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Zündverfahren von Verpuffungskammern, insbesondere von Brennkraftturbinen
Zündverfahren für Verpuffungskammern, insbesondere von Brennkraftturbinen, mit Einwirkung
gesteuerter Fremdzünder auf Gemische, welche die Selbstzündungsgrenze erreicht oder
gerade überschritten haben, sind bereits vorgeschlagen worden. Man ging dabei von
der Erkenntnis aus, daß durch die so bewirkte gemeinsame Einwirkung von Selbst-
und Fremdzündungen auf das Gemisch und durch die so hervorgerufene gegenseitige
Unterstützung beider Zündungsarten erreicht wird, daß die für Fremdzündungen des
Gemisches festgestellte Trägheit im Ablauf der Zündungsvorgänge-durch den für Selbstzündungen
charakteristischen, außerordentlich raschen Druckanstieg der Verbrennungsgase ersetzt
wird. Durch das Verfahren wird weiter erreicht, daß noch während des raschen Druckanstieges
eine nahezu vollkommene Verbrennung des gesamten Brennstoffes eintritt, so daß nicht
mehr das für reine Selbstzündungen kennzeichnende Nachbrennen des Brennstoffes nach
dem plötzlichen Druckanstieg eintritt.
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Es war auch schon erkannt worden, daß die Erhaltung des zur Durchführung
dieses Verfahrens erforderlichen Gemischzustandes besondere Maßnahmen erforderlich
macht, weil Schwankungen der für den Zündzustand des Gemisches maßgebenden Einflußgrößen
während des Betriebes unvermeidlich sind. Derartige Schwankungen entstehen beispielsweise
dadurch, daß Änderungen der Wärmetönung des zu verpuffenden Gemisches, vorzugsweise
in Abhängigkeit von der Leistungsregelung der Verpuffungskammern bzw. Brennkraftturbinen,
eintreten. Um die Auswirkungen derartiger Schwankungen der den Gemischzustand bestimmenden
Einflußgrößen auszugleichen, hat man dabei mit Erfolg in die Betriebseinrichtungen
der Verpuffungskammern eingegriffen, und zwar hat es sich gezeigt, daß eine vollkommene
Beherrschung des Zündzustandes des Gemisches bewirkt werden kann, wenn man. die
Betriebseinrichtungen beeinflußt, welche den Verdrängungsvorgang für die Restverbrennungsgase
aus einer vorhergehenden. Verpuffung steuern. Insbesondere hat man den für die Verdrängung
des Verbrennungsgasrestes maßgebenden engsten Auslaßquerschnitt an der Verpuffungskammer
oder die Steuerzeiten des diesen engsten Auslaßquerschnitt abschließenden und eröffnenden
Ventilorganes unter Ausgleich der durch die Schwankungen der Wärmetönung hervorgerufenen
Auswirkungen verändert.
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Eingehende Versuche an mit Schweröl betriebenen Verpuffungskammern
haben nun gezeigt, daß sich trotz gleichgehaltener Wärmetönung der Zündzustand des
Gemisches auch durch Veränderung der Betriebsmittelzustände beliebig einstellen
läßt. Das Wort Betriebsmittel ist dabei in. weitestem Umfange zu verstehen, weil
Änderungen des Gemischzustandes nicht nur bei Änderungen des Zustandes etwa der
Nachladeluft, sondern auch bei Zustandsänderungen der Spülluft oder des Kühlmittels
für die Verpuffungskammern erzielbar waren. Ausgehend von dieser Beobachtung kennzeichnet
sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Zündverfahren
für Verpuffungskammern,
insbesondere von Brennkraftturbinen, mit Einwirkung gesteuerter Fremdzünder auf
Gemische, welche die Selbstzündungsgrenze erreicht oder gerade überschritten haben,
durch Änderung der Betriebsmittelzustände zur Einstellung zu Mischzündungen führender
Gemischzustände. Unter Mischzündungen werden dabei solche Zündungen verstanden,
bei denen im Verlaufe der durch Fremd- oder Selbstzündungen hervorgerufenen Verpuffung
des Gemisches Selbst- oder Fremdzündungen eintreten, bei denen sich also artverschiedene
Zündungen gegenseitig unterstützen.
