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Zweitaktbrennkraftmaschine mit Selbstziindung des eingespritzten Brennstoffs und drei oder mehr in einem Zylinderstern auf einen gemeinsamen Verbrennungsraum arbeitenden Kolben.
Die Erfindung bezieht sich auf eine im Zweitakt arbeitende Brennkraftmasehine, bei der die Verdichtung so hoch getrieben wird, dass eine Selbstzündung des eingespritzten Brennstoffes eintritt. und bei der ein Zylinderstern mit drei oder mehr als Zylinder dienenden Schenkeln vorgesehen ist, deren Kolben auf einen gemeinsamen Verbrennungsraum arbeiten. Um dabei einen hinreichend kleinen Verbrennungsraum zu erhalten, hat man vorgeschlagen, den Kolbenböden die Form eines Daches zu geben.
Das Brennstoffventil kann man zur besseren Verteilung des Brennstoffes in dem Zylinderstern zwischen zwei Zylindern mit gleichlaufenden Kolben anordnen.
Erhalten die Böden der Kolben die Gestalt eines symmetrischen Daches und wird im Zeitpunkt des Verdichtungshöchstdruckes der Verbrennungsraum zwischen der Gesamtheit der Kolbenböden gleichmässig freigelassen, so besteht dieser Raum aus einer Anzahl verhältnismässig enger, von einem Mittelpunkt sternförmig ausgehender Spalten. Es ist schwierig, den Brennstoff auf diesen zerklüfteten Verbrennungsraum so zu verteilen, dass die in den Spalten befindliche verdichtete Verbrennungsluft so mit dem Brennstoff vermischt wird, dass eine vollständige Verbrennung eintritt.
Dabei soll die Bildung von Luftwirbeln nach Möglichkeit vermieden werden, da erfahrungsgemäss der Brennstoff nur durch einzelne, schnellfliessende Fasern des Wirbels mitgerissen wird, so dass der ausserhalb dieser Fasern befindliche Brennstoff mit der Luft nicht in innige Berührung kommt.
Nach der Erfindung ist bei Maschinen dieser Art eine rauchlose Verbrennung dadurch erreicht, dass bei Anordnung des Einspritzorgans zwischen zwei Zylindern ein zur Aufnahme der Hauptver- brennungsluftmenge und als Zündraum dienender Raum vorgesehen ist, der zwischen den Dachflächen des oder der dem Einspritzorgan gegenüberliegenden Kolben und den diesen Dachflächen gegenüber- liegenden Dachflächen der dem Einspritzorgan benachbarten Kolben liegt, und dass der Brennstoffstrahl in diesem Raum durch einen in Richtung des Strahles liegenden Kanal hindurch eintritt, der zwischen den seitlich vom Brennstoffstrahl liegenden Dachflächen der dem Einspritzorgan benachbarten Kolben gebildet ist.
Da der Brennstoff zu Beginn der Einspritzung durch den Kanal zwischen den dem Einspritzorgan benachbarten Kolben hindurchschiesst und auf den oder die gegenüberliegenden Kolbenböden trifft, kommt er zuerst in dem Raum zwischen diesen Kolbenböden und den gegenüberliegenden Kolben- böden der dem Einspritzorgan benachbarten Kolben auf die Zündtemperatur. Dieser Raum bildet also den Zündraum. In der Mitte dieses Raumes sind die Vorbedingungen für die Einleitung der Zündung besonders günstig, da er nur durch heisse Kolbenböden begrenzt ist und die wärmeabführenden Flächen im Verhältnis zum eingeschlossenen Luftvolumen am kleinsten sind. Da der Brennstoffnebel infolge der flachen Form des Zündraumes gleichmässig über diesen ganzen Raum verteilt wird, findet eine restlose
Verbrennung in diesem Raum selbst statt.
Die vollständige Verbrennung der zuletzt eingespritzten
Brennstoffmengen ist dadurch gesichert, dass bei der Zündung des im Zündraum befindlichen Gemisches ein Gaskolben aus dem Zündraum in den Kanal zwischen den dem Einspritzorgan benachbarten Kolben eintritt und dem Brennstoffstrahl entgegengetrieben wird. Dadurch werden die zuletzt eintretenden
Brennstoffmengen in den Teil des Kanals, welcher der Einspritzdüse benachbart ist und welcher noch unverbrauchte Luftmengen enthält, zurückgedrängt und so zur Verbrennung gebracht.
