Explosionsmotoren mit Einführung verdampfender Flüssigkeiten.Auszugsweise vorgetragen in der Abteilung für angewandte Physik und Ingenieurwissenschaften der Naturforscherversammlung zu Breslau 20. 9. 04. Von Dr. K. Schreber. Explosionsmotoren mit Einführung verdampfender Flüssigkeiten. I. Einleitung; Schaden und Nutzen der Wassereinspritzung. So alt das Prinzip ist, motorische Kraft durch Verbrennung unmittelbar im Zylinder zu erzeugen, so alt ist auch der Gedanke, diese Kraft durch Einspritzen von Wasser in die verbrennenden Gase zu verstärken. Schöttler führt an, dass schon 1791 John Barber diesen Gedanken gehabt hat. Es ist deshalb nicht zu verwundern, dass, als Lenoirs Maschine die Brauchbarkeit des Gedankens der Explosionsmaschinen aller Welt vor Augen geführt hatte, auch der Gedanke der Wasserzuführung sofort auftauchte. So wird in der von Moigno herrührenden Beschreibung der Lenoirmaschines. D. p. J. 1860, 275, S. 83. gesagt, „dass man die heisse Temperatur unschädlich machen kann, indem man bei jedem Kolbenwechsel in das Innere des Zylinders mittels einer Brause eine kleine Quantität Wasser eintreibt, welches sich in Dampf verwandelt und seine dadurch erhaltene Spannung mit derjenigen der erhaltenen Gase vereinigen, gleichzeitig aber auch als Schmiermittel dienen und die verbliebene schädliche Wärme abführen wird.“ Auch Marinoni, der Hauptfabrikant der Lenoirmaschinen hat, wie die gleichzeitige Literatur berichtet,D. p. J. 1861, 276, S. 1. die Idee der Wassereinführung gehabt: „Die schon früher Herrn Lenoir mitgeteilte Idee, bei jedem Kolbengange etwas Wasser in den Zylinder einzuspritzen, hat Herr Marinoni ebenfalls gehabt und mit grossem Nutzen für die Maschine ausgeführt; das eingespritzte Wasser verdampft, vermehrt und verlängert die Spannung, dient daneben als jede Reibung verhinderndes Schmiermittel und gewährt endlich eine teilweise Kühlung des Zylinders. Für grössere Maschinen ist die doppelte Anwendung von Wasser, ausserhalb und innerhalb des Zylinders als vorteilhafte, fast unumgängliche Verbesserung definitiv angenommen.“ Herr von SchwarzDeutsche ill. Gewerbezeitung 1861, Monatshefte S. 23. beschreibt eine von ihm beobachtete, von Herrn Marinoni gebaute Lenoirmaschine, in deren Zylinder bei jedem Kolbengange ein feiner Strahl des erwärmten Wassers der Mantelumhüllung fällt, deren Zweck und Nutzen mit fast denselben Worten angegeben wird. Trotzdem in den späteren Beschreibungen der Lenoirmaschine derartige Wassereinspritzungen nicht mehr erwähnt werden, also wahrscheinlich aufgegeben worden sind, ist die Wassereinspritzung in die Explosionsmaschinen immer und immer wieder aufgetaucht und vorgeschlagen; bis auf den unten zu besprechenden Vorschlag von Banki aber jedesmal ohne jedwedes Verständnis für die Eigenschaften der Gase und Dämpfe. Dass das eingeführte Wasser nicht als ein jede Reibung verhinderndes Schmiermittel dienen kann, hätte man damals schon leicht erkennen können, denn die zu jener Zeit üblichen mit sehr nassen Dämpfen arbeitenden Dampfmaschinen hätten dann sicherlich keiner Kolbenschmierung bedurft. Der Einfluss, den die Zylinderschmierung auf die Einführung der Dampfüberhitzung gehabt hat, ist bekannt. Und in dem Kampf zwischen Kolben- und Turbinendampfmaschine ist der Verbrauch an Schmieröl ein wichtiges Moment. Schmieren tut also das eingeführte Wasser nicht. Dass das Wasser eine teilweise Kühlung des