DE448525C - Brennkraftmaschine mit einem kalten und einem warmen Arbeitsraum und einem Waermespeicher zwischen beiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen mit einem kalten und einem warmen Arbeitsraum, bei der zwischen die beiden Arbeitsräume ein Wärmespeicher eingeschaltet ist, durch den Arbeitsgase aus dem kalten Arbeitsraum in den warmen Arbeitsraum hinüber- und nach der Expansion zurückgeschoben werden, um die Wärme zu verwerten, die nach der Expansion im warmen ίο Arbeitsraum in den Verbrennungsgasen noch zurückbleibt.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Brennkraftmaschinen so mit flüssigem Brennstoff zu betreiben, daß ein Teil der Verbrennungsgase nach ihrer Expansion und dem Durch- strömen eines Wärmespeichers nicht in die freie Luft auspuffen, sondern in den kalten Arbeitsraum zurückgefördert und aus demselben in verdichtetem Zustande abermals in den warmen Arbeitsraum hinübergeschoben werden. Bei jedem Arbeitshub sollte die zur Verbrennung des jeweils eingeführten Brenn-

stoffes erforderliche Frischluft eingepumpt und eine der eingeführten Brennstoff- und Frischluftmenge gleiche Menge Auspuffgase ausgeschieden werden.

In derartigen Maschinen ist die Verbrennung des eingeführten Brennstoffes schlecht, wenn die Frischluft vor dem Zusammentreffen mit dem Brennstoff durch den Wärmespeicher strömen muß und dabei mit den Verbrennungsgasen gemischt und sehr verdünnt wird. Die Verbrennung ist auch schlecht, wenn gasförmiger Brennstoff durch den Wärmespeicher hindurch eingeführt und dabei vor der Verbrennung mit den Verbrennungsgasen gemischt wird, auch wenn die Frischluft unmittelbar in den Verbrennungsraum eingeführt wird. Würden aber sowohl gasförmiger Brennstoff als auch die Frischluft durch den Wärmespeicher hindurch eingeführt werden, so würde die Verbrennung bereits im Wärmespeicher selbst eintreten und diesen zerstören. Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Frischluft mit dem gasförmigen Brennstoff zusammen unmittelbar in den Verbrennungsraum einzuführen, so daß die Verbrennung vor der Vermischung mit den Verbrennungsgasen erfolgt. Diese Art der Zuführung der Frischluft und von gasförmigem Brennstoff ist aber mit hohen Wärmeverlusten verknüpft, da die einzuführende Frischluft und bei gasförmigem Brennstoff auch letzterer vor der Verbrennung auf die Verbrennungstemperatur erhitzt werden müssen, wozu ein beträchtlicher Teil der Verbrennungswärme erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung ist nun außer dem zwischen dem warmen und dem kalten Arbeitsraum angeordneten Wärmespeicher an dem warmen Arbeitsraum für jeden gasförmigen Bestandteil der frischen Ladung noch ein weiterer Wärmespeicher angeschlossen, durch den der betreffende Bestandteil eingeführt und Auspuffgase ins Freie abgeführt werden.

Die Zeichnungen betreffen mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Abb. ι zeigt eine mit flüssigem Brennstoff gespeiste Brennkraftmaschine,
Abb. 2 eine Gasmaschine,

Abb. 3 eine andere Gasmaschine.

Abb. 4 zeigt zwei zusammengebauteWärmespeicher.

Abb. 5 zeigt das Entropiediagramm der Brennkraftmaschine.

Abb. 6 veranschaulicht die Wirkungsweise der Maschine nach Abb. 3, und

Abb. 7 zeigt das dazugehörige Entropiediagramm.

Gemäß Abb. 1 ist der warme Arbeitsraum gebildet durch den Verbrennungszylinder a der Maschine, in dem der auf die Kurbelwelle 3 wirkende Arbeitskolben 1 beweglich ist. Neben dem Zylinder α ist der Verdichter c angeordnet. Zwischen den Zylinder a und den Verdichter c ist der Wärmespeicher R geschaltet, zwischen diesem und dem Verdichter c ein Kühler e angeordnet, welcher mit dem Verdichter c den kalten Arbeitsraum bildet. Zur Einführung des flüssigen Brennstoffes und der Frischluft dienen die Brennstoffpumpe b und die Luftpumpe q, welche vor jedem Arbeitsprozeß eine der zu verbrennenden Brennstoffmenge entsprechende Menge Frischluft durch den Wärmespeicher r in den Zylinder α einführt. Das Auspuffventil / beherrscht den Austritt der Auspuffgase und wird mittels der Steuerung« verstellt. Die Wirkungsweise der Maschine ist im Folgenden an der Hand des Entropiediagramms Abb. 5 erläutert. In diesem ist P₀ die dem atmosphärischen Druck entsprechende Isobare und P₁ eine Isobare, welche dem niedrigsten Druck in den Arbeitsräumen der Maschine, z. B. 10 Atm., entspricht. P₂ ist die dem höchsten Druck der Maschine, z. B. 30 Atm., entsprechende Isobare. Die Wärmekapazität des Wärmespeichers R sei so groß, daß sich seine Temperatur beim Durchströmen der Gase nur unmerklich ändert. Sei die Temperatur auf der kalten Seite T₀ und auf der warmen T₂, wobei T₂ über der Verbrennungstemperatur ist.

