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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Betriebsgas für Brennkraftmaschinen.
Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung eines überhitzten trockenen Gases,
das in Verbrennungskraftmaschinen oder in Verbrennungskammern Verwendung finden
soll. Gegenstand der Erfindung ist es, ein brennbares Gasgemisch aus flüssigen Kohlenwasserstoffen
gemischt mit Luft, und zwar zweckmäßig bei hoher Temperatur, zu gewinnen, und zwar
in solcher Beschaffenheit, daß sich ein durchaus beständiges Gas ergibt, das bei
der Einführung in eine Verbrennungskraftmaschine in vollkommen gasförmiger Gestalt
verbleibt.
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In die_er Hinsicht unterscheidet sich das nach der Erfindung erzeugte
Gas von solchem, das nach dem zur Zeit weit verbreitet(n Naßmischverfahren hergestellt
wird. Nach diesem Verfahren wird der Flüssigkeitsstrahl zu--ammen mit der Luft,
die meist nicht vorher erhitzt wird, durch den Einführungskanal in den Zylinder
der Maschine gebracht, so daß die Teilchen im Augenblick des Eintretens in den Zylinder
flüssig oder doch nur zum Teil verdampft sind. Wenn eine Ladung dieser Art in den
Zylinder gebracht wird, so schlägt sich fast immer ein erheblicher Teil des flüssigen
Brennstoffes und des Dampfes nieder, insbesondere während des Saughubes. Wenn nun
die Ladung durch den elektrischen Funken entzündet wird, verpufft augenblicklich
nur derjenige Teil der Ladung, der gasförmig oder nahezu gasförmig ist, während
die Flüssigkeitsteilchen, die sich auf der Oberseite de:; Kolbens gesammelt haben,
erst durch die Explosionswärme verdampfen oder teilweise verdampft werden und nach
der ersten Explosion verbrennen, während der Kolben schon im Niedergang ist. Diese
langsame Verbrennung des Gemisches in den Maschinenzylindern verursacht nicht nur
einen Verlust an Kraft und Wirkungsgrad, sondern trägt erheblich zur Bildung eines
Kohlenniederschlages auf der Kolbenoberfläche und im Zylinder bei. Sie wirkt weiter
schädlich dadurch, daß die übermäßige Erhitzung, die zum falschen Zeitpunkt erfolgt,
auf die Verbrennung oder Verkohlung des Schmierstoffes und die der Metallwandungen
hinwirkt und demgemäß die Reibung zwischen Kolben und Zylinder vermehrt, woraus
dann wieder ein übermäßiger Verbrauch an Schmieröl, ein Verlust bei der Kompression
und eine Verdünnung des Schmieröls mit dem flüssigen Brennstoff folgt.
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Lm diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wird nach der Erfindung hochüberhitzte
Luft mit der geeigneten Menge des flüssigen Kohlenwasserstoffes in Dampf oder flüssiger
Form beladen und dann der Brennstoffgemischstrom einer Art Kne:prozeß unterworfen
und absatzweise und wiederholt erhitzt, bis er in dem Augenblick, in dem er in den
Maschinenzylinder eintritt, in ein durchaus gleichförmiges überhitztes trockenes
Gas umgewandelt ist, das während und nach der Einführung in den Zylinder in diesem
Zustand verbleibt.
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Es ist bekannt, daß die Temperatur einer Gasmenge bei der Kompression
erhitzt wird, während sie b_@i der Expansion Wärme aus der Umgebung aufnimmt oder
ihre Temperatur vermindert. Wenn ein Gas der in Rede stehenden Art sich nahe seinem
Sättigungspunkt befindet, so scheidet sich Flüssigkeit ab, wenn es nur ganz wenig
abgekühlt wird. Ein Gasgemisch aber, das nach der Erfindung dargestellt ist, befindet
sich in einem so vollkommen einheitlichen Zustand und ist auf einen solchen Grad
überhitzt, daß es selbst Lei Einführung in den Zylinder und der darauffolgenden
Expansion gasförmig bleibt. Es verhält sich also während des Kompressionshube- wie
ein vollkommenes Gas und wird durch die Kompression noch höher erhitzt. Bei Gebrauch
der nach der Erfindung hergestellten Gasmischungen kann man daher bei höherer Temperatur
und mit dünneren Mischungen arbeiten, ohne daß die Gefahr der Vorentzündung oder
der langsamen Verbrennung nach der Entzündung eintritt.
