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BRENNKRAFTMASCHINE MIT LICHTSTRAHL - ZÜNDUNG.
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BESCHREIBUNG.
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Die Erfindung bezieht sich auf Hubkolben-Brennkraftmaschinen und
auf Wankel-Krei skolben-Brennkraftmaschinen vornehmlich für den Fahrzeugantrieb,
die nach dem Otto-Verfahren arbeiten und eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung des
Luft-<raftstoff-Gemisches aufweisen.
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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen für die Einieitung der zündenden
Lichtstrahlen in die gasdicht abgeschlossenen Brennkammern der Maschine, die baulichen
Kombinationen der strahlenerzeugenden Geräte, die z.B. Laser oder Hochdruck-Entladungslampen
sind, mit den Strahl-E inl eitungs-Vorrichtungen, die Anordnung und Befestigung
dieser Geräte an der Brennkraftmaschine, die durch die Lichtstrahl-Zündung bedingte
Gestaltung der Brennkammern der Maschine und ein neues Verbrennungs-Konzept für
ein super-mageres Luft-i<raftstoff-Gemisch.
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Die Erfinder gehen von dem Stand der Technik aus, der gegeben ist
durch die nachstehenden Veröffentlichungen: DE 28 49 458 C2; DOS 28 49 458; DOS
29 24 910; DAS 22 07 392; DOS - DE 31 29919 Al.
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Die darin enthaltenen Vorschläge umfassen aber nicht die brennkraftmaschinen-technische
Seite einer Strahlenzündung, wie die notwendigen, wünschenswerten und zusätzliche
Vorteile bringenden Änderungen an der Brennkraftmaschine selbst, so daß die Vorschläge
nur als bedingt realisierbar erscheinen.
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Selbst bei dem am weitesten ausgearbeiteten Vorschlag nach Patent
DE 28 49 458 C2 fehlt noch die Mehrheit der erforderlichen Zusatzgeräte und eine
praxisnahe Konstruktion, ohne die eine Strahlengezündete Brennkraftmaschine nicht
gebaut werden kann. Insbesondere besteht für die vorgeschlagene relativ große Sammellinse
und das sie umgebende noch größere Gewinde überhaupt keine Chance, sie in den sehr
niedrigen Seitenwänden der Brennkammern moderner hochverdichteter Fahrzeugmotoren
unterzubringen. Auch wird die große Linse sehr heiß. Sodann ist die hohle Linse
sehr schmutzanfällig, sie wird schnell blind und die Zündung versagt. Außerdem
dürfte
es schwierig sein, die Linse leicht herauszunehmen, und sie auch wieder schnell
mit einer präzisen Zentrierung führen Laserstrahl einzusetzen. Nicht vorhanden ist
ferner eine thermische Abschirmung des Lasers von der Hitze der Brennkraftmaschine.
Schließlich gibt es keine Angaben darüber, wie die Brennkammer der Kraftmaschine
gestaltet werden soll, um mit der Laserstrahlzündung optimale Ergebnisse und eventuell
zusätzliche Emissions-Vorteile gegenüber den gegenwärtigen Brennkraftmaschinen zu
erzielen.
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Um das zu verbessern, haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt,
eine Lichtstrahl-Zündung für Brennkraftmaschinen zu schaffen, die mit den oben genannten
Nachteilen nicht behaftet ist, und die außerdem kleinere Kraftstoff-Verbräuche und
vorteilhaftere Abgas-Emissionen als gegenwärtig aufweisen würde.
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Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß für die optimale Nutzung
der Zünd-Lichtstrahlen neue Brennkammer-Formen geschaffen, ein neues Verbrennungs-Konzept
für super-magere Luft-Kraftstoff-Gemische bereitgestellt, und die dafür erforderlichen
Zusatzgeräte in mehreren Variationen konstruiert werden.
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Bei der gegenwärtig verwendeten funkenelektrischen und wandnahen
Einpunkt-Zündung erfolgt der Abbrand des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit einer fortschreitenden
Abbrandfront, die auf ihrem Weg vom Zündpunkt zu den Brennkammerwänden nicht verlöschen
darf. Das erreicht man durch relativ fette Luft-Kraftstoff-Gemische und verschiedene
Konstruktionsmittel, wie z.B. schräg gestellte Ventile, zwei Nockenwellen u.s.w.,
durch die eine relativ teure Brennkraftmaschine entsteht, die nicht immer unschädliche
Abgase produziert.
