Düsenmotor. Die Erfindung betrifft einen Düsen motor, welcher pulsierend, das heisst mit Einzeltössen, arbeitet.
Versuche mit einer bekannten Ausfüh rung dieses Motors haben ergeben, dass er niclt für Dauerbetrieb geeignet ist, da die Ventile nach kurzer Zeit (bei den durch geführten Versuchen nach etwa 30 Minuten) ausbrennen, wodurch der Motor wirkungs unfähig wird.
Die Erfindung betrifft einen im Prinzip nach einem gleichartigen Kreisprozess arbei tenden Motor, welcher die Vorteile des er- wiihnten bekannten Motors aufweist, ohne je doch dem angedeuteten Nachteil zu unter liegen.
Es sei daher zunächst an Hand der Fig. 1 bis 10 der Zeichnung die Wirkungsweise eines bekannten, pulsierend arbeitenden Mo- lors kurz dargelegt.
Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt einen solchen pulsierend arbeitenden Motor. Fig. 2 bis 10 zeigen in ähnlicher Darstel lungsweise die Vorgänge bei den einzelnen Phasen eines Verbrennungszyklus dieses Mo- tors.
In Fig. 1 sind bei R-M die Ventile angedeutet. An die zylindrische Kammer K-L-M-R, die mit einem Brennstoff-Luft- gemiseh geladen wird, schliesst sich eine konvergierende Kammer K-L-N-S mit einem Eintrittsdurchmesser D und einem Austritts- durehnesser E an, die in eine zylindrische Kamner überleitet, an deren rechtem Ende sich der Auslass befindet.
Die Arbeitsweise dieses bekannten Motors ist folgende: 1. Die Ventile bei M-R sind zunächst offen. Die Kammer M-R-K-L wird mit einem Brennstoff-Luftgemisch geladen. Es wird angenommen, dass das Brennstoff-Luft gemisch bei K-L gezündet wird.
2. Die durch die Zündung hervorgerufene Detonationswelle bewegt sich in dem Brenn stoff-Luftgemisch nach links. Es folgt ihr ein Strom von Gaspartikeln mit einer Ge schwindigkeit von ungefähr 750 m/sec
EMI0001.0012
Brenn stoff :Luftverhältnis s=0,054 : T2=2580 C) (Fig.2). Gleichzeitig tritt bei K-L Expan sion in der Richtung gegen das Auslassende ein, wodurch eine Verdünnungswelle erzeugt wird, welche der Detonationswelle folgt.
Da mit fortschreitender Verbrennung die Dichte des Gases zunimmt, wird die Ge schwindigkeit der Detonationswelle ständig grösser, so dass sie diejenige der Detonations welle überschreitet, welche sich mit konstan ter Geschwindigkeit in der Zone unverbrann- ter Gase mit geringerer Dichte fortpflanzt.
Infolgedessen holt die Verdünnungswelle bei ihrer Bewegung gegen die Ventilfront P-M die Detonationswelle ein, bevor diese an der Ventilfront anlangt (Fig.3). Diese Einwir kung der beiden Wellen aufeinander erzeugt eine mit Bezug auf Druck, Dichte, Tempera- tur, Geschwindigkeit und Entropie stabili sierte Detonationswelle mit einer gegenüber der ursprünglichen Detonationswelle kleine ren und weniger steilen Wellenfront.
3. Nachdem die Detonationswelle die Ventilfront M-R erreicht hat (Fig.4), tritt infolge der Anordnung und der Konstruktion der Ventile ein Teil des ankommenden Gases durch die Ventile hindurch. Dieser Vorgang hält an, bis die Federwirkung der einzelnen Ventilplatten infolge des Gasdruckes den Staudruck der in den Motor eintretenden Luft überwindet (Fig. 5). Die stabilisierte Detonationswelle wird als Stosswelle reflek tiert (Fig. 6 bis 9).
4. Die Geschwindigkeit der expandieren den Gase, welche in die konvergierende Kam mer L-K-N-S im Querschnitt K-L eintreten, wächst allmählich von Null bis auf Schall geschwindigkeit an. Die konvergierende Kammer wirkt als Expansionsraum für die Verbrennungsgase, welche mit Unterschall geschwindigkeit eintreten, bis ein kritischer Zustand erreicht ist, Diese Kammer wirkt zugleich auch als Kompressionsraum für die Verbrennungsgase, welche in die konvergie rende Kammer mit Überschallgeschwindig keit eintreten, bis ihr kritischer Zustand er reicht ist.
