-
DruckluftverbrennungskrxFtmaschine Die Erfindung bezieht sich auf
eine Maschine mit innerer Verbrennung, welche flüssigen Brennstoff mit außerhalb
des Kraftzylinders komprimierter Druckluft verbrennt. Bei solchen Maschinen ist
es sehr erwünscht, eine nicht explosive Verbrennung des Brennstoffluftgemisches
mit im wesentlichen gleichmäßigem Druck und gleichmäßiger Temperatur zu erhalten,
und es ist schon vorgeschlagen worden, die in den Arbeitszylinder eingelassene Gemischmenge
entsprechend dem vom Arbeitskolben freigegebenen Volumen zu vergrößern. Diese Maßnahme
reicht an sich aber noch nicht aus, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, und
erhebliche praktische Schwierigkeiten stellen sich der Erreichung einer vollständigen
Verbrennung unter den notwendigen Druck- und Temperaturverhältnissen entgegen.
-
Diese Schwierigkeiten sind bei der Maschine gemäß der Erfindung dadurch
gelöst worden, daß eine Mischkammer angeordnet ist, in welche die Zuleitung für
die verdichtete Luftladung und die Zerstäuberdüse für den Brennstoff einmünden.
Die Düse befindet sich dabei in der Nähe des Einlaßventils, während die Luftladung
durch einen Luftspalt eintritt, der vorzugsweise zwischen der Kammerwand und dem
Kopf der Zerstäuberdüse gebildet wird.
-
. Da die Beschickung hinter dem Einlaßventil entzündet wird, ist es
notwendig, ein Ausblasen der Flamme in den Zylinder zu verhindern, und dies geschieht
durch Anwendung einer Prallfläche, welche die Fließrichtung der Ladung umkehrt.
Diese Prallfläche ist zweckmäßig wärmeisoliert, so daß sie, nachdem sie heiß geworden
ist, die späteren Ladungen zünden hilft.
-
Um eine richtige Zerstäubung des Brennstoffes zu erzielen, welche
eine Regulierung über einen weiten Bereich ermöglicht, besitzt die Maschine gemäß
der Erfindung eine Vorrichtung, durch welche ein Teil der unter Druck stehenden
Verbrennungsluft aus der Mischkammer aufgenommen wird, welche dann eine Hilfspumpe
auf höheren Druck gebracht und durch eine Zerstäubungsdüse in die Kammer ausgetrieben
wird und sich dabei mit dem Brennstoff mischt, welcher durch eine besondere Pumpe
diesem Zerstäubermundstück zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine regulierte
und ununterbrochene Zerstäubung während der ganzen Einlaßperiode erhalten werden.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dargestellt. Abb, x ist eine Vorderansicht, Abb. z ein senkrechter Längsschnitt,
Abb. 3 ein senkrechter Schnitt durch einen der Zylinder nach Linie G-H der Abb.
_, Abb. q. zeigt einen Schnitt in größerem Maßstabe durch den oberen Teil des Zylinders,
Abb. 5 ist ein Schnitt nach Linie S-T der Abb. q., Abb. 6 zeigt einen Schnitt durch
die Zerstäuberdüse,
Abb. 7 und 8 zeigen die Nockenwalze zur Steuerung
der Zulaßventile in Seitenansicht und im Schnitt nach Linie U-V, Abb. 9 und io zeigen
die Nockenwalze zur Bewegung der Brennstoffpumpe in Ansicht und im Schnitt nach
Linie X-Y, Abb. ii zeigt eine Einrichtung zur Steuerung eines Hilfsauslaßventils,
Abb. i2 zeigt ein ideales Indikatordiagramm, Abb. 13 zeigt das Kurbelkreisdiagramm,
Abb. 14 zeigt eine Ausführung mit mehreren Zylinderpaaren.
