Zur Beurteilung des Diesel-Motors. Von Chr. Eberle, Ingenieur und Oberlehrer an der Kgl. Maschinenbauschule zu Duisburg. Zur Beurteilung des Diesel-Motors. Eine eingehende Besprechung der von Diesel in seiner Broschüre von 1893 aufgestellten Bedingungen für den „rationellen Wärmemotor“ nebst einer sehr ausführlichen Wiedergabe der bekannten Versuchsresultate von Professor Tabelle I. Volle Belastung Halbe Belastung I. II. I. II. Indiz. Leistung i   26,56   23,60   16,57   16,52 Effektive Leistung e   19,87   17,82     9,58     9,84 Mech. Wirkungsgrad η4 74,8 75,5 57,8 59,6 Positive Arbeit 46,6 41,5 34,8 Negative Arbeit 20,2 17,9 18,3 Verhältnis beider 0,43     0,52 Petrol.-Verbr. pro 1 i kg 0,185 0,180 0,161 0,165 Petrol.-Verbr. pro 1 e kg 0,247 0,238 0,278 0,276 Heizwert des Petrol. W. E. 10206 10206 In ind. Arbeit verw. % 33,7 34,7 38,9 37,9 In eff. Arbeit verw. % 25,2 26,2 22,5 22,6 Ins Kühlwasser % 39,0 40,3 45,1 43,3 Wirkl. verbr. Luft/kg Petr. kg. 18,63 31,93 Luftüberschuss Koeff.   1,26   2,16 Temp. der Abgase °C 404° 378° 260° 260° Tabelle II. Gasmotoren (Leuchtgasbetrieb). NominelleLeistungHP Brems-leistungHP Gasver-brauch pro1 HP/Std.l Heizwertdes GasesW. E. Wirtschaftl.Wirkungs-grad η% Be-merkungen.   4  825   5,0510,0030,18 550518481 500050005000 23,1 24,0 26,4 Versuche vonProfessorO. Köhler9. März 1895. Gasmotoren (Kraftgasbetrieb). NominelleLeistungHP Brems-leistungHP Brennstoff-verbrauchpr. 1 HP/Std.kg Heizwertdes Brenn-stoffesW. E. Wirtschaftl.Wirkungs-grad η% Be-merkungen.   16100   16,33      8,225115,9   0,615  0,713  0,492 80111)80111) 12,9 11,1 16,2 Versuche vonProfessor O. Köhler15. Mai 1897. 160 ca. 150 0,77 72022) 11,5 Versuche vonProfessorE. Meyer8. April 1896. Petroleummotoren. NominelleLeistungHP Brems-leistungHP Petroleum-verbrauchpr. 1 HP/Std.kg HeizwertdesPetroleumsW. E. Wirtschaftl.Wirkungs-grad η% Be-merkungen. 410   4,00  2,0910,00  5,00 0,5750,7870,3750,500 1082210822 10,2     7,48 15,7 11,8 Versuche vonProfessorHartmannMai 1894. 1) Anthracit. 2) Koks. Schröter ist in D. p. J. 1898 308 201 und 221 enthalten. Indem auf jenen Bericht verwiesen wird, sollen hier des Zusammenhangs halber nur die wesentlichsten Zahlen nochmals mitgeteilt werden, und zur Erleichterung des Vergleiches werden im Anschlüsse daran auch einige Verbrauchsziffern für mit Leuchtgas, Kraftgas und Petroleum betriebene Explosionsmotoren in einer Tabelle zusammengestellt. Die Zahlen der Tabellen I und II beweisen, dass der Diesel-Petroleummotor gleich in seiner ersten Ausführung alle bis dahin bekannten Explosionspetroleummotoren hinsichtlich der Ausnutzung des Brennstoffes bei weitem übertrifft; mit Leuchtgas betrieben, nähern sich die wirtschaftlichen Wirkungsgrade der Explosionsmotoren für Maximalleistung denen des Diesel-Motors sehr; der 25pferdige Gasmotor nutzt bei 30,18 sogar 26,4% der zugeführten Wärme aus. Die Kraftgasmotoren hingegen bleiben wieder ganz wesentlich hinter diesen Zahlen zurück, was