Brennkammeranordnung in einer mit Luftverdichtung arbeitenden Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkam- meranordnung, die einem Arbeitszylinder einer mit Luftverdichtung arbeitenden Einspritzbrennkraft- maschine zugeordnet ist und eine Vorkammer, in die der gesamte Brennstoff eingespritzt wird, sowie eine Luftspeicherkammer aufweist, welche Kammern in einen zwischen ihnen liegenden Mündungsraum mün den.
Die Brennkammeranordnung gemäss der Erfin dung zeichnet sich dadurch aus, dass Vorkammer und Luftspeicherkammer an ihren Mündungen mit min destens angenähert koaxialen Düsen versehen sind, die so ausgebildet sind und mindestens zu Beginn des Verbrennungsvorganges einander so nahe gegenüber liegen, dass der grössere Teil des aus der Vorkam mer austretenden Strahls durch den Mündungsraum hindurchgehend in die Luftspeicherkammer eintritt, in welcher eine weitere Verbrennung stattfindet. Es ist selbstverständlich, dass die von beiden Kammern dem Mündungsraum gelieferten Verbrennungsgase schliesslich auf den im Arbeitszylinder befindlichen Kolben wirken.
Beliebige Arten von fluidem Brennstoff können bei einer derartigen Kammeranordnung verwendet werden, wie beispielsweise Dieselöl, Destillate, billige Heizöle, Benzin sowie Butan und andere Gase. Die Brennkammeranordnung kann mit Selbstzündung, Glühkerzen oder Zündkerzen arbeiten, wobei Zünd kerzen bei niedrigen Kompressionsverhältnissen und beim Anlassen Verwendung finden. Die Maximal drücke und Temperaturen sind auf die Vorkammern beschränkt. Zwischen den Düsenmündungen kann ein fester oder ein veränderlicher Abstand vorgesehen sein. Die Düsen können bei Rotglut und selbst bei Weissglut arbeiten, besonders, wenn der Motor schwere Heizöle als Brennstoff verwendet.
Ausführungsbeispiele der Einspritzbrennkraft- maschine der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, von denen: Fig. 1, 2 und 3 drei verschiedene Ausführungs beispiele zeigen: Fig. 4 und 5 in zwei rechtwinklig zueinander an geordneten Schnittansichten ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel zeigen; Fig.6 einen der Fig.2 ähnlichen Schnitt einer weiteren, verbesserten Ausführungsform zeigt;
Fig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht einer weiteren verbesserten Ausführungsform ist; Fig. 8 und 9 ähnliche Ansichten wie Fig. 4 und 5 sind, die ebenfalls weiterentwickelte Ausführungs formen zeigen; Fig. 10 und 11 in ähnlichen Ansichten wie Fig. 8 und 9 eine Ausführung mit wassergekühlter Brenn- kammer zeigen, und Fig. 12 eine geschweisste Konstruktion einer in einen Zylinderkopf eingesetzten Brennkammergruppe zeigt.
In allen Figuren sind sich entsprechende Teile mit ähnlichen Bezugszahlen bezeichnet.
In der Brennkammeranordnung nach Fig. 1 sind die Vorkammer mit 11, die Luftspeicherkammer-mit 12, die Düsen mit 13 und 14, der- Zylinder mit 15, der Kolben mit 16, der Zylinderkopf mit 17, der Mündungsraum mit 18, die Einspritzvorrichtung mit 20 und eine Glüh- oder Zündkerze mit 21 bezeich net. Die entsprechenden Teile der Fig. 2 sind mit 11a, 12a usw. und in Fig. 3 mit 11b, 12b usw. be zeichnet.
In Fig. 1 befindet sich die Vorkammer 11 im Zy linderkopf 17 und die Luftspeicherkammer 12 im Kolben 16. In Fig. 2 befinden sich die Vorkammer lla und die Luftspeicherkammer 12a beide im Zylinderkopf 17a. Der Kolbenboden besteht aus einem nach oben konisch verjüngten äussern Teil 22, der mit einer Kante 23 endet, und einem kuppelförmigen innern Teil 24. Der in dieser Figur gezeigte Zylinder gehört zu einem Zweitaktmotor, dessen Spül- und Auslass- schlitze nicht gezeigt sind.
Je höher die Aufladung ist, um so mehr kann von der für die Verbrennung nicht benötigten überschussluft in dem Raum zwi schen Zylinderkopf und Kolben belassen werden, um dort als Wärmeisolator zu dienen. Wenn die Ver brennungsgase in den Zylinder zu fliessen beginnen, wird diese verhältnismässig kühle Luft gegen die Kol benringe 25 gedrückt und verhindert weitgehend, dass die heissen Verbrennungsgase mit den Ringen in Be rührung kommen. Besonders bei Flugmotoren kann auch eine Wassereinspritzung vorgenommen werden, die vorzugsweise in der Vorkammer stattfindet.
Nach Fig. 3 sind dem Zylinder 15b zwei gleiche Brennkammeranordnungen zugeordnet. Die Kam mern llb und 12b sind seitlich des Zylinders 15b angeordnet, in dem sich die beiden gegenläufigen Kol ben 16b hin und her bewegen.
Die in Fig. 1 gezeigte Brennkammeranordnung besteht aus den beiden getrennten Kammern 11 bzw. 12 mit je einer Düse 13 bzw. 14, die in der obern Totpunktlage einander sehr nahe gegenüberliegen und in dieser Lage in einem kleinen, spaltförmigen Mündungsraum 18 münden, der sich bei Abwärts bewegung des Kolbens 16 zum Zylinderraum 26 er weitert. Die Kammer 11 wirkt als Vorkammer und die Kammer 12 als Luftspeicherkammer. Letztere ist gemäss Fig. 1 innerhalb des Kolbens angeordnet.
