DE306386C

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Publication number: DE306386C
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Description

AUSGEGEBEN AM 1. OKTOBER 1919

Man hat schon vielfach versucht, die an die Mäntel von Verbrennungskraftmaschinenzylindern übergehende Wärme für· die Erzeugung von Dampf nutzbar zu machen. Ma« hat sich aber bisher nicht getraut, eine solche Einrichtung bei größeren Maschinen anzmvenden und dem erzeugten Dampf eine hohe Spannung von io und mehr Atmosphären zu geben, da die zu erwartenden Betriebsschwierigkeiten zu große waren.

Die vorliegende Erfindung betrifft, nun eine neue Einrichtung für einen stehenden Verbrennungsmaschinenzylinder, die Dampf von hoher Spannung zu erzeugen vermag, dabei aber eine gute Kühlung der Zylinderlauffläche gewährleistet.

Zu diesem Zweck wird der Zylindermantel gemäß der Erfindung mit einem an sich bekannten Kranz von Längskanälen mit Kühiao mittelfüllung versehen und jeder Kanal am oberen Ende unmittelbar, am unteren.mittelbar durch Fallrohre für das Kühlwasser mit einem Kühlmittelraum des Zylinderdeckels verbunden. Durch die Abgabe der Mantelwärme verdampft ein Teil des Kühlwassers in den Längskanälen und das verdampfte Wasser sowie das etwa unverdampft mit fortgerissene werden mittels der Fallrohre durch nachfließendes ersetzt. Die Kühlmittelzuführung kann außerhalb des Zylinders für alle Längskanäle als gemeinsame-s Fallrohr angebracht sein oder jeder Kanal kann für sich ein solches z. B. in Form eines Fieldeinsatzrohres erhalten. Im ersten Falle sind ■ 35 die unteren Enden der Längskanäle miteinander zu verbinden, während im zweiten Falle diese Verbindung nicht notwendig ist.

Die Kanäle werden möglichst eng aneinander und in der Nähe der Zylinderlauffläche angebracht, damit das zum Ableiten der von den Verbrennungsgasen an die Zylinderwand abgegebenen Wärme erforderliche Temperaturgefälle niedrig und die Temperatur der Zylinderlauffläche nur wenig höher als die .Temperatur des Kühlwassers wird. Die Tem- 4-5 peratur der Zylinderlauffläche ist aber nicht allein von der abzuleitenden Wärme und dem Temperaturgefälle in der Zylinderwand selbst·; abhängig, sondern sie wird auch in gewissem Maße von der Wärmeaufnahme'fähigkeit des Kühlmittels bedingt. Für eine gute Wärmeableitung ist eine innige Berührung des Kühlmittels mit den Wänden der Längs- · kanäle und eine große wärmeableitende Oberfläche notwendig. Dabei ist zu beachten, daß der Querschnitt der Längskanäle nicht zu eng ist, denn sonst kann es vorkommen, daß beim Verdampfen das Volumen des Dampfes dasjenige des Wassers übertrifft. Betrachtet man z. B. ein Liter Wasser und verdampft man von diesem den zehnten Teil, so bilden sich bei io Atm. absolut 19,8 Liter Dampf und 0,9 Liter bleiben als Wasser bestehen. Der Dampf befindet sich aber dann nicht mehr in Blasenform im Wasser, sondern es tritt der umgekehrte Fall ein; das Wasser schwebt fein verteilt im 'Dampf, es entsteht - also von einem bestimmten - Raum verhältnis an Wasser schaum. .

Kann nicht genügend Wasser nachfließen,

so .kommt die wärmeabgebende Wand nur mit Dampfblasen in Berührung und wird dann ganz ungenügend, von Wasser benetzt. Eine ungenügende Kühlung und eine Zerstörung : der Zylinderwand und der Kolbenringe ist bei diesem Zustande die Folge.

