-
Betriebsverfahren einer Lokomotive mit Brennkraftmaschinenantrieb
unter Verwendung von festen Brennstoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren
für eine Lokomotive mit lirennki-aftinascliinenantrieli unter Verwendung von festen
Bremistoffen.
-
Das nette Betriebsverfahren besteht darin, daß der feste Brennstoff,
beispielsweise Stein- oder Braunkohle, auf der Lokomotive vor seiner Verwendung
in einer Brennkraftniaschine in Druckgasgeneratoren in an sich bekannter Weise,
z. B. nach dem Lurgi-Verfahren, mittels komprimierten Sauerstoffs und überhitzten
Dampfes unter hohem Druck vergast wird und das erzeugte Gas zum Betrieb einer oder
mehrerer mehrzylindrigen, auf dein Lokomotivfahrgestell befindlichen Brennkraftmaschinen
benutzt wird, wobei der zur Vergasung dienende Sauerstoff in ortsfesten Anlagen
in hochverdichteter Form hergestellt und in, Vorratsbehältern auf der Lokomotive
oder auf (lein Tender initgeführt wird, wohingegen der zur Vergasung erforderliche
überhitzte Dainpf in einem auf derLokc>-mototive befindlichen Dampfkessel unter
\ utzbarinachung der Kühlwärme der Gasgeneratormäntel und der Arbeitszylinder der
Brennkraftmaschinen und sonstiger anfallender Abwärrnemengen gewonnen wird.
-
Die Verwendung eines mit Sauerstoff betriebenen Druckgaserzeugers
ergibt ein Betriebsgas von hohem Heiz-,vert, da dieses nicht mit Luftstickstoff
belastet ist. Da die Herstellung des Sauerstoffs und seine Kompression erfindungsgemäß
von der Lokomotive in ortsfeste Anlagen verlegt wird, so wird der Lokomotivbetrieb
ganz wesentlich vereinfacht und verbilligt. Infolge der erzielten Raum- und Gewichtsersparnis
wird die Anwendung des vorgeschlagenen Arbeitsverfahrens mit Brennstoffvergasung
überhaupt erst möglich. Es empfiehlt
sich, mindestens zwei Druckgasgeneratoren
vorzusehen, um eine annähernd gleichmäßige Gaserzeugung sicherzustellen.
-
Der zum Betrieb der Druckgasgeneratoren erforderliche Sauerstoff wird
mit einem Druck von 15o at und mehr in Druckbehältern, welche z. B. auf dem Tender
angeordnet sind, vor Antritt der Fahrt gespeichert, von wo er zum Betrieb über ein
Druckreduzierventil den Gaserzeugern im unteren Teil mit dem für die Vergasung erforderlichen
Druck, z. B. Z0 bis 25 at, zugeführt wird. Der hohe Vergasungsdruck wird, wie gesagt,
ohne besondere Kompressionsarbeit auf der Lokomotive aufrechterhalten, wozu noch
zum Druckanstau in der Gasentnahmeleitung ein Regelventil angeordnet wird.
-
Der zur Vergasung erforderliche hochüberhitzte Dampf von etwa 25 bis
3o at Druck wird ebenfalls unten den Gaggeneratoren zugeführt. Zur Dampferzeugung
wird die Kühlwärme der Generatormän tel, der Arbeitszylinder und sonstige anfallende
Abwärmemengen vorteilhaft benutzt; beispielsweise kann das Speisewasser des Dampfkessels
zuerst zur Kühlung eines Wärmeaustauschers und dann zur Kühlung der Verbrennungszylinder
und auch zur Kühlung der Generatormäntel benutzt werden, in welchen es unter Umständen
schon verdampft wird. Auf diese Weise wird alle anfallende Abwärme in dem Betriebsverfahren
verwertet.
-
Zum Zwecke des Ingangsetzens des Vergasungsverfahrens bzw. der Kraftanlage
wird für die Dampflieferung am Kessel ein Gas- oder Ölbrenner vorgesehen, was noch
den Vorteil ergibt, einen Teil des gesättigten Dampfes zur Zugheizung verwenden
zu können.
