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"Vorkammer-Einspritz-Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis't
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorkammer-Einspritz-Brennkraftmaschine, deren
Verdichtungsverhältnis durch Volumenänderung eines im Zylinderkopf angeordneten
zusätzlichen Brennraumes im Betrieb verändert werden kann. Durch diese Maßnahme
ist bei Anwendung eines hohen Verdichtungsverhältnisses ein leichteres Anspringen
der Brennkraftmaschine, besonders in kaltem Zustand, möglich. Außerdem trägt eine
Verminderung des Verdichtungsverhältnisses bei hoher Belastung zur Herabsetzung
der Spitzendrücke und dadurch zu einer Schonung der Maschine bei.
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Bei einer bekannten Brennkraftmaschine ist neben der Vorkammer eine
weitere Kammer angeordnet, die mit dieser durch eine Bohrung verbunden ist. Durch
ein mechanisch betätigbares Ventil kann die Bohrung geschlossen bzw. geöffnet werden
und damit ein größeres oder kleineres Verdichtungsverhältnis erzielt werden. Diese
Einrichtung, die hauptsächlich zur Erleichterung des Kaltstarts dient, weist damit
nur zwei Stellungen auf.- Als weiterer Nachteil werden durch das Zu- oder
Ab-
schalten der zusätzlichen Kammer die für den Verbrennungsablauf wesentlichen
Strömungsverhältnisse in der Vorkammer stark verändert.
Es ist die
Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen und eine Vorkammer-Einspritz-Brennkraftmaschine
zu schaffen, die einen stufenlosen übergang vom größten bis zum kleinsten Verdichtungsverhältnis
gestattet. Darüber hinaus soll die Erfindung nicht nur den Kaltstart erleichtern,
sondern während des ganzen Betriebes das Verdichtungsverhältnis der jeweiligen Belastung
der Maschine so anpassen, daß keine übermäßigen Spitzendrücke auftreten. Eine weitere
wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es, bei allen Verdichtungsverhältnissen eine
gleichartige Strömung in der Vorkammer aufrecht zu erhalten. Dies geschieht erfindungsgemäß
dadurch., daß die Vorkammer, durch die Bodenfläche eines die Kraftstoffeinspritzdüse
aufnehmenden., verschiebbaren Einsatzstückes nach oben begrenzt wird.
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Vorteilhaft wird dabei nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
das Einsatzstück mit einem als Kolben ausgebildeten Bodenteil in der Vorkammer,
mit seinem daran anschließenden zylindrischen Gehäuse für die Einspritzdüse im Vorkammergehäuse
und mit einem schaftförmigen Dü-
senoberteil in einer am Vorkammergehäuse
befestigten und in das Gehäuse ragenden Führungshülse geführt.
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Erfindungsgemäß wird von dem Düsenoberteil und der Führungshülse ein
Ringkanal gebildet, dessen Länge dem Hub des Einsatzstückes entspricht,-und der
einmal durch einen Kanal in der Führungshülse mit einer Anschlußbohrung in deren
äußerer Stirnseite und zum anderen durch weitere Kanäle im Düsenoberteil bzw. Düsenunterteil
mit einem an der Düsenöffnung des Düsenunterteiles angeordneten Ringnut für den
Einspritzkraftstoff verbunden ist. Diese Maßnahme gestattet eine einwandfreie Kraftstoffzufuhr
zum Einsatzstück, ohne daß durch dessen Längsbewegungen Schwankungen des Kraftstoffdruckes
auftreten.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in der
Beschreibung angegeben.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von
Längsschnitten durch die Vorkammer von Dieselmotoren und zwar in den' Fig.
1 bis 3 bei einer Vorkammer mit Mehrlochbrenner in den Stellungen
des Einsatzstückes für hohe, mittlere und niedere Verdichtung, in Fig. 4 bei einer
mit einem rotationskörperförmigen Ansatz am Kolbenboden zusammenwirkenden zylindrischen
Vorkammer in der Stellung des Einsatzstückes für hohe Verdichtung undin Fig.
5 bei derselben Vorkanimer mit einem von einem Steuerschieber beeinflußten
Einsatzstück in der Stellung für niedere Verdichtung. In dem in den Fig.
