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Verfahren zum Betriebe von Brennkraftmaschinen mit flüssigem Brennstoff und
Maschine zur Durchführung dieses Verfahrens.
Seit langem ist das Bedürfnis nach einer Brennkraftmaschine vorhanden, die bezÜglich ihrer
Arbeitsweise einer Benzinkraftmaschine gleichwertig ist, aber mit billigerem Brennstoff, u. zw. ohne
Vergaser wie auch ohne Verwendung eines hohen Verdichtungsdruckes für die Entzündung des Brenn- stoffes arbeiten kann. Die Versuche, eine solche Maschine zu bauen, waren bis jetzt nicht erfolgreich, hauptsächlich zufolge der Schwierigkeit, den flüssig eingespritzten Brennstoff durch die vorhandenen Zündvorrichtungen bei allen Belastungen zu zünden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei diesen Maschinen den Brennstoff während des ersten Teiles des Verdichtungshubes oder überhaupt vor dessen Beginn in eine im Zylinder kreisende Luftmasse einzuspritzen. Durch entsprechend angeordnete Einspritzdüsen kann zwar hiedurch ein gutes und gleichförmiges Gemisch erreicht werden ; jedoch weist dieses Verfahren zwei grosse Nachteile auf : in erster Linie kann bei einer derart arbeitenden Maschine nicht verhindert werden, dass während des Einspritzens und der darauf folgenden Verdichtung der Brennstoff mit der verhältnismässig kalten Zylinderwand in Berührung gelangt, sich dort mit dem Schmieröl mischt und somit für die Verbrennung verloren geht ;
in weiterer Hinsicht wird die bei Leerlauf nötige geringe Brennstoffmenge mit der ganzen Luftmasse gemischt und darin verteilt, wodurch das Gemisch zu schwach wird, um sicher zu zünden.
Die Erfindung bezweckt, eine mit flüssigem Brennstoff arbeitende Maschine zu schaffen, in der der Brennstoff nach erfolgter Mischung mit der Luft durch eine gewöhnliche elektrische Zündkerze oder eine sonstige Zündvorrichtung entzündet werden kann, unabhängig davon, ob die Maschine mit hoher Belastung arbeitet oder leer läuft. Die Erfindung bezweckt ferner, eine solche Maschine zu schaffen, die überdies den höchsten mittleren Druck gibt, der mit dem betreffenden Brennstoff überhaupt erreichbar ist.
Um eine Zündung des Brennstoffluftgemisches bei allen Belastungsstufen zu erreichen und die Nachteile zu beseitigen, welche die Maschinen der bezeichneten Bauart aufweisen, wird gemäss der Erfindung der Brennstoff während des letzten Teiles des Verdichtungshubes in eine Kammer, die im wesentlichen dem eigentlichen Verbrennungsraum entspricht, eingespritzt, u. zw. derart, dass der Brennstoff weder auf die gekühlte Zylinderwandung noch auf den Zylinderdeckel oder den Zünder, sondern nur auf den heissen Kolbenboden oder einen vom Kolbenboden nach oben reichenden oder im oberen Teil des Zylinders vorgesehenen Schutzschirm od. dgl. unmittelbar auftreffen kann.
Der Brennstoff wird in äusserst fein zerteiltem Zustand in einen oder mehrere begrenzte, der Belastung entsprechende Teile der in kreisenden Bewegung befindlichen Luftmasse allmählich eingespritzt. Die Zündung erfolgt dann, wenn dieser Teil oder einer dieser Teile an dem Zünder vorüber bewegt wird. Bei unveränderter Drehzahl wird der Brennstoff unabhängig von der Belastung mit der gleichen Geschwindigkeit eingespritzt. Die einer geringeren Belastung entsprechende geringere Brennstoffmenge wird somit in kürzerer Zeit als bei voller Belastung eingespritzt. Die Umlaufgeschwindigkeit der Luft ist aber bei gleichbleibender Drehzahl von der Belastung unabhängig. Hieraus ergibt sich, dass bei geringerer Belastung wie auch bei Leerlauf nur ein kleiner Teil oder kleine Teile der Luftmasse mit Brennstoff geladen werden.
Unabhängig von der Belastung gibt es somit gewisse Teile der Luftmasse,
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Zwecks Erreichung des höchstmöglichen Mitteldruckes ist es notwendig, dass die ganze Luftmenge, insbesondere bei höchster Belastung, mit Brennstoff geladen ist, ehe die Verpuffung erfolgt. Wenn dies nicht der Fall wäre, sondern die Zündung schon erfolgen würde, nachdem beispielsweise nur der erste Teil des eingespritzten Brennstoffes sich mit der erforderlichen Luftmenge gemischt hat, dann würde eine Verbrennung oder Explosion in einem begrenzten Teile des Verbrennungsraumes unter erheblicher Erhöhung des Druckes und entsprechendem örtlichen Zusammendrücken der Luftmasse stattfinden.
