Gaskraftmaschine

Gaskraftmaschine (Gasmotor, hierzu Tafeln »Gaskraftmaschinen I und II« mit Text), eine Kraftmaschine, welche die Expansionskraft eines zur Verbrennung (Verpuffung, Explosion) gebrachten Gasgemisches zur Verrichtung mechanischer Arbeit benutzt. Die hier in Betracht kommenden Gasgemische bestehen aus einem brennbaren Gas (besonders Leuchtgas) und atmosphärischer Luft. Bringt man ein solches explosibles Gasgemisch in einem Zylinder, in dem sich ein dicht anschließender Kolben befindet, zur Entzündung, so dehnen sich die entstehenden Verbrennungsgase infolge der hohen Verbrennungstemperatur aus und bewegen den Kolben, indem sie einen Druck auf ihn ausüben. Die Kolbenbewegung wird wie bei der Dampfmaschine mittels Kurbelgetriebes auf eine rotierende Welle übertragen. – Während bei einigen der ersten Gasmotoren Gasgemische von annähernd atmosphärischer Spannung zur Entzündung gebracht wurden, wird bei allen gegenwärtigen Bauarten das Gasgemisch vor der Zündung verdichtet (komprimiert). Diese Verdichtung wirkt zunächst vorteilhaft auf die Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit des Gases, was aus folgender Betrachtung erkennbar ist. Zwei Mengen eines explosibeln Gasgemisches von gleicher Zusammensetzung und gleichem Gewicht seien in Gefäße von 2 und 1 Lit. Inhalt eingeschlossen, derart, daß in dem größern eine Spannung von 1 Atmosphäre, in dem kleinern eine Spannung von 2 Atmosphären vorhanden ist. Entzündet man nun diese Gasgemische, dann wird in beiden Gefäßen annähernd dieselbe Drucksteigerung stattfinden, die etwa das Zehnfache betragen möge, so daß die Spannung im größern Gefäß 10 Atmosphären, im kleinern 20 beträgt. Nimmt man an, daß die Verbrennungsgase in beiden Fällen sich unter Arbeitsverrichtung bis zu 1 Atmosphäre ausdehnen, so ist klar, daß das kleinere Volumen um so viel mehr Arbeit leisten kann, als bei der Expansion von 20 auf 10 Atmosphären entsteht. Von dieser Mehrarbeit würde nur die verhältnismäßig geringe Arbeit abzuziehen sein, die zur Verdichtung des Gasgemisches vor der Entzündung von 1 auf 2 Atmosphären erforderlich war. Die Verdichtung macht das Gasluftgemisch auch zündfähiger. Die Temperatur eines Gases steigt mit zunehmender Verdichtung, so daß bei genügender Höhe der letztern Selbstzündung eintreten kann. Da diese bei der G. vermieden werden soll, so ist damit für die Höhe der Verdichtung eine Grenze gezogen. Vgl. Wärmemotor (von Diesel).

Hinsichtlich der Arbeitsweise lassen sich zwei Gruppen von Gaskraftmaschinen unterscheiden:

1) Viertaktmotoren. Die vollständige Arbeitsperiode einer Zylinderseite verlangt zwei Kurbelumdrehungen, also vier Kolbenhübe. Während des ersten Kolbenhubes wird Gas und Luft angesaugt, bei dem zweiten (in bezug auf den ersten rückläufigen) Hub wird das angesaugte Gemisch (die Ladung) verdichtet. Im Totpunkte erfolgt die Zündung, und während des dritten Hubes expandieren die Verbrennungsgase, Arbeit leistend. Beim (rückläufigen) vierten Hub werden die Verbrennungsgase ausgestoßen. Es wird hiernach nur bei jedem vierten Hub Arbeit auf den Kolben und von diesem auf die Kurbelwelle übertragen, während in den andern drei Vierteln des Viertaktes die im Schwungrad aufgespeicherte lebendige Kraft außer der nutzbringenden Arbeit noch die Arbeit des Ansaugens, des Verdichtens, des Ausstoßens sowie der Reibung in der Maschine zu verrichten hat.

