DE654937C - Brennkraftmaschine mit Aussenverbrennung, vornehmlich fuer Fahrzeuge, zur Verwendung schwer entflammbarer Brennstoffe - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Aussenverbrennung, vornehmlich fuer Fahrzeuge, zur Verwendung schwer entflammbarer Brennstoffe

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DE654937C
DE654937C DEK134685D DEK0134685D DE654937C DE 654937 C DE654937 C DE 654937C DE K134685 D DEK134685 D DE K134685D DE K0134685 D DEK0134685 D DE K0134685D DE 654937 C DE654937 C DE 654937C
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G3/00Combustion-product positive-displacement engine plants
    • F02G3/02Combustion-product positive-displacement engine plants with reciprocating-piston engines

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  • Brennkraftmaschine mit Außenverbrennung, vornehmlich für Fahrzeuge, zur Verwendung schwer entflammbarer Brennstoffe Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, vornehmlich für Fahrzeuge, zur Verwendung schwer entflammbarer Brennstoffe, wie schwere Teeröle und Rück-,standsöle, mit einer außenliegenden, nur zeitweise mit dem Arbeitszylinder verbundenen, aus einem außen wärmeisolierten und von einem Metallmantel umschlossenen Ouarzrohr bestehenden zylindrischen Brennhammer, der durch Verdichter Luft zugeführt, in die ferner der Brennstoff an. der einen Stirnseite eingespritzt und der das vollständig verbrannte, hochgespannte Gas an der anderen Stirnseite entnommen wird. Bei derartigen Maschinen für schwer entflammbare Brennstoffe, die infolge ihrer hohen Entflammungstemperatur, großen Entzündungsträgheit und ihrer Neigung zur Bildung -zähflüssiger, klebriger oder fester Rückstände in den üblichen Brennkraftmaschinen mit Verbrennung im Arbeitszylinder nicht erfolgreich verarbeitet werden können, kommt es vor allein darauf an, die Verbrennung des Gasgemisches in der außerhalb des Arbeitszylinders angeordneten Brennkammer sicherzustellen, um einen befriedigenden thermischen Wirkungsgrad zu erreichen und häufige Betriebsstörungen zii vermeiden. Eine Brennkraftmaschine dieser Art ist bereits bekanntgeworden, bei welcher zur Gewährleistung der Verbrennung der Rauminhalt der Brennkammer sehr reichlich bemessen werden soll, so daß jedes Brennstoffteilchen lange genug darin verweilt, um während dieser Zeit hinreichend mit Luft vermischt - und völlig verbrannt zu werden. Hierzu sind Brennkammern von sehr erheblichen Ausmaßen notwendig, zumal j a die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in einer derartig großen Brennkammer nur gering ist und daher die Strömungsbewegung als solche zur Durchmischung nicht wesentlich beiträgt, das Gemisch vielmehr als nahezu ruhend anzusehen ist. Bauausführungen dieser Art können jedoch wegen des großen Platzbedarfs der Brennkammer für Fahrzeuge nicht verwandt werden.
  • Die vorliegende Erfindung gibt nun einen Weg an, auf welchem das angestrebte Ziel bei ganz wesentlich geringerem Platzbedarf mit noch größerer Zuverlässigkeit und besserer Wirkung erreicht werden kann als bei der bisher bekanntgewordenen Bauart. Das Neue der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die Brennkammer anstatt als kessel- oder trommelförmiger Behälter von großem Rauminhalt und Durchmesser, vielmehr als lange, enge, rohrartige Kammer ausgebildet wird, deren Länge mindestens das Zehnfache ihres lichten Durchmessers und etwa das Fünffache des Kolbenhubes..in einem Arbeitszylinder beträgt.
