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Selbstzündende Brennkraftmaschine mit Einspritzung des Brennstoffs
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, bei der die Selbstzündung des in
den Zylinderraum eingespritzten Brennstoffes durch die vorgewärmte und außerhalb
des Zylinders- vorverdichtete Luft erfolgt und der eine Feuerbrücke tragende Arbeitskolben
mit dem Verdichterkolben starr verbunden ist, wobei die Erwärmung der Brennluft
im Wärmeaustauscher mit den Abgasen stattfindet.
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Maschinen der genannten Gattung sind wegen der Verwendung des Wärmeaustauschers
wohl schwerer als solche mit der Brennluftvorwärmung durch die Verdichtungsräume,
doch sind deren Abgase kälter und die Verluste dadurch kleiner. Bei der Verwendung
eines besonderen Verdichterkolbens kann man auch vorteilhaft die Leistung statt
nur in Form von mechanischer Energie an der Kurbelwelle in Form von Druckluft teilweise
oder vollständig abnehmen.
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Es ist bereits bei den Gasturbinen erstrebt worden, einen thermodynamischen
Kreisprozeß durchzuführen, der,, zwischen zwei angenäherten Isothermen und zwei
angenäherten Isobaren liegt. Die Isobaren lassen sich, wenn auch nicht ohne Temperaturgefälle,
durch Verwendung von Wärmeaustauschern verwirklichen. Den Isothermen kann man nahekommen
durch vielstufige adiabatische Verdichtung bzw. Entspannung mit jedesmaliger Zwischenkühlung
bzw. Zwischenüberhitzung. Gasturbinen eignen: sich jedoch für kleine Leistungen
nicht, weil dann die benetzten reibungsgebenden Oberflächen im Verhältnis zu den
umschlossenen Räumen zu ungünstig werden.
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Werden bei den Kolbenmaschinen, die ja auch für kleinere Leistungen
bestimmt sind, mehrere Stufen zur Verdichtung und Entspannung verwendet und gleichzeitig
auch Wärmeaustauscher benutzt, so ergibt sich zwar ein theoretisch ebenso günstiger
Prozeß wie bei den Gasturbinen (Ackerett-Keller-Prozeß), die Vielzahl der Kolben
ergibt dabei aber nicht nur teure :Maschinen, sondern wegen der Reibung, durch die
mehrfach `gekröpften Kurbeln und die vielen Lager auch größere Verluste. Die teilweise
Verwendung von zusätzlichen Rotationsmaschinen, z. B. Drehkolbengebläsen, komplizieren
deren Aufbau erst recht.
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Wenn bei dien bekannten Kolbenmaschinen dieser Art auch schon eine
der Isotherme vielstufige nahekommende Verdichtung bei möglichst tiefer Temperatur
erreicht worden ist, der sich dann eine isobare Erhitzung durch die Abgase anschließt,
die hauptsächlich in einem Wärmeaustauscher vor sich geht, fehlt bei ihnen doch
die Ergänzung des'Kreisprozesses durch die annähernd isotherme Entspannung bei durch
die Materialfestigkeit bedingter Höchsttemperatur, und gerade diese ist für einen
guten Wirkungsgrad von größter Bedeutung.
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Die Brennkraftmaschine nach der Erfindung gestattet hingegen die Durchführung
des erstrebten Kreisprozesses. Dieser - hätte, wenn die Zustandsänderungen theoretisch-
genau durchgeführt werden. könnten, für die verlustlose Maschine den Carnotwirkungsgrad.
Wegen der unvermeidbaren Wärmegefälle und der Reibung liegt der tatsächlich erzielbare
Wirkungsgrad zwar unter diesem, ist aber doch recht hoch und kann vor allem mit
einem verhältnismäßig einfachen und gedrängten Maschinenaufbau erreicht werden.