2) Zweitaktmotoren. Die vollständige Arbeitsperiode einer Zylinderseite erfordert eine Kurbelumdrehung, also zwei Kolbenhübe. Dabei verlaufen jedoch nicht alle Vorgänge im Arbeitszylinder wie bei den Viertaktmotoren, sondern das Ansaugen und Vorverdichten (oder auch die volle Verdichtung) von Gas und Luft, bez. des Gemisches erfolgt in einer getrennten Pumpe (Ladepumpe). Nach Beginn des Auspuffes tritt das frische Gemisch in den Arbeitszylinder ein und treibt die Verbrennungsgase aus, oder es strömt zwecks Ausspülung der Abgasreste zunächst nur Luft (Spülluft) in den Arbeitszylinder, und erst später wird das Gas zugeführt. Die volle Verdichtung des Gemisches erfolgt im Arbeitszylinder. Es kann aber auch (wie bei den ältern Zweitaktmotoren) das Ausstoßen der Verbrennungsgase durch den rücklaufenden Arbeitskolben erfolgen, in welchem Falle gegen Ende des Auspuffhubes das fertig verdichtete Gemisch in den Arbeitszylinder eintritt. Bei jedem zweiten Hub wird Arbeit geleistet.

Je nachdem die Verbrennungsgase nur auf einer oder auf beiden Kolbenseiten (Zylinderseiten) Arbeit leistend zur Wirkung gelangen, ist der Motor einfachwirkend oder doppelt wirkend. Sowohl Viertakt- als Zweitaktmotoren können einfachwirkend oder doppeltwirkend sein. Bis jetzt sind einfachwirkende Viertaktmotoren weitaus vorherrschend. Die Vorteile des Zweitaktes und der doppeltwirkenden Zylinder kommen hauptsächlich bei großen Ausführungen zur Geltung. Bezüglich der Gleichförmigkeit des Ganges ist der Zweitakt günstiger als der Viertakt, ebenso die doppeltwirkenden Motoren gegenüber den einfachwirkenden. Nach der Bauart sind zu unterscheiden liegende und stehende Motoren, mit Rücksicht auf die Anzahl der Arbeitszylinder Einzylindermotoren und Mehrzylindermotoren.

Die Zündung des Gasgemisches im Zylinder geschieht bei den heutigen Motoren durch glühende Röhrchen oder durch elektrische Funken. Die bei den ältern Motoren gebräuchliche sogen. Flammenzündung ist verlassen. Bei der Glührohrzündung wird ein 5–10 mm weites Röhrchen aus Porzellan, Platin oder Schmiedeeisen durch eine Flamme (Bunsenbrenner) glühend erhalten. Das Rohrinnere steht mit dem Verdichtungsräume des Zylinders in Verbindung. Bei der elektrischen Zündung wird der erforderliche Strom allgemein mittels magnetelektrischer Apparate, seltener durch eine Batterie erzeugt. Die Funken, die zwischen zwei im Zylinder befindlichen Polen überspringen, werden durch einen Stromunterbrecher hervorgerufen.

Zur Vermeidung schädlicher Erhitzung der Zylinderwände infolge der hohen Temperatur der Verbrennungsgase müssen die Arbeitszylinder mit einer Kühlvorrichtung versehen sein. Diese besteht in der Regel in einem Kühlwassermantel, einem ständig von Wasser durchflossenen Hohlraum um den Zylinder. Kühlrippen (d. h. an den Zylinder angegossene Rippen, welche die mit der umgebenden Luft in Berührung stehende Abkühlungsfläche vergrößern) kommen für Gasmotoren kaum in Betracht. Auch die Zylinderdeckel (Zylinderköpfe) werden mit Wasser gekühlt, ferner häufig das Gehäuse des Auslaßventils für die Verbrennungsgase. In manchen Fällen, besonders bei großen Motoren, erhalten auch der Kolben, die Kolbenstange und mitunter auch das Auslaßventil selbst Wasserkühlung.

Die Ein- und Auslaßorgane für Gas und Luft, bez. für die Verbrennungsgase sind gegenwärtig ausschließlich Ventile. Gleitschieber, bei ältern Ausführungen häufig benutzt, werden mit vereinzelten Ausnahmen durchweg vermieden. Die Einlaßventile können selbsttätig sein, die Auslaßventile müssen gesteuert werden. In der Regel geschieht die Steuerung durch unrunde Scheiben (Daumen, Nocken).

