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Arbeitsverfahren für Brennkraftmaschinen mit Innenkühlung
Es ist bekannt, durch Einspritzen von Wasser oder eines anderen Kühlmittels in flüssigem Zustande in den Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine die Kühlung des Zylinderinneren und vornehmlich des Kolbenbodens und des Auspuffventiles so wirksam durchzuführen, wie sie durch die vielfach angewandte Aussenkühlung, sei es nun Wasser-oder Luftkühlung, kaum zu erreichen ist. Die Innenkühlung hat ausserdem den Vorteil, dass das eingespritzte flüssige Kühlmittel beim Eintritt in das heisse Zylinderinnere verdampft, sich ausdehnt und dadurch zusätzliche Arbeit leistet, so dass die in der Masse des Zylinders und des Kolbens angesammelte Wärmemenge durch die Kühlung nicht nutzlos abgeführt, sondern zur Arbeitsleistung herangezogen wird.
Bei der bekannten Zylinderkühlung durch Anwendung von überschüssigem Kraftstoff im normalen Arbeitstakt der Brennkraftmaschinen wird bei hoher Leistung Kraftstoff noch über die theoretisch erforderliche Kraftstoffmenge hinaus zugegeben. Dadurch, dass gleichzeitig mit dem Verbrennen des der zugeführten Luftmenge entsprechenden Kraftstoffanteiles der Kraftstoff- überschuss nur verdampft, entsteht ein Gemisch von Verbrennungsgasen und verdampftem Kraftstoff, aus welchem der unverbrannte Anteil nicht oder nur schwer wiedergewonnen werden kann.
Der Wirkungsgrad der Maschine wird infolge dessen verschlechtert und erfährt eine weitere Verminderung durch das Absinken der Verbrennungswärme. Um den Verbrennungs-und Arbeitsgang der Maschine nicht ungünstig zu beeinflussen, ist es daher in jedem Falle zweckmässig, das Einspritzen des Kühlmittels nach Ablauf der normalen zwei oder vier Takte in einem zusätzlichen Saugtakt, der durch die Expansion des entstehenden Dampfes zu einem Arbeitstakt wird, und die Entfernung des entstandenen Dampfes in einem darauf folgenden zusätzlichen Auspufftakt vorzunehmen.
Ferner ist bekannt, die Wärme der Abgase dadurch auszunutzen, dass durch sie ein Röhrensystem erhitzt wird, das im Auspuffkrümmer vor den Auslassventilen liegt und in welches das flüssige Kühlmittel eingepumpt wird. In dem heissen Röhreninneren verdampft das Kühlmittel und kann nur hocherhitzt und hochgespannt nach
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aussetzen, wenn kein Brennstoff mehr vorhanden ist, da dieser beiden Zwecken zugleich dient. Die Kühlung der Maschine wird zwangsläufig der Belastung angepasst, weil bei höherer Belastung derselben durch vermehrte Einführung von Brennstoff sowohl die Leistung als auch die Kühlung gesteigert wird, wodurch der Zylinder nie überhitzt, sondern stets auf gleichbleibender, günstigster Temperatur gehalten werden kann.
Weiter ist es gemäss der Erfindung möglich, beide Arten der Innenkühlung derart miteinander zu verbinden, dass nach Ablauf der normalen zwei oder vier Takte in den Arbeitszylinder in einem ersten zusätzlichen Saug-bzw. Arbeitstakt durch die Abgase verdampfter Brennstoff eingeführt und in einem ersten zusätzlichen Auspufftakt entfernt und darauf in einem zweiten zusätzlichen Saug-oder Arbeitstakt flüssiger Brennstoff eingespritzt und in einem zweiten zusätzlichen Auspufftakt wieder entfernt wird.
Diese Reihenfolge ist vorteilhaft, weil zur Vermeidung von sprunghafter Abkühlung, die Spannungen in der Zylinderwand hervorrufen
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Brennstoffdampf in den noch heisseren Zylinder eingeführt und dann erst der kühle flüssige Brenn- stoff in den schon etwas abgekühlten Zylinder eingespritzt werden muss. Daher wird der erste
Kühltakt mehr Leistung und weniger Kühl- wirkung, der zweite Kühltakt weniger Leistung aber kräftiger Kühlwirkung zur Folge haben.
Endlich ist durch die Verwendung des Brenn- stoffes als Innenkühlmitte1 sowohl bei Otto-als auch bei Dieselmotoren eine Arbeitsweise der
Brennkraftmaschinen möglich, bei der ein Teil des verdampften Brennstoffes in der normalen
Taktfolge zur Verbrennung kommt. Dies ist natürlich erst durchführbar, wenn nach normalem Anlaufen der Maschine mit Innenkühlung genügend verdampfter Brennstoff zur Verfügung steht.
Wird hiebei der kühlere Dampf zur Verbrennung verwendet, der durch Einspritzen des flüssigen Brennstoffes in den Zylinder entsteht, so muss der Brennstoffdampfin der normalen Taktfolge mit Luft angesaugt, verdichtet und gezündet werden. Dies hat den Vorteil, dass der Vergaser oder die Einspritzdüse abgeschaltet werden kann und der Brennstoff nicht in Tröpfchen-oder Nebelform, sondern vergast und vorgewärmt sich besser mit der Verbrennungsluft mischt und eine bessere Verbrennung erzielt wird, so dass die bekannten Nachteile des Vergasers entfallen, die nur teilweise durch Anwendung der Einspritzdüse vermieden werden können.
Wird jedoch der sehr heisse, durch die Abgase erzeugte Brennstoffdampf zur Verbrennung verwendet, so entsteht eine Arbeitsweise, die zwischen der des Otto-und der der Dieselmotors liegt und die Vorteile beider in sich vereinigt.