Befinden sich die Kolben 1 und 2 in der in Abb. ι dargestellten Stellung, so ist der Zylinder c mit Gasen von der Temperatur T₀ und dem Drucke P₁ gefüllt. Die Arbeitsgase befinden sich also in dem durch Punkt 1 angedeuteten Zustande. Der Kolben 1 bleibt zunächst noch ruhig, während der Kolben 2 seinen Einwärtsschub in der Richtung des Pfeiles vollführt und die Verbrennungsgase verdichtet. Diese adiabatische Verdichtung versinnlicht die Linie 1-2 des Wärmediagramms, laut dem die Gase den Zustand 2 mit dem Drucke P₂ und der Temperatur T₁ erreichen.

Hierauf bewegt sich der Kolben 1 auch aufwärts. Die Gase werden während des weiteren Hubes des Kolbens 2 von diesem durch den Kühler e und den Wärmespeicher R hindurch in den Verbrennungszylinder α hinübergeschoben. Während des Durchströmens durch den Kühler e werden die Gase entsprechend der Isobarlinie 2-1 _a auf die Temperatur T₀ abgekühlt und gelangen in den Zustand i^a. Beim Durchströmen des Wärmespeichers R werden sie bei gleichbleibendem Drucke P₂ längs der Isobarstrecke ΐ_α-3 auf die Höchsttemperatur T₂ des Wärmespeichers R erhitzt, und gelangen sie in den Zu- iso stand 3 des Diagramms. Nun wird mittels der Pumpe b flüssiger Brennstoff unmittelbar

und mittels der Pumpe q die entsprechende Menge Frischluft durch den Wärmespeicher r hindurch eingeführt. Diese wird im Wärmespeicher auf die Temperatur T₂ erhitzt, so daß der Brennstoff beim Eintritt sofort verbrennt. Die Menge der Frischluft und des Brennstoffes ist so gering, daß die entwickelten Verbrennungsgase nur einen Bruchteil der bereits kl den Arbeitsräumen befindliehen Verbrennungsgase betragen. Durch die Verbrennung gelangen die Gase in den Zustand 4 des Diagramms.

Brennstoff und Frischluft werden zweckmäßig während der Bewegung der Kolben 1 und 2 so zugeführt, daß die Verbrennung entsprechend der Isobarlinie 3-4 bei gleichbleibendem Druck P₂ erfolgt. Nach der Verbrennung ist der Kolben 2 in der Nähe der inneren Totpunktlage angelangt und verharrt

äo dort, während der Kolben 1, der erst einen Bruchteil seines Aufwärtshubes vollführt hat, diesen vollendet, wobei eine adiabatische Expansion auf den Druck P₁ entsprechend der Adiabate 4-5 stattfindet und die Gase in den Zustand 5 gelangen, in welchem sie auf die Temperatur T₂ der warmen Seite des Wärmespeichers R abgekühlt sind.

Während der Kolben 2 seinen Aufwärtshub ausführt, vollführt der Kolben 1 seinen Hubwechsel 1 und nähert sich dem Wärmespeicher R. Dabei wird die Hauptmenge der Gase vom Zylinder α durch den Wärmespeicher R hindurch wieder in den Zylinder c geschoben, bei gleichbleibendem Drucke P₁

längs der Isobarlinie 5-1 auf die Temperatur T₀ abgekühlt, so daß die Gase wieder in ihrem ursprünglichen Zustand 1 in dem Verdichter c sind. Gleichzeitig wird durch die Steuerung η das Auspuff ventil; derart geöffnet, daß eine der bei der Verbrennung des eingeführten Brennstoffes mit der durch die Pumpe q eingeführten Frischluft entwickelten Menge Verbrennungsgas gleiche Menge Auspuffgase durch den Wärmespeicher r aus der Maschine auspuffen.

Die Pumpe q schöpft die Frischluft aus der Atmosphäre mit dem Druck P₀ und der atmosphärischen Temperatur T₀, entsprechend dem Punkt 11 des Diagramms. Diese Luft wird gemäß der Adiabate 11-12 auf den Zustand 12 mit dem Druck P₂ und der Temperatur T₄ verdichtet. Im Wärmespeicher r erwärmt sich die Frischluft längs der Isobarlinie 12-3 auf die Temperatur T₂ und dann infolge der Verbrennung auf die Temperatur T₃. Die durch das Auspuffventil / austretenden Auspuffgase kühlen sich im Hilfswärmespeicher r längs der Isobarlinie 5-15 auf die Temperatur T₅ ab und puffen mit dieser in die Atmosphäre aus.

Aus diesem Diagramm ist es also ersichtlich, daß der Wärmespeicher r von den Auspuffgasen je kg die der Fläche 17, 15, 5) 10, 17 entsprechende Wärmemenge aufnimmt und an die Frischluft je Kilogramm die der Fläche 8, 12, 3, 9, 8 entsprechende Wärmemenge abgibt.

