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Zweitakt-Brennkraftmaschine mit eingebauten Wärmespeichern. Die Erfindung
betrifft eine mit in den Arbeitszylinder eingebauten Wärmespeichern ausgerüstete
Zweitakt-Brennkraftmaschine, also eine Wärmekraftmaschine, die 'das Arbeitsmittel,
nachdem es in einer besonderen Verdichtungspumpe in kaltem Zustande auf den Höchstdruck
des Arbeitszylinders verdichtet worden ist, durch gesteuerte Absperrorgane an der
kalten Seite der Wärmespeicher in den Arbeitszylinder gespeist erhält und bei welcher
das Arbeitsmittel nach seiner arbeitleistenden Entspannung im Arbeitszylinder durch
ein Auslaßventil aus dem Arbeitsraum hinausgeschoben wird. Der Arbeitszylinder erhält
also für einen jeden Arbeitshub eine frische Ladung des den Arbeitskreislauf ausführenden
Arbeitsmittels. Pufft die Zweitaktmaschine nicht in die natürliche Atmosphäre aus,
sondern ist eine künstliche Atmosphäre mit höherem als dem atmosphärischen Druck
vorgesehen, aus welcher die Ladepumpe des Zweitaktmotors die als Arbeitsmittel dienenden
Verbrennungsgase schöpft und in geschlossenem Kreislauf in den Arbeitszylinder des
Motors drückt, so ist außerdem noch die Einführung der auf den Höchstdruck des Arbeitszylinders
verdichteten Verbrennungsluft und bei Verwendung eines gasförmigen Brennstoffes
auch dieses letzteren in den geschlossenen Kreislauf erforderlich, wobei die äquivalente
Gewichtsmenge Verbrennungsgas aus dem geschlossenen Kreislauf ausgeschieden werden
muß. Die Einführung der Frischgase und die Ausscheidung -der Verbrennungsgase erfolgt
zweckmäßig gleichfalls durch Wärmespeicher (Hilfswärmespeicher)., die in gleicher
Weise wie der Hauptwärmespeicher in den Arbeitszylinder eingebaut sind oder mit
diesem in ständiger Verbindung stehen. Die mit dem Arbeitszylinder in ständiger
Verbindung stehenden, also in den Arbeitszylinder eingebauten Haupt- und Hilfswärmespeicher
vergrößern aber sehr den schädlichen Raum des Arbeitszylinders, selbst wenn die
Wärmespeicher zur weitgehendsten Verminderung ihres Volumens mit möglichst engen
Durchströmungsspalten ausgeführt sind.
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Mit je größerer spezifischen Leistung der Arbeitszylinder der Maschine
arbeiten soll, desto größere Abmessungen erhalten die Wärmespeicher und desto größer
fällt das Volumen der Wärmespeicher im Verhältnis zum wirksamen Volumen des Arbeitszylinders
aus. Unter Volumen der Wärmespeicher wird dabei lediglich das Volumen der Durchtrittsspalte
der Wärmespeicher verstanden.
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Der durch das Volumen der Wärmespeicher gebildete schädliche Raum
wirkt aber auf den Wirkungsgrad derartiger Maschinen nachteilig ein, weshalb man
bei den bisherigen Vorschlägen darauf ausging, diesen schädlichen Raum weitgehend
zu vermindern. Zu diesem Zwecke sollten hauptsächlich unter weitgehendster Verminderung
der Spaltweiten der Wärmespeicher die Abmessungen derselben möglichst verringert
werden, was jedoch eine Schmälerung der Wärmeregenerierung zur Folge hatte. Die
An-
Wendung möglichst großer Wärmespeicher läßt sich also nicht
umgehen, und es muß daher die Aufgabe gelöst werden, die Nachteile des großen schädlichen
Raumes dieser Wärmespeicher zu vermeiden.
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Die Nachteile des durch die Wärmespeicher gebildeten schädlichen Raumes
sind nun bei Zweitaktmotoren die folgenden Bei allen Kolbenkraftmaschinen, bei denen
in den Arbeitszylinder das Arbeitsmittel unter Druck eingeführt und hierauf entspannt
wird, müssen vor Erreichung des Höchstdruckes die schädlichen Räume ausgefüllt werden.
Bisher geschah dies bei den Maschinen, bei denen vor der Einführung der frischen
Ladung keine Verdichtung stattfindet, durch den ersten Anteil des in den Arbeitszylinder
einströmenden Arbeitsmittels, welches mit dem vollen Einlaßdruck in die unter dem
wesentlich niedrigeren Auspuffdruck stehenden Räume einzuströmen hat. Die dem Druckunterschiede
zwischen Einlaß- und Auspuffdruck entsprechende Druckenergie des die schädlichen
Räume ausfüllenden Arbeitsmittels geht jedoch dabei vollständig verloren, was einen
wesentlichen Arbeitsverlust bedeutet. Dieser Verlust wächst bei Verwendung eingebauter
Wärmespeicher im Verhältnis zur Größe des schädlichen Raumes und sollte durch Verdichtung
verringert werden, durch die das von dem vorhergehenden Arbeitshub im Zylinder zurückgebliebene
Arbeitsmittel vor der Einführung der frischen Ladung während eines als »Verdichtungsstrecke«
bezeichneten letzten Teiles des rückläufigen Kolbenhubes möglichst auf den Einlaßdruck
erhöht werden sollte. Die der Einströmung vorangehende Verdichtung des Arbeitsmittels
bedeutet jedoch eine die spezifische Leistung der Maschine vermindernde negative
Arbeit, weshalb dieses Verfahren nur in Fällen Anwendung finden kann, in denen der
schädliche Raum einen geringen Prozentsatz des nützlichen Raumes des Arbeitszylinders
bildet. Sind im Arbeitszylinder aber wie beim Erfindungsgegenstand Wärmespeicher
eingebaut, so vergrößert das Volumen derselben selbst bei den praktisch in Betracht
kommenden geringsten Abmessungen den schädlichen Raum im Verhältnis zum nützlichen
Raum des Arbeitszylinders so weitgehend, daß zur, Auffüllung der schädlichen Räume
eine große Verdichtungsstrecke angewendet werden muß und die negative Arbeit unzulässig
groß wird.
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Die Länge der Verdichtungsstrecke wird noch durch den Umstand vergrößert,
daß die in den schädlichen Raum des Wärmespeichers zu drückenden Gase aus dem warmen
Zylinder in einen Raum gedrückt werden, dessen mittlere Temperatur bedeutend niedriger
ist, also das zum Ausfüllen der kälteren schädlichen Räume erforderliche Gas im
warmen Zustande ein in dem Verhältnisse derTemperaturen entsprechend größeres Volumen
einnimmt. Infolgedessen wird bei mit Wärmespeichern ausgerüsteten Maschinen sogar
eine auf die volle Hublänge ausgedehnte Verdichtungsstrecke meistens nicht genügen,
um den Druck von dem Auspuffdruck bis zum Einlaßdruck zu steigern.