Die Regulierung der Gasmotoren, d. h. die Veränderung ihrer Leistung entsprechend dem jeweiligen Arbeitswiderstand der angetriebenen Maschinen, kann in verschiedener Weise bewirkt werden: a) durch sogen. Aussetzer. Indem Verbrennungen ausfallen, wird während eines ganzen, sonst unter Arbeitsverrichtung verlaufenden Hubes keine Arbeit geleistet; b) durch Veränderung des Gas- und Luftgemisches. Ein gasarmes Gemisch leistet bei der Verbrennung weniger als ein gasreiches; c) durch Veränderung der Füllung des Zylinders. Je nachdem im Zylinder eine größere oder kleinere Menge des Gas- und Luftgemisches zur Verbrennung gelangt, ist die Motorleistung höher oder niedriger. Für die Zweitaktmotoren kommen die Regulierverfahren gewöhnlich bei der Ladepumpe zur Anwendung. Die Reguliervorrichtungen werden betätigt durch Pendelregulatoren, die jedoch nur bei dem Aussetzerverfahren und im allgemeinen bei kleinern Motoren in Gebrauch sind, oder durch Fliehkraftregulatoren, wie sie bei den Dampfmaschinen benutzt werden.

Die Leistung einer G. wird in ähnlicher Weise wie bei der Dampfmaschine (s. d., S. 455) bestimmt. Ein mittels des Indikators (s.d.) erhaltenes Diagramm gibt Aufschluß über die einzelnen Vorgänge im Arbeitszylinder. Aus diesem läßt sich ein Mittelwert für den Druck, der während einer Arbeitsperiode auf den Kolben ausgeübt wird, feststellen. Aus diesem mittlern Druck, der Kolbenquerschnittsfläche, dem Kolbenhub und der Umdrehungszahl berechnet sich unter Berücksichtigung der Taktzahl die indizierte Leistung des Motors. Die effektive oder Nutzleistung kann durch Bremsung (s. Dynamometer) ermittelt werden. Das Verhältnis ^{effektive Leistung}/_{indizierte Leistung} ergibt den mechanischen Wirkungsgrad des Motors.

Die für den Motorenbetrieb dienenden Gase werden entweder anderweit vorhandenen, bez. allgemeinen Gasanstalten entnommen, oder in eigens für den Motor bestimmten Anlagen erzeugt, oder als Nebenprodukt gewonnen. Es werden benutzt: Leuchtgas, Kraftgas (Dowsongas, Generatorgas), das beim Durchblasen von Wasserdampf und Luft durch glühende Kohlen (Anthrazit) oder Koks erhalten wird und im wesentlichen aus Kohlenoxyd, Wasserstoff, Kohlensäure und Stickstoff besteht; Gichtgas (Hochofengas) aus Hochöfen; Koksofengas, Nebenprodukt bei der Herstellung von Hüttenkoks; Fett-

gas (Ölgas), durch Vergasung von Paraffinöl oder Petroleumrückständen erzeugt; Schwelgas, Nebenprodukt der Braunkohlenschwelerei; Acetylen wird nur vereinzelt zum Kleinmotorenbetrieb verwendet.

Das Mischungsverhältnis von Gas und Luft richtet sich nach dem Heizwert des Gases. Ebenso ist verschieden die gebräuchliche Spannung, bis zu der das Gemisch vor der Zündung verdichtet wird, ferner die größte Spannung, die im Augenblick der Verpuffung im Zylinder auftritt. Die folgende Tabelle enthält diesbezügliche Angaben:

Der Gasverbrauch ist abhängig von dem Heizwert des verwandten Gases und von der Motorgröße. Er wird angegeben für die indizierte oder die effektive Leistung, und zwar in Kubikmeter für 1 Pferdekraft und für 1 Stunde. Bezogen auf die effektive Leistung, beträgt der Gasverbrauch bei Motoren von ungefähr 5–100 Pferdekräften für Leuchtgas 0,68–0,85, Koksofengas 1–0,75, Fettgas 0,85–0,8, Kraftgas 3,6–2,8, Gichtgas 3,8–2,8 cbm. Diese Angaben gelten für annähernd volle Belastung des Motors. Bei abnehmender Beanspruchung wächst der Gasverbrauch.

