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Kolbenbrennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung, bei der verdichtete
sauerstoffhaltige Gase oder Gasgemische in Brennkammern mit Brennstoff verbrannt
und so Druckgase erzeugt werden Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine
mit äußerer Verbrennung, bei der 'verdichtete sauerstoffhaltige Gase oder Gasgemische
in Brennkammern mit Brennstoffen verbrannt und so Druckgase erzeugt werden, die
zur Entspannung in den Arbeitszylindern dienen. Die bisher bekannten Brennkraftmaschinen
mit Verbrennung im Arbeitszylinder haben manche Nachteile. So sind die Zünd- und
Brennzeiten sehr kurz, was zu hohen Luftüberschüssen oder zu Nachbrennen oder unvollkommener
Verbrennung führt. Außerdem muß die Zündung bzw. Einspritzung genäu im Takt der
Arbeitszylinder erfolgen und bei veränderlicher Drehzahl ebenfalls verändert werden,
wenn man nicht Unregelmäßigkeitenhinnehmenwill. Daswechselweise Arbeiten des Motors
als Verdichter und Kraftmaschine bringt auch Nachteile mit sich. Beispielsweise
wird das Vorheizen der neuen Ladung mit der Abwärme den Liefergrad und damit die
Literleistung verschlechtern; bei hohen Drehzahlen sinkt gleichfalls der Liefergrad
beträchtlich. Ferner sind die Brennkraftmaschinen mit Verbrennung im Arbeitszylinder
nur wenig überlastbar, so daß bei Fahrzeugmaschinen besondere Schaltgetriebe nötig
sind; denn bei Verdichterüberladung kommen die erhöhten Temperaturen direkt auf
Zylinder und Kolben, während eine Füllungsregelung wie bei der Kolbendampfmaschine
überhaupt nicht möglich ist.
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Man hat versucht, diese Nachteile mehr oder weniger dadurch zu beseitigen,
daß man die Verbrennung nicht im Arbeitszylinder vor sich gehen läßt, sondern in
davon getrennten besonderen Brennkammern, aus denen dann die gespannten Verbrennungsgase
in die Arbeitszylinder eintreten und dort entspannt werden. Derartige Brennkraftmaschinen
mit äußerer Verbrennung enthalten entweder eine einzige oder aber mehrere Brennkammern.
Soweit Einkammermaschinen bekannt sind, hat die eine Brennkammer ein Vielfaches
des gesamten Füllungsvolumens aller Arbeitszylinder, während bei Mehrkammermaschinen
jede Brennkammer nur das Füllungsvolumen eines Arbeitszylinders abgibt.
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Die Einkammermaschinen arbeiten grundsätzlich mit einer ununterbrochenen
Verbrennung in der Kammer, derart, daß der ständig zugeführte Druckluftstrom den
ständig zugeführten Brennstoff in der Kammer verbrennt, wobei die Brenngase ständig
den Arbeitszylindern zugeleitet werden. Solche ständige Verbrennung ist nur möglich,
wenn der Druck der verbrannten Gase nicht größer ist als der Druck der zugeführten
Luft. Es handelt sich demnach um eine Gleichdruckverbrennung. Bekanntlich ist es
in bezug auf Wirkungsgrad
und Wirtschaftlichkeit vorteilhafter,
den Eintrittsdruck in die Arbeitszylinder zum Teil durch eine Gleichraurnverbrennung
(Verpuffung) zu erzeugen, statt ihn durch den Ve:rdichter allein herbeizuführen.
Somit erfordern die Einkammermaschinen das ungünstige; Gleichdruckverfahren. Dieses
Verfahren er:5 gibt ferner in der Brennkammer und ihren Leitungen und Steuerteilen
zu den Arbeitszylindern ständig die höchste Brenntemperatur, so daß große thermische
Schwierigkeiten entstehen. Daher erklären sich auch die umfangreichen Kühlmaßnahmen,
die nicht nur die Maschine verwickelter machen, sondern auch den Wirkungsgrad stark
herabsetzen. Außerdem erfordert der geschilderte Gleichdruckbetrieb, daß entweder
stets wenigstens ein Arbeitszylinder gefüllt wird, wodurch mit sehr großer Füllung
und schlechtem Wirkungsgrad oder mit sehr vielen Zylindern gearbeitet werden muß,
oder daß große Ausgleichbehälter vorzusehen sind.