5. Die stabilisierte Detonationswelle wurde, wie unter 3 erwähnt, durch die Ven tilfront als Stosswelle reflektiert. Die von der Stosswelle zwischen ihr selbst und der ge schlossenen Ventilfront zurückgelassene Zone hohen Druckes nimmt schnell an Tempera tur und Druck ab, je weiter sich diese Stoss welle von der Ventilfront fortbewegt. Diese Druckabnahme unterstützt den Staudruck vor den geschlossenen Ventilen, die Feder kraft der einzelnen Ventilplatten zu über winden, wodurch die Ventile veranlasst wer den, sich zu öffnen und es der Luft ermög lichen, durch sie hindurchzutreten. Die Luft tritt mit Brennstoff gemischt in die Kammer K-L-M-R ein. In dem unmittelbar der Ventil front R-M benachbarten Teil dieser Kammer ist wahrscheinlich der Druck geringer als Atmosphärendruck. 6.
Die Stosswelle tritt in die konvergie rende Kammer K-L-N-S ein. Diese Kammer ist mit Gasen angefüllt, deren Dichte nach Erreichung der Schallgeschwindigkeit all mählich in der Richtung des Auspuffes zu nimmt (Fig.6). Es ist bekannt, dass eine Stosswelle, welche in eine Zone in Bewe gungsrichtung der Stosswelle allmählich zu nehmender Dichte eintritt, wenigstens teil weise reflektiert wird. 7. Die reflektierte Stosswelle, welcher Gaspartikel folgen, deren Temperatur wenig stens 1200 C beträgt, stösst mit dem unter 3 erwähnten frischen Brennstoff-Luftgemisch zusammen und zündet dieses in der Nähe von K-L (Fig. 10). Ein neuer Zyklus beginnt.
Zusammenfassend und teilweise ergän zend ist zu dem oben dargelegten Kreispro zess folgende, zu sagen: Der mittlere Schub nach vorn bestimmt sich aus der Masse der durch den Motor strömenden Gase und ihrem mittleren Druck. Bei der obigen Darlegung wurde angenommen, dass die Zündung bei h'-L auftritt. Es ist jedoch möglich, da.ss die Zündung an irgendeinem andern Punkt des Motors auftreten kann. Je weiter der Zünd punkt von der Ventilfront entfernt liegt, desto höher ist der Druck, jedoch sinkt dabei der Wirkungsgrad.
Aus diesem Grund, und infolge der unter 3 dargelegten Verhältnisse. stehen die Ventile R-M unter Schwingungs- beanspruchung. Sie werden durch die Hitze. der sie ausgesetzt sind, ausgeglüht, wodurch die Ventile in zunehmendem Masse undicht werden. Schliesslich entstehen heisse Punkte. durch welche die Brennstoffladung unmittel bar nach ihrem Eintritt gezündet wird.
Die Zündungsstelle wird durch die abso lute Windgeschwindigkeit selbsttätig regu liert. Je höher die relative Windgeschwin- digkeit der Luft mit Bezug auf den Motor ist, um so grösser ist der Abstand des Zünd- punktes von der Ventilfront R-M. Um eine gute Wirkung des Motors .sicherzustellen, ist es notwendig, die Abmessung des Querschnit tes bei N-S so zu wählen, dass die Reflexions ebene der Stosswelle in den Motor selbst fällt.
Ferner sollten die Längsabmessungen derart sein, dass eine richtige Ladung des Motors sichergestellt ist. Diese Bedigung ist auf Grund von Versuchen zu erfüllen, welche für alle möglichen relativen Windgeschwin digkeiten, Dichten und Feuchtigkeiten durch zuführen sind.
Aus obigen Darlegungen sind die Ur- saehen ersichtlich, aus denen der pulsierend arbeitende Motor in seiner bisherigen Aus führung grundsätzlich für einen Dauerbetrieb ungeeignet sein muss.