Die beiden Kammern und der Mündungsraum kön nen, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, vom Kolben, von der Zylinderwand und von den Ventilen entfernt an geordnet sein, so dass weder der Brennstoff- und Flammenstrahl auf diese Teile auftrifft, noch von dem Hauptherd der Verbrennung Wärme aus nächster Nähe auf diese betriebswichtigen Teile durch Strah lung übertragen werden kann.
Im Betrieb wird beispielsweise in Fig. 2 der durch die Einspritzung von Brennstoff aus der Einspritzvor- richtung 20a in der Nähe des obern Totpunktes des Kolbens 16 innerhalb der Vorkammer l la bei Beginn der Verbrennung verursachte Druckanstieg einen aus Verbrennungsprodukten, Luft und Brennstoff ge mischten Strahl erzeugen, der mit grosser Geschwin- eit-aus _dieser Vorkammer austritt.
Der grösste Teil dieses Strähls geht-durc_h den Mündungsraum 18a hindurch und tritt in die Lufspeicherk_ammer 12a ein, während ein kleiner Teil des Strahls im Mün dungsraum 18a abgebremst wird. In der Luftspeicher kammer findet eine zweite Verbrennung statt, bei der die dort befindliche Luft den eingeblasenen Brenn stoff teilweise verbrennt. Der dadurch erzeugte Druckanstieg verursacht einen Strahl aus Gas und Brennstoff-Luft-Gemisch durch die Düse 14a in ent gegengesetzter Richtung zurück in die Vorkammer l la, wo die Verbrennung weitergeht, so dass die Strah len zwischen den beiden Kammern so lange hin und her blasen, bis ein Druckausgleich eingetreten ist.
Schliesslich blasen beide Kammern ihren Inhalt durch die Düsen 13a, 14a gegeneinander und verursachen eine starke Turbulenz im Mündungsraum 18a, so dass dort noch der letzte unverbrannte Rest des Gemisches verbrannt wird.
Selbst eine Früheinspritzung des Brennstoffes, die einen hohen Druck in der Vor kammer lla zur Folge hat, erhöht den im Zylinder 15a auf den Kolben 16a wirkenden Druck während des Verbrennungsvorganges in der Vorkammer 11 a und der Luftspeicherkammer 12a nicht wesentlich. Der Druckanstieg in beiden Kammern wird in Geschwin digkeitsenergie umgewandelt, die das Hin- und Her blasen und dadurch eine schnellere Verbrennung bewirkt, ohne Temperatur und Druck im Zylinder in grösserem Masse zu beeinflussen.
Erst im letzten, im Mündungsraum 18a stattfindenden Stadium der Verbrennung, wenn sich beide Kammern 1 la und 12a entleeren und den Rest ihres unverbrannten Brenn stoff-Luft-Gemisches gegeneinanderblasen und in dem Raum 18a zwischen den Düsen der Verbrennungs vorgang beendet wird, wird der durch die Volumen vergrösserung der heissen Gase verursachte Druck anstieg sich im Zylinder 15a auswirken. Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich aber der Kolben 16a bereits abwärts, so dass das Indikatordiagramm nur einen verhältnismässig kleinen Druckanstieg zeigt. Motoren, die nach dem beschriebenen Verbrennungsverfahren arbeiten, laufen äusserst ruhig.
Fig. 4 und 5 zeigen eine Brennkammeranordnung, deren Kammern und Düsen den in Fig. 2 und 3 ge zeigten ähnlich sind. Diese Brennkammerbaugruppe ist mit einem Kühlmantel 35 versehen und ist mittels Schrauben 36 am Zylinder 15c befestigt.
Vorzugs weise werden bei Hochleistungsmotoren die Brenn- kammerwandungen und die Düsen durch schnell strömende Flüssigkeiten oder Luft gekühlt, wie dies beispielsweise bei 40 in Fig. 1 angedeutet ist, und zwar in Verbindung mit Kühlrippen, wie sie bei luft gekühlten Motoren üblich sind.
Fig.6 zeigt einen Zylinderkopf 17d mit Vor kammer 11d, Luftspeicherkammer 12d und Düsen 13d und 14d, welche die beiden Kammern l 1d und 12d mit dem Mündungsraum 18d verbinden. Der Mündungsraum 18 & d ist durch einen trichterförmigen Kanal 19d mit dem eigentlichen Zylinderraum 26d verbunden.
Zwei torusförmige, die Düsen umgebende Sekundärluftkammern 41 und 42, die von den Düsen und der gekühlten Brennkammerwandung gebildet werden, stehen mittels ringförmiger Schlitze 43 und 44 mit den Hauptkammern 11d und 12d in Verbin dung. Die durch gestrichelte Linien im Zylinderkopf 17d eingezeichneten Ventile 45 dienen als Einlass- und Auslassventile.
Die Wirkungsweise dieser Kammern ist folgende: Während des Kompressionshubes wird die Luft durch den trichterförmigen Kanal 19d in die Kammer 18d und dann durch die Düsen 13d und 14d in die Kam- mern 11d und 12d gedrückt. Aus diesen Kammern gelangt ein Teil der Luft durch die Schlitze 43 und 44 in die Sekundärluftkammern 41 und 42. Wenn durch die Einspritzvorrichtung 20d Brennstoff in die Kammer 11.d und in das weite Ende der Düse 13d eingespritzt wird, beginnt die Verbrennung.
