250,3 mm 400 19,71 ltr 11. August 1900. 2,23 » Während der Kompressionsgrad der Petroleum- und Benzinmotoren sonst unter dem Werte 4 bleiben muss, hat er hier den Betrag 9,83, ist also wesentlich höher als bei allen bisher bekannten Verbrennungskraftmaschinen mit Ausnahme des Diesel-Motors. (Der höchste Kompressionsgrad, den ich gemessen habe, ist derjenige des Differdinger Gichtgasmotors, sein Wert ist = 6,49.) Wie die am Bánki-Motor entnommenen Diagramme (Fig. 11 für Vollbelastung und Fig. 12 für Leerlauf) zeigen, erhält man damit als gröfste Kompressionsspannung 16,4 kg/qcm abs. und Explosionsspannungen bis zu 38 kg/qcm. Trotzdem ist, wie schon hier betont werden mag, der Gang ruhig und nicht hart, wenn die richtige Wassermenge eingespritzt wird. Dass das Einspritzwasser es ist, welches den ruhigen Gang bei dieser hohen Kompression ermöglicht, sieht man daran, dass Stöfse sofort auftreten, wenn die Wasserzufuhr unter ein gewisses Mafs vermindert wird, und dass der Motor überhaupt stehen bleibt, wenn die Wasserzufuhr ganz aufhört. So ist denn der hohe Kompressionsgrad erreicht, den die Gasmotorentheorie als wünschenswert bezeichnet. Aber sofort muss sich die Frage aufdrängen, ob nicht durch das eingespritze Wasser der Kreisprozess gestört, der Nutzen der hohen Kompression wieder vernichtet wird. Denn bei demselben Kompressionsgrade wird die Aufeinanderfolge der Temperaturen im Kreisprozess eine ganz andere sein, wenn man mit oder wenn man (falls dies möglich wäre) ohne Wassereinspritzung arbeitet. Somit kann sich auch die Wärmeausnutzung ändern, und es muss untersucht werden, ob nicht unter sonst gleichen Verhältnissen die Wassereinspritzung einen schädlichen Einfluss auf den thermischen Wirkungsgrad ausübt, derart, dass dieser Wirkungsgrad etwa bei geringerer Kompression ohne Wassereinspritzung doch günstiger ist als bei hoher Kompression mit Wassereinspritzung. Um diese Frage für den vorliegenden Motor in genauen Zahlenangaben zu lösen, dazu fehlen freilich nach verschiedenen Richtungen die Grundlagen. Dass man mit einem Gemisch aus Benzin und Luft keine genauen thermodynamischen Rechnungen ausführen kann, da die physikalischen Konstanten des Benzindampfes nicht bekannt sind, ist noch kein grofser Nachteil, denn wir können uns den Einfluss der Wassereinspritzung auf den Kreisprozess auch an einem Gemisch aus Leuchtgas und Luft klar machen. Dagegen ist es von grofsem Nachteil, dass wir über die spezifischen Wärmen der Gase bei hohen Temperaturen im unklaren sind. Die von Mallard und Lechatelier angegebenen Zahlen für die spezifischen Wärmen scheinen für hohe Temperaturen zu grofse Werte zu ergeben1), anderseits aber wird man auch nicht annehmen dürfen, dass die spezifischen Wärmen von der Temperatur unabhängig sind. Am besten wird man die Untersuchung so vornehmen, dass man einerseits mit unveränderlichen spezifischen Wärmen, anderseits mit den Werten von Mallard und Lechatelier rechnet. Wie sich zeigen wird, ergeben beide Rechnungsarten zwar verschiedene Zahlenwerte für die Wärmeausnutzung, aber doch für den prozentuellen Einfluss der Wassereinspritzung auf den thermischen Wirkungsgrad ungefähr dieselbe Gröfsenordnung, sodass ein Einblick doch gewonnen werden kann. Durch Versuche an Gasmotoren findet man, dass bei Vollbelastung auf 1 kg Gesamtladung ungefähr Q1 = 500 WE während der Verbrennung entwickelt werden. Die Beschaffenheit der Ladung sei durch folgende physikalische Gröfsen bestimmt: a) unter Annahme unveränderlicher spezifischer Wärmen 3) : Konstante des Mariotte-Gay Lussacschen Gesetzes R 30,7 spezifische Wärme bei konstantem Volumen 0,182 1) Vergl. Fliegner: Vierteljahrschrift der Naturforschenden Gesellschaft zu Zürich 1899, Jahrg. XLIV, und E. Meyer: Physikalische Zeitschrift I S. 146. 