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Verfahren zur Bildung zündfähiger Gemische aus Luft und schwer zündenden
Brennstoffen in Verpuffungskammern Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein eigen-
und neuartiges Verfahren zur Bildung zündfähiger Gemische aus Luft und schwer zündenden
Brennstoffen in Verpuffungskammern, wie sie bei Brennkraftturbinen Verwendung finden.
Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß in die Verpuffungskammer eingeführter
Brennstoff innerhalb dieser mit einem Ladeluftstrom zur Mischung gebracht wird,
dessen Geschwindigkeit durch Anordnung einer Einschnürung im Leitungsweg gegenüber
der vor der Einschnürung im Leitungsweg herrschenden erhöht ist. Ein ähnliches Mittel
verwenden bereits die Vergaser für Kolbenbrennkraftmaschinen in Form eines Lufttrichters.
Trotzdem scheiterte die Verbrennung von Gasöl und anderen schwer zündenden Brennstoffen
in derartigen Vergasermaschinen, weil durch die erforderliche starke Übersättigung
des Gemisches mit mechanisch zerrissenen, nicht aber verdampften Gasölteilchen ein
Niederschlag flüssigen Brennstoffes im Innern der Gemischleitung und vor allem an
den Zylinderwandungen erfolgte, selbst wenn die Gasölteilchen vor Eintritt in den
Zylinder verdampft wurden. Das entstandene Gasölkondensat gelangte am Kolben vorbei
in den Kurbelkasten und führte dort zu betriebsgefährlichen V erdünnungen des Schmiermittels.
Außerdem verminderte sich das angesaugte Luftgewicht erheblich unter weitgehender
Verschlechterung des Wirkungsgrades. Aus diesen Gründen konnten sich Vergasermaschinen
zur Verarbeitung schwer zündender Brennstoffe nicht einführen. Dadurch, daß erfindungsgemäß
das gesamte Druckgefälle zwischen Druck der Ladeluft und Druck in der Verpuffungskammer
zur Umsetzung in Geschwindigkeit zur Verfügung steht, können Relativgeschwindigkeiten
zwischen Luft und Brennstoff in einem Ausmaße verwirklicht werden, das zur Bildung
homogener, hochzündfähig er Gemische führt. Eine Entmischungsgefahr des fertigen
Ladegemisches wie bei Kolbenbrennkraftmaschinen ist dabei durch Anordnung der Mischstelle
im Verbrennungsraum selbst völlig beseitigt.
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Es sind bereits Brennkraftturbinen bekannt geworden, bei denen der
Austrittsquerschnitt des Lufteinlaßorgans verjüngt ist. Bei diesen Anordnungen ist
jedoch die Verjüngung nur vorgesehen, um durch Verstellung derselben gegen einen
Gegenkonus das Mischunzsverhältnis zwischen dem gasförmigen Brennstoff, der an sich
schon bei der Mischung keine Schwierigkeiten macht, und der Luft zu verändern.