Am einfachsten lassen sich kreisrunde ' Längskanäle herstellen; diese sind auch im Betriebe am sichersten, denn der Zylindermantel ist gewissermaßen in.einzelne Wasserrohre von kleinem Durchmesser aufgelöst. [ Zwischen der Forderung großen Querschnittes der Längskanäle und derjenigen geringen Abstandes der wärmeabführenden Ober- j fläche von der Lauffläche besteht jedoch ein Widerspruch. Rechteckige Kanäle sind am ; besten imstande-, den vorgenannten Bedin- j gungen zu entsprechen, aber ihre Herstellung ! . · ist umständlich und teuer; dehn man ist dabei gezwungen, den äußeren und inneren Zylindermantel zu teilen, was einerseits dem Verbrennungszylinder mehr den Charakter eines Dampfkessels verleiht, anderseits aber auch große Schwierigkeiten beim Abdichten der beiden Mäntel gegeneinander infolge der verschiedenen Wärmedehnungen mit sich bringt. In Fig. ι und 2 sind Querschnitte durch mit runden Längskanälen versehene Zylinderwände dargestellt. Durch schwarze Schraffur der stehenbleibenden Ecken χ und X₁ ist zu j ersehen, daß bei großem Durchmesser der Längskanäle und großem Querschnitt die mittlere Wandstärke erheblich mehr vgn der bei der rechteckigen Form erreichbaren abweicht als bei kleinem Durchmesser.

Die weitere Ausbildung der vorliegenden Erfindung bezieht sich daher auf eine neue Lösung der Frage, wie es möglich ist, die .runde, leicht herstellbare Form der Längskanäle von kleinem Durchmesser beizubehalten, dabei aber eine gute wasserbenetzte Oberfläche der Kanalwände zwecks kräftiger Kühlung, der Zylinderlauffläche auch bei starker Dampfentwicklung zu erreichen.

Zu diesem Zweck werden die Kühlmittellängskanäle mit Einsätzen versehen, die kanalförmige Räume in diesen abtrennen und in gewissen Abständen voneinander schirm- oder dachartige Wände besitzen. Durch diese | Wände werden die entstehenden Dampfblasen oder wird das entstehende Dampfwassergemisch (Wasserschaum) zum großen Teil stufenweise aus den Wassersäulen in die kanalförmigen Einsätze und von'dort nach

dem Deckelraum abgeleitet. Die schirm- | artigen Wände entsprechen in ihrer Wirkung ! einer Querschnittserweiterung der Kühl- | wasserlängskanäle. Macht man z. B. die ! Kanäle kreisrund und mit einem Durchmesser j

von 30 mm, so ist ihr Querschnitt 7,06 cm². Ordnet man einen Schirm in jeder Bohrung j an, dessen runder Dampfwassergemisch-Abführungskanal den halben Durchmesser wie die Bohrung hat, so gehen für den oberen Kanalteil von dem Querschnitt 1,76 cm² ab und es bleibt ein Verdampfungsquerschnitt von 7,06 — 1,76 = 5,3 cm² übrig. Wird die Lage des Schirmes so gewählt, daß der oberhalb desselben liegende Teil,des Wasserlängskanals auf das Quadratzentimeter ebensoviel Dampf erzeugt wie der untere, dann entspricht diese Unterteilung einer Querschnittsvergrößerung von 75 Prozent.

Die Verwendung mehrerer Schirme in einem Längskanal gestattet eine weitere, in der gleichen Richtung liegende Verbesserung der Verhältnisse. Zweckmäßig wird man so viel Schirme anordnen, daß der Zusammenhang der Wassermasse gewahrt bleibt, der entstehende Dampf also nur in Blasenform in ihr enthalten ist. Bei Zweitaktverbrennungsmaschinen, bei welchen in der Zeiteinheit die doppelte Wärme übergeht und außerdem die Auspuffstege als starke Dampferzeuger wirken, wird man nach vorstehenden Betrachtungen mehr Unterteilungen vornehmen müssen als bei'Viertaktverbrennungsmaschinen. Anderseits unterbrechen die dach- oder schirmartigen Wände die in den Kanälen stehenden Wassersäulen., nicht gänzlich, damit der Kühlmittelzulauf nicht.gestört .wird. Die Kanalwände sind auf diese Weise stets gut -mit Wasser benetzt; es ist dabei in siedendem Zustande, wodurch seine Wärmeaufnahmefähigkeit infolge der wirbelnden Bewegung bedeutend größer als die eines reinen Wasserfadens ist. Schädliche, örtliche Erhitzungen der Zylinderwand werden hierdurch sicher vermieden. Das verdampfende und das von den Dampfblasen etwa mitgerissene Wasser werden durch vom Deckel nachfließendes ersetzt, das man hier durch äußere Fallrohre oder durch Fieldeinsatzrohre den unteren Kanalenden zuführt.

