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Verfahren zum Betrieb von Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen,
mit festen Brennstoffen, vorzugsweise Kohlenstaub, unter Zusatz eines Zündbrennstoffes
Es ist bereits vorgeschlagen worden, das Verfahren zum Betriebe von Brennkraftinaschinen
mit festen Brennstoffen, insbesondere Kohlenstaub, so zu handhaben, daß der Kohlenstaubladung
ein besonderer Zündbrennstoff zur Erzielung vollständiger und zur Vermeidung schleichender
Verbrennung zugesetzt wird. Es sind weiter bereits Mittel und Wege gefunden worden,
um bei gleichgebliebener Güte der Verbrennung des Zusatzes eines besonderen Zündbrennstoffes
bei der Einleitung und Durchführung der Kohlenstaube erbrennung entbehren zu können.
Dieser Erfolg konnte jedoch nur mit Zulassung höherer Temperaturen wie bisher erkauft
werden; wenn man auch gelernt hat, diese hohen Temperaturen sicher zu beherrschen,
so gibt es doch Fälle, in denen, beispielsweise durch Beschränkung in den zur Verfügung
stehenden Kühlwassermengen, es geboten ist, die abzuführenden Wärmemengen und damit
die Temperaturen niedrig zu halten, so daß man wieder zu dem Mittel des Zündbrennstoffzusatzes
greifen mußte. Es hat sich nun gezeigt, daß die erfolgreiche Anwendung dieses Mittels
bestimmten Voraussetzungen unterliegt, deren Erkenntnis die Grundlage vorliegender
Erfindung bildet.
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In der Natur der Verbrennung fester Brennstoffe, insbesondere feinster
Kohlenstaubteilchen, liegt es nämlich, daß eine über die gesamte Verpuffungskammer
theoretisch homogene Verbrennung nicht zu erreichen ist; es werden immer noch einige
Kohlenstaubteilchen anfangen zu verbrennen oder noch verbrennen, wenn die weitaus
überwiegende Hauptmasse der Kohlenstaubladung, d. h. praktisch die Hauptmasse derselben
überhaupt, bereits verbrannt ist und die Ausspülung des Verbrennungsraumes begonnen
oder bereits geendet hat. Würde man nun in der bereits vorgeschlagenen Art und Weise
den Zündbrennstoff mit der neuen Kohlenstaubladung in die Verpuffungskammer einführen,
so würde sich der Zündbrennstoff schon an'einem einzigen der nachverbrennenden Kohlenstaubteilchen
entzünden und eine Frühzündung eintreten können, die nicht nur in den vorgeschriebenen
Ablauf des Arbeitsverfahrens (in den Zyklus) störend eingreifen, sondern auch die
Einlaßventile oder die in den Zufuhrleitungen angeordneten Sicherheitsvorrichtungen
(Rückschlagventile, Bremskammern usw.) in Tätigkeit setzen würde, so daß die Frühzündung
überdies von einer schwachen, wirkungslosen Verbrennung begleitet sein würde.
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Vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, diese Schwierigkeiten zu
vermeiden. Erfindungsgemäß soll in die Verpuffungskammer zunächst die gesamte feste
Brennstoffladung, insbesondere die Kohlenstaubladung, dann die Zündbrennstoffmenge
eingeführt werden, worauf nach beendeter Einführung beider Stoffe die Fremdzündung
des Gemisches erfolgt.
Die- Lufteinführung, die zweckmäßig bereits
mit der Kohlenstaubeinführung begonnen hat, kann dabei bis zum Ende der Zündbrennstoffeinführung
andauern. Im letzteren Falle entsteht der Vorteil, daß die nach der Kohlenstaubeinladung
noch weiter zuströmende Verbrennungs- oder Ladeluft alle Kohlenstaub führenden Wege
von Kohlenstaubteilchen ausbläst, so daß die Gefahr des Auftretens einer betriebsgefährlichen
Vorzündung im nachfolgenden Arbeitstakt herabgesetzt wird.
