Titel: | Kraftmessungen an atmosphärischen Gaskraftmaschinen; von Prof. K. Teichmann in Stuttgart. |
Autor: | C. Teichmann |
Fundstelle: | Band 220, Jahrgang 1876, Nr. , S. 116 |
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Kraftmessungen an
atmosphärischen Gaskraftmaschinen; von Prof. K. Teichmann in Stuttgart.
Mit Abbildungen im Text und
auf Taf. II [a.b/1].
Teichmann, über Kraftmessungen an
atmosphärischen Gaskraftmaschinen.
Die beiden untersuchten Maschinen sind nach dem System Langen und Otto von der „Gasmotorenfabrik Deutz“
in Cöln nach der neuen, von Director Daimler verbesserten Construction gebaut. Die
Wirkungsweise des Gases ist dieselbe wie bei den ältern
Maschinen, dagegen ist die Steuerung vereinfacht und der
Regulator in der nachbeschriebenen Weise vervollkommnet. Es wird
nämlich in einem aufrechten Cylinder ein Gemenge von Luft und
Leuchtgas erst angesaugt, dann abgeschlossen und durch eine
zuletzt mit angesaugte Flamme entzündet, worauf dasselbe
explodirt und den Kolben in die Höhe wirft. Die verzahnte
Kolbenstange greift in ein auf der Welle sitzendes Zahnrad,
welches jedoch nicht fest aufgekeilt, sondern durch eine
Frictionskupplung so mit der Welle verbunden ist, daß der Kolben
unabhängig von der Bewegung der Welle frei aufliegen kann, beim
Niedergang aber dieselbe mitnimmt. Beim Aufflug kühlen sich die
im Cylinder eingeschlossenen Gase theils durch die Expansion,
theils durch Berührung mit den wassergekühlten Cylinderwänden
ab, und es entsteht unter den Kolben ein Vacuum, so daß der
Atmosphärendruck denselben kräftig niederdrückt und die Welle
eine beschleunigte Bewegung annimmt. Hierauf bleiben Kolben und
Zahnrad eine Zeit lang stehen, während die Welle sich weiter
dreht und das Schwungrad allein die Bewegung
unterhält, bis die Geschwindigkeit unter eine gewisse Grenze
sinkt, worauf der Regulator die Steuerungsvorrichtung einrückt,
welche den ersten Anhub des Kolbens, das Ansaugen von Gas und
Luft und die Zündung bewirkt, worauf das Spiel von Neuem
beginnt.
Die eine der beiden untersuchten Maschinen gehört Hrn. Kaufmann
Motz in Stuttgart und dient zum
Betrieb von Zuckerschneidmaschinen, Kaffeemühlen etc.; sie war
zur Zeit der Versuche etwa 14 Tage im Betrieb, der Kolben nicht
vollständig dicht. Ihre Dimensionen sind:
Textabbildung Bd. 220, S. 117
Nominelle Leistung
3e
Kolbendurchmesser
320mm
Größtmögliche Flughöhe
1m,460
Die Nutzleistung wurde am 21. December
1874 mittels des neben skizzirten Bremsapparates gemessen, und
es betrug:
Länge des Bremshebels L
1m,160
Durchmesser der Bremsscheibe
395mm
Breite derselben
55mm
Moment des Hebelgewichtes
0
Bezeichnet den Nutzeffect der Maschine N, die Belastung des Bremshebels P und die minutliche Umdrehungszahl der Welle n, so ist:
Textabbildung Bd. 220, S. 117
Bei möglichst ausgenützter Flughöhe ergab sich:
Hebelbelastung
P
k
=
25
22,5
20
Geschwindigkeit der Welle
n
=
72
87
98
Flugzahl pro Minute
n
1
=
26
29
Nutzeffect
N
e
=
2,91
3,17
3,17
Bei anhaltender Arbeit während einer Stunde ohne Aenderung der
Hahnstellung war bei nicht ganz benützter Flughöhe:
Hebelbelastung
P
k
=
20
Umdrehungszahl
n
=
95,3
Flugzahl
n
1
=
30,3
Nutzeffect
N
e
=
2,95.
