In reality, the exiting amount CTo is greater by the weight of the fuel Gb than the fresh air amount Gl, so its temperature only increases to a lower value T $ -, corresponding to point 12 'of the isobar Pi. Here change of state of the exiting amount in the heat exchange device thus corresponds to the isobar line 1-12 ', urrd it is for every kilogram of the excreted amount in the area 8, 1, 12', 13 ',
8 corresponding amount of heat taken. This amount of heat multiplied by the weight GP results in the same amount of heat as the amount of heat corresponding to the area 8, 1, 12, 13, 8 multiplied by the weight CTl of the fresh air amount. The difference between the (Ie weight G, the exhaust gases and the fresh air G is not a significant one.
For crude oil it is 6-8%. So it can be neglected.
Under this assumption, the amount excreted in state 12, i.e. with pressure Pi and temperature T = s, enters the low-pressure rotor k from the heat exchange device and undergoes an initial stress after adiabatic 12-11 to atmospheric pressure Po and the atmospheric temperature To.
According to the above, the fresh air G, in the pump <I> q </I> and the heat exchange device 4, experiences the change of state corresponding to the line 11-12-1, while the exiting amount G, and in the heat exchange device and in the low-pressure motor k the same state changes 1-12-11 suffered only in the opposite sense. The work gained in the motor K is therefore equal to the work of the pump q. The heat of compression is transferred directly as such through the heat exchange device to the exiting: Nleuge.
If, in deviation from the invention, the heat of compression of the fresh air would not be transferred to the exhaust gases, the latter would enter the low-pressure engine lc with your pressure P and the cooler temperature To, that is to say the state 1 corresponding to. The relaxation of the latter to atmospheric pressure P would take place according to adiabats 1-14 and the temperature would drop from To to a temperature Ts below half the atmosphere. The work gained would be smaller by the work to which the heat represented by the area 1, 12, 11, 14, 1 corresponds.
But the work in cylinder C to be expended for compressing the fresh air would also be greater, because it would enter the low-pressure container d at pressure Pi and at temperature Tz2. In the compressor e, the fresh air would experience a further compression from pressure Pi to the upper pressure P:.> According to the adiabats 12-17 and receive the temperature TZi corresponding to your state 17. The compression work would therefore be greater by the work that corresponds to the amount of heat represented by the area 1, 2, 17, 12, 1.
In state 17, the fresh air now reached the cooler and would there, according to the isobaric path 17, 3, be cooled down to the cooler temperature To with the release of heat 13, 17, 3, 7, 13. With the invention, more work is gained, namely the area 11, 17, 2, 14, 11 corresponds to the heat equivalent to your work gain.
According to FIG. 2, instead of a contact heat exchange device 4, a heat accumulator 4 'is switched on in a common line 5 connecting the fresh air pump g) and the low-pressure motor 7c to the circuit, through which the heat fresh - Air and the cold combustion gases flow alternately and in opposite directions.
The fresh gases can also be compressed in several stages to the inlet pressure of the circuit instead of in one stage, the exhaust gas exiting the circuit can be expanded in appropriately multi-stage low-pressure rotors and the heat of compression of the fresh air transferred between the individual stages to the exhaust gases.
According to FIG. 3, the fresh air leading and the combustion gases from leading lines 5 q and 51 {are connected to the heat accumulator R at point 7, where this is the temperature Txi which the fresh air from its adiabatic compression from atmospheric state reached to the pressure P2.
In the pump q, the fresh air is compressed from atmospheric pressure Po and atmospheric temperature To, again from state 11 of the heat diagram according to adiabats 11-17 to pressure P2 and up to temperature Tti. The compressed fresh air is introduced at the point 7 of the heat accumulator R while the upper pressure P2 prevails in the working cylinder a.
This air combines there with the combustion gases G, which, coming from the cold side of the heat accumulator, have already warmed up in the upper part of the heat accumulator from the temperature To to the temperature Tai. Both now go through the lower part of the heat accumulator, heat up according to the isobar line 17-4 from the temperature Tyi to the maximum temperature T2 of the heat accumulator and enter the warm working frame with this. The fresh air burns here with the introduced fuel Gb at a constant pressure P2 to form combustion gas.
The temperature of the isobar line 4-5 rises to the maximum temperature Tu. After expansion according to the adiabats 5-6, the entire amount of gas returns at the lower pressure 1'i through the heat accumulator and cools down in the warmer part of the same Isobar segment 6-18 according to the temperature T .-, i. At point 7, the exhaust gases G, emit through line <B> 51, </B>.
