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Br ennkraftmaschine mit Fremdzündung Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschi:ne
finit Fremdzündung, und zwar des näheren eine solche, liei welcher der Kraftstoff
auf die Wandung des Verbrennungsraumes gespritzt und im Verdichtungs-bzw. Brennraum
eine kreisende Luftbewegung erzeugt wird.
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Zweck der Erfindung ist es, eine derartige Maschine in der Weise zu
verbessern, daß die aus Klopffestigkeitsgründen der hierbei verwendeten Kraftstoffe
bislang begrenzte Höhe des Verdichtungsverhältnisses heraufgesetzt und trotzdem
ein weicher Verbrennungsablauf erzielt wird.
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Die charakteristische Lei,stu:ngsgrenze für einen Verbrennungsmotor,
der mit Fremdzündung eines vorher in seiner Gesamtheit aufbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches
arbeitet, ist durch das Auftreten der Klopferscheinung bestimmt, welch letztere
durch einen Selbstzündungsvorgan.g in dem jeweils zuletzt verbrennenden Gemischrest
verursacht wird. Da die Klopffestigkeit des Kraftstoffes nicht beliebig steigerbar
ist, ist auch das Verdichtungsverhältnis einer derartigen Brennkraftmaschine beschränkt
und damit dein thermischen Wirkungsgrad eine obere Grenze gesetzt. Die bislang bekannten
fremdzündenden Brennkraftmaschinen haben sämtlich das Gemeinsame, daß Kraftstoff
und Luft stets in ihrer Gesamtheit vor der Zündung bzw. Verbrennung im Brennraum
zur Vermischung gelangen, wobei der Kraftstoff üblicherweise zerstäubt in eine in
Bewegung befindliche Luftladung eingespritzt wird. Hierdurch ergibt sich der für
eine .erwünschte Gleichdruckverbrennung nachteilige Umstand, daß die mit der Zündung
einsetzende Flammenfront durch. ein bereits in seiner Gesamtheit brennfertiges Gemisch
läuft, das dem Verdichtungsvorgang durch die Flammenfront ausgesetzt ist, wodurch
die Klopferscheinung bewirkt wird.
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So wird bei einer bekannten Brennkraftmaschine mit Fremdzündung der
zerstäubte Brennstoff sehnenartig in Richtung auf dieWandung desVerbrennungsraumes
in eine sich drehende Luftladung eingespritzt, wobei besondere Mittel vorgesehen
sind, die verhindern sollen, daß :einerseits Brennstoff an die gekühlte Zylinderwand
gelangt und daß andererseits unzerstätubte Brennstofftropfen gegen die vor Befeuchtung
zu schützenden Kerzenteile getragen werden. Bei .einer anderen bekannten Brennkraftmaschine
dieser Art wird gleichfalls der Brennstoff zerstäubt quer durch den Verbrennungsraum
gegen einen Wandu,ngsteil gespritzt, nächst dem die Zündkerze angeordnet ist; diese
letztere ist auch hier durch besondere Mittel vor unerwünschter Berührung mit flüssigem
Brennstoff geschützt.
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Andererseits ist auch schon eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung
in Vorschlag gebracht worden, bei der durch zerstäubende Einspritzung des Kraftstoffes
in die Verbrennungsluft ein brennbares Treibstoffdampf-Luft-Gemisch nur innerhalb
einer begrenzten Zone des Verbrennungsraumes um die Zündkerze herum erzeugt wird;
dieses brennbare Gemisch ist dann auf der einen Seite von nicht brennbarer Luft
oder Gas und auf der anderen Seite von einem nicht brennbaren reichen Gemisch umgeben
und gepuffert, wobei die Flammenfront vor der Zündkerze liegt.
