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Verfahren zum Betriebe von Druckluftbrennkraftmaschinen mit Abgabe
der Wärme der Verbrennungsgase an die verdichtete Ladeluft Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zumBetriebevonDruckluftbrennkraftmaschinen mit Abgabe der
Wärme der Verbrennungsgase an die verdichtete Ladeluft durch einen im Brenn- und
Arbeitsraume liegenden Wärmeaustauscher, der die mit den Ein- und Auslaßventilen
versehene Zylinderstirnwand abschirmt. Bei den bekannten Verfahren dieser Art wird
das Arbeitsmittel, z. B. Luft, meist möglichst isothermisch verdichtet, dann durch
den Wärmeaustauscher und hinterher durch innere oder äußere Beheizung beispielsweise
bei gleichbleibendem Druck erwärmt, darauf adiabatisch entspannt und schließlich
unter Abgabe von Wärme an den Wärmeaustauscher durch diesen hinausgeschoben. Dabei
ist auch vorgeschlagen, in den heißesten Teil des Wärmeüberträgers Dampf einzublasen,
was aber den Wirkungsgrad vermindert.
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Entscheidend für die Arbeitsprozesse dieser Art ist dabei, abgesehen
von der Ausführung des Wärmeaustauschers, seine Anordnung. Es sind drei verschiedene
Anordnungen bekannt: i. die Anordnung des Wärmeaustauschers außerhalb des Brenn-
und Arbeitsraumes, in welchem die Verbrennung und besonders die Entspannung vor
sich geht, 2. die Anordnung des Wärmeaustauschers innerhalb des Brenn- und Arbeitsraumes,
jedoch so, daß ein kleiner schädlicher Raum nicht zu erreichen ist, und 3. die Anordnung
des Wärmeaustauschers innerhalb des Brenn- und Arbeitsraumes, jedoch unter Hinzufügung
von Hilfszylindern zum Ausgleich des schädlichen Raumes, der durch den Wärmeaustauscher
bedingt wird.
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Bei der Anordnung zu i, bei der der Wärmeaustauscher außerhalb des
Brenn- und Arbeitsraumes vorgesehen ist, müssen die noch hoch erhitzten Verbrennungsgase
durch das Auslaßorgan des Brenn- und Arbeitsraumes hinausströmen, um zu dem Wärmeaustauscher
zu gelangen. Dabei geben sie an das aus praktischen Gründen gekühlte Auslaßorgan
Wärme ab, so daß von ihrem ganzen Wärmeinhalt nur ein verhältnismäßig kleiner Teil
noch im Wärmeaustauscher abgegeben werden kann. Die hierdurch eintretenden Verluste
sind sehr bedeutend. Außerdem kommen noch erhebliche Verluste hinzu, da sich im
Auslaßorgan wegen des großen Volumens der heißen Verbrennungsgase verhältnismäßig
hohe Geschwindigkeiten einstellen. Schließlich wird die Luft, welche sich im Wärmeaustauscher
erwärmt hat und dem Brenn- und Arbeitsraume zugeführt werden soll, in dem ebenfalls
gekühlten Einlaßorgan wieder unter die Temperatur abgekühlt, die sie in dem Wärmeaustauscher
erlangt hat. Durch diese verschiedenen Verluste
wird nur ein geringfügiger
Teil der Wärme, die in den heißen Verbrennungsabgasen enthalten ist, zurückgewonnen,
wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens so heruntergezogen wird, daß er kleiner
ausfällt als derjenige von anderenVerfahren, beispielsweise demjenigen der Dieselmaschinen,
bei denen auf eine Wärmeübertragung ganz verzichtet wird. Hierin ist der Grund zu
erblicken, weshalb Verfahren mit außerhalb des Brenn- und Arbeitsraumes angeordneten
Wärmeaustauschern, obgleich sie zu verschiedenen Zeiten immer wieder vorgeschlagen
wurden, keinen Erfolg haben konnten.
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Bei der Anordnung zu 2, bei welcher der Wärmeüberträger innerhalb
des Brenn- und Arbeitsraumes untergebracht ist, können die ungünstigen Abkühlungsverluste,
die bei der Wärmeaustauscheranordnung außerhalb des Brenn- und Arbeitsraumes auftreten,
nicht entstehen. Dafür sind aber die Verluste durch den schädlichen Raum des Wärmeaustauschers
so bedeutend, daß auch diese Verfahren erfolglos bleiben mußten. Die Wirkung des
schädlichen Raumes des Wärmeaustauschers ist besonders deswegen so nachteilig, weil
das im Gasraume des Wärmeaustauschers auf seiner kaltenSeite enthaltene Gasgewicht
wegen der niedrigen Temperatur des Gases ganz besonders groß ist. Diese Verhältnisse
sind bei den vorgeschlagenen Maschinen niemals erkannt worden, wie die Ausbildung
der im Brenn- und Arbeitsraum untergebrachten, als Wärmeaustauscher dienenden Wärmespeicher
zeigt. Auch die HinzufügungeiriesLuftvorwärmers außerhalb des Brenn- und Arbeitsraumes
kann bei großem schädlichem Raum des in ihm untergebrachten Wärmeaustauschers keinen
Wandel schaffen.
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Bei dem Verfahren zu 3 hat man die Nachteile des im Brenn- und Arbeitsraume
untergebrachten Wärmeaustauschers dadurch zu beseitigen gesucht, daß man für die
Auffüllung des schädlichen Raumes des als Wärmeaustau scher dienenden Wärmespeichers
besondere Hilfszylinder vorgesehen hat, deren Kolben nach ganz bestimmten Bewegungsgesetzen
bewegt werden, wodurch der schädliche Raum des Wärmespeichers zur richtigen Zeit
immer wieder mit Gas von bestimmtem Druck und bestimmter Temperatur gefüllt wird.
Theoretisch läßt sich hierdurch ein Weg finden, um die äußerst nachteilige Wirkung
des schädlichen Raumes des Wärmespeichers auszugleichen. Bei den praktischen Ausführungen
hat sich jedoch besonders wegen der verwickelten Bewegungsgesetze der Kolben der
Hilfszylinder gezeigt, daß sich zwar Verfahren mit hohem thermischen Wirkungsgrad
auf diese Weise verwirklichen lassen, daß man jedoch marktfähigeMaschinen danach
nicht erzeugen kann.
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Wird schließlich, wie es auch vorgeschlagen ist, in einem besonders
beheizten Kessel erzeugter Wasserdampf in den heißesten Teil eines außerhalb des
warmen Entspannungsraumes angeordneten Wärmeaustauscher eingeblasen und hier der
vorgewärmten Luft beigemischt, so vermindert sich der Gesamtwirkungsgrad, weil der
durch besonderen Brennstoffaufwand erzeugte Dampf nie einen besonders hohen thermischen
Wirkungsgrad erreichen kann.
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Wegen der großen Nachteile, die den bekannten Arten der Anwendung
von Wärmeaustauschern, welche Wärme der Verbrennungsgase auf die Ladeluft übertragen
sollen, bei Brennkraftmaschinen anhaften, und wegen der unzweckmäßigen Ausbildung
der als Wärmespeicher benutzen Wärmeaustauscher haben mit solchen ausgerüstete Brennkraftmaschinen
bis heute keine praktische Bedeutung erlangen können.
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Im Gegensatz zu dieser bekannten Art des Wärmeaustausches bei den
Verfahren zum Betriebe von Druckluftbrennkraftmaschinen ist das Verfahren der Erfindung
in erster Linie gekennzeichnet durch Unterteilung des Wärmeaustausches zwischen
Ladeluft und Verbrennungsgasen in den im Brenn- und Arbeitsraum zwischen Kolben
und Zylinderstirnwand mit möglichst geringem schädlichem Raum bei oberer Kolbentotpunktlage
angeordneten, einen Wärmespeicher bildenden Wärmeaustauscher (Hochtemperaturwärmeübertragung)
und in einen weiteren, außerhalb des Brenn- und Arbeitsraumes liegenden Wärmeaustauscher
(Niedertemperaturwärmeübertragung) sowie Führung von im wesentlichen gleichen Gewichtsmengen
einerseits der Verbrennungsgase, andererseits der endverdichteten Luft in! Gegenstrom
nacheinander durch die beiden W ärmeaustauscher. Hierdurch wird erreicht, daß die
nachteilige Wirkung des schädlichen Raumes des im Brenn-und Arbeitsraum untergebrachten
Wärmespeichers bei erfindungsgemäßer Ausbildung des Wärmespeichers durch Verkleinerung
des schädlichen Raumes derart eingeschränkt werden kann, daß ohne die Anwendung
von Hilfszylindern die dadurch bedingten Verluste geringfügig ausfallen, während
andererseits die Temperatur der Gase beim Durchgang durch die Steuerorgane des Brenn-
und Arbeitsraumes so niedrig ist, daß man mit ungekühlten Steuerorganen auskommt
und nennenswerte Verluste durch Wärmeabgabe in den Steuerorganen vermeidet.
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In der einfachsten Form würde eine Brennkraftmaschine, welche nach
dem Arbeitsverfahren der Erfindung betrieben werden soll,
einen
Brenn- und Arbeitszylinder besitzen, in welchen die durch Wärme der Verbrennungsgase
vorgewärmte Luft beispielsweise bei gleichbleibendem Druck durch innere . Verbrennung
weiter erwärmt und anschließend entspannt wird, um dann während des Ausblasens den
oberen Teil des restlichen W ärmegefälles an den Hochtemperaturwärmespeicher, der
im Innern des Brenn- und Arbeitsraumes vorgesehen ist, abzugeben, während der untere
Teil des Wärmegefälles außerhalb des Arbeitszylinders an den Niedertemperaturwärmeaustauscher
überführt wird. Die auf die Weise weitgehend abgekühlten Verbrennungsgase treten
dann in die Außenluft aus. Die Verbrennungsluft wird zweckmäßig isotherrnisch verdichtet,
um dann zunächst in dem Niedertempefaturwärmeaustauscher und nach dem Durchtritt
durch das Einlaßventil im Hochteinperaturwärmespeicher erwärmt zu werden, worauf
dann die innere Verbrennung folgt. In einem Diagramm, in welchem die Entropie als
Abszisse und die absoluten Temperaturen als Ordinaten aufgetragen sind, stellt sich
dieses Verfahren so dar, wie es in Abb. i wiedergegeben ist. Vom Punkt i bis zum
Punkt 2 wird die Luft isothermisch verdichtet. Anschließend findet dann bei gleichbleibendem
Druck eine Erwärmung der Ladeluft statt, und zwar vom Punkt :2 bis zum Punkt 3 im
Niedertemperaturwärmeaustauscher, von da bis zum Punkt 4 im Hochtemperaturwärmeaustauscher
im Innern des Brenn-und Arbeitsraumes und vom Punkt 4 bis zum Punkt 5 durch Zuführung
von Brennstoff, der in der hocherhitzten Ladeluft im Inneren des Brenn- und Arbeitsraumes
verbrennt. Vom Punkt 5 bis zum Punkt 6 entspannen sich die Verbrennungsgase adiabatisch,
um dann nach Offnen des Auslaßventils in die Außenluft frei auszutreten, wobei ihre
Temperatur bei gleichbleibendem Druck im Hochtemperaturwärmeaustauscher von 6 bis
7 und im Niedertemperaturwärmeaustauscher von 7 bis 8 fällt. Der Punkt 8 deckt sich
dabei ganz oder nahezu mit dem Punkt i.
