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Verfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern, insbesondere für Brennkraftturbinen
Zur Betriebszündung der in Verpuffungskammern, insbesondere von Brennkraftturbinen,
erzeugten verpuffungsfähigen Brennstoffluftgemische hat man sich bisher vorzugsweise
eines im Zündzeitpunkt auf elektrischem Wege erzeugten Zündfunkens bedient; dieser
Zündfunke wurde dabei durchweg durch eine elektrisch angesteuerte Zündkerze hervorgerufen.
Die Zündung mittels Zündfunken hat jedoch grundsätzliche Nachteile, die durch die
verhältnismäßig geringe Zündungsoberfläche derartiger Funken verursacht werden.
Einerseits fehlen die Voraussetzungen dafür, daß selbst bei völlig gleichmäßiger
Durchsetzung der Luftladung mit Brennstoff unmittelbar nach Auftreten des Zündfunkens
die Entzündung einsetzt, weil nicht mit Sicherheit in jedem Zeitpunkt der für die
Einleitung der Zündung in Betracht kommenden Zeitspanne ein Brennstoffteilchen in
Gegenwart des erforderlichen Sauerstoffs mit dem Zündfunken in Berührung kommt.
Andererseits setzt sich von ,der kleinen Oberfläche des Zündfunkens aus die Verbrennung
nach erfolgter Entzündung in Form von Kugelschalen fort, wobei sich die im Brennstoffluftgemisch
bildende Entzündungsoberfläche fortschreitend vergrößert. Handelt es sich um schwer
entzündliche Brennstoffe, welche insbesondere vor der Entflammung erst aufgeschlossen
oder vergast werden müssen, so erfolgt das Fortschreiten der Entzündungsoberfläche
von der Zündoberfläche des Zündfunkens her langsam, und es dauert einige Zeit, bevor
sich eine wirksame Zündoberfläche, die groß genug ist, innerhalb des Gemisches bildet.
Handelt es sich um flüssigen Brennstoff, so maß außerdem die zur Verdampfung und
Vergasung erforderliche Wärmemenge aus dem Innern :der Kugelschalen heraus an eine
außerordentlich große Umgebung ausgestrahlt werden, wodurch der Flamme eine derart
große Wärmemenge entzogen wird, daß die Temperatur im Innern der Kugelschalen absinkt.
Hierdurch tritt leicht eine schleichende und unvollkommene Verbrennung ein. Als
Beispiel, um welche Größenordnung des Wärmeentzuges es sich hierbei handelt, sei
angeführt, daß ein aus flüssigem Benzol und Luft bestehendes Gemisch allein durch
die Verdampfung des in ihm selbst enthaltenen Brennstoffes um mehr als 2o° C abgekühlt
wird. Zusätzliche Abkühlung tritt bei einigen gebräuchlichen Brennstoffen weiterhin
durch die vor der Verbrennung eintretende Aufspaltung ein. Eine solche Abkühlung
vermehrt sich um das Vielfache, wenn von einem kugelförmigen Brennstoffluftgemisch
aus, wie oben beschrieben, der dieses allseitig umgebende Brennstoff verdampft und
aufgespalten werden muß.
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Man hat zur Einleitung der Entflarnmung von Gemischen aus staubförmigen
Brennstoffen bereits vorgeschlagen, dadurch von Anfang an eine große Entzündungsoberfläche
zu schaffen, daß man eine Selbstzündung des Gemisches an Katalysatoren, glühenden
Teilen oder glimmenden Ascheresten künstlich
herbeiführt. -Ein`-söldies
Verfahren führt selbst bei den ganz besonders schwer entzündlichen'- 'Geriiischen
'aus' staubförmigen Brennstoffen zum Ziele. Es hat aber den,: Nachteil, daß die
Lebensdauer von in dä Verpuffungskammer angeordneten Katalysä:=.', toren und glühenden
Teilen beschränkt ist' und daß insbesondere die Anbringung solcher Vorrichtungen
nicht einfach durchzuführen ist. Auch können aus praktischen Gründen diesen Körpern
nur beschränkte Abmessungen gegeben werden. Weiterhin macht es große Schwierigkeiten,
die Temperatur glühender Teile für alle Betriebsbedingungen auf der richtigen Höhe
zu halten. Werden sie bei kälter verlaufender Verpuffung zu kalt, so setzt die Selbstzündung
-des frischen Gemisches verspätet ein oder fällt ganz aus. Werden die Teile bei
heißer werdender Verpuffung zu heiß, so unterliegen sie der Gefahr vorzeitiger Zerstörung.
