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Kolbenkraftmaschine mit durch düsenartige Schlitzauslässe erreichter
Nachsaugwirkung in der Auspuffleitung. Bei Verbrennungsmaschinen ist es bekannt,
durch Fortsetzung der Auslässe in glatten und ohne scharfe Krümmungen ineinandergeführten
Rohren die in den auspuffenden Dämpfen oder Gasen noch enthaltene Energie zur Erzeugung
eines unterhalb der Atmosphäre liegenden Druckes im Arbeitszylinder auszunutzen;
dabei hat man auch eine saugende Einwirkung des beginnenden Auspuffs eines Zylinders
auf einen anderen zugleich in das gemeinsame Auspuffrohr geöffneten Zylinder mit
zur Erzielung kräftiger Saugwirkung herangezogen.
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Das Wesen der Erfindung besteht zuvörderst darin, daß die zur Erreichung
eines möglichst gleichförmigen Gasstromes in der, Auspuffleitungen erforderliche
Dehnung der Auspuffdauer durch Ausströmquerschnitte in Gestalt kleiner von der Kolbentotlage
verhältnismäßig weit entfernter Schlitzauslässe erreicht ist. Die Wirksamkeit dieser
während des größten Teiles der Auspuffzeit voll beaufschlagten Düsen und damit die
erreichbare Leersaugung des Zylinders werden damit besonders günstig. In demselben
Sinne besteht noch eine weitere wichtige Einzelmaßnahme zur Anpassung der neuen
Anordnung an Maschinen mit unregelmäßigem Kurbelversatze oder an synchron laufende
Einzelmaschinen (beispielsweise an Drehstromnetzen), in so verschiedener Bemessung
der Eröffnungsdauer und -größe der Auslässe der verschiedenen Zylinder, daß auch
in diesem Falle eine gute Aneinanderreihung der Auspuffwellen erfolgt. Der Ausströmquerschnitt
und damit auch die Ausströmdauer können ein für alle Male an der Maschine festgelegt
sein oder auch mit besonderem Vorteile vom Drehzahlregler durch Ab- und Zuschalten
oder Drosseln einer Gruppe zusammengeführter Leitungen während des Betriebes dauernd
beeinflußt werden, so daß sich auch bei Änderungen der Drehzahl und der Füllung
nie wesentliche Überdeckungen oder Abstände der Auspuffwellen ergeben.
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Wertvoll für die Erfindung ist es endlich, am Ende jeder Einzel- oder
Sammelauspuffleitung einen Diffusor anzubringen, der di.: vorhandene Strömungsenergie
regelrecht in Pressungsenergie umzusetzen d. h. den niedrigen Auspuffleitungsdruck
auf den höheren Auspuffdruck des Auspuffraumes (Atmosphäre, Vorwärmer, Aufnehmer,
Heizsystem usw.) zu bringen hat. Übersteigt das Verdichtungsverhältnis das kritische
Verdichtungsverhältnis, z. B. bei Dampf i : 1,73, so muß der Querschnitt
im Diffusor erst verkleinert und dann vergrößert werden, bleibt dagegen das Verdichtungsverhältnis
unter diesem Wert, so muß der Querschnitt im Diffusor lediglich erweitert werden.
Dabei ist es zweckmäßig, für jede Längeneinheit des Diffusors angenähert denselben
Betrag von Strömungsenergie in Preßenergie umzusetzen, weil dann die größte Sicherung
gegen Schwingungserscheinungen gegeben ist. Der Diffusor bildet die letzte und wirksamste
Sicherung gegen das Eindringen der Atmosphäre. Wenn noch Wellen in der Leitung vorhanden
sein sollten, werden diese so zusammengeschoben, daß sie in ihrer Gesamtheit eine
sehr wirksame Sicherung bilden.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung, und zwar sind Abb. z
und 2 Querschnitt und Längsschnitt eines Zylinders, der beispielsweise als Gleichstrom-Dampfmaschinenzylinder
dienen kann, Abb. 3 und q. Querschnitte anderer Ausführungsformen des die Düsen
enthaltenden Mittelteiles des Zylinders, Abb.5 eine Veranschaulichung der Zylinderanordnung
nebst Auspuffrohren einer vierzylindrigen Maschine nach Abb. i und 2, Abb. 6 bis
8 Kurbel- und Indikatordiagramme für Maschinen mit drei verschiedenen Kurbelzahlen
oder Zylinderzahlen, Abb. 9 ein Querschnitt eines Zylinders mit Einzelauspuffrohren
verschiedener Längen, Abb. io ein Längsschnitt eines Zylinders mit Auspuffschlitzen
verschiedener Vorausströmung, Abb. i i ein Diagramm zur Veranschaulichung der Auspuffverhältnisse.
