DE1954181A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zuenden des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Zunden des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei einer Brennkraftmaschine.
• Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zum Zünden des Kraftstoff-liuft-Gemisches bei Brennkraftmaschinen und eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Zündverfahren zu schaffen, das ohne Zuführung von Energie ein selbsttätiges Zünden des Kraftstoff-Iiuft-Gemisches bei Brennkraftmaschinen ermöglicht. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während des Verdichtungsvorganges eine Teilmenge des im Kompressionsraum vorhandenen Gemisches mittels einer Verbindungsleitung in einen mit dem Kompressionsraum verbundenen, separaten Raum strömt, wobei die Verbindungsleitung derart geformt ist, dass die durchströmenden Gase verwirbelt und für die Zündtemperatur hinaus erwärmt werden, zum Zünden des im Kompressionsraum vorhandenen, verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches.
• Eine weitere Ausgabe wird darin erblickt, eine zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens dienende Vorrichtung zu schaffen, die in der Herstellung einfach und die gleichzeitig eine gute, sichere und störungsunempfindliche Zündquelle ergibt.
• Die Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Kompressionsraum der Verbrennungskraftmaschine mittels einer Düse und eines daran anschliessenden Diffusors mit einem gegenüber dem Kompressionsraum wesentlich geringeres Volumen aufweisenden Zündraum in Verbindung steht, wobei die Düse an den Kompressionsraum und der Diffusor an den Zündraum angrenzt zum Ablösen einer durch Düse und Diffusor strömenden Teilmenge des Kraft stoff-Luft-Gemisches von der Diffusorwandung, zum Zwecke, eine Durchwirbelung und Selbstzündung dieser Teilmenge im Zündraum zu bewirken.
• Auf beiliegender Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstan<1es dargestellt und zwar zeigt: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einem nur teilweise dargestellten Kolbenmotor, Fig. 2 einen Vertikal schnitt durch die Vorrichtung gemäss dem zweiten Ausführungsbeispiel, ebenfalls in Verbindung mit einem nur teilweise dargestellten Kolbenmotor, Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung gemäss dem dritten Ausführungsbeispiel, Fig. 4 eine Ansicht mit teilweisem Vertikalschnitt der Vorrichtung gemäss dem vierten Ausführungsbeispiel, Fig. 5 einen Vertikal schnitt durch die Vorrichtung gemäss dem fünften Ausführungsbeispiel und die Fig. 6-9 zwei Detail-Varianten je in Seitenansicht und Draufsicht.
• Das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens gemäss Fig. 1 zeigt dieselbe in Verbindung mit einem nur teilweise dargestellten Kolbenmotor und zwar ist mit 1 der Motorkolben bezeichnet, der seinen Antrieb in bekannter Weise über die Kurbelwelle des Motors erhält durch die er in axialer Richtung im Kompressionsraum 2 des Motors hin- und herbewegt wird. Im Motorgehäuse 3 ist ein die erfindungsgemässe Zündvorrichtung darstellender zylindrischer Bauteil 4, der einen mit Aussengewinde 5 versehenen Fortsatz 5' besitzt, eingeschraubt.
• Der Bauteil 4 besteht aus dem Gehäuse 6, einem mittels Aussengewinde 7 in das mit entsprechendem Innengewinde versehenen Fortsatz 5' eingesetztem und mittels Sicherungsring 8 darin fixierten Einsatzstück 9 sowie dem Hohlraum 10 mit darin axial verstellbaren Kolben 11. Der Kolben 11 ist mit einer Schraubspindel 12 ausgerustet und in dem Gehäuse 6 axial verstellbar. Zur Sicherung des Kolbens 11 in dessen Einstellage dient die Sontermutter 13.
• Das Einsatzstück 9 weist eine Düse 14 und einen Diffusor 15 auf. Zwischen der Düse 14 und dem Diffusor 15 befindet sich eine enge Durchflussöffnung von beispielsweise etwa O,l mm Durchmesser. Mit Vorteil wird der Durchmesser dieser Durchflussöffnung etwas kleiner als 0,1 mm, beispielsweise 0,07 mm gewablt.
