DE440863C

DE440863C - Power machine for liquid air

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Publication number: DE440863C
Application number: DEL63198D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1925-05-16
Filing date: 1925-05-17
Publication date: 1927-09-03

Description

Kraftmaschine für flüssige Luft. Die Verwendung von flüssiger Luft als Kraftmittel zum Betriebe von Kraftmaschinen hat wegen der schwierigen Beherrschbarkeit dieses Betriebsstoffes sich nicht einführen können, obwohl die erreichbaren Vorteile hinsichtlich Fehlens jeder Brandgefahr und jeder gesundheitsschädlichen Abgase erheblich sind. Die bisherigen Versuche, die flüssige Luft durch schleusenartige Vorrichtungen in einen Druckkessel einzuführen, haben zu keiner Verwirklichung geführt, offenbar weil bei den in Frage kommenden tiefen Temperaturen solche Vorrichtungen versagten.Power machine for liquid air. The use of liquid air as a means of power for the operation of prime movers because of the difficult controllability this fuel can not be introduced, although the achievable advantages in terms of the absence of any fire hazard and any harmful exhaust gases are. The previous attempts, the liquid air through lock-like devices Introducing them into a pressure vessel did not lead to any realization, apparently because such devices failed at the low temperatures in question.

Die Erfindung bezweckt, die flüssige Luft als Betriebsstoff für Kraftmaschinen nutzbar zu machen, indem sie eine solche Einrichtung der Maschine vorsieht, daß die flüssige Luft in flüssigem Zustande auf -den (unter Umständen bis etwa 8oo Atm. betragenden) Arbeitsdruck gebracht und mit diesem unmittelbar dem Kraftzylinder oder einem zwischengeschalteten Druckkessel zugeführt wird, wo annähernd gleicher Druck herrscht. Auf diese Weise kann der Energieinhalt der flüssigen Luft ausgenutzt werden, so daß wirtschaftliche Arbeitsausbeute erreichbar erscheint.The invention aims, the liquid air as a fuel for prime movers by making such a facility of the machine provides that the liquid air is in a liquid state (under certain circumstances up to about 8oo atm. amounting) working pressure brought and with this directly is fed to the power cylinder or an intermediate pressure vessel, where there is almost the same pressure. In this way, the energy content of the liquid Air can be exploited, so that economic labor yield appears achievable.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich noch durch die Verwendung flüssigen Brennstoffes, indem dieser in die unter Druck stehende. Luft, insbesondere die im Verdichtungshube der Maschine verdichtete Restluft in ähnlicher Weise wie die flüssige Luft eingespritzt und an der verdichteten Luft gezündet wird. Bei dieser Ausführung kann die Arbeitstemperatur der Kraftmaschine derart bemessen werden, daß sich aus der Verbrennungswärme des Brennstoffes und der Expansionskühlung der flüssigen Luft mittlere Mischtemperaturen ergeben, vermöge deren die Kühlungs- oder Erwärmungsschwierigkeiten jeder einzelnen der beiden Betriebsarten fortfallen.An embodiment of the invention also results from the use liquid fuel by placing it in the pressurized. Air, in particular the residual air compressed in the compression stroke of the machine in a similar way to the liquid air is injected and ignited on the compressed air. At this Execution, the working temperature of the engine can be dimensioned in such a way, that from the heat of combustion of the fuel and the expansion cooling of the liquid air result in mean mixing temperatures, by virtue of the cooling or There are no heating difficulties in each of the two operating modes.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an einer Lokomotive in vereinfachtem Längsschnitt.The drawing illustrates an embodiment of the invention on a locomotive in a simplified longitudinal section.

