DE215946C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 46». GRUPPEIl.

ARTHUR JOSEPH FRITH in NEW-YORK.

Explosionskraftmaschine. Patentiert im Deutschen Reiche vom 22. Oktober 1907 ab.

Es ist allgemein bekannt, daß der verhältnismäßige sehr ungünstige Wirkungsgrad des Kreisprozesses bei Explosionskraftmaschinen hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, daß ein großer Teil der Gaswärme, also Energie, durch Kühlwasser abgeführt werden muß. Um die Wärme der Auspuffgase nutzbar zu machen, hat man versucht, die die Maschine nach der Expansion verlassenden Verbrennungsgase durch Regeneratoren zu führen, in welchen die Gase einen Teil ihrer Wärme abgeben. Der aus dieser Anordnung gewonnene A^orteil ist aber nur ein sehr geringer, da, wie allgemein bekannt ist, die Verbrennungsgase ihre höchste Temperatur unmittelbar nach der Explosion erreichen und die größte Wärme entwickeln, welche mittels Wasserkühlung abgeführt werden muß. Dabei verlieren aber die Verbrennungsg'ase beim Verlassen des Expansionszylinders
Wärme, so daß
wenig Wärme abgeben können.

Den Gegenstand der Erfindung bildet nun eine Explosionskraftmaschine, bei welcher zwischen Explosions- und Expansionszylinder ein Regenerator angeordnet ist, in welchem die Verbrennungsgase bald nach ihrer Explosion eintreten, einen Teil ihrer Wärme an denselben abgeben, worauf sie in den Expansionszylinder gelangen, aus welchem sie nach ihrer Expansion ausgepufft werden. ' .

Durch die neue Maschine wird also der bedeutende Vorteil erreicht, daß der unmittelbar nach der Explosion entstehende bedeutende .Wärmeüberschuß der Verbrennungsgase in dem Regenerator nutzbar gemacht wird, wo-

einen großen Teil ihrer sie in dem Regenerator nur bei noch der weitere Vorteil erreicht wird, daß der Expansionszylinder nur sehr wenig oder überhaupt gar nicht gekühlt zu werden braucht, da ein großer Teil der Wärme in dem Regenerator abgegeben wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der neuen Maschine um ein ganz Bedeutendes erhöht.

Abgesehen davon, ergibt sich bei der neuen Maschine auch noch der Vorteil, daß, da die Gase bzw. die Luft in einem stark verdichteten Zustand in den Regenerator eingelassen werden, letzterer um ein Vielfaches kleiner bemessen werden kann, als es bei den bekannten, mit Regeneratoren versehenen Maschinen der Fall ist.

Auf der Zeichnung ist:
Fig. ι eine Seitenansicht der neuen Maschine,

Fig. 2 ein Grundriß derselben,

Fig. 3 ein Querschnitt nach a-a in Fig. 4,

Fig. 4 ein senkrechter Schnitt nach b-b in

Fig. 3. ■ ·

Fig. 5 eine Seitenansicht der Brennstoffpumpe und des Reglers,

Fig. 6 ein Schnitt nach c-c in Fig. 5,

Fig. 7 ein Arbeitsdiagramm und

Fig. 8 ein Diagramm der vereinigten Volumen der Arbeitszylinder und des Regenerators während der verschiedenen Kurbelstellungen.

Die Arbeitszylinder 2 und 3 sind auf dem Fundament 1 angeordnet. Der kleinere Zylinder 2 bildet die Verbrennungskammer. Zwischen den Zylindern ist der Regenerator 4 angebracht, welcher, wie in Fig. 4 zu ersehen ist, durch den Kanal 5 mit Zylinder 2 und durch

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den Kanal 6 mit Zylinder 3 verbunden ist. Beide Zylinder sind von Wassermänteln 9 umgeben, und der Regenerator, welcher aus einem Wärme absorbierenden und hohen Temperaturen widerstehenden Material gemacht ist, ist mit einem wärmedurchlässigen feuerbeständigen Material ausgefüttert. . Der größere Zylinder 3 ist in bekannter Weise mit einem Einlaßventil 7 und einem Auspuffventil 8 versehen, welch letzteres von einem an einer Stange 19 sitzenden Hebedaumen 18 geöffnet wird.' Die Stange 19, welche durch eine an dem Zylinder 3 angelenkte Führungshülse 24 hindurchgeht (Fig. 1 und 2), greift mit ihrem anderen Ende an einen Kurbelzapfen 20 einer Kurbel 21 an (Fig. 2), welche an einem Stjft 22 befestigt ist, der an einem Zahnrad 23 sitzt. Letzteres hat seine Drehachse in einem Tragarm und steht im Eingriff mit einem auf der Kurbelwelle 13 der Maschine sitzenden Zahnrad 25, welches den halben" Drebmesser des Zahnrades 23 hat. An dem Zahnrad 23 ist ferner eine Seilscheibe 26 befestigt, durch welche der Regler der Brennstoffpumpe in Tätigkeit gesetzt wird.