Es wurde demnach die nominelle Leistung von 3e
vollständig erreicht. Der Gasverbrauch konnte nicht gemessen
werden.
Die zweite Maschine gehört Hrn. Schreinermeister Kleinle in Stuttgart ist seit ca.
¾ Jahren im Betrieb und treibt einige
Holzbearbeitungsmaschinen. Ihre Dimensionen sind:
Nominelle Leistung
2e
Kolbendurchmesser
320mm
Größte Flughöhe
1m,180.
Außer der Kraftmessung, mittels desselben Bremsapparates wie bei
der vorigen Maschine, wurde der Gasverbrauch mittels einer
geaichten Gasuhr gemessen, bei welcher eine Umdrehung des ersten
Zahnrades einer Gasmenge von 2501 entspricht. Zu andern Zwecken
wurde kein Gas verwendet. Ferner wurden die Pressungen im
Cylinder mittels eines Indicators von Elliot in London gemessen. Bei den erhaltenen Diagrammen
entspricht 1mm Diagrammlänge (Abscisse) einem Kolbenweg von 11mm,04
und bei Benützung der stärkern Feder (Diagramm Nr. 1 bis 43)
eine Ordinate von 9mm,11 dem Druck von 1at
(1k pro 1qc). Bei den Diagrammen Nr. 44 bis
50 wurde eine schwächere Feder benützt, bei der 1at
einer Ordinate von 12mm,05 entspricht (vgl. Fig.
1 bis 5Auf Tafel
II ist oberhalb Figur 1 zu
lesen 9cm, 1 = 1m (statt 0cm,1 =
1m); erner neben Figur 4
1at = 12mm,05 (statt 1at =
1205mm).). Da die Kolbenfläche 804qc
beträgt, so gibt 1qc Diagrammfläche bei der starken
Feder eine Arbeit von 97mk,5, bei der schwachen Feder eine
Arbeit von 73mk,6. Leider ist die stärkere Feder des Instrumentes
nicht für Vacuum eingerichtet, so daß aus den Diagrammen Nr. 1
bis 43 die Minimalpressungen gar nicht, die indicirte Arbeit nur
unvollständig zu entnehmen ist. — Die Ausmessung der
Diagrammflächen geschah mittels eines Amsler'schen
Planimeters.
Zum Messen der Geschwindigkeiten diente außer einem nicht immer
zuverlässigen Hubzähler ein elektrischer Chronograph, dessen 3
neben einander befindliche Schreibstifte je mit einer
Secundenuhr, mit der Schwungradwelle und mit der Kolbenstange
der Maschine durch Telegraphendrähte so verbunden waren, daß auf
den erhaltenen Papierstreifen gleichzeitig aufgezeichnet
aufgezeichnet wurden (vgl. Figur
6):
in der mittlern Punktreihe die Secunden,
in der Punktreihe oben die Umdrehungen,
in der Punktreihe unten die Kolbenflüge.
Die Versuche vom 22. December hatten zunächst die Ermittlung der
Leistungsfähigkeit der Maschine zum
Zweck und ergaben nach Tabelle I (S.
119):
Hebelbelastung
0
10
14,5
17
18,5
20k
Geschwindigkeit
99,1
91,1
89,6
83,2
75,1
57,3
Touren
Flugzahl
3,20
18,3
26,8
30,1
28,4
23,6
Nutzleistung
0
1,48
2,10
2,29
2,25
1e,86.
Es wurde also die nominelle Leistung von 2e um
15 Proc. überschritten.
Tabelle I.
Versuche vom 22. December 1874.
Nummer des Versuches.
Belastung des Bremshebels.
Umdrehungen der Welle pro
Minute.
Kolbenflüge pro Minute.
