-
Hubkolbenmotor mit Vorrichtungen
-
zur Bildung von Brennstoffaerosole Die Erfindung bezieht sich auf
eine Brennkraftmaschine mit Vorrichtungen zur Bildung eines Festkörper-Luftgemisches
vor dem Motor und eines Festkörper-Luftgemisches im Motor, wobei die Verbrennung
durch eine Fremdzündungsquelle und ein Kohlenwasserstoff-Luftgemisch oder Wasserstoff-Luftgemisch
eingeleitet wird. Die Bildung des brennbaren Brennstoffaerosols im Motor erfolgt
derart daß die brennbare Mischung und deren I?eaktionsprodukte vor, während und
nach der Verbrennung mit der Zylinderwandung nicht in Berührung kommen.
-
Bei bekannten Brennkraftmaschinen dieser Bauart wird im Zylinder ein
Brennstoffaerosol gebildet, das während der Gemischbildung und Verbrennung die Zylinderwandung
berührt Der Nachteil dieser Ausführungen besteht darin, daß vor , während und nach
der Verbrennung Festkörper die ölbenetzte Zylinderwandung berühren und somit starken
Abrieb von Zylinder, Kolben und Kolbenringe hervorruft.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, vor einer
Hubkolbenbrennkraftmaschine und in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine unter Vermeidung
der Nachteile der bekannten Ausführungen, Brennstoffaerosole zu bilden und während
des Verdichtungstakts das erste Brennstoffaerosol mittels Luft auf einen Teil der
im Hub- und Verdichtungsraum des Motors strömenden Luft so zu verteilen, daß ein
zweites Brennstoffaerosol im inneren und mittleren Bereich des Hub- und Verdichtungeraums
, ohne daß es zu einer Berührung des Brennstoffaerosols mit der Zylinderwand kommt,
gebildet wird und die Verbrennung mittels einer Fremdzündungsquelle und einem Kohlenwasserstoff-Luftgemisch
oder Wasserstoff-Luftgemisch einzuleiten.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemaß den in den Ansprüchen wiedergegebenen
Maßnahmen.
-
Luft strömt durch den Einlaßkanal in den Zylinder, die durch im Bereich
des Einlaßventiltellers vorgesehene, bewegliche oder starre Leitschaufeln in Rotation
um die Zylinderlängsachse versetzt wird.
-
Werden, wie bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die
Ventile koaxial mit im Bereich der Zylinderlängsachse verlaufenden Längsachsen angeordnet,
so entsteht im Hub- und Verdichtungsraum während des Ansaugtakts, Verdichtungstakts,
Expansionstakte und Ausströmtakts eine im wesentlichen von Besonderheiten freie
Gasströmung um die Zylinderlängsachse.
-
Durch Änderung des Leitschaufelanstellwinkels läßt sich der Eintrittswinkel
der Luft variieren und die in den Zylinder einströmende Luft drosseln. Während der
Zylinderfüllung überlagert die einströmende Luft die bereits im Zylinder rotierende
mit nach unten gerichteter Sekundärbewegung, die bei beginnender Verdichtung und
bei gleichbleibender Drehrichtung der Luft wechselt. Während des Verdichtungstakts
strömt die Luft rotierend und im wesentlichen turbulenz frei vom Hub- in den Verdichtungsraum
und stellt somit eine wesentliche Komponente bei der Bildung einer von einem Luftring
umschlossenen Gemischzone und kleinvolumigen Ubergangszone dar.
-
Die Bildung eines brennbaren Brennstoffaerosols im Motor erfolgt mittels
wenigstens siner, im unteren Berich des Verdichtungsraums und im Bereich der Zylinderlängsachse
vorgesehenen Düse, die von einem in den Verdichtungsraum hineinragenden Zapfen,
der im Einlaßventilschaft vorgesehen ist, getragen wird und der Luftströmung.
-
Die Bildung eines Brennstoffaerosols vor dem Motor erfolgt mittels
einer Einrichtung, die im wesentlichen aus einem Brennstoffbehälter, Fördereinrichtung,
Gemischbildungseinrichtung, Luftpumpe, Regeleinrichtung und Gemischleitung besteht.
-
Aus dem Brennstoffbehälter wird beispielsweise Kohlenstaub mittels
einer drehbaren Schnecke in einen zylindrischen Behälter transportiert und mit Luft
vermischt. In den zylindrischen Behälter bzw.
-
die Gemischbildungseinrichtung mündet ein Rohr, das der Luftzuführung
dient. In der Gemischbildungseinrichtung sind Wirbelgeneratoren in Form von rotierenden
Blechen mit hohem cw Wert vorgesehen, die, um eine Rotation des Gemischs zu verhindern,
gegenläufig rotierene
Mittels einer geeigneten Regeleinrichtung
und den zugehörigen Meßwertaufnehmern wird in der Gemischbildungseinrichtung ein
im wesentlichen homogenes Brennstoffaerosol gebildet, wobei sich die Gasmasse zur
Brennstoffmasse beispielsweise wie 1 : 6 verhält0 Zweckmäßig ist es, Feinstäube
zu verwenden, bei denen die aus der Wärmebewegung der Moleküle resultierende (jCLachwlfldl£!ke.lt
der 1artikel größer ist als ihre Sinkgeschwindigkeit und demnach wie Gase verteilt
werden können.
-
Von der Gemischbildungseinrichtung verläuft eine Gemischleitung zu
der erwähnten, im Verdichtungsraum des Motors vorgesehenen gemischbildenden Düse0
Am Anfang der Gemischleitung ist ein Ventil vorgesehen. Um das Volumen der Gemischleitung
auf einer relativ kurzen Strecke zu vergrößern, ist nach dem erwähnten Ventil die
Gemischleitung als weites Rohr ausgebildete Vor und hinter dem Rohr sind weitere
Ventile in der Gemischleitung vorgesehen Zwischen dem ersten und zweiten Ventil
in der Gemischleitung zweigt eine das Rohr umgehende Leitung ab und mündet nach
dem Rohr und dem dritten Gemischleitungsventil in die Gemischleitung0 In der erwähnten
Leitung, die das Rohr umgeht, ist ebenfalls ein Ventil vorgesehen. Nach dem ersten
Ventil in der Gemischleitung und vor dem Abzweig der Rohrumgehungsleitung mündet
eine Luftleitung in die Gemischleitung.