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Die Verdichtung der den Wärmespeicher ausfüllenden Gase (der Wärmespeicherladung)
aus dem warmen Zylinder und der Austritt der Wärmespeicherladung in den Zylinder
während der Entspannung ist aber auch mit thermischen Nachteilen verbunden.
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Zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades der Maschine soll nämlich
das Temperaturgefälle zwischen dem warmen und kalten Ende des Wärmespeichers möglich
groß und dementsprechend die Temperatur der warmen Seite des Wärmespeichers so hoch
gehalten werden, als dies der Stoff des Wärmespeichers zuläßt. Wie aus dem weiter
unten beschriebenen Wärmediagramm der Maschine hervorgeht, ist es ferner vorteilhaft,
die Maschine derart zu betreiben, daß das durch den Wärmespeicher hindurch in den
Zylinder tretende Arbeitsmittel durch Innenverbrennung so weit über die höchste
Temperatur des Wärmespeichers erhitzt wird, daß am Ende der während der Arbeitsleistung
ausgeführten adiabatischen Entspannung des Arbeitsmittels dieses sich genau auf
die höchste Temperatur des Wärmespeichers abkühlt, so daß der Ausschub mit dieser
Temperatur erfolgt.
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Abb. i zeigt'das Wärmediagramm der in Abb.a schematisch dargestellten
Zweitakt-Brennkräftmaschine mit eingebautem Wärmespeicher unter Vernachlässigung
der Wirkung der schädlichen Räume und des Einflusses der Wärmespeicherladung. In
Abb. i bedeuten die Ordinaten die absoluten Temperaturen des Arbeitsmittels und
die Abszissen die Entropien. P1 und P2 sind den Drücken P1 bzw. @2 entsprechende
Isobaren. Das Arbeitsmittel tritt mit der Kühlertemperatur T1 und dem höchsten Drucke
f2 des Kreislaufes an der kalten Seite des Wärmespeichers 5 (Abb. a) in diesen ein.
Das Arbeitsmittel gelangt durch den Wärmespeicher hindurch in den Arbeitszylinder
i, während der Arbeitskolben q. so weit nach außen bewegt wird, daß der Druck im
Arbeitsraume zunächst unverändert p2 bleibt. Die warme Seite des Wärmespeichers
5 besitze die höchste Temperatur T2, welche der Stoff des Wärmespeichers zuläßt,
so daß während des Durchtritts durch den Wärmespeicher das Arbeitsmittel bei gleichbleibendem
Drucke auf T2 erwärmt wird, welcher Zustandsänderung in Abb. i die Strecke a-b der
Isobare P2 entspricht. Die dabei aus dem Wärmespeicher aufgenommene Wärme wird durch
die Fläche a b s2 s1 a veranschaulicht. Nach dem Eintritt in den Zylinder
i wird das Arbeitsmittel bei. gleichbleibendem Drucke P2 durch Innenverbrennung
auf
die Temperatur T3 erhitzt. Die hierbei erlittene Zustandsänderung entspricht der
Strecke b-c der Isobare P.. Während der Vollendung des Auswärtshubes des Kolbens
4. wird die Einführung des Arbeitsmittels und des Brennstoffes unterbrochen, so
daß im Arbeitsraume eine adiabatische Entspannung längs der Adiabate c-ci auf den
niedrigsten Druck P1 des Kreislaufes stattfindet. Wenn die Temperatur T3 geeignet
gewählt ist, so erreicht das Arbeitsmittel am Ende d der adiabatischen Abkühlung
gerade die zulässige Höchsttemperatur T2 des Wärmespeichers. Wenn also beim rückläufigen
Hub des Kolbens q. die Arbeitsgase in den Wärmespeicher treten, erleidet die Temperatur
derselben keine Veränderung. Das Hinausschieben der entspannten Arbeitsgase erfolgt
durch den Wärmespeicher hindurch bei gleichbleibendem Druck P1 längs der Isobare
d-e, wobei sich das Arbeitsmittel auf T1 abkühlt und die Wärmemenge e d s¢
s3 c an den Wärmespeicher abgibt. Da die beiden Isobaren a-b und e-d äquidistant
sind, so sind die Flächen a b s2 s1 a und e d s4 s3 e kongruent, also
die dem Wärmespeicher entzogenen und rückerstatteten Wärmemengen gleich. Das Wärmegleichgewicht
des Wärmespeichers ist also gewahrt. Wird das Arbeitsmittel vom Auspuffdruck P1
isothermisch auf den Admissionsdruck P2 verdichtet, so wird der Kreislauf durch
die Isotherme c-a geschlossen. Die Fläche s2 b c d s4 stellt die durch Innenverbrennung
einzuführenden Wärmemengen und die Fläche s1 a e s3 die vom Kühler abzuführenden
Wärmemengen dar, während die Fläche a b c d e, a mit der geleisteten Arbeit
proportional ist. Für den thermischen Wirkungsgrad ist das Verhältnis TTr' maßgebend,
wobei T4 die mittlere Temperatur der Wärmezuführung bedeutet.
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Würde man nun den nach dem Ausschub im Zylinder verbleibenden Teil
des Arbeitsmittels, der die Höchsttemperatur des Wärmespeichers besitzt, zwecks
Ausfüllens der schädlichen Räume auf den Einlaßdruck P2 adiabatisch verdichten,
so würde die Temperatur des in den Wärmespeicher gedrückten Gases und damit des
warmen Endes des Wärmespeichers allmählich auf T3 erhöht werden, so daß entweder
der Wärmespeicher an der warmen Seite zerstört würde, oder aber man müßte die Höchsttemperatur
T3 des Kreislaufes auf T2 und die vor der Verdichtung herrschende Höchsttemperatur
des Wärmespeiche--s von T2 auf eine der adiabatischen Entspannung von T2 und p2
auf P1 entsprechende Temperatur erniedrigen und damit den thermischen Wirkungsgrad
der Maschine herabsetzen.
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Diejenige Gasmenge, welche während des Druckanstieges vom Auspuffdruck
bis zum Einlaßdruck zum Auffüllen der schädlichen Räume diente, oder eine der ersteren
gleiche Gasmenge muß während des in der Entspannungsperiode eintretenden Druckabfalles
wieder aus den schädlichen Räumen austreten. Dieser Austritt erfolgte bei den bisherigen
Maschinen durchweg in den warmen Arbeitsraum. Ist kein Wärmespeicher vorhanden,
so entspricht ein solcher Austritt einer adiabatischen Expansion der im schädlichen
Raum enthaltenen Gasmenge vom Einlaß- bis zum Auspuffdruck. Diese Expansion. ist
ein genaues Spiegelbild der das Anfüllen der schädlichen Räume bezweckenden Verdichtung
vom Auspuffdruck auf den Einlaßdruck. In diesem Falle heben sich also die positiven
und negativen Arbeitsleistungen während der Expansion und Verdichtung gegenseitig
auf, und der thermodynamische Kreislauf der Maschine wird durch den schädlichen
Raum nicht beeinflußt.