-
Der zu vergasende, feste Brennstoff wird auf dem Tender entweder in
der verlangten Korngröße mitgeführt oder mit bekannten Mitteln, z. B. mit einem
Kohlenbrecher, vor der Zuführung zu den Gasgeneratoren zerkleinert und mittels Transportschnecken
dem über den Generatoren befindlichen Brennstoffbunker zugeleitet, von wo er durch
automatisch wirkende, gasdichte Brennstoffschleusen in das Innere der Druckgasgeneratoren
eingeführt wird. Das erzeugte hochwertige Betriebsgas, das hauptsächlich Kohlenoxyd
(CO), Wasserstoff (H.) und Methan (C H4) neben Kohlensäure (CO.) enthält,
wird zunächst von den etwa mitgerissenen Teerbestandteilen in einem Abscheider befreit
und dann einer Expansionsgasturbine zugeleitet, in welcher es auf den Ansaugedruck
der Brennkraftmaschine expandiert. Auf diese Weise wird diese im Betriebsgas enthaltene
Arbeit für das Spülen oder Aufladen der Verbrennungszylinder ausgenutzt und so die
im ortsfesten Betrieb aufgewendete Kompressionsarbeit zum Teil wiedergewonnen. Außerdem
kühlt sich bei der Expansion unter gleichzeitiger Arbeitsverrichtung das Betriebsgas
entsprechend ab, so daß in dem nachfolgenden Kühler, der durch das Speisewasser
des Dampfkessels gekühlt werden kann, nicht mehr so viel Wärme abgegeben werden
muß. Die Vergasungsrückstände aus den Gasgeneratoren werden unten durch gasdichte
Verschlüsse abgeführt. Die Expansionsgasturbine kann auch zweckmäßig als Zentrifugalreiniger
für das Betriebsgas ausgebildet werden; dadurch wird ein für die Verbrennungskraftmaschine
gut gereinigtes Gas hergestellt.
-
Die Expansionsgasturbine wird zweckmäßig mit dem Spül- oder Aufladegebläse
gekuppelt, welches die Verbrennungsluft den Arbeitszylindern der Verbrennungsmaschine
zuführt. Auf dem vorgeschlagenen Wege ist es auf einfache Weise möglich, die Verbrennungsmaschine,
wie an sich bekannt, mit Aufladung zu betreiben.
-
Die aus den Verbrennungszylindern austretenden Abgase können in einer
Abgasturbine weiter zur Vorverdichtungsarbeit herangezogen werden. Es steht also
sowohl die Arbeit der Expansionsgasturbine als auch die der Abgasturbine für das
Spül- oder Ladegebläse zur Verfügung, so daß dieses Aggregat unabhängig von der
Verbrennungsmaschine für sich betrieben werden kann. Hierdurch ist es auch möglich,
die Vorverdichtung verhältnismäßig hoch auf 2 bis .4 at zu halten, was für die Verbrennungsmaschine
einen hohen mittleren indizierten Druck und dadurch mit kleinen Zylinderabmessungen
eine hohe Leistung ergibt, selbst dann, wenn das zugeführte Gas noch verhältnismäßig
warm ist. Unter Umständen könnte das Turbo aggregat sogar noch einen Überschuß an
Leistung aufweisen, der dann zweckmäßig zum Betrieb aller Hilfsmaschinen, die zum
Kesselbetrieb notwendig sind, benutzt werden könnte.
-
Die Abgase der Brennkraftmaschinenzylinder werden zum Beheizen des
Dampfkessels benutzt. Die von den Verbrennungskraftmaschinen gelieferte Energie
kann entweder unmittelbar durch Räderübersetzung oder durch hydraulische oder elektrische
Übertragung die Arbeit an die Treibachsen der Lokomotive abgeben.
-
Die bisher beschriebene Art des Betriebsverfahrens ist besonders geeignet
für Explosionskraftmaschinen, die nach dem Vier- oder Zweitaktverfahren arbeiten.
