DE2616452A1 - Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

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PA Dr. Zumstein et al, 8 München 2, BräuhausstraBe 4

8 MÜNCHEN 2,

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6/Li

Germ.0 24 336

US 0 23 658/23 869

Phillips Petroleum Company, Bartlesville, OkIa.

Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben

derselben

Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben.

Die Luftverschmutzung gewinnt in hochindustrialisierten Ländern zunehmend an Bedeutung. Demzufolge werden die Steuerung und/oder Reduzierung der Luftverschmutzung immer bedeutender, und Anstrengungen in dieser Hinsicht werden sowohl von staatlichen als auch nicht staatlichen Entwicklungslaboratorien unternommen. Die Verbrennung von fossilem Brennstoff ist die Hauptursache für solche Verschmutzungen. Es ist behauptet worden,

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ORIGINAL INSPECTED

daß Automobile mit bekannten Kolbenbrennkraftmaschinen, in denen Kohlenwasserstoffbrennstoffe bzw. Kraftstoffe verbrannt werden, den Hauptanteil bei diesen Verschmutzungen verursachen. Fahrzeugabgas-Bestiminungen v/urden durch das Umweltschutz-Ministerium (EPA) der Vereinigten Staaten erfaßt,die derart re strikt ir sind, daß die Automobilhersteller gezwungen sind, sich mit Alternativen zu den bekannten Kolbenbrennkraftmaschinen zu befassen.

Als Alternative hierzu kommt insbesondere die Gasturbine in Betracht. Die CO-Abgabe beim Betrieb von bekannten Gasturbinen stellt bei maximaler Brennstoffverbrennungsleistung keine bedeutsame Schwierigkeit dar. Die Stickstoffoxidabgabe jedoch, die im folgenden als NO bezeichnet wird, ist ein Problem, da aufgrund der bei den bekannten Gasturbinen auftretenden hohen Temperaturen die Erzeugung von NO begünstigt wird. Eine Gasturbine in einem Kraftfahrzeug oder in anderen Fahrzeugen wird in einem großen Bereich von sich ändernden Betriebsbedingungen betrieben, die den Leerlauf, die niedrige Geschwindigkeit, die mittlere Geschwindigkeit, die hohe Geschwindigkeit, die Beschleunigung und die Verlangsamung umfassen. Diese sich ändernden Bedingungen werfen beträchtliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Regelung von der Abgabe von NO und CO auf. Wenn eine Brennkraftmaschine unter Regelung entweder der NO- oder CO-Abgabe betrieben wird, so läßt sich nur die Regelung einer der Abgabearten beherrschen, während die Beherrschung der anderen Abgabeart verlorengeht. Jedoch müssen beide Abgabearten geregelt werden. Aus diesem Grunde ist eine Brennkraftmaschine mit entsprechender Auslegung erforderlich, die sich derart betreiben läßt, daß die Abgasbestimmungen des Umweltschutz-Ministeriums erfüllt sind. Eine Brennkraftmaschine und/oder ein Verbrennungsprozeß, bei dem gering verschmutzende Abgase auftreten, die im Bereich der angegebenen Bestimmung liegen, stellen einen großen technischen Fortschritt dar.

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Die Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile und Schwierigkeiten zu überwinden.

Eine Brennkraftmaschine und .ein Verfahren zum Betreiben derselben sind Gegenstand der Erfindung, wobei die Brennkraftmaschine geringere Abgaben, insbesondere geringere Abgaben an Stickstoffoxiden und CO aufweisen soll. Eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung kann über einen großen, sich ändernden Bereich der Betriebsbedingungen betrieben werden, wobei sowohl die NO- als auch die CO-Abgabe geringer sind und geregelt werden können. Ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein veränderbarer erster Luftstrom in eine erste Verbrennungszone der Brennkraftmaschine eingespeist wird, und daß tangential eingeleitete Luftströnre in die erste und eine zweite Verbrennungszone der Brennkraftmaschine eingespeist werden. Die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung weist den bedeutenden Vorteil auf, daß eine überraschende Verbrennungsstabilität über einen weiten Bereich der Betriebsbedingungen eingehalten werden kann.

Eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung zeichnet sich durch die Kombination folgender Merkmale aus: ein Flammrohr, ein Kopfteil, das am stromaufwärtigen Ende des Flammrohrs angeordnet ist, ein Brennstoffeinlaßorgan, das in dem Kopfteil angeordnet ist und über das ein Brennstoffstrom in eine stromaufwärts liegende erste Verbrennungszone des Flammrohrs eingeleitet wird, eine erste verstellbare Lufteinlaßeinrichtung, die in dem Kopfteil vorgesehen ist, welche eine Einspeisung eines sich ändernden Volumens oder -einer sich ändernden Menge eines ersten Luftstroms durch das Kopfteil um die Brennstoffeinlaßeinrichtung und in die erste Verbrennungszone des Flammrohrs gestattet, eine zweite Lufteinlaßeinrichtung, die in der Wand des Flammrohrs angeordnet ist, welche die Einleitung

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eines zweiten Luftstroms in die erste Verbrennungszone in tangentialer Richtung tangential zu der Wand der ersten Brennzone gestattet, und eine dritte Einlaßeinrichtung, die in der Wand.des Flammrohrs stromabwärts von der zweiten Lüfteinlaßeinrichtung angeordnet ist und eine tangentiale Einleitung eines dritten Luftstroms in "die zweite Verbrennungszone gestattet, die stromabwärts von der ersten Verbrennungszone im Flammrohr liegt und mit der ersten Verbrennungszone in Verbindung steht.

Ein Verfahren zum Betreiben bzw. zum Verbrennen eines Brennstoffs in einer Verbrennungszone gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein erster stromaufwärts liegender Verbrennungsbereich und ein zweiter Verbrennungsbereich vorgesehen sind, der stromabwärts vom ersten Verbrennungsbereich liegt. Ein solches Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß ein Brennstoffstrom in den stromaufwärts liegenden Endabschnitt des ersten Verbrennungsbereichs eingeleitet wird, daß ein erster Luftstrom unter geregelter, jedoch sich verändernder Geschwindigkeit in den stromaufwärts liegenden Endabschnitt des Flammrohrs eingeleitet wird, daß ein zweiter Luftstrom tangential in den ersten Verbrennungsbereich eingeleitet wird und sich ein Brenngemisch aus Brennstoff und Luft bildet, das wenigstens eine teilweise Verbrennung des Brenngemischs eingeleitet wird, wobei sich heiße Verbrennungsprodukte bilden, daß ein dritter Luftstrom in den zweiten Verbrennungsbereich tangential eingeleitet wird, und daß die sich ändernde Einleitgeschwindigkeit des ersten Luftstroms nach Maßgabe der Einleitgeschwindigkeit des Brennstoffs ge- . regelt wird.

Eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung mit einem Flammrohr, mit einem Kopfteil, das am stromaufwartigen Ende des Flammrohrs angeordnet ist, einer Brennstoffeinlaßeinrichtung, die in dem Kopfteil angeordnet ist, die das Einleiten eines

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Brennstoffstroms in eine stroraabwärtige erste ■Verbrennungszone des Flammrohrs gestattet, mit einer ersten Lufteinlaßeinrichtung in dem Kopfteil, welche das Einleiten von Luft durch das Kopfteil um die Brennstoffeinlaßeinrichtung und in die erste Verbrennungszone des Flammrohrs gestattet, mit einer zweiten Lufteinlaßeinrichtung, die in der Wand des Flammrohrs angeordnet ist, welche ein tangentiales Einleiten eines zweiten Luftstroms in die erste Verbrennungszone tangential zu der Wand gestattet, und mit einer dritten Lufteinlaßeinrichtung, die in der Wand des Flammrohrs stromabwärts von der zweiten Lufteinlaßeinrichtung vorgesehen ist, welche ein tangentiales Einleiten eines dritten Luftstromes in eine zweite Verbrennungszone gestattet, die im Flammrohr stromabwärts von der ersten Verbrennungszone liegt und mit dieser in Verbindung steht, dadurch aus, daß ein kreisringförmiges Organ an der stromanwärtigen Seite des Kopfteils angeordnet ist, ein erstes Organ in diesem Organ ausgebildet ist, das den Auslaß bzw. die Auslaßöffnung des Kopfteils und den Einlaß bzw. die Einlaßöffnung in die erste Verbrennungszone bestimmt, daß die zweite Lufteinlaßeinrichtung eine Mehrzahl von tangential verlaufenden Schlitzen aufweist, die durch die Wand des stromaufwärtigen Endes des Flammrohrs verlaufen, die dem Auslaß des Kopfteils benachbart liegt, daß ein zweites Organ im Flammrohr stromabwärts von den tangentialen Schlitzen angeordnet ist, das den Auslaß bzw. die Auslaßöffnung der ersten Verbrennungszone bestimmt, daß die dritte Lufteinlaßeinrichtung eine Mehrzahl von tangentialen Schlitzen aufweist, die durch die Wand an einem Mittelabschnitt des Flammrohrs verlaufen, der benachbart und stromabwärts von dem zweiten Organ liegt, und daß ein drittes Organ in dem Flammrohr benachbart und stromabwärts von den zuletzt genannten tangentialen Schlitzen angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung an bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 und zeigt eine Anordnung von tangentialen Einlaßöffnungen oder -schlitzen;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 und zeigt eine weitere Anordnung von tangentialen Einlaßöffnungen oder -schlitzen;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht in Richtung der stromaufwärtigen Seite des Kopfteils der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1;

Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bauteils des Kopfteils der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1;

Fig. 6 ist eine vergrößerte Ansicht eines weiteren Bauteils des Kopfteils der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht einer Regeleinrichtung für die Brennkraftmaschine, welche für die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung bestimmt ist;

Fig. 8,9 und 10 zeigen weitere Bauteile einer abgewandelten Ausführungsform eines Kopfteils, das für die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung bestimmt ist;

Fig. 11 ist eine Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 12 ist eine schematische perspektivische Ansicht in teilweise geschnittener Darstellung des stromaufwärtigen Endes der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 11, in der ein Flammrohr, ein Kopfteil der Brennkraftmaschine und weitere Bauteile dargestellt sind;

Fig. 13 ist eine Seitenansicht des stromabwärtigen Abschnitts des Flammrohrs der Brennkraftmaschine gemäß Fig. 11;

Fig. 14 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 14-14 in Fig. 13;

Fig. 15 zeigt eine Brennkraftmaschine in teilweise geschnittener Darstellung zum Vergleich mit der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung; und

Fig. 16 und 17 sind vergrößerte Schnittansichten entlang

den entsprechenden Linien 16-16 und 17-17 in Fig. 15.

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In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In den Fig.1,2 und 3 ist eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung gezeigt, die mit 10 bezeichnet ist. Vorzugsweise weist diese Brennkraftmaschine ein äußeres Bauteil oder ein Gehäuse 12 ,mit einem Flammrohr 14 auf, das vorzugsweise konzentrisch in dem Gehäuse und in einem Abstand zu dem Gehäuse 12 angeordnet ist, so daß sich eine Ringkammer 16 zwischen dem Gehäuse 12 und dem Flammrohr 14 bildet. Das Flammrohr 14 kann in dem Gehäuse 12 in entsprechender Weise gelagert sein. Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine ein kreisringförmiges Gehäuse auf, das ähnlich dem dargestellten ausgebildet ist, so daß sich ein Ringraum oder eine Ringkammer 16 bildet, in die Luft durch die verschiedenen Einlaßeinrichtungen in das Flammrohr 14 eingespeist wird. Das Gehäuse kann jedoch auch eine andere Gestalt aufweisen, oder das Gehäuse kann auch ganz weggelassen sein, so daß die Lufteinlässe einzeln mit Hilfe von entsprechenden Leitungen gespeist werden. Das Flammrohr 14 weist am stromaufwärtigen Ende ein Kopfteil 18 auf. Eine Brennstoffeinlaßeinrichtung ist zum Einleiten eines Brennstoffstroms in den stromabwärtigen Endabschnitt des Flammrohrs 14 vorgesehen. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist diese Brennstoffeinlaßeinrichtung eine Brennstoffleitung 20 auf, die von einem Brennstoffbehälter zu einem Brennstoffstutzen führt, der mit dem in der Mitte angeordneten Hohlraum in der stromabwärtigen Seite des Kopfteils 18 in Verbindung steht, in dem eine Brennstoffeinspritzdüse 24 eingebaut werden kann. Ein kreisringförmiges Organ ist an der stromabwärtigen Seite des Kopfteils 18 angeordnet. Dieses Organ kann integral mit dem Kopfteil 18 ausgebildet oder - wie in der Figur dargestellt - vorzugsweise so beschaffen sein, daß es ein kreisringförmiges Verbindungsstück bzw. Paßstück 26 aufweist, das zwischen dem stromabwärtigen Ende des Kopfteils 18 und dem stromauf wärtigen Ende des Flammrohrs 14 angeordnet ist. Ein erstes Organ ist in dem Zwischenstück bzw. Paßstück 26 aus-

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gebildet, durch welches der Auslaß von dem Kopfteil 18 und der Einlaß in die erste Verbrennungszone 27 geregelt werden können.