Durch den dann eintretenden Druckanstieg wird das Luft- Brennstoff-Gasgemisch durch die Düsen 13d und 14d in die Luftspeicherkammer 12d getrieben, in der eine zweite explosionsartige Verbrennung stattfindet. Die aus der Vorkammer llid mit ausserordentlich hoher Geschwindigkeit mti dem Gasstrahl ausgestossenen Brennstofftröpfchen dringen in die in der Kammer 12d befindliche Druckluft ein, werden dabei fein verteilt und bilden mit der dort befindlichen Luft ein für vollkommene Verbrennung geeignetes Gemisch.
Der in der Kammer 12d entstehende Druckanstieg wird in der Düse 14d in Geschwindigkeit umgewan delt, und der Strahl gelangt wieder durch die Düse 13d in die Kammer 11d zurück, wobei ein Teil des Strahls an der engen Öffnung der Düse 13d in die Kammer 18d abgelenkt werden kann, in der frische Luft zur Verbrennung des vom Strahl mitgerissenen Brennstoffes bzw. brennenden Gases zur Verfügung steht. Der wieder in die Vorkammer eintretende Strahl wird eine weitere Verbrennung von überschüs sigem Gas und Brennstoff in dieser Kammer bewir ken. Die Mündungsöffnung der Düse 14d ist absicht lich grösser als diejenige der Düse 13d gewählt, so dass der erste aus der Düse 13d in die Düse 14d eintre tende Strahl in der Düse 14d als Injektor wirkt und zusätzliche Luft aus dem Raum 18d in die Kammer 12d mit sich führt.
Während der Verbrennung in den beiden Kammern 11 d und 12d wird natürlich bei dem in diesen Kammern erfolgenden Druckanstieg Luft und ein kleiner Anteil des Brennstoffes in die Se kundärluftkammern 41 und 42 gedrückt, in denen ein Luftüberschuss vorhanden ist.
Wenn nach den ersten Verbrennungsvorgängen und der Hin- und Herbewe- gung der Gasstrahlen zwischen den beiden Kammern der Kolben seinen Abwärtshub beginnt und aus bei den Kammern 11d und 12d Gas-Brennstoff-Luft- strahlen aus den Düsen im Mündungsraum 18d aus treten und aufeinander auftreffen und eine für eine vollkommene Verbrennung und Durchmischung ge eignete hohe Turbulenz erzeugen, dringt die Verbren nung im Raum 18d und durch den trichterförmigen Kanal 19d in den eigentlichen Zylinderraum 26d vor.
Der flüssige Brennstoff ist natürlich durch die im vorhergehenden beschriebenen Vorgänge vollständig vergast und, falls sich noch umverbrannter Brenn stoff in dem in den Zylinder<I>26d</I> eintretenden Gas strom befinden sollte, so wird er im Zylinder genau in derselben Weise verbrannt wie ein Gas-Luft-Ge misch im Zylinder eines Benzinmotors. In den Kam mern 11 d und 12d können sich aber noch immer etwas umverbrannter Brennstoff und Gase befinden, die, falls sie nicht sofort verbrannt werden, beim Abwärtshub des Kolbens in den eigentlichen Zylinder gelangen würden. Um diesen restlichen Brennstoff frühzeitig in den Kammern 11d und 12d beim Ab wärtshub des Kolbens verbrennen zu können, sind die Sekundärluftkammern 41 und 42 vorgesehen.
Diese enthalten nach der Beendigung des Hauptverbren- nungsvorganges noch überschüssige Luft, und diese Luft wird bei dem durch den Abwärtsgang des Kol bens bedingten Druckabfall aus den Sekundärkam mern in die Hauptkammern geblasen und verbrennt den dort noch vorhandenen Brennstoff. Die Sekun- därluftkammern 41 und 42 wirken auch als Wärme- isolierkammern, die eine Wärmeabführung durch das Kühlmittel verringern.
Während des letzten Teils des Kompressionshubes ist die Geschwindigkeit der durch die Düse 13d in die Kammer 11d eintretenden Luft am grössten und ist genügend gross, um selbst einen ziemlich kompakten Brennstoffstrahl sehr fein zu ver teilen, so dass der in diesen Luftstrahl hineingespritzte Brennstoff gründlich mit Luft durchmischt wird. Vor zugsweise wird der Brennstoffstrahl im wesentlichen in Richtung auf die Mitte oder direkt auf die Mitte der Düse 13;d gerichtet, so dass er von der hereinströmen den Luft erfasst und dann von den in umgekehrter Richtung fliessenden Strahl in die Vorkammer 12d hineingerissen werden kann.
Fig.7 zeigt dieselbe grundsätzliche Kammer anordnung, nämlich die Vorkammer 11e, die Luft speicherkammer 12e, den Mündungsraum 18e, die Düsen 133e und 14e und die Einspritzvorrichtung 20e. Die Einspritzvorrichtung 20e liegt in einem wasser gekühlten Gehäuse 25, das in den Zylinderkopf 17e eingesetzt ist. Die beiden Kammern 11e und 12e sind mit einer mehrteiligen Auskleidung 52 aus an sich bekanntem, wärmeisolierendem Werkstoff, z.
B. kera mischem Werkstoff, versehen, von welcher Ausklei dung jeder Teil nur eine geringe Berührungsfläche mit den gekühlten Kammerwänden hat, so dass enge Lufträume 53 zwischen dem grösseren Teil der Aussen fläche der Auskleidung und der gekühlten Kammer wandung verbleiben. Die Düsen 13e und 14e sind mit konischem Sitz in die nach innen gerichteten öffnun- gen der Kammern eingesetzt, so dass sie leicht aus gebaut werden können. Die Düsen sind mit Press- sitz in die Kammeröffnungen eingebaut, um eine gute wärmeleitende Verbindung mit der gekühlten Wan dung zu haben. Jede der Düsen besitzt einen Längs schlitz 54.
