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Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem im Zylinderkopf angeordneten
rotationskörperförmigen Brennraum Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine
mit einem im Zylinderkopf angeordneten rotationskörperförmigen Brennraum mit eingeschnürter
Brennraumöffnung, auf dessen Wandung der flüssige Kraftstoff mit mehreren Strahlen
gleichsinnig zu einer gerichteten Luftströmung filmartig aufgetragen, von der Luftströmung
in Dampfform allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und danach verbrannt wird,
wobei der Kraftstoff durch mehrere im Zylinderkopf verteilte Kraftstoffzulaufkanäle
in den Brennraum eingebracht wird.
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Hierbei wird davon ausgegangen, daß bei Verwendung einer Einspritzdüse
das filmartige Auftragen des Kraftstoffes auf die Brennraumwand durch die notwendigerweise
hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft zwar günstig beeinflußt wird. Auf der anderen
Seite gestaltet sich aber die Regelung der Kraftstoffabgabe je Arbeitshub um so
schwieriger, je geringer die einzuspritzende Kraftstoffmenge ist. Ein weiterer Nachteil
bei Verwendung einer Einspritzdüse besteht darin, daß die für das Einspritzen des
Kraftstoffes zur Verfügung stehende Zeit nur sehr kurz ist. Ferner ist der Preis
für die Einspritzvorrichtung im Verhältnis zu den Gesamtkosten einer Brennkraftmaschine
verhältnismäßig hoch.
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Bei der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei
der filmartigen Auftragung von Kraftstoff auf die Wandung eines Brennraumes ohne
eine Einspritzdüse und eine Einspritzpumpe auszukommen und damit die genannten Nachteile
zu vermeiden. Des weiteren soll der Kraftstoff möglichst an der gesamten zur Verfügung
stehenden Wandungsfläche des Brennraumes filmartig ausgebreitet werden, -und schließlich
soll die Ablösung des Kraftstoffs in Dampfform durch die Luftströmung an allen Wandungsstellen
sofort gleich stark wirksam sein, was besonders für schnellaufende Motoren von Bedeutung
ist.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von dem an sich bekannten Mittel
Gebrauch gemacht, Kraftstoff auf einer Kraftstoffträgerfläche in den Brennraum einzubringen,
wie dies auch in Verbindung mit darüber hinwegblasender Luft schon vorgeschlagen
wurde, wobei jedoch der bekannte Vorschlag im Hinblick auf die Erfassung der gesamten
Brennraumwand für eine filmartige Ausbreitung des Kraftstoffes und entsprechende
Zuordnung von Gebläseluft noch unbefriedigend ist.
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Das Wesen der Erfindung nach ihrem Hauptmerkmal besteht nun darin,
daß die Kraftstoffzulaufkanäle, wie an sich bekannt, vor ihrer Einmündung in den
Brennraum jeweils eine als Kraftstoffvorlagerung ausgebildete Erweiterung aufweisen,
die in den Brennraum mit verengtem Querschnitt übergehen, und daß jeder Kraftstoffvorlagerung
ein im Zylinderkopf angeordneter, mit dem Arbeitszylinder verbundener Luftleitkanal
zugeordnet ist, dessen brennraumseitige Öffnung die Brennraumwand tangential anschneidet.
Dabei sind die Kraftstoffvorlagerungen am Umfang der Brennraumwand so verteilt,
daß die einzelnen Kraftstoffilme sich nicht überdecken.
