DE669C - Kraftmaschine, von Verbrennungsprodukten und anderen Gasen betrieben - Google Patents

Description

1877.

Klasse 46.

MATTHEW PIERS WATT BOULTON in JEW-PARK, Grafschaft OXFORD (England).

Kraftmaschine, von Verbrennungsproducten und anderen Gasen betrieben.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 26. Augnst 1877 ab.

Der Erfinder hat in seinen früheren englischen Patenten verschiedene Kraftmaschinen beschrieben, bei welchen entweder, die Verbrennungsproducte zusammen mit comprimirter Luft, oder zusammen mit Gasen, die durch Verbrennungshitze erzeugt waren, gebraucht wurden, wobei der Zweck dieser Mischung von Gasen der war, eine zu grofse Erhitzung der Cylinder und anderen Theile zu verhindern.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kraftmaschinen, in welchen dieselbe Wirkungsart angewendet wird, obwohl sie in gewisser Hinsicht-auch auf Maschinen, die nur mit Verbrennungsproducten arbeiten, anwendbar ist; hiervon wird aber im Nachfolgenden keine weitere Beschreibung gegeben, weil der Erfinder es für vortheilhafter erachtet, die erwähnten Gemische von Gasen zu gebrauchen.

Ein Nachtheil der Gaskraftmaschinen besteht in dem Stofs, welchem die Maschine durch die plötzliche Steigerung des Gasdruckes bei der Entzündung des brennbaren Gasgemenges ausgesetzt ist. In den vorliegenden Maschinen ist dieser Uebelstand dadurch beseitigt, dafs zwei verschiedene Cylinder, nämlich ein Ladungsund ein Arbeits-Cylinder angewendet sind. Das Gasgemenge, wird in den Ladungs - Cylinder eingeführt und entzündet, die erzeugten Verbrennungsgase werden dann in den Arbeits-Cylinder durch ein Ventil eingelassen, das allmälig geöffnet wird, so dafs der Druck auf den Kolben allmalig zunimmt.

Ein weiterer Uebelstand bei Heifsluftmaschinen mit geschlossener Feuerung besteht darin, dafs die zur^ Verbrennung nöthige Luft unter hohem Druck eingetrieben werden mufs, so dafs der hierzu nöthige Kolben dem Arbeitskolben entgegenwirkt, und somit einen voluminösen Arbeitscylirider bedingt. Um diesen Uebelstand zu beseitigen, . ist der Ladungscylinder so eingerichtet, dafs der Druck auf beiden Seiten des Kolbens stets beinahe gleich ist. Der Erfinder wendet dieses System an, wenn die brennbaren Gase unter atmosphärischem, oder auch, wenn sie unter höherem Drucke eingeführt werden, wobei im letzteren Falle einige Abänderungen der Einrichtung stattfinden.