  • Es wurde nämlich gefunden, daß eine zuverlässigeVerbrennung des Gemisches anstatt durch sehr langes Verweilen eines jeden Gemischteilchens in einem sehr großen Gemischraum mit verhältnismäßig langsamer Strömung, viel wirkungsvoller durch eine rasche, mit möglichst weitgehender Wandberührung verbundene Durchströmung einer langen, engen, rohrartigen Kammer gesichert werden kann. Hierbei fördern die hohe Strömungsgeschwindigkeit und die durch sie %-erursachte Wirbelung sowohl die Durchmischung als auch die Wandberührung des Brenngemisches in hervorragendem Maße, und die letztere begünstigt infolge des katalvtisch wirkenden Einflusses der Wandoberfläche in hohem Maße den Zünd- und Verbrennungsvorgang. Systematische Versuche haben ergeben, daß diese neuartige Ausführung unter den bei Fahrzeugmotoren praktisch gegebenen Verhältnissen, d. h. insbesondere bei der hierfür üblichen Größenordnung der Kolbengeschwindigkeit, eine völlig zuverlässige Verbrennung des Gernisches in der langen, engen, rohrartigen Kammer ergibt, wenn die freie Länge der letzteren (d. h. die Länge des von jedem Brennstoffteilchen von der Einspritzdüse bis zum Zylindereinlaßventil zu durchlaufenden Weges) mindestens das Fünffache- eines Kolbenhubes und die lichte Weite des Brennraumes nicht mehr als ein Zehntel seiner Länge beträgt. in diesem Fall sind die Strömungsgeschwindigkeit und die Länge des Strömungsweges einerseits und die Größe der je Gemischraumeinheit bestrichenen Wandoberfläche andererseits ausreichend, um den Ablauf der Verbrennungsvorgänge bei den praktisch in Betracht kommenden Arbeitstemperaturen sicherzustellen.
  • Da bei rasch laufenden Fahrzeugmotoren der Durchmesser des Arbeitszylinders im allgemeinen annähernd gleich dem Hub (mit höchstens etwa 25 °/o Abweichung) bemessen wird, ergibt sich aus den vorstehenden Angaben auch das Verhältnis der lichten Weite der Brennkammer zum Kolbendurchmesser.
  • Ein eigenartiges Merkmal der neuartigen Ausführung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Bemessung der Brennkammer zwar gemäß Vorstehendem in engem Zusammenhang mit den Abmessungen des Arbeitszylinders steht, dagegen von der Anzahl der Zylinder sowie von der Drehzahl praktisch so gut wie unabhängig ist. Dies rührt daher, daß es, wie oben gesagt, zur Sicherstellung der Verbrennung nur darauf ankommt, daß jedes Gemischteilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit längs einer bestimmten Weglänge eine gewisse Wandä ?lüerfläche j e Gasraumeinheit bestreicht. TIierbei ist es gleichgültig, ob das gesamte die Brennkammer durchfließende Gemisch schließlich in ein und denselben Arbeitszylinder gelangt oder ob es sich auf mehrere Zylinder verteilt. Der einzige Unterschied besteht darin, daß im ersten Fall die Gemischsäule in der Brennkammer während eines größeren Teiles des Arbeitsspieles stillsteht als im zweiten Fall, in welchem die Einlaßzeitabschnitte der verschiedenen Zylinder innerhalb des Arbeitsspieles aufeinanderfolgen. Dies hat aber für die Bemessung der Brennkamtner keine nennenswerte Bedeutung, da es gemäß der Erfindung vornehmlich auf die Bewegung des Gemisches durch die Brennkammer, nicht aber auf seinen Stillstand in derselben ankommt.
  • Die Drehzahl der Maschine hat deshalb praktisch keinen Einfluß auf die Bemessung der Brennkammer, weil die Strömungsgeschwindigkeit der Gemischsäule in der letzteren bei der gegebenen Abhängigkeit der Brennkammermaße von den Zylindermaßen nur von der Kolbengeschwindigkeit abhängt; diese wird aber bei schnell laufenden Fahrzeugbrennkraftmaschinen normalerweise stets in der gleichen Größenordnung (etwa 8 bis ro m/Sek.) gewählt.
