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Druckgasgenerator mit Innenverbrennung und frei beweglichem Kolben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckgasgenerator mit Innenverbrennung
und frei fliegenden Kolben; bei dem Verdichter- und Verbrennungskolben starr miteinander
gekuppelt sind.
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Es ist bekannt, daß der wesentliche Nachteil eines als Verbrennungskolbenmaschine
ausgebildeten Druckgasgenerators darin besteht, daß die im Zylinder erzeugten Verbrennungsgase
nicht unmittelbar Nutzarbeit leistend auf den Kolben wirken, sondern in eine vom
Treibgaserzeuger unabhängige Kraftmaschine geleitet werden, wodurch der Wirkungsgrad
der Anlage verschlechtert wird. Um den Gesamtwirkungsgrad einer aus einem Druckgasgenerator
mit nachgeschalteter Kraftmaschine bestehenden Anlage hochzuhalten, muß ein möglichst
großer Teil der im Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie auf die erzeugten Druckgase
übertragen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
im Kompressor bis etwa q. at verdichtete Luft in den Motorzylinder geleitet wird,
dessen Kompressionshub, gerechnet von der Absperrung der Spülöffnungen ab, nur einen
Bruchteil (z. B. 40 °/o) des Gesamthubes beträgt und dessen Kolben mit einer hohen
Geschwindigkeit durch die Entspannung einer im Kompressorzylinder im Überschuß über
die für die normale Speisung benötigte Speise- und Spülluft gestauten Luftmenge
zurückgetrieben wird.
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Nach der Erfindung soll weiterhin der Kolbenkörper einen Luftspeicher
bilden, in welchen eine mit dem Deckel des Kompressors verbundene Stange hineinragt,
die beim Aufwärtsgang des Doppelkolbens Luft verdichtet, welche den Doppelkolben
zusammen mit der im Kompressorzylinder befindlichen Druckluft zurücktreibt. Endlich
soll der Motorzylinder unmittelbar in dem Luftspeicher angeordnet werden.
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Durch die Erfindung soll der Vorteil erreicht werden, daß die mechanischen
Verluste beim Verdichten und beim Vorverdichten der Luft gering sind und daß nahezu
alle bei der Verbrennung entwickelte Wärmeenergie in den zur Kraftmaschine geleiteten
Treibgasen enthalten ist, so daß die Anlage mit hohem Wirkungsgrad arbeiten wird.
Die Anordnung des Luftspeichers soll außerdem zum vorteilhaften Ausgleich der Energieänderungen
der in dem freien Raum des Kompressors befindlichen und zur Rückstellung des Kolbens
dienenden Luft dienen.
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Als Beispiel wird im folgenden eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen,
mit einseitig wirkenden Motor- und Kompressorzylindern versehenen Generators beschrieben
und auf den beiliegenden Zeichnungen dargestellt.
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Fig. r ist eine schematische Gesamtansicht des Motors;
Fig.
2 ist ein Druckhubdiagramm des Motorzylinders; -Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt
durch den Generator, durch die Achse der Zylinder und den Sammler entsprechend seiner
größten Ausdehnung; Fig. q. ist ein schematischer Schnitt durch den Generator durch
die allgemeine Symmetrieebene (A-A von Fig. 5) ; Fig. 5 ist ein Schnitt durch ein
Saugventil. Der Generator besteht im wesentlichen aus (Fig. i) i. einem senkrecht
stehenden Antriebszylinder i, der an seinem oberen Ende offen ist und in dem ein
Tauchkolben 2 einfacher Wirkung geht, der unten durch eine konkave Kugelkalotte
(Abb. 5) abgeschlossen sein kann, 2. einem senkrecht stehenden Kompressorzylinder
3, in welchem sich ein Kolben q. einfacher Wirkung bewegt.
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Beide Zylinder i und 3 sind so miteinander verbunden, daß ihre Achsen
zusammenfallen und daß der Kompressorzylinder oberhalb des Antriebszylinders liegt.
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Der Motor- und der Kompressorkolben bestehen aus einem einzigen Stück.
