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Verbrennungsmaschine mit Nutzbarmachung überschüssiger Luft Die Erfindung,
betrifft Verbrennungsmaschinen von der Art, bei der überschüssige Luft beim Verbrennungsprozess
benutzt wird, wobei jede Charge zum Zylinder in Form von zwei Gebilden angeliefert
wird, von denen das eine aus einem genügend reichen, vorzugsweise im wesentlichen
stöchiometrischen Gemisch besteht, um zündfähig zu sein während das andere Gebilde
überschüssige Luft enthält und aus einer schwächeren Mischung oder aus Luft allein
besteht.
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Derartige Maschinen sind bereits aus dem US-Patent 3 087 480 bekannt,
demzufolge das Gebilde aus reicherer Mischung in eine Verbrennungskammer eingeführt
wird durch ein Ansatzrohr, das zur Zündkerze hin gerichtet ist, während ein grösseres
Gebilde von schwächerer Mischung eingeführt wird durch eine bekannte Einlassöffnung
in eine Richtung, die im wesentlichen radial zum Zylinder verläuft. Der
Zweck
einer derartigen Anordnung besteht darin, den Wirkungsgrad der Maschine und den
Brennstoffverbrauch unter Teillast zu verbessern, indem gewährleistet wird, dass
im wesentlichen sämtlicher Brennstoff, der in der Charge enthalten ist, völlig verbrannt
wird, und indem dadurch die Menge an teilweise verbrannten oder an unverbrannten
Gasen im Auspuff herabgemindert wird. Durch Hinrichtung der reichen, im wesentlichen
stöchiometrischen Mischung in den Bereich, der die Zündkerze umgibt, wird darauf
abgezielt, dass dieses Mischungsgebilde zuverlässig gezündet werden soll und danach
völlig verbrennen soll in der Gegenwart der schwächeren Mischung oder der Luft in
den Resten der Verbrennungskammer und des Zylinders.
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Jedoch muss die frische Charge, die aus den zwei Mischungsgebilden
besteht, während des Saug- oder Einlasstaktes des Kolbens eingeführt werden, und
dem muss der Verdichtungstakt folgen, bevor die Charge gezündet werden kann. Während
des Verdichtungstaktes wird das Volumen der Charge auf einen geringen Bruchteil
des ursprünglichen Volumens vermindert. Bei der bekannten Ausbildung ist keine Vorsehung
getroffen zu gewährleisten, dass das Gebilde aus reicherer Mischung in der Nachbarschaft
der Zündkerze verbleibt ohne übermässige Verdünnung durch die Reste der Charge.
Angesichts
dieses Problem ist die Erfindung damit befasst zu gewährleisten, dass das Gebilde
aus im wesentlichen stöchiometrischer Mischung im Bereich der Zündkerze gehalten
wird während des Verdichtungstaktes.
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Gemäss der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsmaschinen
der vorerwähnten Art vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass während des
Ansaugtaktes eines der Gebilde, die die Charge bilden, um eine Achse herum angeordnet
wird, die im wesentlichen koaxial mit dem Zylinder verläuft, während das andere
Gebilde so hingerichtet wird, dass es an der Aussenseite des einen Gebildes zirkuliert.
Ebenfalls gemäss der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine von der vorerwähnten
Art vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Einlass für das eine Gebilde
derart ausgerichtet ist, dass er das eine Gebilde in eine Lage an einer Achse hinrichtet,
die im wesentlichen koaxial mit dem Zylinder verläuft, während der Einlass für das
andere Gebilde tangential zu einer Flussbahn um die Lage des ersten Gebildes herum
und an der Aussenseite desselben ausgerichtet ist.
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Das eine Gebilde kann so gerichtet sein, dass es um eine Achse in
einem geringen radialen Abstand von dieser Achse zirkuliert, während das andere
Gebilde um das erste Gebilde in derselben Richtung zirkulier.
Wo
die Menge der reicheren Brennstoff-Luftmischung, die zum Zylinder angeliefert wird,
durch eine Drossel gesteuert wird, kann die Menge der schwächeren Mischung durch
ein Steuerventil gesteuert werden, das mit der Drossel derart in Verbindung steht,
dass die Mengen der beiden Gebilde begrenzt werden können in im wesentlichen direktem
Verhältnis in den verschiedenen Stellungen der Drossel.
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Die Einrichtung, die die reichere Mischung anliefert, kann die übliche
Anreichereinrichtung zum Starten aufweisen, in welchem Falle diese Anreichereinrichtungen
an ein Zuflusssteuerventil angelenkt sind, um den Zufluss an schwächerer
Mischung oder an überschüssiger Luft zum Zylinder zu verringern oder abzustellen.