1 bis 3 angedeuteten Zylinderkopf 1 eines Dieselmotors ist
ein Vorkammergehäuse 2 eingesetzt. Die vom Vorkammergehäuse 2 umschlossene Vorkammer
3 hat im wesentlichen eine zylindrische Gestalt. In seinem unteren Abschnitt
verjüngt sich das Vorkammergehäuse 2 zu einem Mehrlochbrenner 4. Nach oben ist die
Vorkammer 3 durch die* Bodenfläche 5 eines verschiebbaren Einsatzstückes
6 begrenzt. Das Einsatzstück 6 nimmt die Kraftstoffeinspritzdüse auf
und besteht im einzelnen aus einein kolbenförmigen init Dichtringen 7 versehenen
Bodenteil
8, einem daran anschließenden zylindrischen Gehäuse
9 für ein Düsenunterteil 10, der von einer Druckfeder 11 belasteten
Düsennadel 12 und einem schaftförmigen Düsenoberteil 13. Im Düsenunterteil
10 ist eine zentrale Bohrung 14 und im Bodenteil 8 eine Düsenöffnung
15 angeordnet. Zwischen das Bodenteil 8 und das Düsenunterteil
10 ist ein Dichtring 16 eingelegt.
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Das Vorkammergehäuse 2 ist dem Einsatzstück 6 entsprechend
verlängert und bildet mit diesem einen Ringraum 17. In das Vorkammergehäuse
2 ist eine Führungshülse 18 eingesehraubt, die in das Gehäuse 9 ragt
und den Ringraum 17 nach oben abschließt. Das Einsatzstück 6 ist mit
dem kolbenförmigen Bodenteil 8 in der Vorkammer 3, mit dem Gehäuse
9 im Vorkammergehäuse 2 und mit dem Düsenoberteil 13 in der Führungshülse
18 geführt. Das Düsenoberteil 13 und die Führungshülse 18 bilden
einen Ringkanal 19,
dessen Länge dem Hub des Einsatzstückes 6 entspricht.
An der äußeren Stirnseite 20 der Führungshülse 18 mündet eine von der Einspritzpumpe
kommende, nicht dargestellte Kraftstoffleitung in einen Kanal 21, der zum Ringkanal
19 und von dort durch weitere Kanäle 22 bzw. 23 im Düsenoberteil
13 bzw. Düsenunterteil 10 zu einer an der Bohrung 14 angeordneten
Ringnut 24 führt. Der Ringkanal 19 hat unabhängig von der Stellung des Einsatzstückes
6 das gleiche Volumen, so daß die das Verdichtungsverhältnis ändernden Bewegungen
des Einsatzstückes 6 keine Druckschwankungen in der Kraftstoffleitung zur
Düsenöffnung 15 hervorrufen.
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Der die Druckfeder 11 für die Düsennadel 12 aufnehmende Hohlzylinder
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ist durch einen Kanal 26 mit einem durch das Gehäuse 9, das
Düsenoberteil
13 und der inneren Stirnseite 27 der
Führungshülse 18 gebildeten Ringkanal 28 und einen weiteren Kanal
29 in der Führungshülse 18 mit deren äußeren Stirnseite 20 verbunden.
Das Volumen des Ringkanales 28
ändert sich bei den Bewegungen des Einsatzstückes
6. Die damit verbundene Pumpwirkung unterstützt die Rückförderung des Leckkraftstoffes.
Der Ringraum 17 wird durch einen abdichtenden Bund 30 am Gehäuse
9
in eine innere obere Kammer 31 und eine innere untere Kammer
32 unterteilt. Durch eine das Vorkammergehäuse 2 umgebende Zylinderbüchse
33
wird ein koaxial zum inneren Ringraum 17 angeordneter, äußerer Ringraum
34 gebildet, der durch einen verschiebbaren Ringkolben 35 in eine äußere
obere Kammer 36 und in eine äußere untere Kammer 37 unterteilt ist.