Die Erfindung beruht auf der Erkennt nis, dass es möglich ist, einen selbsttätig pul sierend wirkenden, das heisst mit Einzelstö ssen arbeitenden Motor in der Weise auszu- gestalten, dass er die sämtlichen Vorteile des- sulben aufweist, ohne jedoch dem im vorste henden angeführten Nachteil unterworfen zu nein.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch er- rcieht, dass sich am Einlass eine Öffnung be findet, welche so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie die Fähigkeit besitzt, jede in dem Motor erzeugte Stosswelle durch Reflexion innerhalb der Öffnung aufzufangen, wodurch sie als aerodynamisches Ventil wirkt, so dass sie das Austreten von Verbrennungsgasen durch sie einschränkt.
Fig. 11 bis 13 zeigen schematisch im Längsschnitt drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Düsenmotors.
Allen drei Ausführungsformen ist zu nächst die Eigenschaft gemeinsam, dass der Einlass 1 an Stelle der bisher verwendeten Ventilfront einfach durch eine Öffnung ge bildet ist, welche so angeordnet und ausge bildet ist, dass sie die Fähigkeit besitzt, jede in dem Motor bei dem im vorstehenden beschriebenen Kreisprozess erzeugte Stoss welle durch Reflexion innerhalb der Öffnung aufzufangen, wodurch sie als aerodynami sches Ventil, das heisst als kraftmässiger Ab- sehluss wirkt, so dass sie das Austreten von Verbrennungsgasen durch sie einschränkt.
Die innere Begrenzungswand dieser Öffnung soll so sein, dass die von der Verbrennungs hammer ausgehenden, in diese Öffnung ein- tretenden Stosswellen so reflektiert werden, dass sie gegen die Strömungsachse gerichtet werden und dadurch eine Zone erhöhten Druckes gebildet wird, durch welche das Ausströmen des nachfolgenden Gases ver mindert wird. Die Brennstoffzuführung er folgt bei den dargestellten Ausführungsfor men durch die Leitung 2.
Bei der Ausführungsform nach Fig.11 ist der Querschnitt des Einlasses 1 unverän derlich, wodurch dieser Motor nur für einen Wert der Luftgeschwindigkeit, der Dichte und des Druckes geeignet ist. Während die erwähnten bekannten, mit Ventilen versehe- nen Ausführungsformen des Motors Brenn stoffinjektoren aufweisen, arbeitet der Motor nach Fig. 11, wie auch die beiden im nach stehenden beschriebenen Ausfühiungsformen, zur Mischung des bei 2 zugeführten Brenn stoffes mit Luft nach dem Vergaserprinzip, wodurch eine automatische Dosierung des Brennstoffes erfolgt.
Die Zündung beim An lauf erfolgt mittels einer Zündkerze 3.
Versuche mit einem Motor gemäss Fig. 11 haben ein befriedigendes Arbeiten auf Mee- resspiegelniveau ergeben.
Bei der Ausführungsform nach Fig.12 ist der Eintrittsquerschnitt mittels eines in axialer Richtung einstellbaren Kernes 4 re gelbar, um den günstigsten Eintrittsquer- schnitt zu erhalten.
Bei beiden Ausführungsformen nach Fig. 11 und 12 ist die Wirkungsweise grund sätzlich analog derjenigen des oben darge legten Motors mit Eintrittsventilen, wobei die Funktion der Ventile, soweit sie nicht unerwünscht ist, durch die Öffnung 1 über nommen wird. Beide Ausführungen sind je doch insofern noch verbesserungsfähig, als die, Verluste am bzw. durch den Einlass zur Zeit der Verbrennung nicht unbeträchtlich sind. Immerhin lassen sich auch für diese Ausführungen durch Versuche die geeignet sten Formen der Öffnungsquerschnitte be stimmen, welche eine Stosswelle am besten auffangen bzw. zum ,Stehen bringen.
Die Ausführungsform nach Fig. 13 weist ausser den wesentlichen Merkmalen der bei- den vorbeschriebenen Ausführungsformen einige weitere Verbesserungen auf.
Die Motorkammer ist hier als eine mit Ausnahme des sich konisch erweiternden Endteils auf ihrer ganzen Länge zylindrische Rohrkammer A ausgebildet. Der Eintritt ist, wie erwähnt, wiederum durch die Öffnung 1 gebildet. Um das Rohr A ist eine ebenfalls im wesentlichen zylindrische Verstärkerkam- mer C angeordnet, deren ringförmige Ein trittsöffnung B in der Nähe des Eintrittes 1 zur Rohrkammer A liegt. In dem nach der Verstärkerkammer offenen Eintrittsende des Rohres A befinden sich schraubenflächenför- mige Leitbleche 5.
