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Zündkammer zur Selbstzündung von Brennstoffluftgemischen
Die Erfindung betrifft eine Zündkammer zur Selbstzündung von Brennstoffluftgemischen in Brenn- kraftmaschine, die über eine Düse mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht und deren Durchmes- ser grösser ist als der Düsendurchmesser und deren Länge grösser als deren Durchmesser ist.
Es ist bekannt, dass sich Brennstoffe mit sehr niedriger Selbstzündteinperatur bei sehr hoher Verdich- tung im Brennraum selbst zünden und dass diese Selbstzündung zum Betrieb von Verbreimungskraftmaschi- nen verwendet wird. Weiterhin ist bekannt ein Zünden von Brenngemischen vermittels Niederspannungs-
Abreisszündung oder Hochspannungsziliidung. der sogenannten Kerzenzündung, durchzuführen. Eine wei- tere bekannte Zündart ist bekanntlich die Verwendung des Glührohres, bei welchem durch äusserliche Erhitzen ein Wandungsteil zum Glühen gebracht wird und das brennbare Gemisch an diesem Wandungsteil zündet. Diese Zündungsart wurde noch dahingehend abgeändert, dass im sogenannten Glührohr heisse Mit- teldorne angebracht wurden.
Die bisher bekannten Zündvorrichtungen weisen unter anderem folgende Nachteile auf. Bei der
Selbstzündung können nur Brennstoffe mit niedriger Selbstzündtemperatur unter Verwendung einer hohen Verdichtung benutzt werden. Die Zündung setzt praktisch gleichzeitig im ganzen Brennraum ein, und ein harter Motorlauf ist die Folge. Der Zündzeitpunkt ist wegen der erforderlichen Entwicklung des wirksamen
Druckes nicht steuerbar und verschiebt sich oft willkürlich von einem günstigen auf einen unzulässigen späten oder frühen Wert. Die weit verbreitete elektrische Zündung bringt einen grossen Bedarf an Zubehörteilen mit sich. Dabei müssen diese Zubehörteile vielseitige Bedingungen erfüllen und bedürfen einer Wartung. Die Zündkerzen können im Brennraum, da sie von aussen zugängig sein müssen, nicht beliebig angeordnet sein.
Bei der Glührohrzündung oder ähnlichen Zündvorrichtungen erfolgt die Zündung an einem hochtemperierten Metallteil. Diese Entzündung dauert aber viel zu lange und war bisher nur wenig steuerbar, so dass keine befriedigenden Ergebnisse erzielt werden konnten.
Gemäss der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, die gegenüber den bisher bekannten Zündvorrichtungen eine vorteilhafte Wirkungsweise hat. Erfindungsgemäss beträgt der Durchmesser der Düse etwa 1/3 bis 2/3 des Durchmessers des anschliessenden Kammerraumes.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Wandung der Kammer im Anschluss an die Düse eine geringere Stärke aufweist als im hinteren Teil der Kammer. Vorteilhafterweise kann die Kammerwandung im Anschluss an die Düse eine Einschnürung aufweisen.
Erfindungsgemäss kann die Kammer als glattes, hinten abgeschlossenes Röhrchen ausgebildet sein. Es kann zweckmässig sein, dass die Kammer in ihrem hinteren Teil in mehrere Einzelkammern unterteilt ist.
Die erfindungsgemässe Zündvorrichtung, bestehend aus Kammer und Düse kann von aussen in die Wandung des Brennraumes oder von innen in eine entsprechende Ausbohrung eingesetzt sein, wobei die Kammer die Wandung des Brennraumes nicht berührt. Falls die Kammer von aussen eingesetzt ist, kann diese zweckmässigerweise durch eine oder mehrere Schutzkappen abgedeckt sein.
