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Verbrennungskraftmaschine Es sind Verfahren zur Leistungssteigerung
von Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welche darauf beruhen, daß nach oder schon
während der Verbrennung oder nach der Verpuffung in der sonst normal arbeitenden
Verbrennungskraftmaschine eine zusätzliche Menge Preßluft und Brennstoff unter dem
Verbrennungs- oder Verpuffungsdrucke zugeführt wird, so daß eine größere Füllung
und damit eine größere Diagrammfläche erreicht wird.
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Diese Verfahren können in zwei Gruppen eingeteilt werden, nämlich
solche, bei welchen komprimierte Luft und Brennstoff getrennt dein Verbrennungszylinder
zugeführt werden und sich erst während der Einspritzung oder erst im Zylinder zu
einem brennbaren Gemisch vereinigen, und solche, bei welchen die Mischung von Luft
und Brennstoff (C51 oder Brenngas) außerhalb des Zylinders in einer vorgeschalteten
Mischkammer erfolgt.
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Die Verfahren der ersten Gruppe sind nur für langsam laufende Maschinen
verwendbar, da die Verdampfung, Olgasbildung und Diffusion des Brennstoffes, welche
der Verbrennung vorausgehen müssen, eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen, die zur
Erreichung einer guten Wärmeausnutzung nur einen Bruchteil der Expansionsdauer betragen
darf. Ein Betrieb mit zusätzlicher Einführung von verdichtetem Gas und Luft liefert
nach diesem Verfahren überhaupt unbrauchbare Ergebnisse.
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Die Verfahren nach der zweiten Gruppe sind bis jetzt auch noch praktisch
unbrauchbar, da es noch nicht gelungen ist, Rückzündungen in der dem Verbrennungszylinder
vorgeschalteten Mischkammer zu vermeiden. Es wurden z. B. zwischen Einlaßv entil
und Mischkammer Drahtgitter eingelegt, die durch Wärmeabführung ein Durchschlagen
der Flamme verhindern sollten. Dieses Gitter nutzte jedoch nur ganz kurze Zeit,
nämlich bloß so lange, als es zur Wärmeabführung genügend kalt war. Es ist klar,
daß die Verfahren der zweiten Gruppe nach Lösung dieses Problems für den Gasmotorenbau
sehr wertvoll wären, da bereits in der Mischkammer ein vollkommen homogenes, gut
brennbares Gemisch gebildet und daher die Zeit der Verbrennung im Zylinder beliebig
herabgesetzt werden kann, so daß also aus diesem Grunde der Drehzahl keine Grenzen
gesetzt sind. Auch das bei langsam laufenden Dieselmotoren unvermeidliche Nachbrennen
und die damit verbundene schlechte Wärmeausnutzung wird vermieden, da die Mischung
in der Mischkammer so gut durchgeführt werden
kann, daß jedes einströmende
Brennstoffmolekül sofort den nötigen Sauerstoff vorfindet.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Verbrennung bei den Verfahren
der zweiten Gruppe störungsfrei durchzuführen. Die Erfindung besteht in der Anwendung
der bereits in der Feuerungs- und Beleuchtungstechnik bekannten Erscheinung auf
den Motorenbau, daß nämlich bei einer Gasflamme ein richtiges Brennen nur dann erreicht
wird, wenn die Ausströmungsgeschwindigkeit des brennbaren Gemisches aus der Düse,
vor welcher die Flamme entstehen soll, mit der Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemisches
übereinstimmt. Ist die Ausströmungsgeschwindigkeit kleiner, so tritt Rückschlagen
der Flamme in die Mischkammer ein, ist sie größer, so entsteht ein Fortblasen, d.h.
ein Auslöschen der Flamme. Um also das brennbare Gasgemisch in den Verbrennungszylinder
zu bekommen, ohne daß die Flamme in die Mischkammer zurückschlägt, wird gemäß der
Erfindung dafür Sorge getragen, daß in jedem Zeitteilchen die Einströmgeschwindigkeit
des Gemisches größer oder höchstens gleich seiner Verbrennungsgeschwindigkeit ist.
