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Mit Fremd- oder Selbstzündung arbeitende Viertaktbrennkraftmaschine
Man kennt Viertaktbrennkraftmaschinen, bei denen während des Saughubes in den Zylinderraum
über ein im Zylinderkopf befindliches Ventil reine Luft oder ein Magergemisch und
gleichzeitig in eine mit dem Zylinderraum in gedrosselter Verbindung stehende und
im Zylinderkopf angeordnete Brennkammer ein fettes Brennstoffluftgemisch angesaugt
wird. Während des Verdichtungshubes werden dann sowohl die Luft als auch das fette
Gemisch verdichtet, damit letzteres nach der Zündung in die verdichtete, am Ende
des Verdichtungshubes in einem vom Kolbenboden und der Zylinderkopfinnenfläche gebildeten
Raum befindliche Luft ausbläst, sich mit dieser allmählich mischt und dabei auch
bei hoher Verdichtung noch klopffrei verbrennt.
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Bei diesen bekannten Maschinen erfolgt das Einführen des fetten Gemisches
über ein in der Decke der Brennkammer sitzendes Gemischeinlaßventil derart, daß
ein wesentlicher Teil des in die Brennkammer eingesaugten Brennstoffluftgemisches
dem Sog im Zylinderraum folgt und unmittelbar in diesen übergeht, was zur Folge
hat, daß die in diesem Gemischteil enthaltenen Brennstofftröpfchen im wesentlichen
keine weitere Zerlegung erfahren und daher nur unvollkommen verbrannt, d. h. schlecht
ausgenutzt werden. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß bei den bekannten Maschinen
der in die Brennkammer eingesaugte Gemischteil zunächst gegen die wassergekühlte
Wand der Brennkammer geleitet und darauf umgelenkt wird, so daß die in diesem Gemischteil
enthaltenen Brennstofftröpfchen auf der für eine Brennstoffverdampfung zu kühlen
Brennkammerwand niederschlagen, bevor sie den heißen Teller des gleichfalls in der
Brennkammer angeordneten Auslaßventils erreichen, wo allein eine teilweise Brennstoffverdampfung
möglich wäre. Wenn das Auslaßventil und das Gemischeinlaßventil in der Decke der
Brennkammer angeordnet sind, wie dies bei einer Ausführungsform der bekannten Maschinen
vorgesehen ist, kann eine Brennstoffverdampfung noch weniger erreicht werden.
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Die bekannten Brennkraftmaschinen erzielen durch die Unterteilung
des Gesamtverdichtungsraumes in eine Brennkammer und eine Luftverdichtungskammer
zwar auch bei einem hohen Verdichtungsverhältnis einen klopffreien Betrieb, nicht
aber die mit einem erhöhten Verdichtungsverhältnis letzten Endes immer angestrebte
Brennstoffeinsparung und Leistungssteigerung, weil eine große Brennstoffmenge nur
in Tröpfchenform oder als Niederschlag auf einer wassergekühlten Wand zur Verbrennung
gelangt, was einen hohen Brennstoffverbrauch ergibt und nur niedrige Maschinendrehzahlen
zuläßt. Außerdem gestatten die bekannten Maschinen keinen Betrieb mit billigem Schweröl,
z. B. Dieselöl. Diese Nachteile beseitigt die Erfindung, indem sie die Brennkammer
und die Luftverdichtungskammer in ganz bestimmter Weise ausbildet und mit Bezug
auf den Hubraum anordnet und im übrigen von einer bei mit Fremdzündung arbeitenden
Vorkämmer-Zweitaktbrennkraftmaschine bekannten Maßnahme Gebrauch macht. Bei dieser
bekannten Maschine wird während der Spülung des Arbeitszylinders ein fettes Brennstoffluftgemisch
in die als gewölbter Hohlraum ausgebildete Vorkammer eingeführt und darin kreisend
bis zur Entzündung gespeichert. Die Wände der Vorkammer sind ungekühlt. Daher erfolgt
selbst bei Verwendung von Schwerölen die Aufbereitung des Brennstoffes sehr gründlich,
weil das fette Schwerölluftgemisch schon während des Spülens des Arbeitszylinders
in die Kammer eingebracht und darin an den heißen Wänden entlang kräftig zum Kreisen
und Wirbeln gebracht wird, was zur Folge hat, daß besonders die gröberen Brennstoffteilchen
gegen die heißen Wände der Vorkammer geschleudert und dort zerrisen, verdampft und
aufgespalten werden. Da der Arbeitskolben während des Verdichtungstaktes noch Luft
in die Vorkammer schickt, wird darin eine Wirbelung quer zum Umlauf des Fettgemisches
erzielt und auf dieseWeise bis zum Ende des Verdichtungstaktes ein gut brennbares
Gemisch in der Vorkammer gebildet, welches dann vor Beginn des Arbeitstaktes mittels
einer in der Vorkammer angeordneten Zündkerze entzündet wird und erst während des
Arbeitshubes in den Zylinderraum ausbläst.
