Om tændkuler og forbrændingsrum

Om Tændkuler og Forbrændingsrum.

Av ingeniør I. Molin.

Enhver som sysselsætter sig med konstruktion av maskiner for drift med petroleum hvor glødekule kommer til anvendelse som det tændende organ, vet hvor let man direkte kan beregne og sikkert bestemme alle maskinens øvrige detaljer undtagen tændkulens og forbrændingsrummets og det i forbindelse hermed staaende stempels topform. Men spør man sig ofte, maskinens »hjerte« burde vel nu være fuldt uteksperimentert og lovene for dets væren eller ikke væren fuldt kjendt og bestemt? Saa er dog ikke tilfælde; ti løsningen av spørsmaalet er vanskelig nok og beror paa en række sammenhængende omstændigheter, som f. eks. spyleluftens bevægelser i cylinderen m.m,, som hverken kan sees eller beregnes; men man maa endnu saafremt man ikke helt indgaaende kjender en anden maskins topstykke, for hvert tilfælde foreta og med detaljert plan utføre eksperimenter som ofte kan bli dyre nok inden et godt resultat er opnaadd.

Paa grundlag av de erfaringer som disse eksperimenter gir, maa man saa skridt for skridt opkonstruere den for maskinen mest hensigtssvarende og mest praktiske form av tændkule og forbrændingsrum. At man dog i de sidste fem aar er kommet spørsmaalets løsning betydelig nærmere, viser sig tydelig og klart derav, at mens man før hadde en mængde fra hverandre sterkt avvikende mere eller mindre kompliserte tændkuleformer, saa begynder de derimot nu at vise sterk tendens til indbyrdes likhet i form og et visst slegtskap i sin konstruktion; men endnu forestaar der meget arbeide før den fuldkommenhet er naadd som man har ret til at i vente.

Før jeg gaar over til studiet av de egentlige tændkulekonstruktioner, kunde det være paa sin plads at ofre tændkulens nærmeste slegtning og forgjænger, tændrøret, nogen ord. Denne tændanordning som der i sin tid var megen tale om og som endnu anvendes ved mindre maskiner, bestaar deri at et i forbindelse med cylinderen værende rør av porselæn, jern eller nikkel ophetes utenfra til glødevarme. Efter hver arbeidsperiode blir der tilbake i røret indifferente forbrændingsgaser, som først under kompressionsslaget sammentrykkes saa meget at den friske ladning formaar at trænge ind i røret, hvor den antændes av de hete rørvægger. En ildstraale skyter da ut av røret og ind i cylinderen og antænder hele den derværende gasblanding. For at kunne regulere tidspunktet for tændingen, kan pladsen av den ytre opvarmende flamme forandres. (figur 1) viser en konstruktion av et tændrør.

Figur 1

Tidspunktet for tændingen beror ikke alene paa rørets længde og den tilførende kanals størrelse, men ogsaa paa rørets volum, dets beliggenhet paa cylinderen, kompressionsgraden, rørets temperatur, røroverflaternes beskaffenhet, den ytre flammes beliggenhet, kjølevandets temperatur, maskinens belastning og hastighet, blandingsforholdet, det anvendte reguleringssystem m. fl. faktorer. Man finder altsaa at tændingsøieblikket avhænger av en hel del omstændigheter, av hvilke enkelte har en viss overensstemmelse med maskinens konstruktion og altsaa kan uteksperimenteres. Andre hænger sammen med maskinens tilfældige beskaffenhet, og unddrar sig for en stor del kontrol. Alt i alt gjør dette at gløderørstænding kun kommer til anvendelse ved smaa maskiner, hvor driftssikkerheten maa staa tilbake for prisbilligheten. Angaaende selve virkningsmaaten staar imidlertid dette i nær overensstemmelse med den ved tænding med tændkule.

Denne senere tændingsanordning som har fundet stor anvendelse, vises i (figur 2).

Figur 2

I bund og grund beror dens virkning paa samme princip som det netop beskrevne gløderør er baseret paa. Men mens dette er temmelig ømfindtlig for ydre paavirkning, er tændkulen mere motstandsdygtig. Vel forekommer det at den en og anden gang springer eller av anden grund maa skiftes ut; men derved foraarsages ingen store omkostninger. Ved første betragtning synes det eiendommelig at en jevn gang hos maskinen overhodet kan opnaaes med en saa enkel i tændanordning. Man skulde næsten paa forhaand være tilbøielig til at mene at tændinger kunde ha let for at opstaa baade for tidlig og for sent. Da det imidlertid har vist sig at saa i regelen ikke er tilfælde, har man søkt forklaringen dertil i dristige hypoteser. Men man har derved overset baade at tændingen ikke indtræffer saa regelmæssig, og fremfor alt, at en med tændkule forsynet maskin i regelen fordrer et betydelig bedre pass fra maskinistens side end hvad der er tilfælde med maskiner forsynet med moderne, høit utviklede elektriske tændanordninger.

Før maskinens igangsætning maa imidlertid tændkulen opvarmes ved en blaaselampe. Naar kulen er blit opvarmet saa den er rød, er maskinen færdig til igangsætning, hvilket kan ske med haandkraft, med komprimert luft eller med startmaskin. I almindelighet kan lampen siden slukkes efter kun faa minutters drift, da den i cylinderen ved eksplosionerne foraarsagede varme er tilstrækkelig til at holde kulen varm uten særskilt opvarmning utenfra, hvilket jo i sammenligning med tændrør er en stor økonomisk fordel med hensyn til brændselforbruket. Ved de fleste maskiner av denne sort indføres sammen med forbrændingsluften en viss kvantitet kjølevand i cylinderen, hvilket under like forhold tillater anvendelse av et høiere kompressionstryk. For at forstaa tændkulens virkningsmaate er det av vegt at vite under hvilke omstændigheter en med denne tænding forsynt maskin arbeider tilfredsstillende samt naar den markerer. Det har nu vist sig at tændkulemaskiner -arbeider bedst, naar de faar gaa med konstant omdreiningstal og med ditto belastning eller med andre ord, naar tændkulens varmeforhold blir uforandret.

