DE1401962C - Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in eine Verdampfungskammer - Google Patents

Description

Patentschrift 335 398), bei der der Kraftstoff in eine io anfallende Kraftstoffmenge in flüssigem Zustand Glühkanimer in einer größeren Menge, als für jedes aufnehmen kann und mittels Kanäle mit dem Brenn-Arbeitsspiel erforderlich ist, eingespritzt wird. Der raum direkt verbunden ist. Der noch nicht zur Ver-Kraftstoif vergast und verdampft in der Glühkammer brennung gelangte, noch im Verdampfungsraum be- und tritt durch einen Kanal in einen Raum, in dem findliche Kraftstoff ist bei dieser Art der Kraftstoffer sich mit Luft mischt und von dem er mittels 15 vorlagerung vor dem thermischen Zerfall geschützt, Druckluft in den Verbrennungsraum eingeblasen weil er nicht der Verbrennungsstrahlung ausgesetzt wird. Bei dieser bekannten Maschine ist eine größere ist. Für den thermischen Zerfall ist die Temperatur als pro Arbeitsspiel nötige Menge Kraftstoff for- während des Verdampfens zu niedrig und anschliedernde Pumpe erforderlich. Außerdem wird ein ßend ist so gut wie keine Zeit mehr dafür übrig. Einführungsorgan benötigt, das den erzeugten Brenn- 20 Dadurch wird eine annähernd vollkommene, klopfstoffdampf für jedes Arbeitsspiel abmißt und in den freie und rußarme Verbrennung ohne giftige Be

Zylinder einführt.

Nachteilig bei der bekannten Brennkraftmaschine und der dort vorgesehenen Kraftstoffdampfeinbrin-

standteile erreicht.

Die Einlagerung des Kraftstoffes in dem Verdampfungsraum für den nächstfolgenden Arbeitshub

gung ist außerdem, daß die Einströmzeit nur wenige 25 kann bei entsprechend konstruktiver Durchbildung

Kurbelgrade überdauert, was im oberen Totpunkt beim Viertakter anschließend an das Ausströmende

so gut wie keinem Kolbenhub entspricht. Dies rührt erfolgen, also 540 bis 630 Kurbelgrade vor Aus-

von dem breitkegeligen, großflächigen Kraftstoff- strömbeginn. Damit wird die für einen Dieselbetrieb

dampfstrahl und der geringen KraftstofTmenge her, längstmögliche Verdampfungszeit für den Kraftstoff

die ein Arbeitshub benötigt. Da der Kraftstoffdampf 3° erreicht. Beim Zweitakter sind es 180 bis 270 Kur-

keine Zündverzögerung mehr hat, wie es bei der belgrade.

Tröpfchenverdampfung der Fall ist, kommt dort mit Bei einer Konstruktion ohne Ventil im Einströmder Luftvermischung im Arbeitszylinder auch sofort kanal, die aber nur für Langsamläufer in Frage kommt, die Verbrennung zustande, was ein noch stärkerer, kann die Kraftstoffeinlagerung nur so erfolgen. Klopfen bewirkt, als es ein Dieselmotor jetzt schon 35 daß der Verdichtungsdruck im Zylinder mit dem sich hat. Bilden sich bei der Verbrennung zuerst Brenn- bildenden Kraftstoffdampfdruck zusammenwirkt. In kerne, so wäre der nicht gleich zur Verbrennung dem Zeitpunkt, in dem die Kraftstoffdampfeinströgelangende Kraftstoffdampf der heißen Strahlung mung in den Zylinder erfolgen soll, muß der Dampfder Brennkerne ausgesetzt, und er würde dadurch in druck den bei adiabatischer Verdichtung entstandeminderwertigen Kraftstoff zerfallen, dessen Verbren- 40 ncn Luftdruck übersteigen, so daß der Luftdruck nung mit Rußanfall verbunden ist. Das Arbeits- den Dampfdruck nicht mehr halten kann und der diagramm würde selbst bei hoher Drehzahl noch Dampf in den Zylinderraum (Brennraum) einströmt eine extreme Druckspitze aufweisen, was gerade und auch gleich sich vermischt und, wie er einströmt, gegenteilig zum angestrebten Effekt läuft. auch abbrennt. Der Druckanstieg im Zylinder beim Um eine brauchbare Kraftstoffregelung und einen *5 Verbrennungsbeginn läßt die begonnene Kraftstoffgleichmäßigen Lauf des Motors zu erreichen, müßte dampfausströmung kurz stocken, bis sich der Dampfim Kraftstoffdampfraum ein konstanter Druck herr- druck gesteigert hat. Bei 30 ata beträgt bei Benzol sehen, was kaum erreichbar erscheint. Die Kraftstoff- das Dampfvolumen etwa das 15fache des Flüssigeinbringung läßt sich nur flüssig zuverlässig regeln, kcitsvolumens. Der Dampfdruck setzt sich gegen den weil Kraftstoff in diesem Zustand fast nicht korn- 5° Luftdruck durch. Auf Grund von Berechnungen ist

