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Brennkraftmaschine.
Im Bau von Brennkraftmaschinen macht sich das Verlangen nach leichteren und kräftigeren Motoren beständig geltend, und man hat deshalb das Augenmerk in den letzten Jahren besonders auf die Ausbildung der Verbrennungskammer gerichtet. Eine Erhöhung des Druckes in der Verbrennungskammer, d. h. eine Vergrösserung der Druckzunahme, stellt ein Mittel dar, um die Kraftleistung der Maschine zu erhöhen, ohne das Gewicht der Maschine selbst wesentlich zu vergrössern.
Diese Erhöhung der Druckzunahme ist jedoch durchaus nicht immer von einer wesentlichen Erhöhung der Leistung der Maschine begleitet, namentlich wenn die auf dem Markt erhältlichen und nicht besonders vorbehandelten Brennstoffe benutzt werden. Das Verhältnis, in welchem derartige Brennstoffe in der Verbrennungskammer selbst verzehrt werden, vergrössert sich nämlich mit der Erhöhung der Druekzunahme in der Maschine. Bei zunehmender Geschwindigkeit der Wanderung der Verbrennungsflamme wird auch eine Erhöhung im Anwachsen des Druckes, bezogen auf den Weg der Kurbel, erzielt, und dies führt dazu, dass der Höchstdruck in der Kammer erreicht wird, wenn die Kurbel sich nahe ihrem oberen Totpunkt befindet.
Jede Druckzunahme, die demnach auf eine Vergrösserung der Geschwindigkeit, mit welcher die Kompression wächst, zurückzuführen ist, mag also, statt eine Erhöhung der Leistung der Maschine herbeizuführen, tatsächlich wieder nur verbraucht werden, um das zusätzliche Drehmoment zu liefern, welches notwendig ist, einen Verlust auszugleichen. Dieser Verlust geht auf die Abnahme des Hebelarmes zurück, welche sich ergibt, wenn der Höchstdruck auf die Kurbel gerade zur Anwendung gelangt, sobald sich diese Kurbel ganz nahe an dem Totpunkt oben befindet. Es muss also zugegeben werden, dass diese Überwachung der Verbrennung allein entschieden eine Einschränkung der Leistung bedeuten kann, u. zw. eine Einschränkung, die sich entsprechend der Geschwindigkeit der Zunahme des Drucks vergrössern kann.
Wird der Versuch gemacht, dieses Anwachsen des Druckes zu beschleunigen, und geht man über ein bestimmtes Mass hinaus, so wie es durch die eben erwähnten Merkmale bestimmt ist, so erhält man durchaus keine Zunahme in der Leistung, sondern nur einen Betrieb, der sich gerade durch einen Mangel an Gleichförmigkeit auszeichnet.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt nun, die Verbrennungskammer so auszubilden, dass man das Verhältnis der Zunahme des Druckes mit Bezug auf den Weg der Kurbel genau überwachen kann, wobei die Kompression selbst, d. h. der Unterschied zwischen Anfangswert und Endwert des Druckes, nicht von Bedeutung ist. Man kann diese Kompressionswerte dann beträchtlich höher annehmen, als bisher gebräuchlich war, ohne die Überwachung der Verbrennung vollständig aufgeben zu müssen. Die Zunahme der Druckwerte, die sich dann aus einem grösseren Unterschied zwischen Anfangs-und Enddruck ergeben, zeigt sich in einer Erhöhung der Leistung der Maschine, wobei diese Erhöhung jedoch nicht etwa von einer unregelmässigen oder unüberwaehbaren Verbrennung begleitet ist.
Bei einer solchen Überwachung der Verbrennung wird die zusätzliche Leistung der Maschine eben dann nicht ausgenutzt, um jenen Verlust auszugleichen, der sonst sich aus der Anwendung des Höchstdruckes bei einem nicht sehr günstigen Kurbelwinkel ergab, obwohl gerade in den bekannten Maschinen die Erhöhung des Druckes eine Druckanwendung bei einem solchen nicht sehr günstigen Winkel bedingte.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das Verhältnis des Anwachsens des Druckes, bezogen auf den Einheitsbogenweg der Kurbel, genau überwacht. Zu diesem Zweck sind in der Verbrennungkammer Mittel angeordnet, um eine Verzögerung in der Geschwindigkeit der Verbrennung des Brenn-
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flussen, der durch die Verbrennung der zweiten Teilmasse der Beschickung erzeugt wird. Die Anordnung macht es also nicht nur möglich, die Geschwindigkeit der Zunahme des Druckes, bezogen auf den Bogengrad der Kurbelwanderung, herabzusetzen, sie schwächt auch das Bestreben, die Verbrennung in wahrnehmbaren explosionsartigen Schlägen vor sich gehen zu lassen.