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Das beschriebene Verfahren bedingt, da die Entspannung in einem einzigen
Brenn- und Arbeitsraum bis nahezu auf atmosphärische Spannung vor sich geht, einen
verhältnismäßig großen Entspannungszylinder, dessen mittlerer Druck dementsprechend
niedrig und dessen Abkühlungsverluste dementsprechend hoch ausfallen. Auch macht
sich der trotz der Teilung des Wärmeaustauschers unvermeidliche schädliche Raum
um so stärker bemerkbar, je niedriger die Temperatur des Wärmeaustauschers ist,
da das Gewicht seines Gasinhaltes mit Abnahme der Temperatur zunimmt. Die Abmessungen
der Maschine, die größten Gestängekräfte und die unvermeidlichen Verluste lassen
sich vermindern, wenn man das beschriebene Verfahren in der Weise abändert, daß
die Entspannung der Verbrennungsgase in zwei Stufen erfolgt, zwischen denen die
Wärmeabgabe im Hoch- und Niedertemperaturwärmeaustauscher liegt, und die zunächst
isothermisch verdichtete Ladeluft adiabatisch bis auf den Enddruck mit etwa dein
gleichen Druckverhältnis verdichtet wird, mit dem die Verbrennungsgase in der zweiten
Stufe entspannt werden. Das TS-Diagramm für ein solches Verfahren stellt Abb. 2
dar.
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Vom Punkt i bis zum Punkt ia wird die Luft isothermetisch verdichtet.
Daran schließt sich von ia bis 2 eine adiabatische Verdichtung bis zu einer Temperatur,
die der kalten Seite des Niedertemperaturwärmeaustauschers entspricht. Von 2 bis
3 wird die Temperatur der Luft im Niedertemperaturwärmeaustauscher, von 3 bis 4
im Hochtemperatuxwärmeaustauscher bei gleichbleibendem Druck gesteigert, woran sich
dann von 4 bis 5 die Temperatursteigerung durch innere Verbrennung bei gleichbleibendem
Druck schließt. Von 5 bis 6 findet die Entspannung im Hochdruckzylinder statt bis
auf eine Spannung, die noch erheblich über derjenigen derAußenluft liegt. Mit dieser
Spannung treten die Verbrennungsgase durch den im Inneren des Hochdruckzylinders
vorgesehenen Hochtemperaturwärineaustauscher und dann durch den außerhalb des Hochdruckzylinders
vorgesehenen Niedertemperaturwärmeaustauscher in den Aufnehmer über. Die Zustandsänderung,
die das Gas dabei erfährt und besonders seine Temperaturabnahme stellen sich in
dem Diagramm durch den Linienzug 6-7-8 dar. Aus dem Aufnehmer treten die in den
Wärmeaustauschern bereits weitgehend abgekühlten Verbrennungsgase in den Niederdruckzylinder
über, in welchem sie sich adiabatisch vom Punkt 8 des Diagramms bis zum Punkt i
entspannen.
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Dadurch, daß den Verbrennungsgasen zwischen der Entspannung im Hochdruckzylinder
und derjenigen im Niederdruckzylinder die Wärme durch die Wärmeaustauscher entzogen
wird, wird der Rauminhalt des Brenn- und Arbeitsraumes stark eingeschränkt. Der
Hochdruckzylinder fällt klein aus, weil die Entspannung bei einer Spannung abgebrochen
wird, welche das Vielfache der atmosphärischen Spannung betragen kann, und der Niederdruckzylinder
fällt klein aus, weil das Volumen der Verbrennungsgase durch die inzwischen erfolgte
Abkühlung in den Wärmeaustauschern stark vermindert ist. Hieraus ergibt sich, daß
eine nach diesem Verfahren betriebene Kraftmaschine mit verhältnismäßig kleinen
Abmessungen und einem hohen mittleren Druck ausgeführt werden kann, was
neben
erheblichem technischen Vorteil vor allem auch von großer wirtschaftlicher Bedeutung
ist.
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Dies zuletzt beschriebene Verfahren kann noch in der Weise abgeändert
werden, daß die Entspannung der Verbrennungsgase in zwei Stufen erfolgt mit Hochtemperaturwärmeaustausch
zwischen den beiden Entspannungsstufen und Niedertemperaturwärmeaustausch hinter
der zweiten Entspannungsstufe und die zunächst isothermisch verdichtete-Ladeluft
nach der Erwärmung im Niedertemperaturwärmeaustauscher adiabatisch mit etwa dem
gleichen Druckverhältnis bis auf den Enddruck verdichtet wird, mit dem die Verbrennungsgase
in der zweiten Stufe entspannt wurden. Es ergibt sich dann ein TS-Diagramm nach
Abb. 3.
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Von i bis z findet isotherme Verdichtung statt. Dann folgt die Erwärmung
der Luft im Niedertemperaturwärmeaustauscher von a bis 3, eine ädiabatische Verdichtung
von 3 bis 3a und nun, bei gleichbleibendem Druck, die Erwärmung im Hochtemperaturwärmeaustauscher
mit nachfolgender innerer Verbrennung entsprechend dem Linienzuge 8a, 4-5. Daran
schließt sich die adiabate Entspannung im Hochdruckzylinder von 5 bis 6 und die
Wärmeabgabe der Verbrennungsgase an den Hochtemperaturwärmeaustauscher beim Ausschube
aus dem Hochdruckzylinder in den Aufnehmer hinein von 6 bis 7. Mit bereits verminderter
Temperatur gelangen dann die Verbrennungsgase aus dem Aufnehmer in den Niederdruckzylinder,
in welchem sie sich adiabatisch von dem Punkt 7 bis zum Punkt 7a entspannen, um
dann schließlich die restliche Wärme beim Ausschube mit etwa atmosphärischer Spannung
im Niedertemperaturwärmeaustauscher abzugeben, entsprechend derLinie 7a-8. Punkt
8 deckt sich, ebenso wie bei Abb. i, mit Punkt i.
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Dieses Verfahren bildet den Übergang zu dem Verfahren, welches durch
das TS-Diagramm nach Abb.4 dargestellt ist und welches sich dadurch auszeichnet,
daß die Entspannung der Verbrennungsgase in zwei Stufen erfolgt mit Hochtemperaturwärmeaustausch
während der Niederdruckentspannung und darauffolgendem Niedertemperaturwärme austausch
und die zunächst isothermisch verdichtete Ladeluft nach Erwärmung im Niedertemperaturwärmeaustauscher
adiabatisch auf den Enddruck verdichtet wird.
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Dadurch, daß die Verbrennungsgase bei einem Arbeitsverfahren, wie
es durch dasDiagramm nach Abb. 4 wiedergegeben wird, nach .nahezu beendigtem Entspannungshube
des Hochdruckkolbens durch den Hochtemperaturwärmeaustauscher.unmittelbar in den
Niederdruckzylinder überströmen, ändert sich die Maschine gegenüber derjenigen für
das Verfahren nach Abb. 3. Der Aufnehmer zwischen dem Hochdruckzylinder und dem
Niederdruckzylinder fällt fort, ebenso ein besonderes Einlaßorgan für den Niederdruckzylinder,
denn das Auslaßorgan des Hockdruckzylinders ist gleichzeitig das Einlaßorgan des
Niederdruckzytinders. Hierdurch werden eine Reihe von Strömungs- und Abkühlungsverlusten
vermieden. Hinzu kommt aber noch, daß dadurch, daß der Hochdruckzylinder und der
Niederdruckzylinderwährend eines großen Teils der Entspannung im Niederdruckzylinder
in offener Verbindung miteinander stehen, auch die Spannung im Hochdruckzylinder
entsprechend fällt, so daß der Hochdruckzylinder zwischen viel größeren Druckunterschieden
bei gleicher Höchstspannung arbeitet, als wenn statt der unmittelbaren Überströmung
vom Hoch- zum Niederdruckzylinder ein Aufnehmer vorgesehen ist. Dieses Arbeiten
zwischen größeren Spannungsunterschieden hat einen größeren mittleren Druck zur
Folge, was für die Gestehungskosten der Maschine von Wichtigkeit ist, da das Triebwerk
besser ausgenutzt wird und im übrigen bei gleicher Leistung auf kleinere Zylinderabmessungen
führt, welche wiederum kleinere Abkühlverluste zur Folge haben.
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Diesen Vorteilen steht lediglich der Nachteil gegenüber, daß die aus
dem Hochdruckzylinder nach dem Niederdruckzylinder übertretenden Verbrennungsgase
nicht mit gleichbleibender Temperatur in den Hochtemperaturwärmeaustauscher eintreten,
sondern mit Temperaturen, die während der Entspannung der Gase im Niederdruckzylinder
abfallen. Die sich hierdurch ergebenden Verluste sind aber so gering, daß die vorher
geschilderten Vorteile erheblich überwiegen, so daß man in vielen Fällen einem Arbeitsverfahren
nach dem Diagramm der Abb.4 gegenüber einem solchen nach Abb. 3 den Vorzug geben
wird.
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Im Punkt 6a des Diagramms nach Abb. 4 beginnt der Übertritt der Verbrennungsgase
aus dem Hochdruckzylinder durch den Hochtemperaturwärmeaustauscher hindurch nach
dem Niederdruckzylinder, so daß von da ab eine Spannungsverminderung der Verbrennungsgase
sowohl durch Volumenvergrößerung als auch durch Abkühlung der Verbrennungsgase im
Wärmeaustauscher stattfindet. Durch genaue Untersuchungen findet man, daß die dabei
eintretende Zustandsänderung durch die geschwungene Linie 6--7a im TS-Diagramm nach
Abb.4 wiedergegeben wird.
