Titel: Teichmann, über Kraftmessungen an atmosphärischen Gaskraftmaschinen.
Autor: Teichmann, C.
Fundstelle: 1876, Band 220 (S. 116–124)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj220/ar220030

 Kraftmessungen an atmosphärischen Gaskraftmaschinen; von Prof. K. Teichmann in Stuttgart.

Mit Abbildungen im Text und auf Taf. II [a.b/1].

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 |117| 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.
|118|

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 5*). 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.

|119|

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 |120| 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
|121|

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 |122| 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.

|123|

Tabelle III. Belastung des Bremshebels 9k.

Textabbildung Bd. 220, S. 123

Tabelle IV. Angaben der Diagramme.

Textabbildung Bd. 220, S. 123
|124|

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.

|118|

Auf 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).

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