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Brennkraft-Kolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende
Brennkraft-Kolbenmaschine mit Fremdzündung und Kraftstoffeinspritzung am Ende des
Verdichtungshubes, in deren Zylinder die Luft durch ein Lufteinlaßmittel so eingeführt
wird, daß sie mit hoher Geschwindigkeit um die Zylinderachse kreist, und bei der
die Kraftstoffeinspritzdüse so angeordnet ist, daß die Mittellinie des Kraftstoffsprühstrahles
eine Tangente an einen gedachten Zylinder bildet, dessen Achse parallel zur Maschinenzylinderachse
liegt, und dessen Durchmesser ungefähr die Hälfte des Brennraumdurchmessers beträgt,
und betrifft eine derartige Maschine, in deren Zylinder der Zündort so angeordnet
ist, daß das durch Einspritzen einer ersten Teilmenge des Kraftstoffes gebildete
Kraftstoff-Luft-Gemisch sogleich von der Zündeinrichtung gezündet wird, wodurch
eine Flammenfront entsteht, vor der durch weitere Kraftstoffeinspritzung und durch
die kreisende Luftmenge weiteres Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird, das durch
die Flammenfront entzündet wird und sogleich nach der Bildung fortlaufend verbrennt.
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Der Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, daß der Kraftstoff
zur Verbrennung durch eine festliegende Flammenfront geführt wird und dadurch eine
sehr gleichförmige, vollständige Verbrennung, auch bei schwer verdampfenden oder
aus anderen Gründen in Brennkraft-Kolbenmaschinen sehr schwierig zu verbrennenden
Kraftstoffen erreicht wird. Ein wesentliches Problem bei derartigen Brennkraft-Kolbenmaschinen
liegt jedoch in der Erzielung einer ausreichend schnellen Durchdringung der Flammenfront
durch die Gase, d. h. einer ausreichend schnellen Bewegung, um hohe Drehzahlen und
damit eine hohe Wirtschaftlichkeit zu erzielen.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Anordnung
zu schaffen, durch welche eine wesentlich schnellere Luftbewegung und damit eine
wesentlich schnellere Verbrennung erzielbar ist. Die Erfindung wendet dazu die an
sich bekannte Anordnung einer becherförmigen Vertiefung im Kolben an, wie sie z.
B. bei Brennkraftmaschinen, bei welcher der Kraftstoff auf die Wandung des Verbrennungsraumes
gespritzt wird und von dieser in die kreisende Luft verdampft, als Aufspritzfläche
für den Kraftstoff Verwendung findet.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Brennraum
in an sich bekannter Weise zum Teil von einem im Kolben vorgesehenen becherförmigen
Hohlraum gebildet wird, dessen zur Kolbenachse senkrechte Querschnitte kreisrund
sind und der einen im Bereich von 30 bis 70 % des Maschinenzylinderdurchmessers
liegenden größten Durchmesser aufweist, daß der Durchmesser des gedachten Zylinders
zwischen 50 bis 80 % des Hohlraumdurchmessers beträgt, daß zwischen der Mittellinie
des auf den Kolben zu gerichteten Kraftstoffsprühstrahles und der Erzeugenden des
gedachten Zylinders ein Winkel von 15 bis 45° liegt, daß der Punkt, in dem die Mittellinie
des Kraftstoffsprühstrahles den gedachten Zylinder berührt, von der Bodenfläche
des Zylinderkopfes in einer Entfernung von 20 bis 80% der Tiefe des Hohlraumes liegt,
daß der genannte Zündort in einer Ebene liegt, die senkrecht auf der Mittellinie
des Kraftstoffsprühstrahles an dessen Eintrittsstelle in den Brennraum steht, und
die von der Kraftstoffeinspritzöffnung eine Entfernung A von 8,9 bis 17,8 mm aufweist,
daß der Zündort in dieser Ebene von der Mittellinie des Kraftstoffsprühstrahles
aus in Richtung und parallel zur Luftbewegung im Brennraum in einer Entfernung B
von 2,5 bis 10,0 mm und in derselben Ebene rechtwinklig zur letztgenannten Entfernung
in einer Entfernung von nicht mehr als 6,3 mm gelegen ist und daß die Kraftstoffeinspritzeinrichtung
aus einer Düse besteht, die innerhalb eines Winkels von 5 bis 25° einen schmalen,
durchdringenden Sprühstrahl erzeugt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei einer Maschine mit einer
anderen Brennraumform und einer anderen Lage des Kraftstoffstrahles, jedoch gleichem
Strahlwinkel, den Zündort in der gleichen Lage zur Kraftstoffeinspritzöffnung anzuordnen.
Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung des Brennraumes mit der entsprechenden Bemessung
der Größe der becherförnligen Vertiefung und der Lage der übrigen Hilfsaggregate
wird eine wesentlicheBeschleunigung der Luftbewegung und eine wesentliche Beschleunigung
der Durchströmung der Verbrennungszone erreicht, wobei gleichzeitig mit der Möglichkeit
höherer Drehzahlen auch ein günstiger Wirkungsgrad erreicht wird.
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Die becherförmige Vertiefung kann entweder im wesentlichen zylindrisch
mit ebenem oder mittig vorgewölbtem Boden oder vom Verbrennungsraum weg gewölbt
sein.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In diesen zeigen F i g. 1 a bis 1 d Querschnitte durch verschiedene
mögliche Ausbildungsformen der becherförmigen Brennkammer im Kolben, F i g. 2 eine
schematische Draufsicht auf den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, F i g. 3 eine
Draufsicht auf den Kolben und dessen becherförmige Brennkammer, F i g. 3 a und 3b
Querschnitte nach der Linie A-A bzw. B-B der F i g. 3, in denen die Grenzen der
Anordnung der Brennstoffeinspritzeinrichtung und ein Beispiel der allgemeinen Anordnung
der Zündeinrichtung gezeigt werden, F i g. 4 a eine Draufsicht auf die durch die
Mittellinien der Zündeinrichtung und der Einspritzeinrichtung sowie des von dieser
ausgehenden Sprühstrahles gehenden gemeinsamen Ebene, wobei das Prinzip der klopffreien
Verbrennung in dieser Brennkraftmaschine dargestellt ist, F i g. 4b eine Seitenansicht
derselben Ebene, längs der Mittellinie des Brennstoffsprühstrahles aus der Düse
der F i g. 4 a. Die F i g. 4 a und 4 b zeigen die Grenzen der besonderen Anordnung
des Funkenspaltes der Mittellinie des Sprühstrahles, ungeachtet der Richtung des
Eintritts der Zündkerze in die Brennkammer, und F i g. 5 eine graphische Darstellung
gewisser Betriebsmerkmale der erfindungsgemäßen Maschine im Vergleich zu den Merkmalen
einer mit einer scheibenförmigen Brennkammer ausgestatteten Maschine, wobei beide
Maschinen unter gleichen Betriebsbedingungen nach dem patentierten klopffreien Verbrennungsverfahren
arbeiten.
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Der Ansaugkanal14 führt in tangentialer Richtung zur Brennkammer und
ist so angeordnet, daß die Projektion der Mittellinie des Ansaugkanals auf einer
zur Zylinderachse senkrechte Ebene im wesentlichen auf dem durch die Achse des Ansaugventils
gehenden Radius des Zylinders senkrecht steht. Das Ansaugventil ist so nahe wie
möglich an der Zylinderwand angeordnet, wobei die Achse des Ventils im wesentlichen
parallel zur Zylinderachse liegt.
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Diese Ausführungsform des Ansaugkanals zusammen mit einem Steg des
Ansaugventils bewirkt, daß im Motorzylinder eine wirksame Luftwirbelung entsteht.
