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Brennkraftmasehine mit einem dem Zylinder teilweise vorgelagerten Verbrennungsraum.
Die Betriebsweise und der Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen hängt zum grossen Teil von der Überwachung der Verbrennung ab sowie von der Ausbildung der Verbrennungskammer, welch letztere gerade wieder für die Überwachung der Verbrennung in weitem Grad massgebend ist. Es geht daraus hervor, dass die Ausbildung der Verbrennungskammer von der grössten Wichtigkeit und von kritischer Bedeutung für die Erreichung des besten Wirkungsgrades ist.
Die vorliegende Erfindung verfolgt nun den Zweck, die bisher gebräuchlichen Verfahren der Ausprobierung verschiedener Formen von Verbrennungskammern durch ein Verfahren zu ersetzen, in welchem die den Wirkungsgrad bestimmenden Ausmessungen dieser Kammern vorausberechnet werden, u. zw. stützt sich diese Berechnung ihrerseits auf Hauptabmessungen der Brennkraftmaschine, die selbst wieder die Verbrennung wesentlich beeinflussen müssen. Die Erfindung bezieht sich demnach auf eine neuartige Verbrennungskammer, in welcher die Beziehungen der verschiedenen Kammerteile, die die Verbrennung beeinflussen, mit Bezug auf andre Teile der Kraftmaschine so abgemessen sind, dass dadurch die weitgehendste Überwachung der Verbrennung ermöglicht wird.
Gemäss der Erfindung werden diese Merkmale und Massgrössen, welche die Verbrennung in der Kammer überwachen, rechnerisch aus jenen Abmessungen der Kraftmaschine abgeleitet, welche erfahrungsgemäss die Verbrennung beeinflussen.
An Hand der Zeichnung wird die Ausbildung der Verbrennungskammer weiter erläutert : Fig. 1 ist eine Teildraufsicht auf einen Zylinderklotz, dessen Zylinderabschluss entfernt worden ist ; Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht durch die Achse einer Zylinderbohrung mit dem Abschlussstück für den Zylinder in Betriebsstellung ; Fig. 3 ist eine Draufsicht von unten auf eine Verbrennungskammer, welche gemäss der Erfindung ausgebildet ist, zur Darstellung der Beziehungen zwischen dem Zylinderdurchmesser, den Einlass-und Auslassventilen und der Form der Verbrennungskammer ;
Fig. 4 ist ein schematischer Schnitt durch den Zylinder einer Brennkraftmaschine mit dem Kolbenantrieb und der Verbrennungskammer für den Zylinder, und Fig. 5 stellt schematisch den Zusammenhang zwischen dem Anwachsen des Druckes und der Ausbildung der Verbrennungskammer für einen Arbeitsvorgang dar.
Nach Fig. 1 und 2 ist der Zylinderklotz 10 oben durch ein Deckelstück 11 abgeschlossen, wobei, wie gewöhnlich, eine Abdichtung 12 zwischen diese Teile eingelegt ist. In dem Klotz 10 befindet sich mindestens eine Zylinderbohrung 13, in der der Kolben 14 hin-und herbewegt wird. In diesem Klotz befindet sich neben jeder Zylinderbohrung eine Einlassöffnung 15 für die Brennstoffmischung und eine Auslassöffnung 16 für die Verbrennungsgase. Nach Fig. 4 wird der Kolben 14 in dieser Bohrung 13 durch eine Kolbenstange 19 hin-und herbewegt, wobei das obere Ende dieser Kolbenstange an den Kolben und das untere Ende an eine Kurbel 20 angeschlossen ist, deren Länge genügend gross ist, um dem Kolben einen Hub von der Länge S (Fig. 4 und 5) zu erteilen.
