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Im Viertakt arbeitende Brennkraftkolbenmaschinenanlage mit Einspritzung
von Wasser Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, einen Abwärmemotor
für Flugzeugviertaktmotoren zu schaffen, der den Aktionsradius des Flugzeuges durch
Einschränkung des Treibstoffverbrauchs vergrößern soll. Sie bezieht sich auf eine
im Viertakt arbeitende Brennkraftkolbenmaschinenanla ge mit Einspritzung von Wasser
in die in einer Bersten Stufe entspannten, sodann einer weiteren Kolbenmaschinenstufe
zugeführten und in dieser verdichteten Verbrennungsgase am Ende dieser Verdichtung
und mit weiterer Arbeitsleistung des gebildeten Gas-Darripf-Gemisches in der zweiten
Stufe.
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Die hohen Abgangstemperaturen der Viertaktmotoren haben die Erfinder
veranlaßt, die Verbrennungsgase zur Dampfbildung zu verwerten. Die Wege, die hierbei
eingeschlagen werden, sind mannigfaltig; entweder wurde fein zerstäubtes Wasser
in die ausgestoßenen Verbrennungsgase eingespritzt und der auf diese Weise erzeugte
Dampf in einer Abdampfturbine zur Arbeitsleistung herangezogen, oder man spritzte
das Wasser am Ende der Entspannung in den Brennkraftzylinder oder mischte es mit
dessen Verbrennungsgasen, um die der Zylinderwand und den Abgasen entzogene Wärme
zur Dampfbildung für einen Niederdruckzylinder zu benutzen, oder man zweigte die
den Zylinder verlassenden Verbrennungsgase zum Teil in einen den Zylinderdeckel
bildenden Dampfbehälter ab; zum Teil leitete man die Abgase unmittelbar in den Niederdruckzylinder,
wo sie mit dem im Dampfbehälter erzeugten Dampf zusammentrafen.
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Da die hohen thermischen Wirkungsgrade bei der Kolbendampfmaschine
in der Hochdruckstufe liegen, bei der Abdampf- bzw. Niederdruckdampfturbine dagegen
in der Niederdruckstufe zu suchen sind, weil die Turbine das Druckgefälle vom Atmosphärendruck
bis auf die Kondensatorspannung auszunutzen vermag, begegnen alle Versuche, die
Leistung von Flugzeugmotoren durch Erzeugung von Niederdruckdampf zu erhöhen, infolge
der
erforderlichen Größe der Luftpumpe, des unzulässig hohen Gewichtes der gesamten
Einrichtung, der Platzfrage und letzten Endes der geringen wirklich gewonnenen Mehrleistung
großen Schwierigkeiten bei der praktischen Ausführung.
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Wenn Wasser zudem in den Brennkraftzylinder in bekannter Weise eingespritzt
wird, so wird durch Nachverdampfung des Wassers nicht nur ein Gegendruck erzeugt,
der keine positive Arbeit darstellt, sondern auch das angesaugte Gas-Luft-Gemisch
verwässert, d. h. in seiner Heizkraft herabgesetzt.
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Bei einer anderen bekannten Brennkraftkolbenmaschinenanlage werden
die in einer ersten Stufe entspannten Verbrennungsgase einer weiteren Kolbenmaschinenstufe
zugeführt und das Wasser in die in dieser zweiten Stufe verdichteten Verbrennungsgase
eingespritzt. Die erste Stufe kann hierbei im Zweitakt- oder Viertaktverfahren arbeiten,
während für die zweite Stufe ein Zweitaktzylinder vorgesehen ist. Die Kolben der
beiden Zylinder der ersten und zweiten Stufe laufen im Gleichtakt, d. h. sie :erreichen
zu gleicher Zeit ihre Totpunkte. Beide Kolben verdichten daher auch zu gleicher
Zeit. Sofern die erste Stufe im Viertakt läuft, arbeiten jeweils zwei Zylinder dieser
Stufe mit einem einzigen Zweitaktzylinder der zweiten Stufe zusammen. Auch in diesem
Falle laufen die Kolben im Gleichtakt, und zwar die beiden Kolben der ersten Stufe
und der Kolben der zweiten Stufe. Wird bei dieser bekannten Anlage z. B. zwecks
höherer Leistungsabgabe der Druck in der ersten Stufe durch Drosselung des Auspuffquerschnittes
erhöht, so kann die zweite Stufe die anfallenden Verbrennungsgase nur zum Teil aufnehmen,
so daß im Dieselmotor ein Rest von Verbrennungsgasen zurückbleibt. Es wird dadurch
in ihm nicht allein ein Gegendruck erzeugt, sondern auch der thermische Wirkungsgrad
durch die Vermischung der Verbrennungsluft mit inerten Gasen herabgesetzt. Die zweite
Stufe kann sich also den durch die wechselnde Beanspruchung verursachten Leistungsschwankungen
der ersten Stufe in keiner Weise anpassen.
