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Verbrennungskraftmaschine mit Kühlung der Spülluft. Die Erfindung
betrifft die Art von Verbrennungskraftmaschinen, bei denen Rohre mit Kühlflüssigkeit
zur Kühlung der Luft in einer Kammer untergebracht sind, die an dem Zylinder befestigt
ist. Die gekühlte Luft wird durch die Wirkung des Kolbens komprimiert, bevor sie
zum Zylinder gelangt Gemäß der Erfindung ist die Verbrennungskraftmaschine so ausgebildet,
daß ein genügend großes Volumen an Druckluft gekühlt werden kann, welche für die
Brennstoffladung gebraucht wird, oder die als Spül-oder Auswaschladung Verwendung
findet. Es wird. eine Kühlladung von hochkomprimierter Luft erzielt, welche in die
Verbrennungskammer hineinkommt unter denn Druck und der adiabatischen Expansion.
Dieser Vorgang findet statt, während der Kolben seinen Arbeitshub.beendigt, bevor
das Auspuffventil geöffnet wird, und auch während eines Teiles des Rückgangs des
Kolbens. Die Luftzufuhr tritt gleichzeitig ein, während das Auspuffventil offen
ist und eine Mischung mit den verbrannten Gasen stattfindet, so daß die Rückstände
einer vorherigen Explosion gekühlt werden, ebenso wie der Arbeitszylinder und der
Kolben, wobei eine Spül oder Auswaschladung der Mischungsperiode folgt und gleichzeitig
die folgende Ladung für eine weitere Explosion beeinflußt.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt, und
zwar zeigt Abb. i einen Längsschnitt durch den Zylinder mit dem Kolben und der Steuervorrichtung
einer Verbrennungskraftmaschine, bei welcher eine Kühlkammer mit dem Arbeitszylinder
in Verbindung steht.
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Abb. 2 ist ein Längsschnitt durch eine ähnliche Ausführungsform, wie
sie in der Abb. i veranschaulicht ist, es sind; jedoch zwei Kühlkammern am Zylinder
angeordnet.
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Abb.3 ist ein Schnitt durch das in den Abb. i und 2 dargestellte obere
Gehäuse des Auspuffventils in vergrößertem Maßstabe.
Abb. ¢ ist
ein Schnitt in Linie a-a der Abb. 2.
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Abb. @ ist ein senkrechter Schnitt einer Zweizylinderanordnung mit
einer besonderen Brennstoffpumpe.
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Abb. 6 ist ein Schnitt durch den unteren Teil eines Zylinders mit
einem Doppelkolben auf einer Kolbenstange.
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Bei der Maschine der Abb. i ist das untere Ende des Zylinders i mit
einer Kammer 2 umgeben, in welcher die Kühlschlange 3 oder eine ähnliche Kühlvorrichtung
angebracht ist. Die Kühlschlange wird durch den Einlaß ,4 gespeist, während das
Kühlwasser durch den Einlaß 5 abfließt (Abb. 4). Gleichzeitig ist. ein Rohr 6 zur
Zuführung der Luft vorgesehen. Dieses Rohr wird durch ein selbsttätig wirkendes
Ventil 6a von der Kammer 2 abgeschlossen (Abb.4). Das Ventil 6a kann auch zwangläufig
von der Maschine aus gesteuert werden, es ist während des Arbeitshubes des Kolbens
geschlossen. Die Kammer 2 steht mit dem Zylinder i durch die Kanäle io, io in Verbindung.
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An dem oberen Ende des Zvlinders ist das :'luspuffventil i i angeordnet,
das durch eine Feder 12 beeinflußt wird, welche sich gegen einen Kolben 13 legt,
um das Ventil i i in der normalen Lagre geschlossen zu halten. Oberhalb der Feder
12 und des Kolbens 13 befindet sich eine in ihrer Spannung einstellbare Feder 14,
wobei die Einstellung durch eine Schraube i4d erfolgen kann. Diese Feder legt sich
auf den Kolben 13 und wird durch die Wandungen der Kammer 15 geführt. Die Feder
14 dient dazu, um den Kolben 13 gegen die Ventilfeder '12 zu drücken. Die Spannungen
der beiden Federn 12 und. 14 stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Die
Kammer 18, in welcher die Feder 12 liegt, und die Kammer 2 sind miteinander durch
ein Rohr 193 verbunden, um die Druckluft aus der Pumpenkammer 2 in die Ventilkammer
18 zu führen, so daß sie auf die Unterseite des Kolbens 13 wirkt und das Ventil
i i schließt.