• Der Diffusor 15 weist einen Erweiterungswinkel auf, der grösser als 500 ausgebildet ist. Mit Vorteil wird ein Erweiterungswinkel zwischen 600 und 900 gewählt. Die Düse 14 grenzt an den Kompressionsraum 2 und der Diffusor 15 an den als Zündraum wirkenden Raum 10 an.
• Der Zündraum 10 weist gegenüber dem Kompressionsraum 2 ein wesentliches geringeres Volumen auf, wobei der Kompressionsraum 2 etwa dem gesamten Hubvolumen eines Zylinders entspricht.
• Der Kompressionsraum 2 steht über Düse 14 und Diffusor 15 mit dem Zündraum 10 in Verbindung. Der Zündraum 10 grenzt stirR-seitig an den axial verschiebbaren, als Steuerkolben dienenden Kolben 11 an. Durch die Verstellmöglichkeit des Steuerkolbens 11 ist das Volumen des Zündraumes 10 veränderlich, wobei als Zündraum 10 der an den Diffusor 15 und an die Stirnseite des Zündkolbens 11 angrenzende Raum verstanden wird.
• Der Bauteil 6 ist anstelle einer Zünd- oder Glühkerze in die hiefür vorgesehene Oeffnung der Brennkraftmaschine eingeschraubt. Das die Düse 14 iind den Diffusor 15 aufweisende Einsatzstück kann beispielsweise aus einem Keramik-Werkstoff oder aus einer Kupferlegierung wie Messing, Bronce oder Rotguss bestehen.
• Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens ist folgende: Angenommen, ein Kraftstoff-Luft-Gemlsch befinde sich im Kompressionsraum 2. Bei der Bewegung des Kolbens 1 gegen seinen obern Totpunkt wird eine Teilmenge des komprimierten Eraftstoff-Luft-Gemisches durch die Düse 14 gedrückt, wodurch eine Umwandlung von Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie stattfindet.
• Das mit grosser Geschwindigkeit durch die Durchflussöffnung strömende Gemisch strömt anschliessend in den Diffusor 15 ein.
• Hierbei erfolgt eine sehr schnelle Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie. Infolge des grossen Erweiterungswinkels des Diffusors 15 löst sich das strömende Brennstoff-Luft-Gemisch von der Diffusor-Innenwandung ab und ergibt eine gewünschte Verwirbelung. Eine Ablösung von strömendem Gas von einer Diffusorwandung und damit Verwirbelung erfolgt in bekannter Weise schon beim Ueberschreiten eines Erweiterungswinkels von 15°. FUr den vorliegenden Zweck hat sich aber eine Ausbildung des Erweiterungswinkela von 50° und mehr als vorteilhaft erwiesen. Durch den Druckanstieg des durch den Diffusor 15 in den Zündraum 10 einströmenden Kraftstoff-Luftgemisches und durch die auftretende starke Wirbelung dieses Gemiaches iniolge Abldfflung von dar Diffusor-Innenwandung, entzündet sich die im Zündraum 10 vorhandene Teilmenge des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Diese nun im Zündraum 10 vorhandene Z5ndquelle dient zum Zünden des weiteren im Kompressionsraum 2 vorhandenen Kraftstoff-Luft-Gemisches. Um die Zündwilligkeit der im Zündraum 10 vorhandenen Teilmenge zu verändern, kann eventuell durch eine strichpunktiert angedeutete Leitung 16 eine geringe Menge Kraftstoff in den Zündraum 10 eingeführt werden, um die im Zündraum 10 vorhandene Teilmenge mit Kraftstoff anzureichern. Diese Einführung von Kraftstoff durch die Leitung 16 kann z.B. nur beim Starten des Motors, oder solange der Motor kalt ist, erfolgen. Durch das veränderliche Volumen des Zündraumes 10 kann der Zündzeitpunt und die Art des verwendeten Kraftstoffes z.B. Benzin und Dieseloel, berücksichtigt werden.
• Wird das Kraft stoff-Luft-Gemisch durch einen Vergaser gebildet und wird dasselbe z.B. durch Ventile oder Schlitze in den Kompressionsraum 2 eingeführt, so bietet die beschriebene Zündvorrichtung eine Verbilligung gegenüber der Verwendung der bisher üblichen Zündkerzen, da die neue Zündvorrichtung ohne fremde Energie und Steuerung derselben arbeitet. Wird der Kraftstoff, sowohl Dieseloel als auch Benzin, in den Kompressionsraum 2 eingespritzt, so kann bei Verwendung der erfindungsgemässen Zümndvorrichtung auf die Hochdruckeinspritzpumpe verzichtet werden, und der Kraftstoff wird mittels einer billigeren Niederdruckpumpe bei Lage des Kolbens 1 im Bereich des untern Totpunktes in den Kompressionsraum 2 eingeführt.
