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Mit Selbst- oder Fremdzündung arbeitende Brennkraftmaschine
In den letzten Jahren haben sich die Vorstellungen über den Ablauf der Zündung und Verbrennung in einem Dieselmotor gewandelt. Die neuen Vorstellungen haben inzwischen in mehreren Bauarten ihren Ausdruck und ihre Bestätigung gefunden. Danach ist es im Hinblick auf ruhigen Lauf, niedrige Spitzendrücke, Kraftstoffgleichgültigkeit und geringen Kraftstoffverbrauch am günstigsten, wenn von der je Arbeitsspiel in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge nur ein kleiner Bruchteil sich durch die Ver-
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dung bewahrt werden, u. zw. so lange, bis der Kraftstoff verdampft ist. Der Kraftstoffdampf wird dann im Masse seiner Entstehung, also jeweils in kleinen Teilmengen, von der"Zundflamme"fremdgezundet, die sich aus der kleinen selbstzündende Kraftstoffmenge entwickelt hat.
Die bisher bekanmgewordenen Verfahren und Einrichtungen zur Ausübung dieser Verfahren, die von den neuen Forschungsergebnissen Gebrauch machen, kommen aber nicht ohne Einspritzpumpe und Einspritzdüse aus.
Um Einspritzpumpe und Einspritzdüse zu vermeiden, geht die Erfindung von einer Brennkraftmaschine aus, bei der die für einen Arbeitshub erforderliche Kraftstoffmenge in an sich bekannter Weise vor Beginn des Verdichtungshubes in Nähe des Brennraumes vorgelagert und die vorgelagerte Kraftstoffmenge während des Verdichtungshubes von der aus dem Hauptbrennraum in eine mit diesem durch einen eingeschnüren Überströmkanal verbundene Wirbelkammer überströmenden Luft ilber Leitungen aus dem Vorratsraum angesaugt wird.
Um die Hauptmenge des eingebrachten Kraftstoffes vor einer Selbstzündung zu bewahren, wird das im Überströmkanal gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch-wie an sich bekannt - tangential in die am Innenumfang stetig gekrümmte Wirbelkammer eingeführt, wobei der Überströmkanal und die Wirbelkammer derart ausgebildet und bemessen sind, dass das Gemisch in der Wirbelkammer eine verhältnismässig hohe Drehgeschwindigkeit erhält, so dass die schweren Kraftstofftröpfchen auf die Wirbelkammerwand ausgeschleudert werden, die durch an sich bekannte Mittel so gekühlt ist, dass einerseits keine Zersetzung des Kraftstoffes eintreten kann, anderseits eine sichere Verdampfung des Kraftstoffes gewährleistet ist.
Bei einer bekannten Brennkraftmaschine, deren Brennraum aus einem Hauptbrennraum im Zylinder und einer Wirbelkammer sowie einem diese mit demHauptbrennraum verbindenden eingeschnürten Überströmkanal besteht, wobei der für einen Arbeitshub erforderliche Kraftstoff in einer Vorratskammer in Nähe des Überströmkanals vorgelagert wird und die Vorratskammer an eine Kraftstoffzuleitung angeschlossen ist sowie über zwei Kanäle mit dem Brennraum verbunden ist, mündet von diesen beiden Kanälen einer vor der engsten Stelle des Überströmkanals und der andere hinter oder an der engsten Stelle. Da der Druckunterschied an diesen Stellen nur gering ist, muss bei diesen Maschinen der Kraftstoff unter Überdruck zugeführt werden.
Um ein grösstmögliches D. uckgefälle zu erhalten, sieht die Erfindung vor, den einen der beiden Verbindungskanäle zwischen Vorratskammer und Brennraum - wie an sich bekannt - im Hauptbrennraum münden zu lassen und den andern, wie bei der vorstehendbeschriebenen Brennkraftmaschine, an der engsten Stelle des Überströmkanals.