-
Während des Motoransaugtakts strömt bei entsprechender Steuerung des
Motoreinlaßventils und Drosselung der Motoransaugluft und Steuerung des ersten,
zweiten und dritten Ventils in der Gemischleitung infolge des sich zwischen Gemischbildungseinrichtung
und Motorzylinder einstellenden Druckgefälles ein im wesentlichen homogenes Brennstoffaerosol
in die Gemischleitung und das Rohr ein.
-
Bei beginnender Verdichtung im Motor pumpt eiiie Luftpumpe über die
Luftleitung Luft zwischen dem ersten und zweiten Gemischleitungsventil in die Gemischleitung,
wobei die Ventile vor und nach dem Rohr geöffnet sind. Das erste Ventil in der Gemischleitung
und das Ventil in der Umgehungsleitung sind geschlossen. Damit au der gemischbildenden
Düse im Motor während des Gemischbildungss
vorgangs ein Brennstoffaerosol
mit im wesentlichen konstantem Luft - Brennstoff - Verhältnis ausströmt, werden
die Betriebsgrößen der Brennstoffleitung, des Rohrs, der Ventile, der Umgehungsleitung
und Luftpumpe so aufeinander abgestimmt, daß es zu einer Mischung von dem in der
Brennstoffleitung und Rohr vorhandenen Brennstoffaerosol und der hinzukommenden
Luft aus der Luftpumpe kommt. Die wesentlichsten Betriebsgrößen der einzelnen Leitungen
sind die Leitungsbohrungen und Leitungslängen der Gemischleitung und der Umgehungsleitung,
des Längen- und Bohrungsverhältnisses des Rohrs und dessen geometrische Form. Zweckmäßig
kann es sein, in dem Rohr fest installierte oder bewegliche Wirbelgeneratoren vorzusehen.
Zweckmäßig ist es, die beiden Teilströme so aufeinander abzustimmen, daß das Rohr
bei einem Gemischbildungsvorgang im wesentlichen entleert wird. Weiter kann es zweckmäßig
sein, das in der Umgehungsleitung vorgesehene Ventil während eines Gemischbildungsvorgangs
zu steuern. Nach erfolgter Gemischbildung werden auch die beiden Ventile (zweites
und drittes Ventil) in der Gemischleitung, die vor und nach dem Rohr vorgesehen
sind, geschlossen und das Ventil in der Umgehungsleitung voll geöffnet. Der Druckaufbau
in der Gemischleitung bis zu einem dem Verbrennungsenddruck entsprechenden Wert
wird durch die Volumenverkleinerung der Gemischleitung mittels der Rohrumgehung
erleichtert. Das Einströmen heißer Brenngase in die Düse und Gemischleitung wird
durch die erwähnte Maßnahme verhindert.
-
Wird beispielsweise nach dem Verdichtungstakt im Motor das erste und
zweite Ventil in der Luftleitung geöffnet und bleibt das dritte Ventil nach dem
Rohr und das Ventil in der Umgehungsleitung geschlossen, findet ein Druckausgleich
zwischen dem Rohr und der Gemischbildungseinrichtung statt. Zwischen der Luftleitung
nach dem dritten Ventil und dem Motorzylinder findet während des Arbeits- und Auspufftakts
ebenfalls ein Druckausgleich statt. In der Luftleitung zwischen Luftpumpe und Gemischleitung
ist auch ein gesteuertes Ventil vorgesehen.
-
Um völlig ölfreie Luft in die Gemischleitung pumpen zu können und
um den Pumpenraum frei von Festkörpern halten zu können, ist es
zweckmäßig,
eine Pumpe zu verwenden, die in ihrem wesentlichen Aufbau aus einem Nocken, Stößel
und Verdränger besteht, wobei der Verdränger die Form einer Kugelkalotte hat. Der
Verdichtungsraum wird durch eine konkave und kreisbogenförmig ausgearbeitete Vertiefung
gebildet und durch eine elastische Membrane geschlossen. Der erwähnte Verdränger
drückt die Membrane in die Vertiefung und verändert somit das Volumen des Verdichtungsraums.
Die Umkehrung der von dem Nocken ausgelösten \ferdrängerbwegung wird beispielsweise
mittels geeigneter mechanischer Elemente und iedern bexdrkt. Der Gaswechsel wird
von zwei Ventilen gesteuert, die in dem mit der Membrane den Verdichtungsraum bildenden
Bauteil vorgesehen sind. Bei entsprechender Ausbildung des Pumpennockens und Stößels
lassen sich den charakteristischen Brennstoffbedarfskennlinien des Motors entsprechende
Luftpumpenför der ströme erzielen.
-
Durch entsprechende Abstimmung der die GemischbildungseinrichtungS
Luftpumpe, Gemischleitung und Düse betreffenden Betriebsgrößen, wie beispielsweise:
Druckaufbau in der Luftpumpe pro Kurbelwin kelgrad, Förderstrom der Luftpumpe pro
Kurbelwinkelgrad, Förderzeit der Luftpumpe bezogen auf Motor-Kurbelwinkelgrade,
Brennstoffanteil im ersten Brennstoffaerosol vor dem Motor, Gemischtemperatur, Gemischleitungslänge,
Gemischleitungsvolumen und Düsenquerschnitt auf die den Motor und die Luftströmung
im Motor betreffenden Betriebsgrößen, läßt sich im Hub- und Verdichtungsraum des
Motors ein von einem Luftring eingeschlossenes, brennbares und im wesentlichen homogenes
zweites Brennstoffaerosol bilden.
