DE281394C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 46«. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 3. Februar 1912 ab.

Bei Gleichdruckverbrennungsmaschinen wird die Leistung bisher in der Weise geregelt, daß dem dem Zylinderinhalt entsprechenden, konstanten Luftgewicht ' j e nach der Leistung eine größere oder kleinere Menge von Brennstoff zugeführt wird.

Die A^erbrennung erfolgt also bei verschie^ den großem Luftüberschuß, wodurch stark wechselnde Verbrennungstemperatur (etwa

ίο iooo° C Differenz zwischen Normallast und Leerlauf) trotz gleich hohen Verdichtungsdruckes und gleich hoher Verdichtungstemperatur entsteht. Weiter ändert sich mit der Verbrennungstemperatur sowohl das Expan-.sionsverhältnis und das Abgasvolumen, wie auch die Abgastemperatur, und zwar letztere um 300⁰ C und mehr. Diese veränderliche Abgastemperatur ist bei den Gleichdruckmaschinen von großem Nachteil, welche mit vorverdichteter Verbrennungsluft (von 2 bis 4 Atmosphären absolut und mehr für normale Belastung) arbeiten, und bei welchen die Abgase in einer Heißluftmaschine ausgenutzt werden.

Bekanntlich ist die Leistung einer Heißluftmaschine in der Hauptsache von dem Temperaturunterschied zwischen dem Zustand des Betriebsmittels vor und nach der Expansion abhängig. Unterschreitet dieser Temperaturunterschied ein bestimmtes Maß, so können oftmals nicht einmal die Eigenwiderstände der Maschine überwunden werden. Bei den Gleichdruckmaschinen mit Vorverdichtung der Arbeitsluft wird man mit Rücksicht auf eine wirtschaftliche Ausbeute die Abgastemperatur . des Gleichdruckzylinders so wählen, daß bei der gewünschten größten Belastung des letzteren das Arbeitsvermögen der Abgase mit einem geringen Überschuß gerade ausreicht, um mit der Heißluftmaschine die von vornherein festgesetzte Arbeit zu leisten. Wird dann nach dem bekannten Verfahren die Leistung der Gleichdruckmaschine verringert, so tritt bald der Fall ein, daß das durch Temperatur, Volumen und Druck gekennzeichnete Arbeitsvermögen der Abgase für die vorgeschriebene Leistung der Heißluftmaschine zu gering wird.

Wählt man dagegen das Arbeitsvermögen der Abgase derart, daß die Heißluftmaschine die vorgeschriebene Arbeit bei normaler Belastung der Gleichdruckmaschine leistet, so wird ihr Betrieb bei Überlastung der Gleichdruckmaschine in Frage gestellt. Denn hierbei überschreitet die Abgastemperatur bald die zulässige Höhe, so daß bei Kolbenmaschinen der Kolben frißt und bei Turbinen die Schaufeln glühend werden.

Die Erfindung besteht nun aus einer eigentlichen Gleichdruckmaschine und aus einer Heißluftmaschine, bei welcher die Regelung derart erfolgt, daß die Heißluftmaschine trotz wechselnder Belastung der Gleichdruckmaschine stets Abgase von annähernd gleicher Temperatur erhält. Eine bei allen Belastungen annähernd gleiche Abgastemperatur ergibt sich, wenn sowohl die durch die Verbrennung des eingeführten Brennstoffes ent-

stehende Temperatur als auch das Expansionsverhältnis bei allen Belastungen ungefähr gleich sind. Die Bedingung gleicher Endtemperatur der Expansion ist erfüllt, wenn die Endtemperatur der Kompression und die Temperatursteigerung bei der Verbrennung gleich bleiben. Diese Temperatursteigerung hängt aber vom verhältnismäßigen Luftüberschuß ab und ändert, sich nicht, wenn bei

ίο allen Belastungen mit dem gleichen verhältnismäßigen Überschuß gearbeitet wird. Gemäß der Erfindung wird daher nicht nur die Brennstoffzufuhr, sondern auch noch das dem Arbeitszylinder der eigentlichen Verbrennungsmaschine zugeführte Luftgewicht verändert, und zwar durch Änderung des Druckes der vorverdichteten Verbrennungsluft. Die Endtemperatur der Kompression hängt von der Anfangstemperatur' der vorverdichteten Luft und in geringem Maße von der Mantelkühlung des Verbrennungszylinders ab.. Eine bei allen Belastungen annähernd gleiche Kompressionsendtemperatur wird dadurch erzielt, daß die Temperatur der vorverdichteten Luft durch Kühlung oder Vorwärmung annähernd konstant gehalten wird.

