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Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine, bei der
gegen Ende des Verdichtungshubes flüssiger Brennstoff in einem schlanken Kernstrahl
mit einem ihn umgebenden Schleier feiner Brennstofftröpfchen in eine kugelige oder
birnenförmige, etwa die Hälfte der gesamten Verbrennungsluft aufnehmende Vorkammer
symmetrisch zu deren Achse eingespritzt wird, wobei Vorkammer und Zylinderraum durch
einen koaxial zur Vorkammerachse angeordneten überströmkanal miteinander verbunden
sind, der aus einem dem Zylinderraum zugewandten und zu diesem hin offenen zylindrischen
oder schwach kegeligen Teil besteht, an den sich mit einem stumpfen Winkel eine
kegelige Erweiterung anschließt, die in die Wandung der Vorkammer übergeht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Verlauf des Drehmomentes
den insbesondere bei Fahrzeugmotoren gestellten Bedingungen weitgehend anzupassen.
In diesem Zusammenhang ist es erwünscht, daß das höchste Drehmoment bzw. der höchste
mittlere effektive Druck bei mittlerer oder niedriger Drehzahl auftritt. Diese Aufgabe
wird an einer Brennkraftmaschine der eingangs erwähnten Bauart erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß in an sich bekannter Weise auf den zylindrischen bzw. schwach kegeligen
Teil des überströmkanals eine erste scharfkantige Übergangsstelle folgt, an die
sich ein mittlerer kegeliger Wandteil anschließt, der von einer zweiten scharfkantigen
Übergangsstelle gefolgt ist, worauf die kegelige, in die Vorkammerwandung übergehende
Erweiterung folgt, und daß die Entfernung zwischen der ersten Übergangsstelle und
der Einspritzdüse das I-bis 1,3fache des größten Vorkammerdurchmessers und die Länge
des mittleren kegeligen Wandteiles zwischen einem Drittel und einem Siebentel des
größten Vorkammerdurchmessers beträgt.
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Durch diese Gestaltung werden im Bereich des umgebenden Schleiers
feiner Brennstofftröpfchen Luftwirbel geschaffen, die eine Gemischbildung bewirken
und das Zustandekommen eines Höchstwertes des mittleren effektiven Druckes und damit
des Drehmomentes in einem bestimmten Drehzahlbereich ermöglichen. Außerdem bewirken
die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Senkung der Temperatur der Einspritzdüse, was
besonders bei luftgekühlten Dieselmotoren oder dort, wo der Düsensitz nicht wasserbespült
ist, die Betriebssicherheit dieses wichtigen Bauteils erhöht, d. h. eine geringe
Anfälligkeit gegen Verkoken sichert. Hierbei beeinflußt, wie weiter unten noch näher
erläutert wird, die Form der übergangsstelle von dem zylindrischen bzw. schwach
kegeligen Teil zu dem mittleren kegeligen Wandteil in erster Linie die Lage des
Drehmomentmaximums im Drehzahlbereich, während die Form der Übergangsstelle zwischen
der in die Vorkammerwandung übergehenden kegeligen Erweiterung und dem mittleren
kegeligen Wandteil in erster Linie die Düsentemperatur beeinflußt.
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Bei einer bekannten selbstzündenden, luftverdichtenden Brennkraftmaschine
mit kugeliger Vorkammer und koaxialem, offenem zylindrischem überströmkanal ist
an der Übergangsstelle zwischen Überströmkanal und Vorkammer eine zylindrische Erweiterung
vorgesehen, die entweder allmählich in die Vorkammerwand übergeht oder scharfkantig
gegen dieselbe abgesetzt ist, wobei der Boden der Erweiterung rechtwinklig zur Wand
des überströmkanals verläuft und mit dieser eine scharfe Kante bildet. Diese rechtwinklige
Kante läßt eine Beeinflussung des Drehmomentverlaufes nach den der Erfindung zugrunde
liegenden Erkenntnissen ausgeschlossen erscheinen, da ein Kantenwinkel von 90° an
dieser Stelle einen starken stationären Wirbel im Bereich der zylindrischen Erweiterung
erzeugt, wobei der Kernstrahl des durch die überströmöffnung in die Vorkammer getriebenen
Luftstromes ruhig bleibt. Die Wirbelbildung, die bei der bekannten Brennkraftmaschine
auftritt, kann daher nicht die Zündbedingungen in der eigentlichen Vorkammer beeinflussen
und daher nicht die erfindungsgemäße Wirkung haben. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
dagegen, die mit wesentlich stumpferen Kantenwinkeln arbeitet, kommt es nur zu der
sogenannten instationären Wandablösung, bei der die auftretenden Wirbel periodisch
gebildet werden und wieder verschwinden. Dabei treten
in der ganzen
Strömung unruhige Fluktuationen auf, die offensichtlich die Zündbedingungen in der
eigentlichen Vorkammer in der angestrebten vorteilhaften Art beeinflussen.
