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Dieselmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Dieselmaschine,
die eine Verbrennungskammer aufweist, in welche der Brennstoff eingespritzt wird.
Diese Verbrennungskammer ist der jeweiligen Zylinderbohrung zugeordnet und steht-mit
ihr durch eine Mündung in Verbindung, in welcher ein pfropfenartiges Einsatzstück,
nachstehend kurz :>Heißpfropfen« genannt, angeordnet ist. Der Heißpfropfen steht
gewöhnlich nur in begrenztem Umfange in wärmeleitender Berührung mit den ihm benachbarten
gekühlten Wandungen, außerdem weist der Pfropfen wenigstens einen Durchgangskanal
auf, durch den Verbrennungsluft bei jedem Verdichtungsbub in die Verbrennungskammer
hineingedrückt wird; andererseits strömen durch diesen Kanal aus der Verbrennungskammer
die Verbrennungsprodukte sowie Brennstoff und Luft beim Vorgang des Verbrennens
während jedes Arbeitshubes in den Zylinder.
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Bei Brennkraftmaschinen der erwähnten Art ist die Form der Verbrennungskammer
und die Anordnung des Durchgangs:lcanals bzw. der Durchgangskanäle im allgemeinen
derart, daß die durch den Kanal in die Kammer hineingedrückte Luft innerhalb der
Kammer eine zielbewußt erzeugte Drehbe egung um eine Achse herum ausführen muß.
Hierbei wird der Brennstoff in diese sich drehende Luftmenge eingespritzt. Die Drehbewegung
der Luft trägt dazu bei, den Brennstoff in der Luft richtig zu verteilen. Die Erfindung
ist insbesondere auf Brennkraftmasc'hinen der erörterten Art anwendbar, bei denen
die Verbrennungskammer etwa sphärisch oder kugelförmig ausgebiIdet ist, wie dies
beispielsweise in der deutschen Patentschrift 645 621 dargestellt und beschrieben
ist. Die Verbrennungskammer kann aber auch im Querschnitt, der durch di.e Rotationsachse
hindurchgeführt ist, als flaches Oval ausgebildet sein, wie dies beispielsweise
in der österreichischen Patentschrift 150 185 dargestellt und beschrieben ist.
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Bei derartigen Brennkraftmaschinen ist der Heißpfropfen hohen Temperaturen
und Wärmebeanspruchungen ausgesetzt, die sich als Funktion der Belastung ändern.
Um Betriebsstörungen zu vermeiden, muß der Heißpfropfen bezüglich seines Materials
hohen Qualitätsanforderungen entsprechen, d. h., er muß gegen ein Verbrennen sehr
widerstandsfähig sein, er soll einen niedrigen Elastiz.itätsmodul besitzen, einen
niedrigen Ausdehnungskoeffizienten sowie hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Zugfestigkeit
gegen Beanspruchung und einen hohen Widerstand gegen Kriechen 'haben. Stahl und
Gußeisen haben diese Eigenschaften in hinreichendem Maße, aber es ist festgestellt
worden, daß Heißpfropfen unter hoher Belastungsbeanspruchung leicht reißen, -,wenn
sie aus diesen beiden Materialien hergestellt sind. 'Nickel-Chrom-Legierungen, die
gegenüber Korrosion und Oxydation widerstandsfähig sind und sich nicht ständig unter
dem Einfluß hoher Temperaturen verformen, sind gleichfalls leicht erhältlich; sie
haben die gewünschten Eigenschaften in hinreichendem Maße.