Eine verstellbare erste Lufteinlaßeinrichtung ist in dem Kopfteil 18 vorgesehen, die ein variables Volumen bzw. eine variable Menge eines ersten Luftstroms durch das Kopfteil 18 um die Brennstoffeinspritzdüse 24 liefert, der in die erste Verbrennungszone 27 des Flammrohrs 14 eingeleitet wird. Wie nachstehend näher erläutert werden wird, weist diese verstellbare erste Lufteinlaßeinrichtung wenigstens einen Luftdurchlaß mit veränderbarer Querschnittsfläche auf, der in dem Kopfteil 18 vorgesehen ist, sich durch das Kopfteil 18 erstreckt und in Verbindung mit der ersten Verbrennungszone 27 steht. Ferner ist eine Einrichtung zur Verstellung der Querschnittsfläche bzw. zur Verstellung des lichten Querschnitts des Luftdurclilasses vorgesehen, so daß die Menge bzw. der Durchsatz des ersten Luftstroms geregelt werden kann, der in die erste Verbrennungszone 27 eingespeist wird. Eine zweite Lufteinlaßeinrichtung ist in der Wand des Flammrohrs 14 angeordnet, welche ein tangentiales Einleiten eines zweiten Luftstroms in die erste Verbrennungszone 27 tangential zu deren Wand gestattet. Die zweite Lufteinlaßeinrichtung weist vorzugsweise eine Mehrzahl von tangential verlaufenden Schlitzen 28 auf, die längs der Viand des stromaufwärtigen Endabschnitts des Flammrohrs 14 an einer Stelle im Flammrohr verlaufen, die dem Auslaß des Kopfteils 18 benachbart liegt. Eine dritte Lufteinlaßeinrichtung ist in der Wand des Flammrohrs 14 stromabwärts der zweiten Lufteinlaßeinrichtung angeordnet, welche ein tangentiales Einleiten eines dritten Luftstroms in eine zweite Verbrennungszone gestattet, die im Flammrohr 14 stromabwärts von der ersten Verbren-, nungszone 27 liegt und mit dieser in Verbindung steht. Die dritte Lüfteinlaßeinrichtung weist vorzugsweise eine Mehrzahl von tangentialen Schlitzen 30 auf, die längs der Wand in einem Zwischenabschnitt des Flammrohrs 14 an einer zv/eiten Stelle im Flammrohr verlaufen, die benachbart und stromabwärts von dem zweiten Organ 29 liegt, welches den Auslaß aus der ersten Yerbrennungszone 27

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regelt. Ein drittes Organ 32 ist dsm Flammrohr 14 benachbart und stromabwärts von den tangentialen Schlitzen 30 angeordnet. Vorzugsweise ist eine vierte Lüfteinlaßeinrichtung vorgesehen, die wenigstens eine Öffnung 34 aufweist, die in der Wand des Flammrohrs an einer dritten Stelle angeordnet ist, die stromaufwärts von der dritten Lufteinlaßeinrichtung 30 und dem dritten Organ 32 angeordnet ist, welche ein Einleiten eines vierten Luftstroms zur Versetzung oder Luftverdünnung in dem Flammrohr 14 gestattet.

Das Flammrohr 14 kann als ein gemeinsames Bauteil gefertigt werden. Aus Fertigungsgründen ist es jedoch vorteilhaft, daß das Flammrohr 14 vorzugsweise so ausgebildet ist, daß die Wand in zwei getrennte Abschnitte, wie dies in der Figur gezeigt ist, unterteilt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die tangentialen Schlitze 28 in einem ersten stromaufwärts liegenden Wandabschnitt 36 des Flammrohrs 14 ausgebildet, vorzugsweise am stromaufwärtigen Endabschnitt des ersten Wandabschnitts, welche die stromabwärtige Wand des Paßstücks bzw. Verbindungsstücks 26 enthält, das die stromabwärtigen Wände der Schlitze 28 bildet. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein zweites Organ 29 im stromabwärtigen Endabschnitt des ersten Wandabschnitts 36 vorgesehen. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform können die tangentialen Schlitze 30 an einem dazwischen liegenden zweiten Wandabschnitt 38 ausgebildet sein, der benachbart zu dem ersten Wandabschnitt 36 und stromabwärts u diesem liegt. Vorzugsweise ist der zweite Wandabschnitt 38 erart angeordnet, daß die stromaufwärts liegende Kante an die

..;jstromabwärtige Kante des ersten Wandabschnitts 36 anstößt,und J!die tangentialen Schlitze 30 sind in dem stroma/fwärtigen Endjabschnitt des zweiten Wandabschnitts 38 ausgebildet, wobei die stromabwärtige Kante des ersten Wandabschnitts 36 die stromaufwärts liegenden Wände der Schlitze 30 bildet. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein drittes Organ 32 in dem zweiten Wandabschnitt 38 vorgesehen, das an die darin ausgebildeten

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Schlitze 30 anschließt. Vorzugsweise verjüngt sich die innere Wandfläche des ersten Wandabschnitts 36 nach innen von der stromabwärts liegenden Kante der tangentialen Schlitze 28 zu der stromaufwärts liegenden Kante des zweiten Organs 29, so daß sich ein nach innen verjüngender Durchlaß von den Schlitzen zu dem Organ bildet, der konisch ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die innere Wandfläche des zweiten Wandabschnitts 38 konisch erweiternd ausgebildet und erweitert sich konisch von der stromabwärtigen Kante des dritten Organs 32, so daß sich ein nach außen erweiternder Durchlaß von dem Organ zu dem erweiterten Abschnitt des Flammrohrs 14 ergibt, in der die zweite Verbrennungszone 31 liegt und in dem der dritte Wandabschnitt des Flammrohrs angeordnet ist.

Für die beschriebene Brennkraftmaschine können entsprechend geeignete Zündeinrichtungen, wie z.B. eine Zündkerze (nicht gezeigt) vorgesehen sein.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird die erste Verbrennungszone als die Zone bezeichnet, die sich von der stromabwärts liegenden Mündung der Brennstoffeinspritzdüse 24 zu dem Mittelteil der tangentialen Schlitze 30 erstreckt, und die zweite Verbrennungszone ist die Zone, die sich von dem Mittelteil der tangentialen Schlitze 30 zu dem Mittelteil der Öffnungen 34 erstreckt.

Das zweite Organ 29 und das dritte Organ 32 sind als kreisförmig ausgebildete Bauteile als bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Diese Organe können jedoch auch eine andere Gestalt aufweisen, d.h. sie können z.B. dreieckförmig ausgebildet sein.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4,5 und 6 weist das Kopfteil 18 eine feste kreisförmige Rückplatte 128 auf, die mittig in einer Öffnung 138 angeordnet ist, die in dem Brennstoffstutzen 22 vorgesehen ist, was durch ein Paar von Befestigungsgliedern

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132 bewerkstelligt wird. Eine Mehrzahl von im Abstand zueinander angeordneten Öffnungen 134 ist längs einer Kreislinie in der Rückplatte 128 vorgesehen. Ein Anschlagbolzen 136 steht über eines der Befestigungsglieder 132 über. Die Öffnung 138 im Brennstoffstutzen 22 steht in Verbindung mit einem Ringraum 16 und der Leitung 15 der Brennkraftmaschine in Fig. 1, durch die Warmluft in den Ringraum 16 eingespeist wird. Ein mittig angeordnetes, kreisförmiges, vorspringendes Teil 140 steht nach außen über die stromaufwärts liegende Fläche der festen Platte 128 über, an dem eine vorderseitige verstellbare Platte 142 angebracht ist.

Die vorderseitige Platte 142 ist kreisförmig und weist die gleiche Abmessung wie die feste Platte 128 auf. Eine Mehrzahl von im Abstand angeordneten Öffnungen 144 ist in der vorderseitigen Platte 142 angeordnet, die in ihrer Abmessung und kreisförmigen Anordnung jener der Öffnungen 134 in der Rückplatte 128 entspricht. Ein Paar von im Abstand zueinander angeordneten Anschlagbolzen 146 steht an der Seite der vorderseitigen Platte 142 über. Ein zur Betätigung! dienender Fortsatz 148 steirt an einer Seite der vorderseitigen Platte 142 an einer Stelle über, die in einem Abstand zu den Anschlagbolzen 146 liegt. Eine Schubstange 150 ist schwenkbar mit dem zur Betätigung dienenden Fortsatz 148 auf entsprechend geeignete Art und Weise verbunden. Die Schubstange 150 kann nach vorwärts und nach rückwärts mit Hilfe eines Rollenschaltwerks 152 betätigt werden, das an der Außenseite des BrennstoffStutzens 42 entsprechend angeordnet ist. Ein flexibler Schaft bzw. eine flexible Welle 154 erstreckt sich durch eine Stellplatte (nicht gezeigt) und ist mit einem Drehknopf (nicht gezeigt) zur Bewegung der Welle 154 des Rollenschaltwerks 152 und der Schubstange 150 zur Drehbewegung der vorderseitigen Platte 142 innerhalb der Grenzstellungen verbunden, die durch die Anschlagbolzen 146 bestimmt sind, die gegen den Anschlagbolzen i36 anzuliegen kommen.

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Der Brennstoffstutzen 22 ist zwischen benachbart liegenden Flanschteilen, wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet. Das stromabwärtige Ende des Flammrohrs 14 paßt in das Verbindungsstück 26, das seinerseits an der stromabwärtigen Fläche des Kopfteils 18 befestigt ist. Die Brennstoffleitung 20 erstreckt sich durch den Stutzen 22 und steht mit einem in der Mitte liegenden Hohlraum in Verbindung, der an derstromabwärtigen Seite des Kopfteils 18 ausgebildet ist, in den die Brennstoffeinspritzdüse 24 eingebaut werden kann. Die Mittelöffnung 156 in der vorderseitigen Platte 142 ist dem vorspringenden Teil 140 an der Rückplatte 128 angepaßt, und die vorderseitige Platte 142 ist bezüglich der Rückplatte 128 gleitend bewegbar mit Hilfe einer Hutmutter 153 und einem Dichtungsring 160 angebracht. Die Schubstange 150 dreht infolge der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung die vorderseitige Platte 142, so daß die darin befindlichen Öffnungen 144 mit den Öffnungen 134 in der Rückplatte 128 zur Deckung und nicht zur Deckung kommen, wodurch die effektive lichte Weite der Öffnung in dem verstellbaren Kopfteil 18 sowie der Durchsatz bzw. die Menge der Luft verändert werden können, die durch das Kopfteil 18 in die erste Verbrennungszone 27 gelangt. Wie in Fig. 1* gezeigt, sind die Öffnungen 144 und 134 voll miteinander in Deckung, so daß das Kopfteil 18 vollständig geöffnet ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die Öffnungen außer Deckung und das Kopfteil 18 istvoHs tändig geschlossen.

Gemäß der Erfindung soll vorzugsweise der effektive Querschnitt der Öffnungen in dem verstellbaren Kopfteil 18 der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung nach Maßgabe des Brennstoffstroms zu der Brennkraftmaschine regelbar sein. Dies wird durch die manuelle Betätigung der Schubstange 150 und den damit verbundenen Bauteilen erzielt. Für einen kontinuierlichen Betrieb der Brennkraftmaschine, die bei unterschiedlichen, innerhalb eines großen Bereiches liegenden Betriebsbedingungen betrieben werden, wie z.B. ein in den Ausführungsbeispieien erläuterten Laufzyklus, soll vorzugsweise die effektive Querschnittsfläche

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der Öffnungen in dem Kopfteil automatisch geregelt werden. Hierzu können entsprechend geeignete Regeleinrichtungen vorgesehen sein, wobei eine solche schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Regeleinrichtung kann für die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 bestimmt sein, wenn ein Organ in der Brennstoffleitung 20 vorgesehen ist, das betriebsverbunden mit einer Regeleinrichtung 109 ist, welches mit einer entsprechenden Verbindung 110 mit der Welle 154 eines Zahnstangen-Rollenschaltwerks 152 verbunden ist, durch die die Schubstange 150 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bewegbar ist. Die Regeleinrichtung 109 spricht auf den Brennstoffstrom durch das Organ in der Leitung 20 an, betätigt die Verbindung 110, die betriebsverbunden mit der Welle 154 ist und gibt dadurch die Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung der Schubstange 150 vor. Eine bevorzugte Regeleinrichtung enthält ein Organ in der Brennstoffleitung 20, ein Regelglied 109 und eine Verbindung 110, die jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Diese Regeleinrichtung kann durch entsprechend ausgebildete, an sich bekannte Ausführungsformen ersetzt werden.

Beim Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, z.B. die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine, wird ein erster Luftstrom durch das Kopfteil 18 bei vorgegebener geregelter Geschwindigkeit in eine erste Verbrennungszone 27 eingeleitet. Bei der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine wird der erste Luftstrom ungefähr axial in bezug auf die erste Verbrennungszone 27 eingeleitet. Dieser erste Luftstrom kann jedoch auch in radialer Richtung eingespeist werden. Ein Brennstoffstrom wird vorzugsweise axial in die erste Verbrennungszone 27 eingespeist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff in die erste Verbrennungszone in Form eines Hohlgliedes eingesprüht bzw. eingespritzt, und der erste Luftstrom wird um den Brennstoffstrom eingespeist und von dem Brennstoffstrom abgefangen. Die Einspeisgeschwindigkeit des ersten Luftstromes

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wird nach Maßgabe der Einspeisgeschwindigkeit des Brennstoffstromes, wie nachstehend beschrieben, geregelt.