Ein Betriebsstoffbehälter ist durch ein nach Art von Thermosflaschen doppelwandig mit evakuiertem Hohlraum aus Blech oder Drahtglas hergestelltes Gefäß i gebildet, das innen und außen mit einer Isoliermasse, wie Holz, Hartpapier oder Filz 2, bekleidet ist. Ein Auslaßrohr 3 ist ähnlich dem Behälter i in doppelwandiger Ausbildung mit evakuiertem Hohlraum unten eingesetzt. Ein Abdichtungsmittel, wie Teer oder ähnliches, kann die Oberfläche der gesamten Filzauflager 2 bekleiden, um sie dichter und widerstandsfähiger zu machen. Der Auslaß 3 ist durch einen Ventilkegel ¢, beispielsweise aus Filz, verschließbar, und dieser hängt mittels einer Spindel 5 aus Vulkanfiber, Hartpapier oder ähnlichem Wärmeschutzstoff an einem Handrad 6, das an einem Gehäuseteil 7 gelagert ist. Dieser Teil enthält ein Sicherheitsventil 8 mit Belastungsfeder 9 solcher Art, daß hierdurch ein Verspritzen größerer Mengen flüssiger Luft selbst bei starkem Schleudern oder Kippen des Behälters verhütet ist, während andererseits entstehender Innendruck einen Ausweg findet. Eins oder mehrere der zum Ablassen von Druck dienenden Löcher io des Gehäuses 7 sind zweckmäßig so ausgebildet, daß sie als Füllöffnung für den Behälter dienen können. Unmittelbar an den Auslaßstutzen 3 und mit in einer Wärmeschutzbekleidung i i eingeschlossen ist ein Pumpenkörper z2 in Gestalt eines gebohrten Stahlblockes angesetzt. Dieser Pumpenkörper weist ein Einlaßgehäuse 13 auf, von dem zweiEinlaßbohrungen zu dem eigentlichen Pumpenzylinderraume führen, und in diesem sind zwei gegenläufige Pumpenkolben 15 angebracht, die zweckmäßig aus einem wärmeschützenden und nicht wesentlicher Schmierung bedürftigen Stoff, wie Graphit, Speckstein oder ähnlichem, bestehen oder solche Zwischenlagen enthalten, um in der tiefen Temperatur der flüssigen Luft betriebsfähig zu sein und keine übermäßige Wärmezuleitung von den Antriebsteilen her zu ergeben. Die Doppelkolbenausbildung der Pumpe bewirkt, daß in ihr keine einseitigen Kräfte auftreten, die zu Erzitterungen oder Verbiegungen des Zulaßstutzens 3 und zum Undichtwerden führen könnten. Um auch kleinste Querkräfte mit Sicherheit von diesem Stutzen fernzuhalten, ist das Einlaßgehäuse 13 der Pumpe an ihm mittels flacher Dichtung angeschlossen, die bei seitlichen Schwingungen gleiten kann.An operating material container is formed by a double-walled container i like thermos flasks with an evacuated cavity made of sheet metal or wired glass, which is clad inside and outside with an insulating compound such as wood, hard paper or felt 2. An outlet pipe 3 is inserted in a double-walled design with an evacuated cavity below, similar to the container i. A sealing agent, such as tar or the like, can cover the surface of the entire felt support 2 in order to make it more dense and more resistant. The outlet 3 can be closed by a valve cone ¢, for example made of felt, and this hangs by means of a spindle 5 made of vulcanized fiber, hard paper or similar heat protection material on a handwheel 6, which is mounted on a housing part 7. This part contains a safety valve 8 with a loading spring 9 of such a type that this prevents large amounts of liquid air from splashing even when the container is strongly thrown or tilted, while on the other hand the internal pressure that occurs finds a way out. One or more of the holes in the housing 7, which are used to release pressure, are expediently designed so that they can serve as a filling opening for the container. A pump body z2 in the form of a drilled steel block is attached directly to the outlet connection 3 and enclosed in a thermal protective clothing ii. This pump body has an inlet housing 1 3 which lead from the two injection wells to the actual pump cylinder space, and in that two counter-rotating pump pistons 15 are mounted, the expedient in need of a heat-protective and non-essential lubricating material such as graphite, soapstone or the like, or if such Intermediate layers included to be operable in the low temperature of the liquid air and not to result in excessive heat conduction from the drive parts. The double piston design of the pump ensures that no one-sided forces occur in it which could lead to tremors or bending of the inlet connector 3 and to leakage. In order to keep even the smallest transverse forces away from this nozzle with certainty, the inlet housing 13 of the pump is connected to it by means of a flat seal which can slide in the event of lateral vibrations.