pressibel ist.

Bei dem bekannten Dieselmotor ist außerdem nachteilig, daß Vorverbrennungen in sogenannten Brennkernen stattfinden, die sich im Indikator- und

an einen Kraftstoffdampfeinströmbeginn bei 20 ata und einen maximalen Verbrcnnungsdruckbcreich von 40 bis 45 ata gedacht.

Ein Ventil im Einströmkanal, das durch den

PV-Diagramm als Druckspitze zeigen. Einen Fort- 55 adiabatisch erzeugten Luftdruck im Zylinder geschritt in der verzögerten und teilweise geschützten steuert wird, ermöglicht gegenüber dem Betrieb ohne

Ventil genügend Freiheiten für die Wahl des Verbrennungsdruckes und des Einströmzeitpunktes.

Verdampfung brachte das M-Verfahren. Die sich bei diesem bekannten Verfahren schichtweise ablösende Kraftstoffmenge von der schalenförmigen Oberfläche

Es verbleibt also für die Verdampfung unter Luft-

des Kolbenbrennraumcs bringt mit der Verdampfung ^6o abschluß mehr Zeit während eines Arbeitstaktes,

die gleichzeitige Vermischung des eben verdampften Kraftstoffes mit der Luft. Aber der noch am Kolbenboden haltende Kraftstoffilm ist auch vor seiner Verdampfung bereits der Verbrennungsstrahluni» ausgesetzt und /erfüllt dadurch teilweise mit den bekannten Folgen.

Die dem Verdampfungsvorgang gegebene Zeit ist bei sämtlichen Dieselverfahrcn ungefähr gleich. Beim

als wenn der Kraftstoff direkt eingespritzt wird, weil die Verdampfung außerhalb des Brennraumes, jedoch im Ablauf eines Arbeitszyklus stattfindet. Der Kraftstoff selbst kann in flüssigem Zustand vorerwärmt sein und dabei eventuell unter Druck gehalten werden.

Der dampfförmige Zustand des Kraftstoffes ermöglicht ohne Verdampfiings/eitverlust und ohne

3 4

Verdampfungswärmeverlust im Brennraum die sofor- Kolben 51 an Stelle des Kolbens 41. Jeder der beiden

tige Erzeugung des brennfertigen Gemisches. Da- Drehkolben hat eine Verdampfungskammer 141, die

durch erst ist die echte Steuerung des Verbrennungs- so bemessen ist, daß sie gerade die maximal an-

ablaufs möglich. fallende Kraftstofl'menge aufnehmen kann. Die Ver-

Bei der Anwendung der Erfindung wurde zuerst 5 dampfungskammern stehen über Kanäle 143 mit dem an eine Drehkolbenmaschine gedacht, bei der die Brennraum 144 in direkter Verbindung. Sie besitzen Verdampfungskammer sich nur im Drehkolben be- außerdem eine BrennstoffeinführungsölTnung 145, rinden kann. Bei Anwendung in einer herkömmlichen die radial nach außen gerichtet ist. Das Ansaugen Hubkolbenmaschine wird man dort die Verdamp- der Luft und das Ausschieben der Abgase erfolgt fungskammer ebenfalls in den Kolben, Vorzugs- io über Drehschieber 151 in den Kolben 41,51. fn weise aber in einen nicht bewegten Maschinenteil jedem Drehschieber 151 sind Ein- und Auslauf verlegen, einigt. Die Drehschieber verbinden durch Längs-