Ein zxveiter Luftstrom wird tangential in die erste Verbrennungszone 27 über die tangentialen Schlitze 28 in eine Richtung eingeleitet, die tangential zu der Wand der ersten Verbrennungszone 27 verläuft. Die Schlitze 128 bewirken eine Verwirbelung des zweiten Luftstroms. Die Wirbelbildungsrichtung kann ihm Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn ausgerichtet sein. Bei den in Fig. 2 dargestellten Schlitzen ist die Wirbelbildungsrichtung im Uhrzeigersinn bei Blickrichtung in Richtung des Flammrohrs 14 ausgerichtet. Die ersten und zweiten Luftströme bilden mit dem Brennstoff ein Brenngemisch, und in der ersten Verbrennungszone 27 findet wenigstens eine teilweise Verbrennung dieses Gemisches statt. Heiße Verbrennungsprodukte und Restbestandteile des Brenngemisches gelangen von der ersten Verbrennungszone 27 über das Organ 29 in die zweite Verbrennungszone 31.

Ein dritter Luftstrom wird tangential in die zweite Verbrennungszone 31 über die tangentialen Schlitze 30 in eine Richtung tangential zu der Wand der zweiten Verbrennungszone 31 eingeleitet. Die Schlitze 30 bewirken eine Wirbelbildung in dem dritten Luftstrom. Die Wirbelbildungsrichtung im dritten Luftstrom kann entweder im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn ausgerichtet sein, jedoch erfolgt die Ausrichtung vorzugsweise in Gegenrichtung zu der Wirbelbildung des zweiten Luftstroms durch die Schlitze 28. Bei den in Fig. 3 dargestellten Schlitzen ist die Wirbelbildungsrichtung des dritten Luftstromes im Gegenuhrzeigersinn bei Blickrichtung stromabwärts des Flammrohrs 14 ausgerichtet. Der dritte Luftstrom umgibt die heißen Verbrennungsprodukte und die Restbestandteile des Brenngemisches, die von der ersten Verbrennungszone 27 eintreten, und vermischen sich mit diesen. Die Verbrennung läuft nahezu vollständig in der zweiten Verbrennungszone 31 ab.

Vorzugsweise wird ein vierter Luftstrom über die Öffnungen 34

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eingeleitet, der sich mit den Verbrennungsprodukten, die die zweite Verbrennungszone 31 verlassen, vermischt. Dieser vierte Luftstrom dient zur Luftverdünnung. Die heißen Verbrennungsgase verlassen die Brennkraftmaschine und gelangen zu einer Turbine oder werden auf ähnliche Art und Weise weiter verarbeitet.

In Fig. 7 ist eine regelbare Brennkraftmaschine, die mit der Bezugjsziffer 40 versehen ist, gezeigt, mit der die Kennwerte der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung ermittelt wurden. Der Hauptunterschied zwischen der Brennkraftmaschine 40 und der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, z.B. der Brennkraftmaschine 10 in Fig. 1,liegt darin, daß bei der Brennkraftmaschine 40 durch das Kopfteil keine Luft eingespeist wird. Bei der Brennkraftmaschine 40 ist das stromauf wartige Ende des Flammrohrs 14 durch das Verschlußteil 42 verschlossen, das mit dem Flammrohr auf entsprechend geeignete Weise fest verbunden sein kann. Das Verschlußteil 42 ist mit dem Mittelteil 44 des Brennstoffstutzens 22 auf entsprechend geeignete Art und Weise fest verbunden. Der Mittelabschnitt 44 ist durch entsprechende Stützglieder (nicht gezeigt) im Brennstoffstutzen 22 abgestützt, so daß sich ein Ringraum 46 bildet, der gestattet, daß Luft in den Ringraum 16 von der Leitung 15 eintritt.

Die Betriebsweise dieser Brennkraftmaschine 40 ist jener der in Verbindung mit der Brennkraftmaschine 10 in Fig. 1 erläuterten ähnlich, außer der Tatsache, daß kein regelbarer Luftstrom in das Flammrohr über das Verschlußteil 42 eingeleitet werden kann. Wie die anhand der nachstehenden Beispiele ermittelten Meßwerte zeigen, wird durch das Weglassen dieses regelbaren Luftstroms eine beträchtliche Zunahme am Ausstoß von NO bewirkt.

Es kann auch ein entsprechend anders ausgebildetes Kopfteil bei der Brennkraftmaschine anstelle des vorher beschriebenen Kopfteils 18 verwendet werden. Beispielsweise kann unter Bezugnahme auf die Fig. 8,9 und 10 ein Kopfteil ein festes, ungefähr

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zylindrisches Teil 80 (Fig. 8) aufweisen, das an einem Ende geschlossen und am anderen offen ist. Eine Mehrzahl von Öffnungen 82 ist in Abständen zueinander am Umfang des zylindrischen Teils 80 dem verschlossenen Ende benachbart vorgesehen. Die Öffnungen 82 verlaufen radial, jedoch können sie auch tangential ausgerichtet sein. Eine Öffnung 84 ist am geschlossenen Ende zur Aufnahme einer Brennstoffeinspritzdüse vorgesehen. Der Auslaß der Brennstoffeinspritzdüse kann ähnlich, wie bei der Brennstoffeinspritzdüse 24 in Fig. 1 ausgerichtet sein. Eine weitere Öffnung 88 ist am geschlossenen Ende zur Aufnahme einer Zündeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen, die auch an einer Stelle, die dem Auslaß der Brennstoffeinspritzdüse benachbart liegt, verlaufen kann. Öffnungen 192 sind zur Aufnahme von Befestigungsschrauben (nicht gezeigt) vorgesehen, mit deren Hilfe das Kopfteil an dem Mittelabschnitt eines BrennstoffStutzens, wie z.B. dem Mittelabschnitt 44, wie in Fig. 7 gezeigt, angebracht werden kann. Der Mittelabschnitt des Brennstoffstutzens kann so ausgebildet sein, daß er der Brennstoffeinspritzdüse, ähnlich wie in Fig. 7 gezeigt, angepaßt ist und auch die Zündeinrichtung aufnimmt. Ein Befestigungsflansch 94 ist mit dem of feien Ende des zylindrischen Teils 80 verbunden und erstreckt sich um dieses und dient zum Befestigen des zylindrischen Teils 80 mit dem stromaufwartigen Ende eines Flammrohrs, z.B. dem Flammrohr 14 in Fig. 1. Eine Aussparung bzw. Ausnehmung 96 ist in dem Flansch 94 um die offene Basis des zylindrischen Teils 80 vorgesehen. Ein Paar von im Abstand zueinander angeordneten Anschlagbolzen 98 steht über den Flansch 94 in der Umgebung des zylindrischen Teils 80 über. Ein Organ 95, das vorzugsweise nach innen konisch verläuft, ist an dem Flansch 94 in der Nähe desoffenen Endes des zylindrischen Teils 80 vorgesehen und steht mit diesem in Verbindung.

Ein verstellbarer Drosselring 100 (Fig. 8) ist um das zylindrische Teil 80 angeordnet und weist eine Mehrzahl von im Abstand

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zueinanderliegenden Öffnungen 102 auf, die in ihrer Abmessung, Anzahl und Gestalt sowie im entsprechenden Abstand gemäß den Öffnungen 82 in dem zylindrischen Teil 80 ausgebildet sind. Der Drosselring 100 paßt in die Ausnehmung 96 in dem Plansch 90. Ein Betätigungsstift 104 steht nach außen über die Außenfläche des Drosselrings 100 über und wirkt mit den Anschlagbolzen 98 zur Begrenzung der Bewegung des Drosselrings 100 zusammen. Reibungsvorsprünge 106 sind am Ober- und am Unterteil des Drosselrings 100 vorgesehen, die sich bei der Bewegung gegen die Oberfläche, an der das zylindrische Teil 80 angebracht ist, und den Boden der Ausnehmung 96 entsprechend anlegen. Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht des Drosselrings 100, der an dem zylindrischen Teil 80 angebracht ist.

Zur Betätigung des Betätigungsstiftes 104 können entsprechende Einrichtungen vorgesehen sein. Eine solche Betätigungseinrichtung kann ein Y-förmiges Querhaupt,das um den Betätigungsstift 104 anliegt, aufweisen, wobei der Grundschenkel von dem Y mit einem drehbaren Verstellglied verbunden ist, das außerhalb des Gehäuses der Brennkraftmaschine liegt. Durch die Drehbex^egung des Stellglieds schwenkt sich das Y-förmige Querhaupt und tritt in Wirkverbindung mit dem Betätigungsstift 104, so daß der Drosselring 100 innerhalb der GrenzStellungen zwischen den Anschlagbolzen 98 gedreht wird, so daß die Übereinstimmung und die effektive lichte Weite der Öffnung nach Maßgabe der Öffnungen 82 und 102 eingestellt werden kann. Wie in Fig. 10 gezeigt, kommen die Öffnungen 82 und 102 direkt in Deckung miteinander, so daß eine maximale Öffnungsweite in dem Kopfteil vorhanden ist. Wenn der Flansch 94 am stromaufwärtigen Ende eines Flammrohrs, wie z.B. dem Flammrohr 14 in Fig. 1, angebracht ist, wird Luft durch die Öffnungen 82 und 102 radial,z^B. um und senkrecht zur Richtung der Einleitung des Brennstoffs eingespeist. Die Öffnungen 82 und 102 sind in der Zeichnung kreisförmig als bevorzugte Ausführungsform ausgebildet. Die Öffnungen können jedoch auch rechteckförmig, z.B. quadratisch, ausge-

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bildet sein.

Bei der oben dargestellten Betriebsweise können die relativen Mengen der verschiedenen Luftströme durch Veränderung der lichten Weite der Öffnungen relativ zueinander gesteuert werden, wobei diese entsprechend gesteuerten Luftströme in das Flammrohr der Brennkraftmaschine eingeleitet werden. Das eingangs erörterte verstellbare Kopfteil 18 von Fig. 1 und das verstellbare Kopfteil der Fig. 8,9 und 10 sind zur Regelung der Luftmenge für die erste Verbrennungszone 27 bestimmt. Ein Durchflußmesser oder entsprechend andere geeichte Geräte können in den Leitungen vorgesehen sein, über die die anderen Luftströme eingeleitet werden.

In der in Fig. 11 gezeigten, abgewandelten Ausführungsform einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung ist ein Flammrohr 14 vorgesehen, an dessen stromaufwärtigem Ende ein Kopfteil 18 angeordnet ist_o Eine Brennstoffeinlaßeinrichtung weist eine Brennstoffleitung 44 auf, die einen Brennstoffbehälter mit der Brennstoffeinspritzdüse 24, die im Brennstoffstutzen 22 angeordnet ist, '/erbindet, welcher das stromauf wärtige Ende des Gehäuses 12 verschließt. Die Brennstoffeinspritzdüse 24 verläuft in dem Kopfteil 18, Ein kreisringförmiges Organ ist an der stromab?;ärtig-3n Ssite des Kopfteis 18 angeordnet. Dieses Organ ist Vorzugs?/eiss in einem Stück mit dem Kopfteil 18, wie gezeigt, ausgebildet und weist vorzugsweise einen kreisringförmigen Flansch 94 zur Befestigung des stromabwärtigen Endes des Kopfteils 18 an dem stromaufwärtigen Ende des Flammrohrs 14 auf. Ein erstes Organ 95 dient zur Bestimmung der Auslaßmenge von dem Kopfteil 18 und der Einlaßmenge in die erste Verbrennungszone 27.

Eine verstellbare erste Lufteinlaßeinrichtung ist in dem Kopfteil 18 vorgesehen, die eine variable bzw. veränderbare Menge eines ersten Luftstroms durch das Kopfteil 18 um die Brennstoff-

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einspritzdüse 24 in die erste Verbrennungszone 27 einleitet.

Eine zweite Lufteinlaßeinrichtung weist eine Mehrzahl von tangentialen Öffnungen 28 auf, die durch die Wand des stromaufwärtigen Endes des Flammrohrs 14 an einer ersten Stelle mit dein Flammrohr 14 verlaufen, die dem Auslaß aus dem Kopfteil 18 benachbart liegt. Eine dritte Einlaßeinrichtung weist eine Mehrzahl von tangential verlaufenden Schlitzen 30 auf, die durch die Wand an einem Zwischenabschnitt des Flammrohrs 14 an einer zweiten Stelle in dem Flammrohr verlaufen, die benachbart und stromabwärts von einem zweiten Organ 29 liegt, das zur Bestimmung der Auslaßmenge aus der ersten Verbrennungszone 27 bestimmt ist. Ein drittes Organ 32 ist in dem Flammrohr 14 benachbart und stromabwärts von den tangentialen Schlitzen 30 angeordnet. Vorzugsweise ist eine vierte Lufteinlaßeinrichtung vorgesehen, welche wenigstens eine Öffnung 34 aufweist, die in der Wand des Flammrohrs 14 an einer dritten Stelle angeordnet ist, die stromaufwärts von der dritten Lufteinlaßeinrichtung und dem dritten Organ 32 angeordnet ist, welche das Einleiten eines vierten Luftstromes zur Verdünnung der Luft in dem Flammrohr 14 gestattet.