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Das Teilmerkmal des Hauptanspruches, daß die Kraftstoffzuleitungskanäle
vor ihrer Einmündung in den Brennraum'jeweils eine als Kraftstoffvorlagerung ausgebildete
Erweiterung aufweisen, die in den Brennraum mit verengtem Querschnitt übergehen,
ist bei einer luftverdichtenden Zweitakt-Brennkraftmaschine bekannt. Diese Maschine
hat einen vom Arbeitszylinder abgesetzten und am Ende des Verdichtungshubes einen
Teil der Luftladung aufnehmenden Brennraum, der mit dem Arbeitszylinder über einen
Drosselkanal in Verbindung steht: Außerdem ist eine Umführungsleitung für, den Drosselkanal
vorgesehen, die als Kraftstoffvorlägerung dient. Diese bekannte Maschine arbeitet
jedoch nach einem gegenüber dem Gegenstand der Anmeldung andersartigen Gemischbildungs-
und Verbrennungsverfahren, nämlich mit einer unmittelbaren Vermischung des flüssigen
Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft. Außerdem ist die Arbeitsweise der genannten
Anlagenteile andersartig. Es wird hier nämlich einerseits während des Verdichtungshubes
nur eine zur Erzeugung eines zündfähigen Gemisches in der Kammer erforderliche Brennstoffmenge
in die Kammer gedrückt und dabei
von der durch den Drosselkanal
strömenden Luft erfaßt und zerstäubt. Andererseits wird hier die restliche Brennstoffmenge
nach erfolgter Kammerexplosion infolge des hier entstandenen Überdruckes aus der
Umführungsleitung herausgedrückt und dabei von dem durch den Drosselkanal zum Hubraum
strömenden brennenden Gemisch erfaßt und zerstäubt.
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Nach weiteren Merkmalen der Erfindung erfolgt die Kraftstoffeinbringung
von den Kraftstoffvorlagerungen in den Brennraum gleichzeilig oder in
zeitlich
gesteuerter Aufeinanderfolge; im letzteren Fall z. B. derart, daß
die Kraftstoffeinbringung von den Kraftstoffvorlagerungen in den Brennraum über
eine Zeitspanne erstreckt wird, die größer ist als die bei Einspritzdüsen übliche
Einspritzzeit.
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Die Regelung der Kraftstoffeinbringung kann durch die Art der Kraftstoffvorlagerung
und deren Verstelluharakteristik bestimmt werden, wie dies gleichfalls an sich bekannt
ist. Die Einzelluftströme werden durch Luftverdrängung aus dem Zylinderraum beim
Verdichtungshub bereitgestellt, wobei weiterhin Maßnahmen getroffen sind, daß auch
die über die übliche Brennraumöffnung beim Verdichtungshub einströmende Luft über
Kraftstoffvorlagerungen hinweggeführt wird, und zwar, daß die beim Verdichtungshub
aus dem Zylinder durch die Überströmöffnung in den Brennraum übergeschobene Luft
zu den nächst dieser Brennraumöffnung angeordneten Kraftstoffvorlagerungen abgelenkt
und über diese tangential hinweggeführt wird, wobei die so angeordneten Kraftstoffvorlagerungen
keine besonderen Luftleitkanäle aufweisen. Es kann über die Kraftstoffvorlagerungen
als gemeinsamer Luftstrom auch noch die Ansaugluft hinweggeführt werden, welche
zu dem Zweck durch den Brennraum dem Zylinder zugeführt wird; wird dabei der Beginn
der Kraftstoffeinbringung an den Kraftstoffvorlagerungen bereits in die Ansaugperiode
verlegt, dann kann durch diese Maßnahme gleichfalls die Dauer der Gemischbildung
verlängert werden. Dieser Effekt kann noch dadurch gesteigert werden, daß das in
der Ansaugperiode gebildete und in den Zylinderraum übertretende Gemisch bei seiner
Rückverdrängung in den Brennraum während des Verdichtungshubes seinerseits wandgerichtet
über Kraftstoffvorlagerungen hinweggeführt wird, an denen noch Kraftstoff eingebracht
wird.