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Die beiden erstgenannten bekannten Maschinen haben außer :dem bereits
erwähnten Nachteil der Beschränkung des Verdichtungsverhältnisses durch die Klopfgrenze
des Kraftstoffes den weiteren Nachteil, daß sowohl der Ort als auch der Zeitpunkt
der Zündung auf die Kraftstoffeinspritzung genau abzustimmen sind. Das heißt, !ein
befriedigender Ablauf der Gemischbildung und Verbrennung ist jeweils an eine bestimmte
räumliche Lage der Zündkerze zur Einspritzdüse gebunden. Der Grund hierfür liegt
in der durch die Luftzerstäubung des Kraftstoffes und Verwehung desselben bedingtenInstabilität
derKraftstoffkonzentration im Zündbereich, sobald nicht durch Einhaltung einer bestimmten
Länge der Einspritzung die mittlere Konzentration im Gemischzustand an der gewünschten
Stelle eine Höhe erreicht, daß eine Zündung überhaupt einsetzen kann.
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Be.i der zuletzt erwähnten bekannten Maschine ist zwar die Zündkerze
gerade nur so weit von der Einspritzdüse entfernt angeordnet, daß der Mischungszustand
zwischen Brennstoff und Luft und damit die Konzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches
an der Stelle der Zündkerze eine Zündung ermöglicht; jedoch besteht hier der Mangel,
daß bei initialem Versagen
der Zündung aus irgendeinem Grunde das
Gemisch erst eine ganze Umdrehung im Verbrennungsraum durchlaufen muß. bevor es
wieder an der Zündkerze vorbeikommt, wodurch dann schon eine so starke Verdünnung
eingetreten ist, daß eine Zündung nicht mit Sicherheit erreicht wird.
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Die vorgenannten Schwierigkeiten der Kraftstoffverwehung und Instabilität
der Gemischkonzentration vervielfachen sich mit Zunahme der Luftgeschwindigkeit,
so daß beispielsweise vom Zylinderraum abgesetzte Brennräume mit gegenüber dem Zylinderdurchmesser
eingeschnürter Bre.nnrauinöffnung, in denen bekanntlich die Luftgeschwindigkeit
gegen Ende des Verdichtungshubes erheblich gesteigert wird, für fremdzündende Brennkraftinaschinen
mit herkörnml.icher Art der Gernischbi,ldu.ng nicht verwendbar sind.
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Ungünstig wirken sich die vorstehenden Verhältnisse besonders auch
dann aus, wenn bei gleichbleibender räumlicher Zuordnung von Einspritz- und Zündvorrichtung
verschiedene Kraftstoffarten in der gleichen Maschine verwendet werden. In diesem
Falle ändert sich infolge unterschiedlicher Verdampfungsneigung b,--i fremdzündenden
'Maschinen init herkömmlicher Gemischbildung die mittlere Gemischkonzentration an
der Zündquelle, ohne daß gleichzeitig die urspriinglich v orgeseh@ene zeitliche
und örtliche Zuordnung von Kraftstoffeinspritzung und Ziindung entsprechend geändert
wird.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine fremdzündende Brennkraftmaschine
vorzusehen, bei welcher .einerseits ein weicher Verbrennungsablauf trotz hohem Verdichtungsverhältnis
erreicht wird und andererseits an beliebiger Stelle des Verbrennungsraumes eine
für die Zündung geeignete und im wesentlichen konstant bleibende Konzentration des
Luft-Kraftstoff-Gem.isches zustande kommt, so daß die räumliche Lage der Zündkerze
zur Einspritzdüse für alle Anwendungsfälle von vornherein festlegbar ist, indem
sie von der Strahlrichtung des Kraftstoff-Strahles und der Lage der Düse zur Zündkerze
unabhängig bleibt.
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Dies wird bei einer Brennkraftmaschin e mit Fremdzündung, Aufspritzung
des Kraftstoffes auf die Wandung des Verbreanungsraumes und kreisender Luftbewegung
im Verdichtungs- bzw. Brennraum erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß, wie bei selbstzündenden
Br.ennkraftmaschinen an sich bekannt, ein oder mehrere Kraftstoffstrahlen in geschlossener
Strahlform bei jeweils kurzer freier Strahlweglänge derart unter spitzem Auftreffwinkel
auf die Brennraumtvand gerichtet sind, daß der so eingespritzte Kraftstoff sich
auf der Brennraumwand als dünner Film über eine großeOberfläche ausbreitet, daß
ferner in an sich bekannter Weise die Brennrauinwand auf einer Temperatur gehalten
ist, die unterhalb der chemischen Zerfalltemperatur des Kraftstoffes, jedoch noch
in dessen Siedeb.ereirh liegt, und daß weiterhin der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung
so zwischen Ansaugbeginn und Ende der Verdichtung gewählt ist, daß dem an der Wand
haftenden Kraftstoff eine relativ lange Aufdampfzeit mit zunächst schwacher Verdampfung
bis zur Zündung und dann iinnier schneller werdender Verdampfung nach Ausbildung
der Flammenfront zur Verfügung steht.
