DE90281C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

WelöscM

Die bis jetzt bekannten Wärmekraftmotoren geben im Maximum 20 pCt. der aufgewandten Wärme als mechanische Arbeit wieder. 50 pCt. werden mit dem Kühlwasser abgeführt, 15 pCt. gehen mit den Abgasen fort.

Diese beiden Hauptverluste können verringert werden durch Verminderung der mittleren und der Endtemperatur des Cylinderinhaltes, was durch hohen Anfangsdruck und durch niedrigen Enddruck, d. h. durch starke Expansion eines geringen Admissionsvolumens erreicht wird.

Das Admissionsvolumen, das bei den bisherigen Viertaktmaschinen durch den Compressionsraum dargestellt ist, kleiner zu machen,. ist vielfach versucht, jedoch wegen praktischer Schwierigkeiten nur bis zu einer gewissen Grenze erreicht worden. Grofser Compressionsraum ergiebt ferner einen directen Verlust an Arbeit, der darin besteht, dafs diejenigen Verbrennungsgase, die am Hubende noch 3 Atm. Ueberdruck haben und welche den Compressionsraum einnehmen, durch ihr Ausströmen bei VentilöfFnung nicht zur Vergröfserung des Diagrammes beitragen, also die Fläche of e c als direct verlorene Arbeit bezeichnet werden mufs.

Am deutlichsten ist dies in Fig. 1 ersichtlich.

In d ist der ganze schädliche Raum mit Verbrennungsgasen von 3 Atm. gefüllt; beim Oeffnen des Auspuffventils fällt der Druck auf o, so dafs beim Kolbenrückgang von der entstandenen Arbeitsfläche dace nur die Fläche d a of für Vergröfserung des Diagrammes gewonnen wird.

Die verlorene Arbeitsfläche ofe c ist nun um so kleiner, je kürzer co, d. h. je kleiner das Compressionsvolumen und je niedriger of d. h. je niedriger der Enddruck gemacht wird.

In neuester Zeit sind Motoren mit langsamer Verbrennung entstanden, welche die erste Hauptbedingung, kleinen Compressionsraum, dadurch erreicht haben, dafs sie denselben in eine eigene Pumpe verlegt haben, so dafs schon bedeutende Erfolge erzielt wurden.

Diese Verbrennungsmaschinen arbeiten mit einer bestimmten Admission. Von Beginn der Admission, d. h. von Beginn des Kolbenhubes an, wird Prefsluft und zu gleicher Zeit Brennstoff zugeführt, der sich auf beliebige Weise entzündet und verbrennt. Zur Verbrennung ist aber eine gewisse Zeit nöthig (s. Calorimetrische Untersuchungen an der Gasmaschine von Prof. Dr. Sl a by), so dafs diejenigen Brennstofftheilchen, die kurz vor Ende der Admissionszeit eingeführt werden, noch »nachbrennen« und Wärme noch abgeben, nachdem die Luftzufuhr bezw. die Admissionszeit schon beendet ist. Dies in der Verbrennungsmaschine zu vermeiden, ist unmöglich, wenn man die Brennstoffzufuhr früher abschliefsen würde als die Prefsluft, was aber durchaus unrationell wäre, da jedes Luftquantüm, welches noch eingeführt wird, nachdem der Brennstoff abgeschlossen ist, am Procefs nicht theilnimmt und als todtes Volumen .zu betrachten ist.

Die. Folge des vorhergehenden Satzes ist, dafs am Ende der Admission nicht direct die

adiabatische Expansion beginnt, wie sie durch" den Carn ot'sehen. Procefs für die wirthschaftlichste Maschine vorgeschrieben ist, sondern der Beginn der Expansion wird durch das oben genannte Nachbrennen zu einer Isotherme oder, wie Untersuchungen von bereits vorhandenen Diagrammen zeigen, sogar über der Isotherme liegen.