Das Flammrohr 14 kann einstückig gefertigt werden. Aus fertigungstechnischen Gründen jedoch kann das Flammrohr auch in einzelne getrennte Abschnitte, wie gezeigt, unterteilt gefertigt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die tangentialen Schlitze 28 in einem stromaufwärts liegenden ersten Wandabschnitt 36 des Flammrohrs 14, vorzugsweise in dem stromabwärtigen Endabschnitt des ersten Wandabschnitts 36, ausgebildet, wobei die stromabwärtige Wand des Flansches 95 die stromaufwärtigen Wände der Schlitze 28 bildet. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein zweites Organ 29 in dem stromabwärtigen Endabschnitt des ersten Wandabschnitts 36 vorgesehen. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform sind die tangentialen Schlitze 30 an einem dazwischen liegenden zweiten Wandabschnitt

38 ausgebildet, der benachbart zu und stromabwärts von dem ersten Wandabschnitt 36 liegt. Vorzugsweise ist der zweite Wandabschnitt 38 so angeordnet, daß die stromaufwärtige Kante an die stromabwärtige Kante des ersten Wandabschnitts 36 anschließt, und daß sich tangentiale Schlitze 30 am stromauf wärtigen Endabschnitt des zweiten Wandabschnitts 38 bilden, wobei die stromabwärtige Kante des ersten Wandabschnitts 36 die stromauf wartigen Wände der Schlitze 30 bildet. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein drittes Organ im zweiten Wandabschnitt ausgebildet, welches den Schlitzen 30 benachbart liegt. Vorzugsweise verjüngt sich die inns re Wandfläche des ersten Wandabschnitts 36 von der stromabv/ärtigen Kante der tangentialen Schlitze 28 zu der stromauf wartigen Kante des zweiten Organs 29 nach innen, so daß sich ein konusförmiger Innendurchlaß von den Schlitzen 28 zu dem Organ 29 bildet. Vorzugsweise weist das stromabwärtige Ende des zweiten Wandabschnitts 38 ein kreisringförmiges, radial verlaufendes Wandteil 33 auf, das in das Flammrohr 14 mit dem dritten Organ 32 hineinreicht, das an dem Wandteil 33 ausgebildet ist, wobei die stromaufwärtige Fläche des Wandteils 33 wenigstens einen Abschnitt mit den stromabwärtigen Wänden der Schlitze 30 gemeinsam hat. Das Wandteil 33 ermöglicht eine abrupte Expansion der heißen Verbrennungsprodukte, die von der ersten Verbrennungszone 27 zu der zweiten Verbrennungszone 31 gelangen.

Eine Zündkerze 37 kann vorgesehen sein, die durch den Flansch 22 und das stromaufwärtige Ende des Kopfteils 18 verläuft.

Der erste Verbrennungsbereich ist der Bereich, der von der stromabwärtigen Hündung der Kraftstoffeinspritzdüse 24 zu dem Mittelteil der tangentialen Schlitze 30 reicht, und der zweite Verbrennungsbereich ist der Bereich, der von dem Mittelteil der tangentialen Schlitze 30 zu dem Mittelteil der Öffnungen 34 reicht.

η q β κ u I 0 0 B U

Das zweite Organ 29 und das dritte Organ 32 sind, wie dargestellt, kreisförmig gemäß einer "bevorzugten Ausführungsform ausgebildet. In ähnlicher Weise sind auch das Flammrohr 14 und die verschiedenen Querschnittsflächen ebenfalls bevorzugt ungefähr kreisförmig im Querschnitt ausgebildet. Die Organe und/oder das Flammrohr können anstelle eines kreisförmigen Querschnitts auch jede andere beliebige Gestalt aufweisen, wie z.B. hexagonal.

Fig. 12 zeigt eine Anordnung der in den Fig. 8,9 und 10 gezeigten Bauteile, die für die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 11 bestimmt ist.

Anhand der vorliegenden Erfindung hat sich ergeben, daß bei einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, wenn eine Korrekturluft-Brennstoff einspritzdüse oder eine ähnliche, mit Korrekturluft betreibbare Einspritzeinrichtung vorgesehen ist, die Menge der zu der Brennstoffeinspritzdüse zugeführten Luft nach Maßgabe der in die Düse eingeleiteten Brennstoffmenge regelbar sein soll. Hierfür entsprechend geeignete Regeleinrichtungen können vorgesehen sein, wobei z.B. in Fig. 11 schematisch eine solche Einrichtung gezeigt ist, die jedoch entsprechend den Erfordernissen abgewandelt werden kann. Wie schematisch in Fig. 11 gezeigt, beaufschlagt die Durchflußregeleinrichtung 114 das Ventil 116 in der Luftleitung 118 nach Maßgabe des BrennstoffStroms durch das Organ in der Brennstoffleitung 44', wodurch eine Zunahme des Luftstroms zu der Einspritzdüse 24 in Verbindung mit einer Zunahme des Brennstoffstromes oder umgekehrt vorgegeben wird. Das Ventil 116 kann ein Durchflußregelventil zum Regeln der Durchflußmenge oder ein Druckregelventil sein, durch das ein konstanter Druck in der Leitung stromabwärts in Richtung auf die Brennstoffeinspritzdüse 24 eingehalten wird.

Zur Regelung der Wirksamen Öffnungsweite der Lufteinlaßöffnungen im Kopfteil nach Maßgabe des Brennstoffstroms zu der

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Brennkraftmschine können entsprechend geeignete Regeleinrichtungen vorgesehen sein. Eine bevorzugte, in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform kann entsprechend den Erfordernissen abgewandelt v/erden. Me schematisch in Fig. 12 gezeigt, beaufschlagt eine Regeleinrichtung 109,die auf den Brennstoffstrom durch das Organ der Brennstoffleitung 44 anspricht, die Verbindung 110, die betriebsverbunden mit dem Stellglied 111 ist, und gibt die Drehung des Stellglieds in der einen oder anderen Richtung vor. Ein Jochglied 112 ist mit dem inneren Ende des Stellglieds 111 im Innenraum des Gehäuses 12 befestigt. Ein U-förmige Aussparung an einem Ende des Jochglieds 112 wirkt mit dem Betätigungsstift 104 zusammen und bewirkt eine Drehung des Drosselrings 100 innerhalb der Grenzlagen in dem Bereich zwischen den Anschlagbolzen 98, wodurch der effektive Querschnitt der Öffnung mit Hilfe der■Öffnungen 82 und eingestellt wird. Wie gezeigt, kommen die Öffnungen 82 und direkt miteinander zur Deckung, so daß eine maximale Öffnungsweite im Kopfteil 18 auftritt. Der Zeiger 113 ist zur Anzeige der Verdrehung des Drosselrings 100 vorgesehen.

In Fig. 15 ist eine Brennkraftmaschine gezeigt, die insgesamt mit 40' bezeichnet ist, die aus Vergleichszwecken zur Ermittlung der Kennwerte der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung dargestellt ist. Ein Hauptunterschied zwischen der Brennkraftmaschine 40' und der Brennkraftmaschine 10 in Fig. 11 liegt darin, daß die Brennkraftmaschine 40^f einen kegelförmigen Verbindungsabschnitt 41 aufweist, der das stromabwärtige Ende des zweiten Wandabschnitts 38⁵ des Flammrohrs 14 mit dem erweiterten Abschnitt des Flammrohrs 14 verbindet. Ein weiterer Unterschied zwischen der Brennkraftmaschine 40' und der Brennkraftmaschine 10 besteht darin, daß die Brennkraftmaschine 40· (Fig. 15) keine Einrichtung zur Regelung des Luftstroms zu der Brennstoffeinspritzdüse 24 nach Haßgabe des Brennstoffstroms durch die Düse vorsieht,

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Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 40' ist ähnlich jener der Brennkraftmaschine 10 in Fig. 11, außer daß zum einen der Luftstrom (Druck) zu der Brennstoffeinspritzdüse nicht nach Maßgabe des Brennstoffstromes regelbar ist, und daß andererseits bei der Brennkraftmaschine 40' die heißen Verbrennungsprodukte, die von der ersten Verbrennungszone 27 zu der zweiten Verbrennungszone 31 strömen, nicht abrupt, d.h. unmittelbar nach dem Eintritt in die zweite Verbrennungszone 31 expandiert werden. Bei der Brennkraftmaschine 10 in Fig. 11 wird durch die abrupte Expansion der heißen Verbrennungsprodukte, die stromabwärts von dem Wandteil 33 auftreten, eine turbulente Strömung stromabwärts von dem Wandteil 33 bewirkt. Die turbulente Wirbelströmung dient als Flammenhalter und/oder Flammenstabilisator.

Die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung kann unter den verschiedensten. Bedingungen betrieben werden, und jeweils treten sehr überraschende Ergebnisse auf. Beispielsweise können die Brennkraftmaschinen oder die Verbrennungszonen geeignete Einlaßtemperaturen bis zu 816°C (1500⁰F) oder höher aufweisen. Die Druckwerte können innerhalb eines Bereichs von 1 bis 40 Atm. oder höher liegen. Die Strömungsgeschwindigkeiten können innerhalb 0,3 bis 152 m/s (1 bis ungefähr 500: feet/s.). oder höher liegen. Die Wärmezufuhrgeschwindigkeit kann inerhalb eines Bereiches von 17 bis 667 cal/g (30 bis 1200 Btu/lb.) Luft liegen. Im allgemeinen ist der obere Grenzwert für die Temperatur des Luftstroms durch die verwendete Heizeinrichtung zum Aufheizen derselben bestimmt, d.h. durch die Kapazität des Regenerators oder anderer Heizeinrichtungen, und durch die Materialien, aus denen die Brennkraftmaschine und/oder die Turbine bestehen, denen die Heißgase von der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung hängen somit von der Verwendungsart der Brennkraftmaschine ab. Wenn die Brennkraftmaschine z.B. in Verbindung mit einer Hochdruckturbine verwendet wird, können hohe Druckwerte

8 η q η /, u ι η η $ /.

und hohe Lufteinlaßtemperaturen für die Brennkraftmaschine vorgesehen sein. Die Erfindung ist somit nicht auf eine bestimmte Betriebsart beschränkt.

Bevorzugte Betriebsbedingungen liegen innerhalb der folgenden Bereiche: Wärmezufuhr von 17 bis 278 cal/g (500 Btu/lb) der Gesamtluft der Brennkraftmaschine; Druck der Brennkraftmaschine von 3 bis 10 Atm.; Luftnenngeschwindigkeit von 15 bis 76 m/s, (50 bis 250ft/s).

Der Luftdruck für die Korrekturluft-Brennstoffeinspritzdüse oder anderer mit Korrekturluft betriebener Brennstoffeinspeiseinrichtungen kann innerhalb eines Bereiches von 52 bis 5200 mm Hg abs.(1-100 psig),vorzugsweise 103 bis 1080 mm Hg abs.(2-15 psig), größer als der Brennkraftmaschinen-Betriebsdruck sein, der vorzugsweise durch den Brennkraftmaschinendruck durch Messung des Lufteinlaßdruckes zu der Brennkraftmaschine bestimmt wird.

Die relaitven Volumina oder Mengen der eingangs beschriebenen ersten, zweiten, dritten und luftverdünnenden Luftströme sind abhängig von den anderen Betreibsbedingungen. Vorzugsweise kann das Volumen des ersten Luftstromes, der in die Verbrennungszone eingeleitet wird, innerhalb des Bereichs von 0 bis 50, vorzugsweise von 0 bis 30 Vol.% der gesamten Luftmenge der Brennkraftmaschine liegen, wenn eine Betriebsweise während eines Arbeitszyklus aufrechterhalten werden soll, der Leerlauf, geringe Geschwindigkeit, mittlere Geschwindigkeit, hohe Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verlangsamung umfaßt. Das Volumen des zweiten Luftstromes kann innerhalb eines Bereiches •von 0 bis 15, vorzugsweise von 5 bis 12 Vol.% der Gesamtluft der Brennkraftmaschine betragen. Das Volumen des dritten Luftstroms kann in dem Bereich von 5 bis 25, vorzugsweise von 8 bis 18 Vol.% der Gesamtluftmenge der Brennkraftmaschine liegen. Wenn der Betrieb unter stationären Bedingungen abläuft, wie z.B. bei stationären Kraftanlagen oder Antriebseinrichtungen,

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hängen die Volumina der Luftströme von der Belastung oder der erforderlichen Arbeitsgeschwindigkeit ab.

In den meisten Fällen werden der erste, der zweite und der dritte Luftstrom und der Verdünnungsluftstrom von einer gemeinsamen Quelle, wie z.B. ein einziger Kompressor, geliefert, jedoch können diese Luftströme auch von verschiedenen separaten Quellen geliefert v/erden. Separate Heizeinrichtungen können zum Erwärmen der entsprechenden Luftströme vorgesehen sein.