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Die erfindungsgemässe Anordnung derVerbindungsleitungen zwischen Vorratsraum und Verbrennungsraum gewährleistet die höchstmögliche Saugwirkung auf den während des Verdichtungshubes in die Brennkammer zu fordernden Kraftstoff. Denn auf die Mündung der Leitung in den Hauptbrennraum (Spülleitung) wirkt ein Druck, der bei der geringen Luftbewegung an dieser Stelle (Übergang der radialen Strömung im Zylinder oberhalb des Motorkolbens in eine annähernd axiale Strömung durch den Überströmkanal zur Brennkammer) praktisch gleich dem jeweiligen Gesamtdruck ist, auf die etwa an der engsten Stelle des Überströmkanals einmündende Leitung (Förderleitung) dagegen ein Druck, der um den der höchsten Geschwindigkeit im Überströmkanal zugeordneter dynamischer Druck geringer als der Gesamtdruck ist.
Der Unterschied zwischen diesen beidenDrücken steht für die Beschleunigung und Förderung des vorgelagerten Kraftstoffes zur Verfügung. Die erfindungsgemässe Anordnung der Leitungen hat ausserdem während des Saughubes die wesentliche Wirkung, dass der Kraftstoff ohne Hilfe einer Förderpumpe oder von statischem Druck, lediglich durch die Saugwirkung des Motorkolbens dem Vorratsraum zugeführt werden kann.
Um eine zentrifugierende Wirkung auf den eingebrachten Kraftstoff ausüben zu können, muss dieser auf eine annähernd gleiche Geschwindigkeit gebracht werden wie die den Überströmkanal durchströmende Luft, Es wird daher die engste Stelle dieses Überströmkanals im Abstand von der Wirbelkammer angeordnet und der Überströmkanal als Venturirohr ausgebildet.
Zwar ist eine solche Ausgestaltung des Überströmkanals an sich bekannt, doch wurde sie weder zur Verbesserung des Ansaugens des Kraftstoffes noch zur
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maschine, derenBrennraum aus einemHauptbrennraum imZylinder und einer Wirbelkammer sowie einem diese mit demHauptbrennraum verbindenden eingeschnürten Überströmkanal besteht, wobei der fureinen Arbeitshub erforderliche Kraftstoff in einer Vorratskammer in Nähe des Überströmkanals vorgelagert wird und die Vorratskammer an eine Kraftstoffzuleitung angeschlossen ist sowie über zwei Kanäle mit dem Brennraum verbunden ist, von denen einer in den Hauptbrennraum und der andere in den Überströmkanal einmünden und kennzeichnet sich durch die Kombination der an sich bekannten Massnahmen, dass der Überströmkanal als Venturirohr ausgebildet ist und die Einmündung des zweiten,
die Vorratskammer mit dem Brennraum verbindenden Kanals an der engsten Stelle des Überströmkanals in Abstand von der Wirbelkammer angeordnet ist. Durch die Ausbildung der Wirbelkammer als Schleuder- oder Zentrifugierkammer ist erreicht, dass ein Teil des Kraftstoffes in flüssiger Form auf die Brennkammerwand auftrifft, der bei geeigneter Wandtemperatur nach und nach ins Innere der umlaufenden Gemischwalze hinein verdampft. Verhältnismässig feine Tröpfchen des Kraftstoffes gelangen infolge ihrer geringen Masse ins Innere der Walze, wo sie sich zuerst entzünden und als Zündflamme für das von den an die Wand geschleuderten und allmählich verdampfenden gröberen Tropfen herrührende Brennstoffdampf-Luftgemisch wirken.
Im Betrieb wird die Kammerwand durch an sich bekannte Massnahmen, z. B. Kühlung mit Luft oder Wasser, auf einer Temperatur gehalten, die die vorzeitige Zersetzung des Kraftstoffes ausschliesst.
Um insbesondere bei verhältnismässig kleinen baulichen Abmessungen das Anlassen der kalten Maschine ohne Hilfsmittel zu gewährleisten und zusätzliche Verbesserung der Verbrennung zu erzielen, ist es zweckmässig, wenn der in flüssigem Zustand an die Umfangswand der Kammer gelangende Kraftstoff, der-bedingt durch die Einflüsse vonTrägheitund Reibung - mit geringerer Geschwindigkeit als die LuftKraftstoffdampwalze in der Kammer umläuft, ins Innere der Kammer veisprüht wird, wo erheblich höhere Temperaturen herrschen und ein höherer Luftüberschuss vorhanden ist als an der Kammerwand.