Økes derimot belastningen, sagtner maskinen ofte paa grund av at kulens temperatur er steget for meget. Maskinen blir for varm pleier man si, men at maskinen selv ikke blir for varm er klart, da det jo ikke frembyr nogen vanskelighet at avkjøle cylinderen tilstrækkelig "for alle belastninger. Kulens høie temperatur ytrer sig nu fremfor alt deri at tændingerne indtræffer for tidlig, d.v.s. fortændinger opstaar, hvorved maskinens hastighet naturligvis mindskes. Det kan til og med hænde at tændingerne kommer saa tidlig at maskinen stopper, eller det kan endog indtræffe at den kaster om og forandrer sin gangretning. Men maskinen kan ogsaa under visse omstændigheter sagtne av andre aarsaker, specielt naar den arbeider med flytende brændse. Har kulen nu normal temperatur, saa gaar oljen straks over i gasform men er * derimot temperaturen for høi eller brændslets spredeanordning i uorden, da forkulles en del av oljen. Dai sidstnævnte tilfælde altsaa kun en del av brændslet tilgodegjøres, mindskes naturligvis maskinens hastighet saafremt ikke regulatoren tillater en motsvarende større mængde brændsel at slippe ind. For i alle saadanne tilfælder at holde maskinen igang, har maskinisten ingen anden utvei end at øke vandtilførselen i cylinderen eller paa anden vis at avkjøle kulen,d.v.s. at føre samme tilbake til dens oprindelige varmeforhold. Skal derimot maskinens belastning mindskes, maa samtidig vandtilførselen mindskes eller kulens temperatur paa anden maate holdes paa det rigtige nivaa. I motsat fald standser maskinen absolut.

Grundideen ved al tænding er paa mindst et sted av gasblandingen at fremstille en saa høi temperatur at en lokal forbrænding indledes der, og denne forplanter sig senere paa en eller anden maate til den øvrige gasmasse. Tændkulen virker nu likesom alle andre tændanordninger paa den maate at den avgir en saa stor varmemængde til den nærmest samme værende gasblanding, at denne antændes. Kulens temperatur kan imidlertid ikke holdes saa høi at en eksplosion straks fremkaldes; men der vil medgaa en viss tid i hvilken den nødvendige varmemængde faar utstraale inden tænding finder sted. Ved elektrisk tænding er derimot gnistens temperatur meget høiere end den av kompressionen fremkaldte temperatur. Her derimot er denne senere temperatur saa at si av samme størrelse som den egentlige tænder (kulen), hvorfor kompressionstemperaturen som hastig stiger mot dødpunktet her faar stor indflydelse.

For at opnaa en god forgasning av brændoljen, maa kulen ikke være for kold, og for at undgaa for tidlig tænding og koksdannelse, maa den heller ikke være for varm. Kulens temperatur maa saaledes ligge inden visse, dog heldigvis ikke altfor trange grænser, og det er maskinistens sak at holde den indenfor disse. Men da det for en given maskin er den varmemængde (d. v. s. produktet av varmeintensiteten og tiden), der med deles til den gasmasse som er i berøring med kulen og som for tændingen er av avgjørende betydning, saa indsees let at kulens saavel form som volum spiller en stor rolle. Det vil herigjennem forstaaes hvorfor flertallet av disse maskiner er saa ømfindtlige for variationer i belastning eller omdreiningstal. Forandres belastningen, da antar nemlig kulen en anden temperatur, d. v. s. dens varmeintensitet blir en anden. Denne kan dog av maskinisten reguleres ved vand indsprøitning. Faar maskinen derimot arbeide med større eller mindre hastighet, blir det i første fald tiden for varmestraalingens indvirkning som undergaar forandring, men i de fleste tilfælder desuten endog varmeintensiteten.

Ved baatdrift med faste propelblade forekommer saavel intensitets- som tidsforandringen samtidig, eftersom hver belastning med nødvendighet fordrer et vist antal omdreininger hos maskinen, Ved anvendelse av propeller med omstilbare blade kan maskinens hastighet holdes mere konstant. Det er netop paapekt at den til gasen fra kulen avgivne varmemængde bestemmer tidspunktet for tændingen. Dette er nok tilfældet, men bør aldeles ikke opfattes saa at et visst kvantum varme pr. flateenhet fra kulen under alle omstændigheter skulde kunne antænde gasen. Man maa erindre at ved vekslende omdreiningstal kommer forskjellige mængder gas i berøring med hver del av kulen påa grund av at bølge- og hvirvelbevægelserne i cylinderen da blir forskjellige. Herav indsees let at under forskjellige forhold ikke blot kulens varmeintensitet og tiden for varmens utstraaling og led ning forandres, men ogsaa at den fornødne varmemængde blir en anden. Det eneste middel hvormed alt dette kan avhjælpes, er at forandre kulens varmeintensitet, d. v. s. dens temperatur. Men som sagt, muligheten for en saadanregulering ligger inden visse grænser. Paa den anden side kan tændingen meget godt indtræde indenfor et ganske stort omraade efter eller før dødpunktet, og maskinen faar derved til en viss grad anledning til at regulere sig selv. At en - saadan regulering fra rent teknisk synspunkt set ikke er særdeles fuldkommen, er naturligvis en sak for sig. Erfaringen viser at to maskiner der er bygget efter samme tegninger og modeller ofte fordrer forskjellig kompressjon og forskjellig vandindsprøitning.

