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Luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit annähernd
kugelförmiger Wirbelkammer In luftverdichtenden, selbstzündenden Einspritzbrennkraftmaschinen,
beispielsweise Dieselmotoren, werden Wirbelkammern verwendet, die mit einem sogenannten
Überströnikanal mit dem zugehörigen Zylinder der Brennkraftmaschine verbunden sind
und indie eine Düseden Kraftstoff am Ende des Verdichtungshubes des im Zylinder
arbeitenden Kolbens einspritzt. Die Wirbelkammer erfüllt die Aufgabe, den überwiegenden
Teil der Verbrennungsluft in wirbelnde Bewegung um eine Wirbelachse zu versetzen,
so daß ein Bremistoffluftgemisch durch die erwähnte Düse von möglichst homogener
Beschaffenheit gebildet werden kann. Derartige Wirbelkammern sind an sich in zahlreichen
Ausführungsformen bekannt.
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Insbesondere sind Brennkraftmaschinen mit annähernd kugelförmigen
Wirbelkammem bekanntgeworden, in die ein sich verjüngender Überströmkanal tangential
einmündet und in die die Düse quer zur Wirbelachse auf die Einmündung des überströmkanals
gerichtet ist. Bei diesen Wirbelkammern wird zwar infolge der tangentialen Einmündung
des Überströmkanals in die Wirbelkammer vermieden, daß Luftströme mit unterschiedlichen
Strömunasrichtungen und -geschwindigkeiten unmittelbar aufeinandertreffen, und es
ist dafür gesorgt, daß keine Turbulenzen im Bereich der Einspritzdüsen auftreten
können. Dennoch sind #derartio, ausgebildete Wirbelkammern nicht frei von Nachteilen.
Diese bestehen vor allem darin, daßdie Wirbelbewegung nicht stark genug ist.
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In von den beschriebenen Ausführungsformen solcher Wirbelkammern abweichenden
Konstruktionen von luftverdichtenden, selbstzündenden Einspritzbrennkraftmaschinen
sind zwar von der annähernden Kugelgestalt abweichende Formgebungen der Wirbelkammer
vorgeschlagen worden, jedoch weisen diese Formen mindestens stellenweise abgeflachte
Wandungsbereiche der Wirbelkammer auf, die eine zunehmende Steigerung der Wirbelbewegung
der Verbrennungsluft in der Kammer nicht zulassen, bzw. waren die Einspritzdüsen
und gegebenenfalls eine Glühkerze in derartigen Wirbelkammern so angebracht, daß
sie die Wirbelbewegung in der Kammer störten. Diese Konstruktionen waren also vergleichsweise
technisch nachteiliger als die eingangs beschriebenen.
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Die Erfindun- hat sich die Aufgabe gestellt, eine Foringebung für
Wir-belkammern anzugeben, die die angeführten Nachteile nicht mehr aufweist und
die es insbesondere ermöglicht, ohne Störung der Strömung innerhalb der Wirbelkammer
durch die verschiedenen Bereiche der Kammer Wirbel von fortschreitender Stärke in
Strömungsrichtung der Wirbel gesehen zu erzeugen.
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Erfindungsbgemäß wird dies grundsätzlich bei den eingangs als bekannt
vorausgesetzten luftverdichtenden, selbstzündenden Einspritzbrennkraftmaschinen
mit annähernd kugelförmiger Wirbelkammer, in die ein sich verjüngender überströmkanal
tangential einmündet und indie eine Düse quer zur Wirbelachse der Luft zur Einmündung
des überströnikanals hin den Kraftstoff einspritzt, dadurch erreicht, daß die Wirbelkammer
in der Nfittelebene senkrecht zur Wirbälachse an die in an sich bekannter Weise
linsenförmig ausgebildete Einmündung des überströmkanals anschließend bis zur Einmündung
der Düse einen ersten Krümmungsradius aufweist, der im Bereich der Einmündung der
Düse in einen zweiten kleineren Krümmungsradius stetig übergeht, wobei d,ie Krümmungsinittelpunkte
auf der die Wirbelachse schneidenden Düsenaöhse liegen, und daß in jeder Ebene,
welche die zur Wirbelaebse und Düsenachse senkrechte Gerade enthält, ein etwa gleichbleibender
Krümmungsradius vorhanden ist.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß die im Verdichtungshub des
Kolbens in ;die Wirbelkammer eindringende Verbrennungsluft zunächst in den Bereich
der Wir-belkammer mit größerem Radius gelangt und hierauf in den mit kleinerem Radius,
wodurch
sie zunehmend und stark beschleunigt wird und außerdem eine
Ablenkung der Luft in den Mittelpunktder Wirbelkammer entsteht.
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Im übrigen ist die Erfindung praktisch auf verschiedene Weise zu verwirklichen.
Insbesondere hat die Erfindung als zweckmäßig erkannt, in der Wirbelkammer eine
abgeplattete Fläche an die mit dem zweiten kleineren Krümmungsradius gebildete Fläche
anzuschließen. Dadurch wird erreicht, daß an dieser Fläche sich die Gase ausbreiten,
wodurch eine Zugwirkung auf die aus dem Überströnikanal austretende Luft ausgeübt
wird und dadurch eine noch gesteigerte Füllung der WirbelkamTner erzeugt werden
kann.
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Das Verhältnis des kleineren zum größeren Krümmungsradius ist an sich
grundsätzlich frei wählbar; die besten Ergebnisse sind jedoch mit einem Bernessungsverhältnis
erreicht worden, bei dem der kleinere Krümmungsradius etwa dem 0,65- bis
0,85fachen des größeren Krümmungsradius entspricht.
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Vorzugsweise ist der überströnikanal vergleichsweise kurz, wobei gemäß
einem weiteren Merkmal der Erfindung die Länge des überströmkanals, ausgehend von
seiner Einmündung in den Zylinder bis zur Einmündung in die Wirbelkaninier, höchstens
gleich dem halben größeren Kriimmungshalbmesser ist. Dabei erweist es sich als zweckmäßig,
dem Überströmkanal eine diffusorartige Ausbildung zu verleihen, was dadurch erreicht
wird, daß eine an die tangentiale Einmündung des Überströnikanals anschließende
Wand des Kanals senkrecht auf einer Wand des Zylinders steht und daß die gegenüberliegende
Wand zu dieser Wand geneigt ist. Diese diffusorartige Form des überströnikanals
erleichtert die Füllung der Wirbelkammer, indem sie die Luft zwingt, zu der oberen
Wand der Wirbelkammer zu strömen. Dies wird noch erleichtert, wenn man gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung den linsenförmigen Querschnitt des Überströmkanals
über die Gesamterstreckung des Kanals beibehält.
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Vorzugsweise verläuft die Düsenachse oberhalb der einen Vorsprung
bildenden Wand des überströmkanals, weil dadurch der Düsenstrahl von der in die
Wirbelkammer im Verdichtungghub einströmenden Luft mitgerissen und verwirbelt wird.
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Die durch die Erfindung erzielbaren technischen Vorteile bestehen
vor allen inder stark verbesserten Verwirbelung der Verbrennungsluft, die zu einem
in seiner Homogenität erheblich verbesserten Brennstoff-Luft-Gemisch fährt. Dadurch
wird im Ergebnis eine erhebliche Brennstoffersparnis gegenüber Einspitzbrennkraftmaschinen
bekannter Konstruktion möglich. Außerdem läßt sich diese Homogenität und gute Füllung
der Wirbelkammer auch bei hohen Drehzahlen der Maschine aufrechterhalten, so daß
in diesen Drehzahlbereichen ein entsprechend gesteigertes Drehmoment im, Vergleich
zu bekannten Konstruktionen erzielt wird. Die homogenere Luft-Brennstoff-Mischung
vermindert die Verbrennungsgeräusche der Maschine und ermöglicht außerdem bei niedrigen
Drehzahlen noch ein tragbares Drehmoment. Endlich kann die Brennkraftmaschine nach
der Erfindung bei niedrigen Temperaturen vergleichsweise leichter angelassen werden.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren in
den Zeichnungen lediglich beispielsweise weiter erläutert; es zeigt F i
g. 1 eine Wirbelkammer einer in ihren Einzelheiten im übrigen nicht dargestellten
erfindungsgemäßen luftverdichtenden, selbstzündenden Einspritzbrennkraftmaschine
im Schnitt senkrecht zur Achse derdurch die Pfeile angedeuteten Wirbel, F i
g. 2 eine Draufsicht auf die Wirbelkammer nach Fig. 1 und F i
g. 3 eine Aufsicht längs der Linie III-III nach Fig. 1.
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Von der Einspritzbrennkraftmaschine ist in den Zeichnungen ein Zylinder
1 angedeutet, in welchem ein Kolben 2 arbeitet. Ein überströrrikanal 4 verbindet
eine annähernd kugelförmige Wirbelkammer 3
mit dem Zylinder. In die Wirbelkammer
3 mündet eine Düse 5 quer zur Achse der durch die Pfeile angedeuteten
Cr Wirbel der Verbrennungsluft, die Kraft stoff in Richtung auf die Einmündung des
überströmkanals 4 indie Wirbelkaminereinspritzt.
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Die Wirbelkammer 3 Weist in der Mittelebene senkrecht zur Wirbelachse
0 anschließend an die linsenförmig ausgebildete Einmündung des überströmkanals
4 bis zur Einmündung der Düse 5 einen ersten KrümmunErsradius R auf, der
im Bereich der Einmündung der Düse 5 in einen zweiten, kleineren Krümmungsradius
R2 stetig übergeht, wobei die Krümmungsmittelpunkte Ci und C, auf der die
Wirbelachse ischneidenden Düsenachse X-X liegen. Der erste, größere Krümmungsradius
R, beginnt an dem mit a bezeichneten Rand des Überströnikanals 4, während der kleinere
Krümmungsradius R, an dem mit b bezeichneten Rand dieses Kanals endet. Mit
dem größeren Krümmungsradius R, wird eine sphärische Fläche A gebildet, während
mit dem Halbmesser R2 und dem Mittelpunkt C2 eine Fläche B entsteht, an die
sich eine abgeplattete Fläche D anschließt, die in parallel zur Wirbelachse
0 liegenden Ebenen liegt und insbesondere aus der Darstellung nach F i
g. 2 ersichtlich ist.
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Insbesondere erhält jeder Schnitt parallel zur Wirbelachse
0, d. h. senkrecht zu der in F i g. 1 dargestellten Ebene, einen etwa
gleichmäßigen Krümmungsradius für den betreffenden Schnitt, welcher auch gleich
dem des Schnittes auf der gleichen Höhe in der dazu senkrechten Ebene ist. Der Krümmungshalbmesser
der parallel zur Wirbelachse 0 liegenden Schnitte bzw. Ebenen wird jedoch
zweckmäßig nach Maßgabe ihrer Annäherung an den Rand b des überströmkanals
allmählich vergrößert.
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Die in F i g. 2 dargestellten Niveaulinien zeigen die Form
der Fläche D, wobei der punktierte Strich die angenäherte Grenze angibt,
an welcher sich die sphärische Fläche B mit dem Halbmesser R2 an die an dem Rand
b des Kanals endende Umdrehungsfläche D
anschließt. Die Achse X-X der
Einspritzdüse verläuft im übrigen durch den Mittelpunkt, durch den auch die Wirbelachse
0 verläuft, und auf ihr liegen die Mittelpunkte C, und C, fur die
Radien R, und R.. Die Düsenachse X-X, welche die allgemeine Richtun- des von der
Düse gelieferten Brennstoffstrahles angibt, liegt irn übrigen oberhalb eines Vorsprunges
7, den eine Wand 4b des Überströrnkanals 4 bildet. Der eingezeichnete Winkel
ß gibt das Maß an, um das die Düsenachse X-X oberhalb des Vorsprunges
7 vorbeiläuft.
