-
Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit Vor- oder Wirbelkammer
Die Vorteile einer Brennkraftmaschine mit unterteiltem Brennraum sind allgemein
bekannt. Der abgeteilte Brennraum wird hierbei beispielsweise als Vorkammer oder
als Wirbelkammer benutzt. Im ersteren Falle wird der Brennstoff in die Vorkammer
eingespritzt, wo er sich teilweise entzündet und dadurch den restlichen Brennstoff
unter Drucksteigerung in den Hauptbrennraum einbläst, in welchem alsdann die Hauptverbrennung
stattfindet. Bei einem Wirbelkanim,erverfahr.en wird. die gesamte oder nahezu die
gesamte Verbrennungsluft in die Wirbelkammer verdrängt, in welcher sie infolge tangentialer
Zuführung oder infolge sonstiger Mittel rotiert, worauf der Brennstoff in die sich
drehende Luftmasse eingespritzt wird.
-
In allen Fällen ist der günstige Verbrennungsablauf durch das Zusammenwirken
mehrerer Faktoren bedingt, von denen die Form und die Lage des Brenn-'toffstrahles,
des Brennraumes und eines etwaigen Gemisch- oder Luftwirbels sowie die Temperaturen
im Brennraum und in der Brennraumwandung mit die wesentlichsten sind. Die gegenseitige
Beeinflussung dieser Faktoren ist so eng, daß eine sinnvolle und erfolgreiche Entwicklung
nur in zweckmäßiger Abtininiung aufeinander gesichert ist. So werden Entzündung
und Verbrennungsablauf und damit die Luft bzw. Gasbewegung von der Temperatur der
Brennraumwand derart beeinflußt, daß je nach der Temperatur der Brennraumwand z.
B. der Brennstoffstrahl und die Bewegung der Luft anders bemessen sein müssen, um
die jeweils günstigsten Verhältnisse herzustellen.
-
Es sind auch Maßnahmen üblich, welche dazu dienen, einen bestimmten
Temperaturzustand des Brennraumes zu gewährleisten. Insbesondere werden hierzu Einsätze
verwendet, welche entweder den überströmkanal oder einen Teil bzw. den gesamten
abgetrennten Brennraum auskleiden. Auch hat man, tun die Temperatur der Brennraumwand
auf einer bestimmten Höhe zu halten, die verwendeten Einsätze isoliert angeordnet
oder die Wandung des Brennraumes bzw. des Kühlwassermantels entsprechend bemessen.
Derartige Maßnahmen lassen jedoch nur für einen bestimmten Belastungspunkt einen
günstigsten Zustand zu, während bei anderen Belastungszuständen entweder die Wandtemperatur
zu niedrig oder zu hoch ist, was entsprechende Nachbeile für die Verbrennung und
damit für Leistung, Brennstoffverbrauch, rauchfreie Verbrennung und Verbrennungsgeräusche
mit sich bringt.
-
Es ist ferner bekannt, Vorkammerwandungen zu beheizen. Da jedoch hierbei
eine in bestimmter Weise angeordnete Luftbewegung innerhalb der Vorkammer nicht
vorgesehen ist, können sich Ungleichmäßigkeiten in der Erwärmung der Luft bzw. des
Brennstoffes ergeben, die für die Erzielung eines günstigen Verbrennungsablaufes
oder Wirkungsgrades nachteilig sind.
-
Des weiteren sind Brennkraftmaschinen bekannt. bei denen durch entsprechende
Anordnung der Brennkammer bzw. durch besondere Einsätze eine Drehbewegung der Luft
in einem abgeteilten Brennraum erzeugt und der Brennstoff in die sich drehende Luft
eingesp--itzt wird. Doch fehlt hierbei eine ausreichende Berücksichtigung des Wärmezustandes
der Brennkammer.
