DE84304C - - Google Patents
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KAISERLICHESIMPERIAL
PATENTAMT.PATENT OFFICE.
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.In thermal engines, which, such. B. the gas engines, the energy of the combustion gases Directly converting it into energy of movement becomes the transfer of work performance of the reciprocating piston, as in steam engines, is a slider-crank mechanism used with flywheel. While in the steam engine the work of the steam alone loads the slider crank gear, There are three working variables available for those explosion or combustion machines: the work of compression to compress the cargo, the work of expansion without Heat input and the difference between this work of expansion and the work of expansion with heat input, the indicated useful work. The first two works are (in the ideal machine) the same as each other, but with different omens in changing periods of time, they could be referred to as »inner Work «. In the case of heat engines, according to the theory Increasing the thermal efficiency work with strong compression, the »inner Work «can become much larger than useful work and thus through the» inner work Work «also place a considerable load on the slider crank mechanism. This strictly carried out separation of the different work sizes and comparison of the "Inner work" against useful work leads to the consideration of whether it might not be possible let that "inner work" be removed from the transfer to the crank mechanism to keep. One solution is given in the present invention.
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.The previous arrangement is shown schematically in FIG. 1. Z is a cylinder closed on both sides with the ■ compression chambers F 1 and F 2 , K is the piston which is connected to the flywheel R by the slider crank mechanism. The control organs and other things, because they are irrelevant here, are left out, and ignition and the supply of heat are also to be disregarded and only the process of "internal work" should be considered first.
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.The same gas volume is present in both cylinder halves when the piston is in the middle position. The piston K is thus in this position in stable equilibrium, the mass of the flywheel is as great as it has been since then, that it is able to absorb the energy to be transferred during expansion and compression, and that it is sufficiently large that a certain excess of Energy of motion for uniformity of gait when starting can be imparted to it. Let us also assume that losses through friction and radiation do not occur in adiabatic compression; in short, the ideal machine of the previous design is assumed.
Wenn nun durch Energiezufuhr von aufsen, durch Drehung von R der Kolben so bewegt wird, dafs er in F2 verdichtet, dann wird be-If, by supplying energy from outside, by turning R, the piston is moved in such a way that it compresses in F 2 , then
kanntlich ein Theil der zugeführten Energie als potentielle in der Verdichtung und Erwärmung des Gases in F2 aufgespeichert, ähnlich wie in einer gespannten Feder.It is well known that part of the energy supplied is stored as potential in the compression and heating of the gas in F 2 , similar to that in a tensioned spring.
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.If the crank passes the dead point, the gas expands again, the potential energy is converted back into kinetic energy in the mass of the flywheel, transmitted through the crank mechanism; When the piston is in the middle position, the potential has become a minimum, the kinetic a maximum. If the piston now moves further to V 1 , it is compressed there, kinetic energy is converted into potential, and so on.
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.Let us now drop the requirement of the uniform velocity of R and construct the flywheel in such a way that it contains just enough mass in the central position of the piston at the maximum of the kinetic energy to completely absorb that energy from the work of expansion at a certain velocity At the end of the stroke, the kinetic energy of the flywheel will be zero, while the potential of the tensioned gas will be a maximum. Movement of the flywheel R can now be reversed, the flywheel moves in the opposite direction until the next stroke change and the work processes as above are otherwise repeated when the piston moves back and forth. In both arrangements, the first (usual) with a rotating flywheel and the second with a vibrating flywheel, an energy change occurs, an energy transfer of the "inner work", the mediating pressure element is always the crank mechanism.
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. If the crank length and the mean swing ring radius are equal to each other, then the swing ring mass is equal to the coupling mass with movement on a straight line instead of an arc; the coupling mass can then also be accommodated in the piston as a piston mass or separately in a special body M (FIG. 2). This also provides the solution for relieving the "inner work" of the slider crank mechanism, the transfer of energy for the compressions and equivalent expansions that take place during a stroke movement without heat supply, only in the direction of the pressure axis of the piston without a lever, without a slider crank mechanism. The real useful work can, as before, be done outwards by crank mechanisms or other transmission devices. This is the essence of the new arrangement for the heat engines mentioned.
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. The marked, more or less ideal shape of the new machine with separate energy transfer for the "inner work" can be adapted in various ways to the requirements of practical feasibility. For example, when using the so-called four-stroke process (FIG. 3), two cylinders Z closed on both sides or, as in FIG. 4, four cylinders Z closed on one side with corresponding pistons K are necessary. The pistons, which are arbitrarily connected to one another, are either made so massive themselves for a given speed and compression work that they can absorb the energy of the "inner work", as mentioned, or the corresponding mass M is connected to the piston rod. If now in V 1 freshly sucked mixture of z. B. gas and air is compressed, so is exhausted in V 3 , expanded in V 2 and sucked in in F 4 , or if the control is set differently, it is compressed in V 1 , sucked in in F 2 , blown out in F 3 and expanded in F 4 . It is clear that after the working process explained there must be at least two cylinders closed on two sides or four cylinders closed on one side for the four-stroke cycle. In consideration of load changes, irregularities in the control, ignition, in the valve seals, all of which cause a certain stroke inequality in this arrangement with oscillating masses and which are rigidly connected to the pistons or. the masses M coupled slider crank mechanism have a destructive effect, is an elastic connection of the piston BEZW. the masses M with the slider crank mechanism, z. B. by switching on a spring F to provide.