Die Düsen werden durch die Ausklei- dungen 52 in ihre Sitze gedrückt und dort gehalten.
Die Düsen 13d und 14d der Fig. 6 sind durch Rohrgewinde in den innern Öffnungen der Kammern befestigt. Sie sind ebenfalls vorzugsweise in Längs richtung geschlitzt. Die Schlitze 54, Fig. 7, wirken als eine Art federnde Sicherung, die die Düsen in ihrer Lage hält.
Fig. 8 und 9 zeigen eine Brennkammerbaugruppe 61, die an dem Zylinder 15f eines Motors mit gegen läufigen Kolben befestigt ist. Diese Baugruppe be steht aus _ einer Vorkammer 11f, einer Luftspeicher kammer 12f, einem Mündungsraum 18f mit einem trichterförmigen Kanal 19f, der diesen Raum mit dem Zylinderraum<B>26f</B> verbindet. Die beiden Kammern 11 f und<B>12f</B> sind mit Düsen<B>13f</B> und 14f versehen. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 20f ist in der Vor kammer 11 f in einem Winkel zur Düsenachse an geordnet.
Fig. 10 und 11 zeigen eine Kammerbaugruppe 61, die von einem Gehäuse 62 umschlossen wird, das mit einem abdichtenden Deckel 63 versehen ist. Kühl flüssigkeit wird durch öffnungen 65 in das Gehäuse geleitet. Nach Entfernen des Deckels 63 sind die Muttern 64 leicht zugänglich, nach deren Lösung die Baugruppe 61 vom Zylinder als Ganzes entfernt wer den kann.
Fig. 12 zeigt eine in einen Zylinderkopf 67 ein gesetzte Kammerbaugruppe 66. Die Kammergruppe ist eine geschweisste Stahlkonstruktion, die mit einem untern Flansch 68 an der das Ende des Zylinders verschliessenden Wand 69 des Zylinderkopfes ange schraubt ist. Der Flansch 68 ist mit einem nach unten vorstehenden Zentrierbund 70 versehen, der eng in eine entsprechende Aussparung 71 des Zylinderkopfes eingepasst ist, um eine dichte und feste Verbindung von Kammer und Zylinderkopf zu gewährleisten und gleichzeitig die trichterförmige Erweiterung 19g des Zylinderkopfes und das untere erweiterte Ende des Mündungsraumes 18g gut gegenüber dem Zylinder raum 26 auszurichten.
Die dünne Wandstärke dieser aus einem Stück bestehenden, geschweissten Kammer gruppe ermöglicht eine gute Kühlung in allen Seiten der Kammer, was für die Wandungen der Düsen mündungskammer von besonderer Wichtigkeit ist. Die Kammergruppe ist vorzugsweise verchromt. Die Gruppe besteht aus der Vorkammer 11g, der Luft speicherkammer 12g, deren sich gegenüberliegende Düsen 13g und 14g in den Mündungsraum 18g ein münden. Die Einspritzvorrichtung 20g ist bei 72 durch Gewindeverbindung mit der Kammer 11g ver bunden, und ihr nach aussen herausragender Teil wird in der Wand des Zylinderkopfes 67 mittels einer Mut ter 73, welche als Stopfbüchsenmutter für die Stopf büchse 74 dient, abdichtend geführt.
Die Wirkungsweise der in den Fig. 6 bis 12 ge zeigten Motoren wird im folgenden im einzelnen er klärt. In den üblichen Wirbelkammermotoren sind kleine Kammeröffnungen erforderlich, um gute Ver brennungsbedingungen durch schnellströmende Brenn stoff-Luft-Strahlen zu schaffen, die den Brennstoff in dem gewöhnlich ziemlich flach gestalteten, eigent lichen Verbrennungsraum oberhalb des Kolbens ver teilen. Bei einer derartigen Anordnung wird eine erhebliche Leistung verschwendet, um während des Verdichtungshubes die Luft durch die kleine öffnung hindurchzudrücken.
Bei den beschriebenen Aus führungen bläst jedoch beispielsweise die Vorkammer 11 d ihr Brennstoff-Luft-Gemisch in die Luftspeicher kammer 12d, welche ein Raum mit geringer Wand fläche, vorzugsweise ein kugelförmiger Raum ist. Der Strahl dringt also in die Mitte einer in einem kom pakten Raum konzentrierten Luftmasse ein. Die Düsenöffnungen der beiden Brennkammern können daher verhältnismässig gross sein, so dass die Reibungs- verluste beim Hindurchdrücken der Luft durch diese öffnungen während des Kompressionshubes und wäh rend des Blasvorganges klein gehalten werden können.
Vorzugsweise werden lange strömungsgünstig ge formte Düsen mit verhältnismässig grossen Quer schnitten verwendet, um kompakte Strahlen mit gro sser Durchschlagskraft zu erzeugen. Dabei kann die öffnung der Vorkammerdüse, beispielsweise 13d, kleiner als die der Vorkammerdüse, beispielsweise 14d, sein, so dass der aus der Düse 13d ausgeblasene Strahl durch die Düse 14d hindurchgeht, ohne mit der Kante dieser öffnung in Berührung zu kommen. Der Strahl übt dabei eine Injektorwirkung und reisst Luft aus der Kammer 18d in die Vorkammer 12d mit.
