DE1262668B - Gasmotor mit Aufladung, Gemischverdichtung und Fremdzuendung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

F02b

Deutsche Kl.: 46al-l

Nummer: 1262 668

Aktenzeichen: M 639291 a/46 al

Anmeldetag: 26. Januar 1965

Auslegetag: 7. März 1968

Die Erfindung betrifft einen Gasmotor mit Aufladung, Gemischverdichtung und Fremdzündung, in dessen zylindrischem Brennraum eine starke Rotation des Gemisches um die Brennraumachse erzeugt wird.

Durch die immer häufigere Verwendung von Ottomotoren in Klärgasanlagen und in Gebieten mit Erdgasvorkommen ist der Bau aufgeladener Viertakt-Wechselmotoren ein dringendes Bedürfnis, welche einfach von Diesel- auf Dieselgasbetrieb umzuschalten und durch geringfügige Umbauten auf Otto-Gasbetrieb umzustellen, d. h. als Gasmotoren mit Gemischverdichtung und Fremdzündung zu benutzen sind.

Die Verwendung eines Dieselmotors im Otto-Gasbetrieb bis zu der für den Dieselbetrieb zugelassenen Nutzdruckgrenze war bisher nicht möglich, weil durch die dann reichlich harte, mehr oder weniger klopfende Verbrennung eine Beschädigung der Maschine im Dauerbetrieb zu befürchten war. Aus diesem Grund hat man Otto-Gasmotoren für den Nutzdruckbetrieb von 10 bis 12 kp/cm² und darüber bisher so massiv konstruiert wie Dieselmaschinen mit etwa 50% höherem Nutzdruck. Außerdem war man meist gezwungen, die Klopfgrenze durch aufwendige Ladeluftkühleinrichtungen hinauszuschieben.

Dieser Nachteil kann bei einem Gasmotor der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß in an sich bekannter Weise ein annähernd zylindrischer Hilfsbrennraum vorgesehen ist, der an einer Stirnseite eine Verbindung mit dem Hauptbrennraum aufweist und in der Nähe von dessen anderer Stirnseite eine Zündkerze angeordnet ist, und daß der Hilfsbrennraum langgestreckt ist, ein Volumen von etwa 1 bis 2% des Kompressionsvolumens hat und an der Peripherie des Hauptbrenn- raumes in diesen ohne Einschnürung einmündet.

Bei Brennkraftmaschinen mit größerem Zylinderdurchmesser ist es dabei zweckmäßig, zusätzlich eine zentrale Zündkerze mit versetzbarem Zündzeitpunkt im Brennraum und/oder mehrere Hilfsbrennräume mit Zündkerzen am Umfang des Hauptbrennraumes verteilt vorzusehen. Durch diese Maßnahmen ist es möglich, durch geringfügigen Umbau vom reinen Dieselbetrieb zum Otto-Verfahren überzugehen, wobei der Verbrennungsprozeß regelmäßig und frei von Otto-Klopfen abläuft. Gleichzeitig kann der Gleichraumgrad der Verbrennung um etwa 2 bis 3% gegenüber den bekannten Otto-Gasbrennverfahren erhöht werden, wodurch der Wirkungsgrad insgesamt verbessert wird. Die vorteilhafte Wirkung des neuen Verbrennungsverfahrens ist dabei darauf zurückzuführen, daß die Einleitung und Steuerung der VerGasmotor mit Aufladung, Gemischverdichtung
und Fremdzündung

Anmelder:

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg

Aktiengesellschaft,

8900 Augsburg, Stadtbachstr. 1

Als Erfinder benannt:

Gerhard Held,

Kurt Will, 8900 Augsburg

brennung des Gas-Luft-Gemisches so beeinflußt wird, daß eine eventuelle Vorreaktion im unverbrannten Teilgemisch bis zu einem gewissen Grad unterbunden wird, und zwar durch eine so weitgehende Beschleunigung des Prozesses, daß der Brennschluß dem Otto-Klopfen zuvorkommt. Damit die zulässige Ganghärte nicht überschritten wird, ist eine entsprechende Einstellung des Zündzeitpunktes vorgesehen.