Die Verdampfungskammer kann die Form eines schlitze die Zylinderräume und die beiden Drehdünnen Spaltes haben, z. B. wenige Zchntelmilli- Schieberkanäle miteinander. Die Ansaug- und Ausmeter dick und möglichst gegen die Ausströmdüse 15 puffkanäle münden in Ringkanäle seitlich der Ringin die Länge gezogen sein. Auf diese Weise wird zylinder, die ihrerseits mit der Außenluft in Verbindie nötige Oberfläche und die angestrebte Ausström- dung stehen,
geschwindigkeit erzielt. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt durch Einspritz-

Liegt die Verdampfungskammer im Kolben, der pumpen 13, die auf dem ,Ringzylinder 10 entspre-

als Drehkolben nie ganz stillsteht, muß deren Spalt 20 chend dem Arbeitsrhythmus und der erforderlichen

in Bewegungsrichtung liegen, damit die Einspritzung Voreinspritzung angeordnet sind. Der Kraftstoff wird

während der Zeit des vorbeieilenden Spaltes erfolgen durch die Einführungsöffnung 145 in die Verdamp-

kann. Der Kraftstoff ist dann zugleich auf die Länge fungskammer 141 eingespritzt. Der Drehkolben 41

und Breite des Spaltes verteilt. Die Verdampfungs- ist in Fig. 1 gerade in Einspritzstellung gezeichnet,

kammer ist somit derart ausgebildet, daß in dem Mo- 25 In Wirklichkeit wird die Einspritzung entsprechend

ment, wo das Leidenfrostsche Phänomen entsteht, der Verdampfungszeit früher erfolgen,

die Verdampfung abgeschlossen ist und ein weiterer Der Ringzylinder 10 ist von dem von einem Kühl-

Wärmezufluß dadurch gestoppt wird, also den Kraft^: mittel durchflossenen Ringkanal 18 umgeben, um

stoff schützt. am Umfang der Ringzylinder gleichmäßige Tempe-

Der Ausströmkanal zum Verbrennungsraum kann 30 raturen zu erhalten.

düsenförmig ausgebildet sein, um eine möglichst Die in den ringförmigen Verbrennungsräumen

maximale Ausströmgeschwindigkeit zu erhalten und befindlichen Drehkolben bewegen sich nach dem

das Druckgefälle möglichst verlustlos auszuwerten. mechanischen Gesetz des Pleuelgetriebes nach

Eventuell erfolgt die Ausströmung über mehrere Fig. 2, wonach der eine Kolben gegenüber dem

Düsenkanäle. Bei der Einspritzung in die schlitzför- 35 anderen abwechselnd schneller und langsamer vor-

mige Verdampfungskammer ist angenommen, daß wärts bewegt wird und daraus sich Verdichtung

dieselbe bis zur Zylinderwand offen ist. Die Laby- und Expansion ergeben.

rinthrillen im Drehkolben werden an den Verdamp- Das vorgesehene Pleuelgetriebe hat nach Fig. 2 fungskammern unterbrochen, und es ist dafür gesorgt, folgenden Aufbau: Die Kolbenwelle 40 trägt die daß die geringen Mengen des zwischen Kolben und 40 Kurbelwange 42, die Kolbenwelle 50 die Kurbel-Zylinderwand austretenden Kraftstoffdampfes auch wange 52. Die Abtriebswelle läuft auf Lagern im in den Verbrennungsraum gelangen. Getriebegehäuse und trägt den Übertragungsring 46