Die Grössen der Düsenöffnungen liegen vorzugsweise innerhalb der folgenden Grenzen: In der Vorkammer 3 bis 15% des Zylinderdurch messers, in der Luftspeicherkammer 5 bis 20% grösser als die Vorbrennkammerdüsen.
Die Rauminhalte der drei Brennkammern 11d, 12d und 13d liegen vorzugsweise innerhalb der fol genden Grenzen (in Prozenten des Gesamtinhaltes des Kompressionsraumes): Vorbrennkammer 15 bis 30% Vorkammer 20 bis 40 ,ä Düsenmündungskammer 15 bis 30 ö Der im Zylinder befindliche Teil des Kompres sionsraumes oberhalb des Kolbens wird so klein als möglich gehalten.
Die Düsen 13d und 14d verbinden die beiden Brennkammern 11d und 12d über den als dritte Brennkammer dienenden Mündungsraum 18d mit dem Zylinder. Der Mündungsraum erweitert sich trichterförmig in Richtung auf den Zylinder, um wäh rend des Kompressionshubes die Luftgeschwindig keiten allmählich erhöhen und während des Arbeits hubes die Geschwindigkeit der aus den Brennkam- mern austretenden Gase allmählich verringern zu können. Der flüssige Brennstoff ist durch die heftige Turbulenz und durch die hohe Verbrennungswärme fast völlig verdampft, nachdem er wiederholt von einer Kammer in die andere geblasen worden ist.
Noch unverbrannter Brennstoffdampf, der in den Zylinder raum gelangt und sich mit der zwischen Kolben und Zylinderkopf verbliebenen Luft vermischt, wird sofort in derselben Weise wie das Gasgemisch eines Ver gasermotors verbrannt. Um in den Brennkammern Wärmeverluste durch Abgabe von Wärme an die Kühlflüssigkeit zu verringern und die Brennkammer- wandungen auf einer hohen Temperatur zu halten, sind die Brennkammern mit hochwarmfesten Ausklei- dungen, wie beispielsweise bei 52 gezeigt, versehen, deren hohe Temperatur zur raschen Entzündung des eingespritzten Brennstoffes und zur völligen Verbren nung von schweren Heizölen beitragen.
Die von der Auskleidung der Kammern aufgenommene Wärme erhitzt während des Kompressionshubes die eintre tende Luft, so dass die bei dem vorangehenden Ver- brennungsvorgang auf die Auskleidung übertragene Wärme bei jedem neuen Arbeitsspiel ausgenützt wird. Hierdurch werden die Wärmeverluste erheblich her abgesetzt. Die Temperatur der Auskleidung wird durch die Grösse ihrer Berührungsflächen mit der gekühlten Wandung bzw. durch die Grösse der zwi schen dieser Wandung und der Auskleidung vorhan denen Lufträume 53 beeinflusst.
Die Düsen 13d und 14d können beispielsweise aus wärme- und korrosionswiderstandsfähigem Werkstoff oder aus hochwärmeleitfähigem Werkstoff wie Kup fer bestehen, wobei die Düsenöffnungen verchromt oder mit einer Auskleidung aus Stellit oder einem andern korrosionsfesten Werkstoff versehen sein kön nen. Ein an der Düse verwendetes Gewinde ist vor zugsweise mit Kupfer plattiert, um den Wärmeüber gang von der Düse auf die gekühlte Kammerwand zu erleichtern. Die Düse reicht mit ihrem weiten Ende in die Brennkammer hinein und hat vorzugsweise nur mit ihrem engen Ende mit der Wandung enge Be rührung, damit das vorstehende Ende der Düse zur Erleichterung der Zündung heiss bleiben kann.
Eine völlige und wirtschaftliche Verbrennung in schnellaufenden Dieselmotoren lässt sich kaum ohne durch eine Teilverbrennung hervorgerufene Tur bulenz von Luft und Brennstoff ermöglichen. Das anfängliche wiederholte Ausstossen von Strahlen aus den beiden Kammern und die heftige Turbulenz durch das Aufeinandertreffen dieser Strahlen gegen Ende des Verbrennungsvorganges ermöglicht es erst, eine vollkommene Mischung von Brennstoff und Luft zu erzeugen. Dies kann naturgemäss nicht im Zylinder raum erreicht werden, sondern nur ausserhalb des selben. Höhere Drehzahlen erfordern eine schnel lere Verbrennung, und höhere Aufladungen erfor dern eine ausserhalb des Zylinderraumes stattfindende Verbrennung.
In allen beschriebenen Fällen wird durch hohe Turbulenz ein vollkommenes Brennstoff- Luft-Gemisch erzeugt.
Die Erfindung kann auch bei Motoren angewen det werden, die mit niedrigeren Kompressionsdrücken als Dieselmotoren arbeiten und Zünd- oder Glüh- kerzen als Zündeinrichtung in der Vorbrennkammer benötigen. Die Höchstdrücke können so niedrig ge halten werden, dass der Motor in der bei Benzin motoren üblichen Bauart hergestellt werden kann.
Combustion chamber arrangement in an injection internal combustion engine working with air compression The invention relates to a combustion chamber arrangement which is assigned to a working cylinder of an injection internal combustion engine working with air compression and which has an antechamber into which all of the fuel is injected and an air storage chamber which has chambers in a the estuary lying between them.
The combustion chamber arrangement according to the inven tion is characterized in that the antechamber and air storage chamber are provided at their mouths with at least approximately coaxial nozzles, which are designed and at least at the beginning of the combustion process are so close to each other that the greater part of the from the Pre-chamber exiting jet enters the air storage chamber through the mouth space, in which further combustion takes place. It goes without saying that the combustion gases supplied to the orifice space by both chambers ultimately act on the piston located in the working cylinder.