-
Bei anderen Maschinen nach Art von Glühkopfmotoren ist zwar eine Beheizung
der Brennraumwandung vorgesehen. Auch wurde in diesem Zusammenhange schon vorgeschlagen,
einen seitlich vom Brennraum und unabhängig von der Brennraumwand vorgesehenen Einsatz
für den Anlaßvorgang zu beheizen, wobei der Heizstrom nach dem Anlassen abgeschaltet
bzw. der Zündeinsatz bei vollem Betrieb des Motors in den gewöhnlichen Kühlwassermantel
und. -kreislauf miteinbezogen wird. Bei derartigen, nach Art von Glühkopfmotoren
arbeitenden Maschinen geht jedoch die Zündung von der Brennraumwandung aus und nicht
von einer Selbstzündung in der Verbrennungsluft. Außerdem findet bei diesen bekannten
Maschinen keine geordnete Wirbelbewegung im Brennraum um eine Rotationsachse desselben
statt. Soweit eine Wirbelbewegung erzeugt wird,, geschieht dies durch Verdrängerwirkung
des Kolbens um eine zur Zylinderachse etwa senkrecht verlaufende Querachse, die
jedoch der Form des Brennraumes nicht angepaßt ist, so daß die Rotationsbewegung
hierdurch gestört und rasch zum Abklingen gebracht wird.
Die Erfindung
bezweckt demgegenüber eine 141aschine, bei welcher die für die Güte der Verbrennung
und die Leistung maßgeblichen Faktoren in günstigster Weise aufeinander abgestimmt
werden können. Sie bezieht sich demgemäß auf eine luftverdichtende Ein.spritzbrennkraftmaschine
mit Vor- oder Wirbelkammer und mit Selbstzündung des eingespritzten Brennstoffes,
bei welcher die Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Symmetrieachse der als
Rotationskörper ausgebildeten Vor- oder Wirbelkammer ausführt und der Brennstoff
in die sich drehende Luft eingespritzt wird, und besteht im wesentlichen darin.
daß der Brennstoff in an sich bekannter Weise mindestens zum Teil mit der Brennraumwand
in Berührung gebracht und. die Temperatur der Brennrauinwand in zwangläufiger Abhängigkeit
von einer Betriebsgröße der Maschine durch zwangläufige Beheizung bzw. Kühlung der
Brennraumwand gesteuert wird. Eine besonders weitgehende Anpassungsmöglichkeit ist
ferner erfindungsgemäß dann gegeben, wenn die Wandung der Vor- oder Wirbelkammer
nur teilweise beheizt und außerdem in einem von der üblichen Zylinderkühlung getrennten
Kreislauf in entsprechender zwangläufiger Abhängigkeit teilweise gekühlt wird. Gegebenenfalls
kann auch die teilweise Beheizung und teilweise Kühlung in der Weise erfolgen, daß
in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Maschine die Brennraumwand zeitweise beheizt
und zeitweise gekühlt wird.
-
Durch die erfindungsgemäße Regelungsmöglichkeit lassen sich günstigste
Verhältnisse für die Mischung von Brennstoff und Luft und damit auch beste Verbrennungsverhältnisse
des Gemisches erreichen. Dadurch, daß erfindungsgemäß gleichzeitig mit der Beheizung
der Brennraumwandung eine Drehbewegung der Luft erzeugt wird und. infolge der Umlaufbewegung
praktisch alle Luftteilchen gleichmäßig mit der beheizten Wandung in Berührung komni:en,
wird die in dein Brennraum umlaufende wirbelnde Luftmasse nahezu gleichmäßig beheizt.
Wird der Brennstoff in diese sich drehende und gleichmäliig beheizte Luft eingespritzt,
so findet er an allen Stellen des Brennraumes relativ gleiche Zündbedingungen vor.
wobei durch die Berührung des Bremistoffes mit den Wandungen, deren Temperaturzustand
je nach dein Betriebszustand der Maschine geregelt wird, der richtige Temperaturzustand
dies Brennstoffes bzw. des aus Brennstoff und Luft bestehenKlen (ieniische#, in
besonderer Weise gewährleistet ist.