-
Bei der Ausführung nach Abb. i ist eine Maschine mit zwei wassergekühlten
Kraftzylindern i und 2 angenommen, deren Kolben 3 und 4 durch Pleuelstangen 5 und
6 mit Kurbelzapfen 7 und 8 der Welle 9 verbunden sind, die unterhalb der Zylinder
gelagert ist und ein Schwungrad -trägt.
-
Eine mittlere Kurbel ii der Welle treibt einen zweistufigen Luftkompressor,
der aus zwei übereinanderliegenden Zylindern 21, 22 gebildet ist. Die Kompressorkolben
ig, 2o sind durch eine Kolbenstange 18 miteinander und eine Kolbenstange 17 mit
einem Querhaupt 13 verbunden, welches durch die Kurbelstange 12 bewegt wird. Die
Niederdruckstufe des Kompressors ist wassergekühlt, die Hochdruckstufe dagegen nicht.
Die hochkomprimierte Luft gelangt in einen Aufnahmebehälter 31: (Abb. 2), in welchem
sie mit einem Druck von etwa 12, 25 Atm. und einer Temperatur von 171' C
aufgespeichert vVird. Aus dem Behälter strömt die Luft in die Mischkammer 37 am
Kopf der Kraftzylinder i bzw. z.
-
Die Mischkammer ist gegen den Zylinder durch ein Einlaßventil 39 abgeschlossen,
welches durch Nockenwalzen 41, 42 (Abb. i) gesteuert wird.
-
Die Nockenwalzen wirken auf Schwinghebel 43, 44, die durch Druckstangen
45, 46 und Hebel 47, 48 die Spindeln 49, 5o der Ventile gegen die Wirkung von Federn
51, 52 niederdrücken.
-
Die Nockenwalzen werden (vgl. Abb. 7, 8) durch schräge Nocken auf
einer Hülse 41 gebildet, welche durch einen zylindrischen unwirksamen Streifen in
der Mitte voneinander getrennt sind. Der Nocken links von diesem Streifen dient
für die eine Umlaufrichtung und der Nocken rechts von dem Streifen für die entgegengesetzte
Umlaufrichtung. Der Nocken beginnt etwa 15' vor einer durch die Linie T-C (Abb.8)
bestimmten Mittelebene, und seine Breite nimmt nach den Enden der Hülse hin zu,
wie durch die vollen und strichpunktierten Linien in Abb. 8 angedeutet ist. Die
Nockenwalzen sind längs, einer Steuerwelle 53 verschiebbar, die von der Kurbelwelle
9 aus durch ein Kettengetriebe 54, 55, 56 in gleichem Sinne und mit der gleichen
Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle angetrieben wird. Die Verschiebung erfolgt durch
eine Zahnstange 57, die in Führungen 59, 6o geführt ist und durch einen Zahnbogen
58 mit der Achse einer Handkurbel 61 verbunden ist. Je nach der Stellung der Nockenwalze
auf der Steuerwelle wirkt ein längerer oder kürzerer Nockenteil auf das Einlaßventil,
so daß die Füllung des Zylinders und damit die Leistung der Maschine geregelt werden
kann. Das Einlaßventil wird infolge der beschriebenen Anordnung des Nockens vor
dem oberen Totpunkt des Kraftkolbens geöffnet, damit der schädliche Raum" ausgefüllt
wird und die Bewegungsumkehr des Kolbens durch ein elastisches Gaskissen erleichtert
wird. Die Radien des Nockenprofils hinter der Mittelebene T- C
sind so bestimmt,
daß bei zunehmender Geschwindigkeit der -Kolbenbewegung das Zulaßventil weiter geöffnet
wird, um eine konstante Durchflußgeschwindigkeit des Kraftgemisches zu erzielen.
Jenseits der Stelle, welche der größten Kolbengeschwindigkeit entspricht, nehmen
die Radien wieder ab.