-
Das erzeugte Betriebsgas kann nach Kühlung unter dem Druck der Druckgasgeneratoren
den Verbrennungszylindern unmittelbar zugeführt werden. Die Verbrennungsmaschinen
müssen dann nach dem Dieselverfahren arbeiten. Die Verbrennungsluft wird in diesem
Falle aus der Atmosphäre angesaugt und in den Zylindern bis auf den Verbrennungsdruck
komprimiert, der allerdings unter dem Druck des in den Gasgeneratoren erzeugten
Betriebsgases liegen muß. Im Totpunkt wird nun an Stelle des flüssigen Brennstoffes
das gekühlte, hochgespannte Gas in die hocherhitzte Luft der Verbrennungszylinder
eingeblasen. Auf diese Weise läßt sich das Arbeitsverfahren noch vereinfachen, indem
die Expansionsgasturbine, der Turboauflader und die Abgasturbine sowie die Zündeinrichtungen
in Wegfall kommen.
-
In der Zeichnung ist schematisch das zuerst beschriebene neue Betriebsverfahren
dargestellt.
-
Die Verbrennungsmaschinenlokomotive besteht nach dem neuen Betriebsverfahren
aus dem Fahrgestell A und dem Tender B. Auf dem Lokomotivfahrgestell
sind
folgende Hauptteile montiert: zwei Druckgasgeneratoren C, der Reiniger D, die Expansionsgasturbine
F_. der Gaskühler F, das Aufladegebläse G und die :@bgasttirbine H, der Verbrennungsmotor
I, es ist hier nur ein solcher gezeichnet, es könnten aber auch mehrere verwendet
werden, der elektrische Energie liefernde Generator K und der Dampfkessel I_. Auf
dein Tender befinden sich die Behälter 11 für den Sauerstoff, der Speisewasserbehälter
N und der Brennstoffbunker O. Die Hauptleitungen sind nur schematisch angedeutet.
-
Die Vorbereitung des Betriebes geht nun folgendermaßen vor sich: Auf
der Abfahrstation wird der Tender mit dein festen Brennstoff, mit dem komprimierten
Sauerstoff und dein Speisewasseiversorgt. Gegebenenfalls kann gleichzeitig der Dampfkessel
L entweder mit Fremddampf oder mit der Gas- oder ölzusatzfeuerung aufgeheizt werden,
um sofort nach Ingangsetzting der Anlage die Druckgasgeneratoren mit hochüberhitztem
Dampf beliefern zu können. Den Druckgasgeneratoren wird der Vergasungssauerstoff
über die Hochdruckleitung 1 und das Reduzierventil 2. welches den hohen Speicherdruck
auf den Betriebsdruck, beispielsweise von 20 bis 25 at herabsetzt, gemeinsam mit
dem überhitzten Hochdruckdampf über den unteren Abschluß 7 zugeleitet, nachdem die
Gasgeneratoren C mit Brennstoff über die Transportschnecken 3 und den oberen Bunker
,4 und den Brecher 6 und über die gasdichten Schleusen 5 mit Brennstoff angefüllt
und der Inhalt entzündet ist. In den Gasgeneratoren entwickelt sich nun ein noch
heißes Betriebsgas von hohem Heizwert, das oben den Generatoren bei 8 entnommen
und über Leitung 9 dem Abscheider D zugeführt wird, während die Rückstände,
wie Asche und Schlacke, durch den gasdichten Verschluß 7 abgezogen und in darunter
befindlichen Behältern gesammelt werden, die in bestimmten Zeitabständen entleert
werden müssen.
-
In dem Abscheider D wird ein Teil der Verunreinigungen, z.