Any type of fluid fuel can be used in such a chamber arrangement, such as diesel oil, distillates, inexpensive heating oils, gasoline as well as butane and other gases. The combustion chamber arrangement can operate with compression ignition, glow plugs or spark plugs, with spark plugs being used at low compression ratios and when starting. The maximum pressures and temperatures are limited to the antechamber. A fixed or a variable distance can be provided between the nozzle openings. The nozzles can work in red heat and even in white heat, especially if the engine is using heavy fuel oils as fuel.
Embodiments of the internal combustion engine of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, of which: FIGS. 1, 2 and 3 show three different exemplary embodiments: FIGS. 4 and 5 show another exemplary embodiment in two perpendicular sectional views ; Figure 6 shows a section similar to Figure 2 of a further, improved embodiment;
Figure 7 is a view similar to Figure 6 of a further improved embodiment; Figures 8 and 9 are similar views to Figures 4 and 5, also showing further developed embodiment forms; 10 and 11 show, in views similar to FIGS. 8 and 9, an embodiment with a water-cooled combustion chamber, and FIG. 12 shows a welded construction of a combustion chamber group inserted in a cylinder head.
In all the figures, corresponding parts are denoted by similar reference numbers.
In the combustion chamber arrangement according to FIG. 1, the antechamber with 11, the air storage chamber with 12, the nozzles with 13 and 14, the cylinder with 15, the piston with 16, the cylinder head with 17, the orifice with 18, the injection device with 20 and a glow or spark plug with 21 denotes net. The corresponding parts of FIG. 2 are designated 11a, 12a, etc. and in Fig. 3 with 11b, 12b, etc. be.
In Fig. 1, the prechamber 11 is in the cylinder head 17 and the air storage chamber 12 in the piston 16. In Fig. 2, the prechamber 11a and the air storage chamber 12a are both in the cylinder head 17a. The piston head consists of an upwardly conically tapered outer part 22, which ends with an edge 23, and a dome-shaped inner part 24. The cylinder shown in this figure belongs to a two-stroke engine whose scavenging and exhaust slots are not shown.
The higher the charge, the more of the excess air that is not required for combustion can be left in the space between the cylinder head and piston in order to serve as a heat insulator there. When the combustion gases begin to flow into the cylinder, this relatively cool air is pressed against the piston rings 25 and largely prevents the hot combustion gases from coming into contact with the rings. In the case of aircraft engines in particular, water can also be injected, which preferably takes place in the antechamber.
According to FIG. 3, two identical combustion chamber arrangements are assigned to the cylinder 15b. The chambers 11b and 12b are arranged to the side of the cylinder 15b in which the two counter-rotating Kol ben 16b move back and forth.
The combustion chamber arrangement shown in Fig. 1 consists of the two separate chambers 11 and 12, each with a nozzle 13 and 14, which are very close to each other in the top dead center position and open in this position in a small, gap-shaped mouth space 18, which with downward movement of the piston 16 to the cylinder chamber 26 it expands. The chamber 11 acts as an antechamber and the chamber 12 as an air storage chamber. The latter is arranged according to FIG. 1 within the piston.
The two chambers and the orifice can, as shown in Fig. 2 and 3, be arranged away from the piston, from the cylinder wall and from the valves, so that neither the fuel and flame jet impinges on these parts, nor from the main hearth the combustion heat can be transferred from close proximity to these vital parts by radiation.
During operation, for example in FIG. 2, the pressure increase caused by the injection of fuel from the injection device 20a in the vicinity of the top dead center of the piston 16 within the prechamber 11a at the beginning of the combustion is a jet mixed with combustion products, air and fuel that emerges from this antechamber at high speed.
The major part of this stream goes through the mouth space 18a and enters the air storage chamber 12a, while a small part of the jet is braked in the mouth space 18a. A second combustion takes place in the air storage chamber, during which the air located there partially burns the injected fuel. The pressure increase generated thereby causes a jet of gas and fuel-air mixture through the nozzle 14a in the opposite direction back into the antechamber 11a, where the combustion continues, so that the jets blow back and forth between the two chambers for so long until the pressure has equalized.
Finally, both chambers blow their contents against one another through the nozzles 13a, 14a and cause a strong turbulence in the mouth space 18a, so that the last unburned remainder of the mixture is burned there.
Even an early injection of the fuel, which has a high pressure in the front chamber 11a, does not significantly increase the pressure acting on the piston 16a in the cylinder 15a during the combustion process in the antechamber 11a and the air storage chamber 12a. The increase in pressure in both chambers is converted into speed energy, which blows the back and forth and thereby causes faster combustion without affecting the temperature and pressure in the cylinder to any great extent.
Only in the last stage of combustion taking place in the mouth space 18a, when both chambers 11a and 12a empty and the rest of their unburned fuel-air mixture blow against each other and the combustion process is ended in space 18a between the nozzles, is the through the increase in volume of the hot gases caused the pressure increase in the cylinder 15a. At this point in time, however, the piston 16a is already moving downwards, so that the indicator diagram shows only a relatively small increase in pressure. Engines that use the combustion process described run extremely smoothly.
Fig. 4 and 5 show a combustion chamber arrangement, the chambers and nozzles of the ge in Fig. 2 and 3 showed are similar. This combustion chamber assembly is provided with a cooling jacket 35 and is fastened to the cylinder 15c by means of screws 36.