zwar zum Teil in dem Umstände seinen Grund findet, dass bei den hierfür mitgeteilten Ergebnissen der Wirkungsgrad des Generators eingeschlossen ist, im übrigen aber von der bedeutend langsameren Verbrennung dieses Gases im Motor herrührt. Aus dem Versuchs berichte über die Baseler Kraftgasanlage des dortigen Wasserwerkes von Professor E. Meyer ergibt sich eine Ausnutzung des Gases im Motor von nur 16,4%, während die Gesamtausnutzung nach der Tabelle 11,5% beträgt. Dass Diesel die Bedingungen seines Programmes von 1893 durch seinen Motor nur teilweise verwirklichte, ist bekannt und lässt sich unschwer aus der Tabelle I ersehen. Es folgt aus den dort angeführten Zahlen: 1. die Verbrennung ist nicht isothermisch, denn die Temperatur steigt während derselben bedeutend an; 2. die Verbrennung erfolgt nicht mit dem von Diesel beabsichtigten Luftüberschuss (auf 1 kg C etwa 100 kg Luft, das wäre 9facher Luftüberschuss), sondern die zugeführte Luftmenge beträgt bei voller Belastung nur das 1,26fache, bei halber Belastung das 2,16fache der theoretischen; 3. die Cylinderkühlung ist infolgedessen nicht entbehrlich, sondern nach den Schröter'schen Zahlen gehen bei voller Belastung etwa 40%, bei halber Belastung etwa 44% der zugeführten Wärme ins Kühlwasser. Dass der Diesel-Motor trotzdem alle übrigen Wärmekraftmaschinen an Ausnutzung des Brennstoffes bei weitem überholt hat, veranlasst zur vergleichenden Untersuchung, zu welcher die Explosionsmotoren herangezogen werden sollen. Für alle Verbrennungskraftmaschinen kann der wirtschaftliche Wirkungsgrad „η“ dargestellt werden durch den Ausdruck: η = η1 . η2 . η3 . η4; dabei ist: η1 = Wirkungsgrad d. Brennstofferzeugung (d. Generators), η2 = „ d. Verbrennung in der Maschine, η3 = „ d. Arbeitsprozesses im Cylinder, η4 = mechanischer Wirkungsgrad. Bei Verwendung von Erdölen und Leuchtgas ist η1 = 1; wird Kraftgas oder irgend ein anderer Brennstoff verwendet, der erst durch einen Generatorprozess gewonnen wird, so ist η1 < 1. Der Wirkungsgrad η2 der Verbrennung ist bei den Explosionsmotoren bisher wenig beachtet worden; erst neuere Untersuchungen, besonders an Petroleummotoren, haben auf die Unvollkommenheit der Verbrennung hingewiesen. Für Gasmotoren, mit Leuchtgas betrieben, scheint η2 nahezu gleich 1 zu sein; Dr. Haber in Karlsruhe hat durch Untersuchungen an einem 4pferdigen Gasmotor nachgewiesen, dass bei voller Belastung η2 = 1, bei ⅓ der Belastung η2 = 0,95 war. Zahlenmässige Feststellungen scheinen für Petroleummotoren nicht bekannt zu sein, wohl aber ist aus der Verschmutzung der Maschinen und dem Geruch der Abgase auf eine unvollständige Verbrennung zu schliessen. Textabbildung Bd. 311, S. 2 Fig. 1. Nach den am Diesel-Petroleummotor bis heute gemachten Beobachtungen ist die Verbrennung in demselben eine vollkommene. Die Untersuchung der Abgase ergab bei Schröter's Versuchen bei voller Belastung nur Spuren von CO, bei halber Belastung war der CO-Gehalt nicht