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Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt dabei nach weiteren Merkmalen der
Erfindung entweder im Beginn der Ansaugperiode, z. B. zwischen 0 bis 20° Kurbelwinkel
nach dem oberen Totpunkt, oder sie kann auch um den oberen Totpunkt im Verdichtungshul),
etwa zwischen 30° vor oberem Totpunkt bis 10 '-
Kurbeliv inkel nach
oberem Totpunkt, erfolgen. Es ist auch möglich, die Kraftstoffeinspritzung teils
in die Ansaugperiode und teils in die Zeit zwischen Ende des Verdichtungshubes und
Beginn des Ansaughubes zu verlegen.
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Selbstverständlich muß der Kraftstoff bei seinem Auftreffen eine Brennraumwand
vorfinden, auf der er sich einerseits in möglichst großer Fläche filmartig ausbreiten
kann und über d;ie andererseits ein möglichst großer Anteil der in Bewegung gesetzten
Luft hinwegstreichen kann. Hierzu eignet sich in besonderer Weise ein rotationskörperföriniger
Brennraum. Andererseits muß die Luftbe@vegung eine völlig geordnete sein, damit
sie zwecks Ablösung des aufdampfenden Kraftstoffes über die benetzten Wandungsstellen
in geordneter Strömungsbahn hinweggeführt wird. Zur Erzeugung einer solchen Luftbeweg
ung 'Können alle die Methoden benutzt werden, die beispielstveise in Ottomotoren
durch die verschiedenen Breimrauinformen hervorgerufen werden oder die in noch stärkerem
Maße bei Dieselmotoren beispielsweise in Form von rotierenden oder kreisenden Luftbewegungen
zur Anwendung kommen, wie dies in Verbindung mit einem achssyinnietrisch zur Drehbewegung
der Luft angeordneten Brennraum bei der Erfindung der Fall ist.
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Die Aufdanipfung des Kraftstoffilmes erfolgt jeweils inerhalb eines
Arbeitsspieles nicht durch die @Värlne der Brennraumwand allein. sondern erst dann,
wenn mit Einsetzen der Verbrennung die erhöhte Z'i?<irineeinstralilung auf d;;
Anftrefffläche des Brennstoffes hinzukommt. Notfalls kann zur Verbesserung des Geinisclivorganges
der einströmenden Luft eine kleine Kraftstoffinengebeigegeben werden, die jedoch
mit der Luft in einem Mischungsverhältnis stehen muß, das außerhalb der Zündgrenze
bleibt.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt es, einen Gemischbildungsvorgang
durchzuführen, bei dein die beiden Mischungskomponenten Kraftstoff und Luft nicht
mehr in ihrer Gesamtheit eine Mischung vor der Zündung erfahren, sondern erst in
Einzelinengen und unmittelbar vor dein Verbrennungsvorgang gemischt werden. Es kann
auf diese Weise kein Selbstzündungsvorgang mehr eintreten, da die Verdichtungswirkung
der Flammenfront oder der expandierendenVerbrennungsgase nicht mehr ein brennfertiges
Gemisch beeinflußt, sondern nur die ungemischten Anteile Luft und Kraftstoff getrennt
voneinander. Der Geinischbildungs- und Verbrennungsvorgang wird sozusagen durch
die Maßnahmen der Erfindung in eine große Anzahl sich wiedei-liolender und teilweise
ineinander übergehender Verbrennungsvorgänge aufgelöst, wobei in jedem Arbeitsspiel
dem Gemischbildungsvorgang zu wiederholten '.Malen nur jeweils eine kleine Kraftstoff-Luft-Gemischmenge