Neben dem Leuchtgas hat die Verwendung des Kraftgases eine große Verbreitung gefunden. Es wird in Kraftgaserzeugern oder Generatoren hergestellt. Bei Druckgeneratoren wird mittels eines Dampsstrahlgebläses ein Gemisch von Wasserdampf und Luft unter den Rost eines mit glühendem Anthrazit oder Koks gefüllten Schachtofens (der eigentliche Generator) geblasen, wodurch ein brennbares Gas entsteht, das nach Reinigung und Abkühlung in einen Behälter gelangt, der als Regulator zwischen Gaserzeugung und Gasverbrauch dient, und von da zum Motor selbst. Bei den Sauggeneratoren (Sauggasanlagen) wird das Dampfluftgemisch in den Generator eingesaugt. Die Saugwirkung entsteht im Motor selbst durch die Vorwärtsbewegung des Arbeitskolbens. Es wird also selbsttätig die für jede Arbeitsperiode erforderliche Gasmenge erzeugt.

[Ausstellung, Betrieb und Wartung.] Bei Motoren, die an die allgemeine Gasleitung angeschlossen sind, müssen in das Gaszuleitungsrohr kurz vor dem Motor zur Milderung der Stöße, die durch die ruckweise Gasentnahme entstehen, Gummibeutel eingeschaltet werden, die etwa für 10–15 Zylinderfüllungen Gas enthalten. Außerdem empfiehlt sich da, wo Gasflammen aus demselben Zuleitungsrohr gespeist werden, die Anbringung besonderer Gasdruckregulatoren (Speiseventile), bei denen ein Ventil vermittelst einer in Wasser schwimmenden Blechglocke unter der Einwirkung des veränderlichen Druckes in dem zwischen der G. und dem Regulator befindlichen Gummibeutel steht. Steigt dieser Druck, so wird das Ventil seinem Sitz genähert, dagegen abgehoben, wenn der Druck abnimmt. Zur Dämpfung des Geräusches beim Ansaugen der Luft und zur Absonderung mechanischer Verunreinigungen wird bisweilen ein besonderer Saugtopf benutzt, oder es werden zur Schalldämpfung andre Mittel angewendet. Die austretenden Verbrennungsgase gelangen, ebenfalls zum Zweck der Schalldämpfung, zunächst in den Auspufftopf und dann erst durch eine Rohrleitung ins Freie. Die Ableitung der Verbrennungsgase in Kamine od. dgl. ist unzulässig.

Das erforderliche Kühlwasser wird am bequemsten einer Wasserleitung entnommen, wobei das warm gewordene Wasser aus dem Motor ständig frei abfließt. In diesem Falle beträgt bei einer Temperatur des abfließenden Wassers von 60–70° der Kühlwasserverbrauch für 1 Pferdekraft und 1 Stunde 30–40 Lit. bei kleinen Motoren, 15–25 L. bei großen Motoren. Wo es an Wasser fehlt, wird das warme Wasser künstlich abgekühlt und von neuem benutzt. Die Abkühlung geschieht gewöhnlich in einem zylindrischen Kühlgefäß, das mit dem Kühlwassermantel des Motors durch Umlaufrohre verbunden ist. Der Wasserumlauf wird selbsttätig durch den Gewichtsunterschied zwischen warmem und kaltem Wasser oder durch eine in die Verbindungsrohrleitung eingeschaltete Kapselpumpe zwangsweise bewirkt. Mitunter werden Rippenkühler benutzt, bei großen Motoren auch Gradierwerke.