Nutzleistung.
k
e
1
0
98,8
3,21
0
2
0
99,0
3,24
0
3
0
99,5
3,15
0
Mittel
0
99,1
3,20
0
9
10
91,9
18,0
1,49
11
10
90,4
18,6
1,46
Mittel
10
91,1
18,3
1,48
12
14,5
89,6
26,1
2,10
13
14,5
89,6
27,4
2,10
14
14,5
89,6
27,0
2,10
Mittel
14,5
89,6
26,8
2,10
15
17
85,8
30,6
2,36
16
17
81,9
29,9
2,25
17
17
81,6
29,7
2,25
Mittel
17
83,2
30,1
2,29
18
18,5
79,0
28,9
2,37
19
18,5
74,0
28,4
2,22
20
18,5
72,4
27,9
2,17
Mittel
18,5
75,1
28,4
2,25
24
20
59,4
24,3
1,92
25
20
60,3
24,9
1,95
26
20
51,7
21,6
1,67
Mittel
20
57,3
23,6
1,86
Die Versuche vom 23. December galten der Ermittlung des Gasverbrauches und ergaben laut Tabelle
II (S. 120) im Mittel:
Hebelbelastung
0
9
15
18
20k
Geschwindigkeit
99,1
91,6
83,4
71,3
48,0
Touren
Flugzahl
2,70
20,1
31,9
27,2
20,6
Nutzleistung
0
1,34
2,03
2,07
1e,55
Gasverbrauch pro Stunde
250
1161
1612
1555
1314l
Gasverbrauch pro Stunde u. Pferdekr.
870
796
748
845l
Die günstigste Geschwindigkeit der Maschine liegt also bei ca. 70
Umgängen pro Minute, und beträgt der Gasverbrauch bei dieser
Geschwindigkeit und entsprechender Belastung pro Stunde und
Pferdekraft rund 750l oder 0cbm,75; bei veränderlicher Leistung kann derselbe im
Mittel zu 800l oder 0cbm,8 Pro Stunde und Pferdekraft
angenommen werden.
Wieviel davon auf die Entzündungsflammen und wieviel auf das Explosionsgas zu rechnen ist, konnte
nicht direct ermittelt werden, da nur eine Gasuhr zur Verfügung
war. Der Gasverbrauch pro Stunde, wie er sich aus den Versuchen
ergab, wird annähernd ausgedrückt durch die Formel:
G = 71 + 57 n1,
wobei n1, die Flugzahl pro Minute bedeutet.
Es haben demnach annähernd verbraucht:
Die Entzündungsflammen pro Stunde
71l
der cylinder pro Stunde
57n1
der cylinder pro Minute
57/60 n1
der cylinder pro Flug
57/60 = 0l,95.
Da das Volum des angesaugten Gasgemenges
8l65, so beträgt das Mischungsverhältniß 11 Proc. Im Mittel aus 13 Diagrammen
Nr. 45 bis 50 betrug die indicirte Leistung pro Flug 345mk.
Demnach lieferte 1l Explosionsgas ca. 363mk.
Tabelle II.
Versuche vom 23. December 1874.
Textabbildung Bd. 220, S. 120
Nummer des
Versuches.; Belastung des Bremshebels.; Umdrehungen der
Welle pro Minute.; Kolbenflüge pro Minute.; Nutzleistung.;
Dauer des Versuches.; Gasverbrauch; im Ganzen.; pro Stunde.;
pro Stde. U. Pferdeeffect.;k;
e; Min.; Sec.; l; l;
l; Mittel; Mittel; Mittel; 45a; 45b;
45c; 45d; 45e; 45f; Mittel; Mittel
Die aus den Diagrammen ersichtlichen Spannungsverhältnisse im Cylinder zeigen sich im hohen
Maße abhängig von der Temperatur der
Cylinderwände. Würde dem beim Aufflug expandirenden
Gasgemenge keine Wärme entzogen, so würde der Niedergang unter
denselben Spannungsverhältnissen vor sich gehen und eine Abgabe
von Arbeit nach Außen fände nicht statt. In Folge der Abkühlung
nimmt die Spannung beim Aufflug in stärkerm Verhältniß ab, als
nach dem Poisson'schen Gesetz, und ist beim Niedergang kleiner
als beim Aufflug, so daß die Compression des Gases weniger
Arbeit verbraucht, als die Expansion liefert. Die beiden
Curvenzweige, welche in Wirklichkeit eine der nützlichen Arbeit
proportionale Fläche zwischen sich einschließen, würden in
wärmedichtem Cylinder zusammenfallen. Ein für die Größe der
nützlichen Differenz günstiger Umstand ist, daß das
Explosionsproduct zum Theil aus Wasser besteht
(Kohlenwasserstoff + Sauerstoff = Kohlensäure und Wasser),
welches sich an den kalten Cylinderwänden condensirt und alle
Spannung verliert.