-
Damit es zu einer im wesentlichen gleichmaßigen Verteilung des ersten
Brennstoffaerosols quer zur Zylinderlängsachse und Bildung eines das Gemisch einschließenden
Luftrings kommt, ist die Äustrittsöffnung der im Verdichtungsraum des Motors vorgesehenen
Düse nach außen zur Zylinderwand ausgerichtet, wobei die Austrittsöffnung der Düse
verschiedene Axiale- und Umfangskomponenten, in bezug auf die Zylinderlängsachse>
aufweisen kann.
-
Um nicht nur in Richtung Zylinderquerachse sondern auch in Richtung
Zylinderlängsachse eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des
ersten
Brennstoffaerosols zu erzielen, ist es wichtig, den Förderstrom der Luftpumpe und
die Gemischzusammensetzung auf die sich während des Motorbetriebs und einzelnen
Gemischbildungsvorgangs sich ändernden Betriebsgrößen des Motors und der Luftströmung
im Zylinder abzustimmen. Die wesentlichsten Betriebsgrößen der Luftströmung im Zylinder
sind Zylinderfüllungsgrad, Lufttemperatur, Geschwindigkeits- und Druckverteilung
in der Luftströmung und die im wesentlichen durch die Kolbenbewegung hervorgerufene
Änderung der Dichte, Temperatur und Sekundärbewegung der Luft. Wichtige Betriebsgrößen
des Motors sind Drehzahl, Zylinderbohrung, Kolbenhub, Verdichtungsverhältnis und
das Hub-Bohrungsverhältnis.
-
Der Förderstrom der Luftpumpe, der zweckmäßigerweise über einen Luftkühler
strömt, läßt sich durch einen entsprechend geformten Nocken, dessen Positionierung
und eines entsprechend geformten Stößels so steuern, daß der Differenzdruck während
des Gemischbildungsvorgangs zwischen Luftpumpe und Motor dem Motorzylinderdruck
im wesentlichen proportional ansteigt.
-
Während des Gemischbildungsvorgangs im Motor, der sich im wesentlichen
vom Verdichtungsbeginn bis ca. 20 - 60 Kurbelwinkelgrade v. o. T. erstreckt, bildet
der anfangs nach außen in Richtung Zylinderwand und mit zunehmendem Abstand von
der Düse infolge der auf ihr einwirkenden aerodynamischen Kräfte abgelenkte und
an seinem Ende tangential verlaufende Brennstoffaerosolstrahl beispielsweise einen
vom oberen Bereich des Hubraums in den Verdichtungsraum verlaufenden, von einem
Luftring umschlossenen, wendelförmig Gemischstreifen.
-
Es ist weiter wichtig, bei der Einblastiefe des ersten Brennstoffaerosols
in den Motor die Wegstrecke zu berücksichtigen, die die einzelnen Brennstoffpartikel
nach ihrer Mischung mit der im Motor rotierend strömenden Luft und Reduzierung der
Relativbewegung zwischen Partikel und Tuft infolge der wirksam werdenden Zentrifugalkraft
bis zur Verbrennung zurücklegen, wobei sich die durch die Zentrifugalkraft hervorgerufene
Bewegung und Wegstrecke der einzelnen Partikel im wesentlichen nach deren Verweilzeit
im Zylinder, Partikelgeschwindigkeit, Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Luft
und den Brennstoffpartikeln, Abstand der Bahnkurve der
Partikel
von der Zylinderlängsachse, Partikelgröße, Dichte und der sich ändernden Luftdichte
bestimmt. Um eine im wesentlichen zylindrische Gemischzone zu erzielen, ist es zweckmäßig,
die Einblastiefe während des Gemischbildungsvorgangs zu variieren Die Motorregelung
kann durch Änderung der dem Motor zugeführten Brennstoffaerosolmasse und Änderung
der Brennstoffaerosoleinblastiefe erfolgen, wobei eine veränderliche Brennstoffmasse
auf ein kleineres oder größeres Luftvolumen bei konstanter Luftmasse im Zylinder
verteilt wird. Bei im wesentlichen konstanter inblastiefe bzw. konstantem Gemischzonendurchmesser
kann der Motor auch durch Veränderung der Luftzahl im ersten Brennstoffaerosols
also in der Gemischbildungseinrichtung und somit einer Regelung der Luftzahl im
zweiten sich im Motor bildenden Brennstoffaerosol, mittels Qualitätsregelung betrieben
werden.
-
Bei entsprechender Einblastiefe des ersten Brennstoffaerosols, das
stromauf der geniechbildenden Düse gebildet wird und unter Berücksichtigung weiterer
Betriebsgrößen, läßt sich das erste Brennstoffaerosol so auf eine bestimmtes im
inneren und mittleren Bereich des Hub- und Verdichtungeraunis strömenden Luftmasse
verteilen, daß bis zum Verdichtungstaktende ein zusaminenhängendes, von einem Luftring
umschlossene6, brennbarest zweites Brennstoffaerosol gebildet wird, in dem der Brennstoff
in Richtung Zylinderlängs- und Zylinderquerachse im wesentlichen gleichmäßig verteilt
ist.
-
Das zur Zylinderlängsachse im wesentlichen koaxial angeordnete Einlaßventil
trägt, wie schon erwähnt, einen sich in den Verdichtungsraum hinein erstreckenden
Zapfen. An dem sich in den Verdichtungsraum hinein erstreckenden Zapfen ist wenigstens
eine gemisehbildende Düse vorgesehen. Im Längsachsbereich des Kolbens ist eine Bohrung
vorgesehen, die es dem Kolben ermöglicht, sich zeitweise und teilgleise über den
Zapfen zu stülpen. Zapfen und Kolbenaussparung bilden, wenn sich der Kolben über
den Zapfen stuapt, zusammen eine erste Kammer, deren Volumen schneller abnimmt als
das des Hub- und Verdichtungsraums und bei Verdichtungsende ihr Minimum erreicht.
-
Im unteren Bereich des Zapfens ist eine quadratische oder rechteckige,
durchgehende
Aussparung vorgesehen, die, wenn der Kolben die obere Totlage erreicht hat, teilweise
oder im wesentlichen vom Kolben geschlossen wird und somit eine zweite Kammer bildet.