An die Pumpe 12 ist unmittelbar eine Ventilkugel 16 als Druckventil angebaut, un#i zwar besteht diese Kugel zweckmäßig aus wärmeschützendem Stoff; sie kann durch eine Andruckfeder belastet sein. An dieses Ventil ist der mit durch Verdampfung der flüssigen Luft zu gewinnender Druckluft aufzufüllende Raum anzuschließen, also beispielsweise für kleinere Motoren ein Druckkessel, oder für größere Motoren sind die Kraftzylinder unmittelbar angeordnet.A valve ball 16 as a pressure valve is directly attached to the pump 12 cultivated, and although this ball is made of heat-protecting material; she can be loaded by a pressure spring. At this valve is the one by evaporation to connect the liquid air to be obtained compressed air space to be filled, so for example a pressure vessel for smaller engines, or for larger engines the power cylinder arranged directly.

ImAusführungsbeispiel nach derZeichnung ist die Pumpe i2 unter Zwischenlegung eines Wärmeschutzes 17 aus Hartpapier oder ähnlichem unmittelbar an einen Kraftzylinder angeschlossen, der in bekannter Weise zwei gegenläufige Kolben i9, 2o enthält; diese Anordnung ermöglicht Beherrschung hoher Arbeitsdrucke und erzitterungsfreien Lauf der Maschine. In der Mitte des Zylinders 18 ist eine-Stütze 21, gegebenenfalls nebst einer Feder, als Gegenlager für die Ventilkugel 16 der Pumpe i2 angebracht. Der eine Kolben 2o läuft mit einer krieuzkopfartigen Erweiterung 22 in einer entsprechenden Erweiterung 23 des Zylinders 18, und in seinem Kreuzkopf greift eine Schubstange 24 an, die eine Kurbel 25 der Fahrzeugwelle 26 dreht. Ein entgegengesetztes Kurbelpaar 27 ist durch Hubstangen -28, die nur als Mittellinien angedeutet sind, an ein Querhaupt 29 des anderen Kolbens i9 angeschlossen.In the exemplary embodiment according to the drawing, the pump i2 is interposed a thermal protection 17 made of hard paper or the like directly to a power cylinder connected, which contains two opposing pistons i9, 2o in a known manner; these Arrangement enables control of high working pressures and tremor-free running the machine. In the middle of the cylinder 18 is a support 21, possibly together with it a spring, attached as a counter bearing for the valve ball 16 of the pump i2. Of the a piston 2o runs with a krieuzkopf-like extension 22 in a corresponding one Extension 23 of the cylinder 18, and a push rod engages in its cross head 24, which rotates a crank 25 of the vehicle shaft 26. An opposite pair of cranks 27 is connected to a crosshead by lifting rods -28, which are only indicated as center lines 29 of the other piston i9 connected.

