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Verfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen
In Erkenntnis der grundsätzlichen Nachteile, welche die bisher übliche Art der Entfiammung
eines Brennstoffluftgemisches mit Hilfe eines elektrischen Funkens aufweist, hat
man bereits zum Betriebe von Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen,
vorgeschlagen, das Gemisch an heißen Mitteln nahe dem Auslaßende der Verpuffungskammer
zu entzünden. Diese heißen Mittel können dabei aus Katalysatoren, heißen Kammerteilen
oder heißen Gasen, beispielsweise Verbrennungsgasen, mit und ohne Luftbeimischung
oder auch aus heißer Luft allein bestehen, ohne daß diese Aufzählung erschöpfend
ist. Trotz der erheblichen verbrennungstechnischen Vorteile, welche .die Durchführung
eines Zündverfahrens nach diesen Vorschlägen erstrebenswert machen, erschien eine
praktische Umsetzung des Verfahrens zunächst undurchführbar, weil der Zündzeitpunkt
nicht beherrscht werden konnte; das trat besonders in Erscheinung, wenn ,das Gemisch
durch Brennstoffverteilung mittels einströmender Luft gebildet wurde, trotzdem gerade
.dieses Verfahren. die günstigsten Vorbedingungen zur Bildung eines völlig homogenen
Gemisches höchster Zündbereitschaft schafft. Setzt nämlich die Entflammung ein,
bevor die Betriebsmitteleinlaßorgane der Verpuffungskammer geschlossen sind, so
schlägt der durch die Verpuffung erzeugte Druck in die vor den Einlaßorganen befindlichen,
zu der Verpuffungskammer führenden Betriebsmittelleitungen zurück und verdrängt
die in ihnen enthaltenen Betriebsmittel. Das hat zur Folge, daß bei der nächsten
Ladung der Verpuffungskammer zuerst unverbrennliche, aus den Verbrennungsgasen herrührende
Bestandteile bzw. Verbrennungsluft, durchsetzt mit Verbrennungsgasen, in die Kammer
eindringen, so daß ein unvollkommenes, ungleichmäßiges Gemisch entsteht und infolgedessen
ein einwandfreier Betrieb der Verpuffungskammer ausgeschlossen ist. Außerdem werden
bei häufigem Auftreten zurückschlagender Verbrennungsgase die Betriebsmitteleinlaßorgane
und das Einlaßende der Verpuffungskammer so stark erhitzt, daß sich das bei Beginn
der Ladung bildende neue Brennstoffluftgemisch nunmehr schon an diesen Teilen exitzündet,
wodurch eine noch frühere Einleitung der Verbrennungen herbeigeführt und der Ablauf
des Betriebsverfahrens empfindlich gestört wird.
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In .der Erkenntnis, daß .die dargelegten Schwierigkeiten, die sich
der praktischen Durchführung der Zündung des Brennstoffluftgemisches an heißen Mitteln
nahe dem Auslaßende der Verpuffungskammern entgegenstellen, durch Verstellung des
Zündzeitpunktes behoben werden können, kennzeichnet sich der erfindungsgemäß ermittelte
Weg zur Verstellung des Zündzeitpunktes durch Einführung des Brennstoffes in Luft
verschiedener Geschwindigkeit. Es ändert sich also die Zeit, die zum Vortragen der
vom Ladeluftstrom erfaßten Brennstoffteilchen bis zur Zündstelle erforderlich ist,
je nach der gerade eingestellten Geschwindigkeit des Luftstromes, so daß eine entsprechende
flnderung des Zündzeitpunktes 2n bezug auf die Eröffnungs
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Schlußzeitpunkte der gesteuerten Betriebsmitteleinlaßorgane und damit in Bezug auf
die Steuerung überhaupt eintritt.
