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Im Kreislaufprozeß unter Verwendung von flüssigem Sauerstoff arbeitender
Verbrennungsmotor Die Erfindung bezieht sich auf einen im Kreislaufprozeß arbeitenden
Verbrennungsmotor, bei dem die Auspuffgase nach Reinigung, Kühlung und Anreicherung
mit Sauerstoff und Brennstoff dem Motor wieder zugeführt werden. Derartig arbeitende
Motore benötigt man, wenn frische Verbrennungsluft nicht zur Verfügung steht, z.
B. für den Antrieb von Unterseebooten, solange diese Boote unter Wasser fahren,
und auch dann, wenn zwar frische Verbrennungsluft genügend vorhanden ist, ihre Dichte
aber so gering ist, daß auch mit Hilfe von Vorverdichtern keine genügende Füllung
des Zylinders erzielt werden kann. Letzteres tritt bekanntlich bei Flugzeugmotoren
ein, die in sehr großen Höhen arbeiten sollen.
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Der Sauerstoff, der im Kreislaufprozeß für jede Verbrennung neu zugesetzt
wird, kann in gasförmiger oder flüssiger Form mitgeführt werden. Bei Flugzeugen
ist aber die Verwendung von flüssigem Sauerstoff in Hinsicht auf das Gewicht der
Transportgefäße unbedingt notwendig. Flüssiger Sauerstoff kann bekanntlich in sehr
leichten, Wärme isolierenden Gefäßen mitgenommen werden, während gasförmiger Sauerstoff
unter hohem Druck in stählernen Druckflaschen aufbewahrt werden muß. Die Verwendung
von flüssigem Sauerstoff hat jedoch den Nachteil, daß die Verdampfungswärme des
Sauerstoffes von der im Brennstoff enthaltenen Wärme aufgebracht werden muß. Diese
Verdampfungswärme ist nun sehr bedeutend, und der Wirkungsgrad des Motors würde
ein sehr schlechter sein, wenn dafür zusätzliche Brennstoffmengen aufgewendet werden.
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Gemäß der 'Erfindung soll die Wärme der Abgase, für deren Kühlung
sonst besondere Einrichtungen vorgesehen sind, für die Verdampfung des Sauerstoffs
verwendet werden, indem der flüssige Sauerstoff anschließend an den Arbeitshub unmittelbar
mit den Abgasen in Berührung gebracht wird. Dies kann so geschehen, daß der flüssige
Sauerstoff unmittelbar nach Beendigung des Arbeitshubes oder während des Ausschubhubes
in den Zylinder eingespritzt wird. Die Verdampfungswärme wird dabei den heißen Verbrennungsgasen
entzogen, und diese werden dadurch wirksam gekühlt, ebenso wird den Zylinderwänden
die beim Verbrennungshub aufgenommene Wärme entzogen. Soweit die so erreichte Kühlung
der Abgase noch nicht ausreichen sollte, kann das heiße Gasgemisch noch durch einen
weiteren, zweckmäßig in den Flügeln des Flugzeuges angebrachten Kühler geleitet
werden.
Bei der Kühlung der Abgase durch Einspritzen von flüssigem
Sauerstoff wird gleichzeitig der Vorteil erreicht, daß die kondensierbaren Sauerstoffverbindungen,
z. B. CO,
und H20, aus dem heißen Gasgemisch flüssig ausgeschieden' werden.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist der Umstand, daß die Brennstoffpumpe nur
gegen einen geringen Druck zu fördern braucht.
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Es ist sogar weiter möglich, diese Pumpe überhaupt zu ersparen, indem
ein Teil der Abgase durch den flüssigen Sauerstoff hindurchgeleitet wird. Die so
dem Sauerstoff zugeführte Wärme bewirkt ein Verdampfen eines Teiles des Sauerstoffes,
und die dadurch eintretende Druckerhöhung kann zum Einspritzen des Sauerstoffes
in die Abgase benutzt werden.
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Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigt Abb. i eine schematische Darstellung des Motors mit den in den Kreislauf
geschalteten Einzelteilen, Abb.2 die Ansicht eines Flächenkühlers für die Auspuffgase
im vergrößerten Maßstab und Abb. 3 eine schematische Darstellung der Regelung der
Brennstoffzufuhr.