Größer als zum sicheren Betriebe not-«-endig darf man die Strömungsgeschwindigkeit
aus zwei Gründen nicht machen. Erstens müßte dazu das Gasgemisch unnötig hoch über
den Verbrennungsdruck verdichtet werden, was unnötige Drosselverluste zur Folge
hätte, zweitens würde dies schädliche Abkühlungen im Zvlinder und dadurch Fehlzündungen
und Stöße zur Folge haben. Diese stets gleichbleibende Einströmgeschwindigkeit wird
gemäß der Erfindung durch zwei hintereinandergeschaltete Einlaßorgane erreicht,
von welchen das zweite, das den unmittelbaren Abschluß gegen den Zylinder bildet,
ein selbsttätiges Drosselorgan ist, welches in jedem Augenblick den zur Erzeugung
der richtigen Strömungsgeschwindigkeit nötigen Überdruckdes brennbaren Öldampfluft-oder
Gasluftgemisches gegenüber dem Verbrennungsdruck im Zylinder herstellt. Dieses Ventil
kann wie jedes selbsttätige Druckreduzierventil ausgebildet sein, z. B. als selbsttätiges
federbelastetes Tellerventil, bei welchem sich die Federbelastung zwecks genauer
Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit verändern läßt. Die Federbelastung dient
hier nicht zum rechtzeitigen Schließen des Ventils, sondern zur Erreichung des nötigen
Überdruckes. Um jedoch den Beginn und Abschluß der Einströmung des Brenngasgemisches
in den Zylinder überhaupt steuern zu können, ist noch ein gesteuertes Einlaßventil
vorhanden, welches dem Drosselventil vorgeschaltet ist. Durch das gesteuerte Einlaßventil
allein wäre ein konstanter überdruck und damit die richtige Strömungsgeschwindigkeit
nicht erreichbar.
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In Abb. i ist die Anwendung des Erfindungsgedankens an einer im Zweitakt
arbeitenden Dieselkraftmaschinenanlage mit Leistungssteigerung durch Einblasen eines
zusätzlichen Oldampfluftgemisches am Ende oder während der normalen Verbrennung
gezeigt.
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Es bedeutet D einen Hilfsdieselmotor; dieser treibt einen Kompressor
LK für die Erzeugung der zur Bildung des öldampfluftgemisches nötigen Preßluft,
ferner eine Spülpumpe SP zur Erzeugung der Spülluft für den Hauptdieselmotor
A. U ist ein Überhitzer zur Vorwärmung der Preßluft mit den Abgasen der beiden
Verbrennungsmotoren. t1IK ist die Mischkammer, in welcher durch Brennstoffeinspritzung
mittels Düse d das Ö1-dampfluftgemisch erzeugt wird. A ist der mit Leistungssteigerung
arbeitende Hauptdieselzvlinder, dessen Kolben eine Welle W antreibt, von der die
Leistung abgenommen wird.
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hi ist das Drossel- oder Druckreduzierventil zur Erzeugung der nötigen
Einströmgeschwindigkeit, v e das gesteuerte Einlaßventil für das Öldampfluftgemisch,
«-elches dem Ventil Vd vorgeschaltet ist.
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Der Arbeitsvorgang ist folgender Steht im Zvlinder A der Kolben in
der gezeichneten Stellung, so hat gerade die normale Verbrennung begonnen, indem
durch Düse dl Brennstoff eingespritzt wird, entsprechend Punkt :2 in Abb. a. Von
Punkt z bis 3 erfolgt normale Verbrennung bei gleichbleibendem Druck, wie bei Diesel,
in Punkt 3 hört die ölzufuhr durch Düse dl auf, und das Einlaßventil h, wird durch
die Steuerwelle geöffnet. Das Ventil Vd öffnet sich aber erst dann, wenn im Zylinder
durch Expansion der zur Erzeugung der richtigen Einströmgeschwindigkeit nötige Unterdruck
gegenüber dem Druck des Öldampfluftgemisches entstanden ist. Von diesem Augenblick
an erfolgt das Einströmen des letzteren aus der Mischkammer lhfK, wobei es sich
sofort an den heißen Gasen im Zylinder entzündet. Hernach folgt die Verbrennung
desselben bis zum Punkte .4 des Diagramms in Abb. z. Jetzt schließt sich das Einlaßventil
Ve, und es beginnt dieExpans:ion, die bis.Punkt5 dauert, worauf sich Auslaß und
Spülung über die Diagrammpunkte 5, 6, 7, 8 in normaler Weise vollzieht. Von Punkt
8 bis i kann noch ein Teil der Ladeluft ausgeschoben werden, um die Kompressionsarbeit
und die Arbeitsfläche, die das reine Dieselverfahren entsprechend der punktierten
Linie im Diagramm ergeben würde, zu verkleinern, die Zusatzleistung
aber
zu vergrößern. Dazu ist natürlich zur Erreichung normaler Kompression ein entsprechend
kleinerer schädlicher Raum zu verwenden.
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Die Erfindung ist sinngemäß auch auf einen im Viertakt arbeitenden
Dieselmotor oder eine im Zweitakt oder Viertakt arbeitende Gasmaschine mit zusätzlicher
Öldampfluft- oder Gaslufteinführung anwendbar.