Die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung gewährleistet verschiedene Vorteile. Sie weist geringe Emission auf, ferner ist sie kompakt aufgebaut, so daß sie insbesondere zu platzsparenden Unterbringung, z.Bo unter der Motorhaube eines Kraftfahrzeuges geeignet ist. Die Brennkraftmaschinen gemäß der Erfindung sind jedoch auch für große Kraftanlagen, wie z.B. stationäre Gasturbinen, Wärmeerzeuger usw., geeignet. Die verstellbaren Kopfteile in Verbindung mit den Flammrohren in der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung ermöglichen eine gute Gesamtleistung der Brennkraftmaschine. Das Kopfteil ist in einer relativ kalten, nur wenig beanspruchten Stelle der Brennkraftmaschine untergebracht, d.h. an dem stromaufwärtigen Ende des Flammrohrs. Dieses Bauteil ist ein relativ klein bemessenes Bauteil und weist nur ein einziges bewegbares Teil auf, das sich bei relativer Bewegung von einer geschlossenen Stellung zu einer offenen Stellung bewegen läßt» Aus diesem Grunde ist ein schnelles Reagieren auf sich ändernde Betriebsbedingungen möglich. Durch die Kombination eines verstellbaren Kopfteils mit einem relativ kleinen Flammrohr bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine macht diese besonders geeignet für den Einbau in Fahrzeuge. Im Gegensatz hierzu sind bei den bekannten Brennkraftmaschinen zur Verstellung entsprechend Einrichtungen an mehreren Stellen vorgesehen, wobei auch eine Verstellung des heißen Flammrohrs selbst erforderlich ist. Dies führt zu einem großen sperrigen Aufbau^ der nur wenig verwendet werden

^kann# S09844/0S84

Die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung ist bis zu einem hohen Maße selbsteinstellend betreibbar. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 stabilisiert sich die Flamme bei geringer Brennstoffströmung, z.B. im Leerlauf in der ersten Verbrennungszone 27. Es ist anzunehmen, daß die über die tangentialen Eintrittsschlitze 28 eingeleitete Luft radiale Strömungskomponenten und andere Strömungskomponenten enthält,wobei die tangentiale -Strcmungskomponente überwiegt. Die Strömungskomponenten bewirken die Erzeugung von Turbulenzen zur Bildung von Flammenhaltern, so daß sich die Flamme in den Bereichen stromaufwärts der nach innen konisch verlaufenden Wand der ersten Verbrennungszone stabilisiert. Wenn die Brennstoffströmung zunimmt und die Menge der über das Kopfteil eingespeisten Luft ebenfalls zunimmt, nähert sich die Flamme dem Organ 29 und den anderen tangentialen Lüfteinlaßschlitzen 30, so daß sich eine Kernflamme ausbildet und heiße Verbrennungsprodukte erzeugt werden, so daß ein Teil der über die Schlitze 30 eingeleiteten Luft verwirbelt wird, Unter diesen Bedingungen ist der Kern der Flamme entlang der Achse des Flammrohrs durch die im Uhrzeigersinn auftretende Wirbelbildung der Luft, die über die Schlitze 28 eingeleitet wird, isoliert. Wenn der Brennstoffstrom und der Luftstrom über das Kopfteil weiter zunehmen^ passiert der Kern das Organ 29, die Schlitze 30 und das Organ 32. Die Wirbelbildung im Uhrzeigersinn wird durch die Wirbeibildung im Gegenuhrzeigersinn durch die Luft an den Schlitzen 30 neutralisiert, und die Flamme stabilisiert sich in der zweiten Verbrennungszone 31» die dem sich nach außen erweiternden Wandabschnitt benachbart liegt. Bei hohen Brennstoffströmungen und hohen Luftströmungen as Kopfteil dringt die Flamme weiter in die zweite Verbrennungszone 31 ein und wird in dem breiten Mittelbereich stabilisiert. Wenn der Brennstoffstrom gedrosselt wird₃ weicht die Flamme durch das Flammrohr zurück_s so daß sich ein Kern bildet,und die Flamme stabilisiert sich wiederum in der ersten Verbrennungszone, da die über das Kopfteil eingeleitete Luft ebenfalls gedrosselt wird,, wenn der Brennstoff gedrosselt wird.

B 0 9 8 Λ U ! 0 8 8 U

Die Flammenbildung in der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung wurde beobachtet, indem man in das Flammrohr von der stromabwärtigen Seite blickte. Bei geringen Brennstoffströmungen und bei stabilisierter Flamme in der ersten Verbrennungszone ist die Flamme blau, und die Flammrohrwände sind rot. Der Kern ist nicht leuchtend. Wenn sich die Flamme in der zweiten Verbrennungszone stabilisiert, weist die Flamme einen hellblauen Schleier bei der Bildung von geringen Mengen an NO auf.

Die Flammenbildung bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung ist zumindest zu einem großen Teil selbsteinstellend, was von der Menge des eingeleiteten Brennstoffs, der Regelung der Menge der eingeleiteten Luft über das Kopfteil nach Maßgabe der Brennstoffmenge und durch die Einleitung von zweiten und dritten Luftströmungen in tangentialer Richtung ermöglicht wird. Wie anhand der Ausführungsbeispiele dargelegt, weisen die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung sowie das Verfahren zum Betreiben derselben eine geringe Emission an NO , CO und HC auf. Die Erfindung gibt somit eine Lösung einer der größten Schwierigkeiten bei der Auslegung und Betriebsweise von Brennkraftmaschinen an, so daß nur geringe Emissionen auftreten, d.h. insbesondere wird die Schwierigkeit überwunden, wie der große Bereich der erforderlichen einzuleitenden Luft beherrscht werden kann, wenn die Brennkraftmaschine über einen weiten Leistungsbereich, wie z.B. als Antriebsmaschine, betrieben wird.

Beispiel 1

Anhand von mehreren Versuchen wurden die Kennwerte der Brennkraftmaschine A und einer als Vergleichsbeispiel dienenden Brennkraftmaschine ermittelt, die in Fig. 7 dargestellt ist. Die einzelnen Kennwerte der Brennkraftmaschine A sind in Tabelle I angegeben. Während der Versuchsläufe wurde die Brennkraftmaschine nach Maßgabe eines Testprogrammes betrieben, welches sechs verschiedene Antriebsbedingungen umfaßt, die

R Π 9 R ί,Ι* I Π R 8 /♦

den Lauf eines Fahrzeugs oder eines Antriebs simulieren: Verlangsamung, Leerlauf, geringe Geschwindigkeit, mittlere Geschwindigkeit, hohe Geschwindigkeit und Beschleunigung» Die dabei erhaltenen Kennxverte bei den sechs möglichen Geschwindigkeitsarten sind in Tabelle II aufgeführte

Bei jedem der sechs möglichen Geschwindigkeiten wurde ein Versuchslauf durchgeführt, bei dem ein Luftstrom in die erste Verbrennungszone über tangentiale Einlaßschlitze 28, ein weiterer Luftstrom in die zweite Verbrennungszone über tangentiale Einlaßschlitze 30 und ein weiterer Luftstrom in die Verbrennungszone über die Öffnungen 34 eingeleitet wurden. Die Volumina der Luftströme wurden durch die Größe der Öffnungen, durch die sie eingeleitet werden, bestimmt« Die Schlitze 28 bildeten 9,13^, die Schlitze 30 18,26?4 und die Öffnungen 34 72,6% der gesamten offenen Einlaßfläche des Flammrohrs. Während jedes Laufs wurde das Abgas der Brennkraftmaschine unter den speziellen Methoden, zur Bestimmung der Konzentration von NO , CO und unverbranntem Kohlenwasserstoff (HC) analysiert. Die Analyse basiert auf der SAE-PrüfbeStimmung, d.h. einem Prüfverfahren zum kontinuierlichen Prüfen und Messen von Gasemissionen bei Stahltriebwerken, die von der Society of Automotice Engineers, Inc., New York, Aerospace Recommended Practice 1256 (Oktober 1971) angegeben sind.

Von den Rohdaten wurde der Emissionsindex (Pounds von Verschmutzungen, die pro 1000 lbs. verbranntem Brennstoff erzeugt werden) für NO . CO und HC ermittelt. Die Emissionsindexwerte und die anderen Daten der Tests sind in Tabelle III aufgeführt. Emissionsverhältniswerte, die über den gesamten Laufzyklus auf die Basis der Zeit und des Gewichts des bei jedem Antriebszustand verbrannten Brennstoffs bzw.dessen Menge bezogen sind, wurden bestimmt. Diese Emissionsverhältniswerte sind Kennwerte für die Betriebsweise einer Brennkraftmaschine.

Π q 8 /« /■ / 0 8 8 Λ

Eine weitere Anzahl von Probeläufen mit einer Anzahl von neun Brennkraftmaschinen,die wie die Brennkraftmaschine A ausgebildet waren, wurden durchgeführt. Bei einer Brennkraftmaschine waren die Schlitze 28 verschlossen, indem diese mit einem Stahlband bedeckt waren. Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform einer Brennkraftmaschine waren die Schlitze zur Hälfte geschlossen, indem die Hälfte der lichten Fläche der Schlitze mit einem Stahlband bedeckt war. Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform war ein Distanzstück, z.B. ein Distanzring, zwischen dem Mittelabschnitt des Brennstoffstutzens 22 und dem Kopfteil 42 angeordnet, und eine Anzahl von Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,64 cm (0,25 ") waren in den Distanzring gebohrt, um eine Verbindung zwischen dem Durchlaß 46 in dem Brennstoffstutzen und der Öffnung 48 in dem Kopfteil 42 herzustellen. Hierbei wurde die gesamte wirksame Öffnungsweite der Gesamtöffnungen verändert, über die Luft in die erste Verbrennungszone 27 des Flammrohrs eintritt. Eine homologe Anzahl von zehn Brennkraftmaschinen (die Brennkraftmaschine A ist eingeschlossen) wurde betrieben, indem sich die Mengenverhältnisse in der ersten Verbrennungszone. 27 stöchiometrisch von einem sehr brennstoffreichen bis zu einem sehr brennstoffarmen Gemisch änderten. Der Zweck dieser homologen Serien von Brennkraftmaschinen war die Simulierung einer Brennkraftmaschine mit einem verstellbaren Kopfteil, d.h. einem Kopfteil, bei dem die Luftmenge, die der ersten Verbrennungszone 27 der Brennkraftmaschine zugeführt wird, veränderlich ist und/oder nach Maßgabe des Brennstoffstroms zu der ersten Verbrennungszone 27 steuerbar ist. Die Brennkraftmaschine A und die neun abgewandelten Ausführungsformen lieferten eine Anzahl von Brennkraftmaschinen, bei denen die offene Eintrittsfläche in die erste Verbrennungszone 27 0,0, 4,8, 9,1, 10,7, 11,5, 12,3, 14,5, 16,6, 18,3 und 23,0# der gesamten offenen Einlaßfläche in das Flammrohr der Brennkraftmaschine betrugen.

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Jede der neun verschiedenen Brennkraftmaschinen wurde einem Testprogramm unterzogen, das zuvor beschrieben v/urde. Als Ausnahme war hier jedoch vorgesehen, daß bei der Brennkraftmaschine, bei der die tangentialen Eingangsschlitze 28 verschlossen waren, keine Luft direkt in die erste Verbrennungszone 27 eingeleitet wurde. Nach Maßgabe der Emissionsindexwerte, die von jeder der zehn Brennkraftmaschinen bestimmt wurden (eingeschlossen der Brennkraftmaschine A) v/urde eine Brennkraftmaschine»für jede der sechs Antriebsmöglichkeiten ausgewählt, so daß mit der entsprechenden offenen Eintrittsfläche die geringste NO Emission auftrat. Die auftretenden CO- und HC-Emissionswerte wurden jedem ermittelten NO -Wert gegenübergestellt. Die so ermittelten Werts wurden zur Simulierung einer Brennkraftmaschine zusammengestellt, bei der ein verstellbares Kopfteil vorgesehen ist. Von diesen zusammengestellten Daten wurden die Emissionsverhältnisse für NO , CO und HC, wie beschrieben, ermittelt. Die dabei erhaltenen Meßwerte be einer derartig simulierten Brennkraftmaschine sind in Tabelle IV aufgeführt, wobei eine derartig zusammengesetzte Brennkraftmaschine als Brennkraftmaschine B bezeichnet ist.

Eine weitere Anzahl von Tests wurden durchgeführt, um die Kennwerte der Brennkraftmaschine C, eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, zu ermitteln. Die Brennkraftmaschine C war ungefähr so aufgebaut, wie die in Fig. 1 gezeigte. Die Brennkraftmaschine C weist ein verstellbares Kopfteil 18 auf, durch das die in die erste Verbrennungszone 27 der Brennkraftmaschine eingeleitete Luftmenge veränderbar und/oder nach Maßgabe des Brennkraftstroms zu der ersten Verbrennungszone 27 regelbar ist. Die näheren Angaben zur Auslegung der Brennkraftmaschine C sind in Tabelle I aufgeführt.

Beim Testprogramm wurden einige Probeläufe absolviert, wobei jede der oben beschriebenen sechs Antriebsbedingungen durchlaufen wurde und wobei verschiedene manuell verstellbare Einlaß-Öffnungen am Kopfteil (Prozentzahl des gesamten offenen Einlaßouerschnitts in das Flammrohr und Kopfteil) zur Einleitung einer

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veränderlichen Menge eines ersten Luftstromes zu der ersten Verbrennungszone 27 vorgesehen ist. Hierbei wurde der optimale Öffnungsquerschnitt am Kopfteil, bei dem die niedrigsten NO-Emissionen auftreten, ermittelt, wobei die CO- und HC-Emissionen zur Kontrolle beherrschbar waren. Der Versuchsablauf entspricht den vorstehend erwähnten Maßnahmen. Die Emissionsindexwerte und andere Kennwerte, eingeschlossen den Emissionsverhältnisv/erten der Brennkraftmaschine C, wurden ermittelt, die bei einem optimalen Öffnungsquerschnitt der Öffnungen am Kopfteil auftreten, die in Tabelle V zusammengefaßt sind.