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Zündzustände, die eine gewisse Ähnlichkeit mit den hier betrachteten
haben, treten bei Vergasermaschinen unter bestimmten Betriebsbedingungen auf. In
diesen Fällen handelt es sich jedoch stets um ungewollte Frühzündungen, deren völlige
Beseitigung man deshalb anstrebt, weil sie eine hammerschlagartige Wirkung auf das
Triebwerk der Kolbenbrennkraftmaschine ausüben. Gerade von der Eigenart der bei
diesen Zündzuständen erhaltenen Verpuffungen kann jedoch erfindungsgemäß bei Verpuffungskammern
Gebrauch gemacht werden, weil ein Triebwerk fehlt, das durch die schlagartig auftretende
Verpuffung ungünstig beansprucht würde; ohne daß also die bei Kolbenbrennkraftmaschinen
bekanntgewordenen Nachteile derartiger Zündzustände in Kauf genommen werden müssen,
können sie erfindungsgemäß deshalb bei Verpuffungskammern bewußt und planmäßig verwirklicht
werden, weil sie zum Auftreten vollkommenster Verbrennungen führen und damit die
Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens ausschlaggebend erhöhen.
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Als besonders wirksam bei der Einstellung zu Mischzündungen führender
Gemischzustände haben sich zunächst Temperaturänderungen der Spül- oder Nachladeluft
oder beider erwiesen. Lagen beispielsweise die Verpuffungen im Gebiete der reinen
Fremdzündungen, so konnte durch Erhöhung der Lufttemperaturen ohne Schwierigkeiten
das Gebiet der Mischzündungen mit gegenseitiger Unterstützung von Fremd-und Selbstzündungen,
und schließlich auch das Gebiet der reinen Selbstzündungen erreicht werden. Umgekehrt
werden bei Erniedrigung der Lufttemperatur die Zündungen aus dem Gebiete der reinen
Selbstzündungen in das erstrebte Gebiet der Mischzündungen oder aber auch in das
Gebiet der reinen Fremdzündungen verlegt.
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Ähnliche Wirkungen übt die Erhöhung des Feuchtigkeitsgehaltes der
Spül- oder Nachladeluft oder beider aus. Erhöht man den Feuchtigkeitsgehalt der
Luft, so können die Verpuffungen aus dem Gebiete reiner Selbstzündungen in das Gebiet
der Mischzündungen und bei noch weiter getriebener Erhöhung der Feuchtigkeit in,
das Gebiet der reinen Fremdzündung verlegt werden, während eine Ernied igung des
Feuchtigkeitsgehaltes die umgekehrten Wirkungen zeitigt.
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Die Beeinflussung des Zündzustandes ist jedoch nicht nur an die Änderungen
der eigentlichen Betriebsmittel, insbesondere also der Nachladeluft, gebunden, sondern
sie ist auch erreichbar, wenn die Betriebsmittel im weiteren Sinne, insbesondere
also die Kühlmittel, bezüglich ihres Zustandes geändert werden, und zwar wirken
sich Änderungen der Kühhnitteltemperaturen im gleichen Sinne aus wie Änderungen
der Lufttemperaturen. Der Ablauf derartiger Regelvorgänge ist nur etwas träge, weil
die Einwirkung des Kühlmittels auf das Gemisch nicht unmittelbar erfolgt, sondern
unter Zwischenschaltung der wärmeleitenden Wandungen, vorzugsweise der Verpuffungskammer,
also unter Zwischenschaltung einer dämpfenden, den trägen Ablauf der Vorgänge verursachenden
Masse. Auch durch Erniedrigung der Kühlmittehnengen konnten aus dem Gebiete reiner
Fremdzündungen über das Gebiet der Mischzündungen reine Selbstzündungen herbeigeführt
werden.