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Die Mehrkammermaschinen laden bei jeder Umdrehung eine Kammer mit
einer Ladung. Die Kammern werden fortlaufend nacheinander geladen, gezündet und
in den Arbeitszylinder entleert. Da jede Kammer nur eine Ladung enthält, so wird
entsprechend dem Verdichtungsverhältnis eine Kammer sehr klein und der überströmkanal
zum Zylinder verhältnismäßig groß. Beim Überströmen entstehen daher starke Druck-
und Temperaturabfälle, die noch durch die verhältnismäßig großen Oberflächen vergrößert
werden. Sie setzen den Wirkungsgrad beträchtlich herab. Ferner ist Füllungsregelung
nicht möglich. Die Verlängerung der verfügbaren Zünd- und Brennzeit entspricht direkt
der je Zylinder vorhandenen Kamrnerzahl und führt daher zu sehr vielen 'Kammern,
Einlaßvorrichtungen, Zündvorrichtungen usw.
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Bei den erwähnten Brennkraftmaschinen ist die Verwendung fester Brennstoffe
nicht ohne weiteres möglich. Es ist zwar u. a. schon eine Brennkraftmaschine für
feste Brennstoffe bekanntgeworden, bei der die Zuführung des Brennstoffes in Strangform
und hubweise erfolgt. Eine solche Maschine, die den Brennstoff taktmäßig vergast
und verbrennt, bietet aber keinerlei Gewinn in bezug auf Zünd-und Brennzeit, die
in diesem Fall festliegen. Brennkraftmaschinen mit äußerer Verbrennung in, einer
Kammer erfordern eine stetige Verbrennung, weil sonst Brennstoffteile neu gezündet
werden müßten, wozu die verfügbare Zeit nicht ausreicht. Solche stetige Verbrennung
bringt aber die oben geschilderten beträchtlichen Nachteile mit sich. Zudem setzt
die notwendige stetige Entnahme der verbrannten Gase auch stetige Verhältnisse am
Rost voraus, also stetiges Strömen der Luft durch den Rost. Die Luft darf deshalb
die gleiche Roststelle nur einmal durchströmen, ,so daß der Rost im Vergleich zum
Zylinder jhr groß werden muß. Der stetige Betrieb .itfaubt ferner das periodische
Ablassen von Rückständen nicht ohne weiteres. Die gleichen Schwierigkeiten treten
auf, wenn z. B. nach einem anderen bekannten Vorschlag feste Brennstoffe in einem
Druckgasgenerator verwendet werden. Mehrkammermaschinen benötigen für die großen
Zünd- und Brennzeiten fester Brennstoffe sehr viele Kammern, außerdem lassen sich
in den sehr kleinen Kammern dieRoste, Beschickungen, Katalysatoren, Verwirbelungs-
und Entaschungsvorrichtungen kaum unterbringen. Auch die Entfernung der Rückstände
und die Bemessung der verhältnismäßig kleinen Brennstoffmengen würde Schwierigkeiten
machen.
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Gegenüber allen diesen Vorschlägen besteht die vorliegende Erfindung
in einer Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung, bei der mindestens zwei wechselweise
betriebene Brennkammern vorgesehen sind, deren jede ein Vielfaches des gesamten
Füllungsvolumens aller Arbeitszylinder besitzt und über gesteuerte Abschlußvorrichtungen
mit sämtlichen Arbeitszylindern in Verbindung steht, wobei vorzugsweise die Brennkammern
und ihre Leitungen zu den Arbeitszylindern in an sich bekannter Weise als Wärmespeicher
ausgebildet sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele
aufgeführt.
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Die Zeichnungen veranschaulichen einige Ausführungsformen der Erfindung,
und zwar stellt Abb. i einen Aufriß, Abb. 2 einen Seitenriß, Abb. 3 einen Aufriß
einer Brennkammer bei Verwendung staubförmiger Brennstoffe, Abb. 4. einen Aufriß
und Abb. 5 einen Seitenriß einer Brennkammer bei Verwendung stückiger Brennstoffe
dar.