In high-performance engines, the combustion chamber walls and the nozzles are preferably cooled by fast-flowing liquids or air, as indicated, for example, at 40 in FIG. 1, in conjunction with cooling fins, as are customary in air-cooled engines.
Fig. 6 shows a cylinder head 17d with front chamber 11d, air storage chamber 12d and nozzles 13d and 14d, which connect the two chambers l 1d and 12d with the orifice space 18d. The mouth space 18 & d is connected to the actual cylinder space 26d by a funnel-shaped channel 19d.
Two toroidal secondary air chambers 41 and 42 surrounding the nozzles, which are formed by the nozzles and the cooled combustion chamber wall, are in communication with the main chambers 11d and 12d by means of annular slots 43 and 44. The valves 45 drawn in by dashed lines in the cylinder head 17d serve as inlet and outlet valves.
The mode of operation of these chambers is as follows: During the compression stroke, the air is pressed through the funnel-shaped channel 19d into the chamber 18d and then through the nozzles 13d and 14d into the chambers 11d and 12d. From these chambers some of the air passes through the slots 43 and 44 into the secondary air chambers 41 and 42. When fuel is injected into the chamber 11.d and the wide end of the nozzle 13d by the injector 20d, combustion begins.
As a result of the pressure increase which then occurs, the air-fuel-gas mixture is driven through the nozzles 13d and 14d into the air storage chamber 12d, in which a second explosive combustion takes place. The fuel droplets ejected from the antechamber 11id at an extraordinarily high speed with the gas jet penetrate the compressed air in the chamber 12d, are finely distributed and, with the air located there, form a mixture suitable for complete combustion.
The pressure increase in the chamber 12d is converted into speed in the nozzle 14d, and the jet returns through the nozzle 13d into the chamber 11d, part of the jet being deflected into the chamber 18d at the narrow opening of the nozzle 13d in which fresh air is available for burning the fuel or burning gas carried along by the jet. The jet re-entering the antechamber will cause further combustion of excess gas and fuel in this chamber. The opening of the nozzle 14d is intentionally larger than that of the nozzle 13d, so that the first jet entering the nozzle 14d from the nozzle 13d acts as an injector in the nozzle 14d and additional air from the space 18d into the chamber 12d leads himself.
During the combustion in the two chambers 11d and 12d, air and a small proportion of the fuel is pressed into secondary air chambers 41 and 42, in which there is an excess of air, when the pressure increases in these chambers.
When, after the first combustion processes and the back and forth movement of the gas jets between the two chambers, the piston begins its downward stroke and from the chambers 11d and 12d gas-fuel-air jets emerge from the nozzles in the mouth space 18d and meet and generate a high level of turbulence suitable for perfect combustion and mixing, the combustion penetrates into space 18d and through the funnel-shaped channel 19d into the actual cylinder space 26d.
The liquid fuel is of course completely gasified by the processes described above and, if there is still burned fuel in the gas stream entering the cylinder <I> 26d </I>, it is burned in the cylinder in exactly the same way like a gas-air mixture in the cylinder of a gasoline engine. In the chambers 11d and 12d, however, there may still be some reburned fuel and gases which, if they are not burned immediately, would get into the actual cylinder on the downstroke of the piston. In order to be able to burn this remaining fuel early in the chambers 11d and 12d during the downward stroke of the piston, the secondary air chambers 41 and 42 are provided.
After the end of the main combustion process, these still contain excess air, and this air is blown out of the secondary chambers into the main chambers when the piston moves downwards and burns the fuel still present there. The secondary air chambers 41 and 42 also act as heat insulating chambers, which reduce heat dissipation by the coolant.
During the last part of the compression stroke, the speed of the air entering the chamber 11d through the nozzle 13d is greatest and is large enough to distribute even a fairly compact fuel jet very finely, so that the fuel injected into this air jet is thoroughly aired is mixed. The fuel jet is preferably directed essentially in the direction of the center or directly at the center of the nozzle 13; d, so that it can be caught by the air flowing in and then drawn into the antechamber 12d by the jet flowing in the opposite direction.
7 shows the same basic chamber arrangement, namely the antechamber 11e, the air storage chamber 12e, the mouth space 18e, the nozzles 133e and 14e and the injection device 20e. The injection device 20e is located in a water-cooled housing 25 which is inserted into the cylinder head 17e. The two chambers 11e and 12e are provided with a multi-part lining 52 made of a heat-insulating material known per se, e.g.
B. kera mix material, provided of which lining each part has only a small contact area with the cooled chamber walls, so that narrow air spaces 53 remain between the larger part of the outer surface of the liner and the cooled chamber wall. The nozzles 13e and 14e are inserted with a conical seat into the inwardly directed openings of the chambers so that they can be easily removed. The nozzles are built into the chamber openings with a press fit in order to have a good heat-conducting connection with the cooled wall. Each of the nozzles has a longitudinal slot 54.
The nozzles are pushed into their seats by the linings 52 and held there.
The nozzles 13d and 14d of Fig. 6 are fastened by pipe threads in the inner openings of the chambers. They are also preferably slotted in the longitudinal direction. The slots 54, Fig. 7, act as a type of resilient lock that holds the nozzles in place.
8 and 9 show a combustion chamber assembly 61 which is attached to the cylinder 15f of an engine with counter-rotating pistons. This assembly consists of an antechamber 11f, an air storage chamber 12f, an opening space 18f with a funnel-shaped channel 19f, which connects this space with the cylinder space <B> 26f </B>. The two chambers 11f and <B> 12f </B> are provided with nozzles <B> 13f </B> and 14f. The fuel injector 20f is arranged in the front chamber 11 f at an angle to the nozzle axis.
