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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung gleichbleibender Gasmischungen
aus Gasströmen von~veränderlicher Geschwindigkeit.
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Die Lösung der Aufgabe, aus zwei oder mehreren Gasströmen ein gleichbleibend
zusammengesetztes Gemisch von veränderlicher Strömuugsgesclzwindigkeit herzustellen,
wurde bereits mehrfach versucht.
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Man hat als eine der Bedingungen dafür erkann, daß zur Einspeisung
der Gaskomponenten in die Mischkammer Ventile verwendet werden müssen, deren Öffnungsquerschnitte
zueinander in festem Verhältnis stehen. Weiterhin
ist bekannt,
daß die Behälter, aus denen die Gaskomponenten entnommen werden, unter gleichem
Druck stehen.
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Zur Herstellung gleichbleibend zusammengesetzter Gemische bei weitem
Änderungsbereich der Strömungsgeschwindigkeit ist aber darüber hinaus die Erfüllung
folgender Bedingungen erforderlich: I. Der Zustrom der Komponenten aus den Vorratsbehältern
in die gemeinsame Mischklammer, bei veränderlichem Druck in der Mischkammer, muß
stets unter gleichem Druckgefälle erfolgen. Diese Bedingung ist bei den bekannten
Einrichtungen nicht erfüllt, und zwar deshalb nicht, weil dort Mischkammern verwendet
werden, in denen der Gasdruck hinter (in der Strömungsrichtung) den Zutrittsöffnungen
nicht der gleiche ist. Diese Ungleichheit ist darin begründet, daß die Gasströme
in diese Mischkarmnern nicht ohne gegenseitige Beeinflussung hintereinander eingespeist
werden. Erforderlich ist aber eine voneinander unabhängige, parallele Anordnung
der Austrittsöffnungen in die Mischkammer. Werden also durch Wahl gleicher Anfangs
drucke (in den Vorratsbehältern) und gleicher Enddrucke (in der gemeinsamen Mischkammer)
gleiche Druckgefälle in den Zuführungen (als Zuführung wird verstanden das System
bestehend aus Zuleitung und Ausströmöffnung) für die verschiedenen Komponenten hergestellt,
so ist die Bedingung I erfüllt.
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2. Das gleiche Druckgefälle muß auch gleiche Strömungsgeschwindigkeiten
in den verschiedenen Zuleitungen hervorbringen. Zu diesem Ende muß der Strömungswiderstand
der verschiedenen Zuleitung bei veränderlicher Strömungsgeschwindigkeit untereinander
gleich bleiben oder sich in gleichem Maße ändern. Nun ist der Strömungswiderstand
einer Zuleitung bedingt durch zwei Faktoren, nämlich den Reibungswiderstand (Flächenreibung)
und den Kontraktionswiderstand des Gasstromes in der Ausflußöffnung. Es erscheint
möglich, diese Faktoren für die verschiedenen Zuleitungen rein empirisch untereinander
abzustimmen.
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Erfahrungsgemäß liefert aber die empirische Einstellung unbrauchbar
enge Grenzen der Bereiche der Strömungsgeschwindigkeiten.
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Zweckmäßig ist es, prinzipiell übersichtliche Verhältnisse zu schaffen.
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Dies geschieht erfindungsgemäß in der Weise, daß man von den obengenannten
beiden Faktoren den einen, den Reibungswiderstand, klein hält, und zwar dadurch,
daß man kurze weite Zuleitung verwendet und diese so formt, daß das geringe unvermeidliche
Druckgefälle in den verschiedenen Zuleitungen durch symmetrischen Bau untereinander
gleich bleibt.
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Außerdem werden die Ausströmöffnungen in die Mischkammer-Öffnungen
(Ventile, Schieber usw.) mit praktisch verschwindendem Reiblingswiderstand gewählt.
Solche sind physikalisch als Öffnungen in unendlich dünner Wand, technisch als Mündungen
in dünner Wand bekannt. Sie sind dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen aus Kanten
oder Schneiden gebildet sind.