Die Verbesserung der Verbrennung lässt sich folgendermassen erklären : Bei seiner Drehbewegung erreicht der Kraftstoff-Flüssigkeitsring - soweit er noch nicht verdampft ist - mit seinerFrontwelle auch die Einmündung des Verbindungskanals zum Zylinderraum. Hiebei wird er von der während der Dauer des Verdichtungshubes mit hoher Geschwindigkeit durch den Kanal neu zuströmenden Luft erfasst und versprüht. Die dabei sich bildenden Tröpfchen, die verhältnismässig grob sind, gelangen zunächst - ehe sie unter der Wirkung ihrer Massenträgheit an die Umfangswand der Kammer wandern - an den Innenrand der Walze. Da die Kraftstoffanteile, die am schwersten verdampfen, im allgemeinen am zündwilligsten sind, wird ihnen an dieser Stelle Gelegenheit zur Selbstzündung gegeben.
Da während der kurzen Zeit, in der sich die Tröpfchen nach Verlassen der Abreisskante in der Schwebe befinden, ihre Oberflächentemperatur oft zur Ausbildung einer Dampfhülle, in der die Zündung einsetzen kann, zu niedrig bleibt, wird erfin- dungsgemässderWeg, der Weg, den die Kraftstoff tröpfchen beim Überspringen der Kanalmündung zurückzulegen haben, verlängert und dieser Weg zudem in den Bereich höherer Temperaturen verlegt, indem beispielsweise die scheibenförmige Brennkammer an ihrem Umfang nicht in Kreisform, sondern in Form einer Spirale oder einer ähnlichen, den Zweck erfüllenden Kurve ausgebildet und an einer geeigneten Stelle
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eine Abreisskante für den Flüssigkeitsring geschaffen ist.
Statt je einer Spül- und Förderleitung können auch deren zwei oder mehrere vorgesehen sein, die an etwa zueinander versetzten Stellen in den Hauptbrennraum bzw. in den Überströmkanal einmUnden.
Ausführungsbeispiele desErfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend beschrieben, dabei sind gleiche oder sich entsprechende Teile durchgehend mit den gleichen Bezugszif- fern bezeichnet,
Fig. l zeigt schematisch einen Schnitt durch den Verbrennungsraum einer erfindungsgemässen Brenn- kraftmaschine. In einem Zylinder 1 befindet sich ein Kolben 2, der in einer Lage unterhalb des oberenTotpunktes eingezeichnet ist. Der Hauptbrennraum zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinderdeckel 3 ist mittels eines Überströmkanals 4 mit einer Wirbelkammer 5 verbunden, wobei sich der Überströmkanal 4 gegen die Wirbelkammer 5 verjüngt und in dieser tangential einmündet.
Von einem Kraftstofftank 6 führt eine Zuleitung 7 über ein Drosselventil 8 und ein Rückschlagven- til 9 zu einem Vorratsraum 10, dessen eine Seite mittels einer Spülleitung 11 mit dem Haupt- brennraum über der oberenTotpunktlage des Kolbens in Verbindung steht, und dessen anderesEnde mittels einer Förderleitung 12 etwa mit der engsten Stelle des Überströmkanals 4 verbunden ist.
Während des Saughubes des Kolbens strömt Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 6 durch die Zulei- tung 7, das Drosselventil 8 und das Rückschlagventil 9 in den Vorratsraum 10, wo er zunächst vorgelagert wird. Während des Verdichtungshubes saugt die aus dem Hauptbrennraum über den Kolben durch den Überströmkanal 4 in die kreisscheiben- oder kugelförmig gestaltete Wirbelkammer 5 überströmende Luft denKraftstoff aus dem Vorratsraum 10 durch die Förderleitung 12 an und schleu- dertihndannbeiBildung einer rotierenden Walze in derWirbelkammer 5 durchTrägheitswirkung teil- weise an die Kammerwand aus.
Dabei sind der Überströmkanal 4 und die Wirbelkammer 5 so aus- gebildet und bemessen, dass das Gemisch in der Wirbelkammer 5 eine verhältnismässig hohe Drehge- schwindigkeit erhält, so dass die schwererenKraftstofftropfchen auf die Kammerwand ausgeschleudert wer- den, die durch an sich bekannte Mittel so gekühlt ist, dass einerseits keine Zersetzung des Kraftstoffes eintreten kann, anderseits eine sichere Verdampfung des Kraftstoffes gewährleistet ist.