Eine eventuelle Kraftstoffvorwärmung kann vor mit den beiden Lagerzapfen 45. In den Kurbelwanden Einspritzpumpen erfolgen. Es wird dazu vor- gen 42 und 52 stecken die Lagerzapfen 43. Zwei zugsweise Abgaswärme verwendet. Aus Sicherheits- 45 Pleuel 44 verbinden den Übertragungsring 46 mit gründen soll die Wärmeübertragung mittels eines den Kurbelwangen 42 und 52. Die Abtriebswelle Zwischenmediums, vorzugsweise Wasser oder Was- trägt entweder selbst die Schwungmasse (Rad) oder serdampf, erfolgen. Vor der Erhitzungsstrecke des ist an eine solche angeflanscht (z. B. Dynamo, Kraftstoffes, also nach der Kraftstoffzubringerpumpe, Schiffsschraube).

wird je nach Beschaffenheit der letzteren ein Rück- 50 Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine

schlagventil und ein Überdruckventil erforderlich. strömt verdampfter Kraftstoff in den Verbrennungs-

In der Zeichnung ist die Erfindung in einer Aus- raum während eines Teiles z. B. des halben Kolbenführungsform beispielsweise dargestellt. hubes, vorzugsweise in Drehkolbenmaschinen der

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Dreh- oben erläuterten Bauart. Dieses Verfahren, ver-

kolbenbrennkraftmaschine mit zwei Drehkolben; 55 dampften Kraftstoff während eines Teiles des KoI-

F i g. 2 gibt einen anderen Querschnitt durch die benhubes zur Verbrennung einströmen zu lassen,

gleiche Drehkolbenbrennkraftmaschine mit Ansicht kann natürlich auch bei geradzylindrigen Motoren

des Pleuelgetriebes wieder. angewendet werden.

Die Drehkolbenbrennkraftmaschine besitzt zwei Der vorverdampfte Kraftstoff strömt durch seinen Drehkolben 41, 51, die in einem feststehenden Ring- 60 eigenen Dampfdruck in den Verbrennungsraum, zylinder 10 gleichsinnig mit wechselnder Winkelge- während die Einspritzpumpe den Kraftstoff flüssig schwindigkeit umlaufen. Die Brennkraftmaschine bc- in die Verdampfungskammer fördert. Der Kraftstoff sitzt zwei Kolbenwellen 40, 50, von denen eine in kann in flüssigem Zustand vorerwärint und dabei Fig. 1 sichtbar ist. Durch das in Fig. 2 dargestellte eventuell unter Druck gehalten sein. Der kritische Getriebe holen sich die Kolben 41, 51 gegenseitig 65 Punkt des Kraftstoffes bildet die Grenze der Vorbei jeder Umdrehung ein, so daß nach einer halben wärmung.

Umdrehung der Abtriebswelle der Kolben 41 an Der dampfförmige Zustand des Kraftstoffes er-

Stelle des Kolbens 51 zu stehen kommt und der möglicht ohne Verdampfungszeitverlust und ohne

Vcrdampfungswärmcvcrlust im Brennraum die sofortige Erzeugung des brennfertigen Gemisches. Dadurch erst ist die echte Steuerung des VcrbreniHingsablaufes möglich.

Eine weitere Steigerung der Brenngcscliwindigkeit für höchst mögliche Drehzahlen von Dieselmotoren kann erreicht werden, wenn ein nach vorstehenden Gesichtspunkten vorbereiteter KraftstolTdampf in einer Wirbelbrennkammer bekannter Bauart mit der Verbrennungsluft innig vermischt wird.

Die Hilfsmittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind: Vorzugsweise eine Drehkolbenmaschine mit den grundsätzlichen Merkmalen der beschriebenen Art (36O°-Ringzylinder, 2 Drehkolben, Pleuelgctriebe). Eine bzw. mehrere Verdampfungskammern, in die möglichst wenig verdichtete Luft eindringen kann und die eine möglichst große Oberfläche haben bei kleinem Volumen. Das Volumen soll nur für die vorgesehene Kraftstoffaufnahme reichen. Die Anordnung dieser Verdampl'ungskammein soll derart sein, daß die Kraftstoffdampfausströmung über den vorgesehenen Hubstreckenanteil in den Verbrennungshubraum erfolgen kann, vorzugsweise in einem Drehkolben angeordnet, weil dort insbesondere die nötige Temperatur leicht gehalten werden kann, sowie auch die erforderliche Wärmemenge sich speichern läßt. Der Querschnitt einer Verdampfungskammer 141 kann einem wenige Zchntelmillimetcr dicken Schlitz gleichen.