Es ist zwar eine Brennkraftmaschine bekannt mit zylindrischem Brennraum, in welchem das Gemisch um die Brennraumachse in Rotation versetzt wird. Die Zündung des Gemisches erfolgt dabei aber lediglich durch eine im Hauptbrennraum angeordnete Zündkerze.

Bei einer anderen bekannten Brennkraftmaschine ist zwar außer dem Hauptbrennraum noch ein Hilfsbrennraum vorgesehen, der an der einen Stirnseite eine Verbindung mit dem Hauptbrennraum aufweist und in der Nähe von dessen anderer Stirnseite eine Zündkerze angeordnet ist. Die erfindungsgemäß beabsichtigten Wirkungen sind damit aber nicht erreichbar, weil die Verbindung des Hauptbrennraumes mit dem Hilfsbrennraum durch enge Öffnungen erfolgt und außerdem weder eine starke Rotation des Gemisches um die Brennraumachse vorhanden noch der Hilfsbrennraum langgestreckt zylindrisch ausgebildet ist.

Es ist auch eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher das am außermittigen Zündherd entzündete Gemisch durch den Gemischdrall zuerst über das Auslaßventil geleitet wird. Eine Hilfsbrennkammer

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in der erfindungsgemäßen Anordnung und Abmes- raum 3 gezündet. Dadurch entsteht infolge der Auf-

sung ist dort aber nicht vorgesehen. Weitung 4 des Kanals am Übergang zum Haupt-

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeich- brennraum eine bzw. bei mehreren Hilfsbrennräumen

nungen näher erläutert. Es zeigen mehrere großflächige Flammen, die sich durch den

F i g. 1 bis 3 eine Draufsicht auf den Hauptbrenn- 5 vom Einlaßventil E her herrschenden starken Drall

raum einer Gasmaschine schematisch zu drei ver- zu einer Art RingflammeR (Fig. 2) ausbreiten. Je

schiedenen Zeitpunkten des Verbrennungsablaufs, höher die rotierende Gemischgeschwindigkeit ist, um

wobei das jeweils vorhandene brennbare Gemisch in so weniger wird dabei die Ringflamme verzerrt. Die

gestrichelten Linien angedeutet ist, Anordnung der Hilfsbrennräume an der Zylinder-

F i g. 4 einen Schnitt durch den Zylinder einer er- io peripherie hat dabei den Zweck, etwaige Gemisch-

findungsgemäßen Gasmaschine im Zeitpunkt gemäß reste am Rand, d. h. im Bereich des Zylindermantels

Fig. 1, zu entfernen. Die Länge des Hilfsbrennraumes von

Fig. 5 und 6 die schematische Darstellung des der Zündkerze bis zur Mündung muß so bemessen Verbrennungsablaufs des bekannten Otto-Gasverfah- sein, daß eine genaue zeitliche Steuerung des Flamrens bzw. desjenigen nach der Erfindung. 15 menaustrittes aus der Mündung mit Hilfe des Zünd-