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Zum Vergleich ist in Abb.4 auch der Linienzug 6a-6-7-7a, welcher demjenigen
nach Abb. 3 entspricht, eingezeichnet. Man erkennt, daß rechts und links der Linie
6a-7a
durch die punktiert gezeichnete Linie gleiche Flächen abgeschnitten
werden, so daß also die eigentliche Fläche des Hauptdiagramms urgeändert bleibt.
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Nach Erreichung des Zustandes, der durch den Punkt 7a in dem Diagramm
nach Abb. 4 gekennzeichnet wird, findet bei gleichbleibendem Druck der Ausschub
der Verbrennungsgase durch den Niedertemperaturwärmeaustauscher statt, wobei sich
die Linie 7a-8 ergibt. Darauf folgt dann genau so wie bei dem Diagramm nach Abb.3
die isothermische Verdichtung, die Erwärmung der verdichteten Luft im Niedertemperaturwärmeaustauscher
bei gleichbleibendem Druck, die adiabate Verdichtung mit anschließender Lufterwärmung
im Hochtemperaturwärmeaustauscher und schließlich die Erwärmung durch innere Verbrennung.
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Statt nun, wie es bei dem Diagramm nach Abb. q. geschehen ist, eine
adiabate Verdichtung der Luft zwischen den Durchgang der Luft durch den Niedertemperatur-
und durch den Hochtemperaturwärmeaustauscher zu schalten, kann auch die Luft, wie
dies in Abb.5 gezeigt ist, bei der isothermen Verdichtung unmittelbar bis auf die
höchste Spannung gebracht werden, um dann unmittelbar hintereinander den Niedertcmperatur-und
den Hochtemperaturwärmeaustauscher zu durchströmen. In dem TS-Diagramm nach Abb.
5 stellt die Linie i-2a .die isotherme Verdichtung bis zur Höchstspannung, bei der
auch die Verbrennung stattfindet, dar. Auf diese isotherme Verdichtung folgt dann
zunächst von 2a bis 3a die Erwärmung der verdichteten Luft im N iedertemperaturwärmeaustauscher
und unmittelbar danach, bei der Einströmung der Luft in den Hochdruckzylinder, vom
Punkt 3a bis zum Punkt 4a die Erwärinung im Hochtemperaturwärmeaustauscher. Dann
folgt von 4a bis 5 bei gleichbleibendem Druck die weitere Erwärmung der Luft durch
innere Verbrennung, worauf sich dann im übrigen die Entspannungsvorgänge und die
Wärmeabgabe der Verbrennungsgase an die beiden Wärmeaustauscher ebenso abspielen
wie bei dem Arbeitsverfahren nach dem TS-Diagramm der Abb. 4.
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Vergleicht man die beiden Verfahren nach den TS-Diagrammen Abb. q.
und 5 miteinander, so findet man, daß die Temperatursteigerung durch die adiabate
Verdichtung vom Punkt 3 bis zum Punkt 3a, welche das Arbeitsverfahren nach Abb.
q. aufweist, bei dem Arbeitsverfahren nach Abb. 5 fehlt, denn es schließt sich die
Erwärmung im Hochtemperaturwärineaustauscher unmittelbar an diejenige im Niedertemperaturwärmeaustauscher
an. Die Luft tritt dementsprechend mit einer niedrigeren Temperatur in den Hochtemperaturwärmeaustauscher
ein und auch mit einer niedrigeren Temperatur dementsprechend aus ihm aus. Dies
hat zur Folge, daß das Temperaturgefälle im Hochtemperaturwärmeaustauscher größer
wird als bei dem Arbeitsverfahren nach Abb. 4. Dadurch fällt der zweckmäßig als
Wärmespeicher ausgeführte Wärmeaustauscher an sich kleiner aus, was gleichbedeutend
ist mit einer Verkleinerung des schädlichen Raumes des Hochtemperaturw ärmeaustauschers,
wodurch die Verluste, die durch den schädlichen Raum bedingt sind, weiter eingeschränkt
werden. Erkauft ist dieser Vorteil allerdings dadurch, daß die in den Wärmeaustauschern
etwas weniger hoch erwärmte Luft durch den Aufwand einer -twas größeren Brennstoffmenge
als bei dem Verfahren nach Abb. 4 auf die Höchsttemperatur im Punkt 5 gebracht werden
muB; wenigstens kann man diesen Mehraufwand an Brennstoff aus dem Diagramm nach
Abb. 5 folgern. In Wirklichkeit ist aber zu berücksichtigen, daß der Arbeitsaufwand
für die Erreichung der Höchstspannung bei der rein isothermischen Verdichtung, welche
dem Verfahren der Abb. 5 zugrunde liegt, kleiner ausfällt als bei der teilweise
adiabaten Verdichtung bei dem Verfahren nach Abb.4. Außerdem kommt besonders schwerwiegend
noch in Betracht, was aus dem Diagramm nicht zu ersehen ist, daß durch die weitere
Verkleinerung des schädlichen Raumes des Hochtemperaturwärmeaustauschers bei dem
Verfahren nach Abb. 5 die Verluste gegenüber dem Verfahren nach Abb. q. derart verringert
werden, daß der Gewinn größer werden kann als der scheinbare Mehrverbrauch von Brennstoff,
der nach dem TS-Diagrammnach Abb.'5 vermutet werden könnte. Auch ergibt das Verfahren
nach Abb.5 eine Vereinfachung gegenüber dem Verfahren nach Abb. q..
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Schon hier sei darauf hingewiesen, worauf weiter unten noch genauer
eingegangen wird, daß der für das Verfahren nach Abb.4 und ganz besonders für das
Verfahren nach Abb. 5 erforderliche Hochtemperaturwärmespeicher insofern eine besondere
Eigenschaft besitzen muß, als er im Gegensatz zu den Hochtemperaturwärmespeicher
der vorher beschriebenen Arbeitsverfahren in Durchström.ungsrichtung der Gase ein
bestimmtes Leitvermögen besitzen muß, um die Wärmeaufnahme und die Wärmeabgabe an
jeder Stelle des Wärmespeichers miteinander in Einklang zu bringen.
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Die verschiedenen, bisher beschriebenen V erfahren können entweder,
wie dieses bisher angenommen wurde, sich zwischen der Spannung der Außenluft und
einer bestimmten Höchstspannung abspielen, oder sie können, wie dies bei dem Verfahren
nach dem T.S-Diagramm der Abb. 6 angenommen ist, zwisehen
einer
Spannung, die höher liegt als die atmosphärische, und einer Höchstspannung verlaufen.
Einen Anreiz, das Verfahren in einem höheren Druckgebiet sich abspielen zu lassen,
liegt darin, hohe mittlere Drucke für die Arbeitszylinder und damit kleine Abmessungen
für eine bestimmte Maschinenleistung zu erreichen.
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Will man das Verfahren durchführen mit einer niedrigsten Spannung,
die höher ist als die atmosphärische, und trotzdem die innere Verbrennung beibehalten,
so ist es allerdings nötig, die bereits einmal benutzten Verbrennungsgase ganz oder
teilweise gegen frische Luft auszutauschen. In dem TS-Diagramm der Abb. 6 ist das
Verfahren wiederholt, welches bereits in Abb. i dargestellt wurde, jedoch mit dem
Unterschiede, daß der Linienzug 6-7-8, der auf einer Linie gleichbleibender Spannung
verläuft, sich im Überdruckgebiet befindet, da die Linie atmosphärischer Spannung,
welche punktiert angedeutet ist, durch den Punkt 9 verläuft.
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Die Verbrennungsgase, denen nach der adiabaten Entspannung vom Punkt
5 bis zum Punkt 6 die Wärme bei dem Überdruck, der im Punkt 6 herrscht, zunächst
im Hochtemperaturwärmespeicher vom Punkt 6 bis zum Punkt 7 und dann anschließend
immer bei unverändertem Druck vom Punkt 7 im Niedertemperaturwärmeaustauscher bis
zum Punkt 8 entzogen wird, müssen noch in die Außenluft hinausbefördert werden,
um eine entsprechende Menge frischer Luft in das Überdruckgebiet dafür wieder aufzunehmen.
Die Abführung der Verbrennungsgase geschieht nachdem Verfahren des TS-Diagramms
nach Abb. 6 durch isotherme Entspannung vom Punkt 8 bis zum Punkt 9, während mit
der dadurch gewonnenen Arbeit eine entsprechende Gewichtsmenge Luft vom Punkt 9
bis zum Punkt i, der mit dem Punkt 8 zusammenfällt, isothermisch verdichtet wird.
Diese isothermischeVerdichtung bedingt, daß die bei der Verdichtung entstehende
Wärme durch Kühlung abgeführt wird. Dies kann im vorliegenden Falle dadurch geschehen,
daß bei der Entspannung sich abkühlenden Verbrennungsgasen, denen Wärme zugeführt
werden muß, um diese Abkühlung auszugleichen, gerade diejenige Wärme zugeführt wird,
die bei der Luftverdichtung entsteht. Dieses kann entweder durch Zwischenwärmeaustauscher
unmittelbar gegeschehen, oder es kann für die Luftverdichtung in üblicher Weise
eine Wasserkühlung vorgesehen werden, in der sich das Wasser erwärmt, um dann in
besonderen Wärmeaustauschern für die sich entspannenden Verbrennungsgase seine Wärme
an die Verbrennungsgase wieder abzugeben. Da nun sowohl die Entspannung der Verbrennungsgase
als auch die'Verdichtung der Luft mit einem Wirkungsgrad kleiner als i vor sich
gehen, so muß diesem Energieaustausch in Wirklichkeit aus dem ganzen Verfahren noch
Arbeit zugeführt werden, um ihn zu ermöglichen.
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Genau so wie das Verfahren nach Abb. i in der in Abb. 6 dargestellten
Weiee im Überdruckgebiet ausgeführt werden kann, ist dies auch bei den anderen Arbeitsverfahren
möglich, die in den Abb. a bis 5 durch TS-Diagramme dargestellt sind, indem zwischen
dem Punkt 8 und dem Punkt i eine isothermische Entspannung der Verbrennungsgase
bis auf die Spannung der Außenluft und eine isothermische Verdichtung einer entsprechenden
Menge frischer Luft bis zur Erreichung der Spannung im Punkt i angeschlossen wird.
Dabei ist es nicht erforderlich, daß die gesamten Verbrennungsgase vom Punkt 8 bis
zum Punkt 9 sich isothermisch entspannen, sondern nur .so viel, wie nötig sind,
um in den Kreisprozeß diejenige Menge Verbrennungsluft einzuführen, die erforderlich
ist, um den zwischen den Punkten 4 und 5 bzw. ¢a und 5 einzuführenden Brennstoff
vollkommen zu verbrennen.