zur Verffgung gestellt wird; diese einzelnen Mengen werden ini wesentlichen erst
unmittelbar vor ihrer Verbrennung gebildet, so daß die Einwirkungszeit der Temperatur
auf diese kleinen Gemischmengen selbst bei hohem Verdichtungsverhältnis so kurz
ist, daß eine Verbrennung gelingt, bevor Selbstzündung auftritt. Aber selbst wenn
im Einzelvorgang durch .:4n «-endung sehr hoher Verdichtung eine Verbrennung nicht
ohne die Sellistziindung eines gewissen Gemischanteils jeder einzelnen Menge stattfindet,
so ist doch die Folge solcher Selbstzündung ohne schädliche .:@uswirkungen, da sie
keine beliebig großen Gemischanteile erfassen kann, sondern nur jeweils den, der
gerade gemischt wurde und im Begriff ist, zu verbrennen. Es gelingt auf diese Meise
also auch, den
Klopfvorgang i.11 Einzelvorgänge aufzulösen und seine
Nachteile in Vorteile umzuwandeln, indem man die reaktionsbeschleunigende Wirkung
zu wiederholten Malen, jedoch in kleinen Dosen. für die Beschleunigung des gesamten
Prozesses einsetzen kann. Die aufeina.nderfolgend -entstehenden kleinen Gemischmengen
verbrennen jeweils sofort, sobald sie gebildet sind, in der Flammenfront, so daß
keine Endgase längere Zeit den hohen Temperaturen und Drücken i111 Zylinder bzw.
Verbrennungsraum ausgesetzt sind. Dies #viederuni vermindert die Klopfneigung, wodurch,
wie erfindungsgemäß angestrebt, hohe Verdichtungsverhältnisse erreicht werden können.
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Andererseits ist dadurch, daß der Kraftstoff in dünner Schicht auf
die Brennraumwand aufgetragen wird, dafür gesorgt, daß die Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches
im Zündbereich bald so hoch wird, d'aß dort ein zündfähiges Gemisch entsteht, wobei
iin übrigen Brennraum ein solches Gemisch noch nicht vorhanden zu sein braucht.
Während der filmartig auf der Brennrauin,#vand haftende Kraftstoff zunächst der
Verdünnung durch die Luftbewegung entzogen bleibt, v7; rd der von
der Wand aufdampfende Kraftstoff unter der zentrifugierenden Wirkung der Luftbewegung
ständig an der Peripherie des Brennraumes gehalten, wodurch an beliebiger Stelle
eine für die Zündung geeignete Gemischkonzentration erreicht wird und kontinuierlich
erhalten bleibt. Die Beschleunigung der Verdampfungs- und Gemischbildungsvorgänge
entsteht dann firn wesentlichen durch strahlungsübertragende Wärme nach Einsetzen
der Reaktion an irgendeinem Teil des Brennraumes. Dadurch, daß der Kraftstoff zunächst
an der Brennraui.lwand festgehalten wird und nur iin Zuge seiner Verdampfung von
der Luft mitgenommen werden kann, werden der Zündung bzw. Flammenfront immer nur
dosierte Mengen zugeführt, die in der Flammenfront vollständig verbrennen. Es können
daher auch hohe Luftgeschwindigkeiten keine Verwehung des Kraftstoffes und damit
keine lokalen Herabsetzungen der G.emi-s:chkonzentration hervorrufen, so daß auf
diese Weise auch die Vorteile eingeschnürter Brennräuili.e, z. B. mit einem Durchmesser
kleiner als 0,75 des Zvlin.derdurchmessers, für fremdzündende Brenakraftmaschinen
nutzbar gemacht werden können.