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Durch einen gemeinsamen Verdichter C werden die zwei Brennkammern
V und h' mittels der Leitungen R1 und R1' wechselweise mit Druckluft oder Druckgas
und Druckluft geladen. Beim Öffnen des Einlaßventils i, i' drückt der Verdichter
C bei gasförmigen oder vergasten Brennstoffen Druckgasgemisch in die Brennkammer
V, Tl', wo es nach Schluß des Einlaßventiis i, i' durch die Zündvorrichtung a, 2'
gezündet wird. Bei flüssigen Brennstoffen drückt der Verdichter C Druckluft in die
Brennkammer V, h', worauf nach Schluß des Einlaßventils i, i' mittels des Brennstoffventils
2, a' der flüssige Brennstoff eingespritzt wird, der sich dann in der heißen Luft
entzündet. Bei staubförmigen Brennstoffen drückt der Verdichter C in die Brennkammer
h, Tl' Druckluft,
die in der Düse D, D' (Abb. 3) hohe Geschwindigkeit
erreicht und dabei aus dem Staubbehälter S, S' durch seitliche kleine Bohrungen,
Schlitze o o. dgl. Staub mitreißt, dessen Menge nötigenfalls durch Veränderung der
Zusatzlöcher Z, Z', die nach außen durch einen luftdurchlässigen und staubundurchlässigen
Körper verschlossen sind, eingestellt werden kann, während nunmehr der Luftstrom
in der Brennkammer den Staub gut verwirbelt, der mit steigender Aufladung nach Erreichung
der Zündtemperatur, gegebenenfalls unter Mithilfe von Katalysatoren K, K', sich
entzündet und verbrennt, wobei das Einlaßventil i, i' schließt (gegebenenfalls Rückschlagventil).
Bei festen, körnigen oder stükkigen Brennstoffen (Abb. .4 und 5) wird beim Offnen
des Einlaßventils i, i' gleichfalls die Druckluft in der Düse D, D', welche
die annähernd tangentiale Einmündung der Lufteinlaßleitung R1 in die Brennkammer
darstellt, auf Ges,7liwindigkeit gebracht und durch den eingebauten Brennstoffbehälter
b, b' (in Abb. d. im Ul:,rzeigersinn) unter Mitwirkung von Leitfläche n L
so geführt, daß sie wiederholt den Rost r, r' als Ober- und Unterwind durchströmt
i md dabei Teile des glühenden Brennstoffs verbrennt, vorteilhaft ebenfalls unterstützt
durch Katalysatoren K, K', während die Zufuhr des festen Brennstoffes unabhängig
von der Aufladung entsprechend dein Brennstoffverbrauch durch den Hahn
H, H'
erfolgt. Auch hier schließt das Einlaßventil i, i' nach vollendeter
Aufladung.
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Von den Brennkammern Z' und V' gehen die Leitungen Rs und Rj zur gemeinsamen
Verteilerleitung R4, die abwechselnd von einer der Brennkammern y' und h' gespeist
wird. Von der Verteilerleitung R, gehen die Einlaßleitungen R" zu den Arbeitszylindern
A, die durch diese mittels der Einlaßventile 5 ihr Treibgas von bestimmter Füllung
erhalten. In den Arbeitszylindern Al. A=, A3 usw. werden die zugeführten Gase unter
Arbeitsabgabe an die Welle entspannt und treten beim Kolbenrückgang durch die nunmehr
geöffneten Auslaßventile 6 in die Auspuffleitungen und von dort in die gemeinsame
Auspuffleitung R, aus bzw. werden ausgeschoben. Ist der Druck in der liefernden
Brennkammer, z. B. Tl, bis auf den gewählten Arbeitsenddruck gefallen, so
schließt das Abgabeventil 4. der Kammer h, während gleichzeitig das Abgabeventil
q.' der Kammer U' öffnet. In Kaminer h öffnet dann das Einlaßventil i, und es beginnt
von neuem der Ladevorgang.
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Da die Brennkammern Treibgas von sinkendem Druck liefern, so erhalten
auch die Arbeitszylinder sinkende Anfangsdrücke. Das kann u. a. dadurch ausgeglichen
werden, daß die Füllungen der Arbeitszylinder entsprechend vergrößert werden oder
durch eine an sich bekannte Ausbildung der Brennkammern V, Tl' nebst den Leitungen
R3 und R3 , R4 und RS als Wärmespeicher W, derart, daß zu Beginn der Kammerlieferung
die Speichermasse Wärme aufnimmt und dadurch Temperatur und Druck des Treibgases
erniedrigt, während sie gegen Ende der Lieferung Wärme an das Treibgas abgibt und
damit dessen Temperatur und Druck erhöht.
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Bei Brennstoffen mit Rückständen werden nach Abb. 3 und 4. die Brenngase
so durchgeführt, daß die Rückstände an . Prallflächen P, P' oder durch Schleuderwirkung
oder durch feuerfeste Siebe oder elektrisch abgefangen werden und sich in der Nähe
des Auslaßventils 3, 3' sammeln. Hierher werden auch nach Abb. q. die vom Rost r,
r' kommenden Rückstände geleitet, was durch entsprechende Leitvorrichtungen
L gefördert werden kann. Haben sich genügend Rückstände angesammelt, so wird nach
Schluß des Abgabeventils ,4, d.' das Auslaßventil 3, 3' geöffnet, die restlichen
Brenngase oder ein Teil von ihnen strömen infolge des Druckgefälles zwischen dem
Arbeitsenddruck und dem atmosphärischen Druck ins Freie, wobei sie die angesammelten
Rückstände mit sich hinausführen. Nach Abfuhr der Rückstände schließt das Ventil
3, 3' wieder.