Es läßt sich leicht nachweisen, daß die weiter oben erwähnte Vorbedingung für eine unveränderliche Abgastemperatur, nämlich ein für alle Belastungen gleicher Expansionsgrad, schon von selber erfüllt ist, wenn der Luftüberschuß und die Verbrennungstemperatur gleich gehalten werden. Denn es entspricht dann der beispielsweise doppelten Belastung nicht nur die doppelte Brennstoff-, sondern auch die doppelte Luftmenge. Zur Einführung der doppelten Luftmenge ist aber der doppelte Vorverdichtungsdruck nötig, woraus wieder der doppelte Kompressionsenddruck und Verbrennungsdruck folgt, da ja der Kompressionsgrad des Verbrennungszylinders ungeändert bleibt. Am Ende der Verbrennungsperiode befindet sich demnach im Zylinder das doppelte Gasgewicht von gleicher Temperatur, jedoch doppeltem Druck, und daher gleichem Volumen wie bei halb so großer Belastung.

Eine Maschine gemäß der Erfindung arbeitet

• also sozusagen mit unveränderlicher Füllung im Gegensatz zu den bekannten Dieselmaschinen, bei denen der Füllungsgrad mit sinkender Belastung abnimmt. Hierbei ist unter Füllungsgrad in Anlehnung an den für Dampfmaschinen üblichen Sprachgebrauch das auf das Hubvolumen des Kolbens bezogene Volumen zu verstehen, welches die im Zylinder befindliche Gasmenge zu Beginn der Expansion einnimmt. Ein unveränderlicher Füllungsgrad ist aber mit einem unveränderlichen Expansionsgrad gleichbedeutend.

Der unveränderliche Füllungsgrad wird durch den. gleichbleibenden Luftüberschuß erzielt. Die Einführung des Brennstoffes kann wie bei den gewöhnlichen Dieselmaschinen erfolgen, nämlich so, daß der Regulator nur die Ölpumpe, nicht aber das Ventil für die Brennstoffeinführung in den Zylinder beeinflußt. · Es braucht nicht befürchtet zu werden, daß mit einem Brennstoffventil, das bei Vollast eine Verbrennung unter annähernd konstantem Druck ergibt, die Verbrennung bei Halblast wie bei einem gewöhnlichen Dieselmotor in ungefähr der halben Zeit beendigt ist, \vas eine Drucksteigerung während der Verbrennung zur Folge hätte. Denn einer zu raschen Verbrennung bei Teilbelastung wirkt der gegenüber den bekannten Dieselmaschinen geringere Luftüberschuß und die gegenüber ■ Vollast geringere Dichte der Verbrennungsluft entgegen. Geringe Druckänderungen während der Verbrennung beeinflussen zudem den Wirkungsgrad nicht erheblich, und die vorangehenden Ausführungen können wörtlich auch auf den Fall einer vom Gleichdrück etwas abweichenden Verbrennung angewendet werden, wenn man dann unter Füllung das auf den Anfangsdruck ■ der Verbrennung reduzierte Volumen der Verbrennungsgase versteht.

Fig. ι der Zeichnung zeigt die Diagramme einer der Erfindung gemäß arbeitenden Verbrennungsmaschine für verschiedene Belastung. Das größere Diagramm entspricht der vollen Belastung, das kleinere Diagramm der halben Belastung. Die Füllungsperioden sind in beiden Fällen gleich, ebenso die Volumina und die Temperaturen der Abgase.

In Fig. 2 ist eine beispielsweise Ausführungsform einer . solchen Verbrennungsmaschine schematisch dargestellt. Mit α ist der Verbrennungszylinder, mit b die Heißluftmaschine und mit c der Kompressor zur Vorverdichtung der Verbrennungsluft bezeichnet.

Die Verbrennungsmaschine arbeitet im Viertakt, während die Heißluftmaschine im Zweitakt arbeitet. Zwischen den beiden Maschinen ist ein Sammelbehälter d für die Abgase des Verbrennungszylinders angeordnet. Auch zwischen dem Kompressor und der Verbrennungsmaschine befindet sich ein Sammelbehälter e. Am Ausgang aus diesem letzteren ist ein Drosselventil / angeordnet, mit Hilfe dessen man im Sammelbehälter einen, höheren Druck halten kann, als für den normalen Betrieb erforderlich ist. Dies ist wünschenswert, um den Belastungsänderungen schneller folgen zu können. Der Gang der Abgase und der Verbrennungsluft ist durch Pfeile angedeutet.

Das mit abnehmender Gleichdruckmaschinenleistung abnehmende Verbrennungsluftgewicht vermindert die Vorverdichtungsarbeit, wobei auch das Arbeitsvermögen der Abgase abnimmt. Jedoch bleibt das Arbeits-

Claims (1)

1. vermögen der Abgase stets größer als die Vorverdichtungsarbeit im Gegensatz zu bekannten Maschinen. Bei der neuen Erfindung wird die Arbeitsteilung zwischen Gleichdruckmaschine und Heißluftmaschine zweckmäßig derart vorgenommen, daß die Gleichdruckmaschine in der Hauptsache die nach außen abzugebende Arbeit leistet, weil sie bekanntermaßen erheblich wirtschaftlicher arbeitet wie die Heißluftmaschine.

