DE84304C

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Publication number: DE84304C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Bei Wärmetriebmaschinen, welche, wie z. B. die Gaskraftmaschinen, die Energie der Verbrennungsgase direct in Energie der Bewegung umsetzen, wird zur Uebertragung der Arbeitsleistung des hin- und hergehenden Kolbens wie bei den Dampfmaschinen ein Schubkurbelgetriebe mit Schwungrad verwendet. Während bei der Dampfmaschine die Arbeitsleistung des Dampfes allein das Schubkurbelgetriebe belastet, sind bei jenen Explosions- oder Verbrennungsmaschinen drei Arbeitsgröfsen vorhanden: die Compressionsarbeit zur Verdichtung der Ladung, die Expansionsarbeit ohne Wärmezufuhr und die Differenz zwischen dieser Expansionsarbeit und der Expansionsarbeit mit Wärmezufuhr, die indicirte Nutzarbeit. Die ersten zwei Arbeiten sind (in der ideellen Maschine) einander gleich, aber mit verschiedenen Vorzeichen in wechselnden Zeitabschnitten, man könnte sie als »innere Arbeiten« bezeichnen. Bei Wärmetriebmaschinen nun, die der Theorie entsprechend zur Erhöhung des thermischen Nutzeffectes mit starker Verdichtung arbeiten, wird die »innere Arbeit« sehr viel gröfser werden können als die Nutzarbeit und damit durch die »inneren Arbeiten« auch eine erhebliche Belastung des Schubkurbelgetriebes eintreten. Diese streng durchgeführte Trennung der verschiedenen Arbeitsgröfsen und Gegenüberstellung der »inneren Arbeiten« gegen die Nutzarbeit führt zu der Erwägung, ob es nicht wohl zu ermöglichen sei, jene »inneren Arbeiten« von der Uebertragung auf das Schubkurbelgetriebe fern zu halten. Eine Lösung ist in der vorliegenden Erfindung gegeben.

Es sei in der Fig. 1 schematisch die bisherige Anordnung dargestellt. Z sei ein zweiseitig geschlossener Cylinder mit den ■ Verdichtungsräumen F₁ und F₂, K sei der Kolben, welcher durch das Schubkurbelgetriebe mit dem Schwungrade R verbunden ist. Die Steuerungsorgane und anderes sei, weil hier nebensächlich, weggelassen, ebenso soll von Zündung und Wärmezufuhr abgesehen werden und nur der Vorgang der »inneren Arbeiten« zunächst betrachtet werden.

In beiden Cylinderhälften bei Mittelstellung des Kolbens sei gleiches Gasvolumen vorhanden. Der Kolben K sei also in dieser Stellung im stabilen Gleichgewichte, die Masse des Schwungrades sei so grofs, wie es seither üblich, dafs sie sowohl die bei Expansion und Compression zu übertragende Energie aufzunehmen vermag, als auch genügend grofs ausgeführt, dafs ein gewisser Ueberschufs von Energie der Bewegung behufs Gleichförmigkeit des Ganges beim Anlassen ihr ertheilt werden kann. Es sei ferner die Annahme gemacht, dafs Verluste durch Reibung, durch Strahlung bei der adiabatischen Compression nicht eintreten, kurz es sei die ideale Maschine bisheriger Ausführung vorausgesetzt.

Wenn nun durch Energiezufuhr von aufsen, durch Drehung von R der Kolben so bewegt wird, dafs er in F₂ verdichtet, dann wird be-

kanntlich ein Theil der zugeführten Energie als potentielle in der Verdichtung und Erwärmung des Gases in F₂ aufgespeichert, ähnlich wie in einer gespannten Feder.

Ueberschreitet die Kurbel den todten Punkt, dann expandirt das Gas wieder, die potentielle Energie wird zurückverwandelt in kinetische in der Masse des Schwungrades, übertragen durch das Schubkurbelgetriebe; bei Mittelstellung des Kolbens ist die potentielle ein Minimum, die kinetische ein Maximum geworden. Bewegt sich nun der Kolben weiter nach V₁ , dann wird dort verdichtet, kinetische Energie in potentielle verwandelt und so fort.