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Man erhält ein ebenfalls bekanntes Verfahren, wenn man bei dein in
Abb. i gezeichneten Zylinder A die Spülschlitze ganz wegläßt, also auf eine Spülung
und auf die direkte Dieselleistung (Fläche der Diagrammpunkte i, 2, 3, g, <,
8, i in Abb. a) überhaupt verzichtet, indem man die Abgase durch Auslaßventil V,,
ausschiebt und bloß das Öldampf- oder Gasluftgemisch zur Arbeitsleistung heranzieht.
In diesem Falle kann die Zündung durch die hohe Temperatur der entsprechend komprimierten
Abgase oder durch ein bekanntes Zündmittel (elektrischer Funke, Glühkopf oder Glührohr
usw.) eingeleitet werden. Die Maschine arbeitet dann wie ein normaler mit Preßluft
beschickter Expansionsmotor mit durch die Verbrennung vergrößerter Diagrammfläche.
In Abb. 3 ist der Erfindungsgedanke auf eine nach diesem Verfahren mit einem Gasluftgemisch
arbeitende Verbrennungskraftmaschine angewendet. Dabei bedeuten: D den Hilfsdieselmotor,
Lh den Luftkompressor, ZU den Luftüberhitzer, 11h: die Mischkammer wie in Abb. i,
A einen nach Art einer Druckluftbrennkraftmaschine mit komprimiertem Gasluftgemisch
beschickten Verbrennungszylinder.
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Neu hinzu koininen: ein Gaskompressor G 11 und ein Gasüberhitzer
G LT.
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Der Arbeitsvorgang ist ähnlich wie bei der Anlage nach Abb. i. In
der gezeichneten Stellung des Kolbens im Zylinder A öffnet sich das Einlaßventil
Ve, das Gasluftgemisch strömt aus der Mischkammer durch das gesteuerte Ventil r'e
und das Drosselgentil r',i (wenn genügend Unterdruck im Zylinder A vorhanden ist),
zündet sich an den hoch komprimierten Abgasen oder durch eine besondere Zündung,
verbrennt unter gleichbleibendem Drucke bis zum Schließen des Einlaßventils he,
worauf normale Expansion und Auslaß durch Ventil VQ erfolgt. Luft und Gas werden
getrennt in den Kompressoren LK und GK komprimiert, in den Überhitzern LU
und GU überhitzt und strömen dann je über ein Rückschlagventil Rg und RL
in die Mischkammer illIK, wobei durch Wirbelbildung und entsprechende Führung eine
gute Durchmischung erzielt wird. Die Mischkammer J1K kann bei langsam laufenden
Maschinen auch zwischen die Ventile Vd und V, verlegt werden, in welchem Falle zwei
Einströmventile V, für Luft bzw. Gas zu verwenden sind.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist überall dort, wo auf die Änderbarkeit
des Drehmomentes Wert gelegt werden muß, also insbesondere bei Fördermaschinen,
Walzenzugmaschinen, Lokomotiven, Schiffen, Automobilen usw. verwendbar.
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Die Steuerung der Maschine muß derart eingerichtet sein, daß sie beim
Anfahren mit großen Füllungen bis ungefähr 8o"/" arbeiten kann, um ein möglichst
gleichbleibendes Anfalirmoment in allen Kurbelstellungen zu sichern.
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Beim Betriebe im Verbrennungsverfahren sind Leistungsänderungen, «-elche
Füllungen von 5o bis io"i" entsprechen, mit günstiger Verbrennung erreichbar. Der
ganze Variationsbereich der Anlage ist somit schon größer als der der modernen Lokomotivdampfmaschine,
wo Füllungen unter 15'1 praktisch nicht mehr angewendet werden können.
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Der Hilfsdieselmotor D, welcher den Luftkompressor LK, den Gaskompressor
GK und die Spülpumpe S'P und evtl. noch andere Hilfsbetriebe antreibt. läuft dauernd
durch. Seine Energie dient hauptsächlich dazu, den größten Teil der Kompressionsarbeit,
die anderenfalls im Zylinder A geleistet werden müßte, zu übernehmen. Die in diesem
Hilfsmotor aufgewendete Energie kommt also mit einem gewissen Übertragungswirkungsgrad
(ungefähr 40 bis 70"'") an der Motorwelle W der Arbeitsmaschine zu nutzbringender
Wirkung, während außerdem die Abgase des Motors D gemeinsam mit den Abgasen des
Verbrennungszylinders A in den Überhitzern U, ZU, GU ausgenutzt «erden.
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Zweckmäßig werden zur Stabilisierung sämtlicher Vorgänge in die Luft-
und Gasleitungen entsprechend bemessene Speicherbehälter und fallweise auch Kühler
eingebaut.
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Die Einspritzung des Öles, das zur ersten Zündung im Verbrennungszylinder
A dienen soll, kann nach jedem beliebigen bekannten Verfahren, also sowohl mit Preßluft,
als auch kompressorlos, d. h. ohne Preßluftzerstäubung, erfolgen.