Die oben angeführten Nachtheile der bisher bekannten Explosionsmaschinen werden vermieden . durch Erreichung eines beliebig kleinen Admissionsvolumens von beliebig hoher Spannung, ferner die genannten Nachtheile . einer Verbrennungsmaschine durch vollständige Vermeidung des Nachbrennens bei Beginn der Expansion, worin hauptsächlich die Eigenart der Erfindung besteht, indem die Verbrennung des explosiblen Gemisches nahezu plötzlich, und zwar nicht am Ende, sondern innerhalb der Admissionszeit stattfindet.

In Fig.-2 und 3 ist eine Ausführung oben gekennzeichneter Maschine in Längsschnitten gezeichnet und in Fig. 4 das Diagramm angegeben, wie es entstehen soll.

Die Maschine arbeitet im Zweitakt.

In einer Pumpe wird die Luft möglichst isothermisch hoch comprimirt und tritt in das Rohr R, indem sie die Verbrennungsrückstände nach dem Kessel K verdrängt. Im inneren Todtpunkt des Kolbens öffnet sich Ventil Fund die in R befindliche Luft wird hinter den Kolben geprefst. Zu gleicher Zeit wird in diesen Luftstrom durch g g Brennstoff eingeführt, so dafs hinter dem Kolben explosibles Gemisch entsteht. Nach 3 bis 4 pCt. Admission wird das Brennstoffventil abgeschlossen und das Gemisch entzündet.

Bei grofser Kolbengeschwindigkeit oder entsprechend gewählter Form des Explosionsraumes wird eine wesentliche Drucksteigerung kaum stattfinden; sollte dies doch der Fall sein, so können die Verbrennungsproducle in das Rohr R entweichen. Die Gase werden beim weiteren Vorwärtsbewegen des Kolbens wieder aus dem Rohr ausströmen und wird nach bestimmter Admission das Ventil V (1 5 bis 20 pCt.) geschlossen. Die Gase expandiren und werden ausgestofsen.

Wenn hier (wie die Untersuchungen von Prof. Dr. SIaby zeigten) auch ein Nachbrennen stattfindet, so ist dies absolut nicht schädlich und hat keinen Einflufs auf die Expansionslinie, indem dieselbe erst nach 20 pCt. Admission beginnt, die Entzündung des explosiblen Gemisches schon z. B. nach 3 bis 4 pCt. Admission stattgefunden hat, d. h. das Nachbrennen fällt in die Zeit der Admission und nicht in die Zeit der Expansion. Die Expansionslinie wird also, wenn man den Einflufs der Wandungen aufser Acht lä'fst, adiabatisch verlaufen.

Für in diesem. Sinne arbeitende Zweitaktmotoren ist eine Luftpumpe nothwendig. Will man dieselbe.vermeiden, d.h. die Pumpe in den Arbeitscylinder verlegen und nahezu -isothermisch comprimiren, so mufs man den Mehrtakt (in diesem Falle 14 Takte) wählen.

Der Gang des Diagrammes und eine Ausführungsart dieser Maschine sind in Fig. 5, 6 und 7 gegeben.

I. Takt: ο, ι Ansaugen von Luft.

II. Takt: 1, i¹ Compression im Cylinder bis zur Höhe des Gefäfsdruckes A. In i¹ öffnet der Schieber s.

1¹J 2 Hinausschieben der comprimirten Luft nach A.

In A wird die Luft durch Wasser gekühlt.

In 2 Abschlufs des Ventils s, so dafs die 2, 3 Compression auf 25 Atm. steigt.

III. Takt: 3,4 Admission von B mit Brennstoffzufuhr durch g g (Fig. 2 und 3). Nach 3 bis 4 pCt. Admission wird die Brennstoffzufuhr abgeschlossen und das Gemisch in 4 entzündet.

4, 5 Zurücktreten der eventuell nach dem Rohr R entwichenen Explosionsgase.

5 Abschlufs von Ventil V.

5, r Expansion.