Der Ausweg, im Brennstoff anfallende Asche künstlich an Stellen, welche auf einer
entsprechenden Temperatur gehalten werden, anzulagern und diese Asche- oder Schlackeansammlungen
als Katalysatoren oder als Selbstzündungsstellen zu benutzen, kommt bei flüssigen
und gasförmigen Brennstoffen nicht in Betracht.
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Es ist auch bekanntgeworden, daß in der Verpuffungskammer eingeschlossene
Gasreste zu Zündungen Anlaß geben können. Insbesondere hat man festgestellt, daß
bei einer Einführung des Brennstoffes, bei der die gesamte Verpuffungskammer augenblicklich
mit Brennstoff erfüllt wird, eine Urzündung erfolgen kann, ehe die Einführung des
Brennstoffes beendet ist. Diese Urzündung erfolgt bei langgestreckten Kammern in
der Nähe des Auslaßorganes der Verpufl"ungsli;ammer, weil hier stets die die Zündung
hervorrufenden Mittel angeordnet sind, so daß es zu Urzündungen, hervorgerufen durch
elektrische Zündfunken, durch Glühzündungen, durch Zündungen an katalysatorisch
wirkenden Stoffen oder insbesondere auch durch Zündungen qm heißen Feuergasrest,
kommen kann. Infolge .der augenblicklichen Erfüllung der Verpuffungskammer mit Brennstoff
kommt es dann zu einer Einführung von Brennstoff in die durch die Urzündung gebildete
Flamme, womit eine Reihe von Nachteilen entstehen, die zur Abänderung des Einführungsverfahrens
für den Brennstoff Anlaß gegeben haben.
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Vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß die so
bekanntgewordene Erscheinung der Entstehung von Urzündungen an einer in .der Verpuffungskammer
eingeschlossenen Gasmasse entsprechend hoher Temperatur .die Möglichkeit der Durchführung
von Betriebszündungen gewährt, wenn man die Bildung und den Zustand dieser Gasmasse
_ so zu beherrschen versteht, daß in genau vorbestimmten Zeitpunkten, eben den ;durch
das Arbeitsverfahren vorgeschriebenen @ZiÜdzeitpunlcten, die Zündung der in der
Ve@puffungskammer gebildeten verpuffungsfähgen Ladung durch die Gasmasse erfolgt.
Die Erfindung beruht auf der weiteren Erkenntnis, daß diese Beherrschung dadurch
möglich ist, daß man den Wärmezustand des Verpuffungskammerauslaßendes in der beliebigsten
Weise beeinflussen kann, insbesondere derart, daß die entweder aus Restverbrennungsgasen
oder aus eingeschlossener Luft bestehende Gasmasse die zur Zündung der Ladung erforderliche
Temperatur annimmt und die Gleichraumverbrennung einleitet. Demgemäß kennzeichnet
sich das erfindungsgemäß vorgeschlageneVerfahren zum Betriebe von Verpuffungskammern,
insbesondere für Brennkraftturbinen, in denen die Ladung durch Zündgase entflammt
wird, durch eine Einstellung des Wärmezustandes des Verpuffungskammerauslaßendes,
bei dem die entweder aus Restverbrennungsgasen oder aus eingeschlossener Luft bestehenden
Gase die zur Zündung der Ladung erforderliche Temperatur annehmen und die Gleichraumverbrennung
der Ladung einleiten. Ein derartiges Betriebszündungsverfahren gewährt die mannigfachsten
Vorteile gegenüber der eingangs erwähnten Betriebszündung unter Verwendung elektrischer
Zündfunken. Denn es findet im Gegensatz zu dieser Zündung mit punktartiger Zündoberfläche
und sich an diese anschließender kugelförmiger Ausbreitung der Zündung nunmehr die
Zündung auf einer großen, praktisch etwa senkrecht zur Kammerlängsachse gelegenen
und den Gesamtkammerquerschnitt einnehmenden Fläche statt. Von -hier aus schreitet
die Zündoberfläche nach dem Einlaßende der Verpuffungskammer zu fort, so daß eine
Ausstrahlung von Wärme nur an dieser praktisch ebenen oder nur leicht gekrümmten,
im Verhältnis zum brennenden Kern kleinen Oberfläche eintritt.