While the remaining combustion gases G in the colder part of the heat accumulator are cooled to the temperature Po at constant pressure Pi according to the isobar path i8-1, the exhaust gases G, with the pressure Pi and the temperature T _,:, enter the low-power engine k, expand there adiabatically to the atmospheric pressure Po according to the adiabats 18-19 and in state 19 puff out into the atmosphere.
The atmosphere cools the exhaust gases according to the isobar line 19-11 while removing the amount of heat 20, 19., 11, 13 to the atmospheric temperature <I> To </I> and these thus finally reach the same state 11 in the cycle in which the fresh air was sucked in by pump q.
The fresh air and the exhaust gases together make the Kreispro process 11, 17, 4, 5, 6, 18, 19, 11 through and together do a work corresponding to this area. However, this area is equal to the area of the cycle of the combustion gases 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1. Because the areas 1, 2, 17, 13, 1 and 11, 12, 18, 19, 11 also correspond to cycle processes two adiabatic changes of state between which the pressure is kept constant, at which three temperatures are equal to one another when the change of state changes.
1, 11 = To 12, 12 - T., 2, and 17, 18 = T "so there are also the fourth <I> 2, </I> 19-T% and the areas 1, 2, 17, 12 , 1 and 11, 12, 18, 19, 11. The working method of the machine according to FIG. 3 is just as good as that of the machine according to FIG.
In the gas engine according to FIG. 4, only compressed gas is generated in the combustion cylinder ai, which gas is converted into mechanical work in a compressed gas engine a4, for example in a turbine.
The pressurized gas motor <I> a - </I> providing the useful work is fed from the pressurized gas tank <I> d 2 </I>. After the work, the exhaust gases from the pressurized gas engine a2 reach the pressure vessel di. Instead of a pressurized gas turbine, one or a larger number of other pressurized gas engines, piston engines, machine tools with pressurized gas drive between the two containers di and d? to be on. The compressed gas containers di and d.a. are connected to the upper side of the combustion cylinder a i through valves g and <B> lt, </B>.
In the cylinder ai, a piston acting as a displacer plays ben u, which is coupled to a crankshaft 3. On the lower side of the cylinder ai, the combustion chamber is arranged, which is in constant open communication with the cooler e through the heat accumulator 1R and the line i, with the upper side of the cylinder ai. In the pressure vessel di an automatic drainage device 12 is arranged, which separates condensed water.
At the crankshaft 3 are still connected: the fresh air pump q and the fuel pump b, a low pressure motor and measuring pumps yi, y.- "which are driven by non-circular disks of the crankshaft 3 01-c4 by means of levers 8i-84.
The measuring pumps y1-Y4 are connected on the one hand by lines 5 with heat storage devices ri and r: -, on the cylinder ai and on the other hand with pressure vessels zv, <I> z </I> and <I> v </I>, of which the , a tv to the low-pressure motor k is closed, while the other two z and v from the pumps <I> b </I> and <I> q </I> with fuel respectively. To be filled with air.
The introduction of the fresh gases and the removal of the combustion gases from the circuit is determined by the measuring pumps yi-y4, the drive mechanism of which can be easily adapted to the special requirements, because the measuring pumps are set up in such a way that they do not have to do any work worth mentioning and therefore that The boom does not suffer any significant stress. The upper side of the cylinder measuring pumps is closed and connected to the working space a i by a pipe 11. This relieves the load on the pistons of the control pumps, so that this pump only has to overcome the friction work.
Although the intermediate containers are under the lowest pressure of the closed circuit, the measuring pumps y, and the fuel gas and the fresh air can introduce into the combustion chamber while it is under the high pressure, without the piston rods being larger than the one to overcome the friction work would have to convey the necessary force.
In the same way, the pistons of the measuring pumps y; 3 and y. Will not do any work if the pressure in the working space a i exceeds the pressure in the intermediate container in while the exhaust gases are being let out.
The heat accumulators R, ri and r2 have such a large heat capacity in relation to the amount of heat to be stored that the temperature remains constant at every point. The heat storage R has, for example, the temperature T = 1200 G on the warm side, and the temperature of the cooler on the cold side, for example 'L1 = 300.
In the bottom dead center position of the displacer 2s drawn in FIG. G, the entire gas mass G is in the combustion cylinder, neglecting the amount in the "cold working space" in your heat accumulator R and the line i, the volume of which acts as a harmful space. under the pressure Pi of, for example, 10 atmospheres of the low-pressure vessel di and has the temperature Ti of the cooler ei, which is equal to the atmospheric temperature.