-
Die Brennraumwandtemperatur kann in Abliängigkeit von der Drehzahl,
von der Leistung bzw. dein Drehmoment oder auch von der Temperatur der Maschine
selbst, z. B. mittels .eines Temperaturfühlers, gesteuert werden, welcher als Thermostat
ini Kühlsystem des Motors oder ini Auspuff od. dgl. ;ingeordnet sein kann.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführung fällt die Achse des Brennstoffstrahles
in an sich bekannter Weise mit der Achse des Luftwirbels zusammen oder liegt parallel
zu dieser. Auch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausführung, wenn zur Erzielung
der Drehbewegung der Luft in der Vor- oder Wirbelkammer in an sich bekannter Weise
schräg gerichtete Überströmkanäl,e vorgesehen sind, die nach Größe. Form oder auch
Richtung verschieden ausgebildet sein können. Liegt die Achse des Brennstoffstralile:.
wie dieses vorzugsweise vorgesehen ist. in Achsrichtung des Luftwirbels oder nahezu
in derselben. so wird nicht nur der in die Vorkaninier einströmenden Luft, sondern
auch den aus der Vorkainnier -strömenden G<tsen ein Drall erteilt, was zur weiteren
Gemischbildung bzw. zur Vervollkommnung der Verbrennung von Vorteil ist.
-
Für die Beheizung kann beispielsweise elektrische Energie (z. B. unter
Verwendung eines Widerstandsdralites oder von hochfrequentem Strom). eine äußere
Wärmequelle für ein strömendes Heizmedium (etwa beim Anfahren) oder auch das Motorkühlmittel
selbst verwendet werden. Auch kann die Erwärmung bzw. Kühlung des strömenden Stoffes
auf chemischem oder mechanischem Wege erfolgen.
-
Eine besonders vorteilhafte Ausführung bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen
ergibt sich, wenn bei Anordnung der Brennstoffstrahlachse ganz oder nahezu parallel
zur Achse des Luftwirbels die Einspritzdüsen in Ausnehmungen des Zylinderdeckels
oder Zylinderblockes angeordnet und gleichzeitig parallel oder auch schräg zur Längsachse
der Brennkraftmaschine gerichtet sind. Trotz der zur Längs-:@dise der Prennkraftniaschine
parallelen oder schrägen Anordnung der Einspritzdüsen lassen sich diese hierdurch
derart am Zylinderkopf anbringen, daß sie ohne Ausbau des Zylinderkopfes von diesem
abgenommen werden können.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung
verschiedener Ausfiihrungs-1).:ispiele zu entnehmen. Hierbei zeigt Fig.l einer Achsschnitt
durch den oberen Teil einer Vorkannnerrnaschine mit seitlich zur Z__vlinderach#e
angeordneter Vorkaininer, Fig.2 eine andere Ausführung der Vorkammer bzw. der Heizvorrichtung.
-
Fig. 3 a einen Umfangsschnitt durch den Cberströmkanal zwischen Zylinderraum
und Vorkammer in Aufwicklung, -Fig.31) eine Draufsicht auf den den Überströmkanal
bildenden Einsatz, wobei die Fig. 3 a und 31 in größerem Maßtabe als die Fig. 1
und 2 dargestellt sind, Fig. 4a und -1 -1) ei.tic, Variante zti den Fig. 3 a und
3 b.
-
Fig. S eine weitere Variante zti den Fig. 3a und -1 a, Fig. (i eine))
Achsschnitt durch den oberen Teil einer \Virbelkammermaschine mit seitlich angeordneter
@i'irbelkaninier.
-
Fig. 7 einzn Schnitt nach Linie .-1-B-C-I) der Fia. 6.
-
l#ig. 8 eüie Draufsicht auf eine 1lehrzylin(1eini<tschine entsl)1-eclienc1
einer Ausführung nach den Fig. 6 und 7.
-
Fig. Q eine der Fig. h entsprechendc Draufsicht einer etwas anderen
Ausführung der Maschine.
-
llei dein .-#tisfülirungsl)eispiel nach Fig.l ist iin Zylinderkopf
10 eine zur Zylinderachse seitlich angeordnete Vorkaininer 11 vorgesehen.
-
l)erVerbindungskanal 12 zwischen der Vorkammer 11 und Hauptbrenarauni
13 über dein Kolben 14 wird durch einen f?insatz 16 gebildet. dessen einzelne L-bertritt#öftnungen
16 zur Erzielung einer Dreb-1)eweun der in die Vorkammer einströmenden Ver-1»-einiuu-sluft
um die Strahlachse der Einspritzdü >c #clinig -estell t bzw. schraubenföruiig -erichtet
sind.