Zur Verdichtung werden nämlich auf der einen Kolbenseite, wie bereits vorgeschlagen,
jedoch in der Literatur noch nicht bekannt, -konzentrisch liegende Ringräume- benutzt,
zur Entspannung, wird hingegen nur ein einziger Zylinderraum verwendet; in den aber
laufend während des gesamten Kolbenabwärtshubes gerade so viel Brennstoff eingespritzt
wird, daß erst die isobare Erwärmung, die im Wärmeaustauscher noch nicht beendet
war, erzielt wird und dann die Temperatur konstant gehalten wird, was der Isotherme
mit der höchstzulässigen Temperatur entspricht.
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Zur Erläuterung an einem Beispiel dienen die schematischen Zeichnungen;
hierin zeigt Fig.1 den Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine nach der Erfindung,
Fig. 2 den Linienzug des erstrebten Prozesses im P-V-Diagramm, Fig. 3 den Linienzug
desselben im T-S-Diagramm, Fig. 4 den Linienzug desselben im Q-L-Diagramm. Der Expansionszylinder
1 ist mit dem Kompressionszylinder 2 starr verbunden. Der Expansionskolben 3 trägt
zwecks Wärmeabschirmung die Feuerbrücke 4, deren Höhe etwa der Hublänge entspricht,
um die heißen Brenngase von den Kolbenringen R abzuhalten. Durch vier Stangen 5
ist er mit dem Kompressionskolben
6 fest und starr verbunden. Dieser
trägt unten mehrere konzentrische und mit nach außen spannenden Kolbenringen R versehene
Ringkörper 7 und B. Es sind tatsächlich eine ganze Anzahl solcher Ringkörper vorhanden,
jedoch sind der Einfachheit und Klarheit halber in der Zeichnung nur zwei eingezeichnet
worden. Diese müssen nicht, wie gezeichnet, vollwandig sein. Sie gleiten bei der
Kolbenbewegung mit nur geringem Spiel in den dazwischenliegenden Ringkörpern 9,
die mit dem Kompressionszylinder 2 fest und dicht verbunden sind oder, wie gezeichnet,
in diesen direkt eingegossen sind. Hierdurch entstehen versetzte ringförmige konzentrische
Kompressionsräume 10, 11, 12, die von außen nach innen zwangläufig geringeres Volumen
haben, und die Wandstärken sind so bemessen, daß diese Volumina eine fortschreitende
geometrische Reihe bilden, wie es die ideale mehrstufige Kompression erfordert.
Der Expansionskolben 3 ist aber nicht nur mit dem Kompressionskolben 6 starr, sondern
auch mit einem Kurbeltrieb, bestehend aus Pleuelstange 13, Kurbel 14 und Kurbelwelle
15, die auch ein Schwungrad und einen Wellenstummel zum Anwerfen und zur Kraftabnahme
trägt, gelenkig verbunden. Der Expansionszylinder 1 ist in seinem oberen Teil wärmeisoliert
durch die Isolation 16 und in seinem unteren Teil zur Abführung der Reibungswärme
durch den Wassermantel 17 etwas gekühlt. In den unter dem Kompressionszylinder
2 liegenden Kühlraum 18 tritt durch die Leitung 19 Kühlwasser zu und durch die Leitung
20 wieder aus.