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Sieht man nicht die besonderen Maßnahmen vor, die eine Einleitung
und Durchführung der Kohlenstaubverbrennung ohne den Zusatz eines besonderen Zündbrennstoffes
erst ermöglicht haben, so besteht keine Gefahr, daß die der Einführung des Zündbrennstoffes
vorausgehende Ladung der Verpuffungskammer mit Kohlenstaub oder mit Kohlenstaubluftgemisch
zu einer vorzeitigen Entzündung der Ladung durch nachverbrennende Kohlenstaubteilchen
aus dem voraufgegangenen Verbrennungsvorgang führt. Andererseits ist es nicht ausgeschlossen,
daß sich bereits die ersten Teilchen des in die Verpuffungskammer eingespeisten
Zündbrennstoffes an im Verbrennungsraum gebliebenen glühenden oder verbrennenden
Kohlenstaubteilchen entzünden und vor Einspeisung der vorgesehenen Zündbrennstoffgesamtmenge
die Verbrennung der Kohlenstaubladung einsetzt. Das Eintreten dieser Möglichkeit
ist jedoch bedeutungslos, da einmal bereits die Gesamtmenge des zu verbrennenden
Betriebsbrennstoffes in die Kammer eingeführt ist, so daß eine kräftige, vollwertige
Verbrennung erhalten wird, ein andermal die Aufgabe des Zündbrennstoffes eine vollkommene,
nicht schleichende Verbrennung herbeizuführen, erfüllt ist. Im übrigen hat man es
in der Hand, die Art der Einführung, die auch durch andere, weiter unten zu erörternde
Gesichtspunkte bestimmt ist, so zu handhaben, daß Verschiebungen in dem Zeitpunkt,
in dem die Entflammung eintritt, unerheblich bleiben. Ein derartiges Mittel ist
beispielsweise die kurzzeitige Einführung unter so hohem Druck, daß in der kurzen
Zeit eine genügende Zündbrennstoffmenge in die Verpuffungskammer eingeführt wird.
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Bei Dieselmaschinen ist es bereits bekannt geworden, den leicht zündenden
Brennstoff gleichzeitig mit oder kurz nach Einführung des schwer zündenden Brennstoffes
in die Verbrennungsräume einzuspritzen. Man ging dabei von der Vorstellung aus,
daß der voreingeführte Schwerbrennstoff bereits zu verdampfen beginnt, so daß die
Zündung erleichtert wird. Bei Verpuffungskammern fehlt aber völlig die bis zum Selbstzündpunkt
getriebene Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft durch Verdichtung innerhalb des
Verbrennungsraumes, so daß das für Dieselbrennkraftmaschinen bekannt gewordene Verfahren
für den Betrieb von Verpuffungskammern ungeeignet war. Außerdem fehlt bei einem
derartigen Verfahren die gemäß vorliegender Erfindung gewährte Möglichkeit, daß
sich der leicht zündende Brennstoff vor der Fremdzündung zwischen die schwer zündenden
Brennstoffteilchen einlagert und auf diese Weise die Enffiammung erleichtert. Bei
dem bekannten Verfahren erfolgt die Zündung unmittelbar bei Einführung des leicht
zündenden Brennstoffes, so daß keinerlei Zeit zur Umhüllung des schwer zündenden
Brennstoffes mit leicht zündendem Brennstoff verbleibt.
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Für Brennkraftkolbenmaschinen. in denen die Verbrennung unter gleichbleibendem
Volumen vor sich geht, hat man weiter vorgeschlagen, Zündbrennstoff im Augenblick
der beabsichtigten Verpuffung einzuleiten oder das Kohlenstaubluftgemisch mit gasförmigem
Zündbrennstoff zu vermischen.
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Beide Verfahren scheiden für den Betrieb von Verpuffungsbrennkraftturbinen
aus, weil die Gefahr aüftritt, daß die Entflamniung bereits mit Beginn der Gemischeinführung
eintritt.
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Schließlich entspricht es einem früheren Vorschlag, den Zündbrennstoff
in die Verpuffungskammer nach Beginn der Kohlenstaubladung einzuführen, während
gemäß vorliegender Erfindung die gesamte Kohlenstaubladung eingeführt wird, ehe
die Zündbrennstoffeinladung erfolgt.