Die vorliegende Maschine kann in Verbindung mit Behältern gebraucht werden, in welchen sich die brennbaren Gase unter hohem Drucke befinden. So z. B. wendet der Erfinder bei einer Einrichtung einen Behälter für Luft und einen für Gas unter hohem Druck an und führt entsprechende Quanta Luft und Gas aus diesen Behältern in den Ladungscylinder der Maschine, während ein weiterer Theil der Luft aus dem Behälter in den Arbeitscylinder eingeführt wird, um dort mit den Verbrennungsgasen sich zu mischen und deren Temperatur zu erniedrigen. Auch wenn die Verbrennungsgase verwendet werden, um Dämpfe zu erzeugen, so benutzt der Erfinder hierzu Sauerstoff und Brenngas in gehörigen Verhältnissen, aus Behältern entnommen, in welchen sie unter hohem Druck sich befinden. Diese Anwendung von Behältern mit stark comprimirten Gasen hält der Erfinder besonders für locomobile Maschinen geeignet. Die Gasgemenge können die brennbaren Stoffe in gasförmiger oder in fein zertheilter· tropfbarflüssiger Form enthalten. Wenn die erzeugte Wärme benutzt wird, um Dämpfe zu erzeugen, so können diese Dämpfe von irgend einer Flüssigkeit herrühren, die hierzu dienlich ist. In Folgendem sind der Einfachheit wegen Gas und Luft als Bestandtheile des brennbaren Gemenges, und ist Wasser als die Flüssigkeit vorausgesetzt, aus der die Dämpfe erzeugt werden. Fig. ι ist eine Construction, die anwendbar ist, wenn Verbrennungsproducte zusammen mit Dämpfen gebraucht werden, die durch deren Wärme erzeugt worden sind. Die Fig. 1 zeigt einen Verticalschnitt eines Theils der Maschine. C ist der Arbeitscylinder nebst Kolben, und A der Ladungscylinder mit Kolben P, welcher durch eine unrunde Scheibe ader sonstigen Mechanismus von der Maschine getrieben wird. DerCylinder^ hat an den Enden Ventile F'undF² zum Einlassen der brennbaren Ladung, und nahe an dessen Mitte ist eine Oeffnung u zum Einlassen der Entzündungsflamme. Diese Oeffnung u hat zu diesem Zwecke irgend welche Einrichtungen bekannter Art, die nicht auf der Zeichnung angedeutet sind. Von den Enden des Cylinders A führen Kanäle e^l und <?² nach dem Gehäuse eines Schiebers B, der durch eine unrunde Scheibe oder sonstigen Mechanismus von der

Maschine aus getrieben wird, und die Steuerung der Maschine besorgt. Mit dem Inneren dieses Gehäuses steht die Ausströmöffnung χ 'in Verbindung, sowie der nach dem Cylinder C führende Kanal a. Es besteht auch eine Verbindung zwischen dem Kanal α und dem Rohr F, die durch ein Ventil/ geschlossen wird, welches durch die Maschine bewegt wird. Die Cylinder A und C sind in einem starken Gehäuse D eingeschlossen, das einen Dampfkessel bildet, und mit Wasser bis zu einer solchen Höhe gefüllt ist, dafs, während A beständig ganz unter Wasser liegt, C mehr oder weniger ins Wasser eintauchen kann. Das Rohr F steht oben mit dem Dampfraume im Kessel D in Verbindung.

Die Wirkung dieser Maschine ist wie folgt: Angenommen, dafs der Ladungskolben P und der Arbeitskolben beide in der in Fig. ι angedeuteten Stellung sich befinden, und dafs A eine brennbare Ladung enthält, so ist der Schieber B (hier in seiner mittleren Stellung gezeichnet) derart bewegt worden, dafs er die Oeffnung e¹ zum Theil, e² und die nach a führenden Kanäle aber vollständig geöffnet hat, während der Kanal χ geschlossen ist. Die Ladung in A wird dann entzündet, und die Verbrennungsproducte, die beim Austritt aus e' einen Widerstand erleiden, strömen nach dem Cylinder C, woselbst sie den Kolben nach links treiben. Zu gleicher Zeit ist, da eine freie Verbindung zwischen e² und dem rechten Ende des Cylinders A besteht, der Druck auf beiden Seiten des Kolbens P beinahe oder ganz gleich. Wenn der Schieber B weiter nach links bewegt wird, so dafs e^l weiter geöffnet wird, strömen die Verbrennungsproducte freier nach C, während sich zugleich deren Druck verringert.