Lassen wir nun die Forderung der gleichförmigen Geschwindigkeit von R fallen und construiren den Schwungring so, dafs er in der Mittellage des Kolbens beim Maximum der kinetischen Energie gerade so viel Masse enthält, um bei bestimmter Geschwindigkeit jene Energie aus der Expansionsarbeit völlig aufzunehmen, dann wird am Hubende die kinetische Energie des Schwungringes gleich Null sein, die potentielle des gespannten Gases dagegen ein Maximum. Nun kann Bewegungsumkehr des Schwungringes R stattfinden, das Schwungrad bewegt sich in der entgegengesetzten Richtung bis zum nächsten Hubwechsel und es wiederholen sich im Uebrigen beim Hin- und Hergange des Kolbens die Arbeitsvorgänge wie oben. Bei beiden Anordnungen, der ersten (üblichen) mit kreisendem und der zweiten mit schwingendem Schwungring, tritt ein Energiewechsel, eine Energieübertragung der »inneren Arbeiten« ein, das vermittelnde Druckorgan ist hierbei stets das Schubkurbelgetriebe.

Sind nun Kurbellänge und mittlerer Schwungringhalbmesser einander gleich, dann wird Schwungringmasse gleich Koppelmasse mit Bewegung auf einer Geraden statt eines Kreisbogens; die Koppelmasse kann dann auch im Kolben als Kolbenmasse oder getrennt in einem besonderen Körper M (Fig. 2) untergebracht werden. Damit ist aber auch die Lösung zur Entlastung des Schubkurbelgetriebes von der »inneren Arbeit«, die Energieübertragung für die während einer Hubbewegung stattfindenden Compressionen und gleichwerthigen Expansionen ohne Wärmezufuhr lediglich in der Richtung der Druckachse des Kolbens ohne Hebel, ohne Schubkurbelgetriebe gegeben. Die wirkliche Nutzarbeit kann, wie bisher, durch Schubkurbelgetriebe oder andere Uebertragungsvorrichtungen nach aufsen geleistet werden. Dies ist das Wesentliche der neuen Anordnung für die erwähnten Wärmetriebmaschinen.

Die gekennzeichnete, gewissermafsen ideale Form der neuen Maschine mit gesonderter Energieübertragung für die »inneren Arbeiten« kann auf verschiedene Arten den Forderungen der praktischen Ausführbarkeit angepafst werden. Z. B. bei Anwendung des sogenannten Viertaktverfahrens werden (Fig. 3) zwei zweiseitig oder, wie Fig. 4, vier einseitig geschlossene Cylinder Z mit entsprechenden Kolben K nöthig. Die unter einander beliebig verbundenen Kolben sind entweder für eine gegebene Geschwindigkeit und Compressionsarbeit selbst so massiv ausgeführt, dafs sie die Energie der »inneren Arbeit«, wie erwähnt, aufnehmen können, oder mit der Kolbenstange ist die entsprechende Masse M verbunden. Wenn nun in V₁ frisch angesaugtes Gemisch von z. B. Gas und Luft verdichtet wird, so wird in V₃ ausgepufft, in V₂ expandirt und in F₄ angesaugt, oder bei anders eingestellter Steuerung wird in V₁ verdichtet, in F₂ angesaugt, in F₃ ausgeblasen und in F₄ expandirt. Es ist klar, dafs nach dem erläuterten Arbeitsvorgange mindestens zwei zweiseitig oder vier einseitig geschlossene Cylinder für den Viertakt vorhanden sein müssen. In Rücksicht auf Belastungsänderungen, Unregelmäfsigkeiten in der Steuerung, Zündung, in den Ventildichtungen, die alle eine gewisse Hubungleichheit bei dieser Anordnung mit schwingenden Massen herbeiführen und die auf ein starr mit den Kolben bezw. den Massen M gekuppeltes Schubkurbelgetriebe zerstörend einwirken, ist eine elastische Verbindung der Kolben bezw. der Massen M mit dem Schubkurbelgetriebe, z. B. durch Einschaltung einer Feder F, vorzusehen.

