DE238710C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 46«. GRUPPE

KARL SCHNEIDER in MÜLHEIM, Ruhr.

Viertaktgaskraftmaschine. Patentiert im Deutschen Reiche vom 19. Januar 1910 ab.

Bei Gaskraftmaschinen, bei denen die Drücke von Gas und Luft Schwankungen unterworfen sind, liegt die Möglichkeit vor, daß bei einer und derselben Stellung der Einlaßorgane verhältnismäßig mehr Gas als Luft oder auch mehr Luft als Gas in das Zylinderinriere gelangt.

Die so entstehende verschiedenartige Gemischzusammensetzung ist von nachteiliger

ίο Wirkung für die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des Maschinenbetriebes. Denn es wird in dem Maße, in dem verhältnismäßig mehr Gas in den Zylinderraum gelangt als Luft, die Verbrennung in Ermangelung des zur vollkommenen Verbrennung erforderlichen Sauerstoffes eine unvollkommene. Während die Leistung zurückgeht, verläßt ein Teil des Gases unbenutzt den Zylinderraum nach der Zündung, und es findet somit eine Gasverschwendung statt. Andererseits mindert das »Überladen« mit Gas die Zündfähigkeit des Gemisches herab, ja es macht diese sogar gänzlich unmöglich, da eine Entzündung der nahezu oder ausschließlich aus Gas bestehenden Ladung nicht zu erzielen ist.

Umgekehrt wird in dem Falle, daß verhältnismäßig mehr Luft als Gas in den Zylinderraum gelangt, ein Gemisch erzeugt, welches an Heizwert zu arm ist, um sichere Zündungen zu geben.

Größere Druckänderungen in Zuführungsleitungen von Gaskraftmaschinen bedingen häufig den Einbau besonderer Druckregler in die Hauptleitung. Derartige Apparate bedeuten jedoch eine beträchtliche Erhöhung der Anlagekosten und erfüllen ihren' Zweck nur bei stets gleichbleibender Umlaufszahl.

Im Gegensatz zum Gase, welches zumeist Druckschwankungen unterliegt, pflegt die der Maschine zugeführte Luft unter atmosphärischer Spannung zu stehen. Nun geben die Einlaßorgane der Maschine bei gleicher Stellung des Reglers unveränderliche Durchflußquerschnitte sowohl für Gas als auch für Luft frei. Einem bestimmten Überdruck eines Ladekörpers entspricht eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit, die ihrerseits von dem spezifischen Gewicht des betreffenden Gases abhängig ist. Die verschiedenen bei einer und derselben Reglerstellung auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten haben die eben angegebene störende Wirkung zur Folge. Das Mischungsverhältnis der Ladung verschiebt sich bei der regelmäßigen Umdrehungszahl der Maschine derart, daß die Zündfähigkeit des Gemisches in Frage gestellt wird oder doch die Gasverbrauchsziffer für eine bestimmte Maschinenleistung unverhältnismäßig hoch ausfällt.

Dieselbe nachteilige Erscheinung tritt ein, wenn man die Umdrehungszahl der Maschine verändert, mag in ihrer Gaszuführungsleitung eine Druckausgleichvorrichtung eingeschaltet sein oder nicht. Die Veränderung der Umdrehungszahl kann beispielsweise durch die Eigenart des angeschlossenen Betriebes zur Notwendigkeit werden. Auch beim Anlassen der Maschine ist für einige Zeit mit einer geringen Umdrehungszahl zu rechnen.

Es ist üblich, bei Gaskraftmaschinen, bei denen Gas und Luft vom Arbeitskolben an-

gesaugt werden, wie z. B. bei Viertaktmaschinen, beide Körper während der Ansaugeperiode gemischt in den Zylinderraum einzuführen. Bei Anwendung, der üblichen Ladeverfahren werden Luft- und Gaszuführungsquerschnitte stets so bemessen, daß bei gegebenen, als unveränderlich angesehenen Druckverhältnissen der Ladekörper die in technischer wie auch in wirtschaftlicher Hinsicht günstigste

ίο Gemischbildung erreicht wird.

Im Gegensatze zu bekannten Verfahren besteht das neue Verfahren im wesentlichen darin, daß die Gas- und Lufteinlaßorgane abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, derart, daß während der Ladezeit fortlaufend abwechselnd eine Luftmenge und eine Gasmenge oder stetig einmal mehr Luft als Gas und nachher mehr Gas als Luft in den Zylinder gebracht werden.

Unter Zugrundelegung des Viertaktbetriebes ist der Ladevorgang, auf den Kolbenweg bezogen, schematisch durch Fig. 1 beispielsweise dargestellt. Voraussetzung ist, daß das Gas unter einem höheren Druck steht als die Luft.