nachweisbar. Die Abgase sind ausserdem vollkommen geruchlos und die Cylinder bleiben rein. Nach einem Versuchsbericht von Prof. J. E. Denton, Hoboken-New York, über einen Diesel-Motor blieb derselbe mit Rohöl betrieben nach 30stündigem Betriebe vollständig rein und war nicht die Spur eines Niederschlages nachzuweisen. Die Auspuffgase brachten keinen Russ und waren nicht im stände, weisses Papier zu beschmutzen, das dagegen gehalten wurde. Die Annahme, dass in der vollkommenen Verbrennung beim Diesel-Motor ein wesentlicher Grund zu dem besseren wirtschaftlichen Wirkungsgrad gegenüber dem Petroleumexplosionsmotor zu suchen ist, erscheint sonach berechtigt. Der Wirkungsgrad „η3“ setzt sich aus zwei Faktoren zusammen und zwar: η3 = η3 ' . η3 ''; dabei ist: η3'  =η3'' = der theoretischeder indizierte Wirkungsgrad des Kreisprozesses. Für Explosionsmotoren ermittelt sich derselbe nach Fig. 1 wie folgt: U 1 ist die zugeführte Wärmemenge, Q 2 „ „ abgeführte „ Expansion und Kompression erfolgen adiabatisch. Q1 = cv . (T2 – T1) Q2= cv (T3 – T0) {\eta_3}'=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{T_3-T_0}{T_2-T_1}. Für adiabatische Zustandsänderung ist: \frac{T_3}{T_2}=\left(\frac{v_1}{v_0}\right)^{k-1} \frac{T_0}{T_1}=\left(\frac{v_1}{v_0}\right)^{k-1} \frac{T_3}{T_2}=\frac{T_0}{T_1}; oder T_3=T_2\,\frac{T_0}{T_1}. Eingesetzt: {\eta_3}'=1-\frac{T_2\,\frac{T_0}{T_1}-T_0}{T_2-T_1}=1-\frac{T_0\,(T_2-T_1)}{T_1\,(T_2-T_1)}=1-\frac{T_0}{T_1}. η3' ist sonach nur abhängig vom Volumverhältnis \left(\frac{v_0}{v_1}\right) und wächst mit zunehmender Kompression. Dass derselbe auch durch Vergrösserung der Expansionsperiode über das Volumen v0 hinaus verbessert werden könnte, ist ohne weiteres aus der Figur ersichtlichSiehe O. Köhler, Theorie der Gasmotoren. Buch 1887.. η3'' ist bedingt durch die Abkühlung des Gemisches bei der Zündung; die Explosionsendtemperatur und der Enddruck erreichen deshalb nicht die theoretischen Werte T2 p2, sondern T2 'p2 ', wie punktiert. Ferner findet die Verbrennung nicht immer plötzlich (explosionsartig), sondern häufig allmählich während des Expansionshubes statt, so dass die Expansionskurve die strichpunktierte Form annehmen kann. Die Form dieser Kurve ist von verschiedenen Einflüssen abhängig: von dem Mischungsverhältnis zwischen Luft' und Brennstoff, der Innigkeit der Mischung, der Temperatur der Wandungen des Zündraumes u.s.w. Textabbildung Bd. 311, S. 2 Fig. 2. Diagramm von Donat Banki; Petroleummotor mit Wassereinspritzung; Diesel-Motordiagramm. Die Einwirkung des Volumenverhältnisses zwischen Gas und Luft auf die Verbrennungsdauer stellte Dugald Clerk für verschiedene Leuchtgase Englands fest und fand unter anderem folgende Werte: Gas-Vol. Luft-Vol. Zeit derVer-brennung Explosions-Enddruck Temperatur t2 beobachtet berechnet 11111   4  5  6  711   0,16''  0,055  0,040  0,0600,17   5,60 kg6,37 „6,80 „6,09 „4,27 „ 1595 °C1812   „1792   „1733   „1220   „ 380833342228 Dabei stand das