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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in der mannigfaltigsten
Weise erfolgen. Besonders einfach und zweckmäßig erscheint beispielsweise die Zuführung
von heißer oder kalter Luft zum Hauptluftstrom und die Vermischung beider Luftströme
vor Einführung in die Verpuffungskammer. Je nach den anteiligen Mengen der dem Hauptluftstrom
zugesetzten Ströme heißer oder kalter Luft kann die Temperatur der der Verpuffungskammer
zuzuführenden, Spül- oder Nachladeluft oder beider geändert werden. Durch Einspritzung
veränderlicher Wasser- oder Dampfmengen in die strömende Luft,. und zwar vorteilhaft
in -feinstverteilter Form, kann weiter der Feuchtigkeitsgehalt der Spül oder Nachladeluft
in einfachster Weise verändert werden. Die Änderung der Kühhnitteltemperaturen erfolgt
zweckmäßig in der gleichen Weise wie die Änderung der Lufttemperaturen, indem man
heißes oder kaltes Kühlmittel zum Hauptkühhnittelstrom vor Eintritt in die Kühlräume
in veränderlichen Mengen zusetzt. Um schließlich Änderungen der je Zeiteinheit zugeführten
oder umgewälzten Kühl mittelmengen zu erreichen, ist es nur erforderlich, die Drehzahl
der Zuführungs- oder Umwälzpumpen für das Kühhnittel je Zeiteinh-it zu ändern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt sich besonders vorteilhaft beim
Anfahren der Verpuffungskammer aus, weil durch Vonvärmung der Spül- oder Nachladeluft
oder beider oder auch durch Vorwärmung des Kühlmittels in kürzester Zeit das Gebiet
der Mischzündungen herbeizuführen ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die zur Erfindung führenden Erkenntnisse
werden in
den beiliegenden Zeichnungen schematisch und diagrammatisch
veranschaulicht.
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Abb. i zeigt zunächst, wie erheblich sich Schwankungen der Wärmetönung,
die als den Zündzustand des Gemisches bestimmende Einflußgröße besonders in Betracht
-kommt, auf diesen Zündzustand auswirken. Ohne die erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Maßnahmen wäre es, da Änderungen der Wärmetönung beispielsweise bei der Leistungsregelung
von Verpuffungskammern bzw. Brennkraftturbinen kaum vermeidbar sind, erschwert,
das erstrebenswerte, weil optimale Gebiet der sog. Mischzündungen, in welchem sich
Selbst- und Fremdzündungen gegenseitig unterstützen, auf die Dauer einzustellen
bzw. auf die Dauer zu erhalten. Das Diagramm der Abb. i, das bei Versuchen an einer
mit Schweröl betriebenen Verpuffungskammer mit einem Verpüffungskammerinhalt von
0,075 m3 und go Arbeitsspielen je Minute gewonnen wurde, zeigt in der Kurve
i zunächst die Temperaturen der Spül- und Nachladeluft vor Eintritt in die Verpuffungskammer;
die Ordinate gibt dabei die Temperaturen in Grad Celsius wieder, während die Abszisse
dem Zeitmaßstab entspricht. Es bezeichnet weiter 2 die Mitteltemperatur (das arithmetische
Mittel zwischen Eintritts- und Austrittstemperaturen) des Kühlmittels (Kühlöles).
Die Kurve 3 entspricht den erzielten Drucksteigerungen, also den Druckverhältnissen
wobei Po den Lade-bzw. Gemischdruck vor
der Verpuffung und P1 den Verbrennungsgasdruck nach der Verpuffung bedeutet. Die
Kurven q., 5 und 6 geben die Temperaturen in den Wandungen der Verpuffungskammer
wieder, und zwar an den entsprechend bezeichneten Meßstellen 4" 5, und 6o
der in Abb. 2 schematisch wiedergegebenen Verpuffungskammer mit den Einlaßorganen
für Luft und Brennstoff bei 7 und dem Auslaßorgan bei B. Die Ausbildung der Meßstellen
selbst ist in Abb. 3. dargestellt. Das Thermoelement g reicht dabei bis auf den
Grund der Bohrung io im Pfropfen ii, also um das Maß x = 2 mm an die Innenhaut.