Nahe den äußeren Hubenden der beiden Kolben i9, 2o sind am Zylinder 18 Auslaßstutzen 30, 31 oder es ist nur einer von diesen vorgesehen, so daß die expandierte Luft hier ihren Ausweg findet und im Rücklauf.der Kolben ein Verdichtungshub entsteht, in dem die Zylinderluft vermöge sehr kleinen schädlichen Raumes bis nahe an den Einlaßdruck verdichtet wird, also unter Umständen auf mehrere hundert Atm. Die Pumpenkolben 15 werden durch irgendeine Steuerung, die in der üblichen Art von Dampfmaschinen-Einlaßsteuerungen arbeiten kann, so angetrieben, daß sie in oder kurz vor dem inneren Totpunkt der Arbeitskolben flüssige Luft einzufördern beginnen und je nach der geforderten Leistung unter Beeinflussung durch einen Fliehkraftregler oder sonstige übliche Regelvorrichtungen einen größeren oder kleineren Förderhub durchlaufen. Dabei verdampft die eintretende flüssige Luft an den Zylinderwandungen und dem verclichteten Luftinhalt und leistet im Ausw:irtshub expandierend Arbeit. Zur Heranführung der erforderlichen Wärmemengen dienen Wärmrippen 32, die sich vom Zylinder bis an das Kurbelgehäuse 33 erstrecken und in dessen Nähe samt diesem mit Wärmeschutz 34 bekleidet sind, um. die im Getriebe entstehende Reibungswärme zur Erwärmung des Zylinders mit nutzbar zu machen. Für große Maschinen kann statt dieser Rippenanordnung . eine Wärmwasserummantelung ähnlich wie bei Brennkraftmaschinen vorgesehen sein, und. zur Erwärmung dieses Wassers dient dann zweckmäßig ein Wärmeaustauscher nach Art üblicher Kraftfahrzeugkühler.Near the outer stroke ends of the two pistons i9, 2o are on the cylinder 18 outlet port 30, 31 or it is just one of provided this, so that the expanded air finds its way out here and in the return flow of the piston a compression stroke arises in which the cylinder air by virtue of very small harmful ones Space is compressed to close to the inlet pressure, so under certain circumstances to several hundred atm. The pump pistons 15 are controlled by some control, which in the usual Kind of steam engine inlet controls can work so that they are powered to convey liquid air into or just before the inner dead center of the working piston begin and depending on the required performance under the influence of a centrifugal governor or other common control devices a larger or smaller delivery stroke run through. The incoming liquid air evaporates on the cylinder walls and the compressed air content and does expanding work in the outlet hub. To bring the required amounts of heat are used heat fins 32, which are from Cylinder extend up to the crankcase 33 and in its vicinity together with this Thermal protection 34 are clothed to. the frictional heat generated in the transmission To make heating of the cylinder with usable. For large machines this can be used instead Rib arrangement. a warm water jacket similar to that of internal combustion engines be provided, and. A heat exchanger is then expediently used to heat this water in the manner of conventional motor vehicle radiators.

In der Mitte des Zylinders rä ist bei dieser Maschine seitlich noch eine Brennstoffeinspritzdüse 35 vorgesehen, die in bekannter Art ständig offen ist oder mit einem Rückschlagventil am Zylinder mündet und an eine Hochdruckbrennölpumpe angeschlossen ist, die beispielsweise ähnlich der Flüssigkeitspumpe 12, 15 mit Doppelkolben oder auch als einfache Pumpe ausgebildet und angetrieben sein kann. Hierdurch ist es möglich, je nach den Temperaturverhältnissen die i@Iascliine völlig als Dieselmotor mit luftloser Einspritzung und Verdichtungszündung oder gleichzeitig als Hochdruckdieselmotor und mit Expansion flüssiger Luft oder endlich nur als Kraftmaschine mit flüssiger Luft zu betreiben und dadurch weitgehende Anpassung an alle Betriebsverhältnisse hinsichtlich Kraftleistung und Temperaturbeherrschung zu erreichen.In the middle of the cylinder rä is still on the side of this machine a fuel injector 35 is provided which is continuously open in a known manner or opens with a check valve on the cylinder and a high pressure fuel oil pump is connected, for example, similar to the liquid pump 12, 15 with double piston or can be designed and driven as a simple pump. This is it is possible, depending on the temperature conditions, to use the i @ Iascliine entirely as a diesel engine with airless injection and compression ignition or simultaneously as a high-pressure diesel engine and with expansion of liquid air or, finally, only as a power machine with liquid To operate air and thus extensive adaptation to all operating conditions in terms of power output and temperature control.