Bewegt sich der Kolben beim Verdichtungshub nach oben, so wird die im Zylinder herumwirbelnde
Luft in die kleinere becherförmige Brennkammer gedrückt, in der sie auf Grund des
Gesetzes von der Erhaltung der Energie rascher herumwirbelt. Diese Erhöhung der
Umlaufgeschwindigkeit hängt von dem Verhältnis des Zylinderdurchmessers zum Durchmesser
der becherförmigen Brennkammer ab, so daß mit Zunahme dieses Verhältnisses die Umlaufgeschwindigkeit
anwächst. Die Abmessungen des Ansaugkanals, der Einlaßöffnung und der becherförmigen
Brennkammer sind so gewählt, daß ein Ausmaß an Luftwirbelung erzeugt wird, das für
ein gutes Arbeiten des Motors ausreicht. Die Abmessungen sind dabei von der Bohrung
und dem Hub des Motors abhängig. Da dieses Ausmaß an Wirbeleng in der becherförnrigen
Vertiefung mit einer geringeren Einlaßgeschwindigkeit erzielt werden kann als es
bei der bisherigen scheibenförmigen Brennkammer der Fall ist, kann die Ansaugöffnung
größer gehalten werden und dadurch der volumetrische Wirkungsgrad des Motors bei
hohen Drehzahlen verbessert werden. Es kann jedoch auch nach Wunsch eine kleinere
Ansaugöffnung verwendet werden, wobei ein höheres Ausmaß an Wirbeleng im Becher
zusammen mit einer weiteren Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades, jedoch
keine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades erzielt wird. Bei Bedingungen
mit gleichem Ausmaß an Luftwirbelung und gleicher Motordrehzahl ist die Lufthöchstgeschwindigkeit
in einem Motor mit beeherförmiger Brennkammer niedriger als in einem Motor mit zylindrischer
scheibenförmiger Brennkammer mit derselben Bohrung, und zwar deswegen, weil der
Umlaufradius kleiner ist, weshalb die Zündungsmerkmale des Motors verbessert werden.
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Die becherförmige Brennkammer im Kolben liegt vorzugsweise konzentrisch
zur Kolbenlängsachse und hat einen Durchmesser von 30 bis 701/o, vorzugsweise ungefähr
50 % der Zylinderbohrung.
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Die Ventilsitze an den entsprechenden Öffnungen der Ansaug- und Auspuffkanäle
sind im Zylinderkopf eingelassen, so daß die Teller der Ventile in geschlossenem
Zustand im wesentlichen mit der angrenzenden Fläche des Zylinderkopfes in einer
Ebene liegen oder sogar hinter diese Ebene etwas zurücktreten, so daß die Ventile
und der Kolben sich in dessen oberer Totpunktlage gegenseitig nicht behindern. Andererseits
können die Vertiefungen weggelassen und statt dessen in der Kolbenkrone Aussenkungen
vorgesehen werden, in die die vorstehenden Ventilteller in der oberen Totpunktlage
des Kolbens hineinragen. Die den Zylinder oberhalb des Kolbens abschließende Zylinderkopffläche
ist flach ausgebildet mit Ausnahme der Aussenkungen für die Ansaug- und Auspuffkanäle
und für die Öffnungen zur Aufnahme der Düse und der Zündkerze.
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Die becherförmige Brennkammer kann verschiedene Ausführungsformen
haben. So zeigt beispielsweise F i g. 1 a einen Querschnitt eines sphärischen Volumens,
F i g. 1 b einen Querschnitt eines Zylinders mit einem halbkugeligen Boden, F i
g. 1 c einen Querschnitt eines Zylinders mit einem allgemein flachen Boden, F i
g. 1 d einen Querschnitt eines Zylinders mit aus dem Boden ragenden erhöhten Mittelteil
oder Kegel. Die obigen Formen können auch miteinander kombiniert werden. Der Durchmesser
und die Tiefe des Bechers werden der gewünschten Luftwirbelung und dem Verdichtungsverhältnis
entsprechend bemessen.