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Nun hängt die im Einschnürungsquerschnitt zu verwirklichende Geschwindigkeitsgr
öße von dem Druckgefälle ab, das zwischen dem Druck der Ladeluft und dem Gegendruck
in der Verpuffungskammer herrscht. Beide Drücke sind aber nicht ausschließlich mit
Rücksicht auf die Zerstäubung einstellbar, sondern sie hängen von anderen, unveränderbaren
Zustandsgrößen des Verpuffungsbetriebes ab. So kann beispielsweise der Druck der
Ladeluft nicht über eine
bestimmte Höhe getrieben werden, weil in
diesem Falle die Verdichter eine zur Unwirtschaftlichkeit führende Antriebsleitung
erhalten. Der Druck in der Verpuffungskammer hängt wiederum vom Gegendruck im Radraum
oder Druckausgleicher bzw. vom Anfangsdruck der nachgeschalteten Dauerstromturbinen
ab. Um trotzdem von dem festgegebenen Druckgefälle unabhängig zu werden, kennzeichnet
sich die in weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens vorgeschlagene Vorrichtung
zur Durchführung des neuen Verfahrens durch Anordnung einer einen Teil des Verpuffungsraumes
bildenden Venturidüse im Leitungsweg der Ladeluft. Es wird also der statische Druck
im Einschnürungsquerschnitt kleiner als in der Verpuffungskammer, so daß trotz Vorhandenseins
nur eines sehr geringen Druckgefälles zwischen dem Druck der Ladeluft und dem in
der Verpuffungskammer herrschenden ein Druckunterschied zwischen der Ladeluft und
dem an der Einschnürungsstelle herrschenden auftritt, der die Verwirklichung der
erforderlichen Relativgeschwindigkeiten zwischen Luft und Brennstoff an der Mischstelle
ermöglicht. Günstige Verhältnisse haben sich dabei ergeben, wenn der Querschnitt
an der Einschnürungsstelle etwa halb so groß ist wie der Eröffnungsquerschnitt des
Lufteinlaßorgans. Zweckmäßig sind Einschnürung und Erweiterung in ein besonderes
Einsatzstück zur Verpuffungskammer verlegt, so daß eine Anpassung der Querschnittsverhältnisse
an die jeweils zur Verwendung gelangende Brennstoffart und sonstige veränderbare
Größen des Kammerbetriebes möglich wird.
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In Großgasbrennern hat man schon eine venturidüsenartige Ausgestaltung
des Leitungsweges vorgesehen. Man hat aber an die Venturidüse im Strömungsweg eine
Verengung am Düsenmund angeschlossen, um die Gas- und Luftfäden, welche den engsten
Querschnitt der Venturidüse ungemischt nebeneinander durchströmen, zur Wirbelbildung
zu bringen, so daß durch diese Verwirbelung die erforderliche gute Mischung zwischen
Gas und Luft eintritt. Die Venturidüse allein gewährt dabei nicht die Voraussetzungen
der erforderlichen guten Vermischung, weil sich Gas- und Luftfäden in ihr bzw. erst
kurz vor ihr treffen. Während erfindungsgemäß jede Ouerschnittsverminderung im Strömungsweg
hinter dem engsten Querschnitt der Venturidüse vermieden wird, damit in der Einschnürung
selbst die höchsten Relativgeschwindigkeiten zwischen Luft und Brennstoff auftreten,
weil nur mit diesen höchsten Relativgeschwindigkeiten diejenige Zerstäubung des
Brennstoffes möglich ist, welche Voraussetzung der Entzündungs- und Verpuffungsmöglichkeit
des Gemisches ist, bildet bei der bekannten Einrichtung das Zusammenwirken der Venturidüse
und der im Strömungsweg hinter ihr angeordneten engen Austrittsmündung mit einem
zwischen beiden Querschnitten befindlichen ausreichenden Wirbelraum das von der
Erfindung völlig abweichende Wesensmerkmal.
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Nimmt man entsprechend bei Versuchen an, daß der Druck der Zerstäubungsluft
etwa 3,o ata beträgt, so stellt sich an der Einschnürungsstelle etwa ein Druck von
2,og ata bei einer üblichen Turbinenausführung ein. Dem mittleren Druckgefälle von
3,o ata auf 2,og ata entspricht eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 228 m,fSek.