In dem sich konisch er- weiternden Endteil des Rohres A befinden sich Öffnungen E, welche eine Verbindung zwischen der Rohrkammer A und der Ver stärkerkammer C herstellen. Innerhalb dieses Endteils sind schraubenartige Leitbleche F angebracht. G ist ein weiterer Injektor.
Bei der Ausführungsform nach Fig.13 werden infolge der Tatsache, dass die Ver- brennungskammer nach vorn mit der Kam mer C in Verbindung steht, die Explosions gase beidseitig mit mehrfacher Schall geschwindigkeit geschleudert. Bei dieser Aus führung bläst beim Ankommen der Detona tionswelle ein Teil der Gase durch den Ein lass 1 ab. Dadurch wird Brennstoff mitgeris sen, und da die Strömungsgeschwindigkeit beim Blasen grösser ist als beim späteren Saugen, wird ein Mehrfaches des abgemes senen Brennstoffes stromaufwärts geworfen, so dass er vor dem Motor verbrennt, wodurch die eintretende Luft erhitzt wird, was deren Spülwirkung vermindert.
Die sich im Rohr A stromaufwärts bewegenden Gase erhalten durch die Schraubenflächen 5 eine Wirbel bewegung, werden umgelenkt, und gelangen so in die Verstärkerkammer C. Wenn das Verbrennungsgas durch Hemmorgane in Form von Schraubenflächen eine Winkel geschwindigkeit erhält, das heisst Wirbel ent stehen, so dass die Zentrifugalkraft eine Er höhung der Dichte an der Peripherie verur sacht, wird ein gern niedriger Dichte in der Mitte des Querschnittes geschaffen. Diese Mittel werden, wenn auch nicht vollständig, das Rückfliessen durch den Einlass verhin dern. Ausserdem werden Wirkungsgrad und Impuls durch die Beschleunigung einer ver mehrten Gasmenge (Masse) erhöht.
Durch den Einlass B der Verstärkerkam mer C tritt Luft in diese ein. Diese Luft wird durch den Hauptimpuls bzw. Stoss be schleunigt. Durch Vorbeiströmen an den äu ssern Flächen der innern Motor(Generator-)- kammer A, welche ungefähr 40 bis<B>50%</B> der gesamten Energie ausstrahlt, wird die Luft erwärmt. Ein Teil dieser Verstärkerkammer- luft wird durch die Öffnungen E gesaugt, um die Verbrennung zu vollenden und den Schub, da heisst Rückstoss, weiter zu ver stärken.
Der Hauptteil der Verstärkerluft expandiert durch die Ringöffnung D, um die thermische Energie in kinetische Energie, das heisst Schub bzw. Rückstoss, umzuwan deln. Die Schraubenflächen F dienen zur gründlichen Mischung beider Gase durch Zentrifugalwirkung.
Um den spezifischen Impuls bzw. die zu beschleunigende Masse zu erhöhen, können schwerere Flüssigkeiten als Brennstoff, z. B. Wasser, bei G injiziert werden. Die Lage der Injektion hängt davon ab, ob das injizierte Medium verbrennen soll oder nicht. Diese Injektion soll die Schubwirkung durch Ver grösserung der ausgestossenen Masse erhöhen. Man kann aber zusätzlich zu dieser Injek tion oder statt dieser auch einige andere Zu sätze einführen, wie z. B. Silizium, Natrium und Kalium, welche den Ionisationsprozess während der Verbrennung beeinflussen.
Zu sätzlicher Brennstoff kann auch in die Ver- stärkerkammer C injiziert werden, um eine verstärkte Wirkung auf Kosten der Wirt schaftlichkeit zu erreichen. Diese Ausfüh rungsform des Motors weist in seinem Zyklus eine Periode starken Vakuums auf, welches ein selbsttätiges Ansaugen der Luft bei Mo torgeschwindigkeit Null bewirkt (F'ig. 5).
Anstatt ein vorwiegend gerades Rohr zu sein, kann der Motor mit einer Verengung ausgeführt werden.