This state corresponds to the intersection of the isobars Pl, with the isotherm T, in the heat diagram (Fig. 7). The whole gas mass G can be thought of as divided into three parts: The compression quantity G "delivery quantity Gf and useful quantity G" should be referred to.
While the displacer u moves from the lower dead position by the distance hi in the diagram in FIG. 6 to the position x, the compression amount, denoted by Cr, is transferred from the displacer t4 from the cold working space through the line i and the heat accumulator 1i pushed over into the "warm work space" below the displacer.
During the passage through the heat accumulator who the gases heated from the temperature Ti of the cold side of the heat accumulator to the temperature T2 of the warm side. Since the volume of the compressed gas generator is not changed, this heating causes an increase in the pressure from Pi to pressure P2,
according to the curve I-II of the diagram shown in FIG. As a result of this pressure increase, the delivery rate Gf remaining in the cold working space and the useful amount G "are adiabatically compressed from the pressure Pi and the temperature Ti to the pressure P2 and a corresponding temperature Ts. This change in state corresponds to the adiabates 1-2 of the heat diagram (Fig 7).
Each particle of the quantity Go, which enters the warm working space at a pressure between Pi and P2 with the maximum temperature T2 of the heat accumulator, suffers a further adiabatic pressure increase up to the pressure P2 and therefore experiences a temperature increase corresponding to this pressure increase T2.
These temperature increases are different for the individual parts of GP and result in a mean temperature T ,, for the entire set G, when the pressure P2 is reached. It thus corresponds to the state of the quantity G, after its passage into the warm work space at point 7 of the heat diagram. The entire change of state of the amount Cr during the stroke distance hi is illustrated by the line 1-7 of the heat diagram. The set G,
has absorbed an amount of heat Q i from the heat accumulator, which represents the area 9, 1, 7, 12, 9 of the heat medogram for 1 kg. All the effects that occurred during the stroke distance hi were at the expense of this amount of heat Q i.
While the displacer u moves from the position x by the stroke distance h2 into the upper dead position, another gas quantity, the delivery quantity Gf, is pushed over through the line <I> i </I> and through the heat accumulator R into the warm working space.
Since the pressure valves h open at pressure P2; the pressure remains constant P2 during the entire funding period according to the distance II to III of the diagram in FIG. The quantity Gf flows through the condenser ei on its way through the line i and is cooled by this from the temperature Ts to the cooler temperature Ti according to the isobar section 2-3.
The flow rate Gf gives the cooler the amount of heat Q2, which is represented for 1 kg of the amount Gf by the area 8, 3, 2, 9, 8 of the heat diagram. The set Gf occurs with the temperature T; into the heat accumulator R and heats up here at constant pressure P2, i.e. according to the isobar line 3-4, to the maximum temperature T2 of the heat accumulator, so that its volume increases by a factor of ss = T '/ Tl.
The gas takes from the heat storage the amount of heat Q f, which is represented for 1 kg of the amount Gf by the area 8, 3, 4, 10, 8 of the heat diagram. During the delivery periods, the measuring pumps ys and?, 4 push the amount of fuel Gb compressed to pressure P2 and the amount of fresh air G1 through the heat storage devices ri and r2 into the warm working space.
The fresh gases heat up in the heat accumulators ri and r2 to their maximum temperature, which is equal to the maximum temperature T2 of the heat accumulator R. T2 is above the ignition temperature of the fuel, which is why the fuel burns when it enters the warm working space without special ignition and transfers the heat of combustion to the gases in the warm working space, so that their temperature rises while the pressure P # remains the same. In reality, all of the gases in the warm work space mix with one another.
However, for the sake of simplicity of explanation, imagine that the gas quantity G, remains unchanged in its state 7 assumed at the end of the compression period and the delivery quantity Gf absorbs the entire amount of heat Q1, which for 1 kg of it through the area 10, 4, 5, 11, 10 of the heat diagram is shown.
During the shifting of the delivery rate Gf and the combustion, since the volume of the two working spaces remains unchanged, an amount of the combustion gases remaining in the cold working space corresponding to the delivery rate Gf, the useful volume G ", is released through the pressure valve <I> lt. </ During the combustion and during the exhaust stroke of the displacer u, the combustion gases are forced out of the warm working space.
When they pass through the heat accumulator R, they cool down to the temperature T1, as a result of which, as a result of the unchangeability of the total volume, a pressure drop occurs along the curve I11-IV of the diagram in FIG. When the displacement 2c has covered the stroke <I> 7r s </I> and has reached the point J, the pressure has sunk to the pressure P1.
For the sake of easier understanding, it is assumed that the amount returning to the cold side is precisely the amount of gas referred to as the compression amount Cr, which was assumed to have remained in state 7. The individual parts of this compression quantity then undergo all those changes of state in the reverse order and in the opposite sense, which they went through during the compression period. As a result, the compression amount G,. from state 7 back to initial state 1 along the same line 7-1.
The compression amount GP gives Trierbei to the heat accumulator .I. ' for every 1 kg the amount of heat corresponding to the area 12, 7, 1, 9, 12, exactly the same amount of heat which it absorbed during the compression period. The compression quantity G ,. So on the whole has neither done work, nor consumed work or heat.
The delivery rate Gf remains in the warm working space during this period and suffers an adiabatic relaxation from the pressure P_ and the temperature T4 enü <B> - </B> Adiabates 5-6 to the pressure g <U> äss </U> dei P1 and if the amount of fuel and fresh air introduced G ,,
beziv. G1 is the upper temperature \ I '. of the heat storage.
With the further downward movement of the displacer by the stroke distance h4, which heals from the position <B> y </B> to the bottom dead center, the pressure remains constant P a, because the suction valves g open and the useful quantity G ″ flows out the low pressure tank d1, which is under constant pressure P1, with temperature T, i.e. in the initial state 1,
into the cold work room. The flow rate Gf returning to the cold side cools down in the meantime in the heat accumulator according to the isobar section 6-1 from the temperature T. to the temperature T, and also returns to the initial state. In this way, for each kg, the heat storage unit emits the amount of heat corresponding to the area 9, 1, 6, 11, 9.
Due to the equidistance of the isobars M and P, the areas 8, 3, 4, 10. 8, 3, 4, 10, 8 and 9, 1, 6, 11, 9 between the same isotherines T1 and T. are congruent, so that of the flow rate is congruent If the amount of heat returned to the heat accumulator during the suction period is the same as that absorbed during the funding period.
At the end of the suction period, the cold working space is therefore filled with combustion gases of pressure P1 and temperature T, and contains exactly the same amount of weight as at the beginning of the compression period.
The delivery rate Gf has thus gone through the cycle 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, ie for each kilogram one of the heat quantities represented by the area 1, 2, 4, 5, 6, 1 of the same amount of work equivalent performed, which is denoted by <B> 1, </B>; will. Now the area is 1, 2, 4, 5, 6, 1 = 8, 3, 4, 10, 8 - 8, 3, 2, 9, 8 10, 4, 5, 11, 10 - 9, 1, 6 , 11, 9 The first term corresponds to that of the heat accumulator R through the flow rate G, while the last term corresponds to the heat it has returned to the same, which are equal to each other, so 1, 2, 4, 5, 6, 1 = 10 , 4, 5, 11, 10 <B> -8, </B> 3, 2, 9, B.
The first term here means the amount of heat q <B> l supplied to every kilogram of the delivery rate during combustion, and the second the amount q? It is
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means the heat equivalent of work. For the entire delivery rate G, the work performed is L, <I> = </I> 0f <B> 1, </B> and the one or dissipated heat Qi <I> = </I> G, qi (Q2 = Gf q2, where A Lf = Qi-Q2.
In reality, the situation is more complicated, because the compression and delivery quantities are always mixed and each elementary quantity of the mixture goes through a special working cycle. The total result of these elementary cycles is always the same and is expressed by the last four equations.
The work generated is directly transferred to the useful quantity Gn by compressing it from state 1 to 2. This corresponds to a pump work, which should be designated by 1 "for every 1 kg. Compression of the entire useful quantity G" requires the work GI, 1 "and the equation L, <B> <I> = </I> <exists / B> G ± <B> <I> 1, </I> = </B> G. 1n.
The useful quantity compressed to the pressure P2 and the temperature Ti enters the turbine a2 in this state corresponding to point 2 of the heat diagram, in which it undergoes an adiabatic expansion according to the adiabatic 2-1 of the heat diagram and in the initial state 1 flows in the low pressure vessel di. In this state there is therefore state 1, that is to say the pressure Pi and the temperature Ti. The useful quantity G. is sucked in again from this container by the compressed gas generator.