In der äußeren oberen Kammer 36 ist eine Druckfeder 38 angeordnet.,
die sich mit ihren Enden gegen deren feste Stirnwand 39 bzw. gegen eine Nut
40 im Ringkolben 35 abstützt. Die äußere obere Kammer 36 ist mit der
inneren unteren Kammer 32
durch einen Kanal 41 und die äußere untere Kammer
37 mit der inneren oberen Kammer 31 durch einen Kanal 42 im Vorkammergehäuse
2 verbunden. Die Kanäle 41 und 42 sind jeweils als Drossel ausgebildet. Die beiden
äußeren Kammern 36 bzw. 37 sind durch mit je einem Rückschlagventil
43 bzw. 44 versehene Zweigleitungen 45 bzw. 46 und eine Hauptleitung 47 mit einer
nicht dargestellten Druckmittelquelle, Z. B. einer Zahnradpumpe, verbunden.
Von der äußeren oberen Kammer 36 führt eine Verbindungsbohrung 48 zur inneren
oberen Kammer 31. die Verbindungsbohrung 48 kann durch eine Steuerbohrung
49 in einem Ansatz 50
am Ringkolben 35 geöffnet bzw. geschlossen werden.
An der festen Stirnwand 39 der äußeren oberen Kammer 36 ist eine Rücklaufleitung
51
angeschlossen, die zu einem nicht dargestellten Druckmittelbehälter führt.
f
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung sei von der in Fig. 1
gezeigten
Stellung des Einsatzstückes 6 ausgegangen, in der sich dieses beim Anlassen
des Dieselmotors befindet. Die Bodenfläche 5 des Einsatzstückes
6 ist in seiner unteren Endlage, in der die Vorkammer 3 ihre
kleinste Ausdehnung aufweist. Der sich daraus ergebende Höchstwert der Verdichtung
führt zu höheren Temperaturen der verdichteten Luft und damit zu einer besseren
Zündung des durch die Düsenöffnung 15 eingespritzten Kraftstoffes. Der Motor
springt dadurch auch in stark abgekühltem Zustand leicht an. Bei laufendem Motor
führt der auf das Bodenteil 8 wirkende Verbrennungsdruck zu einer Verdrängung
des Druckmittels aus der inneren oberen Kammer 31 durch den Kanal 42 in die
äußere untere Kammer 37. Der Ringkolben 35 wird angehoben und verdrängt
seinerseits aus der äußeren oberen Kammer 36 Druckmittel durch den Kanal
41 in die innere untere Kammer 32. Da die beiden Kanäle 41 und 42 jeweils
als Drossel ausgebildet sind, wird der Druckmittelaustausch zwischen den einzelnen
Kammern und damit die Aufwärtsbewegung des Einsatzstückes 6 unter der Wirkung
des Verbrennungsdruckes verzögert. Hat das Einsatzstück 6 nach der Beendigung
des Anlaßvorganges seine obere Endstellung erreicht, in der das Bodenteil
8
am Vorkammergehäuse 2 anschlägt, hat die Vorkammer 3 ihre größte
räumliche Ausdehnung, womit der kleinste, für den DauerbetHeb erwünschte Verdichtungsgrad
erreicht ist. Der Ringkolben 35, der kurz nach dem Beginn seiner Aufwärtsbewegung
die Verbindung zur Zweigleitung 46 für den Zufluß von Druckmittel freigegeben hat,
erreicht nun ebenfalls seine obere Endstellung, in der der Ansatz 50 gegen
die feste Stirnwand 39 der äußeren oberen Kammer 36 anschlägt. In
dieser Stellung öffnet die Steuerbohrung 49 im Ansatz 50 die Verbindungsbohrung
48 vom Kanal 42 zur äußeren oberen Kammer 36, so daß das durch die
Zweigleitung
46 geförderte Druckmittel wieder durch die Rücklaufleitung 51 abgeführt werden
kann. Dadurch wird vermieden, daß das Einsatzstück 6 -durch steigenden Druck
in der inneren oberen Kammer 31 wieder nach unten gedrückt wird.