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Der zweite Faktor, der Kontraktionswiderstand, ist durch Wahl on
Mündungen in dünner Wand in seiner Wirkung gleichfalls klar übersichtlich. Wählt
man als Ausströmöffnungen solche Mündungen von geometrisch ähnlichem Bau, dann wird
bekanntlich erreicht, daß für die verschiedenen Mündungen bei wechselndem Druckgefälle
die Ausflußkoeffizienten in konstantem Verhältnis zueinander stehen.
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Es ändert sich also der Strömungswiderstand durch Wahl geometrisch
ähnlicher Mündungen in allen Zuleitungen in gleichem Maße. Damit ist Bedingung 2
erfüllt.
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Gleiche Änderung des Druckgefälles und des Strömungswiderstandes
in den verschiedenen Zuleitungen bedingen aber konstante Zusammensetzung des Gasgemisches.
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Auf beiliegender Zeichnung ist eine zur Ausführung des Verfahrens
bestimmte Einrichtung in mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
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Abb. I zeigt eine schematische Darstellung, während in den Abb. 2
bis 5 Ventilanordnungen gemäß der Erfindung dargestellt sind.
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Die Mischkammer K1,2nach Abb. I empfängt die Mischungsbestandteile
durch die räumlich getrennten, ähnlich gestalteten OffnungenO, und 02. Die Mischkammer
ist so gestaltet, daß der Durchfluß der Gase nach dem Reaktionsraum kein von der
Geschwindigkeit abhängiges Druckgefälle innerhalb der Mischkammer zwischen O und
02 hervorbringt. Die Größe der Querschnitte O und 02 läßt sich einzeln willkürlich
einstellen. Ist die Einstellung erfolgt, so können beide gemeinsam stets noch willkürlich
in ihrer Größe so verändert werden, daß das Querschnittsverhältnis dabei dasselbe
bleibt. Die Zahl der Öffnungen richtet sich nach der Zahl der Mischungsbestandteile.
Im allgemeinen werden zwei Mischungsbestandteile allein in Frage kommen, so daß
nur zwei Öffnungen erforderlich sind. Von diesen kann eine oder beide aus konstruktiven
Gründen unterteilt werden. Für die Durchgangsmenge an jeder Öffnung ist das Produkt
aus dem Öffnungsquerschnitt und der Strömungsgeschwindigkeit bestimmend. Die Strömungsgeschwindigkeit
ihrerseits wird durch die Drucke auf beiden Seiten der Öffnung, die Gasdichte und
den Ausströwsungskoeffisienten der Öffnung bestimmt. Wird der Einfluß der Ausströmungskoeffizienten
durch ähnlichen Bau der Ausströmöffnungen genügend herabgedrückt, so reicht die
Bedingung P''1 = P"2 hin, um bei
wechselndem Drucke in der Mischkammer
und in den Zuführungsleitungen ein konstantes Mischungsverhältnis herbeizuführen.
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Die Drucke P"1 und P"2 unmittelbar an der Ausströmöffnung können
nicht durch örtliche Regulierung gleichgemacht werden. Eine solche Regulierung wird
vielmehr in einigem Abstande von der Ausströmöffnung erfolgen müssen, so daß zwischen
der Stelle der Regulierung und der Öffnung ein Leitungsstück übrig bleibt, das in
Abb. I mit M1 bzw. M2 bezeichnet ist. Die am Eingang dieses Leitungsstückes bestehenden
Drucke P'1 und P'2 können mit bekannten Hilfsmitteln (Druckregler D und2) gleichgehaltenwerden.
DieAbmessungen und die Einrichtung der Leitungsstücke sind dann am vollkommensten,
wenn der Druckabfall in ihnen, also die Differenzen P' P"1 und P'2 - P"2 Null sind.