-
Der flüssige Brennstoff wird durch Pumpen 95, 96 eingespritzt, deren
Kolbenstangen 93, 94 mit Winkelhebeln 9i, 9z verbunden sind, die durch Schubstangen
89, 9o bewegt werden. Die unteren Enden dieser Schubstangen stützen sich auf Hebel
65, 66, die um feste Zapfen 67, 68 schwingen und mit Rollen auf Nockenwalzen 63,
64 aufliegen, die gleichfalls auf der Steuerwelle 53 sitzen. Die Gestalt dieser
Pumpennockenwalzen (Abb.9 und io) entspricht im wesentlichen derjenigen der Nockenwalzen
zum Steuern der Einlaßventile. Die Nocken beginnen etwas mehr vor der Mittelebene,
welche wieder durch den Radius T-C angedeutet ist. Die Radien der Nocken jenseits
dieser Mittelebene wachsen im Verhältnis zu dem immer zunehmenden Raum über den
Kolben (also nicht proportional der Kolbengeschwindigkeit wie die Radien der Nockenwalzen
41, 42).
-
Die Nocken 63, 64 sind ebenfalls längs der Welle 53 verschiebbar und
werden zu diesem Zweck von der Zahnstange 57 erfaßt.
-
Der Brennstoffpumpe wird durch eine Rohrleitung 97 der Brennstoff
zugeführt (s. Abb. 4). 99 ist das selbsttätige federbelastete Ansaugventil und ioi
das ebenfalls federbelastete, etwas kleinere Druckventil. Der Brennstoff wird durch
einen Kanal 103 in die Rohrleitung io5 der Zerstäuberdüse (Abb. 6) hineingedrückt.
-
Die Zerstäuberdüse ist nun ferner durch eine Rohrleitung 77 und einen
Kana175 mit einer Einblaseluftpumpe verbunden, in deren Zylinder 73 ein Kolben 71
verschiebbar ist. Die Kolbenstange 69 (bzw. 7o für den Arbeitszylinder 2) wird von
dem Schwinghebel 65 bzw. 66 bewegt. Durch diese Einblaseluftpumpe wird verdichtete
Luft
aus der Mischkammer 37 angesaugt. Bei Beginn eines neuen Arbeitskreislaufes wird
die Luft noch zusammengedrückt und durch die Zerstäuberdüse zusammen mit dem durch
die Brennstoffpumpe in die Düse eingedrückten Brennstoff in die ?Mischkammer 37
eingeblasen. Infolge der Anordnung der Druckstangen 69, 7o zu den- Druckstangen
89, go wird erreicht, daß die Einblaseluftpumpe kurz vor dem Einpressen des
Brennstoffes wirksam wird, so daß der Brennstoff sofort von der Einblaseluft erfaßt
wird.
-
Die Anordnung der Zerstäubungsdüse ist aus Abb. 6 ersichtlich. Der
Brennstoff tritt in eine Kammer 83, während die Einblaseluft in die Kammer
79 eintritt und durch einen exzentrischen Kana181 in die Kammer 83 übertritt.
Durch eine mittlere Düse 83a gelangt das Brennstoffluftgemisch in eine zweite Kammer
85 und durch eine gegen 83a versetzte Spritzdüse 87 in die Mischkammer 37. In dieser
tritt die Mischung mit dem Aufnehmer 31 herangeführten Druckluft ein, welche durch
einen Luftspalt in die Kammer 37 eintritt, der zwischen der Kammerwand und dem Kopf
der Zerstäuberdüse gebildet ist.
-
Beim Öffnen des Einlaßventils 39 tritt das Gemisch von unter Druck
stehender Verbrennungsluft und fein verteiltem Brennstoff in die Zündkammer 107
ein, die in offener Verbindung mit dem Arbeitsraum des Kraftzylinders steht. Das
Kraftgemischt trifft dabei auf eine hohle, konisch gestaltete Prallfläche log, und
die Anordnung ist so gewählt, daß eine Bewegungsumkehr des Gemischstromes eintritt.