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Als Mittel zur Beeinflussung des Wärmezustandes des Verpuffungskammereinlaßendes
bietet sich insbesondere eine entsprechende Einstellung des Temperaturzustandes
des Kühlmittels der Verpuffungskammer an, bei dem die Zündgase die zur Entflammung
der Ladung erforderliche Temperatur annehmen und die Gleichraumverbrennung einleiten.
Dabei wird vorzugsweise die Temperatur des Kühlmittels für das Verpuffungskammerauslaßende
höher einzustellen sein als die Temperatur des Kühlmittels für die anderen Teile
der Verpuffungskammer. Eine unmittelbare Zufuhr äußerer Wärme zu den Zündgasen
wird
vor oder während des Anfahrens erforderlich sein. Das kann beipielsweise durch eine
Aufheizung in dem Wärmetauscher erreicht werden, in dem im Beharrungszustand die
Kühlung des betreffenden ,Mittels vorgenommen wird.
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Die Vorrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens können in
der beliebigsten Weise ausgebildet sein. Zweckmäßig wird die Verpuffungskammer in
langgestreckter Form ausgeführt, wobei an dem einen Ende die Betriebsmitteleinlaßorgane,
an dem anderen Ende die Auslaßorgane angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, daß
das Einlaßende, an welchem die Betriebsmittel eingeführt werden, kühl bleibt, während
das Auslaßende, über das die hocherhitzten Verbrennungsgase abströmen, erheblich
aufgeheizt wird. Weiterhin wird vorteilhaft das Einlaßende kegelig ausgebildet,
so daß die Verbrennungsgase nach beendeter Verpuffung ausgeschoben werden können,
ohne daß sich eine starke Mischung zwischen Luft und Verbrennungsgasen einstellt.
Auch das Auslaßende wird vorteilhaft kegelig verengt, so daß die Ausströmgeschwindigkeit
der Verbrennungsgase und damit der Wärmeübergang allmählich erhöht wird. Die Mittel
zur Erreichung einer genügend hohen Temperatur des nach vollendeter Ausspülung am
Auslaßende angelagerten Gasrestes und seiner Umgebung sind hierbei folgende: Zunächst
wird die Kammer so lang gewählt @ und dem Ausspülvorgang so viel Zeit zugeteilt,
daß bereits während des Ausspülvorganfies eine starke Wärmeabstrahlung aus den Feuergasen
in das an diese angrenzende Luftpolster stattfindet. Weiterhin ist es möglich, das
Auslaßorgan so früh zu schließen, daß ein Verbrennungsgasrest noch am Austrittsende
der Kammer festgehalten wird. Die Kammerwandungen am Austrittsende werden hierbei
zweckmäßig nur mit einem verhältnismäßig heißen Kühlmittel (d. h. heißer als die
Siedetemperatur des Wassers) gekühlt, und ihre Temperatur wird dadurch wesentlich
erhöht, daß dzs Austrittsende nach dem Austrittsventil hin stark verjüngt wird,
so daß der Wärmeübergang infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeit der ausfließenden
Verbrennungsgase große Werte annimmt, Die am Auslaßende befindlichen Teile oder
Wandungen strahlen nunmehr infolge ihrer hohen Temperatur eine große Wärmemenge
in den am A.uslaßende eingelagerten Gasrest, der aus Verbrennungsgasen mit oder,
ohne Beimengung von Luft oder aus Luft allein bestehen kann, aus. Diese Ausstrahlung
kann dadurch begünstigt werden, daß dem Aufladevorgang, welcher den Gasrest bereits
am Auslaßende eingelagert vorfindet, eine genügende Zeitspanne zugeteilt wird. Diese
