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Verfahren zum Betriebe von Heißluftmotoren mit innerer Verbrennung.
Es sind Heißluftmotorenanlagen bekannt, bei denen -die Arbeitsluft durch eine mit
Mantelkühlung versehene einstufigeLuftpumpe verdichtet, darauf einem Erhitzer zugeführt
und nach Erhöhung der Temperatur zur Arbeitsleistung ausgenutzt wird. Der Zweck
der Mantelkühlung war, .die Verdichtung isothermisch durchzuführen. Die Wärmeentziehung
durch den Zylindermantel der Luftpumpe ist indessen so gering, daß die Verdichtung
trotz der Kühlung nahezu adiabatisch erfolgte. Die Anlagen arbeiten nur mit einer
geringen Spannung. Wurde eine höhere Spannung vorgesehen, so erhöhte sich infolge
der nahezu adiabatischen Verdichtung auch die Temperatur der verdichteten Arbeitsluft,
so daß dieser
bis zu einer bestimmten Höchsttemperatur mir eine
geringere Wärineinenge zugeführt «-erden konnte. Eine größere Leistung wurde also
hiermit nicht erzielt. Hieran änderte auch nichts der Vorschlag, durch Einspritzung
von Wasser die Verdichtungstemperatur herabzusetzen.
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Da die erwähnten Motoren unwirtschaftlich arbeiten, sind sie durch
den Dieselmotor vollständig verdrängt.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, durch das die Leistung des Arbeitszylinders
und der Wirkungsgrad des Luftmotors erhöht wird. Die Arbeits:uft wird außerhalb
des Arl,eitszyl-inders durch eine mehrstufige Luftpumpe mit Benutzung von Zwischenkühlern
an sich bekannter Weise isotlierinisch hoch verdichtet und delle Arbeitszylinder,
in dessen kleinem Kompressionsraum Restgase oder Frischluft bis zur Zündtemperatur
des Brennstoffes adia@batisch verdichtet sind oder durch die eintretende Arbeitsluft
verdichtet werden, zugeführt und hier durch Einführung und innere Verbrennung von
Brennstoff erhitzt. Dieses Verfahren kann dadurch verbessert «erden, daß die von
der mehrstufigen Luftpumpe kommende hoch verdichtete Arbeitsluft vor ihrer Einführung
in den Arbeitszylinder durch die Abgase des Motors vorerlritzt wird, so daß die
Wärine der Abgase ausgenutzf und die mit ihnen abgeführte Wärme verringert wird.
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Es wird dann in der Nähe des Totpunktes Brennstoff zugeführt und darauf
die außerhalb des Zylinders isothermisch verdichtete Luft zum Zylinder einge:assen.
Hierbei mu.ß aber die Arbeitsluft eire nahezu gleiche oder höhere Spannung erhalten
wie der für die Zündung des Brennstoffes erforderliche Verdichtungsdruck im Zylinder.
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Die Zeichnung zeigt in Abb. i eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete
Motorenanlage, Abb. 2 ein dem neuen Verfahren entsprechendes Arbeitsdiagramm, Abb.3
ein Veraleichsdiagranim eines Dieselmotors.
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Es bezeichnet Z' den einfach. wirkenden, mit Ventileinlaß und Schlitzauslaß
ausgerüsteten Luftkraftzylinder. Die Arbeitsluft wird voll einer mehrstufigen Luftpumpe
P angesaugt tinrl in drei Stufen, zwischen welche Zwischenkühler eil, K_ eingeschaltet
sind, hoch verdichtet. Durch die Zwisaienküliler wird das Luftvolumen und damit
die \-erdichtungsarbeit wesentlich verringert, außerdem wird bei der mehrstufigen
Luftpumpe die Zylinderkühlfläche vergrößert und damit die Wirkung der Zylinderkühlung
erhöht. Der Antrieb der Luftpumpe erfolgt durch eine Dampfmaschine, im dargestellten
Ausführungsbeispiel durch eine Gleichstromdampfmaschine Z". Der für den Betrieb
dieser Dampfmaschine erforderliche Betriebsdampf wird erzeugt in einem Kessel K,
der beliebig, z. B. als Siederohrkessel, ausgebildet sein kann. Der vom Kessel kommende
Dampf wird durch einen in der Rauchkammer des Kessels eingebauten fiberhitzer D
überhitzt und gelangt dai»i zur Dampfmaschine.
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Der Betrieb der Anlage gestaltet sich wie folgt: Die von der Pumpe
angesaugte Luft gelangt aus der ersten Stufe zu einem Zwischenkühler K, von hier
zur zweiten Stufe und <<: e'tcr zu einem Zwischenkühler K_ und wird schließlich
in der letzten Stufe hoch verdichtet durch eine Rohrleitung zu einem Lberhi.tzer
I_ geführt, der hinter den Dampfüberhitzer D in die Rauchkammer eingeschaltet ist.
:1us dein ersten Teil des L berhitzers L tritt die Luft in seinen zweiten Teil L',
der vor dein Dainpfü.berhitzer D in die Rauchkammer eingebaut ist und infolgedessen
von den heißesten Rauchgasen bestrichen wird. Die hoch verdichtete und überhitzte
Luft tritt dann durch das Ventil E zum Zylinder Z'. Im Totpunkt oder während der
Füllung des i\Iotorzylinders wird durch das Brennstoffventil B Brennstoff zugeführt,
der :ich in der heißen Luft entzündet und das Arbeitsvermögen der Luft vergrößert.