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In Abb. i ist i der oder einer der Zylinder der Maschine, dessen Kolben
von der Kurbelwelle in bekannter Weise angetrieben wird. An den Verbrennungsraum
15 des Zylinders i sind der Einlaß io. und der Auslaß 2 angeschlossen. Aüsläß- und
Einlaßleitung werden in üblicher Weise durch Ventile gesteuert. Die Auslaßleitung
2 führt zu einem Sicherheitsbehälter 3, der aus Sicherheitsgründen einen losen oder
beweglichen Deckel 4 besitzt, welcher im Falle einer Explosion nach oben ausweichen
kann. Der Behälter 3 ist mit Chemikalien 5. gefüllt zur Absorption der bei der Verbrennung
entstehenden gas- oder dampfförmigen oder flüssigen Sauerstoffverbindungen, die
aus dem Kreislauf entfernt werden sollen. Durch das Rohr 6 tritt das umlaufende
Gasgemisch in den Kühler 7, hierauf in eine ebenfalls mit Chemikalien gefüllte Kammer
8 und dann in den Druckausgleichbehälter 9. Von diesem werden die Gase durch das
Rohr io und den Vergaser ii in den Verbrennungsraum 15 geleitet.
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Der Druckausgleichbehälter 9 ist durch eine Leitung 16 mit einem besonderen
Gasvorratsbehälter 17 verbunden, dessen Innenraum über eine Pumpe 18 mit einer Leitung,
die unter die Gasometerglocke des Druckausgleichbehälters 9 fahrt, in Verbindung
steht.
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Über dem Zylinder i der Maschine oder an anderer geeigneter Stelle
ist ein Sauerstoffvorratsbehälter 13 angeordnet. Auf dem Boden des Behälters 13
sitzt innerhalb der Flüssigkeit eine vom Motor angetriebene Pumpe 12, die den flüssigen
Sauerstoff durch eine Leitung 14 in den Verbrennungsraum einführt.
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Die Arbeitsweise des Motors ist folgende: In den Kanälen und Kammern
i bis ii und dem Verbrennungsraum 15 befindet sich als Füllung ein neutrales Gas,
z. B. Stickstoff. Wird der Motor nun mittels Anlasser in Bewegung gesetzt, so wird
mittels der Pumpe 12 mehr und mehr Sauerstoff in den umlaufenden Stickstoff eingespritzt.
Ist der gewünschte Prozentgehalt erreicht, so wird die Brennstoffleitung des Vergasers
geöffnet, und der Motor beginnt in normaler Weise zu arbeiten. Nach erfolgter Explosion
wird ein neues Quantum _ Sauerstoff eingespritzt, wodurch die Temperatur der Auspuffgase
herabgesetzt wird. Die Auspuffgase werden nun durch das Auspuffrohr 2 zu dem mit
den Chemikalien 5 angefüllten Sicherheitsbehälter 3 geleitet, wo schädliche Verbrennungsrückstände,
beispielsweise Kohlenoxyde und Dioxyde, absorbiert werden: .
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Es ist vorteilhaft, ähnliche Chemikalien, wie die bei Unterseebooten
üblichen, zu benutzen, bei denen entsprechend der absorbierten. Kohlensäure Sauerstoff
frei wird. Gegebenenfalls genügen auch alkalische Laugen zum Niederschlag schädlicher
Abgase. Werden statt Kohlenstoffe als Brennstoff Wasserstoffe verbrannt, so benutzt
man in analoger Weise hygroskopische Chemikalien zur Absorption des Wassers, oder
man entfernt dasselbe durch Wasserabscheider und führt es dem Kühlwasserkreislauf
oder anderen Verwendungszwecken zu. Im Falle der Verwendung von Spiritus als Brennstoff
empfiehlt es sich, die unter Umständen anfallende Essigsäure durch Zusatz von Alkalien
oder auf andere Weise zu neutralisieren.
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Die gereinigten und gegebenenfalls mit Sauerstoff angereicherten Gase
werden, falls es erforderlich sein sollte, zwecks weiterer Volumenverminderung dem
Kühler 7 zugeführt, der in Höhenflugzeugen zweckmäßigerweise innerhalb der Tragdecks,
und- zwar am besten entlang den Eintrittskanten des.Profils, gelagert wird. Er kann-
auch selbst einen. Teil des Profils bilden. Durch die kalte, an den Flügeln entlang
streichende Außenluft wird eine wirksame Kühlung der Gase erzielt, während dieselben
ihrerseits, eine Erwärmung der Tragflächen bewirken, was bei Höhenflügen wegen des
gefürchteten Eisansatzes wünschenswert ist. Es empfiehlt sich aus Sicherheitsgründen,
auch diese Flächenkühler mit einer Art Expansionseinrichtung zur gefahrlosen Ableitung
plötzlicher Drucksteigungen zu versehen, am besten, indem man auf dem Flächenkühler
(Abb. 2) der Länge nach eine
um die Achse i9 .drehbäre Klappe 2o
anbringt, die unter normalen Verhältnissen mittels Federdrucks geschlossen ist und
die sich im Falle einer Explosion gegen den Federdruck und den Druck der vorbeistreichenden
Außenluft öffnen kann.
