DE279753C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 279753 KLASSE 46 d. GRUPPE

. KARL WIEST in WETZLAR.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 25. Februar 1913 ab.

Die Erfindung betrifft eine Ausströmdüse für Verbrennungskraftmaschinen, deren Arbeitsverfahren das folgende ist:

Die den Kolben bildende Flüssigkeitsmenge

.5 wird in einen Arbeitsraum eingedrückt und sie verdichtet dabei das in diesem Raum enthaltene Brennstoffgemisch bis auf das Volumen des einen Teil des Verbrennungsraumes bildenden Verbrennungsraumes, worauf nach der bei vollständigem Abschluß des Arbeitsraumes erfolgenden Verbrennung der Ladung und nach dem darauf folgenden Öffnen eines Ausflußkanals die Flüssigkeitsmenge durch die Wirkung der expandierenden Gase aus dem Arbeitsraum ausgetrieben und auf die Schaufeln einer Turbine geschleudert wird.

Nach der Erfindung wird nun die Düse für das Ausströmen der Flüssigkeit derart gestaltet, daß die Geschwindigkeit der aus dem Endquerschnitt der Düse austretenden Flüssigkeit trotz der sich ändernden Spannung der expandierenden und dadurch die Ausströmung bewirkenden Gase sich im wesentlichen gleichbleibt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine Ausführung einer mit einem Peltonrad zusammenarbeitenden, mit der neuen Düse ausgerüsteten Verbrennungskraftmaschine in senkrechtem Querschnitt, während

Fig. 2 bis 5 die Gestalt der Düse selbst betreffen.

Die Maschine besteht in bekannter Weise aus einem dem Arbeitszylinder der bekannten Verbrennungskraftmaschinen entsprechenden Hohlkörper A. Der obere Teil α des Innenraumes ist der Verbrennungsraum, in welchen die für die Brennstoff- und Luftzufuhr dienenden Kanäle b und c münden, zu deren Abschluß in bekannter Weise selbstwirkende oder gesteuerte Ventile dienen. Weiterhin mündet· in den Hohlkörper A ein der Wasserzufuhr dienender, durch ein Ventil überwachter Kanal d. An seinem unteren Ende ist der Hohlkörper A durch eine Nadel f abschließbar. Die unterste Partie des Hohlkörpers A über dem Ab-Schlußquerschnitt und der unterhalb desselben sich noch anschließende Fortsatz bildet eine Düse e, deren Gestaltung Gegenstand der Erfindung und unten näher erläutert ist.

Die beschriebene Maschine arbeitet mit einem Peltonrad T zusammen, von dessen Welle der Antrieb der Steuerungsapparate und der Luft-, Brennstoff- und Wasserpumpe, die auf der Zeichnung nicht dargestellt sind, abgeleitet werden kann, falls hierfür nicht eine besondere Antriebsmaschine aufgestellt wird.
Das Arbeitsspiel ist nun folgendes:
Die Nadel f befindet sich in Schlußstellung, der Hohlkörper A sei mit Luft und Brennstoff (bei Dieselverfahren nur mit Luft) gefüllt. Nun-. mehr wird bei sonst abgeschlossenem Arbeitsraum so lange Wasser durch den Kanal d eingedrückt, bis der Gasgemisch- bzw. Luftinhalt auf das Volumen des Verbrennungsraumes a komprimiert ist. Mit dem Ende der Kompression wird das im Verbrennungsraum befindliche Gasgemisch entzündet bzw. bei Dieselverfahren Brennstoff eingespritzt und hernach

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die Nadel f angehoben, worauf das im Hohl-

■ körper A enthaltene Wasser unter dem Druck der expandierenden Gase durch die Düse β ausgetrieben und auf die Schaufeln g des Rades geworfen wird, letzteres dadurch antreibend. Nach Ausfluß des Wassers strömen die verbrannten Gase mit der schon während der Expansion angenommenen Bewegungsrichtung ebenfalls durch die Düse e ab, indem sich bei

ίο Erreichen des atmosphärischen Druckes im Raum A am Verbrennungsraum α das Spülluftventil öffnet. Nach dem Ausspülen des Raumes A schließt die Nadel f wieder ab, es wird eine neue Ladung eingeführt, und das Spiel beginnt von neuem.

Die Düse e hat nun folgenden Zweck:
Der nach dem Druckvolumendiagramm verlaufenden bzw. sich ändernden Spannung der expandierenden Gase, die im vorliegenden Falle der. Gefällshöhe einer Wasserkraft entspricht, würde ohne besondere Maßnahmen eine ähnlich stark sich ändernde Ausflußgeschwindigkeit des Wassers entsprechen; um aber bei der als un-.. veränderlich anzunehmenden Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenrades in diesem einen brauchbaren Wirkungsgrad zu erhalten, muß die Zuflußgeschwindigkeit des Wassers annähernd konstant sein. Eine gleichbleibende Strahlgeschwindigkeit, die in ihrer Größe der mittleren Druckhöhe, d. h. der mittleren Druckvolumendiagrammhöhe,, bezogen auf das Wasservolumen, entspricht, kann nun dadurch erreicht werden, daß die gesamte Flüssigkeitsmenge so weit im Rohre eingeschlossen geführt wird, bis der Gasdruck mindestens auf jenen mittleren gesunken ist und dann vom Beginne des freien Ausströmens an durch entsprechende Verjüngung der Querschnitte und infolge der Kontinuität der Strömung in jedem Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung eine solche Geschwindigkeit herrscht, daß die derselben entsprechende Gefällshöhe zusammen mit der statischen Gasdruckhöhe bei der Expansion bis zum selben Querschnitt die konstante mittlere Druckhöhe ergibt.