Dette lar sig ogsaa let forklare, naar man tar i betragtning i hvor høi grad tændingen beror paa tilfældigheter. Paa den anden side findes maskiner der savner saåavel vandindsprøitning som anden reguleringsanordning av kulen, og som trods det kan arbeide endog uten belastning. Enkelte maskiner stanser derimot ved ca. halv belastning; men som almindelig regel er tændkulemaskiner mere ømfindtlige for varierende omdreiningstal end for varierende belastning.

Ofte faar man i fabrikanternes kataloger og brochurer se fremholdt, specielt for saadanne maskiner med helt uavkjølet toplaag, den betydelige brændselbesparing som man for denne uavkjølte maskindel kan regne med i forhold til en saadan med avkjølet laag. At en saadan paastand er vanskelig nok at forsvare, skal jeg straks søke at vise. Tændkulens styrke ligger nok mere i dens enkle konstruktion, i at den er let at passe, holdbar og ikke let kommer i ulave.

Paastanden om at tændkulen fordrer mindre brændsel til ophetningen er rigtig om den sammenlignes med tændrør; men i sammenligning med et magnetisk tændapparat fordrer tændkulen mere brændsel. At varmetapet er mindre ved den rødvarme kun av luften avkjølte tændkule end hos en vandavkjølet cylinderbund, er rigtig naar like store overflater sammenlignes. De mange sterkt buede former som tændkulen medfører, gjør imidlertid at den luftavkjølte overflate hos en saadan maskin blir mindst dobbelt saa stor som tilsvarende vandavkjølte overflate hos en velkonstruert maskin med helt avkjølet toplaag.

Summeres derfor varmetapene i de forskjellige tilfælder, findes der ingen sandsynlighet for at varmetapet er mindre ved en med tændkule forsynet maskin end en med fuldstændig vandavkjøling. At bevise dette med tal er umulig, da de faktorer som her spiller ind er for litet kjendte. Hertil kommer yderligere at ved en vel avkjølet maskin kan kompressionen drives væsentlig høiere end ved en maskin med delvis glødende vægger, og det er eksperimentelt bevist at gevinsten ved øket kompression er større end tapet ved øket avkjøling. Endelig kan en maskin med varme vægger ikke gi saa stor effekt med samme cylindervolum som en vel avkjølet, da vegtmængden av eksplosiv blanding som følge av opvarmningen blir mindre.

Herved blir for samme effekt maskiner med tændkule større end maskiner med fuldstændig avkjøling, hvorved ogsaa varmetapet av den grund økes.

Ved studiet av de forskjellige tændkulekonstruktioner som er kommet til anvendelse, finder man at disse væsentlig avviker fra hverandre, og ved første betragtning forbauses man uvilkaarlig over at samme resultat kan opnaaes med tilsynelatende i princippet forskjelligartede konstruktioner. Likesaa finder vi at mens der for faa aar siden blot kunde være tale om anvendelse av tændkulemotorer op til kun 8 å 10 HK, kan de derimot nu bygges op til 80 å 100 HK pr. cylinder. Alle disse ældre maskiner var utrustet med tændrør eller glødekuletænding og arbeidet med lav kompression, 2—3 atm. Ved større og mere moderne maskiner derimot kan man knapt tale om tændkule ti al kompression er henlagt til et særskilt vandavkjølet forbrændingsrum, som vanlig kun er uavkjølet paa selve toppen, hvor det dækkes av et kalotformet laag. Dette laag maa her tjenestgjøre som tænder, og forbrændingsrummet staar i forbindelse med cylinderen gjennem en eller flere smaa kanaler. Kompressionen pleier at gaa op til 8 å 10 atm.

En av de ældste tændkuler som er kommet til anvendelse var den av Robey konstruerte (figur 3).

Figur 3

I det vandavkjølte kompressionsrum var en aapen kule, og luftoljeblandingen blev indført i cylinderen gjennem en ventil under kulen, hvorved oljen av varmen fra kulen gik over til gas. Kulen utgjorde omtrent halvparten av kompressionsrummets volum. Kompressionen var ca. 2,6 atm. Den tændkule som her i landet og i Sverige er meget anvendt specielt ved smaa kraftmængder, er den fra Mietz & Weiss. Den (figur 4) bestaar av en kule med forholdsvis tyndt gods og en hals som er kort og smal. Med en flens er kulen fæstet paa det ikke avkjølte cylinderlaag.

Figur 4

Fra kulen gaar en »læbe ind i cylinderen paa hvilken oljen indsprøites. Den største del av kompressionsrummet er forlagt utenom kulen. Kulen (figur 5) er i alt væsentlig lik den første, men forsynes undertiden med en i kulen indlagt spiralvridd nikkelplatestrimmel. Dog forekommer det at en relativt større del av kompressionsrummet forlægges ind i selve kulen. Kompressionen er ca. 5 å 7 atm.; men i sidstnævnte fald ca. 9 atm. Kulen holder sig ved maskinens gang sterkt rødglødende.

Figur 5

Ved en svensk motor, Carlsviks, anvendes en tændkule som avviker fra ovennævnte, idet den bestaar av et cylindrisk rum med næsten plane gavler (figur 6). Den ene gavl er forsynet med en smal hals som med en flens er forbunden med den avkjølte cylinderbund.

Figur 6

Kulen er indvendig forsynt med 6 stk. paa langs gaaende fjærer som bærer en spiralvridd nikkelplate. Paa den cylindriske del er oventil en flens, paa hvilken der er anbragt en indløpsventil for olje som kommer ind blandet med endel luft. Oljen forgases mot nikkelspiralens og kulens hete overflater og strømmer under indsugningsperioden ind i cylinderen hvor den blander sig med luft som er kommet ind gjennem den egentlige indløpsventil, der er forlagt til cylinderen. Den største del av kompressionsrummet er her forlagt utenfor kulen. Den fremragende konstruktør Güldner har paa en av ham konstruert motor anvendt en tændkule eller rettere et tændrør, som vist i (figur 7). Den bestaar - av et rør som med en flens er fæstet til maskinens cylinderlaag og indvendig er forsynet med en del skraa, halve bunder.