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Brennstoffe in der Art wie Gasolin oder leichtere Destillate sind
für die Verwendung geeignet) und die Zündung wird gewöhnlich durch einen elektrischen
Funken bewirkt, obgleich das System auf andere Brennstoffe und auf andere Zündeinrichtungen
ausgedehnt werden kann.
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Im allgemeinen gestattet die Erfindung die Erzielung einer reinen
geruchlosen Verbrennung, indem ein Gebilde aus einem Brennstoff-Luftgemisch von.
im wesentlichen stöchiometrischen Anteilen getrennt von dem einem bestimmten Ort
zugeordneten Gebilde aus Luft gehalten wird, und indem die überschüssige
Luft
der Verbrennung erst beigefügt wird, nachdem die Verbrennung der im stöchiometrischen
Verhältnis befindlichen Brennstoff-Luftmischung im wesentlichen beendet ist. Die
Verbrennung von mageren Mischungen wird ausgeschaltet, z. B. wird die überschüssige
Luft der Mischung nicht vor oder während der Anfangsphase der Verbrennung beigefügt.
Die überschüssige Luft wird getrennt von der Brennstoffmischung durch ein dynamisches
Verfahren gehalten, bei dem die Inhalte der Verbrennungskammer um eine axiale Zone
herum kreisen, wobei entweder die Brennstoffmischung um die Luftzone herum oder
die Luft um die Brennstoffzone herum kreist. Der Anteil an Brennstoffmischung an
dem gesamten Arbeitsströmungsmittel, das der Maschine zugeführt wird, ist gewöhnlich
wesentlich grösser im Volumen als die zugeführte überschüssige Luft; aber das Verhältnis
kann verändert werden. _ Es ist offensichtlich, dass während die Maschinen mit Vergasern
gezeigt sind, diese besondere Brennstoffzuführeinrichtung nicht einen Teil der Erfindung
ausmacht, und irgendeine bekannte Brennstoffzuführeinrichtung kann dafür eingesetzt
werden, zugehörig ist sogar,wo die Brennstoff-Luftmischung in der laschinenverbrennungskammer
oder im Zylinder gebildet wird, bevor oder nachdem das Einlassventil schliesst,
bishin zu einer Einbeschliessung der Verbrennung.
Verkörperungen
der Erfindung werden nunmehr im Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Figur 1 eine schematische vertikale Schnittdarstellung
einer ersten Ausbildung der Maschine, die entlang der unterbrochenen Linie 1-1 in
Fig. 2 genommen ist, Figur 2 eine Draufsicht der in Figur 1 gezeigten Maschine,
Figur 3 eine schematische vertikale Schnittdarstellung der Einlaserohrverzweigung
der Maschine, die entlang der Linie 3-3 der Figur 1 genommen ist, Figur 4 eine schematische
vertikale Schnittdarstellung einer anderweitigen Ausbildung der Maschine, Figur
5 eine Draufsicht der in Figur 4 gezeigten Maschine und Figur 6 eine Draufsicht
auf die Einlassrohrverzweigungeöffnung bei weggenommenen Ventil und von der Seite
der Verbrennungskammer her gesehen, wobei die lufteinlassöffnung gezeigt ist.
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Die erste Ausbildung der Maschine wird beschrieben, wie sie in einem
bekannten im 4-takt-Zyklus arbeitenden wassergekühlten, obengesteuerten Motor verkörpert
ist, aber es ist augenscheinlich, dass Luftkühlung oder andere Ausbildungen der
Kühlungen verwendet werden können. In den Figuren 1, 2
und 3 besitzt
ein Zylinder 10 mit einem hin- und hergehenden Kolben 11 darinnen einen Zylinderkopf
12, der an dem oberen Ende befestigt ist, und beide, nämlich der Zylinderkopf 12
und der Zylinder 10, sind wassergekühlt durch die üblichen Einrichtungen, die nicht
gezeigt sind. Ein Lufteinlassventil 14 und ein Auslassventil 15 sind in dem Kopf
12 oberhalb des Zylinders angeordnet.
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Die Verbrennungskammer 16 ist innerhalb des Kopfes 12 ausgebildet
und im wesentlichen halbkugelig in der Gestalt, und in ihr sind die Einlass- und
Auslassventile mit'gegenüber der Achse des Zylinders 10 geneigten Ventilstösseln
angeordnet, in der Weise, wie sie dieser Klasse von Kammern gemeinsam ist. Das Auslassventil
15 öffnet in eine Auslassöffnung 17, und das Einlassventil 14 öffnet in eine Einlassrohrverzweigung.18.