Zugleich mit der Entzündung der Ladung in A wird das Ventil / geöffnet und läfst Dampf in den Cylinder C einströmen, in welchem er zugleich mit den Verbrennungsproducten wirkt. Es kann auch die Bewegung des Ventils / derart geschehen, dafs es sich kurze Zeit vor der Entzündung der Ladung öffnet, so dafs der Arbeitskolben einen Theil seines Hubes durch den Dampfdruck allein macht, wonach / geschlossen wird; während des übrigen Theils des Hubes wirken dann die mit dem Dampf gemischten Verbrennungsproducte. Wenn der Arbeitskolben beinahe am Ende seines Hubes nach links steht, wird der Schieber B nach rechts bewegt, öffnet somit <?² und stellt eine Verbindung zwischen der Oeffnung χ und den Oeffnungen e' und α her. Der Arbeitskolben macht nun seinen Hub nach rechts, und der Kolben P macht zugleich seinen Hub nach links. Die Gase, die in dem Cylinder C gewirkt haben, und die expandirten Gase in A entweichen durch die, Oeffnung x, und eine neue Ladung tritt durch das Ventil F² auf der rechten Seite des Kolbens P ein. Diese Ladung wird alsdann entzündet, und die Verbrennungsproducte wirken zugleich mit den Dämpfen auf den Arbeitskolben, wie oben beschrieben, worauf die beiden Kolben einen Hub ausführen, und die oben beschriebene Wirkung wiederholt wird. Wenn die Maschine doppeltwirkend sein soll, so werden selbstverständlich die Theile, die bei Fig. ι an einem Ende des Cylinders C angedeutet sind, an beiden Enden angebracht.

Die brennbare Ladung kann in den Ladungscylinder entweder unter atmosphärischem oder gröfserem Drucke eingeführt werden. Letzterer kann durch Pumpen hervorgebracht werden, die von der Maschine getrieben werden. Wenn die Maschine als Locomotive gebaut wird, so kann die Speisung von Behältern aus geschehen, in welchen das Gemenge oder die Bestandtheile desselben sich unter hohem Druck befinden. Im letzteren Falle zieht der Erfinder vor, Sauerstoffgas anstatt Luft zu gebrauchen. Auch wenn das brennbare Gemenge unter hohem Druck in den Ladungscylinder geführt wird, hält es der Erfinder für passend, die Maschine so einzurichten, dafs der Kolben P stets mit beinahe gleichem Druck auf beiden Seiten arbeitet. Zu diesem Zweck läfst er, anstatt die entweichenden Gase durch χ in die freie Luft zu entlassen, diese in einen Behälter eintreten, in welchem ein Druck herrscht, beinahe gleich dem des brennbaren Gemenges, das in den Cylinder C eintritt. Dieser Behälter speist einen besonderen Cylinder mit Kolben, worin die Gase die expandirende Arbeit verrichten und alsdann in die Luft entweichen.

Fig. 2 zeigt einen Längenschnitt, Fig. 2 a einen Querschnitt, und Fig. 2b einen Grundrifs bezw. Horizontalschnitt einer Maschine, in welcher die Ladungs- und Arbeitscylinder vertical stehend angeordnet sind. Hier ist A der Ladungscylinder mit Kolben P und einem Schieber V (Fig. 2) versehen, ähnlich den bei Gaskraftmaschinen gebräuchlichen, zum Einführen und Entzünden des brennbaren Gemenges. Der obere Theil des Cylinders A steht durch ein Ventil e und Rohr B (Fig. 2 a) mit dem unteren Theile η in Verbindung, der als Kühlungsraum dient und einen hin- und hergehenden Verdunstungsrahmen D, einem Kolben ähnlich, enthält, der in Wasser W taucht. Vom Cylinder A führt ein Kanal E nach dem Gehäuse eines Schiebers S (Fig. 2b), der die. Oeffnungen zu den beiden Enden des Arbeitscylinders C, sowie auch die Oeffnung zu dem Entweichungskanal χ abwechselnd schliefst und öffnet Die Wirkungsweise ist wie folgt: Wenn die Kolben P und c beide am unteren Ende des Hubes sich befinden, wie in Fig. 2 angedeutet, und der Cylinder A oberhalb P mit brennbarem Gemenge geladen ist, so wird dieses entzündet, worauf die Verbrennungsproducte durch das Ventil e und den Kanal B in den Kühlungsraum η treten und dort .durch den Verdunstungsrahmen D emporsteigen, wodurch Dampf erzeugt wird und die Gase abgekühlt werden. Während der Schieber S allmälig die untere Oeffnung des Cylinders C aufmacht, treten die