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Ist aber ein Wärmespeicher vorhanden, so entspricht der Austritt der
Wärmespeicherladung ebenfalls einer Expansion, welche jedoch kein Spiegelbild derjenigen
Zustandsänderung sein kann, welche während der Verdichtung der Wärmespeicherladung
stattgefunden hat. Die Wärmespeicherladung vollzieht also den mit Bezug auf das
Wärmediagramm Abb.3 beschriebenen thermodynamischen Kreislauf. Dieser leistet wohl
Arbeit, aber mit einem thermischen Wirkungsgrade, der wesentlich ungünstiger ist
als jener des Kreislaufes der eigentlichen Ladung.
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In Abb.3 stellen die dünnen Linien den thermodynamischen Kreislauf
der Hauptladung und die starken Linien denjenigen der Wärmespeicherladung dar.
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Wie aus Abb. 3 ersichtlich, befindet sich die Wärmespeicherladung
nach erfolgter Verdichtung auf den Höchstdruck P2 verdichtet in den verschieden
temperierten Schichten des Wärmespeichers, also im Durchschnitt auf einer mittleren
Temperatur T, Der durchschnittliche Zustand der Wärmespeicherladung wird durch einen
Punkt f gekennzeichnet, der auf der Isobare P2 an einer der mittleren Temperatur
T5 entsprechenden Stelle liegt. Während des Durchtritts der Hauptladung durch den
Wärmespeicher wird die in den Wärmespeicher eingedrückte Wärmespeicherladung zwar
in den warmen Arbeitsraum hinausgeschoben, aber am Ende der Ladungsperiode verbleibt
die gleiche Gasmenge und im gleichen Zustande im Wärmespeicher zurück. Der Vorgang
kann also so betrachtet werden, als ob die Wärmespeicherladung in ihrem durch den
Punkt f dargestellten Zustande verharrt hätte. Die Expansion beginnt demnach im
Punkte f. Am Ende der Expansion ist der Druck der Wärmespeicherladung gleichfalls
auf P1 gesunken, so daß deren Zustand durch irgendeinen auf der Isobare P1 liegenden
Punkt gekennzeichnet werden kann.
Während der Expansion tritt ein
jedes Teilchen der Wärmespeicherladung mit der Höchsttemperatur T2 des Wärmespeichers
aus, kühlt sich aber während der Entspannung unterhalb dieser Temperatur ab. Das
bei Beginn der Expansion austretende erste Teilchen macht den ganzen adiabatischen
Druckabfall von P2 auf p1 im Zylinder durch, also längs der Linie b-g" während das
letzte Teilchen seinen Druckabfall .in Berührung mit dem warmen Ende des Wärmespeichers
ausführt, also unter ständiger Beibehaltung der Temperatur T2, gelangt demnach längs
der Isotherme b-d auf den Druck P1. Die einzelnen Teilchen der ausgetretenen Gasmenge
befinden sich infolgedessen auf verschiedenen Temperaturen, die den Punkten von
g1 bis d entsprechen. Den Durchschnittszustand des ganzen ausgetretenen Teiles der
Wärmespeicherladung kennzeichnet der Punkt g mit der Temperatur T6 und dem .Drucke
p, Die durchschnittliche Expansion erfolgt also gemäß dem Linienzuge f-g. Während
des Ausschubhubes wird die nunmehr im warmen Arbeitsraum befindliche Wärmespeicherladung
bei gleichbleibendem Drucke längs der Isobare P1 durch den Wärmespeicher hindurch
hinausgeschoben, wobei sich die Gase im Wärmespeicher und sodann im Kühler auf die
Temperatur T1 abkühlen. Der auf der Isobare PI liegende Punkt e kennzeichnet den
Zustand der Wärmespeicherladung in diesem Zeitpunkte. Vom Zustande e gelangt die
Wärmespeicherladung wieder auf die Ausgangstemperatur T5 und den Druck P2 und erreicht
gemäß der Durchschnittszustandsänderung e-f den Zustand f. Die Wärmespeicherladung
vollführt den geschlossenen Arbeitszyklus e f g e unter Leistung einer dieser
Wärmefläche äquivalenten Arbeit. Die Arbeitsleistung erfolgt hierbei auf Kosten
der Wärme des Wärmespeichers, denn es wird während der Kompression die Wärmemenge
e f s" s3 e und während der Expansion die Wärmemenge f g s6 s5
f, d. h. insgesamt die Wärmemenge e f g s6 s3 e aus dem Wärmespeicher aufgenommen,
während des Ausschubes aber nur die kleinere Wärmemenge e g s6 s3 e dem Wärmespeicher
rückerstattet.
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Der Arbeitskreislauf der Wärmespeicherladung stört also das Wärmegleichgewicht
des Wärmespeichers, und der Beharrungszustand desselben kann nur dann aufrechterhalten
werden, wenn die Hauptladung während des Ausschubes nicht mit T2,, sondern mit einer
höheren Temperatur durch den Wärmespeicher geschoben wird.
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Von der während der Expansion vom Wärmespeicher aufgenommenen Wärmemenge
f g s6 s. wird nur der Teil f' g s6 s7 rückerstattet. der Unterschied s,
f g f' s7 wird also endgültig dem Wärmespeicher entzogen und stellt
die bei Ausführung des Kreislaufes e f g e einzuführende Wärmemenge dar;
diese Wärmemenge wird bei der mittleren Temperatur T,, dem Gase zugeführt. Während
des Ausschubes wird vom Punkte f' an die Wärmemenge s3 e f' s,, an
den Wärmespeicher rückerstattet, während der Verdichtung aber nur die Wärmemenge
s3 e f s5 aufgenommen, welche, falls e'-f' eine der Linie e-f parallele Linie
bildet, gleich der Fläche s8 e f' s, ist. Es wird also durch die unteren
kälteren Teile des Wärmespeichers die unterschiedliche Wärmemenge s3 e f' e'
s, entzogen, und diese stellt für den Kreislauf .Üer Wärmespeicherladung die endgültig
abzuführende Wärmemenge dar. Diese Wärmeentziehung findet bei der mittleren Temperatur
T8 statt.
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Da T, bedeutend niedriger als T4 und die Temperatur T$ höher als T1
ist, so ist der für den thermodynamischen Kreislauf der Wärmespeicherladung geltende
thermische Wirkungsgrad T l _T" bedeutend geringer als derjenige der
Hauptladung. Der schlechte thermische Wirkungsgrad der Wärmespeicherladung erniedrigt
nun den thermischen Wirkungsgrad der Maschine desto mehr, je größer die Wärmespeicherladung
im Verhältnis zur Ladung der Maschine ausfällt.