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Bei abgestelltem Motor und beendeter Förderung der Druckmittelpumpe
drückt die Druckfeder 38 den Ringkolben 35 nach unten, so daß das
Druckmittel von der äußeren unteren Kammer 37 in die innere obere Kammer
31 verdrängt wird, wobei das Einsatzstück 6 in seine Ausgangslage
zurückgeführt wird. Damit ergibt sich für das Anlassen des Dieselmotors wieder eine
maximale Verdichtung, während sich im Betrieb eine geringe Verdichtung mit entsprechend
verminderter Belastung des Motors einstellt. In Fig. 4 ist eine Ausführung der Erfindung
gezeigt, deren Einsatzstück und deren übrige Verstelleinrichtung mit dem in den
Fig. 1 bis 3 gezeigten Beispiel übereinstimmen und die mit diesen
Figuren entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Der für die Führung des Bodenteiles
8
notwendige zylindrische Teil der Vorkammer 52 ist au-je deren ganze
Länge ausgedehnt. Die durch die Verstelleinrichtung vergrößerte Bauhöhe des Vorkammergehäuses
53 kann durch diese Maßnahme wieder verringert werden. Außerdem wird durch
die einfache zylindrische Gestalt die Herstellung vereinfacht. Als weiterer Vorteil
ergibt sich die bessere Durchspülung der Vorkammer 52. Den unteren Abschluß
der Vorkammer 52 bildet ein rotationskörperförmiger Ansatz 54 am Kolbenboden
55, der im oberen Totpunkt so in die Vorkammer 52 ragt, daß ein Ringspalt
56 gebildet wird. Die Zeichnung zeigt das Einsatzstück 6 in der Stellung
für hohe Verdichtung. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie in dem bereits beschriebenen
Beispiel.
Bei den bisher aufgeführten Beispielen hat das Einsatzstück
6 zwei Stellungen, eine zeitlich begrenzte Startstellung mit hoher Verdichtung
und eine Betriebsstellung mit normaler Verdichtung. Die in Fig. 5 dargestellte
Ausführung erlaubt dagegen jede beliebige Zwischenstellung des Einsatzstückes und
damit eine Vielzahl von möglichen Verdichtungsverhältnissen während des Betriebes.
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Der Aufbau gleicht in vielen Teilen den bisherigen Ausführungen. Das
Vorkammergehäuse 57 umschließt eine zylindrische Vorkammer 58. Das
verschiebbare Einsatzstück 6, das mit seiner Bodenfläche 5 die Vorkammer
58 nach oben begrenzt und das die Einspritzdüse aufnimmt#sowie die Führungshülse
18 weisen im wesentlichen die gleiche Gestalt und die gleiche Anordnung der
Kraftstoffkanäle auf, wie in den anderen Beispielen. Sie sind deshalb mit den gleichen
Bezugszeichen wie diese versehen. Das Vorkammergehäuse 57 bildet mit dem
Einsatzstück 6 einen Ringraum, der durch den abdichtenden Bund
30 am Einsatzstück 6 in eine obere, eine Druckfeder 59 enthaltende
Kammer 60 und in eine untere Kammer 61 unterteilt wird. Die obere
Kammer 60 ist im Bereich ihrer festen Stirnwand 62 mit einer nicht
dargestellten Druckmittelquelle, z. B. einer Zahnradpumpe, durch einen Kanal
63 verbunden. Im Kanal 63 ist ein Rückschlagventil 64 angeordnet.
Vom Kanal 63 zweigt ein weiterer Kanal 65 ab, der zum Mantel
66 eines Steuerzylinders 67 führt, und der von dessen Stirnwand
68 ausgehend in einem Kanal 69 fortgesetzt wird. Der Kanal
69 mündet in die untere Kammer 61 im Bereich deren fester Stirnwand
70. Der Steuerzylinder 67 ist durch einen, ein Rückschlagventil
71 enthaltenden Verbindungskanal 72 vom Kanal 69 zum Kanal
65 überbrückt. Im Bereich der festen Stirnwand 62 der oberen Kammer
60 ist eine Drosselbohrung 80 angeordnet.
