DE1049160B

DE1049160B - Duesenmaschinen-Treib- und -Zuendstoff

Info

Publication number: DE1049160B
Application number: DEK32016A
Authority: DE
Inventors: Ellsworth Elmer Kimmel
Original assignee: Koppers Co Inc
Current assignee: Beazer East Inc
Priority date: 1956-06-07
Filing date: 1957-05-23
Publication date: 1959-01-22
Also published as: GB809728A; NL217788A; NL102142C; US2867081A; BE558133A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kraftmaschinen von der Art der sogenannten Düsenmaschinen, ihren Antrieb und die dafür dienenden Kohlenwasserstoff-Treibstoffmischungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf verbesserte Kohlenwasserstoff-Treibstoffmischungen für Düsenmaschinen und ihren dadurch verbesserten Betrieb. In ganz besonderer Hinsicht bezieht sich die Erfindung auf verbesserte Treibstoffe für Rammdüsenmaschinen.

Geläufigerweise gibt es drei Arten von Düsenmaschinen, nämlich Turbodüsen, Rammdüsen und Pulsodüsen. Die am wenigsten komplizierte dieser Kraftmaschinen ist die Rammdüsenmaschine. Während sie im Betrieb der Turbodüse in bezug auf ihren Arbeitszyklus gleich ist, unterscheiden sich die zwei Maschinen in den Kompressionsstufen. Während Kompression für die Turbodüsenmaschine durch einen mittels Gasturbine angetriebenen Kompressor erzeugt wird, welcher einen Luftstrom zur Verbrennungskammer mit einer gewünschten geregelten Geschwindigkeit liefert, wird die Luftströmung durch die Verbrennungskammer der Rammdüsenmaschine nur durch die Geschwindigkeit der sich durch die Luft bewegenden Rammdüsenmaschine geregelt. Kompression für die Rammdüsenmaschine wird durch die Rammwirkung der eintretenden Luft hervorgerufen.

Bisher wurde angenommen, daß sich mit Düsenmaschinen ergebende Betriebsschwierigkeiten in erster Linie auf die Maschinenkonstruktion zurückzuführen seien, und die größte Mühe wurde für die Entwicklung besserer Konstruktionen für Düsenmaschinen aufgewendet, welche diese Schwierigkeiten überwinden könnten. Erst neuerdings jedoch wurde gefunden, daß nicht alle Kohlenwasserstoffe die gleichen Eigenschaften bei ihrer Verwendung als Treibstoff in Düsenmaschinen besitzen und daß sie sich in ihren Verbrennungseigenschaften ausreichend unterscheiden, um merkliche Unterschiede im Betrieb von Düsenmaschinen zu verursachen.

Eines der Hauptziele in der Entwicklung von Rammdüsenmaschinen besteht darin, eine Konstruktion zu schaffen, welche ausreichend Druck entwickelt, um die gegenwärtige Fluggeschwindigkeit zu vergrößern. Andere wesentliche Ziele sind bessere Treibstoffausnutzung, wobei Wirksamkeit der Treibstoffausnutzung eine Funktion der Fluggeschwindigkeit ist, und Motorgewichtsverringerung. Die thermische Wirksamkeit von mit den üblichen Fluggeschwindigkeiten betriebenen Rammdüsenmaschinen ist etwa 40%. Niedrigere Zündtemperaturen und weite Treibstoff-Luft-Grenzverhältnisse sind in hohem Grade für einen Treibstoff erforderliche Eigenschaften, um diese Ziele zu erreichen.

Gegenstand der Erfindung ist die Zusammensetzung eines Düsenmaschinen-Treib- und -Zündstoffes, welcher eine höhere prozentuelle Zunahme an thermischer Wirksamkeit bei den gegenwärtigen Fluggeschwindig-

Düsenmaschinen-Treib- und -Zündstoff

Anmelder:

Koppers Company, Inc.,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. A. van der Werth, Patentanwalt,
Hamburg-Harburg 1, Wilstorfer Str. 32

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 7. Juni 1956

Ellsworth Elmer Kimmel, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.]
ist als Erfinder genannt worden

keiten und einen größeren Druck für eine gegebene Motorkonstruktion entwickeln kann, eine niedrigere Zündtemperatur a^^fweist, sowie unter weiten Treibstoff-Luft-Grenzverhältnissen verwendbar ist und höhere Verbrennungswärmen als jetzt verfügbare Treibstoffe besitzt.