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Der Dampfzylinder i (Abb. i und 2) enthält
in seinem
mittleren Teile Auslaßdüsen 2. die je nach dem zu verarbeitenden Druckgefälle nur
als Mündungen oder als sich erweiternde Düsen ausgebildet sind. Die Düsen :2 sind
im Verhältnis zu der Vorausströmungslänge 3, die zum Hube des Arbeitskolbens 5 in
dem durch die gewünschte Ausströmung bedingten Zusammenhange steht, von kleinem
Durchmesser, so daß sie während des größten Teiles des Hubstückes 3 ganz offen sind
und daher günstig arbeiten. Die Düsen 2 sind in langen Rohren 6 fortgesetzt, in
denen sich die Auspuffwellen mit der ihnen durch die Düsen erteilten unterhalb der
Atmosphäre liegenden Spannung fortbewegen, um eine gleichmäßige Saugwirkung sicherzustellen
und am Ende der Rohre 6 durch Diffusoren oder ähnliche Glieder wieder auf atmosphärische
Spannung oder auf die Spannung eines angeschlossenen Kondensators verdichtet zu
werden. Die Diffusoren sind einfache erweiterte Rohrmündungen, wenn sie nicht über
das kritische Druckverhältnis hinaus zu verdichten haben; anderenfalls sind sie
ähnlich wie eine Düse eingeschnürt und wieder erweitert.
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Bei den Ausführungsformen nach Abb.3 und 4 sind diese Verhältnisse
die gleichen, nur ist der ganze Zylinderumfang mit Düsen besetzt, und außerdem sind
die einzelnen Auspuffteile zusammengeleitet, so daß sie in einem einzigen gemeinsamen
Anschlußrohre weitergeführt werden können.
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Bei Mehrzylindermaschinen können (nach Abb. 5) die einzelnen Auspuffrohre
6 zusammengeführt sein. Dazu sind sie 'zunächst unverändert auf eine bestimmte Länge
7 einzeln fortgeführt, und zwar ist diese Länge 7 so groß und, der Querschnitt der
Rohre so bemessen, daß in diesen Rohrteilen sich die gesamte Nachexpansion abspielt,
die im ersten Teile der Auspuffzeit auftreten kann, wenn beispielsweise das Düsenexpansionsverhältnis
für etwa 2,5 Atm. paßt, das Druckgefälle dagegen noch 3 Atm. beträgt. Hinter diesen
Rohrlängen 7 sind die Verbindungsrohre 6 in Zusammenführungsstellen 8 derart zu
gemeinsamen langen Auspuffrohren 9 zusammengeführt, daß je ein Rohr von jedem der
Zylinder r ausgewählt und diese untereinander vereint sind. Nach Maßgabe der Verhältnisse
können auch zwei oder mehr Rohre jedes Zylinders zusammengefaßt sein und bei genügender
Wellengleichheit auch sämtliche Sammelrohre 9, so daß ein einziges Sammelrohr vorhanden
ist.
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Wenn die Auspuffhübe der einzelnen Zylinder zeitlich gleichmäßig versetzt
sind, können die Längen der Rohre 6 untereinander gleich sein. Wenn aber ein ungleichmäßiger
Versatz vorliegt, oder wenn etwa zwei Zylinder zugleich auspuffen und demgemäß ein
Auseinanderdrängen der Auspuffwellen an bestimmten Stellen eintreten würde, sind
die Längen der Einzelrohre durch Einlegen von Rohrschlingen derartig verschieden
zu beinessen, daß sie an der Zusammenführungsstelle 8 genügend weit gegeneinander
verschoben ankommen. Wenn beispielsweise die beiden zumeist rechts liegenden Zylinder
r gleichzeitig auspuffen, erhalten die Rohre 6 des ganz rechts liegenden Zylinders
große Rohrspiralen oder sonstige Umleitungen eingefügt; die hier durchströmenden
Auspuffgase oder -dämpfe kommen dann an der Zusammenführungsstelle 8 so viel später
an, daß sie sich mit den Wellentälern der Auspuffe des anderen Zylinders überlagern,
ohne daß eine den Rohrquerschnitt überlastende Zusaminendrängung von Auspuffwellen
entsteht.
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Ähnlich können (nach Abb. g) bei einem einzigen Zylinder mit mehreren
Einzelauslässen die einzelnen Auslaßrohre 6 vor ihren Zusammenführungsstellen 8
in Rohrspiralen io einen verlängerten Weg von verschiedener Größe erhalten, indem
die Spiralen io untereinander verschiedene Windungszahl oder verschiedenen Durchmesser
besitzen; oder es können auch sonstwie geformte Umwege eingeschaltet sein.
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Eine weitere Dehnung der Auspuffwellen eines einzigen Zylinders ist
(nach Abb. ro) erreichbar, indem die einzelnen Auslaßschlitze 2 verschieden weit
vom Hubende in der Zylinderlaufbahn münden, so daß sie verschieden große Vorausströmungen
besitzen. Soweit erforderlich können auch hier die Verbindungsrohre 6 verschieden
große Längen erhalten, und es sind auch noch sonstige Vereinigungen der in den Abb.
