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Einrichtung zur Nutzbarmachung der Auspuffenergie bei Kolbenkraftmaschinen.
Bei Kolbenkraftmaschinen hat man, um die in dem aaspuffenden Gas oder Dampf noch
enthaltene restliche Pressungsenergie nutzbar zu machen, versucht, einerseits durch
besonders lange Ausgestaltung des Auslaßrohres und anderseits durch Anbringung von
Expansionsdüsen im Auslaßrohre eine Expansion des Dampfes oder Gases herbeizuführen
und dadurch einen wirksamen. Dampfstrom oder Gasstrom zu erzeugen, der im Zylinder
eine Nachsaugwirkung ergeben soll. Ein Erfolg war jedoch nicht erreichbar.
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Gemäß der Erfindung sind zur Nutzbarmachung der Auspuffenergie bei
Kolbenkraftmaschinen unmittelbar am Zylinder eine oder mehrere Auspuffdüsen vorgesehen,
die in ihrem Gesamtquerschnitt und ihrem Erweiterungsverhältnis so ausgebildet sind,
daß sie
eine regelrechte Expansion von einem mittleren Auslaßdruck
auf das rechnerisch erreichbare Vakuum ergeben, indem diese Düsen unmittelbar mit
dem weitesten Düsenquerschnitt ohne scharfe Querschnittsänderungen oder Ecken in
eine Auslaßleitung übergehen. Die Errechnung des Vakuums kann beispielsweise durch
Ausplanimetrieren des Auspuffzipfels im Arheitsdiagramm erfolgen, indem dessen Fläche
nach Abzug der Verluste die durch das Vakuum sich ergebende Gewinnfläche decken
muß. Hierdurch ist eine hochwertig vollkommene Expansion erreicht, und durch die
völlige Eckenfreiheit der Auslaßwege wird die durch die Expansion erzeugte hohe
Dampfgeschwindigkeit oder Gasgeschwindigkeit vollwertig aufrechterhalten und zur
Erzeugung kräftiger Nachsaugwirkung im Zylinder nutzbar gemacht.
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Gemäß der durch die weitgehende Expansion in den Auslaßrohren erzeugten
tiefgehenden Saugspannung ergibt sich eine weitere wichtige Ausgestaltung der Erfindung,
indem am Ende der Auslaßleitung oder Auslaßleitungen Diffusoren angeschlossen sind,
d. h. Verdichtungsdüsen, die je nach dem zu überwindenden Druckgefälle eingeschnürt
oder nur erweitert sind und eine regelrechte Verdichtung von dem Vakuum auf die
Außenatmosphäre oder den Druck des sonstigen Auslaßbehälters, beispielsweise eines
Heizsystems, Vorwärmers oder eines Kondensators ergeben. Hierdurch ist auch firn
dieseln Punkte eine hochwertige Aufrechterhaltung der Auslaßenergie und entsprechend
starke Saugwirkung auf den Zylinder erreicht.
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Eine weitere wichtige Einzelheit ergibt sich, indem die Auslaßleitungen
mit Kühlvorrichtungen versehen sind. Dadurch kann besonders bei merklicher Länge
dieser Leitungen und entsprechend großer Oberfläche geradezu ein Kondensator entbehrlich
gemacht werden, da die schnelle Strömung des Dampfes den Wärmeaustausch begünstigt
und ohnehin durch die Saugwirkung schon eire dem Kondensationsdiagramm ähnliches
Diagramm sich ergibt.
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Zur stetigen Anpassung der Auslaßquerschnitte an den Betriebszustand
der Maschine, beispielsweise für größere oder kleinere Dampffüllung, ist eine Absperreinrichtung
der einzelnen. Auslässe wichtig, damit ohne Störung der Expansionsverhältnisse doch
der gesamte Auslaßquerschnitt jeweils auf die zur Innehaltung wirksamer Auslaßströmung
erforderliche Größe eingeregelt werden kann. Diese Absperrung der einzelnen Auslässe
wirrl mit besonderem Vorteil selbsttätig oder jedenfalls in Verbindung mit der Füllungsregelung
durch einen Handregler oder Fliehkraftregler bewirkt, so daß ohne weiteres immer
der richtige Zusammenhang zwischen den auszulassenden Dampf- oder Gasmengen einerseits
und den Auslaßzeiten und Auslaßquerschnitten anderseits gegeben ist. Mit Vorteil
kann auch zur Regelung der Auslässe ein Regelungsglied vorgesehen sein, dessen Stellung
von dem Druck des an einer bestimmten Stelle des Zy-Stelle des Z vlinders abzapfbaren
Gases oder Dampfes abhängig ist, da auch hierdurch sich in einfacher Weise der richtige
Zusammenhang ergibt.
