DE2317128C3 - Brennkammer für mit einem Turbokompressoraggregat ausgerüstete Brennkraftmaschinen mit Vorwärmung vor der Turbine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für mit einem Turbokompressoraggregat ausgerüstete Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, die der Turbine des Turbokompressors vorgeschaltet ist und außer mit den von der Brennkraftmaschine her kommenden Ausmiffeasen mit Frischluft durch eine bei allen Betriebszuständen offene Abzweigleitung gespeist wird, durch die ihr die vom Kompressor gelieferte Luft zugeführt wird, soweit sie nicht von der Brennkraftmaschine aufgenommen wird, wobei die Brennkammer ein Flammrohr mit einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende, wenigstens einen in der Nähe des geschlossenen Endes des Flammrohrs angeordneten Brennstoffeinspritzer und eine Primärluftzufuhr aufweist, welche in das Flammrohr Frischluft an der Stelle einer in der Nähe seines geschlossenen Endes liegenden Brennzone einführt, und mit einer Auspuffgaszufuhr, welche die Auspuffgase in das Flammrohr an der Stelle einer in der Nähe seines offenen Endes liegenden Mischzone einführt, wobei diese Einführung in einer in bezug auf die Hauptströmungsrichtung in de»" Brennkammer stromabwärtigen Richtung erfolgt, welche in bezug auf die Flammrohrachse schräg liegt.

Aus der US-PS 2669090 ist eine Brennkammer bekannt, bei der zur Regelung der Primär- und Sekundärluftzufuhr zur Erzielung einer stabilen Flamme besondere Drosselorgane in getrennten Zuleitungen für die primäre und die sekundäre Luft vorgesehen sind. Das Auspuffgas wirkt hier dem Eintritt von Sekundärluft nicht entgegen.

Ferner zeigt die DE-PS 884130 eine Brennkammer, in der es überhaupt keine Sekundärluftzufuhr gibt. Die gesamte Luft für die Verbrennung und für die Verdünnung wird durch eine Leitung oberhalb des Brenners zugeführt. Der Strom der heißen Abgase und der Strom der Verbrennungsprodukte und die Überschußluft mischen sich in einer Zone, in der die Ströme symmetrisch zur Wand ankommen.

Nach der DE-OS 2127890 erfolgt die Auspuffgaszufuhr durch eine ringförmige Zwischenkammer.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Brennkammer so auszubilden, daß selbsttätig und ohne äußere bewegliche Regelorgane die Primär- und Sekundärluftzufuhr den Betriebszuständen des Motors angepaßt wird, so daß in der Brennkammer eine stabile Verbrennung stattfindet.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise einer so ausgebildeten Brennkammer werden zunächst die verschiedenen möglichen Betriebszustände einer Brennkraftmaschine beschrieben, da das Verhältnis von Frischluft zu Abgas stark mit dem Betriebszustand des motors schwankt. Beim Anlassen muß der Turbokompressor, der zunächst allein in Gang gebracht wird, einen Vorverdichtungsdruck aufbringen, der für die Selbstzündung des Dieselmotors ausreicht, während dieser vom eigenen Anlasser angetrieben wird. In dieser Phase steht der Turbine des Kompressors nur die Energie von der Brennkammer her zur Verfü-

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Ist der Dieselmotor in Gang und im Bereich geringer Drehzahl, aber voller Belastung, könnte der Brenner in der Brennkammer auf »Sparflamme« eingestellt werden, während die Luftzufuhr durch die Abzweigleitung dann ein Maximum ist, denn der Dieselmotor nimmt der geringen Drehzahl wegen nur wenig Luft auf.

Bei hoher Drehzahl und geringer Belastung muß die Brennkammer beträchtliche zusätzliche Energie aufbringen, was erhöhte Brennstoffzufuhr erfordert, während der Luftdurchsatz durch den Abzweig ein Minimum ist, denn der Dieselmotor nimmt bei hoher Drehzahl viel Luft auf, während der Kompressor wenie Luft liefert.

