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Verfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen
Es ist bekannt, daß die Zer stäubung flüssigen Brennstoffes um so besser bewirkt
werden kann, je größer die Relativgeschwindigkeit zwischen. dem Brennstoff und dem
Mittel ist, das zur Zerstäubung des Brennstoffes dienen soll. Die Relativgeschwindigkeit
kann dabei zunächst durch Vergrößerung des Druckes, unter welchem der Brennstofft
eingespritzt wird, gesteigert werden; man kann aber auch den Brennstoffträger, vorzugsweise
also die Luft, mit gesteigerter Geschwindigkeit an der Einspritzstelle vorbeiführen.
Üblicherweise macht man im Kolbenbrennkraftmaschinenbau lediglich von der ersten
Maßnahme Gebrauch, während in der Brennkraftturbinentechnik hauptsächlich der zweite
Weg beschritten worden ist, welcher den Vorteil hat, ohne die für den ersten Weg
kennzeichnenden hohen Brennstoffpumpendrücke und die dadurch hervorgerufene Gefahr
der Pumpenfederbrüche auskommen zu können. Die Geschwindigkeitssteigerung des Brennstoffträgers
hat man in einfachster Weise dadurch bewirkt, daß man dem Strömungsweg die Form
einer Venturidüse gab. Hierdurch wird bei verhältnismäßig geringem Druckverlust
des Trägers, insbesondere der Luft, eine hohe Geschwindigkeit verwirklicht, da die
zur Erzeugung dieser Geschwindigkeit erforderliche Energie in dem sich erweiternden
Teil der Venturidüse größtenteils zurückgewonnen wird. Ein gewisser Druckabfall
ist natürlich unvermeidlich. Dieser Druckabfall. der bei schwer zu zerstäubenden
bzw. zu vergasenden Brennstoffen größer ist als bei leichter zu zerstäubenden bzw.
zu vergasenden Brennstoffen, kann ohne weiteres verwirklicht. werden, wenn ein Nachladeverfahren
zur Anwendung gelangt. Bei diesem Verfahren wird nämlich zur Ersparung von Verdichtungsarbeit
die Verpuffungskammer mit Luft niedrigen Druckes (Spülluft) ausgespült und dann
bei geschlossenen Kammerauslaßorganen mit hoher gespannter Luft (Ladeluft) nachgeladen.
Die bei dieser Nachladung einströmende Luft besitzt höheres Druckgefälle gegenüber
der die Kammer erfüllenden Spülluft, so daß bei Beginn der Nachladung eine hohe
Luftgeschwindigkeit zur Zerstäubung des Brennstoffes zur Verfügung steht. Für die
Wirtschaftlichkeit des Nachladens ist aber das Gefälle zwischen dem Gegendruck hinter
dem Auslaßorgan, bei Brennkraftturbinen insbesondere hinter der diesem nachgeordneten
Düse, und dem Spülluftdruck wesentlich. Um den Leistungsaufwand für die Spülluftverdichtung
zu verringern, hat man das Bestreben, dieses Gefälle klein zu halten. Die Geschwindigkeit
des von der Spülluft ausgetriebenen Feuergasrestes wird damit vermindert und die
Verdrängungszeit verlängert, die Anzahl der Spiele je Zeiteinheit also erniedrigt,
sofern man nicht die Düsenöffnung vergrößert. Eine Vergrößerung der Düsenöffnung
aber bringt erhöhte Düsenvorraumverluste mit sich, und
eine Erniedrigung
der Spielzahl führt bei derselben Leistung zu größeren Kammerbauarten. Beide Nachteile
werden beim Nachladeverfahren jedoch vermieden, wenn außer dem Düsenventil ein besonderes
Auslaßorgan angeordnet ist, durch welches der Feuergasrest aus der Verpuffungskammer
unmittelbar abgeführt wird.
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Andererseits ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem die Ausspülung
der Kammer unter vollem Ladedruck erfolgt; hierbei öffnet sich das Ladelufteinlaßorgan
in dem Zeitpunkt, in dem die Verbrennungsgase in der Verpuffungskammer auf den Ladedruck
expandiert worden sind. Die Ladeluft schiebt die Verbrennungsgase über das Düsenventil
und die nachgeordnete Düse praktisch unter dem Ladedruck aus und das Ladeluftventil
wird erst geschlossen, nachdem auch das Düsenventil geschlossen hat und die Brennstoffaufladung
der Kammer beendet ist. Bei einem solchen Verfahren steht nur ein geringer Druckunterschied
zwischen der eintretenden Ladeluft und dem Kammerinhalt zur Verfügung, so daß es
gewisse Schwierigkeiten bereitet, selbst bei Verwendung venturidüsenartiger Lufteinlaßwege
eine zur vollständigen Zerstäubung insbesondere schwer entzündlicher Brennstoffe
genügend hohe Luftgeschwindigkeit zu erzielen.