Dem übrigen, etwa unter Einspritzung befindlichen Teil des Brennstoffes steht dann ein wesentlich kleineres Luftvolumen zur Verfügung als es der Fall wäre, wenn keine Zündung stattgefunden hätte.
Es fällt dem Brennstoff also schwerer, die erforderliche Sauerstoffmenge zu finden, und die Folge hievon wird eine unvollständige Verbrennung und ein entsprechend niedrigerer Mitteldruck im Vergleich mit dem unter idealen Mischungs- und Verbrennungsverhältnissen erreichbaren Druck sein. Durch die Erfindung werden die Bedingungen für die Erreichung des höchstmöglichen Mitteldruckes erfüllt, indem die Luftdrehung, die Bremsstoffeinspritzung und die Zündung so gewählt werden, dass bei voller Belastung der Maschine die ganze umlaufende Luftmenge gleichmässig mit Brennstoff geladen ist, ehe die Verpuffung stattfindet.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch den oberen Teil des Zylinders einer Brennkraftmachine gemäss einer Ausführungs- form der Erfindung ; Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Verbrennungsraum dieser Maschine. Die Fig. 3 und 4 sind lotrechte Schnitte durch den Verbrennungsraum je einer abgeänderten Maschine. Fig. 5 ist ein senkrechter Schnitt durch den oberen Teil des Zylinders einer Maschine gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ; Fig. 6 ist ein wagrechter Schnitt durch den Verbrennungsraum dieser Maschine. Fig. 7 ist ein ähnlicher wagrechter Schnitt gemäss einer andern Ausführungsform der Maschine.
In der Ausführungsform gemäss den Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 den Zylinder, 2 den Kolben und. 3 den Zylinderdeckel. Der Zylinderraum ist als Umlaufkörper gestaltet. Im Zylinderdeckel sitzt ein Einspritzventil 4 für flüssigen Brennstoff, ein Lufteinlassventil 5 und ein Auspuffventil 6 (Fig. 2). Das Luftventil hat einen etwa über den halben Umfang des Ventils sich erstreckenden Schirm 7, der die Aufgabe hat, die eintretende Luft in eine bestimmte Richtung abzulenken. In der Nähe des Luftventils 5 trägt der Kolben 2 einen nach oben gerichteten, entsprechend der Zylinderwand gekrümmten Vorsprung 8. In der Nähe dieses Vorsprunges, dessen Stellung in Fig. 1 der obersten Kolbenstellung entspricht, ist in der Zylinderwand eine elektrische Zündkerze 9 von bekannter Art eingesetzt.
Die gegenseitigen Lagen der einzelnen Teile sind so gewählt, dass wenn die Öffnung des Luftventils dem Vorsprung 8 zugewandt ist, die durch das Ventil 5 eintretende Luft in eine kreisende Bewegung im Zylinderraum versetzt wird. In der Bewegungsrichtung der Luft gesehen liegen dann die Elektroden der Zündkerze 9 hinter und etwas innerhalb der Kante des Vorsprunges 8. Die Einspritzdüse 4 befindet sich hinter dem Luftventil J vom Vorsprung 8 gesehen, wobei die Ausströmöffnung des Ventils gegen diesen Vorsprung gerichtet ist.
Der Brennstoff wird genügend kräftig eingespritzt, damit er sich in der kreisenden Luftmasse äusserst fein verteilen kann. Durch die Luftmasse werden die Brennstoffteilchen mitgerissen, wobei sie sich mit der Luft mischen. Das Gemisch wird hierauf entzündet, sobald die mit Brennstoff geladene Luft an der Zündkerze vorüberstreicht. Die Einspritzung erfolgt hauptsächlich in der Richtung einer Sehne, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, und die Mischung der Luft und des Brennstoffes findet in dem kleineren der durch diese Sehne begrenzten Teile des Verbrennungsraumes statt.
In der Ausführungsform gemäss den Fig. 1 und 2 sowie auch in jener gemäss Fig. 7 soll, um die ganze Luftmasse auf die beste Weise auszunutzen, die Steuerung der Brennstoffpumpe derart sein, dass die Brennstoffeinspritzung in einer für alle Belastungen gleichen Kurbelstellung beendet wird, während der Beginn der Einspritzung um so früher festgesetzt wird, je grösser die Belastung der Maschine ist. Bei voller Belastung wird daher die ganze Luftmasse den Brennstoffstrahl überschneiden, und die Zündung wird so eingestellt, dass sie dann stattfindet, wenn die dem Leerlauf entsprechende, zuletzt eingespritzte Brennstoffmenge an der Zündkerze vorüber geht.