0 9 R U₊ / 0 B B U

Tabelle I

Auslegung der Brennkraftraaschine	A	Kegel	0	B(D	C
Brennkraftmachine Nr.	erwärmt	45	■ (0
Luft am Kopfteil	—		0	axial	axial
Einlaßform	) o	erwärmt			2,4 χ 2,4 ' (0,94)
Offnungsdurchm. cm(in.	0	7,62 ·			4
Anzahl d.Öffnungen		(3,00)
Gesamter Öffnungs	.) ο	tangential		bis 12,6	0 bis 22,9
querschnitt cm2 (sq.in		0,64.		bis 1,96)	0 bis 3,55)
	% d.gesamt.Öffnungsfläche 0	(0,25)		bis 13,8	0 bis 25,3
Brennstoffeinspritzdüse	r0,64x1,27
Sprühbild	(0,25x0,50)
Sprühwinkel, °	8
Flammrohr	6,45
Luft a.d.LStelle	(1,00)
Durchmesser, cm (in.)
	9,13	0
Einlaßform	3,18 (1,25)	0
Anstand v.Brennstoff		CQ
einlaß, cm (in.)	7,93(1,23)
Schlitze, cm (in.)	erwärmt	0
	8,89-
Anzahl d.Schlitze	(3,50)		bis 8
Gesamtschlitzflache,	tangential		bis 6,45	1,00
cm2 (sq. in..)	6,4		bis 1,00)	(1,00)
% d.gesamt.Öffnungs	(2,5}
fläche	0,64x2,54		bis 9,13	9,6 bis 7,10
Auslaßorgan,0 cm (in)	(0,25x1,00)			3,81 (1,50)
Auslaßorgan,Quer- · schnitt cm2(sq.in)	8
Luft a.d.2.Stelle	12.9.			11,42(1,77)
Durchmesser, cm(in.)	(2,00)
	18,26
Einlaßform
Abstand v.Brennstoff-
' einlaß, cm(in.)				6,032 .
Schlitze, cm (in.)		20		(2,375)'
			0,64 χ 1,90
Anzahl d.Schlitze			(0,25x0,75)
Gesamtschlitzfläche,
cm2 (sq.in.)	12,9	7,74
% d.gesamt.Gffnungs-	(2,00)	(1.50)
	,Ibis 15,5	14,40 .bis 10,70

fläche

26Ί64Β2

Tabelle I (Fortsetzung)

Brennkraftmaschine Nr.

Auslaßorgan, 0 cm (in) (2)

Auslaßorgan, Querschnitt cm 2(

Verdünnungsluft an der 3. Stelle, Durchmesser, cm(in.)

Einlaßform

Abstand v.Brennstoffeinlaß, cm(in)

Öffnungen, 0, cm (in.) Anzahl der Öffnungen 5,72 (2,25) 25,6 (3,98)

erwärmt 10,24 (4,03) radial

25,4 (10,00) 2,86 (1,125)

51,3(7,95) 51,3(7,95)

, ⁵'⁰⁸ (2,00)

31,7 (4,91)

,51,3 (7,95)

MqT % d.gesamt.Öffnungsfläche

Länge d.Brennkraftmaschine, cm (in.)

1.Verbrennungszone

cm (in.) 2.Verbrennungszone

cm (in.)

VoI.d.Brennkraftmaschine, cm3 (cu.in.) 1.Verbrennungszone

cm3 (cu.in.)

2.Verbrennungszone

cm3 (cu.in.) 72,61

25,4 (10,00)

5,08 (2,00) 103,2 (8,00)

(94,5 129. (7,9) (86,6)

79,9 bis 61,57 76,00 bis

56,90

1508 (92,0) 139 (8,5) 1368(83,5)

(1) Zusammenstellung einer Anzahl von Brennkraftmaschinen, abgewandelte Ausfüllungsformen der Brennkraftmaschine A, wobei nur die sich ändernden Werte gezeigt sind.

(2) Abgewandelte Ausführungsform der Brennkraftmaschine A, wobei nur die sich ändernden Werte aufgeführt sind.

609844/0

Tabelle II

Prüfbedingungen zur Ermittlung; der Kennwerte der Brennkraftmaschine

Simulierter

Betriebszyklus Betriebsbedingungen

Einlaßluft - Brenn- Wärae-Zustand Zeit Druck Temp. Luftstrom s^off- zufuhr

tot.al CJnJHg.abs (⁰F) ( ib/Sec. ( a j (jb/hr.^b)_( BtqftbI_..Lu£t " Cm * " Vffrli kjfh · cai/g

Verlangsamung ' 10 [90) 2Z1 (1200] Qfl (!,Ποψ^ιϊ (13,5 )&/*>' (50)

Leerlauf ■' 20 (1*5)/'* (10001 53£ (0,72)0.32' " - * —

ger.Geschwinic) 40 (55;ΛΗ> L120C) """ ' ^Äi

mittl.Geschwic) 10 (70)/ 77 (.1200)

hohe Geschw. (c) 10 (90)2** f 12001 ^. . ,_,

Beschleunig^ 10 /lt5|//4- (lOOOY5"3fr(O_r72^!/?.^k ihl'^]/^.^

(a) abs.Feuchtigkeit, eingestellt auf 75 Bestandteile Viasserdampf pro 10,89 kg trockener Luft (p.Ib.trockener Luft) ASTM Jet A Flugtriebwerks-Kerosin

geringe Geschwindigkeit = bis zu 32 km/h (20 Meilen/h); mittlere Geschwindigkeit = von 35 km/h bis 65 km/h
(20 bis 40 Meilen/h);
hohe Geschwindigkeit = über 65 km/h (über 40 Meilen/h).

Tabelle III Kennwerte der Brennkraftmaschine A

Emissionsindex
Abgas/Kgm Brennstoff

Simulierter Betriebszustand

Verlangsamun

Leerlauf

geringe Geschwindigkeit mittlere Geschwindigk.

hohe Geschwindigkeit Beschleunigung

Antriebszyklus

16,44 0,60 0,06
609844/0884

	CO	• HC ·	Druckab fall
	5t88	0,23	%
- 8,72	6.13	0,16	' 6.0
. 8.37 ■	7.85	0.09	?'f
30.22	9^03	0,00	6tk
37, W	5.21.	0,05	6fk
21»", 22	5,68	0,05	6,1
3; 33	2.039	.0,023
6f577		Emissionsverhältnis	•
	(a)

(a) Menge der abgegebenen verschmutzenden Bestandteile über

den simulierten Betriebszyklus (b)

Menge der zugelassenen verschmutzenden Bestandteile durch die Verordnung von 1976 (c)

(b) ermittelt von 23 1/100 km Brennstoffausnutzung (10 mpg)

(c) 0,25 g/km (0,4 g/mi) Ν0_χ, 2,1 g/km (3,4 g/mi) CO und 0,25 g/km (0,41 g/mi) HC'.

Tabelle IV Kennwerte der Brennkraftmaschine B

Emissionsindex, verschmutζend.Bestand-

eile

simulierter Be-

triebszustand

Verlangsamung

Leerlauf

geringe Geschwindigk.

mittl.Geschwindigkeit hohe Geschwindigkeit Be s chi euni gun.g

Tcgm Brennstoff

Druckabfall

NO

0,2 0,3 0,6

3,0

co

55,6

5^2 3,1» 6,5 '

,5

If 5 0,1 0,1 0,0 0,0

'5,0

"δ

Betriebszyklus (gm/mi) (0.970 ) (3.565.) (0.080)

,g/km 0,604 - . 2,"2i0 0,050

V (

Öffnungsfläche am Kopfteil

Total (b).

12,3

23,0

23,0

0,0

0,0

1,05

0.20

siehe Tabelle III

Prozentsatz der gesamten, offenen Fläche, bezogen auf die Brennkraftmaschine (Öffnungsfläche des Kopfteils plus Flammrohr)

Π P R h ^!> f Π ο: s /,

Tabelle V Kennwerte der Brennkraftmaschine C

Emissionsindex

gn verschmutzende Be- Druckst andt eile /kgm Brennstoff _abrall

simulierter Betr. __Ν0_χ_ zustand

Verlangsamung . . 5,31, Leerlauf ■· 1,N» geringe Geschwindgk. O_f57 mittlere Geschwind. O₁.85 hohe Geschwindigkeit: ·- 3.',05 Beschleunigung ": 2>59

Jic— 1~.

• 0,19 0,17 0,18 0,09 0.00 0,00

Betriebszyklus (gm/mi) (o_f 553) (1,828) ( 0,030 )'

^t- Emisaionsrate (a) _. 1,38 0,5k 0,07 .

5;° .· 5,3

I₁O 7,3

Öffnungsflä che am

Kopfteil

9 0

nie

25,1 . 0,0

(51

siehe Tabelle III siehe Tabelle IV

Der Tabelle III läßt sich entnehmen, daß die Brennkraftmaschine A eine Brennkraftmaschine ist, die keine geringe Emission aufweist. Die Regelung der C0-Emission war über den gesamten Bereich der Prüfbedingungen zufriedenstellend. Die HC-Emission war vernachlässigbar, jedoch war die NO -Emission übermäßig.

Durch Vergleich der Emissionsverhältniswerte in den Tabellen III und IV läßt sich aufzeigen, daß die zusammengesetzte Brennkraftmaschine B, deren entsprechende Werte in der Tabelle IV aufgezeigt sind, eine wesentlich verbesserte Brennkraftmaschine bezüglich der Emission darstellt.

Durch den Vergleich der Werte in Tabelle V mit den Werten in den Tabelle III und IV lassen sich die Überlegenheit und die Vorteile der Brennkraftmaschine C, einer Brennkraftmaschine gemäß der Er-

-37- 2 6 1 6 Λ b 2

findung aufzeigen. Basierend auf den Werten und den oben erörterten Feststellungen beim Betrieb der Brennkraftmaschine gemäi3 der Erfindung läßt folgenden Schluß zu: die Brennstoffeinspritzung, die Änderung der Einleitung des ersten Luftstroms nach Maßgabe der Brennstoffeinspritzung und die Einleitung des zweiten Luftstroms in tangentialer Richtung in die erste Verbrennungszone sowie die Einleitung eines tangentialen dritten Luftstroms in die zweite Verbrennungszone sind die wichtigen Einflußgrößen, um diese vorteilhaften Auswirkungen zu erzielen.

Beispiel II

Eine Anzahl von Probenläufen, die denjenigen bei der Brennkraftmaschine A außer den aufgeführten Unterschieden entsprechen, wurde zur Bestimmung der Kennwerte der Brennkraftmaschine X durchgeführt, die zu Vergleichszwecken mit den bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermittelten Meßwerten dienen. Der Aufbau der Brennkraftmaschine X entspricht ungefähr der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform. Die näheren Angaben zu der Auslegung der Brennkraftmaschine X sind in Tabelle VI aufgeführt. Bei diesen Probeläufen wurde die Brennkraftmaschine einem Testprogramm unterworfen, die fünf Betriebszustände umfaßt, welche einen Fahrzeuglauf während eines Betriebszyklus simulieren. Die fünf Betriebszustände umfassen die Verlangsamung (Abbremsen der Maschine), Leerlauf, geringe Geschwindigkeit, hohe Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die Werte, die bei jeder der fünf Betriebszustände auftreten, sind in Tabelle VII aufgeführt.

Wie in Fig. 15 gezeigt, weist die Brennkraftmaschine X ein verstellbares Kopfteil 18 auf, wobei die Menge eines v/eiteren Luftstroms, die in die erste Verbrennungszone 27 der Brennkraftmaschine eingeleitet wird, veränderbar ist und/oder nach Maßgabe des Brennstoffstromes zu der ersten Verbrennungszone 27 regelbar ist.

4/0884

- 33 -

Bei jedem bei den vorstehend angegebenen fünf Betriebszuständen durchgeführten Probeläufen waren verschiedene, manuell verstellbare Öffnungen am Kopfteil (% der gesamten Öffnungsfläche im Flammrohr und dem Kopfteil) vorgesehen, die ein veränderbares Volumen eines ersten Luftstroms zu der ersten Verbrennungszone 27 gestatten, so daß die optimale Öffnungsfläche in dem Kopfteil bestimmt werden kann, bei der die geringste NO -Emission auftritt, ohne daß die CO- undHC-Emission unkontrollierbar wird. Bei jedem Probelauf der Brennkraftmaschine war der gleiche Luftdruckabfall an der Korrekturluft-Brennstoffeinspritzdüse vorhanden.Der Druck des Luftstroms zu der Brennstoffeinspritzdüse 24 war 52 mm Hg (5 psi) größer als der Betriebsdruck der Brennkraftmaschine (Lufteinlaßdruck) bei jedem Lauf.

Während jedes Laufes wurde das Abgas der Brennkraftmaschine analysiert.

Die Emissionsindexwerte und die anderen Werte, die bei den Probeläufen ermittelt wurden, sind in Tabelle ¥111 aufgeführt. Ferner wurden die Emissionsverhältniswerte, die über den gesamten Betriebszyklus auf der Basis der Zeit und der Menge bzw. des Gewichts des bei jedem Betriebszustand verbrannten Brennstoffs bezogen sind, ermitteli

Eine weitere Anzahl von Probeläufen wurde zur Bestimmung der Kennwerte an der Brennkraftmaschine Y, einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, durchgeführt. Die Brennkraftmaschine Y weist einen Aufbau auf, wie er in Fig. 11 gezeigt ist, außer daß die Brennkraftmaschine Y keine Einrichtung enthielt, mit der sich das Volumen oder der Druck der in die Korrekturluft-Brennstoff einspritzdüse eingespeisten Luft nach Maßgabe der Brennstoffströmung regeln läßt. Die Brennkraftmaschine Y wurde einem Testprogramsi unterzogen, das jenem für die Brennkraftmaschine X entspricht. Der Druck des Luftstroms zu der Brennstoffeinspritzdüse 24 war 258 mm Hg (5 psi) größer als der Betriebsdruck der

609844/088 4

Brennkraftmaschine bei jedem Lauf. Die Emissionsindexwerte und die weiteren Werte dieser Probeläufe sind in Tabelle IX zusammengefaßt.