• Beim Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens nach Fig. 2 sind der Einfachheit halber die miteinander übereinstimmenden Teile mit den nämlichen Bezugszeichen versehen wie beim erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungbeispiel unterscheidet sich von jenem hauptsächlich dadurch, dass der Bauteil 4 als haXbkugelförmiges Gehäuse 6 ausgebildet ist, das einen ebenfalls halbkugelförmigen Zündraum 10 aufweist. Das Raumvolumen des Zündraumes 10 wird je nach der Grösse des Kompressionsraumes des Motors bestimmt. Durch entsprechende HUher- oder Tieferstellung des Einsatz stückes 9 kann der Zündraum 10 auf sehr einfache Weise innert gewissen Grenzen verkleinert oder vergrössert werden ohne dass dazu im Zündraum 10 ein verstellbarer Kolben notwendig ist. Durch die halbkugelförmige Ausbildung des Zündraumes 10 wird eine besonders intensive Durchwirbelung des in den Zündraum 10 eingeführten Kraft stoff-Luft-Gemisches erzielt.
• Die Vorrichtung gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine Weiterentwicklung der Vorrichtung gemäss dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel, weshalb auch die miteinander übereinstimmenden Teile der Einfachheit halber mit den nämlichen Bezugszeichen versehen sind, wie beim erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel.
• Das Einsatz stück 9 besitzt beiderends je eine konische Ausnehmung 14, 15 die durch den engen, verhältnismässig langen Durchlasskanal 17 miteinander verbunden sind. Das innere Bunde des Steuerkolbens 11 besitzt eine Ringnute 18 von halbkreisförmigem Querschnitt deren Mittelpunkt sich in der nämlichen Vertikallinie befindet wie der Durchlasskanal 17, sodass eine besonders intensive Durchwirbelung des in den Zündraum 1Q einige führten Kraftstoff-Gas-Gemisches stattfindet.
• Die Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens gemss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist hauptsächlich für die Verwendung bei Dieselmotoren gedacht. Der Bauteil 4 besitzt zylindrische Form, er ist mit einem mit Aussengewinde versehenen hohlzylindrischen Fortsatz 5 versehen, der ein Aussengewinde zum Einschrauben an ein nicht gezeichnetes Motorgehäuse aufweist. In den mit Innengewinde versehenen Fortsatz 5' ist ein nicht gezeichnetes Einsatzstück eingeschraubt, das z.B. wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1-3 dargestellt, ausgebildet sein kann und das als Düse und Diffusor wirkt. Der Bauteil 4 besitzt an seinem untern Ende einen zentralen Zündraum 10 der oben durch eine Ringnut 18 von halbkreisfUrmigem Querschnitt begrenzt ist. An seinem untern Ende ist der Bauteil 4 mit einer grossern Ringnut 19, ebenfalls von halbkreisförmigem Querschnitt versehen, die, wie aus der Zeichnung ersichtlich bis nahe an die Mantelfläche des Bauteiles 4 reicht und die in erheblichem Masse zur gründlichen Durchwirbelung des in den Zündfaum 10 eingeführten Kraft stoff-Luft-Gemisches beiträgt.
• Bei der Vorrichtung gemäss dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5, 6 und 8 sind die miteinander übereinstimmenden Teile mit den nämlichen Bezugszeichen versehen wie beim Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 3. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, besitzt das Gehause 6 an seiner'Mantelfläche nahe seinem untern Ende eine verhältnismässig hreite Umfangsrinne in welche ein elektrisches Heizelement 20 eingebettet ist, das auf nicht näher dargestellte Weise an eine elektrische Kraftquelle ein- und ausschaltbar angeschlossen ist. Das Einsatzstück 9 besitzt an seiner Mantelfläche zwei einander diametral gegenüberliegende, paralell zur Längsachse des Einsatzstückes 9 verlaufende Durchlassrinnen 21.