2) Nach Zeuner: Technische Thermodynamik 1887 I S. 404 mit 8 = 22. Bezüglich der Wassermenge, die bei Wassereinspritzung zu 1 kg der durch die vorhergehenden Zahlen festgelegten Ladung hinzukommt, nehmen wir aufgrund meiner Versuche an, dass im Bánki-Motor auf 1 kg Benzin 4,8 kg Wasser eingespritzt werden. 1 kg Benzin entwickelt bei der Verbrennung 10 290 WE. Da 1 kg der oben betrachteten Ladung 500 WE 4,8 500 entwickelt, so wurde daher in diese Ladungsmenge 10290 rd. 0,23 kg Wasser eingespritzt. Während es verdampft, gelten für sein physikalisches Verhalten die Dampftabellen von Zeuner. Ist der Wasserdampf in überhitztem Zustande, was jedenfalls am Ende der Verbrennung und während der Expansion der Fall ist, so werde er als Gas angenommen, das dem Mariotte-Gay Lussacschen Gesetze mit der Konstante Ru 47,1 folgt, und es werde dabei Wenn nun noch der Druck Po und die Temperatur to am Anfang der Kompression bekannt sind, so lässt sich für einen beliebigen Kompressionsgrad im wärmedichten Cylinder der theoretische Wirkungsgrad der Viertaktmaschine berechnen. Für die adiabatische Kompression des Gemenges aus gasförmiger Ladung, flüssigem Wasser und Wasserdampf kann man dabei die Gl. (31a) benutzen, die Zeuner in seiner Technischen Thermodynamik II § 41 S. 318 entwickelt, und die im Falle der Annahme von veränderlichen spezifischen Wärmen leicht entsprechend umgeformt werden kann. Im übrigen sind dann die Rechnungen bei unveränderlichen spezifischen Wärmen in bekannter Weise durchzuführen; (s. z. B. Schöttler: Die Gasmaschine, 3. Aufl.). Bei veränderlichen spezifischen Wärmen können die von mir in Z. 1899 S. 330 entwickelten Gleichungen benutzt werden. Für den Druck Po werde der Betrag 1 kg/qcm angenommen. Die Wahl der Temperatur to ist gleichbedeutend mit der Entscheidung, welcher Betrag des Einspritzwassers am Ende des Ansaugens sich in flüssigem, welcher in dampfförmigem Zustande befindet, wie grofs also die spezifische Dampfmenge xo bei Beginn der Kompression ist, oder ob sich das Einspritzwasser hierbei gar schon im Zustande des überhitzten Dampfes befindet. Diese Frage ist zur Beurteilung des Einflusses der Wassereinspritzung auf den thermischen Wirkungsgrad von gröfster Bedeutung. Sie könnte an einem ausgeführten Motor nur durch länger dauernde eingehende Versuche unter Anwendung einer Luftuhr beantwortet werden; die Zeit reichte mir zur Vornahme solcher Versuche in BudaMan ist daher auch hier auf Annahmen anpest nicht aus. gewiesen. Nach der, wie sich später herausstellen wird, ungünstigsten Annahme würde durch die Wassereinspritzung die Temperatur so abgekühlt, dass am Ende des Ansaugens nahezu die atmosphärische Temperatur, also z. B. to: 17,8", herrschte. Der Teildruck des Wasserdampfes ist dann = 0,0207 kg/qcm, die spezifische Dampfmenge xo daher nur rd. 0,06; 94 vH der eingespritzten Wassermenge sind noch als flüssiges Wasser vorhanden. Die günstigste Annahme ist diejenige, dass am Ende des Ansaugens sämtliches Einspritz - 1) Die folgenden Zahlen entsprechen dem Vollbelastungsversuch am 8 pferdigen Körting-Motor, Z. 1900 Nr. 11, deutscher Ingenieure. 