Hiedurch wird erreicht, dass die Zündung unter allen Umständen sicher erfolgt, u. zw. auch bei geringer Belastung oder bei Leerlauf, wenn die eingespritzte Brennstoffmenge äusserst gering ist, indem diese kleine Menge dann nur mit einer verhältnismässig kleinen Luftmenge gemischt wird, ehe die Zündung stattfindet.
Die Verlegung der Zündkerze hinter die Kante- des Vorsprunges 8 hat zur Folge, dass die Zündkerze nicht unmittelbar von der kreisenden Luft und den von dieser mitgeführten, grösseren Ölteilchen berührt wird. Der Zünder kann gegebenenfalls auch im Deckel oberhalb des Vorsprunges 8 sitzen und entsprechend abgeschirmt werden. Überdies dient der Vorsprung 8 dazu, den Niederschlag von Ölteilchen auf die dahinter befindliche Zylinderwand zu verhindern.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 3 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen nur dadurch, dass der Vorsprung 8 vom Zylinderdeckel ausgeht, und die Ausführungsform gemäss Fig. 4 unterscheidet sich von jener nach den Fig. 1 und 2 dadurch, dass die Einspritzvorrichtung 4 in die Zylinderwand eingesetzt ist.
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Die Ausführungsform gemäss den Fig. 5 und 6 ist in erster Linie für solche Maschinen bestimmt, in denen die Regelung der Brennstoffpumpe eine derartige ist, dass die Einspritzung für alle Belastungen in der gleichen Kurbellage beginnt, wogegen die Beendigung der Einspritzung um so später stattfindet, je mehr die Belastung zunimmt. Die zuerst eingespritzte Brennstoffmenge entspricht dem Leerlauf und muss deshalb um den ganzen Verbrennungsraum herum laufen, ehe sie beim Vorübergehen am Zünder 9 entzündet wird. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform gegenüber der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform liegt hauptsächlich darin, dass der Vorsprung 8 durch einen ringförmigen, sich annähernd rings um die'Zylinderwand erstreckenden Flansch des Kolbens gebildet wird und der Zünder eine andere Lage in bezug auf die Einspritzdüse hat.
An einer Stelle des Flansches 8 (links in der Zeichnung) ist eine Öffnung vorgesehen, in die der Zünder 9 hineinragt. Die Einspritzdüse 4 sitzt im Zylinderdeckel in der Nähe des Zünders. In den Zylinderdeckel sind ferner wie früher das Lufteinlassventil 5 und das Auspuffventil 6 (Fig. 6) eingesetzt, von denen das erstere mit einem entlang eines Teiles seines Umfanges sich erstreckenden Schirm 7 versehen ist, um die durch das Ventil eintretende Luft im Zylinderraum in eine kreisende Bewegung zu versetzen.
Die Arbeitsweise der Ausführungsform gemäss den Fig. 5 und 6 ist wie folgt : In die beim Eintreten durch das Ventil 5 in kreisende Bewegung versetzte Luft erfolgt das Einspritzen des Brennstoffes während des letzten Teiles des Verdichtungshubes durch die Düse 4 in einem oder mehreren Strahlen, u. zw. so, dass die ganze oder im wesentlichen ganze Brennstoffmenge in die durch den Flansch 8 gebildete Schale des Kolbens gelangt. Hiedurch wird der Brennstoff verhindert, auf die gekühlte Zylinderwand aufzutreffen.
Die Geschwindigkeit der Luftdrehung, der Zeitpunkt des Beginnes oder der Beendigung der Brennstoffeinspritzung sowie deren Dauer bei höchster Belastung wie auch der Zeitpunkt der Zündung werden so gewählt, dass bei voller Belastung, d. h. grösster Einspritzmenge, die Mischung des Brennstoffes mit der Luft vollständig durchgeführt ist, ehe die Verpuffung stattfindet, ferner, dass die Zündung dann erfolgt, wenn der dem Leerlauf entsprechende Teil des eingespritzten Brennstoffes an der Zündvorrichtung vorüber geht. Die Verbrennung erfolgt explosionsartig und der Zeitpunkt der Zündung ist derart verlegt, dass der höehste Explosionsdruck in oder annähernd in der oberen Totlage erreicht wird.
Durch die oben beschriebenen Massregeln wird der grösstmögliche Mitteldruck auch bei Verwendung von verhältnismässig schwerflüchtigen Brennstoffen sicher erhalten.