Die Flächen 17, 15, 5, 10, 17 und 8, 12, 3, 9, 8 sind nicht gleich, doch ergeben die ihnen entsprechenden Wärmemengen mit dem Gewicht des betreffenden Mittels multipliziert das gleiche Produkt; denn die vom Wärmespeicher aufgenommene und die von ihm abgegebene Wärmemenge sind einander gleich.

Wäre kein Wärmespeicher vorhanden, so müßten die Auspuffgase mit der Temperatur T₂ auspuffen und würden je Kilogramm Gas die der Fläche 17, 15, 5 ,10, 17 entsprechende Wärmemenge mehr in die Atmo-Sphäre abführen. Diese Wärmemenge wird durch die Erfindung zurückgewonnen.

Bei der Gasmaschine gemäß Abb. 2 ist die kalte Seite des Wärmespeichers R mit dem Verdichter c durch die Druckleitung des Verdichters, die an beiden Enden von dessen Druckventil / und von einem Ventil g abgeschlossen ist, und durch eine Leitung i verbunden, die an beiden Enden durch das Saugventil des Verdichters und ein Ventil h abgeschlossen wird und einen Kühler e- sowie einen Druckbehälter d aufweist. In den Arbeitszylinder α münden zwei Düsen X₁ und jr₂, welche mit je zwei Wärmespeichern r₁ und r„ bzw. r₃ und r₄ verbunden sind. Diese sind durch je eine Leitung mit dem Gehäuse eines Drehschiebers m verbunden, der von der Kurbelwelle 3 angetrieben, die Wärmespeicher T₁ und r₂ bzw. R₃ und 2?₄ abwechselnd über die Wärmeaustauschvorrichtung 4 mit den Motorzylindern k und mit der Brennstoff- und Frischluftpumpe b, q verbindet. Die Ein- und Auslaßventile der Motorzylinder k sind gesteuert, während die Pumpendruckventile selbsttätig wirken. Die Pumpensaugventile dagegen werden zweckmäßig auch gesteuert und stehen mit den Einlaßventilen der Motorzylinder k unter dem Einfluß eines nicht gezeichneten Reglers derart, daß in jedem Arbeitsprozeß der Maschine die eingeführte Brennstoffgasmenge der Belastung der Maschine entspricht, daß die eingeführte Frischluftmenge zur vollständigen Verbrennung der Brennstoffgasmenge gerade ausreicht, und daß eine der Menge der erzeugten Verbrennungsgase gleiche Menge Auspuffgase durch die Motorzylinder K abgeführt wird, und zwar auf die beiden Zylinder im Verhältnisse der zugeführten Frischluft und Brennstoffgasmenge verteilt, so daß beide mit der gleichen Temperatur in die Verbrennungsdüse X₁, x₂ ein-

treten. Die Motor zylinder K und die Pumpen b und q wirken als Volumenabmeßvorrichtungen für das Brennstoffgas, die Luft und die Auspuffgase.
Die Wirkungsweise ist die folgende:

Der Kolben 2 saugt aus dem Druckgasbehälter d Verbrennungsgase mit dem Druck P₁, z. B. 10 Atmosphären, an, verdichtet dieselben auf den Druck P₂, z. B. 60 Atmosphären, und fördert die Gase durch das Druckventil /, die Druckleitung, das Ventil g, den Wärmespeicher R in den Zylinderraum a. In diesem wird in der dargestellten Stellung des Drehschiebers m einerseits mittels der Pumpe b Brennstoffgas durch die Kanäle 8 und 5 des Drehschiebers m und durch den Wärmespeicher r± und andererseits mittels der Pumpe q Frischluft durch die Kanäle 6 und 7 des Drehschiebers m sowie ao durch den Wärmespeicher r₃ gefördert. Frischluft und Brennstoff werden in den Wärmespeichern r_s und r± über die Entzündungstemperatur erhitzt und verbrennen in der Düse x₂ beim Zusammentreffen, bevor sie in den Zylinder α eintreten. Während des Arbeitshubes des Kolbens 1 erfolgt eine Entspannung der Gase auf den Druck P₁. Beim Einwärtshub des Kolbens 1 kehrt ein Teil der Verbrennungsgase durch das Ventil h und durch den Kühler e wieder in den Behälter d zurück. Der Rest tritt durch die Düse X₁, die Wärmespeicher T₁ und r₂ und die Kanäle 9 und 10 des Drehschiebers in die Zylinder k, und wirken auf Kolben, die mit der Kurbelwelle 3 verbunden sind, und strömen durch die Auspuffventile j ins Freie. Tn den Zylindern k werden die aus dem Kreislauf ausscheidenden Auspuffgase von dem Druck P₁ = 10 Atm. auf den atmosphärischen Druck entspannt und geben die ihnen noch innewohnende Arbeit an die Kurbelwelle 3 ab. Die Wärmeaustauschvorrichtung 4 überträgt die Verdichtungswärme der durch die Pumpen q und b geförderten Frischgase auf die kalten Auspuffgase, die diese Wärme in den Hilfsmotoren k in Arbeit umwandeln. Diese Arbeit ist ungefähr gleich der Arbeit, die die Kurbelwelle 3 in den Pumpen q und b zu leisten hat. Es wird jetzt der Schieber m derart umgestellt, daß während des nächsten Arbeitshubes die Frischluft und das Brennstoffgas durch die Wärmespeicher r_v r₂ und die Düse X₁ in den Verbrennungsraum α gespeist werden, während die Auspuffgase den Zylinder α durch die Düse x_% und die Wärmespeicher r₃ und r_t verlassen.