13. Teer, ausgeschieden, was unter dem hohen Druck und der noch vorhandenen
Temperatur erleichtert wird. Hinter dem Abscheider ist in der Leitung to ein Druckregulierventil
toll vorgesehen, welches den Druck in den Gasgeneratoren auf die gewünschte Höhe
anstaut. Hinter dem Druckregler roll tritt das erzeugte Betriebsgas in die Expansionsgasturbine,
in der es von dem etwa noch vorhandenen hohen Betriebsdruck, arbeitverrichtend,
auf einen etwas über dem Spül- oder Ladedruck liegenden Druck entspannt wird. Diese
Leistung wird an <las Aufladegebläse G abgegeben.
-
In der Expansionsgasturbine werden auch gleich die letzten Verunreinigungen
ausgeschleudert, die aus dem Sammelbehälter 12 von Zeit zu Zeit abgeblasen werden
können.
-
Das entspannte Betriebsgas strömt nun durch den Wärmeaustauscher F,
in welchem es gegebenenfalls durch das Speisehasser des Dampfkessels weiter heruntergekühlt
wird, in die Leitung 11 und durch diese zu dem Gassammelbehälter 13 und von diesem
über die Leitungen 1d zu den Iinlaßgehäusen der Arbeitszylinder. Die erforderliche
Verbrennungsluft wird von (lern Spül- bzw. Aufladegebläse G angesaugt und über Leitung
15 in den Luftsammelbehälter 16 und von diesem über Leitungen lda ebenfalls in die
Einlaßkammern der Verbrennungsmaschinenzy linder geschickt. @'on diesen Einlaßkammern
gelangt das e@x])losive Gasgemisch unter Einschaltung eines zur Leistungsregelung
erforderlichen :Mengenreglers in die durch die Kompression erhitzte Luft der Arbeitszylinder
der Verbrennungsmaschine 1, wird dort entzündet und verrichtet nun seine Arbeit,
die über Zahnradgetriebe 19 an den elektrischen Generator K abgegeben wird. Die
Abgase strömen schließlich entspannt finit noch etwas Druck durch Leitung 17 nach
der Abgasturbine H, wo sie annähernd auf atmosphärischen Druck expandieren und durch
Leitung 18 dein Dampfkessel 1. zwecks Peheizung zugeführt werden.
-
Im vorgenannten Beispiel dient die Abgasturbine H gemeinsam mit der
Expansionsgasturbine F_ zum Betrieb des Aufladegebläses G, wodurch eine günstige
Aufladung der Verbrennungsinaschinenzylinder ermöglicht wird. Das noch heiße Abgas
bestreicht gegebenenfalls gemeinschaftlich mit den durch den Zusatzbrenner 21 erzeugten
heißen Gasen die Kesselheizfläche und tritt schließ-]ich durch den oberen Stutzen
22 ins Freie aus. Die l-lilfsapparate, wie z. B. die Sicherheits- und Rückschlagventile
und andere Armaturen, die Zugerzeugungsanlage und die Speisepumpen für den Kessel
sowie die anderen Hilfsaggregate für den mechanischen und elektrischen Betrieb und
etwaige _lonlaßvorrichtungen, sind nicht dargestellt.
-
Im vorliegenden Fall ist die Kraftübertragung auf die Treibachsen
elektrisch gedacht, indem die von dem elektrischen Generator K gelieferte Energie
an die Elektromotoren P abgegeben wird, welche die Treibachsen der Lokomotive in
Bewegung setzen.
-
Die Expansionsgasturbine E könnte, wenn der Arbeitsüberschuß groß
genug ist, auch dazu dienen, die Zugerzeugungsanlage für den Dampfkessel L unmittelbar
oder mittelbar zu betätigen.
-
Eine Brennkraftmaschinenanlage nach der Erfindung erscheint geeignet,
mit einer dieselelektrischen und auch einer ölbeheizten Gasturbinenlokotnotiv e
erfolgreich konkurrieren zu können, denn die Betriebskosten werden bei Verwendung
von Kohle wesentlich niedriger sein als bei Verwendung fliissigen Brennstoffs, auch
wenn die Kosten des in ortsfesten Anlagen hergestellten, verdichteten Sauerstoffs
in Rechnung gestellt werden.