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Die Aufgabe einer Verwirklichung ausreichender Luftgeschwindigkeiten
zur Zerstäubung des Brennstoffes unter Beibehaltung der insbesondere durch das zuletzt
beschriebene Verfahren erreichbaren Vereinfachungen löst vorliegende Erfindung dadurch,
däß nach anfänglicher Zulassung der Ladeluft ihr Zutritt für kurze Zeit bei geöffnetem
Düsenventil unterbrochen, dann wiederhergestellt und Brennstoff mit der so beschleunigten
Ladeluft innerhalb der Kammer zur Mischung gebracht wird. Die zweite Luftladung
strömt nämlich infolge des erheblichen Druckunterschiedes zwischen dem Einführungsdruck
und dem Kammerdruck, der durch fortschreitende Expansion aus der Verpuffungskammer
bei noch geöffnetem Düsenventil eintritt, an der Brennstoffeinführungsstelle mit
erheblich gesteigerter Geschwindigkeit vorbei, wobei sie den Brennstoff in dem gewünschten
Grad zerstäubt. Die Kammer wird bei diesem Nachströmen der Luft während der Brennstoffeinführung
praktisch bis auf vollen Ladeluftdruck aufgeladen, so daß sich das Gemisch in der
Kammer bei der Zündung unter vollem Druck befindet.
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Eine erfindungsgemäß ausgebildete Brennkraftturbine kennzeichnet sich
also dadurch, daß das Luftventil mit einer Steuerung ausgerüstet ist, die es während
derselben Ladezeit zweimal hintereinander öffnet und schließt. Da zur Steuerung
des Auslaßorganes an sich Steuerungen vorhanden sind, entsteht zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens kein besonders baulicher Aufwand, so daß der Aufbau
der Maschine genau so einfach bleibt wie bei dem bereits beschriebenen Verfahren
des Ausspülens des gesamten Feuergasrestes aus der Kammer unter vollem Ladeluftdruck.
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Es ist zwar schon bei Kolbenbrennkraftmaschinen bekanntge-,v orden,
das Lufteinlaßorganwährend des ersten Teiles des Ansaugetaktes geschlossen zu halten
und erst für den Restteil zu öffnen, um mittels des so verwirklichten Unterdruckes
im Arbeitsraum des Zylinders eine erhöhte Einströmgeschwindigkeit der Luft und damit
eine bessere Zerstäubung, insbesondere schwer zu zerstäubender Brennstoffe, zu erreichen.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Füllungen des Zylinders verschlechtert
werden. Hinzu kommen Kondensationen des zerstäubten Brennstoffes an den Gemischleitungen
und an den . Zylinderwandungen. Demgegenüber liegt es in der Eigenart des Betriebes
von Verpuffungskammern, daß der Brennstoff dem Luftstrahl in der Kammer selbst zugeführt
werden kann, so daß eine Wiederausscheidung an kalten Wandungen vor Zündung des
Gemisches ausgeschlossen ist. Außerdem wird die Drucksenkung nicht durch Kolbenbewegungen,
sondern dadurch vorgenommen, daß vom Brennkaminerinhalt ein Teil durch das geöffnete
Düsenventil abströmt, ganz abgesehen davon, daß das bekannte Verfahren die Erhöhung
des Druckgefälles nur im Beginn des Ladevorganges, nicht aber; wie dies erfindungsgemäß
vorgeschlagen wird, nach anfänglicher normaler Durchführung des Verfahrens vorsieht.
Schließlich ist es auch schon bekanntgeworden, unter dem Einfluß eines erzeugten
Unterdruckes Brennstoff ohne besondere Zerstäubung zu verdampfen. Eine Gemischbildung
bei Schwerölen ist auf diese Weise jedoch nicht zu erreichen.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin,
daß die Zerstäubungsgeschwindigkeit, finit welcher die Luft an der Brennstoffeinführungsstelle
vorbeiströmt, sehr leicht einstellbar ist. Je länger nämlich das Lufteinlaßorgan
geschlossen bleibt, um so stärker sinkt der Druck in der Kammer ab und um so größer
ist die Geschwindigkeit, mit der die Luft bei der zweiten Öffnung des Ventils in
die Kammer nachströmt. Bei der Verwendung der bekannten Steuerung des Einlaßorganes
durch ein gespanntes Mittel, z. B. mit Preßöl, ist eine solche Veränderung der zwischenzeitlichen
Schlußzeit des Einlaßorganes in einfachster Weise durchzuführen, so daß die Maschine
für
jeden Brennstoff in kurzer Zeit leicht einstellbar ist.
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Als besonders zweckmäßig für die Durchführung des Verfahrens hat es
sich erwiesen, die Brennstoffeinlaßorgane in unmittelbarer Nähe der Ladeluftzuführungen
zur Verpuffungskammer anzuordnen, wie dies für das Nachladeverfahren an sich bereits
vorgeschlagen worden ist. Auf diese Weise gelingt es mit Sicherheit, die gesamte
Brennstoffladung unter die Wirkung des Luftstromes zu bringen, der durch die erfindungsgemäße
Maßnahme mit erhöhter Geschwindigkeit in die Kammer einströmt. Damit wird für die
Bildung eines vollkommen homogenen Gemisches als Vorbedingung rasch verlaufender
Zündungen und vollkommen verlaufender Verbrennungen gesorgt.
