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Gemischverdichtender Motor mit Fremdzüdung, Die Erfindung betrifft
einen gemischverdichtenden Motor mit yresdzündung.
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Gemäß der Theorie der Vergleichsprozesse ist bei allen Verbrennungskraftmaschinen
die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses interessant, weil damit eine Steigerung
der von der Maschine abgebbaren Leistung verbunden ist.
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Bei gemischverdichtenden Motoren mit Frendzündung nimmt jedoch mit
dem Verdichtungsverhältnis die Neigung zu, daß die nach der ordnungsgemaßen Zündung
durch die Ladung hindurch mit einer bestimmten Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit
stetig fortschreitende Verbrennung schlagartig in eine sehr rasche, nahezu gleichzeitige
Verbrennung der Gesamtheit des noch unverbrannten Restes der Ladung umschlägt, was
sich als Klopfen bemerkbar macht. Dieses Klopfen tritt dann ein, wenn gegen Ende
der durch den Zündfunken eingeleiteten Verbrennung das noch nicht verbrannte Gemisch
durch die Volumenzunahme des zuerst verbrannten Gemisches adiabat verdichtet und
über seine Selbstzilndungstemperatur erhitzt wird. Da bei den bekannten, gemischverdichtenden
Motoren mit Sremdzündung - Ottomotoren - der Zdndpunkt circa 20 - 50° OlTCW vor
dem oberen Totpunkt liegt, addiert sich zu dieser adiabaten Verdichtung, bis der
obere Totpunkt erreicht ist, die durch die Volumenverkleinerung des Verbrennungsraumes
bedingte Verdichtung, so daß dem Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von dem
jeweils verwendeten Kraftstoff bestimmte enge Grenzen gezogen sind, wobei in der
Regel das Verdichtungsverhältnis £ kleiner als 10 ist.
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Es ist grundsätzlich bekannt, daß die Klopfneigung abnimmt, wenn
der Zündzeitpunkt näher an den oberen Totpunkt herangelegt wird; eine derartige
später erfolgende Vorzündung hat jedoch eine Verschlechterung des Wirkungsgrades
zur Folge. So geht man z.B. davon aus, daß die Verbrennung im wesentlichen bei 15
- 250 K' nach dem oberen Totpunkt abgeschlossen sein zoll.
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Bei Berücksicitigung dieser bekannten Zusammenhänge ist es erforderlich,
je nach dem Verwendungszweck bei der Einstellung des Motors bzw. der Maschine einen
Kompromiß zur Erzielung der optimalen Bedingungen zu suchen.
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Es kann grundsätzlich davon ausgegangen werden, daß bei den bisher
bekannten Ottomotoren, bei denen die Zündung des verdichteten Gemisches vor Erreichen
des oberen Totpunktes erfolgt, der optimale Kompromiß zwischen der Höhe des Verdichtungsverhältnisses
und dem Zündzeitpunkt bereits verwirklicht ist und daß, jeweils für einen gegebenen
Kraftstoff, eine weitere Wirkungsgradverbesserung nicht mehr gegeben ist.
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Unter Berücksichtigung dessen, daß die Höhe des Verdichtungsverhältnisses
von ausschlaggebender Bedeutung für eine Beschleunigung der Verbrennung und damit
für eine Xlirkungsgradverbesserung ist, liegt der Erfindung die rufgabe zugrunde,
einen gemischverdichtenden Rotor mit Fremdztindung zu schaffen, mit dem sich ein
höheres Drehmoment und eine größere Leistung erzielen läßt als bei den bisher bekannten
Motoren der in Frage stehenden Art.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der gemischverdichtende Motor mit Fremdzündung
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß er ein Verdichtungsverhältnis aufweist,
welches so hoch gewählt ist, daß eine Selbstzündung des Brennstoffes im oberen Totpunkt
gerade noch vermieden wird, und daß die Zündung so kurz nach dem oberen Totpunkt
zu einem Zeitpunkt erfolgt, in welchem eben noch ein klopffreier Lauf gewährleistet
ist.
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Verdichtet man die Ladung so weit, daß eine Selstzündune des Gemisches
gerade noch vermieden wird, d.h. daß die Verdichtungsendtemperatur der Ladung gerade
noch unterhalb der Selbstzündungstemperatur liegt, dann läuft bei einer kurz nach
dem oberen Totpunkt angenommenen Wandung dieser Ladung von der Zündstelle eine Flammenfront
in den gemischerfüllten Raum hinein, und zwar mit einer mit dem Verdichtungsverhältnis
zunehmenden Verbrennungsgeschwindigkeit.
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Grundsätzlich ist zu beachten, daß im Augenblick der Zündung, die
mit einer Temperatur- und Drucksteigerung an der Zündungsstelle verbunden ist, wie
bei jeder Druckstörung ähnlicher Größe, Druckwellen bzw. Explosionswellen entstehen,
die mit Schallgeschwindigkeit vorauslaufen. $Diese Schallgeschwindigkeit ist proportional
der Wurzel aus der absoluten Temperatur, so da3 angesichts der - verglichen mit
bekannten Ottomotoren -höheran Verdichtungsendtemperatur, diese Druckwellen schneller
laufen als bei den bekannten Ottomotoren. Wie bei bekannten Ottomotoren, bei denen
die ündung vor Erreichen des oberen Totpunktes erfolgt, werden auch bei dem erfindungsgemäßen
Ottomotor in der noch unverbrannten Ladung durch die mit Schallgeschwindigkeit vorauslaufenden
Druckwellen Dracs- und Temperaturzustände hervorgerufen, die das noch gar nicht
von der Flamme erreichte Gemisch zur Selbstzündung veranlassen könnten, was edoch
gemäß der Erfindung dadurch vermieden wird, daß die Verbrennung in einem Raum verläuft,
der sich, da die Zündung nah dem oberen Totpunkt erfolgt, während der Verbrennung
vergrößert, da sich gleichzeitig auch infolge des höheren Verdichtungsvezhältnisses
die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht, ergeben sich idealere Verhältnisse als bei
dem bekannten Ottomotor. Abgesehen davon stehen maßgebliche Wissenschaftler wie
Prof. F.A.F. Schmidt, s. "Verbrennungskraftmaschinen", Verlag Oldenbourg 1951, S.