Wie aus der F i g. 4 hervorgeht, sind außermittig Zeitpunkts der Kerze verwirklichbar ist, während die zum Zylinder 1, in welchem sich der Kolben 2 in be- Mündungsweite und damit die Flammenfläche eine kannter Weise bewegt, ein oder mehrere Hilfsbrenn- ausreichend große Hauptgemischmenge zu erfassen räume 3 angeordnet. Jeder derselben weist annähernd gewährleisten sollen, ohne eine vorzeitige lokale zylindrische Form auf und ist gegen den Haupt- 20 Hauptgemischaufheizung zu bewirken,
brennraum 1 hin, wie bei 4 angedeutet ist, erweitert. Die Zündung der zentralen Kerze 5' im Haupt-Das Volumen eines Hilfsbrennraumes 3 beträgt brennraum ist so eingestellt, daß dieselbe annähernd 1 bis 2% des Kompressionsvolumens. In jedem gleichzeitig mit dem Austritt der Flamme aus dem Hilfsbrennraum ist außerdem eine Zündkerze 5 an- Hilfsbrennraum erfolgt. Während nun, unterstützt geordnet, ebenso wie bei Maschinen größeren Zylin- 25 durch den Drall, die Flammenfront zunächst in derdurchmessers zentrisch im Hauptbrennraum 5'. Richtung zum Auslaßventil A (so werden Selbst-Die Zündung der verschiedenen Kerzen ist gegen- Zündungen an einem eventuell zu heißen Auslaßeinander sowie die aller gemeinsam verschiebbar. Im ventil vermieden) von der Hilfsbrennraummündung übrigen ragen die Zündkerzen 5, 5' im Gegensatz zu weg längs der Randzone den zylindrischen Brennden bisher verwendeten Kerzen mit ihren Elektroden 30 raum durcheilt, brennt gleichzeitig das Restgemisch weiter frei in das zu entzündende Gemisch hinein, von der zentralen Zündkerze 5' her konzentrisch auf damit die Funkenstrecke auch auf der Rückseite von und trifft sich mit der nach innen fortschreitenden einer ausreichend großen, zündfähigen Gemisch- Ringflammenfront. Das zentrale Restbrenngas-Luftmenge umgeben ist. Um das Brenngas, das ein hohes Gemisch ist dabei annähernd zu der Zeit aufgebrannt, Verbrennungsluftverhältnis aufweisen soll, zu zün- 35 da sich der Flammenring schließt. Durch geeignete den, ist selbstverständlich ein starker Funken erfor- Bemessung des Luftdralls, der Hilfsbrennräume und derlich. Zur Erzeugung einer starken rotierenden eine entsprechende Einstellung des Zündzeitpunktes Gemischbewegung mit einer anzustrebenden fünf- kann eine beliebig schnelle Verbrennung erzielt werfachen Zündgeschwindigkeit sind ferner am Einlaß- den, so daß man dem Otto-Klopfen zuvorkommt, ventil E an sich für diesen Zweck bekannte Drall- 40 Nicht zuletzt ist dies auch auf die restlose Entfernung kanäle oder Wirbelschirme angebracht. von Brenngemischnestern am Brennraumrand zu-

Die durch den erfindungsgemäßen Gasmotor er- rückzuführen. Die gute Ausspülung des Hilfsbrenn-

zielbaren neuen Wirkungen, die nachstehend noch raumes wird durch die Strömungsrichtung des rotie-

ausführlich beschrieben werden, bestehen im wesent- renden Gemisches vom Einlaßventil in Richtung des

liehen darin, daß durch das vorzeitige Zünden einer 45 Hilfsbrennraumes bewirkt.

kleineren Gemischmenge im Hilfsbrennraum bis zum Eine derartige Wirkung ist bei dem bisher üblichen

Zeitpunkt des Flammenaustrittes aus der Mündung Otto-Verfahren selbst bei Anwendung von Mehrf ach-

des Hilfsbrennraumes in den Hauptbrennraum ledig- zündung mit zeitlicher Versetzung und künstlicher

lieh eine so kleine Wärmemenge umgesetzt wird, daß Verwirbelung nicht zu erreichen, offensichtlich wegen

eine Beeinflussung der Hauptgemischmenge bis zum 50 der verhältnismäßig großen Restgemischmengen am

Zeitpunkt ihrer Zündung mit großflächiger Flamme Rand des Brennraumes, die bei langer dauerndem

praktisch nicht erfolgt. Erst mit dem annähernd Verbrennungsprozeß ungeordnet detonieren (vgl.