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Die Erfindung bezweckt nun die Beseitigung dieser Nachteile dadurch,
daß der Austritt der Wärmespeicherladung aus den Wärmespeichern während der Expansion
nach der kalten Seite hin und der Eintritt der Wärmespeicherladung während der'
gleichzeitigen Verdichtung im Arbeitsraum unter stetigem Druckanstieg gleichfalls
von der kalten Seite der Wärmespeicher erfolgt.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an die zwischen
den Ein- und Auslaßorganen des Arbeitszylinders und den Wärmespeichern befindlichen
Teile des Arbeitszylinders Expansionsräume mit im Arbeitstakte der Maschine gesteuerten
Weise veränderlichen Inhaltes angeschlossen sind, welche während der im Arbeitszylinder
stattfindenden Entspannung derart vergrößert werden, daß sie das aus den schädlichen
Räumen expandierende Arbeitsmittel aufnehmen. Der mit dem Hauptwärmespeicher_ zusammenwirkende
Expansionsraum und die mit den Hilfswärmespeichem zusammenwirkenden Frischgaskammern
werden nach Entleerung des wirksamen Arbeitsraumes vor Einführung der frischen Ladung
des Arbeitszylinders derart verkleinert, daß diese das kalte Arbeitsmittel und die
Frischgase während der Verdichtungshubstrecke des Arbeitskolbens von der kalten
Seite aus auf den Einführungsdruck der frischen Ladung in die Wärmespeicher verdichten.
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Der Eintritt der Wärmespeicherladung erfolgt also unter stetigem Anstieg
des Drucks, d. h. unter Vermeidung eines Verlustes an Druckenergien.
Es
erfolgt die Verdichtung jedoch von der kalten Seite aus; die Wärmespeicherladung
wird in kaltem Zustande in den Wärmespeicher gedrückt, was gegenüber der bisher
bekannten Verdichtung von der warmen Seite her den bedeutenden Vorteil aufweist,
daß hierzu sowohl ein im Verhältnis der Temperaturen geringerer Verdichtungsraum
als auch eine geringere Verdichtungsarbeit notwendig ist. Die letztere wird durch
die be'm Austritt der Wärmespeicherladung in die Expansionsräume geleistete Arbeit
gedeckt, denn die Veränderlichkeit der Expansionsräume kann derart gesteuert werden,
daß der Ein- und Austritt der Wärmespeicherladung - die Atmung des Wärmespeichers
-sich als zueinander spiegelbildlich gleiche Zustandsänderungen gestalten. Diese
heben sich gegenseitig auf, so daß die Atmung der Wärmespeicher die Leistung und--
den thermischen Wirkungsgrad der Maschine nicht beeinträchtigt.
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Abb. ¢ veranschaulicht die Zustandsänderung der Wärmespeicherladung,
wenn diese während der Expansion der Arbeitsladung gemäß der Erfindung in einen
an der kalten Seite des Wärmespeichers angeschlossenen veränderlichen Expansionsraum
tritt. Am Anfang der Expansion befindet sich die Wärmespeicherladung unter dem Höchstdrucke
P2 und der mittleren Temperatur T5 des Wärmespeichers, also in einem dem Punkte
f entsprechenden Zustande. Da die Expansion gegen die kalte Seite des Wärmespeichers
erfolgt, treten sämtliche Teile der Wärmespeicherladung mit der unteren Temperaturgrenze
T1 des Wärmespeichers aus, kühlen sich aber infolge der in dem kalten Expansionsraum
nachträglich erfolgenden weiteren Expansion unter die Temperatur Tl ab. Da die in
verschiedenen Zeitpunkten in den Expansionsraum eintretenden Gasteilchen in diesem
Raum eine verschiedene Druckverminderung und dementsprechend eine verschiedene Abkühlung
erleiden, so kann hier nur die mittlere Temperatur T9 in Betracht kommen. Nach erfolgter
Expansion wird die in den Expansionsraum ausgetretene Wärmespeicherladung die unterhalb
T1 liegende mittlere Temperatur T9 und den Druck P1 besitzen, ihr Zustand entspricht
dem Punkte lt. Die Expansion erfolgt also etwa gemäß dem Linienzuge f-h. Es wird
hierbei auf Kosten der dem Gase innewohnenden inneren Wärme Expansionsarbeit geleistet
und gleichzeitig an den Wärmespeicher die der Fläche s9 lt f
s, entsprechende Wärmemenge abgegeben. Während der Verdichtung tritt die entgegengesetzte
Zustandsänderung von h auf f längs der Linie f-h auf. Es ist dabei
die der Expansionsarbeit gleiche Verdichtungsarbeit zu leisten und wird vom Wärmespeicher
die der Fläche s9 lt f s;, entsprechende Verdichtungswärmemenge aufgenommen,
und auf Kosten dieser Energie wird die innere Wärme im Punkte f wieder auf den anfänglichen
Wert gehoben. Es ist also klar, daß die Expansion und Verdichtung der Wärmespeicherladung
ohne Arbeitsleistung vor sich geht und weder das Wärmegleichgewicht des Wärmespeichers
stört noch den Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreislaufes der nützlichen Ladung
beeinträchtigt.
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Da gemäß der Erfindung der Einfluß der Wärmespeicherladung vollständig
beseitigt werden kann, so sind für Größenabmessungen der Wärmespeicher praktisch
keine Grenzen gesetzt.
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Die Veränderlichkeit der gemäß der Erfindung an der kalten Seite der
Wärmespeicher angeschlossenen Expansionsräume kann in verschiedener Weise durchgeführt
werden. So z. B. können zu diesem Zwecke Kolbenzylinder vorgesehen sein, deren Kolben
derart bewegt werden, daß diese Expansionszylinder ihr Volumen in der oben angegebenen
Weise ändern. Man kann aber auch die gleiche Wirkung durch eine Reihe von Expansionsbehältern
erzielen, welche unter verschiedenen Drücken stehen und mittels einer Steuerung
während der Expansionsperiode nacheinander in einer bestimmten Reihenfolge und am
Ende des Auspuffhubes in umgekehrter Reihenfolge mit dem Arbeitszylinder verbunden
werden.
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In Abb. 2 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Zweitaktmotors
gemäß der Erfindung dargestellt, der beispielsweise im geschlossenen Kreislauf mit
künstlicher Atmosphäre arbeitet und bei dem die Expansionsräume durch Kolbenzylinder
gebildet sind.
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In Abb. 2 ist i der mit einer feuerfesten, wärmeisolierenden Bekleidung
2 versehene Arbeitszylinder und 4. der an die Kurbelwelle 3 angeschlossene Arbeitskolben.
5 ist der Wärmespeicher, durch den die frische Ladung der Arbeitsgase aus dem Behälter
6 über das gesteuerte Einlaßventil -7 eintritt, und 8 ist das gesteuerte Auspuffventil,
durch welches die Gase in den die künstliche Atmosphäre darstellenden Niederdruckbehälter
9 - in dem ein Kühler io angeordnet sein kann - auspuffen oder hinausgeschoben werden.