Die Einsätze, werden vorteilhaft trichterförmig ausgebildet, und zwar so,. daß der Trichterhals des unteren blasrohrartig in den ' Trichter des dar überliegenden mündet. Der Widerstand für das Abführen der Dampfblasen und des Wasserschaumes ist bei dieser n₀ Ausbildung gering, er kann noch weiter verkleinert werden, wenn man die Dampfabführungskanäle über dem Flüssigkeitsspiegel in einen Dampfraum ausmünden läßt.

Vor bekannten Kühleinrichtungen, die auch ng . für die Verwertung der Mantelwärme zur Dampferzeugung vorgeschlagen sind und bei denen wasserberührte Kanalwände durch ^Hervorrufen eines Siedeverzuges angestrebt werden, hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß- die Pumpenarbeit für- das Kühlmittel wesentlich geringer ist als sonst, denn

es wird nur so viel Wasser nachgespeist, als verdampft. Die Kühlmitteltemperatur kann dabei bis auf 233 ° und mehr gebracht werden, ohne daß eine Gefahr für die Kolbenringe besteht; der Dampfdruck kann also demnach 30 und mehr Atm. betragen. Hierzu kommt als Folge des.selbsttätigen Wasserzülaufes und der- Verdampfung auf dem ganzen Zylinderlauf hinzu, daß die Kühlwassertemperatur an der Lauffläche oben und, unten gleich hoch ist, so daß sich ein ■ annähernd gleich großer Zylinderdurchmesser über die ganze^Hublänge ergibt, was in den Fällen, in welchen das Wasser unten kalt zugeführt und oben warm entnommen wird, nicht möglich ist.

Das Zuführen des zu verdampfenden Kühlwassers findet zweckmäßig in den Deckelraum statt. Man könnte es aber auch aus besonderen Gründen einem mit dem Deckelraum in Verbindung stehenden besonderen Sammelgefäß zuführen und von hier aus durch Fallrohre den unteren Kanalenden zuleiten, ohne , daß an dem vorliegenden Erfindungsgedanken etwas geändert wird. Das Kühlmittel kann dabei vom erwärmten Deckelraum, je nach dem Verhältnis von zugeführter Wassermenge und Mantelwärme, in Dampfform oder als heißes Wasser abgeführt werden. Selbst wenn die Wassermenge verhältnismäßig groß ist, so daß es durch die Mantelwärme nur hoch vorgewärmt werden kann und von hier . aus erst einem besonderen Dampfkessel zur ■ Verdampfung zugeführt werden muß, tritt in den Kühlwasserkanälen Verdampfen ein. Dieser Dampf schlägt sich dann an dem kälteren Wasser im- Deckelraum wieder nieder. Die Kühlung des Mantels bleibt dadurch eine gleichmäßig gute, ganz unabhängig, ob viel oder wenig Kühlwasser gespeist wird. .

In den Fig. 3 bis 10 der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Fig. 4 ist ein Schnitt nach i-i der Fig. 3. Fig. 6 zeigt⁵ einen Schnitt nach 2-2 der Fig. 5, Fig. 8 einen solchen nach 3-3 der Fig. 7.

A ist der mit Längskanälen α versehene Zylindermantel, B der einen Dämpf- und Wasserraum enthaltende Zylinderdeckel. Die Längskanäle α sind in den Fig. 5' bis 8 am unteren Ende durch einen Ringwulst b miteinander verbunden, oben münden sie in allen Ausführungsbeispielen bei c in den Deckel ein.

Das zu erhitzende bzw. zu verdampfende

Kühlwasser wird bei d dem Zylinderdeckel zugeführt; es fällt in Fig. 3 durch die in der Nähe der ungeheizten Außenwand e angebrachten Fieldeinsatzrohre / nach den unteren Enden der Längskanäle a, die hier durch an dem inneren Zylindermantel g angebrachte Rippen h gebildet werden. In den Längskanälen verdampft ein Teil des Wassers und die entstehenden Dampfblasen . steigen in ihnen wieder nach dem DeckeL Auf diese Weise ergibt sich eine energische Kühlung der Zylinderlauffläche. Vom Deckel B' wird der entstandene Wasserdampf und etwa mitgerissenes Wasser durch Stützen f nach der Verbrauchsstelle geleitet.