Der in dem kleinen Zylinder 2 sich bewe-

. gende Kolben 10 ist durch die Kolbenstange 11 mit dem Kurbelzapfen 12 und der in dem größeren Zylinder 13 sich bewegende Kolben 14 durch die Kolbenstange 15 mit den Kurbelzapfen 16 der Kurbelwelle 13 verbunden. Die beiden Kurbelzapfen sind um 105° .gegeneinander versetzt (vgl. Fig. 1).

Die Brennstoffpumpe besteht aus einem Zylinder 29, welcher ebenfalls mit einem Wassermantel versehen sein kann und in welchem sich ein Kolben 30 bewegt (Fig. 6). An dem Kolben 30 sitzt eine Kolbenstange 31, welche an den an dem Zahnrad 23 sitzenden Stift 22 angreift (Fig. 2). Der Brennstoff wird bei dem Saughub des Kolbens 30 durch das Einlaßventil 32 in deri Zylinder 29 hineingesaugt und von dem zurückgehenden Kolben durch die von einem Ventil gesteuerte Bohrung 57

4-5 (Fig. 6) und ein an diese angeschlossenes Rohr .28 in den Regenerator 4 befördert, in : welchem das Rohr 28 bei 27 (Fig. 4) nahe dem in dem Zylinder 2 führenden Kanal 5 einmündet. In dem Ende des Pumpenzylinders 29 sitzt verschiebbar ein Kolben 33, an welchem ein Querstück 34 befestigt ist, das mit Stangen 35 versehen ist, welche durch Ösen 36 hindurchgehen. Die Stangen 35 sind von Federn umgeben, welche sich gegen die Ösen 36 und an dem Ende der Stange sitzende Muttern stützen, und durch welche das an dem Kolben 33 befestigte Querstück 34 gegen das Ende des Zylinders 29 gedrückt wird. An dem Querstück 34 liegt ein Exzenter 37 an, das auf einer Welle 38 sitzt. Auf dem einen Ende der letzteren sitzt ein Zahnrad 39, welches mit einem Zahnbogen 40 in Eingriff steht. Letzterer sitzt auf einer Welle 41, deren eines Ende mit einem Hebel 42 verbunden ist, der an der Stange 43 angelenkt ist, deren Bewegung in bekannter Weise von den Kugeln 44 des Reglers beeinflußt wird. Mit den Kugeln 44 ist ferner eine Seilscheibe 45 verbunden, die durch ein Seil mit der Seilscheibe 26 an Zahnrad 23 gekuppelt ist. Bei der Rückwärtsbewegung" des Pumpenkolbens 30 in. den Zylinder 29 hinein wird der bewegliche Kolben 33 entgegen der Feder 35 nach außen gedrückt, bis er von dem Exzenter 37 aufgehalten wird, worauf der vorher in den Zylinder 29 angesaugte Brennstoff durch die Bohrung 57 aus dem Zylinder herausgedrückt wird. Da die Stellung des losen Kolbens 33 am Ende des Druckhubes des Kolbens 30 durch den Regler 44 beeinflußt wird, so wird die aus dem Zylinder 29 geförderte Brennstoffmenge von der Tourenzahl der Maschine bestimmt.

Um die Temperatur der in dem größeren Zylinder 3 vom Kolben 14 angesaugten Luft während ihrer Verdichtung so niedrig wie möglich zu halten und gleichzeitig um eine möglichst isothermische Verdichtung zu erzielen, wird vor dem Eintritt in den Zylinder 3 die Luft mit Wasser gesättigt. Die Temperatur der angefeuchteten verdichteten Luft wird beim Durchgang durch den Regenerator derart erhöht, daß eine \^erzögerung der Verbrennung nicht eintritt. Ferner wird dadurch, daß die in dem Zylinder 3 verdichtete Ladung mit verhältnismäßig niedriger Temperatur durch den Regenerator geht, die dem letzteren entzogene AVärmemenge entsprechend vergrößert. Die Sättigung der Luft mit Wasser geschieht in folgender Weise: In dem Fundament der Maschine ist ein dicht verschlössener Raum 48 vorgesehen (Fig. 1), welcher mittels einer perforierten Wand 51 in zwei Teile getrennt wird. Der vordere Teil steht durch ein Rohr 49 mit dem Lufteinlaßventil 7 des Zylinders 3 in Verbindung. Durch die. Saugwirkung des Kolbens 14.wird durch ein im hinteren Teil des Raumes 48 nach außen führendes, in Fig. 2 gezeigtes Sieb hindurch Luft eingesaugt, welche eine durch Wasser berieselte Schicht von Verteilungskörpern 50 durchstreichen muß, wodurch sie mit Feuchtigkeit gesättigt wird.

