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Kolbenbrennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem als Rotationskörper ausgebildeten, vorzugsweise im Kolben angeordneten, mit einer Einschnürung versehenen Brennraum, in dem die Luftladung durch einen spiralförmigen Einlasskanal oder durch ein Schirmventil in Rotation versetzt und der Brennstoff durch eine in Nähe des Brennraumöffnungsrandes und schräg zur Brennraumachse aussermittig angeordnete Düse annähernd parallel und in geringem Abstand zur Brennraumwand in den rotierenden Luftwirbel eingespritzt wird.
Bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art ist der zylindrisch ausgeführte Brennraum zentral im Zylinderkopf angeordnet, und die Düse spritzt mit einem einzigen Strahl parallel und in geringem Abstand zur Brennraumwand auf den eben gehaltenen Kolbenboden. Diese Brennraum-und Strahlanordnung ist nur bei ventillosen Brennkraftmaschinen möglich und verlangt eine grosse Drehgeschwindigkeit der Luft im Brennraum, die sich nur durch tangential in den Zylinder einmündende Kanäle bei fremdgespülten Maschinen erzielen lässt.
Bei einer andern bekannten ventilgesteuerten Viertaktbrennkraftmaschine mit im Kolben liegendem Brennraum mit Luftrotation und annähernd parallelen Spritzen zur Brennraumwand ist der zylindrisch ausgeführte Brennraum geneigt zur Zylinderachse angeordnet und besitzt einen halbkugeligen Brennraumboden. Der Kraftstoff wird in zwei fächerförmig angeordneten Strahlen längs des durch die Brennraumschiefstellung entstehenden längeren zylindrischen Brennraumwandteiles gespritzt. Zur Vermeidung eines direkten Anspritzens der Brennraumzylinderwand ist der Fächerwinkel klein gehalten. Dies führt jedoch zwangsläufig zu zwei dicht nebeneinander liegenden Spritzlöchern, deren Ausmündungen sich in der Sacklochbohrung der Einspritzdüse unter Umständen überschneiden. Die Folge sind fertigungstechnische Schwierigkeiten und eine labile Strahlenausbildung.
Des weiteren wird durch die Schrägstellung der Brennraumachse gegenüber der Kolbenachse die Brennraumbearbeitung erschwert.
Ein weiterer bekannter Vorschlag hat einen Dieselmotor zum Gegenstand, bei dem in die eine Einschnürung aufweisende Brennkammer durch eine Düse, die nahe am Rand der Brennkammer geneigt angeordnet ist, mindestens ein Kraftstoffstrahl eingespritzt wird. Dieser Strahl verläuft in geneigter Richtung zu dem Luftwirbel, wobei jedoch noch weitere Kraftstoffsträhle vorgesehen sein können, die zu den unbewegten Luftmassen in der Brennkammer gerichtet sind. Am übergang des Brennraumes zum Kolbenboden ist ein stufenförmiger Absatz vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung eines annähernd parallelen Verlaufes des Kraftstoffstrahles in geringem Abstand zur Brennraumwand eine ausreichende Erfassung der Verbrennungsluft mit vorzugsweise nur einem Kraftstoffstrahl, bei mässigem Luftwirbel, wie er mit bekannten Mitteln an ventilgesteuerten Viertaktbrennkraftmaschinen auftritt, und ohne Schrägstellung der Brennraumachse zu erreichen.
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Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der Brennraum die Form eines einschaligen Hyperboloids aufweist, wobei dessen Rotationsachse parallel oder gleichachsig zur Kolbenachse verläuft und der Neigungswinkel der Kraftstoff-Strahlachse zur Brennraumachse durch die die Hyperboloidmantelfläche erzeugende Geradenschar bestimmt wird.
Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in an sich bekannter Weise am übergang des hyperboloidförmigen Brennraumes zum Kolbenboden ein stufenförmiger Absatz vorgesehen ist.