Ist der Schlitz in Umfangsrichtung gelegt, so kann die Einspritzung des Kraftstolles während der Zeit des vorbcieilendcn Schlitzes erfolgen. Der Kraftstofi ist dann sogleich auf die Länge der Brennkammer verteilt.

Der Ausströmkanal von der Verdampfungskammer zum Verbrennungsraum kann düsenförmig ausgebildet sein, um eine möglichst maximale Ausströmgeschwindigkeit zu erhalten und das Druckgefälle möglichst verlustlos auszuwerten. Eventuell erfolgt die Ausströmung über mehrere Düsenkanäle. Bei der Einspritzung in die schlitzförmigen Verdampfungskammern ist angenommen, daß dieselben bis zur Zylinderwand ofTen sind. Die Labyrinthrillen im Drchkolbcn werden an den Verdampfungsvorräumen unterbrochen, und es ist dafür gesorgt, daß die geringen Mengen des zwischen Kolben und Zylinderwand austretenden Kraftstofldampfes auch in den Verbrennungsraum gelangen.

Es kann sein, daß in die Ausströmkanäle Überdruckventile eingebaut werden müssen. In diesem Falle ist an selbsttätig arbeitende kugelige »Ventilkegel« gedacht. Wichtig ist dabei, daß die Ausströmkanäle kurz bleiben.

Die Vcrbrennungs- bzw. Hubräume sind so langhubig als möglich gestaltet, d. h., der Kolben bzw. Hubraumquerschnitt wird klein gehalten gegenüber dem Hub. Da wegen der Leistungsgröße der Hubraumqucrschnitt nicht beliebig klein werden kann, ist eben auch auf großen Hub zu achten bzw. auf möglichst großen Durchmesser des Ringzylinders. Da Letzterer bei der Drehkolbenmaschine nicht vom Kurbelradius abhängt, hat der Konstrukteur hier verhältnismäßig große Freiheiten.

ίο Bei der Konstruktion kleinerer Leistungseinheiten lassen sich die gewünschten Verhältnisse mit einem Ringzylinder leicht erreichen. Bei großen Leistungseinhciien, z. B. 1000 PS und mehr, bietet sich bei der Konstruktion ein breiter Zylinderquerschnitt über einer langen Kolbenwelle an. Um nun in dem sich ergebenden breiten Ringzylinderraum den gewollten Verbrennungsablauf zu erhalten, muß er in mehrere schmale, möglichst quadratische Ring-Verbrennungsräume unterteilt werden. Dies geschieht mittels Verbrennungsleitwänden. Sie werden mit dem Drehkolben zu einem Stück zusammengebaut. Von dem Drehkolben aus werden sie auch mit dem eventuell umgepumpten Kühlmittel versorgt. Ferner erhält jeder Verbrennungsraum seinen eigenen Gasein- und -auslaß sowie seine eigene Einspritzpumpe mit Verdampfungskammer. Es ist zu beachten, daß jeder Ring-Verbrennungsraum nach Fig. 1 in zwei Hubräume zerfällt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine, insbesondere Drehkolbenmaschine, mit Kraftstoffeinspritzung in eine mit dem Brennraum in Verbindung stehende Verdampfungskammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungskammer (141) gerade die maximal anfallende KraftstorT-menge aufnehmen kann und mittels Kanäle (143) mit dem Brennraum (144) direkt verbunden ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungskammer (141) im Kolben (41, 51) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungskammer die Form eines dünnen Spalts hat.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens verläuft.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle zum Brennraum düsenförmig ausgebildet sind.

6. Brenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanälen Ventile eingebaut sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen