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Einrichtung zur Förderung des Kraftstoffes in die Verbrennungsluft
einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Förderung des
Kraftstoffes in die Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine, bei der die bei der
Verbrennung nutzbar frei gewordene Energie durch ein Triebwerk auf eine Abtriebswelle
übertragen wird, vorzugsweise einer mit Kurbeltrieb arbeitenden Kolbenbrennkraftmaschine,
wobei die Förderung der für ein Arbeitsspiel erforderlichen Kraftstoffmenge durch
auf den Kraftstoff selbst wirkende Massenkräfte bewirkt wird, welche durch beim
Betrieb der Brennkraftmaschine erzeugte Schwingungen auftreten.
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Bei den bisher üblichen Kolbenbrennkraftmaschinen sind umfangreiche,
komplizierte und teure Einrichtungen erforderlich, um den Kraftstoff in die Verbrennungsluft
einzuspritzen, nämlich mit hohem Druck arbeitende Pumpen, welche den Kraftstoff
zu besonderen Düsen- fördern, durch die der Kraftstoff in die Verbrennungsluft eingespritzt
wird.
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Es ist eine als nach dem Dieselprinzip arbeitende Kolbenbrennkraftmaschine
ausgestaltete Dieselramme bekannt, bei der der als Fallbär ausgestaltete Zylinder
gegenüber dem mit dem einzurammenden Pfahl verbundenen Kolben verschiebbar ist.
Bei dieser Dieselramme steht der Kraftstoff in einem Vorratsbehälter unter Druck
und wird durch diesen Druck jeweils in einen kleinen Zylinder gefördert, in dem
ein Kolben mit großer Masse verschiebbar ist. Bei der beim Aufschlagen des Fallbäres
auftretenden starken Verzögerung bewegt sich dieser Kolben unter den auf ihn wirkenden
Massenkräften derart, daß er den in dem kleinen Zylinder befindlichen Kraftstoff
unter hohem Druck in den Arbeitsraum der Dieselramme verdrängt. Bei dieser triebwerklosen
Dieselramme wird also die Förderung der für ein Arbeitsspiel erforderlichen Kraftstoffmenge
einerseits durch auf den Kraftstoff wirkenden Luftdruck und andererseits durch auf
den Kraftstoff einwirkende Massenkräfte eines Kolbens bewirkt, wobei die Massenkräfte
durch beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretende starke Verzögerungen, d. h.
negative Beschleunigungen, erzeugt werden.
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Es ist weiterhin eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Kraftstoff
durch eine Pumpe im Kreislauf mit relativ hoher Geschwindigkeit umgewälzt wird und
die Strömung in diesem Kreislauf durch besondere Absperrschieber in den Arbeitsspielen
der Maschine entsprechenden Zeitfolgen unterbrochen wird, so daß in dem plötzlich
im Weiterströmen behinderten Kraftstoff die Bewegungsenergie in Druckenergie umgewandelt
wird, derart, daß der auf diese Weise erzeugte Druck das jeweilige Einspritzventil
am Zylinder öffnet. Diese Einspritzanlage, die aus einer stetig im Kreislauf fördernden
Pumpe, aus einer weiteren Pumpe, die den in die Zylinder eingespritzten Kraftstoffmengen
entsprechende Kraftstoffmengen in den Kreislauf fördert und aus dem Unterbrecher
sowie aus Einspritzventilen besteht, ist somit sehr aufwendig und kompliziert und
nimmt darüberhinaus für die beiden stetig fördernden Pumpen relativ hohe Energiemengen
auf, wobei zudem ein relativ großer Teil der Energie in dem Kraftstoffkreislauf
in Wärme des Kraftstoffes umgesetzt wird.
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Es ist weiterhin eine Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei der mittels
einer Nockenwelle über einen Verdränger in einer den Arbeitsspielen entsprechenden
Zeitfolge ein Öldruck erzeugt wird, der auf eine Ringfläche einer Hülse mit relativ
großer Masse einwirkt und dabei diese Hülse verdrängt und beschleunigt. Eine weitere
Ringfläche dieser Hülse wirkt dabei auf den zu fördernden Kraftstoff ein, der dadurch
seinerseits beschleunigt wird und durch den auftretenden Druck ein Einspritzventil
öffnet. Durch eine Pumpe wird der Kraftstoff in den Raum gefördert, in dem die Hülse
verschiebbar ist und wird mittels eines überdruckventils unter Druck gehalten. Auch
bei dieser Brennkraftmaschine ist also eine stetig fördernde Pumpe und zusätzlich
ein außerordentlich kompliziertes, über eine Nockenwelle angetriebenes Kraftstoffeinspritzsystem
vorgesehen.
