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Verfahren und Einrichtung zum Betriebe von Einspritzverbrennungskraftmaschinen mit Selbst- zündung und Zündkammer.
Die Erfindung bezieht sich auf solche Einspritzverbrennungskraftmaschinen, bei denen der Arbeitsbrennstoff durch die in einer Zündkammer entstehende Hilfsverpuffung nach dem Arbeitszylinder geblasen wird ; sie bezweckt die Lösung der Aufgabe, die Verbrennungvorgänge bei den verschiedenen Betriebszuständen sicher zu beherrschen und die Maschine günstig von dem einen in den anderen Betriebszustand überzuleiten. Diese Aufgabe wird wesentlich dadurch gelöst, dass ausser dem in die Zündkammer gespritzten Arbeitsbrennstoff eine besondere, kleine Menge von Hilfsbrennstoff unmittelbar in den Kern der Zylindelluft gespritzt wird, damit hier eine Stichflamme entsteht, die den aus der Zündkammer herausstossenden Gemischstrahl erfasst und auf diese Weise die Zündungen sicher einleitet. Dies gilt für den normalen Betrieb.
Beim Anlassen der kalten Maschinen hingegen wird der Hilfsbrennstoff in solcher Menge sowie mit solcher Vöreilung zerstäubt und gezündet, dass die Stichflamme nach der Zündkammer überspringt oder überklettert, um hier den Druck und die Temperatur zu schaffen, welche erforderlich sind, um den Arbeitsbrennstoff zur Zerstäubung und Arbeitsleistung zu bringen und den Betriebszustand durch Erhitzen der Zündkammer zuverlässig herbeizuführen. Das Umsteuern der Maschine endlich wird durch Voreinspritzungen des Arbeitsbrennstoffes'und des Hilfsbrennstoffes bewirkt, wobei die Wirkung der Zündkammer bzw. die Wirkung des Arbeitsbrennstoffes durch den unmittelbar in den Zylinder eingeführten Hilfsbrennstoff ergänzt wird.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise für eine einfach wirkende Zweioder Viertaktmaschine veranschaulicht ; es sind : Fig. i Schnitt durch die Pumpe a für den Arbeitsbrennstoff mit Zündkammer und Antrieb, Fig. 2 Ansicht der Pumpe b für den Hilfsbrennstoff nebst ihrem Antrieb und Fig. 3 Querschnitt, der die gemeinsame Anordnung der beiden Pumpen zeigt.
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Verbindung mit dem Arbeitszylinder d, und zwar durch den doppelseitigen Schusskanal e, in den durch die Hauptpumpe a zu Beginn des Arbeitshubes etwa vom Totpunkt ab der Brennstoff als ununterbrochener Strahl eingepresst wird. Hierbei werden in bekannter Weise die ersten Teilchen dieses Brennstoffadens nach der Zündkammer geblasen, wobei die durch Selbstzündung entstehende Verpuffung den Hauptteil des Triebbrennstoffes nach dem Zylinder treibt.
Auch hier setzt die Verbrennung durch Selbstzündung ein und vollzieht sich dann zwangläufig nach Massgabe der Brennstoffeinspritzung. Die beiden Pumpen sitzen nebeneinander im Deckel/, und zwar in Ausbohrungen, welche den Pumpen als Kühlräume dienen. Das Kühlwasser, zweckmässig Frischwasser, umspült zunächst den Düsenhalter g und die Düsenstücke k und wird dann um die Pumpen herum in den Deckel geleitet.
Der Antrieb der Pumpen erfolgt durch die Nockenscheiben i und k vermittelst der auf gemeinsamem Zapfen gelagerten Schwinghebel m und n, die einerseits mit den Druckrollen o bzw. p auf den Tauchkolben der Pumpen ruhen, andrerseits die Laufrollen q bzw. r fassen, die von den Fördernocken bewegt werden. Diese Schwinghebel besitzen ausserdem die Anschläge s bzw. t, die sich gegen die verdrehbaren Knaggen u bzw. v legen, welch letztere auf der gemeinsamen Welle w sitzen. Durch die Federn der Pumpen werden ihre
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Kolben bzw. die zugehörigen Schwinghebel gegen die Knaggen u bzw. v. gedrückt, und zwar in dem Augenblick, in dem die Saughübe der Pumpen beendet sind. Diese Knaggen haben nun die wichtige Aufgabe, die Laufrollen in einer bestimmten Entfernung von den Nockenscheiben festzuhalten.
Auf diesen sind nämlich verschiedene Nocken verschiedener Höhe angebracht, die je nach der Stellung der Knaggen sämtlich oder teilweise entsprechend der augenblicklichen Betriebsart zum Eingriff gebracht werden.
