DE242880C

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Publication number: DE242880C
Application number: DENDAT242880D
Authority: DE

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 46 c. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 25. Dezember 1909 ab.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kühlung von Gasmaschinen mit innerer Verbrennung. Die gewöhnlichen Kühlmethoden beruhen auf der Zirkulation von Wasser auf der Außenseite der Zylinderwandung. Bei Maschinen größerer Dimensionen hat man es für nötig befunden, auch den Kolben und die Auslaßventile in gleicher Weise durch zirkulierendes Wasser zu kühlen. Es ist daher

ίο auch schon vorgeschlagen worden, Wasser in den Innenraum der Gasmaschine durch Streudüsen zu spritzen, u. a. auch zum Zweck, die Metallteile zu kühlen. Derartige Vorschläge sind jedoch bislang von keinem nennenswerten Erfolg gekrönt worden. In den meisten Fällen war der Mißerfolg in der verkehrten Art der Anwendung des in fein verteilter Regenform ausgespritzten Wassers begründet, und in anderen Fällen hat man das Wasser zudem noch vorher erhitzt und auch mit Luft vermischt. Man hatte vor allen Dingen keine klare Erkenntnis hinsichtlich des Umstandes, daß das Wasser, wenn es als Kühlmittel wirksam sein soll, die erhitzte Metallfläche in einem flüssigen Zustande erreichen muß, ohne daß auf dem Wege zu den Metallischen eine wesentliche Verdampfung desselben eintritt. Auch hat man den Umstand unberücksichtigt gelassen, daß die Bestimmung des Wassers darin besteht, nicht den Gasen,, sondern dem Zylindermantel die Hitze zu entziehen. Ein anderer Grund, warum die Anwendung zerstäubten Wassers bisher zu keinem Erfolg geführt hat, liegt darin, daß man eine Zernagung der Metallflächen beobachtete und eine bedeutend erhöhte Abnutzung derselben in-40

folge Abspülung des Schmiermittels festgestellt hat.

Die vorliegende Erfindung will ebenfalls die Kühlung durch Einspritzen herbeiführen, jedoch wird die Kühlflüssigkeit in einer wirksameren Weise angewendet, als es bisher der Fall war, und zwar derart, daß möglichst viel von der Flüssigkeit erst auf der zu kühlenden Oberfläche verdampft wird, möglichst wenig aber auf dem Wege von der Einspritzstelle bis zur Oberfläche der Metallteile. Hierbei muß auch berücksichtigt werden, daß die Kühlflüssigkeit nicht im flüssigen Zustande im Zylinder der Maschine verbleiben darf, da, wie es sich bei vorgenommenen Versuchen herausgestellt hat, die eben erwähnten Übelstände der Zernagung und der Wegschwemmung des Schmiermittels als Folge der Anwesenheit von Wasser in flüssigem Zustande in der Maschine aufzufassen sind und einfach dadurch vermieden werden können, daß man die Anwesenheit, von Wasser in flüssigem Zustande in der Maschine verhindert.

Die eben erwähnten Zwecke der vorliegenden Erfindung werden dadurch erreicht, daß kaltes Wasser in Form dicker Tropfen oder eines Wasserstrahles im Gegensatz zur Sprühregenform in direkte Berührung mit den zu kühlenden Flächen der Maschine gebracht wird, so daß die Wärme den Wandungen der Maschine und nicht, wie bisher, den Gasen entzogen wird. Diese Wirkung wird dadurch gesichert, daß diese größeren Tropfen oder Wasserstrahlen dem Einfluß der Verbrennungsgase beim Durcheilen der Gasatmosphäre eine im Verhältnis zu ihrer Masse kleinere Ober-

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(2. Auflage, ausgegeben am 27. Dezember rgi2.J

fläche darbieten als die bisher verwendeten feineren Tropfen, so daß sie weniger unter der Verdampfung leiden, bis sie zu der zu kühlenden Oberfläche gelangen, als dies bei den feineres Tropfen der Fall ist. Aus dem gleichen Grunde erreichen diese größeren Wassertropfen auch schneller die Oberfläche der zu kühlenden Metallteile.

Um die Anwesenheit von überschüssigem

ίο Wasser in flüssigem Zustande in der Maschine zu vermeiden, das bei den Versuchen sich als die Ursache der Nachteile des Einspritzkühlverfahrens erwiesen hat, wird auf jede äußere Wasserkühlung der Oberflächen, auf welche jene dicken Tropfen oder Wasserstrahlen gelangen, verzichtet und die zum Einspritzen benutzte Wassermenge so bemessen, daß die Temperatur jener Oberflächen hoch genug bleibt, um eine vollständige Verdampfung des gesamten dagegengespritzten Wassers herbeizuführen. Das gesamte in die Maschine eingespritzte Wasser wird also durch Kontakt mit den Oberflächen verdampft und verläßt die Maschine als Dampf durch den Auspuff, ohne daß es sich in flüssigem Zustande im Zylinder ansammeln kann.

Jegliche zerstörende Wirkung von Wasser auf die Lebensdauer der Maschine kann vollständig beseitigt werden, wenn man dafür Sorge trägt, daß das Wasser nur gegen die Flächen des Kolbens der Ventile und der Verbrennungskammer geschleudert wird, wobei man dem Kolben durch Leitung diejenige Hitze wegnehmen läßt, welche durch die Heizgase denjenigen Teilen des Zylinders verliehen wird, die der Kolben während seines Hubes freiläßt. Auf diese Weise fällt das Wasser lediglich auf diejenigen Stellen, wo es keinen Schaden anrichten kann, indem es überhaupt nicht an die Reibungsflächen zwischen Kolben und Zylinder gelangt. Die Beschränkung in der Aufbringung des Wassers auf die Flächen der Verbrennungskammer des Kolbens und der Ventile wird zweckmäßig dadurch herbeigeführt, daß man das Einbringen des Wassers in Zeitabständen nur während desjenigen Teiles der Umdrehung der Hauptwelle vornimmt, wo der Kolben nahe dem Innenende des Zylinders sich befindet.

Die vorliegende Kühlmethode macht es in den meisten Fällen unnötig, einen Kühlmantel für den Zylinder der Maschine anzuwenden. Es kann jedoch manchmal, der gewöhnliche Kühlmantel für den Zylinderrumpf und den Verbrennungsraum beibehalten werden und die Kühlmethode lediglich für den Kolben und die Auspüffventile Verwendung finden. In manchen Fällen kann man auch das Zylinderende und den Verbrennungsraum durch Wasserzirkulation kühlen und außerdem Wasser gegen die Fläche des Kolbens spritzen, um nicht nur den Kolben, sondern auch die Zy-Hnderwandungen infolge Leitung durch den Kolben zu kühlen. .

Zur Klarstellung des Erfindungsgegenstandes sind verschiedene Figuren zur Anwendung gekommen, wovon darstellt:

Fig. ι einen Längsschnitt und

Fig. 2 einen Querschnitt der Verbrennungskammer am Zylinderende einer Gasmaschine, wovon der Kolben am Ende seines Einwärtsganges gezeigt ist,

Fig. 3 eine Stirnansicht der Maschine mit den äußeren Vorrichtungen zur Einbringung des Wassers in das Innere des Zylinders,

Fig. 4 endlich einen Schnitt einer Vorrichtung zur Regelung des Wasserzuflusses.

A ist der Maschinenzylinder, B die Verbrennungskammer, b das Einlaßventil und b¹ das Auslaßventil in dieser Kammer, C ist der Kolben; D ist ein Zuführrohr, welches in einem mit Lochungen versehenen Ring ausmündet, der in der Verbrennungskammer B liegt. Durch dieses Rohr wird auf die im folgenden beschriebene Weise Wasser unter Druck herausgeschleudert und wird in Form von großen Tropfen durch die Lochungen gegen die Wand der Verbrennungskammer B, die Stirnfläche des Zylinders C und gegen das Ventil b, wie in der Zeichnung dargestellt, geworfen. Diese Wasserstrahlen werden gleichmäßig über die verschiedenen Teile der Verbrennungskammer und über die Kolbenfläche verteilt. Es ist indessen nicht notwendig, irgendeinen Wasserstrahl gegen das Auslaßventil δ¹ zu richten, da es bei. seiner Lage unterhalb des Rohres D gewöhnlich hinlänglich durch das Heruntertröpfeln des Wassers aus dem Rohr gekühlt wird.

Um das Wässer dem Rohr D zuzuführen, iod kann die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung angewendet werden, wovon das. Rohr Z> aus dem Innern der Verbrennungskammer B nach außen tritt und nach Durchgang durch ein automatisches Ventil E, wovon später gesprechen werden soll, durch ein Kugelventil/¹ mit einer. Druckpumpe F in Verbindung tritt. Der Tauchkolben G der Druckpumpe wird durch das eine Ende des Hebels H bewegt, welcher im Punkt h drehbar gelagert ist und no an seinem anderen Ende eine Rolle A¹ trägt, welche mit der Exzenterscheibe / in Eingriff steht. Diese Exzenterscheibe ist auf der Welle J¹ aufgekeilt, welche beispielsweise die Halbtaktwelle einer Maschine mit dem Ottosehen Kreisprozeß ist. Die Exzenterscheibe / ist mit der Bewegung der Kurbelwelle der Maschine in eine derartige Beziehung gebracht, daß der Augenblick, in welchem die Rolle h¹ im Punkt j des Exzenters / sich befindet, demjenigen Punkt in der Umdrehung der Kurbelwelle entspricht, in welchem der KoI-

ben fast das Ende seines Einwärtsganges erreicht hat. Jedesmal wenn das Exzenter eine Umdrehung macht, wird die Rolle h¹ .gehoben, wodurch der Tauchkolben G herabgedrückt und Wasser durch die öffnungen des Rohres D gepreßt wird. Der Abwärtsgang des Tauchkolbens nimmt in dem Augenblick sein Ende, wenn der Punkt j¹ auf dem Exzenter / unter die Rolle h¹ gelangt, und dieser Punkt entspricht derjenigen Stellung der Kurbelwelle, die um etwas hinter derjenigen Lage zurückbleibt, welche dem äußersten Ende der Einwärtsbewegung des Kolbens entspricht. Während der ferneren Drehbewegung der Maschine bleibt die Rolle auf dem kreisförmigen Umfang des Exzenters / und kein weiteres Einpressen des Wassers findet statt, indem der Tauchkolben G in seiner untersten Lage verbleibt. Wenn der Punkt /² unter die Rolle h¹ kommt, kann der Tauchkolben unter dem Einfluß der Feder g sich heben und saugt hierbei Wasser durch das Rückschlagventil f¹ an, welches mit der Wasserspeisung in Verbindung steht. Wenn der Punkt j auf dem Exzenter / wiederum unter die Rolle h¹ gelangt, ist der Pumpenkörper wieder mit Wasser angefüllt, und die nämliche Wirkung wiederholt sich, indem hierbei die ganze Umdrehung der Exzenterwelle, wie es gewöhnlich bei Maschinen mit dem Ottoschen Kreisprozeß der Fall ist, zwei Umdrehungen der Kurbelwelle entspricht.

Um die Menge des bei jedem Hub der Pumpe eingepreßten- Wassers so zu regeln, daß der Bedingung entsprochen wird, wonach die Metallfäden möglichst in einem Zustande der Temperatur erhalten werden sollen, welche oberhalb des Verdampfungspunktes liegt, kann die Druckpumpe F mit einer hohlen Überwurfmutter F¹ versehen werden, welche die Aufwärtsbewegung des Tauchkolbens G dadurch beschränkt, daß der Stellring g¹ auf dem Tauchkolben G mit der Mutter F¹, wie in gestrichelten Linien gezeigt, in Eingriff kommt. Hierdurch kann die in die Pumpe bei jedem Saughub hineingezogene Wassermenge und entsprechend die bei jedem Druckhub gelieferte Wassermenge von Hand aus eingestellt werden, so daß den Erfordernissen der Maschine zu jeder Zeit Rechnung getragen werden kann.

Es ist indessen zweckmäßig, Vorrichtungen vorzusehen, um die in die Maschine eingepreßte Wassermenge selbsttätig zu regeln.

Zu diesem Zweck ist in der Zeichnung ein Thermostat E dargestellt, welcher irgendeine geeignete Form aufweisen kann und in einer Tasche B¹ in der Wand der Verbrennungskammer untergebracht sein kann, so daß er die Temperatur desselben annimmt. Der Thermostat. wirkt auf die Wasserspeisung in der Weise, daß der Wasserzufluß der Maschine unter einen im voraus festgesetzten Punkt fällt, beispielsweise unterhalb 150 ° C. Der Wasserzufluß darf in keinem Augenblick ganz abgeschnitten werden, weil es notwendig ist, genügend Wasser in die Maschine einzubringen, um das Ende des Rohres D kühl zu halten, so daß hierdurch keine vorzeitige Entzündung hervorgerufen werden kann; indes nur eine sehr geringe Menge genügt für diesen Zweck. Eine geeignete Form des Thermostaten ist in Fig. 4 gezeigt. Das Wasser tritt von der Pumpe F durch das Rohr D in eine Kammer K (Fig. 4), von wo es durch die Verlängerung des Rohres D in die Maschine treten kann. Die Kammer K ist mit einem Ventil K¹ versehen, durch welches, wenn es offen steht, eine Verbindung mit dem Rohr k besteht.: Wenn das Ventil K¹ offen steht, tritt das Wasser in das Rohr k hinein, anstatt durch das Rohr D in die Maschine. Das Ventil K¹ wird durch eine Feder k¹ unter Vermittlung des Kolbens k² beeinflußt, welcher an seinem anderen Ende der Druckwirkung der thermostatischen Substanz k^z unterworfen wird. Erreicht die Temperatur der Maschine einen gewissen Punkt, dann steigt der Druck der thermostatischen Substanz so weit, daß das Ventil K¹ auf seinen Sitz gedrückt wird, wodurch das Rohr k geschlossen wird und das Wasser zum Eintreten in die Maschine veranlaßt wird; fällt dagegen die Temperatur, dann öffnet sich das Ventil K¹ infolge einer Fallbewegung des Kolbens k².