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Es ist weiterhin eine Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei der mit
dem Arbeitsraum im Zylinder ein windkesselartiger Druckraum verbunden ist, in den
der Kraftstoff von einer Pumpe aus über eine mit Druckausgleichräumen versehene
Leitung mit einem Druck gefördert wird, der dem bei dem jeweiligen Betriebszustand
auftretenden Mitteldruck im Arbeitsraum der Brennkraftmaschine entsprechen soll.
Dabei ist in dem Druckraum oberhalb des
Kraftstoffspiegels ein Luftpolster
oder ein sonstiges elastisches Widerlager eingeschlossen, so daß der jeweils im
Druckraum befindliche Kraftstoff mit diesem Luftpolster zusammen ein schwingungsfähiges
System mit einer ganz bestimmten Eigenfrequenz bildet. Durch den Drosselkanal, der
den Druckraum mit dem Arbeitsraum im Zylinder verbindet, übertragen sich die im
Arbeitsraum auftretenden Druckänderungen auf den Kraftstoff im Druckraum und regen
diesen dazu an, gegen das Luftpolster zu schwingen. Dabei sollen dann Druckspitzen
auftreten, die zumindest einen Teil des im Druckraum befindlichen Kraftstoffes veranlassen,
in den Arbeitsraum überzutreten. Die Eigenfrequenz des Schwingungssystems im Druckraum
ist dabei also abhängig von der im Druckraum befindlichen Kraftstoffmenge - also
der auch pro Zeiteinheit dem Druckraum zugeführten Kraftstoffmenge und der beim
jeweiligen Übertreten in den Arbeitsraum übertretenden Kraftstoffmenge - und von
der Dichte des Kraftstoffes. Durch die Drosselung in dem Kanal zwischen Druckraum
und Arbeitsraum und durch die Massenträgheit soll eine gewisse Phasenverschiebung
zwischen den Schwingungen im Druckraum und dem Arbeitsraum erzielt werden. Es ist
nicht anzunehmen, daß bei verschiedenen Drehzahlen und mit verschiedenen Kraftstoffen
erzielt werden kann, daß jeweils bei einem Arbeitsspiel auch nur annähernd gleiche
Kraftstoffmengen aus dem Druckraum in den Arbeitsraum übertreten. Darüber hinaus
müssen bei der Obertragung des Druckes aus dem Arbeitsraum in den Druckraum durch
den Kanal Teilmengen des heißen Arbeitsgases strömen, die den Kraftstoff im Druckraum
entweder schon entzünden oder zumindest zu einem Zerfallen der Moleküle anregen.
Es ist zwar dabei vorgeschlagen worden, daß dieser Kanal durch ein federbelastetes
Ventil abgeschlossen sein soll, das nur dann öffnet, wenn im Druckraum die Druckspitze
erzielt ist, bei der das Austreten von Kraftstoff in den Arbeitsraum auftreten soll.
Jedoch ist nicht anzunehmen, daß bei einer derartigen Konstruktion durch die Druckschwingungen
im Arbeitsraum solche Schwingungen im Druckraum angeregt werden können, die ausreichen,
einen zum Fördern des Kraftstoffes in den Arbeitsraum, während dort zumindest annähernd
der Verdichtungsenddruck erreicht ist, ausreichenden Druck zu erzielen. Die beschriebene
Anordnung ist dadurch relativ kompliziert, daß der Kraftstoff durch eine zusätzliche
Pumpe auf einen Druck von bestimmter Höhe gebracht werden muß.
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Bei den bisher bekannten Einrichtungen wird also entweder Kraftstoff
durch Massenkräfte einer Hilfsmasse bei an dem durch Stöße wirkenden Maschinenkörper
auftretenden Beschleunigungen in den Brennraum eingespritzt oder es werden durch
Schwingungen des Kraftstoffes erzeugte Massenkräfte zur Förderung desselben ausgenutzt,
wobei die Schwingungen durch den Druckwechsel im Motorzylinder erzwungen werden.
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Es sind weiterhin Kolbenbrennkraftmaschinen bekannt, bei denen Kanalsysteme
vorgesehen sind, bei denen Druckgefälle in der strömenden Luft im Gesamtverbrennungsraum
zur Förderung des Kraftstoffes ausgenutzt werden. Die seit längerem bekannten derartigen
Brennkraftmaschinen weisen keine zufriedenstellende Förderung des Kraftstoffes auf,
wobei die Kraftstofförderung stark von der Drehzahl abhängig ist und sich ein sehr
hoher spezifischer Verbrauch ergibt. Erst in jüngerer Zeit ist eine besondere Ausgestaltungsform
eines derartigen Kanalsystems zusammen mit einer Ausgestaltungsform des Gesamtbrennraumes
und eines Strömungs- und Verbrennungsverlaufes in diesem bekanntgeworden, die erlaubt,
den unter dem relativ geringem Druck in Form von groben Tröpfchen in die Verbrennungsluft
eingeführten Kraftstoff - sogar weitgehend unabhängig von der Art des Kraftstoffes
- einwandfrei und mit sehr günstigem Druckverlauf mit Selbstzündung zu verbrennen.
Dieses Kanalsystem ist jedoch gegenüber dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung
in der Herstellung aufwendig.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, die Kraftstofförderung durch eine
wesentlich einfachere Einrichtung zu bewirken.
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Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß Brennkraftmaschinen infolge
der unausgeglichenen rotierenden und oszillierenden Massen stets gewisse Schwingungen
ausführen, d. h. also, im Rhythmus der Arbeitsabläufe im Zylinder Beschleunigungen
erfahren. Die Förderung der für jeweils ein Arbeitsspiel erforderlichen Kraftstoffmenge
erfolgt bei der Einrichtung gemäß der Erfindung durch auf den Kraftstoff selbst
wirkende Massenkräfte, welche durch Schwingungen erzeugt werden, wobei die genannten
Schwingungen, die von den Unwuchtmassen des Triebwerkes herrührenden Schwingungen
der ganzen Maschine sind, welche entsprechend elastisch gelagert ist.
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Eine derartige Einrichtung kann derart ausgestaltet sein, daß ein
wesentlicher Teil der Kraftstofförderleitung in der Richtung angeordnet ist, in
der die Schwingungen der Maschine ihre größten Ausschläge macht. Es kann aber auch
zweckmäßig sein, daß ein wesentlicher Teil der Brennstofförderleitung in derjenigen
Richtung angeordnet ist, in der die Kolbenbrennkraftmaschine zumindest mit dem Teil,
in dem die Kraftstofförderleitung angeordnet ist, jeweils in dem Zeitpunkt, zu dem
der Kraftstoff in die Verbrennungsluft eingeführt werden soll, schwingt. Es kann
aber auch zweckmäßig sein, daß ein Teil der Kraftstofförderleitung eine andere Richtung
hat als ein nicht unwesentlicher anderer Teil der Kraftstofförderleitung. Es kann
auch zweckmäßig sein, daß zur Anpassung an die bei verschiedenen Drehzahlen unterschiedlichen
Schwingungsbilder verschiedene, in verschiedenen Richtungen angeordnete Kraftstofförderleitungen
vorgesehen sind, auf die willkürlich oder durch eine automatische Umschalteinrichtung,
abhängig von der Drehzahl umgeschaltet werden kann. Es kann weiterhin vorgesehen
sein, daß ein wesentlicher Teil der Kraftstofförderleitung derartig schwenkbar an
der Brennkraftmaschine gelagert ist, daß sie zwar die Schwingungen der Brennkraftmaschine
mitmacht, ihre Richtung gegenüber der Hauptschwingrichtung bzw. einer vorgegebenen
Normalrichtung an der Brennkraftmaschine einstellbar ist. Durch eine solche Einstellbarkeit
kann gegebenenfalls auch eine Fördermengenregelung bewirkt werden. Es kann auch
vorgesehen sein, daß ein für die Förderung des Kraftstoffes entscheidender Teil
der Kraftstofförderleitung derart an der Brennkraftmaschine gelagert ist, daß er
nur in einer Richtung zu schwingen vermag, wozu es erforderlich ist, daß dieser
Teil wiederum elastisch oder gegebenenfalls über eine teleskopartige Verbindung
mit der Brennkraftmaschine verbunden und andererseits an
einem anderen
Bauteil, beispielsweise am Fundament, abgestützt ist.
