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Im Viertakt arbeitender Treibmittelerzeuger mit Drucklufterzeugung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas-oder Ölkraftanlage mit einem im Viertakt
arbeitenden Verbrennungsteil, in welchem Brennstoff zur Erzeugung eines Treibmittels
verbrannt wird, das in einer besonderen Kraftmaschine verwendet wird, wobei .die
von dem Verbrennungsteil entwickelte Kraft dazu benutzt wird, Druckluft zu erzeugen,
die dem Treibmittel zugeführt wird.
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Eine solche Anlage soll eine wesentliche Ersparnis gegenüber anderen
bekannten Kraftanlagen aufweisen, welche Ersparnis nicht durch entsprechende Zunahme
der Entwurfs- und Bau- oder Erhaltungskosten wieder aufgewogen wird. Es ist deshalb
von Wichtigkeit, einen möglichst hohen thermischen Wirkungsgrad unter geringen Entwurfs-
und Baukosten zu erzielen, und hierin liegt die Hauptaufgabe der Erfindung.
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Es ist bei Anlagen von ähnlicher Art, die aber nach dem Zweitakt beim
Verbrennungsvorgang arbeiten, schon vorgeschlagen worden, die Zylinderräume auf
gegenüberliegenden Kolbenseiten abwechselnd für Luftverdichtung und Gemischverbrennung
zu benutzen, wobei die verdichtete Luft als Puffer für den Kolben am Ende jedes
Hubes wirken sollte (es wurden zwei Kolben in Tandemanordnung miteinander verbunden),
so daß eine Kurbelwelle und das Kurbelgestänge in Wegfall kommen sollten. Eine solche
Anordnung erwies sich aber aus mannigfachen Gründen als ungeeignet. Der Zweitaktprozeß
hat den unvermeidbaren Nachteil geringen Wirkungsgrades, und außerdem wird annähernd
die Hälfte des Zylinderfassungsvermögens nutzlos während des Verbrennungsvorganges
benutzt, um genügend Luft während der Luftverdichtung verdichten zu können. Bei
Brennkraftmaschinen, beispielsweise Flugzeugmotoren, ist es auch bekannt, den Zylinderraum
auf der Rückseite des Kolbens zur Luftverdichtung nutzbar zu machen, um die Maschine
zwecks erhöhter Kraftleistung zu überladen.
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Bei der Erfindung handelt es sich dagegen nicht um eine Erhöhung der
Kraftleistung des Verbrennungsteils der Anlage, sondern darum, die Kraft, die in
Verbindung mit der Erzeugung des Treibmittels an sich entwickelt wird, so günstig
wie möglich auszunutzen.
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Gemäß der Erfindung ist die Kraftanlage der geschilderten Art dadurch
gekennzeichnet, daß dem Zylinder, den der Kolben in an sich bekannter Weise in einen
Verbrennungsraum auf der einen und einen Luftverdichtungsraum auf der anderen Seite
unterteilt, die verdichtete Luft bei zwei verschiedenen Drücken entnommen wird,
deren einer ungefähr dem Einlaßdruck der in den Verbrennungsraum eintretenden Ladeluft
entspricht,
während der andere annähernd gleich dem Druck der aus
dem Verbrennungsraum. austretenden verbrannten Gase ist.
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Aus dieser Anordnung ergibt sich, - däß durch einen einzigen Arbeitszylinder,
dessen Rauminhalt nicht größer ist, als er für die Menge der Ladung an verbranntem
Gas bei der Temperatur und dem Druck gefordert wird, bei welchem der Auspuff zu
dem Motorteil erfolgt, die notwendige Menge verdichteter Luft zur Erzielung dieser
Ladung unter Arbeitsausgleich während eines Arbeitsspieles geliefert wird, ohne
daß irgend.@velche äußeren Verdichtungsmittel notwendig sind. Da auch eine bestimmte
Luftmenge erzeugt und den Verbrennungserzeugnissen beim Auspuffdruck des Verbrennungsvorganges
beigefügt werden kann, so kann für eine gegebene Zylindergröße eine größere Menge
von Treibmitteln des verlangten Druckes und wirkungsvoller erzeugt werden als -bei
anderen bekannten Anlagen dieser Art. Da die Größe des Zylinders nach Maßgabe von
Verbrennung und Luftverdichtung- für die erzeugte Treibmittelmenge verhältnismäßig
klein ist, sind die Wärmeverluste durch Strahlung und Leitung durch die Zylinderwände
ebenfalls gering, und die Wärme, die die verdichtete Luft von den Zylinderwandungen
aufnimmt, wird teils mit der frischen. Ladung zurückgeführt, teils unmittelbar auf
das -Treibmittel übertragen..