Die Rohrverzweigung 18 ist tangential gegenüber dem Zylinder 10 angeordnet, und
zwar in der Weise, dass die Gase, die den Zylinder durch das Ventil 14 betreten,
in einer kreisrunden spiraligen Bahn darinnen fliessen, wie es durch die Strömungslinie
19 dargestellt ist. Eine bekannte stöchiometrische Brennstoff-Luftmischung wird
der Einlassrohrverzweigung durch einen Standardvergaser 20 zugeführt.
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Eine Zündkerze 21 ist zwischen den Ventilen vorgesehen, im wesentlichen
in der Achse des Zylinders 10. Ein Luftrohr 22 öffnet in die Einlassrohrverzweigung
hinein direkt hinter dem Einlassventil und ist in der Weise angeordnet,
dass
es Luft in einem Strom 23 anliefert, der in Nachbarschaft der Zylinderwandung flieset,
parallel zur mehr zum Zentrum hin angeordneten Mischung 19, aber an deren
Aussenseite.
Ein Ventil 24 ist vorgesehen, um den Luftstrom durch das Rohr zu steuern. Das Ventil
wird durch eine Stange 25 betrieben, die an die Drossel 26 im Vergaser 20 angeschlossen
ist. Die Drossel und das Luftventil öffnen und schliessen im wesentlichen im Gleichgang.
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Das Einlassventil 14 wird in der üblichen Weise während des Einlasstaktes
geöffnet, und eine stöchiometrische Brennstoff-Luftmischung wird in den Zylinder
zusammen mit über-, schüssiger Luft angesaugt, die durch das Rohr 22 eintritt. Beide,
nämlich die Brennstoffmischung und die überschüssige Luft, betreten den Zylinder
gleichzeitig und zirkulieren darin um die zentrale Längsachse des Zylinders, wobei
sie ihre gegenseitige gehichtete Lage durch den Einlass- und Verdichtungstakt hindurch
beibehalten. Wenn die Luft und die Brennstoffmischung verdichtet werden, wird die
zentral angeordnete Brennstoffmischung durch die Zündkerze gezündet. Die
Verbrennung beginnt im Zentrum, und zwar in dieser stöchiometrischen Brennstoffmischung,
und die umgebende Luft wird in diese Verbrennung erst eingemischt, wenn die Verbrennung
des zentralen Kernes weitgehend beendet ist.
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Es ist wünschenswert, insbesondere in Mehrzylinder-Bauarten, dass
das Luftrohr hinter dem Einlassventil der Gestalt der
Rückseite
des Einlassventils angepasst ist, derart, dass das Rohr selbsttätig geschlossen
wird, wenn das Einlassventil geschlossen wird. Das wird in der Figur 3 gezeigt,
wo das Ende des Rohres 22 so abgeschnitten ist, dass es einen Ventilsitz 27 bildet,
der die Rückseite an den Kopf des Ventils 14 anpasst. In einer Mehrzylinder-Bauart
werden die huftleitungen zur Zuführung der überschüssigen Luft gewöhnlich aufgezweigt
wie die Einlassrohrverzweigung, und sie haben einen gemeinsamen Lufteinlass, der
durch das Zuftventi.l 24 gesteuert wird, das mit der Betätigung des Vergasers koordiniert
ist. Es ist jedoch freigestellt, getrennte Luftrohre und Steuerventile zu verwenden
und alle Steuerventile .an den Vergaser anzulenken.
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Beim Anlassen der Maschine, insbesondere unter kalten Verhältnissen,
kann die Luft gänzlich abgesperrt sein., und das kann in passender Weise auf die
gewöhnlichen Drosseleinrichtungen oder auf andere Einrichtungen zum Anreichern der
Mischung bezogen sein. Das Luftrohr 22 ist von dem Ventil 24 her geführt, und ein
Ventil 28 ist nahe dem Ende davon, wie gezeigt, angeordnet. Das Ventil 28 ist durch
eine Stange 29 an die Drossel 30 angeschlossen, und zwar in der Weise, dass wenn
die Drossel zum Anlassen geschlossen ist, die Luft ebenfalls abgeschlossen ist,
aber erneut aufgedreht wird, sobald die Drossel geöffnet wird.
In
den Figuren 4, 5 und 6 weist ein Zylinder 39 einen Kolben 40 darinnen auf und eine
Verbrennungskammer 41 an seinem oberen Ende. Das Einlassventil 42 und das Auslassventil
43 öffnen in diese Kammer und sind als vertikale Ventile im Wege von Beispielen
gezeigt. Eine halbkugelige VerbrennungCammer mit geneigten Ventilen, wie in den
Figuren 1 und 2, könnte verwendet werden, falls solches gewünscht würde. Die Einlassrohrverzweigung
44 ist tangential zum Zylinder in der Weise angeordnet, dass die Brennstoffmischung,
die den Zylinder betritt, während des Einlasstaktes um die zentrale Achse des Zylinders
herum zirkuliert, wie das durch die Strömungslinie 45 gezeigt ist. Eine übliche
stöchiometrische Brennstoff-Luftmischung wird der Einlassrohrverzweigung durch einen
Standardvergaser 46 zugeführt.