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Da der Kraftstoff bei der erfindungsgemäßen Gemischbildung im wesentlichen
in Dampfform mit der Luft vermischt wird, ist entweder Fremdzündung erforderlich,
oder ein kleiner Anteil des Kraftstoffes muß unmittelbar in flüssigem Zustand mit
der Luft zur Vermischung gelangen. Dieser Gemischanteil kann dann wie bei der dieselmotorischen
Verbrennung allein durch die Kompressionswärme gezündet werden. Das Zustandekommen
eines solchen leicht zündfähigen kleinen Gemischanteils wird dadurch erreicht, daß
an mindestens einer Kraftstoffvorlagerung eine für die Zündung gerade ausreichende
Menge Kraftstoff durch einen oder mehrere Einzelluftströme unmittelbar in den Brennraum
bzw. die darin befindliche Luft zerstäubt wird. Hierbei läßt sich auch der Zündpunkt
genau einstellen, indem der oder die Einzelluftströme für die Luftzerstäubung des
Kraftstoffes erst im Zündzeitpunkt wirksam gemacht werden. Es ist auch möglich,
den für die Zündung bestimmten Kraftstoffanteil unmittelbar zusammen mit Druckluft
z. B. ejektorartig unmittelbar in den Brennraum einzublasen. Eine besondere Einspritzdüse
ist auch in diesem Fall nicht erforderlich.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
zusammen mit noch anderen kennzeichnenden Merkmalen schematisch dargestellt. Es
zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Brennkraftmaschine mit im Zylinderkopf
angeordnetem Brennraum@ .
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Fi g. 2 einen Aufblick auf den Gegenstand von F i g.1 in der Querschnittsebene
II-II dieser Figur, F i g. 3 einen Längsschnitt ähnlich wie in F i g. 1, jedoch
für eine andere Ausführungsform der Erfindung.
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Der im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnete und als Vorkammer
ausgebildete Brennraum 1 ist durch eine übertrömöffnung 2 mit dem Arbeitsraum des
Zylinders 3 der Maschine verbunden, in dem sich der Kolben 4 bewegt. Am Umfang der
Brennraumwandung 5 sind über denselben verteilt eine Anzahl jeweils als Kraftstoffvorlagerung
6 ausgebildete Erweiterungen vorgesehen, an denen Kraftstoff drucklos, z. B. durch
einen außerhalb des Brennraumes mit Kraftstoff benetzten Kraftstoffträger 7, in
den Brennraum eingebracht wird. Ein solcher Kraftstoffträger, durch den der Kraftstoff
in abgemessenen Mengen in den Brennraum eingebracht wird, kann drehbar oder längsverschieblich
angeordnet sein (Pfeil 8, F i g. 2).
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Jeder Kraftstoffvorlagerung 6 ist ein nächst ihr endender Luftleitkanal9
zugeordnet, dessen Mündungsende 10 so gerichtet ist, daß ein daraus austretender
Luftstrom über die Kraftstöffvorlagerung 6 hinweg in Richtung auf die Brennraumwand
geblasen wird. Der an einer Kraftstoffvorlagerung 6 dargebotene Kraftstoff wird
auf diese Weise von dem ihr zugeordneten Einzelluftstrom zunächst an der Wand noch
weiter ausgebreitet und anschließend beim übergang in den dampfförmigen Zustand
durch die Luft von der Wand wieder abgelöst, vermischt und dann verbrannt. Da das
Ablösen des verdampfenden Kraftstoffes und damit auch die Verbrennung an jeder Kraftstoffvorlagerung
nicht plötzlich, sondern allmählich erfolgt, kann die Kraftstoffdarbietung an sämtlichen
Kraftstoffvorlagerungen 6 gleichzeitig erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, die
Kraftstoffdarbietung an den einzelnen Kraftstoffvorlagerungen 6 aufeinanderfolgend
eintreten zu lassen, um das allmähliche Verdampfen und Vermischen noch über einen
längeren Zeitraum auszudehnen. Ebenso ist es möglich, zum Zweck der Kraftstoffmengenregelung
einzelne der Kraftstoffvorlagerungen 6 ab- oder zuzuschalten. Die den einzelnen
Kraftstoffvorlagerungen zugeordneten Luftleitkanäle 9 sind im dargestellten Beispiel
mit dem Arbeitsraum des Zylinders verbunden und erhalten auf diese Weise die Druckluft
durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 4.