In den Fig. i und 2 ist die Welle w für normalen Betrieb eingestellt. Es werden daher auf den beiden Nockenscheiben nur die Betriebsnocken zum Eingriff gebracht. Für die Arbeitspumpe Fig. i ist dies der Nocken NI und für die Hilfspumpe Fig. 2 der Nocken N2.
Der Nocken N2 ist so bemessen, dass der in den heissen Kern der Verdichtungsluft quer vor dem Schusskanal zerstäubte Brennstofftropfen in dem Augenblick zur Zündung kommt, in dem der Arbeitsbrennstoff entsprechend der Form des Nockens in den Schusskanal e gefördert und durch die Zündkammerwirkung in den Zylinderraum eingeblasen wird.
Sind die Knaggen u und w durch Drehen der Welle w in die punktierte Lage gebracht, so kommen die Laufrollen q und r der Schwinghebel etwa in den Bereich der Rollbahnen RI und R2 der Nocken i und k zu liegen. Dann gelangen, um das Anlassen der Maschine zu bewirken, ausser den Nocken j ! V- bzw. N2 auch. die Nocken N3 bzw. N4 zum Eingriff. Durch die Hauptpumpe d wird hierbei nach Grösse und Voreilung des Nockens N3 eine bestimmte Brennstoffmenge in den Schusskanal und aus diesem durch die Ladeluft in die Zündkammer voreingeblasen, während die Hilfspumpe durch Nocken ? die Kletterzündung im Zylinderraum einleitet.
Der Nocken N4 hat dabei eine solche Voreilung und Grösse, dass der Hilfsbrennstoff im heissen Luftkern des Zylinders Zeit zur Vergasung und Zündung hat und die entstehende Stichflamme sicher nach der Zündkammer überschlägt, so dass auch hier die Selbstzündungstemperatur entsteht. Die zweite Förderung der Hilfspumpe durch den Betriebsnocken N2 ist für das Anlassen nicht unbedingt erforderlich und kann fortgelassen werden. Sie wirkt indessen günstig für die Arbeitsleistung, so dass dieser Nocken zweckmässig von vornherein eingeschaltet bleibt. Die einzelnen Nocken sind hier aus Gründen der Darstellung grösser angegeben als sie in Wirklichkeit ausgeführt werden.
Die einstellbaren Knaggen für beide Pumpen bzw. ihre Anschläge sind bei gemeinsamer Welle w so gegeneinander abgestimmt, dass sie für jeden Verdrehungswinkel günstige Verhältnisse ergeben. Für Mehrzylindermaschinen können die Knaggen ebenfalls auf einer gemeinsamen Anschlagwelle sitzen, so dass bei Inbetriebsetzungen nur diese eine Welle verdreht werden braucht.
Das Umsteuern der Maschine wird durch Vorwärts-bzw. Rückwärtsnocken bewirkt, die zweckmässig auf den Ablaufseiten der Arbeitsnocken angeordnet sind. In Fig. 1 ist beispielsweise für die Arbeitspumpe der Rückwärtsnocken N5 punktiert dargestellt. Der Umwurfnocken Na dagegen dient dazu, die Maschine in die ursprüngliche Drehrichtung zurückzubringen. Von grundsätzlicher Bedeutung ist, dass die Zeiten für die Selbstzündung in der Zündkammer wie im Zylinder zwangläufig eingehalten werden. Dies sei für die einzelnen Betriebszustände näher dargelegt.
Beim Anlassen der kalten Maschine sind die Zylinderwandung und die angesaugte Luft vor allem auch die Zündkammer so kalt, dass eine Selbstzündung in der Kammer ohne äussere Vorwärmung ausgeschlossen ist. Da eine Hilfsverpuffung nicht entsteht, wird der gesamte Brennstoff zwar in die Zündkammer geblasen, aber eine Zerstäubung nach dem
Zylinder und eine Verbrennung in diesem würde-wenn überhaupt-nur verspätet und unvollkommen stattfinden. Nur im Kern der im Arbeitszylinder verdichteten Luft ist die zur Selbstzündung erforderliche Temperatur vorhanden. Dieser Umstand wird nun benutzt, um im Zylinder wie Zündkammer die Selbstzündung in den gewünschten Zeitpunkten zu erreichen.
Zu diesem Zwecke spritzt die Hilfspumpe b, die unmittelbar nach dem Zylinder arbeitet, während des Verdichtungshubes einen Brennstoff tropfen in diesen heissen Luftkern, dessen Temperaturen durch die Verbrennung naturgemäss bedeutend gesteigert werden.