In manchen Fällen ist es auch zweckmäßig, den Zufluß des Wassers in selbsttätiger Weise in Abhängigkeit von dem Zufluß des Verbrennungsmittels zu bringen. Eine zweckmäßige Form zur Durchführung dieser Abhängigkeit ist in Fig. 3 in Zusammenhang mit einer nach dem Treff- und Fehlprinzip gesteuerten Maschine dargestellt. Ein Glied L, welches Stößer genannt werden mag, ist bei I an dem die Speisung des Brennmaterials steuernden Hebel I¹ befestigt. Wenn die Geschwindigkeit der Maschine einen bestimmten Betrag übersteigt, bringt der Regulator M durch den Hebel m und die Stange I² den Stoßer L mit dem Speiseventil für den. Brennstoff -N außer Eingriff und unterbricht hierdurch den Zufluß desselben vollständig für einen oder mehrere Hübe in der gewöhnlichen Weise. Eine Stange I^s, welche mit dem vorerwähnten Hebel η in Verbindung steht, und ein Winkelhebel /⁴ beeinflussen ein Distanzstück I⁶ in der Weise, daß das letztere dem Tauchkolben G der Pumpe -F genähert wird (wie in Fig. 3 gestrichelt angedeutet), wenn der Stößer L unter Wirkung des Regulators lso weggezogen wurde. In dieser Stellung kommt das Distanzstück I^s mit einem Stellring g² am

Tauchkolben G in Eingriff, wodurch der Kolben am Aufwärtsgang verhindert wird und gleichzeitig die Ansaugung des Wassers in die Pumpe sowohl wie ein Eintreten in die Maschine aufgehalten wird. Auf diese Weise wird Wasser nur dann eingespritzt, wenn die Maschine Kraftmittel erhält, und die pro Minute eingespritzte Wassermenge ist, abgesehen von der Beeinflussung durch den Thermostaten, noch proportional der zugeführteh.Kraftstoffmenge.

Obwohl die hier beschriebenen Vorrichtungen durch die Ergebnisse der Praxis als befriedigend sich erwiesen haben, so ist es selbstverständlich, daß hierdurch die Möglichkeiten für das Einspritzen des Wassers und für die Regelung der Einspritzmenge nicht erschöpft sind, sondern daß mannigfache Änderungen Platz greifen können, die das Wesen der Erfindung unbeeinflußt lassen. Dieses besteht in der Einspritzung verhältnismäßig großer Wassertropfen direkt auf die Flächen des Kolbens, der Ventile und der Verbrennungskammer und in der selbsttätigen Aufrechterhaltung der Temperatur dieser Flächen, wobei eine Verdampfung dieses Wassers Platz greift. Beispielsweise kann irgendeine Form der Druckpumpe angewendet werden, und diese kann von der Kurbelwelle der Maschine angetrieben werden, statt von der Halbtaktwelle. Auch die besondere Form des Thermostaten kommt für die Erfindung nicht in Frage, und es kann dieser z.B. auch direkt den Hub der Pumpe beeinflussen, anstatt unter Vermittlung eines Beipaßventiles oder in Sonst einer zweckmäßigen Weise. Die vorbeschriebenen Vorrichtungen können auch mit den notwendigen Konstruktionsänderungen an einem Verbrennungsmotor irgendwelcher Ausführungsart angewendet werden, mag es nun eine Zweitakt- oder Viertaktmaschine sein, die nach irgendeinem der bekannten Kreisprozesse arbeitet.

Im Falle einer nach dem Ottoschen Kreisprozeß arbeitenden Maschine kann das Wasser ungefähr in derselben Zeit eingespritzt werden, wo der Ausblasehub beendet ist und der Saughub eben anfängt, oder auch zu der Zeit, wo der Kompressionshub beendet ist und der Arbeitshub gerade am Beginn ist, oder aber endlich auch in beiden Zeitpunkten. Zweckmäßig ist es jedoch, die Einspritzung nur während der letzteren Periode zu bewerkstelligen und mit der Einspritzung dann zu beginnen, wenn die Kurbel zwischen 30⁰ und 45⁰ vor der Totpunktlage sich befindet, und damit in der entsprechenden Lage nach Passierung der Totpunktlage aufzuhören.

Claims

Patent-A NSPR υ ch:

Einspritzkühlverfahren bei Gasmaschinen mit innerer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß kaltes Wasser in Form dicker Tropfen oder Wasserstrahlen im Gegensatz zur Sprühregenform in direkte Berührung mit den zu kühlenden Flächen der Maschine gebracht wird, und die Wassermengen derart geregelt werden, daß die Temperatur der Maschine noch hinlänglich hoch bleibt, um eine vollständige Verdampfung des Wassers herbeizuführen, wobei die Wärme den Wandungen der Maschine und nicht wie bisher den Gasen entzogen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.