Figur 7

Paa rørets øvre ende er anbragt en ventil gjennem hvilken olje og noget luft kan strømme ind. Mot de hete vægger forgases oljen og kommer ind i kompressionsrummet, hvor den blandes med luft fra den egentlige indløpsventil. Den største del av kompressionsrummet er her likesom ved den foregaaende forlagt utenfor tændkulen.

Hornsby anvender for maskiner mindre end 5 HK den i (figur 8) i horisontal projektion gjengivne kule, bestaaende av en cylinder med næsten plane bunder og den cylindriske del indvendig forsynet med paa langs gaaende fjærer. Fra den ene gavl utgaar en lang, smal hals, som med en flens slutter til det ikke avkjølte cylinderlaag. Paa den cylindriske del er anbragt et vandavkjølet mundstykke, gjennem hvilket oljen indsprøites i kulen uten tilblanding av luft.

Figur 8

For større maskiner anvender samme konstruktør den i (figur 9) viste kule, bestaaende av en halvsfære som med en flens er fæstet til en vandavkjølet cylindrisk del, hvis anden gavl gaar over i en smal, uavkjølet hals med flens fæstet til det avkjølte cylinderlaag. Halsen staar gjennem en smal kanal i forbindelse med cylinderen.

Figur 9

Oljen indsprøites fra siden i den sfæriske del. Den største del av kompressionsrummet er her forlagt til selve kulen. Ved smaa maskiner er kompressionen ca. 3 atm,, ved større maskiner 6 å 9 atm. Endelig anvender Rundløf (Boliders) en kule som har to halser og samtidig utgjør cylinderlaaget (figur 10).

Figur 10

Halsene er saaledes i anordnet at luften idet en ny ladning indføres, spyler gjennem kulen og renskyller den for forbrændingsgaser. Oljen sprøites gjennem den ene hals ind i kulen. Kulen er under gang knapt brunvarm. Kompressionen er mellem 6 og 7 atm. Flertallet av de tændkuler som jeg nu har beskrevet er av ældre konstruktion, men anvendes dog fremdeles i industrien. Inden jeg gaar videre vil jeg dog beskrive et par tændkuler av nyere og mere moderne konstruktion, og samtidig nævne det som er mest karakteristisk for dem. Kulen som vises i (figur 11) er aldeles aapen.

Figur 11

Maskiner forsynet med denne kule lar sig ikke drive med raaolje men her maa parafin anvendes, For at man skal opnaa den bedst mulige økonomi hos motoren har det vist sig baade ved 2- og 4-takts maskiner at brændslet maa indsprøites mens stemplet passerer det nederste dødpunkt. Dette gjør at de tyngre partikler i brændoljen ikke forgaser sig, men at den spylluft som endnu er i cylinderen i sterk bevægelse avkjøler dem naar de avsætter sig paa de kolde cylindervægger, hvor de delvis gjør tjeneste som smørelse; atter andre for kokser sig i kulen eller forkuller sig paa stemplets top...

Det mest bemerkelsesværdige for maskiner med denne tændkule er det ringe smøreoljeforbruk stemplet kræver og den næsten farveløse ekshaust men tiltrods herfor har man et stort brændselforbruk. Kompressionen maa ikke gaa op til 6 atm.

I (figur 12) vises den ved fabrikken »Avance« for større maskiner anvendte kule.

Figur 12

Som man ser er maskinens topstykke helt vandavkjølet, likesaa er det paa kulens top anbragte indsprøitningsmundstykke vandavkjølet, selve tændkulen derimot er ikke avkjølet. Grundtanken ved denne kule er paa den mest mulig fuldkomne maate at søke at overføre det varmeoverskud som de varme vægger faar under forbrændingsslaget til det gjennem spredemundstykket indpressede brændsel for derved at opnaa en jevn og god forgasning. Den høle og smale kule gjør imidlertid at spylningen i dens øvre del blir daarlig, og de tiloversblevne indifferente gaser foraarsaker at der gjerne vil vise sig en kraftig koksdannelse. For at raade bod paa dette onde indsprøites der i kulen samtidig med brændslet endog vand. Kompressionen er ca. 9 atm., og motorer som er forsynet med denne kule viser rolig gang og lavt brændselforbruk. Al kompression er forlagt til selve kulen.

»Tændkulen«, fig. 13, er kanske den for nærværende mest populære, eller rettere den som netop nu med mindre betydelige forandringer anvendes ved de fleste nykonstruktioner.

Figur 13

Fordelen ved denne kule er, som det let vil sees av tegningen, at den har et kraftig avkjølet forbrændingsrum, der muliggjør anvendelse av omtrent hvilkensomhelst for maskinen passende kompression. Den høie kompression fordrer brændselindsprøitning straks før øvre dødpunkt, hvilket paa sin side gjør det mulig at maskinen kan arbeide uten vandindsprøitning i cylinderen samt uten belastning, uten at nogen ekstra varme utenfra behøver at tilføres kulen - kalotten. Den mellem cylinderen og forbrændingsrummet nødvendige kommunisering optages og plaseres noget forskjellig hos de forskjellige maskiner. Mange anvender ganske enkelt bare et i topstykkets midte plasert rundt hul, andre to rektangulære huller, plasert i eller tvers over den paa stemplets top anbragte kams retning.

Forfatteren selv har naadd det bedste resultat med et topstykke, i hvis bund to rektangulære huller var plasert i stempelkammens retning, og det anvendte stempel hadde den topform som figuren viser; kompressionen var jevnt 9 atm. Maskiner med denne beskrevne tændkule viser usedvanlig lavt brændselforbruk, men meget høit forbruk av smøreolje og »haard« gang.