Nachteilig bei dieser
Maschine ist, dafi einerseits die Brennstoffverdampfung zu langsam erfolgt und daher
nur niedrige Maschinendrehzahlen möglich sind und daß andererseits eine einfache
und sichere Brennstoffeinbringung während des Spülvorganges nicht möglich ist.
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Die Mängel der vorgenannten, ohne Brennstoffverdampfung arbeitenden
bekannten Viertaktbrennkraftniaschine werden bei der Erfindung dadurch beseitigt,
daß die Brennkammerwand ungekühlt und um die Brennkammeröffnung gewölbt ist, sowie
der Brennstoff etwa in Richtung dieser Wandwölbung in die Brennkammer eingeführt
wird.
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Zur Beseitigung der Mängel der vorgenannten bekannten brennstoffverdampfenden
Zweitaktmaschine werden gemäß der Erfindung der gesamte Verdichtungsraum in eine
Brennkammer und eine Luftkammer unterteilt und eine nach der Zündung offene Verbindungsöffnung
zwischen den beiden angeordnet, sowie das Gemisch in die Brennkammer eingesaugt
und in bekannter Weise auf der Brennkammerwand um eine zum Hubraum offene Brennkammeröffnung
umgelenkt. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, daß der Brennstoff beim Einbringen
gegen eine Stelle der heißen Brennkammerwand geleitet wird, die einer nach der Zündung
offenen Verbindungsöffnung zur Luftkammer benachbart ist, so daß die ersten aus
der Brennkammer ausströmenden Brenngase über diese Stelle hinwegströmen müssen.
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In Übereinstimmung mit der bekannten Viertaktbrennkraftmaschine wird
bei der den Gegenstand der Erfindung bildenden, mit Fremd- oder Selbstzündung arbeitenden
Viertaktbrennkraftinaschine während des Saughubes über ein im Zylinderkopf befindliches
Ventil reine Luft sowie gleichzeitig in eine mit dem Hubraum in gedrosselter Verbindung
stehende, im Zylinderkopf angeordnete Brennkammer ein fettes Brennstoffluftgemisch
angesaugt und dabei in einen die Brennkammerwandung bestreichenden Wirbel versetzt.
Während des Verdichtungshubes werden sowohl die Luft als auch das fette Gemisch
verdichtet, und nach erfolgter Zündung des letzteren strömt das brennende Gemisch
in die verdichtete Luft über, mischt sich mit dieser und verbrennt abschließend.