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Ein luftzufuhrrohr 47 ist vorgesehen, das in die Einlasarohrverzweigung
44 in der Nähe des Einlassventils 42 eintritt in einer Richtung im wesentlichen
lotrecht zum Kopf des Ventils, und es ist so ausgerichtet, dass Luft durch das Ventil
42 hindurch fliesst, wenn dieses offen ist, und zum Zentrum des Zylinders hin strömt.
Die Luft trifft auf die Rückseite des Ventilkopfes und bläst aus, wie durch die
Pfeile 49 gezeigt ist.
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Eine Zündkerze 48 ist in der Verbrennungelammer angeordnet, auf der
Strömungslinie ¢5. Während den Zinlaaetaktee tritt
die vergaste
Brennstoff-Luftcharge in den Zylinder 39 durch das Ventil 42 ein und kreist um den
Zylinder in einer kreisförmigen Rotation, wie sie durch die linie-45 angezeigt
ist. Gleichzeitig flieset Luft durch das Rohr 47, wie durch die Strömungslinie 49
angezeigt ist, und sammelt sich. entlang der zentralen Achse der Drehung des Brennstoffgemisches.
Der Kolben verdichtet sodann die gesamte Charge, und der äussere etöchiometrische
Anteil wird durch die Zündkerze 48 gezündet. Die Verbrennung beginnt,
wie zuvor, in der stöchiometrischen Mischung, und nachdem das zur Genüge
geschehen ist, wird die Luft mit den brennenden Gasen vermischt und wirkt dahingehend,
die Reaktion zu vervollständigen. Die Steuerung (nicht gezeigt) zur Regulierung
des Luftflusses gegenüber der Brennstoffmischung kann ähnlich der sein, wie ®e bereits
beschrieben wurde.
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Das Tellerventil 50 korrespondiert mit dem Ventil 27 auf dem Ende
des Rohres 22, wie es in Figur 1 gezeigt ist. Es fungiert dahingehend, den Fluse
durch das Luftrohr 47 zu unterbrechen, wenn das Einlassventil 42 geschlossen wird.
Wenn die Naschine mit Teilladung bei teilweise geschlossener .Drossel 51 betrieben
wird, ergibt sich ein gewisses Vakuum in der Rohiversweigung 44 während der Zeit,
in der das Einlassventil geschlossen ist. Das trifft insbesondere für die Einlassrohrverzweigungen
von viearzylinlermaschinen zu, die eine gemeinsame Rohrverzweigung aufweisen. Daher
fliesst, wenn das Ventil 50 nicht geschlossen ist, die überschüssige
Luft
in die Einlaserohrverzweigung während der Zeit, in der das Einlassventil geschlossen
ist, und erzeugt einfach eine magere Brennstoff-Luftmischung in der Rohrverzweigung.
Die Brennstoff-Luftmischung und die überschüssige Luft müssen getrennt voneinander
gehalten und getrennt in den Zylinder eingeführt werden. Das Ventil 50 wird,
wie gezeigt ist, durch eine Kurbenscheibe 52 betätigt, deren Öffnungszeit etwas
von der der Kurbenscheibe 52' verschieden sein kann, die das Ventil 42 betätigt.
Es kann wünschenswert sein, das Luftventil etwas später als das Einlassventil zu
öffnen, z.B. wenn eine grosse Ventilöffnungeüberlappung zwischen deP Einlass- und
den Auslassventilen in Hochleistungsmaschinen vorhanden ist.
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Das Ende des Luftrohres 47 geht aus in einem Durchgang von grösserem
Querschnitt hinter der gekrümmten Wand 53 (Fig. 6), die sich dicht zur Rückseite
des Ventils 42 erstreckt, wenn das Ventil geschlossen ist. Dieser grössere Querschnitt
fungiert dahin, die Luft zu diffundieren, bevor sie in die Verbrennungskammer eintritt,
und ordnet die Luft bei geringer Geschwindigkeit in der zentralen Zone des Zylinders
an, wie e® durch die unterbrochene Aussenlinie 54 angezeigt ist, Das hilft dabei,
die Luft davon abzuhalten, sich mit der Brennstoffmischung zu vermischen.
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Es ist augenscheinlich, dass die überschüssige Luft ebenfalls durch
andere Einrichtungen als die gezeigten in den Zylinder
eingespeist
werden kann, solcher Art wie durch ein unabhängiges drittes Ventil, das in die Verbrennungskammer
öffnet.