DE111803C

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Publication number: DE111803C
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Description

KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

KLASSE 46 a. CLASS 46 a.

Der Gegenstand der Erfindung bezweckt, die Wasserkühlung bei Verbrennungskraftmaschinen durch Anwendung flüssiger Metalle u. dgl. als Abdichtung des Kolbens gegen die Gase an Stelle der üblichen Dichtungsringe entbehrlich zu machen.The object of the invention is aimed at water cooling in internal combustion engines by using liquid metals and the like to seal the piston against the gases instead of the usual sealing rings to make dispensable.

Eine derartige Maschine ist auf der Zeichnung in den Fig. 1 und 2 in Längsschnitten und in Fig. 3 im Querschnitt nach Linie A-B der Fig. 2 veranschaulicht.Such a machine is illustrated in the drawing in FIGS. 1 and 2 in longitudinal sections and in FIG. 3 in cross section along the line AB of FIG.

An dem Cylinder α ist ein besonderer Kanal b angebracht. Dieser Kanal b steht unten durch eine Oeffnung c mit dem Cylinder a in Verbindung. Oben befinden sich ein oder zwei durch Curvenscheibe e gesteuerte Luftventile d. Der Kolben / ist mit einem Kolbenansatze g von etwas geringerem Durchmesser, dessen Länge etwas mehr .als der Kolbenhub beträgt, versehen.A special channel b is attached to the cylinder α. This channel b is connected to the cylinder a at the bottom through an opening c. At the top there are one or two air valves d controlled by cam disc e. The piston / is provided with a piston attachment g of slightly smaller diameter, the length of which is slightly more than the piston stroke.

Als Mittel zur Abdichtung können entweder sich nicht verflüchtigende, leichtflüssige Metalle mit verhältnifsmäfsig niederem Schmelzpunkte, wie z. B. Wismuth, Cadmium, Blei u. s. w. oder deren verschiedene Legirungen, oder auch — auf umständlichere Weise — OeIe bezw. Wasser benutzt werden.Either non-volatile, easily liquid metals can be used as sealing means with relatively low melting points, such as B. bismuth, cadmium, lead and so on. or their various alloys, or - in a more complicated way - oils respectively Water can be used.

Das flüssige Metall wird in den Kanal b eingegossen und gelangt in den erhitzten Cylinder, den Raum zwischen der Cylinderwandung und dem Ansätze g füllend. Die Menge der Flüssigkeit wird derart bemessen, dafs die Oberfläche der im Cylinder und Kanal gleich hochstehenden Flüssigkeit das obere Ende des Kolbenansatzes bei der höchsten Kolbenstellung nicht ganz erreicht. Die untere Hälfte des Cylinders α ist von etwas gröfserem Durchmesser als die obere, so dafs, wie Fig. 2 zeigt, die Flüssigkeit bei tiefstem Kolbenstande in den Cylinder abfliefst. Auch bei der unteren Kolbenstellung bleibt die Stirnfläche des Kolbens von Flüssigkeit frei.The liquid metal is poured into the channel b and enters the heated cylinder, filling the space between the cylinder wall and the approach g. The amount of liquid is measured in such a way that the surface of the liquid, which is at the same level in the cylinder and channel, does not quite reach the upper end of the piston attachment at the highest piston position. The lower half of the cylinder α is somewhat larger in diameter than the upper half, so that, as FIG. 2 shows, the liquid flows off into the cylinder when the piston is at its lowest point. Even when the piston is in the lower position, the face of the piston remains free of liquid.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: The device works as follows:

Beim Abwä'rtsgange des Kolbens, also beim Ansaugen, wird Ventil d geöffnet, so dafs im Kanäle b kein Unterdruck entsteht.When the piston descends, i.e. when it is sucked in , valve d is opened so that no negative pressure arises in channel b.