Auf der oberen Seite des Regenerators 4 sitzt ein abnehmbarer Pfropfen 53, durch welchen die Gase aus dem Regenerator herausgelassen werden können, wenn in demselben zum Zweck der Erwärmung" beim Anlassen der Maschine ein Brennstoff verbrannt wird. Der Eintritt des Brennstoffes in den Regenerator erfolgt durch ein Rohr 55, welches mit einem 120 Brennstoffbehälter in Verbindung steht und in welchem ein Ventil 54 angeordnet ist (Fig. 3).

Zur Entzündung des Explosionsgemisches in dem Zylinder 2 dient ein elektrischer Zünder 56 bekannter Einrichtung (Fig. 4).

Die Arbeitsweise der Maschine.ist folgende : Es werde angenommen, daß die Maschine mit normaler Belastung läuft und der Regenerator eine hohe Temperatur hat. Bei der Bewegung des Kolbens 14 nach rechts in Fig. 4 wird durch das Einlaßventil 7 eine neue Ladung in den Zylinder 3 eingesaugt. Diese Ladungkann entweder bloß aus Luft bestehen, oder sie kann ein brennbares Gemisch aus Brennstoff und Luft oder ein nicht brennbares Gemisch aus Brennstoff und Luft darstellen.

Sobald der Kolben 14 nach links in Fig. 4 geht, wird die Ladung im Zylinder verdichtet und durch den heißen Regenerator 4 hindurch in den Zylinder 2 hineingedrückt, in welchem durch die Voreilung des Kolbens 10 ein freier Raum gebildet ist. Wenn die Ladung nur aus Luft oder einem nicht brennbaren Gemisch aus Brennstoff und Luft besteht, so wird während der Verdichtung der Ladung in dem Zylinder 3 und nachdem der Kolben 10 in dem Zylinder 2 am Ende seines Druckhubes angelangt ist, in den Regenerator eine Brennstoffladung eingeführt. Die Einführung des Brennstoffes ist beendet, wenn der Kolben 14 das Ende des Druckhubes und das Gesamtvolumen der beiden Zylinder 2 und 3 nahezu sein Minimum erreicht hat. Nun wird das verdichtete und erwärmte Gemisch aus Brennstoff und Luft im Zylinder 2. durch den elektrischen Zünder 56 entzündet. Dadurch, daß die Ladung infolge ihres Durchganges durch den Regenerator vorgewärmt wird, wird die Temperatur sowohl als auch der Druck der Gase nach der Verbrennung erheblich vergrößert, wodurch während der ersten Expansion in dem kleineren Zylinder 2 ein großer Arbeitsbetrag entwickelt wird. Wenn der Brennstoff vor der Luft in den Zylinder 2 gelangt, wird die Verbrennung infolge des großen Überschusses an Brennstoff zunächst eine langsame sein.

Hierauf werden der Brennstoff und die Luft sich in dem richtigen Verhältnis mischen, so daß eine schnelle explosionsartige Verbrennung stattfindet, wenn, der Kolben 14 das Ende seines Druckhubes erreicht hat.

Während oder kurz nach der Verbrennung in dem Zylinder 2 wird der Kolben 14 in dem Zylinder 3 seinen Expansionshub beginnen, währenddessen .die Verbrennungsgase durch den Regenerator hindurch in den Zylinder 3 zunächst strömen und darauf nach Umkehr des Kolbens 10 in den Zylinder 3 hineingedrückt werden. Beim Durchgang durch den Regenerator geben die Gase einen Teil ihrer Hitze an diesen ab. Bei dem darauffolgenden Auspuffhub des Kolbens 14 werden die verbrannten und expandierten Gase aus dem Zylinder 3 durch Ventil 8 ausgestoßen, womit der Zyklus vollendet wird. Infolge des geringen Kubikinhaltes des kleineren Zylinders 2 und der verhältnismäßig niedrigen Temperatur des größeren Zylinders 3 wird der Wärmeverlust durch das den Zylinder umgebende Kühlwasser erheblich vermindert.

Da das Explosionsgemisch in den Zylindern hineingedrückt wird, und zwar ehe die größte Verdichtung erreicht ist, so kann der Brennstoff mit mäßigem Druck auf die Ventile der Brennstoffpumpe und der damit in Verbindung stehenden Teile eingeführt werden. Eine vorzeitige Explosion ist ausgeschlossen, da der Brennstoff in den Zylinder 2 vor der Zuführung der Luftmenge einströmt und das Gemisch zu reich an Brennstoff ist, um sich leicht' zu entzünden oder schnell zu brennen, ehe die größte. Verdichtung erreicht ist.