Zylinders bewirkt, ist ja zutreffend. Am besten würde jedenfalls der Zylinder kühl bleiben, wenn man überhaupt kein Feuer darin entstehen liesse; d.h. die Absicht, den Zylinder innen kühl zu halten, widerspricht dem Prinzip der Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung, bei denen ja gerade die Temperatur so heiss wie möglich sein soll, damit auch der Druck der eingeschlossenen Gasmenge so stark wie möglich ist. Es bleibt somit nur noch die Möglichkeit, dass das Wasser „sich in Dampf verwandeln und seine dadurch erhaltene Spannung mit derjenigen der Gase vereinigen wird“, dass das „eingespritzte Wasser die Spannung vermehrt und verlängert“. Diese Anschauung, welche sich bis auf den heutigen Tag in den Patentschriften wieder findet, ist durch die Beobachtung an den Kesseln der Dampfmaschinen veranlasst. Gerade wie hier durch die Zuführung von Wärme zum Wasser der Dampfdruck entsteht, meint man, müsse auch durch das Verdampfen des Wassers in den hocherhitzten Gasen der Explosionsmaschinen eine Druckvermehrung stattfinden. Eine höchst einfache Rechnung zeigt, dass diese Schlussfolgerung vollständig falsch ist. Am Ende der Explosion irgend einer Explosionsmaschine seien Druck, Volumen, Molenzahl und Temperatur der durch das Verbrennen entstandenen Gase gegeben durch p, v, n, T; die Temperatur nach der Celsiusskala gezählt von 273° unter dem Schmelzpunkt des Eises, dann besteht zwischen diesen Grössen die Gleichungs. D. p. J. 1903, 318, S. 433 u; ff. pv = nBT . . . . . 1) wo B eine für alle Gase und überhitzten Dämpfe gleiche Konstante ist. Es ist somit bei Feststellung der Molenzahl gleichgiltig, ob die Molen Wasserdampf, Kohlensäure, Stickstoff usw. sind. Verdampft nun in derselben Explosionsmaschine zu irgend einer Zeit, z.B. während der Explosion eine Mole Wasser, so haben wir natürlich nach der Explosion anderen Druck und andere Temperatur und die Molenzahl ist um 1 grösser. Wir müssen also jetzt schreiben p'v = (n+ 1) BT' . . . 2) Zwischen T und T' besteht nun eine einfache Beziehung, welche von der molekularen Erzeugungswärme k des Wasserdampfes und den Molekelwärmen bei konstantem Volumen cv der Heizgase und c'v des Dampfes abhängt, indem die zur Verdampfung und Ueberhitzung der Wassermole nötige Wärme den Heizgasen entzogen werden muss. Also: ncv(T – T') = l + c'v (T – Ts) . . . 3) wo Ts die Siedetemperatur des eingespritzten Wassers ist. Daraus erhält man durch Umformen und Erweitern: T'=\frac{n\,c_v\,T-\lambda+c'_v\,T_s}{n\,c_v+c'_v}=T\,\left[1-\frac{\lambda+c'_v\,(T-T_s)}{(n\,c_v+c'_v)\,T}\right] . . . 4) Dividiert man die beiden Gleichungen. 1) und 2) und setzt dann 4) ein, so erhält man für das Verhältnis der Drucke mit und ohne Wassereinspritzung bei derselben Kolbenstellung \frac{p'}{p}=\frac{n+1}{n}\,\left[1-\frac{\lambda+c'_v\,(T-T_s)}{(n\,c_v+c'_v)\,T}\right] . 5) Um den Wert dieser Gleichung zu erkennen, möge ein Beispiel durchgerechnet sein. Als Molekelwärme der Heizgase nehmen wir die in dem unten durchgerechneten Fall vorkommende cv = 4,938 + 0,001 474 T; die Explosionstemperatur setzen wir T = 2000°, die Siedetemperatur der Mole Wasser Ts = 177 + 273 = 450, so dass die Erzeugungswärme A = 11900 wird; mit der Molekelwärme des Wasserdampfes c'v = 6,840 + 0,00120 T wird dann: \frac{p'}{p}=\left(1+\frac{1}{n}\right)\,\left(1-\frac{25300}{15772\,n+17280}\right). Dafür können wir angenähert schreiben: \frac{p'}{p}=\left(1+\frac{1}{n}\right)\,\left(1-\frac{34}{21\,n+23}\right)=1-\frac{13\,n+11}{(21\,n+23)\cdot n} . . . 