Beispiel

Zwei weitere Serien von Probeläufen wurden zur Ermittlung der Kennwerte einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung durchgeführt. Die Brennkraftmaschine weist einen Aufbau auf, der jenem in Fig. 11 ähnlich ist, wobei eine Einrichtung zum Ändern des Luftdrucks in der Leitung 118 zu der Brennstoffeinspritzdüse 24 nach Maßgabe der Einspeisgeschwindigkeit des Brennstoffs vorgesehen ist. Bei der ersten Anzahl von Probeläufen war der Luftdruck in der Leitung 118 zu der Brennstoffeinspritzdüse 24 103 mm Hg (2 psi) größer als der Betriebsdruck der Brennkraftmaschine beim Lauf. Bei der zweiten Anzahl von Probeläufen war der Luftdruck in der Leitung 118 zu der. Brennstoffeinspritzdüse 24 517 mm Hg (10 psi) größer als der Betriebsdruck der Brennkraftmaschine bei.jedem Lauf. Bei jedem der beiden beschriebenen Serien von Probeläufen wurden die oben beschriebenen fünf Antriebszustände durchlaufen, wobei mehrere manuell verstellbare Öffnungen am Kopfteil zum Einleiten eines veränderbaren · Volumens eines ersten Luftstroms zu der ersten Verbrennungszone 27 vorgesehen waren, so daß die optimale Öffnungsfläche im Kopfteil bestimmt werden kann, bei der die geringste NO-Emission auftritt, ohne daß die Regelung der CO- und HC-Emissionen außer Kontrolle geriet. Jeder dieser Probeläufe wurde doppelt ausgeführt. Bei jedem Probelauf wurden die Abgase analysiert und die Grobdaten entsprechend ermittelt.

Unter Zugrundelegung der Daten des Beispiels 2, bei dem die Brennkraftmaschine bei einem Druckabfall von 258 mm Hg (5 psi) an der Brennstoffeinspritzdüse betrieben wurde, der Daten des Beispiels 3, bei dem die Brennkraftmaschine bei einem Druckabfall von 103 mm Hg (2 psi) an der Brennstoffeinspritzdüse betrieben wurde) und der Daten des Beispiels 3, bei dem die

Brennkraftmaschine bei einem Druckabfall von 517 mm Hg (10 psi) an der Brennstoffeinspritzdüse betrieben wurde, wurde eine Kurve für die Emissionswerte (NO . CO und HC) bezüglich der

JL

Öffnungen am Kopfteil für jeden Druckabfall erstellt.

Von jedem Kurvenzug wurde der Öffnungswert des Kopfteils bestimmt, bei dem die geringste NO -Emission auftritt, ohne daß die Regelbarkeit der CO- und HC-Emissionen verlorengeht. Die so ermittelten Werte von NO , CO und HC-Emissionen wurden dann zur Bestimmung des Emissionsindex und der Emissionsverhältniswerte für eine zusammengesetzte Brennkraftmaschine bestimmt, die einen verstellbaren Kopfteil, einen veränderbaren Luftdruckabfall an der Brennstoffeinspritzdüse bei den angegebenen fünf Betriebszuständen aufweist. Die dabei ermittelten Werte sind in Tabelle X beispielsweise aufgeführt, und diese zusammengesetzte Brennkraftmaschine ist als Brennkraftmaschine Z bezeichnet.

Beispiel 4

Dieses Beispiel dient zur Ermittlung der Kennwerte der Brennkraftmaschine Z.

Unter Zugrundelegung der Kurve aus dem Beispiel 3 bei den Läufen, bei denen 103 mm Hg (2 psi) Luftdruckabfall an der Brennstoffeinspritzdüse auftrat, wurde ein konstanter Öffnungswert des Kopfteils ermittelt, bei dem die geringste NO -Emission bei den niedrigsten Wärmezufuhrgeschwindigkeiten (Verlangsamung) bei den oben angegebenen fünf Betriebszuständen eines Zyklus auftraten, ohne daß die CO- und HC-Emissionen unkontrollierbar geworden wären, wobei stabile Zustände der Brennkraftmaschine eingenommen wurden. Dieser Öffnungswert des Kopfteils lag bei 9,9% der Gesamtöffnungsflache der Brennkraftmaschine (Öffnungen am Kopfteil plus öffnungen am Flammrohr). Der so ermittelte Öffnungswert am Kopfteil wurde dann bei einer Anzahl von Probeläufen verwendet, der aus einem Probelauf für jeden der

fünf Betriebszustand^ des oben beschriebenen Betriebszyklus besteht. Jeder der Probeläufe wurde an einer in Fig. 11 gezeigten Brennkraftmaschine und mit einem Druckabfall an der Brennstoffeinspritzdüse von 103 mm Hg (2 psi) durchgeführt. Bei jedem Lauf wurden die Abgase der Brennkraftmaschine, wie in Beispiel 1, analysiert. Von den Grobdaten wurden der Emissionsindex und die Emissionsverhältniswerte, wie in Beispiel 1, ermittelt. Bei dieser Betriebsart einer Brennkraftmaschine ist ein festes Kopfteil vorgesehen, und es tritt ein konstant bleibender Druckabfall an der Brennstoffeinspritzdüse auf. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle XI aufgeführt.

Beispiel 5

Dieses Beispiel dient zur näheren Ermittlung der Kennwerte der Brennkraftmaschine Z.

Aus den bei Beispiel 3 erstellten drei Kurvenzügen unter Verwendung einer festen Öffnung von 9,9?6 der Gesamtöffnungen der Brennkraftmaschine (Öffnungen am Kopfteil plus Öffnungen des Flammrohrs) am Kopfteil wurde der Luftdruckabfall an der Brennstoffeinspritzdüse bestimmt, bei der die geringste NO -Emission auftritt, ohne daß die Regelbarkeit der CO- und HC-Emissionen bei jedem der fünf Betriebszustände des oben angegebenen Betriebszyklus verlorengeht. Aufgrund dieser ermittelten Emissions-■werte von NO , CO und HC wurden der Emissionsindex und die Emissionsverhältniswerte wie in Beispiel 1 für eine zusammengesetzte Brennkraftmaschine bestimmte die ein festes Kopfteil aufweist, und wobei ein sich ändernder Luftdruckabfall an der Brennstoffeinspritzdüse bei den oben angegebenen fünf Betriebszuständen auftritt. Die sich daraus ergebenden Werte sind in Tabelle XII aufgeführt.

609844/0884 '

Tabelle Auslegung der Brennkraftmaschine

Brennkraftmaschine Nr.

Luft am Kopfteil erwärmt

Einlaßform radial

Abst.v.Brennstoff- 0 (O) einlaß cm (in.)

Offnungsdurchm.cm(in.) 1,90(0,75)

Anzahl d.Öffnungen

gesamter Öffnungs- 0 bis 22.8 querschnitt cm2 (sq.in) (O" 3,53;

%d.gesamt.Öffn.fläche 0 bis 22.7

Auslaßorgan,0,cm(in.) 4,44(1,75)

Auslaßorgan, Quer-,, schnittsfläche cm (sq.in.)

15,5 (2,40) bis 21,2
5,72(2,25)

25,7
(3,98)

Brennstoffeinspritzdüse luftgeregelt Sprühbild Kegel

Sprühwinkel, °

Luftdruck mm Hg(psia) 259 (5)

Flammrohr
Luft a.d.I.Stelle Einlaßform
Abst.v.Brennstoffeinlaß cm (in.) Schlitze, cm (in.)

Anzahl d.Schlitze Gesamtschlitzfläche,

cm2 (sq.in.) % d.gesamt.Öffnungsfläche

Auslaßorgan,0 cm (in. Auslaßorgan,Querschnitt cm2(sq.in.)

Luft a.der 2.Stelle Einlaßform
Abst.v.Brennstoffeinlaß cm (in.) Schlitze, cm (in.)

Anzahl d.Schlitze Gesamtschlitzfläche

cm (sq.in.) % d.gesamt.Öffnungsfläche

erwärmt tangential 1,90(0,75)

0,64 χ 1,27

(0,25 x 0,50)

6,45
(1,00)
8,3 Ms 17,9 7,6 bis 6,0

) 5,08(2,00) 4,44 (1,75)
20,3(3,14) 15,5 (2,40)

erwärmt
tangential
7,29
(2,87)
0,64 χ 1,90

(0,25 x 0,75)

9,68 (1,50)

12,4 bis 9,5 Z*

0 bis 21.2 5,72 (2,25)

25,7
(3,98)

103 bis 620 (2 bis 12)

7,6 bis 6,0

4,44 (1,75) 15,5 (2,40)

11,4 bis 9,0 11,4 bis 9,0

609 a 44/0884

Tabelle VI (Fortsetzung)

Brennkraftmaschine

Nr. X Y* Z*

Auslaßorgan, 0 cm (in·.) 6,35 (2,50)
Auslaßorgan- Querschnitt, cm²(sq.in) 31,7*(4,91)

Luft an der 3.Stelle	erwärmt	68,8
Einlaßform	radial	(10,67)
Abstand v.Brennstoff	26,67	81,0 bis 63,8
einlaß cm (in.)	(10,50)
Gesamtöffnungsflache,	61,6
cm2 (sq.in.)	(9,55)
% d.gesamt.Öffnungsfl.	79,3 bis 61,3
Länge d.Brennkraftma	30,5n
schine, cm (in.)	(12,0)
1.Verbrennungszone	6,4	3720
cm (in.)	(2,5)	(227)
2.Verbrennungszone	20,3	279
cm (in.)	(8,0)	(17)
Volumen d.Brennkraftma	3589 /	3114
schine, cm3 (cu.in.)	(219)	(190)
1.Verbrennungszone	361
cm (in.)	(22)
2.Verbrennungszone	2900
cm (in.)	(177)

68,8 (10,67)

81,0bis63,8

3720 (227) 279 (17) 3114 (190)

wie Brennkraftmaschine X außer den aufgeführten
Abänderungen

609844/0884

Tabelle VII

Prüfbedingungen zur Ermittlung der Kennwerte der Brennkraftmaschine

Simulierter

Betriebszyklus Betriebsbedingungen d.Brennkraftmaschine

Einlaß

Einlaßluft _ „ (^a) BrenQ^ ermittelte

Betriebs- Zeit Druck,.(in) Temp, P²"" stoff- Auslaßgasart % total Hg.abs.(cm(°F)⁰C:strom .strom temp.

Ib/s *o]sTb/s *slh . (⁰F)

Verlangsamung 11.1» [h6))H (1050)566(0.80)0.36 U) 3 f 1220j

Leerlauf(c) (_c) 36.1 [U6)/l? ( 975 \«*1<>ί 75)0.3*0.0) 4.S (1225) 663

geringe GescM. .37 9 " \δ6)Ι<τ2. (1150j (0,96)),«(17) 7.7 A^O) 77^

hohe Geschw. (c) V^ (jOM ⁹^ (1150**' ÜL,3^fclßO)/J.i (15^0) ^3^

Kompressorbe- ντο (581/^7 (1100) U-OO^fiff?) 3^- CS¹JOOl* ^/ü>

schleunigung

* Bei einem stationären Betrieb bei dieser hohen Temperatur tritt ein Versagen der Brennkraftmaschine auf; demzufolge wurden die Emissionen bei diesem Zustand bei einer Brennstoffströmungsgeschwindigkeit von-9,14,18 kg/h (20,30 und 40 lbs/hr) gemessen. Diese Daten wurden zur Schätzung der Emission bei der erforderlichen Brennstoffströmungsgeschwindigkeit von 34 kg/h (75 lbs/hr) durch Extrapolation zugrundegelegt.

(a) abs.Feuchtigkeit bei 75 Teilen Wasserdampf pro 11g pro kg trockener Luft (per pound).

(b) ASTM Jet A Flugzeug-Triebwerks-Kerosin.

(c) Leerlauf = 0 bis weniger als 32 km/h (20 Meilen/hr); geringe Geschwindigkeit von 32 km/h (20 Meilen/hr) bis 65 km/h (40 Meilen /hr); hohe Geschwindigkeit größer als 65 km/h (40 Meilen/hr).

6098 U/0884

Tabelle VIII

Kennwerte der Brennkraftmaschine X

Emissionsindex _

gm verschmutzende Bestandteile /kgm Brennstoff

Simulierter
Betriebszustand

Emissionsindex gm verschmutzende Best.-teile/kgm Brennstoff

Brennst,
einspr.
düse

NO.

CO

HC

abfall druck

Öffnungsfläche am Kopfteil (

Verlangsamung

Leerlauf

geringe Geschwindigk.

hohe Geschwindigkeit

Beschleunigung (a)

Betriebszyklus
Emissionsverh., (b)

2.80 0 23 2,77 8 32

13776

13,36

9,97

3J52

0,Uh 0J3U 0 3»* 0,09 0

2,6
²F¹

2_flt3 0,65 0,16

fö

extrapolierte Werte

Menge der emittierten verschmutzenden Bestandteile

während des simulierten angegebenen Betriebszyklus(c) Menge der zugelassenen verschmutzenden Bestandteile

durch die Bestimmung von 1976 (d)

ermittelter Brennstoffverbrauch 23 1/100 Jcm (10 mpg)

0,25 g/km (0,4 g/mi) N0„, 2,1 g/km (3,4 g/mi) CO und

0,25 g/km (0,41 g/mi) HC.

Prozentsatz der gesamten Öffnungsfläche, Kopfteil

plus Flammrohr

Größer als der Druck der Brennkraftmaschine

609844/0884

Tabelle IX

- Tabelle IX . . __.

