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Verfahren zum Betrieb von zum Antrieb von Luftfahrzeugen dienenden
Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von
zum Antrieb von Luftfahrzeugen dienenden Brennkraftmaschinen, und zwar vorzugsweise
solchen, an die ein Kondensator angeschlossen ist. Die Erfindung bezweckt, diesen
Betrieb in an sich bekannter Weise dadurch wirtschaftlicher zu gestalten, daß das
verfügbare Wärmegefälle bis zu einem tieferen Temperatur- und Druckniveau als bisher
ausgenutzt wird, was durch neue Mittel erreicht werden soll.
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Zu diesem Zweck ist bereits vorgeschlagen worden, flüssigen Wasserstoff
zum Betreiben von Lokomotiven in der Weise zu verwenden, daß er zunächst als Kühlmittel
für den Kondensator einer mit Stickstoff, Luft o. dgl. betriebenen Dampfmaschine
dient und dadurch für' seinen Gebrauch in einer Brennkraftmaschine o. dgl. vorgewärmt
wird. Dieses Verfahren ergibt bei der Verwendung, des so vorgewärmten Wasserstoffes
in einer Brennkraftmaschine noch einen größeren Leistungsabfall, als er schon ohnehin
bei den üblichen Wasserstoffmotoren infolge des heizwertarmen Gemisches auftritt.
Außerdem werden zu seiner Durchführung zwei verschiedene Kraftmaschinen mit je einem
Arbeitsträger benötigt; es ist also verhältnismäßig umständlich und unwirtschaftlich.
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Bei einer anderen Einrichtung werden die von der Brennkraftmaschine
ausgestoßenen Gase über einen wassergekühlten Kondensator abgesaugt, um die Arbeitsleistung
der Saugvorrichtung zu verringern. Diese Anlage arbeitet schon deshalb unwirtschaftlich,
weil die nochmalige Umsetzung der bereits gewonnenen mechanischen Energie in der
Saugvorrichtung den Wirkungsgrad heruntersetzt. Außerdem kann mit Wasser als Kühlmittel
nur eine verhältnismäßig hochliegende untere Temperatur des Wärmegefälles erzeugt
werden.
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Die Erfindung behebt die Übelstände der bekannten Einrichtungen dadurch,
daß sie vorzieht, den als Brennstoff dienenden, in verflüssigtem Zustand mitgeführten
Wasserstoff zur Tiefkühlung der Verbrennungsluft vor ihrer Einführung in den Arbeitszylinder
zu verwenden. Ist die Brennkraftinaschine mit einem Kondensator ausgerüstet, so
kann dieser mit Vorteil auf diesem Wege gemäß der Erfindung auf besonders tiefe
Temperatur gekühlt werden. Dabei wird die Temperatur des Kondensators zweckmäßig
thermostatisch geregelt. Besonderen Vorteil schafft es, wenn der Kondensator bis
nahe an' die Temperatur abgekühlt wird, bei der die Verfestigung des Verbrennungsproduktes,
d. h. Eisbildung eintritt. In diesem Fall wird eine höhere Leistung des Motors ohne
Gewichtsvergrößerung erreicht, was gerade für Luftfahrzeuge von Bedeutung ist. Es
ist zwar an
sich bekannt, das Ladegewicht der Verbrennungsluft von
Motoren durch Vorkühlen mittels Wassers zu erhöhen; es ist an sich auch bekannt,
verflüssigtem Brennstoff: mittels Luft Verdampfungswärme zuzuführen. Es i: aber
neu, die Verbrennungsluft durch 4,", verflüssigten Brennstoff vorzukühlen, alÜ ohne
besondere Energie und ohne besonderes Kühlmittel die Leistung der Maschine zu erhöhen.
Bei Verwendung von verflüssigtem Wasserstoff ergibt sich dabei noch der zusätzliche
Vorteil, daß die Feuchtigkeit der Verbrennungsluft bis auf geringe Spuren ausgefroren
wird, wodurch bei der Verbrennung in der Maschine die obere Temperatur des Kreisprozesses
erhöht wird. Diese obere Temperatur des Kreisprozesses kann erfindungsgemäß noch
weiter dadurch erhöht werden, daß der Wasserstoff vor seiner Verwendung z. B. durch
die Abwärme der Zylinder vorgewärmt wird.