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Bei allen beschriebenen Arbeitsverfahren können der Hochtemperaturwärmeaustauscher
und der Tieftemperaturwärmeaustauscher grundsätzlich als Wärmespeicher oder als
Oberflächenwärmeaustauscher ausgeführt werden. Bei den Wärmespeichern strömen die
wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden Gase abwechselnd in den gleichen Kanälen,
deren Wände an den gleichen Flächen die Wärme aufnehmen und wieder abgeben. Bei
den Oberflächenwärmeaustauschern strömen die wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden
Gase zweckmäßig im Gegenstrom auf verschiedenen Seiten trennender Wände, die durch
Leitung die Wärme übertragen.
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Für die Hochtemperaturwärmeaustauscher sind im allgemeinen die Wärmespeicher
(Regeneratoren) geeignet, während für die Niedertemperaturwärmeaustauscher die besondere
Ausführung als Oberflächenwärmeaustauscher in erster Linie in Betracht kommt, ohne
daß jedoch hierfür die Wärmespeicher vollkommen ausgeschlossen sind, wie später
an Hand von Ausführungsbeispielen gezeigt werden wird.
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Werden die Maschinen mit gasförmigem Brennstoff betrieben, so sind
die für die Lade-oder Verbrennungsluft beschriebenen Verfahren der Verdichtung und
Vor wärmung auch auf das von der Verbrennungsluft bis zur Mischung im Brenn- und
Arbeitsraum getrennt zu haltende Brenngas bei entsprechender Aufteilung der Verbrennungsgase
auf die für Luft und Brenngas parallel zu schaltenden Wärmeaustauscher anzuwenden.
Wird
daneben, z. B. bei einem Kreisprozeß, dessen niedrigste Spannung höher als die der
Außenluft ist, ein Teil der Verbrennungsgase dem Brenn- und Arbeitszylinder wieder
zugeführt, so sind Hoch- und Niedertemperaturwärmeaustauscher dreiteilig auszuführen,
um neben der Luft und dem gasförmigen Brennstoff auch den Teil der im Kreislauf
zurückgeführten Verbrennungsgase zweistufig vorzuwärmen.
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Eine Maschine für das Verfahren des TS-Diagrainins nach Abb. i zeigt
Abb. 7, nach Abb. 2 zeigt Abb. 8, nach Abb. 3 zeigt Abb. 9, nach Abb. q. zeigt die
in Abb. io dargestellte Abweichung von Abb.9, nach Abb.5 zeigt Abb. i i, nach Abb.
6 zeigt die in Abb. 12 schematisch dargestellte Ergänzung zu der Maschine nach Abb.
7.
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Die verschiedenen Maschinen nach Abb. 7 bis ii zur Verwirklichung
der in den Abb. i bis 5 wiedergegebenen Verfahren werden genügend klar werden, wenn
die Maschine nach Abb. i i zur Verwirklichung des Verfahrens nach Abb. 5 beschrieben
wird.
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Entsprechend dem Punkt i des Diagramms tritt die Luft, die in bekannter
Weise vorher gefiltert werden kann, mit Außenluftspannung durch den Stutzen io in
den dreistufig angenommenen Verdichter i i, der mit Zwischenkühlern 12 und 13 von
üblicher Bauart ausgerüstet ist, ein und verläßt ihn durch den Stutzen 14. mit der
höchsten Spannung, die dem Punkt 2a des TS-Diagramms entspricht, um in den Aufnehmer
15 zu gelangen. Dieser Aufnehmer 15 kann auch, wie Abb. i i dieses zeigt, an das
Ende eines Abzweiges der Druckluftleitung, die vom Verdichter zum Wärmeaustauscher
16 führt, verlegt werden, wobei dann nur die zeitweiligen Unterschiede zwischen
Lieferung und Verbrauch in den Aufnehmer 15 gelangen oder aus ihm abströmen. DieLuft
gelangt dann weiter durch den N iederteinperaturwärmeaustauscher, der in diesem
Falle als Oberflächenwärmeaustauscher i6 angenommen ist und in welchem sie durch
die Auspuffgase erwärmt wird, zum Einl?,ßventil 17 des Brennkraftzylinders 18, in
dessen oberen Teile sich der Hochtemperaturwärmeaustauscher 19 befindet, der als
Wärmespeicher aus dünnen Blechen gebildet ist, zwischen denen die Luft parallel
zur Achse des Brennkraftzylinders hindurchtreten kann.
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Während des ersten Teiles des Hubes des aus seiner oberen Totlage
abwärts gehenden Kolbens 2o steigert sich die Temperatur der Luft in dem Wärmespeicher
i9 von der Temperatur, die im Punkt 3a des TS-Diagramms herrscht, bis .auf die Temperatur
im Punkt q.a des Diagramms. Darauf wird dann die auf der Unterseite des Wärmespeichers
i9 aus ihm austretende Luft durch den aus dem Ventil 21 austretenden, beispielsweise
flüssigen Brennstoff, der sofort in der hocherhitzten Luft verbrennt, bei gleichbleibendem
Druck bis auf die Temperatur erhitzt, die im Punkt 5 des TS-Diagramms herrscht.
An diesen Verbrennungsvorgang schließt sich bei weiter abwärts gleitendem Kolben
2o die adiabate Entspannung, bei der dieTemperatur der Verbrennungsgase vom Punkt
5 auf den Punkt 6a des TS-Diagramms fällt.
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Noch ehe der Kolben 2o die untere Totlage erreicht, öffnet das Übertrittsventi122,
wodurch die Verbindung zum Niederdruckzylinder 26 freigegeben wird. Da die Kurbel
des Niederdruckzylinders26 derjenigen desHochdruckzylinders 18 um 12o bis i 8o°
nacheilt, so ergibt sich eine Zustandsänderung des Gases, wie sie im TS-Diagramm
der Abb. 5 durch die Linie 6a-7 dargestellt ist. Die Wirkung im Hochtemperaturwärmeaustauscher
und die Entspannung im Niederdruckzylinder 26 gehen dabei größtenteils gleichzeitig
vor sich, wodurch die geschwungene Form der Linie 6a-7 entsteht.
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Nach beendigter Entspannung im Niederdruckzylinder 26 öffnet das Auslaßventil
27 des Niederdruckzylinders in der Nähe der unteren Totlage des Niederdruckkolbens,
nachdem schon vorher das LJberströmventil 22 abgeschlossen hat, so daß der aufwärts
gehende Hochdruckkolben 2o den restlichen Gasinhalt des Hochdruckzylinders 18 verdichten
kann. Bei aufwärts gehendem Kolben des Niederdruckzylinders 26 und bei geöffnetem
Ventil 27 werden die Verbrennungsgase durch den Wärmeaustauscher 16 hinausgedrückt,
um ihre Wärme an die vom Verdichter kommende Ladeluft abzugeben, wie es oben beschrieben
wurde. Diese Temperaturabnahme der Verbrennungsgase bei gleichbleibenderAusschubspannung
entspricht der im TS-Diagramm nach Abb. 5 wiedergegebenen Zustandsänderung 7a-1.
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Noch ehe der Kolben des Niederdruckzylinders 26 die obere Totlage
erreicht hat, schließt auch das Auslaßventil 27 ab, so daß der restliche Gasinhalt
verdichtet wird auf eine Spannung, die etwa derjenigen entspricht, welche im Hochdruckzylinder
beim öffnen des Überströmventils 22 herrscht.
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Eine Maschine für das Verfahren nach dem T S-Diagramm der Abb. 6 unterscheidet
sich, wie schon oben dargelegt wurde, von einer Maschine für das Arbeitsverfahren
nach dem TS-Diagramm der Abb. i dadurch, daß die Verbrennungsgase des Arbeitszylinders
i8 der Abb.7 durch den Wärmeaustauscher hindurch nicht ins Freie durch das Rohr
23 hinausgeschoben werden, sondern isothermisch beispielsweise in einer Turbine,
die in der Abb. 12 schematisch dargestellt ist, sich bis
auf Außenluftspannung
entspannen, während frische Luft in einem dadurch angetriebenen Kreiselverdichter
isothermisch verdichtet und mit dieser Spannung der Lufteintrittsleitung io des
Kolbenverdichters ii zugeführt wird. Die infolge der Arbeitsverluste fehlende Leistung
kann dabei von der Hauptmaschine geliefert werden, indem die Kreiselverdichteranlage
beispielsweise durch ein Rädergetriebe mit der Hauptmaschine gekuppelt wird.
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Ebenso wie die Maschine nach Abb. 7 für das Verfahren nach dem Diagramm
in Abb. i können auch die übrigen Maschinen für die Verfahren nach den Abb. 2 bis
5 als Verfahren eines Überdrucksystems betrieben werden, wenn sie durch einen Maschinensatz
ergänzt werden, mit Hilfe dessen an Stelle der gespannten Verbrennungsgase gespannte
Luft erzeugt wird.
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Statt Hoch- und Niederdruckzylinder nebeneinander anzuordnen, wie
es beispielsweise bei der Maschine nach Abb. i i der Fall ist, kann man sie auch
gleichachsig übereinandersetzen, indem man z. B. gegenläufige Kolben verwendet,
wie dies bei der Maschine nach Abb. 13 gezeigt ist. Diese Maschine ist im übrigen
durchgebildet für das Verfahren nach dem TS-Diagramm der Abb. q., würde aber bei
gleicher Arbeitszylinderanordnung auch für das Arbeitsverfahren nach dem TS-Diagramm
der Abb. 5 ohne weiteres ausgebildet werden können.
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Das Triebwerk der Maschine nach Abb. i3 zeichnet sich zunächst dadurch
aus, claß das Verhältnis der Kurbel zur Schubstangenlänge, welches im Regelfalle
i : 5 zu sein pflegt, hier besonders klein, beispielsweise i : 2, gewählt ist, um
ein vorteilhaftes gegensätzliches Bewegungsverhältnis des Hochdruckkolbens zum Niederdruckkolben
zu erreichen. Im übrigen wird der Hochdruckkolben 2o aber in üblicher Weise von
unten mit dem Kurbeltrieb verbunden, während der als Ringkolben ausgebildete Niederdruckkolben
31 durch die Stangen 33 mit dem Ouerhaupt32 verbunden ist, dessen geradlinig hin
und her gehende Bewegung sich auf zwei Kurbeln überträgt, die zu beiden Seiten der
Hochdruckkurbel angeordnet sind. Außerdem werden von dem Querhaupt 32 auch noch
die Kolben des Luftkompressors i i und i ia bewegt.