The usable amount therefore runs a closed cycle, which is shown by the line 1-2-1 in the heat diagram. The combustion cylinder ai and the compressed gas engine <I> a2 </I> consequently together form a power plant in which the combustion cylinder a i simultaneously plays the role of an internal combustion engine and a compressor coupled to it.
To describe the fresh air and fuel gas supply and the removal of a corresponding amount of exhaust gases, it should be assumed for the sake of simplicity that the same isobar lines in the heat diagram apply to all three substances involved. ' The pumps b and q (Fig. 4) scoop the amount of fuel gas Gb and the amount of fresh air G, respectively from a gas source. from the atmosphere with the pressure Po of the atmosphere and the atmospheric temperature Ti (Fig. 7). So in state 13 of the heat diagram.
The fresh gases are compressed to the pressure P1 according to the adiabats 13-14 and in the compressed gas respectively. the compressed air tank z respectively. v pushed.
In these there is therefore state 14, that is to say the pressure Fi and the temperature T6. From here the fresh gases are sucked in by the measuring pumps y1, y2 (Fig. 4) and, according to the adiabats 14-15 (Fig. 7), compressed to the pressure P2 and the temperature T7, then during the delivery period (Fig. 6) pressed by the heat accumulators ri and r-, in the warm work space.
In the heat accumulators, the colder side of which in the steady state has the temperature Ta and the warmer side the temperature T2, the fresh gases heat up to the temperature T2 according to the isobaric path 15-4, with each 1 kg that of the area 16, 15, 4, 10, 16 corresponding amount of heat from the heat storage ri respectively. rz records.
The temperature T2 is above the ignition temperature (for example T2 = 1200 o abs.), So that the fresh gases burn immediately when they enter the warm working space and, by mixing with the gases located there, transfer their heat of combustion to the latter.
The combustion gases created from the fresh gases, the amount of which is Ga, equal to Ob -; - Gi, heat up at the same time as the other gases at constant pressure P2 according to the isobar distance 4-5 to the maximum temperature T. of the circuit and every kilogram absorbs the amount of heat represented by the surface 10, 4, 5, 11, 10, that is, a total of Ga,
qi. During the relaxation period, the amount of gas Ga expands according to adiabats 5-6, as a result of which its pressure falls to P2 and its temperature to T2.
During the suction period, the measuring pumps y3, yi (Fig. 4) suck the exhaust gases Ga through the heat accumulators ri and r2 with the pressure Pi remaining the same and push them into the container iv, whereby the exiting gas amount Ga differs from the maximum temperature T2 of the heat accumulator ri and r <I> 2 </I> on their lower temperature T-,
cool down according to the isobar line 6-17 of the heat diagram and give the heat corresponding to the area 18, 17, 6, 11, 18 to the latter for each kilogram of gas. As a result of the equidistance of the isobar lines Fi and P2, this area is equal to area 16, 15, 4, 10, 16.
The measuring pumps y3, y-, are dimensioned so that the amount of fuel Ob through the heat storage ri and the amount of fuel Ob through the heat storage r. the amount of exhaust gases equal to the amount of fresh air that flows out. In both heat accumulators, the amount of heat absorbed and emitted are equal to one another, so that the heat accumulators 7-i and r2 are also in heat equilibrium.
From the container ic, in which the state 17, that is the pressure Pi and the temperature T7 prevails, the exhaust gases pass into the low-pressure motor k and relax there under the power of work according to the adiabats 17-19 to the atmospheric pressure Po and at a temperature Tia. With this it finally puffs it out into the atmosphere.
The fresh gases and the exhaust gases together carry out the cycle 13, 14, 15, 4, 5, 6, 17, 19, 13 and every 1 kg does one of the curses of this cycle equivalent work.
Since the adiabats 17-19 and 14-13 lie between the same isobars, the following applies:
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since the adiabats 15-14 and 2-1 also lie between the same isobars:
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From both equations it follows that Tis = Ts, i.e. the point 19 lies with the point 2 on the same isotherm Ts. Due to the equidistance of the isobars Po, Pi and P # - the areas 13, 15, 17, 19, 13, 1, 2, 15, 17, 1 equal to each other.
The area 13, 14, 15, 4, 5, 6, 17, 19, 13 is therefore equal to the area 1, 2, 4; 5, 6, 1 and the fresh gases consequently do the same work per 1 kg as the delivery rate G ,. Since the amount of fresh gases is only a fraction of the delivery rate G, their work is only a fraction of the work performed by them.