   Wenn man die Heißluftmaschine nur zur Leistung der Vorverdichtungsarbeit benutzt, macht man sie zweckmäßig mechanisch unabhängig von der eigentlichen Gleichdruckmaschine.

   Mit der Aufteilung in zwei mechanisch unabhängige Maschinen erreicht man den Vorteil, daß man von der Umdrehungszahl der eigentlichen Gleichdruckmaschine unabhängig wird. Man kann dann die Heißluftmaschine, wie es bei großen Anlagen zweckmäßig ist, als Turbine ausbilden.

   Die Regelung des Vorverdichtungsdruckes erfolgt durch Änderung der Leistung des Vorverdichtungskompressors mit Hilfe einer . der bekannten Methoden. Beispiels\veisc kann man bei einem Kolbenkompressor durch Offenhalten der Saugventile während eines Teiles des Kolbenhubes die Ansaugeleistung vermindern.

   Zweckmäßig ist es, zwischen die Vorver- ; dichtungsmaschine und die eigentliche Gleichdruckmaschine einen Sammelbehälter einzuschalten, in welchem durch ein zwischen Sammelbehälter und Gleichdruckarbeitszylinder sitzendes Drosselorgan ein höherer Druck als der gerade erforderliche Vorverdichtungsdruck aufrechterhalten wird..

   Zu der günstigen Beeinflussung der Heißluftmaschine kommt durch die angegebene Regelung noch eine Verbesserung der eigentlichen Verbrennungsmaschine hinzu. Bekanntlich haben infolge der für alle Belastungen gleich großen Kompressionsarbeit die bekannten Gleichdruckmaschinen bei Teilbelastungen einen sehr schlechten mechanischen Wirkungsgrad. Bei der nach der Erfindung geregelten Gleichdruckmaschine wird durch die Herabsetzung des Anfangsdruckes der Verbrennungsluft bei niedrigerer Belastung die Kompressionsarbeit im Gleichdruckzylinder in gleichem Maße vermindert, so daß für alle Belastungen der mechanische Wirkungsgrad annähernd gleich bleibt.

   Der Erfindung gemäß wird die Vorverdichtungsanlage auch zur Erzeugung der Einblaseluft herangezogen. Die Gewichtsmenge der Einblaseluft hängt von der Brennstoffmenge, der Druck der Einblaseluft vom Verbrennungsdruck ab. Beide ändern sich gemeinsam bei Änderung der Anfangsspannung der Verbrennungsluft, und zwar in gleichem Sinne. Es ist daher vorteilhaft, die dem Kompressor für die Einblaseluft zuzuführende Luft der vorverdichteten Verbrennungsluft zu entnehmen. Würde man wie bei den bisher bekannten Maschinen die im Einblaseluftkompressor zu verdichtende Luft der Atmosphäre entnehmen, dann müßte der Kompressor so bemessen werden, daß die für die maximale Leistung der Gleichdruckmaschine erforderliche Luftmenge geliefert wird. Für schwächere Belastung der Gleichdruckmaschine fände eine unnötige Kraftaufwendung statt. Bei der oben angegebenen Einrichtung braucht jedoch bei der Bemessung des Einblaseluftkompressors auf die Leistungsänderung der Gleichdruckmaschine keine Rücksicht genommen zu werden, da diesen Änderungen bereits durch die Vorverdichtung Rechnung getragen wird. Wird nämlich der Vorverdichtungsdruck bei schwacher Belastung herabgesetzt, dann erreicht man gleichzeitig eine erwünschte Verminderung des Einblaseluftgewichtes. Die Lieferung der Einblaseluft regelt sich also in bester wirtschaftlicher Weise von selbst. Außerdem kommt hinzu, daß der Einblaseluftkompressor infolge der Vorverdicbtung auch kleiner wird.

   Die Erfindung ist in gleichem Maße für Zweitakt- und Viertaktmaschinen verwendbar.

   P/, tent-Anspruch:

   Gleichdruckverbrennungsmaschine, · die mit stark vorverdichteter Verbrennungsluft arbeitet (2 bis 4 Atmosphären und mehr für normale Belastung) und bei der zur Regelung der Leistung nicht nur die Brennstoffzufuhr, sondern auch die Menge der Verbrennungsluft verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Menge der Verbrennungsluft durch Änderung der Vorverdichtung bewirkt wird, derart, daß eine die Abgase der Verbrennungsmaschine ausnutzende Heißluft¹ maschine bei allen Belastungen der Verbrennungsmaschine Abgase von annähernd gleicher Temperatur erhält. ■

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.