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In Übereinstimmung mit der Maschine nach Abb. io, die nach dem Verfahren
des TS-Diagramms der Abb. q. arbeitet, tritt auch bei der Maschine nach Abb.
13 die Luft durch den Lufteintrittsstutzen io in den dreistufig ausgeführten
Verdichter, der mit den Zwischenkühlern 12 und 13 ausgerüstet ist, ein. Dann gelangt
die verdichtete Luft durch die Rohrleitung 28 zu dem Wärmeaustauscher 16, den sie
erhitzt verläßt, um 'in dem Verdichterzylinder i ia adiabatisch weiter verdichtet
zu werden. Die hierdurch auf vollen Druck gekommene Luft tritt durch das ringförmig
ausgebildete Einlaßventil 17 durch den Wärmespeicher 19 hindurch in den Brenn-und
Arbeitsraum, den Zylinder 18, ein, während sein Kolben 2o den ersten Teil seiner
abwärts gerichteten Bewegung vollführt. Während der Kolben 2o bereits in dieser
Weise abwärts gleitet, hat der Ringkolben 3 i seine untere Totlage noch nicht ganz
erreicht, sondern läßt einen genügend freien Raum zwischen sich und dem Wärmespeicher
i9 für die Verteilung der, Luft, die durch das Einlaßventil 17 eintritt und sich
oberhalb des Wärmespeichers i9 auf dessen ganze Fläche verteilen muß. Erst zum Schluß
der Füllungs- und Verbrennungsperiode nähert sich der Kolbenboden des Ringkolbens
31 der Oberfläche des Wärmespeichers i9, so daß der schädliche Raum oberhalb des
Wärmespeichers auf ein sehr geringes Maß herabgedrückt wird.
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Da nun wegen des kleinen, obenerwähnten Schubstangenverhältnisses
der Ringkolben 3 i in der Nähe seiner unteren Totlage eine sehr langsame Bewegung
ausführt, während umgekehrt der Kolben 2o in der Nähe seiner oberen Totlage sich
sehr rasch bewegt, so wird während des größten Teiles der Entspannung im Zylinder
18 die Wirkung des kalten Teiles im schädlichen Raum, der sich sonst gerade am nachteiligsten
bemerkbar macht, auf einen Mindestwert heruntergedrückt. Erreicht wird dieses, wie
gesagt, einerseits durch das kleine Schubstangenverhältnis und andererseits dadurch,
daß die Bewegung des Ringkolbens 31 derjenigen des Kolbens 2o etwas nacheilt.
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Sobald der Kolben 2o bereits einen erheblichen Teil seines Weges zurückgelegt
hat, beginnt auch der Ringkolben 31 mit zunehmender Geschwindigkeit sich
aufwärts zu bewegen, während sich die Bewegung des Kolbens 2o immer mehr verlangsamt.
Dadurch dehnen sich die Verbrennungsgase weiter aus, wobei sie bereits teilweise
durch den Wärmespeicher i9 hindurch nach dem Zylinder 26 übertreten unter Abgabe
ihrer Wärme an den Wärmespeicher i9. In der Nähe der unteren Totlage des Kolbens
2o bewegt sich dieser ganz langsam, während der Ringkolben 3i schnell seiner oberen
Totlage zustrebt.
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Kurz bevor der Ringkolben 31 seine obere Totlage erreicht hat,
hat die Summe der Zylindervolumina der Zylinder 18 und 26 zusammen ihren größten
Wert erreicht. In diesem Augenblick werden die Auslaßventile 22 oder, wenn die Maschine
schnell läuft,
auch schon etwas früher geöffnet, damit bei der
dann folgenden Verkleinerung der Summe der Zylindervolumina die Verbrennungsgase
nach dem Wärmeaustauscher 16 hinübergedrückt werden können. Dabei werden die Auslaßventile
22 so lange offen gehalten, bis der Kolben 2o nur noch so weit von der oberen Totlage
entfernt ist, daß der restliche, bis zur oberen Totlage zurückzulegende Weg ausreicht,
um den restlichen Zylinderinhalt wieder auf den Einströmungsdruck zu verdichten,
worauf dann von der oberen Totlage des Kolbens 2o ab das Spiel aufs neue beginnt.
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Die von den Arbeitszylindern ausgestoßenen Verbrennungsgase durchströmen
den Wärmeaustauscher 16 und verlassen ihn durch den Stutzen 23, um ins Freie zu
gelangen, ebenso wie bei den Maschinen nach Abb. io und ii.
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In Abb. 14 ist eine Maschine dargestellt, welche unter Verwendung
von Gas als Brennstoff nach dem Arbeitsverfahren des TS-Diagramms der Abb. 2 arbeiten
soll. Diese Maschine ist mit Rücksicht auf möglichste Einfachheit jedoch so ausgerüstet,
daß das verdichtete Gas, das in den Wärmeaustauscher geführt wird, nicht durch den
Niedertemperaturwärmeaustauscher, sondern nur durch den Hochtemperaturwärmeaustauscher
geht, der innerhalb des Arbeitszylinders angeordnet ist.
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Die Luft wird mehrstufig mit Zwischenkühlung verdichtet und dann durch
die Wärmeaustauscher erwärmt.
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Das Gas wird durch den mehrstufigen Verdichter 36 mit den Zwischenkühlern
37 und 38 auf den gleichen Höchstdruck gebracht wie die Luft und tritt dann durch
den Teilwärmeaustauscher 39 in den Brenn- und Arbeitszylinder ein, während die Luft
gleichzeitig durch den Teilwärmespeicher i9 in den Zylinder gelangt. Beim Zusammentreffen
beider findet die Verbrennung statt. Daran schließt sich die adiabate Entspannung
in dem Zylinder i8 und an diese bei aufwärts gehendem Kolben 2o der Ausschub der
Verbrennungsgase, die zum Teil durch den Wärmespeicher 19 und den Wärmeaustauscher
16 dem Niederdruckzylinder 26 zuströmen, während der andere Teil der Verbrennungsgase
durch den Teilwärmespeicher 39 unter Umgehung des Wärmeaustauschers 16 unmittelbar
in den Niederdruckzylinder 26 gelangt. Nach der Arbeitsleistung in dem Zylinder
26 werden die gesamten Verbrennungsgase durch das Auslaßventil 27 in die Außenluft
herausgeschoben.
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Vervollkommnet kann dieses Verfahren noch dadurch werden, daß auch
das Gas zweistufig in Wärmeaustauschern vor der Verbrennung erwärmt wird, und zwar
gemäß der Abb. 15 zunächst in einem Wärmeaustauscher 40 und dann in dem Teilwärmespeicher
39, während die Zuführung der Luft zu dem Arbeitszylinder 18 in gleicher Weise erfolgt
wie bei der Maschine nach Abb. 14.
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Nach der Verbrennung und der adiabaten Entspannung werden die Verbrennungsgase
wiederum teilweise durch den Teilwärmespeicher 39 und teilweise durch den Teilwärmespeicher
i9 ausgeschoben. Der durch den Teilwärmespeicher i9 ausgeschobene Teil der Verbrennungsgase
strömt durch den Wärmeaustauscher 16 dem Niederdruckzylinder 26 zu, während die
durch den Teilwärmespeicher 39 gegangenen Verbrennungsgase durch den Wärmeaustauscher
40 ebenfalls zum Niederdruckzylinder 26 gelangen, um sich hier mit dem anderen Teil
der Verbrennungsgase vereinigt bis etwa auf Außenluftspannung adiabatisch zu entspannen
und dann durch das Auslaßventil 27 in die Außenluft herausgeschoben zu werden.
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Will man einen Teil der Verbrennungsgase, die sich in dem Hochdruckarbeitszylinder
18 adiabatisch entspannen, als kreisendes Arbeitsmittel verwenden, so ist, wie die
Maschine nach Abb. 16 dieses zeigt, eine Dreiteilung des Wärmespeichers der im oberen
Teil des Brennkraftzylinders 18 untergebracht ist, erforderlich, derart, daß die
aus dem Zylinder i8 ausgesehobenen Verbrennungsgase teils durch den Gaswärmespeicher
39, teils durch den Luftwärmespeicher i9 und zum Teil schließlich durch den Teilwärmespeicher
4i für das kreisende Arbeitsmittel ausgeschoben werden. Dieser letztere Teil der
Verbrennungsgase strömt hinterher durch den Wärmeaustauscher 42, um dann durch die
Leitung 43 in den Verdichter 44 zu gelangen, in welchem sie isothermisch verdichtet
werden mit anschließender adiabater Schlußverdichtung. Von dem Verdichter 44 gelangt
dieses kreisende Mittel unter Temperaturerhöhung durch den Wärmeaustauscher 42 hindurch,
um dann mit dem Höchstdruck zusammen mit Gas und Luft, die durch die Teilwärmespeicher
39 und i9 in den Arbeitsraum des Zylinders 18 einströmen, durch den Teilwärmespeicher
4 1 ebenfalls in diesen Zylinder zu gelangen. Das Verfahren für Gas und Luft ist
im übrigen das gleiche wie bei der Maschine nach Abb. 15.
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Für den im Brennkraftzylinder angeordneten Wärmespeicher, welcher
hohen Temperaturen ausgesetzt ist -und dessen wirksame Teile aus dünnen Blechen
gebildet werden, ist eiri Werkstoff, welcher den hohen Temperaturen erfolgreich
widerstehen kann, von ausschlaggebender Wichtigkeit. Dieser Werkstoff muß außerdem
die Eigenschaft haben, sich physikalisch .und chemisch durch die
hohen
Temperaturen und durch die Gase, die durch ihn hindurchstreichen, nicht zu verändern,
im besonderen nicht zu oxydieren. Als solcher Werkstoff haben sich z. B. hochwertige
Chromnickellegierungen als besonders geeignet erwiesen. Desgleichen muß das Gerippe,
welches die Bleche trägt, zweckmäßig aus dem gleichen Werkstoff hergestellt werden,
da auch dieses Gerippe hohe Temperaturen auszuhalten hat.