Befindet sich die Düse der Hilfspumpe in der richtigen Entfernung zum Schusskanal, so wird ein Teil dieser Stichflamme durch die einströmende Luft nach der Zündkammer gerissen und in dieser eine bestimmte, durch die Hauptpumpe a vorzeitig eingeblasene Brenn- stoffmenge entzündet, so dass auch hier die Selbstzündungstemperatur sicher erreicht ist, wenn der eigentliche Arbeitsbrennstoff nach Erreichung des Totpunktes zur Einspritzung und
Zerstäubung gelangt.
Diese vorzeitige Einspritzung bewirkt die Hauptpumpe a, indem sie während des Verdichtungshubes eine bestimmte Menge Brennstoff in den Schusskanal spritzt, von wo ihn die heftig einströmende Luft nach der Zündkammer bläst. Es entsteht also durch das sinngemässe Zusammenarbeiten der beiden Pumpen im Zusammenhang mit dem eigentlichen Verfahren die Wirkung einer Kletterzündung, indem die Flamme aus dem heissen Kern des Zylinderraumes in die Zündkammer überspringt. Der bei der Vorverbrennung entstehende Druck genügt, um die kalte Maschine sicher in Betrieb zu bringen. Auch heizen
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die Vorverbrennungen die Wandungen der Zündkammer so stark, dass diese bald auf die Betriebstemperaturen gebracht wird, worauf die Pumpen auf Betrieb umgeschaltet werden.
Die zunächst von der Hilfspumpe eingespritzte und mechanisch gut zerstäubte Brennstoffmenge wird zweckmässig so klein bemessen, dass eine zu starke Abkühlung der Luft durch die Verdampfung vermieden wird. Die Einspritzung erfolgt hierbei während der Verdichtung so frühzeitig, dass dem Brennstoff die erforderliche Zeit zur Vergasung und Zündung gegeben wird, wobei durch weitere Einspritzungen während der Verdichtung diese Zündflamme unterhalten und verstärkt werden kann.
Auf diese Weise wird es möglich, auch bei sehr niedrigen Verdichtungsdrücken, die an der Grenze der Selbstzündung liegen, die Maschine sicher zum Zünden und Anlassen zu bringen. Beim Anlassen wird die Maschine durch einige wenige Pressluftlüllungen in Gang gesetzt. Hierbei kann, wie die Erfahrung gelehrt hat, sowohl Hilfs-wie Arbeitspumpe von vornherein eingeschaltet sein, da sofort nach den ersten Umdrehungen die Anlasszündungen einsetzen, wenn nach der Einführung der Anlassdruckluft Luft eingesaugt und verdichtet wird. Diese Anlasszündungèn genügen, um die volle Anfahrtleistung zu erreichen.
Hierzu ist folgendes grundsätzlich zu bemerken : Der Druckausgleich tritt in beiden Räumen e'st nach dem Totpunkt ein, und zwar verhältnismässig schnell (etwa 10 bis 15"nach Totpunkt), da vom Totpunkt ab die Drucke im Zylinder wieder rasch abfallen. Das natürliche Abblasen der Kammer nach dem Zylinder, das in diesem Zeitpunkt einsetzt, wird benutzt, um den Arbeitsbrennstoff nach dem Zylinder zu stäuben, wo er sofort und sicher an der vom Hilfsbrennstoff genährten Stichflamme entzündet wird.
Wird also beim Anlassen der Arbeitsnocken so eingestellt, dass die Förderung etwa 10 bis 15% nach Totpunkt beginnt, so gelangt kein Arbeitsöl nach der Zündkammer, so dass in dieser nur das durch die Stichflamme entzündete Ölgasgemisch, welches durch die vorzeitig eingeführte Brennstoffmenge gebildet wird, zur vollen Heizwirkung kommt.
Nach erreichtem Betriebszustand, in dem die Zündkammer durch die dauernden Verpuffungen auf Selbstzündungstemperatur erhalten bleibt, wird die Voreinspritzung von Brennstoff, die zur Kletterzündung führt, ausgeschaltet und der von der Hilfspumpe später eingespritzte Brennstoff nach Zeit bzw. Menge so verändert, dass die Vorgänge in der Zündkammer nicht gestört werden. Die besondere Aufgabe, die hierbei die Hilfspumpe zu lösen hat, ergibt sich aus den grundsätzlichen Eigentümlichkeiten solcher Zündkammerverfahren.
Bei diesem wird die Zerstäubung durch eine möglichst hochgetriebene Verpuffung in der Zündkammer bewirkt. Naturgemäss ist bei dieser Verpuffung der Druck im ersten Augenblick am höchsten. Er fällt rasch ab, und zwar in dem Masse, wie die Gase durch den Schusskanal in den Zylinderraum abblasen. Nur dadurch, dass gleich von vornherein scharf Brennstoff in den Schusskanal gespritzt und das ausblasende Gas durch den Brennstoff gestaut wird, wird der Druckabfall in zureichendem Masse verzögert und die Zerstäubungsenergie auf die gesamte Brennstoffmenge verte : It. Um nun zu vermeiden, dass die Verbrennung mit Stoss einsetzt, und um die Verbrennung trotz des starken.