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mit Dampf vermischten Gase te/denselben ein und bewegen dessen Kolben c nach oben. Hierdurch wird der Inhalt des Cylinders oberhalb des Kolbens durch den Kanal χ ausgetrieben. Zu gleicher Zeit macht der Kolben P ebenfalls seinen Hub nach oben, indem er den Inhalt des Cylinders A oberhalb desselben austreibt, und der Rahmen D taucht in das Wasser W ein. Gegen Ende des Hubes von c wird der Schieber S derart bewegt, dafs er die Verbindung des unteren Endes des Cylinders mit der Ausströmung herstellt. Die Kolben P und c machen alsdann ihren Niedergang, indem ersterer eine frische Ladung einzieht, während letzterer die gebrauchten Gase austreibt; der Rahmen, nachdem er genäfst wurde, steigt wieder in die bei Fig. 2 gezeigte Stellung, worauf die verschiedenen Operationen aufs neue sich vollstrecken.

Die oben beschriebene Construction bleibt im allgemeinen dieselbe, wenn die Verbrennungsproducte, anstatt Dämpfe zu erzeugen, durch Beimischung von kalter Luft oder sonstigen Gasen gekühlt werden. Die hierzu nöthige Modification zeigt Fig. 3. In diesem Falle ist der Kessel D (Fig. 1) weggelassen und ein Ventil '. oder Schieber S angebracht zum Einlassen der Gase nach Entzündung der Ladung im Cylinder A, an irgend einem beliebigen Punkte des Hubes des Arbeitskolbens.

Wenn die Verbrennungsproducte benutzt werden, um Dampf zu erzeugen, so kann dieser allein für sich entweder in einem besonderen Cylinder gebraucht werden, oder mit jenen in demselben Cylinder, indem die Verbrennungsproducte auf der einen Seite des Kolbens, und die Dämpfe auf der anderen Seite wirken. Diese Wirkungsweise ist vortheilhaft, wenn es gewünscht wird, den Dampf zu condensiren.

Fig. 4 zeigt eine solche Einrichtung im Verticalschnitt. Bei derselben ist A der Ladungscylinder mit Kolben P; C ist der Arbeite cylinder mit Differentialkolben B, vertical arbeitend. Der Ladungskolben P wird von einer Scheibe E bewegt, die auf einer verticalen Welle sitzt, welche durch ein konisches Getriebe F von der Kurbelwelle mit halber Geschwindigkeit getrieben wird. Der Schieber S wird auch von einer Scheibe auf der senkrechten Welle bewegt. Ein besonderer Schieber ί am oberen Ende des Cylinders C wird durch einen Excenter auf der Kurbelwelle bewegt. Die Wirkungsweise des Ladungscylinders ist in diesem Falle ähnlich der bei Fig. 1 beschriebenen; die Verbrennungsproducte allein bewegen den Kolben B nach oben. Der Niedergang des Kolbens wird durch den Dampfdruck bewirkt, der durch den Schieber ί vom Kessel D eingelassen wird.