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Bei Maschinen, bei denen die Auslässe die geeignetste Form von Schlitzauslässen
aufweisen, d@e vom Arbeitskolben gesteuert sind, ergibt sich eine unter Umständen
wichtige weitere Ausgestaltung durch Anbringung weiterer Auslaßglieder in größerer
Entfernung von den Schlitzauslässen am Zylinder derart, daß diese Auslässe mit den
Ausströmleitungen der Schlitzauslässe verbunden sind. Hierdurch ist dann die Möglichkeit
gegeben, die im Auslaßrohr herrschende Saugspannung während einer verlängerten Zeit
auf den Zylinderinhalt einwirken zu lassen und dadurch einen Zuwachs an Diagrammfläche
zu erreichen.
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Für Viertaktverbrennungskraftinaschinen ergibt sich endlich eine wertvolle
Einzelausgestaltung, indem die Auslaßrohre mehrerer mit gegeneinander versetzten
Auspuffzeiten arbeitenden Zvlinder oder Maschinen derart zusammengeschlossen sind,
daß der Auspuff der einen Maschine immer während der Auslaßeröffnung im Ansauge-
und Verdichtungshub der anderen Maschine das Vakuum zerstört oder es für diesen
anderen Zylinder unwirksam macht. Dadurch ist ohne die Notwendigkeit, an den Auslässen
besondere gesteuerte Absperrglieder vorzusehen, doch während dieser Zeiten das Absaugen
von frisch eingeführtem Ladungsgemisch in den Auslaß verhütet.
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Die Zeichnung erläutert die neue Einrichtung in vereinfachter Darstellung,
und zwar ist Abb. 1 ein Schnitt eines Dampfmaschinenzylinders mit Auspuffleitung,
Abb. 2 und 3 Querschnitt und Längsschnitt des Dampfmaschinenzylinders mit eingebauter
Regelvorrichtung in der Auspuffleitung, Abb. .I ein Längsschnitt des Dampfzylinders
i ill *t sel bsttätigern Hilfsauslaß, Abh. 5 eine Reihe von Dampfdiagrammen, die
nach dem neuen Verfahren zu erreichen sind, Abb. 6 ein Viertaktverbrennungsniaschinendiagrainni
nach .dein neuen Verfahren, Abb. 7 ein ähnliches Viertaktmaschin.endiagramm nach
dein neuen Verfahren, Abb. 8 ein Zweitaktverbrennunbsmaschinendiagramm nach dem
neuen: Verfahren.
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Bei nach dem neuen Verfahren ar' eitenden
Dampfmaschinen
besitzt der Dampfzylinder 1 (Abb. 1) einen langen, für Schlitzsteuerung geeigneten
Arbeitskolben 2, und in seiner Mitte münden Auslaßöffnungen 3, die vom Arbeitskolben
2 kurz vor Hubende freigelegt werden und das Treibmittel nach Abgabe seiner Kraft
entweichen lassen.
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Die Auslässe 3 sind im inneren Teile als abgerundete Düseneinläufe
ausgebildet, und auch die Kolbenkanten sind abgerundet, so daß ein möglichst vollkommener
Zulauf zur Düse entsteht. Die Auslässe 3 setzen sich nach außen weiter in erweiterten
Düsen 4 fort, in denen die weitere Expansion des ausströmenden Treibmittels vor
sich geht, soweit das kritische Druckgefälle überschritten ist, das für eine bloße
urierweiterte Düse zulässig ist. An die Düsen 4 sind Rohre 5 angeschlossen, die
ohne scharfe Biegungen einzeln oder zu einem Bündel vereinigt im Keller des Maschinenhauses
oder außen an ihm entlang oder zu seinem Dache hinaufgeführt sind. Diese Rohre 5
besitzen j e nach der Drehzahl der Maschine und nach der Zahl der an ein Rohr angeschlossenen
Zylinder eine solche Länge, daß in jedem Augenblicke eine genügende Anzahl von Gas-
oder Dampfwellen, die durch jedes einzelne Auspuffen entstehen, in ihnen vorhanden
sind; durch diese Gas- oder Dampfschichten wird der Inhalt des Rohres ständig in
ausströmender Bewegung erhalten und das Rückwärtsströmen und Eindringen von Luft
oder Gegendampf verhütet.
