DE1890428U - Luftverdichtende einspritzbrennkraftkolbenmaschine. - Google Patents

Description

Köln, den 20.12. 196j ^ TP Moe/Si D 62/13 "^-'^%

Luftverdichtende Einspritzbrennkraftkolbenmaschine Bei luftverdichtenden Einspritzbrennkraftkolbenmaschinen ist

\ häufig, insbesondere beim Anlassen und im niederen Leerlauf, ; eine Erscheinung zu beobachten, die man als Hageln oder Klopfen bezeichnet. Zurückzuführen ist diese Erscheinung nach den bis heute vorliegenden Erkenntnissen auf den grundsätzlich diesen ilaschinen eigenen Ablauf der Verbrennung. In der Eegel wird kurz vor dem oberen Totpunkt der Kraftstoff mit einem Druck von meist über 100 atü eingespritzt und trifft auf die inzwlsche verdichtete heiße Verbrennungsluft. Bei den hohen Drücken ist der Kraftstoff bereite merklich kompressibel und es dringen bei Einspritzbeginn nur die größeren Tropfen aufgrund ihrer -rüßeren ^asse in die verdichtete Verbrennungsluft ein, wihrend die kleineren Tropfen sich an den heißen ''änden aes Brennrauines niederschlagen. Bevor also die angestrebte Verwirbelung der Luft mit dem Kraftstoff wirksam wird, bilden sich an den verschiedensten Stellen am Rande der Wirbelzone schnell verdampfende Kraftstoffinseln aus den aufgrund ihrer zu kleinen ,lasse nicht in den wirbelnden Luftstrom eingedrungenen Kraftstofftropfen. ₍ Die vorschnelle Verdampfung an den heißen Brennr&umvandungen verursacht eine schnellere Aufschließung der Kraftstoffmoleküle und erhöht die Zündwilligkeit dieser kleinen Kraftstofftropfen gegenüber den durch die Verwirbelung mit der Luft etwas abgekühlten größeren Kraftstoffteilchen. Sobald nun diese zündwilligeren Kraftstoffinseln in Uiafangsnähe des Brennraumes zur Entflammung kommen, verbrennt auch der bis dahin überhaupt

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eingespritzte, an sieh zündfähige, aber noch, nicht zündwillige Kraftstoff fast augenblicklich unter steilem Druckanstieg, also detonalexplosiv. Dieser Verbrennungsabsclmitt verursacht in seinen Auswirkungen das sogenannte lagein oder Klopfen. Dieses Klopfen oder '. :geln verursacht infolge des damit verbundenen steilen Druckanstieges erhöhte Triebwerksbeanspruchungen und Ilavitationserscheinungen, d.h. Ausfressungen an den Vänden der Brennräume.

In der durch die Praxis gewonnenen Erkenntnis, daß schnell-laufende hochverdichtende Sinspritzbrennkraftkolbenmaschinen viel mehr zum Klopfen und oder !Tagein neigen als langsamer laufende und gleich hochverdidrcende Maschinen, eine Satsache, die offenbar dadurch begründet ist, daß bei den langsamer laufenden .laschinen der Druckanstieg im Brennraum auch entsprechend langsamer erfolgt, so daß nehr Zeit für die Kraftstoffaufbereitung aur Verfügung steht und die Voraussetzungen für die Bildung der sogenannten Zündinseln schlechter sind,, wird neuerungsgemäß vorgeschlagen, zur restlosen oder weitgehenden Unterdrückung des Klopfens oder Hageins die Brennräuae der Arbeitszylinder so auszubilden, daß sie unter der Einwirkung des gegen Znde der Verdichtung unmittelbar nach .Einsetzen der Zündung plötzlich ansteigenden Druckes vorübergehend an Volumen zunehmen. Hierdurch wird auch bei schnell-laufenden Brennkraftmaschinen der, wie oben dargelegt, langsamere Druckanstieg erzwungen«

Die vorübergehende Volumenänderung der Arbeitsräume kann im Rahmen der Neuerung auf jede an sich geeignete Weise erfolgen.