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Die Abszisse ist eingeteilt in zwei Bereiche, einen Bereich a mit
einer bestimmten Förderung der Brennstoffpumpe und einen Bereich b mit gegenüber
der Förderung im Bereiche a etwas erhöhter Förderung der Brennstoffpumpe. Weiter
erkennt man im unteren Teil des Diagrammes einen von rechts oben nach links unten
schraffierten Bereich, der mit I bezeichnet worden ist, einen mit Kreuzschraffur
versehenen Bereich, der mit II bezeichnet worden ist, und einen von links oben nach
rechts unten schraffierten Bereich, der die Bezeichnung III erhalten hat.
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Im Bereich I herrschte, wie man bereits äußerlich an den verhältnismäßig
geringen Drucksteigerungen, Kühhuittel- und Kammerwandungstemperaturen erkennen
kann, das Gebiet reiner Fremdzündungen. Als im Zeitpunkt iii° die Brennstoffmenge
durch Beginn des Bereiches b vergrößert und dadurch die Wärmetönung des Gemisches
gesteigert wurde, traten im Verlaufe der durch Fremdzündungen eingeleiteten Verpuffungen
noch Selbstzündungen auf, so daß sich das Gebiet II der Mischzündungen einstellte.
Die Kurve der Drucksteigerungen 3 erreicht in diesem Gebiet ihr Maximum, während
sich die Temperaturkurven, insbesondere die Kurven q., 5 und 6, sehr steil nach
oben bewegen. Trotzdem nun im Gebiet b in keiner Weise in die Betriebseinrichtungen
eingegriffen oder der Betriebsmittelzuständ verändert wird, erfolgt selbsttätig
ein Übergang in das Gebiet III der reinen Selbstzündungen. Die Drucksteigerungskurve
3 fällt erheblich ab, während die Kurven i, q., 5 und 6 einem Wendepunkt zustreben,
der dem Beharrungszustand entspricht. Aus dem Verlauf der Kurve 3 erkennt man, daß
diese selbsttätige Verschiebung des Zündzustandes in das Gebiet III in keiner Weise
wünschenswert ist, sondern daß es im Gegenteil das Bestreben sein muß, das durch
das Gebiet II gekennzeichnete Zündverfahren mittels sog. Mischzündungen durchzuführen.
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Die zur Lösung dieser Aufgabe' erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen
finden in den Diagrammen nach den Abb. 4 und 5 ihre Veranschaulichung. In diesen
Diagrammen entsprechen die Ordinaten wieder den Temperaturen in Grad Celsius bzw.
den Drucksteigerungsverhältnissen während die Abszissen der Zeit entsprechen.
Weiter haben die Kurven i bis 6 die gleiche Bedeutung wie in Abb. i. Während aber
bei dem durch Abb. i widergespiegelten Betriebsversuch die Wärmetönung des Gemisches
durch Veränderung der Brennstofförderung in den Diagrammbereichen a und b Schwankungen
unterworfen worden ist, wurde bei den durch die Abb. q. und 5 gekennzeichneten Betriebsversuchen
die Wärmetönung durch Konstanthaltung der Brennstoffördermengen in den Bereichen
c keinen Änderungen unterworfen. Trotzdem gelang es, wie die Diagramme nach den
Abb. q. und 5 beweisen, willkürlich das Gebiet reiner Selbstzündungen III zu verlassen
und das Gebiet der Mischzündungen Il zu verwirklichen bezw. das Gebiet der reinen
Fremdzündungen I zu verlassen, um das Gebiet der Mischzündungen II zu verwirklichen.