Hiebei wird die Luft in der normalen Taktfolge des Dieselmotors angesaugt, verdichtet und dann beim Verbrennungstakt erst der heisse, hochgespannte Brennstoffdampf eingeführt.
Die Arbeitsweise einer derartigen Maschine wäre also folgende :
1. Takt : Ansaugen der Luft,
2. Takt : Verdichten der Luft,
3. Takt : Einlass des Brennstoffdampfes aus dem
Verdampfer und Verbrennung,
4. Takt : Auspuff der verbrannten Gase (dabei
Erhitzen des Verdampfers),
5. Takt : Einlass des Brennstoffdampfes aus dem Verdampfer, Arbeitsleistung und Vorkühlung,
6. Takt : Ausströmen des Dampfes zum Kondensator,
7. Takt : Einspritzen des Brennstoffes zur Kühlung,
8. Takt : Ausströmen des verdampften Brennstoffes zum Kondensator.
Die Verdichtung der Luft kann dabei in den Grenzen des Ottomotors bleiben, da durch diese nicht die Entflammungstemperatur des flüssigen Brennstoffes wie beim Dieselmotor erzeugt werden muss, sondern der Brennstoffdampf beim Einströmen in den Zylinder schon selbst die Entflammungstemperatur besitzt oder, wenn dies nicht der Fall ist, durch eine Zündvorrichtung entzündet werden kann. Der Verbrennungsvorgang selbst liefert auf jeden Fall trotz niederer Verdichtung der Verbrennungsluft annähernd das be- kannte Gleichdruckdiagramm des Dieselverfahrens.
Beide Arten der Verbrennung eines Teiles des Brennstoffdampfes können auch zugleich angewendet werden, doch ist die alleinige Verwendung des durch die Abgase erzeugten Brennstoffdampfes nach dem zweiten Verfahren einfacher und vorteilhafter. Es ist besonders dann vorzuziehen, wenn die Maschine auch nach diesem Verfahren anlaufen soll. Dann können
Vergaser oder Einspritzdüse ganz entfallen und die Brennkraftmaschine wird dadurch angelassen, dass das Röhrensystem bei ruhender Maschine nicht durch die Abgase, sondern durch eine eigene
Heizvorrichtung erhitzt wird, wodurch der für den Anlauf und die Kühlung nötige Brennstoff- dampf erzeugt wird.
Über die konstruktive Durchführung der Neuerungen ist zu sagen, dass vor allem die Explosionsgefahr durch Anbringung geeigneter und allgemein bekannter Vorrichtungen zu beseitigen ist. Hierzu gehören z. B. Sicherheitsventile an Verdampfer und Kondensator und Rückschlagventile, die den Luftzutritt zu diesen Teilen verhindern, damit sich die heissen Dämpfe nicht selbst entzünden können.
Zweckmässig ist ein Hilfs-Brennstoffbehälter anzuordnen, der so tief liegt, dass das Kondensat aus dem Kondensator und Brennstoff aus dem Haupt-Brennstoffbehälter, letzterer zum Ersatz des durch die Verbrennung verbrauchten Brennstoffes, von selbst nachfliessen kann. Die Verbindung zwischen HilEs-und Haupt-Brennstoffbehälter ist vorteilhaft so anzubringen, dass nicht kondensierte Dampfreste sowie Luft in den Hauptbehälter entweichen können.
Aus dem Hilfsbehälter wird der Brennstoff durch eine Pumpe einerseits zur Kühlung in die Zylinder
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gespritzt, durch eine andere in den Verdampfer. Die Verdampferpumpe wird zweckmässig nicht durch die Maschine selbst, sondern durch einen Elektromotor aus der Starterbatterie angetrieben. Durch Erhöhen oder Erniedrigen der Drehzahl des Elektromotors wird mehr oder weniger Brennstoff in den Verdampfer gepresst, dadurch der Dampfdruck und die Menge des Dampfes erhöht oder erniedrigt, wodurch Umdrehungszahl und Leistung der Brennstoffmaschine in weiten Grenzen geregelt werden können.
Vorteilhaft ist es, in die gemeinsame Leitung vom Hilfsbehälter zu den zwei Brennstoffpumpen ein durch einen Thermostaten gesteuertes Ventil zu legen, das die Brennstoffzufuhr zu den Pumpen erst freigibt, wenn Zylinder und Verdampfer die zur Verdampfung nötige Temperatur erreicht haben.
Aus diesem Grunde erfolgt das Anlassen der Maschine am besten im normalen Viertakt als Vergasermotor, bei Schwerölmotoren unter Zuhilfenahme von leichtem Brennstoff für den Vergaser nur zum Anlassen. Erst wenn die Verdampfung eingesetzt hat, kann durch denselben Thermostaten der Vergaser und gegebenenfalls die Zündung abgeschaltet werden. Bei ortsfesten Anlagen kann das Anlassen unter Wegfall des Vergasers einfach durch Anwärmen des Ver- dampers erfolgen, der dann den zum Anlassen nötigen Dampf liefert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Arbeitsverfahren für Brennkraftmaschinen mit Innenkühlung des Arbeitszylinders, bei denen nach Ablauf der normalen zwei bzw. vier Takte in zusätzlichen Saug-und Auspufftakten ein flüssiges oder durch die Wärme der Abgase der Brennkraftmaschine verdampftes Kühlmittel in das Innere des Zylinders eingeführt und zur Arbeitsleistung infolge Dehnung des Dampfes herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Betrieb der Brennkraftmaschine dienende Brennstoff selbst als Kühlmittel verwandt wird und nach Arbeitsleistung in einen Kondensator geleitet wird, um kondensiert und wieder in den Kreislauf zurückgeführt zu werden.