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Druckluftbrennkraftmaschinenanlage Die Erfindung bezieht sich auf
eine Druckluftbrennkraftmaschinenanlage, bei der die Verbrennungsluft, durch Abgase
auf Zündtemperatur erwärmt, dem Arbeitszylinder von einem baulich von der Hauptbrennkraftmaschine
getrennten, durch eine besondere Brennkraftmaschine angetriebenen Verdichter zugeführt
wird.
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Maschinen dieser Art sind schon vielfach vorgeschlagen worden. Das
kennzeichnende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Zusammenfassung
verschiedener teilweise bekannter Maßnahmen, die alle zusammen angewandt werden
müssen, um für eine ganz bestimmte Aufgabenstellung eine besonders vorteilhafte
Lösung zu ermöglichen.
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Das Anwendungsgebiet vorliegender Erfindung ist auf diejenigen Gebiete
der Technik engbegrenzt, bei denen die Lösung folgender Aufgaben gefordert wird:
Die Einhaltung einer gleichen Leistung bei veränderlicher Drehzahl, geringstes Gewicht
der gesamten zur Durchführung des vorstehend gekennzeichneten Betriebes notwendigen
Maschinenanlage, guter thermischer Gesamtwirkungsgrad dieser Anlage.
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Die Einhaltung einer gleichen Leistung bei veränderlicher Drehzahl
setzt zunächst den getrennten Antrieb von Verdichter und Hauptmaschine voraus, führt
also zu folgenden vier Elementen der Maschinenanlage, die zum Betrieb mit Füllungsregelung
unbedingt erforderlich sind, nämlich der Hauptbrennkraftmaschine, dem mehrstufigen
Verdichter, der Hilfsbrennkraftmaschine und dem Lufterhitzer.
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Der Betrieb der Maschinenanlage geht folgendermaßen vor sich Die Hilfsbrennkraftmaschine
treibt einen mehrstufigen Verdichter an, der die für die Hauptbrennkraftmaschine
notwendige Verbrennungsluft verdichtet. Diese Luft wird in einem Lufterhitzer durch
die Abgase der einen oder auch beider Brennkraftmaschinen auf Zündtemperatur erwärmt,
um dann in beliebig abzumessender Menge in die Hauptbrennkraftmaschine eingelassen
zu werden. Gleichzeitig mit der Luft oder auch nach Zuführung der Luft wird Brennstoff
in beliebig abzumessender Menge in die Zylinder der Hauptbrennkraftmaschine eingespritzt,
um während des Dehnungshubes verbrennen zu können. Beim Rückgang des Arbeitskolbens
der Hauptbrennkraftmaschine schiebt dieser die Abgase durch ein Auslaßventil aus,
welches erst kurz nach dem Öffnen des Einlaßventils schließt. Die Hauptbrennkraftmaschine
arbeitet somit in belcannter Weise nach einem Zweitaktverfahren, das nur aus einem
Dehnungs- und einem Ausschubhub besteht. Während des Dehnungshubes kann naturgemäß
je nach der eingespritzten Brennstoffmenge und nach der Luftfüllung jeder beliebige
Druckverlauf bis zum Volldruckdiagramm erzielt werden. Hierdurch wird die an erster
Stelle erhobene Forderung erfüllt.
Während des Ausschubhubes dagegen
ist keinerlei Druckanstieg beabsichtigt, um die Nutzleistung der Zylinder der Hauptbrennkraftmaschine
auf ein Höchstmaß zu bringen.
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Die Forderung nach geringstem Gewicht der Maschinenanlage steht insofern
mit derjenigen nach einem guten thermischen Wirkungsgrad in mittelbarem Zusammenhang,
als bei gegebener Anzahl der zur Durchführung eines Verfahrens notwendigen Elemente
dann ein Mindestmaß an Gewicht erzielt wird, wenn die im Brennstoff zugeführte Energie
auf dem kürzesten Wege unter weitgehendster Vermeidung von Zwischenträgern und unter
weitgehendster Ausnutzung der einzelnen Elemente in Nutzarbeit umgesetzt werden
kann.