6) Da nun im Zylinder stets eine positive Zahl von Molen vorhanden sein muss, so ergibt diese Gleichung, dass stets p' < p d.h. durch das Einspritzen von Wasser wird stets der Druck im Zylinder heruntergezogen. Mit anderen Worten: Da die zum Verdampfen und Ueberhitzen des eingeführten Wassers nötige Wärme den im Zylinder enthaltenen Heizgasen entzogen werden muss, so wird dadurch deren Druck, wegen des hohen Wertes der Verdampfungs- und Molekelwärme des Wassers um einen grösseren Betrag vermindert, als der Partialdruck des entstehenden Wassers beträgt, so dass die Gesamtsumme beider Drucke kleiner ist, als wenn kein Wasser eingespritzt worden wäre. Weil man dasselbe Resultat für jede andere Temperatur ebenso erhält und auf der Expansionslinie die Drucke in einer ganz gesetzmässigen Beziehung zu einander stehen, so liegt die ganze Expansionslinie einer mit Wassereinspritzung arbeitenden Explosionsmaschine niedriger, als wenn dieselbe Maschine ohne Wassereinspritzung arbeitet. Es ist also die Arbeitsfläche kleiner, d.h. die Wassereinspritzung ist schädlich. Aus den Eigenschaften der Entropie hätte man dieses Ergebnis sofort ablesen können. Das Einspritzen und Verdampfen des Wassers in den heissen Gasen ist ein nicht umkehrbarer Vorgang, welcher zu einer Vermehrung der Summe der Entropien der am Vorgang beteiligten Körper führt. Die durch einen Prozess, in welchem nicht umkehrbare Vorgänge vorkommen, zu gewinnende Arbeit, erleidet im Vergleich mit einem Prozess, in welchem diese nicht enthalten sind, einen Verlust, welcher gleich dem Produkt jener Entropiezunahme in die kälteste im Prozess vorkommende Temperatur ist. Also wiederum: das Einspritzen von Wasser ist schädlich. Dieses aus den Eigenschaften der Gase und Dämpfe sowohl wie auch aus den allgemeinen Sätzen der Thermodynamik abgeleitete Ergebnis scheint nun im Widerspruch zu stehen mit den Ergebnissen der Praxis, denn den grossen Vorsprung, welchen die Bankimaschine vor anderen Benzinmaschinen hat, verdankt sie doch ausschliesslich der Wassereinspritzung. Natürlich ist dieser Widerspruch nur scheinbar. Auch bei Banki ist die Wassereinführung schädlich; Banki erreicht aber dadurch, dass er diesen Schaden in den Kauf nimmt, anderwärts einen Vorteil, der grösser ist als jener Schaden, so dass insgesamt ihm ein Vorteil erwächst. Theorie und Praxis der Explosionsmaschinen haben übereinstimmend gezeigt, dass die einzige durchführbare Verbesserung derselben, nachdem sich die Verbundanordnung als praktisch unmöglich erwiesen hat, die Vergrösserung des Kompressionsdruckes ist. Dieser Vergrösserung des Kompressionsdruckes steht aber die Gefahr der Selbstzündung entgegen. Die Arbeit des Kompressionshubes verwandelt sich in Wärmeenergie, welche vom Zylinderinhalt aufgenommen wird. Steigert man also die Kompression, so kann die Temperatur leicht bis zu dem Punkte der Selbstzündungen kommen. In der Praxis muss man aber noch weit von diesem Punkt entfernt bleiben. Ein Teil der durch die Explosion entwickelten Wärme geht, das ist leider unvermeidlich, an die Wandungen über; ist nun irgend eine Stelle des Zylinders der Kühlung durch das Mantelwasser etwas schwer zugänglich, so tritt hier während der Kompression Wärme aus der Wandung an den Zylinderinhalt zurück und addiert sich zu der aus der