Es ist sehr wohl bekannt, dass diese stoss-oder schlagartige Wirkung der Verbrennung darauf zurückzuführen ist, dass in der Verbrennungskammer eine verhältnismässig kleine Menge der noch unverbrannten Beschickung durch die rasch fortschreitende Flamme unter Kompression gesetzt wird, ehe die Verbrennung dieses komprimierten Restes der Beschickung eingeleitet wird.
Neben den eben angeführten Zwecken verfolgt die Erfindung auch noch den Zweck, eine Verbrennungskammer so auszubilden, dass durch sie die Zylinder der Kraftmaschine vollständig mit der Brennstoffmischung gefüllt werden und dass im übrigen die Leistung der Maschine vergleichmässigt wird.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel einer neuartigen Verbrennungskammer dieser Art
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Der Weg der Kurbel ist in Fig. 4 bei A angedeutet. Die Figur zeigt ferner zwei Kurven, die das
Anwachsen des Druckes darstellen. Die Kurve B ist jene Kurve, gemäss welcher der Druck in einer
Verbrennungskammer bekannter Art anwächst, wobei diese Zunahme des Druckes, bezogen auf den
Kurbelweg, für die meisten Maschinen als zufriedenstellend erachtet wird. Die Kurve 0 der Fig. 4 gibt nun die Zunahme des Druckes, bezogen auf die Kurbelwanderung gemäss der vorliegenden Erfindung, wieder.
Dabei stellt der Punkt D den Zündpunkt dar. Der Punkt B gibt die Druckwerte an, wenn sich die Kurbel gerade im wesentlich höchsten Totpunkt befindet. Der Punkt F gibt den höchst erreichbaren Druckwert nach Überschreitung des Totpunktes an der Kurve B und der Punkt G gibt den höchst erreich- baren Druckwert nach Überschreitung des Totpunktes in der Kurve 0 wieder. Werden diese Punkte von den Kurven B, 0 nunmehr auf den Kreisweg A der Kurbel projiziert, so ergibt sich, dass die Stelle G, an welcher bei der Kurve 0 der Hochstdruek erreicht wird, sich in einem grösseren Winkelabstand von dem Totpunkt der Kurbel befindet, als dies bei dem Höchstdruckpunkt F der Kurve B der Fall ist.
Um auf die Kurbel das gleiche Drehmoment auszuüben, müsste also an der Stelle F eine bedeutend grössere Kraft auf die Kurbel einwirken als an der Stelle G. Obwohl demnach in diesen beiden Fällen die Kompressionsverhältnisse in zwei Verbrennungskammern annähernd die gleichen sind, ergibt sich doch, dass in einer Verbrennungskammer, in welcher der Druck gemäss der Kurve 0 anwächst, dieser Druck auf die Kurbel ein viel günstigeres Drehmoment ausübt als in der Verbrennungskammer, in der der Druck nach der Kurve B anwächst, denn der Hebelarm, bedingt durch die Lage des Punktes G, ist für die Anwendung dieses Drehmomentes unter Verwendung des Höehstdruckes ein bedeutend grösserer.
Es lässt sich aber sehr wohl auch ein Zustand vorstellen, wonach eine Verbrennungskammer, die gemäss der vorliegenden Erfindung ausgebaut ist, ein kleineres Kompressionsverhältnis aufweist als die gewöhnliche Verbrennungskammer, in der das Anwachsen des Druckes durch die Kurve B veranschaulicht wird, und dass trotz dieses kleineren Kompressionsverhältnisses in der Verbrennungskammer nach
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der vorliegenden Erfindung mehr Arbeit geleistet wird als in der Kammer mit dem grösseren Kompressionsverhältnis. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme in der Kompressionskammer nach der vorliegenden Erfindung ist nämlich kleiner als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme in der Kompressionskammer bekannter Anordnung.
Infolge dieser geringeren Geschwindigkeit der Flamme wird der Höchstdruck in der Kammer mit dem kleineren Kompressionsverhältnis wirksam werden, wenn die Kurbel ein grösseres Stück über den Totpunkt hinweg fortgeschritten ist, als dieser Höchstdruck in der Kammer mit dem höheren Kompressionsverhältnis wirksam werden wird.
Aus diesen Bemerkungen wird verständlich, dass die Überwachung der Verbrennung zweckmässig ist, u. zw. eine derartige Überwachung, dass der Höchstdruck auf die Kurbel in einem grösseren Winkelabstand hinter der Totlage der Kurbel zur Einwirkung gelangt. Eine derartige Überwachung liefert die Möglichkeit, das Drehmoment zu vergrössern, u. zw. um einen Betrag, der mit dem Kompressionsverhältnis zunimmt.