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Es wird gegenwärtig mehr und mehr augenscheinlich, daß die Ausbeute
an Mineralölen
nicht annähernd in demselben Verhältnis zunimmt wie
der Verbrauch dieser Öle in den Verbrennungskraftmaschinen. Man ist daher darauf
angewiesen, Ersatzstoffe für die Herstellung von Gemischen aus Brennölen mit anderen
flüssigen Kohlenwasserstoffen zu finden, um den Bedarf decken zu können. Im Verfolg
dieser Bestrebungen werden zuweilen »hybrid«-Mischungen, wie man sie nennt, aus
Gasolin und Alkohol, auch Benzol, verwendet und Mischungen verschiedengradiger Brennöle,
deren Bestandteile sehr verschiedene Verdampfungstemperaturen haben.
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Die gebräuchlichen Naßmischmethoden versagen bei Benutzung dieser
»hybrida-Mischungen, ebenso gegenüber niedriggradigen Brennstoffmischungen. Das
Verfahren nach der E-findung ist jedoch teilweise gerade für die Behandlung von
Mischungen dieser Art bestimmt. Es hat sich ergeben, daß nach diesem Verfahren die
verschiedenen Bestandteile derartiger Mischungen von Stufe zu Stufe verdampft und
vergast werden können, wenn sie durch einen Apparat gegeben werden, in dem der Gasstrom
abwechselnd expandiert und komprimiert wird und dabei seine Form ändert. Weiter
bezieht sich die Erfindung darauf, die Mischung ihrer ganzen Menge nach in dem Augenblick
zu erhitzen, in dem sie sich ausbreitet oder expandiert.
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Es ist eine wohlgekannte physikalische Tat- . sacke, daß Gase die
Wärine nicht leicht durch Leitung aufnehmen. Demgemäß wird, wenn ein zylinderförmiger
Gasstrom oder Gasgemischstrom von einem Heizmantel umgeben ist, nur derjenige Teil
der Gassäule erwärmt, der sich in Berührung mit den Wandungen dir Leitung befindet.
Wenn indessen die Gassäule abgeflacht wird oder wenn die Wandungen der Gaskammer
oder der Gasleitung an einer Stelle in eins zusammenlaufen, so daß dort . eine dünne
Gasschicht entsteht, so wird. die Mischung durch Erhitzung der Wandungen durch und
durch erwärmt und kann schnell auf sehr hohe Temperaturen gebracht werden. Bei Ausführung
der Erfindung ist von dieser Eigenschaft Gebrauch gemacht zur Unterstützung der
Verdampfung und Vergasung des Strahles aus flüss#gem Brennstoff, der in die heiße
Luft eingespritzt wird, wenn diese den Einlaßkanal in den Zylinder der Maschine
oder im allgemeinen in die Verbrennungskammer durchströmt.
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Es ist ebenfalls bekannt, daß ein Strom von Gas oder von mit Dampf
beladenen Gasen, deren einzelne Teile verschiedene Dichtigkeiten oder Temperaturen
haben leicht geschichtet bleiben und in diesem Zustand verbleiben, bis man sie durch
geeignete physikalische Mittel wieder gemischt oder einheitlich gemacht hat und
die entstandenen Tropfen oder Kügelchen von Flüssigkeit wieder auflöst. Demgemäß
werden nach der Erfindung die Mischungen in einem Abschnitt des Verfahrens geschüttelt,
um dadurch die Flüssigkeitsteilchen vollständiger zu atomisieren und Schichtenbildung
zu verhindern. Die folgenden Abschnitte können einem Knetprozeß verglichen werden,
weil das Brennstoffgemisch, gepreßt rund ,_usammengedrückt, zweckmäßig in zylindrischer
Form, und dann in Schichtform, ausgebreitet wird, worauf es etwas expandieren kann
und, zu gleicher Zeit erhitzt wird. Diese Behandlung des Brennstoffgemisches hat
die Wirkung, es vollständig zu vergasen und die Mischung einheitlich zu machen.