Ausstrahlung ersetzt aber auch noch während des Zündvorganges die durch Verdampfung
und Aufspaltung des Brennstoffes entzogene Wärme.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß durch das Zusammenwirken dieser Mittel
eine genügende Temperaturerhöhung des am Auslaßende eingelagerten Gasrestes leicht
erreicht werden kann. Eine Selbstzündung des in die Verpuffungskammer eingeführten
Brennstoffgemisches tritt nunmehr mit Sicherheit ein, und zwar auf der außerordentlich
großen Oberfläche, mit welcher das Gemisch mit dem am Auslaßende eingelagerten Gasrest
und seiner heißen Umgebung zusammentrifft. Die auf diese Weise hervorgerufenen Zündungen
treten mit großer Genauigkeit zum gewollten Zeitpunkt ein und leiten eine bedeutend
schnellere Verbrennung durch die ganze Masse ein, als solche, welche durch Zündfunken
hervorgerufen werden. Es gelingt auf diese Weise, Brennstoffe, welche z. B. in Dieselmotoren
nur mit Schwierigkeit und unvollkommen verbrannt werden können, so völlig zu verbrennen,
daß es mit chemischen Mitteln nicht mehr möglich ist, unverbrannte Bestandteile
nachzuweisen. Insbesondere verbrennen Brennstoffe, welche bei unvollkommener Verbrennung
einen unangenehmen Geruch verbreiten, völlig geruchlos.
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Bei einem solchen Verfahren wird ,es selbstverständlich eintreten,
daß die Selbstzündung infolge plötzlicher, sprungweiser Veränderung in den Aufladebedingungen,
z. B. bei plötzlich einsetzenden Lastschwankungen von Verpuffungsturbinen, wenn
.die Verpuffungskammern zu deren Antrieb dienen, vorübergehend aussetzt. Es wird
.deshalb zweckmäßig sein, für diesen Fall und für das Anfahren zusätzliche Fremdzünder
anzuordnen, z. B. dauernd glühende Teile oder, noch besser, elektrisch angesteuerte
Zündkerzen. Werden elektrisch angesteuerte Zündkerzen als Hilfszünder angeordet,
so müssen diese vorteilhaft so gesteuert werden, da.ß ihre Einschaltung gleichzeitig
oder kurz hinter .der bei normalem Betrieb einsetzenden Selbstzündung erfolgt. Derartig
eingestellte Zünder stören alsdann den Selbstzündungsbetrieb nicht, halten aber
die Zündung aufrecht, im Falle, daß die Selbstzündung versagt.
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Die Abb. i"gibt einen Längsschnitt durch eine Verpuffungskammer, mit
welcher das vorliegende Verfahren verwirklicht werden kann.
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Die Abb. 2 zeigt den üblichen Verlauf der Wegdrucklinie für eine solche
Verpuffungskammer.
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Die Abb. 3 gibt das Schaubild eines einzelnen
Arbeitsspieles
in größerem Maßstab wieder, wobei der durch das neue Verfahren zu erzielende Fortschritt
deutlich gemacht wurde. Die Abszissen stellen ein Arbeitsspiel in Winkelgraden des
Verteilers dar, der das zur Einstellung der Steuerorgane dienende gespannte Mittel
auf die Ventile zur Wirkung bringt und. sie von ihn entlastet, während die Ordinaten
den jeweilig in der Kammer herrschenden Druck angeben.
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In bekannter Weise geht das Arbeitsverfahren in der in Abb. i veranschaulichten
Kammer wie folgt vor sich: Es wird ausgegangen von dem Zustande in Punkt b, in welchem
die Kammer mit Spülluft von über' der Atmosphäre liegender Spannung erfüllt ist.