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Der bisher nur für Raketenflugzeuge vorgeschlagene flüssige Wasserstoff
kann auf dem angegebenen Wege ohne Einschaltung eines anderen Betriebsmittels mit
außerordentlich großem Vorteil zum Betrieb von Brennkraftmaschinen von Luftfahrzeugen
verwendet werden. Das Gewicht des Wasserstoffs je erzeugte Wärmeeinheit ist nämlich
im Verhältnis zu anderen Betriebsstoffen äußerst gering. Während z. B. der Heizwert
von Benzin nur i oooo bis i i ooo cal/kg beträgt, ist der Heizwert von Wasserstoff
3392o cal/kg. Wenn auch der Tank zur Mitnahme des flüssigen Wasserstoffs etwas mehr
wiegt als der Tank für das gleiche Benzingewicht, so wird doch eine recht erhebliche
Gewichtsersparnis dadurch erzielt, daß das gleiche Wasserstoffgewicht ungefähr dreimal
soviel Wärmeeinheiten besitzt wie das gleiche Benzingewicht. Sömit wird im Verhältnis
zu anderen Brennstoffen ein außerordentlich großer Teil der Tragkraft des Luftfahrzeuges
für Nutzlasten frei, was besonders bei langen Verkehrsstrecken von ausschlaggebender
Bedeutung ist.
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Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dient als Kraftstofftank
ein wärmeisolierter, mit regelbarem Sicherheitsventil ausgerüsteter Behälter oder
mehrere. Der bzw. die Wasserstoffbehälter sind im Luftfahrzeug in einem besonderen,
gegebenenfalls auch wärmeisolierten Raum untergebracht und mit der Antriebsmaschine
oder ihrem Vergaser bzw. auch untereinander ebenfalls durch wärmeisolierte Rohrleitungen
verbunden, in welchen flüssiger oder bereits vergaster Wasserstoff zu den Motoren
befördert wird.
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Es ist vorteilhaft, die Verluste durch ungewollte Verdampfung von
flüssigem Wasserstoff gemäß der Erfindung durch Kühlung der Wasserstoffbehälter
mittels einer Kältemaschine zu verringern oder zu unterbinden, wobei diese zweckmäßig
durch die Energie der Gase, welche durch die ungewollte Ver--,mApfung entstehen,
betrieben wird.
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;'d2 ";ls Kälteträger der Kältemaschine findet 22äß der Erfindung
vorzugsweise ein inertes 14 Gas Verwendung, das zuerst die wärmeisolierten Wasserstoffbehälter
mit gleichfalls nach außen wärmeisolierten Kühlmitteln niedriger Temperatur umspült;
hierauf kann es den abgeschlossenen, zweckmäßig ebenfalls wärmeisolierten Raum,
in dem die Wasserstoffbehälter untergebracht sind, durchspülen. Dieser bildet so
einen weiteren Kühlmantel. Dadurch erreicht man, daß die gegebenenfalls durch Undichtigkeiten
der Wasserstoffbehälter oder Rohrleitungen in den Behälterraum austretenden Gase
fortgespült «erden, so daß eine Ansammlung und eine etwaige bei Vorhandensein von
Luft mögliche Entzündung der Gase ausgeschlossen ist. Die gasförmigen Wasserstoffe
werden durch irgendwelche Mittel aus dem inerten Gas entfernt, und zwar z. B. dadurch,
daß das inerte Gas in der Kältemaschine verflüssigt wird, während der Wasserstoff
als Gas abgesogen wird.
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Verzichtet man mit Rücksicht auf die guten Kühlbedingungen in höheren
Luftschichten überhaupt auf den Einbau einer zusätzlichen Kältemaschine, so wird
gemäß der Erfindung vorteilhaft inertes Gas in- flüssigem Zustande mitgeführt, das
nach oder während seiner Verdampfung um die Wasserstoffbehälter geleitet wird und
hierauf den die inneren Kühlmäntel umgebenden Behälterraum durchspült und ins Freie
geleitet wird; statt dessen kann gemäß der Erfindung gleichmäßige Umspülung der
Wasserstoffbehälter und Durchspülung eines der diese umgebenden Kühlmäntel bzw.
Behälterraums mit der Außenluft vorgesehen sein, wodurch ebenfalls alle etwa durch
Ansammeln von Wasserstoffgas im Behälterraum bedingten Gefahrenmöglichkeiten beseitigt
werden.
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Gemäß der Erfindung ist in das Luftfahrzeug eine Wärmeaustauschvorrichtung
eingebaut, in der die Verbrennungsluft als wärmeabgebendes und der Wasserstoff gegebenenfalls
unter Vergasung als wärmeaufnehmendes Mittel wirkt. Wird der flüssige Wasserstoff
in diesem Wärmeaustauscher bereits vergast, so stellt dieser den eigentlichen Vergaser
dar und macht einen besonderen Vergaser überflüssig, zumal Verdampfung des bei -z53°
C siedenden Wasserstoffes noch in sehr großen Höhen möglich ist.