Der auf den oder die Kolbenböden auftreffende Brennstoff soll dabei möglichst schon mit Luft gemischt und in Dampfform verwandelt sein. Diese Vorbereitung des Brennstoffes für die Verbrennung
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ist dadurch erzielt, dass im Zylinderstern zwischen den dem Einspritzorgan benachbarten Zylindern ein Vorraum vorgesehen ist, der sieh an den von den Böden der zugehörigen Kolben gebildeten Durehlass- kanal unmittelbar anschliesst und in den das Einspritzorgan mündet. Während des Einspritzvorganges wird aus dem Verdiehtungsraum zwischen den Kolben in den Vorraum ein Luftstrom eingeblasen, der eine dem Brennstoffstrahl entgegengesetzte Richtung hat.
Dadurch entsteht eine starke Reibung zwischen Ladestoff und Brennstoffstrahl, so dass dieser zum Teil zerstäubt und dabei mit Luft durchsetzt wird.
Dadurch, dass bei der Zündung aus dem Zündraum ein Gaskolben dem Brennstoffstrahl entgegengetrieben wird, tritt ferner in dem Vorraum eine Stauung ein, die bewirkt, dass der in diesem Vorraum befindliche Brennstoff verteilt, mit der dort vorhandenen Luft vermischt und zur Entzündung gebracht wird. Eine vorzeitige Ziindung des Brennstoffes in diesem Vorraum kann durch Kühlung desselben vermieden werden.
Diese Verhältnisse werden erfindungsgemäss noch dadurch unterstützt, dass der Druck, mit dem der Brennstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt wird, nach dem Ende der Einspritzung hin abnimmt.
Beispielsweise ist der den Plunger der Brennstoffpumpe antreibende Nocken der Steuerwelle so gestaltet, dass der Brennstoff zu Beginn der Einspritzung mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und gegen Ende bei abfallender Plungergeschwindigkeit mit kleiner Strömungsgeschwindigkeit in den Verdichtungsraum eintritt. Die zuletzt eingespritzten Brennstoffteile bleiben dann schon infolge ihrer geringeren Strömung- geschwindigkeit in dem der Düse benachbarten Teil des Durclasskanals bzw. des Vorraumes, wo sie noch unverbrauchte Verbrennungsluft vorfinden.
Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine nach der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Maschine schematisch im Längsschnitt durch den
Zylinderstern und die Brennstoffpumpe und veranschaulicht den Antrieb der Kolben sowie der Brenn- stoffpumpe ; Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie i-B der Fig. l ; Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Zylindersternes bei einer andern Ausführungsform des Verbrennungsraumes ; Fig. 4 ist ein Querschnitt nach der Linie C-D der Fig. 3 ; Fig. 5 ist eine sehaubildliehe Darstellung eines Teiles der Fig. 3 ; die Fig. 6 und 7 zeigen weitere Ausführungsformen im Längsschnitt ;
Fig. 8 ist ein Längs- schnitt durch den Zylinderstern einer Ab nderungsform der Fig. 3 und zeigt ein Sehaubild zur Veran- sehaulichung der Luftverteilung im Verbrennungsraum, und Fig. 9 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung der Einspritzgesehwindigkeit.
Bei der im Zweitakt arbeitenden Dreizylindermaschine nach Fig. 1 und 2 spielen in einem Zylinder- stern 1 mit drei Zylindern 2, 2, 3 die Kolben 4, 4, 5, von denen die beiden Kolben 4 mittels der in den
Zylindern 2 vorgesehenen Schlitze 6 die Spülluft und der Kolben 5 mittels der Schlitze 7 den Auspuff steuern. Die drei Kolben werden durch Kurbeln 8, 8, 9 angetrieben, deren Bewegung durch Zahn- räder 10, 11 weitergeleitet wird.
Die drei gegenläufigen Kolben arbeiten auf einen gemeinsamen Verbrennungsraum, der im inneren
Totpunkt der Kolben zwischen ihren Böden belassen ist. Diese Böden sind dachförmig ausgestaltet.
Jeder Boden hat also eine Dachfläche 12 und eine Dachfläche 1.'3, die am First zusammenstossen. Zwischen den beiden Zylindern 2 der Spülluftkolben 4 ist in Zylinderstern 1 das Brennstoffventil-M angeordnet, u. zw. so, dass sein Düsenkanal in der Achse des Auspuffkolbens 5 liegt.