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Alle oben offenbarten Becherformen schaffen einen zusammengedrängteren
Verbrennungsraum mit einem günstigeren Verhältnis Oberfläche zu Volumen als die
Anordnung der älteren scheibenförmigen Brennkammer bei gleicher Zylindergröße und
gleichem Verdichtungsverhältnis. Dies führt zu einem
besseren thermischen
Wirkungsgrad, da die Wärmeverluste bei der Verbrennung vermindert und die Vermischung
des Kraftstoffes mit der Luft verbessert wird.
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Eine in F i g. 2 schematisch dargestellte Kraftstoffeinspritzeinrichtung
30 erstreckt sich durch die öffnung im Zylinderkopf und ist so eingebaut, daß die
Einspritzung in die becherförmige Brennkammer erfolgt.
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Zum Regeln der Menge des eingespritzten Kraftstoffes und der Zeitdauer
des Einspritzens in bezug auf die Motorarbeitsfolge werden geeignete Vorrichtungen
verwendet.
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Wie aus den F i g. 3, 3 b und 4 a zu ersehen ist, weist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung
30 eine Düse mit einer Kraftstoffeinspritzöffnung auf, die im Zylinderkopf so angeordnet
ist, daß der Kraftstoff allgemein nach unten in die becherförmige Brennkammer und
in Richtung der Luftwirbelung eingespritzt wird. Die Mittellinie des Sprühstrahles
an der Stelle des Eintritts in die Brennkammer bildet die Tangente eines Zylinders,
der koaxial zur becherförmigen Brennkammer liegt und dessen Durchmesser ungefähr
50 bis 80%, vorzugsweise ungefähr 70%, des Becherdurchmessers beträgt.
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Der spitze Winkel Y zwischen Sprühstrahldüse und Zylinderachse beträgt
15 bis 45°, vorzugsweise 30°. Der Abstand dieses Achsenschnittpunktes von der Unterfläche
des Zylinderkopfes beträgt 20 bis 80%, vorzugsweise 35% der Gesamthöhe der becherförmigen
Brennkammer (vgl. F i g. 3 b).
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Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, ragt in die becherförmige Brennkammer
ferner eine Zündkerze 38 hinein und ist in Richtung der Luftwirbelungsbewegung gegen
die Kraftstoffeinspritzung gerichtet. Die Zündkerze ist außen an eine Vorrichtung
zum Erzeugen einer elektrischen Entladung in einem Funkenspalt angeschlossen. Diese
Vorrichtung ist bekannt und daher nicht dargestellt.
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Der Funkenspalt der Zündkerze 38 ist von der Einspritzeinrichtung
30 so weit entfernt, daß ein entzündbares Gemisch auf Grund des eingespritzten Kraftstoffes
entstehen kann, während der Funkenspalt andererseits so nahe an der Einspritzeinrichtung
30 liegt, daß eine Ansammlung einer wesentlichen Menge eines brennbaren Gemisches
vor der Zündung im Verbrennungsraum verhindert wird.
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Der Funkenspalt soll von der Unterseite des Zylinderkopfes aus in
einer zur Mittellinie des Sprühstrahles senkrechten Ebene nach innen entfernt und
von der öffnung der Einspritzdüse in einer Entfernung A (F i g. 4 a) und von dort
aus in derselben Ebene senkrecht zur Strecke B in einer Entfernung C (F i g. 4 b)
angeordnet sein.
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Der in der F i g. 4 a mit A bezeichnete Abstand längs der Sprühstrahlmittellinie
beträgt von der Düsenöffnung ab 8,9 bis 17,8 mm; die in F i g. 4 a mit B bezeichnete
Entfernung liegt im Bereich von 2,5 bis 5 mm, und der in F i g. 4 b mit C bezeichnete
weitere Abstand liegt im Bereich von 0 bis 6,3 mm. Die Anordnung des Funkenspaltes
in bezug auf die öffnung der Einspritzdüse innerhalb der Grenzwerte von
A, B und C, wie oben dargelegt, führt zu einer geeigneten Anordnung, mit
deren Hilfe die Ziele der Erfindung erreicht werden können.