Gemäss weiterer Erfindung kann die Kammer Teil eines stromführenden Leitersystems sein. Zweckmässigerweise können die Stromzuführungsleitung oder die Kammer oder beide Teile in ihrer Längsrichtung wärmeausdehmmgsfähig, beispielsweise gefaltet, gewellt oder gewendelt sein. Vorteilhafterweise kann die Kammerwandung an einer oder mehreren Stellen balgartig gefaltet sein.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass an einer oder mehreren Stellen zwischen den die Kammerwandung umgebenden Wandungsteilen und der Kammerwandung enge Ringspalte gebildet werden. Gemäss weiterer Erfindung können innerhalb der Kammer zur Erhöhung der Zündfreudigkeit eine oder mehrere
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Blenden eingebaut sein, die etwa in der Mitte des wirksamen Kammervolumens liegen. Zweckmässigerweise können die Blende oder die Blenden zwischen der Kammer und den sich an diese anschliessenden Einzelkammern liegen. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die hinter der Blende liegenden Einzelkammem konzentrisch um die Kammer herum liegen und untereinander über einen Sammelraum verbunden sind. Gemäss weiterer Erfindung können eine oder mehrere Einzelkammern in Wärmekontakt wenigstens mit einer weiteren an den Brennraum angeschlossenen Kammer stehen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, eine mit einem stromführenden Leitersystem verbundene Kammer mit einem stromlos arbeitenden Kammersystem zu kombinieren.
Weitere Merkmale der Erfindung sollen an Hand der Figuren der Zeichnung beschrieben werden, die schematischAusführungsbeispiele der Erfindung darstellen. Es zeigen : Fig. 1 einen Schnitt durch eine einfache Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2,3 und 4 eine besondere Ausführungsform der Kammerwan-
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mit elektrischer Stromzuführung, Fig. 7 und 8 besondere Kammerformen mit elektrischer Stromzuführung,
Fig. 9 die Anordnung einer Kammer in einer Sackbohrung des Brennraumes, Fig. 10 die Anbringung einer
Kammer am Brennraum von aussen, Fig. 11 die Ausbildung von Ringspalten um die Kammerwandung, wobei der obere Teil der Fig. 11 den Fall darstellt, bei der die Kammer in eine Bohrung von innen eingesetzt ist, und der untere Teil den Fall des Einsetzens in den Brennraum von aussen, Fig. 12 und 13 ein besonderes elektrisches Leitersystem für die Kammer, Fig.
14 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, Fig. 15 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer von einer Heizkammer beheizten Zündkammer und Fig. 16 eine erfindungsgemässe Ausführungsform mit Anfahrzündkammer, Zündkammer und Heizkammer.
An Hand der Fig. 1 soll der Betrieb der Kammer 3 näher erläutert werden. Es sei angenommen, dass im Brennraum 1, welcher beispielsweise der Zylinder einer Viertaktverbrennungskraftmaschine sein kann, eine periodische Verbrennung im Gange ist. In der Kammer 3 ist nach einer Arbeitsphase eine geringe Menge von zündbefähigtem Gas gespeichert. Während des Verdichtungstaktes im Brennraum 1 dringt durch die Düse 2 etwas Frischgemisch in die Kammer ein und entflammt sich am dort vorhandenen zündbefähigten Gas. Die Strecke vom Düseneingang bis zum effektiven Zündort in der Kammer 3, gemessen am mittleren Stromfaden des einströmenden Frischgasstrahles, ist als sogenannte Mindestbrennstrecke wenigstens so gross gehalten, dass auch dann die Zündflamme nicht zurückschlägt, wenn die Einströmgeschwindigkeit sehr gering ist, beim Motor z.
B. bei niedrigen Drehzahlen. Die Zündfront läuft also nicht entgegen der Einströmbewegung zum Düseneingang und von dort in den Brennraum 1, ehe sich nicht durch den Zündvorgang in der Kammer selbst ein Innendruck ausgebildet hat, der den Verdichtungsdruck im Brennraum 1 überwindet, wodurch das Einströmen von Frischgemisch zum Stillstand kommt. Hat das ursprüngliche Druckgefälle vom Brennraum 1 zur Kammer 3 seine Umkehrung erfahren, so dringt das brennende Gas durch die Düse 2 in den Brennraum 1 und zündet dort das brennbare Gemisch.