Die zum Zerstäuben des Brennstoffes erforderliche Luft wird der Luftleitung vor
ihrem Eintritt in den Luftüberhitzer L entnommen und durch eine besonders kleine
Luftpumpe F auf eine höhere Spannung gebracht und in den Behälter C gepreßt, der
durch eine Leitung mit dem Brennstoffventil B in Verbindung stellt. Nach der Expansion
der mit Verbrennungsgasen gemischten Luft entweicht diese zum größten Teil durch
die Auslaßschlitze S.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, die voll der letzten Luftpulnpenstufe
kommende Luft einem besonderen Cberhitzer zuzuführen, da die in dem Arbeitszylinder
des Heißluftinotors verbliebene Luft infolge der hohen Anfangstemperatur und des
geringen schädlichen Raumes nach der Verdichtung eine so hohe Temperatur besitzt,
daß der eingespritzte Brennstoff mit Sicherheit zur Entzündung kommt.
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Infolge der Verdichtung außerhalb des Arbeitszylinders kann der Verdichtungsraum
klein gehalten werden. Der Luftmotor arbeitet im Zweitakt. Eine besondere Spülpumpe
ist nicht unbedingt erforderlich. Uni beine Rückgang des Kolbens eine durch die
geringe Bemessung des kleinen schädlichen Raumes etwa bedingte übermäßig hohe Verdichtung
zu vermeiden, ist im Zylinderdeckel eile Auslaßventil A angebracht, mit dessen Hilfe
die Verdichtungsperiode derart geregelt wird, daß die verdichtete Luft im Totpunkt
die
Zündungstemperatur des Brennstoffes sicher erreicht. Nachdem im Totpunkt Brennstoff
zugeführt ist, wird die außerhalb des Zylinders durch die mehrstufige Luftpumpe
isothermisch höher verdichtete Luft in den Zylinder gelassen und hier durch den
Brennstoff erhitzt. Durch. die hohe isothermische Verdichtung der Arbeitsluft wird
auch die Nutzleistung des Motors erhöht.
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Die Verbindung des Motors mit der Dampfmaschinenanlage gewährleistet
den Vorteil, die Abgase des Kessels zur Luftüberhitzung heranzuziehen. Die Auspuffgase
des Motors werden, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, durch die Leiturig G in
die Rauchkammer eingeführt, und zwar an einer Stelle, wo diese etwa die gleiche
Temperatur besitzt wie die Auspuffgase. Durch diese Maßnahme tragen .die Auspuffgase
außer zur Überhitzung zur Verstärkung des Feuerungszuges und zur Reinigung der Überhitzer
von Flugasche bei.
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In Abb. z ist ein Diagramm der Luftpumpen- und Zylinderarbeit nach
dem Verfahren unter Vernachlässigung der schädlichen Räume dargestellt. Das Ansaugen
in der ersten Stufe der Luftpumpe erfolgt nach Linie a, b, die Verdichtung
nach der nur wenig von, der Adiabate abweichenden Polytrope b, c. Nachdem das Volumen
der Luft durch den Kühler K in der durch die Linie c, d
dargestellten Weise
verringert ist, wird sie in der zweiten Stufe nach Linie d, e. und nach nochmaliger
Volumenverringerung durch den Kühler K. - Linie e, f - in, der dritten Stufe nach
der Linie f, g verdichtet. Hierauf wird die Luft in den Lufterhitzer gedrückt (im
Diagramm Linie g, la). Im Lufterhitzer sowie durch die Verbrennung im Zylinder wird
das Luftvolumen auf die Füllung des Arbeitszylinders hin vergrößert. Hieran schließt
sich die Expansion nach Linie i, k und daran: die Vorausströmung k,
1. Der Austritt erfolgt nach. Linie 1, a. Die nutzbare Arbeit ergibt
sich aus der Fläche b, c, d, e, f, g, i,_ k, 1, b.
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In Abb.3 ist das Arbeitsdiagramm eines Dieselmotors dargestellt unter
der Annahme, daß die durch Brennstoff zugeführte Wärme im Totpunktbei höchster Spannung
übertragen würde. Hier ist die Arbeitsfläche U, o, p, q, n kleiner
als die Arbeitsfläche nach Abb. a.
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Da nach dem Verfahren der Verdichterzylinder vom Luftzylinder unabhängig
ist, kann entweder durch Vergrößerung des Verdichterzvlinderhubvolumens die Wärme
mehr zur Leistungserhöhung oder nach Verkleinerung mittels der Abgase im Erhitzer
ausgenutzt werden. In beiden Fällen wird die mit den Abgasen abgeführte Wärme verringert.
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Auch die für die Leistungseinheit mit dem Kühlwasser abgeführte Wärme
ist kleiner als beim Dieselmotor, da die Leistung bei gleicher Anfangstemperatur
größer als bek diesem ist.
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Im Arbeitszylinder bleibt während- der Füllungsperiode die Spannung
eine Zeitlang annähernd gleich. Während dieser Zeit kann bei hoher Spannung die
Wärmeabgabe stattfinden; im Dieselmotor dagegen tritt gleich nach Überschreitung
desTotpunktes ein Spannungsabfall ein.