Fig. 5 zeigt im Verticalschnitt die Einrichtung einer doppelt wirkenden Maschine mit zwei Ladungscylindern, deren Kolben direct mit dem Arbeitskolben verbunden sind, und folglich sich mit demselben bewegen. A¹ und A² sind die beiden Ladungscylinder, P¹ und P² deren Kolben; C ist der Arbeitscylinder und B dessen Kolben. Die drei Kolbenstangen sind an einer Traverse E befestigt, so dafs alle Kolben ihre Hube gleichzeitig ausführen. Der Cylinder A¹ hat unten einen Schieber S¹, der sich vor einer Oeffnung bewegt, die in den unteren Theil des Cylinders führt, sowie vor einer anderen Oeffnung, die in einen Kanal / mündet, welcher durch ein Rohr mit einem ähnlichen Kanal g^l am oberen Ende von C verbunden ist. Ein Kanal α^l am oberen Ende von A¹ ist immer in Verbindung mit dem Gehäuse des Schiebers S¹ und dem Kanäle /'. Der Cylinder A² hat oben einen Schieber S*, und Kanäle, ähnlich denen, die sich unten bei A¹ befinden; der Kanal/² steht durch ein Rohr in Verbindung mit dem Kanäle g², nahe am unteren Ende des Cylinders C. Am oberen Ende dieses Cylinders befindet sich ein Schieber T¹ über drei Oeffnungen, wovon eine nach dem oberen Theil von C führt, eine andere nach dem Kanäle g\ der mit /' in Verbindung steht, und die dritte nach dem Kanäle h¹ für die Ausströmung. In gleicher Weise hat das untere Ende von C einen Schieber T², welcher sich über ähnlichen Oeffnungen in umgekehrter Stellung befindet. Die verschiedenen Schieber werden von Nuthscheiben oder sonstigen Mechanismen auf die oben beschriebene Weise bewegt. Die beiden Cylinder A¹ A² und der untere Theil von C sind in einem starken Behälter D eingeschlossen, der als Dampfkessel dient, und vermittelst einer Pumpe mit Wasser oder sonstiger Flüssigkeit gespeist wird. A¹ A* stehen immer unter Wasser. Im oberen Theile des Kessels ist Raum für den sich bildenden Dampf. Von diesem Dampfraume gehen Kanäle nach den Gehäusen der Schieber T 'und T\ Jeder der Cylinder A¹ und A² ist mit Schiebern oder Ventilen zum Einlassen und Entzünden der Ladung versehen.

Die Kolben sind in Fig. 5 auf halben Hub des Niedergangs gezeichnet; es werde jedoch zunächst angenommen, dafs sie am oberen Ende des Hubes seien, ferner, dafs A¹ unterhalb seines Kolbens mit einer brennbaren Gasmischung gefüllt sei, und dafs A ² und C beide schon expandirte Gase enthalten, die im Begriff sind, zu entweichen. Der Schieber S¹ steigt, indem er die untere Oeffnung von A^l aufmacht, und T¹ geht nieder, indem er ein geringes Quantum Dampf vom Kessel D, der in das Gehäuse von T¹ einströmt, in den Cylinder C über dessen Kolben einläfst, wodurch der Kolben seinen Niedergang beginnt, und 'T¹ steigt. In diesem Augenblicke oder kurz nachher wird die Ladung in A entzündet, und da eine freie Verbindung zwischen beiden Enden des Cylinders besteht, so bleibt der Kolben P¹ im Gleichgewicht. Der Schieber T¹ steigt und öffnet den Kanal g¹ nach dem oberen Ende von C. Die Verbrennungsproducte in A gelangen durch /' und g^l nach dem oberen Ende des Cylinders C, expandiren dort zusammen mit dem früher ein-