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Die Art der Einführung der Kohlenstaub-und Zündbrennstoffladung unterliegt
weiteren Bedingungen hinsichtlich der Anordnung der die Ladungen bewirkenden Vorrichtungen.
Theoretische t%berlegungen, bestätigt durch Versuche, haben nämlich ergeben, daß
zur Entflammung der Kohlenstaubladung weniger die Stichflammenwirkung des zur Verbrennung
gelangenden Zündbrennstoffes, sondern eine Wirkung beiträgt, die durch die Umhüllung
eines Kohlenstaubkernes mit einer Zündbrennstoffatmosphäre entsteht; mit anderen
Worten, die wirksame Durchführung des Verfahrens hängt davon ab, daß die Anordnung
der Ladungsvorrichtungen so getroffen wird, daß diese Umhüllung der Kohlenstaubteilchen
mit leicht zündendem Brennstoff gewährleistet ist. Am wirksamsten hat sich in Durchführung
dieses Erfindungsgedankens eine konzentrische Anordnung der Ladungsventile in Bestätigung
der Überlegung herausgestellt, - daß in diesem Falle durch Gleichartigkeit des Stromfädenverlaufs
in der Verpuffungskammer die Verteilung der Zündbrennstoffteilchen
ähnlich
der der Kohlenstaubteilchen wird und damit die vorteilhaftesten Bedingungen gewährt
werden, unter denen sich um die einzelnen Kohlenstaubkerne Zündbrennstoffatmosphären
bilden oder sich wenigstens an Kohlenstaubkerne Zündbrennstoffteilchen anlagern
können.
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Um vor den gefährlichen Durchschlägen in die Luft- und Zündbrennstoffzufuhrleitungen
geschützt zu sein, wird in weiterer Durchführung der Erfindung der Zündbrennstoff
der Verbrennungs- und gegebenenfalls der Ladeluft schon vor den in den Luft-, Gas-
oder Gasnebelweg eingeschalteten Sicherungsvorrichtungen (Rückschlagventilen, Bremskammern
usw.) zugesetzt. Erfolgt ein Durchschlag eines Überdruckes, so betätigt dieser die
Sicherungsvorrichtungen, so daß gefährliche Überbeanspruchungen der Zufuhrleitungen
vermieden werden.
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Da immerhin die vor diesen Sicherungsvorrichtungen. oder vor den in
Frage kommenden Teilen derselben zur Verpuffungskammer hin liegenden Räume, insbesondere
diejenigen des zur Aufnahme der Brennstoff-, Luft- und Zündbrennstoffeinlaßvorrichtungen
dienenden Ventilkastens in dem Maße drucksicher ausgebildet sein müssen, in dem
auch die Verpuffungskammer drucksicher ist, so besteht der Ventilkasten mit der
Verpuffungskammer vorteilhaft aus einem einzigen Stück. Der Fortfall eines Verbindungsstückes
zwischen Ventilkasten und Verpuffungskammer oder der Fortfall der getrennten Ausbildung
zwischen Ventilkasten und Verpuffungskammer hat den weiteren Vorteil, daß die Unregelmäßigkeiten
im Wandungsverlauf, die zur Bildung von Asche und Schlackekrusten führen können,
mit ihren dadurch hervorgerufenen Störungen in der Durchsetzung der Verpuffungskammer
mit Brennstoff- und Zündbrennstoffteilchen und in der erforderlichen Mischung derselben
entfallen.
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Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens,
und zwar stellt Abb. r die erfindungsgemäße Aufeinanderfolge der Brennstoff- und
Zündbrennstoffladungen im Druckzeitdiagramm einer Brennkraftturbine mit Verpuffungsverfahren,
Abb. 2 einen Längsschnitt durch den Ventillasten, die Kohlenstaub-, Luft- und Zündbrennstoffeinführungsventile
und die angrenzenden Teile der Verpuff ungskammer in einem Ausführungsbeispiel mit
Einführung des Zündbrennstoffes in den Luftweg dar: Abb. 3 gibt eine Ausführung
des Erfindungsgedankens am Beispiel der Ausbildung des Zündbrennstoffeinführungsventils
als vom Kohlenstaubeinlaßventil unabhängiges Nadelventil wieder. Abb. 3a zeigt einen
senkrechten Querschnitt nach Linie A-D der Abb. i in vergrößertem Maßstabe, in Pfeilrichtung
gesehen, Abb.3b eine besondere Ausführung des Kohlenstaubeinlaßventils im geöffneten
Zustand. Abb. 4. stellt schließlich einen Längsschnitt durch den Ventilkasten und
die angrenzenden Teile der Verpuffungskammer in Ergänzung zu Abb. 2 dar.