Der Kompressorkolben q. ist oben mittels Rippen 23 verstärkt (Fig. 5). Der bewegliche
Doppelkolben ist an den Wänden des Kompressorzylinders und des Verbrennungszylinders
genügend geführt. Im oberen Teil des Verbrennungszylinders ist zweckmäßig eine Führungsmuffe
24 vorgesehen. Im unteren Teil des Zylinders i ist ein Spielraum zwischen Zylinder
und Kolben gelassen, um jede Reibung zu verhindern. Um die Undichtheit an dieser
Stelle zu vermindern, sind die Seitenwände des Motorkolbens mit feinen, nur wenig
geneigten schraubenförmigen Rillen versehen. Die Erfahrung zeigt, daß auf diese
Weise die Dichtheit bei schnell laufenden Kolben erheblich gesteigert wird.
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Der Motorkolben 2 enthält eine oben offene zylindrische Bohrung, in
die eine Stange 5 hineinragt, deren Zweck weiter unten beschrieben wird. Der Kompressorzylinder
steht durch die Saugöffnungen 6 nach außen und durch die Drucköffnungen 7 mit einem
geschlossenen Raum 8 in Verbindung.
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Der Antriebszylinder i liegt seinerseits in einem geschlossenen Raum
9. Beide Räume 8 und 9 stehen durch eine Leitung io in Verbindung und bilden gemeinschaftlich
den Sammler für die vom Kompressor erzeugte Spül- und Ladeluft des Motors.
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Die Öffnungen 6 und 7 sind durch selbsttätige Ventile verdeckt.
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In der Seitenwandung des Antriebszylinders sind in bestimmter Höhe
über dem Bodenstück desselben Austrittsöffnungen ii für die Spül-und Auspuffgase
vorgesehen, die unmittelbar in den Raum 9 münden. Die Auspufföffnungen 12 des Zylinders
münden in das Innere einer Kammer 13 aus, die von dem Raum 9 durch Wände abgetrennt
ist, welche bis zu den Wandungen des Motorzylinders sich erstrecken. Diese Kammer
13 bildet den Sammelraum für die Treibgase, in welchem ein Druck herrscht, dessen
Höhe dem des Sammelraumes für die Spül-und Ladeluft annähernd gleich ist.
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Die Stange 5, welche auf dem Deckel des Kompressorzylinders festsitzt,
taucht in den Hohlkolben 2. Die in dem Raum 32 zwischen 5 und 2 befindliche Luftmasse
wird abwechselnd bei jedem Hinundhergange des beweglichen Doppelkolbens verdichtet
und entspannt. In ihrer Gesamtheit bildet die Einrichtung einen Luftspeicher; die
in ihm beim Aufwärtsgang des Doppelkolbens verdichtete Luft drückt den Kolben nach
unten zurück.
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In dem Bodenstück des Antriebszylinders i ist eine Öffnung iq. mit
Ventil angebracht zum Einlaß des Brennstoffes. Das Zylindersystem ist in bezug auf
die Sammelräume 8 und 9 nicht starr angeordnet, vielmehr ruht dasselbe auf Federn
15 und folgt selbsttätig und synchron den Bewegungen des beweglichen Kolbensystems,
und zwar bewegt sich bei jedem Hub des Kolbensystems in einer Richtung das Zylindersystem
nach der entgegengesetzten Richtung. Das Zylindersystem tritt also in eine Hinundherbewegung
ein, welche mit der Bewegung des Kolbensystems synchron, aber entgegengesetzt gerichtet
ist. In dieser Weise werden die Reaktionen auf die Wände der Sammelräume und auf
das Fundament vermindert.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise des Kolbensystems näher beschrieben.
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Es sei als Anfangspunkt eines Arbeitsspieles der Äugenblick genommen,
in dem der Motorkolben am unteren Ende seines Hubes steht.
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In dem freien Raum des Antriebszylinders ist die Luft auf einen Druck
P2 (von 6ö at z. B.) verdichtet. Der flüssige Brennstoff wird durch die Öffnung
i¢ eingespritzt; die Verbrennung ist eine augenblickliche infolge des großen Luftüberschusses
und der hohen Temperatur, und der Druck steigt auf P3 (i2o at z. B.).
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Der Kompressorzylinder ist mit Luft von Atmosphärendruck gefüllt.;
die Saugventile sind eben auf ihren Sitz zurückgefallen.