-
(-deichzeitig wird dadurch <ler Brennstoff insbesondere durch Zentrifugalwirkung
an die Brennraumwand herangetragen, s)) daft sich ein<, unmittelbare @@'irkung
(ler @@-andtemperatur auf den l)reniistoff erzielen lüßt.
-
Die @@crl)indung#üffnuiigen 16 zwi#chen Zylinderraum bzw. Ilauptbreuni-auin
13 und Vorkammer 11
können hierbei gleichmäßig bemessen, angeordnet
und gerichtet sein, wie in Fig.3a und 31) dargestellt ist. Je nach Lage der Vorkammer
zum Hauptbrennrauni und der Form des Brennraumes kann jedoch auch die Aufteilung
und die Form bzw. Richtung dien Öffnungen auf den Umfang veränderlich gewählt werden.
So zeigen beispielsweise die Fig.4a und 4b Öffnungen 16a mit verschieden großem,
in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend ab- bzw. zunehmendem Öffnungsquerschnitt,
während im Falle der Fig. 5 die Ouerschnitte sowie die Schrägstellung der Durchtrittsöffnungen
16 b verschiednen gewählt sind. Auch kann die radiale Formgebung der Durchtrittsöffnungen
verschieden sein bzw. können die einzelnen Maßnahmen je für sich oder in Vereinigung
miteinander vorgesehen werden, wobei die Öffnungen z. B. linear über den Umfang
verteilt sein oder einer besonderen zweckmäßigen Gesetzmäßigkeit folgen können.
Ferner braucht die Achse der im Kreise angeordneten Öffnungen nicht mit der Achse
der Vorkammer (was im allgemeinen Fall nicht die Strahlachsie ist) zusammenzufallen.
Auch können die Öffnungen exzentrisch oder in sonstiger Weise im Einsatz 15 angeordnet
werden.
-
Zur Durchführung der gesteuerten Brennraumteinperatur bzw. Brennraumwandtemperatur
ist beispielsweise um die Vorkammer eine Leitungsspirale 17 (Fig. 1) gelegt, die
gegen die Einflüsse vom Kühlraum her durch eine Isoliermasse 18 geschützt ist. Als
Spirale kann eine elektrische Widerstandsheizung oder eine Rohrschlange verwendet
werden, die von außen mit einem erwärmenden (oder gegebenenfalls auch einem kühlenden)
strömenden Mittel beschickt wird. Die Erwärmung bzw. Kühlung dies strömenden Stoffes
kann z. B. auf chemischem oder mechanischem @@Tege erfolgen.- Die Wandungen der
Spirale können die zu erwärmende oder zu kühlende Wand ganz oder teilweise bedecken.
-
Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. ?. in der die Vorkammer
mit einem besonderen, die ganze Vorkammer umhüllenden Einsatz 19 versehen ist, so
daß ein Zwischenraum 20 entsteht, der zur Unterbringung einer elektrischen Drahtspirale
21 oder einer Rohrspirale ausgenutzt wird. Dabei kann gegen den Kühlraum des Zvlind,erdeckels
hin zwischen Spirale und äußerer Wand eine wärmeisolierende Schicht angebracht werden.
Es kann aber auch zweckmäßig sein, den Zwischenraum 20 direkt von einem erwärmenden
oder kühlenden Medium durchströmen zu lassen. Während die bisherigen Ausführungsbeispiele
für die Beheizung bzw. Kühlung der Wandung de. Brennraumes auf Wärmeübertragung
beruhen, kann der erforderliche Temperaturzustand der Brenuraumwand auch in an sich
bekannter Weise durch unmittelbare Erwärmung mittels hochfrequenter Ströme erfolgen.
-
Fiir den Fall. claß die Brenuraumwand nicht nur erwärmt, sondern bei
bestimmten Betriebszuständen auch gekühlt werden muß, kann die Spirale 21 als lZohrspirale
ausgeführt und im Bedtarfsfalle mit einem strömenden Kühlmittel in dem erforderlichen
.'Maße beschickt wurden. Eine zw eckmäßige Kombination für da. Erwärmen und! Kühlen
würde beispiel#weise darin bestehen. die Erwärmung auf elektrischern Wege, die Kühlung
auf hydraulischem Wege zu erzielen. Die Wandung bietet im allgemeinen Platz genug,
beide Vorrichtungen gleichzeitig unterzubringen. Selbstverständlich können diese
verschiedenen '.Möglichkeiten bei jeder Brennraumforni angewendet werden. Die Fig.