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Die Geschwindigkeit der Luft kann dabei in der verschiedensten Weise
verändert werden. Besonders einfach gestaltet sich die Abwicklung des Verfahrens
durch Änderung der bei Beginn der Brennstoffeinführung herrschenden Füllung der
Verpuffungskammer mit Luft. Hierbei ist die Erkenntnis verwertet worden, @daß bei
Beginn der Luftzufuhr in .die Kammer, also kurz nach .der Eröffnung des Lufteinlaßorgans,
die größte Luftgeschwindigkeit in der Kammer herrscht, weil bei Eröffnung des Lufteinlaßorgans
die Differenz zwischen dem Druck der einströmenden Ladeluft .und dem Gegendruck
in der Kammer infolge deren geringer Füllung am größten ist, während der Gegendruck
mit fortschreitender Füllung der Kammer allmählich größer wird, so daß sich die
Strömungsgeschwindigkeit der Zunahme der Füllung entsprechend vermindert. Hieraus
folgt, daß beim Zusammenfallen des Beginns der Einführung von Brennstoff und der
Luft der Brennstoff in der Kammer die größte Luftgeschwindigkeit vorfindet, mit
der die zuerst in die Verpuffungskammer gelangten Brennstoffteilchen äußerst schnell
nach dem Kammerauslaß, d. h. zur Zündstelle, zu vorgetragen werden. Wird der Brennstoff
zeitlich nach Beginn der Eröffnung des Lufteinlaßorgans in die Kammer eingeführt,
so ergibt sich auf Grund der angestellten Überlegungen, daß der Brennstoff in der
Kammer eine Luftgeschwindigkeit vorfindet, die ihrer höchsten Anfangsgeschwindigkeit
gegenüber geringer ist. Je später der Beginn .der Brennstoffeinführung gegenüber
der Lufteinführung erfolgt, desto geringere Luftgeschwindigkeiten finden die zuerst
in die Kammer eintretenden Brennstoffteilchen vor und desto länger dauert es, bis
die Wegstrecke von der Mündung des Brennstoffeinläßorgans nach der Zündstelle der
Kammer von .den Brennstoffteilchen zurückgelegt ist, d. h. um so mehr Zeit steht
bis zur Zündung zur Verfügung, um die Einführung von Luft und Brennstoff in die
Kammer zu beenden und damit die entsprechenden Einlaßorgane rechtzeitig vor dem
Zündzeitpunkt zu schließen. Demgemäß kennzeichnet sich eine Möglichkeit zur Einführung
des Brennstoffes in Luft verschiedener Geschwindigkeit durch Ansteuerung des Brennstofteinlaßorgans
zeitlich nach Eröffnung des Lufteinlaßorgans, wobei die Ansteuerung des Brennstoffeinlaßorgans
um so später zu bewirken ist, je weiter der Zündzeitpunkt zeitlich nachzuverlegen
ist.
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Bei der Vergrößerung der Zeitspanne zwischen Brennstoffeinführung
und Zündung durch Späterverlegung der Brennstoffeinführung ist es jedoch möglich,
daß diese erst dann erfolgt, wenn die Ladung der Verpuffungskammer schon so weit
vorgeschritten ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Luft infolge .des mit fortschreitender
Kammerladung zunehmenden Gegendruckes auf einen Größenwert gesunken ist, bei dem
eine gute Zerstäubung des Brennstoffes nicht mehr möglich ist. In diesem Falle kann
in weiterer Durchbildung des Erfindungsgedankens eine andere einfache Art zur Bemessung
der Zeitspanne zwischen dem Beginn der Brennstoffeinführung und der Zündung des
Gemisches gewählt werden, indem die Arbeitsspielzahl der Verpuffungskammer bz-,v.
die Steuerwellendrehzahl der Brennkraftturbine verändert wird, wobei .der Brennstoff
möglichst im Zeitpunkt der günstigsten Luftgeschwindigkeit, vorteilhaft also unmittelbar
nach Eröffnung des Ladeluftventils, eingeführt wird. Durch die Änderung der Arbeitsspielzahl
bzw. durch Änderung der Steuerwellendrehzahl der Brennkraftturbine werden nämlich
die Steuerspannen eines Arbeitsspieles verlängert oder verkürzt; unter Steuerspannen
werden dabei diejenigen Arbeitsspannen verstanden, deren Anfangs- und Endzeitpunkte
durch Steuerungsorgane bestimmt werden, die daher durch Änderungen in der Betätigung
dieser Steuerungsorgane nach ihrem zeitlichen Ablauf willkürlich veränderlich sind.
Diesen Änderungen unterliegen ungesteuerte Arbeitsspannen, deren zeitlicher Ablauf
durch ihren Charakter als physikalischer oder chemischer Prozeß unabhängig von den
Steuerungsorganen eindeutig und unveränderlich vorbestimmt ist, nicht. Auf die zeitlichen
Verschiebungen zwischen den .gesteuerten und ungesteuerten Arbeitsspannen, -die
durch die Änderung der Arbeitsspielzahl der Verpuffungskammer oder der Steuerwellendrehzahl
der Turbine auftreten, ist es zurückzuführen, daß sich die Zeitspanne zwischen Einführung
des Brennstoffes in die Verpuffungskammer und Zündung des gebildeten Luftgemisches
an den heißen Mitteln in der Verpuffungskammer relativ zu den Steuerspannen verändert,
d. h. daß eine relative Verstellung des Zündzeitpunktes eintritt. Die Veränderung
der Arbeitsspielzahl bzw. Steuerwellendrehzahl, die bis in die feinsten Grenzen
durchführbar ist, hat dabei den besonderen Vorteil, daß der Beginn der Brennstoffzuführung
.im Verhältnis zum Beginn der Zufuhr der Ladeluft nicht geändert zu werden braucht.
Dadurch findet der Brennstoff bei richtiger Anstellung stets die günstigsten, nämlich
die höchsten Luftgeschwindigkeiten vor, so daß die vollkommene Verteilung -des Brennstoffes
in der Luft gewährleistet bleibt.
Die Strömungsgesch`,vindigleit
der Luft bei Beginn der Brennstoffeinführung ist dabei, unabhängig von dem Verfahren,
das zur Verstellung.des Zündzeitpunktes gewählt ist, vorteilhaft so eingestellt,
daß der Brennstoff die in der Kammer eingeschlossenen heißen Mittel erst nach Schluß
der Betriebsmitteleinlaßorgane, insbesondere nach Schluß des Brennstoffeinlaßorgans,
erreicht. Diese bestimmte Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit bei Beginn der
Brennstoffeinführung dient dabei weniger als Mittel zur Zündzeitverstellung, sondern
mehr zur einmaligen Zündpunktseinstellung. Hierdurch ist zu erreichen, daß zwischen
der Einführung des Brennstoffes und dem Auftreffen der ersten Brennstoffteilchen
auf das zündende heiße Mittel stets eine bestimmte Zeitspanne vergeht, welche die
Gewähr dafür bietet, daß der Brennstoff zwischenzeitlich durch Verdampfung, Vergasung
und Aufspaltung so aufbereitet worden ist, daß eine vollkommene, plötzliche Zündung
der gesamten Ladung gewährleistet erscheint.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, in die mit Ladeluft gefüllte
Verpuffungskammer vom Einlaßende her Brennstoff unter fortschreitend ansteigendem
Druck so nach dem Auslaßende zu einzuspritzen, -daß er langsam zu diesem Ende hin
vorgetragen wird und .das Auslaß:ende erst nach Einführung einer genügend großen
Brennstoffmenge erreicht. Dieses Verfahren vermeidet zwar mit Sicherheit unzulässige
Vorzündungen, läßt aber noch keine genügend sichere Beherrschung des Zündzeitpunktes
selbst zu; außerdem tritt die günstige Gemischbildung, die durch Brennstoffverteilung
mittels einströmender Luft erreicht wird, bei dieser Art der Einführung des Brennstoffes
nicht ein. Es ist auch schon bekanntgeworden, die Zeitdauer -der Brennstoffzufuhr
in die Verpuffungskammer zu verändern. Abgesehen davon, daß erfindungsgemäß nicht
die Zeitdauer der Brennstoffzufuhr, sondern,die Geschwindigkeit geändert wird, mit
welcher der Brennstoff zur Zündstelle zu vorgetragen wird, läßt das bekannte Verfahren
eine Änderung der zur Einführung des Brennstoffes vorgesehenen Zeitspanne durch
zeitliche Veränderung des Endes der Brennstoffeinführung zu, so daß gerade die Zeitspanne,
die zwischen der Einführung des Brennstoffes und der Ankunft desselben an der Zündstelle
liegt, unverändert bleibt, weil diese Zeit unabhängig von der zeitlichen Einführung
des Brennstoffrestes ist, der später als die Brennstoffteilchen eingeführt wird,
welche die Zündung einleiten.
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Die Zeichnung zeigt eine Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Zündzeitpunktsverstelhtng
im Druckzeitdiagramm einer Verpuffun:gskammer. Das Diagramm zeigt im Linienzug 1
den Druckverlauf in der Verpuffungskammer, im Linienzug 2 den Druckverlauf der Nachladeluft,
im Linienzug 3 den Druckverlauf der Spülluft und im Linienzug 4 den Verlauf des
Gegendruckes. Sämtliche Linien beziehen sich auf .den Maßstab links .der Ordinate
in at abs. Der Linienzug 5 stellt den Druckverlauf des eingespritzten flüssigen
Brennstoffes .in der Brennstoffleitung dar, wobei als Maßstab der rechts der Ordinate
gegebene Druckmaßstab in Atm.-Übexdruck gilt. Im unteren Teil des D.iagrammes sind
die Ventilbewegungen dargestellt, und zwar entspricht die Linie 6 dem Ventilerhebungsdiagramm
des Düsenventils, die Linie 7 .demjenigen des Spülluftventils, die Linie 8 demjenigen
des Nachladeventils. Der Abszissenmaßstab ist zunächst gegeben in Winkelgraden von
36o°, bezogen auf eine volle Umdrehung .des die gesamten Ventile steuernden Druckölverteilers,
beginnend bei o° im Zeitpunkt der Eröffnung des Düsenventils. Weiter ist der Abszissenmaßstab
der Zeit nach unterteilt worden, wobei angenommen ist, daß ein volles Arbeitsspiel,
also eine einzige volle Umdrehung des Drehschiebers des Ölverteilers, o,72 Sek.
dauert.
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Nach vollendeter Verpuffung .in der Verpuffungskammer öffnet das Düsenventil
im Punkt 9, so daß die hozhgespannten Gase aus der Verpuffungskammer heraus bis
zum Punkt 1o expandieren, indem das Spülluftventil geöffnet wird. Dieses schließt
.im Punkt 11. Anschließend schließt auch das Düsenventil, welches im Punkt 12 völlig
geschlossen ist. Etwa zur gleichen Zeit öffnet im Punkt 13 das Ladeluftventil, so
daß die hochgespannte Ladeluft in die mit niedriger gespannter Spülluft angefüllte
Kammer unter hoher Geschwindigkeit einströmt. Etwa im Beginn der Auffüllung der
Kammer mit Ladeluft beginnt bei 240' der Olverteilerstellung, also etwa 1200 vor
Eröffnung des Düsenventils, die Brennstoffpumpe ihren Druckhub. Die tatsächliche
Einspritzung des geförderten Brennstoffes setzt dabei erst im Punkt 14 ein, in welchem
der Druck in der zur Einspritzdüse führenden Brennstoffleitung den Schließdruck
der Einspritzdüse überwiegt. Die Brennstoffeinspritzung erfolgt somit zeitlich nach
dem Beginn der Ladeluftzufuhr, also in einem Zeitpunkt, wo die ursprünglich hohe
Luftgeschwindigkeit bereits auf einen bestimmten Wert gesunken ist, da der Gegendruck
in der Verpuffungskammer mit ihrer fortschreitenden Füllung steigt. Der Brennstoff
findet also eine um so geringere Strömungsgeschwindigkeit der Luft vor, je später
die Einführung des Brennstoffes nach Beginn der Ladeluftzufuhr erfolgt. Je geringer
,die Luftgeschwindigkeit ist, um so
länger dauert es, bis die ersten
Brennstoffteilchen nach der Zündstelle zu vorgetragen werden und die Zündung im
Punkt i 5 erfolgt. Die absolute Zeit vom Zeitpunkt der Einspritzung in die Verpuffungskammer
ab bis zur Zündung des Gemisches, also die eingetragene Strecke a, ist bestimmt
durch den Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung in bezug auf den Beginn der Ladeluftzufuhr.