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Nach völliger Kühlung wird das Gasgemisch dem Behälter 8 zugeführt,
dessen Chemikalien die Aufgabe eines chemischen Akkumulators zufällt, d. h. sie
oxydieren und nehmen Sauerstoff aus dem vorbeistreichenden Gas auf, falls dasselbe
mit Sauerstoff zu stark angereichert ist, und geben den nur lose gebundenen Sauerstoff
wieder ab, sobald der Sauerstoffgehalt des vorbeistreichenden Gases gefallen ist.
Diese Einrichtung hat den Zweck, Unregelmäßigkeiten der Sauerstoffeinspritzung in
beschränktem Umfang auszugleichen. Das hierdurch sozusagen normalisierte Gas strömt
nun dem Druckausgleichbehälter 9 zu, in dem zum Druck- und Volumenausgleiches alsGasvorratangesammeltist.
Dieser Gasvorrat bleibt auch bei unveränderten Temperaturen nicht konstant, er sinkt
unter dem Einfluß von Leitungsverlusten, insbesondere Undichtigkeiten der Motorkolben
und teilweiser Mitverbrennung des Gasgemisches, andererseits erhöht er sich durch
die ständig anfallenden Verbrennungsprodukte. Im letzteren Falle hebt sich die Gasometerglocke
des Behälters 9 so weit, daß Gas unter ihrem unteren Rande her entweichen kann.
Dieses Gas wird aufgefangen und mittels der Leitung 16 dem besonderen Vorratsbehälter
17 zugeführt. Ebenso werden auch die ins Motorgehäuse entweichenden Gase
abgesaugt und diesem Behälter zugeführt. Sinkt nun aus irgendwelchen Ursachen der
Gasvorrat oder der Leitungsdruck, so wird beispielsweise durch eine Druckmembran
der elektrische Kontakt der Förderpumpe 18 eingeschaltet oder eine Leitung geöffnet,
so daß Gas aus dem Vorratsbehälter in den Gasometer bzw. den Kreislauf einströmt.
Das gesamte Gasquantum fließt nun dem Vergaser i i zu, zerstäubt den aus Düsen ausströmenden
Brennstoff und tritt in den Motor ein, von dem aus der Kreislauf wieder beginnt.
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Der Vergaser ist im wesentlichen normaler Bauart, nur steht das Innere
des Schwimmergehäuses mit dem Innern der Gasleitung in Verbindung, damit bei schwankenden
Drükken in der Gasleitung keine Veränderung des Brennstoffstandes eintritt.
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Abb. 3 zeigt eine elektrische Beeinflussung der Brennstoffzufuhr in
Abhängigkeit von der Temperatur der Abgase. Diese Anordnung hat den Zweck, bei Erreichen
einer höchst zulässigen Temperatur - der umlaufenden Gase die Brennstoffzufuhr zu
vermindern oder abzustellen. Es handelt sich dabei also um eine Sicherheitseinrichtung.
Eine 'im Prinzip ähnlich arbeitende Vorrichtung kann auch für die ' Regelung der
Sauerstoffzufuhr benutzt werden.
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In der Gasleitung ist ein temperaturempfindlicher Widerstand 22 angeordnet,
der in einem aus einer Akkumulatorenbatterie 25 und aus einer Magnetspule 24 gebildeten
Stromkreis liegt. Die Größe des Stromes in diesem Stromkreis wird durch das Element
22 dahingehend beeinflußt, daß, je höher die Temperatur der Abgase und somit die
Größe des Widerstandes des Elementes 22 ist, der Strom um so geringer wird. In der
Spule 24 befindet sich ein Eisenkern 26, der durch eine Feder 29 in einer unteren,
in geeigneter Weise begrenzten Stellung gehalten wird. Das obere keilförmig ausgebildete
Ende des Eisenkernes bildet eine Düsennadel 27 und ragt in die Brennstoffleitung
der Vergaserdüse 28 hinein. Mittels der Düsennadel 27 kann die Brennstoffzufuhr
zum Motor völlig abgestellt werden. Die Feder 29 versucht nun, den Magnetkern 26
und damit die Düsennadel 27 nach oben-in die Stellung »Brennstoffzufuhr geschlossen«
zu bewegen. Unter Einwirkung des elektrischen Stromes wird jedoch die Brennstoffnadel
nach unten gezogen. Läßt aber infolge Ansteigen des Widerstandes 22 der Strom nach,
so bewegt sich die Brennstoffnadel gegebenenfalls bis zum. völligen Abschluß nach
oben. Bei einer bestimmten Temperatur der Abgase kann so ein völliges Abschließen
der Brennstoffzufuhr erreicht werden.