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Im Interesse einer besseren Ausnutzung der Hauptbrennkraftmaschine
wird in dieser möglichst jede Verdichtung in ihren Zylindern vermieden; denn dies
ist pendelnde Energie, welche die Nutzleistungsabgabe des einzelnen Zylinders verkleinert.
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Zur Verkleinerung der Hilfsmaschinen werden die Hauptmaschinenzylinder
auf einen bestimmten Bestwert vergrößert. Man erhält dann eine tiefere Dehnung in
der Hauptmaschine und diese verkleinert die Auslaßverluste. Der Verdichter braucht
dann bei allen Drehzahlen der Hauptmaschine während ihres z. B. im Eisenbahnbetrieb
der Zugkraftkennlinie entsprechenden Betriebes immer nur die für Höchstdrehzahl
beim Nenndrehmoment notwendige Luftmenge zu liefern. Verfährt man nicht nach dieser
Lehre, dann kann man entweder die Zugkraftkennlinie nicht in so weitem Umfange einhalten
oder .man muß den Verdichter so groß machen, daß er für den Betrieb mit großem Drehmoment
bei kleiner Drehzahl ausreicht, bei hoher Drehzahl und Nenndrehmoment aber nicht
voll ausgenutzt ist.
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Zur Erzielung eines guten thermischen Wirkungsgrades werden außer
den oben angeführten Maßnahmen, keine Verdichtung in der Hauptmaschine und Vergrößern
der Zylinder der Hauptmaschine, die folgenden Maßnahmen getroffen: Verdichtung in
mehreren Stufen mit Zwischenkühlung und Wiedererwärmung der Luft auf Zündtemperatur
durch die Abgase der Brennkraftmaschinen, Überschneidung der Öffnungszeiten von
Ein- und Auslaßventil, Einspritzen des Brennstoffes in die Hauptmaschine während
oder nach der Lufteinströmung.
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Daß die mehrstufige Luftverdichtung mit Zwischenkühlung bei einem
gesondert angetriebenen Verdichter von Vorteil ist, ist eine thermodynamisch bekannte
Tatsache. Im Zusammenhang mit dem ganzen Verfahren würde jedoch die Wärmeabfuhr
während der Verdichtung einen Verlust darstellen, wenn die entzogene Wärme nicht
aus der sonst unausgenutzten Abgaswärme wieder ersetzt werden könnte. Die mehrstufige
Verdichtung mit nachträglicher Erhitzung durch die Abgase erspart also der Hilfsmaschine
Arbeit, ohne daß dies den Energieinhalt der Luft für die Hauptmaschine verkleinert.
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Es ist weiter eine an sich durchaus bekannte Tatsache, daß die Güte
der Verbrennung in normalen, selbstansaugenden Brennkraftmaschinen sehr stark vom
Reinheitsgrad der Ladung abhängt. Zu diesem Zweck ist für Viertaktmaschinen schon
eine Überschneidung der Ventile vorgeschlagen bzw. ausgeführt worden. Der Erfolg
dieser an sich bekannten Maßnahme kann bei Betrieb der Hauptmaschine gemäß den Lehren
vorliegender Erfindung ebenfälls erreicht werden. Die reine, hochverdichtete Verbrennungsluft,
die vom Verdichter geliefert wird, muß nur so in die Zylinder der Hauptmaschine
eingelassen werden, daß sie auch noch den letzten über dem Kolben befindlichen Abgasrest
aus den Zylindern der Hauptmaschine verdrängen kann. Dies kann durch geringes Überschneiden
der Öffnungszeiten von Ein- und Auslaßventil erreicht werden.