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In dem Diagramm der Abb. z sind als Ordinaten die Drücke, als Abszissen
die Zeiten abgetragen. In dem Punkte DIT-Ö wird gegebenenfalls durch Wirkung des
Verbrennungsdruckes das Düsenventil aufgeschlagen und die Verbrennungsgase über
das geöffnete Düsenventil zum Laufrad. hin aus der Verpuffungskatmner entlassen.
Im Punkte L l'-Ö ist eine genügende Entspannung des Kammerinhaltes eingetreten,
so daß durch Öffnung des Lufteinlaßventils die Ausspülung der in der Kammer verbliebenen
Verbrennungsrückstände über das geöffnete Düsenventil während der Spülzeit Sp bewirkt
wird. In der Zeit DVo bleibt also das Düsenventil zur Bewirtung der Spülung offen,
um sich in Zeit DV-S zu schließen; der vollständige SChlüß ist im Zeitpunkt DV-S
bei beendeter Spülung Sp durchgeführt. Unmittelbar nach dein Zeitpunkt DV-S tritt
die Öffnung des Kohlenstaubventils ein: die Einladung des Kohlenstaubes in die Verbrennungskammer
nimmt die Zeit K in Anspruch. Erst nachdem die Kohlenstaubeinladung vollständig
bewirkt worden ist, wird das Zündbrennstoffeinlaßv entil geöffnet; die Einführung
des Zündbrennstoffes geschieht während der Zeit Z_1.1. Mit dem Zündbrennstoffeinlaßventil
schließt sich im Zeitpunkt LV-S das Lufteinlaßventil, das vom Punkt LV-ö ab 11 der
Zeit LVo zu-
nächst die Spülung und dann die Ladung der Verbrennungskammer
mit der V erbrennungsluft bewirkt hatte. Nach Zündung und eingetretener Verbrennung
wird wieder im Zeitpunkt DV-Ö das Düsenventil aufgeschlagen, und das geschilderte
Spiel wiederholt sich.
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Der gemäß der Erfindung vorgeschlagene Ablauf des Arbeitsverfahrens
gewährt in der eingangs beschriebenen Art und Weise Vorteile insbesondere hinsichtlich
der Vermeidung schädlicher Frühzündungen, so daß erst hiermit die praktische Durchführung
des Verfahrens ermöglicht wurde.
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Abb.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens, bei dem
durch konzentrische Anordnung des zur Einführung des Kohlenstaubes dienenden Ventils
a, e" zu dem die Einführung des Zündmittels bewirkenden Ventils k, l die
erforderliche Umhüllung der Kohlenstaubkerne mit einer Zündbrennstoffatmosphäre
oder die Anlagerung von Zündbrennstoffteilchen an Kohlenstaubteilchen gewährleistet
ist. Der Kohlenstaub wird über Rohrleitung a. und über den Hohlraum h der
Nadelspindel
c in den Vorraum d der Führungsspindel e eingeführt. Sobald durch den Druck des
über Rohrleitung f eingeführten, gesteuerten Druckmittels der kolbenförmige Fortsatz
b' der Spindel c gegen die Wirkung der Feder g im zylinderförmigen Ansatz e' der
Führungsspindel e nach rechts bewegt wird, hebt sich die Nadelspitze b" von ddem
Nadelsitz e" in der Hohlspindel e ab, und es tritt über Vorraum d und den eröffneten
Nadelquerschnitt Kohlenstaub, gegebenenfalls unter Vermittlung tragender Preßluft,
in die Verpuffungskammer h über. Wie das Diagramm der Abb. z zeigt, hatte sich bereits
vorher das Lufteinlaßventil geöffnet, indem zum Raume i zugelassenes Druckmittel
den Kolben k nach links bewegte. In der dargestellten Endlage der betreffenden Bewegung
hat sich der Ventilteller Z vom Ventilsitz m abgehoben, so daß aus der Rohrleitung
aa über Verbindungsstutzen o und Sicherungsvorrichtungen p in den Raum q eingelassene
Verbrennungs- oder Ladeluft über den geöffneten Querschnitt :,r in die Verpuffungskammer
h gelangen konnte. Unmittelbar nach dem Schluß des Nadelventils b'' wird über Rohrleitung
s der gasförmige Zündbrennstoff der weiter in die Verbrennungskammer h einströmenden
Luft zugesetzt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß vor der Zuleitung s zur
Verpuffungskammer h hin die Ringkörper pi, p2 mit den Bremskammern p1', p2' liegen.