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Die Unterseite des Kolbens 7 ist mit einer Ringnut 76 versehen, in
welche sich ein am Boden 7c des Zylinders befestigter Ring 7b einlegt. Der Ring
7b ist mit Bohrungen 8 ausgerüstet, die mit einem Kanal 1911 in Verbindung stehen,
wobei dieser Kanal durch ein Rohr 19 mit der Kammer 15 über dem Kolben 13 verbunden
ist. Das Ventil i i wird geöffnet, sobald im Rohr i9 ein genügender Überdruck herrscht.
Der Auspuff der Luft aus dier Kammer 15 wird durch ein Ventil 20 gedrosselt, damit
das Auspuffventil i i an seinem Hubende sich nicht schlagartig schließt. Die Anordnung
des: Dämpfungsventils ist in der Abb. 3 dargestellt. Das Rohr i9 mündet in einen
Kanal 2 1 in der Schraube 22, welche in eine Bohrung des Gehäuses 23 eingeschraubt
ist. In diesem Gehäuse befinden sich die beiden Kammern 15 und 18. Die Schraube
22 ist ferner mit einem Kanal 24 ausgerüstet, der rechtwinklig von 4em Kanal ei
ausgeht und in einen weiteren Kanal 25 mündet, der parallel zum Kanal 2 i liegt.
Der Kanal25 steht sowohl mit dem Kanal 24 als auch mit einem Raum 26 am Ende der
Schraube 22 in Verbindung. Der Kana125 wird in seinem Querschnitt durch die als
Drosselventil wirkende Schraube 2o verengt, die in die Wand des Gehäuses 23 eingeschraubt
ist. In dem Raum 26 ist eine Feder 27 angeordnet, welche gegen einen Ventilkörper
28 drückt, der die Mündung des Kanals 21 abschließt.
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Bei der in der Abb. i dargestellten Maschine ist der Zylinder i mit
einem Stutzen 29 ausgerüstet, der sich an die Kammer 2 ansetzt. In diesen Stutzen
ist eine Schraube, wie in der Abb.2 mit 3o dargestellt, eingeschraubt. Durch diese
Anordnung kann das Volumen der Luftkammer :2 geregelt werden, wobei die Einstellung
während des Laufens der Maschine erfolgen kann, um durch Vergrößerung oder Verkleinerung
des Volumens den Luftdruck in der Kammer 2 zu regeln.
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Die Wirkungsweise der Ausführungsform nach Abb. i ist folgende: Wenn
sich der Kolben 7 während des Explosionshubes nach unten bewegt, wird die unter
dem Kolben befindliche Luft komprimiert. Ein Teil der Luft wird durch das Rohr igb
in die Kammer 18 gedrückt, um das Auspuffventil i i geschlossen zu halten. Ein anderer
Teil der Luft strömt durch das Rohr i9. Da aber der Druck in den beiden Rohren 1g
und 195 beim Niedergang des Kolbens gleich ist, wird das Auspuffventil oder der
mit ihm verbundene Steuerkolben 13 von der durch das Rohr i9 strömenden Luft nicht
beeinflußt, sondern das Auspuffventil i i wird durch die Feder 12 geschlossen gehalten.
Hat aber die Ringnut 711 des Kolbens den Ring 7b erreicht, dann wächst beim weiteren
Niedergang des Kolbens der Druck in -dem Kanal 8, in dem Ringraum igc, in dem Kanal
iqa und in dem Rohr 1g allmählich an. Ist dann der Kolben über die erste Reihe der
Durchlässe to hinweggegangen, so daß diese mit dem Zylinderinnern in Verbindung
treten, dann strömt die in den Kammern 2 und i8 befindliche Druckluft in den Zylinder,
um bei noch geschlossenem Auspuffventil die verbrannten Gase zu kühlen. Alsdann
werden die Verbrennungsrückstände durch die nachdringende Luft restlos ausgespült.
Das Auspuffventil i i wird geöffnet, dz nur noch die durch das Rohr i9 strömende
Druckluft auf die Oberseite
des Kolbens 13 wirkt. Das Auspuffventil
wird durch den in dem Rohr i9 wirkenden Druck so lange offen gehalten, bis der Kolben
wieder bei seinem Aufgang die obere Reihe der Durchlässe io schließt. Alsdann wird
auch das Ventil ii wieder geschlossen, da die in dem Raum 15 enthaltene Druckluft
allmählich durch die Kanäle 25, 2:1 in das Rohr i9 entweicht oder zurückströmt,
wobei dieser Kanalquerschnitt durch die Schraube 2o gedrosselt werden kann. ' Bei
einem weiteren in der Abb. z veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind zwei Kühlkammern
angeordnet. Dieselben können gleich große oder verschiedene Volumina haben. Die
zweite Kammer ist mit Bezug auf den Zylinder höher angeordnet als die erste Kammer,
und es dient die zweite Kammer zur weiteren Kühlwirkung. Die in der oberen Kammer
enthaltene Luft wirkt zuerst als Ausspüllad'ung, da diese Kammer zuerst geöffnet
wird. Die Bezugszeichen dieser Kammer und der Verbindungen sind dieselben wie bei
der Ausführungsfarm der Abb. i. Eine oder beide Kammern 2 können auch höher herauf
am Zylinder angeordnet werden. Der Kolben 7 ist hohl ausgebildet und mit Durchlässen
8a versehen, welche den hohlen Kolbenteil durchdringen.