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Die- Erfindung ist durch die Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar sind Abb. i und 2 Diagramme, die Kreisprozesse des Verbrennungsteiles veranschaulichen.
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Abb.3 veranschaulicht die Bauart- eines Zylinders, in dem ein Kreisprozeß
nach Abb. z und 2 ausgeführt wird.-In Abb: i und 2 veranschaulichen die Ordinaten
den. Druck und die Abszissen -das Fassungsvermögen des Zylinders, und zwar veranschaulicht
Abb. i Verbrennung= bei gleichbleibendem Druck und Abb. 2 Verbrennung bei gleichbleibendem
Räum. In beiden Fällen bedeutet O C die Menge- von Luft und gasförmigem Brennstoff
bei Atmosphärendruck OL. _ Betrachtet man einen Arbeitsvorgang an der Verbrennungsseite
des Kolbens, ..so bedeutet TKB. den Saughub; während des Teiles KB dieses
Hubes wird ein Gemisch- von Luft und gasförmigem Brennstoff in den Zylinder eingesaugt.
BD veranschaulicht die Verdichtung dieses Mittels oder den Verdichtungshub. DF veranschaulicht
die Verbrennung und FG die Entspannung nach der Verbrennung oder den Entspannungshub:
GI bedeutet den Auspuffhub.
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Im dargestellten Falle bedeutet HJ den Totraum hinter dem Kolben,
und die- ihn am Ende des Auspuffhubes einnehmenden Verbrennungsgase können in die
Auspuffleitung und von dort zur Kraftmaschine verdrängt werden. Eine solche Verdrängung
wird im ausgewählten Beispiel durch Luft bewirkt, die zum Zylinder am oder nahe
am Ende des Auspuffhubes zugelassen wird und die einen Druck OH und ein Volumen
HJ hat. Beim Abschluß des Auspuffventils und während des nächsten Saughubes
entspannt sich die im Totraum eingeschlossene Luft zunächst in der durch IK dargestellten
Weise. Bei K wird der Zylinder geöffnet, und die nächste Ladung von Gasluftgemisch
tritt in den Zylinder ein. Statt mit Druckluft könnten die Verbrennungsgase auch
durch Anwendung eines besonderen Hilfskolbens aus dem Totraum verdrängt werden.
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Es sei nunmehr die Verdichtung an der gegenüberliegenden Kolbenseite
betrachtet. Es werden gleichzeitig zwei- Verdichtungskreisgänge :durchlaufen, während
ein Verbrennungsvorgang der beschriebenen Art stattfindet. Die Abb. i und 2 veranschaulichen
somit zwei wirkliche Verdichtungsvorgänge: Der Verdichtungskreisprozeß verläuft
wie folgt:- Die durch 0C bezeichnete Menge Luft oder Luft und gasförmiger Brennstoff
bei Atmosphärendruck-OL wird. auf- den Druck 0A und - das Volumen 0I verdichtet:
Sein Teil BK -tritt in den Verbrennungszylinder ein; und der Rest KA- wird weiter
in der im- folgenden beschriebenen Weise auf den Drück OH -verdichtet - und=
in der be-, schriebenen - Weise-in.- den Verbrennungszylinder- -eingelei-tet= um
die Verbrennungsgase zu verdrängen,-die sonst den Toträum-_ am Ende des Auspuffhubes
einnehmen würden. _ Betrachtet -und negative Arbeit des Kreisprozesses nach Abb.
i und- 2;. so erkennt man, daß die Fläche DFGM die positive und MBKJ die negative
Arbeit darstellt, die auf der einen Kolbenseite stattfindet, und daß die
Fläche LNBKIHL die negative Arbeit auf der anderen Kolbenseite veranschaulicht.