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Aus dem Niederdruckbehälter 9 saugt die zweckmäßig schnellaufende,
mehrstufige Pumpe ii die das Arbeitsmittel bildenden Verbrennungsgase in kaltem
Zustande mit der niedrigsten Temperatur T1 des Kreislaufes und mit dem Drucke P1
(Punkt e in Abb. i) an und fördert dieselben zweckmäßig möglichst isothermisch auf
den Druck P2 verdichtet in den Hochdruckbehälter 6, entsprechend der Strecke e-a
in Abb. i. Da das Arbeitsmittel aus Verbrennungsgasen besteht, so muß während eines
jeden Arbeitshubes die zur Verbrennung erforderliche Frischluft und, falls ein gasförmiger
Brennstoff benutzt wird, auch dieser in den Zylinder i eingeführt werden. Zu diesem
Zwecke wird der
gasförmige Brennstoff aus einer Gasquelle und die
Luft aus der Atmosphäre durch die von der Kurbelwelle 3 des Motors angetriebenen
Niederdruckpumpen 12 bzw. 13 geschöpft und unter dem Druck P1 in die Druckbehälter
14 bzw. 15 gefördert. Die Hochdruck-Gas- bzw. Luftpumpen 16 bzw. 17, die gleichfalls
von der Kurbelwelle 3 der Maschine in nicht dargestellter Weise ihren Antrieb erhalten,
schöpfen über die gesteuerten Ventile 18 und ig das Gas und die Luft aus den Niederdruckbehältern
14 und 15 mit dem Drucke pi und fördern die Gase in der weiter unten beschriebenen
Weise verdichtet durch die gleichfalls gesteuerten Einlaßventile 2o, 21 und die
Hilfswärmespeicher 22, 23 in den Verbrennungsraum des Arbeitszylinders i. Die aus
dem geschlossenen Kreislauf mit dem Druck P1 auszuscheidende Gewichtsmenge der eingeführten
Frischgasen äquivalente Gewichtsmenge Verbrennungsgase tritt durch die gesteuerten
Auspuffventile 24, 25 in die Expansionszylinder 30, 31 und aus diesen durch die
Kanäle 24, 25 in die Meßpumpen 35, 36, welche die auszuscheidende Verbrennungsgasmenge
mit dem Druck P1 in den Behälter 27 fördern. Die Kolben der Pumpen 16,
17, 30, 31 und 35,36
werden in der weiter unten beschriebenen Weise
gleichfalls von der Kurbelwelle des Motors bewegt. Aus dem Behälter 27 gelangt das
Verbrennungsgas vom Drucke PI über den Wärmerekuperator oder Regenerator 26 in den
Niederdruckmotor 28. Die während ihres Durchtritts durch die Hilfswärmespeicher
22 und 23 auf die niedrigste Temperatur T1 des Arbeitskreislaufes abgekühlten und
mit dieser Temperatur im Behälter 27 aufgespeicherten Verbrennungsgase nehmen während
ihres Durchtrittes durch den Rekuperator 26 die Verdichtungswärme der in den Pumpen
12 und 13 verdichteten Gase auf. Die Verbrennungsgase treten also mit der
Temperatur, die der adiabatischen Verdichtung vom atmosphärischen Druck auf den
Druck entspricht, in den Niederdruckmotor 28, in welchem sie arbeitsleistend expandieren
und die Verdichtungsarbeit für die beiden Pumpen iz und 13 liefern. Da die durch
den Niederdruckmotor 28 gelieferte Arbeit nicht genügt, um außer der Verdichtungsarbeit
auch die Reibungskraft des Maschinenaggregates 28, 12, 13 zu liefern, so ist es
zweckmäßig, die Kurbelwelle 36 desselben mit der Kurbelwelle 3 des Motors zu kuppeln.
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37 und 38 sind die Druckventile der Expansionszylinder 30, 3i, und
39 ist ein Druckgasbehälter, in dem der Druck P2 -i- "l\ p herrscht und der
durch die gesteuerten Ventile 40, 41 an die Hilfswärmespeicher 22, 23 angeschlossen
werden kann.
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Gemäß der Erfindung sind nun der kalten Seite der Wärmespeicher 5,
22 und 23 zwischen diesen und den Einlaßventilen 7, 2o, 21 oder Auslaßventilen 8;
24, 25 die Expansionszylinder 29, 30 und 31 angeschlossen, in denen die Expansionskolben
32, 33 und 34 beweglich sind. Das Antriebsgestänge der Expansionskolben 33 und 34
ist der Einfachheit halber in der Abb. 2 nicht angegeben.
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Die Wirkungsweise der Expansionszylinder sei zunächst ohne Rücksicht
auf ihren Antrieb beschrieben, da die Expansionskolben eine intermittierende Bewegung
ausführen müssen, welche durch ein Kurbelgetriebe nur mehr oder weniger annähernd
erzielt werden kann.
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Es sei angenommen, daß sich die Wärmespeicher 5, 22 und 23 bereits
in ihrem Beharrungszustande befinden, in welchem ihre dem Arbeitsraum zugekehrte
Seite die Temperatur T2 und die entgegengesetzte Seite die Temperatur T1 besitzt,
während der Arbeitskolben 4 und die Expansionskolben 32, 33 und 34 in ihrer inneren
Totpunktlage sind.
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Im Betriebszustande sind die Druckbehälter g und 27 mit Verbrennungsgasen
vom Druck P1, der Druckgasbehälter 6 mit Verbrennungsgasen vom Druck P2 und der
Druckgasbehälter 39
mit Verbrennungsgas vom Druck p2 -E- /#, p gefüllt. Der
Behälter 14 enthält brennbares Gas und der Behälter 15 Verbrennungsluft unter dem
Drucke Pi. In allen Behältern herrscht die Temperatur TI, und die Behälter sind
so groß, daß die Druckschwankungen vernachlässigt werden können. Der schädliche
Raum des Arbeitszylinders i der Expansionszylinder 29, 30, 31 und die Wärmespeicher
5, 22, 23 seien mit Gasen vom Höchstdruck P2 des Arbeitszyklus gefüllt, und zwar
enthält der Hauptwärmespeicher 5 Verbrennungsgase, der Hilfswärmespeicher 22 brennbares
Gas und der Hilfswärmespeicher 23 Frischluft.
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Das Öffnen des gesteuerten Einlaßventils 7 erfolgt in der Nähe der
inneren Totpunktlage des Kolbens 4, dem Punkt a der Abb. i und 5 entsprechend. Hierdurch
wird der das auf den Admissionsdruck p2 verdichtete Arbeitsmittel enthaltende Behälter
6 mit dem Zylinder i verbunden. Da in diesem bereits der Druck P2 herrscht, so erfolgt
aus dem Druckbehälter 6 in den Arbeitsraum so lange keine Gaseinströmung, bis der
Arbeitskolben 4 nicht seinen Arbeitshub beginnt. Beim Steigen des Kolbens 4 strömt
aus dem Behälter 6 durch das Einlaßventil 7 das Arbeitsmittel mit dem Druck P2 in
dem der Bewegung des Arbeitskolbens entsprechenden Maße nach und schiebt die im
Wärmespeicher 5 befindlichen Gase vor sich in den Arbeitszylinder i.
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Gleichzeitig mit dem Einlaßventil 7 sind aber auch die Einlaßventile
40 und 41 für das im Behälter 39 unter dem Druck P2+;\ P stehende Verbrennungsgas
geöffnet worden, welches das im Hilfswärmespeicher 22 unter dem Druck P2 aufgespeicherte
brennbare Gas und die im Hilfswärmespeicher
23 aufgespeicherte
Frischluft gegen den Arbeitszylinder x drängt.