Die in Abb. 3 dargestellte Maschine ist gleichfalls für gasförmigen Brennstoff eingerichtet.

Der die Nutzarbeit liefernde Druckgasmotor a_a, z. B. eine Turbine, wird aus dem Druckgasbehälter d₂ gespeist. Nach der Arbeitsleistung gelangen die Auslaßgase des Druekgasmotors a₂ in den Druckbehälter Ci₁. Statt einer Druckgasturbine kann eine oder eine größere Anzahl anderer Druckgaskraftmaschinen, Kolbenmotoren, Werkzeugmaschinen mit Druckgasantrieb oder zwischen die beiden Behälter d_x und d₂ eingeschaltet sein. Die Druckgasbehälter d₁ und d₂ stehen durch Ventile g und h mit der oberen Seite des Verbrennungszylinders a_x in Verbindung. Im Zylinder a_x spielt ein als Verdränger wirkender Kolben u, der mit einer Kurbelwelle 3 gekuppelt ist. Auf der unteren Seite des Zylinders a_x ist der Verbrennungsraum angeordnet, der durch den Wärmespeicher R und die Leitung i mit dem Kühler e mit der oberen Seite des Zylinders O₁ in ständig offener Verbindung steht. Im Druckbehälter Ci₁ ist eine selbsttätige Entwässerungsvorrichtung 12 angeordnet, die Kondenswasser ausscheidet.

An der Kurbelwelle 3 sind noch angeschlossen: die Frischluftpumpe q und die Brennstoffpumpe b, ein Niederdruckmotor und Meßpumpen 3I₁-^y₂, die von unrunden Scheiben c₁-c_i mittels Hebeln S₁-S₄₁ angetrieben werden. Die Meßpumpen y^-y^ sind einerseits durch Leitungen 5 mit Wärmespeiehern r und r₂ am Zylinder α_χ und andererseits mit Druckbehältern w, ζ und υ verbunden, von denen der eine w an den Niederdruckmotor k angeschlossen ist, während die beiden anderen, ζ und v, von den Pumpen b und q mit Brennstoff und Luft gefüllt werden. Die Meßpumpen sind auf der oberen Seite mittels der Leitung 1 mit dem kalten Arbeitsraum in Verbindung, so daß die Kolben entlastet sind und keine Arbeit zu leisten haben. ioo Die Bewegung dieser Pumpen erheischt demnach, abgesehen von der Überwindung, keine Arbeit. Die Wärmespeicher R, T₁ und r₂ besitzen eine so große Wärmekapazität im Verhältnis zu den sie aufzuspeichernden Wärmemengen, daß die Temperatur an jeder Stelle derselben konstant bleibt. Der Wärmespeicher R besitzt auf der warmen Seite z. B. die Temperatur P₂ = 1200⁰, auf der kalten Seite der Temperatur des Kühlers z. B. 200⁰.

Abb. 6 zeigt schematisch den Verbrennungszylinder U₁ mit dem Druckgasmotor a₂ und in einem Kolbenhubdiagramm den Druckverlauf im Zylinder α_χ.

Abb. 7 ist ein Wärmediagramm, in welchem die Ordinaten die absoluten Temperaturen und die Abszissen die Entropien darstellen. Bei der in Abb. 6 gezeichneten unteren Totpunktlage des Verdrängers u befändet sich die ganze Gasmasse G im Verbrennungszylinder unter Vernachlässigung der in den Wärmespeichern R, r_v r₂ und der Leitung i, deren

Volumen als schädlicher Raum wirkt, befindlichen Menge in dem »kalten Arbeitsraum« unter dem Druck P₁ von z.B. io Atm. des Niederdruckbehälters Ci₁ und besitzt die Temperatur T₁ des Kühlers e_v welche gleich der Atmosphärentemperatur sei. Dieser Zustand entspricht dem Schnittpunkt der Isobare P₁ mit der Isotherme T₁ im Wärmediagramm (Abb. 7). Die ganze Gasmasse G denke man to sich in drei Teile geteilt: die als Verdichtungsmenge G_v, Fördermenge G_f und Nutzmenge G_n bezeichnet werden sollen.