- Fügt man zu dieser negativen Arbeit .die -Leistung, die verbraucht ist für die
Reibung, Antrieb von Hilfsmaschinen, einschließlich Verdichtung von Zusatzluft-
zum- Kühlen oder--Luft, die in anderer Weise der Kraftmaschine zugeleitet wird,
so ist die gesamte positive und- negative Arbeit- des Verbrennungsteiles hn wesentlichen
gleich. -Ihm Abb. 3, die schematisch eine Maschine darstellt, in der sich die veranschaulichten.
Kreisvorgänge abspielen- können, ist i der Zylinder; in dem- -die Verbrennung stattfindet,
und
zwar links vom Kolben 3, während die Luft vor ihrer Zulassung zur Verbrennungsseite
an der rechten Seite des Kolbens 3 verdichtet wird. Verfolgt man den Kreisprozeß
nach Abb. i und beginnt man mit dem Saughub, bei dem der Kolben sich von links nach
rechts bewegt, so sind folgende Vorgänge zu beobachten: Das Saugventil 2 öffnet
sich, wenn der Kolben eine Stellung entsprechend K in Abb. i erreicht hat, und läßt
Luft aus dem Aufnehmer 2o während des Restes des Hubes eintreten. Am Hubende schließt
sich das Ventil 2; -und auf dem Rückgang verdichtet der Kolben die Luftladung. Am
Ende des Verdichtungshubes wird durch Ventil s Brennstoff eingespritzt. Es treten
Verbrennung und Entspannung ein unter Bewegung des Kolbens nach rechts. Am oder
nahe am Ende des Entspannungshubes öffnet sich das Auspuffventil 6, und während
der Rückgangbewegung des Kolbens xverden die verbrannten Gase durch Ventil 6 ausgetrieben.
Am oder nahe am Ende des Auspuffhubes wird das Spülventil ig geöffnet, und es tritt
Luft aus dem Aufnehmer 18 in den Zylinder und treibt die verbrannten Gase, die in
dem Totraum verblieben sind, durch das Ventil 6 aus. Dann schließen sich beide Ventile
6 und rg, und der nächste Saughub beginnt.
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Die Verdichtung auf der rechten Seite des Kolbens 3 geschieht wie
folgt: Wenn sich der Kolben von der äußersten Rechtslage entfernt, so wird das Ventil
21 geöffnet, und Luft wird bei gleichbleibendem Druck OL
(Abb. i) eingesaugt.
Die Ansaugung dauert bis zum Ende des Hubes an, und der Kolben 3 bewegt sich dann
nach rechts. Dabei verdichtet er die Luft bis zur Erreichung eines Druckes, dgr
etwas größer ist als der Druck im Aufnehmer 2o. In diesem Augenblick öffnet sich
das Ventil 22, und es tritt eine Förderung in den Aufnehmer 2o bei wesentlich gleichbleibendem
Druck ein, bis der Kolben 3 die öffnung abdeckt, die zum Ventil 22 leitet, oder
bis die Verbindung eines Ventils mit dem Zylinder in anderer Weise geschlossen wird.
Der Rest der eingeschlossenen Luft wird weiter verdichtet, bis ein Druck erreicht
wird, der etwas größer ist als der Druck des Treibmittels, das zur Kraftmaschine
der Anlage übergeleitet wird. Ist dieser erreicht, so wird das Ventil 23 geöffnet,
und die verbleibende Luftmenge wird bei diesem gleichbleibenden Druck zum Aufnehmer
i8 geleitet. Das Ventil 23 wird von einem Kolben 24 gesteuert, der in einem Zylinder
25 arbeitet und in dem ein Druck vorhanden ist, der im wesentlichen dem entspricht,
auf den das Treibmittel zur Kraftmaschine der Anlage geleitet wird. Am Ende des
Hubes schließt sich das Ventil--23,-und der Kreisprozeß ist beendet.
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Aus Abb. i und 2 und unter Berücksichtigung der rechts vom Kolben
3 für einen Verbrennungskreisprozeß auf der linken Seite behandelten Vorgänge sind
die Vorgänge, die sich auf der rechten Seite des Kolbens 3 abspielen, klar. Es wird
Luft vom Volumen 0C bei einem Druck OL angesaugt, der atmosphärisch oder
vom Atmasphärendruck verschieden sein kann. 'Sie wird in der durch NB- veranschaulichten
Weise verdichtet, wonach sich das Ventil 2:2 öffnet und Auslieferung nach BK bei
gleichbleibendem Druck 0A stattfindet, wonach der durch AK :dargestellte Raum von
22 abgeschlossen wird. Dessen Inhalt wird in der durch KT veranschaulichten Weise
verdichtet, wonach bei J das Ventil 23 sich öffnet und die Luft zum Behälter
18 mit gleichbleibendem Druck OH und in der durch JH veranschaulichten
Menge ausgetrieben wird.
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Statt daß in dem Zylinder in zwei Stufen an seiner rechten Seite Luft
verdichtet wird, um das Treibmittel aus dem Totraum in der beschriebenen Weise zu
verdrängen, kann die erforderliche Luft teilweise an der -Verbrennungsseite des
Kolbens verdichtet werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Betrachtet man den
Verdichtungshub des Verbrennungssatzes, wie er an Hand der Abb. 3 beschrieben ist,
bei dem aber die Vorverdichtung auf den Spüldruck nicht rechts vom Kolben 3 eintritt
und z8 ein Behälter oder eine Kammer. ist, die nur in den Zylinder i durch ein Ventil
ig ausmündet, so öffnet sich das Ventil zg, wenn der im Zylinder i erreichte Druck
etwas höher liegt als der im Behälter 18, und es tritt ein Eintreiben von verdichteter
Luft in diesen bei im wesentlichen gleichbleibendem Druck oder bei ansteigendem
Druck nach Maßgabe der Raumgröße des Behälters 18 ein; im vorliegenden Falle sei
im wesentlichen gleichbleibender Druck erzielt. Das Ventil i9 schließt sich, wenn
genügend Luft in den Raum i8 eingelassen ist, und es wird dann die Verdichtung der
verbleibenden Luftladung beendet, der Brennstoffeinspritzung, Entspannung und Auspuff,
wie vorbeschrieben, folgen; das Ventil ig wird etwa gegen Ende des Auspuffhubes
geöffnet, um Luft aus dem Behälter 18 zwecks Verdrängung des Treibmittels im Totraum
zuzulassen, wobei die Raumgröße von 18 im vorliegenden Falle im wesentlichen gleichbleibenden
Druck ergibt. Bei einer anderen Anordnung kann das Ventil ig während der Einführung
und eines Teiles der Verdichtung offen sein und geschlossen, wenn ein genügender
Druck im Raum 18 erreicht ist, der es ermöglicht, daß die Luft
darin
am Ende des Auspuffhubes die Verdrängung des Treibmittelsi@ im Totraum auszuführen
vermag. Kreisprozesse, bei denen die Verbrennung bei gleichbleibendem Raum oder
unter veränderlichem Druck und Raum stattfindet, können ebensogut durch die in Abb.3
wiedergegebenen Einrichtungen durchgeführt werden, wie leicht ersichtlicht ist.
Wird ein gasförmiger Brennstoff angewendet, so kann dieser getrennt oder als Gemisch
mit der zur Verbrennung notwendigen Luft vorverdichtet werden. Im ersten Falle würde
eine Mischung mit der vorverdichteten Luft beim Einlaß und während des Saughubes
stattfinden. Es würde aber Vorkehrung getroffen werden, daß die Spülluft vom Verbrennungsteil
in der oben beschriebenen Weise oder auch entweder von - der Kraftmaschine oder
einer unabhängigen Vorrichtung verdichtet würde. In allen vörbeschriebenen Anordnungen
kann das Treibmittel gekühlt werden.
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Bei dem Innenverbrennungssatz nach Abb. 3 enthält der Zylinder i nur
einen Arbeitskolben. Die Erfindung kann in jedem Falle zwei im gleichen Zylinder
gegenläufig arbeitende Kolben anwenden, wobei dann die Verbrennung vorzugsweise
zwischen den Kolben erfolgt und .die Verdichtung an den Außenflächen.