Kennwerte der Brennkraftmaschine Y

...... .· Brennst.'-

,· "'■: ■ ■ ■ Emissionsindex ' _D , 1^7 Öffnungs-

gm verschmutzende - ab- *~Luft- fläche am

οj_,,T · __4.^_ _Best./kffinBrerinstoff"_ .,-, , , / \ Kopfteil

Simulierter -r-: *—³ ■ fall ,druck(g) ^1^LZ η7 \

Betriebszustand - jiO __ co ' HC . Jf ^si ) %T:pxaMe J

Verlangsamung .3.27 18.3^ 0.2U 2.6 (.5^] Ψ¹'- ^: 8,7 Leerlauf · ' 3.10 5',90 0.28 2.1 (5 \ ^Hg H^ niedrige Geschwindigk.-. · 0.26 7 11 0 19 1,9 O 7 253 l6»9 hohe Geschwindigkeit . ·. 3J₀₁ 33;& ₀.37 l_f9 C5 19_r6 Beschleunigung (a) 3¹^c q 0 - (5/ "

Betriebszyklus, · " . " ". . ^; Emissionsverhältnis(b) .1*59 0,58 0,13 · '' -'.': ■

(a), (b), (cj, (d), (e), & (g) -; siehe-Fußnoten -Tabelle Vlir \

■·. · . ■· ' ■::■■ ■!·..■ ■ ■ ' ' (f)

·." " ;.;' ".^.'."-'KennWerte der Brennkraftmaschine Z^K ' ■ -.; - :^: ■■'.■■'■ ..^:y: ■ " "" ""^'Brennstoff-

.•:_:V.· ·.··■:/■· . Emis s ions index ' .· IJrltz- ·

-·■"■'... ν gm'verschmutzende Be- '-düse Öffnungs-

"··-■ ":;..:■■·: :. 'standt,/kCTiBrenn -ab-"" Luft fläche am

■Simulierter' "-·-"-.-·" ^tSf'~~ ~—'■ ^I¹ druck(g)^KoP^fteil

Betriebszustand no CO .,_' HC .. _% ( vsi) ^total(e)

~—·^χ— ' " ■- · . mmHg

Verlangsamung 3, 80 23,62 0<31 2,6 (2.0*)103 9_T3

Leerlauf ₀ ^T ₁₅ ^'39 i!o7 2'2 (2JO)1O3 .· 9}9-■

niedrige Geschwindigk. _; Q^₂ 5^05 0J09 '. 2.0 >5jO)25S 16^1

hohe Geschwindigkeit .-3.22 8.91 - 0,17 1»8 (8,5(^)^39 19^

Beschleunigung (a) '. 3.35" 0 .0" - '.[(5t0)258" ~

Betriebszylclus ·.·"■· ' ^ii: :;. ·" j ''■ .·'·'*..'- '?:·=.·"... .

'Emissionsverhältsnis (h) ± i|_t · 0,63 0_P20_:.

,(a), Cb), (c). (d), CeJ, & Ce) i-*iöie'Fußnoten von Tabelle VIII '■ (f) Die angegebenen Werte sind Mittelwerte .der beiden Läufe Xh) Mittelwert von 12,0,-und 5,0. . .· ·';. · - ■'.;;; .'-*·■"' -''■" ■ . '·..

-".' :6098U/08'8 4 "'■'■■ ■ ■" ' "-. -copy

. ·-..■. ·· ORiG'lNAL INSPECTED · .'

Tabelle XI

weitere Angaben über Kennwerte d.Brennkraftmaschine Z

(Beispiel IV)

Emissionsindex gm verschmutzende Bestandt./kgmBrennstoff

Simulierter NO

Betriebszustand

Verlangs amung ι, U k

Leerlauf 0.17

niedrige Geschwindigk. . ·7·62

hohe Geschv/indigkeit 18.75

Beschleunigung (a) I8.98

Betriebszyklus,

Emissionsverhältnis (b) 7,69

CO

HC

Brenn- *_. stoffein-

Druck-· spritz-

_h düse
?°_1!L Luft^ial1 druck(g)

λ/

(psl)mmHg

Öffnungsfläche am Köpft.

.25. T2

15.0T

3.95

5. OCf

0.00

0.39
1.35
0.00
0.00
0.00

2.3

2.1
1.8

2	' 103·
2i
2
2
2J

0.21

(a), (b), (c), (d), (e), 4 (g) -siehe Fußnoten Tabelle VIII

9.9 9.9 9.9 9.9 9*9

Tabelle' XII weitere Angaben über Kennwerte d.Brennkraftmaschine Z

Emissionsindex

Bestandt./kffin Brennst.

(Beispiel V) · ^ ^

^N ^ jBrennstoff-

^g- nuSgfflä-

gm verschmutzende _ , düse ./· ehe am standt/kgm Brennst Γ Luft- ' Kopf-

druck(g) teil _{t s}

Simulierter	irov	CO	HC	%
Betriebszustand	: l.kk '	. 25.72	0.39	2.6
Verlangsamung	.0.17	15.07	•1.35	2.3
Leerlauf	7.30	3.65	0.00	2.1
niedrige Geschwindigk.	17.98	5.32	0.00	1.8
hohe Geschwindigkeit	18.13	0.00	0.00	·■ -
Beschleunigung

5/?
s·/·

Betriebszyklus,
Emis s ionsverhältsnis

(ti) 7.36 0.5t» 0.21

, (b), (c), (d)_f (e), & (g) - siehe Fußnoten-Tabelle VIII

9.9 9.9

9.9* 9.9 9.9

Unter Zugrundelegung der Tabellen III und IV kann festgestellt werden, daß die Brennkraftmaschine Y beträchtlich der Brennkraftmaschine X hinsichtlich der Erzeugung von Emissionen überlegen ist, da die Emissionsverhältniswerte für die Brennkraftmaschine Y beträchtlich geringer sind als die Emissionsverhältniswerte der Brennkraftmaschine X. Ein Hauptunterschied zwischen den Brennkraftmaschinen X und Y besteht darin, daß der kegelförmige Verbindungsabschnitt 41 im Flammrohr der Brennkraftmaschine X (siehe Fig. 15) bei der Brennkraftmaschine Y weggelassen ist, und daß das Flammrohr der Brennkraftmaschine Y mit einem kreisringförmigen, radial verlaufenden Wandteil 33 versehen ist (siehe Fig. 11). Demzufolge trägt das Wandteil 33 direkt zu den besseren Kennwerten der Brennkraftmaschine Y bei.

Unter Zugrundelegung der Tabelle X und im Vergleich zu den Daten der Brennkraftmaschine Z mit den Vierten in der Tabelle IX für die Brennkraftmaschine Y läßt sich feststellen, daß die Brennkraftmaschine Z hinsichtlich der Erzeugung von Emissionen der Brennkraftmaschine Y beträchtlich überlegen ist, da die Emissionsverhältniswerte der Brennkraftmaschine Z beträchtlich geringer als die Emissionsverhältniswerte der Brennkraftmaschine Y sind. Die Brennkraftmaschine Z zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, wobei der Druck oder das Volumen der Korrekturluft zu einer mit Korrekturluft betriebenen Brennstoffeinspritzeinrichtung nach Maßgabe der Brennstoffeinspeisegeschwindigkeit geregelt wird. Bei dem Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine Y wurde der Druck der Korrekturluft zu der mit Korrekturluft betreibbaren Brennstoffeinspritzdüse nicht nach Haßgabe der Brennstoffeinspeisgeschwindigkeit geregelt. Daraus läßt sich entnehmen, daß die Regelung des Luftdruckabfalls an der Brennstoffeinspritzdüse der Brennkraftmaschine Z unmittelbar zu den überraschenden Kennwerten, die in Tabelle X gezeigt sind, beiträgt.

Anhand der Tabellen XI und XII läßt sich aufzeigen, daß das

verstellbare Kopfteil in Verbindung mit der Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung von ausschlaggebender Bedeutung ist, und daß die Regelung der in die erste Verbrennungszone eingespeiste Luftmenge nach Maßgabe der Brennstoffströmungsmenge beim Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung ebenfalls von Bedeutung ist.

Die Bezeichnung "Luft", die in der Beschreibung und in den Ansprüchen gebraucht wird, umfaßt Luft und andere verbrennungsfordernde Gase.

Die Bezeichnungen "Verbrennung" und "teilweise Verbrennung" unter Bezugnahme auf die Verbrennung eines Brennstoffes sind in der Beschreibung und in den Ansprüchen in dem Sinne aufgeführt, daß nicht nur die Verbrennungsabläufe bei einer Flamme, sondern auch andere schnelle Oxydationsvorgänge oder Oxydationsreaktionen damit bezeichnet werden, für die nicht unbedingt eine Flamme erforderlich ist. Solche "schnellen Oxydationenoder Reaktionen" werden im allgemeinen als "Vorflamm-Reaktionen" bei der Verbrennung bezeichnet.

Die Erfindung ist anhand der Beschreibung des Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf einen flüssigen Brennstoff erörtert, jedoch können auch andere Brennstoffe, außer flüssigen Brennstoffen, wie z.B. dampf- oder gasförmige Brennstoffe sowie vorverdampfte, flüssige Brennstoffe verwendet werden.

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Claims (5)

Patentansprüche

1.\ Brennkraftmaschine mit einem Flammrohr, einem Kopfteil, das am stromaufwärtigen Ende des Flammrohrs angeordnet ist, einer Brennstoffeinlaßeinrichtung, die am Kopfteil angeordnet ist und ein Einleiten eines Brennstoffstromes in eine stromaufwärts liegende erste Verbrennungszone des Flammrohrs gestattet, eine erste Lüfteinlaßeinrichtung in dem Kopfteil, welche ein Einleiten eines Luftstromes durch das Kopfteil um die Brennstoffeinlaßeinrichtung und in die erste Verbrennungszone des Flammrohrs gestattet, eine zweite Lufteinlaßeinrichtung, die in der Wand des Flammrohrs angeordnet ist, die ein tangentiales Einleiten eines zweiten Luftstromes in die erste Verbrennungszone tangential zu der Wand gestattet, und einer dritten Lufteinlaßeinrichtung, die in der Wand des Flammrohrs stromabwärts von der zweiten Lufteinlaßeinrichtung angeordnet ist und die ein tangentiales Einleiten eines dritten Luftstromes in eine zweite Verbrennungszone gestattet, die im Flammrohr stromabwärts von der ersten Verbrennungszone liegt und mit dieser in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein kreisförmiges Organ an der stromabwärtigen Seite des Kopfteils (18) angeordnet ist, das ein erstes Organ enthält, das den Auslaß von dem Kopfteil (18) und den Einlaß zu der ersten Verbrennungszone (27) bestimmt, daß die zweite Lufteinlaßeinrichtung eine Mehrzahl von tangentialen Schlitzen (28) aufweist, die durch die Wand des stromabwärtigen Endabschnitts des Flammrohrs (14) benachbart zu dem Auslaß von dem Kopfteil (18) verlaufen, daß ein zweites Organ dem Flammrohr (14) stromabwärts von den tangentialen Schlitzen (28) angeordnet ist,

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das den Auslaß von der ersten Verbrennungszone (27) bestimmt, daß die dritte Lufteinlaßeinrichtung eine Mehrzahl von tangentialen Schlitzen (30) aufweist, die durch die Wand an einem dazwischen liegenden Abschnitt des Flammrohrs benachbart zu und stromabwärts von dem zweiten Organ verlaufen, und daß ein drittes Organ im Flammrohr (14) benachbart zu und stromabwärts von den tangentialen Schlitzen .(30) angeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lufteinlaßeinrichtung in dem Kopfteil (18) wenigstens einen Luftdurchlaß mit veränderbarer Querschnittsfläche, der in dem Kopfteil (18) vorgesehen ist und durch diesen verläuft sowie in Verbindung mit der ersten Verbrennungszone (27) steht,und eine Einrichtung zur Verstellung der Querschnittsfläche des Luftdurchlasses vorgesehen ist, so daß die Menge bzw. das Volumen des ersten in die erste Verbrennungszone (27) eingeleiteten Luftstroms regelbar ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verstellung der Querschnittsfläche des Luftdurchlasses im Kopfteil (18) als eine Einrichtung zur Verstellung der Querschnittsfläche nach Maßgabe der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs zu der Brennkraftmaschine ausgebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandfläche des Flammrohrs (14) sich von der stromabwärtigen Kante der Schlitze (28) zu der stromaufwärtigen Kante des zweiten Organs verjüngt, so daß sich ein konusförmiger, sich verjüngender Durchlaß von den Schlitzen (28) zu dem Organ bildet, und daß die Innenwandfläche des Flammrohrs (14) sich kegelförmig von der stromabwärtigen Kante des dritten Organs nach außen erweitert, so daß sich ein kegelförmig nach außen erweiternder Durchlaß von dem Organ bildet.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Korrekturluft betriebene Kraftstoffeinspritzeinrichtung in dem Kopfteil (18), die das Einleiten eines Brennstoffstromes in die stromaufwärtige erste Verbrennungszone (27) des Flammrohrs (14) gestattet, und eine Einrichtung zur Regelung des Drucks oder des Volumens des Korrekturluftstroms zu der Brennstoffeinlaßeinrichtung vorgesehen ist, die nach Maßgabe der Einspeisgeschwindigkeit des Brennstoffs regelbar ist.

i. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1,3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Innenwandfläche des Flammrohrs (14) von der stromabwärtigen Kante der tangentialen Schlitze (28) zu der stromaufwärtigen Kante des zweiten Organs kegelförmig verjüngt, so daß sich ein kegelförmig nach innen verjüngender Durchlaß von den Schlitzen (28) zu dem Organ bildet, und daß ein kreisringförmiges, axial verlaufendes Wandteil (33) vorgesehen ist, das in das Flammrohr (14) benachbart zu der stromabwärtigen Kante der tangentialen Schlitze (30) hineinreicht, und daß das dritte Organ in diesem Wandteil (33) angeordnet ist.

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