6 bis 9 -neigen Ausführungsbeispiele für die Anwendung der Erfindung bei Wirhelkaminern.
Bei den meisten Wirbelkammernmaschinen wird der Brennstoff quer durch die sich drehende
Luftmasse. also etwa senkrecht zur Wirbelkammerachse, z. B. in Richtung 22 oder
23, eingespritzt. Hierdurch wird der Brennstoffstrahl sowohl an seinem Fuß als auch
an seinem Kopf bzw. sowohl an seiner Austrittsstelle als auch an seiner Auftreffstelle
von den Luftströmen geschnitten. Die Brennstoffverteilung ist hierdurch jedoch so
uneinheitlich, daß nicht das Höchstmaß an Gemischbildung und Leistung und damit
dien geringstmögliche Brennstoffverbrauch erzielt «erden kann. Aus diesem Grunde
wird erfindungsgemäß der Brennstoff in an sich bekannter Weise vorzugsweise in Richtung
der Achse 24 des Luftwirbels bzw. parallel zu dieser angeordnet, wie beispielsweise
in Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Die Wirbelkammer 25 ist hierbei durch einen tangential
oder nahezu tangential mit ihm verbundenen Übers:trömkanal 26 mit dem HaupL-hrennraum
27 verbunden. Die Einspritzdüse wird bei 28 in das Muffenstück 29 in Richtung der
Achse 24 eingesetzt.
-
Wie im erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel wird auch hierbei eine
besonders vollkommene Gemischbildung erreicht, und zwar insbesondere dadurch, dxß
diejenigen Brennstoffteilchen. die an die Brenurauinwand herangeführt werden, infolge
der gesteuerten Wandtemperatur denjenigen Temperaturzustand vorfinden, welcher für
den beabsichtigten günstigsten Verbrennungsablauf besonders vorteilhaft ist.
-
Die Wirbelkammer kann Kugelform oder irgendeine abgeflachte Form besitzen.
Auch ist es unerheblich, ob sie im Zylinderdeckel, im Zylinder oder in einem besonderen
Zwischenstück bzw. Ansatzstück untergebracht ist. Es. genügt, wenn sich der Wirbel
selbst ausbilden und. seiner kinetischen Energie entsprechend aufrechterhalten kann.
-
Bezüglich der Beheizung gilt für die Ausführung nach Fig. 6 und 7
das gleiche wie für die Fig. 1 und. 2, so daß sich eine nochmalige besondere Erläuterung
hierzu erübrigt. Beispielsweise ist eine Heizspirale 30 entsprechend Fig.l dargestellt,
welche in Isoliermaterial eingebettet ist. Doch können auch beliebig; andere Heiz-
oder Kühlvorrichtungen vorgesehen sein.
-
Des weiteren zeigt Fig.8 eine Ausführung, bei welcher zwischen den
einzelnen Zylinderdeckeln 31 ein Raum 32 vorgesehen ist. in welchem das Einspritzventil
33 bzw. der Kopf d@essellren lieraubnehinbar untergebracht sein kann, ohne daß hierzu
dic Deckel 31 abgenommen werden müssen.
-
Bei in Blöcken verwendeten Zylinderdeckeln ist. wie z. B. Fig. 9 zeigt,
unter Umständen eine Öffnung 34 niit zur Motorachse geneigter Brenustoffeinspritzventilachse
35 zweckmäßig, wenn auch diese Anordnung natürlich nicht auf die eine oder andere
Zyliaidrerdeckelkonstruktion beschränkt ist. Die Wirbelkammer 25 wird zweckmäßig
zu einer durch die "Zylinderachse gehenden 0uerehene derart versetzt angeordnet,
daß die Achsrichtungen von Wi,rliel und Bronnstoffstrahl nahezu parallel verlaufen.
Es ist in diesem Falle zweckmäßig, auch die Ein- und Auslaßventi.le 36 bzw. 37 entsprechend
zu versetzen.