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- Das kann durch die Lichtstrahl-Zündung und die auf sie abgestimmte
Modifizierung der Brennkraftmaschine in mehreren Hinsichten verbessert werden.
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Die Zündung erfolgt nicht mehr an der Wand und in einem Punkt, sondern
mitten in der Brennkammer und in einer größeren Zone.
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Die dafür neu geformtenBrennkammern umschließen mit ihren Wänden kleinräumig
die zündenden Lichtstrahlen; und bei mehreren Lichtstrahlen, liegen die Strahlen
nahe ancinander. - Dagegen sind bei vorgegebenen L3rennkamnier-Umrissen, die Strahlen-Bündel
an die Kammer-Umrisse
so angepasst, daß die zündenden Lichtstrahlen
die Brennkammern raumfül lend bestreichen.
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Das dient dazu, um den Abbrand magerer Luft-Kraftstoff-Gemische bis
# ~ 1,7 mit fortschreitender Abbrandfront zu beschleunigen; und um den Abbrand super-magerer
Luft-Kraftstoff-Gemische von X 1,7 bis 4 über 2,0 nach einem neuen Verbrennungs-Konzept
und ohne, oder mit nur fragmentarisch fortschreitenden Abbrandfronten zu ermöglichen:
indem bei einem Sauerstoff-Überschuß in den Brennkammern und bei wesentlich höherer
Verdichtung als gegenwärtig, die in den Brennkammern in eine räumliche Schwirr-Bewegung
versetzten Klein-und K 1 einst-Kraftstoff-Tröpfchen nacheinander in die zündenden
Lichtstrahlen gelangen und einzeln oder mit mehreren kleinen Abbrandfronten abbrennen.
Dadt rch entsteht die Perspektive, den Kraftstoff-Verbrauch und die schädlichen
Abgasemissionen, wie HC, CO und NOX, im bisher unbekannten \ Maße zu reduzieren.
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Gemäß der o.a. Kriterien hat die optimale Brennkammer der lichtstrahlgezündeten
Hubkolben-Maschine die Form einer flachen Rundscheibe, und bei Wankel-Kreiskolben-Maschinen,
die Form eines flachen Rechtecks, ohne und mit kleinen Raumerweiterungen in der
Mitte durch flache Kolbenboden-Vertiefungen. Das dürfte neue Konstruktions-Impulse
insbesondere für den Kraftfahrzeugbau liefern, weil danach geradestehende Ventile
der Brennkaftmaschine günstiger sind, und bei deren Antrieb man mit einer Nockenwelle
auskommt. Dadurch wird die Hubkolbenmaschine insgesamt einfacher und auch billiger
in der Herstellung. Die Lichtstrahl-Zündung kann aber auch der Wankel-Kreiskolben-Maschine
zu einem Comeback verhelfen, weil ihr bisheriger Hauptnachteil, der lange flache
Brennraum, infolge der Strahlenzündung unschädlich und sogar nützlich wird, insbesondere,
wenn er nach, oder ähnlich zu FIG. 8; 9 und 10 ausgeführt wird.
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Dem Kraftstoff der lichtstrahlgezündeten Brennkraftmaschine wer-(stä
rker) denffichtstrahlenabsorbierende Stoffe beigemischt, die die Zündung begünstigen,
und die durch den Verbrennungsprozeß aufgehellt werden.
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Diese und weitere Vorteile, die sich aus der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
ergeben, werden anhand mehrerer in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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FIG. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine in Hubkolben-Bauart, die in günstiger Ausführungsfcrm keine Zylinderkopf-Dichtung
zwischen Zylinder und Zylinderkopf aufweist.
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FIG. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Zylinder der erfindungsgemäusen
Brennkraftmaschine, gemäß Schnittlinie A-A der FIG. 1.