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Am Ende jedes Rohres 5 ist in Form einer Erweiterung ein Diffusor
6 angebracht, in dem sich die Geschwindigkeit des ausströmenden Treibmittels vermindert
und sein Druck auf den Außendruck erhöht.
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Bei der Anwendung auf Dampfmaschinen und Lagerung der Rohre 5 in kalten
Räumen tritt unter Umständen in diesen Rohren schon eine völlige Kondensation des
Dampfes ein, und als Absperrungseinrichtung kann ein einfaches, zur Wasserableitung
dienendes Rückschlagventil dienen, gegebenenfalls auch eine Maßluftpumpe von der
für Kondensationen üblichen Art.
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Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade in der Auspuffverwertung ist bei
verschieden großen im Augenblick der Auslaßeröffnung herrschenden Treibmitteldrücken
eine Einrichtung zum Anpassen des Auslaßquerschnitts (Abb. 2 und 3) empfehlenswert.
Diese Vorrichtung besteht z. B. darin, daß zwischen den Einläufen 3 und den erweiterten
Teilen 4 der Auslaßdüsen Schieber 7 eingebaut sind, die in einer ihrer zwei Stellungen
die einzelne Düse ganz schließen oder ganz öffnen. Jeder dieser Schieber 7 steht
mit einem Dampfkolben, 8 in Verbindung, und jeder dieser Kolben 8 läuft in einem
Steuerzylinder g, dem sein Treibmittel durch eia Ruhr 1o von einem Hilfsbehälter
11 zugeführt wird. Dieser Hilfsbehälter 1 1 wird durch ein in, den Dampfzylinder
1 inder Nähe der Auspufföffnungen 3 mündendes Rückschlagventil 12 mit Treumittel
von etwa Expansionsendspannun,g gespeist. Dieser Druck wirkt auf den Steuerkolben
8 und öffnet bei bestimmter Höhe gegen die Belastungsfeder 13 die entsprechende
Düse 3, 4. Derartige Einrichtungen sind an mehreren Düsen angebracht, und ihre Federn
13 sind derart verschieden bemessen, daß nacheinander mit zunehmender Füllung und
demgemäß zunehmendem Drucke im Hilfsbehälter 1 1 immer mehr Düsen 3, 4 geöffnet
werden. Dadurch wird der größeren Dampfmenge ein größerer Auslaßquerschnitt geboten,
und demgemäß bleiben die Verhältnisse in den Auslaßrohren 5 stets angenähert so,
daß sich die Ausschiebewirkung möglichst in der in den einzelnen Diagrammen dargestellten
Art ergibt.
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Statt der Regelung der Auslässe durch die Steuerkolben 8 und den Hilfsbehälter
1 1 kann. auch eine Beeinflussung von dem üblichen Fl@ehkraftregler vorgesehen sein
und bei Maschinen mit von Hand veränderlicher Füllung eine Verbindung mit dieser
Handregelung. Dieser letzte Fall tritt insbesondere bei Lokomotiven und Schiffsmaschinen
ein, und bei diesen werden die einzelnen Düsenabschlüsse zweckmäßig an die Schwingwelle
angeschaltet, die die Vermittlung zwischen dem Steuerhe@el und den zur Füllungsänderung
dienenden Kulissen oder sonstigen Einrichtungen der Zylinder bildet.