IV. Takt: 1,0 Ausstofsung.

V. Takt: 0,1.

VI. Takt: 1, i¹; i¹, 2; 2, 3.

VII. Takt: 3, 4; 4, 5; 5, 1.

VIII. Takt: 1,0.

IX. Takt: 0,1.

X. Takt: 1, i¹; i\ 2¹; Compression nach A.

XI. Takt: 2¹, 6 Füllung des ganzen Cylinders mit Luft aus A.

XII. Takt: 6, 7 Compression im Cylinder aut die Spannung im Gefäfs J3.

. 7,3 Hinausschieben desCompressionsvolumens nach B.

XIII. Takt: 3, 4; 4, 5; 5, 1.

XIV. Takt: 1,0.

I. Takt: wie oben.

Das Ventil s mufs gesteuert sein und kann mit Hülfe des Indicators das Oeffnen genau gestellt werden, so dafs (Fig. 8) ein zu spätes Oeffnen, z. B. in 2, oder eih zu frühes Oeffnen, z. B. in 3, anstatt in A verhindert und dadurch eine schädliche Vergröfserung des Diagramms vermieden wird (vergl. Fig. 8).

Der Druck in A regulirt sich von selbst, indem drei Cylindervolumina hineingepumpt werden und immer ein Cylindervolumen wieder entnommen wird. Der Druck wird sich einstellen auf ungefähr 2^x/₂ Atm. Ueberdruck.

Denkt man sich im obigen Diagramm (Fig. 5) die zweistufige Compression nicht nothwendig, sondern eine isothermische Compression bis zu dieser Höhe möglich, so erhält man das Diagramm in Fig. 9, in welchem nur der Deut-

lichkeit halber obige Voraussetzungen angenommen sind.

0,¹I Ansaugen von Luft

1.2 Compression (isotherm.). . -

2.3 Hinausschieben der Luft nach B.

3.4 Wiedereintreten dieser Luft mit Brennstoffbeimischung.

4 Entzündung und eventuelles Austreten der Explosionsgase nach B.

4, 5 Zurücktreten dieser Gase aus B.

5 Abschlufs von B.

5, 6 Expansion.

6, ι, ο Ausstofs.

Auf dem Weg, den nun der Kolben macht, um von 2 über 3 nach 4 zu kommen, wird das Arbeitsdiagramm nicht vergröfsert, also nur Reibungsverluste verursacht, die dadurch zu umgehen sind, dafs man das Volumen co im Compressionsraum ausbildet. In obiger Maschine ist dieser Reibungsverlust mit in den Kauf genommen, um eine innige Mischung von Luft und Brennstoff während dieses Weges zu erzielen.

Will man diesen Reibungsverlust vermeiden und auf isothermische Compression verzichten^ so wählt man den Compressionsraum so (Fig. 12), dafs, nachdem beim ersten Hub ο, ι eine bestimmte Menge explosibles Gemisch angesaugt wird, dasselbe bei seiner Compression 1., 2 die Zündtemperatur in 2 gerade erreicht. Am Hubende wird das Ventil V (Fig. 10 und 11) geöffnet und das Gemisch zur Entzündung gebracht (Fig. 12, Punkt 2). Der Druck der Explosionsgase stellt sich auf die Höhe des Kesseldruckes in B (25 Atm.).

Von 2, 5 bis 2,4 erfolgt Admission von A. In 2,4 wird der Rückflufs der Explosionsgase abgeschlossen und erfolgt Expansion und Ausstofs.

Das im Luftkessel K bezw. B nach Abstellen des Motors verbleibende Luftquantum dient zum Anlaufenlassen, indem bei den ersten beiden Maschinen (Fig. 2 und 3 und Fig. 5 und 6) gleich Brennstoff in den Luftstrom eingeführt wird, die Maschine also von Anfang an in ihrer gewöhnlichen Arbeitsweise läuft. Bei der zweiten Maschine Fig. 6 und 7 ist es für das Anlaufen von Vortheil, wenn man sie auf Takt 11 stellt. Die Luft in A läfst man beim Abstellen ausblasen.