-
ei entsprechender Auslegung der den Hubraum, Verdichtungsraum, Zapfen,
Zapfenaussparung und die im wesentlichen zylindrische Kolbenaussparung betreffenden
Betriebsgrößen und bei bestimmten Kolbenstellungen strömt Gas aus der ersten Kammer,
die durch den Zapfen und die Kolbenaussparung gebildet wird, über die im unteren
bereich des Zapfens vorgesehenen, von der Zapfenstirnseite zu der Zapfenaussparung
verlaufenden Kanäle in die zweite, durch die Zapfenaussparung und Kolbenaussparung
gebildete Kammer ein. Der Uberströmvorgang beginnt, wenn der Zapfen und die Kolbenaussparung
zusammen eine Kammer bilden, der Spalt zwischen Kolbenaussparung und Zapfen eng
ist und das Volumen der ersten Kammer mit zunehmender Verdichtung schneller reduziert
wird als das Volumen des Hub- und Verdichtungsraums .
-
Im wesentlichen während des Uberströmvorgangs wird Brennstoff mittels
einer Brennstoffpumpe flüssig oder gasförmig in die erste und/oder zweite Kammer
zur Bildung eines Zündgemischs eingebracht. Die Brennstoffdüse für den zweiten Teilbrennstoff
zur Bildung des Zündgemischs kann an der Stirnseite des Düsenträgers, am Umfang
des Düsenträgers oder in die Zapfenaussparung mündend angeordnet sein. Die im Zylinderlängsachsbereich
strömenden Restgase und Brennstoffanteile des Grundgemischs sind bei der Brennstoffbemessung
zur Bildung des Zündgemischs zu berücksichtigen.
-
In der Zapfenaussparung befinden sich die beiden Elektroden.-Die Intensität
der aus der zweiten Kammer mit anfangs im wesentlichen radialer Richtung ausströmenden
heißen Gasstrahlen wird durch das von der ersten in die zweite Kammer überströmende
Gas verstärkt und kann durch entsprechende Wahl des Zündzeitpunkts und der die Offnungsquerschnitte
der zweiten Kammer bestimmenden baulichen Merkmale so variiert werden, daß sich
im Hinblick auf den Verbrauch und die Schadstoffbildung ein günstiger Verbrennungsablauf
ergibt.
-
2;weckmäi3ig kann es sein, am Kolbenaussparungsrand einen kreisförmigen
Wulst vorzusehen, um bei starkem Frühzündungsbedarf und/oder verkürztem
Düsenträger
günstige Öffnungsquerschnitte der Zapfenaussparung, beispielsweise bei einer Kolbenstellung
von 100 Kurbelwinkel v0o0T., zu erzielen.
-
Um bei verschiedenen Kolbenstellungen konstante Öffnungsquerschnitte
zu erzielen1 kann die Aussparung im Düsenträger durch eine Kamrner ersetzt werden,
die mittels zwei sich gegenüberliegender Bohrungen, die im wesentlichen quer zur
Zylinderlängsachse verlaufen, und wenigstens einer von der Düsenträgerstirnseite
in die Kammer verlaufenden Bohrung mit dem Hub- und Verdichtungsraum in Verbindung
steht Durch die von der Düsenträgerstirnseite in die Kammer verlaufende Bohrung
strömt Gas oder Gemisch zeitweise in die Kammer ein, während aus den beiden sich
gegenüberliegenden Bohrungen, die im wesentlichen quer zur Zylinderlängsachse verlaufen,
nach der Zündung heiße Brenngase zur Bildung der Zündfackeln ausströmen. Die Intensität
der Zündfackeln hängt dann im wesentlichen bei konstanten Offnungsquerschnitten
der zweiten Kammer von der, von der ersten in die zweite Kammer überströmenden Gasmasse,
dem Aussparungsvolumen, dem Zündzeitpunkt und der Motordrehzahl ab. Das von der
ersten in die zweite Kammer überströmende Gas kann brennstoffangereichert seine
Die wesentlichen Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung
enthalten und das in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch
den Zylinderkopf, Zylinder und Kolben, Fig. 2 den vom Einlaßventil getragenen Zapfen
und eine schematische Darstellung der Brennstoffaerosolstrahlen Fig. 3 eine Einrichtung
zur Bildung eines ersten Brennstoffaerosols stromauf der gemischbildenden Düse,
also vor dem Motor und eine Einrichtung zur Einbringung des ersten Brennstoffaerosols
in den Motor,
Im Zylinderkopf 1 ist ein zur Zylinderlängsachse
im wesentlichen koaxiales, inneres Ventil 2, das als Einlaßventil wirkt und ein
dies umgebendes, hülsenförmiges, zur Zylinderlängsachse ebenfalls im wesentlichen
koaxial angeordnetes und als Auslaßventil wirkendes Ventil 3 vorgesehen. Das innere
Ventil 2, das aus einem Schaft 4 und einem Ventilteller 5 besteht, ist ebenfalls
hohl und trägt den in das Ventil 2 eingeschraubten, sich in den unteren Bereich
des Verdichtungsraums hinein erstreckenden und im Bereich der Zylinderlängsachse
verlaufenden Düsenträger 6. Außer den Brennstoffleitungen für den ersten und zweiten
Teilbrennstoff verläuft in dem Düsenträger 6 ein elektrischer, nicht dargestellter
Leiter, der den Zündstrom zu der vom Düsenträger 6 getragenen Zündeinrichtung leitet.
Um den Düsenträger 6 im Bereich des Verdichtungsraums vor Uberhitzung zu schützen,
durchziehen den Rohrmantel Bohrungen, durch die Kühlfltissigkeit strömt. Die Brennstoffdüsen
10 zur Bildung des Crundgemischs sind im wesentlichen im Endbereich des Düsenträgers
6 mit im wesentlichen nach außen zur Zylinderwand und im wesentlichen quer zur Zylinderlängsachse
verlaufenden Düsenbohrungen installiert.