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Erfindungsgemäß wird die verdichtete Luft von einer im Zylinderkopf
angeordneten, mit dem Hubraum in offener und mit der Brennkammer über einen tangential
in diese einmündenden Kanal in Verbindung stehenden Kammer aufgenommen, und die
am Ende des Verdichtungshubes durch den Kolben im wesentlichen gegen den Hubraum
abgeschlossene, rotationssymmetrische sowie in ihrer maschinenauswärts gelegenen
Abschlußwandung das Auslaßventil aufnehmende Brennkammer weist in bei der Zweitaktbrennkraftmaschine
bekannter Weise zum Zwecke der Brennstoffaufbereitung urgekühlte oder nur schwach
gekühlte Wände auf. In gleichfalls bekannter Weise befindet sich die Verbindungsöffnung
zwischen der Brennkammer und dem Hubraum außerhalb des äußeren Bewegungsbereiches
des Gemischumlaufs. Der Verbindungskanal zwischen der Luftverdichtungskammer und
der Brennkammer liegt etwa tangential zum Gemischumlauf.
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Empfehlenswert ist es, die Verbindung zwischen dem tangential in die
Brennkammer einmündenden Kanal und der Zuleitung für das Fettgemisch durch eine
vom Einlaßventil betätigte Muschel herzustellen.
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Der Kolben erhält zweckmäßig einen gegen Ende des Verdichtungshubes
in die Brennkammermündung eintretenden Verdrängeransatz. Da nach dem Erfindungsvorschlag
die Luftverdichtungskammer durch einen Kanal mit der Brennkammer in Verbindung steht,
der tangential in die um die Brennkammermündung gewölbte Brennkammerwand einmündet
und während des Saughubes mit einer Fettgemischzuführleitung in Verbindung gebracht
wird, vollzieht sich bei der Einsaugung des Brennstoffgemisches in der Brennkammer
ein Gemischumlauf um die Brennkammermündung. Weil dabei die im Fettgemisch enthaltenen
Brennstofftröpchen infolge der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft von der Brennkammermündung
wegstreben, können sie nicht in den Zylinderraum gelangen, sondern nur auf der gewölbten,
ungekühlten Brennkammerwand verteilt niedergeschlagen werden, wo sie dann zur Verdampfung
kommen. Der Verdampfungsvorgang wird gesteigert durch die Unterteilung des Gesamtverdichtungsraumes,
weil hier nach der Zündung schon bei oberster Kolbenstellung eine kräftige, aus
der Brennkammer in die Luftverdichtungskammer ausströmende Brenngasströmung entsteht
und über den Brennstoffniederschlag auf der Brennkammerwand hinwegstreicht, so daß
die Brennstoffverdampfung sehr beschleunigt und eine innige Mischung des Brennstoffdampfes
mit der in der Luftverdichtungskamtner verdichteten Luft erzielt wird. Diese Vorgänge
werden noch wirkungsvoller, wenn die Brennkammermündung bei oberster Kolbenstellung
vom Kolben mehr oder weniger abgeschlossen wird, da nun nach der Zündung die brennenden,
sehr heißen Gase nur durch den verhältnismäßig engen tangentialen Brennkammerkanal
in die Luftverdichtungskammer gelangen können, weshalb sie mit sehr großer Geschwindigkeit
vornehmlich über die Eintrittswelle des Brennstoffes bzw. dessen Hauptniederschlagsstelle
hinwegstreichen und auch noch in der Luftverdichtungskammer eine besonders kräftige
Wirbelung erzeugen. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens legt letzterer die Brennkammermündung
wieder frei, so daß insgesamt die Gasströmungen nicht unnötig gedrosselt werden.
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Eine Viertaktbrennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinderkopf
und den oberen Teil des Zylinders, Fig.2 einen Querschnitt durch den Zylinderkopf
nach der Linie X-X der Fig. 1.