In der vorliegenden Erfindung wird diese Überwachung dadurch herbeigeführt, dass durch Ausbildung der Verbrennungskammer ein Teil der Beschickung, der zuletzt verbrannt werden soll, von dem andern Teil getrennt wird. Die Entzündung jenes Teiles, der zuletzt verbrennen soll, findet erst nach vollständiger Verbrennung des ersten Teiles statt, und ausserdem ist die Anordnung getroffen, dass der unverbrannte Beschickungsteil nicht etwa einem rasch anwachsenden Druck durch den brennenden Teil der Beschickung ausgesetzt wird. Man erhält dadurch die gewünschte Überwachung, und ausserdem wird dadurch das Bestreben der stossartigen oder schlagartigen Verbrennung hintangehalten. Jener Teil der Beschickung, der zuletzt verbrennen soll, wird durch die brennende Beschickung nicht beeinflusst oder wenigstens nicht in solchem Mass, dass ein aussergewöhnlicher Druck ausgeübt wird.
Die erfindunggemässe Anordnung macht es auch möglich, höhere Kompressionsverhältnisse anzuwenden, als dies bis jetzt bei den gebräuchlichen Maschinen möglich war, und da mit diesem Merkmal auch die Überwachung der Verbrennung verbunden ist, so wird dadurch das Drehmoment entsprechend erhöht.
Die Verbrennungskammer ist in den Figuren bei 10 angedeutet und hat zwei voneinander getrennte Räume 11 und 12. Der Raum 11 ist jener Raum, der mit der Ventilkammer oder Erweiterung für die Ventile verbunden ist, und der Raum 12 ist von kleinerem Inhalt als der Raum 11. Beide Räume stehen jedoch mit dem Zylinder der Kraftmaschine in unmittelbarer Verbindung. Der Rauminhalt des Abteiles 12 hat zum Rauminhalt des Abteiles 11 ein Verhältnis, dessen Grösse von dem Kompressionsverhältnis abhängt sowie von der Zeitspanne, die verstreichen soll, ehe der Höchstdruck erreicht wird. Es ist demnach aus dem Obigen zu entnehmen, dass die dargestellten Grössenverhältnisse der Abteile 11 und 12 nur für einen ganz bestimmten Fall gedacht sind und dass diese Grössenverhältnisse der beiden Abteile sehr wohl von der dargestellten Ausbildung abweichen können.
Die beiden Räume 11 und 12 der Verbrennungskammer 10 sind durch eine Teilwand 13 voneinander getrennt. Sie erstreckt sich quer durch die Kammer über den Zylinder, vermittelt jedoch die Verbindung zwischen denbeiden Räumen. H und 12 durch eine verengte Bohrung oder Öffnung 14. Die beiden Räume 11 und 12 stehen natürlich auch miteinander um den unteren Rand der Teilwand 13 herum in Verbindung.
Da jedoch dieser untere Rand oder die Kante der Teilwand in derselben Ebene liegt wie die Unterfläche des ganzen Zylinderkopfes, so ist einzusehen, dass bei Ankunft des Kolbens 15 in seiner oberen Totlage nur ein ganz geringer Querschnitt verbleibt, durch welchen hindurch die beiden Räume 11 und 12 miteinander in Verbindung stehen (Fig. 2). In gewissen Fällen kann es zweckmässig sein, eine Verbindung der beiden Räume miteinander um die Bodenkante der Teilwand 13 herum gänzlich abzuschliessen, wenn der Kolben die obere Totpunktlage erreicht. Es kann dann die Teilwand mit einem besonderen Abschlussglied versehen sein. Solche Abschlussglieder können beliebige Ausbildung haben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist als solches Abschlussglied ein Streifen oder Stab 16 aus verhältnismässig weichem Metall in den unteren Rand der Teilwand 13 eingebettet.
Dieser Streifen ragt aus der Unterfläche der Teilwand etwas heraus, um auf den Kolben einzugreifen, wenn der Kolben seine Höchstlage erreicht.
Der Streifen erstreckt sich im wesentlichen über die ganze Breite der Verbrennungskammer hin, und es ist zweckmässig, den Kolben bei 17 mit einer Kerbe zur Aufnahme des herausragenden Teiles des Streifens 16 zu versehen.
In jenen Fällen, in welchen die Brennstoffmischung in der Brennstoffkammer 10 entzündet wird, noch ehe der Kolben 15 seine obere Totpunktlage erreicht, wird natürlich ein bestimmter Druck auf jenen Teil der Brennstoffmischung ausgeübt werden, welcher sich im Raum 12 der Verbrennungskammer befindet. Dieser Druck wird durch die Verbrennung der Mischung in dem Raum 11 der Kammer erzeugt.