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Eine der liöglichkeiten besteht darin, zwei ineinander verschachtelt und über ein Luftpolster verschiebbar gegeneinander arbeitende Arbeitskolben vorzusehen. Eine andere mögliche Ausführungsfora besteht darin, daß man einen Febenbrennraum vorsieht, dessen Verbindungskanal mit dem Hauptbrennraum durch einen sich bei dem raschen !Druckanstieg gegen Ende der Verdichtung in. den Hebenbrennrauia hinein entgegen einer Feder öffnendes Rückschlagventil beherrscht wird. Sofern der erstere Vorschlag verwirklicht wird, können in v/eiterer Ausgestaltung der Neuerung zusätzlich zu dem Luftpolster auch noch die beiden Kolben miteinander verbindende und bei Stillstand derselben entspannte ledern vorgesehen werden. Auf einen recht brauchbaren Aufbau bei Verwendung zweier gegeneinander arbeitender Arbeitskolben sei anschließend noch hingewiesen. Er besteht darin, daß der brennraumseitige Kolben als Stufenkolben ausgebildet ist, dessen den größeren Durchmesser aufweisender Ab chnitt über Kolbenringe im Arbeitszylinder geführt ist und den Brennraum begrenzt, und dessen anderer verjüngter abschnitt in einer zylindrischen Ausnehmung in deia an die kurbelwelle angelenkten Kolben unter Zwischenschaltung von Zolbenringe geführt ist.

V/eitere .isrkraale der Heuerung sind der Zeichnung zu entnehmen, in der drei Ausführungsformen der Neuerung beispielsweise dargestellt sind.

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Abb. 1 dient der Veranschaulichung des Feuerungsgedankens und zeigt ein ideales Druekdiagramm einer Verbrennung in einer luftverdiehtenden Einspritzbrennkraftmaschine.

Abb. 2 zeigt ein typisches Druckdiagramm einer schnell-laufenden luftverdichtenden Einspritzbrennkraftkolbenmaschine.

Abb. 3 zeigt schematisch den Arbeitszylinder einer luftverdichtenden linspritzbrennkraftkolbenmaschine, bei der der Neuerungsgedanke mittels zweier verschachtelt ineinander und über ein Luftpolster gegeneinander arbeiten,

Abb. 4 veranschaulicht die Verwirklichung des ITeuerungsgedankens unter Verwendung eines Rückschlagventils zwischen dem Hauptbrennraum und einem Hebenbrennraum.

Abb. 5 zeigt einen besonderen Aufbau bei Verwendung zweier gegeneinander arbeitender Arbeitekolben.

In Abb. 1 gibt die Kurve a Aufschluß über den Verdichtungsdruckverlauf über einen Kurbelwinkel von 360° bei einer Viertaktbrennkraftmaschine. Die Kurve b charakterisiert den Verbrennungsdruckverlauf über den gleichen Inkel. Man erkennt, daß keine ausgeprägten Druckspitzen, die ein lagein oder Klopfen verursachen könnten, auftreten. Bei Schnelläufern aber dann allerdings, wie beispielsweise bei Lastwagen-Antriebsmaschine», sieht der Druckverlauf, wie aus Abb. 2 zu erkennen ist, wesentlich anders aus.

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unmittelbar nach Einspritzbeginn steigt der Druck etwas schneller an als bisher, bedingt duroh den mit über 100 atü in die schon hoch verdichtete Luft eindringenden Kraftstoffstrahl. Kurz darauf erfolgt noch einmal eine Aufrichtung der Kurve, die steil naoh oben geht und dann sehr steil wieder abfäl-t. Es ist das Bild einer echten Detonationswelle, die auch höhere Temperaturen erzeugt als die anschließende Verbrennung und au IColbenbodenerhitzungen und festgebrannten Kolbenringen führen kann.

In dem in Abb. 3 schematisch im Schnitt gezeigten Arbeitszylinder 1 einer luftverdichtenden Binspritzbrennkraftkolbenmaschine arbeiten ineinander geschachtelt zwei Arbeitskolben 2 und 3. Der obere Zylinder 2 arbeitet unmittelbar im Zylinderi, der untere über die Pleuelstange 4 an die nicht gezeichnete Kurbel der Maschine angelenkte Kolben 3 wiederum im Kolben. 2. Kolbenringe 5 und 6 sorgen für eine gute Abdichtung zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder 1 bzw. zwischen dem Kolben. 3 und dem Zylinder 2. Zwischen den beiden Kolben 2 und 3 ist ein Luftpolster 7 belassen. Tritt im Brennraum 8 eine Verpuffung auf, so verschiebt sich der Kolben 2 gegenläufig zum Kolben 3. Hierbei wird das Luftpolster 7 zusammengedrückt und entspannt sich nach der Verpffung sofort wieder. Der Kolben 2 erhält dadurch eine Voreilung gegenüber der Aufwärt sbewegung des Kolbens.3. Das ursprüngliche Verdichtungsverhältnis im Brennraum ist wieder hergestellt.

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Der Arbeitsraum 9 des in Abb. 4 teilweise im bchnitt dargestellten Arbeitszylinders 10 einer luftverdichteriden Einspritzbrennkraftkolbenmasohine ist normalerweise gegen einen Hebenbrennraum 11 durch ein Rückschlagventil 12 abgesperrt. Bei Auftreten einer Verpuffung im Brennraum 9 öffnet sich dieses Ventil 12 entgegen der Kraft einer Feder 13, so daß der Raum kurzzeitig eine Vergrößerung erfährt.