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Der Wärmeaustauscher kann als besondere Vorrichtung, kann aber auch
an den Rohren für die Zufuhr des Wasserstoffs zum Motor
oder an
oder in den Wasserstoffbehältern ausgebildet sein. Im einen Falle werden diese Zuleitungsrohre
nicht isoliert und zweckmäßig mit Rippen versehen, an denen die Ansaugluft vorbeistreicht,
im .anderen Fall wird gemäß der Erfindung die Ansaugluft vorzugsweise in Rohren
kleinen Widerstands und guter Wärmeleitung in die Behälter und durch den flüssigen
Wasserstoff oder zwischen der Wärmeisolation und der Behälterwand um die Behälter
herumgeführt. Statt dessen können von der Ansaugluft durchspülte Kühlmäntel einerseits,
von gasförmigem Wasserstoff durchströmte Kühlmäntel andererseits am Behälter vorgesehen
werden, wobei zusätzlich die Kühlwirkung des bereits vergasten, aber noch sehr kalten
Wasserstoffs am Behälter nutzbar gemacht wird.
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Bei Ausgestaltung des Wärmeaustauschers als besondere Vergaser wird
gemäß der Erfindung mit Vorteil der Druck des durch ungewollte Verdampfung entstehenden
Wasserstoffs unter Regelung durch ein Ventil zur Förderung von flüssigem Wasserstoff
aus den Behältern in den Wärmeaustauscher benutzt.
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Zur Regelung wird hierbei vorzugsweise ein einstellbares, selbsttätiges
Ventil gewählt. Ferner werden die selbsttätigen Ansaugventile für die Verbrennungsluft
so eingestellt und die Bemessung und Anordnung der Kühlflächen, Durchtrittsräume
und Regelorgane des Wärmeaustauschers so getroffen, daß, die Verdampfung des Wasserstoffs
nach Maßgabe der Menge und der Wärmeabgabe der angesaugten Verbrennungsluft selbsttätig
geregelt wird. Dabei fließen die Gase im Wärmeaustauscher in bekannter Weise im
Gegenstrom.
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Die Vorkühlung der Verbrennungsluft im Wärmeaustauscher hat den Zweck,
sie gewissermaßen zu verdichten und den Füllungsgrad der Motoren zu erhöhen, indem
bei gleichem Ansaugvolumen das angesaugte Luftgewicht mit abnehmender Temperatur
wächst, so daß ein Verdichten erspart wird.
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Eine vorteilhafte Temperaturerhöhung des Wasserstoffs kann gemäß der
Erfindung erzielt werden, indem er gasförmig unter Druck durch die Kühlmäntel der
zu kühlenden Maschinenteile, . z. B. des Zylinders, geleitet, dort erwärmt und dann
zweckmäßig unter Druck während des Ansaughubes oder nach dem Ansaughub, bei welchem
nur reine vorgekühlte Luft angesaugt wird, in den Zylinder eingeführt wird. Dabei
wird die obere Temperatur des thermischen Kreisprozesses und damit wiederum der
Wirkungsgrad erhöht, ohne daß eine Verringerung des Füllungsgrades eintritt.
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Die Wasserstoffzufuhr in den Zylinder kann auch erst während der Kompression
oder im Totpunkt wie beim Dieselmotor erfolgen. Im allgemeinen wird es jedoch genügen,
den Wasserstoff gegen Mitte oder Ende des Ansaughubes zuzuführen.
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In der Zeichnung sind ein Schaubild zur Veranschaulichung und eine
mit an sich bekannten Vorrichtungen durchgeführte Ausführungsform der Erfindung
sowie Hilfseinrichtungen beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Fig. z das grundsätzliche
Schaubild des thermischen Kreisprozesses, Fig. 2 ein Schema einer Ausführungsform
der Erfindung, Fig.3 eine Hilfseinrichtung zur Regelung der Temperatur des Kondensators
nach Fig. 2 und Fig. 4. eine Hilfseinrichtung der Kühlanlage für den . Wasserstoffbehälter
nach Fig. 2.