Geändert wurde nämlich bei dem Betriebsversuch nach Abb. q. erfindungsgemäß die
Lufttemperatur, wie sich deutlich aus dem Verlaufe der Kurve i ergibt. Betrachtet
man das Diagrammgebiet III und II, so erkennt man, daß es durch Absenkung der Lufttemperaturen
i
im Gebiet 1I gelang, aus dem Gebiet der reinen Selbstzündungen
III in das Gebiet der Mischzündungen II zu kommen. Gleichzeitig wurden in diesem
Bereich die maximalen Drucksteigerungsverhältnisse erreicht, wie die Kurve 3 beweist.-
Betrachtet man dagegen die Diagrammgebiete II und I, so erkennt man, daß es durch
Steigerung der Lufttemperaturen im Bereich II gegenüber den Lufttemperaturen im
Bereich I möglich ist, das Gebiet reiner Fremdzündungen I zu verlassen und das erstrebte
Gebiet der Mischzündungen innerhalb des Bereiches II zu verwirklichen. Was im Diagramm
nach Abb. q. für die Lufttemperaturen gemäß der Kurve i ausgeführt wurde, gilt im
Diagramm nach Abb. 5 für die Kühlöltemperaturen 2 sinnentsprechend. Durch Absenkung
der Kühlöltemperaturen gelingt es, aus dem Gebiet reiner Selbstzündungen III in
das Gebiet der Mischzündungen II zu gelangen. Umgekehrt kann man durch Steigerung
der Kühlöltemperaturen aus dem Gebiet I reiner Fremdzündungen in das Gebiet II der
Mischzündungen gelangen.
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Wenn bei den durch die Diagramme nach den Abb. q. und 5 gekennzeichneten
Betriebsversuchen die Wärmetönung konstant gehalten worden ist, so geschah dies
besonders deshalb, um den Einfluß der Luft- und Kühlmitteltemperaturänderungen auf
den Zündzustand besser erkennen zu lassen. Im Betrieb spielen sich die Vorgänge
häufig so ab, daß sich irgendeine den Zündzustand des Gemisches bestimmende Einflußgröße,
vorzugsweise die hier betrachtete Wärmetönung, ändert, so daß ohne die erfindungsgemäßen
Maßnahmen entsprechend den zu Abb. i erläuterten Vorgängen eine selbsttätige Veränderung
des Zündzustandes eintreten würde. Dieser selbsttätigen Änderung wird erfindungsgemäß
durch eine entsprechende Änderung der Betriebsmittelzustände, hier also der Luft-
oder Kühlmitteltemperaturen oder beider, entgegengewirkt.
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Was für die Luft- und Kühlmitteltemperaturen dargestellt worden ist,
gilt, wie bereits oben ausgeführt worden ist, auch für die Änderungen des Feuchtigkeitsgehaltes
der Luft oder für die Änderungen der je Zeiteinheit zugeführten oder umgewälzten
Kühlmittehnengen, ohne daß es einer besonderen diagrammatischen Veranschaulichung
bedarf.
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Die Ausführungen bezüglich der Temperaturzustände der Ladeluft und
bezüglich ihres Feuchtigkeitsgehaltes oder bezüglich der Temperaturzustände des
Kühlmittels oder seiner sekundlichen Durchflußmenge gelten sinngemäß für andere
Zustände dieser oder der übrigen in Betracht kommenden Betriebsmittel.
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Im Wesen des neuen Verfahrens liegt es natürlich, daß nicht nur der
Zustand eines der Betriebsmittel oder nicht nur ein Zustand jedes Betriebsmittels
zu ändern ist. Mit derselben Wirkung können die Zustände mehrerer Betriebsmittel
gleichzeitig verändert werden; es kann aber auch der Zustand eines Betriebsmittels
nach den verschiedensten Richtungen einer Änderung unterworfen werden.