Die gesamte Forschung für Treibstoffmischungen, welche das Optimum in Maschinenleistung geben kann, betraf Zusätze, deren Eigenschaften im Verbrennungsverfahren erstens hohe Verbrennungswärme und zweitens hohe Flammgeschwindigkeit ergeben und drittens hohe Dichte, viertens niedrige Giftigkeit und fünftens niedrige Flüchtigkeit besitzen.

Der Düsenmaschinen-Treib- und -Zündstoff gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus einem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoff und einem Aluminiumalkyl der Formel
(R)₁₁AlH,,,,,

worin R ein Kohlenwasserstoffradikal und η eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, besteht.

Beispiele für solche Aluminiurnalkyle sind Trimethylaluminium, Dimethylaluminiumhydrid, Methylaluminiumdihydrid, Triäthylaluminium, Diäthylaluminium-

hydrid, Äthylaluminiumdihydrid, Tributylaluminium, Dibutylaluminiumhydrid, Butylaluminiumdihydrid, Triisobutylaluminium, Diisobutylaluminiurn, Isobutylaluminiumdihydrid und höher homologe Aluminiumalkyle bzw. deren Hydride.

Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen. Zusätze gute Zünder für Kohlenwasserstofftreibstoffe, insbesondere bei Düsenmaschinenbetrieb sind. Bei Verwendung in dieser Weise wird eine kleine Menge des Aluminiumalkyls in die Verbrennungszone der Düse

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eingespritzt, wo es mit einem vorerhitzten, normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoff zusammenkommt, was Zündung des Kohlenwasserstoffs verursacht. Zusätzlich zu ihrer Brauchbarkeit für anfängliche oder Anlaßzündung können Aluminiumalkyle auch benutzt werden, um den Treibstoff wieder zu zünden, wenn »Ausblasen« oder »Ausschneiden« auftritt.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung kann der ausgewählte Zusatz in dem Kohlenwasserstofftreibstoff in einer Menge zwischen etwa 5 bis 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Treibstoffs, einverleibt werden.

Die Treibstoffbasis besteht aus Kohlenwasserstoffen, z. B. üblichen Mineralölkohlenwasserstoffen-Düsenmaschinentreibstoffen einschließlich Kerosin und Flugbenzin. Im allgemeinen können Kohlenwasserstofffraktionen mit Siedebereichen von etwa 90 bis 375° C benutzt werden. Ein bevorzugter Treibstoff gemäß der Erfindung besteht aus einer Kohlenwasserstofffraktion mit Siedepunkt zwischen etwa 120 bis 310⁰C, welche die erwähnten Anteile an Aluminiumalkyl enthält.

Die erfindungsgemäßen Treibstoffe können in kontinuierlichen Düsenmaschinen der als Turbodüsen, Rammdüsen und Pulsodüsen bezeichneten Klasse benutzt werden, worin ein Zerstäubungssystem zur Lieferung des Treibstoffs zur Verbrennungskammer der Maschine verwendet wird. Im allgemeinen werden diese Maschinen durch Einspritzen von Treibstoff und Luft in die Verbrennungskammer einer Düsenmaschine in gewissen vorbestimmten Treibstoff-Luft-Verhältnissen zum Zünden des Treibstoffs betrieben, um so Luft und die Verbrennungsgase zu erhitzen, wodurch das Volumen der Gasmasse vergrößert wird, welches durch die Auslaßzone der Düsenmaschine austritt. Der Austritt der Gasmasse aus der sich nach hinten erstreckenden Auslaßleitung oder Düsenöffnung erfolgt mit einer höheren Geschwindigkeit als der Fluggeschwindigkeit der Maschine.

Um die Vorteile darzulegen, welche mit den Kohlenwasserstoff-Treibstoff-Gemischen der Erfindung verbunden sind, wurden Prüfungen durchgeführt, um die Temperaturen zu ermitteln, bei welchen die Treibstoffgemische von selbst in Luft zünden, und um die oberen und unteren Grenzen des für die Verbrennung erforderlichen Treibstoff-Luft-Verhältnisses zu bestimmen. Der Punkt, bei welchem Verbrennung nicht länger mehr unterhalten wird, ist als Ausblas- oder Ausschneidepunkt bekannt. Zum Vergleich wurden die gleichen Prüfungen mit Kohlenwasserstoffen ohne Zusatz durchgeführt, um die Vorteile der neuen Gemische zu zeigen.