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Um den durch den Wärmespeicher bedingten schädlichen Raum und ganz
besonders denjenigen Teil des schädlichen Raumes, der verhältnismäßig am kältesten
bleibt und sich zwischen dem Wärmespeicher und dem Zylinderdeckel befindet, so klein
wie möglich zu halten, ist der Wärmespeicher ganz nahe an dem Zylinderdeckel angeordnet,
so daß zwischen ihm und dem Zylinderdeckel nur ein geringfügiges Spiel bleibt. Um
dieses zu ermöglichen, sind die Ventile im Zylinderboden versenkt angeordnet und
außerdem so ausgeführt, daß zwischen der Ventilsitzfläche und dem Wärmespeicher
der Ventilkörper sich kegelförmig erweitert, um auch um den Ventilkörper herum keinen
gaserfülltenRaum von nennenswerter Größe zu erhalten, andererseits bei der Eröffnung
des Ventils aber genügend Strömungsquerschnitt für die Gase zu bekommen.
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Damit nun. aber bei einer solchen Ausführung die Ventile sich überhaupt
öffnen können und die durch die Ventile hindurchströmenden Gase einen genügenden
Raum vorfinden, um sich über die ganze Wärmespeicherfläche zu verteilen, wird der
Wärmespeicher nach der Erfindung in Richtung seiner Achse derart beweglich gemacht,
daß er immer dann, wenn eines der Ventile offen ist, der Wärmespeicher also von
Gas durchströmt wird, von dem Zylinderdeckel entfernt ist, während er sich in den
Zeiten, in denen die Ventile geschlossen sind, dicht vor den Zvlinderdeckel legt.
Hierdurch wird der angestrebte Zweck erreicht, denn während der Zeit der Einströmung
der Gase sowohl als auch während der Zeit des Ausströmens aus dem Verbrennungskraftzylinder
ist ein etwas größerer Raum zwischen dem Wärmespeicher und dem Zylinderdeckel nicht
schädlich, wohl aber während der Entspannung der Verbrennungsgase bei der Bewegung
des Kolbens in die untere Totlage. Während dieser Zeit der Entspannung befindet
sich der Wärmespeicher dann aber unmittelbar am Zylinderdeckel.
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Hieraus folgt, daß der Wärmespeicher bei einer Umdrehung der Maschine
während einer kürzeren Zeit, während welcher das Einlaßventil offen ist, beispielsweise
während25 v. H. des Weges des niedergehenden Kolbens, von dem Zylinderdeckel entfernt
sein muß. Dann legt er sich seit beginnender Entspannung dicht vor den Zylinderdeckel,
bis am Hubende das Ausströmv entil des Brennkraftzylinders öffnet, um dann während
eines großen Teiles des Hubes des nach oben gehenden Brennkraftkolbens offen zu
sein. Während dieser Zeit, die erheblich länger ist als die Zeit, während welcher
das Einlaßventil geöffnet ist, muß der Wärmespeicher ebenfalls einen genügenden
Zwischenraum zwischen sich und dem Zylinderdeckel für die durch den Wärmespeicher
hindurchtretenden und dann zum Auslaßventil abströmenden Gase freigeben.
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Für die Steuerung des Wärmespeichers ist daher eine solche erforderlich,
die während einer Umdrehung der Maschine den Wärmespeicher zweimal vom Zylinderdeckel
entfernt, und zwar einmal während der Einströmzeit für einen kürzeren Zeitabschnitt
und einmal während der Ausströmzeit für einen längeren Zeitabschnitt. Eine solche
Steuerung kann beispielsweise durch ein `Getriebe erreicht werden, welches in Abb.
17 dargestellt ist. Die gleichmäßig umlaufende Steuerwelle 61 bewegt mittels
der Kurbel 62 und der Schubstange 63 den hin und her gehenden Hebel 64, mit Hilfe
dessen durch die Schubstange 65 der Kniehebel 66 bewegt wird, an dessen mittleren
Gelenk die Schubstange 65 angreift, während sein unteres Ende an einem festen Punkt
67 gelagert und sein oberes Ende im Punkt 68 an dem Hebel 69 angreift, der
mit Hilfe von Lenkern 7o eine hohle Spindel 72 bewegt. Aus Abb. =7 ist ersichtlich,
daß der Kniehebel 66 den Hebel 69 zweimal während einer Umdrehung der Welle
61 nach unten bewegt, und zwar, da die Hebelverhältnisse so gewählt sind, daß der
Kniehebel nach der einen Seite mehr ausschlägt als nach der anderen, während einer
Umdrehung einmal während einer kürzeren und ein zweites Mal während einer längeren
Zeit.
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Die Wärmespeicherspindel ist hohl ausgeführt, da durch sie
-hindurch der Brennstoff dem Brennstoffeinspritzventil zugeführt werden soll.
Um dies zu ermöglichen, ist der obere Teil der hohlen Spindel durch die federnde
Brennstoffleitung 7¢ mit der Brennstoffpumpe verbunden. Diese federndeBrennstoffleitung
74 hält den Hohlraum der Wäimespeicherspindel72 ständig, auch bei der Bewegung des
Wärmespeichers mit dein Druckraum der Brennstoffpumpe, in Verbindung, ohne daß sich
der Innenraum, in welchem sich der Brennstoff befindet, während der Bewegung des
Wärmespeichers verändert.
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Das Brennstoffeinspritzventil nimmt an der Bewegung des Wärmespeichers
teil, führt je-
doch außerdem ihm gegenüber eine ganz geringfügige Bewegung
aus, wenn es sich öffnet.
Diese Bewegung, welche nur einen geringen
Bruchteil eines Millimeters beträgt, kommt dadurch zustande, daß die Brennstoffpumpe
den Brennstoff während der Zeit der Einspritzung in den Brennraum mit einem Druck
von mehreren ioo atm. in den Innenraum der Hohlspindel drückt, was zur Folge hat,
daß das Brennstofftellerventil, welches durch eine sehr starke Feder auf seinen
Sitz gedrückt wird, sich ein klein wenig öffnet, wodurch der Brennstoff tellerförmig
aus denn Ventil radial von innen nach außen austritt. Dadurch trifft er die aus
dem Wärmespeicher und Achsenrichtung austretende Luft senkrecht zu ihrem Strom.
Hierdurch wird erreicht, daß jedes Brennstoffteilchen auf neue Luftteilchen stößt,
wodurch eine gute, restlose Verbrennung erzielt wird.
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Der Wärmespeicher, den Abb. 18 in einer Draufsicht zeigt, besteht
aus einem Gerippe, welches sich zusammensetzt aus der Nabe 76, den nach Evolventen
gekrümmten Speichen 77 und dem Ringe 78 sowie aus dem inneren Kranz von Blechen
79 und dem äußeren Kranz von Blechen 8o, die ebenfalls nach Evolventen gekrümmt
sind und in dem Gerippe ihren Halt finden. -In die Fenster des Gerippes, welche
gebildet werden durch das Nebenstück 76, die Speichel' 77 und den Ring 78, werden
die nach Evolventen gekrümmten Bleche 79 dadurch eingeführt, daß an einer Stelle
jedes Fensters die nach dem Innenraum des Fensters vorspringenden Ränder mit schmalen
Schlitzen versehen sind, durch welche die Bleche 79 eingeschoben werden können.
Diese schmalen, zweckmäßig durch Einsägen hergestellten Schlitze können nach Einführung
der Bleche zugeschweißt werden. In ganz entsprechender Weise können auch die ebenfalls
nach Evolventen gekrümmten Bleche 8o, welche durch Schwalbenschwänze am äußeren
Kranz des Ringes 78 gehalten werden, durch eine an einer Stelle des Unifanges vorgesehene
Lücke in die schwalbenschwanzförmige Nut eingeführt werden. Der Abstand der Bleche
voneinander, welcher beispielsweise o, i mm beträgt, kann dabei durch Zwischenlagen
von entsprechender Stärke, ähnlich wie dieses bei der Beschaufelung von Dämpfturbinenrädern
üblich ist, gesichert' werden. Am äußeren Umfange des Wärmespeichers, der durch
die freien Enden der Bleche 8o gebildet wird, empfiehlt es sich, einen Ring vorzusehen,
der nach dem Herumlegen zusammengeschweißt wird.
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Um die Teile des Wärmespeichergerippes zu kühlen, sind an ihnen Kanäle
vorgesehen, die sich nach der kalten Seite des Wärmespeichers, d. h. also nachdem
Raume zwischen Zylinderdeckel und Wärmespeicher, öffnen. In dem Nabenstück 76 befindet
sich beispielsweise der Ringkanal 82 von verhältnismäßig geringem Gasinhalt, der
durch Öffnungen mit dem Raum zwischen Wärmespeicher und Zylinderdeckel in Verbindung
steht. Auch die nach Evolventen gekrümmten Speichen 77 sowie auch der Ring 78 können
mit solchen Kühlkanälen versehen werden. Die Abb. i9 zeigt den Schnitt durch die
Speiche 77. Wie man dieser Schnittzeichnung entnehmen kann, ist die Speiche mit
einem Hohlraum versehen, der durch enge Kanäle mit dem Raum zwischen Zylinderdeckel
und Wärmespeicher in Verbindung steht.
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Diese Kühlkanäle wirken derart, daß sich in ihnen während der Zeit
des Ausströmens der Verbrennungsgase die während dieser Zeit herrschende niedrige
Spannung einstellt. Sobald dann das Auslaßventil abgeschlossen hat und die Einströmung
der Verbrennungsluft mit verhältnismäßig niedriger Temperatur jedoch mit hohem Druck
beginnt, werden die engen Kanäle mit dieser Luft aufgefüllt, wobei die Spannung
in ihnen auf die Spannung der eintretenden Luft steigt. Die Temperatur des in die
Kanäle einströmenden Gases wird sich erhöhen, aber im allgemeinen nicht über die
Temperatur der die Kanäle begrenzenden Metallwände steigen. Sobald dann im Brennkraftzylinder
die Spannung während der Entspannung und besonders während des Ausschubes fällt,
strömt die Luft aus' den engen Kanälen aus, indem sie sich adiabatisch entspannt.
Durch diese adiabatische Entspannung der in den Kanälen verbleibenden Restluft tritt
eine starke Abkühlung der Gase ein, die zur Folge hat, daß den mit den Gasen in
Berührung stehenden Metallteilen Wärme entzogen wird.
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Ergänzt wird diese Kühlung bei der NTabe 76 beispielsweise noch dadurch,
daß am unteren Teile der Nabe in geringem Abstande von ihm eine Scheibe vorgesehen
ist, welche den größten Teil der strahlenden Wärme von dem Nabenstück 76 fernhält.