  • Bei der baulichen Durchbildung der Brennkammer muß man den Sonderanforderungen Rechnung tragen, die bei dieser Bauart (im Gegensatz zu den Verhältnissen bei den bekannten großräumigen Brennkammern) dadurch auftreten, daß einerseits die Länge und die Wandoberfläche j e Volumeneinheit besonders groß sind, wodurch der Wärmeisolierung zur Vermeidung von Strahlungs- und Leitungsverlusten und Erreichung einer hohen Temperatur auch am Ende der langen Kammer eine besonders große Bedeutung zugeteilt wird, und daß andererseits die Innenwandungen der Brennkammer, an denen sich ein sehr erheblicher Teil der Verbrennung abspielt, besonders heftigen und plötzlichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Diesen Bedingungen, zu denen noch die Beanspruchung durch die mechanischen Erschütterungen der Maschine hinzukommt, kann in vorteilhafter Weise dadurch entsprochen werden, daß das als innere Brennkammer dienende Ouarzrohr von einer äußeren Lage aus feuerfestem Ton oder einem anderen hitzebeständigen, die Wärmestrahlung zurückhaltenden Werkstoff umkleidet und von einer äußeren Lage aus einer wärmeisolierenden nachgiebigen, gewissermaßen federnden Masse, wie z. B. Asbestflocken oder Schlackenwolle, umgeben ist.
  • Durch diese Kombination wird außer weitestgehender Isolation gegen Wärmeleitung und -strahlung auch zugleich ein vorzüglicher Schutz gegen Beschädigung der Isolationsanordnung gewährleistet, da das innere (Quarzrohr den hohen Temperaturen und den infolge der Wandverbrennung besonders heftigen und plötzlichen Temperaturschwankungen vorzüglich standhält und den umgebenden Tonmantel, der zur Isolation gegen Wärmebestrahlung dient, vor übermäßiger Temperaturbeanspruchung schützt, während die ::ußere Umhüllung aus nachgiebigem Isoliermaterial, wie z. B. Asbestwolle oder Schlakkenwolle, die von dem Gang der Maschine herrührenden Erschütterungen des äußeren Metallmantels von dem keramischen Material fernhält und gleichzeitig noch eine zusätzliche Wärmeisolation bewirkt. Infolge der besonders günstigen Wirkungen dieser Kombination der verschiedenen Isolierelemente ist es möglich, in einer derartigen Brennkammer eine sehr hohe mittlere Arbeitstemperatur (von annähernd iioo° C) aufrechtzuerhalten.
  • Die Zeichnungen veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Abb. i ist eine teilweise geschnittene Endabsicht der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, wobei die Brennkammer und ein Arbeitszylinder im halben Schnitt sowie ein Drehgebläse, ein Kühler und ein Kolbenverdichter in halber Ansicht dargestellt sind; Abb. -2 zeigt einen Längsschnitt der Brennkammer: Abb. 3 zeigt einen Längsschnitt eines Wä rmeaustauschers für große Maschinen. Die Maschine enthält einen oder mehrere Arbeitszylinder i. Sämtliche Zylinder haben eine von einem Metallmantel 2 umgebene geineinsame Brennkammer 16, eine Anzahl von Kolbenverdichtern 3, ein Drehgebläse 4. sowie einen Kühler 5. Eine Brennstoffpumpe 6 fördert Brennstoff zu einer in der Brennkammer 16 angeordneten Brennstoffdüse 7, und von dort gelangen die verbrannten Gase durch ein Einlaßventil 8 in den Arbeitszylinder i. Das Einlaßventil 8 und die Brennstoffpumpe 6 werden durch Nocken 9, bzw. io von der Kurbelwelle i i aus mittels der Stößel 12, 13 angetrieben.