Gemisch vor der Zündung unter atmosphärischer Spannung. An Kraftgasanlagen, besonders in Basel, wurde festgestellt, dass durch das langsame Verbrennen des armen Gases der wirtschaftliche Wirkungsgrad wesentlich vermindert wird. Professor Meyer rechnet aus, dass die ermittelte Ausnutzung der Wärme im Motor von 19,3 %, auf die indizierte Leistung bezogen, sich bei rascher Verbrennung auf 23,8 % erhöhen würde. Stellen wir für die heute gebräuchlichen Verhältnisse bei Explosionsmotoren den Wert η3 = η3 ' . η3 '' numerisch fest, so ergibt sich bei T0 = 300°: für \frac{v_0}{v_1}=4;\T_1=T_0\,\left(\frac{v_0}{v_1}\right)^{k-1}=300\,.\,4^{0,41}=530^{\circ} {\eta_3}'=1-\frac{300}{530}=0,435 (43,5 %) (Gasmotoren), für \frac{v_0}{v_1}=3; T1 = T0 . 30,41 = 300 . 30,41 = 470° {\eta_3}'=1-\frac{300}{470}=0,36 (36 %) (Petroleummotoren). η3'' nehmen wir für Motoren mit raschbrennender Mischung zu 0,80 und für solche mit langsamer Verbrennung zu 0,70 und erhalten: η3 = η3 ' . η3 '' \frac{v_0}{v_1}=4 η3 = 0,435 . 0,80η3 = 0,435 . 0,70 = 0,348= 0,305 \frac{v_0}{v_1}=3 η3 = 0,36 . 0,80η3 = 0,36 . 0,70 = 0,288= 0,252 η3 macht sonach den wesentlichsten Teil des Gesamtverlustes aus und müsste deshalb die Verbesserung; hier ansetzen. η3' ist zu verbessern durch Erhöhung der Kompression; dem steht die Gefahr der Vorzündung gegenüber. Wesentliche Steigerung des Kompressionsverhältnisses wäre nur erreichbar durch getrennte Kompression von Luft und Brennstoff oder durch Kühlung während der Kompression (Wassereinspritzung). Von letzterer Methode hat Donat Banki, Budapest, in letzter Zeit Gebrauch gemacht. Fig. 2 zeigt das Diagramm eines 4pferdigen Petroleummotors, der mit Wassereinspritzung arbeitet. Die Kompression wurde so weit gesteigert, dass die Explosionsendspannung 31 at beträgt. Nach Banki's Angaben verminderte sich der Petroleumverbrauch des 4pferdigen Motors dabei von 500 g auf 290 bis 300 g für eine effektive Pferdekraftstunde; die eingespritzte Wassermenge beträgt das 2½- bis 3fache des Petroleumgewichtes. Eine Bestätigung dieser Zahlen durch genaue Versuche bleibt abzuwarten. Die zweite Methode, getrennte Kompression von Luft und Brennstoff, wurde auch schon vor Jahren angewendet. E. Capitaine nahm 1891 die Patente Nr. 60977 und 60801, durch welche er sich eine Maschine schützen liess, bei welcher schwere Oele in die im Cylinder einer Gasmaschine komprimierte Luft eingespritzt werden sollen. Textabbildung Bd. 311, S. 3 Fig. 3. η3'' zu vergrössern, verlangte eine Verminderung der Explosionsendtemperatur, um den Kühlwasserverlust zu verringern. Zwar würde eine Vergrösserung des Luftüberschusses diesen Erfolg haben, bedingte aber gleichzeitig den Nachteil, dass die Mischung ärmer und somit langsamer brennen wird. Wesentliche Verbesserung dieser beiden wichtigsten Faktoren dürfte sonach nicht möglich sein, solange das bisherige Arbeitsprinzip beibehalten wird. Besonders muss aber beachtet werden, dass bei der heute angestrebten