Für den Betrieb als Brennkraftmaschine ist eine Kühl- und Ladepumpe üblicher Art irgendwo am Triebwerk angeschlossen, und diese ist dann mit dem einen Stutzen 3 i des Zylinders in Verbindung, so daß dieser als Spülstutzen dient, während nur der andere Stutzen 3o als Auspuffstutzen wirkt; dieser letzte hat dann zweckmäßig etwas längere Zylinderschlitze als der andere, so daß der _Auspuff früher als die Spülöffnungen freigelegt wird.A cooling and charging pump is required for operation as an internal combustion engine connected somewhere on the engine, and this is then connected to the one Nozzle 3 i of the cylinder in connection, so that it serves as a flushing nozzle while only the other port 3o acts as an exhaust port; this last has then been expedient slightly longer cylinder slots than the other, so that the exhaust pipe earlier than the Irrigation openings is exposed.

Für kleine Arbeitsleistungen, wo die Menge flüssiger Luft für jeden einzelnen Hub so klein wird, daß die zu ihrer Förderung erforderliche Pumpe ungünstig klein werden würde, ist die Pumpe 12" 15 vom Triebwerk des Motors so anzutreiben, daß sie immer erst nach mehreren oder vielen Hüben des Motors einen Förderhub ausführt. An sie ist dann ein Druckkessel angeschlossen, der somit als Druckluftspeicher arbeitet. Dieser Druckkessel erhält dann Wännleisten oder einen Wärmwassermantel ähnlich wie sonst der Zylinder, und der Motor kann dann beispielsweise als stehender Ein-. oder Mehrzylinderinotor ausgebildet sein, der nach Art üblicher Druckluftmotoren mit einer Steuerung ähnlich wie bei Dampfmaschinen arbeitet und nötigenfalls seinerseits Wärmrippen oder Wärmrnäntel aufweist.For small work performances, where the amount of liquid air for each individual stroke is so small that the pump required to promote it would be unfavorably small, the pump 12 " 15 is to be driven by the engine of the motor so that it always only after several or many A pressure vessel is then connected to it, which thus works as a compressed air reservoir. This pressure vessel then receives heat exchanger strips or a warm water jacket similar to the other cylinders, and the motor can then be designed, for example, as a vertical single or multi-cylinder engine , which works in the manner of conventional compressed air motors with a control similar to that of steam engines and, if necessary, has heat fins or heat jackets.

In sämtlichen Fällen ist Mehrzylinderanordnung in Gestalt mehrerer parallel geschalteter Zylinder möglich, oder es können auch Zylinder zu bekannter Verbundwirkung als Mehrfachexpansionszylinder hintereinandergeschaltet sein, um zu tiefe Auskühlung der Zylinder zu vermeiden und die Triebwerke besser auszunutzen.In all cases there is a multi-cylinder arrangement in the form of several Cylinders connected in parallel are possible, or cylinders to known ones can also be used Composite action as a multiple expansion cylinder to be connected in series to avoid too deep cooling of the cylinders and to better utilize the engines.