In den Fig. 2 bis 5 ist ein Beispiel für die Bestimmung der Querschnitte einer solchen Düse gegeben.

Fig. 2 stellt zunächst einen Zylinder von konstantem Querschnitt dar, in welchem V₀ das Anfangsvolumen und V_e das Endvolumen der Gase ist, deren Expansion gemäß der Linie A-C-B der Fig. 3 erfolgt. Q sei das in den Zylinder eingepreßte Wasservolumen, entsprechend dem Hubvolumen von gewöhnlichen Kolbenmaschinen. Dasselbe sei durch den Druck der Gase bereits in die Stellung E B vorgeschoben, wo der Austritt aus dem Querschnitt B beginnt (Fig. 2). Aus der Forderung konstanter Geschwindigkeit im Querschnitt B und aus der Kontinuität der Strömung folgt nun, daß von jetzt ab in jedem Querschnitt von E bis B, solange er noch von Flüssigkeit erfüllt ist, die Geschwindigkeit ebenfalls konstant sein muß. Man kann deshalb die Ausströmung so auffassen, als ob immer das an die Gassäule grenzende Volumelement unter dem dem Querschnitt entsprechenden Druck zum Ausfluß gelangte, da in der zwischen diesem und dem Querschnitt B liegenden Flüssigkeit keine Geschwindigkeits- und daher auch keine Energieänderung eintritt. Wenn also beispielsweise die Expansion bis zum Querschnitt C (Fig. 2 und 3) vorgedrungen ist, so wird das Volumelement Δ Q unter dem statischen Druck p' ausgetrieben, da die ganze Arbeit der Expansion Δ Q X f an das Volumelement Δ Q übergehen muß. Die Ausflußgeschwindigkeit muß aber einer Druckhöhe entsprechen, die man erhält, wenn man über E B bzw. E D (Fig. 2 und 3) als Basis ein Rechteck EGHD konstruiert, dessen Fläche gleich der des Diagramms OABD ist, was daraus folgt, daß das Diagramm in seiner Fläche die Arbeit der expandierenden Gase darstellt und die gesamte Arbeit derselben an das Wasservolumen übergehen muß. Danach ergibt sich, daß das Volumelement Δ Q im Querschnitt C eine Geschwindigkeit haben muß entsprechend der Druckhöhe q' (Fig. 3). Diese Geschwindigkeit kann ohne weiteres bestimmt werden, und zwar für jeden Querschnitt zwischen E und B. . Zu jeder Geschwindigkeit ist sodann, da der Endquerschnitt F _e (die Strahlstärke) als gegeben oder gewählt anzunehmen ist und die Austrittsgeschwindigkeit c_e ebenfalls bekannt ist, auch der Querschnitt in seiner Größe gegeben, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Mit der Verkleinerung der Querschnittsgrößen muß natürlich eine entsprechende Änderung der Längenelemente eintreten derart, daß das Volumelement konstant bleibt, also Δ Q = AIxF₀= A'lX'F' (Fig. 5), wo F₀ der ursprüngliche konstante Querschnitt und F' der aus der nötigen Geschwindigkeit zu berechnende ist. '

Wenn die nach Fig. 5 ermittelten Querschnitte auf eine Ausführung nach Fig. 1 übertragen werden, wobei die Nadel in die Endlage angehoben anzunehmen ist, so werden sie zum Teil die Form von Kreisringen erhalten.

Während des Vortreibens der Flüssigkeit im Arbeitsraum bis zur Stellung E B ist die Geschwindigkeitsverteilung und Zunahme innerhalb der Wassersäule eine ziemlich willkürliche mit der Maßgabe, daß kein Abreißen der Säule stattfinden darf. Als Bedingung für die Möglichkeit der Konstruktion ergibt sich, daß im Querschnitt E die Diagrammhöhe kleiner sein muß als die mittlere Höhe, also E J < E G (Fig. 3), was daraus folgt, daß in diesem Querschnitt eine positive Geschwindigkeit auf alle Fälle bereits vorhanden sein muß. Ferner ist zu sagen,

daß bei einer Ausführung nach Fig. ι das Anheben der Nadel so rasch erfolgen muß, daß dieselbe bereits ihre innere Endlage erreicht hat, wenn das Wasser den Endquerschnitt der Düse erreicht und frei auszuströmen beginnt.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Düse für Verbrennungskraftmaschinen,

   bei welchen die expandierenden Gase eine

   ίο Hilfsflüssigkeit aus der Verbrennungskammer auf ein Turbinenrad drücken, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe bei geöffnetem Ventil einen Inhalt gleich dem Volumen der Flüssigkeitsmenge einer Ladung besitzt und in ihren Querschnitten gegen das Ausströmende in Abhängigkeit von der Expansionskurve des zur Verwendung kommenden Brennstoff gemisches sich derart verjüngt, daß die Flüssigkeit mit gleichbleibender Geschwindigkeit austritt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.