Daraus ist zu folgern, daß im letztgenannten Fall die gesamte Luftmenge durch den Abzweig als Primärluft verwendet werden muß und die Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer veidünnt werden müssen, um ihre Temperatur herabzusetzen. Der Dieselmotor liefert unter diesen Betriebsbedingungen eine große Menge an Auspuffgas von relativ niedriger Temperatur. Bei voller Last und geringer Drehzahl muß dagegen der größte Teil der Luft durch den Abzweig als Sekundärluft verwendet werden.

Die relativen Anteile an Primär- und Sekundärluft können im Verhältnis 1:10 schwanken. Ein Übermaß an Primärluft kann die Flamme in der Brennkammer ausblasen, und bei ungenügender Primärluft erstreckt sich die Verbrennung bis in Zonen stromab des Brennerraumes, wo die entsprechenden Temperaturen nicht gehalten werden können.

Diese Aufgabe der Erfindung wird nun gelöst durch eine Sekundärluftzufuhr, welche aus der Abzweigleitung kommende Frischluft in die Mischzone einführt, wobei diese Einführung stromabwärts zur Auspuffgaszufuhr in einer zu der Strömung der in die Mischzone einströmenden Auspuffgase wenigstens angenähert senkrechten Richtung und derart erfolgt, daß die Sekundärluftströmung durch die Strömung der Auspuffgase durch Wechselwirkung der Strahlen beeinflußt wird. Dadurch wird erreicht, daß sich Sekundärluft und Auspuffgase gegenseitig so beeinflussen, daß sich das Verhältnis der Menge an Primär- und an Sekundärluft so in Abhängigkeit von der Menge der Auspuffgase ändert, wie es der Betriebszustand des Motors erfordert.

Wenn der Motor kein Auspuffgas abgibt, also in dem oben an erster Stelle genannten Zustand ist, ist der Luftdurchsatz durch den Abzweig hoch, weil der Motor keine Frischluft annimmt. Da er kein Auspuffgas abgibt, wird der Eintritt von Sekundärluft nicht behindert und der Anteil der Sekundärluft am gesamten Luftdurchsatz durch den Abzweig ist offensichtlich ein Maximum.

Beim zweiten, obengenannten Betriebszustand, d. h. bei voller Last und geringer Drehzahl, soll der erhebliche Luftdurchsatz durch die Abzweigleitungen ganz als Sekundärluft verwendet werden. Die Abgasmenge vom Motor ist dann gering und behindert den F.intritt von Sekundärluft nicht.

Beim dritten, obengenannten Betriebszustand soll die Luft durch den Abzweig fast ganz als Primärluft dienen. Der Zustand stellt sich dadurch von selbst ein, daß dann die Abgasmenge vom Motor her sehr hoch ist und keine Sekundärluft zutreten läßt. Darüber hinaus übt das Auspuffgas eine Saugwirkung auf die Produkte der Verbrennung im Brennraum aus, die den Durchsatz an Primärluft noch erhöht.

Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden an Hand der einzigen Figur erläutert.

Diese Brennkammer 1 gehört einer Anlage mit einer Brennkraftmaschine 2, z. B. einem Dieselmotor, an, der mit Vorverdichtung von einem Turbokompressoraggregat 3 gespeist wird und mit einem Vorwärmer strömungsaufwärts von der Turbine versehen ist. Das Turbokompressoraggregat 3 enthält wenigstens einen Kompressor 4, welcher verdichtete Frischluft der Brennkraftmaschine 2 liefert, und wenigstens eine Turbine 5, welche den Kompressor 4 antreibt und mit den Auspuffgasen der Brennkraftmaschine 2 betrieben wird.

Die die Vorwärmun" bewirkende Brennkammer 1 ist strömungsaufwärts von der Turbine 5 angeordnet und wird einerseits mit Brennstoff durch eine Leitung 6 und andererseits gleichzeitig mit den aus der Brennkraftmaschine kommenden Auspuffgasen über eine Auspuffleitung 7 und mit am Ausgang des Kompressors 4 durch eine Abzweigleitung 8 entnommener Frischluft gespeist.