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Statt den ganzen Wärmespeicher plattenförmig auszuführen, kann er
auch, besonders wenn er für größeren Strömungsquerschnitt auszubilden ist, beispielsweise
weil zwei verschiedene gasförmige Mittel zu erhitzen sind (Gas und Luft), mit einem
äußeren kegelförmigen Teil versehen sein, wie Abb. 2o dieses zeigt. Das Nabenstück
76 und der innere Kranz von Wärmespeicherblechen 79 sind in gleicher Weise ausgebildet
wie bei dem Wärmespeicher nach der Abb. 18. Der den Kranz von Wärmespeicherblechen
79 umgebende Ring 89 bildet jedoch mit dem Gerippe der weiter außen liegenden Wärmespeicherteile
einen einheitlichen Körper. Diesem Körper gehören noch die Ringego und 9i an, welche
mit dem ringförmigen Teil 89
durch radiale Rippen verbunden sind.
In die Fenster, welche durch diese radialen Rippen und durch die Ringe 89 und 9o
einerseits sowie durch die radialen Rippen und die Ringe 9o und gi andererseits
gebildet werden, sind radiale Wärmespeicherbleche 92 und 93 in gleicher Weise eingesetzt,
wie es bereits oben bei den Wärmespeicherblechen 79 beschrieben wurde.
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Soll dieser Wärmespeicher benutzt werden, um gleichzeitig Gas als
Brennstoff sowie die für die Verbrennung erforderliche Verbrennungsluft zu erhitzen,
so empfiehlt es sich, den mit den Blechen 79 versehenen Teil des Wärmespeichers
für die Erhitzung des Gases und den mit den Blechen 92 und 93 versehenen Teil für
die Erhitzung der Luft zu verwenden. Damit sich Luft und Gas nicht schon vor dem
Wärmespeicher mischen, wodurch eine Verbrennung innerhalb des Wärmespeichers eintreten
würde, sondern erst nach dem Austritt aus dem Wärmespeicher, ist an dem ringförmigen
Teil 89 des Wärmespeichergerippes der zylindrische Ansatz 94 vorgesehen, welcher
in einer entsprechenden Nut des Zylinderdeckels 95 sich mit möglichst geringem Spiel
axial bei der Bewegung des Wärmespeichers verschieben kann. Die axiale Länge des
zylindrischen Ansatzes 94 ist dabei so gewählt, daß die Abdichtung während der Zeit
der Einströmung von Luft und Gas in den Brennkraftzylinder erhalten bleibt, so daß
Luft und Gas sich vor dem Eintritt in den Wärmespeicher nicht mischen können, während
andererseits bei dem größeren Hubedes Wärmespeichers während der Zeit der Ausströmung
der Verbrennungsgase aus dem Hochdruchzylinder der zylindrischeAnsatz94 aus der
entsprechenden Nut des Zylinderdeckels 95 heraustritt, so daß die durch die Spalten
zwischen den Wärmespeicherblechen 7 9 hindurchtretenden Verbrennungsgase ebenfalls
zu den Auslaßventilen, welche den Blechen 92 und 93 gegenüber angeordnet sind, gelangen
können.
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Verbessern läßt sich die Abdichtung des zylindrischen Ansatzes 94
in dem Zylinderdeckel 95 noch dadurch, daß er mit einem federnden Ring 96 versehen
wird, wie Abb. 2 1 dieses zeigt. Dabei ist dann aber Bedingung, daß der zylindrische
Ansatz 94 auch während des größeren Hubes des Wärmespeichers in der Zeit der Ausströmung
der Verbrennungsgase nicht-aus der Nut heraustritt. Außerdem müssen besondere Auslaßventile
vorgesehen werden, um die Verbrennungsgase herauszulassen, welche durch die Spalten
zwischen den Blechen 79 hindurchtreten, da eine Verbindung mit dem äußeren Teile
des Wärmespeichers nicht mehr besteht.
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Um bei dem kegelförmigen Wärmespeicher nach Abb. 2o die Luft, welche
durch die Spalten zwischen den Wärmespeicherblechen 92 und 93 in den Zylinder einströmt,
in wirksamer Weise auf den Brennstoff treffen zu lassen, empfiehlt es sich, das
ringförmige Leitstück 97 vorzusehen, das am äußeren Umfange mit dem Ring 9i des
Wärmespeichergerippes verbunden ist. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine
Anzahl doppelschwalbenschwanzförmiger Teile 98 geschehen, die in der Abb.2o punktiert
eingezeichnet sind. Dieser Ring 97 muß ebenfalls, da er sich hoch erhitzt, aus hochhitzebeständigem
Metall bestehen. Außrerdem empfiehlt es sich, den inneren Teil des Ringes 97 mit
schmalen, radialen Einschnitten zu versehen, um Wärmespannungen durch die Erhitzung
nach Möglichkeit zu vermeiden.
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Mit Rücksicht auf die kegelige Gestalt des Wärmespeichers und auf
das Ringstück 97 muß die Kappe 49 des Kolbens die in Abb. 20 dargestellte Gestalt
erhalten.
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Wird der mit den Blechen 79 versehene Wärmespeicherteil für die Erhitzung
brennbarer Gase benutzt, so empfiehlt es sich, vor der dem Brennraum zugekehrten
Stirnfläche dieses Wärmespeicherteiles die Wand 99 vorzüsehen, welche mit den Löchern
ioo versehen ist, die auf einem Kranz in der Platte 99 angeordnet sind. Die Form
der Platte ist dabei so gewählt, daß die aus dem Wärmespeichertei179 austretenden
Gase einen genügenden Strömungsquerschnitt nach den Austrittslöchern ioö hin vorfinden.
Aus diesen Löchern tritt dann das brennbare Gas mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit
aus und trifft dabei auf die schnell in den Brennraum zwischen dem Ring 97 und der
Platte 99 einströmende hocherhitzte Luft, und zwar trifft jedes Brennstoffteilchen,
da der Brennstoff senkrecht zu der Luftströmung eingeführt wird, immer auf neue
Luftteilchen, wodurch eine restlose Verbrennung gesichert wird.
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Soll einer der beschriebenen Hochtemperaturwärmespeicher für ein Arbeitsverfahren
nach den Ansprüchen 5 oder 6 benutzt werden, bei dem die Verbrennungsgase beim oder
nach dem Durchgange durch den Hochtemperaturwärmespeicher, jedoch vor dem Eintritt
in den Niedertemperaturwärmeaustauscher noch anderweitig, z. B. durch Entspannung,
Wärme abzugeben haben, und bei dem die Luft unmittelbar nacheinander im Nieder-und
dann im Hochtemperaturwärmeaustauscher erwärmt wird, so muß der aus einem Gitter
von Blechen bestehende Wärmespeicher von in Strömungsrichtung der Gase nicht unterteilten
Blechen gebildet werden, bei denen das Verhältnis der Blechstärke, zur Länge in
Strömungsrichtung so gewählt ist,
daß ein Temperaturunterschied
von etwa ioo° C zwischen der Eintrittstemperatur der Verbrennungsgase in den Speicher
und der höchsten noch zulässigen Temperatur des Bleches sich einstellt. Diese Verhältnisse
werden am besten an Hand des Diagrammes nach Abb.22 klar, in welchem die Temperaturen
als Ordinaten und die Länge L der Wärmespeicherbleche in Strömungsrichtung der Gase
als Abszisse aufgetragen sind. An diesem Blechstreifen von der Länge L streichen
die erhitzten Verbrennungsgase beim Austritt aus dem Brennkraftzylinder in Richtung
des einfachen Pfeiles entlang, während die zu erhitzende Luft oder das zu erhitzende
brennbare Gas in Richtung des gefiederten Pfeiles an der Oberfläche der Bleche entlang
strömt. Damit nun die mit beispielsweise 136o° auf die Eintrittskanten der Wärmespeicherbleche
treffenden Verbrennungsgase an diesen Kanten keine für den Werkstoff der Bleche-schädlichen
hohen Temperaturen hervorrufen können, muß die von.den Verbrennungsgasen an den
zuerst getroffenen Teil der Bleche abgegebene Wärme durch Leitung zum Teil von diesem
heißesten Teil des Wärmespeichers nach dem kühleren abfließen, um eine Temperaturverteilung
zu bekommen, wie sie durch die Linie a gegeben ist. Die mittlere Temperatur der
Verbrennungsgase fällt dann gemäß der Linie b, während die in umgekehrter Richtung
zu der Bewegung der Verbrennungsgase den Wärmespeicher durchströmende Luft nach
der Linie c erwärmt wird. Dabei nimmt die Luft auf dem von ihr zuerst zurückgelegten
Wege im Wärmespeicher in erhöhtem Maße wegen des größeren Temperaturgefälles Wärme
auf, die zum erheblichen Teil durch die Wärmeleitung in Strömungsrichtung der heißen
Verbrennungsgase nach dem kälteren Ende des Wärmespeichers gelangt. Auf diese Weise
wird erreicht, daß man mit verhältnismäßig hohen Temperaturen, ohne den Werkstoff
der Wärmespeicher zu schädigen, in diese mit den Verbrennungsgasen hineingehen.
kann und daß man wegen der dadurch ermöglichten hohen Temperaturgefälle seit kleinen
Wärmespeichern auskommt, was wiederum zur Folge hat, daß der durch den Wärmespeicher
bedingte schädliche Raum auf ein möglichst kleines Maß beschränkt wird.
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Um die Luft, die aus dem Einlaßventii dem Wärmespeicher zuströmt,
gleichmäßig über die ganze Wärmespeicherfläche zu verteilen, ist während der Zeit
der Einströmung der Luft, wie oben dargelegt wurde, ein gewisser Abstand des Wärmespeichers
von dem Zylinderdeckel erforderlich, der um so geringer sein kann, an je mehr Stellen
die Luft in `diesen Zwischenraum eintritt. Man hat es daher in der Hand, diesen
erforderlichen Abstand zwischen dem Wärmespeicher und dem Zylinderdeckel dadurch
zu verkleinern, daß man statt eines Einströmventils deren mehrere anwendet, beispielsweise
zwei. Die gleiche Überlegung trifft für die Auslaßventile zu, da auch für den Zustrom
zu diesen für die aus dem Wärmespeicher austretenden Gase zwischen Wärmespeicher
und Deckel ein Raum von genügender Höhe vorhanden sein muß. -Wird der Niedertemperaturwärmeaustauscher
nicht als Oberflächenwärmeaustauscher, sondern als Wärmespeicher ausgeführt, so
empfiehlt,es sich im .allgemeinen nicht, .ein und dieselben Speicherkörper während
jeder Umdrehung der Maschine durch die Verbrennungsgase zu beheizen und ihnen Wärme
durch die Luft zu entziehen. Es empfiehlt sich im besonderen deswegen nicht, weil
der ganze Raum des Wärmespeichers dann bei jeder Umdrehung mit Luft von der hohen
Spannung aufgefüllt werden muß, welche wieder verlorengeht, sobald die Verbrennungsgase
den Wärmespeicher durchströmen sollen. Eine günstigere Lösung ergibt sich, wenn
die Wärmespeicherkörper für die Wärmeaufnahme von denen für die Wärmeabgabe getrennt
werden, um während eines gewissen Zeitabschnittes aufgeheizt zu werden, während
den anderen Speicherkörpern die Wärme entzogen wird. Nach Ablauf dieses Zeitabschnittes
vertauschen die Wärmespeicherkörper ihre Rollen wieder, so daß dann den vorher aufgeheizten
Speicherkörpern die Wärme durch die Luft entzogen und den vorher abgekühlten Speicherkörpern
durch die Verbrennungsgase die Wärme wieder zugeführt wird. Die Zeitabschnitte können
beispielsweise 30 Sekunden oder auch i Minute betragen, je nachdem, wie groß
man das Speichervermögen der Wärinespeicherkörper wählt.