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Fig. i zeigt das gewöhnliche Schaubild des thermodynamischen ilreisprozesses
einer Brennkraftmaschine. Der schraffierte, unter der Atmosphärenlinie liegende
Teil ist, wie ersichtlich, der Arbeitsgewinn, den man erhält, wenn man gemäß der
Erfindung auf einen tiefgekühlten Kondensator arbeitet. In diesem Gewinn durch Vergrößerung
des ausgenutzten Druck- und Temperaturgefälles liegt somit das Wesen der Erfindung.
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In Fig.2 ist eine Anlage dargestellt, bei welcher flüssiger Wasserstoff
zur Vorverdichtung der Verbrennungsluft und daher zur Verbesserung des Füllungsgrades
des Motors dient. Die Anlage besteht aus dem Gefäß i, das den flüssigen Wasserstoff
enthält, und der um dieses Gefäß herumgelegten Wärmeaustauschvorrichtung I, einer
Wärineaustauschvorrichtung II sowie aus einem Einzylindermotor. Der im Gefäß i von
selbst verdampfte Wasserstoff fließt durch die Rohrleitung 2 in die Wärmeaustauschvorrichtung
I, und zwar in das Mantelgefäß 3, das durch das Gefäß i und die Umhüllung 4. gebildet
wird, verläßt durch das Rohr 5 die Wärmeaustauschv orrichtung I und strömt durch
eine Spirale 6 durch die Wärmeaustauschvorrichtung II und von hier durch ein Rohr;
zu einer Vorwärmspirale S, die um den Zylinder gelegt ist, und von der Spirale ä
durch die Rohrleitung g zu dem Wasserstoffansaugeventil io.
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Die Verbrennungsluft strömt durch ein trichterförmiges Gefäß z i in
die Wärmeaustauschvorrichtung II, von hier durch die Rohrleitung 12 in das Mantelgefäß
13, das durch die Umhüllungen 4und 1q. gebildet wird. Dabei wird die Luft, wie für
diese Ausführungsform wesentlich ist, nicht nur abgekühlt, sondern auch vorverdichtet
und verläßt in diesem Zustande das zur Wärmeaustauschvorrichtung I gehörige Mantelgefäß
13 durch
das Rohr 15, das zum Ansaugventil 16 des Motorzylinders
führt. Die Verbrennungsprodukte verlassen den Motorzylinder durch das Ventil 17.
Von dort strömen sie durch eine Leitung 18 in den Kondensator i9. Die Kühlschlangen
2o dieses Kondensators sind einerseits an das Rohr 7, andererseits an die Vorwärmspirale
8 angeschlossen.
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Die Fig. 3 zeigt, wie bei einer Einrichtung gemäß Fig.2 die Temperatur
des Kondensators i9 thermostatisch geregelt werdenkann. Hierzu ist in der Zuleitung
7 zur Kühlschlange2o ein Umsteuerventi12i angebracht, das mit einer Umgehungsleitung
in Verbindung steht. Das Umsteuerventil wird durch einen Motor 23 angetrieben, der
von einem üblichen einstellbaren Temperaturregler 24 gesteuert wird. Er regelt=
somit über das Umsteuerv entil die Menge des durch die Umgehungsleitung 22 an dem
Kondensator vorbeigeführten Wasserstoffes und damit die Temperatur des Kondensators.
Der Temperaturregler wird zweckmäßig so eingestellt, daß Eisbildung im Kondensator
eintritt.
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Fig.4 zeigt, wie der Wasserstoff durch eine Kältemaschinenanlage gekühlt
werden kann. Das Kältemittel der Anlage strömt von einer Kältemaschine 25 über eine
Rohrleitung 26 in den Hohlraum, der von dem Kühlmantel 14 um den Wasserstoffbehälter
i herum gebildet wird. Von dort strömt das Kühlmittel durch die Leitung 27 zur Kältemaschine
zurück. Der durch ungewollte Verdampfung frei werdende Wasserstoff dient zum Betrieb
der Kältemaschine, indem er über das Sicherheitsventil 28 und eine Rohrleitung 29
einer Brennkraftmaschine 30 der Kältemaschine zugeführt wird. In der Rohrleitung
29 ist ein weiteres Sicherheitsventil 30 vorgesehen, durch das hindurch bei Überdruck
Wasserstoff ins Freie entweichen kann. ISie Leitung 29 kann auch über den Wärmeaustauscher
II verlaufen. Auch kann der durch ungewollte Verdampfung entstehende Wasserstoff
dazu benutzt werden, über das regelbare Ventil 3 1 und die Rohrleitung 32
flüssigen Wasserstoff in den Wärmeaustauscher zu drücken.