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Findet nun aber möglichst keine Verdichtung in den Zylindern der Hauptmaschine
statt, dann muß die vom Verdichter gelieferte Luft bei jedem Hub den Verdichtungsraum,
jetzt schädlichen Raum, der Hauptmaschinenzylinder auffüllen. Dies hätte einen wertvollen
Energieverlust zur Folge. Gleichzeitig mit der reinen, heißen Luft einströmender
Brennstoff kann sich aber in der heißen, rasch bewegten Luft leicht entzünden, und
die durch die plötzliche Entflammung entstehende Volumenvergrößerung wirkt dem Auffüliverlust
entgegen, vermeidet Druckspitzen und verhindert Nachbrennen.
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Nimmt man aber, z. B. um Rückzündungen in den Lufterhitzer zu vermeiden,
den Auffüllverlust in Kauf, dann muß derBrennstoff nach der Lufteinströmung eingespritzt
werden, weil dann die Luft vollkommen rein und in intensiver Bewegung ist.
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Zum weiteren Verständnis der Erfindung diene die Zeichnung, die eine
mit den Maßnahmen gemäß der Erfindung ausgerüstete Anlage in Abb. z in schematischer
Darstellung zeigt, während die Abb.2 die Vorgänge im Druckvolumendiagramm veranschaulicht.
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Die den mehrstufigen Verdichter z antreibende Hifsbrennkraftmaschine
ist mit z bezeichnet. Ihre Abgase durchströmen den Lufterhitzer 4. Mit 3 sind Zwischenkühler
bezeichnet, deren Druckluftleitungen nach dem Lufterhitzer 4 führen. Mit 5 ist die
Hauptdruckluftbrennkraftmaschine bezeichnet. Sie erhält ihre Luft aus dem Lufterhitzer
4, und ihre Abgase können ebenfalls den Lufterhitzer 4 durchströmen.
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Im Diagramm gemäß Abb: 2 ist die Arbeitsweise einer solchen Anlage
im Vergleich mit einer normalen Viertaktbrennkraftmaschine im
Druckvolumendiagramm
dargestellt, und zwar ist in Anwendung der auf Grund vorliegender Erfindungen gewonnenen
Erkenntnisse angenommen, daß die Maschine erstens mit besonders großem Zylindervolumen
ausgerüstet ist (Strecke 5-7), daß sie zweitens einen sehr kleinen schädlichen Raum,
früher Verdichtungsraum, besitzt (Strecke 5-2) und daß sie drittens mit einer Brennstoffluftfüllung
arbeitet, die größer ist, als wenn die Maschine sich die Luft selbst ansaugen würde
(Strecke 5-6). Im übrigen entsprechen die Strecken z-2 der Verdichtung, 2-3 der
Verbrennung, 3-z der Dehnung, 1-q. dem Ausschieben und q.-1 dem Ansaugen einer normalen
Brennkraftmaschine und die Strecken 7-5 dem Ausschieben, 5-6 dem Füllen und Verbrennen,
6-7 der Dehnung einer Maschine mit fremder Verdichtung beim Schließen des Auslaßventils
im Punkte 8 und beim Öffnen des Einlaßventils im Punkte g.
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Die schraffierten Flächen zeigen den Leistungsgewinn gegenüber der
normalen Maschine. Es ist das Druckvolumendiagramm der selbstverdichtenden normalen
Maschine mit a bezeichnet, der Leistungsgewinn durch Fremdverdichtung mit b und
der Leistungsgewinn durch Volumenvergrößerung mit c. Auf der Strecke d erfolgt die
Brennstoffeinspritzung und Luftfüllung. Die Fläche unter der Verdichtungslinie stellt
die Verdichtungsarbeit der Luft dar, die im Verdichter bzw. in der Hilfsbrennkraftmaschine
aufgewandt wurde, während die Fläche unter der Dehnungslinie den Gewinn durch tiefere
Dehnung im vergrößerten Zylinder darstellt.