Kompressionsarbeit entstandenen, so dass in der Nähe dieser Stelle die Temperatur heisser ist als der Kompressionsarbeit entspricht und Zündung eintritt, ehe man es wegen der Kompression erwartet. Man darf also die Kompression nur so weit treiben, dass die Temperatur des Gemisches noch hinreichend weit vom Punkt der Selbstentzündung entfernt bleibt. Hier kann nun die Wasserzuführung erfolgreich einsetzen, indem man durch dieselbe die Kompressionswärme unschädlich macht. Der einzige, welcher diesen Wert der Wassereinspritzung erkannt hat, ist Banki gewesen, und deshalb ist auch die von ihm entworfene Maschine die einzige, von den vielen mit Wassereinspritzung arbeitenden, welche bisher Erfolg gehabt hat. Banki ist aber mit der Anwendung der Theorie nicht weit genug gegangen. Durch Erweitern der Gleichung 6 erhält man \frac{p'}{p}=1-\frac{1}{n}+\frac{8}{21\,n+23}+\frac{12}{n\,(21\,n+23)}=1-\frac{1}{n}+\frac{1}{2,625\,n+2,875}+\frac{1}{n\,(1,75\,n+1,9)} Die beiden letzten Brüche sind, weil n, die Zahl des Gasmolen, in welche eine Mole Wasser eingespritzt immer grösser sein muss als 1, neben \frac{1}{n} zu vernachlässigen. Tut man das, so sieht man sofort ein, dass das Verhältnis \frac{p'}{p} dem Wert 1 umso näher kommt, je grösser n ist. Durch Bildung des Differentialquotienten \frac{d}{d\,n}\,\left(\frac{p'}{p}\right) nach Gleichung 6) erhält man dasselbe auf allgemeinere Weise. Dieses Resultat lässt sich in folgende Worte fassen: Je grösser die Zahl der Gasmolen ist, auf welche eine eingespritzte Mole Wasser kommt bezw. umgekehrt, je weniger Wasser in eine bestimmte Zahl von Gasmolen eingeführt wird, um so geringer ist die Druckerniedrigung durch die Einführung von Wasser, umso grösser bleibt die gewonnene Arbeit. Man muss also suchen, die Aufnahme der Kompressionswärme mit einer möglichst geringen Menge eingeführten Wassers zu erreichen. Das geschieht bei der Bankimaschine nicht. Die gleichzeitig mit der angesaugten Brennluft in den Zylinder gerissenen Wassertröpfchen werden zum grössten Teil an die Wandungen geschleudert, so dass sie während der Kompression nicht auf den Zylinderinhalt kühlend einwirken können. Dagegen verdampfen sie während der Expansionsperiode infolge der heissen Temperatur der Gase und des Wärmeüberganges an die Wandungen und ziehen dadurch entsprechend der Gleichung 6) den Druck herab. Nur die wenigen Wassertröpfchen, welche während der Ansaugeperiode in der Luft schwebend erhalten bleiben, wirken während der Kompression ihrer Bestimmung gemäss, durch ihre Verdampfung kühlend. Den Beweis für die Richtigkeit dieser Darstellung geben die so auffallend kleinen Zahlen für die Temperatur der Auspuffgase. Diese verlieren ihre Temperatur eben nicht nur infolge der Arbeitsabgabe an den Kolben und des Wärmeverlustes durch die Wandungen, sondern auch noch infolge des Verdampfens des an den Wandungen haftenden Wassers. Will man mit möglichst geringer Menge der zu verdampfenden Flüssigkeit eine hinreichende Kühlung während der Kompression erzielen, so muss man dafür sorgen, dass sämtliche eingeführten Molen auch wirklich während der Kompression verdampfen und auch das noch bei einer so kalten Temperatur wie nur irgend möglich. Man darf also nicht einspritzen, bevor die Temperatur des Zylinderinhaltes den, dem vorhandenen Druck entsprechenden Siedepunkt der einzuspritzenden Flüssigkeit erreicht hat. Wäre die Verdampfungsgeschwindigkeit unendlich gross, so sollte man jetzt mit dem Einspritzen beginnen und die Menge so bemessen, dass die Temperatur des Zylinderinhaltes stets gleich dem, dem vorhandenen Druck entsprechenden Siedepunkt bleibt. Obgleich Messungen über die Verdampfungsgeschwindigkeit irgend einer Flüssigkeit noch nicht vorliegen, so ist doch ohne weiteres zu sagen, dass dieselbe nicht unendlich gross ist. Man wird sie jedenfalls in erster Annäherung proportional setzen dürfen dem Unterschied zwischen der Temperatur des Zylinderinhaltes, in welche die Flüssigkeit hineingespritzt wird und dem, dem vorhandenen Druck entsprechenden Siedepunkt der Flüssigkeit. Der zur Erreichung des sofortigen vollständigen Verdampfens nötige Temperaturunterschied kann natürlich für verschiedene Flüssigkeiten verschieden sein und wird auch von der Kolbengeschwindigkeit abhängen.Derartige Diskussionen sind auch für Luft- und Gaskompressoren mit innerer Kühlung zu beachten. Dieser durch die endliche Verdampfungsgeschwindigkeit nötig gewordene Temperaturunterschied bedingt zwar einen Verlust an Arbeitsgewinn; man erhält aber durch ihn die Sicherheit, dass sämtliche eingespritzte Flüssigkeit auch während der Kompression verdampft und nicht Tröpfchen an die Wandungen gelangen, von denen sie erst während der Expansionsperiode verdampfen und dann noch viel grösseren Schaden anrichten. Mit dem Einspritzen muss man aufhören, sobald man mit der Kompression so weit gelangt ist, dass, wenn man von nun ab ohne Einspritzen weiter komprimiert, man trotz des jetzt eintretenden Heisserwerdens der Temperatur noch immer weit genug vom theoretischen Selbstentzündungspunkte entfernt bleibt, dass selbst Unregelmässigkeiten in der Kühlung der Wände und dergl. keine Vorzündungen herbeiführen können. Es verlangen also sowohl die allgemeinen Sätze der Thermodynamik, wie auch die Gesetze der Gase und Dämpfe, für den vorliegenden Fall passend in Gleichung 6) gegeben, dass man den Kompressionshub in drei Teile teilt. Der erste verläuft wie gewöhnlich, adiabatisch isentropisch; der zweite mit Einspritzung, der dritte wieder ohne Einspritzung isentropisch. Die Grenze zwischen dem ersten und zweiten wird je nach der einzuspritzenden Flüssigkeit und der Umdrehungsgeschwindigkeit der Maschine bei deren Bau ein für allemal festgelegt. Dagegen ist die Grenze zwischen dem zweiten und dritten Teil von der Belastung abhängig. Schwache Gemische, welche schwer verbrennen und sich auch schwer entzünden, können bis zu heisserer Temperatur komprimiert werden, als reiche, leicht entzündliche. Man wird also bei schwachen Gemischen die Grenze zwischen dem zweiten und dritten Teil früher legen, als bei reichen, d.h. bei schwachen Gemischen ist der zweite Teil zugunsten des dritten verkürzt, bei starken dagegen auf Kosten des dritten verlängert. Bei flüssigen Brennstoffen erhält man auf diese Weise auch noch einen weiteren, theoretisch zwar gleichgültigen, aber für die praktische Konstruktion höchst angenehmen Vorteil: man kann den Brennstoff selbst als Kühlflüssigkeit benutzen und spart so die Verdampfungsvorrichtung desselben. Ferner kann man leicht zum Zweitakt übergehen. Der Hauptmangel der Zweitaktmaschinen der gewöhnlichen Konstruktion ist ja der, dass durch die Pumpe schon das fertige Gemisch in den Zylinder gefördert wird, während noch der Auspuff offen ist. Es sind deshalb eine ganze Reihe höchst sinnreicher