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Während ihres Durchtritts durch die Wärmespeicher erhitzen sich die
Gase gemäß der Strecke a-b der Isobare P2 (Abb. i) auf die Höchsttemperatur T2 der
Wärmespeicher und treten mit dieser in den Arbeitszylinder ein. Da diese Temperatur
über der Entzündungstemperatur liegt, so entzündet sich und verbrennt das aus dem
Hilfswärmespeicher 22 austretende brennbare Gas mit der aus dem Hilfswärmespeicher
23 austretenden Frischluft in der Düse 42, und die Verbrennungsprodukte vermischen
sich mit den aus dem Hauptwärmespeicher 5 austretenden Arbeitsgasen, wobei diese
gemäß der Strecke b-c der Isobare P2 (Abb. i) auf eine noch höhere Temperatur T3
erhitzt werden. Der Arbeitskolben 4 vollzieht in dieser Weise den Teil a-c (Abb.5)
seines Arbeitshubes mit gleichbleibendem Druck währenddessen auf Kosten der durch
Innenverbrennung gelieferten Wärme Arbeit geleistet wird. Im Zeitpunkte c des Hubes
werden die Einlaßventile 7, 4o und 41 geschlossen, so daß während der Strecke c-d
des Arbeitshubes (Abb. i und 5) eine adiabatische Entspannung der im Zylinder i
befindlichen Arbeitsgase von dem Drucke P2 auf den Druck P1 erfolgt, während welcher
eine Abkühlung der Gase von der Temperatur T;, auf die Temperatur T2 stattfindet.
Während der Expansionsperiode sollen die Expansionskolben 32, 33 und 34 in Wirkung
treten, von denen angenommen worden ist, daß sie bis zu diesem Augenblicke in ihrer
gezeichneten .inneren Totpunktstellung in Ruhe verharrt hatten. Am Anfang der Expansionsperiode
im Zeitpunkte c (Abb. i und 5) werden die Ventile 24, 25 geöffnet, und es sollen
die Expansionskolben ihren Auswärtshub beginnen und diesen am Ende der Expansionsperiode
bei d vollenden. Dabei sollen die Expansionskolben derart bewegt werden, daß die
Gase, die sich beim Druck P2 in den Wärmespeichern 5, 22 und 23 sowie in den zwischen
der kalten Seite der Wärmespeicher und den Expansionskolben liegenden schädlichen
Räumen befinden, während der Entspannung in die durch die Expansionskolben 32, 33
und 34 in den Expansionszylindern 29, 30 und 31 eröffneten Räume expandieren
können, aber nicht an der warmen Seite der Wärmespeicher aus- und in den Arbeitszylinder
i eintreten.
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Die obige Einrichtung wirkt also geradeso, als ob am Anfang der Expansion
die Wärmespeicher durch je eine Wand an ihrer warmen Seite gegen den Arbeitsraum
des Zylinders i abgesperrt würden.
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Am Ende des Auswärtshubes des Arbeitskolbens 4 ist der Druck in dem
Arbeitszylinder - falls die Auspuffperiode d'-d (Abb.5) der Einfachheit halber nicht
berücksichtigt wird -auf P1 gesunken, und die Expansionskolben 32, 33 und 34 haben
ihre äußere Totpunktlage erreicht. Die Expansionszylinder sind mit den aus den Wärmespeichern
expandierten kalten Verbrennungsgasen gefüllt. Es wird nun das Auslaßventil 8 geöffnet,
worauf der Arbeitskolben 4 seinen Abwärtshub d-e (Abb. i und 5) ausführt. Die Expansionskolben
32, 33 und 34 verharren dabei in Ruhe. Während seines Niederganges schiebt der Kolben
4 aus dem Arbeitszylinder durch den Hauptwärmespeicher 5 und das Ventil 8 eine solche
Gewichtsmenge Verbrennungsgas mit der Temperatur T, und dem Druck P1 in den Behälter
9, die der während des Arbeitshubes durch das Ventil 7 mit dem Druck P2 eingeführten
Gewichtsmenge Verbrennungsgas gleich ist. Gleichzeitig treten die Meßpumpen 35 und
36 in Wirkung und saugen durch die Zylinder 30, 31 und die Verbindungskanäle 24,
25 (welche durch die Kolben 33, 34 freigegeben worden sind) aus dem Arbeitszylinder
i durch einen jeden Hilfswärmespeicher 22, 23 eine solche Gewichtsmenge Verbrennungsgas
ab, die der durch den betreffenden Hilfswärmespeicher während der Verbrennungsperiode
gespeisten Frischgasmenge gleich ist.
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Hierauf werden die Ventile 24, 25 geschlossen und die Expansionskolben
33, 34 zurückgeschoben, welche das in den Expansionszylindern 30, 31 befindliche
Verbrennungsgas auf den Druck P2+i\ P verdichtet durch die Ventile 37, 38 in den
Behälter 39 drückt und hiermit die diesem früher entnommene Gasmenge rückerstattet.
Die Meßpumpen 35, 36 schieben die eingesaugten Verbrennungsgasmengen ohne Drucksteigerung
in den Behälter 27 hinüber. Der Druckbehälter 27 kann mit dem Behälter 9 vereinigt
sein. Inzwischen hat die Gaspumpe 16 aus dem Behälter 14 und die Frischluftpumpe
17 aus dem Behälter 15 brennbares Gas und Frischluft mit dem Druck pi angesaugt.
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In der Nähe des Endes des Abwärtshubes im Zeitpunkte e (Abb.5) wird
das Auslaßventil 8 gesperrt, während die Ventile 20, 21 geöffnet werden. Während
der Vollendung seines Abwärtshubes verdichtet der Arbeitskolben 4 bis zur Erreichung
seiner inneren Totpunktlage a (Abb.5) das im Arbeitszylinder i zurückgebliebene
Arbeitsmittel auf den Admissionsdruck P2 der Strecke e-a der Abb.5 entsprechend.
Während dieser Verdichtungsperiode e-a des Arbeitskolbens 4 haben der Expansionskolben
32 und die Kolben der Pumpen 16, 17 gleichfalls ihren Einwärtshub auszuführen und
die in den zugehörigen Zylindern befindlichen Gase allmählich auf den Druck P2 zu
verdichten, wobei der Expansionskolben 32 die im Expansionszylinder 29 befindlichen
Verbrennungsgase in den Wärmespeicher 5, die Pumpe 16 das in derselben befindliche
Brenngas in den Hilfswärmespeicher a2 und die
Pumpe 17 die in derselben
befindliche Frischluft in den Hilfswärmesp.eicher 23 drückt.
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Es ist somit der Arbeitszylinder zum Einlaß der frischen Ladung fertig,
und die Wärmespeicher 5, 22, 23 sowie die an ihrer kalten Seite befindlichen schädlichen
Räume sind wieder mit Arbeitsmittel, Brenngas und Frischluft vom Drucke P2 gefüllt.
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Der Expansionskolben 32 soll, wie aus Obigem ersichtlich, eine eigenartige,
von der harmonischen periodischen Bewegung abweichende Bewegung ausführen. In Abb.