  • Das Ventil 8 ist innerhalb einer wassergekühlten zylindrischen Führung 14 verschiebbar und wird gegen seinen Sitz durch eine Feder gepreßt, die in einem Gehäuse i j eingeschlossen ist.
  • Die Brennkammer 16 besteht aus einem feuerfesten Quarzrohr, das von einer Lage 17a aus fettei-festeni Ton oder einem anderen hitzebeständigen und undurchsichtigen Werkstoff umgeben ist, um Wärmestrahlungsverluste zu verhüten, für die Quarz durchlässig ist. Das Quarzrohr besitzt eine Länge, die wenigstens zehnmal so groß wie ihre Bohrung und fünfmal so groß wie der Kolbenhub in einem Arbeitszylinder ist. Die aus dem Quarzrohr und dem umgebenden Tonrohr 17a bestehende Anordnung ist in bekannter Weise von einer äußeren Lage i7 b aus einem nachgiebigen, nicht wärmeleitenden Werkstoff, z. B. Asbestwolle oder Schlackenwolle, umgeben. Der Zweck der aus dem Tonmantel 17a und der nachgiebigen Asbestschicht i7 b gebildeten Ummantelung 17 ist, die Wärmestrahlungsv erluste auf ein Mindestmaß zu beschränken und eine Zerstörung des Quarzrohres 16 durch unmittelbare Berührung mit dem Metallmantel 2 der Brennkammer zu verhindern, die sonst infolge Erschütterungen oder ungleichmäßiger Ausdehnungen eintreten würde. Die Asbestschicht verhütet ferner die Beschädigung des Quarzrohres durch von den äußeren Metallwänden stammendes Eisenoxyd, das besonders bei Temperaturen oberhalb 6oo° C für den Quarz schädlich ist. Durch das lange, .enge Quarzrohr strömen die Brenngase mit hoher Geschwindigkeit und werden an den glühenden Wandungen entlang gewirbelt und so katalytisch aufbereitet und vollständig verbrannt, auch wenn sehr geringwertige Brennstoffe verwendet werden. Eine solche Brennkammer kann beispielsweise für eine Mehrzahl von Arbeitszylindern (bis zu sechs Zylindern) verwendet werden, ohne daß die Gasgeschwindigkeit in ihr unzulässig steigt, da ja jeder Zylinder nur etwa auf ein Sechstel seines Kolbenhubes oder weniger mit frischem Brenngas gefüllt wird. Bei sechs an die Brennkammer angeschlossenen Arbeitszylindern würden dann die Gase in der Kammer annähernd gleichmäßig bei weniger Arbeitszylindern dagegen stoßweise strömen.
  • Wenn Raumersparnis angezeigt ist, wie z. B. auf Schiffen, kann die Brennkammer in Gestalt von einer oder mehreren länglichen U-Rohren ausgebildet sein.
  • Die Metallwand des über das Einlaßventil zum Arbeitszylinder führenden Kanals dringt, wie aus Abb. i und -2 ersichtlich, bei 18 durch die Asbestschicht hindurch, so daß Asbestteilchen nicht mit den Gasen in den Arbeitszylinder gerissen werden.
  • Das Drehgebläse d. kann von der Motorwelle ii mittels einer Kette i9 oder eines Riemens betrieben werden. Auch kann eine durch Auspuffgase betriebene Turbine bei großen Maschinen für diesen Zweck verwendet werden.
  • Die Arbeitsweise der Maschine ist etwa die folgende: Die in dem Drehgebläse auf i bis a Atm. Überdruck verdichtete Luft wird über den Kühler 5, in welchem sie annähernd auf die normale Lufttemperatur abgekühlt wird, zu einem der Kolbenverdichter 3 geleitet, in dem sie bis auf etwa 2o Atm. verdichtet wird. Diese Preßluft wird der Brennkammer 16 zugeführt, in die gleichzeitig Brennstoff eingespritzt wird. Das Verhältnis von Brennstoff zu Preßluft wird derart bemessen, daß eine mittlere Temperatur der Verbrennungsgase von etwa i ioo° C entsteht, wobei die Gasmenge ohne Drucksteigerung wesentlich vergrößert wird.