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In dem durch Stange 5 abgeschlossenen Luftspeicher herrscht Minimaldruck
(q. at z. B.). Der Sammelraum für die Spülgase ist vollkommen von den Zylindern
abgeschlossen, und es herrscht darin ein Druck von P1 (q. at).
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Der Sammelraum für die Treibgase ist von den Zylindern und dem Sammelraum
8, 9 abgetrennt. Der Druck erreicht darin eine Höhe von ungefähr P, Der Inhalt des
Treibgassammelraumes ist so bemessen, daß keine übermäßigen Druckschwankungen beim
Abströmen der Treibgase zur Kraftmaschine auftreten.
Von dem Augenblick
ab, in dem die Verbrennung beginnt, bewirkt der Druck der Verbrennungsgase eine
sehr erhöhte Beschleunigung der Kolben nach oben; gleichzeitig vermindert sich der
Druck - hinter dem Motorkolben und fällt auf P4 (9 at z. B.) herab. Der Kolben hat
in diesem Zeitpunkt erst einen Teil des normalen Hubes zurückgelegt. Bei seiner
weiteren Aufwärtsbewegung legt der Motorkolben nacheinander die Auspuff- und Ausspülöffnungen
frei; der Druck der Gase fällt dann von P4 auf P1 herab (von 9 at auf 4 at), und
von nun ab bis zum Ende des Hubes bleibt der Druck unterhalb des Motorkolbens gleich
Pi. Die Bewegung des Motorkolbens veranlaßt die Ansaugung einer frischen Luftmasse
durch die Spülöffnungen zr, während gleichzeitig durch die Auspufföffnungen z2 Gas
in den Treibgassammler 13 überströmt, da durch das Abströmen von Gas in die Kraftmaschine
der Druck in dem Sammler 13 etwas geringer als der in dem Luftsammelraum 8, 9 herrschende
Druck P1 ist.
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Während dieses Aufwärtshubes drückt der Kompressorkolben die im Kompressorzylinder
befindliche Luft zusammen, und gleichzeitig wird auch die im Luftspeicher befindliche
Luft zusammengedrückt.
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Wenn der Druck in dem Kompressorzylinder den Wert P1 erreicht hat,
heben sich die Druckventile, und es wird eine Menge Luft in den Sammler 8, 9 übergedrückt.
Hierdurch wird das Ausspülen des Motorzylinders aufrechterhalten, wenn der Kolben
in seine obere Totpunktlage gerät. Die treibende Kraft der Verbrennungsgase auf
die Unterseite des Motorkolbens wird beinahe vollständig als lebendige Kraft im
Kolbensystem wiedergewonnen. Die lebendige Kraft wird durch die Widerstände des
Motor- und Kompressorkolbens ständig aufgezehrt, bis dieser stillsteht.
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In diesem Augenblick ist im normalen Betrieb folgende Lage vorhanden:
Der Raum in dem Antriebszylinder unterhalb des Motorkolbens ist mit frischer Luft
gefüllt.
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Der Druck im Luftspeicher 32 hat seinen Maximalwert P5 (z. B. 48,5
at) erreicht. Der Druck im freien Raum des Kompressorzylinders beträgt P1 (4 at).
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Diese Drücke geben dem Kolbensystem eine Beschleunigung nach unten.
Der Motorkolben bewegt sich nach unten und drückt in den Treibgassammler die mehr
oder minder mit Verbrennungsgasen vermischte Luft über.
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Die in dem Luftspeicher 32 und in dem freien Raum des Kompressorzylinders
eingeschlossene Luft expandiert. Nach ungefähr einem Drittel des Weges der Kolben
nach unten erreicht der Druck im Kompressor den Atmosphärendruck. In diesem Augenblick
beginnt die Ansaugung.
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Die Bewegung schreitet mit ungefähr konstanter Geschwindigkeit fort,
bis der Motorkolben die Auspuff- und Ausspülöffnungen überdeckt. Der Druck erfährt
dann unter dem Motorkolben eine rasche Steigerung, und der dadurch verursachte Widerstand
bremst das Kolbensystem. Dieses bleibt stehen, sobald die Leistung zur Verdichtung
der in dem Antriebszylinder enthaltenen Luftmasse den motorischen Leistungen der
Expansion der in dem Luftspeicher 32 und in dem freien Raum des Kompressorzylinders
eingeschlossenen Luft gleich ist.