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Di-e Erfindung ergibt sonach zusammenfassend den Vorteil, bei fremdzündenden
Brennkraftmaschinen höhere Verdichtungsverhältnisse, als bislang möglich, vorsehen
zu. können, trotzdem einen weihen Verbrennungsablauf zu erreichen und außerdem in
der Anordnung der Zündduelle relativ zur Kraftstoffeinspritzung unabhängig zu sein;
letzteres hat den Vorteil einer größeren Freizügigkeit in der Wahl der Kraftstoffart
(Vielstoffei.genschaft). Auch. hinsichtlich der Drehzahl kann eine fremdzündende
Bren.nkraftmaschin.e nach dem Vorschlag der Erfindung höher, als bislang möglich,
ausgelegt werden, da infolge der dosierenden Wirkung der Wandau.ftragung des Kraftstoffes
auch eine längere Zeit für die Aufbereitung desselben innerhalb eines Arbeitsspieles
zur Verfügung steht.
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E s sind zwar dein Erfindungsvorschlag ähnliche Gem.ischbildungsabläufe
für selbstzündende Brennkraftmaschinen bereits vorgeschlagen worden. Jedoch liegt
bei der Selbstentzündung der Ablauf der Einzelvorgänge während der Gemischbildung
und Verbrennung anders, insofern nämlich, als für die Selbstzündung Kraftstoffe
genommen werden müssen, die eine gewisse Zerfallneigung, also eine verhältnismäßig
niedrige Oktanzahl hesitzen. Wenn dagegen nur hochoktanige Kraftstoffe zur Verfügung
stehen, so lassen sich die Verfahren finit Selbstzündung nicht mehr anwenden, und
in diesem Falle tritt der Vorteil des vorliegünden verbreimungsmotorischen Arbeitsverfahrens
besonders deutlich hervor. Das gleiche gilt auch, wenn man Kraftstoffe minderer
Art, also hoher Selbstzündungsneigung oder Klopffreudigkeit, in einem Motor verarbeiten
will, dessen Z,'.erd:ichtungsverhältnis aus konstruktiven Gründen an sich niedrig
sein inuß, aus Gründen des günstigen Brennstoffverbrauches jedoch möglichst hoch
gemacht werden soll. In diesem Falle koninl@n Verdichtungsverhältnisse in Frage,
die zwischen denen des Ottomotors und des Dieselmotors liegen, also zwischen 1 :
ö und 1 : 1-1. Diese Verdichtungsverhältnisse sind zu niedrig für eine Selbstzündung,
aber zu hoch für eine Gemischhildung, wie sie der Ottomotor bisher als gemischverdichtende
Maschine durchgeführt hat. In diesem Bereich liegt ein weiteres sehr erfolgreiches
Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Hierbei zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch den Kolben einer fremdzündenden Brenakraftinaschine
mit darin angeordnetem Brennraum gemäß der Erfindung, wobei die Einspritzdüse perspektivisch
dargestellt ist, Fig. 2 einen Aufblick auf Kolbenboden und Brennraum des Kolbens
von Fig. 1.
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Der Kolben 1. hat einen gegenüber dem Zylinderdurchmesser verkleinerten
Brennraum 2, wodurch unter der Annahme einer bereits initial in den Zylinder der
Brennkraftinasch.iie eingeleiteten rotierenden Luftbewegung im Brennraum der Effekt
einer hochbeschleunigten geordneten und' zeitlich lange anhaltenden Luftbewegung
erreicht wird, indem die im Zylinder bereits vorhandene drehende Luftbewegung dadurch
eine beträchtliche Verstärkung erfährt, daß sich beim Annähern des Kolbens 1 an
den Zylinderdeckel 3 ein großer Anteil der im Zylinder vorhandenen Verbrennungsluft
im Brennraum 2 auf einen kleineren Drehdurchmesser zusammendrängt. DieAushöhlungen
oder Bohrungen 6 im Kolben 1 und die Pfeile 7 deuten an, daß die Brenaraumwand des
Brennraumes 2 durch ein Kühlmittel, welches beispielsweise vom Kolbengehäuse aus
gegen den inneren Kolbenboden gespritzt wird, auf der zur Durchführung des Verfahrens
vorgesehenen niedrigen Temperatur gehalten wird.