Wird erfindungsgemäß der Zeitpunkt 14 der Brennstoffeinspritzung verändert, so trifft
der in die Verpuffungskammer eingeführte Brennstoff somit Luft verschiedener Geschwindigkeit
an, so daß sich die Strecke a verändert. Dadurch ergibt sich ohne weiteres die Möglichkeit,
den Zündzeitpunkt 15 so einzustellen, daß Zeitpunkt i9 des Abschlusses des Ladeluftventils
und Zeitpunkt 5 der Beendigung der Brennstoffeinspritzung zeitlich vor den Zündzeitpunkt
15, also .in die Strecke a, fallen. Man erreicht durch diese Maßnahme vor allem,
daß zwischen der Einführung des Brennstoffes und dem Auftreffen der ersten Brennstoffteilchen
auf das zündende, heiße Mittel eine bestimmte Zeitspanne vergeht, welche,die Gewähr
dafür bietet, daß .der Brennstoff zwischenzeitlich durch Verdampfung, Vergasung
und Aufspaltung so aufbereitet worden ist, daß eine vollkommene, momentane Zündung
der gesamten Ladung gewährleistet erscheint; außerdem sind Ladeluft- und Brennstoffventil
in diesem Falle stets geschlossen, so daß keine Verbrennungsgase in die Zuleitungen
dieser Betriebsmitteleinlaßorgane eintreten können.
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Ist es jedoch mit Rücksicht auf die Erzielung einer guten Zerstäubung
.des Brennstoffes erwünscht, die zu Beginn der Ladeluftzufuhr herrschende hohe Strömungsgeschwindigkeit
der Luft hierzu auszunutzen, so daß also Beginn der Ladeluft- und Brennstoffzufuhr
wenigstens nahezu zusammenfallen, so kann dies erfindungsgemäß auch durch Änderung
der Arbeitsspielzahl der Verpuffungskammer verwirklicht werden. Da die Arbeitsspielzahl
gegeben ist durch die Umlaufgeschwindigkeit des Ölverteilers, der äquivalent ist
mit jeder anderen geeigneten Steuerung, so wird die Umlaufgeschwindigkeit des Drehschiebers
im Ölverteiler geändert. Hierdurch verschiebt sich die Zeitskala gegenüber der Gradskala
auf der Abszisse und damit die Länge der allein von der Zeitskala abhängigen Strecke
a in bezug auf die übrigen Größen (Steuerspannen eines Arbeitsspieles), welche sich
zeitlich mit der Spielzahl, d. h. mit der Umdrehungszahl des Ölverteilers (Steuerwellengeschwindi.gkeit),
ändern; diese übrigen Größen (Steuerspannen) sind nämlich allein von der Gradskala
abhängig.
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Es liegt im Wesen der Erfindung, daß die Strecke a bei einer neuauszulegenden
Maschine auch durch Veränderung der Länge dei Verpuffungskammer beeinflußt -werden
kann, so daß es durch derartige Maßnahmen ge-1nngt, den Punkt 14 von vornherein
in die Nähe des günstigsten Bereiches höchster Luftgeschwindigkeiten zu verlegen.