Das Anlassen kleiner Gaskraftmaschinen geschieht durch Andrehen an den Schwungradarmen (mitunter gefährlich), besser mittels einer beigegebenen Kurbel. Da, wo noch eine andre Kraftmaschine vorhanden ist, kann diese, bez. die von ihr angetriebene Transmissionswellenleitung zum Andrehen des Motors benutzt werden. Von der frühern Gepflogenheit, größere Gasmotoren mit eignen Andrehmotoren zu versehen, ist man im allgemeinen abgekommen. Bei einer andern Art des Anlassens wird die Kurbel in geeignete Stellung gebracht und ein zündbares Gemisch in den Zylinder eingeführt, das danach zur Entzündung gebracht wird. Durch die erfolgende Verpuffung erhält der Kolben einen Antrieb, der dem Schwungrade genügend lebendige Kraft für einige Umläufe erteilt, während deren dann die normalen Arbeitsperioden eintreten. Die konstruktiven Mittel zur Durchführung dieses Verfahrens können sehr verschieden sein. Sehr beliebt ist gegenwärtig das Anlassen mittels Preßluft. Diese wird entweder durch den Arbeitskolben während des sogen. Auslaufens des Motors (d. h. in der Periode nach Abstellen des Gases bis zum Stillstand) unter Zuhilfenahme geeigneter Vorrichtungen oder durch eine gesonderte kleine Pumpe erzeugt und in einem Gefäß für den eintretenden Bedarf aufgespeichert. Infolge des Einlassens von Preßluft in den Arbeitszylinder macht die G. nun einige Umdrehungen als Druckluftmotor, worauf das normale Arbeitsspiel beginnt. Wird von der G. eine Dynamomaschine angetrieben, dann kann diese bei Vorhandensein einer Akkumulatorenbatterie oder einer andern zweiten Stromquelle zum Anlassen benutzt werden. Durch geeignete Schaltung läßt man die Dynamomaschine einige Umdrehungen als Motor ausführen, der dabei seinerseits der G. den Anlaßantrieb erteilt.

Die Kraftgaserzeuger an sich sind in den meisten deutschen Bundesstaaten an eine polizeiliche Genehmigung nicht gebunden. Eine Ausnahme hiervon macht das Königreich Sachsen und von den Nachbarstaaten Österreich-Ungarn. Gehört zu der Anlage jedoch ein geschlossener, unter Druck stehender Dampfkessel, so ist dieser den Gesetzesvorschriften über die Ausstellung und den Betrieb von Dampfkesseln unterworfen. Für die Genehmigung von Saugkraftgasanlagen sind durch Bekanntmachung des preußischen Ministers für Handel und Gewerbe vom 17. Jan. 1903 besondere Gesichtspunkte aufgestellt worden, die sich unter anderm auf die Lage der Sauggeneratorgaseinrichtung in Gebäuden, auf die Höhe der dazu verwandten Räume und ihre zweckmäßige Entlüftung beziehen. Daher ist für solche Anlagen die baupolizeiliche Genehmigung nachzusuchen.

Die G. war, nachdem lebensfähige Konstruktionen entstanden waren, zunächst fast ausschließlich Kleinmotor und ist als solcher oft einer Kleindampfmaschine vorzuziehen. Gegenwärtig tritt jedoch auch bei größern Leistungen die G. für viele Verhältnisse in Wettbewerb mit der Dampfmaschine. Dies ist besonders der Fall, seitdem man in dem Kraftgas ein genügend billiges Betriebsmittel gefunden hat. Im Hüttenwerksbetrieb, in dem das Gichtgas reichlich zur Verfügung steht, werden neuerdings in vielen Fällen Großgasmotoren an Stelle der Dampfmaschinen benutzt. Früher wurden mit dem Gichtgas die für letztere den Dampf liefernden Kessel geheizt. Der unmittelbaren Benutzung des Gichtgases zum Motorenbetrieb stand der Staubgehalt desselben, der eine rasche Verschmutzung der Zylinder und Steuerungsorgane verursachte, entgegen. Die Reinigung des Gichtgases von dem beigemengten Staube bereitete anfangs große Schwierigkeiten, die jetzt bis zu einem befriedigenden Maß überwunden sind.

Ein Nachteil der G. gegenüber der Dampfmaschine besteht darin, daß erstere ohne besondere Hilfsmittel nicht anläuft. Dies ist jedoch nicht bei allen Anwendungen der G. von störender Bedeutung. Viel wichtiger und oft für die Wahl zwischen G. und Dampfmaschine ausschlaggebend ist der Umstand, daß die Leistung der erstern nicht annähernd in gleichem Maße steigerungsfähig ist wie die der letztern. Bei einem vorübergehend größern Kraftverbrauch als normal oder bei einer Betriebsvergrößerung ist bei der Dampfmaschine eine Erhöhung der Leistung in weiten Grenzen sehr einfach durch Vergrößerung der Zylinderfüllung zulässig, wobei allerdings der Dampfverbrauch etwas steigt. Bei der G. ist dagegen aus verschiedenen Gründen nur eine verhältnismäßig sehr geringe Steigerung der Leistung möglich. Beschreibung und Abbildung der wichtigsten Formen der G. s. auf beifolgenden Tafeln.