Dies ist im allgemeinen nicht zu erreichen, ohne daß Querschnitte für die Leitungen
M1 und M2 gewählt werden, die von unhandlicher Größe sind. Es genügt aber, die Leitungsstücke
so zu gestalten, daß diese Druckdifferenzen im ganzen Bereiche der benutzten Strömungsgeschwindigkeiten
nahezu gleich sind. Bezeichnet man den Druck in der Mischkammer mit P1,2 und die
Differenz (P - P"1) - (P'2 - P"2) mit A, so ist für das gute Funktionieren des Apparates
ausreichend, daß A im ganzen Regulierbereiche sehr klein gegen P' - P1, ist, wo
P' sowohl P'1 wie P'2 bedeuten darf. Es versteht sich von selbst, daß einer der
Druckregler oder beide wegfallen können, wenn durch andere Bedingungen dafür gesorgt
ist, daß den Leitungsstücken M1 und M2 die Gase mit dem verlangten Drucke zugeführt
werden. Ein solcher Fall liegt vor, wenn eines der Gase die gewöhnliche Luft ist
die aus der freien Atmosphäre entnommen wird. In diesem Falle kann auf der Luftseite
der Druckregler entbehrt werden, da die freie Atmosphäre mit genügender Annäherung
als ein Behälter von unendlich großer Kapazität und gleichbleibendem Drucke wirkt.
Die Schwanlnwgen des atmosphärischen Druckes werden dadurch ausgeschaltet, daß der
Druckregler auf der Gasseite vermöge seiner Konstruktion stets auf den jeweiligen
Atmosphärendruck einregelt.
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Die Öffnungen O und 02 werden durch Ventile von praktisch verschwindender
Sitzbreite gesteuert. Ein solches Ventil ist schematisch in Abb. 2 dargestellt.
Dasselbe gilt, wenn statt der Ventile Schieber, Blenden oder andere ähnliche Drossel-
und Abschluß organe gesetzt werden. Dabei ist stets entscheidend, daß der Kanal,
der sich für den Gasdurchgang öffnet, wenn das Abschlußorgan aus der Schließstellung
entfernt wird, außerordentlich kurz - in der Richtung der Gassfrömung - ist.
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Ein besonders wichtiger Fall der behandelten Aufgabe tritt bei den
Explosionsmotoren (Verpuffungsmaschinen) mit wechselnder Betriebsbelastung (Fahrzeugmotoren)
auf, bei welchen der Reaktionsraum (Zylinder des Motors) eine veränderliche Menge
eines gleichbleibenden Gemisches von Luft und Brennstoff erhalten soll (Quantitätsregulierung).
Die Luft entspricht hier dem Gase G1 (s. Abb. 3), der Brennstoff entspricht, wenn
er gasförmig ist (z.B. Acetylen), dem Gas G2. Ist er flüssig, so wird er in Form
von Dampf oder Tröpfchen einer zur Verbrennung unzureichenden Luftmenge in konstantem
Verhältnis einverleibt und diese Gasmasse als Gas G2 verwendet.
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Die technische Ausgestaltung der Anordnung zu einer Mischdrossel
ist in Abb. 3, 4, 5 in drei Beispielen gegeben, deren Auswahl sich danach bestimmt,
ob das Mischungsverhältnis in der Nähe von 6: I (Abb. 3) oder von 1: 1 (Abb. 4)
oder von 40 : I (Abb.5) gewählt werden soll. In Abb. 3 wird die Luft G1 durch die
Leitung M1, das brenbare Gas G2 durch M2 zugeführt. Der Eintritt in die Mischkammer
K1,2 liegt für die Luft am Fußende, für das brennbare Gas ein Stück darüber. An
beiden Eintrittsöffnungen sitzen Ventile, die aus einem Ventilkörper in Gestalt
einer ebenen Platte und aus Ventilsitzen bestehen, die beim Gasventil eine Ringschneide,
beim Luftventil eine Ringkante bilden. Die Ringschneide ist auswechselbar. Je nachdem
man sie mit weiterer oder engerer Öffnung wählt, erreicht man, daß das Ventil ein
kleineres oder größeres Mischungsverhältnis G1 : G2 einstellt. Die Ventilkörper
beider Ventile sind konaxial starr miteinander verbunden, und zwar so, daß der Abstand
vom Ventilsitz - die Hubhöhe des Ventils - bei jeder Stellung der Ventilteller für
beide Ventile der gleiche ist.
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Die Durchgangsöffnungen der Ventile sind gegeben durch die Produkte
aus Sitzumfang und Hubhöhe. Sofern die Hubhöhen bei beiden Ventilen die gleichen
sind, so verhalten sich die Durchgangsöffnungen wie die Sitzumfänge oder wie die
Durchmesser der Sitzöffnungen.