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Die Wirbelkammer 3 besteht gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel
im übrig-en aus einer in einem Zylinderkopf 8 vorgesehenen Ausnehmung und
zu einem anderen Teil aus einer iii diese Ausnehmung eingesetzten, den überströrnkanal
4 aufweisenden Schale 9. Die Schale 9 wird zweckmäßig während
des
Betriebes der Maschine auf einer hohen Temperatur gehalten. Hierfür ist zwischen
einem mit 10 bezeichneten Zylinderblock und der Schale 9 eine Dichtung
11,aus einem Werkstoff mit vergleichsweise geringer Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus
Asbest, angeordnet.
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Im übrigen weist die Schale 9 Anlageflächen 12 und
13 auf, die ein orientiertes Einsetzen der Schale ermöglichen.
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Während der Verdichtung dringt aus dem Zylinderraum Verbrennungsluft
in die Wirbelkammer ein und durchströmt zunächst den Abschnitt A, wie dies
durch voll ausgezogene Pfeile schematisch dargestellt ist. Die Luft gelangt sodann
in den Abschnitt B, was schematisch durch schräg schraffierte Pfeile angegeben wurde.
Dadurch wird sie stark beschleuniat und zum Mittelpunkt der Kammer, durch den die
Wirbelachse 0 verläuft, abgelenkt. Ferner breitet die Um,drehungsfläche
D die Gase beiderseits der den Scheitel des Überströmkanals bildenden Kante
7 aus (vgl. F i g. 2). Hierdurch entsteht eine Zugwirkung auf -die
aus dem überströmkanal 4 austretende Luft, die eine größtmögliche Füllung,der Kammer
bewirkt.
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Da außerdem das Gemisch beständig in die Mitte der Kammer und zu der
Oberfläche der Schale 9 -etrieben wird, benetzt es nicht die obere kalte
Wand A.
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Vom Beginn der Einspritzung an wirdder Strahl 14 der Düse
5 auf die Wände B -und D der Schale 9
durch den kräftigen Wirbel
gerichtet, welcher entsprechend -der starken, der Luftdurch den Strahl erteilten
Wirbelbewegung die Herstellung eines sehr homo-enen Luft-Brennstoff-Gemisches ermöglicht.
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Während C des Verdichtertaktes erleichtert die Diffusorform des überströmkanals,
die einerseits durch dessen vergleichsweise kurze Länge, die beispielsweise ausgehend
von seiner Einmündung in den Zy-
linder 1 bis zur Einmündung in die
Wirbelkammer 4 höchstens gleich dem halben größeren Krümmungshalbmesser R, ist,
bestimmt wird und die andererseits durch das weitere Merkmal verstärkt wird, daß
eine an die tangentiale Einmündung des ü#berströmkanals 4 anschließende Wand 4 a
des Kanals senkrecht auf einer Wand 6 des Zylinders 1 steht und daß
die gegenüberliegen-de Wand 4 b zu dieser Wand geneigt ist, wobei
außerdem gemäß dem Ausführungsbeispiel der linsenförmige Querschnitt des überströrnkanals
über die Gesamterstreckung des Kanals 4 beibehalten ist, die Füllung der Wirbelkammer,
indem sie die Luft zwingt, zu der oberen Wand a der Kammer zu strömen. Bei der Ausdehnung
des Gases erleichtert es diese Form der Wirbelkammer, die Gase zum Zylinder
1 abzuführen, was eine gute Verteilung der Gase und des Druckes auf d#ie
Oberseite des Kolbens 2 und einen ausgezeichneten Wirkungs-Uad ermöglicht.
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Schließlich ermöglicht die Wärmeisolierung der Schale9 die Einleitung
der Verbrennung an den WändenB undD der Schale, während der übrige Teil der Wirbelkammer
durch die eintretende Luft und durch das Kühlwasser an der äußeren Wand der in dem
Zylinderkopf 8 vorgesehenen Ausnehmung ge-
kühlt wird.