Dieser Druck wird jedoch nicht zu einem gefährlichen oder kritischen Druck, bis nahezu die ganze Brennstoffmasse in dem Raum 11 verzehrt worden ist, und da in diesem Zeitpunkt auch der Abschluss zwischen der Teilwand und dem Kolben zu einem ganz dichten Abschluss geworden ist, so ist es nur die enge Öffnung 14, welche die Verbindung zwischen den beiden Räumen 11 und 12 in diesem Augenblick herstellt. Da diese enge Öffnung nunmehr die einzige Verbindungsstelle zwischen den beiden Abteilen ist, so wird ihre Querschnittsgrösse von erheblicher Bedeutung. Dieser Querschnitt ist so gross gewählt, dass er wohl die Flamme aus dem Abteil 11 in das Abteil 12 übertreten lässt, jedoch den freien Durchgang der unter Druck befindlichen Gase aus dem einen Abteil ins andere verhindert.
Die Wahl einer entsprechend
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kleinen Öffnung einerseits und die grosse Geschwindigkeit der Fortpflanzung der Flamme anderseits verzögert wesentlich den freien Übergang der unter Druck befindlichen Gase aus dem erst zu verbrennenden Teil der Brennstoffmischung des Abteils 11 zu dem zuletzt zu verbrennenden Teil der Mischung in dem Abteil 12.
Die Brennstoffmischung in dem Abteil 11 der Kammer wird beim Druckhub des Kolbens 15 in bekannter Weise durch die Zündkerze 18 zur Entzündung gebracht, und die Beschickung in diesem Teil der Kammer ist im wesentlichen vollständig verbrannt, ehe diese Flamme die Brennstoffmisehung im Abteil 11 durch die enge Öffnung 14 hindurch entzünden kann. Während der Verbrennung der Brennstoffmischung im Abteil 11 erhöht sich der Druck in diesem Abteil. Infolge der geringen Flächenausdehnung der Verbindungsöffnung 14 und infolge der ganz kurzen Zeit, die für die Verbrennung des Brennstoffes im Abteil 11 verbraucht wird, wird die Geschwindigkeit, mit welcher die Beschickung im Abteil 12 durch die Spitze der Flamme komprimiert wird, beträchtlich verzögert.
Das Ergebnis ist, dass der Höehstdruck nicht erreicht wird, bis der Kolben sich bereits auf seinem Arbeitshub befindet, d. h. bis die Kurbel um eine wesentliche Bogenstreeke über die Totpunktlage hinaus fortgeschritten ist.
Diese Verzögerung in der Erreichung des Höchstdruckes, eine Verzögerung, die auf die Gegenwart der Teilwand 13 zurückzuführen ist, ist deutlich ersichtlich aus Fig. 4 an der Kurve C. Diese Kurve hat zwischen ihrem Ursprung bei D und dem höchsten von ihr erreichten Punkt G einen Knick, so dass sie sich von der im wesentlichen ununterbrochen ansteigenden Kurve B unterscheidet.
Nachdem die Grösse der Öffnung 14 bei dem Anstieg des Druckes im Abteil 12 der Verbrennungskammer im wesentlichen bestimmend ist, kann je nach der Wahl der Grösse dieser Öffnung auch die Geschwindigkeit des Anwachsens dieses Druckes verändert werden.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Verbrennungskammer ist man in der Lage, höhere Kompressionsverhältnisse zu wählen und ausserdem die Geschwindigkeit des Anwachsens des Druckes, bezogen auf die Umfangsgeschwindigkeit der Kurbel, zu überwachen, so dass im wesentlichen die gesamte Kraft, die man durch den höheren Kompressionsdruck erhält, tatsächlich ausgenutzt wird, den Wirkunggrad oder die Leistung der Maschine zu erhöhen.
Es sei noch hervorgehoben, dass infolge der Gestaltung des Abteiles 11 der Verbrennungskammer nach Fig. 1 und 2 eine ununterbrochene Zuströmung der Brennstoffmischung von dem Einlassventil 19 zum Zylinder der Maschine gewährleistet wird, wodurch die Füllungsbedingungen für den Zylinder entsprechend verbessert werden.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die im Zylinderkopf angeordnete Verbrennungskammer in zwei Räume (11, 12) unterteilt ist, die miteinander durch eine verengte Öffnung in Verbindung stehen, um die sofortige Übertragung eines in dem einen Raum (11) erzeugten Drucks auf den andern Raum (12) unmöglich zu machen, anderseits jedoch den Durchtritt der Zündflamme
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