Dem Brennstoffventil 14 wird der Brennstoff durch eine Leitung 15 von dem Druckraum der
Brennstoffpumpe 16 zugeführt, deren Saugraum durch eine Leitung 17 mit dem Brennstoffbehälter in Verbindung steht. Der Plunger 18 der Pumpe wird durch einen Nocken 19 angetrieben, der auf einer von der Steuerwelle der Maschine angetriebenen Welle 20 angebracht ist.
Der Zylinder. 3 des Auspuffkolbens 5 ist so verlängert bzw. der Kolben 5 so verkürzt, dass an dem in Fig. 1 dargestellten inneren Totpunkte der drei Kolben 4, 4, 5 die gegenüberliegenden Dachflächen-M, der Spülluftkolben nur unter Belassung eines schmalen Kanals 21 einander gegenüberstehen, während der Boden des Auspuffkolbens 5 wesentlich weiter von den ihm gegenüberliegenden Dachflächen 12, l')' der beiden Kolben 4 absteht. Es ist daher zwischen den beiden Spülluftkolben und dem Auspuffkolben im inneren Totpunkt ein Raum 22 gebildet.
Während des Verdichtungshubes beginnt die Einspritzung des Brennstoffes, wobei dieser durch den Kanal 21 hindurchtritt, welcher zwischen den einander gegenüberliegenden Kolbenflächen 12, 1 : J der beiden Spülluftkolben 4 hindurehschiesst und in den Raum 22 eintritt, in welchem sich die verdichtet Luft befindet. Da dieser Raum 22 die Form eines flachen Daches hat, wird der an dem First dieses Raumes eintretende Brennstoffstrahl nach zwei zueinander entgegengesetzten Seiten abgelenkt und auf die in dem Raum befindliche Luft verteilt. Haben die Kolben die in Fig. 1 dargestellte innere Totlage erreicht, so herrscht in dem Raum 22 der höchste Verdichtungsdruck, bei dem das Brennstoffluftgemisch eine Temperatur erreicht hat, die über der Selbstzündungstemperatur des Brennstoffs liegt.
Das Gemisch wird dadurch entzündet und verbrennt restlos, da es die dazu erforderliche Luftmenge vorfindet. Die Einleitung der Zündung erfolgt dabei in der Mitte des Zündraumes 22, da dieser Raum nur von den heissen Böden der Kolben 4, 4, 5 begrenzt und die Abführung der Wärme durch diese Flächen im Verhältnis zum eingeschlossenen Luftvolumen am kleinsten ist.
Bei diesem inneren Totpunkt der Kolben ist auch die Einspritzung beendet. Die zuletzt durch die Düse 14 eingespritzten Brennstoffmengen, die durch den engen Kanal 21 in den Zündraum 22 vor-
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dringen wollen, sind daran dadurch gehindert, dass das in dem Raum 22 befindliche Gas sich ausdehnt und dem Brennstoffstrahl in dem Kanal 21 entgegenströmt. Die zuletzt eingespritzten Brennstoffteilchen sind dadurch an einem weiteren Vordringen gehemmt und werden sogar in die Teile des Kanals 21, welche der Düse des Brennstoffventils 14 benachbart sind, zurückgedrängt. An diesen Teilen des Kanals befindet sich aber verdichtete Luft, die noch nicht verbraucht ist, da die zuvor eingespritzten Brennstoffmengen sofort tiefer in den Kanal eingedrungen waren.
Es werden daher auch die zuletzt eingespritzten Brennstoffteilchen restlos verbrannt. Die Maschine hat daher auch bei sehr hohen Drehzahlen eine rauchlose Verbrennung.
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sehen sein.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 bis 5 ist der Durchlasskanal für den Brennstoff zwischen den beiden Spülluftkolben 4,4 dadurch gebildet, dass in den beiden gegenüberliegenden Dachflächen M bzw. 12 dieser Kolben Rinnen 23 vorgesehen sind, die in der Richtung des Brennstoffstrahles liegen und sich nach dem Zündraum hin erweitern. Im inneren Totpunkt ergänzen sich die beiden Rinnen zu dem Durchlasskanal 24 für den Brennstoff, der infolge der Erweiterung der Düsen nach dem Zündraum hin der Querschnittsgestalt des Brennstoffstralils angepasst ist.
Dabei können die stehengebliebenen Dachflächen 12, 1. 3 der Kolbenböden dicht aneinandergedrückt sein, so dass tote Räume, deren Luftinhalt zur Verbrennung nicht herangezogen werden kann, nach Möglichkeit vermieden sind.