Die Düse 2 hat die Wirkung, dass beim Verdichten des Brenngemisches im Brennraum 1 der Druck in der Kammer 3 in gedämpfter Weise dem Druck im Brennraum 1 nacheilt. Erfolgt in der Kammer 3 eine Zündung bei einer bestimmten Kolbenstellung, so baut sich auf den hinter dem Brennraumdruck nacheilenden Kammerdruck der innere Zünddruck auf. Je höher die Kammertemperatur ist, um so früher bezüglich der Verdichtungsphase beginnt dieser Druckaufbau. Eine Zündung kann aber nur dann erfolgen, wenn aus der Kammer 3 über die Düse 2 brennendes Gas in den Brennraum 1 tritt, d. h., wenn der Druck in der Kammer 3 grösser ist als der Druck im Brennraum 1. Es hat sich gezeigt, dass durch eine Variation des Düsendurchmessers unter Voraussetzung gleicher thermischer Bedingungen, eine Verschiebung des Zündzeitpunkte erreicht werden kann.
Vergrössert man den Durchmesser der Düse 2, so entsteht eine Tendenz zur Frühzündung bzw. zu früherer Zündung, verringert man den Durchmesser, so entsteht eine Tendenz zu späterer Zündung. Es sei noch darauf hingewiesen, dass der Durchmesser der Düse ebenfalls bei der Aufheizung der Kammer beim in Fig. 1 dargestellten Beispiel eine Rolle spielt. Bei einer mittleren Düsenweite, Durchmesser etwa 1/2 des Kammerdurchmessers, können optimale Aufheizeffekte erzielt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Zündung an einer Gasfront erfolgt. Dieser Zündvorgang läuft mit grösster Geschwindigkeit ohne die geringste Verzögerung ab. Es hat sich gezeigt, dass im allgemeinen eine längliche Bauform eine grosse Zündfreudigkeit aufweist.
Es soll nun der Anbrennvorgang in der Kammer 3 beschrieben werden. Beim Anlaufen des Betriebes in der Brennkammer 1 ist die Kammer 3 noch kalt und nicht anbrennfähig. Beim Verdichten strömt durch die Düse 2 Frischgemisch ein. Wird nun von einer beliebigen fremden Stelle der Brennraum 1 gezündet, so tritt der im Vorstehenden beschriebene Vorgang auf, d. h., die Kammer ist für den Brennraum 1 zünd- fähig geworden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine besonders günstige und schnelle erste Zündung durch eine bessere Selbstbeheizung der Kammer zu erzielen. Eine die Selbstbeheizung begünstigende Massnahme besteht darin, dass, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, die Wandung 4 der Kammer 3, u. zw. am Kammer- fuss 5, vom Düsenkörper ausgehend bis etwa zur Kammermitte hin, recht schwachwandig ausgeführt wird.
Erfahrungsgemäss liegt etwa in der Kammermitte beim Einsetzen der Zündung die heisseste Zone. Diese heisse Zone wandert, nebenbei bemerkt, wenn die Vorgänge im Brennraum 1 sich dem Vollastbetrieb nähern, nach links zur Düse 2 hin. Beim Zündvorgang selbst wird nun der Wärmefluss durch den Wan- dungsteil 5 der Kammer 3 gedrosselt. Die Hauptwärme, die in der Kammer 3 sich entwickelt, verbleibt im Wandungsteil 4 und damit in der Kammer selbst, wodurch die Kammer eine bessere Selbstbeheizung aufweist. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kammer 3 und der Düsenkörper 8 voneinander getrennt hergestellt, während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 der Düsenkörper 8 und die
Kammer 3 ein Ganzes bilden. Hiebei ist die Kammer 3 am hinteren Ende durch eine Abdeckplatte 3a ab- geschlossen.