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Der Kolben a bewegt sich im Zylinder b in bekannter
Weise auf- und abwärts. Im Zylinderkopf c sind die Brennkammer d, das Einlaßventil
e mit daran befestigtem Muschelschieber f sowie das Auslaßventil
g
angeordnet. Der Hohlraum der Brennkammer steht bei geschlossenem Einlaßventil
durch den tangential in ihn einmündenden Kanal h mit der unter dem Einlaßventil
liegenden Luftverdichtungskammer o und durch die axial in den Zylinderraum führende
Mündung i mit dem letzteren in offener Verbindung. Die Mündung kann, wie in Fig.2
durch den gestrichelten Kreis n angedeutet, auch etwas exzentrisch versetzt zum
Brennkammerraum liegen. Bei geöffnetem Einlaßventil befindet sich der Muschelschieber
f vor dem Kanal h und verbindet die Brennkammer mit der Gemischzuleitung k. Deshalb
werden während des Saughubes durch das geöffnete Einlaßventil in der Pfeilrichtung
I reine Luft in den Zylinderraum und in den Pfeilrichtungen Il und III ein viel
Brennstoff und wenig Luft enthaltendes Gemisch, nachfolgend Fettgemisch genannt,
aus der Gemischzuleitung k tangential in die Brennkammer eingesaugt und darin zum
Umlaufen gebracht. Die Querschnitte für das Einsaugen
der reinen
Luft und für das Einsaugen des Fettgemisches sowie der Hohlraum in der Brennkammer
sind so bemessen, daß während des Saughubes der Zylinderraum im wesentlichen nur
mit reiner oder höchstens wenig Brennstoff enthaltender Luft, die Brennkammer aber
im wesentlichen nur mit Fettgemisch gefüllt werden und die insgesamt angesaugte
Luftmenge zur Verbrennung des angesaugten Brennstoffs ausreicht.
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Die im Fettgemisch enthaltenen Brennstofftröpfchen werden bei der
umlaufenden Gemischbewegung in der Brennkammer gegen die ungekühlte und daher im
Betrieb sehr heiße Brennkammerwand ausgeschleudert, darauf verteilt niedergeschlagen
und anschließend verdampft. Bei diesem Vorgang entsteht in der Nähe des Kanals h
ein etwas stärkerer Brennstoffniederschlag als auf der übrigen Wandfläche der Brennkammer.
Die Form der Brennkammer und die darin stattfindende umlaufende Gemischbewegung
verhindern während des Saughubes weitgehend ein Überströmen von Brennstofftröpfchen
aus der Brennkammer in den Zylinderraum. Während des Verdichtungshubes schiebt der
Kolben bei geschlossenen Ventilen die Luft aus dem Zylinderraum teilweise in die
Luftverdichtungskammer o und teilweise durch den Kanal h und die Mündung i in die
Brennkammer, wodurch in letzterer nicht nur die umlaufende Gemischbewegung in Pfeilrichtung
III weiter aufrechterhalten, sondern auch noch eine Querwirbelung dazu erzeugt wird.
Dadurch wird eine gute Mischung von verdampftem Brennstoff und Luft erreicht. Kurz
vor Beendigung des Verdichtungshubes, d. h. im Augenblick der Zündung durch die
Zündkerze L, ist in der Brennkammer die Mischung von Luft und Kraftstoff so weit
fortgeschritten, daß das in der Nähe der Zündkerze befindliche Gemisch brenngünstig
ist, daher sicher entzündet werden kann und nach der Entzündung weiterbrennt. Etwa
zur gleichen Zeit oder kurz danach erfolgt die Beendigung des Verdichtungshubes,
wobei sich die Kolbenstirnseite bis dicht vor die Mündung i der Brennkammer schiebt
bzw. ein Verdrängeransatz m des Kolbens in die Mündung eintritt. Deshalb treibt
die bei Verbrennungsbeginn an der Zündkerze entstehende Druckwelle das in der Brennkammer
enthaltende Gemisch durch den der Zündkerze ungefähr oder etwas versetzt gegenüberliegenden
Kanal h in die Luftverdichtungskammer o. Hier trifft das brennende Gemisch mit weiterer
Luft oder brennstoffarmem Gemisch zusammen, mischt sich damit und verbrennt während
des anschließenden Arbeitshubes schnell und vollkommen, aber nicht klopfend. Die
erwähnte Druckwelle wirkt auch als Feuerstoß, der schon bei oberster Kolbenstellung
mit großer Geschwindigkeit über die Hauptniederschlagsstelle des Brennstoffs hinweg
in die Luftverdichtungskammer fegt, wodurch einerseits die Brennstoffverdampfung
auf der Brennkammerwand und andererseits die Mischung von brennendem Gemisch und
Luft in der Luftverdichtungskammer sehr beschleunigt werden. Der Auspuffhub vollzieht
sich in üblicher Weise dadurch, daß der sich wieder aufwärts bewegende Kolben die
Brenngase im Zylinderraum durch den Kanal h sowie durch die Mündung
i und durch das geöffnete Auslaßventil in die Auspuffleitung hinausschiebt.
Danach wiederholt sich das beschriebene Arbeitsspiel, beginnend mit dem nächsten
Saughub.
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Die Tatsache, daß infolge der Anordnung der Luftverdichtungskammer
schon bei oberster Kolbenstellung brennendes Gemisch in starker Strömung aus der
Brennkammer in die Luftverdichtungskammer ausströmt und dadurch die Brennstoffverdampfung
und die Mischung des Brennstoffdampfes mit Luft sehr gefördert werden, ermöglicht
sowohl das Anwenden hoher Maschinendrehzahlen als auch das Einbringen großer Brennstoffmengen,
d. h. eine große Brennraumbelastung, was beides zu einer hohen Literleistung führt.
Auch Brennstoffe mit sehr hoher Siedetemperatur werden noch rechtzeitig verdampft.
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Das über die Leitung k angesaugte Gemisch kann in bekannter Weise
entweder in einem Vergaser oder durch Einspritzung von Brennstoff in die die Zuleitung
k durchströmende Luft gebildet werden. Das Auslaßventil kann auch außerhalb der
Brennkammer vor der Auspuffleitung angeordnet werden. Um nach der Zündung ein möglichst
vollständiges Ausblasen des brennstoffreichen Gemisches aus der Brennkammer in die
Luftverdichtungskammer bzw. in die in letzterer gespeicherte weitere Luft zu erreichen,
kann auf der Kolbenstirnseite, wie in der Zeichnung gestrichelt eingezeichnet ist,
ein Abschlußorgan, z. B. in Form eines Zapfens m, sitzen, welcher in der oberen
Kolbenstellung in die Mündung i eintaucht und diese einige Zeit schließt. Weiter
kann für denselben Zweck die Ausbildung und die Anordnung der Brennkammer derart
sein, daß einerseits die Zündkerze gegenüber der oder den nach der Zündung offenliegenden
Öffnungen der Brennkammer sitzt und daß sich andererseits bei der Zündung in der
Nähe der Zündkerze ein luftreicheres, möglichst brenngünstiges Gemisch befindet.
Letzteres läßt sich auf einfache Weise erreichen, indem die axiale Mündung i der
Brennkammer etwas exzentrisch versetzt zum Brennkammerraum angeordnet wird, wie
dies in der Zeichnung durch den gestrichelten Kreis n angedeutet ist. Die Betriebstemperatur
der Brennkammerwand kann durch mehr oder weniger satte Verbindung mit den gekühlten
Teilen der Brennkraftmaschine auf einer solchen Höhe gehalten werden, daß sowohl
Benzin als auch Schweröl einwandfrei verdampft werden. Um in der Gemischzuleitung
ein Vorverdampfen leichtsiedender Brennstoffteile und einen Koksansatz zu verhindern,
empfiehlt es sich, die Gemischzuleitung und die Brennkammer so zueinander anzuordnen
bzw. so voneinander zu isolieren, daß erstere im Betrieb verhältnismäßig kühl bleibt
und nur die letztere sehr heiß wird. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann
auch bei Selbstzündung den Brennstoff schon während des Saughubes in die Brennkammer
einbringen, weil die Brennstoffverdampfung verzögernd auf die Gemischbildung wirkt
und die Anordnung der Luftverdichtungskammer eine harte Verbrennung auch dann noch
verhindert, wenn schon vor der Zündung eine größere Menge Brennstoff verdampft ist.