Das Ventil d wird in der untersten Kolbenstellung geschlossen. Da der gleiche Luftdruck im Cylinder α und Kanal b beim Aufwärtsgange des Kolbens f herrscht, so wird die Flüssigkeitsoberfläche im Cylinder und Kanal gleich hoch bleiben. Um zu verhindern, dafs die Flüssigkeit in der höchsten Kolbenstellung infolge der Trägheit noch weiter gedrängt und die Luft noch mehr verdichtet wird, bis ihre lebendige Kraft erschöpft ist, wird kurz vor Ende des Kolbenhubes das Ventil d geöffnet und so viel Luft entlassen, dafs ein kleiner Druckunterschied im Cylinder a und Kanal b im ungefähren Betrage des Druckes der lebendigen Kraft der Flüssigkeit entsteht. Beträgt der von der lebendigen Kraft ausgeübte Druck beispielsweise 1,5 Atm. und der Verdichtungsdruck im Cylinder etwa 35 Atm., so wird durch Ventil d so viel Luft ausgelassen, dafs eine Druckminderung bis auf ca. 33 Alm. entsteht. Die Flüssigkeit wird hierbei eine Bewegungsrichtung erhalten, welche entgegengesetzt jener ist, welche der Flüssigkeit durch den Kolben ertheilt wird. Es entsteht ein Strömen der Flüssigkeit nach unten, bevor der Kolben umkehrt und. ein durch denThe valve d is closed in the lowest piston position. Since the same air pressure prevails in the cylinder α and channel b when the piston f moves upwards, the liquid surface in the cylinder and channel will remain the same. In order to prevent the liquid in the highest piston position from being pushed further and the air compressed even more until its living force is exhausted, valve d is opened shortly before the end of the piston stroke and so much air is released that a there is a small pressure difference in cylinder a and channel b in the approximate amount of the pressure of the living force of the liquid. For example, if the pressure exerted by the living force is 1.5 atm. and the compression pressure in the cylinder is about 35 atm., so much air is let out through valve d that the pressure is reduced to about 33 meters. The direction of movement of the liquid will be opposite to that given to the liquid by the piston. There is a downward flow of liquid before the piston reverses and. one through the

Stofs entstehender Unterdruck unter der Flüssigkeit wird verhindert. Die Flüssigkeit tritt mit ihrer Oberfläche nicht über die Stirnfläche des Kolbens g hinaus. Das Ausströmen der Luft darf jedoch nicht plötzlich erfolgen, weshalb das Ventil nur wenig geöffnet und die Luft beim Ausströmen durch kleine Oeffnungen gedrosselt wird.This prevents the underpressure from developing under the liquid. The surface of the liquid does not go beyond the end face of the piston g . However, the outflow of air must not take place suddenly, which is why the valve is only opened a little and the air is throttled through small openings as it flows out.

Hierauf erfolgt Explosion und Expansion. Da kurz nach der Kolbenumkehr das Ventil d des Kanals b geschlossen wird, so wird im Cylinder α und Kanal b wieder gleicher Druck herrschen, nur wird entsprechend den jetzt über beiden Flüssigkeitsoberflächen ruhenden verschiedenen Luftmengen die Flüssigkeitsoberfläche im Kanäle b höher sein als im Cylinder. Am Ende der Expansion werden das Auspuffventil des Cylinders und das Ventil d geöffnet, wodurch die beiden Oberflächen sich wieder auf gleiche Höhe stellen.This is followed by explosion and expansion. Since valve d of channel b is closed shortly after the piston is reversed, the same pressure will again prevail in cylinder α and channel b , only the liquid surface in channel b will be higher than in cylinder, depending on the different amounts of air now resting over both liquid surfaces. At the end of the expansion, the cylinder's exhaust valve and valve d are opened, causing the two surfaces to return to the same level.

Beim Aufwärtsgange des Kolbens werden die Abgase ausgepufft. Vor Ende des Kolbenhubes werden, da auch in diesem Falle durch die lebendige Kraft der Flüssigkeit ein Stofs ausgeübt wurde, der mangels entgegenwirkenden Luftdruckes die Flüssigkeit gegen den Cylinderdeckel schleudern würde, Auspuffventil und Ventil d geschlossen. Dadurch bleibt ein kleiner Theil der Gase im Cylinder und ein Theil der Luft im Kanäle b zurück. Noch vor Umkehr des Kolbens wird ebenso wie am Ende der Verdichtung aus dem Kanäle b der der lebendigen Kraft der Flüssigkeit entsprechende Druck entlassen, wodurch letztere am Aufsteigen verhindert wird und eine stofsfreie Kolbenumkehr erfolgen kann.When the piston moves upwards, the exhaust gases are exhausted. Before the end of the piston stroke, since in this case too, the living force of the liquid exerted a substance which, in the absence of counteracting air pressure, would throw the liquid against the cylinder cover, the exhaust valve and valve d are closed. This leaves a small part of the gases in the cylinder and a part of the air in channel b . Even before the piston is reversed, as at the end of the compression, the pressure corresponding to the living force of the liquid is released from the channel b , which prevents the latter from rising and a substance-free piston reversal can take place.