Die mittlere Ausströmgeschwindigkeit der Brennstoffflüssigkeit aus den Einspritzlöchern
beträgt etwa 13,5 m//Sek., berechnet nach dem Kontinuitätsgesetz aus der mittleren
Plungerge5zchwindigkeit, aus den Querschnittsverhältnissen in der Pumpe und in den
Einspritzlöchern. Die mittlere Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Brennstoff
beträgt also rund 2z5 m Sek. Aus Kurvenblättern über die Abhängigkeit der Größe
der zerstäubten Brennstofftröpfchen von der Relativgeschwindigkeit zwischen Zerstäubungsluft
und Brennstoff (vgl. S. 22 des Buches von Triebnigg »Der Einspritz- und Einblasevorgang
bei Dieselmaschinen«) ergibt sich, daß bei diesen Verhältnissen der mittlere Radius
der zerstäubten Brennstofftröpfchen o,ooo8 mm und die Oberfläche je Gramm eingespritzten
Brennstoffes 2,6 m2 beträgt. Aus Abb. 54 (S.120 der angezogenen Literaturstelle)
ergibt sich, daß bei Dieselmaschinen, die mit einem Pumpendruck von 35o atü arbeiten,
die Tröpfchengröße o,oii mm beträgt. Die Zerstäubung bei einer gemäß vorliegender
Erfindung ausgebildeten Brennkraftturbine ist also, trotzdem sie nur mit einem Pumpendruck
von 16 atü arbeitet, gemäß dem linearen Vergleich des Durchmessers der zerstäubten
Brennstofftröpfchen etwa 14mal besser.
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Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens
am Längsschnitt durch die Ventilkammer der Einlaßorgane und den anschließenden Teil
der Explosionskammer einer Brennkraftturbine.
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In dieser liegt das Einlaßorgan a für die Zerstäubungs- bzw. Verbrennungs-
oder Ladeluft sowie das Einlaßorgan b für den Brennstoff einseitig zur Explosionskammer
c; beide Einlaßorgane sind konzentrisch zueinander angeordnet. Dem im Ventilkopf
cc des Lufteinlaßorgans in an sich bekannter Weise angeordneten Rückschlagventil
b wird der Brennstoff von der nicht gezeichneten Pumpe aus über die Leitung b' zugedrückt,
während die Zerstäubungs- bzw. Verbrennung,- oder Ladeluft in den Ventilkasten n'
durch Luftzufuhrleitung b über Verbindungsstutzen e und Bremsdüsenanordnungen f
gelangt. Das Lufteinlaßorgan a wird durch Wirkung der Ventilfeder g ständig auf
seinen Sitz 1a gedrückt und damit geschlossen, wenn nicht Drucköl über Druckölleitung
i dem Steuerraum k
zugeführt wird und durch Kraftwirkung
auf den Steuerkolben 1, gegen Wirkung der Ventilfeder ; das Einlaßorgan a unter
Freilegung des Luftaustrittsquerschnittes m eröffnet. Sämtliche Teile der Einlaßorgane
sind in einem rahmenartigen Ventilring n angeordnet, an dem sich die Verbrennungskammer
c unmittelbar anschließt.
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Die Erhöhung der Geschwindigkeit der Ladeluft nach der Erfindung erfolgt
nun dadurch, daß in der Verbindung zwischen Explosionskammer c und Brennstoff- und
Lufteinlaßorganen b bzw. ca eine Einschnürung o angeordnet wird, deren Durchgangsquerschnitt
kleiner ist als der Eröffnungsquerschnitt m des Lufteinlaßorgans und des vor diesem
liegenden Leitungsweges ca', f, p, e, d der Zerstäubungs-bzw. V erbrennungs-
oder Ladeluft. Die Einschnürung bewirkt, daß gerade an der Mischstelle zwischen
Brennstoff und Luft die größten Luft- und damit die größten Relativgeschwindigkeiten
zwischen Luft und Brennstoff auftreten, so daß eine weitgehende Zerstäubung gewährleistet
wird. In weiterer Durchführung der Erfindung ist im Leitungsweg der Ladeluft eine
einen Teil des Verbrennungsraumes bildende Venturidüse in, o, q angeordnet.
Auf diese `'eise wird die Geschwindigkeit in der Einschnürung o unabhängig von dem
Druck in der Verbrennungskammer c. Die Venturidüse 7n, o, q bildet ein besonderes
Einsatzstücks des Ventilringes n bzw. des Maschinenrahmens, so daß die Verhältnisse
der Querschnitte o und q ohne größere Änderungen der Brennkraftturbine an veränderbare
Größen des Turbinenbetriebes angepaßt werden können.