5, 9 und io dargestellten Einzelausführungen möglich, so daß an beliebige Verhältnisse
des Motors eine Anpassung der Auspuffleitungen zu guter Wellenaneinanderreihung
stets erreichbar ist.
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Die Vorausströmungslängen (vg1.3, Abb.2) sind so zu bemessen, daß
in jedem Augenblicke einer der Zylinder Ausströmung besitzt. So zeigt Abb.6 ein
Diagramm mit 50 Prozent Vorausströmung, und dieses würde bei einer Maschine
mit einem doppeltwirkenden Zylinder oder mit zwei einfachwirkenden Zweitaktzylindern
oder mit vier einfachwirkenden Viertaktzylindern gerade eine lückenlose Aneinanderreihung
der Auspuffe im Sammelrohr 9 bedeuten. Das zweite Diagramm (Abb.7) würde in derselben
Art mit einer Vorausströmung von 25 Prozent die lückenlose Aneinanderreihung etwa
bei einem normalen- dreizylindrigen Zweitaktverbrennungsmotor oder bei einem sechszylindrigen
Viertaktmotor bedeuten. Das letzte Diagramm (Abb. 8) endlich zeigt, wie mit 7 Prozent
Vorausströmun z die Aneinanderreihunz
etwa hei einem sechszylindrigen
Zweitaktmotor sich ergibt.
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In ähnlicher Weise ergehen sich die Verhältnisse auch bei Maschinen
mit Ausströmung durch gesteuerte Ventile oder ähnliche Glieder, nur brauchen dort
die Punkte 11, 12 (Abb. 6 bis 8) für den Beginn und Schluß der Ausströmung nicht
um gleiche Winkel votr Kurbeltotpunkte entfernt liegen, da die Steuerungen hier
weiten Spielraum lassen.
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Das Diagramm (Abb. i i) zeigt in der Linie 13 den Druckverlauf im
Zylinder nach dem Kurbelwinkel aufgetragen und gibt verschiedene Auslaßeröffnungslinien
1d., 15, 16, die sämtlich der Einheitlichkeit halber für eine Ausströmung von
50 Prozent vor bis 5o Prozent nach dem Totpunkte gezeichnet sind. Die Höhen
der Linien bedeuten die Größe des Ventilspaltquerschnittes oder ihm entsprechenden
Auslaßquerschnittes. Von diesen zeigt die oberste Linie 1.1 die übliche ähnlich
einer Sinuslinie verlaufende Gestalt, die auf die Drucke während des Ausströmungsvorganges
keinerlei Rücksicht nimmt. Die zweite Linie 15 entspricht der Schlitzeröffnung einer
Schlitzauslaßmaschine mit kleinen weit vom Totpunkte entfernt liegenden Düsen, die
während des größten Teiles der Ausströmung voll offenstehen und demgemäß guten Wirkungsgrad
haben. Die unterste Linie 16 endlich entspricht einer Maschine mit gesteuertem Auslaßventil
oder einem ähnlichen Auslaßgliede. Der Ventilquerschnitt nimmt hierbei während des
Anhebens in derartiger zeitlicher Bemessung zu, daß in jedem Augenblick der gerade
geöffnete Ventilspalt mit dem größten Querschnitt im Ventilhalse ein Düsenerweiterungsverhältnis
ergibt, das dem gerade herrschenden Drucke im Zylinder die richtige Expansion auf
den Gegendruck ermöglicht. -.L%Iit sinkendem Zylinderdruck steigt demgemäß der Spaltquerschnitt,
so daß das Düsenerweiterungsverhältnis passend sinkt; sobald dann das kritische
Druckgefälle zwischen Zylinderdruck und Gegendruck unterschritten wird und demgemäß
keine erweiterte Düse sondern nur eine einfache Mündung nötig ist, steht das Ventil
in voll geöffneter Lage mit überall gleich großem Querschnitt eine Zeitlang still,
um dann möglichst schnell geschlossen zu werden- Die Beschleunigungsverhältnisse
bedingen unter Umständen, daß sofort nach Erreichen der höchsten Lage die Schließbewegung
einsetzen muß; dann würde der oberste wagerecht verlaufende Teil der Linie 16 zu
einem Punkt zusammenschrumpfen. Die sämtlichen Linien 1d., 15, 16 geben naturgemäß
nur den ungefähren- Charakter der wirklich zu erzielenden Linien wieder, da diese
für verschiedene Kraftmaschinen ungleich sind.
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Bei der düsenartigen Ausbildung der Auslaßventile besteht das Wesentliche
darin, daß an die Sitzflächen sich Leitflächen anschließen, die ohne scharfen Knick
in die Sitzflächen übergehen, und zwar sowohl beim Ventilteller wie auch beim Ventilsitz.
Weiterhin sind nur in üblicher Weise -möglichst schlanke Überführungen der einzelnen
Querschnitte ineinander wichtig, so daß keine die Strömung störenden Hervorragungen
in dem Durchflußraum sich befinden.