Der letzte Schritt, die Erhitzung, wird angewendet, um das Gasgemisch, dessen Bestandteile
gasförmig geworden sind, so weit zu überhitzen, um es in Gasform zu erhalten, bis
es in den Zylindern der Maschine oder sonstigen Verbrennungskammern ausgenutzt wird.
Bei Ausführung des Verfahrens können selbstverständlich verschieden ausgebildete
Vorrichtungen Verwendung finden, und die Erfindung soll auf eine bestimmte Vorrichtung
der erwähnten Art nicht beschränkt sein. Als Beispiel und zur Erläuterung des Verfahrens
sind in den beiliegenden Zeichnungen Vorrichtungen dargestellt, die zur Ausführung
geeignet sind und mit Hilfe -derer man ein überhitztes trockenes Gas für Verbrennungskraftmaschinen
oder zur Benutzung in sonstigen Verbrennungskammern herstellen kann.
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In den beiliegenden Zeichnungen stellt Abb. 1 einen Längsschnitt durch
eine Vorrichtung dar, die zur Ausführung des Verfahrens dienen kann. Abb. 2 zeigt
einen Längsschnitt durch einen Teil der Vorrichtung nach Abb. r um go° gedreht.
Abb. 3 stellt eine Gesamtansicht, teilweise im Schnitt, einer derartigen Vorrichtung
in Zusammenhang mit einer Verbrennungskraftmaschine dar, und Abb. q. ist ein w2gerechter
Schnitt durch einen Arm des Einströmungsrohres, Abb. 3.
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Als Grundlage für die in den Abb. 1 und 3 dargestellte Vorrichtung
ist ein Vergaser gewählt, der im wesentlichen dem in der amerikanischen Patentschrift
1163223 vom 7. Dezember 1g15, beschriebenen entspricht. Jedoch kann selbstverständlich
auch irgendein anderer Vergaser Verwendung finden, in dem hocherhitzte Luft mit
fein verteiltem Brennstoff angereichert wird. In dieser Ausführungsform eines Vergasers
bezeichnet 1 den Behälter, aus dem das Brennöl durch einen Kanal 2 den Düsen 3 und
q zugeführt wird. Die Düse 3 sitzt in der Mittelachse eines Venturirohres 5, dessen
unteres Ende sich in einen primären Luftkanal 6 eröffnet, durch dessen Einlaßöffnung
7 hocherhitzte Luft aus irgendeiner Quelle eingeführt werden kann. Die
Sekundärdüse
q. ist seitwärts von dem Venturirohr 5 angebracht und ragt in einen Hilfskanal 8
hinein, dessen Einlaßöffnung 9 mit dem in üblicher Weise ausgeführten federbelasteten
Ventil io versehen ist. Die Hilfsluft, die in die Öffnung 9 eingeführt wird, ist
zweckmäßig ebenfalls hocherhitzt. Dieser Hilfsluftstrom mengt und vereinigt sich
mit dem Hauptluftstrom unter dem Drosselventil. Die Vorrichtung zur Erhitzung der
Luft ist nicht mitdargestellt, sie kann von irgendeiner beliebigen Ausführungsart
sein.
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Die Auslaßöffnung der Mischkammer des Vergasers ist zweckmäßig nach
Art des Venturirohres gestaltet, wie bei ii ersichtlich, unter der Stelle des geringsten
Querschnittes ist ein zentral eröffnendes Drosselventil 12 vorgesehen. Das obere
Ende des Vergasers ist mit Flanschen 13 versehen, an die in der üblichen Weise das
Einströmungsrohr angeschlossen ist. Nach Abb. i ist angenommen, daß der Vergaser
mit einer Kette von abgeflachten Leitungen verbunden ist, die abwechseln mit Leitungen
von kreisförmigem Querschnitt oder Venturiröhren, wobei der Einfachheit halber angenommen
ist, daß die Leitung in gerader Linie verläuft.
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Nahe dem Drosselventil und zweckmäßig am unteren Ende der Leitung
14 ist ein mechanischer Mischer 15 von geeigneter Ausführungsart vorgesehen, z.