Wie in andern Kraftmaschine werden die Einund Auslassöffnungen 15, 16 durch Ventile 17 bzw. 18 überwacht. Nach Fig. 2 liegen die oberen Abschlussebenen der Köpfe dieser Ventile in einem Winkel zur oberen Abschlussfläche des Zylindersklotzes, und sie legen sich gegen entsprechend schräggestellte Ventilsitze der Auslassöffnungen 15 und 16 an, wenn sie sich im Schlusszustand befinden. Das Abschlussstück 11 für den Zylinderklotz ist auf seiner Unterfläche mit einer Aushöhlung 21 versehen, welche als Verbrennungskammer dient und welche die Verbindung zwischen den Ein- und Auslassöffnungen 15, 16 und der Zylinderbohrung 13 vermittelt.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass bestimmte Abmessungen oder Betriebsfaktoren der Kraftmaschine einen unmittelbaren Einfluss auf die Verbrennung der Brennstoffmischung in der Kammer 21 ausüben und dass demnach die Ausbildung dieser Verbrennungskammer in Abhängigkeit von diesen
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Abmessungen oder Charakteristiken gewählt werden muss, wenn es sieh darum handelt, die Verbrennung genau zu überwachen, um den höchsten Wirkungsgrad zu erreichen.
Die Verbrennungszeit ist natürlich abhängig von der wirksamen Länge L der Verbrennungskammer 21 (Fig. 3), und diese Länge steht demnach hier in einem bestimmten rechnerischen Zusammenhang mit dem Hub S der Brennkraftmaschine. Dieser Zusammenhang ergibt sich aus der Gleichung
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1-5 und 1'55 stellen dabei Konstanten dar. Dadurch, dass die wirksame Länge L der Verbrennungskammer in Beziehung zum Hub S der Kraftmaschine gebracht wird, erreicht man, dass die Fortpflanzung der Flamme in einem bestimmten zeitlichen Zusammenhang mit der Bewegung des Kolbens gehalten wird.
Dieser Zusammenhang ist natürlich sehr wünschenswert, da dadurch der Höchstwirkungsgrad für die Verbrennung bedingt wird. Es geht ferner aus der obigen Festlegung der Länge L hervor, dass die Stelle, an welcher sich die Zündkerze in der Kammer 21 befindet, von Wichtigkeit für die Bestimmung der Verbrennungszeit ist, und wenn auch die Verlegung der Zündkerze an eine bestimmte Stelle je nach der zu erreichenden Wirkung etwas schwanken kann, so hat man doch gefunden, dass eine äusserst günstige Lage für die Zündkerze die Lage in der Verbindungslinie der Achsen der beiden Ventilöffnungen ist, u. zw. in grösserer Entfernung von der Achse des Einlassventils als von der des Auslassventils. Die Zündstelle hat also eine Entfernung- von ungefähr 70% von der Achse des Einlassventils, gemessen mit Bezug auf den Abstand der beiden Ventile voneinander.
Die Überwachung des Verbrennungsvorganges in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens allein ist jedoch nicht genügend zur Erreichung der besten Bedingungen, denn der Füllungsgrad der Kammer und die Druckerhöhung, gemessen auf je einen Einheitsbogen (Grad) der Kurbeldrehung, hängen ebenfalls innig mit der Verbrennungszeit in jedem Arbeitszyklus zusammen. Die besten Füllungseigenschaften und die günstigste Druckerhöhung für jeden Bogengrad des Weges des Kurbelzapfens werden in-der Verbrennungskammer 21 dadurch zum Ausdruck gebracht, dass man die kritischen Stellen oder Zonen der Kammer unter Bezugnahme auf die Raumverdrängung des Kolbens im Zylinder bestimmt.
Es sei hier hervorgehoben, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Brennstoffmischung in die Kammer 21 hinein zum grossen Teil von der Fläche des Einlassventils bzw. seiner Öffnungsweise abhängt.
Um nun den Eintritt einer genügend grossen Menge der Brennstoffmischung durch diese Einlassöffnung derartig zu verbürgen, dass die Zylinderbohrung in dem gewünschten Mass gefüllt wird, muss die Fläche dieser Einlassöffnung mit Bezug auf die Kolbenverdrängung bestimmt werden. Aber selbst eine genaue Bestimmung der Fläche der Einlassöffnung des Ventils mit Bezug auf die Kolbenverdrängung in der Zylinderbohrung bietet nicht unbedingt Gewähr für die vollständige Füllung dieser Zylinderbohrung, da ja doch gewisse Merkmale der Verbrennungskammer selbst. auch einen Einfluss auf die Strömung der Brennstoffmischung von dieser Einlassöffnung nach der Zylinderbohrung hin ausüben.