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Bei den meisten Brennkraftrnaschinen der erwähnten Art ist der Durchgangskanal
derart angeordnet, daß die gewünschte Umlaufbewegung der in der Verbrennungskammer
befindlichen Ladung erreicht wird. Die notwendige tangentiale Anordnung des Kanals
hat zur Folge, daß an dem Heißpfropfen an jedem Ende des Kanals scharfe Winkelkanten
od. dgl. entstehen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei Brennkraftmaschinen mit Verbrennungskammern,
die etwa sphärischen oder kugelförmigen Querschnitt besitzen und einen einzigen
Durchtrittskanal aufweisen, Risse besonders leicht an diesen winkelförmigen Kanalkanten
entstehen bzw. zu entstehen beginnen. Sind die Brennkraftmasc'hinen mit Verbrennungskammern
versehen, die, wie oben erwähnt, im Querschnitt nach Art eines flachen Ovals ausgebildet
sind und zwei Durchgangskanäle aufweisen, so bilden sich Risse besonders leicht
zwischen diesen Kanälen. Es ist nicht anzunehmen, daß diese Rißbildung ihre Ursache
in den Verbrennungsdrücken oder in den hohen statischen Wärmebeanspruchungen bei
hoher Belastung haben; vielmehr ist die Ursache in einer Ermüdung zu sehen, die
durch Änderungen der Wärmebeanspruchung infolge wiederholter Änderungen der Maschinenbelastung
verursacht ist. Im Betriebe
entstehen erhebliche Temperaturgradienten
zwischen dem heißen Teil des Heißpfropfens unmittelbar in der Nähe bzw. der Durchgangskanäle
und im Falle des Vorhandenseins zweier Kanäle zwischen diesen beiden; denn die Verbrennungsgase
treten mit hoher Geschwindigkeit durch den bzw. die Kanäle hindurch; das jeweils
andere Ende des Temperaturgradienten befindet sich an den kühleren Umfangsteilen
des Heißpfropfens. Das Maß dieser Temperaturgradienten hängt ab und ändert sich
mit den Änderungen der Maschinenbelastung. Die Beanspruchungen, die ihre Ursache
in diesen Temperaturgradienten haben, sind sehr verwickelter Natur einerseits wegen
der Gestalt des Heißpfropfens, andererseits wegen der Passung, die üblicherweise
zwischen einem äußeren Flansch des Pfropfens und der umgebenden gdkiihlten Wandung
verwendet wird, um den Pfropfen richtig zu halten und zu lagern, ferner wegen der
üblicherweise asymmetrischen Anordnung des bzw. der Durchgangskanäle in dem Heißpfropfen
und wegen des Zusammenwirkens bestimmter Teile des Pfropfens mit der Ausdehnung
und Zusammenziehung anderer Teile. Außerdem spielen fluktuierende Wärmespannungen
in den Oberflächenschichten des dem Verbrennungsvorgang ausgesetzten Materials eine
Rolle. Obwohl diese Wärmebeanspruchungen auf die genannten Schichten beschränkt
sind, können sie doch an den obenerwähnten spitzwinkligen Kanten eine Konzentration
'hoher örtlicher Wärmebeanspruchung zur Folge haben, infolgedessen können sie mit
eine Ursache dafür sein, daß die vorerwähnten Risse entstehen. In diesem Zusammenhang
kann davon ausgegangen werden, daß der stärkste Wärmefluß an der Oberfläche des
bzw. der Durchgangskanäle stattfindet. Der resultierenden Dehnung wirkt der verhältnismäßig
starre kühlere umgebende Teil des Pfropfens entgegen. Dies hat zur Folge, daß das
den Durchgangskanal unmittelbar umgebende ,Material bzw. das zwischen den Kanälen
beim Vorhandensein zweier Kanäle befindliche Material hohen Druckbeanspruchungen
ausgesetzt ist. Außerdem wird das Material plastische Verformungen erleiden, wenn
die Druckbeanspruchung bei der jeweils erreichten Temperatur den Punkt überschreitet,
bei welchem das Material nachgibt. Diese Nachgiebigkeit des Materials wird einen
Ausgleich der Spannungen zulassen, die beim Betriebe unter Last auftreten, allerdings
werden hierdurch Zugspannungen ausgelöst, -%zenn sich der Pfropfen abkühlt. Diese
Zugbeanspruchungen sind jedoch auf den Wert beschränkt, der der Beanspruchung entspricht,
bei welcher das heiße Material unter Druck nachgibt; daher reichen diese Zugbeanspruchungen
selbst nicht aus, um die erwähnte Rißbildung einzuleiten. Wenn sie sich aber wiederholt
einstellen, und zwar infolge Belastungswechsels im Betriebe sowie durch Anhalten
und neues Starten der Maschine, so wird dies wahrscheinlich schließlich zu Ermüdungsbeanspruchungen
und damit zu den Rißbildungen führen.
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Es hat sich erwiesen, daß die Neigung zu Rißbildungen an den scharfen
Winkelkanten reduziert werden kann, sofern diese Kanten mit einem Radius abgerundet
werden. Dies aber beeinträchtigt die Wirkungsweise der Maschine, wenn der Radius
verhältnismäßig groß gewählt wird; im übrigen bietet diese Maßnahme keine Lösung
des Problems für hohe Leistungen.