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Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die
Verbrennungsgase des Hauptmotors, d. h. der ersten Stufe während des Ausschubhubes
dieser Stufe von der zweiten ebenfalls im Viertakt arbeitenden, jedoch gegenläufig
zur ersten Stufe laufenden Stufe (Abwärmemotor) angesaugt werden und die zweite
Stufe gegenüber der ersten voreilt. Da mit dem öffnen des Auslasses am Hauptmotor
gleichzeitig auch der Eimaß am Abn-ärmemotor geöffnet wird, strömen die Verbrennungsgase
vom Hauptmotor in Anbetracht des durch die Voreilung gegenüber dem Hauptmotor im
Abwärmemotor bereits vorhandenen Unterdrucks mit großer Geschwindigkeit in den Zylinder
des Abwärmemotors ein. Ein Zurückbleiben von Verbrennungsgasen im Hauptmotor ist
daher nicht zu befürchten. Durch die Gegenläufigkeit von Haupt- und Abwärmemotor
verteilt sich die Arbeitsabgabe erheblich günstiger als bei den bekannten Anlagen.
Die Anlage nach der Erfindung arbeitet infolgedessen gleichmäßiger und ist auch
leichter anzulassen.
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Der Arbeitszylinder des Abwärmemotors kann am Ende seines Saughubes
mit der Außenluft in Verbindung gebracht werden. Diese Maßnahme hat den Zweck, die
anfallenden Abgasmengen dem Fassungsraum des Abwärmemotors anzupassen. Hierbei sind
drei Fälle zu unterscheiden i. Die Abgasmengen des Hauptmotors sind größer als der
Fassungsraum des Abwärmemotors, 2. die Abgasmengen sind kleiner, 3. die Abgasmengen
gleichen dem Fassungsraum des Abwärmemotors.
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Im Fall i können die überschüssigen Abgasmengen ins Freie austreten;
im Fall e tritt Außenluft durch den Kanal in den Zylinder; im Fall 3 herrscht Gleichgewicht.
In jedem Fall handelt es sich bei dem jetzt folgenden Hub des Abwärmemotorkolbens
um die Verdichtung einer gleichbleibenden Verbrennungsgasmenge auf ein gleiches
Verdichtungsverhältnis, nur daß diese Gasmenge verschiedene Temperaturen aufweist.
Bei Höchstleistung des Hauptmotors stehen Verbrennungsgase mit höherer Temperatur,
bei geringer Leistung solche mit niedrigerer Temperatur zur Verfügung; denn je höher
z. B. die Beanspruchung des Hauptmotors ist, desto höher sind auch die Temperaturen
der in den Zylinder des Abwärmemotors gelangenden Verbrennungsgase, die nach der
Verdichtung ebenfalls höhere Temperaturen und Spannungen zur Erzielung größerer
Leistungen nach sich ziehen.
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Das Gas-Dampf-Gemisch entweicht nach Arheitsleistung während eines
weiteren Hubes. Abb. i zeigt die Stellung des Kolbens der ersten Stufe (Brennkraftstufe)
P nach bereits geleisteter Arbeit beim Ausschubhube, wobei das Auslaßventil i geöffnet
ist. Die Verbrennungsgase werden nach dem Zylinder der zweiten Stufe des Abwärmemotors
A ausgestoßen. Dieser hat während dieses Vorgangs seinen Ansaugehub (Pfeil b) noch
nicht beendet und einen hohen Unterdruck bei zunächst geschlossenem Ventil 2 im
Innern seines Arbeitszylinders erzeugt, so daß bei gleichzeitigem Öffnen der Ventile
i und 2
die Verbrennungsgase mit großer Geschwindigkeit nach der
zweiten Stufe überströmen; der Kolben der Brennkraftmaschine leistet wegen der plötzlichen
Entlastung bei seinem Ausschubhube (Pfeilrichtung a) Nutzarbeit.
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Der Erfindungsgegenstand ist an einem zeichnerischen Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Gemäß Abb.2 vollendet der Kolben der zweiten Stufe seinen Hub,
mit dessen Erreichung Kana13 freigegeben wird, um überschüssige Verbrennungsgase
herauszulassen bzw., falls noch geringer Unterdruck vorhanden sein sollte, Luft
von außen eintreten zu lassen. Beim darauffolgenden Hube (Pfeilrichtung c) schließt
sich etwa biei q. Ventil e, und es erfolgt von hier an die Verdichtung der in der
zweiten Stufe befindlichen Verbrennungsgase.
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In Abb.3 hat der Kolben der zweiten Stufe die innere Totpunktlage
erreicht; in den Verdichtungsraum 6 wird fein zerstäubtes Wasser eingespritzt (vgl.
Pfeil 5), das unter gleichzeitiger Spannungserhöhung die Temperatur der verdichteten
Verbrennungsgase herabdrückt. Inzwischen hat der Kolben der Brennkraftmaschine bei
seinem Ansaugehub d durch das geöffnete Ventil 7 Frisch-Gas-Luft-Gemisch angesaugt,
das nach dem Viertaktverfahren verdichtet wird und nach der Zündung Arbeit leistet,
um letzten Endes die Verbrennungsgase zu weiterer Kraftleistung wieder in den Abwärmemotor
der zweiten Stufe übertreten zu lassen.