Zum besseren Verständnis werden die nachstehenden Beispiele zwecks Erläuterung und nicht zwecks Beschränkung gegeben. Alle Teile und Prozentsätze sind gewichtsmäßige, wenn nichts anderes angegeben.

Zündprüfungen Beispiel 1

Zündprüfungen wurden mit einem Benzin mit der Bezeichnung JP 4 mit keinem Zusatz und mit einem 10°/₀igen Zusatz von Triisobutylaluminium in JP 4 ausgeführt. Bei den Zündprüfungen wurde Luft in einen Rohrabschnitt von etwa 250 cm Länge mit einem inneren Durchmesser von etwa 36 cm geblasen. Benzin wurde zu diesem Rohrabschnitt mit einer geregelten Fließgeschwindigkeit zugeführt und in dem Luftstrom verbrannt, um ihn zu erhitzen. Die Luftstromtemperatur wurde durch die in dem Luftstrom verbrannte Benzinmenge geregelt. Heiße Gase aus dem Vorwärmabschnitt wurden durch einen, anderen Rohrabschnitt gleicher Länge und gleichen Durchmessers geleitet, welcher mit einer Vielzahl von Düsen zum Einspritzen von Treibstoff ausgerüstet war. Die Düsen waren gleichförmig über eine 15-cm-Länge dieses Abschnitts verteilt. Anstoßend an diesen Abschnitt war über ein Stück von 30 cm das Rohr von etwa 36 cm Durchmesser aus etwa 15 cm Durchmesser rechteckigen Querschnitts verjüngt mit einer einzigen Düse zum Einspritzen von Brennstoff bei den Zündprüfungen. Aus diesem Abschnitt wurden die Gase in einen anderen Abschnitt von 36 cm innerem Durchmesser ίο und dann zum Kühlabschnitt geleitet. Die Temperatur der Luft wurde allmählich gesteigert, bis Zünden eintrat. Beweis von Zünden war eine blaue Flamme an der Einspritzdüse. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten:

Brennstoff

JP4

JP4 mit 10 % Triisobutylaluminium in JP 4

Zündtemperatur

zündete nicht bei 1000⁰C 425 bis 525⁰C

Das Vorhergehende ist ein klarer Beweis der wesentlichen Verbesserung der Zündbedingungen als unmittelbares Ergebnis der Verwendung von Zusätzen gemäß der Erfindung. Insbesondere liegt der Abfall in der Zündtemperatur in der Größenordnung von 425 bis 525° C.

Gemische mit 5 bis 30 Gewichtsprozent verschiedener der obenerwähnten Aluminium alkyle, beispielsweise Triäthylaluminium, Diisobutylaluminiummonohydrid und Diäthylaluminiumhydrid, ergeben Zündtemperaturen wesentlich unterhalb 1000⁰C. Aus diesen maßgebenden Resultaten ist ersichtlich, daß andere Aluminiumalkyle und ihre Hydride vorteilhafterweise zum Erniedrigen von Kohlenwasserstoffzündtemperaturen verwendet werden können. Triäthylaluminium, Diäthylaluminiummonohydrid, Triisobutylaluminium und Diisobutylaluminiummonohydrid wurden ebenfalls als sehr wirksam für diesen Zweck gefunden.

Verbrennungsprüfungen Beispiel 2

In den rechteckigen Teil der im Beispiel 1 beschriebenen Einrichtung wurden Flammenstabilisatoren von der bei Verbrennungsprüfungen benutzten Art eingesetzt. Der Zweck dieser Prüfungen war, die oberen und unteren Grenzen des Treibstoff-Luft-Verhältnisses zu bestimmen, außerhalb dessen eine Verbrennung oder Flamme nicht unterhalten werden kann. Die Luftgeschwindigkeit war etwa 60 m pro Sekunde, und sie war auf etwa 525° C vorerhitzt. Um die untere Grenze zu bestimmen, nachdem eine beständige Flamme sich gebildet hatte, wurde die Treibstoffspeisegeschwindigkeit über eine Zeit von 10 bis 15 Sekunden verringert, bis die Flamme ausging. Um die obere Grenze zu bestimmen, wurde die Treibstoffspeisegeschwindigkeit vergrößert, bis die Flamme ausging. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Verbrennungsprüfungen wiedergegeben.