Druckanstieges zwangläufig zu beherrschen, wird durch die Hilfspumpe kurz vor Beginn der Zerstäubung eine Stichflamme im Zylinder erzeugt, und zwar mögl'chst in solcher Lage und Richtung, dass sie von dem Zerstäuberstrahl unter sofortiger Zündung durchstossen wird. Damit die Vorgänge in der Zündkammer durch die Stichflamme nicht gestört werden, wird der Hilfsbrennstoff in einer bestimmten Entfernung vom Schusskanal und mit einer bestimmten Voreilung eingespritzt,
Es ist von besonderer Wichtigkeit, dass der eingespritzte Hifstropfen möglichst vollkommen zerstäubt wird, und zwar mit kurzer, buschiger Flammenbildung, so dass die entstehende Stichflamme unterhalb des Schusskanals zur Ruhe kommt.
Zu diesem Zwecke wird der aus der Düse heraustretende Brennstoff in zwei Strahlen zerlegt, die in einem bestimmten Winkel zueinander stehen und sich frei im Raume treffen.
Mit diesem Verfahren lassen sich auch schwer entzündliche Öle verbrennen, indem beim Anlassen der kalten Maschine bis zu deren Erwärmung entweder beide Pumpen oder nur die Hilfspumpe, letztere gegebenenfalls dauernd, mit leicht zündlichem Öl betrieben werden.
Die Verdichtungsdrücke können auch weiter herunter gebracht werden durch Anwendung eines vorgeheizten Glühröhrchens, einer Glühhaube, einer elektrischen Zündung o. dgl., an welchen der Tropfen der Hilfspumpe gezündet wird, und zwar dauernd oder nur so lange, bis durch die gesteigerte Maschinenwärme die Selbstzündung erreicht wird.
Das unmittelbare Umsteuern geschieht dadurch, dass beide Pumpen in sinngemässer Folge den Brennstoff während der Verdichtung zur Voreinspritzung bringen, wobei die entstehende frühzeitige Verbrennung die Maschine in die andere Drehrichtung wirft. Die Umsteuerung durch Frühzündung ist an und für sich bekannt, z. B. bei Glühkopfmaschinen.'Die Förderungen beider Pumpen liegen hierbei zeitlich nahe zusammen und auch die Dauer der- Einspritzung wird so bemessen, dass sie vor der Bewegungsumkehr des Arbeitskolbens beendet ist.
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Das Kennzeichen des die Erfindung bildenden Arbeitsverfahrens ist die vollkommene Zwangläufigkeit, d. h. sichere Beherrschung der Zündpunkte und Verbrennungsvorgänge. Die Förderungen der Pumpen müssen daher in den genau beabsichtigten Zeiten und Zeitfolgen vor sich gehen. Durch zureichend Kühlung der Pumpen und des Schusskanal wird das Auströpfeln aus der Düse sicher verhindert. D ; e Düse selbst, die unter innerem und äusserem Druckausgleich steht, ragt zweckmässig frei in den Zylinder. Sie erhält bei kleiner Bohrung einen möglichst kleinen Aussendurchmesser, so dass eine derart kleine Oberfläche entsteht, an der nur eine verschwindend kleine Ölmenge haften, kann.
Die gekennzeichneten Wirkungen können natürlich auch mit anderen Antrieben erreicht werden, z. B. durch versenkbare, verschiebbare, angelenkte oder besondere Nocken, die durch Keilwirkung, Verdrehen, Verschieben o. dgl., und zwar von Hand oder zwangläufig etwa unter dem Einfluss des Reglers eingestellt werden Die Lagen der Pumpen zueinander und ihr Einbau in den Zylinder sowie die Art des Antriebes richten sich naturgemäss nach Bauart, Grösse, Arbeitstakt usw. der Maschine oder Zylindergruppe.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Verfahren zum Betriebe von Einspritzverbrennungskraftmaschinen mit Selbstzündung und Zündkammer, bei denen der-Brennstoff durch eine H. lfsverbrennung in der Kammer nach dem Zylinder geblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ausser dem Brennstoff für die Zündkammerärbeit eine besondere, kleine Menge'von Hilfsbrennstoff unmittelbar in den heissen Kern der verdichteten Zylinderluft gespritzt wird, wodurch eine Stichflamme entsteht, die den aus der Zündkammer herausstossenden Gemischstrahl erfasst.