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Verbrennungskraftmaschine. Die Erfindung bezweckt, Wärme- mit günstigem
Wirkungsgrade in mechanische Energie zu verwandeln.
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Man hat mehrfach versucht, die Abwärme der Auspuffgase wieder in den
Kreisprozeß der Verbrennungskraftmaschine einzuführen, um dadurch ihren Wirkungsgrad
zu erhöhen oder auch nur günstigere Verbrennungsverhältnisse zu erzielen.
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Es ist z. B. bekannt, den der Maschine in komprimiertem Zustände zugeführten
Brennstoff rebst der Verbrennungsluft in einem besonderen Heizkörper durch die Auspuffgase
zu heizen. Die bekannt gewordene Einrichtung verwendet niedrige Drucke und in der
Arbeitsmaschine sehr niedrige Temperaturen bei annähernd isothermischer Expansion,
so daß ein guter Wirkungsgrad unmöglich ist. Bei einer anderen Maschine wird vorkomprimierte
Luft, die durch die Auspuffgase in einem besonderen Behälter erhitzt wird, in dem
Arbeitszylinder weh er komprimiert. Auch hier wird die Wärme der Abgase der Druckluft
bei verhältnismäßig niedriger Spannung zugeführt, was einen schlechten Wirkungsgrad
ergeben muß. Bei einer dritten Ausführung wird die Verbrennungsluft isothermisch
vorkomprimiert und zum Teil durch die Abgase oder durch eine Heizvorrichtung erwärmt.
Die Erwärmung durch eine fremde Heizquelle verringert den Wirkungsgrad. Sie erfolgt
ebenso wie die Heizung durch die Abgase nur zum Zweck der Erreichung der Zündungstemperatur
des Brennstoffes. Auch hier wird nur ein Druck von weniger als 35 Atm. angewendet,
was bei den Überstrcmverlusten derartiger Maschinen auch zu keinem besseren Wirkungsgrade
als dem einer gewöhnlichen Dieselmaschine führen kann. Daß die Abwärme
der
Abgase möglichst weitgehend durch das bekannte Gegenstromverfahren auf die höher
als 35 Atm. isothermisch komprimierte Luft und den Brennstoff übertragen werden
muß, ist bisher nicht erkannt worden.
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Die Erfindung soll die Vorteile der bekannten Verfahren vereinigen
und ihre Nachteile vermeiden. Abb. i stellt schematisch eine beispielsweise Anordnung
dar, die zur Durchführung des Verfahrens dient. Drei Verbrennungszylinder lt sind
mit einem Verdichter g zusammengebaut. Der Verdichter erzeugt annähernd isothermisch
Druckluft von 5o Atm. abs. Das Gefäß l stellt den Zwischenkühler für die einzelnen
Verdichtungsstufen dar. Nach der letzten Stufe wird nicht mehr gekühlt, da das zwecklos
wäre. Die verdichtete Luft strömt durch den Gegenstromvorwärmer i, wo sie von den
Auspuffgasen nahe bis an deren Höchsttemperatur vorgewärmt wird. Etwa im oberen
Totpunkte der Arbeitskolben der Zylinder h strömt die Druckluft in die Verbrennungszylinder
ein, wobei etwa gleichzeitig Brennstoff eingepreßt und entzündet wird. Nach Einführung
und gleichzeitiger Verbrennung, die entsprechend dem jeweils gewünschten Füllungsgrade
länger oder kürzer andauert, erfolgt dann die adiabatische Expansion. Die verbrannten
Gase werden bis auf einen kleinen Rest in die Leitung i ausgestoßen, wo sie die
Druckluft im Gegenstrom vorwärmen und bei k austreten. Beim nächsten Hub wiederholt
sich das Spiel.
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In Abb. 2 sind die Arbeitsvorgänge der Maschine in einem T-S-Diagramm
nach Stodola, als verlustlose Maschine betrachtet, dargestellt. Die Arbeitsluft,
die vom Kompressor g angesaugt wird, befindet sich während der Verdichtung im Zustande
i ; sie wird bei T = 300' isothermisch bis Punkt 2 auf beispielsweise 5o
Atm. verdichtet. Von Punkt 2 ab tritt sie in den G egenstromvorwärmer
i und wird bis T = 950',
dargestellt durch Punkt 9, vorgewärmt.
Bei g erfolgt das Einströmen in die Zylinder der Maschine lt. Gleichzeitig
wird ihr Wärme durch Verbrennung von Brennstoff zugeführt. Dadurch wird bei dem
Druck von 5o Atm. die Temperatur bis zu T = 2ooo ° erhöht, worauf nach Schließen
der Eintrittsventile der Maschine h die adiabatische Expansion beginnt, die bis
zum Punkt 4 bis etwa beispielsweise 3,5 Atm. dauert, worauf der Auspuff erfolgt.
Die M'ärmemenge, die durch- die Fläche 4-7-6-8-i-ii-io dargestellt wird, bedeutet
dabei die Abwärme der Auspuffgase. Diese Wärmemenge kann zum großen Teil als Fläche
9-2-i3-14-9 im Gegenstromvorwärmer i auf die komprimierte Druckluft übertragen werden.
Es ist also für den Arbeitsvorgang an Brennstoffwärme nur die Fläche 9-3-1o-14 aufzuwenden.
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Als mechanische Arbeit wird die Fläche 1-2-3-4-7-6-1 gewonnen.
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Ein normaler Dieselprozeß würde, ebenfalls verlustlos betrachtet,
sich durch adiabatisches Komprimieren von 8 nach 9, Brennstoffeinführung von 9 nach
3, adiabatische Expansion von 3 nach 4., Auspuff 4-7-6-8 darstellen lassen. Die
zuzuführende Brennstoffwärme ist wieder, wie oben, die Fläche 14-9-3-1o, aus ihr
wird aber als mechanische Arbeit nur die Fläche 8-9-3-4-7-h-8 gewonnen. Das Arbeitsverfahren
gemäß der Erfindung hat demgegenüber den Gewinn an mechanischer Mehrarbeit, ausgedrückt
durch die Fläche 8-1-2-9-8.
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Um diesen Gewinn auch praktisch zu erhalten und nicht durch Verluste
beün Vorwärmen, Komprimieren und Überströmen zu verringern, muß die Verdichtung
der Luft von i nach,-> höher als auf 35 Atm. getrieben werden; sie muß soweit als
praktisch möglich isothermisch erfolgen und die Abwärme muß im Gegenstromverfahren
auf die Druckluft übertragen werden. Fehlt eine dieser Voraussetzungen, so ist,
wie die entsprechende Änderung des Diagramms nach Stodola, Abb. 4, zeigen würde,
die erstrebte neue Wirkung nicht möglich.
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Als Antriebsmaschine für Fahrzeuge, z. B. für eine Lokomotive eignet
sich am besten eine Ausführungsform der Erfindung, wie sie schematisch in Abb. 3
dargestellt ist. Die Maschinem entspricht den Arbeitszylindern in der Abb. i, n
ist ein Kompressor, o der entsprechende Gegenstromvorwärmer. Die gesamte Leistung
der Maschine m wird zur isothermischen Erzeugung von Druckluft von mehr als 35 Atm.
verwendet. Der in der Maschine in nicht verbrauchte Teil der Druckluft geht durch
den Gegenstromvorwärmer P zur Antriebsmaschineq der Lokomotive. Die Antriebsmaschine
q arbeitet genau so wie die Maschine m. Ihre Auspuffgase gehen durch den Gegenstromvorwärmer
P und treten bei r aus.