En og anden fabrikant har jeg set anvende to indsprøitningsmundstykker, gjennem hvilke oljen samtidig indsprøites i cylinderen, alt for at søke at opnaa bedre forgasning av brændslet. Hvad denne konstruktionsmaate angaar er det min bestemte opfatning at den ikke er at anbefale, for ikke at tale om de kompliserte petroleumspumpeanordninger som her maa brukes og som gjør maskinens pas vanskeligere istedetfor enklere dagens løsen er jo: »bedre og enklere«.

Et mundstykke forsynet med kraftig spreder av brændslet burde være nok for de største glødekulemotorer, da man vet at 4-takts dieselmotorer med 600 mm cylinderdiameter greier sig med ett mundstykke pr. cylinder. At virkelig gode resultater kan opnaaes med maskiner med tændkuler er en kjendt sak, og ofte ser man i fagskrifterne publisert officielle prøveresultater, hvor maskinernes brændselforbruk har holdt sig omkring 240 gr. raaolje pr. eff. HK og time, dette ved saa smaamaskiner som mellem 20 og 30 HK pr. cylinder.

Disse resultater beviser at diagrammene maa ha været gode og at tændingerne har fundet sted i det rette øieblik. For at erholde et lignende resultat maa imidlertid hver med tændkule forsynet motor betjenes av en intelligent og øvet person, som stadig har sin opmerksomhet rettet paa maskinens gang og uophørlig foretar de indstillinger som er nødvendige for at opnaa et godt resultat. Passes derimot maskinen av en uøvet person, behøver man vistnok ikke at frygte for at maskinen skal stoppe; men resultaterne blir ganske anderledes, og de tagne diagrammer viser sjelden en rigtig tænding. Her ligger netop forskjellen méllem disse »enkle« maskiner og de av mere fuldendt konstruktion, som efter en én gang for alle utført indstilling altid viser samme resultat. Som her nævnt kan dog virkelig gode diagrammer erholdes fra maskiner forsynet med tændkuler, blot forutsatt at de blir nøie passet og man spør ofte om ikke dette pas paa en eller anden maate skulde kunne overlates til regulatoren. For nærmere at kunne besvare dette spørsmaal er det nødvendig først nøiagtig at undersøke de teoretiske betingelser for tændkulens rigtige funktion.

Güldner er efter studiet av en Hornsbymotor gaat ut fra den forutsætning at naar luft begynder at strømme ind i kulen og blander sig med petroleumsgasen, tændes gasblandingen i virkeligheten i det øieblik blandingen har opnaadd eksplosionsomraadets grænse, mens der i kulen sker en forbrænding inden stemplet har naadd det døde punkt. Denne forbrænding som avstedkommer et høiere tryk i kulen end i cylinderen, vilde straks forplante sig til sidsinævnte, hvis ikke halsen i kulen var saa trang at strømningen fra cylinderen til kulen opveiet strømningen fra kulen til cylinderen.

Som bevis herfor paaviser Güldner, at mot slutten av kompressionen vises der paa diagrammet tydelig en hastigere trykstigning end den som hitrører fra kompressionslinjen, eller med andre ord en svak fortænding. Denne hypotese som fra begyndelsen er blit opstillet for det aapne tændrørs vedkommende, skulde muligens kunne tænkes tillempet paa tændkulen av Meitz & Weiss og Carlsvikstypen, men er som nedenfor skal paavises fuldstændig umulig netop for den maskin som Güldner har studert.

Ved Hornsbymotoren er nemlig som før nævnt hele kompressions rummet forlagt indeni tændkulen, og for at strømningerne fra og til kulen skal holde likevegt, maa altsaa det fra cylinderen tagne diagram vise en kompressionslinje der betydelig avviker fra den adiabatiske, og som ved kompressionens slut viser et tryk som er likt eller i det mindste næsten likt sluttrykket ved forbrændingen.

Saa er imidlertid aldeles ikke tilfælde, og diagrammer kan endog erholdes som ikke viser spor av fortænding; men forbrændingen er skedd mens stemplet har passert det døde punkt. Forfatteren har desuten i sin besiddelse en tændkule (tat fra en mindre Avancemotor) som litt efter litt er blitaldeles fyldt med tæt, haardt kul, som (figur 14) viser.

Figur 14

Men ikke nok dermed, en stor del av læben var ved den sterke overhetning blit bortsmeltet; og at maskinen desuagtet arbeidet, viser klart hvor falsk Güldners hypotese er.

Clerk har opstillet en anden hypotese ogsaa den gjælder en Hornsbymotor. Oljen indsprøites i kulen ved denne motor under indsugningsslaget, og Clerk antar at kulen ved sugeslagets slutning er fyldt med oljedamp. Under kompressionen indkomprimeres nu luft i kulen, og ved kompressionsslagets slutning er saa meget luft kommet ind i denne at en tændbar blanding er opstaat. En gasluftblanding er som bekjendt tændbar indenfor meget vide grænser for blandingsforholdet mellem gas og luft; og den skal altsaa i dette tilfælde tænde ved overskud av oljedamp, hvorved et unaturlighøit brændselforbruk vil bli følgen. Av prøver tat fra Hornsbymotorer har det vist sig at hos middelstore motorer har forbruket av russisk petroleum ikke været over 300 gr. pr. eff. HK og time, hvilket maa ansees som et ganske godt resultat, og det viser samtidig at Clerks teori er mindre værdifuld. De naturfænomener paa hvilke tændkulens funktion baseres, er nok ganske andre og ikke fuldt saa enkle som de nu anførte forfattere har trodd.