Der Auspuffkolben 5 ist mit einer Aussparung 2. versehen, die quer zum First des dachförmigen Kolbenbodens liegt und die Gestalt einer flachen Rinne hat. Diese Aussparung bildet den Zündraum zusammen mit den gegenüberliegenden Dachflächen 12 und 13 der Spülluftkolben 4.
Bei dem Zündraum 22 nach Fig. 1 und 2 besteht infolge der dachförmigen Ausgestaltung dieses Raumes immerhin die Gefahr, dass infolge der Teilung des Brennstoffstromes in zwei Äste seine Verteilung auf die verdichtete Luft nicht gleichmässig erfolgt, so dass in den Ecken des Zündraumes wegen Luft-
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des Firstes des Zündraumes,'2 : 2 die Gestalt einer flachen Scheibe. Der zuerst eingespritzte Brennstoff schiesst durch den Kanal 24 zwischen den Spülluftkolben 4 hindurch, wobei er sich infolge der kegelförmigen Ausgestaltung dieses Kanals ausbreiten kann, und trifft auf die in dem Raum 25 enthaltene verdichtete Luft auf. Dabei wird schon eine grosse Fläche dieser Luftmenge unmittelbar von dem Strahl getroffen.
Durch die flache Gestalt des Raumes 2. wird der Brennstoff über den ganzen Raum bis in seine äussersten Ecken hinein so gleichmässig verteilt, dass bei der Zündung im Zeitpunkt des höchsten Verdichtungsdruckes die restlose Verbrennung des Brennstoffes in diesem Raum besser gesichert ist als bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2.
In Fig. 6 ist eine Maschine mit fünf Zylindern dargestellt, wobei auch das Brennstoffventil 14 zwischen zwei Zylindern 2 von Spülluftkolben 4 und gegenüber einem Auspuffkolben 5 angeordnet ist. Die beiden dem Auspuffkolben 5 benachbarten Kolben mögen auch Spülluftkolben 4 sein. Auch hier ist der Auspuffkolben 5 mit einer Rinne 25 versehen, die zusammen mit den ihr gegenüberliegenden Dachflächen 12, 1. 3 der benachbarten Spiilluftkolben 4 den Zündraum bildet. Der Durchlasskanal 24 für den Brennstoff ist durch die einander gegenüberliegenden Dachflächen 12, 13 der dem Brennstoftventil 14 benachbarten Spülluftkolben 4 gebildet.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Maschine mit vier Zylindern. Das Brennstoffventil 14 ist zwischen zwei Spülluftkolben 4 angeordnet gegenüber der Schnittlinie der Zylinder 3 der beiden gegenüberliegenden Auspuffkolben. 5. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Zündraum durch Aussparungen 23 in den Dachflächen der Auspuffkolben 5, welche den Spülluftkolben 4 gegenüberliegen, und durch die Dachflächen 12, 13 dieser Kolben gebildet. Der Durchlasskanal24 ist wieder durch die einander gegenüberliegenden Dachflächen 12, 13 der dem Brennstoffventil benachbarten Spülluftkolben 4 gebildet.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 mündet das Brennstoffventil14 nicht unmittelbar in den Durchlasskanal zwischen den beiden Spülluftkolben 4, es ist vielmehr zwischen diesem Kanal und dem Brennstoffventil in dem Zylinderstern 1 ein Raum 26 vorgesehen, der sich an den Durchlasskanal 24 unmittelbar anschliesst und in den die Düse des Einspritzventils mündet. Dieser Raum 26 ist von einem Kühlwassermantel 27 umgeben.
Der Raum 26 hat die Aufgabe, den Brennstoffstrahl für die Verbrennung vorzubereiten. Zu Beginn der Einspritzung, während die Kolben 4,4, 5 sieh noch auf dem Verdichtungshub befinden, wird ein Luftstrom aus dem Kanal 24 in den Vorraum 26 eingeblasen, also entgegengesetzt zur Richtung des Brennstoffstrahles. Der Strahl wird dadurch schon in dem Vorraum 26, insbesondere durch Reibung an der entgegenströmenden Luft, zerstäubt und mit Luft durchsetzt, wodurch er für die spätere Verbrennung gut vorbereitet ist.