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Eine hierfür geeignete Vorrichtung zeigen die Abb. 23 und 24.. Die
Abb. 23 zeigt einen senkrechten Schnitt durch die Vorrichtung nach der Linie A-A,
während die Abb. 2.4 einen waagerechten Schnitt nach der Linie B-B zeigt. Die beiden
Wärmespeichermassen 112 und 113 bestehen aus parallel nebeneinander angeordneten
Blechen, zwischen denen die Verbrennungsgase durch enge Spalten, die zwischen den
Blechen frei bleiben, bei der Wärmeabgabe und die Luft bei der Wärmeaufnahme hindurchziehen.
In dem Grundriß Abb. 24 ist der kaum für die beiden wirksamen Wärmespeichermassen
punktiert eingezeichnet.
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Die Räume unter und über den Wärmespeicherinassen 112 und 113 sind
durch je zwei Ventile zugänglich, von denen in Abb. 23
nur je ein
Ventil sichtbar wird, während das andere dahinterliegend, wie aus dem Grundriß hervorgeht,
zu denken ist.
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Die Verbrennungsgase durchströmen den Raum i26 in Richtung der ausgezogenen
Pfeile. Dieser Raum 126 liegt im Grundriß (Abb. 24) unter dem Raum 12,8. Da das
Ventil 115 geschlossen ist, so können die Verbrennungsgase nicht in den Raum 114
unter den Speicherkörpern zig übertreten, sondern nur durch das Ventil 121 in den
Raum i2o unter den Speicherkörpern 113, zwischen denen die Verbrennungsgase hindurchströmen,
um auf diese Weise in den Raum über den Speicherkörpern 113, welche mit i23
bezeichnet ist, und von da durch das geöffnete Ventil 124 wiederum in Richtung der
ausgezogenen Pfeile in den Raum 128 zu gelangen, aus dem die Verbrennungsgase dann
abströmen. Dabei werden die Wärmespeicherkörper 113
aufgeheizt. Während dergleichen
Zeit strömt die Luft durch die Wärmespeicherkörper 112, indem sie von oben in den
Raum 129 eintritt, dann durch das geöffnete Ventil ii9, welches in Abb. 29 hinter
dem Ventil 118 liegt, in den Raum 117 oberhalb des Wärmespeicherkörpers i i2. Nach
dem Durchströmen der Wärmespeicherkörper 112, wobei sich die Luft erwärmt, tritt
sie durch das ebenfalls offene Ventil i 16, das in der Abb. 23 hinter dem
Ventil 115 liegt, in den Raum i27, der in Abb. 23 hinter dem Raum 126 und in Abb.
24 unter dem Raum 129 liegt, über. Von hier strömt sie entsprechend vorgewärmt dem
Brennkraftzylinder zu.
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Wenn während eines gewissen Zeitabschnittes auf diese Weise die Wärmespeicherkörper
113 aufgeheizt und die Wärmespeicherkörper 112 durch die Luft entsprechend 'abgekühlt
wurden, werden die unrunden Scheiben 130, 131, 13z und 133 um eine
halbe Drehung gedreht, wodurch sich die vorher geschlossenen Ventile öffnen und
die vorher geöffneten Ventile schließen, was zur Folge hat, daß dieVerbrennungsgase
jetzt in umgekehrter Richtung wie vorher die Luft die Speicherkörper 112 durchströmen,
während die Luft in umgekehrter Richtung wie vorher die Verbrennungsgase durch die
Speicherkörper 113 geleitet wird, bis die Speicherkörper 112 .genügend aufgeheizt
und die Speicherkörper 113 genügend abgekühlt sind, so da3 dann wiederum eine Umschaltung
erfolgen kann.
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Statt den Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungsgasen und der zu
erwärmenden Luft im Niedertemperaturwärmeaustauscher durch einen Wärmespeicher zu
bewirken, kann dieses mit Vorteil auch durch einen Wärmeaustauscher geschehen, wie
er beispeilsweise durch die Abb. 25, 26 und 27 dargestellt ist.
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Dieser Wärmeaustauscher ist ganz besonders wirksam, weil der verschiedenen
Wärmeleitfähigkeit der Stoffe, welche ihre Wärme gegenseitig austauschen sollen,
Rechnung getragen ist.
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Der Wärmeaustauscher besteht aus Rippenrohren, welche Abb.25 in einem
Schnitt in Achsenrichtung der Rohre und Abb.26 in einem Schnitt senkrecht zur Achsenrichtung
der Rohre zeigt, während Abb.27 den Anschluß der Wärineaustauschrohre an dieSammelräume
darstellt, wobei die Rippen der Rohre der Einfachheit wegen in der Zeichnung fortgelassen
wurden.
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Wie aus der Abb. 25, welche einen Schnitt C-C wiedergibt, hervorgeht,
bestehen die Rippenrohre aus einem inneren, besonders druckfesten Seelenrohr 134
und aus einem rippenförmig gestalteten, um dieses Seelenrohr herumgegossenen Mantel
135. Eine größere Anzahl solcher Rippenrohre ist, wie die Abb. 25 und 26
erkennen lassen, zu einem Rohrsystem zusammengefügt, bei welchem zwischen den .Rippen
der gegeneinander versetzten Rohre nur sehr enge, zickzackförmig verlaufende Spalten
verbleiben. Durch diese engen Spalten strömen die Gase mit dein geringeren Wärmeübertragungswert
in der Richtung senkrecht zu den Rohrachsen, während die Gase mit dem höheren Übertragungswert
durch die Seelenrohre i34geführt werden. Abgesehen davon, daß die äußere Oberfläche
der Rippen sehr viel größer ist als die innere Oberfläche des Seelenrohres, wird
auch die Wärmeübertragung durch die engen Spalten, welche zwischen den Rippen frei
bleiben, außerordentlich stark im günstigen Sinne beeinflußt. Außerdem wird die
Wärmeübertragung an der Außenfläche der Rippenrohre noch dadurch begünstigt, daß
zwischen den Rippen zweierbenachbarter, aber nicht gegeneinander versetzter Rohre
die Räume 136 vorhanden sind, welche von Rippen freigehalten sind, so daß sich an
diesen Stellen der Strömungsquerschnitt plötzlich erweitert, was zur Folge hat,
daß nach dem Umströmen eines jeden Rohres jedesmal wieder Turbulenz hervorgerufen
wird.
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Handelt es sich darum, die Wärme der Verbrennungsgase auf die hochverdichtete
Luft, von beispielsweise 85 Atm, zu übertragen, so wird man die nahezu vollkommen
entspannten Verbrennungsgase durch die schmalen Spalten zwischen den Rippen der
Rippenrohre führen, während man die hochverdichtete Luft durch die Seelenrohre 134
leitet, -da die Wärmeübertragung bei der hochverdichteten Luft sehr viel besser
ist als bei den nahezu vollkommen entspannten Verbrennungsgasen.
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Die druckfesten Seelenrohre 134 können beispielsweise aus Stahl bestehen,
während
der rippenförmig gestaltete Mantel 135 aus Zink oder einer
geeigneten Leichtmetallegierung oder auch aus Gußeisen um die stählernen Rohre herumgegossen
werden kann. In solchen Fällen, in denen die Festigkeit ausreicht, kann auf ein
besonderes Seelenrohr aus einem anderen Werkstoff als der rippenförmige Mantel verzichtet
werden.
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Abb. 27 zeigt, wie die in größerem Maßstabe in den Abb. a5 und 26
dargestellten Rippenrohre zu einem Wärmeaustauscher zusammengebaut werden können.
Die hochverdichtet.., vorzuwärmende Luft wird den Sammelräumen 137 und 138
zugeführt, die nur deswegen zweiteilig gewählt sind, um alle Rohranschlüsse der
Rohre 134 an diesen Sammelkörpern unterbringen zu können. Aus diesen Sammelräumen
137 und 138 strömt die hochverdichtete Luft durch die verschiedenen Rohrwindungen,
wie die ausgezogenen Pfeile dieses angeben, um schließlich in die Sammelräume 139
und 140, durch die Verbrennungsgase erwärmt, auszutreten. Die Verbrennungsgase strömen
dabei im Quergegenstrom zu der Führung der Luft in Richtung der gefiederten Pfeile,
um dann auf der Austrittsseite des Wärmeaustauschers dieses abgekühlt zu verlassen.
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Dieser außerordentlich wirksame Wärmeaustauscher, bei welchem der
verschiedenen Wärmeleitfähigkeit der dem Wärmeaustausch unterworfenen Stoffe Rechnung
getragen ist, eignet sich auch in besonders guter Weise für die Luftkühler, die
bei der mehrstufigen Verdichtung der Luft für Brennkraftmaschinen, die nach dem
Verfahren der Erfindung arbeiten soll, benötigt werden. Für diesen Verwendungszweck
ist das Kühlwasser der Stoff mit der höheren Wärmeleitfähigkeit, während die abzukühlende
Luft eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt, so daß also das Kühlwasser durch
die Rohre zu führen ist, während die abzukühlende Luft an der Außenfläche der Rippenrohre
durch die schmalen Spalten, welche die Rippen benachbarter Rohre zwischen sich frei
lassen, geleitet werden muß. Besonders die Kühler für die ersten Druckstufen der
mehrstufigen Verdichtung, welche noch keine hohen Spannungen auszuhalten haben,
bedürfen der druckfesten Seelenrohre nicht, sondern können aus einfachen Rippenrohren
gebildet werden.