6 veranschaulicht die mit dünner Linie gezeichnete Sinuskurve I die Bewegung des
Arbeitskolbens 4, während die mit starker Linie gezeichnete Linie II die durch Expansionskolben
32 auszuführende Bewegung veranschaulicht, falls das Hubvolumen des Expansionskolbens
beispielsweise etwa drei Viertel des Hubvolumens des Arbeitskolbens beträgt. Die
übrigen Expansionskolben haben eine mehr oder weniger ähnliche Bewegung auszuführen,
weshalb im nachstehenden nunmehr lediglich vom Expansionskolben des Hauptwärmespeichers
die Rede sein wird. In Abb. 6 ist die Volumfläche des Arbeitszylinders lotrecht
und die Volumfläche des Expansionszylinders schief schraffiert.
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Der Expansionskolben hat gemäß Abb.6 also sowohl in seiner inneren
Totpunktlage während der kürzeren Zeitdauer a-c, während welcher der Arbeitszylinder
seine Ladung erhält (vgl. Abb. 5), als auch in seiner äußeren Totpunktlage während
der längeren Zeitdauer d-6, während welcher das Hinausschieben der Verbrennungsgase
aus dem Arbeitszylinder erfolgt (vgl. Abb. 5), in Ruhe zu verharren. Nach seiner
kürzeren Ruhepause a-c der inneren Totpunktlage muß der Expansionskolben einen von
der Bewegung des Arbeitskolbens verhältnismäßig wenig abweichenden, sich auf die
Expansionsstrecke c-d des Arbeitskolbens erstreckenden Aufwärtshub c-k und nach
der längeren Ruhepause k-m der äußeren Totpunktlage einen sehr steilen Einwärtshub
m-a ausführen, der sich auf die Verdichtungsstrecke c-a des Arbeitskolbens zu beschränken
hat.
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Wie aus der in Abb.6 punktiert eingezeichneten Kurve III ersichtlich,
läßt sich die Volumfläche des Expansionszylinders mittels einer sinoidalen Kurve
annähern, deren unterhalb der Vmi"-Linie und oberhalb der V,1", -Linie liegenden
Wellenberg- und Wellentalspitzen abgeschnitten sind. Die Sinuskurve III muß in bezug
auf die Sinuskurve I um den Winkel x nacheilen. Die Einrichtung um die Spitzen der
Wellenberge und -täler der die Bewegung des Expansionskolbens darstellenden Sinuskurve
III unwirksam zu machen, besteht gemäß der Erfindung darin, daß der Expansionskolben,
dem Arbeitskolben nacheilend, angetrieben wird und die Ein- und Auslaßorgane des
Arbeitszylinders derart gesteuert sind, daß der Expansionskolben einen Bruchteil
seines Hubes am Ende und Anfang samt dem Hubwechsel während der Öffnungsdauer der
Einlaß- und Auslaßorgane ausführt.
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Der Antrieb des Expansionskolbens 32 erfolgt von der Kurbelwelle 3
aus mittels der Kurbeln 43 und der Pleuelstangen qq.. Die Kurbeln 43 (Abb. 7) eilen
in bezug auf die Kurbeln 45 des Arbeitskolbens 4 grundsätzlich um einen Winkel x
nach, da der Expansionszylinderkolben seinen Auswärtshub erst dann beginnen soll,
wenn der Arbeitskolben bereits einen Teil seines Arbeitshubes zur Füllung des Zylinders
ausgeführt hat. Die Größe des Gesamtwinkels, um den die Kurbeln 43 des Expansionszylinderkolbens
32 gegen die Kurbeln 45 des Arbeitskolbens 4 versetzt werden müssen, hängt von der
Lage des Expansionszylinders in bezug auf den Arbeitszylinder ab, d. h. von dem
Winkel, den die Längsachsen der beiden Zylinder miteinander bilden. Danach ergibt
sich auch der Lauf der Kolben zueinander, der je nach der Lage gleichläufig, querläufig
oder gegenläufig sein muß. Der Winkel, den die Zylinderachsen miteinander bilden,
vermehrt um den Nacheilwinkel x, ergibt den Gesamtwinkel, um den die Kurbeln gegeneinander
versetzt werden müssen. Bei der Ausführung gemäß Abb. 2 bilden die Zylinderachsen
des Expansionszylinders 29 und des Arbeitszylinders 2 miteinander den Winkel von
i8o°, d. h. ihre Kolben sind gegenläufig, und demgemäß beträgt der Gesamtwinkel
der Kurbelversetzung 18o°+ x°. Die Wirkungsweise ist folgende Wenn der Arbeitskolben
sich am Anfang seines Arbeitshubes (aufwärts) befindet und der Hochdruckbehälter
6 bei 7 an den Arbeitszylinder angeschlossen ist, befindet sich in dem mit Verbrennungsgasen
unter dem Druck gefüllten Expansionszylinder der Expansionskolben 32 dem Nacheilungswinkel
x entsprechend in der mit vollen Linien gezeichneten Stellung 32 seines Aufwärtshubes,
führt sodann, bis zur Totpunktstellung 32a vordringend, seinen inneren Hubwechsel
aus und kehrt während seines Abwärtshubes in dem Zeitpunkt c der Abb. 6 wieder in
die mit vollen Linien gezeichnete Stellung 32 zurück, in welchem das Einlaßventil
7 abgesperrt wird. Während dieser Zeit hat der Arbeitskolben den Abschnitt a-c (Abb.5)
seines Arbeitshubes ausgeführt und der Zylinder die frische Ladung (unter Innenverbrennung)
erhalten. Gleichzeitig hat der Expansionskolben die Gase während seines Aufwärtshubes
aus dem Expansionszylinder in den Behälter 6 geschoben und während seines Abwärtshubes
wieder zurück gesaugt. Der Arbeitskolben 4 vollzieht nunseinen Expansionshub c-d
(Abb.6), währenddessen der Expansionskolben seinen Abwärtshub
von
der Stellung 3a bis zur Stellung 32h (der Strecke c-k der Kurve II bzw. III der
Abb. 6 entsprechend) ausführt. Dabei tritt die expandierende Wärmespeicherladung
in den Expansionszylinder 29, bis der Druck auf P1 sinkt. In diesem Augenblick,
also noch vor der Vollendung des Abwärtshubes des Expansionskolbens 32, wird das
Ausströmungsventil 8 geöffnet, so daß der Auspuff und das Hinausschieben des Arbeitsmittels
aus dem Arbeitszylinder in den Niederdruckbehälter 9 (längs der Strecke n-e der
Kurve I, Abb. 6) stattfindet. Während dieser Zeit gelangt der Expansionskolben von
der Stellung 32h in seine untere Totpunktlage 32, und nach Ausführung seines Hubwechsels
während seines Aufwärtshubes wieder (im Zeitpunkte der Kurven II bzw. III der Abb.
6) in die Lage 32b zurückkehrt. Hierauf wird das Auslaßventil 8 geschlossen und
einerseits der Arbeitskolben q. bis zum unteren Hubende der Strecke e-a der Kurve
I (Abb.6) und andererseits der Expansionskolben 32 der Hubstrecke 32b-32 bzw. der
Strecke m-a der Kurve 1I bzw. III (Abb. 6) entsprechend den Verdichtungshub ausführt.