B. ein solcher, wie er von Schlayer angegeben ist (amerikanische Patentschrift 1007010).
Diese Form eines rotierenden Mischers hat die Eigenschaft, die Brennstoffe in lebhafte
Wirbelung zu versetzen und die Brennstoffteilchen, die in dem hocherhitzten Luftstrom
fortgeführt werden, aufzulösen und sie bis zu einem solchen Grade in ihre kleinsten
Teilchen zu zerlegen, daß sie höher erhitzt und vollständig vergast werden können.
Dieser Teil der Leitung ist zweckmäßig umgeben von einem Mantel 17, der durch Hindurchleitung
der Abgase oder durch andere geeignete Mittel erhitzt werden kann.
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Unmittelbar folgend auf den erwähnten Teil 14 der Leitung ist ein
abgeflachter Teil 16 angebracht, der in Abb. 2 im Querschnitt dargestellt ist und
in dem die Mischung in Schichtform ausgebreitet wird. Dieser abgeflachte Teil 16
der Leitung ist wieder in einem Mantel eingeschlossen, wie der beschriebene Mantel
17, und dadurch kann die Mischung auf beiden Seiten erwärmt werden.
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Unmittelbar hinter dem flachen Kanalstück 16 der Leitung ist ein Durchlaß
18 von kreisförmigem Querschnitt angebracht, am besten wieder wie ein Venturirohr
gestaltet, in dem die Brennstoffgemischsäule zusammengedrückt wird. Dieser Teil
der Leitung liegt zweckmäßig frei und ist nicht von ein(m Heizmantel umgeben. Nachdem
das Brennstoffgemisch den engsten Teil des Venturirohres 8 durchströmt hat, dehnt
es sich etwas aus und tritt in einen zweiten flachgedrückten Teil ig der Leitung
ein, in dem wiederum das Gemisch in die Form einer verhältnismäßig dünnen Schicht
gebracht wird. Dieser Teil ig ist wieder von einem Heizmantel 2o umgeben, durch
den Verbrennungsgase geleitet werden können. Es empfiehlt sich, an dieser Stelle
die Temperatur höher zu wählen als in dem Leitungsabschnitt 16.
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An den Behälter ig schließt dann wieder ein Venturirohr 21 an wie
das mit 18 bezeichnete. Wie dieses ist es ohne Heizmantel. Das Rohr 21 führt das
Gemisch in einen anderen abgeflachten Teil 22 mit Heizmantel 23, und von hier gelangt
es in ein Rohr 2q., das es in den Maschinenzylinder 25 oder eine sonstige
Verbrennungskammer leitet.
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Die Temperatur, die in dem Heizmantel 23 aufrechterhalten wird, ist
zweckmäßig noch höher als die in dem Heizmantel 2o. Diese Erhöhung der Temperatur
von Stufe zu Stufe kann man auf beliebige Art hervorbringen. Nach dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist das Gegenstromprinzip angewendet: Zn den oberen Heizmantel
23 mündet ein Rohr 26, durch das die Abgase eingeführt werden mit ihrer höchsten
Temperatur. Während die Gase den Heizmantel 23 durchströmen, geben sie Wärme ab,
so daß sie, wenn sie dann durch das Rohr 27 in den zweiten Heizmantel 2o gelangen,
schon eine geringere Temperatur haben. Im Heizmantel 2o wird nun wiederum ein Teil
der Wärme an das durch den flachgedrückten Kanal ig zugeführte Gasgemisch abgegeben,
und dieser Vorgang wiederholt sich, wenn die Abgase nunmehr vom Heizmantel 2o durch
ein Rohr 28 dem ersten Heizmantel 17 zuströmen. Der flachgedrückte Kanalteil 16
in diesem letztgenannten Heizmantel wird also mit geringerer Temperatur geheizt
als die dahinterliegendenTeile des Einströmungskanals. Vom Heizmantel 17 aus strömen
die Abgase dann durch ein Rohr 29 ins Freie oder in einen geeigneten Behälter.