2880100 10180 alles Einspritzwasser verdampft sei. Allein dazu bedarf es einer grofsen Wärmemenge, bei Versuch I Tabelle III z. B. auf 1 kg Benzin mit 10 180 WE Heizwert rd. 4,8 600 = 2880 WE oder 28 vH der gesamten im Motor entwickelten Wärme. Diese grofse Wärmemenge müsste bei Beginn jedes Ansaugehubes in den Verbrennungsrückständen, in den erwärmten Wandungsteilen des Cylinders, der Kolbenfläche und der Ventilteller zur Verfügung stehen und sich während des Ansaugehubes dem Einspritzwasser mitteilen. Es ist kaum glaublich, dass in Wirklichkeit soviel Wärme dafür vorhanden ist, und so wird jedenfalls ein Teil des Einspritzwassers un M 11. August 1900. Fig. 10. Asbest schmiedeiserner Ring verdampft bleiben, d. h. die Ansaugetemperatur to wird niedriger als 67° sein. Freilich kann man auch annehmen, dass sich ein Teil des Einspritzwassers an den kalten Cylinderwandungen während des Ansaugehubes niederschlägt, während der Verdichtung vom Kolben bedeckt und daher erst gegen Ende der Expansion von den heifsen Gasen erreicht und verdampft wird, sodass es gewissermafsen am Kreisprozess garnicht teilnimmt. Dann würde die eigentlich am Kreisprozess teilnehmende Menge geringer sein, als sich nach unseren Annahmen berechnet, und die Möglichkeit wäre gröfser, dass von dieser Menge am Ende des Ansaugens alles verdampft ist. Immerhin ist es aber auch in diesem Falle sehr wahrscheinlich, dass sich am Ende des Ansaugens noch flüssiges am Kreisprozess teilnehmendes Wasser (in Form von Wasserstaub oder als Niederschlag an den während der Verbrennung freiliegenden Wandungsteilen) im Cylinder befindet. Trotz der Unsicherheit, die hierüber herrscht, kann man sich einen sicheren Einblick in den Nutzen der Wassereinspritzung verschaffen, wenn man die Rechnung zuerst mit der Annahme, dass die Ansaugetemperatur to 17,8° betrage und fast alles Wasser dabei in flüssigem Zustande vorhanden sei, und dann mit derjenigen, dass die Ansaugetemperatur toz. B. 75° betrage, sodass sich das Einspritzwasser im Zustande überhitzten Dampfes befände, durchführt. Nunmehr gehen wir dazu über, den thermischen Wirkungsgrad unter den verschiedenen Voraussetzungen zahlenmässig zu bestimmen. Sind die spezifischen Wärmen unveränderlich und bleibt R vor und nach der Verbrennung gleich, so ist der thermische Wirkungsgrad der Viertaktmaschine, die mit gasförmiger Ladung zwischen der äufseren Volumengrenze Vo und der inneren Volumengrenze V. in vollkommener Weise betrieben wird, · (:) * 1, 30 20 10 Fig. 12. Leerlauf. = 0,368 Der Kreisprozess mit Wassereinspritzung, in dem das Wasser nur im Zustande überhitzten Dampfes zur Wirkung kommt, 0,594 0,565 hat somit eine um 5 vH geringere Wärme0,594 ausnutzung als der Kreisprozess ohne Wassereinspritzung, da infolge der Anwesenheit des Wasserdampfes der Wert von k kleiner wird. Die Verschlechterung ist aber sehr unbedeutend. Anders ist es, wenn wir to = 17,8° und somit das Einspritzwasser am Anfange der Kompression als flüssig annehmen. Dann lässt sich in dem Diagramme abcd, Fig. 13, das den vollkommenen Viertaktkreisprozess darstellt, eine Kurve ef ziehen, die als Grenzkurve des Wasserdampfes bezeichnet wird. In allen Punkten, die unter der Grenzkurve liegen, ist ein Teil des Einspritzwassers noch flüssig, in allen Punkten, die darüber liegen, befindet sich sämtliches Wasser in überhitztem (gasförmigem) Zustand, auf der Kurve selbst ist der Wasserdampf trocken gesättigt. Teilen wir das Diagramm abcd durch eine