Gemäss einem weiteren erfindungsgemässen Kennzeichen wird vorgeschlagen, dass in an sich bekannter Weise ein Zusatzstrahl vorgesehen ist, der in der oberen Kolbentotlage im oberen Bereich der Mantelfläche des hyperboloidförmigen Brennraumes auftrifft, und die Achse des Zusatzstrahles bei Blickrichtung auf den Kolbenboden vorzugsweise mit der Achse des Hauptstrahles zusammenfällt.
Durch die erfindungsgemässe Lösung läuft der schräg in Richtung des Luftwirbels eingespritzte Kraftstoff durch die grosse freie Strahllänge über die gesamte Brennraumhöhe und einen beträchtlichen Teil des Brennraumumfanges parallel zur Brennraumwand. Mit fortschreitender Strahllänge lockert sich der Einspritzstrahl bekannterweise stärker auf und unterliegt in grösserem Masse der Verwendung durch den rotierenden Luftstrom. Die Geschwindigkeitskomponente des Einspritzstrahles in Richtung der Luftrotation unterstützt die Strahlablenkung bzw.-verwehung und verhindert ein zu starkes Durchschlagen des Kraftstoffes und die damit verbundene nachteilige Kraftstoffablagerung auf dem Brennraumboden.
Die vorschlagsgemässe Kombination von Strahllage und Brennraumform führt somit in Umfangs-und vertikaler Richtung zu einem grossflächigen Kraftstoffschleier in Nähe der Brennraumperipherie, der günstige Voraussetzungen für eine optimale Lufterfassung schafft.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 den Schnitt A-A nach Fig. 2 durch den im Motorkolben angeordneten Brennraum in Richtung der Strahlachse und die Lage der angedeuteten Einspritzdüse und deren Strahlachse, Fig. 2 die Draufsicht auf den Brennraum und die Einspritzdüse und deren Strahlachse, Fig. 3 den Längsschnitt B-B durch den Brennraum nach Fig. 2, Fig. 4 den Schnitt C-C durch den Brennraum in der Ebene der Strahlachse nach Fig. l, Fig. 5 den Längsschnitt D-D nach Fig. 6 durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Brennraumes und Fig. 6 die Draufsicht nach Fig. 5.
Der im Motorkolben--l--axial oder koaxial zur Zylinderachse angeordnete Brennraum - 2-weist gemäss Fig. 1 und 3 die Form eines Rotations-Hyperboloids auf, wobei zur vereinfachten Fertigung die Mantelflächen gerade, also kegelstumpfartig ausgeführt sind. Die Deckfläche des
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5--,Kugelmantelfläche des unteren Brennraumteiles über.
Der Brennstoff wird durch die schräg in Nähe des oberen Brennraumöffnungsdurchmessers angeordnete Düse--8--, vorzugsweise in einem einzigen Strahl, dargestellt durch die Strahlachse --9--, schräg in Richtung der gemäss des Pfeiles--10- (Fig. 2) rotierenden Verbrennungsluft eingespritzt.
Das Hyperboloid hat die Höhe--hl--und der gesamte Brennraum die Höhe--h--.
Mittels eines Fadenmodells entsteht das Hyperboloid räumlich dadurch, dass zwischen der Kolbenbodenebene--4--und der Grundflächenebene--5--Fäden gespannt werden, deren Durchstosspunkte in den Ebenen--4, 5--auf einem Kreis umlaufen und zueinander um einen bestimmten Betrag versetzt sind. Ist der Versatz gleich Null, entsteht ein Zylinder, und beträgt der Versatz 1800, entstehen zwei mit den Spitzen sich berührende Kegel. Zwischen beiden Extremwerten liegen beliebige Hyperboloide. Der einzelne Faden des vorgenannten Modells wird bekannterweise als "erzeugende Gerade" der Hyperboloidfläche bezeichnet. Jeder Kraftstoffstrahl, der zur erzeugenden Geraden parallel liegt, läuft also auch parallel zur Mantelfläche des Hyperboloids.