10 and 11 show a chamber assembly 61 which is enclosed by a housing 62 which is provided with a sealing cover 63. Cooling liquid is passed through openings 65 into the housing. After removing the cover 63, the nuts 64 are easily accessible, after which the assembly 61 removed from the cylinder as a whole who can.
12 shows a chamber assembly 66 set in a cylinder head 67. The chamber group is a welded steel construction which is screwed with a lower flange 68 to the wall 69 of the cylinder head closing the end of the cylinder. The flange 68 is provided with a downwardly projecting centering collar 70 which is fitted tightly into a corresponding recess 71 in the cylinder head in order to ensure a tight and firm connection between the chamber and cylinder head and at the same time the funnel-shaped extension 19g of the cylinder head and the lower widened end of the mouth space 18g to align well with respect to the cylinder space 26.
The thin wall thickness of this one-piece, welded chamber group enables good cooling in all sides of the chamber, which is of particular importance for the walls of the nozzle orifice chamber. The chamber group is preferably chrome-plated. The group consists of the antechamber 11g, the air storage chamber 12g, the opposing nozzles 13g and 14g of which open into the mouth space 18g. The injector 20g is connected to the chamber 11g by a threaded connection at 72, and its outwardly protruding part is sealingly guided in the wall of the cylinder head 67 by means of a nut 73, which serves as a gland nut for the stuffing box 74.
The operation of the ge in Figs. 6 to 12 engines shown is explained in detail below. In the usual vortex chamber engines small chamber openings are required to create good combustion conditions Ver by fast-flowing fuel-air jets that share the fuel in the usually rather flat, actual combustion chamber above the piston ver. In such an arrangement, a considerable amount of power is wasted in order to force the air through the small opening during the compression stroke.
In the embodiments described, however, for example, the prechamber 11d blows its fuel-air mixture into the air storage chamber 12d, which is a space with a small wall area, preferably a spherical space. The jet penetrates the middle of an air mass concentrated in a compact space. The nozzle openings of the two combustion chambers can therefore be relatively large, so that the friction losses when the air is pushed through these openings during the compression stroke and during the blowing process can be kept small.
Long, aerodynamically shaped nozzles with relatively large cross-sections are preferably used in order to generate compact jets with great penetrating power. The opening of the prechamber nozzle, for example 13d, can be smaller than that of the prechamber nozzle, for example 14d, so that the jet blown out of the nozzle 13d passes through the nozzle 14d without coming into contact with the edge of this opening. The jet exerts an injector effect and entrains air from the chamber 18d into the antechamber 12d.
The sizes of the nozzle openings are preferably within the following limits: In the pre-chamber 3 to 15% of the cylinder diameter, in the air storage chamber 5 to 20% larger than the pre-combustion chamber nozzles.
The volume of the three combustion chambers 11d, 12d and 13d are preferably within the following limits (as a percentage of the total volume of the compression chamber): Pre-combustion chamber 15 to 30%, antechamber 20 to 40, ä nozzle opening chamber 15 to 30 ö The part of the compression chamber located in the cylinder above the piston is kept as small as possible.
The nozzles 13d and 14d connect the two combustion chambers 11d and 12d to the cylinder via the opening space 18d serving as a third combustion chamber. The orifice space widens like a funnel in the direction of the cylinder in order to gradually increase the air velocities during the compression stroke and to be able to gradually reduce the velocity of the gases emerging from the combustion chambers during the working stroke. The liquid fuel has almost completely evaporated due to the violent turbulence and the high heat of combustion after it has been repeatedly blown from one chamber to the other.
Still unburned fuel vapor that enters the cylinder space and mixes with the air remaining between the piston and cylinder head is immediately burned in the same way as the gas mixture of a Ver gas engine. In order to reduce heat losses in the combustion chambers by releasing heat to the cooling liquid and to keep the combustion chamber walls at a high temperature, the combustion chambers are provided with highly heat-resistant linings, as shown for example at 52, the high temperature of which enables the rapid ignition of the injected fuel and contribute to the complete combustion of heavy fuel oils.
The heat absorbed by the lining of the chambers heats the incoming air during the compression stroke, so that the heat transferred to the lining during the preceding combustion process is used for each new work cycle. This significantly reduces the heat losses. The temperature of the lining is influenced by the size of its contact surfaces with the cooled wall or by the size of the air spaces 53 which exist between this wall and the lining.
The nozzles 13d and 14d can for example be made of heat and corrosion-resistant material or of highly thermally conductive material such as Kup fer, the nozzle openings being chrome-plated or lined with stellite or another corrosion-resistant material. A thread used on the nozzle is preferably plated with copper in order to facilitate the heat transfer from the nozzle to the cooled chamber wall. The wide end of the nozzle extends into the combustion chamber and preferably only has close contact with the wall at its narrow end so that the protruding end of the nozzle can remain hot to facilitate ignition.
Complete and economical combustion in high-speed diesel engines can hardly be made possible without the turbulence of air and fuel caused by partial combustion. The initial repeated ejection of jets from the two chambers and the violent turbulence caused by the meeting of these jets towards the end of the combustion process make it possible to produce a perfect mixture of fuel and air. Naturally, this cannot be achieved in the cylinder space, but only outside the same. Higher speeds require faster combustion, and higher charges require combustion taking place outside the cylinder space.
In all the cases described, a perfect fuel-air mixture is generated by high turbulence.
The invention can also be used in engines which operate with lower compression pressures than diesel engines and which require ignition or glow plugs as an ignition device in the pre-combustion chamber. The maximum pressures can be kept so low that the engine can be manufactured in the type customary for gasoline engines.