Adiabatenschar in unendlich viele unendlich kleine Elementarkreisprozesse, so werden alle Elementarprozesse, die über der Grenzkurve liegen, lediglich von gasförmigem Gemenge ausgeführt, für alle gilt daher für den thermischen Wirkungsgrad die obige Beziehung mit k 0,368; es ist daher für sie alle = Anders dagegen verhält es sich mit den Elementarprozessen, die unter der Grenzkurve liegen oder sie schneiden. Hier ist das Temperaturgefälle für jeden Kreisprozess ein anderes, es wird um so kleiner, je weiter wir von der Grenzkurve nach unten rücken, da dann nicht mehr sämtliche Arbeit, die bei der Kompression von Vo auf V. an das Gemenge übertragen wird, zur Temperatursteigerung des Gasgemenges, sondern auch ein immer gröfserer Teil zur Erwärmung des flüssigen Wassers, das eine grofse spezifische Wärme besitzt, und zu seiner Verdampfung benutzt wird. Für die Kompressionslinie ab selbst berechnet sich mit To = 273 +17,8° die Kompressionstemperatur T. 374,8. Es ist daher das Temperaturgefälle im untersten, der Kompressionslinie unmittelbar anliegenden Elementarprozess 374,8 1,29, der thermische Wirkungsgrad dieses Prozesses 290,8 daher nur n = 1 1 1,29 = 0,225. Die Werte für das Temperaturgefälle und für den Wirkungsgrad nehmen dann für jeden folgenden Kreisprozess zu, bis über der Grenzkurve die Werte 2,30 und 0,565 erreicht sind. Da nun aber der Wirkungsgrad des gesamten Kreisprozesses a b c d gleich dem arithmetischen Mittel aus den Wirkungsgraden der einzelnen Elementarkreisprozesse ist, so folgt aus unserer Betrachtung (unter der Annahme unveränderlicher spezifischer Wärmen): 1) Befindet sich bei Beginn der Kompression flüssiges Wasser in dem Cylinder eines vollkommenen Viertaktmotors, so ist die Wärmeausnutzung im Kreisprozess schlechter, als wenn unter sonst gleichen Umständen nur gasförmige Körper das Gemenge bilden; 2) der Kreisprozess a b c d verschlechtert sich umsomehr, je gröfser die Fläche e fb a im Verhältnis zu der Fläche efcd ist, d. h. je gröfser die eingespritzte Wassermenge, je kleiner die spezifische Dampfmenge x, bei Beginn der Kompression und je kleiner die dem Kreisprozess zugeführte Wärmemenge Quist. 11. August 1900. Ve Nehmen wir für die spezifischen Wärmen die von Mallard und Lechatelier gegebenen veränderlichen Werte an, so Vo finden wir, dass bei demselben Verhältnis das Temperaturgefälle der einzelnen Elementarkreisprozesse um so geringer wird, je höher die Temperaturen Ti oder T2 liegen, da dann infolge der höheren Temperaturen und damit der gröfseren spezifischen Wärmen durch die gleiche Kompressionsarbeit eine geringere Temperaturerhöhung erreicht wird. Infolgedessen können wir über die Rechnung mit den veränderlichen spezifischen Wärmen voraussagen: 1) Für den Kreisprozess ohne Wassereinspritzung und ebenso für denjenigen mit Wassereinspritzung wird man unter sonst gleichen Verhältnissen einen kleineren Wirkungsgrad erhalten, als wenn man unveränderliche spezifische Wärmen annimmt; 2) bei Anwesenheit von flüsssigem Wasser unterscheidet sich der Wirkungsgrad der Elementarkreisprozesse, die unterhalb der Grenzkurve liegen, nicht in gleich hohem Masse von demjenigen der Kreisprozesse, die über der Grenzkurve liegen, wie dies bei der Annahme unveränderlicher spezifischer Wärmen der Fall ist. Daher wird auch durch die Wassereinspritzung der Wirkungsgrad des gesamten Kreisprozesses a b c d nicht so stark erniedrigt erscheinen wie bei der Rechnung mit unveränderlichen