• An seinem untern Ende ist das Einsatz stück wie aus'den Fig. 5 und 6 ersichtlich, konisch verjüngt.
• Die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäss dem zuletztbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist folgende: Beim Anlaufen des mit der beschriebenen Vorrichtung ausgerüsteten Motors wird zuerst das elektrische Heizelement 20 eingeschaltet, das die Umgebung des Hohlraumes 10 auf eine Temperatur bringt, die über der Selbstzünd-Temperatur des Brennstoff/ Luftgemisches bei der obern Totpunktstellung des Motorkolbens liegt. Am Ende des Einlassvorganges des Brennstoff-LuStgemisches in den Motorzylinder beginnt der Motorkolben das Gemisch zu verdichten, wobei sich dessen Druck und Temperatur erhöht.
• Durch den Kompressionsvorgang wird auch ein kleiner Teil des Gemisches durch die Durchlassrinnen 21 des Einsatzes 9 in den Hohlraum 10 des Hohlkörpers 6 gefördert und dort verdichtet. Je näher nun der Motorkolben in die Nähe seiner obern Totpunktstellung gelangt, umso höher steigt der Druck im Verbrennungsraum und im Hohlraum 10, wobei allerdings zufolge der Wirkung der Durchlassrinnen 21 ein Druckgefälle besteht. Unter dem-Einfluss des elektrischen Heizelementes 20 wird unmittelbar vor der obern Totpunktstelleng des Kolbens im Hohlraum 10 die Selbstzündtemperatur des Gemisches überschritten, d.h. das dort befindliche Gemisch wird zur chemischen Reaktion gebracht. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme erhöht den Druck schlagartig, wobei ein Druckgefälle in Richtung des Verbrennungsraumes entsteht. Das brennende Gemisch des Hohlraumes 10 sçhiesst nun in Form einer Stichflamme durch die Durchlassrinnen 21 in den Verbrennungsraum des Motors und entzündet sofort das darin befindliche Brennstoff-Luftgemisch.
• Bei Dauerbetrieb des Motors wird das Einsatzstück 9 durch die Verbrennungswärme aufgeheizt, d.h. ein Teil der Verbrennungswärme wird Einsatzstück 9 gespeichert, sodass das elektrische Heizelement 20 dann abgeschaltet werden kann. Das Einsatz stück 9 heizt dann seinerseits während des Kompressionskontaktes das hindurchströmende 3rennstoffiLuftgemisch auf. Gegen Ende der Kompression wird vom durchströmenden Gemisch die Selbstzünd-Temperatur erreicht.
• Der Zeitpunkt der Zündung und die Umkehrung der Strömung in Richtung nach dem Verbrennungsraum hängt u.a. von der Grösse des Hohlraumes 10 ab. Durch Verschiebung des Kolbens 11 über die Kolbenstange 12 lässt sich der Inhalt des Hohlraumes so einstellen, dass bei einem Motor von bestimmter Zylindergrösse und bestimmter Drehzahl die Zündung zum optimalen Zeitpunkt erfolgt.
• Die Veränderting des Rohlraumes 10 kann ausser auf mechanischem beispielsweise auch auf elektrischem, pneumatischen oder hydraulischem Wege erfolgen, ausserdem kann die Einstellung von Rand durch eine halb- oder ganzautomatische Regelung ersetzt werden.
• Die Detail-Variante nach den Big. 7 und 9 zeigt ein Einsatzstück 9 dessen Mantelfläche mit zwei in gewundener Form verlaufenden Durchlassrinnen 21 versehen ist.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   erfahren zum Zünden des Eraftstoff-Luft-Gemisches bei Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass während der Verdichtung des im Kompressionsraum vorhandenen Gemisches eine Teilmenge mittels einer Verbindungsleitung in einen mit dem Kompressionsraum verbundenenj separaten Raum strömt, wobei die Verbindungsleitung derart geformt ist, dass die durchströmenden Gase verwirbelt und über die Zündtemperatur hinaus erwärmt werden, zum Zünden des im Kompressionsraum vorhandenen verdichteten Gemisches.