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Die Abgase aus den Arbeitszylindern wie aus den Brennkammern können
zum Vorheizen der Druckluft oder des Druckgasgemisches in den Leitungen R, und Ri
herangezogen werden. Die staubförmigen oder festen Brennstoffe können nach Abb.3,
4. und 5 in den Bunkern S und b vorgewärmt werden; auch für schwer brennbare Öle
kommt Vorwärmung in Betracht. Zwischen Brennkammern und- Arbeitszylindern kann Kühlung
vorgesehen werden.
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Die Regelung des Motors erfolgt vorzugsweise nach dem Füllungsprinzip,
derart, daß durch Veränderung der Leistung des Verdichters G und gegebenenfalls
auch der Arbeitsgeschwindigkeit der Brennkammern L' und h' die erzeugte Treibgasmenge
verändert und durch Füllungsveränderung der Einlaßventile S die den Zylindern A
zugeführteTreibgasmenge entsprechend vergrößert oder verkleinert wird.
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Gegenfiber den bekannten Maschinen werden folgende Vorteile erzielt:
Die verfügbare Zünd- und Brennzeit wird mit viel geringerem Aufwand beträchtlich
vergrößert. Dadurch können langsam brennende Brennstoffe wirtschaftlich verwendet
werden, und zwar sogar in schnellaufenden Maschinen. Zudem ist eine nicht unbedeutende
Verbesserung des Wirkungsgrades zii erwarten; denn die gesamten Oberflächen
werden
kleiner und damit auch die Wärmeverluste, zudem wird gegenüber den Einkammermaschinen
das günstigere Verpuffungsverfahren benutzt, und gegenüber den Mehrkammermaschinen
werden die schädlichen Räume verkleinert. Die vielfache Umwälzung der Luft bzw.
des Gemisches in den Brennkammern, die bei Einkammermaschinen wegen des stetigen
Betriebs unmöglich und bei Mehrkammermaschinen wegen der sehr kleinen Räume und
ihrer verhältnismäßig großen wärmeabführenden Oberfläche ungünstig ist, ergibt im
Zusammenhang mit den großen verfügbaren Brennzeiten eine vollkommenere Verbrennung
bei kleinstem Luftüberschuß und deshalb eine Erhöhung des Gütegrades und der spezifischen
Leistung der Kammern. Die den theoretischen Wirkungsgrad bestimmende Füllung der
Arbeitszylinder kann unabhängig vom Verdichtungsverhältnis wirtschaftlich günstigst
gewählt werden, so daß die Gesamtkosten möglichst klein "sind, während die Mehrkammermaschinen
an das Verdichtungsverhältnis gebunden sind und die Einkammermaschinen die bereits
oben geschilderte Abhängigkeit der Füllung von der Zylinderzahl bzw. großen Ausgleichsbehältern
und verwickeltenRegelungsvorrichtungenaufweisen. ,)ie. Maschine wird einfacher und
deshalb billiger und leichter und betriebssicherer, zumal von den Brennkammern bis
in die Zylinder nicht wie bei den Einkammermaschinen dauernd die höchste Brenntemperatur
zu beherrschen ist, sondern eine periodisch absinkende Temperatur, deren Höchsttemperatur
ferner durch den möglichen Wärmespeicherausgleich heruntergesetzt wird. Die Maschine
kann nach dem Füllungsprinzip mit seinen bekannten Vorteilen geregelt werden, während
bei Einkammermaschinen infolge der Abhängigkeit der. Füllung von der Zylinderzahl
usw. die Regelung mindestens begrenzt wird und bei Mehrkammermaschinen überhaupt
unmöglich ist. Die veränderliche Füllung der Arbeitszylinder kann in den Kammern
auf verschiedene untereinander kombinierbare Arten ermöglicht werden, wodurch dieRegelung
elastischer und ihr Bereich größer wird. Schließlich ist die Verwendung fester Brennstoffe
technisch und infolge der einfachen Mittel sogar wirtschaftlich möglich, und zwar
einmal durch die verfügbare große Zünd- und Brennzeit, zweitens wegen der mittels
der vielfachen Umwälzung durch die Roste erreichten hohen Rostbelastung und damit
kleinen Rostflächen und drittens endlich dank der periodischen Abblasmöglichkeit
der Rückstände.