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gelassenen Dampfe, und treiben somit den Kolben B nach unten. Diese Zuführung der Verbrennungsgase durch den Schieber geschieht, wie früher beschrieben, sehr allmälig, um nächtheilige Stöfse zu vermeiden. Während der Kolben niedergeht, ist der Schieber T2 in einer solchen Stellung, dafs er die Oeffnung nach dem unteren Theile des Cylinders C aufmacht, sowie auch die Oeffnung von g2 nach dem Ausströmungskanal /r, und der Schieber S2 schliefst die Oeffnung, die nach dem oberen Ende von A2 führt, und läfst f- offen. Durch den Niedergang der Kolben B und P~ werden die darunter befindlichen expandirten Gase durch den Kanal h2 ausgetrieben und in dem oberen Theil von A'1 eine neue Ladung von brennbarem Gemenge aufgenommen. Wenn die Kolben unten angelangt sind, A1 und C über ihren Kolben mit expandirten Gasen, und A2 mit brennbarer Ladung angefüllt sind, so bewegen sich die Schieber J"2 und S2 derart, dafs der Cylinder C unten mit Dampf und Verbrennungsproducten gespeist wird, ebenso wie T' und S1 gewirkt hatten, und diese letzteren bewirken nun das Entweichen der expandirten Gase aus den oberen Theilen der Cylinder C und A1 während des Aufganges der Kolben B und JP1, in derselben Weise, wie T2 und S2 für den Niedergang wirken. Nach Beendigung des Aufganges wird die Reihenfolge der oben beschriebenen Functionen wiederholt. Die eben beschriebene Maschine kann auch so eingerichtet sein, dafs die drei Cylinder in einer Linie mit einander liegen, so dafs alle drei Kolben an einer und derselben Kolbenstange befestigt sind. In diesem Falle ist jeder der Cylinder A' und A2 in einem Dampfkessel für sich eingeschlossen. Für Maschinen obiger Construction, die als Strafsen-Locomotiven dienen sollen, kann statt des Wassers in den Dampfkesseln ein flüssiges Gas, ζ. B. comprimirte Kohlensäure, angewendet werden, um das Geräusch und die Ausstrahlung der Wärme beim Gebrauche von Dampf zu beseitigen. Die oben beschriebene Construction kann auch dahin modificirt werden, dafs man mehrere Arbeitscylinder benutzt, in welchen die Gase nach einander mit Expansion wirken. Der Dampf kann, wenn er, wie oben erwähnt, für sich gebraucht wird, nachher in einem Condensator verdichtet werden, und die gemischten Dämpfe und Verbrennungsproducte können nach der Expansion in einen Refrigerator oder Behälter unter niedrigem Druck geleitet werden. Patent-Ansprüche: Das oben beschriebene System von Kraftmaschinen, die mit Verbrennungspro ducten entweder allein, oder in Verbindung mit anderen Gasen oder ,Dämpfen arbeiten, und die sich im wesentlichen durch folgende Theile charakterisiren lassen:

1. Durch den besonderen Ladungscylinder, in welchem die Entzündung der brennbaren Ladung geschieht, und in welchem die erzeugten Gase abgekühlt werden, ehe sie in den Arbeitscylinder eintreten.

2. Die Benutzung eines Ventils oder Schiebers in dem vom Ladungscylinder nach dem Arbeitscylinder führenden Kanal, wodurch das Ueberströmen der Gase gehemmt wird, um Stöfse an der Maschine zu vermeiden.

3. Eine solche Einrichtung der Kanäle für die Verbrennungsproducte in Bezug auf den sie steuernden Schieber, dafs der Druck auf beiden Seiten des Ladungscylinders beinahe oder ganz gleich ist.

4. Die in Fig. 1 dargestellte Construction der Maschine, anwendbar, wenn die Wärme der Verbrennung gebraucht wird, um Dämpfe zu erzeugen, die mit den Verbrennungsproducten zusammengemischt wirken.

5. Die Combination eines Accumulators oder Hochdruck-Behälters mit der Maschine, wie in Fig. ι dargestellt, wenn die brennbaren Gase unter hohem Druck angewendet werden.

6. Die durch Fig. 2, 2a und 2b angedeutete modificirte Construction, worin die Verbrennungsproducte abgekühlt werden, indem sie durch einen nassen Verflüchtigungs-Rahmen gehen.

7. Die modificirte Construction, Fig. 3, worin die Verbrennungsproducte durch Luft oder andere Gase abgekühlt werden.

8. Die in Fig. 4 dargestellte modificirte Construction, anwendbar, wenn die durch die Abkühlung erzeugten Dämpfe getrennt "von den Verbrennungsproducten in demselben Cylinder wirken.

9. Die modificirte Construction, Fig. 5, worin die Kolben der Ladungs- und Arbeitscylinder fest mit einander verbunden sind, so dafs sie ihre Hübe gleichzeitig machen.

Der Erfinder behält sich vor, die Formen und Dimensionen dieser Maschinen je nach Umständen zu modificiren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.