Dieses Verfahren der Wirkung der lebendigen Kraft der Flüssigkeit am Ende des Auspuffes zu begegnen, mufs für gewöhnliche Gasmaschinen, bei welchen die Verdichtung des Gemisches nur auf 4 bis 5 Atm. erfolgt, abgeändert werden, da sonst zur Erzielung des nothwendigen Druckunterschiedes zwischen Cylinder und Kanal b die Verbrennungsgase nahezu vollständig zurückbehalten werden müfsten. Das Explosionsgemisch wird zu diesem Zwecke, ehe es dem Arbeitscylinder zugeführt wird, durch eine Pumpe auf 2 bis 3 Atm. verdichtet. Der Auspuff der Verbrennungsgase geschieht in der gewöhnlichen Weise nahezu bis an das Ende des Kolbenhubes, indem die Austrittsventile des Cylinders und des Kanals b offen gehalten werden. Kurz vor Eintritt der Kolbenumkehr werden beide Ventile geschlossen und in den Cylinder das auf 2,5 bis 3 Atm. vorverdichtete Gemisch eingelassen, während im Kanäle b bei geschlossenem Ventile d Atmosphärendruck herrscht. Der im letzteren und dem Cylinder bei Kolbenumkehr vorhandene Druckunterschied von 1,5 bis 2 Atm. genügt,- um der Bewegung der Flüssigkeit entgegenzuwirken. Nach Umkehr des Kolbens wird das Ventil d des Kanals geöffnet und durch dasselbe ebenfalls vorverdichtetes Gemisch eingelassen. Das Einlassen des Gemisches ist so einzurichten für Cylinder und Kanal, dafs nach Abwärtsgang des Kolbens durch Expansion beiderseits der Druck von ι Atm. erreicht wird. Dieses dem Kanäle b zugeführte (nicht zur Zündung gelangende) Gemisch kann beim Auspuffe wieder der Pumpe zugeführt werden. In diesem Falle mufs Auspuff der Maschine und Ansaugen der Pumpe zu gleicher Zeit erfolgen. Diese je nach Umständen abgeänderte Art des Verfahrens kann auch für Diesel-Motoren und beim Anlassen der Maschine mittels Prefsluft zur Anwendung gelangen. This method of counteracting the effect of the living force of the liquid at the end of the exhaust must be used for ordinary gas machines, in which the compression of the mixture to only 4 to 5 atmospheres. takes place, be modified, otherwise the combustion gases would have to be retained almost completely in order to achieve the necessary pressure difference between the cylinder and channel b. For this purpose, the explosion mixture, before it is fed to the working cylinder, is pumped to 2 to 3 atm. condensed. The exhaust of the combustion gases takes place in the usual way almost to the end of the piston stroke, in that the outlet valves of the cylinder and of the channel b are kept open. Shortly before the piston reverses, both valves are closed and the cylinder is set to 2.5 to 3 atm. precompressed mixture admitted, while in channel b with closed valves d atmospheric pressure prevails. The pressure difference of 1.5 to 2 atm in the latter and the cylinder when the piston is reversed. is sufficient - to counteract the movement of the liquid. After the piston has been reversed, valve d of the channel is opened and let in through the same pre-compressed mixture. The inlet of the mixture is to be arranged for the cylinder and channel in such a way that, after the piston has moved downward, the pressure of 1 atm is created by expansion on both sides. is achieved. This mixture fed to channel b (which does not ignite) can be fed back to the pump when it is exhausted. In this case, the exhaust of the machine and the intake of the pump must take place at the same time. This type of method, which is modified depending on the circumstances, can also be used for diesel engines and when starting the machine using pre-filled air.

Die Steuerung sämmtlicher Ventile wird am zweckmäfsigsten durch eine gemeinsame Steuerwelle bewirkt. Bei Anordnung eines einzigen Ventiles d ist ein viermaliges Oeffnen und Schliefsen des Ventiles d während eines Arbeitsvorganges erforderlich, und überdies müssen die Bewegungen rasch hinter einander erfolgen. Um die Genauigkeit nicht zu beeinträchtigen und eine erleichterte Regelung des Ventiles zu ermöglichen, empfiehlt es sich, die Bewegungen auf zwei Ventile zu vertheilen.The control of all valves is most expediently effected by a common control shaft. In a valve arrangement of a single four times opening and Reasoning of the valve is required during a working operation d d, and moreover, the movement must be carried out in rapid succession. In order not to impair the accuracy and to allow easier control of the valve, it is advisable to distribute the movements over two valves.