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Bei einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung wird in dem Heißpfropfen
wenigstens ein Schlitz vorgesehen, der vom Umfang des Pfropfens aus in den Pfropfenkörper
hineinragt und bezweckt, die Wärmespannungen in dem Pfropfen, die durch thermische
Ausdehnungen und Zusammenziehungen bedingt sind, auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
Für gewöhnlich wird nur ein einziger Schlitz vorgesehen, und für den Fäll, daß der
Pfropfen nur einen einzigen Durchgangskanal aufweist, erstreckt sich dieser Schlitz
zweckmäßig vom Umfang des Pfropfens aus in den Durchgangskanal hinein, derart, daß
das innere Schlitzende in der Längsrichtung des Kanals verläuft. Diese Anordnung
ist insbesondere mit Vorteil bei Maschinen anwendbar, die mit einer, wie oben erwähnt,
annähernd sphärischen oder kugelförmigen Verbrennungskammer ausgestattet sind. Hierbei
mündet also das innere Ende des Schlitzes in den Durchgangskanal und bildet mit
ihm zusammen einen Schlitz, der etwa die Form eines Schlüsselloches hat. Bei einer
solchen Anordnung liegt der Schlitz im übrigen zweckmäßig in einer Ebene, die auch
durch die Längsachse des Durchgangskanals hindurchgeht. Da in vielen Fällen die
Längsachse des Durchtrittskanals in einer Ebene liegt, die auch die Achse des Pfropfens
enthält, d. h. jene Achse, die die Achse des den Pfropfen bildenden Rotorkörpers
darstellt, so wird der Schlitz in vielen Fällen in der Ebene liegen, in der zugleich
die Pfropfenachse und die Längsachse des Durchgangskanals liegen. Sind zwei Durchgangskanäle
vorgesehen, so kann in jedem von ihnen ein derartiger Schlitz einmünden.
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Münden die Durchgangskanäle infolge ihrer Neigung in scharfen Winkelkanten
aus, wie dies oben erwähnt wurde, so öffnet sich das innere Schlitzende zweckmäßig
durch eine dieser Kanten. Auf diese Weise findet in hohem Maße eine Entlastung der
Wärmespannungen statt, die bisher zur Folge hatten, daß sich die Risse an diesen
scharfen Kanten ausbildeten.
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Wird die Erfindung bei einer Maschine angewendet, die eine Verbrennungskammer
mit einem flachen ovalen Querschnitt besitzt, so erstreckt sich der Schlitz zweckmäßig
etwa in radialer Richtung vom Umfang des Pfropfens aus bis zu einem Punkt, der etwa
in der Mitte des Pfropfens liegt. Ist der Pfropfen mit zwei Durchgangskanälen versehen,
so endet der Schlitz zweckmäßig in der Nachbarschaft des Steges zwischen den beiden
Durchgangskanälen. Wenn eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung anfänglich unter
Vollast bzw. schwerer Belastung läuft, so hat der Schlitz das Bestreben, sich zu
verengen, und zwar wegen der am Umfang stattfindenden Wärmedehnung des Pfropfenflansches
in der Bohrung der Ausspazung des Zylinderkopfes. Da die Wärmedehnungsspannungen
die herabgesetzte Festigkeit des Pfropfenmaterials in den Bereichen hoher Temperatur
überschreiten, kann der Fall eintreten, daß der Pfropfenflansch im Betriebe ständigen
Beanspruchungen ausgesetzt ist. Wenn der Pfropfenflansch sich jedoch abkühlt rund
zusammenzieht, so kann sich in der Aussparung ein Spiel bilden. Der Schlitz kann
auch bei kalten 'Betriebsbedingungen erheblich enger werden, und zwar vornehmlich
an seinem äußeren Ende, wo er durch den Umfang des Pfropfens hindurchragt; in geringerem
Maße kann der Schlitz aber auch an seinem inneren Ende enger werden, wo, wie erwähnt,
in vielen Fällen seine Einmündung in den Durchgangskanal liegt. Beim anschließenden
Betrieb der Maschine wird sich der Schlitz je nach den Betriebsbedingungen aufweiten
und schließen. Der Paßsitz des Flansches bzw. der Halterungsteile des Pfropfens
in der kühleren umgebenden Wandung wird sich ändern'; auf
diese
Weise wird in einem erheblichen Umfang den Wärmespannungen entgegengewirkt, die
sich sonst einstellen würden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung
zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele hervor.