In den Fig, 5' bis 8 sind äußere Fallrohre i vorhanden, die das Kühlmittel dem Ringwulst b zuführen, von wo es sich in die einzelnen Längskanäle verteilt. , '75

Die Ausführungsbeispiele der Fig. 5 bis 10 haben besondere Einsätze in den Kühlmittellängskanälen zum Abführen der entstehenden '

Dampf blasen aus den Wassersäulen.

In Fig. 5 ist in den Längskanälen durch eine Wand k je ein Teil davon abgetrennt. 'In bestimmter Höhenlage sind an dieser Wand Schirme I angebracht. In der Achselhöhle der Schirme sind öffnungen m. vorgesehen. Die Schirme I sperren nich't den ganzen Querschnitt des größeren Teils des Längskanals ab, sondern lassen noch einen Spalt η frei. Bei der Verdampfung des Kühlmittels fangen sich die Dampfblasen an 'den Schirmen und treten aus der Wassersäule in den zum größten Teil Dampf enthaltenden,, durch die Wand abgetrennten -Teil der Längskanäle, von wo der Dampf durch Rohr 0 nach dem Dampf- ^: raum des Deckels abgeleitet wird. Durch die stufenweise Abführung "der Dampfblasen ist die Gewähr vorhanden, daß nicht der ganze Längskanal mit Dampfblasen ausgefüllt ist und Wasserschaum entsteht, sondern daß die Kanalwände gut mit Wasser benetzt sind. Das durch das Fallrohr i zufließende Wasser kann stets in reichlicher Menge durch die Spalte η nachfließen, so daß der Kühlmittelzulauf durch die Einsätze nicht gestört wird. Die stufenweise Abführung, der Dampfblasen kommt in ihrer A¥irkung einer Vergrößerung der Kanalquerschnitte gleich.

In Fig. 7 ■ ist der Einsatz trichterförmig gestaltet. Es sind in jedem Längskanal zwei Trichter vorgesehen, durch die jeder .in drei Teile zerlegt ist. Der untere Trichter p__t fängt, die im untersten Teil entstehenden Dampfblasen auf und leitet sie mit seinem Halse q_± in den darüberliegenden usf. Die Trichter p_x, p₂ haben im Durchmesser etwas Spiel in den Kanälen, damit die Wasserzufuhr zu den darüberliegenden Teilen nicht unterbunden ist. Die zuletzt geschilderte An- -Ordnung bietet die geringsten Widerstände für die Dampfabführung.

Man kann den Ringwulst b auch bei den mit Einsätzen zum Abführen der Dampfblasen versehenen Verbrennungszylindern

weglassen, wenn man jeden Längskanal ebenfalls noch mit einem Fieldeinsatzrohr f versieht, wie in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist. _ Die Schirme P₁ und p₂ sind hier ohne Spiel in die Bohrungen α eingesetzt. Das Kühlmittel tritt durch Aussparungen r von der tiefer nach der höher gelegenen Stufe.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Einrichtung zum Nutzbarmachen der bei der Verbrennung an die Mäntel von stehenden Verbrennungskraftmaschinenzylindern abgegebenen Wärme zum Erzeugen hochgespannten Dampfes bei gleichzeitigem' Kühlen der Zylinderlauffläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel mit einem an sich bekannten Kranz von Kühlmittellängskanälen versehen und jeder Kanal am oberen Ende unmittelbar, am unteren mittelbar durch Fallrohre oder' Einsatzrohre mit einem Kühlmittelraum des Zylinderdeckels verbunden ist, um das durch die entstehende Dampfbildung aus den Längskanälen entweichende Kühlmittel zu ersetzen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittellängskanäle einen oder mehrere kanal-■förmige Einsätze mit schirm- öder dachartigen Wänden zum Ableiten der entstehenden Dampfblasen aus den Wassersäulen nach dem Deckelraum erhalten.
3. Einrichtung.nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze zum Ableiten der Dampfblasen trichterförmig gestaltet sind und der Trichterhals des unteren jeweils blasrohrartig in den Trichter des darüber liegenden mündet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen,