Ein Leitungsversuch an einem 125 PS Gasmotor. Ein Leitungsversuch an einem 125 PS Gasmotor. Bei den wenig zahlreichen grossen Gasmotoren, die bis heute gebaut sind, – erst seit wenigen Jahren ist man ja an den Bau von über 100pferdigen Maschinen herangetreten – und bei den noch viel geringeren Daten, welche über Versuche an solchen Motoren veröffentlicht sind, ist ein Bericht von Interesse, welchen C. H. Robertson dem New York meeting der American Society of Mechanical, Engineers (Dezember 1899)Transactions of Am. Soc. of Mech. Eng., Bd. XXI. vorgelegt hat. Der Motor treibt die Anlage der Merchants electric ligt Company of Lafayette, Ind., und wurde an Stelle einer schnelllaufenden Dampfmaschine im Winter 1897/98 aufgestellt. Unsere Fig. 1 zeigt den Grundriss der ganzen Anlage, welche in einem massiven, 18,3 m langen, 13,7 m breiten Gebäude untergebracht ist. Die Gasmaschine, von der Westinghouse-Gesellschaft in Pittsburg geliefert, wird mit Naturgas getrieben, ist von vertikaler Bauart und sieht im Aeusseren den bekannten, schnelllaufenden Dampfmaschinen derselben Fabrik ähnlich. Sie besitzt drei Cylinder von dem Durchmesser 330,2 mm und Hub 355,6 mmDie unrunden Zahlen entstehen durch Umwandlung der amerikanischen Masse in metrische.. Die Kurbeln sind um 120° versetzt; und da die Maschine mit dem gewöhnlichen Otto'schen Viertakt arbeitet, so erhält die Welle nach je ⅔ Umdrehungen einen neuen Antrieb. Die Zündung erfolgt elektrisch in der auch hier in Deutschland gebräuchlichen Art. Durch Füllen mit Wasser und Wägen desselben wurden die Grössen der Kompressionsräume bestimmt. Es ergaben sich: Cylinder I 21,59 % des Hubvolumens Cylinder II 21,28 % „ „ Cylinder III 21,59 % „ „ Die Gas- und Luftleitungen münden in eine Mischkammer. Zwei gleiche cylindrische Hähne, welche voneinander unabhängig durch Hand verstellt werden können, regeln dabei den Luft- bezw. Gaszutritt, so dass man ein beliebiges Mischungsverhältnis herstellen kann, welches, nachdem die Hähne einmal eingestellt sind, annähernd unveränderlich bleibt. Die Regelung der Maschine geschieht dann dadurch, dass ein Schwungkugelregulator beide Hähne gleichzeitig parallel zu ihrer Längsachse verschiebt, wodurch nur die Menge, nicht die Beschaffenheit der Mischung geändert wird, ein, wie die weiter unten angegebenen Versuchsresultate zeigen, für die Wirtschaftlichkeit der Maschine sehr wichtiger Punkt. Um die Maschine in Gang zu setzen, wird ein Cylinder derselben in eine einfach wirkende, durch Druckluft angetriebene Arbeitsmaschine verwandelt; und zwar geschieht das durch einfaches Umlegen eines Hebels und Drehen einer Schraube. Hat die Maschine durch die Explosionen in den anderen Cylindern genug lebendige Kraft erlangt,so verwandelt man während des Ganges auch jenen ersten Cylinder wieder in einen Gasmotorencylinder, indem man beide obengenannte Bewegungen in entgegengesetzter Richtung ausführt. Die Druckluft wird durch einen von der Maschine selbst mittels Riemens angetriebenen Luftkompressor geliefert und die so erhaltene Luft in auf 72,5 at geprüften Stahlflaschen aufbewahrt. Textabbildung Bd. 315, S. 138 Fig. 1. 1 Hauptbureau. 2 Privatbureau. 3 Reparaturwerkstätte. 4 Waschraum. 5 Cysterne. 6 Kühlturm. 7 Wassermesser. 8 Gasmesser. 9 Dynamomaschinen. 10 Schalttafeln. 11 Regulierwiderstand. 12 Erreger. 13 Wasserpumpe. 14 Benzinpumpe. 15 Luftkompressoren. 16 Auspuffrohre. 17 Auspufftopf. 18 Zum Auspufftopf. 19 Gasmotor Nr. 1. 20 Gasmotor Nr. 2. 21 Fundament zum Gasmotor Nr. 3. 22 Lufttöpfe. 23 Benzinbehälter. 24 Druckhöhenregler für das Benzin. 25 Karburator. 26 Transformatoren. 27 Rotierende Transformatoren. Das durch den Kühlmantel der Cylinder fliessende Wasser kann der städtischen Wasserleitung entnommen werden; gewöhnlich saugt es jedoch eine kleine Riemenpumpe aus der unter der Reparaturwerkstatt befindlichen Cysterne (vgl. Fig. 1) und pumpt es durch den Kühlmantel hindurch oben auf einen, ausserhalb des Gebäudes stehenden Kühlturm, in welchem es über aufgeschichtete Ziegel herabtröpfelt. Die Luft kann unten in diesen Turm eintreten, und es bildet sich infolge der Erwärmung derselben ein, von unten nach oben, dem Wasserstrome entgegenstreichender Luftstrom. Durch diesen, sowie durch Verdunstung einer geringen Menge Wassers kühlt sich die andere Wassermasse ab und fliesst dann zur Cysterne zurück. Da in der Nähe der Anlage menschliche Wohnungen liegen, so war eine Vernichtung oder doch Verringerung des Auspuffgeräusches dringend geboten. Man erreichte sie, indem man das Auspuffrohr in einen, ausserhalb des Gebäudes aufgestellten, nach oben durch einen Schornstein mit der äusseren Atmosphäre in Verbindung stehenden Auspufftopf leitete. Als man nach der Aufstellung einer zweiten Maschine gleicher Art auch ihr Auspuffrohr in denselben Topf leitete, blieb zwar das Geräusch noch in erträglichen Grenzen, aber infolge der stärkeren Luftbewegung begannen in der Nachbarschaft die Fenster zu klirren. Das hörte jedoch sofort auf, als man für jede Maschine einen besonderen Auspufftopf benutzte. Um für den Fall, dass aus irgend einem Grunde die Zufuhr des Naturgases zeitweilig unterbrochen wäre, nicht still liegen zu müssen, stellte man einen „Benzindunsterzeuger“ ausserhalb des Gebäudes auf. Von einem grossen Benzinbehälter kann in einen kleineren Kessel, den Druckhöhenregler, infolge eines Schwimmerventils nur eine bestimmte Menge Benzin übertreten. Dieses wird dann durch eine kleine Zentrifugalpumpe in den Karburator gepumpt, ein an beiden Enden geschlossenes, eisernes Rohr mit siebartigen Querwänden, durch welche das Benzin herabtropft. Ihm entgegen tritt ein Luftstrom von unten in den Karburator ein, nimmt auf seinem Wege durch denselben reichlich Benzindunst auf, und das so erhaltene explosible Gemisch wird dann in den Cylinder des Gasmotors geführt. Um die Verdunstungswärme im Karburator zu ersetzen, ist er mit einem Mantel umgeben, durch den das Kühlwasser fliesst, ehe es auf den Kühlturm gepumpt wird. Die Zünder werden durch Nocken von spiraliger Form bethätigt, welche mit einer radialen Nut versehen sind; gerade in dem Augenblicke, wo der Nocken den grössten Ausschlag gibt und ein Strom vorhanden ist, tritt eine Unterbrechung desselben und somit eine Funkenbildung dadurch ein, dass die Stange des Zünders in die Nut fällt. Die Versuche. Die Versuche wurden unternommen an einem gewöhnlichen Wochentage während der Zeit von 7 Uhr 5 Min. abends bis 12 Uhr 5 Min. nachts, also einer Zeit, in der die Belastung stark schwankte. So hoffte man die Leistung unter möglichst verschiedenen Bedingungen und im normalen Betriebe der Anlage beobachten zu können. Gegenstand der Untersuchung waren: a) wie gross ist die entwickelte Leistung? b) welches ist der dieser Leistung entsprechende Gasverbrauch? c) in welcher Weise findet die Regelung der Geschwindigkeit bei wechselnder Belastung statt? d) welches ist die Wärmebilanz des Motors und wie ändert sie sich bei verschiedenen Belastungen? Die aus den Versuchen erhaltenen Resultate sind in den weiter unten folgenden Tabellen 1 und 2 zusammengestellt. Ehe wir jedoch zu einer Besprechung derselben übergehen, müssen wir noch etwas näher die Anordnung der Versuche besprechen. Die Indikatordiagramme wurden mit Hilfe von Crosby-Indikatoren abgenommen, von denen jedoch nur einer besonders für Gasmotoren konstruiert war, während die anderen die gewöhnliche, für Dampfmaschinen gebräuchliche Form hatten. Die Federn wurden von Zeit zu Zeit, den veränderlichen Pressungen entsprechend, gewechselt und nach dem Versuche sorgfältig geaicht. An den Indikatoren zeigten sich während des Versuches keine Schwierigkeiten infolge Heisswerdens oder Schmiermangels, wie das sonst so häufig der Fall ist. Der Indikatorantrieb (vgl. Fig. 2) wurde mit Hilfe von drei Krummzapfen, die aus einem massiven Stahlstück ausgedreht und mit einer Haube am Ende der Maschinenwelle befestigt waren, von dieser letzteren abgeleitet; und durch Stangen, Kreuzköpfe, Stahldrähte und kurze Enden Indikatorschnur wurde die Bewegung über leichte Führungsrollen von jedem Krummzapfen zu der betreffenden Indikatortrommel übertragen. Die abgegebene Arbeit wurde mit besonders geaichtenMessinstrumenten auf elektrischem Wege bestimmt. Der Gasverbrauch wurde durch eine nasse Gasuhr gemessen, der Druck des Gases sowie seine Temperatur direkt hinter der Gasuhr wurden mit einem Quecksilbermanometer bezw. einem Thermometer nach Fahrenheit bestimmt, um so die Reduktion auf Atmosphärendruck und 62 ° F. (16,67° C.) vornehmen zu könnenIn der vorstehenden Tabelle 1 sind die Zahlen für 0° C. angegeben, da das in deutschen Rechnungen das übliche ist, wenn auch zugegeben werden muss, dass die Annahme der Amerikaner mehr Berechtigung hat.. Textabbildung Bd. 315, S. 139 Fig. 2 Um die Regelung der Geschwindigkeit, die ja bei elektrischen Betrieben von der grössten Wichtigkeit ist, genau beobachten zu können, hatte man einen besonderen Apparat konstruiert, der aber nicht rechtzeitig fertiggestellt werden konnte, so dass man diese Versuche auf einen späteren Zeitraum verschieben musste. Man begnügte sich für den Augenblick mit der Messung der Umdrehungszahlen durch einen gewöhnlichen Geschwindigkeitsmesser, mit dem man alle 5 Minuten die Geschwindigkeit bestimmte, und durch zwei dauernd mit der Maschine verbundene Umdrehungszähler. Die Auspufftemperatur wurde auf kalorimetrischem Wege bestimmt. Durch besondere Vorrichtungen konnte man eine Kupferkugel so in den Strom der Abgase halten, dass sie ganz von denselben umspült war und allmählich ihre Temperatur annahm. Dann wurde die in der Kugel enthaltene Wärme bestimmt, indem man sie in ein mit Wasser gefülltes, gut gegen Wärmeausstrahlung geschütztes Gefäss brachte und die Erwärmung des Wassers mass. Es ergaben sich bei den vorgenommenen vier Versuchen die Temperaturen: Zeit Auspufftemperatur 9 Uhr 00 Min. 653,9° C. 10 „ 10 „ 608,0° „ 10 „ 35 „ 608,0° „ 11 „ 45 „ 564,5° „ Durch chemische Analyse wurde folgende Zusammensetzung des verwendeten Gases gefunden: CO2 1,80 % O2 0,70 „ CmHn 0,50 „ CO 0,55 „ H2 0,60 „ CH4 92,05 „ N2 3,80 „ ––––––––– 100,00 % Die Bestimmung der aus Kühlwasser abgegebenen Wärme fand durch Wägen desselben und Messen der Temperaturerhöhung mit geaichten Thermometern statt. Es ergaben sich auf Grund aller dieser Messungen für die 5 Stunden des Versuches folgende Wärmebilanzen: Tabelle 1. Von dergesamtenentwickel-ten Wärmewurden in indizierteArbeitverwandelt aus Kühl-wasserabgegeben durch Auspuffund Strahlungverloren Kalorien für1 PSi/Std.verbraucht % % % 1. Stunde 17,85 25,18 56,97 3590 2.     „ 16,31 21,05 62,64 4000 3.     „ 20,70 30,21 49,09 3090 4.     „ 20,24 36,93 42,83 3190 5.     „ 16,04 50,35 33,61 3920 Die Maschine war für die Versuche nicht besonders nachgesehen worden, da man gerade die Leistung im gewöhnlichen Betriebe kennen lernen wollte. Daraus erklären sich die relativ grossen Schwankungen in den Umlaufzahlen; betrug doch die Gesamtabweichung (vgl. Tabelle 2)5,5 %, und zwar 3,3 % nach oben, 2,2 % nach unten vom mittleren Werte aus gerechnet. Anscheinend war der Regulator nicht ganz in Ordnung, und es hätten sich, falls man diesen vorher nachgesehen hätte, die Schwankungen merklich verringern lassen. Tabelle 2. Textabbildung Bd. 315, S. 140 Zeit; Umdrehungen in einer Minute (gemessen durch den Geschwindigkeitsmesser); Gasverbrauch für 1 Stunde (bezogen auf 0° C.; 760 mm Quecksilber Barometerstand und einen Heizwert von 5000 W.-E. für 1 cbm); Mittlere indizierte Pferdestärken; Abgegebene Kilo-Watt; Abgegebene elektrische Pferdestärken; Bremspferdestärken; Mechanischer Wirkungsgrad der Maschine; Gasverbrauch für 1 PSi/Std.; bezogen auf 0° C.; 760 mm Quecksilber Barometerstand und einen Heizwert von 5000 W.-E. für 1 cbm; In Bremsarbeit verwandelte Wärmeeinheiten für 1 Stunde; Der Maschine im Gase zugeführte Wärmeeinheiten für 1 Stunde; Thermischer Nutzeffekt der Maschine in Proc.; Mittel Bemerkungen: Mittlerer Barometerstand: 746,9 mm. Mittlere Umdrehungen in der Minute, mit Hilfe der beiden Umdrehungszähler erhalten: Zähler Nr. I 270,22, Zähler Nr. II 270,28. Der hohe Gasverbrauch um 8 Uhr 40 Min. erklärt sich dadurch, dass durch ein Versehen der Gashahn zu weit geöffnet und dies nicht sofort bemerkt wurde. Ueber die Art, wie die anderen in der Tabelle 2 aufgeführten Zahlen erhalten sind, ist schliesslich noch folgendes zu sagen: da die ganzen Vorgänge vom Gasmesser ab bis zum Auspuff sich ungemein rasch folgen, so ist es möglich, in kurzer Zeit genügende und zuverlässige Zahlen für einen Versuch zu erhalten; und es sind daher die ganzen gefundenen Daten in der Weise geteilt, dass man Versuche von je 10 Minuten Dauer annahm und immer drei Zahlen zur Berechnung der Mittelwerte für jeden Versuch benutzte. So sind z.B. die Werte für den ersten Versuch aus den um 7 Uhr 5 Min., 7 Uhr 10 Min. und 7 Uhr 15 Min. erhaltenen Zahlen gebildet; die für den zweiten Versuch aus den um 7 Uhr 15 Min., 7 Uhr 20 Min. und 7 Uhr 25 Min. erhaltenen Zahlen u.s.w. Zwei Indikatordiagramme fehlen, 7 Uhr 40 Min. und 7 Uhr 50 Min., da hier „Rückzündungen“Näheres siehe weiter unten. in der Maschine stattfanden. Gas- und Lufthahn standen anfänglich so, dass die Mischung etwa 1 : 11 war; weil sich dies als ungünstig herausstellte, änderte man die Stellung der Hähne um 9 Uhr 15 Min. so, dass annähernd ein Mischungsverhältnis 1:12 erreicht wurde. Da aus einer früheren Untersuchung die Wirkungsgrade des Generators bei verschiedenen Belastungen bekannt waren, so war es möglich, unter Vernachlässigung des geringen Riemenverlustes auch die Bremspferdestärken anzugeben, die von dem Gasmotor entwickelt wurden. Bei Betrachtung der in den beiden Tabellen 1 und 2 enthaltenen Zahlen gelangt der Verfasser zu folgenden SchlüssenWir machen darauf aufmerksam, dass wir im obigen einfach referierend die Ansichten des Verfassers wiedergeben, ohne dass damit ein allgemein gültiges, für jeden Gasmotor ohne weiteres richtiges Gesetz ausgesprochen sein soll.: Die Wärmebilanzen der ersten und zweiten Stunde sind deshalb so viel schlechter als die der beiden folgenden, weil das Mischungsverhältnis ungünstiger war. Dieser Einfluss ist noch besser in den Zahlen für den Gasverbrauch zu erkennen. Das Verhältnis von Luft zu Gas ist mithin ein sehr wichtiger Faktor in Bezug auf den Brennstoffverbrauch. Trägt man den totalen Gasverbrauch für die Stunde in Funktion der entwickelten Pferdestärken auf, so erhält man mit genügender Genauigkeit eine gerade Linie, d.h. der totale Gasverbrauch für die Stunde ist den entwickelten Pferdestärken direkt proportional. Das ist aber nicht mehr und nicht weniger als eine Parallele zu dem bekannten Gesetz von Willans über Dampfmaschinen, das übrigens kürzlich auch für eine Dampfturbine nachgewiesen istSiehe Versuche an einer 10-PS-Dampfturbine von W. S. Aldrich; Am. Soc. of Mech. Eng., Bd. XVII.. Die erwähnte Beziehung gilt sowohl für indizierte, wie effektive, wie elektrische Pferdestärken. Ein Versuch bei kleiner und ein Versuch bei grosser Belastung geben die gerade Linie, und damit einen Anhalt für den Gasverbrauch bei irgend einer dazwischenliegenden Belastung. Der mechanische Wirkungsgrad ist am grössten beider grössten indizierten Arbeit, und zwar erreicht er hier den Wert 84,62 %; das ist vielleicht etwas kleiner als er bei einer Dampfmaschine derselben Art und Grösse sein würde. Der mechanische Wirkungsgrad sinkt mit abnehmender indizierter Leistung. Der höchste thermische Nutzeffekt der Maschine, 18,4 %, der von einer Dampfmaschine nicht erreicht wird, ist für einen Gasmotor als reichlich niedrig anzusehen. Der Verfasser des oben ausführlich wiedergegebenen Berichtes schliesst denselben mit einigen allgemeineren Bemerkungen, aus denen wir noch folgendes anführen möchten: die untersuchte Maschine gehört jetzt schon nicht mehr zu den besten, welche die betreffende Fabrik gebaut hat; sie ist durch neuere Ausführungen beträchtlich überholt. Ausserdem haben sich einige Mängel gezeigt, welche in diesem Winter beseitigt werden sollen. So erwartet man eine grosse Ersparnis an Gas dadurch, dass man das Gehäuse, in welchem sich das Kurbelgetriebe befindet – der Motor ist ebenso wie die schnelllaufenden Westinghouse-Dampfmaschinen vollkommen eingekapselt –, dass man dieses Gehäuse nicht mehr wie bisher mit Oel und Wasser, sondern mit reinem Oel füllt, da das Wasser unter den hier vorliegenden Verhältnissen eine Abnutzung der Lager und Cylinder begünstigt, indem es die Schmierfähigkeit des Oeles beeinträchtigt. Dadurch würde dann der mechanische Wirkungsgrad wesentlich gebessert werden. Ferner muss man darauf achten, dass „Rückzündungen“ unmöglich gemacht werden. Diese können durch verschiedene Ursachen hervorgerufen werden. Einmal ist es möglich, dass so viel Oel zur Schmierung in den Cylinder gelangt, dass es die Zündflamme während des Expansions- und des Auspuffhubes unterhält; durch sie werden dann die neu eintretende Ladung sowie die Mischung in der Verteilungskammer entzündet; ferner treten Rückzündungen infolge schadhaften und undichten Eintrittsventils ein und schliesslich können sie noch dadurch hervorgerufen werden, dass sich auf dem Kolben eine Schicht von Oelrückständen bildet und dadurch die Temperatur im Cylinder so hoch wird, dass die eintretende Ladung ohne Zündung verbrennt. Jedenfalls ist, sobald eine „Rückzündung“ bemerkt wird, die Ursache derselben sofort zu beseitigen, da durch sie heftige Stösse in der Maschine hervorgerufen werden und eine gute Regelung unmöglich gemacht wird. Die hohe Auspufftemperatur macht eine sehr sorgfältige Konstruktion des Auspuffventils nötig, dessen Spindel sich leicht verzieht und dann bricht. Dem begegnet man durch kräftige Konstruktion dieses Ventils. Die Beschaffenheit des Kühlwassers ist insofern von Wichtigkeit, als bei Ablagerung von Sand und Kesselstein die Kühlwirkung ganz oder teilweise aufgehoben wird. Dies war einmal in der ersten Zeit nach Aufstellung der Maschinen der Fall. Dabei wurde die Temperatur im Cylinder so hoch, dass der Motor eine geraume Zeit lang weiterlief, obgleich die Zünder abgestellt waren. Der Preis des benutzten Naturgases betrug für die Gesellschaft am Gasmesser 0,07 Dollars für 1000 Kubikfuss (10,37 Pf. für 1 cbm). F. Mbg.