  • Die heißen Brenngase gelangen zu dem gekühlten Ventil 8 eines jeden der Arbeitszylinder, und zwar nur auf einem Teil des Kolbenhubes, worauf das Ventil geschlossen wird und das Gas während des übrigen Hubes entspannt wird. Das Auspuffventil wird im entsprechenden Zeitpunkt in üblicher Weise geöffnet, so daß der wieder aufsteigende Kolben die Auspuffgase nach außen treibt.
  • Bei sehr großen Kraftmaschinen wird die Verbrennung von geringwertigen Ü1en erleichtert und eine wesentliche Brennstoffersparnis erzielt, wenn die Auspuffgase der Maschine durch einen Wärmeaustauscher geführt werden, durch den andererseits die Preßluft aus den Kolbenverdichtern im Gegenstrom geleitet wird.
  • Eine geeignete Ausbildung eines solchen Wärmeaustauschers ist in Abb, 3 dargestellt, nach welcher ein Stahlgehäuse 2o eine Eintrittsöffnung 2i und eine Austrittsöffnung 2a für die Auspuffgase aufweist.
  • Eine Anzahl von Metallrohren dient zur Führung der Preßluft, welche bei 24 eintritt und bei 25 austritt, um der Brennkammer zugeführt zu werden. Um zu verhindern, daß etwa Eiseiloxydteilchen aus den Rohren z3 in die Brennkammer 2 gelangen und das Quarzfutter beschädigen, sind die Rohre a3 zweckmäßig aus rostfreier Stahl- oder Eis;nlegierung hergestellt. Der Kühler 5 ist von ähnlicher Ausbildung wie der Wärmeaustauscher.
  • Um beim Anlassen das Brenngemisch zu entzünden, wird irgendeine geeignete Zündvorrichtung verwendet. Sie kann entweder unmittelbar das Brenngemisch oder auch ein Hilf sbrenngemisch zünden, welches von einem besonderen Anlaßverdichter geliefert wird.
  • Der Erfindungsgegenstand ist besonders für Kraftmaschinen von größerer Leistung als etwa ioo PS geeignet, weil der ununterbrochene Verbrennungsvorgang hauptsächlich für mehrzylindrige Maschinen vorteilhaft ausnutzbar ist.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Brennkraftmaschine mit Außenverbrennung, vornehmlich für Fahrzeuge, zur Verwendung schwer entflammbarer Brennstoffe, wie schwere Teeröle und Rückstandsöle, mit einer außenliegenden, nur zeitweise mit dem bzw. den Arbeitszylindern verbundenen, aus einem außen wärmeisolierten und von einem Metallmantel umschlossenen Ouarzrohr bestehenden zylindrischen Brennkammer, der durch Verdichter Luft zugeführt, in die ferner der Brennstoff an der einen Stirnseite eingespritzt und der das vollständig verbrannte hochgespannte Gas an der anderen Stirnseite entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer eine Länge von mindestens dem Zehnfachen ihrer Bohrung und dem Fünffachen des Kolbenhubes eines Arbeitszylinders besitzt. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wärmeisolation des Ouarzrohres aus einer inneren Lage (17a) aus feuerfestem Ton oder einem anderen hitzebeständigen, die Wärmestrahlung zurückhaltenden Werkstoff und einer äußeren Lage aus nachgiebigem, nicht wärmeleitendem Werkstoff (üb), z. B. Asbest, bestellt.
DEK134685D 1933-07-11 1934-07-12 Brennkraftmaschine mit Aussenverbrennung, vornehmlich fuer Fahrzeuge, zur Verwendung schwer entflammbarer Brennstoffe Expired DE654937C (de)

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