Naar luft og en brændbar gas blandes, kan blandingen ikke under alle forhold bringes til at eksplodere, det vil si bringes til at forbrænde derved at forbrænding indledes paa et punkt i blandingen. Hvis et av stoffene — det være sig gas eller luft — er tilstede med tilstrækkelig stort overskud, indtræder ikke forbrænding, selv om en elektrisk gnist slaar gjennem blandingen. Først indenfor bestemte grænser for blandingens proportioner, de saakaldte »eksplosionsgrænser<, kan blandingen ved lokal ophetning bringes til at forbrænde. Eksplosionsgrænserne er imidlertid ikke uforanderlige, men beror paa en del lokale forhold som eksplosionsrummets form, varmeavledningen, blandingens temperatur, antændelsespunktets beliggenhet i eksplosionsrummet m.m. Ifølge Bunte er eksplosionsgrænserne i et 19 mm. glasrør følgende:

Tabell med ekplosjonsgrenser

Av tabellen sees at en høi forbrændingsvarme nedsætter eksplosionsgrænsen, det vil si at eksplosion indtræder ved stort luftoverskud. Derved at de tyngre kulrike kulvandstoffer forlanger stor luftmængde for sin forbrænding indskrænkes deres eksplosionsomraade. Kuloksyd, vandstof og vandgas har ikke stor forbrændingsvarme og fordrer liten luftmængde for sin forbrænding, hvorfor deres eksplosionsomraade er meget stort. Lysgas, acetylen, alkohol og methan har større forbrændingsvarme og fordrer mere luft for sin forbrænding, hvorfor deres eksplosionsomraader ikke er saa store. Benzol, penton og bensin har derimot meget stor forbrændings varme og forlanger en meget stor luftmængde for sin forbrænding, hvorfor deres eksplosionsomraade er meget litet.

For at tydeliggjøre eksplosionsgrænserne, er det i særdeleshet vigtig at lære Van't Hoff's definition paa antændelsestemperaturen at kjende; han siger: »Antændelsestemperaturen er den temperatur ved hvilken de varmetap, som en varmebølge der forplanter sig gjennem en gasmasse lider ved ledning etc, nøiagtig dækkes av den varmeutvikling som den samtidig foregaaende reaktion foraarsaker. Som en naturlig følge herav sees at forbrændingstemperaturen altid maa ligge høiere end antændelsestemperaturen.

Nu indsees ogsaa let hvorfor eksplosionsgrænserne varierer med forholdene og hvorfor ved de blandingsforhold som ligger utenfor eksplosionsgrænserne, den ved forbrændingen foraarsagede temperatur ikke er tilstrækkelig til at kunne opvarme omkringliggende partikler av blandingen til antændelsestemperaturen. En gasblandings tændbarhet avhænger altsaa av dens sammensætning, temperatur, tryk og varmetap resp. varmetilførsel. I en eksplosiv blanding hvor proportionen for fuldstændig forbrænding ikke er rigtig, virker gasoverskuddet — enten det nu gjælder brændbar gas eller surstof — som en indifferent gas paa en saadan maate at den ikke kan delta i forbrændingen og gi varme, men i stedet bruker en del varme til sin temperaturstigning. Herav følger altsaa at indblanding av hvilkensomhelst indifferent gas i en eksplosiv blanding maa forskyte eksplosionsgrænserne paa en saadan maate at eksplosionsomraadet blir mindre.

Eksperimentelt er dette ogsaa bevist, og specielt kulsyre synes at eie evnen til at indskrænke eksplosionsomraadet, hvorfor indvirkningen av denne gas paa eksplosionsomraadet er blit gjenstand for mere indgaaende studium. Et meget instruktivt eksperiment utført av Hoffman og Buff i den hensigt at studere dissociationsfænomener, omtales av Nernst. Han lot en konstant holdt strøm slaa elektriske gnister gjennem et i et endiometer indesluttet kulsyrevolum. Derved spaltedes blandingen mere og mere i kuloksyd og surstof, og da blandingen av kuloksyd, surstof og kulsyre hadde naadd visse proportioner, indtraadte en svak eksplosion hvorved kuloksydet og surstoffet igjen begyndte at forbrænde til kulsyre, hvorefter dissociationen atter begyndte.

Hvis der til luftknaldgas som er betydelig opblandet med den indifferente gas kvælstof tilsættes surstof, virker dette antagelig saaledes at gasmolekylerne lettere træffer de til deres forbrænding nødvendige surstofmolekyler. Ved at sætte surstof til ren knaldgas opnaaes antagelig samme resultat som ved tilsætning av indifferent gas. Ved indblanding av en indifferent gås i en gasluftblanding saaledes at surstoffet blir erstattet med indifferent gas, har det vist sig at ved surstofoverskud forskyves eksplosionsgrænsen kun lang somt med mængden av den indblandede indifferente gas. Som man paa forhaand kunde indse, forsky ves derimot eksplosionsgrænsen ved gasoverskud hurtig med mængden av den indblandede indifferente gas. De saaledes erholdte kurver møtes i et punkt hvor antændelse ikke mere er mulig. Øket temperatur av den eksplosive blanding utvider eksplosionsomraadet derved at den ved lokal forbrænding avgivne varme ved en større spredning til den ene eller anden grænse blir tilstrækkelig til at opvarme nærliggende partikler til antændelsestemperatur. Den indvirkning trykket har paa eksplosionsomraadet er endnu ikke utredet.