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Durch die Kolbenbewegung wird Frischluft durch die Ansaugleitung 21
angesaugt und tritt durch das Rückschlagventil 22 und die Leitung 23 in den äußeren
Ringraum 10 kalt ein, wenn die Kolben nach oben gleiten, und wird z. B. auf 2,15
ata verdichtet, wenn sich die Kolben nach unten bewegen. Vorkomprimiert gelangt
sie durch die Leitung 23, das Rückschlagventil 24 und die Kühlschlange 25 in den
Windkessel 26 und von hier beim nächsten Hub durch die Leitung 27, Rückschlagventil
28 und Leitung 29 in den Ringraum 11. Vor hier gelangt sie in gleicher Art nach
weiterer Verdichtung über Leitung 29, Rückschlagventil 30, Kühlschlange 31, Windkessel
32, Leitung 33, Rückschlagv entil 34 und Leitung 35 in den Raum 12 und von hier
nach abermaliger Verdichtung über Leitung 35, Rückschlagventil 36, Leitung 37, Kühlschlange
38, Windkessel 39 und Leitung 40 in die Leitung 41 oder teilweise auch abgezweigt
durch das Ventil 42 und die Leitung 43 zur Preßluftverwendungsstelle. Die bereits
auf z. B. 10- ata verdichtete, aber noch kalte Luft wird nun im Gegenstromwärm-eaustauscher
44 durch die Abgase, welche z. B. eine Temperatur von 923° C (= 1200° K) aufweisen,
angewärmt und strömt heiß durch die Leitung 46 und das gesteuerte Ventil 47 in den
stets annähernd gleichmäßig heißen Expansionsraum 48 ein. In diesen wird während
des gesamten Abwärtshubes des Expansionskolbens 3 durch die Düse 49 aus der Brennstoffleitung
50 genausoviel Brennöl kontinuierlich eingespritzt, daß die Temperatur der Abgase
nach vorheriger isobarer Erwärmung auf z. B: 1200° K konstant gehalten wird. Die
Einspritzmenge ist also der Kolbenbewegung proportional zu halten. Das gesteuerte
Ventil 47 hat schon vorher, z. B. nach einem Zehntel Kolbenhub, geschlossen.. Ein
Luftmangel bei der Verbrennung kann bis zur Erreichung des unteren Totpunktes durch
den Kolben nicht eintreten. Bei unterster Kolbenstellung öffnet das Ventil
51, und die Abgase können, z. B. auf 1 ata entspannt, aber noch völlig heiß
durch die Leitung 52 in den Windkessel 53 gelangen, von wo aus sie gleichmäßig dem
Gegenstromwärmeaustauscher 44 zuströmen. Durch diesen gelangen sie entspannt und
fast völlig abgekühlt durch die Leitung 54 ins Freie.
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Da hierbei Wärme nur während der isothermen Expansion bei maximaler
Temperatur zugeführt und nur während der isothermen Kompression bei minimaler Temperatur
abgeführt wird, so sind die Bedingungen zur Erreichung des Carnotwirkungsgrades
für die verlustlose Maschine erfüllt. Die mechanischen und sonstigen Verluste bleiben
aber klein, da ja die Hauptkräfte für die Verdichtung unter Umgehung des Kurbeltriebes
von Kolben auf Kolben wie bei einem Flugkolhenverdichter direkt übertragen werden.
Die Abnahme der geleisteten Arbeit erfolgt wahlweise als mechanische Energie an
der Kurbelwelle 15, wenn das Volumen des äußeren Ringraumes 10 entsprechend
gewählt ist, also z. B. ein Viertel des Expansionsraumes 48 beträgt bei 300° K Ansaugtemperatur
und 1200° K Höchsttemperatur, oder sie erfolgt in Form von Preßluft durch die Leitung
43 oder bei einer vorhergehenden Stufe. Dann ist der Inhalt der Verdichtungsräume
10, 11, 12 im Verhältnis zum Expansionsraum 48 entsprechend größer
zu wählen. Das Schwungrad an der Kurbelwelle 15 dient als zusätzliches Speicherorgan
für die Verteilung der Energie während eines Kolbenhubes.
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In den Diagrammen der Fig. 2 bis 4 erfolgt die geschilderte, annähernd
isotherme Kompression von Punkt 55 nach Punkt 56, die isobare Anwärmung von Punkt
56 nach Punkt 57, die isotherm.e Expansion von Punkt 57 nach Punkt 58, die isobare
Abkühlung im Wärmeaustauscher von Punkt 58 nach Punkt 59
bzw. zurück
nach Punkt 55. Die eventuelle Druckluftentnahme für sonstige Zwecke erfolgt z. B.
im Punkt 56.
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Die Feuerbrücke 4 ist großen Beanspruchungen ausgesetzt, und man kann
z. B.' ein kleines Rückschlagventil V in ihrem Deckel anbringen, um in ihr stets
einen hohen Innendruck zu halten und sie gegen das Eingedrücktwerden zu sichern.
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Konstruktiv läßt sich die beschriebene Brennkraftmaschine in vieler
Hinsicht abwandeln. Es kann z. B. der Kurbeltrieb auch ganz fortgelassen werden,
wenn die Maschine bloß als Kompressor verwendet werden soll.