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Damit die Druckluft beim Aufwärtsgang des Kolbens 4 ihren Weg über
die Luftleitkanäle 9 nehmen muß, ist im Brennraum 1 eine Art Ventil 11 vorgesehen,
das jeweils beim Verdichtungshub der überström- oder Brennraumöffnung 2 so weit
genähert wird, daß dort nur noch ein schmaler Durchgangsspalt verbleibt. Das Ventil
11 ist dabei an der der überström- oder Brennraumöffnung 2 gegenüberliegenden
Brennraumseite in einer nach außen gehenden Bohrung 12 geführt, die vorzugsweise
im Expansionshub durch das dann von der überströmöffnung 2
wieder
zurückgenommene Ventil 11 an einem hierzu vorgesehenen Ventilsitz 13 abgedichtet
wird. Die der überströmöffnung 2 zuliegende Ventilseite ist außerdem derart ausgebildet,
daß in der Durchlaßspaltstellung des Ventils 11 nächst der Überströmöffnung 2 die
vom Zylinderraum 3 nach dem Brennraum 1 übertretende Luft seitlich auf die Brennraumwand
5 abgelenkt und über die Kraftstoffvorlagerungen 6 hinweggeführt wird, die zu dem
Zweck in nächster Nähe des Ventiltellerrandes des Ventils 11 angeordnet sind. Hierdurch
erübrigen sich für diese Kraftstoffvorlagerungen 6 Luftleitkanäle. Das Ventil 11
wird nach erfolgter Kraftstoffausbreitung auf die Brennraumwand 5 spätestens in
der oberen Totpunktstellung des Kolbens 4 von der überströmöffnung 2 in seine gegenüberliegende
Abdichtstellung zurückgenommen, um bei der einsetzenden Verbrennung eine drosselnde
Wirkung durch das Ventil 11 für die nach dem Zylinderraum ausströmenden Gase zu
vermeiden. Das Ventil 11 wird dann frühestens erst wieder bei Beginn des
" Kompressionshubes in die Durchlaßspaltstellung nächst der überströmöffnung 2 gebracht.
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Bei Brennkraftmaschinen gemäß der Erfindung, in denen die Zündung
des Gemisches durch die Kompressionswärme am Ende des Verdichtungshubes herbeigeführt
werden soll, ist es, wie eingangs bereits dargelegt, erforderlich, eine kleine Menge
Kraftstoff unmittelbar in die Verbrennungsluft zu zerstäuben. Zu dem Zweck sind
im Beispiel nach F i g. 1 und 2 zwei Ausführungsarten möglich. Bei der einen Ausführungsform,
die auf der rechten Hälfte der Zeichnung nach F i g. 1 dargestellt ist, ist einer
Kraftstoffvorlagerung 6 mit Luftleitkanal 9 eine Druckluftleitung 14 zugeordnet,
deren bei 15 austretender Luftstrom derart quer und/oder entgegen dem Luftstrom
des Luftleitkanals 9 gerichtet ist, daß durch den resultierenden Luftstrom der an
dieser Kraftstoffvorlagerung eingebrachte Brennstoff im wesentlichen in Form eines
radial gerichteten Brennstoffstrahles 16 unmittelbar in den Brennraum 1 bzw. in
die darin befindliche Verbrennungsluft zerstäubt wird.