Verwendung billiger und gasarmer Mischungen, wie Kraftgas, Hochofengas, Koksofengas, zur direkten Verbrennung in Kraftmaschinen der Explosionsmotor wesentlich geringere Wärmeausbeute in Aussicht stellt als die Zahlen für Leuchtgasmotoren der Tabelle I erwarten lassen könnten. Dies haben die Versuche mit Kraftgas bewiesen und für Hochofengas dürfte sich in der stark wechselnden Zusammensetzung desselben noch ein neuer Feind hinzugesellen. Der von Diesel erstrebte Arbeitsvorgang ist durch Fig. 3 dargestellt. Ein Luftvolumen (v1 p0 Tx) wird adiabatisch komprimiert auf den Zustand (v2 p2 T2); hierauf wird der Brennstoff langsam zugeführt, so dass die Verbrennung isothermisch erfolgt. v3 p3 T2 sei der Endzustand der Verbrennung und der Beginn der adiabatischen Expansion auf den atmosphärischen Druck; hierauf Auspuff. Der von seinem Motor, im Viertakt arbeitend, ausgeführte Prozess ist durch den geränderten Teil des Diagrammes herausgeschnitten. Die Verbrennungskurve ist keine Isotherme, sondern befolgt das Gesetz pvn = const. der polytropischen Kurven. Machen wir, um den Wirkungsgrad η3 ' des Diesel-Prozesses zu ermitteln, die Annahme, die Verbrennung verlaufe unter konstantem Drucke, so lässt sich mit den Bezeichnungen der Fig. 4 der Wirkungsgrad η3 ' wie folgt ermitteln. Expansion und Kompression verlaufen adiabatisch, dann ist: Q1 = cp (T2 – T1) Q1 = cv (T3 – T0) {\eta_3}'=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{c_v\,(T_3-T_0)}{c_p\,(T_2-T_1)} {\eta_3}'=1-\frac{1}{k}\,.\,\frac{T_3-T_0}{T_2-T_1};\ T_3=T_2\,\left(\frac{v_2}{v_0}\right)^{k-1}; {\eta_3}'=1-\frac{T_0}{T_1}\,.\,\frac{\left(\frac{T_2}{T_1}\right)^k-1}{k\,\left(\frac{T_2}{T_1}-1\right)}. Diese Formel wurde schon von Fink (1885) aufgestellt. Mit T0 = 300°; p0 = 1; p1 = 35 ist: T_1=300\,.\,\left(\frac{p_1}{p_0}\right)^{\frac{k-1}{k}}=300\,.\,35^{\frac{0,41}{1,41}} T1 = 842°. Textabbildung Bd. 311, S. 3 Fig. 4. Der Wirkungsgrad η3 ' wächst mit abnehmendem Verhältnis \frac{T_2}{T_1} und da \frac{T_2}{T_1}=\frac{v_2}{v_1} auch mit abnehmendem Verhältnis „\frac{v_2}{v_1}“, d.h. η3 ' wird um so grösser, je kleiner die zugeführte Wärmemenge „Q1“ wird. Mit abnehmender Leistung nimmt sonach der „theoretische Wirkungsgrad η3'“ des Diesel-Motors zu; diese Eigenschaft muss bei der Beurteilung des Diesel-Motors den Explosionsmotoren gegenüber besonders beachtet werden. Für \frac{v_2}{v_1}=1,5\,:\,{\eta_3}' =1-\frac{300}{842}\,.\,\frac{1,5^{1,41}-1}{1,41\,(1,5-1)} = 0,61. Für \frac{v_2}{v_1}=2,0\,:\,{\eta_3}' =1-\frac{300}{841}\,.\,\frac{2,0^{1,41}-1}{1,41\,(2-1)} = 0,58. Für \frac{v_2}{v_1}=2,5\,:\,{\eta_3}' =1-\frac{300}{842}\,.\,\frac{2,5^{1,42}-1}{1,42\,(2,5-1)} = 0,55. Für \frac{v_2}{v_1}=3,0\,:\,{\eta_3}' =1-\frac{300}{842}\,.\,\frac{3^{1,41}-1}{1,41\,(3-1)} = 0,53. Ueber die Grösse des indizierten Wirkungsgrades η3 '' könnten genaue Versuche einigen Aufschluss geben; zunächst sind nur ganz annähernde Schätzungen möglich. (Fortsetzung folgt.)