[Geschichtliches.] Nach Versuchen, bez. Vorschlägen von Barber (1791), Lebon (1801), Brown (1823), Wright (1833), Barnett (1838), Johnston (1841), Drake (1842), Barsanti und Matteucci (1857), Hugon (1858), Reithmann (1858), Degrand (1858), William Siemens (1860) trat Lenoir 1860 mit seiner G. auf, und es gelang ihm, den Bau von Gaskraftmaschinen geschäftsmäßig zu betreiben. Bei seiner Maschine wurden Luft und Gas während etwa der Hälfte des Kolbenhubes in den Zylinder gesaugt, dann wurde nach Absperrung der Zutrittskanäle sofort das unter atmosphärischer Spannung stehende Gemisch entzündet. Auf der zweiten Hälfte des Kolbenhubes gaben nun die expandierenden Verbrennungsgase Arbeit an den Kolben ab. Die Lenoirschen Maschinen waren doppeltwirkend ausgeführt und besaßen elektrische Zündung. Sie brauchten jedoch zu viel Gas und versagten häufig infolge ihrer unvollkommenen Zündung. 1867 erschien die sparsamer arbeitende atmosphärische G. von Otto u. Langen, eine Verbesserung der Maschine von Barsanti u. Matteucci. Der Vorgang in dieser G. ist folgender: die Explosion des Gasluftgemisches wirft den frei beweglichen Kolben in die Höhe, dieser steigt, bis seine lebendige Kraft aufgezehrt ist, dann treibt zufolge eines unter dem Kolben entstehenden Unterdruckes (niedriger als der Atmosphärendruck) der äußere Luftdruck den Kolben nieder, wobei dieser in geeigneter Weise an die Maschinenwelle angekuppelt ist. Die Zündung geschah durch eine Flamme. Nach dem gleichen Prinzip war die Maschine von Gilles (1874) gebaut.

Die atmosphärischen Gaskraftmaschinen verschwanden, als 1878 Ottos neuer Motor (nach dem Fabrikationsort auch Deutzer Motor genannt) erschien. Dieser Motor war die erste auf den Markt gebrachte G., die im Viertakt arbeitete. Sie erwies sich in jeder Beziehung lebensfähig und stellt die bedeutsamste Erfindung dar, die bislang im Gasmotorenbau zu verzeichnen war und bis jetzt noch ist. Eine Vorläuferin der Ottoschen Viertaktmaschine bildet eine kaum bekannte Konstruktion von Reithmann (1873), während der Gedanke des Viertaktes wohl von Beau de Roschas (1861) herrührt. Vgl. Brauer und Slaby, Versuche über Leistung und Brennmaterialverbrauch von Kleinmotoren (Berl. 1879); Schöttler, Die Gasmaschine (4. Aufl., Braunschw. 1902, 2 Bde.); Macgregor, Gas-Engines (Lond. 1885); Witz, Traité des moteurs à gaz et à pétrole (Bd. 1 u. 2 in 4. Aufl., Par. 1903; Bd. 3, 1899); Richard, Les moteurs à gaz et à pétrole (zuletzt das. 1895); Köhler, Theorie der Gasmotoren (Leipz. 1887); Schwartze, Die Gasmaschine nach ihrer geschichtlichen Entwickelung etc. (das. 1887); Knoke, Die Kraftmaschinen des Kleingewerbes (2. Aufl., Berl. 1899); Claussen, Die Kleinmotoren (2. Aufl., das. 1903); Lieckfeld, Der Gasmotor und seine Verwendung in der Praxis (Hannov. 1891) und Aus der Gasmotorenpraxis (Münch. 1893); Ihering, Die Gasmaschinen (Leipz. 1901); Güldner, Entwerfen und Berechnen der Verbrennungsmotoren (Berl. 1903); Haeder, Die Gasmotoren (Düsseld. 1904, 2 Tle.); »Gasmotorentechnik«, Monatsschau (Berl., seit 1901).