-
Eine weitere Brennstoffdüse 11 zur Einbringung des zweiten Teilbrennstoffs
und zur Bildung des Zündgemischs ist in der Düsenträgeraussparung oder an der Düsenträgerstirnfläche
oder am Düsenträgerumfang vorgesehen. Die Düsenträgeraussparung (zweite Kammer)
trägt die Bezugsziffer 7 und der Uberströmkanal die Bezugsziffer 8. Die Elektroden
12 sind in der Düsenträgeraussparung 7 und in dem Bereich vorgesehen, in dem sich
das Zündgemisch zum Zeitpunkt des Funkenüberschlags befindet. Erster und zweiter
Teilbrennstoff, Zündstrom, Strom für ein im Bereich der Düsen 10 vorgesehenes Thermoelement,
Kühlflüssigkeit und/oder Heizflüssigkeit wird mittels beweglicher leitungen und
mechanischer Elemente dem Düsenträger 6 zugeführt.
-
s äußere Ventil 3, im Zylinderkopf 1 in zwei Bohrungen beweglich gelagert,
schlietst und öffnet den im Zylinderkopf spiralförmig verlaufenden, das Auslaßventil
3 teilweise ringförmig umschließenden Auslaßkanal 19 taktabhängig, wobei es auf
dem im Zylinderkopf 1 vorgesehenen Ventilsitzring 14 aufliegt. Der Auslaßkanal 13
verläuft im unteren Zylinderkopfbereich. Zwischen dem im mittleren Zylinderkopfbereich
verlaufenden Einlaßkanal 15 und dem Auslaßkanal 13 ist der
Zylinderkopf
1 zur beweglichen Lagerung des äußeren Ventils 3 aufgebohrt. Das äußere Ventil 3
dient im Verdichtungsraumbereich auch der Bildung des Aus- und Einlaßkanals und
ist durch eine auf den Ventilsitzring des Auslaßventils aufgeschweißte , rohrförmige
Schürze 18 gegen die heißen Abgase geschützt. In dem das die beiden Gaskanäle voneinander
trennende und das äußere Ventil 3 lagernde Zylinderkopf teil ist ein Dichtring und
ein Schmierring vorgesehen.
-
Der Einlaßkanal 15 umschließt das äußere Ventil 3 ringförmig und verläuft
im Endteil im wesentlichen koaxial zur Zylinderlängsachse0 Öffnungen im Schaft des
äußeren Ventils 3 und im Bereich des zinlaßkanals 15. lassen das für die Verbrennung
erforderliche Gas in das hülsenförmig ausgebildete äußere Ventil 3 einströmene Zweckmäßig
kann es sein, den im Bereich des Zylinderkopfs verlaufenden Teil des Einlaßkanals
trichterförmig und das äußere Ventil 3 tulpenförmig zu gestalten. Die Verbindung
zwischen dem engen Ventil schaft und dem tulpenförmig aufgeweiteten Ventilteil stellen
widerstandsarme Stege herD Die Luft strömt vom Einlaßkanal im Bereich der Stege
in das äußere Ventil ein. Von dem inneren Ventil 2 wird das äußere Ventil ) das
auch den Endbereich des Gaszuführungskanals bildet, taktabhängig geöffnet und geschlossen.
Das äußere Ventil 3 ist im Endteil, der in den Verdichtungsraum mündet, als Ventilsitzring
für sich und das innere Ventil 2 ausgebildet.
-
Oberhalb des Einlaßkanals ist das äußere Ventil 3 im ylinderkopf 1
nochmals beweglich gelagert. Im oberen Bereich des Ventilinnern ist ein Einsatz
20 vorgesehen, wenn das äußere Ventil 3 rohrförmig tusgebildet ist, der in das äußere
Ventil 3 so eingepaßt ist, daß dics an Axialbewegungen in Richtung Längsachse nicht
gehindert wird, und das Ventil 3 gegen den als Einlaßkanal wirkenden Teil schließt.
-
Fixiert wird der Einsatz mittels am Zylinderkopf befestigter Halterungen,
die sich über den Schaft des äußeren Ventils 3 zu dem Einsatz 2( erstrecken. Um
den Ventilverschleiß aii beiden Ventilen zu reduzieren, ist es ausreichend, das
äußere Ventil 3 intermittierend um die Längsachse zu drehen, Auf dem Einsatz 20
liegen die dem inneren Ventil 2 zugeordneten Ventil federn 21 auf und wirken über
einen Ventilfederw teller auf den Ventilschafte Die dem äußeren Ventil 3 zugeordneten
Ventil federn 22 liegen direkt auf dem Zylinderkopf 1 auf und wirken
über
Verbindungselemente, die am rohrförmigen Schaftende des äußeren Ventils 3 vorgesehen
sind, auf dieses.
-
In dem Einsatz 20 sind zwei Hülsen 25, 26 vorgesehen, wobei die äußere
25 Bestandteil des Einsatzes 20 ist und sich vom Einsatz 20 in den Bereich des Ventiltellers
5 erstreckt. Diese Hülse trägt bewegliche Leitschaufeln 27. Die innere Hülse 26
ist drehbar in der äußeren gelagert und erstreckt sich von den Leitschaufeln 27
bis über den Einsatz 20. Die Hülse 26 wird von einem elektrisch/mechanischen Steuergerät
gedreht und überträgt die Drehbewegung mittels einer Verzahnung auf die Leitschaufeln
27, deren Wellen im inneren Bereich verzahnt sind. In der inneren Iiülse 26 ist
das innere Ventil 2 beweglich gelagert. Die Lagerung der inneren Hülse 26 in dem
einsatz 20 erfolgt im wesentlichen spielfrei.
-
Auf die Ventile 22 3 bzw. die an den rohrförmigen Schaftenden vorgesehenen
Verbindungselemente kann die nockenwelle direkt oder über liebe wirken, wobei es
zweckmäßig ist, das äußere Ventil 3 mit einer Ventildrehvorrichtung auszustatten.
-
Der Kolbenboden 30 ist im wesentlichen kreisbogenförmig nach innen
ausgearbeitet und hat eine im Längsachsbereich eingearbeitete Kolbenaussparung 31.