Einen derartig bestimmenden Einfluss übt beispielsweise die Überströmzone A der Kammer 21 aus, in welcher die Brennstoffmischung in den Zylinder eintritt. Der Flächeninhalt dieser Querschnittsstelle A muss ebenfalls in Übereinstimmung mit der Fläche der Einlassöffnung oder aber mit der Kolbenverdrängung
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tialen Zone zur Zylinderbohrung andeutet und D die Verdrängung im Zylinder. Gerade diese Zonen oder Querschnittstellen werden also von kritischer Bedeutung für die Ausbildung der Kammer, und da- durch, dass man diese Flächengrösse in eine bestimmte Beziehung zur Verdrängung im Zylinder bringt, wird die Überwachung der Geschwindigkeit der Strömung ermöglicht und damit auch die günstigste Füllung für den Zylinder.
Die Grösse der horizontalen Einströmfläche K am Füllungsende des Zylinders 13 ist ebenfalls
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inhalt der Kammer 21 wird in Abhängigkeit von jenem Kompressionsverhältnis des Brennstoffgemisches gewählt, für welches die Maschine bestimmt ist. Der Rauminhalt des über dem Zylinder 13 liegenden Teiles 22 der Kammer 21 ist zweckmässig 30-35% des Gesamtrauminhaltes, da man durch Erfahrung gefunden hat, dass gerade diese Verteilung des Rauminhaltes die weitgehendste Überwachung der Druckerhöhung auf jede Längeneinheit des Weges des Kurbelzapfens zulässt.
In Fig. 4 ist schematisch diese Druckerhöhung mit Bezug auf die Verbrennungskammer 21 eingetragen, und es geht gerade aus dieser Figur hervor, dass infolge der prozentualen Verteilung der beiden Kammerräume 22, 23, aus welchen sich die Kammer 21 zusammensetzt, der Höchstdruck erreicht wird, nachdem der Kurbelzapfen bis zu einem bestimmten Winkel über die obere Totlage hinaus vorgeschritten ist. Es ist dies natürlich eine wünschenswerte Anordnung, denn das auf die Kurbelwelle einwirkende Drehmoment vergrössert sich ja in dem Verhältnis, in welchem der Angriffswinkel des Höchstdruckes nach Überschreiten des Totpunktes vergrössert wird.
Im Zusatz zu den hier erwähnten Bedingungen, aus welchen die Gestalt, Verlegung und Rauminhalt der Verbrennungskammer 21 abgeleitet wird, sind noch andere Umstände vorhanden, die die Füllung oder die Durchströmung der Verbrennungskammer beeinflussen. Diese zusätzlichen Umstände müssen ebenfalls sorgfältig mitberücksichtigt werden, wenn es sich darum handelt, den höchstmöglichen volumetrischen Wirkungsgrad zu erzielen.
Dazu gehört beispielsweise die Tatsache, dass die Wand 25 der Verbrennungskammer (Fig. 3) sich im wesentlichen in einer Geraden von einer Stelle in der Nähe der Einlassöffnung in Richtung gegen den Zylinder hin erstreckt. Dabei ist diese gerade Wand so verlegt, dass kein Teil der Wand nach innen hin in jenen Pfad hineinragt, welchen die Brennstoffmischung von der Einlassöffnung 15 aus bis zum Zylinder hin zu durchwandern hat. Es wird also der Einströmung der Brennstoffmischung in den Zylinder nicht etwa durch die Verbrennungskammer irgendwie ein Hindernis entgegengestellt.
In einer Brennkraftmaschine, in welcher die Ventile in einem Winkel zur oberen Abschlussebene des Zylinders verlegt sind, ist der Winkel J zwischen der Ventilebene und der oberen Begrenzungsebene oder Decke 26 der Verbrennungskammer ebenfalls so gewählt, dass die Brennstoffmischung ungehindert in dieser Kammer 21 auch von jener Seite des Einlassventils strömen kann, die sich am weitesten weg von dem Zylinder befindet. Aus einer Reihe von Prüfungen hat sich ergeben, dass ein Winkel von 10 zwischen der Deckenebene 26 der Verbrennungskammer und der Ventilebene genügt, um zufriedenstellende Resultate zu liefern.
Der Winkel zwischen der Oberfläche des Auslassventils und dem darüberliegenden Teil der Deckenebene der Verbrennungskammer 21 ist zweckmässig der gleiche Winkel, wodurch die Ausfegung der Gase aus der Verbrennungskammer bzw. dem Zylinder begünstigt wird.