In Fig. 2 ist eine erzeugende Gerade--9'--in der Draufsicht und in Fig. 1 in der Vorderansicht dargestellt, in der sie sich mit der Strahlachse --9-- deckt. In der Draufsicht, Fig. 2, hat die
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somit aus der Beziehung tang a = b : ho wobei der Abstand ho dem Abstand der Ebenen--3, 4-- zueinander entspricht. Der parallele Verlauf der Strahlachse--9--zur Brennraumwand geht ebenfalls aus Fig. 4 hervor, die einen Schrägschnitt des Brennraumes unter dem Winkel a darstellt. Die leicht
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gekrümmten Brennraumwandpartien zwischen den Punkten-11, 12 bzw. 12, 13-- (Fig. 4) resultieren aus der vereinfachten hyperboloiden Form.
Die geringe Auslenkung ist jedoch für den Effekt der
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--1--,--11-- bis zum Punkt--14--reicht. Letzterer hat jedoch vorwiegend geometrische Bedeutung, denn, wie eingangs bereits erwähnt, wird der Kraftstoffstrahl infolge zunehmender Auflockerung besonders im unteren Brennraumteil stärker abgelenkt und verweht, gemäss den Pfeilen--16--zum Brennraumwandteil--17--.
In Versuchen wurde festgestellt, dass die Verbrennung in bestimmten Fällen günstig beeinflusst wird, wenn der Übergang der Brennraumwand zum Kolbenboden einen rechten oder spitzen Winkel bildet. Demgemäss kann der vorgeschlagene Hyperboloid-Brennraum z. B. mit einem Wirbelabsatz --20- entsprechend Fig. 5 versehen werden.
Zur weiteren Vergrösserung der freien Strahllänge, besonders bei kleinen Brennräumen, ist es
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(Fig. 5)- liegt bei diesem Ausführungsbeispiel analog zur Strahlachse-9--, d. g. die Punkte - -24, 25, 26-weisen die gleichen Merkmale auf, wie die im Vorangegangenen beschriebenen Punkte - -11, 12, 13--.
Die erfindungsgemässe Ausbildung mit einem Kraftstoffstrahl schliesst nicht die Möglichkeit der Anbringung eines weiteren Strahles aus. Zum Beispiel verkürzt sich bei sehr kleinen oder aus baulichen Gründen niedrig zu haltenden Brennräumen der in der oberen Brennraumhälfte liegende Strahlteil proportional zur Gesamtlänge. Da der Strahl in diesem Bereich an sich wenig aufgelockert ist, besteht die Gefahr, dass massemässig zuwenig Kraftstoff im oberen Brennraumteil verbleibt. Für derartige Fälle ist es vorteilhaft, einen zweiten Kraftstoffstrahl, gekennzeichnet durch seine Achse--27--, vorzusehen, die vorzugsweise in der Ebene D-D der Strahlachse --23-- oder geringfügig zur Brennraummitte hin gedreht liegt und im Bereich der oberen Mantelfläche --28-- auf die Brennraumwand auftrifft.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kolbenbrennkraftmaschine mit einem als Rotationskörper ausgebildeten, vorzugsweise im Kolben angeordneten, mit einer Einschnürung versehenen Brennraum, in dem die Luftladung durch einen spiralförmigen Einlasskanal oder durch ein Schirmventil in Rotation versetzt und der Brennstoff durch ein in Nähe des Brennraumöffnungsrandes und schräg zur Brennraumachse aussermittig angeordnete Düse annähernd parallel und in geringem Abstand zur Brennraumwand in den rotierenden
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eines einschaligen Hyperboloids aufweist, wobei dessen Rotationsachse parallel oder gleichachsig zur Kolbenachse verläuft und der Neigungswinkel der Kraftstoff-Strahlachse (9) zur Brennraumachse (15) durch die die Hyperboloidmantelfläche erzeugende Geradenschar (6') bestimmt wird.
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