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In Abb. 4 sind die Sitzöffnungen von gleicher Größe, entsprechend
einem Mischungsverhältnis der beiden Gase von I : I. Die konaxiale starre Verbindung
der beiden Ventilteller ist hier so ausgeführt, daß durch sie die Wirkung der Druckunterschiede
P"-P1,2 auf die gemeinsame Achse Z sich aufhebt. Die Mischkammer K1,2 ist horizontal
gelagert und die Einströmungsöffnungen beider Gase an gegenüberliegenden Stellen
angeordnet.
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In Abb. 5 ist eine Unterteilung und Ausbildung der Einströmungsöffnungen
für das eine der Gase zu einem zweisitzigen Ringventile entsprechend einem sehr
großen Mischungsverhältnis von G1 : G2 angegeben.
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In allen Fällen ist die Hubhöhe der beiden konaxialen starr verbundenen
Ventilkörper willkürlich,
z. B. von Hand durch eine Zugstange oder
Schraube, veränderlich. Soll ein bestimmter Betriebszustand, z. B. gleiche Tourenzahl,
möglichst unverändert erhalten werden, so wird statt der willkürlichen Verstellung
eine automatische gewählt, bei der 7. B. ein Zentrifugalregulator die Verstellung
betätigt. Die Verstellung wird durch zwei Anschläge begrenzt.
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Der obere Anschlag ist so gewählt, daß das Produkt aus Sitzumfang
und Hubhöhe bei jedem Ventil noch merklich kleiner bleibt als der Querschnitt der
Sitzöffnung. Die genaue Lage wird am besten durch experimentelle Bestimmung der
Grenze gewonnen, an welcher bei weiterer Vergrößerung der Hubhöhe das Mischungsverhältnis
der Gase in dem untersuchten Geschwindigkeitsbereich sich ändert.
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Als anderer Anschlag kann der Ventilsitz dienen.
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Zweckmäßig aber wird zur Schonung der Kanten und Schneiden der Anschlag
so gewählt, daß sich Ventilkörper und Ventilsitz auch in der tiefsten Lage nicht
berühren, sondern stets einen winzigen Spalt offen lassen. Bei der Verwendung für
Fahrzeugmotore wählt man diesen Spalt zweckmäßig so, daß er gerade den Durchgang
der Gasmengen erlaubt, die im Leerlauf verbraucht werden. In dem durch die beiden
Anschläge gekennzeichneten Bereiche der Hubhöhen erzielt man durch Vermehrung der
Hubhöhe eine stärkere oder schwächere Beschickung der Mischkammer und des an sie
anschließenden Reaktionsraumes mit dem hinsichtlich seiner Zusammensetzung praktisch
unverändert bleibenden Gemisch.
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Das Verfahren und die Anordnung, die im vorstehenden beschrieben
sind, erreichen zwar die Unabhängigkeit des Mischungsyerhältnisses von der Strömungsgeschwindigkeit
am vollkommensten, wenn die eingestellten Drucke P'1und P' gleich sind. Die Erfahrung
hat aber ergeben, daß es unter speziellen Umständen Vorteile bietet, willkürlich
kleine Unterschiede dieser Drucke einzuführen. Die Unabhängigkeit des Mischungsverhältnisses
von der Strömungsgeschwindigkeit wird dadurch unvollkommener, aber man erreicht
eine Änderung des Mischungsverhältnisses, z. B. ohne Auswechselung der Ringschneide
(Abb. 3). Die einseitige Druckänderung kann also als ein Behelf bei Mangel einer
geeigneten Ringschneide dienen. Es kann ferner der Fall vorkommen, daß man praktisch
genötigt ist, an der oberen Grenze des Regulierbereiches zu arbeiten, welches bei
gleichen Einstellungsdrucken zur Verfügung steht. In diesem Fall kann man unter
Umständen mit Vorteil durch einen kleinen Unterschied der Einstellungsdrucke, den
man willkürlich hervorbringt, das Regulierbereich nach oben erweitern, indem man
es gleichzeitig nach unten stark einengt.