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Die Abb. i zeigt die Zeitdrucklinie des Arbeitsverfahrens einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Verpuffungskammer, während Abb.2 die Zeitdrucklinie des bisher üblichen
Arbeitsverfahrens, bei dem der Ausschub der Feuergase unter dem vollen Ladeluftdruck
erfolgt, wiedergibt.
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In beiden Diagrammen stellt i den Druckverlauf innerhalb der Verpuffungskammer
dar, 2 den Drucke erlauf der Ladeluft vor dem Ladeventil und 3 den Verlauf des Gegendruckes
hinter dem Düsenventil. Die Linie gibt den Druckverlauf in der Brennstoffleitung
wieder; der hierzu gehörige Ordinatenmaßstab in atü ist rechts der Koordinatenachse
gezeigt. Im unteren Teil der Diagramme sind die Ventilerhebungen dargestellt, und
zwar entspricht Linienzug 5 der Ventilerhebung des Düsenventils, Linienzug 6 der
Ventilerhebung des Ladeluftventils. Als Abszisse ist einerseits die Gradeinteilung
gegeben, wie sie sich unter Bezug auf den die Ventile steuernden Ölverteiler ergibt;
andererseits ist der entsprechende Zeitmaßstab bei einer bestimmten Spielzahl aufgetragen.
Nach beiden Diagrammen öffnet im Punkte 7 nach vollendeter Verpuffung das Düsenventil
gemäß Linienzug 5. Die Expansion aus der Verpuffungskammer heraus schreitet fort
bis zum Punkte 8, in dem gemäß Linienzug 6 das Nachladeluftventil öffnet, um die
Feuergase durch Ladeluft auszuschieben. Im Punkte 9, in welchem der in der Brennstoffleitung
auftretende Druck den das Brennstoffventil geschlossen haltenden Federdruck überwindet,
beginnt gemäß Linienzug q. die Brennstoffeinspritzung, welche im Punkte io beendet
ist. Im Punkte i i setzt die Zündung ein. Die Verpuffung ist im Punkte 12 beendet,
so daß im Punkte 13 das Arbeitsspiel von neuem beginnen kann. Der Unterschied zwischen
beiden Diagrammen besteht darin, daß in Abb. 2, beim bekannten reinen Nachladev
erfahren, das Ladeluftventil gemäß dem Linienzug 6 vom Punkte 8 bis etwa zum Beginn
der Verpuffung ununterbrochen geöffnet ist, während in Abb. i, gemäß der Erfindung,
das Ladeluftventil erstmalig bereits vor dem Düsenv entil im Punkte 14 schließt.
Hierdurch tritt ein Druckabfall in der Verpuffungskammer ein, da die Expansion aus
der Verpuffungskammer bei noch geöffnetem Düsenventil weiter fortschreitet. Das
Ladeluftventil öffnet erneut im Punkte 115. Da inzwischen der Druck in der Verpu-fungskammer
stark abgesunken ist, tritt die Ladeluft nunmehr mit erhöhter Geschwindigkeit in
die Verpuffungskammer ein und zerstäubt den zum Zeitpunkt 9 eingespritzten Brennstoff
viel besser und kräftiger, als es bei einer Betriebsweise nach dem Diagramm der
Abb.2 geschehen kann. Aus Abb. 2 ist ersichtlich, wie gering bei dem bekannten Verfahren
der Druckunterschied zwischen der Nachladeluft gemäß Druckverlauf 2 und dem Kammerdruck
gemäß Druckverlauf i während der gesamten Brennstoffeinspritzung ist, die daher
unter unvollkommener Zerstäubung vor sich geht. Demgegenüber ist in Abb. i, gemäß
der Erfindung, der Unterschied zwischen der Drucklinie der Nachladeluft 2 und der
Drucklinie in der Verpuffungskammer i sehr groß. Infolgedessen ist auch die Eintrittsgeschwindigkeit
der Ladeluft sehr groß, so daß eine ausgezeichnete Zerstäubung bewirkt wird. Das
Ladeluftventil schließt wieder gemäß der Ventilerhebungslinie 6 in Abb. i etwa zur
gleichen Zeit wie in Abb. 2.
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Aus den Schaulinien geht hervor, daß zu der erfindungsgemäßen Betriebsweise
nichts anderes erforderlich ist, als das Ladeluftventil zwischen den Punkten 14
und 15 kurzzeitig zu schließen, was z. B. durch Anbringung entsprechender Steuersteine
im Ölverteiler ohne Schwierigkeiten möglich ist. Weitere konstruktive Änderungen
sind zur Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht kennzeichnend, daß
die Ladeluft während der ersten Ladezeit (Punkt 8 bis 1q.) durch dasselbe Luftventil
eintritt, das auch zur Zuführung der Luft während der zweiten Ladezeit dient (Punkt
15 bis i i). - Es können auch verschiedene Luftventile die gleiche Aufgabe
erfüllen.