In dem Diagramm in Fig. 8 stellt die Kuryenlinie A-B die Bewegung des Kolbens 14 während zwei Umdrehungen dar. Die senkrechte Linie A-C entspricht dem Volumen des größeren Zylinders 3. Die Linie C-E entspricht dem Volumen des Regenerators 4 und die Linie E-G dem Volumen des kleineren Zylinders 2. Die senkrechten Linien 1, 2, 3 usw. zwischen den beiden Kurven A-B und G-H stellen das Gesamtvolumen der miteinander verbundenen Räume der beiden Zylinder sowie des Regenerators dar,, und zwar die Linie 1 am Ende des Saughubes, die Linie 13 am Ende des Verdichtungshubes, die Linie 1 über D am Ende des Expansionshubes und die zweite Linie 13 rechts am Ende des Auspuffhubes. Die gegenseitigen Bewegungen der beiden Kolben 10 und 14 lassen sich ebenfalls aus Fig. 8 ersehen.

Wie erwähnt wurde, sind die Kolben der beiden Zylinder um 105° gegeneinander versetzt, und zwar eilt der Kolben 10 dem Kolben 14 vor. Während der Kolben 14 bei der ersten Linie 1 (Fig. 8) am rechten Totpunkt steht und er die eingesaugte Luft zu verdichten beginnt, nähert sich der Kolben 10 seinem linken Totpunkte, den er bei der Linie 6 erreicht. Inzwischen wird der Brennstoff in einer Stelle zwischen den durch die Linie 4 und 11 bezeichneten Kolbenstellungen in den Regenerator in der Nähe des Zylinders 2 eingeführt. Durch die jetzt bei der Bewegung des Kolbens 10 nach rechts folgende Saugwirkung gelangt der Brennstoff in den Zylinder 2, wird jedoch erst bei der größten Verdichtung der Ladung, d. h. in der durch die Linie 12 dargestellten Stellung des Kolbens, und zwar unmittelbar ehe der Kolben 14 den linken Totpunkt erreicht hat, entzündet. Die Explosionsgase treiben zuerst den Kolben 10 nach rechts, und darauf treten sie durch den Regenerator hindurch hinter den jetzt auch nach rechts beweg-

ten großen Kolben 14, wo sie weiter expandieren können. Nach dem Expansionshub des Kolbens 14 erfolg't der Auspuffhub, wobei die verbrannten Gase aus dem großen Zylinder durch das offene Ventil 8 nach außen getrieben werden. Darauf folgt der Saughub des Kolbens 14, wodurch eine neue Ladung in den Zylinder 3 eingesaugt wird. Die dem dritten und vierten Hub des großen Kolbens 14 entsprechende Bewegung des kleinen Kolbens 10 ist ohne Wichtigkeit und ist aus der Fig. 8 ersichtlich.

Vor dem Anlassen der Maschine wird der Regenerator durch Verbrennung von Brennstoff im Regenerator vorgewärmt, und die Maschine kann von Hand oder durch verdichtete Luft in Betrieb gesetzt werden.

Fig. 7 veranschaulicht ein ideales Arbeitsdiagramm der Maschine. Im Vergleich dazu ist in gestrichelten Linien ein zweites Diagrariim einer gewöhnlichen Gasmaschine eingezeichnet. Die erhöhten Drucke in dem mit / bezeichneten Diagramm der neuen Maschine im Vergleich zu dem zweiten Diagramm K entstehen durch die Vorwärmung' der Ladung und durch die größere Verdichtung der Ladung vor der Zündung, während der größere Abfall der Expansionslinie L-M infolg'e der Wärmeabgabe an den Regenerator und durch die Expansion der Gase im größeren Zylinder bewirkt wird.

Die strichpunktierte Linie O - P zeigt die A^erdichtungslinie an, welche stattfinden würde, wenn die Gase nicht in. dem Regenerator vorgewärmt würden. Eine größere Verdichtung könnte in einer gewöhnlichen Gasmaschine nicht ohne Gefahr einer vorzeitigen Zündung benutzt werden, während bei der neuen Maschine diese Gefahr nicht besteht, da ein zündfähiges Gemisch erst am Ende der Verdientung sich bildet.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch :

   Explosionskraftmaschine, bei welcher zwischen dem Explosions- und Expansionszylinder ein Regenerator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennüngsgase bald nach der Explosion und während des Arbeitshubes des Kolbens im Explosionszylinder in den Regenerator eintreten, wobei sie einen Teil ihrer Wärme an denselben abgeben, worauf sie in den Expansionszylinder gelangen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.