Diese Forderung der elastischen Verbindung mit dem Triebwerk, welches die Nutzarbeit abgiebt, läfst sich auch dadurch berücksichtigen, dafs nicht die Kolbenstange, sondern die verdichteten Gase selbst in einer besonderen Maschine D (Fig. 5) als Druckorgane wirken.

Es sind hierzu, abgesehen von den gewöhnlichen sonstigen Steuerungsvorrichtungen, die Cylinder Z entsprechend mit einem Vertheilerschieber S zu verbinden, so dafs z. B. in F₁ Gas und Luft verdichtet wird, in F₂ angesaugt wird, in F₄ verbrannt und expandirt, aus F₃ die Verbrennungsgase nach dem Prefsluftbehälter W und nach der wie eine gewöhnliche Drucklufttriebmaschine arbeitenden Maschine. D gedrückt werden. Hierbei kann vor W gekühlt, hinter W und vor oder in D vorgewärmt werden zur Verringerung der Compressionsarbeit und Vergröfserung der Expansionsarbeit. Die Steuerung kann auch eingestellt werden, dafs jeweils derjenige Cylinder, in welchem Verbrennung stattfindet, mit D verbunden wird; oder man läfst einen Theil des im Ueberschufs verdichteten Gemisches aus demjenigen Cylinder, in welchem gerade Verdichtung stattfindet, nach D, dort ohne Zün-

dung expandiren, bei einem folgenden Hube zurücksaugen nach Z und dann erst nach wiederholter Compression in Z explodiren. Wird das Gemisch erst nach der Compression gebildet, dann läfst man die Luft oder die Gase getrennt in D arbeiten.

Durch Aenderung in der Steuerung, Zahl der Cylinder, Art und Anordnung der Drucklufttriebmaschinen D lassen sich übrigens eine Menge verschiedener Ausführungen treffen. Selbstverständlich kann die Uebertragung mit Prefsluft auch mit besonderem Compressor ausgeführt werden. Statt Luft kann jedes andere Gas oder eine Flüssigkeit als Druckorgan eingeschaltet werden.

Verbindet man die schwingenden Kolben K (Fig. 6) mit einem schwingenden Stromerzeuger, etwa Anker A mit inducirten Wickelungen in dem Felde des Magneten E₁ und die Ankerspulen mit einer Wechselstromtriebmaschine (wenn Gleichrichtung erfolgt, mit einer Gleichstromtriebmaschine) T (vergl. auch Patent Nr. 83391 der Klasse 21), dann kann mittelst dieser ebenfalls »elastischen« elektrischen Uebertragung Energie der Bewegung als Nutzarbeit abgegeben werden.

Durch die Verlegung der die Energie der »inneren Arbeiten« aufnehmenden Masse aus dem Schwungrade in die Koppelmasse läfst sich noch ein weiterer Schritt zur Vereinfachung machen.

Es ist eben gezeigt worden zu Fig. 1 und 2, dafs bei der Compression in F₂ kinetische Energie in potentielle verwandelt wird, die bei der Expansion in kinetische und dann schliefslich wieder in potentielle des in F₁ verdichteten Gases übergeht. Stellt man nun die Cylinder aufrecht, dann kann man an Stelle der potentiellen Energie des gespannten Gases in F₂ die potentielle Energie der Lage von M, weil jetzt die Schwerkraft zur Geltung kommt, verwenden. In Fig. 7 sei diese Anordnung, ebenfalls beispielsweise nach dem Viertaktsystem, dargestellt. In F₁ befindet sich verdichtetes Gemisch, dasselbe verbrenne und expandire, in F₂ wird während dessen angesaugt, erster Hub; die Kolben K₁ und K₂ gehen dabei mit anfangs beschleunigter, dann abnehmend verzögerter Geschwindigkeit aufwärts. Beim Richtungswechsel ist in der Koppelmasse M die Energie für die nächste Compression als potentielle der Lage aufgespeichert. Beim Niedergang wird in F₂ verdichtet, in V₁ ausgeblasen (bezw. nach D gedrückt, wie in Fig. 5), zweiter Hub. Beim dritten Hube erfolgt Verbrennung und Expansion in F₂, Ansaugen von Gemisch in F₁ ,und so fort. Auch hier kann die Angabe der Nutzarbeit elektrisch oder mittelst Prefsluft durch besonderen Compressor oder dadurch erfolgen, dafs man entweder Verbrennungsgase oder einen Theil der verdichteten Luft in eine Prefslufttriebmaschine drückt. Für den Fall, dafs eine Verdichtung ausbleibt, Störungen in der Steuerung, Zündung u. s. w. eintreten, mufs man an der Maschine Sicherheitsvorrichtungen vorsehen, welche die nun nicht durch Compression verzehrte Energie der Bewegung der Kolben gewissermafsen unschädlich machen, abbremsen. Diese Vorrichtungen können bestehen in rein mechanischen Bremsen, Flüssigkeitsbremsen, Luftbuffern, magnetischen Bremsen, oder wenn, wie Fig. 6, eine elektrische Kraftübertragung angewendet wird, in Kurzschlufsvorrichtungen für den inducirten Theil, so dafs hier z. B. die kinetische Energie in Elektricität und W^Tärme umgesetzt und verbraucht wird, bevor der Kolben den Cylinderboden erreicht. Bethätigt oder ausgelöst werden derartige Bremsvorrichtungen, z. B. der Hebel des Kurzschliefsers bei Ueberschreiten des Hubes, durch bekannte mechanische Anordnungen am schwingenden Theile, Nasen, Zapfen oder durch Gasdruckmefsapparate, welche bei Nichteintreten des normalen Verdichtungsdruckes zu rechter Zeit auf jene Bremsvorrichtungen einwirken. Von den sonst möglichen Abänderungen an den gekennzeichneten Anordnungen seien schliefslich noch folgende erwähnt:

Zunächst kann der Kolben feststehen, der Cylinder schwingen, dann mufs die Masse M mit dem Cylinder verbunden oder vereinigt werden. Ferner kann die Masse M fest oder federnd an dem Kolben, der Kolbenstange u. s. w. angebracht werden. Statt eines Cylinders können mehrere parallel oder concentrisch in einander oder in Reihe, aber stets mit parallelen .Druckachsen vorhanden sein. Für zwei einseitig geschlossene Cylinder, die sich gegen einander öffnen, kann ein gemeinschaftlicher Taucherkolben in Anwendung kommen. Statt des Schubkurbelgetriebes kann zur Abgabe der Nutzarbeit auch Zahnstange und Zahnrad und ähnliches benutzt werden.

Für das Wesen der Neuerung ist es schliefslich ohne Belang, mit welchen Heizstoffen (Gas, Erdöl oder staubförmige Kohle) die Wärmetriebmaschine arbeitet und wie die Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen im Uebrigen beschaffen sind.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Wärmetriebmaschinen, bei welchen die kreisenden Massen des Schwungrades zur Vermeidung der Belastung des Schubkurbelgetriebes oder ähnlicher Mechanismen durch die inneren Arbeiten, durch schwingende Massen ersetzt sind, die befähigt und bestimmt sind, die Energie der »inneren Arbeiten« aufzunehmen und abzugeben.

Wärmetriebmaschinen nach Anspruch i, bei welchen zum Zwecke der Abgabe der Nutzarbeit als nothwendig elastisches Uebertragungsmittel ein federndes Schubkurbelgetriebe an die schwingenden Theile angeschlossen ist.

Wärmetriebmaschinen nach Anspruch i, bei welchen zu dem gleichen Zwecke eine Druckluftkraftübertragung angeordnet ist.

4. Wärmetriebmaschinen nach Anspruch 1, bei welchen zu dem gleichen Zwecke eine elektrische Kraftübertragung angeordnet ist.

5. Wärmetriebmaschinen nach Anspruch 1, bei welchen zum Zwecke der Aufnahme der Massenenergie bei Störungen, bei Ueberschreiten der äufsersten Hubgrenzen mechanische, magnetische oder elektrische Bremsvorrichtungen angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.