Im Steuerzylinder
67 ist ein durch eine Druckfeder 73 belasteter Steuerschieber 74 angeordnet,
der je nach seiner Stellung die Verbindung der beiden Kanäle 65 und
69 herstellt oder unterbricht. Der Steuerschieber 74 weist einen Bund
75 auf, dessen eine Stirnfläche 76 in einem zusammen mit dem Steuerzylinder
67 gebildeten Ringraum 77 liegt. Der Ringraum 77 ist durch
einen Kanal 78 mit der im Hauptbrennraum liegenden Stirnfläche
79 des Vorkammergehäuses 57 verbunden. In Fig. 5 ist strichpunktiert
die obere Begrenzung der Vorkammer 58
eingetragen, wenn das Einsatzstück
6 in seiner unteren Stellung steht, in der das Vorkammervolumen seinen Kleinstwert
und das Verdichtungsverhältnis seinen Größtwert erreicht hat. Diese Stellung ergibt
sich beim Anlassen der Brennkraftmaschine, beim Leerlauf und bei sehr niederer Belastung.
Infolge des geringen Gasdruckes im Brennraum und im Ringraum 77 des Steuerzylinders
67 überwiegt die Kraft der Druckfeder 73
die auf die Stirnfläche
76 des Steuerschiebers 74 wirkende Gaskraft und drückt diesen in seine linke
Endstellung, in der die Kanäle 65 und 69
getrennt sind. Die untere
Kammer 61 ist drucklos, da die Verbindung zur Förderpumpe unterbrochen ist.
Die obere Kammer 60 steht dagegen unter Förderdruck, der zusammen mit der
Druckfeder 59 auf die obere Stirnfläche des Bundes 30 am Einsatzstück
6 einwirkt und dieses dadurch in seiner unteren Stellung hält. Die geringe
durch die Drosselbohrung 80
entweichende Druckmittelmenge wird durch das von
der Pumpe geförderte Druckmittel ersetzt.
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Erhöht sich die Belastung des Motors soweit, daß die anwachsende Gaskraft
im Ringraum 77 des Steuerzylinders 67 die Kraft der Druckfeder
73
f überwiegt, wird der Steuerschieber 74 nach rechts gedrückt.
Damit ist die Verbindung der Kanäle 65 und 69 hergestellt. Das unter
dem auf seine Bodenfläche 5 wirkenden Gasdruck stehende Einsatzstück
6 verdrängt Druckmittel aus der oberen Kammer 60 durch.die Kanäle
63,
65 und 69 in die untere Kammer 61. Mit dem dadurch
vergrößerten Vorkammervolumen verringert sich das Verdichtungsverhältnis. Damit
sinkt auch der Gasdruck so lange, bis die Kraft der Druckfeder 73 gegenüber
der Gaskraft im Ringraum 77 des Steuerzylinders 67 überwiegt'und der
Steuerschieber 74 in seine linke Endstellung geht, in der die Verbindung zwischen
den Kanälen 65 und 69 wieder unterbrochen ist. Zwischen der oberen
Kammer 60 und unteren Kammer 61 ist damit kein Druckmittelaustausch
mehr möglich, so daß die Aufwärtsbewegung des Einsatzstückes 6 aufhört und
die Bodenfläche 5 beispielsweise eine mittlere, durch Striche angedeutete
Stellung einnimmt. Bei noch höherer Belastung kann sich der Vorgang so lange wiederholen,
bis das Einsatzstück 6 in die in der Zeichnung gezeigte Stellung mit dem
größten Vorkammervolumen geht. Wird der Motor abgestellt, so geht där Steuerschieber
74 in seine linke Endstellung. Die Förderung der Druckmittelpumpe hört auf. Das
Einn untere satzstück 6 wird unter der Wirkung der Druckfeder 59 i
die Endlage zurückgestellt, wobei das Druckmittel aus der unteren Kammer
61 Über die Kanäle 69, 72 das Rückschlagventil 71 und die Kanäle
65"
und 63 in die obere Kammer 60 übertreten kann. Das Einsatzstück
6
steht damit wieder in der Startstellung.
Nach einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, den Steuerschieber 74
willkürlich, z. B. durch eine Bewegungsschraube, zu verstellen. Verschiebt man den
Steuerschieber 74 bei einer bestimmten Stellung des Einsatzstückes 6 in seine
linke Endstellung., in der die Kanäle 65 und 69 voneinander getrennt
sind, so bleibt das Einsatzstück 6
unabhängig vom Gasdruck in dieser Stellung.
Damit läßt sich bei Bedarf auf einfache Weise ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis
fest einstellen.