Am vollkommensten würde der thermodynamische Vorgang realisirt,
wenn während des Aufflugs gar keine Abkühlung stattfände, der
Kolben eine Zeit lang in der höchsten Stellung verbleiben würde,
bis die Abkühlung vollständig erfolgt ist, und dann der
Niedergang unter fortdauernder Kühlung (wegen Absorption der
Compressionswärme) vor sich ginge. Rascher Aufflug und langsamer
Niedergang, wie er bei den vorliegenden Maschinen stattfindet,
ist günstig und sichert ihnen die Ueberlegenheit über die
Lenoir'schen Kurbelmaschinen bezüglich des Gasverbrauches.
Größte Leichtigkeit der beim Aufflug zu beschleunigenden Theile
kürzt die Dauer derselben ab, deshalb ist die Herstellung der
Zahnstange und des Rades aus Gußstahl auch von diesem
Standpunkte zu loben.
Noch mehr als die Temperatur des Kühlwassers, die sich während
der Versuche nur zwischen 6 und 20° bewegte, war auf die
Temperatur der Cylinderwände von Einfluß die Zahl der
Kolbenflüge pro Minute. Beim Leerlauf, wo der Kolben nur 2,5 bis
3 Flüge pro Minute macht, hat der Cylinder nach jeder Explosion
Zeit, sich abzukühlen, die Expansionscurve sinkt demnach sehr
rasch, und um die volle Flughöhe zu erreichen, muß der Gashahn
weiter geöffnet, ein reicheres Gasgemenge, eine kräftigere
Explosion angewendet werden; dafür aber kommt die niedere
Cylindertemperatur dem Vacuum beim Niedergang zu gut.
Bei den Leerlaufdiagrammen Nr. 2 bis 8, welche bei Beginn der
Arbeit, also kaltem Cylinder genommen wurden, beträgt die größte
Explosionsspannung 6 bis 7at,5, bei Nr. 47 bis 50, Leerlauf
bei Schluß der Arbeit und wärmerm Cylinder, ist die
Explosionsspannung 4 bis 4at,5, das Vacuum 0at,7,die Arbeit pro Hub 355mk.
Bei regelmäßigem Gang und normaler Belastung der Maschine war
die Explosionsspannung
2 bis 3at,5,
das Vacuum
0at,68,
Die Arbeit pro Flug
342mk.
Es läßt sich daraus schließen, daß die Maschine bei kaltem
Cylinder leistungsfähiger ist als bei warmem, aber mehr Gas
braucht. Die günstigste Temperatur der Cylinderwände, bezieh.
des Kühlwassers läßt sich nur durch längere Versuchsreihen
ermitteln; dieselbe wird bei verschiedenen Belastungen der
Maschine und entsprechend verschiedenen Flugzahlen verschieden
ausfallen. Daß man unter gewöhnlichen Verhältnissen nicht weit
von der günstigsten Temperatur entfernt ist, zeigt die durch
Zufall erhaltene Tabelle III (S.
123). Es war nämlich bei dieser Versuchsreihe durch ein Versehen
die Circulation des Kühlwassers unterbrochen, und die Temperatur
des Cylinders stieg während des Versuches, ohne daß jedoch
Messungen derselben vorgenommen wurden. Bei sehr constanter
Leistung von 1e,36 betrug der Gasverbrauch pro
Minute
anfangs bei Kaltem Cylinder
21l,2,
sank dann allmälig auf
18l,2
Und stieg dann bei warmem Cylinder auf
20l,2.