spezifischen Wärmen. Führen wir die Rechnung mit demselben Kompressionsgrad 9,6 wie früher durch, so finden wir: Vo Ve a) nach der Rechnung mit unveränderlichen spezifischen Wärmen im günstigsten Falle, d. h. wenn das Wasser bei Beginn der Kompression dampfförmig ist, um 100 25 vH; 0,565-0,424 0,565 im ungünstigsten Falle, d. h. wenn fast alles Einspritzwasser bei Beginn der Kompression flüssig ist, um Die Anwendung sehr hoher Kompressionsgrade unter Wassereinspritzung ist daher nach dem Ausweis der Theorie in der That vorteilhaft. Dass der durch Versuche ermittelte thermische Wirkungsgrad einer ausgeführten Maschine, bezogen auf die indizirte Arbeit, kleiner ist als die oben berechneten Zahlen, sofern diese auf richtigen Grundlagen beruhen, rührt bekanntlich her von den Widerständen beim Ansaugen und Auspuffen, von den Arbeitsverlusten, die durch die Wärmeabfuhr an die Wandung, und von denjenigen, die durch verspätete und unvollständige Verbrennung entstehen. Hinsichtlich der Ansaugeund Auspuffwiderstände unterscheidet sich der Bánki-Motor naturgemäfs nicht von andern Motoren. Dagegen ist bei ihm die Wärmeabfuhr an die Wandungen sehr viel kleiner als bei andern Gasmaschinen. Wie die Tabelle II zeigt, werden bei Vollbelastung nur 22,4 vH der entwickelten Wärme an das Kühlwasser übertragen, während sonst bei Verbrennungskraftmaschinen dieser Wert häufig 40 vH und mehr beträgt. Nun ist nicht die ganze Kühlwassererwärmung als Verlust anzusehen, vielmehr verursacht nur die Abfuhr derjenigen Wärmeteile, die während der Explosion und während der Expansion an die Wandung übergehen, Arbeitsverluste. Wir werden aber annehmen können, dass sich diese Arbeitsverluste für den Bánki-Motor im Vergleich zu den andern Maschinen ungefähr so wie die verschiedenen Beträge der Kühlwassererwärmung verhalten, dass also auch diese Arbeitsverluste in dem ersteren Motor erheblich geringer sind als in den übrigen Verbrennungsmaschinen. Rechnet man bei Leuchtgasmaschinen mit 40 vH Kühlwassererwärmung aufgrund von kalorimetrischen Untersuchungen den Arbeitsverlust durch die Kühlwassererwärmung1) aus, so findet man bei der Annahme veränderlicher Wärme, dass 13 vH der Arbeit der verlustlosen Maschine an die Wandung verloren gehen, bei der Annahme unveränderlicher spezifischer Wärme aber findet man 30 vH Arbeitsverlust. Es ist also denkbar, dass im Bánki-Motor 13.22,4 dieser Arbeitsverlust nur etwa 7,5 vH (falls die 40 30.22,4 spezifischen Wärmen veränderlich sind), oder aber 40 Neben 17 vH (falls sie unveränderlich sind) beträgt. den oben gegebenen Zahlen für den theoretischen Nutzen der Wassereinspritzung (durch Ermöglichung hoher Kompression) ist somit ein praktischer Nutzen (durch geringere Wärmeabfuhr an die Wandung) von höchstens 13-7,5 5,5 vH bezw. 30-17 13 vH vorhanden. Der theoretische Nutzen stellt sich bei der Annahme unveränderlicher spezifi- scher Wärme als geringer dar als bei Annahme veränderlicher spezifischer Wärmen; für den praktischen Nutzen ist es umgekehrt. Wir werden daher ziemlich sicher sagen können, dass der gesamte Nutzen der Wassereinspritzung mindestens 20 vH beträgt, wie auch die spezifischen Wärmen beschaffen sind und wie grofs der Wert von xo ist. Freilich ist dabei angenommen, dass trotz der Wassereinspritzung die Verbrennung rechtzeitig und vollkommen erfolgt. Die Diagramme zeigen, dass rechtzeitige Zündungen häufig auftreten (wenn auch bei Vollbelastung die Zündung 1) s. Z. 1899 S. 330. |