Es kann manchmal zweckmässig sein, dafür zu sorgen, dass sich die Kammer 3 beim Vollastbetrieb nicht allzu sehr aufheizt, um deren thermische Belastung herabzusetzen. Das Herabsetzen der thermi- schen Belastung der Kammer 3 kann dadurch erfolgen, dass man den Umsatz in der Kammer 3 herabsetzt.
Dies geschieht so, dass man die Zündfront ziemlich dicht an den Kammerausgang heranlegt. Beim in
Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist unmittelbar an den Düsenkörper 8 in der Kammerwandung 4 eine Einschnürung 7 vorgesehen. Die Brennzone wandert nach dem Zünden sofort nach links zur Einschnürung, welche ein steiles Temperaturgefälle aufweist. Die daraus resultierende geringe Füllung der
Kammer 3 führt zu einer geringen thermischen Belastung.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Kammer 3 am hinteren Ende in mehrere Einzelbohrungen 6 aufgeteilt ist. Auf diese Weise wird einer groben Durchwirbelung und Vermischung von Frisch- und Brenngas entgegengearbeitet. Es ergibt sich bei dieser Bauform im allgemeinen eine Senkung der-Mindesttemperatur für die Anbrenn- bzw. Zündfähigkeit der Kammer. Der hiebei erzielte Effekt wird bekanntlich allgemein als Katalyse der Konfiguration bezeichnet.
Die Kammer 3 kann, wie in Fig. 6 dargestellt, mit ihrer Wandung 4 Teil eines stromführenden Leitersystems sein. Der Strom wird über eine Leitung 10 zugeführt. Der andere Pol der Stromleitung kann in bekannter Weise an Masse liegen. Durch Variation der Stromzuführung kann die Temperatur in der Kammer 3 variabel gestaltet werden. In der Kammer 3 kann eine derartige Temperatur durch die Stromzuführung erzeugt werden, dass die Kammer 3 sofort als Zündkammer verwendet werden kann. Es ist keinerlei fremde Zündung des Brennraumes 1 mehr erforderlich. Nachdem der Verbrennungsvorgang läuft, kann, falls gewünscht, der Strom abgeschaltet werden, da die Kammer, wie bereits ausgeführt, sich selbst aufheizt.
Es kann aber auch durch weitere Stromzuführung eine Veränderung der'Zündcharakteristik, d. h., eine Verschiebung des Zündzeitpunkte bezüglich des oberen Totpunktes des Kolbens erfolgen.
In den Fig. 7 und 8 sind strombeschickte Zündkammem dargestellt. Die Zuleitungen 10 können zu einer nachgiebigen Schleife gelegt sein, um bei thermischer Ausdehnung nicht zu reissen. Es kann aber auch, wie in Fig. 7 dargestellt, die Kammer 3 mit einer Querwellung versehen sein, um einen elastischen Ausgleich bei thermischer Beanspruchung zu gewährleisten. Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform weist eine Kammer 3 auf, deren Kammerwandung bei 11 balgartig gefaltet ist. Es ist möglich, hiedurch den Widerstand an gewünschten Stellen zu erhöhen, wodurch der Stromdurchgang selbst herabgesetzt und die angelegte Spannung erhöht werden kann. Weiterhin kann mit dieser Kammer 3 die Stelle eines Temperatursprunges genau festgelegt werden, woraus sich ganz bestimmte Betriebsweisen ergeben, die auf diese Art und Weise eingestellt werden können.
Wie bereits ausgeführt, kann die Kammer 3 von innen in die Wandung 9 des Brennraumes 1 eingesetzt werden, beispielsweise in eine entsprechende Bohrung 12. Die erfindungsgemässe Brennkammer bietet den Vorteil, dass sie an Orten untergebracht werden kann, wo die bisher bekannten Zündmittel wegen der Bedingung, dass sie von aussen zugängig sein müssen, nicht untergebracht werden konnten. Die Zündkammer 3 ist praktisch wartungsfrei. Es kann aber auch zweckmässig sein, die Zündkammer 3 von aussen in die Wandung 9 des Brennraumes 1 einzusetzen, beispielsweise einzuschrauben. Die Kammer 3 ist hiebei nach aussen von Schutzkappen 13 abgedeckt. Bei allen Einbauformen muss lediglich darauf geachtet werden, dass der Düsenkörper 8 einen guten Wärmekontakt zur Wandung 9 erhält.