43 und 77, auf dem Standspunkt, daß in dem kleinen Verbrennungsraum, wie er bei
Kraftmaschinen der in Frage stehenden Art üblich ist, in der kurzen zur Verfügung
stehenden Zeit keine Möglichkeit zur Entwicklung einer Explosionswelle besteht,
ja zum Anlaufen
einer solchen Explosionswelle eine erhebliche Strecke
( 1 - 2 m) erforderlich ist, wie Versuche im Rohr gezeigt haben. Es ergibt sich
somit, daß beim Gegenstand der Erfindung infolge der nach dem oberen Totpunkt liegenden
Fremdzündung trotz des höheren Verdichtungsverhältnisses die davon abhängige höhere
Verbrennungsgeschwindigkeit und der sich während der Verbrennung vergrößerte Verbrennungsraum
dazu beitragen, die Klopfneigung herabzusetzen, während bei den bekannten Ottomotoren
die niedrigere Verbrennungsgeschwindigkeit und der sich während der Verbrennung
bis zum Erreichen des oberen Totpunktes verkleinernde Verbrennungsraum in dieser
Hinsicht einen negativen Einfluß haben.
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Für den erfindungsgemäßen rotor ist es somit wesentlich, daß die
öhe des Verdichtungsverhältnisses und der Zeitpunkt der nach Erreichen des oberen
Totpunktes erfolgenden Zündung gemeinsam beachtet werden, wobei für verschiedene
Kraftstoffe bei der Einstellung der Maschine Kompromisse zur Erzielung der optimalen
nedingungen zu machen sind.
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Betrachtet man den bekannten Ottomotor mit vor Erreichen des oberen
Totpunktes liegendem Zündzeitpunkt, 90 würde auch bei diesem eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses
eine Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit, diese aber keine Leistungssteigerung
mehr mit sich bringen, weil der Motor "klopfen" würde, und diesem "Kopfen" durch
entsprechende Bückverlegung des Zündzeitpunktes im Bereich der Vorzündung begegnet
werden mußte. Eine Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit war also bei den bekannten
Ottomotoren mit vor Erreichen des oberen Totpunktes liegendem Zündzeitpunkt nicht
mehr zu verwirklichen, wobei eine Leistungssteigerung nur dann möglich ist, wenn
die vernendeten =rraftstoffe hinsichtlich der Klopffestigkeit weiter verbessert
würden.
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Im Gegensatz dazu läßt sich durch den erfindungsgemäßen rotor bei
vergleichbaren Kraftstoffen gegenüber den bekannten Ottomotoren eine beträchtliche
Leistungssteigerung erzielen, da
z.B. B . mit e einem Verdichtungsverhältnis
in der Größenordnung von 14 : 1 gearbeitet werden kann, wobei vorzugsweise der Zündzeitpunkt
circa 1o - 300. Kw, vorzugsweise 150 KW nach dem oberen Totpunkt liegen könnte.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 schematische Ansichten eines Viertaktmotors
zu und 2 Beginn des zweiten bzw. dritten Arbeitstaktes und Fig. 3 ein abgewickeltes
Diagramm des erfindungsgemäßen Viertakt-Ottomotors.
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Fig. 1 zeigt den Motor im wesentlichen zu Beginn des zweiten Taktes
bzw. zu Beginn des Verdichtungshubes des Kolbens 1.
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Fig. 2 zeigt den Motor zu Beginn des dritten Taktes, nachdem der Kolben
1 gerade den oberen Totpunkt überschritten hat. Wie das in Fig. 3 dargestellte abgewickelte
Diagramm zeigt, erfolgt die Zündung nach Uberschreiten des oberen Totpunktes, d.h.
während der Abwärtsbewegung des Kolbens 1, d.h. bei sich vergrößerndem Verbrennungsraum.
Aus Gründen einer vereinfachten Darstellung ist der Zylinderraum 2 über seine gesamte
Höhe zylinderförmig gestaltet, so daß das Hubvolumen direkt proportional dem Hubweg
Sh und der Verdichtungsraum direkt proportional der Wegstrecke Sk ist. Unter der
Annahme, daß z.B. Sh = 13 cm und Sk = 1 cm ist, ergibt sich demzufolge gemäß der
Gleichung
ein Verdichtungsverhältnis £ = 14, wobei Fk = Kolbenfläche, Vh = Hubvolumen und
Vk = Verdichtungsraum ist.
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Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt, daß die Zündung nach Beendigung
des Verdichtungshubes kurz hinter dem oberen Totpunkt erfolgt, wobei der Zündzeitpunkt
in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kraftstoff, d.h. in Abhängigkeit von dem gewählten
Verdichtungsverhältnis
zu einem Zeitpunkt erfolgt, in welchem eben
noch ein klopffreier Lauf gewährleistet ist-. Wenn davon ausgegangen wird, daß pkr
der kritische Druck ist, bei dem eine Selbstzündung erfolgen würde, bedeutet dies,
daß der Zündzeitpunkt so gewählt werden muß, daß der maximale Verbrennungsdruck
kleiner ist als