Die in dem Vorraum 26 gegen Ende der Einspritzung befindliche Brennstoffmenge wird dadurch, dass nach erfolgter Zündung aus dem Zündraum 2. dem Brennstoffstrahl Gas entgegengetrieben wird. in dem Vorraum angestaut, da sich die durch die Zündung im Zündraum 2. 5 verursachte Druckwelle
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durch den Kanal 24 auf den Vorraum 26 fortpflanzt. Durch diese Stauung wird die Brennstoffmengein den Vorraum verteilt, mit der dort vorhandenen Luft innig vermischt und zur Entzündung gebracht.
Die Verteilung der Luft beim Verdichtungshöehstdruck zeigt das bei Fig. 8 dargestellte Sehau- bild 28. Als Abszisse ist die Länge des Gesamtverbrennungsraumes vom Auspuffkolbens 5 bis zur Düse des Brennstoffventils 14 und als Ordinaten sind die Querschnittsfläehen dieses Raumes aufgetragen.
Es zeigt sich, dass in dem Raum 25 bei weitem die grösste Luftmenge untergebracht ist, so dass dieser Raum zuerst auf die zur Selbstzündung des Brennstoffes erforderliche Temperatur gelangt. Die Räume 24 und 26 sind im wesentlichen nur Zuführungsräume für den Brennstoff.
Um eine vorzeitige Zündung des Brennstoffes in dem Vorraum 26 sicher zu vermeiden, wird dieser Raum durch das Kühlwasser im Mantel 27 auf einer Temperatur gehalten, die unterhalb der Selbstzündungstemperatur des Brennstoffes liegt.
Der Nocken 19 zum Antrieb des Plungers 18 der Brennstoffpumpe 16 ist besonders ausgebildet, um den Einspritzvorgang dem Verbrennungsvorgang bei Zündung des Brennstoffes in dem Zündraum 22 bzw. 25 anzupassen. Der Nocken 19, welcher in Richtung des in Fig. 1 eingezeichneten Pfeiles umläuft, hat eine aus zwei Teilen 29a und 29b bestehende Auflauffläche und eine längere Ablauffläche : ; 0. Der Teilla ist wesentlich steiler als der Teil 29b. Diese Ausgestaltung des Nockens entspricht der in Fig. 9 dargestellten Kennlinie : 31 der Geschwindigkeit, mit der der Brennstoff eingespritzt wird. In dem Schaubild sind die Geschwindigkeiten des Plungers 18 als Ordinaten und die Zeiten als Abszissen aufgetragen.
Der Plunger 18 wird zunächst schnell hochgestossen, so dass der Brennstoff bei Beginn der Einspritzung im Punkte. 32 der Kennlinie- mit grosser Energie durch den Kanal 24 hindurch in den Zündraum 25 getrieben wird. Es fällt dann die Plungergesehwindigkeit verhältnismässig schnell ab, bis im Punkte- der Einspritzvorgang beendet ist. Dadurch ist erreicht, dass die zuletzt eingespritzten Teile nur noch bis in den Durchlasskanal 24 vordringen können. Dadurch ist die hemmende Wirkung, welche die aus dem Zündraum 25 in dem Kanal 24 dem Brennstoffstrahl entgegengetriebenen Gase auf die zuletzt eingespritzten Teile ausüben, unterstützt.
Diese Brennstoffteile bleiben in der Nähe der Düse des Brennstoffventils 14 und füllen dort den Kanal 24 aus, in welchem sie noch unverbrauchten Sauerstoff vorfinden.
Das Brennstoffventil kann auch zwischen einem Spülluft-und einem Auspuffkolben oder zwei auspuffsteuernden Kolben angeordnet sein. Der Auspuffkolben kann eine Voreilung gegenüber den Spiüluftkolben haben.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Zweitaktbrennkraftmaschine mit Selbstzündung des eingespritzten Brennstoffes und drei oder mehr in einem Zylinderstern auf einen gemeinsamen Brennraum arbeitenden Kolben mit dachförmigen Böden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung des Einspritzorgans (14) zwischen zwei Zylindern ein zur Aufnahme der Hauptverbrennungsluftmenge und als Zündraum dienender Raum (22, 25) vorgesehen ist, der zwischen den Dachflächen des oder der dem Einspritzorgan gegenüberliegenden Kolben und den diesen Dachflächen gegenüberliegenden Dachflächen der dem Einspritzorgan benachbarten
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der dem Einspritzorgan benachbarten Kolben gebildet ist.