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Mit dieser Maschine ist eine in den Zeichnungen nicht weiter dargestellte
Pumpe verbunden, die zur Regelung der Brennstoffzufuhr dient. Der Brennstoff kann
unter Druck gekühlt werden, um den. Kompressionswiderstand zu verringern. Der Brennstoff
wird am Einlaß 9 am oberen Ende dies Zylinders eingespritzt.
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Die Wirkungsweise der in Abb.2 dargestellten Maschine ist folgende:
Der Kolben 7 befindet sich am Ende seines Arbeitshubes. Der Zylinder und die Luftkammern
? sind mit Luft gefüllt und alle Ventile geschlossen. Der Kolben 7 hat sich vorher
unter der Explosionswirkung nach unten bewegt lind die in dem Raum unter dem Kolben
und Luftkammern z befindliche Luft verdichtet. Die Gase expandieren in dein Zylinder
i, und der Kolben deckt schließlich die oberste Reihe der Durchlässe io der Luftkammer
z zu, wodurch die in den Kammern befindlichen Luftmengen voneinander abgeschlossen
werden. Beim weiteren Niedergang des Kolbens wächst nun der Druck in der unteren
Luftkammer an. Wenn der Kolben sich dem Ende seines Explosionshubes nähert und auch
die zweite Reihe der Durchlässe io schließt, wird die Spannung in der unteren Luftkammer
2, in dem Rauar unter dem Kolben und in dem Durchlaß iga weiter vermehrt. Von dieser
Stellung an ist nur noch eine kleine Bewegung des Kolbens notwendig, um auch die
unterste und dritte Reihe der Durchlässe io abzuschließen. Die Luft in dem Raum
unter dem Kolben ist dann vollkommen abgetrennt von der Luft in der unteren Kühlkammer
2. Die Wirkung der in den Rohren i9 und igb befindlichen Luft auf .die Steuerung
des Ventils i i ist dieselbe, wie bei der Ausführungsform der Abb. 1.
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Durch die Kühlung der in den Kammern :2 befindlichen Luft, welche
unterkühlt worden ist, wird der Zylinder, sobald die öffnungen io nach der Explosionsseite
des Kolbens hin offen sind, mit gekühlter Luft angefüllt. Diese Luft mischt sich
mit den verbrannten Gasen, wodurch eine große Menge von Wärme verbraucht wird. Gleichzeitig
werden Kolben, Zylinderwandung, Verbrennungskammer und Auspuffventil einer gründlichen
Kühlung unterzogen.
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In der Abb. 6 ist der Zylinder i mit einem zweiten kürzeren und im
Durchmesser kleineren Zylinder ia versehen, in dem sich der entsprechend kleinere
Kolben 7b bewegt, welcher eine Fortsetzung der Kolbenstange 35 ist. Der Hilfszylinder
ist in diesem Falle mit dein Rohr i9 verbunden durch den Einlaß ioa, der sich am
unteren Ende des Zylinders ia befindet.
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Bei dieser Ausführungsforen tritt folgender Zustand ein: Wenn der
Arbeitskolben ungefähr den halben Explosionshub zurückgelegt hat, tritt der kleine
Kolben 7b in den Zylinder ia ein und schließt die in dem Zylinder ia befindliche
urgekühlte Luftmenge ab, welche zunächst unter demselben Drück wie in den Kühlkammern
steht, deren Druck aber dann allmählich zunimmt. Bei dieser Ausführungsform werden
die durch den Druck beeinflußten Steuerorgane, d. h. die Ventile, urabhängig von
dem Druck in der Luftkammer 2, nur von .dem Druck in dem Rohr i9 beeinflußt. Sobald
der kleine Kolben 7b sich im Zylinder ia mit dem Arbeitskolben zusammen nach oben
bewegt, sinkt der Luftdruck in dem Rohr i9 ganz allmählich. Dieses Sinken des Luftdruckes
erstreckt sich über eine verhältnismäßig lange Zeitperiode, bis der Kolben 7b den
Zylinder ia verläßt, worauf der Druck sehr schnell sinkt auf den Druck im Arbeitszylinder
unterhalb des Kolbens. Der Druckwechsel in dem Durchgang 1911, in dem Rohr i9 und
entsprechend in der Kaminer 15 vollzieht sich langsamer und nicht stoßweise, wie
bei den in Abb. i und 2 dargestellten Ausführungsformen.