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Fig. 1 zeigt im Querschnitt den oberen Teil eines Zylinders und des
Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung. Der Schnitt ist durch
die Achse der Verbrennungskammer, die Längsachse des Durchgangskanals und die Zylinderachse
hindurchgeführt; Fig.2 zeigt in größerem Maßstabe und im Querschnitt einen Heißpfropfen,
wie er bisher bei derartigen Maschinen Verwendung fand. In der Zeichnung ist angedeutet,
wo die Rißbildung bisher eintrat; Fig. 3 zeigt den Heißpfropfen nach Fig. 2 in Ansieht
von unten; Fig. 4 zeigt einen Heißpfropfen nach der Erfindung, wie er hei der Anordnung
nach Fig. 1 verwendet wird, vor der Inbetriebsetzung der Maschine, und zwar von
unten her gesehen; Fig. 5 entspricht etwa der F ig. 4 und veranschaulicht, welche
Form der Heißpfropfen annimmt, wenn er kalt wird, nachdem die Maschine eine zeitlang
im Betrieb gewesen ist; Fig. 6 zeigt ähnlich der Fig. 1 .eine Abänderun.gsform der
Erfindung. Der Schnitt ist längs der Linie 6-6 der Fig. 9 geführt; Fig. 7 und 8
entsprechen etwa den Fig. 2 und 3 und zeigen eine Ausführung des Heißpfropfens,
wie :e bisher bei solchen Maschinen verwendet wurde; Fig.9 und 10 veranschaulichen
in ähnlicher Darstellung, wie die Fig. 4 und 5 den Heißpfropfen bei der Ausführungsform
der Erfindung nach Fig.6.
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Bei der Bauart nach Fig. 1 besteht die Anordnung aus einem Zylinderblock
1 mit mehreren Hülsen, von denen die eine bei 2 veranschaulicht ist; diese Hülsen
bilden die Zylinder. Ein Zylinderkopf 3 ist mit den üblichen Ein- und Auslaßöffnungen
versehen, die in h"ekannter Weise mittels Ventile steuerbar sind. Die Öffnungen
und die Ventile sind in dem Querschnitt nicht mit dargestellt; sie weisen die bekannten
Ausführungsformen auf und bilden keinen Gegenstand der Erfindung.
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Im Zylinderkopf ist eine Verbrennungskammer 4 vorgesehen, die .gleichfalls
eine bekannte Ausführungsform aufweist. Die Verbrennungskammer 4 besitzt eine im
wesentlichen zylindrische Mündungsöffnung, die über die Bohrung des Zylinders 2
hinwegragt und mit ihr daher in Verbindung steht. Die Verbrennungskammer 4 hat ein
halbkugelförmiges oberes Ende, in (las eine Bohrung 6 einmündet. Diese Bohrung bildet
das Aufnähmegehäuse für eine Brennstoffeinspritzdüs.e 7.
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In der zylindrischen Mündungsöffnung der Verbrennungskammer 4 ist
in an sich bekannter Weise ein Heißpfropfen 8 angeordnet. Die Außenfläche dieses
Pfropfens. ist im wesentlichen zylindrisch gestaltet und liegt in einem Abstand
von der Wandung der Raummündung mit Ausnahme des Flansches 9 am unteren Ende des
Pfropfens, der innerhälb einer ringförmigen Aussparung oder Erweiterung am unteren
Mündungsende liegt und mit der Wandung dieser Aussparung in Berührung steht, wie
dies bei Maschinen der hier in Rede stehenden Bauart üblich ist.
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Der Heißpfropfen besitzt eine etwa kugelförmige Innenwandung 10, welche
mit dem Teil 5 der Verbrennungskammer etwa eine kugelförmige Verbrennungskammer
bildet, die mit der Zylinderbohrung über einen Durchgangskanal 11 in Verbindung
steht. Dieser Kanal 11 befindet sich in dem Heißpfropfen und ist so angeordnet,
daß die bei jedem Verdi.chtungshub der Maschine durch den Kanal hindurchgedrückte
Luft dazu gezwungen wird, innerhalb der Verbrennungskammer zu rotieren, und zwar
etwa um eine waagerechte Achse, welche senkrecht auf der Ebene steht, in der sowohl
die Achse der Verbrennu.ngskammer, d. h. also die senkrechte Achse, um die die Kammerwandung
einen Drehkörper bildet, als auch die Achse des Durchgangskanals liegt, d. h. also
jene Linie, die in der Mitte des durch den Durchgangskanal hindurchströmenden Gasstromes
liegt.
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Soweit bisher beschrieben, weisen die einzelnen Teile die übliche
Bauform auf. Bei dieser bekannten Ausgestaltung ist der Pfropfen 8 so ausgebildet,
wie dies beispielsweise in den Fig.2 und 3 verans.chau" licht ist. Die Erfahrung
hat gezeigt, daß, wenn eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Heißpfropfen längere
Zeit in Betrieb .gestanden hat, leicht Risse an denjenigen Stellen entstehen, die
bei 12 und 13 gekennzeichnet sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedoch
der Heißpfropfen so gestaltet, wie dies in den Fig. 1 und 4 veranschaulicht ist,
d. h., der Pfropfen weist einen Schlitz 14 auf, der sich quer durch den Pfropfen
von der einen, von der Zylinderbohrung abgewandten Seite des Durchgangskanals bis
zum Pfropfenumfang erstreckt. Der Schlitz ragt also mit seinem inneren Ende durch
die innere spitzwinklige Kante 15 hindurch, während das untere Schlitzende nahezu
vollständig über einem Teil der üblichen Dichtung zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf
liegt.