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Beim Ansaughub des Kolbens wird in den Zylinder Luft ohne oder mit
nur geringem Kraftstoffgehalt eingesaugt, der zu einer Verbrennung nicht ausreicht.
Diese reine Luft oder das verdünnte Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dann beim Verdichtungshub
des Kolbens verdichtet. Die der Luft beim Einsaugen erteilte Wirbelbewegung vergrößert
sich beim Verdichtungshub durch Verlagerung in die becherförmige Brennkammer und
setzt sich infolge der Trägheit während der Verbrennung fort.
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Etwas unterhalb der oberen Totpunktstellung des Kolbens wird von der
Einspritzeinrichtung 30 eine Teilmenge Kraftstoff tangential in die wirbelnde Luft
eingespritzt, wobei der Sprühstrahl in die Nähe des Funkenspaltes der Zündkerze
gelangt. Der aus der Einspritzeinrichtung austretende Sprühstrahl weist einen schmalen
Kegelwinkel im Bereich von 5 bis 25° auf und sättigt die wirbelnde Luft mit Kraftstoff,
wenn diese etwas hinter der Stelle der Kraftstoffeinspritzung vorbeistreicht. Am
Auslaß der Einspritzeinrichtung ist der Sprühstrahl stark zerstäubt, wie in F i
g. 4 a bei 39 dargestellt, so daß er zu verdampfen und sich mit der wirbelnden Luft
unter Bildung eines brennbaren Gemisches innerhalb des Funkenzündbereiches am Funkenspalt
zu vermischen beginnt. Wie aus F i g. 3 zu ersehen ist, wird der Kraftstoff zur
einen Seite der Brennkammer geleitet. Bewegt sich der Sprühstrahl nach F i g. 4
a zu der allgemein mit 40 bezeichneten Stelle, so bewirkt die wirbelnde Luft
eine Verteilung des Kraftstoffes in der Luftmenge mit der Folge, daß sich ein weiteres
im wesentlichen gleichförmiges Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Die Zonen 39 und
40 bilden deshalb die Region, in der sich die Luft mit Kraftstoff sättigt, sowie
die Region, in der sich ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet.
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Genau in dem Zeitpunkt oder kurz danach, in dem die erste Teilmenge
des eingespritzten Kraftstoffes den Funkenspalt der Zündkerze 38 erreicht und sich
ein entzündbares Kraftstoff-Luft-Gemisch mit der wirbelnden Luft gebildet hat, wird
dieses Gemisch von einem Funken an den Elektroden der Zündkerze 38 entzündet, wobei
eine allgemein mit 41 bezeichnete Flammenfront erzeugt wird. Wie aus den F i g.
4 a und 4g- zu ersehen ist, liegen Einspritzeinrichtung 30 und der Sprühstrahl so,
daß die Elektroden der Zündkerze und damit der Funkenspalt sich in dem anfangs gebildeten
brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemisch befinden, wodurch die Zündung dieser ersten Teilmenge
des eingespritzten Kraftstoffes gesichert ist.
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Bei einer solchen Anordnung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch fast
sofort nach dessen Entstehung entzündet, bevor der eingespritzte Kraftstoff Gelegenheit
hat, sich mit der Luft des gesamten Verbrennungsraumes zu vermischen, und bevor
genügend Zeit verstrichen ist, um eine spontane Zündung zuzulassen. Infolgedessen
kann ungeachtet der Oktan, oder Zetan-Zahl des Kraftstoffes kein Klopfen eintreten.