Vorrichtungen erdacht worden, um zu verhindern, dass fertiges Gemisch schon während der Einführung in den Zylinder durch den Auspuff ausströmt, und so unmittelbare Verluste herbeiführt. Wird aber der Brennstoff erst durch die Kompressionswärme zum Verdampfen gebracht, so wird durch die Pumpe reine Brennluft in den Zylinder gefördert, und es schadet nichts, ob von derselben etwas durch den Auspuff herausgeht, da dadurch nur eine etwas grössere Pumpe bedingt wird; im Gegenteil, es wird so eine bessere Ausspülung von den Rückständen des vorigen Hubes erzielt. Der Zylinder enthält in diesem Fall während des ersten Teiles des Kompressionshubes nur reine Brennluft und das brennbare Gemisch wird erst während des zweiten Teiles gebildet. Bedingung für eine derartige Konstruktion von Explosionsmaschinen mit flüssigen Brennstoffen ist, dass dieser eine passende Verdampfungswärme hat, welche hinreicht, die Kompressionswärme aufzunehmen. Eine solche haben nun sehr viele flüssige Brennstoffe, namentlich die Petroleumdestillate und verwandte, nicht. Da diese sich auch nicht gut mit einer Flüssigkeit von grösser Verdampfungswärme, Wasser, mischen lassen, so muss bei ihrer Verwendung der zweite Teil der Kompression noch einmal geteilt werden, indem Brennstoff und Wasser getrennt eingespritzt werden. Ob man diese Trennung nur räumlich oder auch zeitlich vornimmt, hängt vom Siedepunkt der Flüssigkeit und des Wassers ab. Hat aber der Brennstoff selbst eine passende Verdampfungswärme bezw. mischt er sich leicht mit Wasser, so dass man eine Mischung von passender Verdampfungswärme herzustellen vermag, so erhält man eine Zweitaktmaschine, in welcher nur eine Einspritzperiode während des Kompressionshubes vorkommt. Ein solcher Brennstoff ist Spiritus. Einmal hat Alkohol selbst entsprechend seinem noch immer als klein zu bezeichnenden Molekelgewicht eine grosse Verdampfungswärme und zweitens kann man derselben, infolge der leichten Mischbarkeit des Spiritus mit Wasser, innerhalb gewisser Grenzen, verglichen mit dem Heizwert, sehr beliebige Werte geben. Eine Spirituszweitaktmaschine dieser Art würde also folgendermassen arbeiten: Ist der Kolben in der der Welle benachbarten, inneren Totpunktstellung, so sind die meisten Verbrennungsgase wegen des am Ende der Expansion noch vorhandenen Druckes ausgepufft. Der Rest wird durch die, vermöge einer besonderen Pumpe in den Zylinder eingeschobene Brennluft verdrängt, so dass, wenn der Kolben umgekehrt, und der Auspuff geschlossen ist, im Zylinder reine Luft enthalten ist. Durch die Bewegungsenergie des Schwungrades wird diese Luft komprimiert und dadurch erwärmt. Ist die Temperatur des Zylinderinhaltes um eine gewisse Differenz heisser als der dem vorhandenen Druck entsprechende Siedepunkt des Spiritus, so beginnt man mit dem Einspritzen desselben nach dem vorgeschriebenen Gesetz, dass der Zylinderinhalt stets heisser bleibt als der Siedepunkt. Nachdem die vom Regulator beeinflusste Menge eingespritzt ist, wird weiterhin ohne Einspritzen komprimiert, bis der Kolben seine äussere Totpunktstellung erreicht hat. Dann wird durch irgend eine Zündvorrichtung das Gemisch entzündet, dasselbe explodiert und treibt während seiner Expansion den Kolben zurück, dabei Arbeit nach aussen abgebend. Kurz bevor der Kolben den inneren Totpunkt wieder erreicht, wird der Auspuff geöffnet und das Spiel kann von neuem beginnen. (Fortsetzung folgt.)