   2.) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (2) der Brennkraftmaschine mittels einer Düse und eines daran anschliessenden Diffusors mit einem gegenüber dem Kompressionsraum ein wesentlich geringeres Volumen aufweisenden Zündraum in Verbindung steht, und dass die Düse (14) an den Kompressionsraum und der Diffusor an den Zündraum angrenzt, zum Ablösen einer durch Düse und Diffusor strömenden Teilmenge des Kraftstoff-Luft-Gemisches von der Diffusorwandung und damit Verwirbelung und Selbstzündung dieser Teilmenge im Zündraum.

   3,) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen Düse (14) und Diffusor (15) liegende Durchflussöffnung einen Durchmesser kleiner als 0,1 mm aufweist.

   4.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (14) und der Diffusor (15) aus einem Stück (9) bestehen.

   5.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (14) und der Diffusor (15) aus einem Keramik-Werkstoff bestehen.

   6.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (14) und der Diffusor (15) aus einer Kupferlegierung, wie Messing, Bronce oder Rotguss bestehen, 7.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Zündraumes (10) veränderlich einstellbar ist.

   8.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (15) einen Erweiterungswinkel von grösser als 500 aufweist.

   9.) Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündraum (10) stirnseitig an einen axial verschiebbaren Steuerkolben (11) angrenzt.

   10.) Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (14), der Diffusor (15), der Zündraum (10) und der Steuerkolben (11) zusammen zu einem mit Aussengewinde (15) versehenen Bauteil (4) vereinigt sind, zum Einschrauben des Bauteiles (4) anstelle einer Zünd- oder Glühkerze in die hiefür vorgesehene Oeffnung der Brennkraftmaschine.

   11.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zündraum (10) eine im Verhältnis zur im Kompressionsraum (2) eingeführten Brennstoffmenge geringe Brennstoffmenge eingeführt wird.

   12.) Vorrichtung nach Anspruch.2, dadurch gekennzeichnet, class der Bauteil (4) mit einem halbkugelförmigen Zündraum (10, Fig. 2) ausgestattet ist.

   13.) Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass das mit Düse und Diffusor versehenes Einsatzstück (9, Fig. 2) zwecks wahlweiser Veränderung des Volumens des Zündraumes (10) inbezug auf den letztern verstellbar gelagert ist.

   14.) Vorrichtung nach Ansprüchen 2, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (11, Fig. 3) an seinem dem Zündraum (10) zugekehrten Ende mit einer Ringnut (18) von halbkreisförmigem Querschnitt versehen ist.

   15.) Vorrichtung nach Ansprüchen 2, 9, 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das die Düse (14) und den Diffusor (15) enthaltende Einsatzstück (9) mit einem verhältnismässig langem Durchflusskanal (17) versehen ist.

   16.) Vorrichtung nach Anspruch 2, insbesondere zur Verwendung bei Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündraum (10, Fig. 4) an seinem untern Ende durch eine im Bauteil (4) vorgesehene Ringnut (19) von halbkreisförmigem Querschnitt begrenzt wird.

   17.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) derselben mit einem elektrischen Heizelement (20) ausgerüstet ist.

   l8.) ) Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 4-17, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzstück (9) an seiner Mantelfläche mit zwei einander diametral gegenüberliegenden, paralell zur Längsachse des Einsatzstückes verlaufenden Durchlassrinnen (21) versehen ist.

   19.) Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 4-17 dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzstück (9) an seiner Mantelfläche mit zwei in gewundener Form verlaufenden Durchlassrinnen (21) (Sig. 7) versehen ist.

   20.) Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 4-19, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzstück (9) an seinem untern Ende konisch verjüngt ist.