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Hat der Pfropfen beispielsweise einen Außendurchmesser von etwa 32
oder 38 mm, so, wird die anfängliche Breite des Schlitzes 14 ungefähr 1,1 mm betragen.
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Der Heißpfropfen kann anfänglich solche Ab-
messungen haben,
daß der äußere Ringflansch 9 fest in die Aussparung paßt, in der e r liegt; dies
ist die bisher übliche Praxis; tatsächlich muß der Flansch 9 also federnd in die
Aussparung eingerastet werden. Ist die Maschine jedoch unter starker Belastung gelaufen,
so ist festzustellen, daß der Schlitz ständig "wesentlich enger geworden ist und
die in Fing. 5 veranschaulichte Form angenommen hat.
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Bei dem in den Fig. 6, 9 und 10 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung bestellt die Anordnung aus einem Zylinderblock 16 und einem Zylinderkopf
17; in dem Zylinderblock sind die Zylinderhülsen 18 angeordnet, und der Zylinderkopf
weist die üblichen Ein- und Auslaßöffnungen b.zw. Kanäle auf, in der gleichen Weise,
wie bei der Bauart nach Fig. 1. Bei der Ausführungsform nach den Fig.6, 9 und 10
weist der Zylinderkopf jedoch eine Verbrennungslca,mMer 20 auf, deren Form von derjenigen
der Kammer nach Fig. 1 abweicht. Der Verbrennu.ngsraum 20 hat ein im wesentlichen
zylindrisches Mundstück 21; der obere Teil der Kammer hat einen kreisförmigen Querschnitt;
seine Achse deckt sich mit der Achse der zylindrischen Kammermündung (diese Achse
sei nachstehend als die Kammerachse bezeichnet). Die Querschnitte durch die Kammer,
geführt in Ebenen, die durch die erwähnte Achse hindurchgehen, sind in der Zeichnung
veranschaulicht. Die Mündung der Kammer überdeckt .die Zylinderbohrung. In der Kammermündung
ist ein Heißpfropfen 22 angeordnet, der ebenso wie bei der Bauart nach Fig. 1 im
Abstand von der Mündungsfläche der Verbremiungskammer
liegt, mit
Ausnahme jedoch des Flansches 23 am unteren Pfropfenende; dieser Flansch steht mit
einer Vertiefung oder Aussparung im unteren Ende der Kammermündung in Berührung.
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Die bisher bei Maschinen der in Fig. 6 veranschaulichten Art übliche
Form des Pfropfens ist in den Fig. 7 und 8 veranschaulicht. Diese Abbildungen lassen
erkennen, daß der Pfropfen zwei Durchgangskanäle 24 und 25 besitzt. Es ist festgestellt
worden, daß bei dieser Bauart Risse zwischen den beiden Durchgangskanälen entstehen,
wie dies bei 26 veranschaulicht ist.
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Bei der Bauart nach den Fig. 6, 9 und 10 wird nunmehr nach der Erfindung
eine Abänd-erungsform des Pfropfens verwendet, die im allgemeinen zwar der in den
Fig. 7 und 8 veranschaulichten Form entspricht, jedoch ist nunmehr in dem Pfropfen
ein radialer Schlitz 27 vorgesehen, der sich von einem kleinen zylindrischen Loch
28 in der Pfropfenmitte bis zu einer Stelle am Pfropfenumfang erstreckt, die wie
Fig. 6 zeigt, von der Zylinderbohrung abgewandt liegt.
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Auch bei dieser Bauart ist der Flansch 23 zweckmäßig mit Preßsitz
in der Aussparung angeordnet, wenn der Pfropfen erstmalig im Zylinderkopf angebracht
wird. Es wurde festgestellt, daß nach einer gewissen Betriebsdauer unter Belastung
der Schlitz in seiner Breite wesentlich und ständig verringert ist, wie dies Fi.g.
10 veranschaulicht.
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Die anfängliche Breite des Schlitzes in einem Pfropfen mit einem Außendurchmesser
von etwa 32 bis 38 mm beträgt etwa 1,2 mm.
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Bei Maschinen der in Fig. 6 veranschaulichten Bauart ist eine Brennstoffeinspritzdüse
in der üblichen Lage- angeordnet.