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In diesem Augenblick wird der flüssige Brennstoff in den Zylinder
hineingeleitet. Er entzündet sich von selbst in der auf 6o at Druck gepreßten Luft,
und der voraufgegangene Arbeitskreis wiederholt sich.
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In der auf den beiliegenden Zeichnungen als Beispiel dargestellten
Maschine ist die durch den voll belasteten Kompressorzylinder gelieferte Menge gleich
der dreifachen der unter dem Motorkolben bei Beginn der Verbrennung eingeschlossenen
Luftmenge. Die Verbrennung erfolgt bei normaler Belastung in einer Luftmenge, die
2,5mal größer ist als die, die theoretisch nötig wäre: Andererseits sind die Höhe
der Auspuff- und Ausspülöffnungen oberhalb des Bodens des Antriebszylinders und
der Hub des Motorkolbens unter normaler Belastung derart berechnet worden; daß die
Dauer der Ausspülung ungefähr das Doppelte der Dauer der Arbeitsleistung (Verdichtung
und Expansion) beträgt.
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Unter diesen Umständen beträgt die mittlere Temperatur der in dem
Antriebszylinder eingeschlossenen Gase nicht mehr als etwa 350' C, so daß
eine Kühlung der Wände außer der durch die Spülgase bezweckten Kühlung unnötig ist.
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Es ist leicht ersichtlich, - daß auch bei veränderlicher Brennstoffzufuhr
die auf das Kolbensystem bei seinem Rückgang einwirkende Gesamtarbeit konstant bleibt.
Die Rückstellung erfolgt ja gemeinsam durch die komprimierte Luft im Luftspeicher
und im freien Raum des Kompressors. Wenn nun infolge geringerer Brennstoffzufuhr'
das bewegliche Kolbensystem nicht -in seine normale Endstellung gelangt, sondern
einen kleineren Hub zurücklegt, so ist zwar die Luft im- Luftspeicher auf einen
geringeren Druck komprimiert, dagegen enthält der freie Raum des Kompressors in
diesem Fall ein größeres Volumen komprimierter Luft, und es ist durch entsprechende
Bemessung des Luftspeichers und des Kompressorzylinders ohne weiteres einzurichten,
daß die Summe der am Ende des veränderlichen Hubes im Luftspeicher und im freien
Kompressorraum aufgespeicherten Energie konstant ist.
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Im folgenden sind noch weitere bauliche Einzelheiten angegeben.
Der
Motorzylinder i besteht aus Stahl und bildet ein einheitliches Ganzes. Der Kompressorzylinder
3 aus leichter Metallegierung besteht aus zwei Teilen: den Seitenwandungen und dem
Deckel. Die Seitenwandungen, der untere Boden 3' und die den Motorzylinder führende
Muffe 25 bilden ein einziges Stück. Der Motorzylinder z ist mit einem Flansch versehen,
welcher bei i' auf dem Boden 3' befestigt ist. Die Seitenwandungen sind unten mit
12 Öffnungen 3" versehen, welche die untere Seite des Kompressorkolbens nach außen
in Verbindung setzen. Der Deckel des Kompressorzylinders besteht aus einer dicken
Scheibe 26, die mit der Muffe 27 und der Stange 5 ein einziges Stück bildet. Der
Deckel ist auf einem breiten Kranz 26' des Zylinderkörpers festgebolzt. Er enthält
innerhalb der Muffe 27 fünf Öffnungen 6, welche durch Saugventile verdeckt sind,
und außerhalb der Muffe 27 zehn Öffnungen 7, die durch Druckventile verschlossen
werden. Diese Ventile stehen mit dem Innern des Kompressorzylinders durch die Austrittsöffnungen
28 des Kranzes in Verbindung.