Ein brennbares Gemisch wird nur innerhalb einer örtlich begrenzten Zone des Verbrennungsraumes
in der Nähe der Zündkerze 38 gebildet, und dieses Gemisch ist von Luft oder von
einem nicht entzündbaren mageren Gemisch um den Sprühstrahl in Düsennähe sowie von
Verbrennungsprodukten (bei 42 in F i g. 4 a angedeutet) in der Nähe des Brennkammerbodens
umgeben. Im Zeitpunkt der Zündung hat sich nur eine sehr kleine Menge eines brennbaren
Gemisches gebildet, und es ist nicht genügend Zeit vorhanden, um eine spontane,
ein Klopfen verursachende Zündung zu ermöglichen. Während
der Verbrennungsperiode
sucht die erzeugte Flammenfront zur Einspritzeinrichtung 30 hinzuwandern, wobei
jedoch die schnelle Wirbelbewegung der Luft und der anderen Gase im Verbrennungsraum
zusammen mit dem nicht entzündbaren Gemisch in der Nähe der Einspritzeinrichtung
der tatsächlichen Bewegung der Flammenfront gegen die Kraftstoffdüse und die Zündkerze
entgegenwirken.
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Während desjenigen Teils des Verdichtungs- oder Krafthubes oder beider,
der in die Periode der Brennstoffeinspritzung fällt, wird daher der in Richtung
der Flammenfront 40 eingespritzte weitere Kraftstoff mit frischen Mengen der wirbelnden
Luft unter Bildung eines brennbaren Gemisches vermischt und bei Erreichen der Flammenfront
entzündet und verbrannt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verbrennung dieses weiteren
Kraftstoff-Luft-Gemisches fast so rasch wie es gebildet wird erfolgt, so daß kein
unverbrannter Kraftstoff Gelegenheit erhält, sich im Verbrennungsraum auszubreiten,
Die ersten Teile des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die an der Flammenfront rasch verbrannt
werden, verwandeln sich in unbrennbare Auspuffgase, die die Wirbelbewegung um die
Brennkammer herum fortsetzen. Infolgedessen ist, selbst wenn die Periode der Brennstoffeinspritzung
fortgesetzt wird, bis im wesentlichen alle Luft im Zylinder mit Brennstoff vermischt
und verbrannt wurde, beispielsweise im Betrieb bei Vollast, das letzte Volumen des
gebildeten brennbaren Gemisches immer noch von nicht brennbarem Auspuffgas umschlossen.
Wird die Periode der Kraftstoffeinspritzung beendet, bevor bei nur zum Teil belastetem
Motor die ganze Luft verbraucht ist, so ist das letzte gebildete brennbare Gemisch
in der Nähe des Brennkammerbodens vom Auspuffgas und um den Sprühstrahl in Düsennähe
von Luft umgeben. Daher wird die Verbrennung zur Erzeugung der erforderlichen Leistung
bei jeder Arbeitsfolge durchgeführt, während die Bildung hoch erhitzter Endgase
aus brennbarem Kraftstoff-Luft-Gemisch vermieden wird, das sich spontan entzünden
und ein Klopfen erzeugen kann. Da der Kraftstoff erst unmittelbar vor der Verbrennung
eingespritzt wird, besteht nicht die Gefahr einer ungeregelten vorzeitigen Zündung,
und da die sofortige Zündung vom Funken gesichert ist, besteht auch nicht die Schwierigkeit
einer Zündverzögerung.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform wird in den Zylinder nur Luft
eingesaugt, wobei die pro Arbeitsfolge eingesaugte Luftmenge nicht gesteuert wird
und bei allen Belastungsbedingungen und Drehzahlen im wesentlichen gleichbleibend
ist. Wie oben bemerkt, erfolgt die Belastungssteuerung des Motors allein durch Regeln
der Menge des eingespritzten Kraftstoffes, wobei die bevorzugte Regelung der Einspritzung
darin besteht, die Größe des Sprühkegels im wesentlichen konstant zu halten und
die Kraftstoffmenge durch Regeln der Einspritzdauer zu bestimmen.
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Die Verbesserung der Leistung und der Kraftstoffausnutzung des erfindungsgemäßen
klopffreien Motors im Vergleich zu Motoren mit zylindrischer scheibenförmiger Brennkammer
zeigt F i g. 5, in der die voll ausgezogene Kurve die Versuchsergebnisse des erfindungsgemäßen
Motors und die unterbrochene Kurve die Versuchsergebnisse eines Motors älterer Konstruktion
darstellt.