Nach Fig. 3 ist zwischen dem äusseren Rand des Einlassventils 15 und der Begrenzungswand für die Verbrennungskammer 21 ein Spielraum 111. gelassen. Die Grösse dieses Spielraumes beeinflusst die Strömung der Brennstoffmischung an jenen Seiten des Ventils, die dem Zylinder 13 abgekehrt sind.
Dieser Spielraum schwankt je nach dem Durchmesser des Einlassventils, und die Versuchsreihe hat auch hier ergeben, dass ein Spielraum, dessen Breite annähernd ein Zehntel des Durchmessers des Ventils beträgt, vorteilhaft ist. Der Spielraum um den Rand des Auslassventils 16 ist zweckmässig etwas kleiner als der Spielraum um den Rand des Einlassventils, ohne dass die Ausfegung der verbrauchten Gase durch dieses Austrittsventil ungünstiger würde. Bei den meisten Maschinen hat immerhin das Auslassventil einen etwas kleineren Durchmesser als das Einströmventil.
Um an einem Beispiel zahlenmässig die Durchführung des Verfahrens zur Berechnung einer Verbrennungskammer für eine bestimmte Kraftmaschine zu erläutern, sei angenommen, dass das Kompressionsverhältnis der Maschine 6-3 : 1 sein soll und dass die Kraftmaschine bei einem Zylinderdurchmesser von 76 mm und einem Hub von 100 mm eine Kolbenverdrängung von 492 cm3 aufweist. Es sind also diese Merkmale der Kraftmaschine bekannt, und aus ihnen können nun die Abmessungen jener Verbrennungskammer abgeleitet werden, durch welche die Strömung der Brennstoffmischung und die Verbrennung
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daraus ohne weiteres die wirksame Länge, welche die Verbrennungskammer haben soll, nämlich ungefähr 68 mm. Für einen Hub von 100 mm wird der kleinere Wert der Konstanten vorgezogen.
Die Zone der Verbrennungskammer, welche dem Einlass oder oberen Ende des Zylinders gegen- über liegt, wird aus jener Gleichung erhalten, in welcher die Raumverdrängung des Zylinders, in Kubikzentimetern gemessen, als grundlegender Wert erscheint. Auch hier sei beispielsweise der untere Grenzwert der in diese Formel eintretenden Konstanten gewählt, woraus sich ergibt, dass bei einer Raumverdrängung von 492 emS und bei einer Konstantenwahl von 45 der Querschnitt in der der Zylinder- öffnung gegenüberliegenden Zone der Verbrennungskammer ungefähr 10'9 c2 beträgt. Die Querschnittsfläche der Verbrennungskammer an der Zylinderbohrung selbst bestimmt sich aus einer Teilung des Verdrängungsraumes des Zylinders, nämlich 492 cm", in eine Konstante, deren Wert zwischen 47 und 48
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schwankt.
Da die hier in Frage kommende Verbrennungsmaschine einen verhältnismässig kleinen Hub hat, so wird der kleinere Konstantenwert vorgezogen, woraus sich ergibt, dass die Verbrennungskammer an der Bohrung des Zylinders 13 eine Querschnittsfläche von ungefähr 10-3 em2 aufweist.
Wenn man einmal diese Grenzwerte für bestimmte Abmessungen der Verbrennungskammer erhalten hat, so ergibt sich dann die Gestalt dieser Kammer im wesentlichen aus den übrigen Faktoren, nämlich aus dem Abstand zwischen den Achsen der beiden Ventile einerseits und der Beziehung dieser Ventile zur Bohrung des Zylinders.
Im allgemeinen muss bei der Wahl der Gestalt dieser Kammer darauf Rücksicht genommen werden, dass die an dem Einlassventil vorbeigehende Wand der Kammer 21 im wesentlichen gerade verläuft, wodurch die Strömung des Brennstoffgemisches von der Einlassöffnung nach dem Zylinder nicht beeinträchtigt wird. Ausserdem muss auch darauf Rücksicht genommen werden, dass um diese Ventile herum Spielraum in genügender Grösse verbleibt, wie oben erwähnt, und dass der Winkel zwischen der Ebene der Ventile und der oberen Abschlussfläche der Kammer eine Grösse von ungefähr 10 hat, wie früher erläutert wurde.