Die Erfindung ist insbesondere für den Antrieb von Lokomotiven bestimmt. Bei Kraftwagen und Wasserfahrzeugen können die Anwerfvorrichtungen der Brennkraftmaschinen sowie die Zündvorrichtungen, Kupplungen und Wechselgetriebe in Fortfall kommen, weil die Druckluftmaschinen ebenso wie Dampfmaschinen selbst anspringen und hoch überlastungsfähig sind. Für den Betrieb kleinerer Fahrzeuge ist es wichtig, daß der Betriebsstoff jederzeit überall erhältlich ist. Vorteilhafte Anlagen zur Gewinnung flüssiger Luft bestehen in Luftverflüssigungsanlagen mit Antrieb durch Windmotoren. Für große Betriebe mit regelmäßiger Abnahme, wie insbesondere für Eisenbahnen, ist ferner die flüssige Luft wirtschaftlich herstellbar, indem der schwer verwendbare NTachtüberschußstrom von 1;lberlandkraftwerken und insbesondere von Wasserkraftwerken zur Luftverflüssigung ausgenutzt wird.The invention is particularly intended for driving locomotives. The starting devices of the internal combustion engines can be used in motor vehicles and watercraft as well as the ignition devices, clutches and gearboxes are no longer available, because the compressed air machines, just like steam machines, start and go up themselves are capable of being overloaded. For the operation of smaller vehicles it is important that the fuel is available anywhere at any time. Advantageous plants for extraction liquid air exist in air liquefaction systems driven by wind motors. For large companies with regular purchases, especially for railways Furthermore, the liquid air can be produced economically by the difficult to use Night surplus electricity from overland power plants and especially from hydropower plants is used for air liquefaction.

In allen Fällen besteht ein wichtiger Vorteil der neuen Maschinen noch darin, daß sie an Stelle gesundheitsschädlicher - Verbrennungsgase reine Luft auspuffen.In all cases there is an important advantage of the new machines nor in the fact that instead of unhealthy combustion gases they are pure air exhaust.

Claims

PATENT CLAIMS: r. Power machine for liquid air, characterized in that that the liquid Air in a liquid state through a pump the highest achievable by evaporation and processable in a prime mover Pressure is fed to a pressure vessel or power cylinder, in your already one there is similar pressure.

2. Machine according to claim i, characterized by a Heat protection vessel (i, 2) for liquid air, from which a high pressure pump (i2, 15) the air in the manner of high pressure fuel pumps of the crude oil engines with airless Injection takes.

3. Machine according to claim i or 2, characterized in that that the pump (12, 15) is attached directly to the liquid container (i, 2) and to prevent vibrations with at least two opposing pistons in common Cylinder is executed. q .. Machine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that that the piston (15) of the pump entirely or in layers from a heat-protective and there is little substance in need of lubrication, e.g. B. soapstone or graphite. 5. Machine according to claim 2, 3 or q., Characterized in that the pump (12, 15) to the container (i, 2) by a flexible in the direction of piston movement Seal is connected so that vibrations are not transmitted. 6. Machine according to claims i to 5, characterized in that the liquid container in in a manner known per se has an evacuated jacket by a hollow wall made of sheet metal or wired glass and an additional layer of hard paper covering this, Wood or, in particular, felt, optionally with surface sealing by tar or similar means are provided. 7. Machine according to claim 6, characterized in that that the liquid container has a safety valve of such a design, that the resulting internal pressure finds a way out, but also liquid when tilting can only escape in small quantities. B. Machine according to claim i, characterized in that that to generate power from the liquid air, double pistons with cross heads on both Piston and exhaust port control and serve with such little harmful space, that in connection with a sufficiently large compaction length a compaction up to as possible the highest working voltage of the introduced liquid air results. 9. Machine according to claim 8, characterized in that the working cylinder, heat fins or a thermal fluid jacket in the manner of the cooling jackets known from internal combustion engines wearing. ok Machine according to claim 9, characterized in that the crank drive the machine is covered with thermal insulation and connected to the cylinder with good thermal conductivity is. ii. Machine according to claim 8, 9 or io, characterized in that according to Art a first power cylinder set up for partial expansion of composite steam engines and one or more additional power cylinders are connected downstream for the remainder of the expansion are. 12. Machine according to one of claims i to i, characterized in that that in the pressure vessel or power cylinder simultaneously with the injection of the liquid air, crude oil or similar fuel is injected and burned. 13. Machine according to claim i2, characterized in that with direct injection the liquid air is injected into the power cylinder at the same time fuel and is ignited on the highly compressed air in the compression stroke. 14.. machine according to claim 13, characterized in that the machine is controlled in the same way Possess pumps for injection of liquid air and fuel.