Um die Kammer thermisch nicht allzu hoch zu belasten, kann es zweckmässig sein, wie in Fig. 11 dargestellt, eine Wärmeabfuhr von der Kammer vorzusehen. Diese Wärmeabfuhr hat den Zweck, bei Vollast eine allzu grosse thermische Belastung der Kammer 3 zu verhüten. Hiefür reicht vom vollen Material der Wandung 9 oder vom vollen Material der kühl gehaltenen Schutzkappe 13 eine konzentrische
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Kühlrippe an die Kammer heran und umschliesst diese beispielsweise an der Stelle grösster Wärmeent- wicklung oder an sonst einer entsprechenden Wandzone. Zwischen Kammer und Rippe verbleibt ein Ring- spalt 14, der um so kleiner wird und eine um so bessere Wärmeableitung gewährleistet, je mehr die Kam- mer infolge der Wärmeausdehnung ihren Durchmesser vergrössert.
In den Fig. 12 und 13 sind strombeschickte Kammern 3 dargestellt. In Fig. 12 ist die Kammer 3 am
Düsenkörper 8 aufgebördelt und mittels Flanschring 15 gegen den Düsenkörper gepresst. Der Kontaktstift 10 der Kammer 3 ist in einen weiteren Kontakt 16 eingesetzt. Die dargestellte Ausführungsform ist einpolig.
Die Ausführungsform, die in Fig. 13 dargestellt ist, ist zweipolig, da hier die Stromrückführung über das
Leiterelement 17 erfolgt. Es ist selbstverständlich, dass bei beiden Vorrichtungen entsprechende Isolierun- gen vorgesehen sind.
Gemäss weiterer Erfindung ist es möglich, die Zündfreudigkeit der Kammern bei kleinen Motorlasten zu bessern, u. zw. hiedurch, dass einmal die Mindesttemperatur für die Zündfähigkeit der Kammer herab- gesenkt wird und dass schon mit geringsten Motorlasten diese Mindesttemperatur erreicht wird, wobei wei- terhin die zündfreudige Kammer bei grösseren Motorlasten geschont wird, indem ganz allgemein die Ab- hängigkeit der Kammertemperatur von der Motorlast herabgesetzt wird und insbesondere die Zone grösster
Energieentwicklung innerhalb der Kammer mit zunehmender Kammertemperatur immer weiter von den am meisten gefährdeten zündfreudigen Kammerpartien fortgeführt wird.
In Fig. 14 ist ein doppelwandiges Gehäuse 13, welches mit einem Sechskant 18 und einem Gewin- de 19 versehen ist, durch einen von der Gewindeseite her eingepressten, mit der Düse 2 versehenen Dü- senkörper 8 abgeschlossen. Die sich an die Düse 2 anschliessende Kammer weist einen Sperraum 20 auf, in welchem mit höher werdenden Temperaturniveau die Zündfront näher zur Düse 2 wandert. Die Wan- dung 21 des Sperraumes 20 ist dünn gehalten, so dass durch sparsamsten Materialaufwand eine schlechte
Wärmeleitung gewährleistet ist. Das hintere Ende des Sperraumes 20 mündet in den Brennraum 22, dessen
Energieumsatz bei geringer Motorleistung für die Warmhaltung der Bohrungen 23 sorgt. Die Bohrungen 23 sind als Mantel um den Brennraum 22 gelegt, so dass dessen Wärme gut übergehen kann.
Die Bohrungen 23 münden in einen Sammelraum 24, der seinerseits durch eine Blende oder Zwischendüse, die als Ringspalt 25 ausgebildet sein kann, mit dem Kammerraum 22 in Verbindung steht. Befindet sich die Vorrichtung an der unteren Zündgrenze, so kann die durch die Blende 25 rasch in den wärmeren Sammelraum 24 getretene kalte Frischgasfront ungestört mit den in den Bohrungen 23 vorhandenen Brenngasen reagieren.