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Wie oben dargelegt, stellen die Abb. i und 2 eine Anordnung dar, bei
der diejenigen Kanalabteilungen, in denen das Gasgemisch erhitzt wird, mit Kanalteilen
nach Form der Venturiröhren abwechseln. Die einzelnen Abteilungen sind hintereinander
in gerader Linie angcord net. Abb. 2 stellt einen Längsschnitt durch Abb. i dar,
der um go° gegen den in Abb. i gezeichneten Schnitt gedreht ist. Die Form der flachgedrückten
Kanalteile i6, ig und 22 sowie der diese umgebenden Heizmäntel ist daraus zu erkennen.
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Indessen ist diese Anordnung der einzelnen Teile hintereinander in
gcrader Linie keineswegs Bedingung, vielmehr können auch Einströmungskanäle
nach
Art der Abb. 3 Anwendung finden. Hier ist der Vergaser genau so ausgeführt wie in
Abb. i, die einzelnen Teile sind auch mit denselben Bezugsziffern versehen. An den
Flansch 13 des Vergasers schließt aber dann ein Steigrohr an, dessen unteres Ende
bei 3o mit einem Mantel 31 versehen ist und in dem ein mechanischer Mischer 15 von
der oben beschriebenen Art vorgesehen ist. Auf das Rohr3o folgt dann wieder ein
Venturirohr mit der engsten Stelle bei 32, das sich nach oben hin bei 33 erweitert
und abflacht und mit quergestellten Ausdehnungskanälen 34 verbunden ist. An jeden
dieser schließt sich dann wieder ein Venturirohr 35 an, das sich bei 36 erweitert,
unmittelbar bevor es in einen abgeflachten Teil 37 übergeht. Auf diesen folgt dann
ein kurzer zylindrischer Teil 38, der rechtwinklig zu der bisherigen Richtung verläuft
und mit einem Flansch 39 versehen ist, mit dem er an den Maschinenzylinder
angeschlossen wird.
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Der abgeflachte Teil 33 des Kanals zwischen dem aufsteigenden Ast
und den Venturiröhren ist zweckmäßig mit einem Heizmantel 40 umgeben, der mit Abgasen
geheizt wird. Das Gasgemisch wird also beim Durchströmen der Abteilung 33 wiederum
von beiden Seiten erhitzt. Ähnliche Heizmäntel 41 schließen die abgeflachten Kanalteile
37 ein, die sich an den äußeren Enden der Spritzröhren befinden, und diese Heizmäntel
werden ebenfalls mit irgendeinem Heizmittel oder mit den heißen Abgasen beschickt.
Dadurch, daß das Gasgemisch an verschiedenen Stellen der Leitung in flache Schichten
gebracht und hier erhitzt wird, wird die Temperatur von Stufe zu Stufe erhöht, während
zwischen diesen einzelnen Heizungsstufen das Gemisch durch Kanalteile geleitet wird,
die nicht geheizt werden.
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Die Heizmäntel 41 und 40 sind durch Rohre 42 und 43 miteinander verbunden
in der Weise, daß die Abgase zunächst durch die Heizmäntel 41 geleitet werden, während
sie noch ihre höchste Temperatur haben, und dann erst durch den Heizmantel 40 und
von diesem aus durch den Heizmantel 31, dem sie durch geeignete Verbindungen zwischen
den Röhren 44 und 45 zugeführt werden. Aus dem Heizmantel 31 strömen die Abgase
dann durch ein Rohr 46 aus. Ein Rohr 47, das an das Rohr 43 angeschlossen ist, führt
die Gase aus dem Ausströmungsrohr in das Rohr 43 ein. Selbstverständlich kann aber
die Einrichtung zur Heizung der einzelnen Kanalabschnitte auch in anderer beliebiger
Weise ausgebildet werden, es kommt nur darauf an, daß die erwähnten Temperaturunterschiede
in den einzelnen Stufen innegehalten werden. Die auf der letzten Stufe angewendete
Temperatur muß hoch genug sein, um das Gasgemisch so weit zu überhitzen, daß es
während des ganzen Saug- und Kompressionshubes der Maschine trocken und vollständig
vergast bleibt.
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Es mag nochmals bemerkt werden, daß die Ausführung des Verfahrens
keineswegs abhängig ist von den auf der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen, daß
vielmehr auch Vorrichtungen mit mannigfachen Abänderungen zur Ausführung des Verfahrens
geeignet sind.