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.This requirement of an elastic connection with the engine, which gives off the useful work, can also be taken into account by the fact that it is not the piston rod but the compressed gases themselves that act as pressure organs in a special machine D (Fig. 5).
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-There are for this purpose, apart from the usual other control devices, the cylinder Z to connect accordingly with a distributor slide S , so that z. B. in F 1 gas and air is compressed, sucked in in F 2 , burned and expanded in F 4 , the combustion gases from F 3 after the Prefsluftbehälters W and after the machine working like an ordinary compressed air machine. D must be pressed. You can preheat before W , after W and before or in D to reduce the work of compression and increase the work of expansion. The control can also be set so that the cylinder in which combustion takes place is connected to D ; or a part of the excess compressed mixture from the cylinder in which compression is taking place is passed to D, there without ignition.
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.irish expand dung, in a subsequent strokes back eyes to Z and then explode only after repeated compression in Z. If the mixture is only formed after compression, then the air or the gases are allowed to work separately in D.
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.By changing the controls, the number of cylinders, the type and arrangement of the pneumatic drive machines D , a number of different designs can be made. It goes without saying that the transmission with pre-filled air can also be carried out with a special compressor. Instead of air, any other gas or liquid can be switched on as a pressure element.
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.If one connects the oscillating piston K (Fig. 6) with an oscillating power generator, e.g. armature A with induced windings in the field of the magnet E 1 and the armature coils with an AC drive machine (if rectification takes place, with a DC drive machine) T (see also patent No. 83391 of class 21), then by means of this likewise "elastic" electrical transmission, energy of the movement can be given off as useful work.
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.By laying the mass that absorbs the energy of the "inner work" the flywheel in the coupling mass can be a further step to simplification do.
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 WTärme 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: It has just been shown with reference to FIGS. 1 and 2 that during the compression in F 2, kinetic energy is converted into potential, which during expansion changes into kinetic and then finally into potential of the gas compressed in F 1. If you now put the cylinders upright, you can use the potential energy of the position of M instead of the potential energy of the tensioned gas in F 2, because gravity now comes into play. In Fig. 7 this arrangement is shown, also for example according to the four-stroke system. In F 1 there is a compressed mixture, it burns and expands, in F 2 it is sucked in during this, first stroke; the pistons K 1 and K 2 move upwards at an initially accelerated, then decreasingly decelerated speed. When changing direction, the energy for the next compression is stored in the coupling mass M as the potential of the position. In the companionway, it is compressed in F 2 , blown out in V 1 (or pushed towards D , as in FIG. 5), second stroke. On the third stroke, combustion and expansion takes place in F 2 , intake of mixture in F 1 , and so on. Here, too, the useful work can be stated electrically or by means of compressed air through a special compressor, or by forcing either combustion gases or a part of the compressed air into a compressed air drive machine. In the event that compression does not take place or there are malfunctions in the control, ignition, etc., safety devices must be provided on the machine which, to a certain extent, render the piston movement harmless in terms of the energy not consumed by compression. These devices can consist of purely mechanical brakes, fluid brakes, air buffers, magnetic brakes, or if, as in FIG. B., is converted kinetic energy into electricity, and W T Slee and consumed before the piston reaches the Cylinderboden. Such braking devices such. B. the lever of the short-closer when the stroke is exceeded, by known mechanical arrangements on the vibrating parts, noses, pins or by gas pressure measuring apparatus, which act at the right time on those braking devices if the normal compression pressure does not occur. Finally, of the other possible changes to the marked arrangements, the following should be mentioned:
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.At first the piston can be stationary, the cylinder can vibrate, then the mass M must be connected or unified with the cylinder. Furthermore, the mass M can be fixed or resiliently attached to the piston, the piston rod, etc. Instead of one cylinder, several parallel or concentric cylinders can be present in one another or in series, but always with parallel pressure axes. A common plunger piston can be used for two cylinders which are closed on one side and which open towards one another. Instead of the slider crank mechanism, rack and pinion and the like can also be used to deliver the useful work.
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.For the essence of the innovation, it is ultimately irrelevant which fuel is used (Gas, petroleum or pulverized coal) the heat engine works and how that Control and regulating devices are otherwise designed.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0657234A1 (en) * | 1993-08-30 | 1995-06-14 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Mold for casting a laterally central portion of an engine block |
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- DE DENDAT84304D patent/DE84304C/de active Active
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EP0657234A1 (en) * | 1993-08-30 | 1995-06-14 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Mold for casting a laterally central portion of an engine block |
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