Forsøk med tryk mellem 0,5 og 4 atm. har vist at en kuloksydluftblanding antændes lettere ved lavere tryk, mens en vandstofluftblandings tændbarhet blir uforandret. Ifølge Lindes observation, at den specifike varme tiltar med trykket, bør øket tryk indskrænke eksplosionsomraadet. Ved adiabatisk kompression av en eksplosiv blanding utvides eksplosionsomraadet som følge av den sterke temperaturøkning. Drives kompressionen saa langt at man naar antændelsestemperaturen, antændes blandingen og forbrænder. Det herved foraarsagede eksplosionsstøt er langt heftigere end det som opstaar ved tænding med f. eks. en elektrisk gnist; ti i første tilfælde sker antændelse i og forbrænding av hele massen øieblikkelig, mens i sidste tilfælde forbrændingen forplanter sig fra antændelsesstedet gjennem massen. Endelig mindskes eksplosionsomraadet som man let vil indse ved varmebortledning, og det tiltar ved varmetilførsel. Endnu en liten komplettering til ovenstaaende maa tilføies, nemlig den at antændelsestemperaturen ikke er den temperatur hvor forbrændingen begynder, men blot grænsen for den tilsynelatende likevegte. Man har nu visshet for at i en blanding av brændbar gas og surstof resp. luft reagerer blandingens bestandeler paa hverandre ved alle temperaturer; men denne reaktion foregaar ved almindelig temperatur saa langsomt at nogen temperaturøkning som følge av reaktionen ikke kan merkes. Med øket temperatur økes reaktionshastigheten; men man opnaar først ved en viss temperatur — antændelsestemperaturen en betydelig hastighet. Hvis derfor temperaturen paa et punkt i f. eks. en knaldgasblanding forhøies, økes reaktionshastigheten i dette punkt. Derved indtræffer enten at den utviklede varme ved straaling og ledning fjernes fra punktet snarere end ny varme dannes, hvorfor temperaturen atter synker og reaktionshastigheten mindskes til en minimal værdi, eller saa er varmeutviklingen som i en følge av den økede reaktionshastighet saa stor at endog omgivelsen kan opvarmes til en temperatur som muliggjør en voldsom reaktionshastighet med øket varmeutvikling, saa at hele massen tilslut forbrænder. I sidste tilfælde var antændelsestemperaturen naadd. Tillempes nu de ovenanførte fakta paa tændkulen, lar dennes funktion sig forklare paa en letvint maate.

Samtlige motorer som er forsynt med de ovenfor beskrevne tændkulekonstruktioner, reguleres med frislag eller kvantitet. Her gjælder det blot at holde tændkulen ved den temperatur som ved de forhaandenværende forhold kan antænde den anvendte eksplosive blanding.

For at undgaa for tidlig tænding maa lav kompression anvendes og blandingens indhold av brændbar gas maa være relativt litet. Naar belastningen er meget høi maa kulens overflødige varme bortledes ved at la luft omstrømme samme, og ved lav belastning maa kulens nødvendige varme tilføres ved ydre opvarmning. Diagrammer ved f. eks. halvbelastning er ret karakteristiske, da sjelden eller aldrig reguleringen er saa god at ikke et antal oljeindsprøitninger følges av et antal frislag. Optages diagrammer av et saadant antal forbrændinger, vil man finde at de første viser for sen tænding. Kulen er for kold for rigtig antænding, og først efterat tilstrækkelig varme fra den hete kule er tilført blandingen antændes den, hvorved kulen opvarmes av den utviklede varme. De følgende diagrammer viser tidligere tænding og de sidste i almindelighet en betydelig fortænding, fordi kulen nu er for varm, saa at tændingen sker inden den adiabatiske kompression har naadd sit maksimum. Under de derpaa følgende fri- eller kvantitetsslag avkjøles atter kulen. Den lave kompression og den ufuldstændige regulering av kulens temperatur har ledet til at man har søkt efter et middel til at kunne forhøie den første og forbedre den sidste. Det har vist sig at tilblanding av vand eller vanddamp i proportioner tillempet efter de for øieblikket raadende forhold til den eksplosive blanding, har ledet til det forønskede resultat. Man har med andre ord ved tilblanding av en indifferent gas kunnet forhøie kompressionen fra 2 å 3 atm. til 8 å 9. Ved høi belastning indføres en relativt stor vandmængde i den eksplosive blanding som dels virker direkte avkjølende paa kulens varme flater dels som en i blandingen indført indifferent gas. Ved liten belastning indføres mindre eller intet vand, hvorved mindre varme bortføres fra kulen og eksplosionsgrænsen utvides, saa at den blir passende for de lavere temperaturforhold hvorunder maskinen nu i sin helhet arbeider. Anvendes frislagsregulering blir dog de ujevne diagrammer uforandret ved liten belastning. Ofte faar man høre uttalelser om at kulen bør gives en for tændingen passende form. Kulens form er imidlertid likegyldig hvad selve tændingen angaar, ti denne reguleres med vandindsprøitning eller avkjøling; men for at undgaa misopfatning vil jeg dog paapeke at dermed er ikke sagt at kulens form skal være likegyldig. Dens form er tvertom av største betydning, men beror paa helt andre faktorer end tændingen; og benævnelsen »tændkule« er derfor meget uegentlig. Stort set reguleres vandindsprøitningen for haand; men teorien viser at dette kan overlates til regulatoren under forut' sætning av at samme er en centrifugalregulator med direkte isokronisme. Hos en maskin med saadan regulator findes der ingen grund til at bibeholde regulering med frislag; men den reguleres for den ved hver resp, hveranden omdreining indførte brændselsmængde efter maskinens tilfældige belastning. Herved erholdes bedre regulering og jevnere gang end hvad der kan opnaaes med frislagsregulering. De ujevne diagrammer og de dermed følgende tap ved liten belastning forsvinder, mens vandindsprøitningen nu ikke blir et kompromis, men er teoretisk rigtig.

Mange er de forsøk som er blit gjort med at anvende præeisionsregulering og av regulatoren regulert vandindsprøitning; men hittil er alle blit mislykket, saa at der samtidig maa anordnes haandregulering av vandet. Det mislykkede resultat har nok sin grund deri at man ganske enkelt altid lar de regulerende anordninger utgjøres av organer med retlinjet begrænsning, saa at forholdet mellem vand og brændolje forblir konstant.