Eine genaue Ermittlung der vortheilhaftesten Kühlwassertemperatur hätte deshalb
weniger praktischen Werth, weil dieselben Umstände, wie sie hier
im Verlauf einer Stunde sich zeigten, unter gewöhnlichen
Verhältnissen im Verlauf eines Tages sich wiederholen. Es wird
nämlich meistens dasselbe Kühlwasser wiederholt verwendet, indem
man es zwischen dem Cylindermantel und einem offenen Kühlgefäß
von Blech circuliren läßt; das Wasser ist dann Morgens kalt und
Abends warm. Der etwaige Mehrverbrauch an Gas in Folge zu
schwacher oder zu starker Kühlung wird durch die Ersparniß an
Wasser in den meisten Fällen reichlich aufgewogen. Hat man
Kühlwasser in unbeschränkter Menge zur Verfügung, so läßt sich
die günstigste Zuflußmenge leicht ausprobiren.
Die kleine, annähernd rechteckige Schleife am untern Ende der
Diagramme entspricht dem Austreiben der verbrauchten und
Wiederansaugen der frischen Gase.
Tabelle III.
Belastung des Bremshebels 9k.
Textabbildung Bd. 220, S. 123
Gasuhr (1
Umdrehung = 250l.); Tourenzähler.;
Chronogramme.; Zeit.; Ablesung.; Gasverbrauch pro Minute.;
Zeit; Ablesung.; Umdrehungen pro Minute.; Zeit.; Umdrehungen
pro Minute.; Flüge pro Minute.; Std.; Min.; Sec.; Std.;
Min.; Sec.; Std.; Min.; Sec.
Tabelle IV.
Angaben der Diagramme.
Textabbildung Bd. 220, S. 123
Nummer.;
Belastung des Bremshebels.; Umdrehungen der Welle pro
Minute.; Kolbenflüge pro Minute.; Nutzeffect.; Indicirte
Arbeit pro Flug.; Indicirter Effect.; Güteverhältniß.;
Größte Spannung bei der Explosion.; Vacuum.; Bemerkung.;k; e;
mk; at;at; Cylinder kalt;
Cylinder warm
Die hierzu verbrauchte Arbeit ist klein, etwa 13mk pro
Flug oder 4 Proc. der Totalarbeit. — Etwas größer ist die
Arbeit des Gegendruckes vor Oeffnung des Ausströmungscanals, wo
durch das Kolbengewicht das eingeschlossene und langsam sich
abkühlende Gasgemenge etwas über den Atmosphärendruck comprimirt
wird. Bei der in Tabelle IV (S. 123)
angegebenen „indicirten Leistung
pro Kolbenflug“ sind diese Widerstände, der bei
Dampfmaschinen bestehenden Uebung entsprechend, bereits negativ
in Rechnung gebracht. Das Verhältniß dieser indicirten Leistung
zur Nutzleistung ist das „mechanische Güteverhältniß“ der Maschine und
beträgt 79 bis 86 Proc., was für den nicht ganz einfachen
Mechanismus viel ist.
Die leergehende Maschine braucht bei
100 Umdrehungen der Schwungradwelle eine indicirte Arbeit von
0e,22, wobei pro Stunde 250l Gas
consumirt werden, ein Sechstel des Gasverbrauches bei voller
Arbeit.
Der Gang der Maschine ist nicht
gleichförmig, sondern periodisch veränderlich, aber in ganz
anderer Weise als bei der Dampfmaschine. Die Ungleichförmigkeit
ist bei leergehender Maschine groß, bei voller Belastung klein.
Die größern Schwankungen sind aus den Chronogrammen ersichtlich
und annähernd meßbar. Sie betragen beim Leerlauf (Nr. 1 bis 8)
12 Proc., bei stark halber Belastung (10k am
Bremshebel, 18 Flüge, 1e,46) 7 Proc. und bei voller
Belastung unmeßbar kleine Spuren.
Ein störender Einfluß dieser Schwankungen auf den Gang der
Arbeitsmaschinen ist bis jetzt nicht beobachtet worden.