Durch das Luftventil i erfolgt die. Aufladung - der Brennkammer :2 mit höher gespannter
Druckluft unter gleichzeitiger Öffnung des Brennstoffventils 3. Dieser Aufladevorgang
ist im Schaubild Abb. 3. dargestellt durch die Strecke a von Punkt b bis Punkt c.
Im. Punkte c setzt die Zündung und damit die Verpuffung des in der Kammer -, eingeschlossenen
Brennstoffgemisches ein, welche im Punkte d praktisch beendet ist. In diesem Zeitpunkt
'öffnet das Düsenventil ¢ und läßt die Verbrennungsgase anströmen, im gezeichneten
Beispiel durch die Düse 5 nach der Beschaufelung 6 des Turbinenrades 7. Während
dieser Ausströmung findet die Ausnutzung der in den Verbrennungsgasen enthaltenen
Energie statt. Die Ausströmung dauert während der Strecke e von d : f . Im
Punkte f öffnet das Spülluftventil 8 und läßt frische Luft in die Kammer
z eintreten, wobei die verbrannten Feuergase über das noch geöffnete Düsenventil
q. ausgeschoben werden. Nach beendeter Ausspülung der Verpuffungskammer beginnt
im Punkte b der Vorgang von neuem. Wie die Zeichnung veranschaulicht, ist die Verpuffungskaminer
in langgestreckter Form ausgeführt. Die Einlaßventile 1, 3 und 8 liegen in diesem
Ausführungsbeispiel am rechten Ende der Kammer, das Düsenventil 4. am linken Ende.
Das Eintrittsende weist einen Hohlkegel 9 auf, ebenso das Austrittsende einen Hohlkegel
io.
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Während des beschriebenen Aus.spülvorganges bildet sich, begünstigt
durch das kegelig geformte Eintrittsende, eine praktisch ebene oder schwach gewölbte
Trennschicht zwischen denVerbrennungsgasen und der eintretenden Spülluft aus, welche
sich langsam von rechts nach links herüberschiebt. Schon während dieses Ausschiebens
findet ein starleer Wärmeübergang an der Trennschicht statt. Zweckmäßig wird das
Düsenventil q. so frühzeitig geschlossen, daß keine Spülluft verlorengeht, vielmehr
ein kleiner Verbrennungsgasrest am linken Ende der Kammer eingeschlossen wird. Die
Wandungen des Hohlkegels io am Auslaßende werden durch ein Kühlmittel hoher Temperatur
gekühlt, welches im Kreislauf durch die Pumpe i i über den Kessel i- und die Rohrleitung
13 durch den Kühlraum i4 gedrückt wird und über die Leitung 13' der Pumpe wieder
zufließt. Dieses Kühlmittel wird in dem Kessel 1z nur teilweise zurückgekühlt und
fließt der Kühlkammer 1q. mit noch hoher Temperatur wieder zu. Die Temperatur der
Wandungen des Austrittsendes io wird gerade durch dessen kegelige Form besonders
erhöht, da durch .die so auftretende Verengung des Strömungsquerschnittes in dem
engen Teil des Hohlkegels hohe Strömungsgeschwindigkeiten der ausfließenden Verbrennungsgase
auftreten. Bekanntlich erhöhen hohe Strömungsgeschwindigkeiten denWärmeübergang
stark, so daß eine große Wärmemenge in die Wandungen des Hohlkegels io abgeführt
wird. Infolge der beschriebenen Maßnahmen bleiben die Wandungen des Hohlkegels io
heiß und strahlen eine große Wärmemenge in die in ihm eingeschlossene Luft- oder
Gasmenge aus. Es befindet sich also innerhalb des Hohlkegels io eine heiße Gasmenge,
deren Temperatur noch weiter durch andauernde Strahlung der Wandung erhöht wird.
Die Grenzfläche dieser dem Einfluß der heißen Wandung und des Abgasrestes ausgesetzten
Gasmenge, in der Zeichnung als konkave Fläche 15 dargestellt, bildet nun die Zündfläche
für die frische Ladung.