A B stellt den Kolbenweg dar, ABCD das Zylindervolunien. Die Ladung findet nun so statt, daß während der Bewegung des Kolbens von A nach A' zunächst die Luftsteuerung öffnet. Vor Abschluß des Lufteinlaßorgans, etwa in D', beginnt die Eröffnung der Gassteuerung ; diese schließt erst wieder, nachdem die Luftsteuerung eröffnet hat. Dieser Vorgang setzt sich fort.

Die bei dem so unterteilten Ladevorgang auftretenden Ausgleichsvorgänge, die durch den Überdruck beispielsweise des Gases bedingt sind, kommen in der Zeichnung nicht zur Darstellung. Diese Ausgleichsvorgänge umfassen die Verdichtung der geladenen Luft bzw. des Gemisches durch einströmendes Gas und die Dehnung des bereits gebildeten Gemisches auf den Druck der eingeführten Luft. In der Zeichnung werden also ohne Rücksicht auf Druck die Ladevolumina durch die entsprechenden Abschnitte, in die gemäß der Annahme das Zylindervolumen geteilt ist, zur Darstellung gebracht, während tatsächlich infolge der erwähnten Ausgleichsvorgänge verschiedene Lademengen in den Zylinder gelangen, obgleich das Einlaßorgan in den durch die Unterteilung des Zylindervolumens festgelegten Punkten öffnet und schließt.

Unter Annahme der Drücke der Ladekörper vor dem Einlaßorgan wird es also möglich sein, bei einer bestimmten Unterteilung die Ausgleichsvorgänge rechnerisch zu erfassen und die tatsächlich eingeführten Volumina in Beziehung zur festgelegten Unterteilung des Zylindervolumens zu bringen, um dann für jeden Ladekörper getrennt die Summe aus den für jede Unterteilung eingeführten Volumina zu errechnen und durch Vergleich beider Summen das Mischungsverhältnis der Ladekörper festzustellen. Hiermit ist der Weg gezeigt, bei dem die günstigste Unterteilung des Zylindervolumens ermittelt werden kann.

In Fig. 2 bedeuten die Abszissen die Kolbenwege, die Ordinaten die Wege der Einlaßorgane, bei Ventilen z. B. die Erhebungen. Der Kurvenzug A E A' F A" G B läßt also z. B. den Verlauf des Lufteintritts erkennen, der Kurvenzug D' H D" J D'" den des Gaseintritts. Die Verschiedenheit der Hubhöhe des Luftventils ist in der Ungleichförmigkeit der Kolbengeschwindigkeit während des Kolbenhubes begründet. In dessen Mitte, wo die Kolbengeschwindigkeit am größten ist, kann die Luft dem Kolben nicht sofort folgen, da sie erst auf die hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden muß. Unter der Annahme gleicher Eröffnungsdauer für die wiederholten Eröffnungen des Luftventils würde die Luft daher in der Mitte des Kolbenhubes zunächst in geringerem Maße als beim Hubbeginn und beim Hubende nachströmen. Um dem entgegenzuwirken, ist die Hubhöhe des Luftventils bei der mittleren Kolbenstellung am größten, in der Nähe der Totlagen am kleinsten gewählt worden. Die räumlich dazwischen liegenden Erhebungen des Gasventils besitzen entsprechende Zwischenwerte.

Die Eröffnungen für die Ladekörper können auch so stattfinden, daß bei dem einen oder auch bei beiden Ladekörpern für eine bestimmte Zeit ein vollständiger Abschluß gegeben wird. Fig. 3 stellt unter Beibehaltung der sonstigen für Fig. 2 gewählten Voraussetzungen schematisch einen derartigen Ladevorgang dar. Der Kurvenzug ^4 E A' FA" GA" 'B stellt wiederum den Verlauf des Lufteintritts dar und D¹HD¹¹JD'" den des Gaseintritts. Die Einlaßorgane, die etwa als Schieber ausgeführt sein mögen, haben beide negative Überdeckungen, so daß bei der Luft während der Abschnitte a_x A' a_it a₃ A" a₄ und a₅ A'" B, ■ beim Gas während der Abschnitte ä_x D' d₂, d_s D" d_i und d_s D'" d_ß vollkommener Abschluß erzielt wird.

Das Verfahren kann auch mit mehr als zwei Ladekörpern oder auch unter Anwendung verschiedener Ströme derselben Ladekörper zur Anwendung gebracht werden.