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In Fig. 2 ist durch Pfeil 03 die drehende Luftbewegung angedeutet,
die gleichsinnig zur Zerfließrichtung _e Israftstof.fiimes 5 i,t. Es i::t aus dieser
Figur zu ersehen, daß der Kraftstoffilm 5 bei der erfindungsgemäßen Art der Einspritzung
sich auf der Außenwand des Brennraumes niederschlägt, wo die größte Oberfläche zur
Verfügung steht und wo auch zwangsweise die Geschwindigkeit der Luft bei ihrer Drehbewegung
ein MaXimum erreicht. Bei 9 ist die Fremdzündungscuelle angebracht. Die Brennzone
ist in Fig. 2 mit 10 bezeichnet und der zu erwartende Gemischbildungsweg
in der gleichen Figur gestrichelt mit .'._? angedeutet. Der Auf dampfpunkt liegt
etwa bei 12 und der Verbrennungsbeginn bei 13.
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DerAblauf des Ge,inischbildungs-und Verbrennungsvorganges ist nun
folgender: Der Brennstoffilm 5 wird durch die Düse 4 auf die Brennraumwand aufgebracht,
wobei der Zeitpunkt zwischen Ansaugbeginn und- Verdichtungsende liegen kann: eine
solche Zeitspanne ist zulässdg, da durch die Temperatur der Brennraumwandung und
gegebenenfalls auch durch deren Formgebung und Art sich
erreichen
läßt, daß der Kraftstoff auf dem Kolben haftenbleibt und zunächst eine nur unwesentliche
Dampfmenge je Zeiteinheit bildet. Steigt am Ende der Verdichtung die Temperatur
im Brennraum an, so ist in Verbindung mit der langsamen Verdampfung auf der Wand
eine kleine Dampfmenge entstanden, die von dem Luftstrom 8 bis zur Zündquelle 9
geführt wird und sich dort entzündet. Die Luftbewegung führt weiteren Kraftstoff,
jedoch ausschließlich in Dampfform an die sich hinter 9 bildende Verbrennungszone
heran, wodurch die Flamme weiter genährt wird. Die nunmehr einsetzende schnelle
Temperatursteigerung im Brennraum und die intensive Strahlung der Flamme beschleunigen
die Verdampfung des Brennstoffii:nes 5 beträchtlich, so daß nunmehr zeitlich immer
größere Dampfmengen von der kreisenden Luftb.eweggung erfaßt. vermischt und der
Brennzone10 zugeführt werden. Die der Brennzone 10 zugeführte Gemischmenge wird
mengenmäßig gesteuert durch die Verdainpfungsgeschv#-indigheit des B,rennstolfmes
5. Der Gemischbildungsweg eines B.rennstoffdampfteilchens ist mit der gestrichelten
Linie 11 angedeutet. Nur in dem Zeitraum, der verfließt, um den Gemischbildungsweg
von dem Aufdampfungspunkt 12 bis zum Verbrennungsbeginn 13 zu durcheilen, sind in
dein sich im Verlauf dieser Zeit bildenden Brennstoffdampf-Luft-Gemisch Luft und
Kraftstoff gemeinsam der Wirkung der hohen Brennraumtemperatur ausgesetzt, aber
diese Zeitspanne ist zu kurz, uni Selbstzündungsvorgänge, selbst bei hohem Verdichtungsverhältnis,
entstehen zu lassen. Aus diesem Vorgang geht auch deutlich die Bedeutung Hervor,
die die Größe der Luftbewegung besitzt; denn nur durch eine entsprechend hohe Luftbewegung
läßt sich die Zeit für den Gemischbildungsweg 11 so kurz machen, daß trotz hohem
Verdichtungsverhältnis keine Selbstzündung mehr auftritt.
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Desgleichen geht aus der Darstellung in Fig. 2 die Bedeutung hervor,
die für den N`erbrennungsvorgang aus der Tatsache der Wandauftragung des Kraftstoffes
entsteht; denn nur durch diese ist es erreichbar, daß Klopferscheinungen auch bei
höheren Verdichtungsverhältnissen vermeidbar sind, da Kraftstoff und Luft vorzugsweise
nur unmittelbar vor Einsetzen der Verbrennung zusammenkommen.