gleichzeitigen Zünden durch diese Flamme und durch Fig. 5). Im Gegensatz dazu läuft die Verbrennung

die zentrale Kerze brennt das Hauptgemisch nach bei dem neuen Gasmotor in der in F i g. 6 gezeigten

einem derart steil abfallenden Brenngesetz ab, daß 55 Weise ab, wobei über dem Kurbelwinkel α der Diffe-

p 4§· *» * * Geschwind, der

Verbrennungsluftverhältnis ist im Rahmen der Zünd- Wärmeentwicklung, aufgetragen ist, wobei Q die

grenze dabei erfindungsgemäß erheblich höher gelegt, Wärmemenge und α die Zeit in Kurbelgraden aus-

wobei der dadurch bewirkte Verlust an Zünd- 60 drückt. Ein Vergleich der beiden F i g. 5 und 6 läßt

geschwindigkeit vom starken Gemischdrall jedoch deutlich erkennen, daß der erfindungsgemäße Prozeß

wesentlich übertroffen wird und die natürliche Klopf- bereits abgeschlossen ist (F i g. 6), wenn beim Punkt C

neigung des Gemisches nach bekannten chemischen das Otto-Klopfen nach F i g. 5 beginnt. Zur Verhin-

Gesetzen reduziert wird. derung höherer Druckspitzen und übertriebener

Im einzelnen spielt sich dabei die Verbrennung 65 Steilheit des Verbrennungsablaufs kann erfindungs-

etwa wie folgt ab: gemäß der Brennbeginn später verlegt werden, ohne

Beim Annähern des Kolbens 2 gegen den oberen daß dadurch die Gleichmäßigkeit der Druckspitzen-Totpunkt wird zunächst die Kerze 5 im Hilfsbrenn- höhe von einem Arbeitsspiel zum anderen verändert

wird. Es läßt sich vielmehr in dieser Hinsicht eine auffallende Übereinstimmung mit dem reinen Dieselprozeß feststellen.

Bei den bekannten Verfahren ist eine Steigerung des Luftverhältnisses im Sinn der Erfindung nicht möglich, weil dann der Wirkungsgrad der Maschine zu schlecht und die Ungleichmäßigkeit von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel zu groß werden. Auch muß der Brennbeginn eines nach Fig. 5 verlaufenden Prozesses im Vergleich mit dem Prozeß Fig. 6 meist früher gelegt werden, damit ein angemessener Wirkungsgrad der Maschine erreicht wird. Dabei gelangen aber die Klopfspitzen in den Bereich des höchsten Zylinderdruckes und können leicht zu unzulässiger Ganghärte führen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gasmotor mit Aufladung, Gemischverdichtung und Fremdzündung, in dessen zylindrischem Brennraum eine starke Rotation des Gemisches um die Brennraumachse erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise ein annähernd zylindrischer Hilfsbrennraum vorgesehen ist, der an einer Stirnseite eine Verbindung mit dem Hauptbrennraum aufweist und in der Nähe von dessen anderer Stirnseite eine Zündkerze angeordnet ist, und daß der Hilf sbrennraum langgestreckt ist, ein Volumen von 1 bis 2 % des Kompressionsvolumens hat und an der Peripherie des Hauptbrennraumes in diesen ohne Einschnürung einmündet.

2. Gasmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hilfsbrennräume einem Hauptbrennraum zugeordnet sind.

3. Gasmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich im Hauptbrennraum eine zentrale Zündkerze angeordnet ist.

4. Gasmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung der Zündkerzen im Hilfsbrennraum und im Hauptbrennraum eine elektrische Mehrfachzündanlage mit verschieden einstellbaren Zündzeitpunkten vorgesehen ist.

5. Gasmotor nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerzen mit ihren Elektroden frei in das Gemisch im Hauptbrennraum und in den Hilfsbrennraum ragend angeordnet sind.

6. Gasmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Hilfsbrennraumes, in Strömungsrichtung des Gemisches gesehen, vor dem Auslaßventil liegt, so daß die Flamme zuerst über das Auslaßventil geleitet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 462 605, 565 481;
USA.-Patentschriften Nr. 1788 356, 1847 612, 581.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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