Obwohl bei diesen Maschinen der Cylinder während der Arbeit eine den Schmelzpunkt aller in Betracht kommenden Metalllegirungen erheblich übersteigende Temperatur besitzt, kann doch nebenher noch mit Aufsenheizung mittels elektrischen Stromes oder durch Abgase u. dgl., wie bei h angedeutet, nachgeholfen werden, da eine solche behufs Ingangsetzen der Maschine vorhanden sein mufs. Die Brenner h laufen um den Cylinder und erhitzen diesen derart, dafs das eingebrachte flüssige Metall nicht erstarren kann oder dafs es zum Schmelzen gelangt, falls es sich bereits im Cylinder befindet.Although in these machines the cylinder during work has a temperature considerably exceeding the melting point of all the metal alloys in question, additional heating by means of electric current or exhaust gases etc., as indicated at h , can still be helped, as such must be available for starting the machine. The burners h run around the cylinder and heat it in such a way that the liquid metal introduced cannot solidify or that it melts if it is already in the cylinder.

Während also hei gewöhnlichen Maschinen Wärme abgeführt werden mufs, mufs bei flüssiger Kolbendichtung die Wärme erhalten und der Cylinder gegen Ausstrahlung geschützt werden.So while in ordinary machines heat has to be dissipated, it has to The liquid piston seal retains the heat and the cylinder is protected against radiation will.

Bei Anwendung'von Wasser als Dichtungsflüssigkeit müfste zur Vermeidung einer zu schnellen Verdampfung der Raum zwischen Cylinderwand und Kolben g entsprechend gröfser genommen und die sich durch Verdampfung mindernde Wassermenge durch geregelte W^Tasserzuführung ergänzt werden. Die Gröfse der zuzuführenden Luftmenge, um die Verbrennung nicht durch Wasserdampf zu beeinträchtigen, inwieweit und mit welchem Einflufs eine Dissociation des Wasserdampfes eintritt u/s. w., ist durch Versuche festzustellen. Eine derartige Maschine würde eine Heifsluft-Dampfmaschine ergeben.In Anwendung'von water as sealing fluid müfste to avoid a too fast evaporation of the space between piston and Cylinderwand g taken according gröfser and extending reducing by evaporation amount of water to be supplemented by regulated W ^T asserzuführung. The amount of air to be supplied, so as not to impair the combustion by water vapor, to what extent and with what influence a dissociation of the water vapor occurs and / or, can be determined through experiments. Such a machine would make a hot air steam engine.

Die Vortheile, welche sich durch die Anwendung flüssiger Kolbendichtung ergeben, sind aufser dem Fortfalle der Wasserkühlung folgende: Eine Kühlung ist auch an den Cylinderstellen, welche von den Kolbenringen bestrichen werden, nicht nöthig, da die Hitze dort nur noch derart ist, dafs sie das Metall in flüssigem Zustande erhält. Der Kolben hat nicht mehr gegen Gas, sondern nur gegen Flüssigkeit abzudichten, was leichter zu bewerkstelligen ist. Bei Petroleummaschinen wird das Entweichen der übel riechenden Gase durch den Kolben vermieden. Dadurch, dafs der Kolben g nicht an die Cylinderwandungen abschliefst, können diese an den heifsesten Stellen mit einem Materiale gefüttert werden, welches sehr hohe Temperaturen verträgt. Ebenso kann der Kolbenansatz g hergestellt werden. Der Zeitaufwand des Erhitzens der Cylinder zum Anlassen der Maschine ist nicht bedeutend. Ueberdies braucht bei zeitweise arbeitenden Maschinen nur die Heizvorrichtung für den Cylinder in Thä'tigkeit zu bleiben, um die Maschine nach Abstellen betriebsbereit zu erhalten.The advantages which result from the use of liquid piston seals, apart from the elimination of water cooling, are as follows: Cooling is also not necessary at the cylinder points which are coated by the piston rings, since the heat there is only such that it does that Maintains metal in a liquid state. The piston no longer has to seal against gas, but only against liquid, which is easier to achieve. With petroleum machines, the escape of foul-smelling gases through the flask is prevented. Because the piston g does not close to the cylinder walls, these can be lined at the hottest points with a material which can withstand very high temperatures. The piston attachment g can also be produced. The time it takes to heat the cylinders to start the engine is not significant. In addition, only the heating device for the cylinder needs to remain active in the case of machines that operate temporarily in order to keep the machine ready for operation after it has been switched off.

Claims

Patent claim:

Explosion or Internal combustion engine with a liquid piston seal, characterized by a channel b with valve d extending from the cylinder, which is not only open during the suction stroke and during the greater part of the exhaust stroke, but also when the compression and exhaust stroke ends, channel b with the free air or when using an air pump set up for the precompression of the gas mixture connects to this, whereby a flow of the sealing liquid is caused against the direction of movement communicated to it by the piston and a substance effect is suppressed.

For this purpose ι sheet of drawings.