Der Sammelraum 24 sorgt für eine gegenseitige Aktivierung der Vorgänge. Die sich ausbildende Flamme schlägt zurück, zündet den Raum 22 und 20 und es erfolgt eine allgemeine Zündung im Brennraum. Bei geringem Umsatz in der Kammer liegt die Zündfront in der Gegend der Düse 25. Die Frischgaszuführung sorgt zuerst für eine niedrige Temperatur des Sperraumes 20 in seiner ganzen Länge. Bei hohem Kammerumsatz rückt die Zündfront in den bisherigen Sperraum 20 ein und sorgt dafür, dass die Kammerteile, die hinter dem Sperraum liegen, nicht mehr allzu hoch belastet werden. Setzt man das ganze Kammervolumen gleich 100%, so kann der Sperraum 10-20% einnehmen, der Kammerraum 22 annähernd 30% und die Bohrungen 23 50%. Die Ringdüse 25 ist etwa von der gleichen Grössenordnung wie die Düse 2.
Die beschriebene Vorrichtung hat besonders hervorragende Eigenschaften im Leerlauf.
Bei der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform wird ein Kammersystem als Heizkammer für Kammern 27 verwendet. Das Heizkammersystem übernimmt gegebenenfalls die Zündfunktionen bei Leerlauf, während die Kammer oder die Kammern 27 bei Last arbeiten. Diese Teilung der Funktionen ist durch eine entsprechende Dimensionierung der einzelnen Kammerteile, insbesondere der Düse 2 und 28 zu erzielen. Einige oder alle der Bohrungen 23 wurden zum Teil länger gehalten (26) und zu diesem Zweck wurde der Mantel stellenweise oder ringsum gegen den Düsenkörper 8 hin verlängert, so dass dieser hufartig oder kragenförmig auch einen Teil des Raumes 20 umschliesst. Einige der Bohrungen 23 sind ganz oder teilweise verschlossen, also überhaupt nicht, oder nicht so tief geführt wie die andern Bohrungen.
Dafür sind von der Seite des Düsenkörpers 8 her diese Bohrungen bis zur Blindverschlussstelle offen, um kleine Kammern 27 aufzunehmen, die beheizt werden sollen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass hier die Heizfunktion und die Zündfunktion voneinander getrennt sind. Man kann optimale Werte für beide Funktionen erzielen.
In Fig. 16 ist die in Fig. 15 dargestellte Vorrichtung dahingehend abgeändert, dass eine der Kammern mit Strom beschickt ist. Das mit Strom beschickte Kammersystem 29 kann die ersten Zündungen hervorrufen. Dem System 29 wird in an sich bekannter Weise über Leitungen 30 Strom zugeführt. Die Stromzuführung kann nach erfolgter Zündung unterbrochen werden. Die Kammern 22 und 27 arbeiten nach den ersten Zündungen wie bereits beschrieben, weiter.
Die beschriebenen Kammern können einzeln oder in beliebiger Form kombiniert verwendet werden.
Praktische Anwendungsgebiete derartiger Kammern sind unter anderem Otto-Fahrzeug-und Flugmotoren,
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Turboprops, schlitzgesteuerte Freikolben-Ottomotoren, Wechselmotoren, Diesel-Hochdruckottomotoren u. dgl. Es ist möglich, mit der erfindungsgemässen Vorrichtung in grossen Ottobrennräumen an mehreren Stellen gleichzeitig zu zünden.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Zündkammer zur Selbstzündung von Brennstoff-Luftgemischen in Brennkraftmaschinen, die über i eine Düse mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht und deren Durchmesser grösser ist als der Düsendurchmesser und deren Länge grösser ist als deren Durchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Düse (2) etwa 1/3 bis 2/3 des Durchmessers des anschliessenden Kammerraumes (3) beträgt.