Die Brennkammer 1 enthält ein Flammrohr 9 mit einem geschlossenen Ende 10 und einem offenen Ende 11, wenigstens einen Brennstoffeinspritzer 12, welcher in der Nähe des geschlossenen Endes 10 des Flammrohres 9 liegt und den für die Vorwärmung bestimmten Brennstoff durch die Leitung 6 empfängt, und eine Primärluftzufuhr 13, welche in das Flammrohr 9 Frischluft an der Stelle einer in der Nähe seines geschlossenen Endes 10 liegenden Verbrennungszone 14 einführt.

Eine Auspuffgaszufuhr 15 führt die Auspuffgase in das Flammrohr 9 an der Stelle einer in der Nähe seines offenen Endes 11 liegenden Mischzone 16 ein, wobei diese Einführung mit einem geringsten Druckabfall und in einer Richtung erfolgt, welche in bezug auf die Achse X-X des Flammrohres 9 etwas schräg liegt und in Richtung auf sein offenes Ende 11 verläuft, und eine Sekundärluftzufuhr 17 vorgesehen, welche in das Flammrohr 9 Frischluft an der Stelle dieser Mischzone 16 einführt, wobei diese Einführung in einer wenigstens angenähert senkrechten Richtung zu der Strömung der so eingeführten Auspuffgase und derart erfolgt, daß die Sekundärluftströmung durch die Strömung der Auspuffgase durch Wechselwirkung der Strahlen beeinflußt wird.

Die Vereinigung der beiden so in die Mischzone 16 eingeführten Strömungen erzeugt eine Strahlpumpenwirkung, welche eine Unterdruckzone 18 zwischen der Mischzone 16 und der Verbrennungszone 14 erzeugt.

Die Primärluftzufuhr 13 kann zweckmäßig durch eine Primärluftkammer 19 gebildet werden, welche

4ü das geschlossene Ende 10 des Flammrohres 9 umgibt, das mit einer gewissen Zahl von öffnungen 20 versehen ist, die gleichmäßig auf seinen Umfang verteilt und gegebenenfalls in mehreren axial gegeneinander versetzten Reihen angeordnet sind.

Die Auspuffgaszufuhr 15 kann zweckmäßig durch eine ringförmige Zwischenkammer 21 gebildet werden, deren strömungsabwärts gelegener Teil sich an das Flammrohr 9 hinter der Primärluftkammer 13 anschließt, wobei dieser Anschluß durch eine ringför-

mige öffnung 22 erfolgt.

Die Sekundärluftzufuhr 17 kann zweckmäßig durch eine Sekundärluftkammer 23 gebildet werden, welche die Zwischenkammer 21 umgibt und durch öffnungen 24 mündet, weiche in dem strömungsabwärts iiegenden Teil der Zwischenkammer 21 ausgebildei und so angeordnet sind, daß sich die Auspuffgase dem radialen Eintritt von Sekundärfrischluft durch eiiie Wechselwirkung der Strahlen widersetzen.

Die Zwischenkammer 21 schließt sich unmittelbar

bo an die Auspuffleitung 7 an, während sich die Sekundärluftkammer 23 unmittelbar an die Abzweigleitung 8 anschließt.

Zur Speisung der Primärluftkammer 19 mit Frischluft sind Durchlässe 25 vorgesehen, welche durch die Zwischenkammer 21 treten und die Sekundärluftkammer 23 mit der Primärluftkammer 19 verbinden. Auf der Abbildung ist durch dicke Pfeile die Strömung der Auspuffgase und durch dünne Pfeile die

Strömung der Frischluft dargestellt.

Die Primärluftkammer 19 besitzt vorzugsweise eine profilierte Form, um welche herum der strömungsauf wärts liegende Teil der Zwischenkammer 21 und der strömungsaufwärts hegende Teil der Sekundärkammer 2"¹I ungeordnet sind, so daß diese strömungsaufwäi is liegenden Teile kontinuierlich an die Auspuffleitung 7 bzw. die Abzweigleitung 8 anschließen.

