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Gaskraftmaschine
[* 2] (hierzu Tafel »
Gaskraftmaschinen«),
[* 3]
eine
Maschine,
[* 4] welche die Expansionskraft eines explodierenden
Gasgemisches zur Verrichtung mechanischer
Arbeit benutzt. Die Anregung, solche
Gaskraftmaschinen zu erfinden,
gab das
Knallgas, ein Gemisch aus 1 Volumteil
Sauerstoff und 2 Volumteilen
Wasserstoff, welches bei seiner
Entzündung unter
heftigem
Knall explodiert. Der dabei entwickelte Wasserdampf hat das Bestreben, sich infolge der hohen Verbrennungstemperatur
stark auszudehnen, und übt deshalb auf ihn beengende
Wände einen
Druck aus.
Diesen hat man auf einen in einem
Cylinder beweglichen
Kolben wirken lassen, welcher wiederum die empfangene
Bewegung irgendwie
auf eine drehbare
Welle übertrug, in ähnlicher
Weise wie bei einer gewöhnlichen
Dampfmaschine.
[* 5] Da jedoch die
Wirkung des reinen
Knallgases eine zu gewaltsame, alle Maschinenteile stark schädigende war, so konnte man erst eine
brauchbare
Gaskraftmaschine zu stande bringen, als man anfing, das
Knallgas in stark verdünntem Zustand anzuwenden. Lenoir, von dem die
erste brauchbare
Gaskraftmaschine herrührt, verwendete statt des reinen
Wasserstoff- und Sauerstoffgases ein Gemisch von wenig
Leuchtgas
[* 6] (welches
Wasserstoff enthält) und atmosphärischer
Luft (die außer
Sauerstoff hauptsächlich
Stickstoff
enthält), so daß der Knallgasgehalt des Gemisches ein sehr geringer war.
Infolgedessen erfolgte bei der
Entzündung keine eigentliche
Explosion, sondern nur eine allmählige
Verbrennung, wodurch wiederum
ein ruhigerer
Gang
[* 7] der
Maschine erzielt wurde. Die Einrichtung und Wirkungsweise der Lenoirschen
Gaskraftmaschine ist im allgemeinen
folgende (s. den Horizontalschnitt
[* 1]
Fig. 1 auf Tafel
»
Gaskraftmaschinen«). Der Arbeitscylinder
A, in dem sich der
Kolben H hin und her bewegt, hat vier
Kanäle, von denen
m und n
das Gasgemisch zuführen, r und s die verbrauchten
Gase
[* 8] abführen.
Die beiden Zuführungskanäle und Abführungskanäle haben je einen besondern Schieber F und R, welcher sie in geeigneten Momenten verschließt und öffnet. Geht der Kolben H, wie in der [* 1] Figur, von der äußersten linken Seite des Cylinders A nach rechts, so gestattet der Einlaßschieber F durch den linken Arm p des gegabelten Gasrohrs das Einströmen von Gas, durch l das Eintreten von Luft. Luft und Gas ziehen als Knallgas durch l in den Cylinder. Ist nun der Kolben ein solches Stück nach rechts gegangen, daß er eine genügende Menge Gasgemisch hinter sich hat, so ist inzwischen der Schieber um so viel nach derselben Richtung hin bewegt, daß sowohl das Rohr p als auch der Kanal [* 9] m verschlossen sind. In diesem Moment erfolgt die Entzündung des Gases durch einen elektrischen Funken, der, durch einen Induktionsapparat hervorgerufen, von einem isolierten Draht [* 10] (xx') auf den Cylinder überspringt.
Damit der Bewegung des Kolbens durch die Expansionskraft der explodierenden Gase auf der andern Seite kein Hindernis entgegengesetzt wird, muß die Stellung des Schiebers R den Kanal s mit dem ins Freie führenden Kanal o verbinden, so daß die vom vorigen Hub rechts vorhandenen Verbrennungsgase entweichen können. Unter dem Druck der verbrennenden Gase überträgt der Kolben durch eine Kolbenstange c und eine Bleuelstange E nutzbare Arbeit auf die Kurbel [* 11] einer Hauptwelle (in der [* 1] Figur nicht sichtbar), welche zur Überwindung der Totpunkte mit einem Schwungrad ausgestattet ist, außerdem Exzentriks trägt, welche bei der Wellendrehung die geeignete Verschiebung der Schieber F und R mittels der Exzenterstangen g' und g ¶
^[Leere Seite] ¶
mehr
bewirken und schließlich auch das Schließen des elektrischen Stroms übernehmen. Ist der Kolben auf der rechten Seite angekommen, so sind die Kolben inzwischen in der Weise umgesteuert worden, daß die rechte Seite des Kolbens mit dem Gasrohrschenkel q und dem Luftzuführungsrohr l verbunden ist, während der rechte Ausgangskanal s geschlossen und dafür der linke r geöffnet ist. Jetzt werden also rechts Gas und Luft angesaugt, dann abgesperrt, durch einen vom Draht yy´ überspringenden Funken entzündet und zur Verrichtung mechanischer Arbeit gezwungen, während links die verbrannten Gase abziehen. So wiederholt sich das Spiel der Maschine.
Daß dabei Cylinder und Kolben ohne Kühlvorrichtung bald sehr heiß werden würden, liegt auf der Hand;
[* 14] deshalb hat man den Cylinder mit einem Wassermantel M umgeben, d. h. einem hohlen Raum, in welchem fortwährend kaltes Wasser
zirkuliert, ein Umstand, welcher natürlich den Betrieb der Maschine verteuert. Die Lenoirsche
Gaskraftmaschine arbeitete zwar geräuschlos,
verbrauchte jedoch so viel Gas (ca. 0,6 Mk. pro Stunde und Pferdekraft), erlitt ferner wegen der diffizilen
elektrischen Gasentzündung so viel Störungen, daß man sehr bald davon zurückkam. In der Gegenwart dürfte wohl kaum noch
eine solche
Gaskraftmaschine im Betrieb sein.
Eine bei weitem brauchbarere
Gaskraftmaschine war die atmosphärische Gaskraftmaschine von Otto u. Langen (Köln).
[* 15] Dieselbe benutzt
nicht, wie die Lenoirsche, direkt die Expansion des verbrennenden Leuchtgases zur Arbeitsverrichtung, sondern stellt durch
Kondensation der verbrannten Gase, ähnlich so wie die Newcomensche Dampfmaschine, einen luftverdünnten Raum unter dem Kolben
her, so daß der auf der andern Seite vorhandene Luftdruck zur Arbeitsverrichtung herangezogen wird. Die Otto-Langensche Maschine ist
deshalb nicht nur als eine Verbesserung der frühern, sondern als eine originale bessere Erfindung anzusehen.
Sie besteht aus einem stehenden offenen Arbeitscylinder, dessen Kolben durch das bei jedem Hub unter ihm explodierende Gasgemenge wie ein Geschoß [* 16] in die Höhe fliegt. Durch dieses schnelle Ausweichen des Kolbens vor dem Druck wird die entwickelte Wärme [* 17] der Gasverbrennung fast völlig zur Volumvergrößerung der Verbrennungsgase verwendet und geht nicht, wie bei Lenoirs Maschine, großenteils in die Wände des Cylinders und dessen Kühlwasser über, welches wohl auch, hier aber in weit geringerer Menge nötig wird.
Durch den Aufflug des Kolbens vergrößert sich der Raum unter ihm, und die Spannung sinkt und geht selbst in eine negative, d. h. in ein Saugen, über, indem der Kolben infolge seiner angesammelten Arbeit ausschwingt, wobei aber selbstverständlich die Höhe des Cylinders derart bemessen sein muß, daß der Kolbenflug noch in der Rohrlänge endet. Oben liegt über dem Cylinder eine Schwungradwelle, auf welcher ein Zahnrad steckt, und in dieses greift eine Zahnstange, welche mit dem Kolben fest verbunden ist.
Das Zahnrad steckt aber nur lose auf der Welle und teilt so die rasche Bewegung des Kolbenaufflugs, ohne dabei irgend eine Wirkung auf die Schwungradwelle zu äußern, während es diese mittels einer sperrradähnlichen Klemmkuppelung wohl äußern kann, wenn der Kolben gegen abwärts einen Druck empfängt, wie dies nun sofort geschieht. Ist nämlich der Aufflug des Kolbens beendet, so schließt er unter sich einen luftverdünnten Raum ab, und der Atmosphärendruck beginnt ihn niederzupressen.
Durch das Kühlwasser verringert sich ferner die Temperatur der verdünnten Gase unter dem Kolben, wodurch das Vakuum trotz der Raumverkleinerung durch den niederkommenden Kolben ziemlich gleichförmig erhalten bleibt, und so wird die Arbeit während des Niederganges erzeugt und durch das Schaltwerk auf die Schwungradwelle übertragen. Gegen Ende des Niederganges ist die Kühlung und Volumverkleinerung so weit vorgeschritten, daß die Luftverdünnung zu schwinden beginnt, und endlich wird die Spannung unter dem stets noch sinkenden Kolben bis zur Höhe der Atmosphärenspannung oder noch etwas höher steigen, und indem der Kolben nun wieder vom Schwungrad aus einen Druck zur Abwärtsbewegung bis zum tiefsten Punkt erhält, werden die eingeschlossenen Gase zum Austritt durch ein Klappenventil gezwungen. Nun wird der Kolben noch ein kurzes Wegstück gegen aufwärts geführt, wodurch wieder Gas und Luft eingesogen werden, worauf wieder Entzündung, Aufflug und Ausschwingen und das Spiel wie früher beginnen. - Die Entzündung geschieht hier nicht mittels eines elektrischen Funkens, sondern durch eine kleine Gasflamme, welche in einem rasch bewegten Schieber durch eine Außenflamme entzündet, aber von derselben sofort abgeschnitten wird und mit dem Innenraum in Verbindung tritt, noch ehe sie erlischt.
Ein zweiter Schieber regelt den Eintritt von Gas und Luft, schließt aber auch die Ausströmklappe ab, damit der Austritt nicht
etwa gleichzeitig mit der Explosion geöffnet werde. Diese Maschine braucht pro Stunde und Pferdekraft 1 cbm
Gas, welches ca. 0,21 Mk. kostet, so daß auch dieser Betrieb nur dann gerechtfertigt
ist, wenn kurze Verwendungsdauer etc. die Aufstellung einer Dampfmaschine verwehren. Auch macht sich diese
Gaskraftmaschine durch heftige
Detonationen bei der Gasexplosion sehr unangenehm bemerkbar. Andre auf demselben Prinzip beruhende
Gaskraftmaschinensysteme,
wie die von Hugon, Wachalofsky etc., haben keine Verbreitung gefunden.
Die Otto-Langensche
Gaskraftmaschine war schon in ca. 1500 Exemplaren auf der Erde verbreitet, als 1877 von Otto eine neue Maschine konstruiert
wurde, welche sich so vorteilhaft von der ältern unterschied, daß letztere gar nicht mehr gebaut wurden
und gegenwärtig als veraltet anzusehen sind. Der Ottosche Gasmotor arbeitet, wie die Lenoirsche
Gaskraftmaschine, direkt mit der Expansion
der verbrennenden Gase und ist geräuschlos. Er besteht
[* 13]
(Fig. 2-9) aus einem doppelwandigen, mittels durchlaufenden
Wassers kühl gehaltenen Cylinder A, welcher in horizontaler Lage an das Ende des aus einem Stück bestehenden
Balkens B angeschraubt ist. In diesem Cylinder befindet sich ein gut gedichteter Kolben C, welcher mittels Kolbenstange D und
Bleuelstange E seine hin- und hergehende Bewegung in der bei Dampfmaschinen
[* 18] üblichen Weise auf die Kurbelwelle F überträgt,
welche mit Schwungrad und Betriebsriemenscheibe ausgerüstet ist.
Der Cylinder ist an der der Kurbelwelle zugekehrten Seite offen, an der entgegengesetzten Seite durch einen Boden in Form eines Kugelabschnitts geschlossen und besitzt eine in dem Boden angebrachte Öffnung a zum Eintritt des Gases und eine in der Wand befindliche Öffnung b zum Austritt der Verbrennungsprodukte. Der Betrieb der Maschine erfolgt durch ein Gemisch von Leuchtgas und Luft, welches nach seinem Eintritt in den Cylinder mittels einer Gasflamme entzündet wird. Zur Herstellung dieses Gasgemisches sowie zum rechtzeitigen Einlassen und Entzünden desselben und zum Auslassen der Verbrennungsprodukte dient eine Steuerung, welche aus einem Schieber, einem Einlaßventil und einem Auslaßventil mit den zugehörigen Bewegungsmechanismen besteht. ¶
mehr
Der Schieber G ist in [* 19] Fig. 5, 6 und 7 im Horizontalschnitt, in [* 19] Fig. 8 im Vertikalschnitt dargestellt. Er besteht aus einer Platte mit den beiden Kanälen d und e, von denen der erstere das Gasgemisch in den Cylinder einzulassen, der letztere dasselbe zu entzünden hat. Dieser Schieber legt sich gut dichtend mit der die Ausmündungen des Kanals d enthaltenden vordern Seitenfläche gegen den am Boden des Cylinders befindlichen Schieberspiegel, während die gegenüberliegende hintere Seitenfläche, ebenfalls gut dichtend, durch die Deckplatte H bedeckt wird, welche durch die Federn I an den Schieber angepreßt wird. Der Schieberspiegel zeigt zwei Öffnungen a und g, von denen die eine a, wie schon erwähnt, in den Cylinder leitet, während die andre g in die Höhlung h führt, welche durch das Rohr i [* 19] (Fig. 4) mit der atmosphärischen Luft außerhalb des Gebäudes kommuniziert.
In der in [* 19] Fig. 5 gezeichneten Stellung des Schiebers kann daher zunächst Luft in den Cylinder einströmen. Um nun diese Luft mit Gas zu mischen, befindet sich in der hintern Seitenfläche des Schiebers eine Reihe kreisförmiger Öffnungen k, welche mit dem Kanal d kommunizieren und welche vor eine in der Deckplatte H ausgesparte Kammer l treten können, die ihrerseits mit dem Einlaßventil des Gases in Verbindung steht. Ist also das Einlaßventil offen, so wird in der in [* 19] Fig. 5 gezeichneten Schieberstellung ein Gemisch von Gas und Luft, ist das Einlaßventil geschlossen, nur Luft in den Cylinder eintreten. Die Entzündung des in den Cylinder eingetretenen Gasgemisches bewirkt der Kanal e des Schiebers und zwar in der Weise, daß zuerst Gas und etwas Luft in den Kanal gelangen, hierauf entzündet und in brennendem Zustand vor die Einlaßöffnung a des Cylinders gebracht werden.
Zur Füllung des Kanals e mit Gas dient die in der Deckplatte angebrachte Nute m, welche durch die dazu rechtwinkelige Nute n mit einem Gasleitungsrohr o in Verbindung steht, und welche, wie [* 19] Fig. 5, 6 und 7 lehren, den Kanal e so lange mit Gas versorgt, bis derselbe mit dem Einlaßkanal a zu kommunizieren beginnt [* 19] (Fig. 7). Die Entzündung des in den Kanal e einströmenden Gases besorgt eine Gasflamme p, welche durch das Rohr q gespeist wird und in einer die Deckplatte H durchbrechenden Öffnung r brennt, die mit dem Kanal e bis kurz vor der in [* 19] Fig. 7 gezeichneten Schieberstellung kommuniziert.
Die zum Brennen erforderliche Luft tritt durch die Öffnung s der Deckplatte in den untern Zweig des Kanals e ein [* 19] (Fig. 8), während die Entzündungsflamme p durch den an die Deckplatte angegossenen kleinen Schornstein t mit Luft versorgt und durch denselben zugleich gegen Zufälligkeiten, welche das Auslöschen bewirken könnten, geschützt wird. Das Einlaßventil befindet sich in einer vertikalen Scheidewand der an den Cylinderbogen angegossenen Kammer K, deren eine Abteilung durch den Hahn [* 20] L mit der Gasleitung in Verbindung steht, während die andre Abteilung durch das Rohr M mit der in der Deckplatte H ausgesparten Kammer l kommuniziert. Der Stiel des kegelförmigen Ventils geht durch die Wand der Kammer hindurch und ist mit einer Spiralfeder ausgestattet, welche das Ventil [* 21] stets geschlossen hält. Die Eröffnung erfolgt in dem geeigneten Moment dadurch, daß der vertikale Arm des Winkelhebels N den Stiel des Ventils, dem Federdruck entgegen, in die Kammer hineinschiebt [* 19] (Fig. 4).
Das ebenfalls kegelförmige Auslaßventil ist in der horizontalen Scheidewand der an den Cylinder angegossenen Kammer O angebracht, deren obere Abteilung direkt in den Cylinder mündet, während an die untere Abteilung sich das Rohr P zur Ableitung der Verbrennungsprodukte anschließt. Der Stiel des Ventils geht durch den Boden der Kammer hindurch und ist unter demselben mit dem einen Arm eines doppelarmigen Hebels Q verbunden [* 19] (Fig. 4), welcher durch die Spiralfeder R stets in der Lage erhalten wird, bei welcher das Ventil geschlossen ist.
Durch eine entsprechende Bewegung des Hebels kann das Ventil in dem geeigneten Moment geöffnet werden. Was endlich die Bewegung der drei Steuerungsteile, nämlich des Schiebers, des Einlaß- und Auslaßventils, betrifft, so werden dieselben von der Steuerungswelle T abgeleitet, welche ihre Umdrehung durch Vermittelung des konischen Räderpaars UV von der Kurbelwelle empfängt. Zur Bewegung des Schiebers dient die am Ende der Steuerungswelle T angebrachte Kurbel S, deren Zapfen [* 22] in ein Gleitstück gesteckt ist, welches sich in einem Schlitz des Schiebers (Kurbelschleife) verschieben kann. Behufs Bewegung der beiden Ventile ist die Steuerwelle mit zwei Daumenscheiben x und y ausgestattet, von denen die eine (x) auf den Winkelhebel des Einlaßventils, die andre (y) auf den Hebel [* 23] des Auslaßventils einwirkt.
Wie aus [* 19] Fig. 2 zu erkennen, ist das konische Räderpaar, durch welches die Steuerwelle von der Kurbelwelle umgetrieben wird, so beschaffen, daß zu je einer Umdrehung der Steuerwelle zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erforderlich sind; es werden daher zu jedem Spiel der Steuerung zwei volle Spiele des Kolbens gehören. Endlich ist noch zu bemerken, daß, wenn man die Schieberkurbel mit der Hauptkurbel in dieselbe Ebene gelegt denkt, die erstere der letztern um 135° vorauseilt. Die gegenseitige Lage der beiden Kurbeln wird dann durch [* 19] Fig. 9 veranschaulicht, in welcher der größere Kreis den [* 24] Warzenkreis der Hauptkurbel, der kleinere Kreis den der Schieberkurbel bedeutet, und in welcher sämtliche zusammengehörige Lagen der beiden Kurbeln mit den übereinstimmenden Zahlen I, 1; II, 2 etc. bezeichnet sind.
Die Wirkungsweise der Maschine ist folgende. Stellt man sich so auf, daß das Gesicht [* 25] dem Schieber zugekehrt ist, und befindet sich der Kolben in seiner innersten Stellung in der Nähe des Cylinderbodens, der Kurbelstellung I entsprechend, so hat der Schieber beinahe seine äußerste Lage links erreicht, bei welcher die Kommunikation der beiden Kanäle a und g beginnt. Zugleich wirkt der Daumen x auf den Winkelhebel N und öffnet dadurch das Einlaßventil für Gas. Wenn sich nun die Kurbel von I nach II bewegt, so vollführt der Kolben einen einfachen Hub und erreicht das vordere offene Ende des Cylinders, während die Schieberkurbel von 1 nach 2 geht und den Schieber bis gegen Ende des Kolbenhubes bei geöffnetem Einlaßventil die Einströmung des Gasgemisches gestattet. Das Auslaßventil ist während dieses ganzen Kolbenhubes geschlossen und bleibt auch geschlossen während des Kolbenrückganges, wobei die Kurbel von II nach I und die Schieberkurbel von 2 nach 1a gelangt. In dieser Periode des Kolbenrückganges werden die Kanäle a und g vom Schieber verdeckt, die Kammer e des Schiebers indessen wird durch die Nute m mit Gas gefüllt und befindet sich in Kommunikation mit den Durchbrechungen r und s [* 19] (Fig. 8) der Schieberdeckplatte H, so daß die Flamme [* 26] p das in der Kammer e befindliche Gas entzündet. Da alle in den Cylinder führenden Kanäle und Ventile während des Kolbenrückganges geschlossen sind, so wird das im Cylinder befindliche Gasgemisch auf etwa die Hälfte seines ursprünglichen Volumens ¶