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Zur Veranschaulichung der Wirkung dieser Zündfläche sind um die Zündkerze
16, die ohnehin als Sicherheit und Anlaßzündung notwendig ist, Kreise 17 gezeichnet,
welche veranschaulichen sollen, wie sich von dem kleinen Zündpunkt der Zündkerze
aus die Verbrennung fortsetzen muß, wobei die Ausstrahlung einer verhältnismäßig
großen Wärmemenge in die umfangreiche Umgebung erforderlich ist. Ein Blick auf die
konvex gekrümmten Kugeloberflächen, welche durch die Kreise 17 dargestellt werden,
und die eben oder konkav gekrümmten Zündungsoberflächen 15 zeigt den großen Vorteil
des neuen Zündungsverfahrens. Innerhalb der im Verhältnis großen Zündungsoberfläche
15 kann nur ein verhältnismäßig kleiner Wärmeentzug zur Verdampfung, -Vergasung
und Aufspaltung des Brennstoffes erforderlich werden, klein im Verhältnis zu den
aufgespeicherten Wärmemengen. Unterstützend wirkt hierbei die große Wärmespeicherung
in der hoch erhitzten Oberfläche der Wandungen des Kegels xo. Von diesen Oberflächen
geht, wie durch Strahlungslinien angedeutet, eine starke Strahlung aus zur Zündungsoberfläche
hin,
welche einen etwa auftretenden Wärmeentzug sofort ersetzt.
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Wie stark sich die Wirkung der neuen Zündungsart auch im Schaubild
ausdrückt, ist durch die Abb.3 veranschaulicht. Die vollausgezogene Linie in dieser
Abbildung stellt das übliche Schaubild mit Hilfe ge-: steuerter Fremdzündung, z.
B. der in Abb. i gezeigten Zündkerze 16, dar. Der Augenblick der Zündung liegt im
Punkte c. Von diesem Punkt aus schreitet die Verbrennung verhältnismäßig langsam
fort; insbesondere wird die Verbrennung schleichend, nachdem ein Druck von etwa
25 Atm. abs. erreicht ist. Die Form der Verbrennungslinie von z5 Atm. abs. ab bis
zu dem Punkt d, in dem das Düsenventil öffnet, läßt mit Sicherheit darauf schließen,
daß im Punkte d die Verbrennung noch nicht beendet ist und während der Entspannung
von d-f noch ein starkes Nachbrennen stattfindet. Nachdem die Verpuffungskammer
unter Anwendung der beschriebenen Mittel einige Zeit in Betrieb gewesen war, nahm
das Schaubild die langgestrichelt gezeichnete Form an, d. h. im Punkte g setzte
nunmehr die erstrebte Selbstzündung ein. Die Verbrennung verläuft nach diesem Schaubild
ganz bedeutend schneller, als es durch den steilen Verlauf der Verpuffungslinie
zum Ausdruck kommt. Im Punkt k ist die Verbrennung völlig beendet. Dieses geht deutlich
daraus hervor, d.aß bei allseits geschlossener Verpuffungskammer ein Druckabfall
h-d stattfindet, entsprechend der Wärmeabgabe an die Kammerwandungen. Wird nunmehr
die Eröffnung des Düsenventils vorverlegt in den Punkt der beendeten Verbrennung
h, so würde die Entspannungslinie entsprechend der punktiert gezeichneten Linie
h-i verlaufen. Der Druck bei Beginn der Entspannung beträgt in diesem Falle 23,a5
Atm. abs., während er bei der Fremdzündung nur 26,15 Atm. abs. betrug. Die Drucksteigerung,
welche durch das neue Verfahren erzielt wurde, bei gleicher Brennstoffzufuhr und
gleichem Gemisch, beträgt also 12%. Entsprechend größer ist der Leistungsanfall.
Bei der Entnahme der vorliegenden Schaubilder wurde die Verbesserung der Verbrennung
auch dadurch sichtbar, daß der bei dem Schaubild mit Fremdzündung wolkige Auspuff
nach Einsetzung der Selbstzündung farb- und geruchlos wurde.