Fig. 2 zeigt eine andere Vorrichtung für die Kraftstoffvorlagerung im Vorratsraum 10. Dabei ge- langt der Kraftstoff durch eine beweglich ausgeführte Zuleitung 21 in ein Schwimmergehäuse 22, das als Kraftstoffzwischenbehälter eingefügt ist. In diesem Schwimmergehäuse 22 befindet sich ein
Schwimmer 23, dessen Nadel 24 im durch den Kraftstoff angehobenen Zustand des Schwimmers die
Mündung 25 der Zuleitung 21 abschliesst. Aus dem Schwimmergehäuse. 22 gelangt der Kraft- stoff über das Drosselventil 8 und das Rückschlagventil 9 in den Vorratsraum 10.
Die Bemessung und Anordnung des Vorratsraumes 10, der Leitungen 11 und 12 und die Anordnung des Schwimmer- gehäuses 22 als Kraftstoffzwischenbehälter sind Mittel, um den Einfluss der Motordrehzahl auf den Kraftstoffzufluss zum Vorratsraum 10 und auf die Saugwirkung der durch den Uberstromkanal 4 strö- menden Luft auf den im Vorratsraum 10 vorgelagerten Kraftstoff auszugleichen. ZurRegelung des Kraftstoffspiegels im Schwimmergehäuse 22 dient ein Verstellmechanismus, der durch die Verstell- schraube 26 und das Verstellorgan 27 angedeutet ist, mit deren Hilfe die Mündung 25 der Kraft- stoffzuleitung 21 der Höhe nach regulierbar ist.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Verbrennungsraum mit einer Wirbelkammer 5, die gemäss der strichlierten Linie einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und je eine Wirbelkammerform 31 und 32 nach der strichpunktierten Linie und der ausgezogenen Linie, die je eine Querschnitts- form nach einer archimedischen Spirale wiedergeben. Diese Kammerformen nach der archimedischen
Spirale enden bei 33 bzw. 34 an einer Abreisskante. Dadurch wird erreicht, dass der in flüssigem Zustand an die Wirbelkammerwand gelangende Kraftstoff ins Innere der Kammer versprüht wird, wodurch die Zündung beim Anlassen und bei niedrigen Belastungen beachtlich erleichtert und die Luftausnutzung verbessert wird.
Der Wirbelkammer 31 nach der strichpunktiert gezeichneten Querschnittsform liegt ein Parameter in der Polargleichung r = (ro/27r)''p zugrunde, der mit einem Faktor kleiner als 1 multipliziert ist. Dadurch wird verhindert, dass durch die Verlängerung des Weges, den die Kraftstofftröpfchen durch die heisse Zone der Wirbelkammer zurückzulegen haben, ein Teil des Kraftstoffes vor- zeitig zersetzt wird bzw. eine zu grosse Kraftstoffmenge auf einmal zur Entflammung kommt. Ausserdem wird dadurch die bauliche Ausführung erleichtert und die tote Zone hinter der Abreisskante verringert.
Die Fig. 4 und 5 zeigen im Querschnitt und in einem Schnitt nach I-II der Fig. 4 eine rotationsförmige Wirbelkammer 41, die derart ausgestaltet ist, dass der mit Kraftstoff versetzte Luftstrom etwa schrägtangential einströmt, wobei dieKraftstoffteilchen an die Wirbelkammerwand teilweise ausgeschleudert werden, dass sich ein Kraftstoffband bildet, das durch den schraubenlinienförmig drehende Luftstrom
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mitgerissen und nach Art eines Potentialwirbels in immer schnellere Drehung versetzt wird, bis es an einer als Spitze oder Schneide ausgebildeten Form 42 abreisst und ins Innere der Kammer versprüht wird. Die versprühten Kraftstofftröpfchen gelangen so in den Bereich der höchsten Temperatur und des höchsten Luftüberschusses.
Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf Verbrennungsmotoren mit Verdichtungszündung beschränkt. Die Anordnung lässt sich mit Vorteil auch bei Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung anwenden, u. zw. insbesondere dann, wenn diese schwersiedende Kraftstoffe verarbeiten sollen. Sie ist für Viertakt- und Zweitaktmotoren geeignet.