Entsteht nun in der Verpuffungskammer bei noch -geöffnetem Ventil l ein überdruck,
beispielsweise durch eine Frühzündung, so wird dieser vor seiner gefährlichen Fortpflanzung
in die Leitung s hinein in den vorgeschalteten Bremskammern pi', p2 unschädlich
gemacht. Es liegt im Wesen der Erfindung, daß selbstverständlich auch statt der
Bremskammern Rückschlagventile oder sonstige an sich bekannte Maßnahmen zur Verhinderung
schädlicher Auswirkungen von Frühzündungen getroffen sein können. Die Anordnung
derart, daß die Zündbrennstoffzufuhr zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bremskaminerdüsen
erfolgt, hat den weiteren Vorteil, daß die stömende Luft eine nutzbringende Ansaugung
der Zündbrennstoffmenge bewirkt. Da es je-
doch nicht ausgeschlossen ist,
daß auch Überdrücke in den Raum t außerhalb des Ventilvorraumes p gelangen können
(s. Abb. q.), so ist dieser drucksicher gegen Drücke von einer Höhe auszubilden,
die in der Verpuffungskammer lt auftretenden Verbrennungsdrücken entsprechen. Um
auch den weiteren Vorteil der Vermeidung von Unregelmäßigkeiten im Wandungsverlauf
durch die Fugen zusammengesetzter Maschinenteile zu erhalten, besteht die Verpuffungskammer
h mit dem Ventilkasten u aus einem Stück. In den Abb. 3 bis 3b ist eine beispielsweise
Ausführung des Erfindungsgedankens dargestellt, bei der der vorzugsweise flüssige
Zündbrennstoff über ein besonderes, von dem Kohlenstaubeinlaßventil getrennt angeordnetes
Nadelventil v in die Verpuffungskammer h eingespritzt wird. Der Kohlenstaub
wird wieder in bereits beschriebener Weise über die Leitung a, HQhlraum b und über
ein im Ausführungsbeispiel vorgesehenes, besonderes selbsttätig wirksames Rückschlagventil
w in die Verpuffungskammer eingeführt. Abb.3b zeigt das Ventil w in vergrößertem
Maßstabe in einer von der Darstellung der Abb.3 abweichenden Ausführung. Die Verbrennungs-oder
Ladeluft wird in an sich bekannter Weise aus dem Raume t, der in diesem Falle mit
dem Raume q zusammenfällt, über den Eröffnungsquerschnitt r zwischen dem Ventilsitz,nz
und dein Ventilteller l in die Verpuffungskammer ha eingeführt. Die Ausbildung des
Ventils v als Nadelventil macht die, Anordnung von vorgeschalteten Sicherungsvorrichtungen
überflüssig. Wie die Abb.3 bis 3b zeigen, ist jedoch die Gesamtanordnung stets so
getroffen, daß sich das Nadelventil v in unmittelbarer Nähe des Ventils w befindet,
so daß durch annähernd gleichen Verlauf der Zündbrennstoff- und Kohlenstaubluftstromfäden
die erforderlichen Voraussetzungen für die Umhüllung der Kohlenstaubteilchen mit
einer Zündbrennstoffatmosphäre oder für die Anlagerung von Zündbrennstoff an die
Kohlenstaubteilchen gegeben sind.