Bei Maschine nach Fig. 10 und 11 wird die Luft in B benutzt, um dem Motor gewisse Anfangsgeschwindigkeit zu geben, indem man das Auspuffventil während des Ansaugens und der Compression offen hält. Ist eine gewisse Tourenzahl erreicht, die zur Compression genügt, so läfst man dem Ventile seinen normalen Gang.

Die Regulirung der Maschine geschieht auf einfache Weise durch Veränderung der Admission von B. Wird dieselbe verkürzt, z. B. von 20 auf 15 p'Ct., so wird der Druck im Kessel B steigen, da weniger Verbrennungsproducte dem Kessel entnommen werden, als dem bei.jedem Hub zugeführten explosiblen , Gemisch entspricht. Diese Drucksteigerung wirkt auf die Brennstoffzufuhr, indem sie dieselbe vermindert.

Die Gemische werden dadurch ärmer, es werden also per Hub weniger Verbrennungsproducte gebildet und der Druck in B wird fallen bezw. sich auf ein bestimmtes Niveau einstellen. Die eben angegebene Regulirung geschieht also durch Veränderung der Admissionslänge.

Will man constante Admissionslänge, so regulirt man durch Veränderung der Admissionshöhe, indem man die Brennstoffzufuhr früher oder später abschliefst. Es entstehen ärmere Gemische, so dafs ein gröfseres Volumen dem Kessel entnommen wird, als dem jeweilig zugeführten explosiblen Gemisch entspricht. Der Druck in B sinkt, bis er sich auf eine der zugeführten Brennstoffmenge entsprechende Höhe einstellt. Wird in den angeführten Maschinen Kohlenstaub als Brennstoff benutzt, so tritt derselbe ebenfalls durch gg ein, indem Luft oder Gas als Träger desselben zu Hülfe genommen werden. In Fig. 13, 14, 15 und 16 ist die Ausführung des Hauptventils in seinen drei Hauptstellungen gezeichnet. Die unrunde Scheibe s mit der Kurbel k wird von der Schwungradachse angetrieben. Zur Erkennung der entsprechenden Maschinenkurbelstellung ist dieselbe in den entsprechenden Stellungen einpunktirt (K).

In Fig. 13 steht die Maschinenkurbel im Todtpunkt, g die Zuflufsöffnung des Brennstoffes, und / die Zuflufsöffnung der Luft sind eben im Begriffe des Oeffnens.

Nach 5 pCt. Admission erhalten wir Fig. 14.

Die Maschinenkurbel steht entsprechend 5 pCt. Kolbenweg.

g hat eben abgeschlossen.

/ ist ganz offen.

Nach 20 pCt. Admission erhalten wir Fig. 15.

Die Maschinenkurbel steht entsprechend 20 pCt. Kolbenweg.

g bleibt geschlossen, / hat eben abgeschlossen.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   ι . Arbeitsverfahren für Explosionskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dafs die Vermischung des Brennstoffes mit der vorher möglichst isothermisch comprimirten Luft während des Arbeitshubes bis zum Zeitpunkt der Explosion stattfindet, wobei eine

   Drucksteigerung des entzündeten Gemisches dadurch verhindert werden kann, dafs der Cylinder mit einem, mit gespannten Gasen gefüllten Kessel verbunden wird, welche Verbindung erst einige Zeit nach der Entzündung abgesperrt wird, worauf die Expansion im Cylinder beginnt.
2. 2. Eine Aenderung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dafs Brennstoff und Luft während des Ansaugespiels gemischt werden, welches Gemisch zum Beginn des Arbeitsspieles, zu. welchem Zeitpunkt der Cylinder mit dem' Luftkessel verbunden wird, entzündet wird. ' ■

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.