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Die Stange 5 ist hohl, und ihre innere Bohrung 29 ist am unteren Ende
durch einen Schraubenstöpsel verschlossen. Die Bohrung 29 steht mit dem Kompressorzylinder
durch die Öffnung 30 in Verbindung, auf welche ein selbsttätiges Ventil aufgesetzt
ist, das sich in Richtung der Bohrung abhebt. Außerdem steht die Bohrung durch eine
Öffnung 31 des Schraubenstöpsels mit dem Luftspeicher in Verbindung, auf welcher
ein Ventil aufsitzt, das sich nach der Innenseite des Luftspeichers öffnet. Diese
doppelte Verbindung hält selbsttätig den Minimaldruck im Luftspeicher, aufrecht
und den Druck in der Bohrung 29 auf dem Maximaldruck im Kompressorzylinder.
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Der Spül- und Ladeluftsammler besteht aus zwei ovalen Behältern 8
und 9, welche mittels vertikaler Röhren io miteinander verbunden sind. Das Ganze
ist aus einem Stück gegossen.
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Der Behälter 8 ist an seinem unteren Ende durch die mit ihm gegossene
Platte 17' abgeschlossen, welche eine Muffe 17 enthält. Diese Muffe dient zur Führung
des Zylindersystems. Am oberen Ende ist der Behälter 8 von der Rippenplatte 16'
abgeschlossen, dessen Muffe 16 die Muffe 27 des Zylinderdeckels führt. Die Querschnitte
der drei Muffen 16, i7, 18 sind so berechnet, daß der Druck im Spülluftsammler auf
das Zylindersystem das Gewicht des letzteren beim normalen Gang ausgleicht. Das
Zylindersystem ist auf die Muffe 18 mittels zweier Federn 15' aufgestützt. Diese
Federn sind beim normalen Gang entlastet, wenn das Zylindersystem sich in seiner
Mittelstellung befindet.
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In Fig. 4 bezeichnet 36 den Sammler für die Treibgase; er ist mittels
Flanschen und Bolzen mit der rohrförmigen Verlängerung 35 des im Innern des Behälters
9 befindlichen Sammlers 34 verbunden. Der Sammler 34 ist so ausgebildet, daß er
auf der Seitenwand des Motorzylinders aufliegt und daß er während des Auspuffes
durch die Öffnung 34' und die Öffnungen 37 mit dem Innern des Motorzylinders in
Verbindung steht. Der Rauminhalt des Sammlers 36 ist genügend groß, um zu verhindern,
daß die Druckschwankungen während der Zeit des vollkommenen Abschlusses des Sammlers
nicht mehr als io°%o des absoluten Druckes ausmachen.
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Der Antriebszylinder i enthält ferner auf der Seite gegenüber den
Auspufföffnungen drei Spülöffnungen, deren obere und untere Wandungen um 45' gegen
die Achse des Zylinders und nach seinem Innern geneigt sind.
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Die Auspufföffnungen liegen in zwei waagerechten Reihen, einer unteren
Reihe mit drei Öffnungen 12, deren untere und obere Ränder waagerecht verlaufen,
und einer oberen Reihe von drei Öffnungen 37, deren obere und untere Ränder um 45
° nach dem Äußern des Zylinders geneigt sind.
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Die Wirkungsweise ist die folgende: Die Öffnungen i2 werden durch
den Motorkolben zuerst freigelegt, zu der Zeit, wo sie gegenüber der Öffnung 34'
stehen; während dieser Zeit geht die Ausdehnung der Gase im Antriebszylinder vor
sich. Der Kolben legt alsdann die Spülöffnungen ii frei und darauf auch die Öffnungen
37, während die Öffnungen =2 infolge der Bewegung des Zylindersystems nach unten
durch den Rand des Auspuffsammlers 34 überdeckt werden.
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In Fig.5 ist ein Schnitt durch eines der Ventile dargestellt, welche
in dem Deckel des Kompressors benutzt werden.
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38 ist der Sitz des Ventils, 4o der Gegensitz; beide sind mit ringförmigen
Öffnungen versehen, die sich nicht gegenüberstehen, und 39 ist das Ventil, bestehend
aus einer leichten Scheibe, die vollkommen lose zwischen Sitz und Gegensitz liegt
und mit Ringöffnungen versehen ist, die den vollen Teilen des Ventilsitzes 38 entsprechen.
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Der hier beschriebene Gasgenerator ist für den Betrieb mit flüssigen
Brennstoffen von mittlerer Dichte, die in einer geringen Luftmenge verflüchtigt
werden, bestimmt.