Bewegt sich der Kolben 32 im Bereich der oberen Totpunktlage, so stülpt sich der
Kolben 32 über den Düsenträger 6.
-
Beide Brennstoffaerosolstrahlen tragen die Bezugsziffer 33, der Zylinderkopf
die Ziffer 1 und der die Strömungsrichtung der Luft bezeichnende Pfeil die Ziffer
36.
-
ei flüssiger Einbringung des zweiten Teilbrennstoffs ist es zweckmäßig,
den Düsenträger 6 außen zu isolieren. äußere Isolation und innere rlüssigkeitskühlung
des Düsenträgers 6 sind ausreichende MalSnahmenX Dampfblasenbildung in der Leitung
für den zweiten Teilbrennstoff und Uberhitzung des Brennstoffaerosols in der ersten
leitung zu verhindern. s ist auch zweckmäßig, in der Brennstoffleitung im Bereich
der Düse 11 ein Ventil vorzusehen, das bei einem bestimmten Druck öffnet und somit
das Einströmen von heißen Gasen in die 1eitung verhindert.
-
Bei flüssig vorliegendem und gasförmiger Einbringung des zweiten Teilbrennstoffs
muß durch entsprechende i9iaßnahmen, wie Heizung der Brennstoffvergasungseinrichtung,
der zweiten Leitung und Düse verhindert werden, daß der Brennstoff unter Berücksichtigung
der schwer siedenden Brennstoffkomponenten und des Gasdrucks bei 3iidung des Zündgemischs
in der Brennstoffvergasungseinrichtung, der Leitung und Düse kondensiert. Wird in
der Leitung für den zweiten Teìlbrennstoff zwischen Brennstoffpumpe und dem Ventil
11 ein lBntlastungsventil installierts kann der nach Gemischbildungsende in der
Leitung sich stauende Brennstoff in den Tank zurückströmen.
-
In dem Brennstoffbehälter 40 befindet sich beispielsweise Kohlestaub
41, der beispielsweise von einer Förderschnecke 42 in die Gemischbildungseinrichtung
44 transportiert wird. Die Fördert schnecke 42 und die in der Gemischbildungseinrichtung
44 vorgesehenen Wirbelgeneratoren 45 werden von dem Elektromotor 43 angetrieben.
Das Ansaugrohr der Gemischbildungseinrichtung 44 trägt die Bezugsziffer 46.
-
Mittels einer Stauscheibe wird beispielsweise die Masse der in die
Gemischbildungseinrichtung 44 einströmenden Luft gemessen und über eine entsprechende
Regeleinrichtung der die Förderschnicke 42 antreibende Motor 43 zur Erzielung einer
bestimmten luftzahl in der Gemischbildungseinrichtung 44 geregelt Von der Gemischbildungseinrichtung
44 verlauft die Gemischleitung 4Y für den ersten Teilbrennstoff zu der im @ rotor
vorgesehenen gemischbildenden Düse 10o Im Bereich der Gemischbildungseinrichtung
44 ist in der Gemischleitung 47 ein Ventil 48 vorgesehenO Dieses Ventil 48 bleibt
während des Motoransaugtakts so lange geöffnet, bis das für die Verbrennung erforderliche
Brennstoffaerosol in die Gemischleitung 47 eingeströmt ist0 Um das erforderliche
Brennstoffaerosol in einer relativ kurzen Brennstoffleitung 47 unterbringen zu könnens
kann es zweckmäßig sein, die Brennstoffleitung 47 teilweise rohrförmig aufzuweiten
und in dem Rohr 49 starre oder bewegliche Wirbelgeneratoren 50 vorzusehen0 Von der
Gemischleitung 47 zweigt nach dem Ventil 48 und vor der
rohrförmigen
Aufweitung 49 und dem Ventil 52 eine Leitung 51 ab, die nach der Aufweitung 49 und
dem Ventil 53 wieder in die Gemischleitung 47 mündet. Die Umgehung der Aufweitung
49 nach Gemischbildungsende im Motor mittels des Abzweigs 51, des in der Leitung
51 vorgesehenen gesteuerten Ventils 54 und der gesteuerten Ventile in der Leitung
47 vor und nach dem Rohr 49 mit den Bezugsziffern 52 und 53 bewirkt, daß in der
Gemischleitung 47 teilweise ohne großvolumige Luftpumpe ein im wesentlichen dem
Verbrennungsenddruck entsprechender L)ruck aufgebaut werden und somit das Einströmen
von heißen Brenngasen in die Düse 10 und Gemischleitung 47 verhindert werden kann.
Die Düse 10 kann somit als offene Düse ausgeführt werden.
-
Eine Luftpumpe 58, deren Verdränger von einem Nocken und Stößel angetrieben
wird, pumpt während des Motorverdichtungstakts über die Luftleitung 56, über das
für die Teilung des Förderstroms vorgesehene Ventil 57 und nach dem Ventil 48 Luft
in die Gemischleitung 47. Um mit einer kleinvolumigen Luftpumpe auszukommen, kann
es zweckmäßig sein, die von der Luftpumpe beim ersten Ansaugtakt angesaugte Luft
in einer Kammer, die mit dem Pumpenverdichtungsraum mittels eines Kanals verbunden
ist, zu speichern und nach Beendigung des zweiten Ansaugtakts der zweiten Ladung
zuzuführen. Der Gaswechsei in der Luftpumpe 58 und Luftpumpenkanmer wird zweckmäßigerweise
mittels drei mechanisch betätigter Ventile gesteuert. Der Förderstrom der Luftpumpe
58 wird über einen Luftkühler 55 geleitet, um eine zu starke Aufheizung der Brennstoffpartikel
in der Gemischleitung 47 zu verhindern.