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Eine weitere Hilfseinrichtung (Abb. 4.), die insbesondere auch für
Zweitakt- und Viertaktverbrennungsmaschinen wertvoll ist, besteht in der Anordnung
eines Hilfsauslaßventils 14. nahe jedem Zylinderende. Dieser Hilfsauslaß 14. ist
so an der vom Arbeitskolben 2 durchlaufenen Zylinderlaufbahn anges.chloss.eit, daß
nach seinem, Abdecken. durch deru Arbeitskolben gerade die gewünschte Verdichtung
des Treibmittels im schädlichen Raume stattfindet. Dieses Auslaßventil 1.1 trägt
einen Steuerkolben 15, und dessen Steuerzylinder 16 steht durch ein Rohr 17 mit
dem Boden des Arbeitszylinder s i in. '\'erbirndting ;eine Feder j8 drückt den Kolben,
15 in seine EnIlage, hei der er den Hilfsauslaß 1.4 geöffnet erhält. Während der
nach dem, Vorbeilaufen des Arbeitskoll`ens 2 am Ventil 14. erfolgenden Verdichtung
wird durch den Verdichtungsdruck, der sich durch: das Verbindungsrohr 17 in den
Steuerzylinder 16 fortpflanzt, das Ventil 1.4_ geschlossen, und es wird weiterhin
durch den Druck des Treibmittels während der Füllungs-und Expansionszeit geschlossen
gehalten, bis der Arbeitskolben 2 .die Auslässe 3 freilegt und der dadurch verminderte
Treibmitteldruck
von der Belastungsfeder 18 des Kolbens 15 überwunden
wird, so daß das Ventil 14 sich öffnet; dann bleibt es während der ganzen A usschiebezeit
offen.
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Der Ausströmraum des Ventils 14 ist durch einen Verbindungsraum z9
an einen die Auslaßdüsen 3, 4. umgebenden Ejektorraum angeschlossen, und in diesen
Raum münden die Düsen 3, 4 mit scharfen, zur Ejektorwirkung brauchbaren Kanten 21
und die Einlaßrohre 5 mit in einigem Abstand .gegenüberstehenden Kanten 22. Beim
Freilegen der Auslässe 3 durch den Arbeitskolben 2 reißt infolgedessen das durch
die Düsen 3, 4 abströmende Treibmittel durch das gleichzeitig sich öffnende Hilfsventil
14 weitere Treibmfttelreste aus dem Arbeitszylinder 1 in das Auslaßrohr 5 mit, so
daß der Gegendruck im Arbeitszylinder in weitgehendem Maße erniedrigt wird, und
zwar dauert dieses Absaugen durch die im Auslaßrohre 5 noch in Bewegung befindliche
Treibmittelmenge noch während des ganzen Ausschiebehubes bis zum V erdichtungsbeginne
weiter fort.
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Die Diagramme (Abb. 5) veranschaulichen, wie bei verschiedenen Füllungen
in einem gegebenen Zylinder die Expansionslinien verlaufen und welche Teile der
Diagrammfläche durch gewöhnliche Dampfmaschinen unausgenutzt bleiben; diese verlorengehenden
Flächen F1, die für Maschinen mit atmosphärischem Auspuff zwischen der Expansionslinie
und der atmosphärischen Linie, Punkte A und B, liegen, werden durch die neue Auslaßanordnung
ausgenutzt, indem die Druckenergie der ihnen entsprechenden Gas-oder Dampfmenge
in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt, zum Erzeugen eines Unterdruckes, bis Punkt
C, im Zylinder benutzt und dann durch Diffusordüsen zum Hinausschaffen der Gase
oder Dämpfe an die Außenluft benutzt wird. Die durch den entstehenden Unterdruck
gewonnenen Diagrammflächen (doppelt gestrichelt) sind bei den ersten Diagrammen
zu 7o Prozent der ausgenutzten Flächen F1 angegeben und bei den für höhere Füllungen
geltenden Diagrammen wegen der dort vorhandenen größeren Stoßverluste zu je 5o Prozent.
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Bei der Anwendung des neuen Verfahrens auf Verbrennungsmaschinen ergibt
sich zunächst für Viertaktmaschinen bei passender Ausbildung der gesamten Auslaßanordnung
die Mögliichkeit, während des Ausschiebehubes, der sonst mit einem geringen kraftverzehrenden
Überdrucke arbeitet, mit einem arbeitleistenden Unterdruck zu arbeiten; hierdurch
entsteht ein Diagramm nach Abb. 6 oder nach Abb. 7, und zwar entsteht das Diagramm
nach Abb. 6, w@nn eine Maschine mit Hilfsauslaß gemäß Abb. 4 zur Verwendung kommt,
während bei den Diagrammen nach Abb. 7 eine Maschine ohne Hilfsauslaß nach Abb.
1 zugrundeliegt, bei der sofort nach Schlitzschluß eine ansteigende Verdichtungslinie
entsteht.
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In beiden Fällen ist im Gegensatz zu allen normalen Maschinen die
gesamte Diagrammfläcbe positive Arbeitsfläche.