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Zu diesem Zweck besitzt der Generator einen Hilfskompressor 41, dessen
Wandung außen an dem Behälter 9 und auf dem Spülgassammler befestigt ist. Der Kolben
42 dieses Kompressors ist mit einer Stange verbunden, welche auf dem Zylindersystem
befestigt ist.
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Der Raum 42' unterhalb- -des Kolbens steht ständig in Verbindung mit
dem Innern des Spülsammlers 9 durch eine breite Öffnung 46. Der Raum 42" oberhalb
des Kolbens steht in
Verbindung mit dem unteren Raum 42' durch eine
Leitung 49', welche in 47 mit dem Raum 42' und in 48 mit dem Raum 42" in Verbindung
liegt. Diese Leitung 49' enthält ein selbsttätiges Ventil, das auf der Figur nicht
dargestellt ist. Während der Bewegung des Zylindersystems nach unten geht eine bestimmte
Menge Luft aus dem Raum 42' in den Raum 42" über durch Abhebung des erwähnten Ventils.
Andererseits steht der obere Raum 42" durch einen Kanal 5o (Fig. 3) mit dem Ventil
14 in Verbindung, welches sich nach dem Innern des Antriebszylinders bewegt. Durch
diese Kanäle drückt der Kolben 42 in den Antriebszylinder während des Hochganges
des Zylindersystems (Kompressionshub) die während des voraufgegangenen einfachen
Hubes angesaugte Menge Luft. Wegen der Bewegung des Zylindersystems ist es unmöglich,
eine starre Leitung zu benutzen, weshalb derjenige =Teil der Leitung, welcher in
dem Spülsammler liegt, um drei Achsen =o=, =o2 und 103 Gelenke bildet (Fig. 3).
Die Saugöffnung 46 des Hilfskompressors 41 (Fig.4) steht genau gegenüber dem inneren
Auspuffsammler 35, in welchem eine Temperatur von etwa 350' C herrscht. Die
aus dem Spülsammler 9 gesaugte Luft muß durch den engen Schlitz 59 hindurchgehen
und erreicht eine Temperatur von 25o bis 300' C. Es genügt infolgedessen
eine sehr geringe Menge Luft, um eine verhältnismäßig große Menge Brennstoff von
mittlerer Dichte, wie z. B. gereinigtes Petroleum, vollständig zu vergasen.
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Der Druckhub des Kolbens 42 beginnt sofort beim Beginn der Bewegung
des Motorkolbens nach unten, d. h. wenn die Ausspülöffnungen vollkommen offen liegen.
Die Länge des Druckkanals 50 und das Beharrungsvermögen des Brennstoffventils
sind so geregelt, daß das Überdrücken des Brennstoffs in den Antriebszylinder- erst
stattfindet, wenn die Spülöffnungen schon überdeckt sind und die Kompression schon
begonnen hat.
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Der voraufgehend beschriebene Hilfskompressor für den Brennstoff könnte
auch durch eine Pumpe bei Anwendung von flüssigem Brennstoff, die in derselben---
Weise arbeitet, ersetzt werden.
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Bei normalem Gange ist die Kompression im Motorzylinder genügend stark,
um die Entzündung der meisten Brennstoffe erfolgen zu lassen. Dennoch wird gleichzeitig
eine Zündkerze benutzt, welche in den Boden des Motorzylinders eingeschraubt wird.
Bei Anwendung jedes Brennstoffes ist die Zündung durch eine Zündkerze beim Anlassen
erforderlich, wenn die Kompression noch nicht die genügende Höhe zur Selbstzündung
erreicht hat. Die Zündkerze ist an die Sekundärwicklung einer Induktionsspule angeschlossen,
deren Primärwicklung durch eine Akkumulatorenbatterie gespeist wird. Die Unterbrechung
des Primärstromes erfolgt durch einen Nocken, welcher von dem Zylindersystem betätigt
wird. Der Unterbrechungsmechanismus (der nicht dargestellt ist) ist so eingerichtet,
daß die Schaltung des Unterbrechers ungefähr auf halbem Wege des Gestells stattfindet
und daß zwischen dieser Schaltung und der Unterbrechung eine genügende Zeit verstreicht,
um die Zündung kurz vor dem Ende des Hubes zu veranlassen.