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Es kann auch zweckmäßig sein, beispielsweise um unter Berücksichtigung
des relativ geringen spezifischen Gewichtes des Kraftstoffes, die Massenkräfte dadurch
zu vergrößern, daß in der Kraftstofförderleitung ein zwischen zwei Begrenzungsanschlägen
frei bewegbares Kölbchen angeordnet ist. Zweckmäßigerweise besteht das Kölbchen
aus einem massiven zylindrischen Metallstück, vorzugsweise einem Stahlstück. Um
die Kraftstofförderung an die bei verschiedenen Drehzahlen unterschiedlichen Schwingungsbilder
anpassen zu können und gegebenenfalls auch an die bei gleicher Drehzahl bei unterschiedlicher
Belastung unterschiedlichen Fördermengenanforderungen anpassen zu können, kann es
zweckmäßig sein, von außen her an dem Steuerkölbchen Zusatzmassen anzubringen oder
Federn vorzusehen, welche von außen, beispielsweise in ihrer Vorspannung, veränderbar
sind. Es kann auch vorgesehen sein, daß bei einem aus einem Stahlstück bestehenden
Steuerkölbchen von außen ein veränderbares Magnetfeld aufgebracht wird. Dabei soll
dieses Magnetfeld die Schwingungseigenschaften des Kölbchens bei den auftretenden
Eigenschwingungen der Brennkraftmaschine beeinflussen. Das Magnetfeld wird nur dann
geändert, wenn die Drehzahl oder die Belastung der Brennkraftmaschine geändert wird,
nicht aber periodisch im Rhythmus der Arbeitstakte.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß in der Brennstofförderleitung
in an sich bekannter Weise ein Rückschlagventil angeordnet ist. Hierbei kann es
wiederum zweckmäßig sein, daß der bewegliche Ventilkörper des Rückschlagventils
eine möglichst kleine Masse hat, um das Rückschlagventil als solches möglichst unabhängig
von den Massenkräften zu machen. An Stelle eines Rückschlagventils kann auch eine
an sich bekannte Strömungsdrossel vorgesehen sein, deren Strömungswiderstand in
der einen Durchströmungsrichtung wesentlich größer ist als in der anderen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
teilweise im Schnitt dargestellt. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Zylinder
2 auf, in dem ein Kolben 3 verschiebbar ist, der durch eine in der Zeichnung nicht
erkennbare Pleuelstange mit der Kurbelwelle 4 verbunden ist. Am Kurbelgehäuse 5
sind drei Füße 6 und 7 angeordnet, wobei die beiden Füße 6 senkrecht zur Zeichenebene
hintereinander liegen. Jeder der drei Füße 6 und 7 ist über eine Feder 8 gegenüber
dem Fundament 9 abgestützt. Der Zylinder 2 ist mit Kühlrippen 10 versehen. Im Zylinderkopf
ist eine Nebenbrennkammer 11 angeordnet, die durch einen Oberströmkanal 12 mit dem
Brennraum im Zylinder 2 verbunden ist. In Richtung des Pfeiles 13 wird der
Zylinder 2 und der Zylinderkopf von Kühlluft angeblasen, wobei die Oberseite des
Zylinderkopfes derart gekrümmt ist, daß die Krümmung stetig größer wird, so daß
die längs dieser Fläche strömende Luft stetig beschleunigt wird. Auf dieser Fläche
sind weiterhin Kühlrippen 14 angeordnet, die parallel zur Zylinderachse stehen.
In den überströmkanal 12 mündet ein kurzer Kraftstoffleitungsteil 15, der unmittelbar
an den hauptsächlichen Kraftstoffleitungstei116 anschließt. An den Kraftstoffleitungsteil
16
schließt ein kurzes Röhrchen 17 an, welches über einen Flansch
18 mit einer elastischen, in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Kraftstoffleitung
verbunden ist. Am Ende des Kraftstoffleitungsteiles 16
ist ein Rückschlagventil
19 angeordnet. Beim Betrieb der über die Federn 8 elastisch gelagerten Brennkraftmaschine
führt diese Nickschwingungen zumindest annähernd um die Achse der Kurbelwelle 4
aus. Bei diesen Nickschwingungen wirken auf den in dem Kraftstoffleitungstei116
befindlichen Kraftstoff Massenkräfte, die den Kraftstoff über die kurze Leitung
15 in den überströmkanal 12 überbrücken.