Die Prallfläche ist gegen das Metall des Zylinderkopfes durch Ringe 111, 113 wärmeisoliert
und -wird durch einen Schraubring 115 gehalten. Nach den ersten zur Zündung kommenden
Ladungen wird diese Prallfläche log so weit erhitzt, daß sie jede nachfolgende Ladung
entzündet. Zum Anlassen dient ein Glühdrahtring 117 (Abb. 5), der aus Nickelchrom
besteht, durch eine Klemmschraube 11g gehalten und durch ein Zuleitungsstück 121
und einen Draht 123 mit einer Elektrizitätswelle verbunden ist. Der Draht ist naturgemäß
gegen das Gehäuse elektrisch isoliert.
-
Die Abmessungen sind so gewählt, daß der Kraftgemischstrom mit einer
Geschwindigkeit in die Zündkammer 1o7 eintritt, die höher ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Flamme, selbst wenn die Maschine nur mit geringer Leistung läuft. Es kann daher
keine Rückexpansion in die Mischkammer 37 eintreten. Durch die besondere Gestalt
der Prall platten zog wird ein Ausblasen der Flamme' in dem Raum über dem Arbeitskolben
verhindert. Dadurch, daß die Eröffnung des Ventils 39 und die Geschwindigkeit der
Brennstoffzuführung abhängt von der Volumenzunahme über dem Kraftkolben, erhält
man eine Füllung des Arbeitsraumes mit konstantem Druck T (Abb. 12). Nach dem Abschluß
des Ventils 39 tritt eine ungefähr- adiabatische Expansion ein, die nach der Gleichung
P # V1.15 = C verläuft. Diese Gleichung ist durch zahlreiche Versuche gefunden.
Das Diagramm Abb.12 entspricht einer Füllung, die geringer ist als 1/S.
-
Durch Verschiebung der Zahnstange 57, durch welche gleichzeitig die
Zulaß- und Brennstoffnocken eingestellt werden, kann eine Veränderung der Leistung
innerhalb weiter Grenzen hervorgebracht werden. Zum Anlassen werden die Nocken so
weit vorgeschoben, daß die größte Füllung eintritt.
-
Die Regelung der Füllung durch Einstellung der Nockenwalzen kann mit
der Hand oder durch einen selbsttätigen Regler erfolgen.
-
Die Expansion dauert, bis der sich seiner. unteren Totlage nähernde
Kolben die Austrittsöffnungen 129 freigibt (Abb. 3). Die Abgase können zur Erwärmung
des Behälters 31 für die Druckluft benutztwerden. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens
wird zuerst der Kanal 129 geschlossen, dann wird ein Anlaßventü 131 geöffnet. Die
Eröffnung des Anlaßventils erfolgt durch Nocken 135, 136 auf einer Welle
137,
die durch ein Getriebe 138, 141, z42, =43, 144 von der Steuerwelle 53
aus in Drehung versetzt wird. Zu jedem Zylinder gehört ein Paar gegeneinander um
18o ° versetzter Nocken (Abb. z), je ein Nocken für den Vorwärtsgang und einer für
den Rückwärtsgang. Die Nocken wirken durch Kugelrollen 145, Arme z47 und Druckstangen
149, 15o auf Schwinghebel 155, 156, die auf die Spindeln=z_57-der Ventile
131
einwirken und diese gegen Federbelastung 159
öffnen. 1.33 sind die
Anlaßkanäle.
-
Die Verteilung des Spieles des Einlaßventils 39 und des Auslaßventils
131 und der Eröffnung des Austrittskanals 129 auf den Kurbelkreis ist aus Abb. 13
ersichtlich.
-
Bei stärkeren Maschinen kann die Anordnung nach Abb.14 benutzt werden,
bei welcher mehrere Paare von Kraftzylindern z und 2, beispielsweise 3 Paare, mit
dazwischenliegendem Kompressor 21, 22 benutzt sind. Die Aufnahmebehälter 31 der
Kompressoren sind miteinander verbunden.