Der strömungsabwärts liegende Teil der Zwischenkammer 21 schließt sich an das Flammrohr 9 so an, daß die Einführung der Auspuffgase in Richtung auf das offene Ende 11 des Flammrohres 9 begünstigt wird. Dieser strömungsabwärts liegende Teil hat also eine kegelstumpfförmige Form, welche zu diesem offenen Ende 11 konvergiert.

Der strömungsabwärts liegende Teil der Sekundärkammer 23 schließt sich an das Flammrohr 9 so an,

daß die radiale Einführung von Frischluft senkrecht zu der Achse X-Xdes Flammrohres 9 begünstigt wird. Dieser strömungsabwärts liegende Abschnitt lenkt daher in Richtung der Achse X-X ab.

Die erfindungsgemäße Brennkammer bietet zahlreiche Vorteile, insbesondere folgende:

- die Gefahr eines Ausblasens der Flamme ist praktisch infolge einer ständigen Ansaugung von 11 ischluft um die Verbrennungszone herum ausgeschlossen;

- die kinetische Energie der Auspuffgase bewirkt die Verdünnung und die Kühlung der durch die Verbrennung entstandenen heißen Gase;

- die Auspuffgase erleiden nur einen sehr kleinen Druckabfall;

- die Ausbildung der Brennkammer ist einfach und ermöglicht eine einfache, billige Herstellung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennkammer für mit einem Turbokompressoraggregat ausgerüstete Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren die der Turbine des Turbokompressors vorgeschaltet ist und außer mit den von der Brennkraftmaschine her kommenden Auspuffgasen mit Frischluft durch eine bei allen Betriebszuständen offene Abzweigleitung gespeist '° wird, durch die ihr die vom Kompressor gelieferte Luft zugeführt wird, soweit sie nicht von der Brennkraftmaschine aufgenommen wird, wobei die Brennkammer ein Flammrohr mit einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende, wenigstens einen in der Nähe des geschlossenen Endes des Flammrohrs angeordneten Brennstoffeinspritzer und eine Primärluftzufuhr aufweist, welche in das Flammrohr Frischluft an der Stelle einer in der Nähe seines geschlossenen Endes liegenden Brennzone einführt, und mit einer Auspuffgaszufuhr, weiche die Auspuffgase in das Flammrohr an der Stelle einer in der Nähe seines offenen Endes liegenden Mischzone einführt, wobei diese Einführung in einer in bezug auf die Hauptströmungsrichtung in der Brennkammer stromabwärtigen Richtung erfolgt, weiche in bezug auf die Flammrohrachse schrägt liegt, gekennzeichnet durch eine Sekundärluftzufuhr (17), welche aus der Abzweigleitung (8) kornmende Frischluft in die Mischzone (16) einführt, wobei diese Einführung stromabwärts zur Auspuffgaszufuhr (15) in einer 2U der Strömung der in die Mischzone (16) einströmenden Auspuffgase wenigstens angenähert senkrechten Richtung und derart erfolgt, daß die Sekundärluftströmung durch die Strömung der Auspuffgase durch Wechselwirkung der Strahlen beeinflußt wird.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffgaszufuhr (15) durch eine ringförmige Zwischenkammer (21) gebildet ist, deren strömungsabwärts liegender Teil sich an das Flammrohr (9) hinter einer Primärluftkammer (19) anschließt, und daß die Sekundärluftzufuhr (17) durch eine Sekundärluftkammer (23) gebildet ist, weiche die Zwischenkammer (21) umgibt und durch öffnungen (24) mündet, welche in dem strömungsabwärts liegenden Teil der Zwischenkammer (21) ausgebildet und so angeordnet sind, daß die Auspuffgase sich der radia- len Einführung von Sekundärluft durch eine Wechselwirkung der Strahlen widersetzen.

3. Brennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigleitung (8) wenigstens teilweise die Auspuffleitung (7) stromaufwärts von der Brennkammer umhüllt.