Aus dem Verlauf der Eröffnungen ist zunächst erkenntlich, daß die Mischung der Ladekörper eine gute sein wird, denn es wird fortlaufend einmal mehr Luft als Gas und anschließend daran mehr Gas als Luft in den Zylinder gebracht. Dabei kann die Größe der zu ladenden Schichten beliebig klein gehalten werden. Durch die mehrfache Unterbrechung der Ladeströme wird der Einfluß der Druckschwankungen in den Gas- und Luftleitungen

wesentlich herabgemindert. Ein Verdrängen des einen Körpers durch den unter einem größeren Druck stehenden anderen Körper, wie es bei der normalen Viertaktmaschine bei Druckunterschieden der zu ladenden Körper stattfindet, ist bei dem neuen Verfahren ausgeschlossen.

Diese Vorzüge bleiben auch bei größeren Druckunterschieden zwischen Gas und Luft

ίο bestehen. Voraussetzung ist dabei nur, daß die Ladeabschnitte so bemessen werden, daß noch bei dem größten auftretenden Druckunterschiede beider Ladekörper Druckausgleich erfolgen kann. Vor dem jeweiligen Schlüsse des Lufteinlasses muß nämlich das im Zylinder enthaltene Gasluftgemisch auf die Spannung der eintretenden Luft expandiert sein, um überhaupt deren Eintritt zu ermöglichen. Es muß daher die Zeitdauer des Abschnittes, während dessen der Gaseintritt abpesperrt ist, auf jeden Fall größer sein als die für den Druckausgleich benötigte Zeitdauer. Da für die Expansion eine gewisse Zeit erforderlich ist, muß der Gaseinlaß übrigens um so. länger abgesperrt sein bzw. um so früher schließen, je höher der Gasüberdruck ist. Je nach der Höhe des Druckunterschiedes hätte beispielsweise in Fig. 2 der Gaseinlaß das erste Mal statt in D" in A' oder sogar links von A' zu schließen. Mit eingeschlossen in das neue Verfahren ist überhaupt allgemein auch ein solcher Ladevorgang, bei dem die wechselweise Bewegung der Gas- und Lufteinlaßorgane derart erfolgt, daß erst entweder im Augenblicke des Schlusses eines Einlaßorgans selbst oder auch kurze Zeit nachher die Eröffnung des anderen stattfindet. Dieser getrennte Ladevorgang wird jedoch erst dann notwendig, wenn der Druckunterschied der zu ladenden Körper ein sehr hoher ist, was aber bei dem hier in erster Linie in Frage kommenden Hochofengas nicht der Fall ist, da hier nur Druckunterschiede bis zu höchstens 500 mmW.-S. auftreten. In dem vorher besprochenen Falle könnte der Schluß des Gaseinlasses zweckmäßig in Abhängigkeit von dem Druckunterschiede zwischen Gas und Luft so gesteuert werden, daß mit steigendem Überdrucke früherer Abschluß erfolgt.

Da der Druckausgleich in erster Linie von dem Druckunterschiede beider Ladekörper abhängig ist (je größer derselbe, desto bedeutender ist der Zeitaufwand, den der Druckausgleich erfordert), so ist klar, daß bei angenommener Zahl der Abschnitte der Druckunterschied eine gewisse Höhe nicht überschreiten darf, wenn die richtige Mischung nicht in Frage gestellt werden soll. Da nun aber andererseits die Wirksamkeit des Ladeverfahrens durch eine entsprechend große Anzahl von Ladeabschnitten bedingt ist, so folgt der Schluß, daß, je kleiner die Druckunterschiede bei gleicher Anzahl der Abschnitte, desto günstiger das Mischungsverhältnis wird.

Weiter gilt folgende Überlegung:

Das Mischungsverhältnis der Ladekörper läßt sich durch das Verhältnis ihrer Drücke vor dem Einlaßventil und durch die bei Gleichdruck gemessenen Volumina, die sich bei einer bestimmten Unterteilung des Zylindervolumens ergeben, ausdrücken. Demzufolge ist es möglieh, bei Annahme eines bestimmten Mischungsverhältnisses für ein bestimmtes Verhältnis der Eintrittsspannungen die günstigste Volumenunterteilung zu ermitteln.

Hinsichtlich der Bemessung der einzelnen Ladeabschnitte gestattet also das neue Ladeverfahren weitgehende Anpassung an die im Einzelfalle gegebenen Betriebsbedingungen.

Claims (2)

Patent-Ansprüche:

1. Viertaktgaskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur dauernden Aufrechterhaltung eines möglichst gleichartigen Gemisches die Gas- und Lufteinlaßorgane abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, derart, daß während der Ladezeit fortlaufend abwechselnd eine Luft- und eine Gasmenge oder in stetigem Verlauf einmal mehr Luft als Gas und später mehr Gas als Luft in den Zylinder gebracht werden.

2. Viertaktgaskraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei großem Unterschied in den Drücken der Ladekörper das Gasventil bei hohem Drucke kürzere Zeit und bei geringerem Drucke längere Zeit geöffnet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.