Dette kunde jo være rigtig; mender findes intet som antyder at saa er tilfældet, og erfaringen har bevist at den antagelse er urigtig. Forholdet mellem indsprøitningsvandmængde og brændselsmængde ved forskjellige belastninger kan ikke nøiagtig bestemmes før brukbart erfaringsmateriale foreligger. Med støtte av de ovennævnte teorier og erfaringer har jeg villet paavise, at der altsaa findes muligheter for atbringe tændkulemotoren til høiere fuldkommenhet end hittil. Forsynes den med præcisijonsregulering og automatisk regulert vand- og brændselindsprøitning efter de rigtige love, blir den let at passe og økonomisk, da jo den av maskinisten utførte regulering av vandet blir overflødig og i stedet eksakt avpasset av maskinens regulator. Herved faar maskinen en bedre uensformighetsgrad, som ved mindsket belastning avtar istedetfor som ved regulering med frislag at tilta. Maskinen blir mere effektiv, mere økonomisk, faar større tilvirknings- og salgsværdi og blir brukbar som drivkraft ved saadanne bedrifter hvor den nu maa staa tilbake, fordi den ansees som upraktisk eller upaalidelig.Ved de fleste av de tændkulekonstruktioner som jeg har beskrevet i artikelens foregaaende del, staar selve kulen eller forbrændingsrummet i forbindelse med cylinderen ved en eller flere trange kanaler. Hensigten med disse kanaler er at fremtvinge en strupning av gasen for derved at muliggjøre en mere effektiv blanding av gas og luftpartiklerne. Det er da klart at i tilfælde av at disse kanaler utføres med altfor smaa dimensjoner, vil følgen bli en for maskinen ugunstig trykvariation. Ved. maskiner med smaa kuler har en saadan litet eller intet at bety; men ved maskiner hvor en større del av kompressionsrummet er forlagt til kulen, kan det let lede til effekttap. Det kan derfor ha sin interesse at vite hvilken gashastighet der vil svare til et visst areal av nævnte kanal. Jeg skal derfor i korthet søke at gjøre en saadan undersøkelse hvor beregningens resultat vil bli kanalens mindste tillatte areal. Til en viss gashastighet i kanalen svarer naturligvis en viss given trykforskjel mellem kulen og cylinderen. Naar derfor gasen under ekspansionsslaget strømmer ut fra kulen til cylinderen nedsættes dens bevægelsesenergi, idet en del overføres i varme og en del bidrar til dannelse av hvirvelbevægelser i den øvrige gasmasse. Man har derfor god grund til at spørre i hvor der blir av den energi som ikke blir tilgodegjort i form av nyttig arbeide.

For at kunne besvare dette spørsmaal maa vi til at begynde med studere et par diagrammer, tat fra utførte motorer, se (figur 15) og (ifgur 16). De optrukne linjer viser diagrammer fra maskiner med tilstrækkelig kanaltversnit, mens derimot de prikkede skal forestille saadanne fra maskiner, hvor kanaltversnittet har været for litet.

Figur 15

Figur 16

To tilfælder kan her indtræffe. Enten kan kanalen være saa trang at trykket ved enden av ekspanssionsslaget er høiere i kulen end i cylinderen, et tilfælde som aldrig kan forekomme i praksis, Eller kanalen er saa stor at trykket ved enden av slaget er likt i kulen og cylinderen, eller i det mindste meget nær likt saa at trykforskjellen aldrig blir betydelig. Dette sidste tilfælde repræsenteres av diagram (figur 15) (tat fra cylinderen) og diagram (figur 16) (tat fra kulen). Lad T₁ være gasens abs. temp. ved enden av slaget i det normale diagram samt T_c temp. hos gasen i cylinderen og T_k gasens temperatur i kulen før det prikkede diagram. Effekttapet paa grund av strupningen er under ekspansionsslaget = L₁ mkg. i (figur 15) og L₁ ÷ L₂ i (figur 16), som repræsenteres av de viste kurver.

Er videre G_c = vegten av gasen i cylinderen og G_r = vegten av gasen i kulen ved enden av slaget samt angives varmeenhetens mek. ekvivalent ved E er altsaa, da gasens totale energi i begge til fælder maa være lik enten strupning finder sted eller ei:

Formel nr 1

Formel nr 2

Effekttapet maa i begge tilfælde findes i form av større indre varme d. v. s. høiere temperatur og dermed følgende høiere tryk hos gasen end om ingen strupning fandt sted. Effekttapet ytrer sig altsaa som forøket varmemængde, d. v. s. høiere temperatur hos avløpsgaserne. Angives i dette tilfælde hele vegten av gasen i cylinderen med G kg. samt de av begge diagramkurverne repræsenterte arbeider med L₁, og L₂ mkg. er:

Formel nr 3

L1, kan aldrig bli = L2, og dermed effekttapet = 0, ti i saa fald maa Tc, > T1 eftersom det til Tc svarende tryk maa være større end det til T1 svarende. Dette skulde selvfølgelig gi en forøkelse i gasernes totale energi paa grund av tilstrupningen. Inden vi gaar over til avsluttende diskussion og resultatbedømmelse, skal vi først overveie saken litt nøiere og derfor belyse den mere strengt matematisk. Da hensigten med mit arbeide er om mulig at søke at faa frem de praktiske resultater, kommer jeg i det følgende til at utelate en stor del av ligningernes utledninger.

Figur 17

La i (figur 17) F være stemplets areal i m²,

ƒ væer kanalens areal i m²

V_k være den del av kompressionsrummet, som rummes i kulen maalt i m³.

V_c være den del av kompressionsrummet, som rummes i cylinderen, maalt i m³.

V_g = V_k + V_c, være cylinderens totale kompressionsrum i m³,

r være krumtapradien i m.

s = 2r være stempelslagets længde i meter.

V_s = F * s være cylinderens slagvolum i m³

C_m være stemplets middelhastighet i m/sek.

C_x, være stemplets hastighet ved veien x og i tiden t sek. fra indre døde punkt i m/sek.

ux