In dem Arbeitszylinder 14 gemäß Abb. 5 arbeiten wiederum zwei Kolben 15 und 16 über ein durch den R-urn 17 verkörpertes Luftpolster gegeneinander, und zwar in der '.!"eise, daß der Kolben als Stufenkolben ausgebildet ist, dessen oberer den Hauptbrennraum 18 des Zylinders 14 begrenzender Teil über Dichtungsringe 19 iii Zylinder 14 geführt ist und dessen unterer, im Durchmesser kleinere Seil in einer zylindrischen Ausnehmung 20 des unteren Kolbens 16, ebenfalls über Dichtungsringe 21 geführt ist. Außen ist der untere Zylinder 16 über Sichtungsringe 22 im Zylinder 14 geführt. Der untere Seil des Kolbens 15 und der Kolben 16 weisen je eine zentrale axiale Sackbohrung 23 bzw. 24 auf. Beide Kammern dienen zur Aufnahme einer an beiden Snden fest mit dem betreffenden Kolben verbundenen Feder. Die .Arbeitsweise ist folgende:

Beim Ansaughub vergrößert sich der Luftfederungsraum bis zu der Grenze, in die die jetzt als Zugfeder arbeitende Feder und das entstehende Vakuum im Luftfederungsraum 17 bestimmen. Durch das Vakuum wird gleichseitig etwas öl von der Wand des Zylinders 14 zur Schmierung der Dichtungsringe 21 angesaugt.

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Beim Verdichtungshub erfolgt im Luftfederungsraum eine Verdichtung, deren Ausmaß wiederum durch die Verdichtung im Brennraum 18 hauptsächlich bestimmt ist. Im Augenblick der Verpuff ung weicht der Kolben 15 unter Verdichtung der Luft im Raum 17 gegen die Arbeitsrichtung des Kolbens 16 aus. Der Raum 18 wird hierdurch vergrößert und der Druckanstieg.in demselben abgeflacht. Unmittelbar danach dehnt sich die im Raum zusammengepreßte Luft wieder aus, und zwar bis zum Druckausgleich im Verbrennungsraum 18. Bei der nach der Zündung einsetzenden Gleichdruckverbrennung werden durch Einspritzunregelmäßigkeiten schwankende Verbrennungsdrucke durch das Luftpolster ausgeglichen.

Eine überschlägige Rechnung ergab unter der Voraussetzung, daß der Spitzendruck 40 atü über den Wiikdruck liegt und die Impulsdauer etwa 0,25 ms beträgt, daß der Weg, den der Kolben 15 bei Auftreten einer Detonationswelle entgegen dem Kolben zurücklegt, rund 1 mm beträgt. Bei den üblichen Brennraumvolumen würde dies eine Brennraumvergrößerung von 20 bis 25*ρ im Augenblick des Auftretens der Detonationswelle bedeuten.

Claims (5)

f-A. 002 801*-! 164 - 8 - 20.1 2. 1963 D 62/73 I Schutzansprüche

1. Luftverdichtende Einspritzbrennkraftkolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennräume der Arbeitszylinder unter der Einwirkung des gegen Ende der Verdichtung unmittelbar nach Einsetzen der Zündung plötzlich ansteigenden Druckes vorübergehend an Volumen zunehmen.

2. Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmasehine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei ineinander verschachtelt und über ein Luftpolster verschiebbar gegeneinander arbeitende Arbeitskolben.

3. Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Uebenbrennraum, dessen Verbindungskanal mit dem Hauptbrennraum durch einen sich bei dem raschen Druckanstieg gegen Ende der Verdichtung in den liebenbrennraum hinein entgegen einer Feder öffnendes Rückschlagventil beherrscht wird.

4. Luftverdichtende Einspritzbrennkraftkolhenmaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine oder mehrere die beiden Kolben miteinander verbindende und bei Stillstand der Kolben entspannte ledern.

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5. Luftverdichtende Einspritzbrennkraftkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 4t dadurch gekennzeichnet, daß der brennraumseitige Kolben als Stufenkolben ausgebildet ist, dessen den größeren Durchmesser aufweisender Abschnitt über Kolbenringe im Arbeitszylinder geführt ist und den Brennraum begrenzt, und dessen anderer verjüngter Abschnitt in einer zylindrischen Ausnehmung in dem an die Kurbelwelle angelenkten Kolben unter Zwischenschaltung von Kolbenringe geführt ist.