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Bei der anderen, in der linken Hälfte der Zeichnung nach F i g. 1
dargestellten Ausführungsform ist nächst einer Kraftstoffvorlagerung 6 an der Brennraumwand
5 eine Ablenknase 17 angeordnet, die nach dem Brennrauminneren hin vorspringt. Der
an der Kraftstoffvorlagerung 6 dargebotene Brennstoff wird durch den Luftstrom aus
dem zugehörigen Luftleitkanal 9 derart auf die Leitfläche 17 a der Ablenknase 17
geblasen, daß er von dieser unmittelbar in Richtung auf das Brennrauminnere abgelenkt
und in die im Brennraum befindliche Luft zerstäubt wird. In beiden Fällen kann die
Einhaltung des Zündzeitpunktes entweder durch entsprechende Zeitregelung der zusätzlichen
Druckluftleitung 14 oder auch der betreffenden Kraftstoffvorlagerungen 6 erreicht
werden. An diesen zuletzt genannten Kraftstoffvorlagerungen 6 ist in F i g. 1 und
2 auch die Einbringung des Kraftstoffes durch einen Kraftstoffträger 7 gezeigt,
der im Beispiel als Drehschieber (Pfeil 8, F i g. 2) vorgesehen ist. Der Kraftstoffträger
könnte ebensogut auch längsverschieblich angeordnet sein. Die Kraftstoffeinbringung
erfolgt dann durch die hier mit 18 bezeichnete Kraftstoffvorlagerung, die in ihrer
Auswärtsstellung den Brennstoff im gegebenen Zeitpunkt durch Drehen des Schiebers
in den Brennraum einbringt. Durch den aus dem Luftleitkanal9 austretenden Luftstrom
wird der in dieser Weise wandgerecht vorgelagerte Kraftstoff in der vorbeschriebenen
Weise weiterbehandelt.
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Bei. der Ausführungsform nach F i g. 3 ist der gleichalls im Zylinderkopf
angeordnete Brennraum an seiner der überström- oder Brennraumöffnung 2 gegenüberliegenden
Seite durch das Ansaugventil 19
mit der Ansaugleitung 20 verbunden. Im Brennraum
sind wiederum wandverteilt die Kraftstoffvorlagerungen 6 vorgesehen, denen die Luftleitkanäle
9 zugeordnet sind. Für die Kraftstoffeinbringung an den Kraftstoffvorlagerungen
6 sind aus Vereinfachungsgründen lediglich die Kraftstoffträger 7 angedeutet. Das
Ansaugventil 19 besitzt einen Schirm 21, durch den die Ansaugluft
in der Pfeilrichtung 22 abgelenkt, in kreisförmige Bewegung versetzt und dadurch
zentrifugal an den Kraftstoffvorlagerungen 6 vorübergeführt wird. Auf diese Weise
ist es möglich, daß in die Gemischbildung bereits die Ansaugperiode mit einbezogen
wird, indem schon mit Öffnung des Ansaugventils 19, 21 Kraftstoff an den Kraftstoffvorlagerungen
6 zur Vermischung dargeboten wird. Da die zentrifugal rotierende Ansaugluft die
gesamte Brennraumwandung mit hoher Geschwindigkeit bestreicht, ist es nicht unbedingt
nötig, jeder Kraftstoffvorlagerung 6 über besondere Luftleitkanäle 9 Druckluft zuzuführen,
was jedoch nicht ausschließt, daß eine solche besondere Luftzuführung etwa zur Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit oder auch für Zwecke der Aufladung trotzdem vorgesehen
werden kann. Damit auch das im Ansaughub entstandene und nach dem Zylinderraum übergetretene
Gemisch beim Rückströmen in den Brennraum während des Verdichtungshubes noch weiter
für die Gemischbildung ausgenützt wird, sind an der überströmöffnung 2 Leitelemente
23 so angeordnet, daß sie das rückströmende Gemisch wiederum auf Kraftstoffvorlagerungen
6 lenken, an denen noch weiterhin Kraftstoff dargeboten wird. Die in der Ansaugperiode
begonnene Gemischbildung wird auf diese Weise beim Kompressionshub fortgesetzt,
und es ist somit eine relativ lange Gemischbildungszeit erreichbar, was wiederum
im Sinne einer Leistungserhöhung der Maschine vorteilhaft ist. Die Zündung erfolgt
auch bei dieser Ausführungsform entweder durch Fremdzündung oder durch unmittelbare
Vermischung eines kleinen Kraftstoffanteils in flüssigem Zustand mit der Luft.