-
T.s sind zahlreiche Ausgestaltungen der Erfindung denkbar. Hierbei
wird auf die Unteransprüche verwiesen. Eine wichtige dieser zusätzlichen Maßnahmen
besteht darin, daß man nicht nur eine, sondern zwei 180 versetzt angeordnete Düsen
10 vorsieht, wobei die Austrittsöffnungen der Düsen im wesentlichen nach außen in
Richtung Zylinderwand ausgerichtet sind und in bezug auf die Zylinderlängsachse
Axiale- und Umfangskomponenten aufweisen können. Eine oder beide Düsen 1() können
auch im mittleren Bereich des Düsenträgers 6 installiert werden und die Düsenbohrungen
axiale, in Richtung Kolben verlaufende und tangentiale Komponenten in bezug auf
die Zylinderlängsachse
aufweisen. Um in langsaxialem Schnitt gesehen
eine möglichst gleichmäßige Brennstoffverteilung in dem von einem Luftring umschlossenen
Orundgemisch zu erzielen, ist es zweckmäßig, in den Düsenbohrungen Einrichtungen
vorzusehen, die die Strahlauflösung beeinflussen. Der Bereich unmittelbar um den
Düsenträger kann dann mittels der Düsen 10, die im wesentlichen dcii Gemischzonenaußenbereich
bilden, mit Brennstoff angereichert werden.
-
Alternativ können die Elektroden 12, die zweckmäßigerweise Im lichen
koaxial zur Zapfenlängsachse ange@rd@et sind, durch einen Glühdraht ersetzt werden.
Der zweite Teilbrennstoff zur Bildung eines Zündgemischs wird dann nicht wic bei
der Bildung eines ündfunkens ca. 5 - TO Kurbelwinkelgrade vor dem Zündzeitpunkt
in uit erste und/oder zweite Kammer eingebracht, sondern im wesentlichen dem Zündzeitpunkt
entsprechend zu dem für den Verbrennungsbeginn festgelegten Zeitpunkt. Bei Verwendung
eines Glühdrahts ist es zweckmäßig, anstelle von klopffesten Brennstoffen Bieselbrennstoff
oder Wasserstoff zu verwenden. Die relativ geringe Turbulenz in der Aussparung 7
läßt auch während des Motorbetriebs eine für die Einleitung der Verbrennung ausreichende
Glühdrahttemperatur zu. Um störende Einflüsse von Restgasanteilen zu verhindern,
insbesonders bei verkürztem Düsenträger 6, kann es zweckmäßig sein, am Düsenträger
u oder auf dem Kolbenboden 30 im Bereich der Kolbenaussparung ):1 kleine Wirbelgeneratoren
vorzusehen.
-
Um die Füllung der Aufweitung 49 bei allen Drehzahlen zu verbessern,
kann es zweckmäßig sein, eine weitere kleinvolumige Membranpumpe Iij vorzusehen,
die Gas während des Motoransaugtakts aus der Aufweitung 49 absaugt und dieses Gas-/Brennstoffaerosol
während oder nach der Gemischbildung im Motor in die Aufweitung 49 zurückpumpt.
Der Förderstrom der zweiten Pumpe muß, wenn das Gas-/Brennstoffaerosol der Aufweitung
49 während des Gemischbildungsvorgangs im rotor zugeführt wird, auf den charakteristischen
Förderstrom der ersten Pumpe 98 abgestimmt werden. Der Förderstrom der zweiten Pumpe
) wird durch entsprechende Steuerung des Ventils 61 und zweckmäßige IJestalturìg
de@ Nockens und Stößels geregelt. Die Leitung zwischen der Aufweitung 49 und der
Pumpe 59 und das Ventil in der Leitung haben die Bezugsziffern 60 u. 61.
-
Die Luftpumpe 58 kann durch eine anders geartete Luftpumpe ersetzt
werden, die Luft in einen Kessel drückt. Von dem Kessel strömt die I,uft während
des Motorverdichtungstakts in die Gemischleitung 47 ein, wobei der charakteristische
Förderstrom und das Druckgefälle mittels eines gesteuerten Drosselventils, das zwischen
dem Luftkessel und der Gemischleitung 47 vorgesehen ist, erzielt wird.
-
Weiter besteht die Möglichkeit, aus der Gemischbildungseinrichtung
Brennstoffaerosol in die Membranluftpumpe 58 zu saugen und das Brennstoffarosol
im wesentlichen während des Verdichtungstakts im Motor, entsprechend den Brennstoffbedarfskennlinien
und weiteren Betriebsgrößen des Motors, in den Motor einzublasen.
-
?weckmäßig kann es sein, die Nockendrehzahl der Pumpe 58 gegenüber
der Motordrehzahl auf die Hälfte zu reduzieren und den Nocken und den zischen Nocken
und Verdränger vorgesehenen Stößel so zu gestalten, daß ein den Erfordernissen der
Gemischbildung und Betriebsgrößen des Motors entsprechender Förderstrom erzielt
wird, wobei es gleicflgültig ist, ob die Pumpe 58 als Luftpumpe oder Brennstoffaerosolpumpe
wirkt.
-
ei nur halber Drehzahl des Pumpennockens gegenüber der Motordrehzahl
kann keine Luftspeicherkammer in der Luftpumpe zur Anwendung kommen.
-
Bei gleicher Motor und Pumpennockendrehzahl muß in der Druckleitung
der pumpe 58 ein Ventil und ein Abzweig und ein weiteres Ventil in dem Abzweig vorgesehen
werden, wenn eine Pumpe ohne Speicherkammer zur Anwendung kommt, um die überschüssige
Luft in die Außenluft oder das überschüssige Brennstoffaerosol in die Gemischbildungseinrichtung
zurückzuführen. Durch entsprechende Steuerung der Luftpumpenventile kann der Förderstrom
der Pumpe auch auf den Motorverdichtungstakt begrenzt werden.
-
Der F örderstrom der Pumpe 58 kann geregelt werden und somit die Einblastiefe
und Einblasdauer des Brennstoffaerosols bezogen auf Kurbelwinkelgrade des rotors,
indem die Winkellage des Pumpennockens zu der Motorkurbelwelle während des Motorbetriebs
mittels geeigneter Einrichtungen verändert und/oder das in der Luftleitung 56 der
Pumpe
58 vorgesehene Ventil 57 zur Teilung des Förderstroms während des Pumpvorgangs gesteuert
wird.