Dabei verdichtet der Expansionskolben die im Expansionszylinder befindlichen Gase
auf den Druck p2 und schiebt sie während der Drucksteigerung allmählich in den Wärmespeicher
5, so daß dieser seine ursprüngliche Ladung wieder erhält. Während der Verdichtung
der Wärmespeicherladung findet keine Steigerung der Temperatur der kalten Seite
des Wärmespeichers über seine ursprüngliche Temperatur T, statt, da der Inhalt des
Expansionszylinders seine Entspannung vom Druck P2 auf den Druck P1, von der Temperatur
T1 ausgehend, unter adiabatischer Abkühlung auf eine tiefere Temperatur ausgeführt
hat, also bei seiner darauffolgenden Verdichtung von pi auf p2, von der tieferen
Abkühlungstemperatur ausgehend, wieder die ursprüngliche Temperatur erreichen wird.
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Wie aus der Abb. 6 ersichtlich, ist die sinoidale Kurve III unsymmetrisch,
so daß sie steiler abfällt, als sie ansteigt. Eine derart asymmetrische Verzerrung
der Sinuskurve kann bekanntlich durch entsprechende Verkürzung der den Expansionskolben
antreibenden Pleuelstange des Kurbelgetriebes erzielt werden.
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In dem Diagramm (Abb. 6) ist die Wirkung der Auspuffperiode d'-d (Abb.
5) vernachlässigt worden. 'Wird. dieselbe berücksichtigt, so tritt im Augenblicke
des Öffnens des Auspuffs die aus Abb. 8 ersichtliche Inflexion r auf. Um in der
Volumänderung des Expansionszylinders diese Inflexion r zu erzeugen, ist es zweckmäßig,
statt eines Expansionszylinders zwei Expansionszylinder anzuwenden, von denen der
eine (der primäre Expansionszylinder) die Volumänderung c r t a c und der
andere (der sekundäre Expansionszylinder) die Volumänderungr'knatr' erzeugt. Die
Arbeitsperioden der beiden Expansionszylinder müssen dabei derart eingestellt werden,
daß der primäre Expansionszylinder 29 der Abb. 2 seine Expansionsarbeit im Zeitpunkt
c (vgl. Abb. 5) beginnt und der sekundäre Expansionszylinder, der gleichfalls an
die kalte Seite des Wärmespeichers 5 angeschlossen, aber in der Abb. 2 nicht dargestellt
ist, im Zeitpunkte d' mit seiner Verdichtungsperiode einsetzt und bis zum Zeitpunkte
d diese fortsetzt. Der primäre Expansionszylinder bleibt während dieser Zeit unwirksam.
Beide Expansionszylinder sind bis zum Zeitpunkte e unwirksam, worauf bis zum Zeitpunkte
a sowohl der primäre als der sekundäre Expansionszylinder ihre Expansionsperiode
gleichzeitig oder nacheinander derart auszuführen haben, daß die Gesamtvolumänderung
der beiden Expansionszylinder dem Linienzuge m-a entspricht.
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Wie aus dem Obigen hervorgeht, kann man mittels einfacher Kurbelgetriebe
die erforderlichen Volumkurven der Expansionszylinder nur annähernd wiedergeben.
Eine genaue Wiedergabe der Volumkurven könnte mittels Unrundscheiben mit Leichtigkeit
erzielt werden, doch sind derartige Antriebsmechanismen zur Übertragung größerer
Kräfte, wie dieselben im vorliegenden Falle auftreten, vollkommen ungeeignet.
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Ein anderes Mittel, um beliebige Volumkurven der Expansionsräume wiedergeben
zu können, besteht in der Anwendung einer Reihe von Druckbehältern, welche vom niedrigsten
Drucke PI bis zum höchsten Drucke P2 des Kreislaufes verschiedene Druckstufen darstellen.
je kleiner die Unterschiede zwischen den einzelnen Druckstufen sind, also je größer
die Anzahl der Druckbehälter, desto genauer läßt sich eine jede Volum- oder Druckkurve
des Diagramms des Expansionsraumes erzielen. Die Verbindung der Druckbehälter mit
dem Arbeitsraume der Kraftmaschine an der kalten Seite des Wärmespeichers vermittelt
eine Steuerung, die derart wirkt, daß während der Expansionsperiode die Druckbehälter
in einer von dem Drucke P2 bis zum Drucke A abnehmenden Reihenfolge nacheinander
und einzeln jeweils in demjenigen Augenblick an die kalte Seite des Wärmespeichers
angeschlossen werden, in welchem im Arbeitsraume ein um (,p höherer Druck herrscht
als in der angeschlossenen Stufe der Druckbehälterreihe. Während der Verdichtungsperiode
des Arbeitsraumes schließt die Steuerung die einzelnen Stufen der Druckbehälterreihe
in umgekehrter Reihenfolge an den Arbeitsraum.
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In Abb. 9 ist ein Beispiel einer solchen Einrichtung schematisch veranschaulicht.
An die kalte Seite 46 des Wärmespeichers 5 des Arbeitszylinders Z der Kraftmaschine
können durch die
von einer Steuerung 47 beherrschten Ventile 49
die Druckbehälter48a, 48b ... 48p angeschlossen werden. Im ersten Druckbehälter
48" herrscht der Druck p2, im letzten Druckbehälter 48f der Druck P1. In den Zwischengliedern
der Reihe 48"-48,p herrschen verschiedene Zwischenstufen der beiden Druckgrenzen
P2 und Q51.
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Während der Expansionsperiode verbindet die Steuerung 47 die Behälter
in der Reihenfolge 48" bis 48p in dem Zeitabschnitt c-k (Abb. 8) in solchen Zeitpunkten
nacheinander einzeln mit dem Raume 46, in denen im Arbeitszylinder ein etwa um
"\ P größerer Druck herrscht als in den jeweils angeschlossenen Behälter
48. Während der Zeitdauer k-,»t (Abb. 8) sind sämtliche Behälter 48 abgeschaltet.
Vom Zeitpunkte m bis zum Zeitpunkte a (Abb. 8) werden die Behälter 48 in der Reihenfolge
48f. . .48a nacheinander und einzeln mit dem Raume 46 verbunden, so daß in diesem
bzw. in dem Wärmespeicher 5 der Druck in gleichem Maße steigt, in welchem der Druck
durch den Kolben 4 der Maschine in dem zwischen diesem und dem warmen Ende des Wärmespeichers
5 befindlichen Raum gesteigert würde. Infolgedessen expandiert während der Druckabfallperiode
die Wärmespeicherladung in die Behälter 48",. . . 48f und nicht in den warmen' Raum
des Arbeitszylinders; während der Drucksteigerungsperiode aber wird die Wärmespeicherladung
nicht von der warmen Seite in den Wärmespeicher gedrückt, sondern gelangt mit allmählicher
Drucksteigerung aus den Behältern 48f... 48a in den Wärmespeicher.