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Bei einer weiteren bekannten selbstzündenden, luftverdichtenden Brennkraftmaschine
besteht die Vorkammer aus einem mittleren, die Stelle des größten Durchmessers bildenden
zylindrischen Teil, an den sich kegelstumpfförmige Endteile anschließen, während
der überströmkanal aus einem kegeligen und einem zylindrischen Stück besteht und
eine erste und eine zweite scharfkantige übergangsstelle aufweist. Bei dieser Gestaltung
erscheint eine Beeinflussung des Drehmomentverlaufs nach den der Erfindung zugrunde
liegenden Erkenntnissen ausgeschlossen, weil der Brennstoffstrahl einen verhältnismäßig
großen Strahlwinkel zum Zwecke der Auftragung eines Brennstoffilmes auf dem kegeligen
Teil des überströmkanals aufweist und weil die Länge des kegeligen Teiles des überströmkanals
viel größer als die Länge des mittleren kegeligen Wandteiles beim Erfindungsgegenstand
ist. Dadurch gerät zumindest der an der ersten Übergangsstelle entstehende Luftwirbel
nicht mit dem Tröpfchenschleier, sondern mit dem Kernstrahl in Berührung, wodurch
die erfindungsgemäße Wirkung nicht eintreten kann, da sich die feinen Tröpfchen
des Schleiers schneller mit der Luft mischen und entzünden als die dickeren Tropfen
des Kernstrahles. Es sind demnach auch für diese bekannte Brennkraftmaschine keinerlei
Wirkungen bekanntgeworden, die mit denen des Erfindungsgegenstandes vergleichbar
sind.
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Es sind weiterhin Abwandlungen der vorstehend erwähnten Vorkammer
bekanntgeworden, bei denen zum Unterschied gegenüber der vorstehend beschriebenen
Ausführung derjenige Teil der Vorkammer, der dem zylindrischen Teil des überströmkanals
bei der vorgenannten Bauart im Aussehen entspricht, durch einen Boden mit einer
oder mehreren sehr engen Überströmöffnungen abgeschlossen ist, die in diesem Fall
den eigentlichen Überströmkanal bilden. Es liegt auf der Hand, daß die Strömungsbedingungen
im Bereich des Brennstoffstrahles durch diesen baulichen Unterschied so grundlegend
geändert werden. daß ein Wirkungsvergleich mit dem Erfindungsgegenstand unmöglich
ist.
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Schließlich ist noch die im ersten Beschreibungsabsatz gekennzeichnete
Bauart einer selbstzündenden, luftverdichtenden Brennkraftmaschine bekannt, bei
welcher der zylindrische Teil des überströmkanals zwar unten offen ist. jedoch mit
dem Kolbenboden einen ringförmigen Drosselspalt bildet, durch den die Strömungsbedingungen
im überströmkanal wesentlich gegenüber den beim Erfindungsgegenstand herrschenden
Verhältnissen geändert werden, da die durch den Drosselspalt beim Verdichtungshub
quer zur Kanalachse einströmende Luft von der Wand des überströmkanals ferngehalten
wird, und zwar kurz vor dem oberen Totpunkt, d. h. gerade zu dem Zeitpunkt. an dem
der Brennstoff eingespritzt wird. Aus diesem Grunde können die dem Erfindungsgegenstand
eigenen vorteilhaften Wirkungen bei der bekannten Brennkraftmaschine nicht eintreten.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem luftgekühlten
Dieselmotor; Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel an einem wassergekühlten Dieselmotor;
Fig. 3 zeigt die bevorzugte Ausführung der zugehörigen Kolbenmulde; Fig.4 zeigt
den Drehmomentverlauf über der Drehzahl bei verschiedenen Formen der Übergangsstelle
zwischen dem zylindrischen bzw. schwach kegeligen Teil und der mittleren Wandpartie.
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In der Zeichnung ist die Vorkammer mit 1 und der Einsatz, der
den überströmkana12 bildet, mit 3 bezeichnet. In die Vorkammer l ragt eine Einspritzdüse
4 und eine Glühkerze 5. Die Einspritzdüse 4 ist als Drosselzapfendüse
mit einem theoretischen Spritzwinkel von 0' ausgebildet. Der Brennstoffstrahl
6 besteht aus einem Kernstrahl 7, der einen Strahlwinkel von annähernd 0' aufweist,
und einem Tröpfchenschleier B. Die Vorkammer 1 ist bei wassergekühlten Maschinen
vorzugsweise durch einen Luftspalt gegen den Zylinderkopf wärmeisoliert. Bei luftgekühlten
Maschinen ergibt die Anordnung der Vorkammer im Kühlluftstrom einen brauchbaren
Wärmezustand derselben während des Betriebes. Der Einsatz 3 kann in beiden Fällen
durch einen Luftspalt 9 gegen den Zylinderkopfboden 10 wärmeisoliert sein.
Der überströmkanal 2 besteht aus dem engsten Teil 11, dessen Öffnungswinkel
a, im vorliegenden Fall 10° beträgt. Der Teil 11 kann aber auch zylindrisch
sein. An den Teil 11 schließt sich der mittlere kegelige Wandteil 12 an,
dessen öffnungswinkel x., zwischen 30 und 60" liegt. Die Wände des Wandteiles
12 und des Teiles 11 bilden an der übergangsstelle 13 die Schenkel
des übergangswinkels @ß, der zwischen 150 und 170° liegt. An den Wandteil
12 schließt sich eine kegelige Erweiterung 14 an, die im vorliegenden
Falle einen öffnungswinkel von 90@ aufweist. Die Erweiterung 14
geht in die
Wandung der Vorkammer 1 über. Die Übergangsstelle von dem mittleren kegeligen
Wandteil 12 zu der kegeligen Erweiterung 14 ist mit 21
bezeichnet.
Die übergangsstellen 13 und 21 sind scharfkantig ausgeführt. Der Zylinderraum wird
im oberen Totpunkt des Kolbens 15 hauptsächlich durch die Wirbeltaschen
16 und die vertiefte Ausmündungsstelle 17 des Überströmkanals 2 gebildet.
Der übrige Teil des Kolbenbodens ist eben und tritt im oberen Totpunkt mit dem üblichen
Sicherheitsabstand an den Zylinderkopfboden 10 heran. Die von Vertiefungen
16 und 17 gebildete Kolbenmulde ist überall gleich tief. Die Vorkammer
1 und die Verbindungsöffnung 2 enthält im oberen Totpunkt etwa 50 "/o der
Verbrennungsluft. Dieser Betrag kann nach oben und unten abweichen. Der Abstand
von der übergangsstelle 13 bis zur Stirnfläche der Einspritzdüse
4
beträgt das l- bis 1,3fache des größten Vorkammerdurchmessers. Die Achse
18 der birnen- oder kugelförmigen Vorkammer 1 liegt schräg und außermittig
im Zylinderkopf. Die Achse 18 ist gleichzeitig auch die Achse des überströmkanals
2. Die dargestellte Lage der Vorkammer ist für zweiventilige Maschinen bestimmt.
Die Lage der Ventile ist in Fig. 3 angedeutet. Der Querschnitt der engsten Stelle
des Teiles 11 des überströmkanals 2 beträgt etwa ein Hundertstel bis ein
Zweihundertstel der Kolbenfläche. Dieser Wert bezieht sich auf Maschinen mit einer
mittleren Kolbengeschwindigkeit von etwa 10 m/s und Höchstdrehzahlen von 2000 bis
3000 U/min. Zum besseren Verständnis sind die Gestalt des Luftwirbels und die vermutliche
Lage der ersten Zündung angegeben.
Der Luftwirbel ist mit
19 und der Ort der ersten Zündung mit 20 bezeichnet.
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Die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann folgendermaßen erklärt
werden: Die Höhe des mittleren effektiven Druckes hängt in hohem Maße von der Gemischbildung
in der Vorkammer ab. In diesem Zusammenhang ist die Art der Einleitung der Zündung
an dem umgebenden Tröpfchenschleier des Brennstoffstrahles offensichtlich von besonderer
Bedeutung. Der Ablauf der Einspritzung und Verbrennung ist im einzelnen etwa folgender:
Das Einspritzen beginnt etwa um so viel Millisekunden vor dem oberen Totpunkt, wie
der Zündverzug lang ist. Der Brennstoffstrahl durchquert mit schnell auf etwa 10
bis 20 m/s abnehmender Anfangsgeschwindigkeit von etwa 100 nv's bei den üblichen
Einspritzdrücken die Vorkammer, so daß sich seine Spitze nach Ablauf des Zündverzuges
in der Gegend des überströmkanals befindet. Während dieser Zeit strömt heiße Luft
durch den überströmkanal in die Vorkammer. An der Übergangsstelle 13 löst
sich die Luftströmung wirbelnd ab und trifft den äußeren Tröpfchenschleier des Brennstoffstrahles,
wobei sich diese feinen Tröpfchen mit der Luft mischen, während der Kernstrahl noch
im wesentlichen geschlossen bleibt. Von dem Grad der Wirbelung und von der Einströmgeschwindigkeit
scheint die Güte der Gemischbildung abzuhängen. Die Zündung tritt an dem Tröpfchenschleier
des Brennstoffstrahles auf, und die in der Vorkammer entstehende Drucksteigerung
treibt den Vorkammerinhalt in den Zylinderraum. Wenn bei kleinem übergangswinkel
gleichzeitig eine starke Wirbelung und bei Höchstdrehzahl eine hohe Einströmgeschwindigkeit
auftritt und wenn die Einströmgeschwindigkeit bei niedriger Drehzahl klein ist,
während gleichzeitig die Wirbelung bei großem Übergangswinkel klein ist. scheint
die Gemischbildung nur einen verhältnismäßig niedrigen mittleren effektiven Druck
bei rauchfreiem Auspuff zu ergeben. Mit starker Wirbelung. entsprechend kleinem
Übergangswinkel und kleiner Einströmgeschwindigkeit sowie mit schwacher Wirbelung,
entsprechend großem Übergangswinkel und hoher Einströmgeschwindigkeit läßt sich
gemäß den der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnissen ein etwa gleich gutes Ergebnis
erzielen. Man hat es daher durch die Wahl des Übergangswinkels r) in der Hand, das
Maximum des mittleren effektiven Drukkes und damit das Drehmomentmaximum in den
gewünschten niedrigen Drehzahlbereich zu legen, selbstverständlich vorausgesetzt,
daß die Fördermengencharakteristik der Einspritzpumpe so ausgelegt ist, daß in dem
Bereich, in dem das Drehmomentmaximum liegen soll, so viel Brennstoff pro Hub eingespritzt
wird, wie rauchfrei verbrannt werden kann.
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Die vorstehend als Einströmgeschwindigkeit bezeichnete Rechnungsgröße
VE ist der Einfachheit halber nach der Formel
ermittelt. Darin ist VK die momentane Kolbengeschwindigkeit bei Einspritzbeginn,
FK die Kolbenfläche und FE der kleinste Querschnitt der Einströmöffnung. Wenn die
nach dieser Formel berechnete momentane Einströmgeschwindigkeit VE etwa bei 200
m/s liegt, so kann man mit einem Winkel fl von etwa 150 einen Drehmomentverlauf
erzeugen, wie er in Fig. 4 mit 1 bezeichnet ist. Wenn VE bei etwa
350 m/s und /3 bei etwa l70° liegt, ergibt sich der Drehmomentverlauf nach Kurve
2 in Fig. 4.
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Aus neueren Untersuchungen über Ablösungserscheinungen in Diffusoren
geht hervor, daß die Strömungsarten von dem Öffnungswinkel beeinflußt werden und
zwar entstehen hauptsächlich drei Strömungstypen. Bei kleinem Öffnungswinkel tritt,
wie bekannt, keine Wandablösung auf. Bei mittlerem Winkel tritt instationäre Wandablösung
auf, wobei die ganze Strömung unruhige Fluktuationen aufweist. Bei großem Winkel
tritt ein stationärer Wirbel an der Ablösungsstelle auf, während die eigentliche
Strömung ruhig verläuft. Dabei ist das Verhältnis Diffusorlänge zu Öffnungsquerschnitt
ebenfalls von Bedeutung. Die beim Erfindungsgegenstand erzeugte Strömung gehört
anscheinend dem mittleren Typ an und die Länge des mittleren Wandteiles, die das
IAH- bis ' :fache des größten Vorkammerdurchmessers betragen soll, unterstützt das
Zustandekommen dieses Strömungstyps.