Brennstoff

JP4

10 °/₀ Triisobutylaluminium in

J^P4 '·■■■

10 °/₀ Triäthylaluminium in

JP4 :

Brennstoffströmung l/Stunde

unteres Gemisch

oberes Gemisch

190 230 230

530 bis 550 . 625 700

Bei den vorhergehenden Verbrennungsprüfungen sind die gegebenen Treibstoffströmungen solche, bei welchen

die Flamme ausblies. Jeder gegebene Wert ist der Durchschnitt von drei bis vier Bestimmungen.

In zusätzlichen Verbrennungsprüfungen wurden Gemische von JP 4 in 10 und 20% Triäthylaluminium in einer Treibstoff-Zerstäubungsverbrennungskammer von 5 cm Durchmesser geprüft. In jedem Fall brannten die Gemische noch, wenn der reine Treibstoff ausging.

Die vorhergehenden Zünd- und Verbrennungsprüfergebnisse machen es klar, daß die Treibstoffgemische der Erfindung wesentlich niedrigere Zündtemperaturen als der gleiche Treibstoff ohne Zusatz besitzen und daß die niedrige Zündtemperatur auch ein Anzeichen überlegenerer Verbrennungseigenschaften ist.

Während eine Luftgeschwindigkeit von etwa 60 m/Sekunde angewendet wurde, haben weitere Prüfungen gezeigt, daß eine höhere Luftgeschwindigkeit von etwa 150 bis 180 m/Sekunde noch bessere Resultate ergibt.

Das Vorhergehende erläutert auch klar, daß durch Verwendung von Aluminiumalkylen in Kohlenwasserstofftreibstoffen gemäß der Erfindung eine Erweiterung des oberen Treibstoffverhältnisses erhalten wird, welches äquivalent ist dem erhaltenen größeren Druck für eine gegebene Motorkonstruktion. Die Druckgröße ist proportional der Treibstoffmenge, welche pro Zeiteinheit verbraucht werden kann. Erweiterung der oberen Höhe des Treibstoffverhältnisses ohne Ausblasen der Flamme führt zu größerem Druck. In gleicher Weise ist voraus zu sehen, daß für einen gegebenen Motor Zusatz von Aluminiumalkyl zu dem Kohlenwasserstoff größere Flughöhen ermöglicht als ein Ergebnis der,Erweiterung des oberen Treibstoffverhältnisses.

Die Aluminiumalkyle sind weiterhin sehr brauchbar für die anfängliche oder Anlaßzündung oder für das Wiederzünden nach einem Ausblasen. Während Zündzeiten von etwa 0,02 Sekunden als ausgezeichnet angesehen werden, gab jedes der gemäß der Erfindung geprüften Aluminiumalkyle Zündzeiten von etwa 0,01 Sekunden. Besondere Aluminiumalkyle, welche verringerte Zündzeiten gegeben haben, schließen ein Triäthylaluminium, Triisobutylaluminium, Diäthylaluminiumhydrid und Diisobutylaluminiumhydrid. Diese Prüfungen ίο wurden unter normalen Betriebsbedingungen ausgeführt, wobei eine kleine Menge des Zünders in die Verbrennungszone einer Maschine eingesteckt wurde, welche das vorerwärmte Treibstoff-Luft-Gemisch enthielt und wobei die Verbrennungszeit verzeichnet wurde.

Claims

Patentansprüche:

1. Düsenmaschinen-Treib- und -Zündstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus einem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoff und einem Aluminiumalkyl der Formel (R)„A1H₃__M, worin R ein Kohlenwasserstoffradikal und η eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, besteht.

2. Düsenmaschinen-Treib- und -Zündstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumalkyl Triisobutylaluminium, Diisobutylaluminiummonohydrid, Triäthylaluminium, Diäthylaluminiummonohydrid oder Trimethylaluminium ist.

3. Düsenmaschinen-Treib- und -Zündstoff nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Aluminiumalkyl in Mengen von 5 bis 30 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Treibstoffs.