Man erhält auf diese Weise als Gesamtrauminhalt der Verbrennungskammer für den hier in Frage kommenden Motor einen Raum von ungefähr 33 em3. Dieser Raum ist nunmehr so bestimmt, dass er die Kompression 6'B : 1, die verlangt ist, zulässt. Ausserdem wird bei der Gestaltung der Kammer die Verlegung so angenommen, dass ungefähr 30 oder 35% des Gesamtvolumens der Kammer über der Zylinderbohrung liegen, wodurch verbürgt wird, dass für jeden Gradbogen, welchen der Kurbelzapfen durchwandert, die richtige Druckerhöhung auch stattfindet.
In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde besonders auf die Wahl bestimmter Konstanten Wert gelegt, wenn es sich darum handelt, eine Verbrennungskammer zu erhalten, welche die Regelung der Verbrennung in dem höchsten Grade möglich macht. Es muss jedoch im Auge behalten werden, dass diese Konstanten unter verschiedenen Umständen verschieden gewählt werden können. Es hängt die Wahl der Konstanten von dem Brennstoff ab, der benutzt werden soll. Die Werte der obigen Formeln begründen sich auf der Benutzung eines Brennstoffes von ungefähr 70% Octanbewertung, vorausgesetzt, dass die Druckänderung in dem gegebenen Verhältnis 6-3 : 1 liegt.
Wird ein Brennstoff verwendet, welcher eine höhere Brennbewertung als 70 Oetanprozent aufweist, so muss die wirksame Länge der Verbrennungskammer kürzer gemacht werden, damit die bestmögliche Regelung der Verbrennung verbürgt wird, denn ein derartiger Brennstoff brennt langsamer als 70% Octanbrennstoff, für welchen die obengenannten Konstanten gewählt wurden.
Diese Regel wird wahrscheinlich dann leichter verständlich, wenn man in Betracht zieht, dass trotz der Änderung der Verbrennungszeit, proportional zu Schwankungen in der Geschwindigkeit des Kurbelzapfens, diese Verbrennungszeiten für jeden Einheitsbogen der Kurbelzapfenwanderung konstant bleiben, und demnach muss auch der Brennwert des Brennstoffes als von kritischer Bedeutung für die Erreichung der gewünschten Druckerhöhungsmerkmale erachtetwerden.
Es ergibt sich dies aus einer Betrachtung der Fig. 5. In dieser Figur bedeutet die Kurve 60 die Druckerhöhung in einem Motor von verhältnismässig hoher Geschwindigkeit mit einer Drucksteigerung von 6'3 : 1 bei Benutzung von 70% oetanwertigem Benzin. Die Kurve 61 zeigt die Druckerhöhung für denselben Motor, wenn er bei verhältnismässig geringer Geschwindigkeit arbeitet. Aus einer Betrachtung der beiden Kurven 60 und 61 ergibt sich, dass der Höchstdruck bei der kleineren Geschwindigkeit erreicht wird, erst wenn der Kurbelzapfen über den Totpunkt hinaus eine grössere Bogenstrecke fortgeschritten ist als in der Kurve 60, die der hohen Geschwindigkeit des Motors entspricht.
Wird also ein Brennstoff verwendet, der langsamer brennt oder, in andern Worten, wird die Octanbewertung des Brennstoffes erhöht, so muss dementsprechend die Verbrennungszeit und also auch die wirksame Länge L der Verbrennungskammer 21 verkürzt werden, damit man dieselbe Beziehung zwischen den Höchstwerten des Druckes und dem toten Punkt der Kurbel erhält, wie bei einer rascher brennenden Brennstoffmischung. Wird anderseits die Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffgemisches erhöht, wie dies durch Erhöhung des Druckes über das Verhältnis von 6'3 : 1 hinaus geschehen kann, so muss die wirksame Länge L der Kammer 21 vergrössert werden, damit man die gewünschte Beziehung zwischen den Höchstpunkten des Druckes und der oberen Totpunktlage der Kurbel aufrechterhalten kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Brennkraftmaschine mit einem dem Zylinder teilweise vorgelagerten Verbrennungsraum, da-
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