-
Alternativ kann der Pumpennocken durch einen Kurbeltrieb ersetzt werden.
-
Läuft der Motor beispielsweise als stationärer Motor in einem schìnalen
Drehzahlbereich können die beweglichen Leitschaufeln 27 durch starre ersetzt werden.
Zweckmäßig kann es sein, bei tulpenförmiger Gestaltung des Auslaßventils die Stege
zwischen dem engen und weiten Ventilteil als Leitschaufeln auszubilden.
-
Das hülsenförmige Auslaßventil kann durch eine im Zylinder geführte
Schieberhülse ersetzt werden0 Zur Bildung des Zündgemischs kann auch ein Wasserstoff-Luftgemisch
zur Anwendung kommen.
-
Es kann ferner zweckmäßig sein, dem Motor gekühlte Abgase zuzuführen,
um den Sauerstoffanteil in der Verbrennungsluft zu reduzieren0 In den Verbrennungsablauf
kann somit steuernd eingegriffen werden0 Mit den beschriebenen Gemischbildungseinrichtungen
lasten sich gegenüber bekannten, mit Brennstoffaerosolen betriebene Motoren wesentliche
Vorteile erzielen.
-
Der wichtigste mit den erfindungsgemäßen Gemischbildungseinrichtungen
und den Gemischbildungsverfahren zu erzielende Vorteil besteht darin, daß vor, während
und nach der Verbrennung keine Peststoffprtikel die ölbenetzte Zylinderwand berührend
Die Gasrotation und die aufgrund des hohen Temperaturunterschieds zwischen den heißen
Brenngasen und des relativ kalten, an der Verbrennung nicht beteiligten Luftrings
wirksam werdenden Auftriebskräfte bewirken, daß die lleilSen Brenngase während und
nach der Verbrennung im mittleren und inneren Bereich des Zylinders gehalten werden.
Es wird somit verhindert, daß auch während und nach der Verbrennung feste Partikel
mit der ölbenettten Zylinderwand in Berührung kommen. Der Verschleiß von Zylinderrohr,
Kolben und Kolbenringe wird somit nicht von festen Partikeln beeinflußt.
-
Bei Einleitung der Verbrennung mittels einer Fremdzündungsquelle und
einem Kohlenwasserstoff-Luftgemisch oder Wasserstoff-Luftgemisch breitet
sich
eine Flammenfront im Brennstoffaerosol aus. Der Druckanstieg während der Verbrennung
ist relativ gering, so daß es zu keirier hohen thermodynamischen Kompression und-
keiner starken Bildung von Stickoxyden und nur geringen Geräuschemission kommt.
-
ei geeigneter Wahl und gegenseitiger Abstimmung bestimmter Betriebsgrößen
wie: Drehzahl, Kolbenhub, Zylinderbohrung, Verdichtungsverhältnis, Zündzeitpunkt,
Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung, Einblasdauer bezogen auf KW°, Gasgeschwindigkeits-
und Druckverteilung im Zylinder, Zylinderfüllurlgsgracl, Ansauglufttemperatur, Luft-Zahl,
Gemischzonendurchmesser, Sauerstoffanteil in der Verbrennungsluft und Temperatur
der Brennraumwände kann der Verbrennungsablauf beeinflußt werden, so d ein Teil
des Gemischs im peripheren Bereich während der Verbrennung thermodynamisch über
die Zündtemperatur aufgeheizt wird und somit vor der Flammen front dieselmotorisch
verbrennt. Bei gezielter Aufheizung von Gemischteilen beim Verbrennungsende über
die Zündtemperatur können auch die Brennstoffpartikel verbrannt werden, die sich
in der Ubergangszone zwischen Gemisch und Luftring befinden und von der Flammenfront
nicht erfaßt werden. Das Abgas ist somit völlig frei von Festkörpern.
-
eil während der Gemischbildung das Gemisch den Kolbenboden, das Hinlaßventil
und den Zylinderkopf im wesentlichen nicht berührt und durch den Einschluß der Gemischzone
in einen Luftring, kann der Motor, ohiie daß es zu Prühzündungen und Druckanstiegsklopfen
kommt, mit einem relativ hohen Verdichturigsverhältnis betrieben werden, was zur
Anhebung des thermischen Wirkungsgrads auch wesentlich beiträgt.
-
er Wirkungsgrad des Motors wird durch die Möglichkeit, ein gegenüber
einem selbstzündenden Motor reduziertes Verdichtungsverhältnis anwenden zu können
und somit die Reibung zu reduzieren, weiter verbessere 5er i.:inschluß der heißen
brenngase in einen Luftring bzw. Luftzylinder während des Expansionstakts reduziert
auch den Wärmeübergang von den heißen Brenngasen auf den Zylinder, Zylinderkopf
und Kolben. Die Möglichkeit der heißen Brenngase, unabhängig von der
Kolbenbewegung
zu expandieren, wobei der Luftring entsprechen@ @@@-primiert wird, reduziert die
thermodynamische Kompression und som@t die Gastemperaturen. Der Wärmeübergang von
den heißen @renn@asch wird demzufolge weiter reduziert, der thermische Wirkungsgrad
angehoben und die Bildung von Stickoxyden wesentlich vermindert.
-
Es ist ferner vorteilhaft, daß in den Verdichtungsraum und die taskanäle
der Luftpumpe kein Brennstoffaerosol gelangt und somit kein erhöhter Verschleiß
auftritt. Der völlig ölfreie Förderstrom der Luftpumpe ermöglicht einen störungsfreien
Ablauf der Gemischbildung. Die Vorrichtung zur Bildung des ersten Brennstoffaerosols
mit der Luftpumpe ermöglicht auch die Bildung eines Brennstoff-Förderstroms mit
sich während des Gemischbildungsvorgangs änderndem, der Brennstoffeinblascharakteristik
des Motors entsprechendem Druckgefälle zwischen Luftpumpe und Motor, so daß eine
von einem @uftring umschlossene Gemischzone, in der der Brennstoff im wesentlichen
gleichmäßig verteilt ist, gebildet werden kann0
L e e r s e i t
e