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Für die Schlitzauslässe und ebenso für die etwa vorhandenen Hilfsauslässe
brauchen bei Dieselmaschinen keinerlei Abschlußeinrichtungen vorhanden zu sein,
weil bei Dieselmaschinen stets nur Luft angesaugt wird und daher am Ende des Saughubes
während der Schlitzeröffnung nur Luft zum Auslaß entweichen kann. Bei anderen Verbrennungsmaschinen,,
wo Gemisch angesaugt wird, würde bei der gesamten Schlitzeröffnung Gemisch in den
Auslaß gesaugt werden, und hiergegen erweisen sich zwei Hilfseinrichtungen als besonders
vorteilhaft.
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Die eine Hilfseinrichtung besteht darin, daß eine für sämtliche Anlässe
gemeinsame Absperreinrichtung vorhanden ist, die einerseits zur Auslaßregelung von
Hand dienen kann und in weiterer Ausgestaltung durch Steuerung von der Maschine
her :die Auslässe während ihrer Eröffnung -im . Ansauge- und Verdichtungshube absperrt.
Diese Einrichtung I,#:ann ein. einz=ger, über sämtliche Auslässe sich erstreckender
Schieber sein, sie kann aber auch unter Benutzung der vorhandenen; Abschlußglieder,
beispielsweise nach Abb. 3 und 4, in einer Einrichtung zur Preßmittelzufuhr bestehen,
die während der in Frage kommenden Zeiten die Kolben 8 -und 15 der Auslaßabschlüsse
als Servomotoren benutzt, indem Preßmittel irgendwelcher Art zu ihren Zylindern
zugeleitet wird.
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Bei diesen Einrichtungen ist es mit Vorteil möglich, ein und :denselben,
Schieber bzw. ein und dies.elhe Servomotorsteuerung für beide Zylinderseiten eines
doppeltwirkenden Zylinders gemeinsam anzuordnen und dadurch mit einer einzigen Anordnung
die für beide Zylinderseiten gemeinsamen Schlitzauslässe sowie .die auf jeder Seite
etwa vorhandenen Hilfsauslässe gemeinsam zu steuern,.
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Die zweite Hilfseinrichtung besteht darin, ,daß an Stelle einer mechanischen
Absperrung eine Vorrichtung vorgesehen ist, die während dier Zeit. unerwünschter
Auslaßeröffnung die Saugwirkung zerstört, und zwar kann hierzu in besonders einfacher
Weise bei Anordnung mehrerer Zyfinder oder mehrerer Maschinen eine :derartige Versetzung
der Auspuffzeiten gegeneinander dienen, daß die miteinander in Verbindung stehenden
Auslässe .gegenseitig gerade im rechten Augenblick die Saugwirkung zerstören.
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Bei der Anwendung des neuen Verfahrens
auf Zweitaktladeverfahren
endlich ergibt sich durch passende Ausbilidung der Auslaßanordnung die Möglichkeit,
den ganzen Auslaß-und Ladevorgang so durchzuführen, daß beim Schlitzabschluß der
Zylinder mit etwa unter Atmosphärendruck stehender Ladung gefüllt ist, oder daß
bei etwa später als die Schlitze schließendem Auslaßventil sogar ein gewisser Überdruck
im Zylinder vorhanden ist. Im Diagramm der Abb. 8 ist dies veranschaulicht.
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Dieses Zweitaktladeverfahren ermöglicht in seiner Vollkommenheit bei
der Anwendung in Viertaktmaschinen an Stelle des sonst zum Ausschieben dienenden
Hubes eine erstmalige Vorverdichtung des Gemisches, und dadurch wird eine besonders
innige Mischung und Vergasung erreicht. -Zu besonders genauer Grundeinstellung des
Auslaßquerschnittes ist bei Maschinen, die mit dem neuen Zweitaktladeverfahren arbeiten,
an den Auslässen ein Abschlußglied vorzusehen, das ein etwa gleichmäßiges Drosseln
sämtlicher Auslässe ermöglicht. Hierdurch ist ein erstmaliges genaues Anpassen der
Maschinen an die im Einzelfalle vorliegenden Betriebsverhältnisse möglich, so daß
dann die durch selbsttätige Regelung der Maschinen (etwa nach Abb.3) gegebene Auslaßregelung
stets einen Höchstwirkungsgrad ergibt.