Bei geringer Belastung, d. h. geringer Einspritzmenge und kurzer Einspritzzeit, mischt sich der Brennstoff mit der Luft innerhalb eines in der Umfangsrichtung sehr begrenzten Teiles der Luftmasse zu einer Brennstoffwolke, die mit der Luft umläuft, ohne sich in der Umfangsriehtung merkbar zu verbreitern, und beim Vorübergehen an der Zündvorrichtung entzündet wird.
Um zu verhindern, dass der eingespritzte Brennstoff auf die gekühlte Zylinderwand trifft, darf die Einspritzung nicht beginnen, ehe der Kolben so hoch gelangt ist, dass der Brennstoff auf den Schirm, nicht aber auf die Zylinderwand, trifft. Die Höhe des Schirmes ist durch die Höhe des Verdichtungraumes begrenzt. Der für die Einspritzung zur Verfügung stehende Kurbelwinkel wird hiedurch begrenzt.
Wenn, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen der Fall ist, der Brennstoff in einer einzigen Hauptrichtung, d. h. als ein einziger Strahl eingespritzt wird, musst die Luft während dieses Kurbelwinkels etwa eine ganze Umdrehung machen, damit die ganze Luftmenge ausgenutzt werden soll. Dies setzt eine sehr hohe Luftgeschwindigkeit, d. h. eine kleine Eintrittsöffnung des Ventils und eine entsprechend Drosselung, voraus.
Damit der Brennstoff auch bei mässiger Luftgeschwindigkeit innerhalb des eigentlichen Verbrennungsraumes eingespritzt werden kann, kann wie in Fig. 7 veranschaulicht ist, das Einspritzen in zwei Richtungen, die miteinander einen Winkel einschliessen, erfolgen. Zu diesem Zwecke kann die Einspritzung während eines kleinen Kurbelwinkels stattfinden, u. zw. parallel oder annähernd parallel zum Kolbenboden. In diesem Falle wird selbstverständlich nur der eine Brennstoffluftstrahl unmittelbar durch die Zündvorrichtung entzündet, wie aus Fig. 7 hervorgeht. Gegebenenfalls kann jedoch noch eine zweite Zündkerze vorgesehen werden.
Die Einspritzung kann natürlich auch in mehr als zwei Richtungen erfolgen.
Bei-Verwendung von zwei oder mehreren Einspritzdüsen können diese in gleichen Abständen voneinander liegen und von einer gemeinsamen Pumpe oder je einer besonderen Pumpe gespeist werden.
In diesem Falle bedingt die höchste Belastung nur eine kleine Luftgeschwindigkeit.
Das Verfahren kann auch für andere Ausführungsformen als die oben beschriebenen in Betracht gezogen werden und es können Abänderungen in bezug auf die Verlegung und Bauart der einzelnen Teile vorgenommen werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die Zündvorrichtung zwischen den in Fig. 2 und 6 dargestellten Lagen der Zündkerze angebracht und die Steuerung der Brennstoffpumpe so geändert werden, dass die Einspritzung der Leerlaufmenge in einer Kurbellage zwischen dem Beginn und der Beendigung der Einspritzung bei Vollast liegt. Wesentlich ist, dass die Zündung so eingestellt wird, dass sie dann stattfindet, wenn die dem Leerlauf entsprechende Brennstoffmenge an der Zündvorrichtung vorüber bewegt wird, und dass die ganze oder annähernd ganze Brennstoffmenge für Vollast eingespritzt ist, wenn die Zündung erfolgt.
Weitere Abänderungen können sich beispielsweise auf den Vorsprung 8 beziehen. Dieser kann nämlich durch einen an der Zylinderwand befestigten
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Ring ersetzt werden, der somit in der innersten Kolbenlage die Wand des Verbrennungsrallmes darstellt.
Obwohl bei allen dargestellten Ausführungsformen eine gewöhnliche elektrische Zündung vorausgesetzt war, kann natürlich an deren Stelle jede andere Zündvorrichtung benutzt werden, wie z. B. ein elektrisch oder sonstwie erhitzter, in geeigneter Weise angebrachter Glühkörper.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen für flüssigen Brennstoff, in denen die Verbrennungsluft in dem hauptsächlich als Umdrehungskörper ausgestalteten Verbrennungsraum in eine kreisende Bewegung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass gegen das Ende des Verdichtungshubes ein oder mehrere begrenzte, der Belastung entsprechende Teile der im Verbrennungsraum kreisenden Luftmasse mit fein verteiltem Brennstoff allmählich gemischt werden und die Zündung erfolgt, wenn nach erfolgtem Mischen dieser Teil oder einer dieser Teile an einer Zündvorrichtung vorüber bewegt wird.