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Eine weitere Ausführungsform ist in der Abb.5 veranschaulicht. Bei
dieser ist eine doppelt wirkende Hilfspumpe 36 verwendet, bei der die eine Seite
den angereicherten gekühlten oder urgekühlten Brennstoff zuführt.
Dieser
Brennstoff oder auch ein Geinisch von Luft und Brennstoff wird in die Verbrennungskammer
des Zylinders gefördert. Die andere Seite des Pumpenkolbens dient zur Luftzufuhr
für die Luftkammern -2. D,ie Pumpe ist ferner mit einem Rohr 41 versehen, welches
ein Ventil trägt, wobei durch das Rohr die beiden Enden des Pumpenzylinders 36 miteinander
verbunden werden. Das an dem Rohr befestigte Ventil ist mit 42 bezeichnet; es wird
durch einen einstellbaren Handhebel 43 gedreht, wodurch die Anreicherung des Brennstoffes
oder des Geinisches durch einen Umlauf der Luft von der Luftseite auf die Brennstoffseite
des Kolbens 37 erfolgen kann.
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Die Stopfbuchse 33 (Ahb. 5) des Arbeitszylinders und der Kolbenstange
ist mit einer Ausnehmung 34 versehen, durch welche das Kühlgemisch hindurchfließt,
so da,ß eine ausgiebige Kühlung der Kolbenstange stattfindet. Die doppelt wirkende
Pumpe kann größer ausgebildet werden, als es für die Wirkung unbedingt notwendig
ist, so daß eine besonders große Luftmenge- in den Zylinder gebracht wird. Diese
Luft, gemischt mit den im Zylinder verlbleibenden verbrannten Gasen, wird zum Antrieb
einer Hilfsturbine verwendet.
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Der Kolben 37 der doppeYt wirkenden Pumpe saugt bei seiner Bewegung
nach unten den Brennstoff durch ein Ventil an, welches den Einlaß 38 regelt, der
sich an der oberen Seite des Zylinders befindet, und drückt die Luft in die Luftkammern
2 von der Unterseite aus, während beim Aufwärtshub der Kolben Luft in den unteren
Pumpenraum ansaugt. Diese Luft tritt durch den an der Unterseite befindlichen Einlaß
39 ein und wird durch ein Ventil geregelt. Von der Oberseite des Kolbens
wird der Brennstoff in den Zylinder i durch das Ventil 5o gedrückt, welches sich
am oberen Ende des Zylinders befindet und mit einer Kühlvorrichtung 51 versehen
ist. Das Brennstoffluftgemisch strömt am gehobenen Rückschlagventil4o vorbei und
durch den Einlaß g. Die Einlaßventile-38 und 39 der Pumpe sind während der
Druckhübe des Kolbens 37 geschlossen, während das Ventil lib beim Niedergang des
Kolbens 3.7 offen ist.
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Das Ventil4o ist mit ähnlichen Vorrichtungen versehen wie das Auspuffventil
i i der Maschine der Abb. i und 2. Das Ventil 40 wird geöffnet, wenn der Druck des
Brennstoffes oder des Brennstoffluftgemisches an der Unterseite des Ventils 40 größer
ist als die Wirkung der Luft auf den mit den Ventilen in Verbindung stehenden Kolben.
Die Kamin er i5° über diesem Kolben ist durch ein Rohr 44 mit dem Rohr ig verbunden
und ist die Wirkung dieselbe wie bei der Ausführung der Abb. i.
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Wie in der Abb. 5 rechts veranschaulicht, ist die untere Zylinderseite
mit der oberen Kammer -- nur dann verbunden, wenn der Kolben 7 im Zylinder die Öffnung
io freigibt. Je nach der Größe dieser Kammer 2, die mit den Kühlorganen versehen
ist, kann ein Luftdruck von zwei, drei oder mehreren Atmosphären erreicht werden,
wobei diese Luft mit dem Brennstoff als Explosionsladung dient. Die unter diesem
Druck stehende Luft steuert gleichzeitig das Auspuff- und Einlaßvenil. Gemäß der
Erfindung ist es möglich, eine derartige Menge von gekühlter Luft zur Verminderung
der Temperatur der verbrannten Gase einzuführen, daß diese Gase zur Verwendung in
einer Gasturbine geeignet sind.