Während der Verdränger u sich von der unteren Totlage um die Strecke U₁ in die Lage χ bewegt, wird die mit G_v bezeichnete Verdichtungsmenge von dem Verdränger u aus dem kalten Arbeitsraum durch die Leitung / und den Wärmespeicher R hindurch in den unter dem Verdränger u liegenden ao »warmen Arbeitsraum« hinübergeschoben. Während des Durchganges durch den Wärmespeicher werden die Gase von der Temperatur T₁ der kalten Seite des Wärmespeichers auf die Temperatur T₂" der warmen as Seite erwärmt. Da das Volumen des Druckgasgenerators nicht geändert wird, bewirkt diese Erwärmung eine Steigerung des Druckes von P₁ auf Druck P₂, gemäß der Kurve I-II des in Abb. 6 eingezichneten Diagramms. Infolge dieser Drucksteigerung werden die in dem kalten Arbeitsraum verbleibende Fördermenge Gf und die Nutzmenge G_n adiabatisch vom Drucke P₁ und der Temperatur T₁ auf den Druck P₂ und eine entsprechende Temperatur T₃ verdichtet. Dieser Zustandsänderung entspricht die Adiabate 1-2 des Wärmediagramms (Abb. 7). Ein jedes Teilchen der Menge G_v, welches bei einem zwischen P₁ und P_n liegenden Drucke mit der Höchsttemperatur T₂ des Wärmespeichers in den warmen Arbeitsraum eintritt, erleidet hier eine weitere adiabatische Drucksteigerung bis auf den Druck P₂ und erfährt daher eine dieser Drucksteigerung entsprechende Temperatursteigerung über T₂. Diese Temperatursteigerungen sind für die einzelnen Anteile von G_v verschieden und ergeben für die ganze Menge G_v bei Erreichung des Druckes P₂ eine mittlere Temperatur T₅. Es entspricht somit der Zustand der Menge G_v nach ihrem Durchtritt in den warmen Arbeitsraum dem Punkte 7 des Wärmediagramms. Die ganze Zustandsänderung der Menge G_v während der Hubstrecke A₁ versinnlicht die Linie 1-7 des Wärmediagramms. Die Menge G_v hat hierbei vom Wärmespeicher eine Wärmemenge Q_v aufgenommen, welche für 1 kg die Fläche 9, 1, 7, 12, 9 des Wärmediagramms darstellt. Alle während der Hubstrecke A₁ erfolgten Wirkungen sind auf Kosten dieser Wärmemenge Q_v entstanden.

Während der Verdränger u sich von der j Lage χ und um die Hubstrecke A₂ in die obere j Totlage bewegt, wird eine weitere Gasmenge, die Fördermenge G_f, durch die Leitung i und durch den Wärmespeicher R in den warmen Arbeitsraum hinübergeschoben. Da sich die Druckventile h beim Druck P_n öffnen, bleibt der Druck während der ganzen Förderperiode entsprechend der Strecke II-III des Kolbenhubdiagramms ständig P₂. Die Menge G_f durchströmt auf ihrem Wege durch die Leitung i den Kühler C₁ und wird durch diesen gemäß der Isobarstrecke 2-3 von der Temperatur T₃ auf die Kühlertemperatur T₁ abgekühlt. Dabei gibt die Fördermenge G₁ an den Kühler die Wärmemenge Q„ ab, welche für ι kg der Menge"G_f durch die Fläche 8, 3, 2,

9, 8 des Wärmediagramms dargestellt wird. Die Menge G_f tritt mit der Temperatur T₁ in den Wärmespeicher R und erwärmt sich hier bei gleichbleibendem Drucke P₂, also gemäß der Isobarstrecke 3-4, auf die Höchsttemperatur T₂ des Wärmespeichers, so daß ihr Volumen sich auf das μ = T₂jT_tia.che vergrößert. Das Gas nimmt aus dem Wärmespeicher die Wärmemenge Q_f auf, die für ι kg der Menge G_f durch die Fläche 8, 3, 4,

10, 8 des Wärmediagramms dargestellt wird. Während der Förderperiode schieben die Meßpumpen y_s und y₄ die auf den Druck P₂ verdichtete Brennstoffmenge G₆ und Frischluftmenge G₁ durch die Wärmespeicher ?\ und r„ in den warmen Arbeitsraum. Die Frischgase erwärmen sich in den Wärmespeichern r_x und r₂ auf deren Höchsttemperatur, welche gleich der Höchsttemperatur T₂ des Wärmespeichers R ist. T₂ liegt oberhalb der Entzündungstemperatur des Brennstoffes; deshalb verbrennt der Brennstoff beim Eintritt in den warmen Arbeitsraum ohne besondere Zündung und teilt die Verbrennungswärme den in dem warmen Arbeitsraum befindlichen Gasen mit, so daß deren Temperatur bei gleichbleibendem Drucke P., steigt. In Wirklichkeit vermischen sich alle im warmen Arbeitsraum befindlichen Gase miteinander. .Doch denke man sich der Einfachheit der Erklärung halber, daß die Gasmenge G_v unverändert in ihrem am Ende der Verdichtungsperiode eingenommenen Zustande 7 verharrt und die Fördermenge G_f die ganze Wärmemenge Q₁ aufnimmt, welche für ι kg derselben durch die Fläche 10, 4, 5, ii, 10 des Wärmediagramms dargestellt wird. Während des Hinüberschiebens der Fördermenge Gf und der Verbrennung wird, da das Volumen der beiden Arbeitsräume unverändert bleibt, eine der der Fördermenge Gf entsprechende Menge der im kalten Arbeitsraum verbliebenen Verbrennungsgase, die Nutzmenge G_n, durch das Druckventil h ver-

drängt. Während der Verbrennung und während des Abwärtshubes des Verdrängers u werden die Verbrennungsgase aus dem warmen Arbeitsraum hinausgedrückt. Beim Durchstreichen des Wärmespeichers R kühlen sie sich auf die Temperatur T₁ ab, wodurch infolge der Unveränderlichkeit des Gesamtvolumens ein Druckabfall längs der Kurve III-IV des Kolbenhubdiagramms eintritt. Wenn der Verdränger u den Hub h₃ zurückgelegt und die Stelle y erreicht hat, ist der Druck bis auf den DrUCkP₁ gesunken. Der leichteren Verständlichkeit halber sei angenommen, daß die auf die kalte Seite zurückkehrende Menge gerade die als Verdichtungsmenge G_v bezeichnete Gasmenge sei, von der angenommen wurde, daß sie im Zustand/ verharrt sei. Die einzelnen Teile dieser Verdichtungsmenge machen dann alle jenen Zuao Standsänderungen in umgekehrter Reihenfolge und in umgekehrtem Sinne durch, welche sie während der Verdichtungsperiode durchgemacht haben. Infolgedessen kehrt die Verdichtungsmenge G_v aus dem Zustande 7 längs derselben Linie 7-1 in den Anfangszustand 1 zurück. Die Verdichtungsmenge G_v gibt hierbei an den Wärmespeicher R für 1 kg die der Fläche 12, 7, 1, 9, 12 entsprechende Wärmemenge ab, genau dieselbe Wärmemenge Q_v, welche sie von demselben während der Verdichtungsperiode aufgenommen hat. Die Verdichtungsmenge G_v hat also im ganzen, weder Arbeit geleistet noch Arbeit oder Wärme verbraucht.

Die Fördermenge Gf verbleibt während dieser Periode im warmen Arbeitsraum und erleidet da eine adiabatische Entspannung vom Drucke P₂ und der Temperatur T₄ gemäß der Adiabate 5-6 auf den Druck P₁ und erreicht bei entsprechender Bemessung der eingeführten Brennstoff- und Frischluftmenge Gj, bzw. Gi gerade die obere Temperatur T₂ des Wärmespeichers.

Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Verdrängers um die Hubstrecke h_it d. h. von der Stellung y bis zur unteren Totlage, bleibt der Druck konstant gleich P₂; denn die Saugventile g öffnen sich und die neue Nutzmenge G_n strömt aus dem Niederdruckbehälter Ci₁, der unter dem gleichbleibenden Drucke P₁ steht, mit der Temperatur T₁, also im Anfangszustande 1, in den kalten Arbeitsraum ein. Die auf die kalte Seite zurückkehrende Fördermenge G_f kühlt sich inzwischen im Wärmespeicher gemäß der Isobarstrecke 6-1 von der Temperatur T₂ auf die Temperatur T₁ ab und kehrt ebenfalls in den Anfangszustand zurück. Sie gibt hierbei an den Wärmespeicher für jedes 1 kg die der Fläche 9, 1, 6, 11, 9 entsprechende Wärmemenge ab. Infolge der Äquidistanz der Isobaren P₂ und .P₁ sind die zwischen den gleichen Isothermen T₁ und T₂ liegenden Flächen 8, 3, 4, 10, 8 und 9, 1, 6, 11, 9 einander kongruent; somit ist die von der Fördermenge G_f während der Saugperiode an den Wärmespeicher rückerstattete Wärmemenge gleich der während der Förderperiode aufgenommenen. Am Ende der Saugperiode ist daher der kalte Arbeitsraum mit Verbrennungsgasen von dem Drucke P₁ und von der Temperatur T₁ gefüllt und enthält genau dieselbe Gewichtsmenge wie am Anfang der Verdichtungsperiode.

Die Fördermenge Gf hat also den Kreislauf i, 2, 3, 4, 5, 6, ι durchgemacht, also für jedes Kilogramm eine der durch die Fläche 1, 2, 4, 5, 6, ι desselben dargestellte Wärmemenge äquivalente Arbeit geleistet, welche mit i_f bezeichnet werde. Nun ist die Fläche

1, 2, 4, 5, 6, ι = 8, 3, 4, 10, 8 — 8, 3,

2, 9, 8 + 10, 4, 5, 11, 10 — 9, i, 6, 11, 9.

Das erste Glied entspricht der vom Wärmespeicher R durch die Fördermenge G/ aufgenommenen, das letzte die von ihr an demselben rückerstattete Wärme, welche einander gleich sind, also bleibt

1,2,4,

^{= IO}>4, 5,11,10 — 8,3,2,9,

Das erste Glied bedeutet hier die jedem Kilogramm der Fördermenge bei der Verbrennung zugeführte Wärmemenge q_v das zweite die von jedem Kilogramm abgeführte Menge ^₂.

Es ist A if = q_x-q₂, wo A =—, das Wärmeäquivalent der Arbeit bedeutet. Für die ganze Fördermenge G_f beträgt die geleistete Arbeit L_f = Gfif und die ein- bzw. abgeführte Wärme Q₁ = G_f ^₁ O₂ = Gf q₂, wobei A L_f = Q₁ — Q₂.

In Wirklichkeit sind die Verhältnisse verwickelter; denn die Verdichtungs- und Fördermenge vermischt sich stets, und eine jede Elementarmenge der Mischung macht einen besonderen Arbeitskreislauf durch. Das Gesamtergebnis dieser Elementarzyklen ist aber stets dasselbe und wird durch die vier letzten Gleichungen ausgedrückt.

Die erzeugte Arbeit wird unmittelbar auf die Nutzmenge G_n übertragen, indem diese vom Zustande 1 auf 2 verdichtet wird. Dies entspricht einer Pumpenarbeit, welche für je ι kg mit I_n bezeichnet werden soll. Die Verdichtung der ganzen Nutzmenge G_n erfordert die Arbeit G_n I_n, und es besteht die Gleichung:

Lf = Gf i, = G_n I_n.

Die auf dem Druck P₂ und die Temperatur T₁ verdichtete Nutzmenge tritt in diesem, dem Punkte 2 des Wärmediagramms entsprechenden Zustande in die Turbine a₂ ein, in welcher

sie eine adiabatische Entspannung gemäß der Adiabate 2-1 des Wärmediagramms erleidet und in dem Anfangszustand 1 in dem Niederdruckbehälter (I₁ strömt. In diesem herrscht also der Zustand 1, d. h. der Druck P₁ und die Temperatur T₁. Aus diesem Behälter wird die Nutzmenge G_n vom Druckgaserzeuger neu angesaugt. Die Nutzmenge führt demnach einen geschlossenen Kreislauf aus, weleher durch die Linie 1-2-1 im Wärmediagramm dargestellt wird. Der Verbrennungszylinder O₁ und der Druckgasmotor a„ bilden infolgedessen zusammen eine Kraftanlage, in welcher der Verbrennungszylinder a_t gleichzeitig die Rolle einer als Kraftgaserzeuger dienenden Brennkraftmaschine und eines mit dieser gekuppelten Verdichters spielt.

Zur Beschreibung der Frischluft und Brenngaszufuhr und der Abfuhr einer entsprechenden Menge Auspuffgase soll der Einfachheit halber angenommen werden, daß für alle drei beteiligten Stoffe dieselben Isobarlinien im Wärmediagramm Geltung haben. Die Pumpen b und q (Abb. 3) schöpfen die Brennstoffgasmenge G_b und die Frischluftmenge G₁ aus einer Gasquelle bzw. aus der Atmosphäre mit dem Druck P₀ der Atmosphäre und der Atmosphären temperatur T₁ (Abb. 7), also im Zustand 13 des Wärmediagramms. Die Frischgase werden gemäß der Adiabate 13-14 auf den Druck P₁ verdichtet und in den Druckgas- und den Druckluftbehälter ν geschoben. In diesen herrscht also der Zustand 14, d. h. der Druck P₁ und die Temperatur T₁₁. Von hier werden die Frischgase durch die Meßpumpen ^₁, y₂ (Abb. 3) angesaugt und gemäß der Adiabate 14-15 (Abb. 7) auf den Druck P₂ und auf die Temperatur T₇ verdichtet, sodann während der Förderperiode (Abb. 6) durch die Wärmespeicher T₁ und r₂ in den warmen Arbeitsraum gedrückt. In den Wärmespeichern, deren kältere Seite im Beharrungszustande die Temperatur T₇ und die wärmere die Temperatur T₂ hat, erwärmen sich die Frischgase gemäß der Isobarstrecke 15-4 auf die Temperatur T₂, wobei jedes 1 kg die der Fläche 16, 15,4, 10, 16 entsprechende Wärmemenge von den Wärmespeichern aufnimmt. Die Temperatur T₂ liegt oberhalb der Zündtemperatur (beispielsweise T₂ = 1 200 ° abs), so daß die Frischgase beim Eintritt in den warmen Arbeitsraum sofort verbrennen und sich mit den dort befindlichen Gasen vermischend ihre Verbrennungswärme auf die letzteren übertragen. Die aus den Frischgasen entstandenen Verbrennungsgase, deren Menge G_a gleich Gf, + G₁ ist, erwärmen sich zugleich ' mit den übrigen Gasen beim gleichbleibenden j Druck Pf, gemäß der Isobarstrecke 4-5 auf die ' Höchsttemperatur T_i des Kreislaufs und | jedes Kilogramm nimmt hierbei die durch die | Fläche 10, 4, 5, ir, ro dargestellte WärmexTienge, d. h. q_ls auf, insgesamt also G_a + (Zi-Während der Entspannungsperiode expandiert die Gasmenge G_a gemäß der Adiabate 5-6, wodurch ihr Druck auf P₂ und ihre Temperatur auf T₂ sinkt. Während der Saugperiode saugen die Meßpumpen y_s, y₄ (Abb. 3) bei gleichbleibendem Druck P₁ durch die Wärmespeicher die Auspuffgasmenge G_a ab und schieben dieselbe in den Behälter w, wobei sich die ausscheidende Gasmenge G_a von der Höchsttemperatur T₂ der Wärmespeicher auf deren untere Temperatur T₇ gemäß der Isobarstrecke 6-17 des Wärmediagramms abkühlen und an die letztere für jedes Kilogramm Gas die der Fläche 18, 17, 6, 11, 18 entsprechende Wärmemenge abgeben. Infolge der Äquidistanz der Isobarlinien P₁ und P₂ ist diese Fläche der Fläche 16, 15, 4, 10,16 gleich. Die Meßpumpen y_s, y₄ sind so bemessen, daß durch den Wärmespeicher r_t die der Brennstoffmenge G_b und durch den Wärmespeicher r₂ die der Frischluftmenge G₁ gleiche Verbrennungsgasmenge ausströmt. Bei beiden Wärmespeichern sind die aufgenommenen und abgegebenen Wärmemengen einander gleich, so daß sich auch die Wärmespeicher T₁ und r₂ im Wärmegleichgewicht befinden. Aus dem Behälter w, in dem der Zustand 17, d.h. der Druck P₁ und die Temperatur T₇ herrscht, gelangen die Auspuffgase in den Niederdruckmotor k und entspannen sich dort unter Leistung von Arbeit gemäß der Adiabate 17-19 auf den Atmosphärendruck P₀ und auf eine Temperatur T₁₀. Mit dieser pufft sie schließlich in die Atmosphäre aus. Die Frischgase und die Auspuffgase führen demnach gemeinsam den Kreislauf 13, 14, 15, 4, 5, 6, 17, 19, 13 aus und jedes Kilogramm leistet eine der Fläche dieses Kreislaufes äquivalente Arbeit.

Bei jedem Aufwärtshube des Verdrängers u fördert die Frischluftpumpe q Frischluft und die Brennstoffpumpe b brennbares Gas, auf 10g den Druck P₁ verdichtet, durch die Wärmespeicher T₁ und r₂ in den Kreislauf, und beim folgenden Abwärtshub des Verdrängers u gelangt eine der in den Kreislauf gespeisten Gasmenge gleiche Gewichtsmenge Auspuffgase in den Motor k und wird aus dem Kreislauf ausgeschieden.

Gemäß Abb. 4 ist der Wärmespeicher r mit dem Wärmespeicher R zusammengebaut, von diesem jedoch durch eine Trennungswand derart abgeteilt, daß die Vermischung der Frischluft mit den Verbrennungsgasen verhindert ist.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Brennkraftmaschine, bei welcher ein Teil der Verbrennungsgase für den nächsten Arbeitsprozeß zurückbehalten wird,

   mit einem kalten und einem warmen Arbeitsraum und einem Wärmespeicher zwischen beiden Räumen, dadurch gekennzeichnet, daß an den warmen Arbeitsraum für jeden gasförmigen Bestandteil der frischen Ladung noch mindestens ein weiterer Wärmespeicher angeschlossen ist, durch den der betreffende Bestandteil eingeführt und Auspuffgase ins Freie abgeführt werden.
2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß an den warmen Arbeitsraum noch zwei weitere Wärmespeicher angeschlossen sind, durch welche der Brennstoff und die Frischluft getrennt in den warmen Arbeitsraum eingeführt und die ins Freie abzuführenden Auspuffgase, beherrscht von einem Auslaßorgan, auf der kalten Seite jedes der b'eiden Wärmespeicher in Mengen abgeführt werden, die der durch den betreffenden Wärmespeicher eingeführten Gasmenge gleich ist (Abb. 2 und 3).
3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmespeicher in in den warmen Arbeitsraum einmündende Düsen (X₁, X₂) führen, in der die Verbrennung vor dem Eintritt der Gase in den warmen Arbeitsraum stattfindet (Abb. 2).
4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den warmen Arbeitsraum noch zwei weitere Wärmespeicher angeschlossen sind, durch welche der Brennstoff und die Frischluft getrennt in den warmen Arbeitsraum eingeführt und die Auspuffgase abgeführt werden, und daß auf der kalten Seite der beiden Wärmespeicher sowohl zur Regelung der Frischgase als auch der Auspuffgase Meßvorrichtungen angeordnet sind, welche von der Maschine getrieben werden (Abb. 3).
5. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einem Motor, in welchem Auspuffgase von dem niedrigsten Druck des warmen Arbeitsraumes auf den atmosphärischen Druck expandieren, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Motor auf der kalten Seite eines Wärmespeichers für die frische Ladung angeordnet ist (Abb. 2 und 3).
6. 6. Brennkraftmaschine nach Ansprüchen i, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Brennstoff- und einer Luftpumpe sowie einem Niederdruckmotor einerseits und den beiden Wärmespeichern anderseits noch Druckgasbehälter angeordnet sind, deren Verbindung mit den Wärmespeichern durch Meßpumpen beherrscht werden (Abb. 3).
7. 7. Brennstoffmaschine nach Ansprüchen ι und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpumpen einfach, wirkend sind, und daß die nicht arbeitenden Seiten ihrer Zylinder zwecks Entlastung der KoI-ben mit dem Verbrennungsraum der Kraftmaschine verbunden sind (Abb. 3).
8. 8. Brennkraftmaschine für gasförmigen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mit zwei besonderen Wärmespeichern ausgerüstet ist, durch welche die Verbrennungsluft und der gasförmige Brennstoff getrennt eingeführt und die Verbrennungsgase durch beide Wärmespeicher in einer solchen Verteilung abgeführt werden, daß die durch die beiden Wärmespeicher austretende Verbrennungsgasmenge der durch den betreffenden Wärmespeicher einströmenden Frischgasmenge gleich ist (Abb. 4).

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.