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FIG. 3 zeigt einen LängSschnitt durch einen Zylinder einer zweiten
Ausführungsform der erfindungsgemäC3en Brennkraftmaschine in Hubkolben-Bauart, die
zwischen Zylinder und Zylinderkopf eine Zylinderkopf-Dichtung hat.
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FIG. 4 zeigt eine Hälfte des Lichtleiter-Einsatzes, der zur Einleitung
der zündenden Lichtstrahlen in die Brennkammer der Maschine dient.
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FIG. 5 zeigt als Stirnseitenansicht beide zusammengefügten Hälften
des Lichtleiter-Einsatzes gemä(3 FIG. 4.
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FIG. 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder einer dritten
Ausführungsform der erfindungsgemä(3en Brennkraftmaschine in Hubkolben-Bauart, die
an Stelle des Lichtleiter-Einsatzes gemäß FIG. 4 und 5, einen Lichtleiter-Ring aufweist,
der mit Hilfe eines Lichtleiter-Kabels mit dem weggebauten strahlenerzeugenden Gerät
verbunden ist.
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F1G. 7 zeigt einen Querschnitt durch den Lichtleiter-Ring und einen
Zylinder der erfindungsgemä(3en Brennkraftmaschine, gemäß Schnittlinie C - C der
FIG. 6.
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FIG. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine vierte Ausfiihrungsform
der erfindungsgemäßen B rennkraftmasch i ne, als Wanke I-K reiskolber-l-Mrrschin(
.
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FIG. 9 zeigt einen Schnitt durch den Lichtleiter-Einsatz und die Brennkammer
der Kreiskolben-Maschine, gemäß Schnittlinie D-D der FIG. 8.
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FIG. 10 zeigt eine Ansicht des Kreiskolbens, gemäß Pfeil "E" der FIG.
8.
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FIG. 11 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder einer fünften
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in Hubkolben-Bauart, die
wie FIG. 1 in günstiger Ausführungsform keine Zylinderkopf-Dichtung zwischen Zylinder
und Zylinderkopf hat; die aber als Alternative zu FIG. 1 und 2, einen Lichtleiter-Einsatz
mit Mono-Lichtleiter und Sammel-Linse aufweist.
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FIG. 12 zeigt den Querschnitt durch den Mono-Lichtleiter-Einsatz gemäß
FIG. 11, mit Voll-Lichtleiter und Sammel-Linse an der Strahlen-Austrittsfläche in
der Brennkammer der Maschine.
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FIG. 13 zeigt den Querschnitt durch einen zur FIG. 12 alternativen
Mono-Lichtleiter-Einsatz, mit Hohl-Lichtleiter, Konkav-Linse an der Strahlen-Eintrittsfläche
und und Sammel-Linse an der Strahl en-Austrittsfläche in der Brennkammer der Maschine.
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FIG. 14 zeigt in einem Doppel-Diagramm die Zusammenhänge des supermageren
Verbrennungs-Konzeptes nach der Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Zahlen gleiche Teile.
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ES BEDEUTEN: 1. Lichtleiter-Einsatz; 2. Lichtleiter-Ring; 3. Lichtleiter-Kabel;
4. Lichtleiter-Kupplung mit Zentrierung; 5. Strahlenerzeugendes Gerät, z.B. Laser,
an der Brennkraftmaschine befestigt; 6. Strahlenerzeugendes Gerät, z.B. Laser, weggebaut
und mit Lichtleiter-Kabel 3 mit der Brennkraftmaschine verbunden; 7. Speisegerät;
8.
Zuleitung vom Zündkontakt an der Nockenwelle; 9. Zuleitung vom Zündkontakt an der
Exzenterwelle; 10. Stromversorgung; 11. Zündschalter am Zündschlüssel; 12. Motorzylinder
(Hubkolben-Brennkraftmaschine); 13. Motor-Gehäuse mit Zu-und Abströmkanälen (Kreiskolben-Maschine);
14. Hubkolben; 15. Kreiskolben; 16. Pleuel; 17. Zylinderkopf mit Ventilen, Zu-und
Abströmkanälen (Hubkolben-Maschine); 18. Höcker am Kolbenboden, exzentrisch zur
Kolbenachse; 19. Exzentrität der Höckerachse; 20. Halteflansch für Lichtleiter-Einsatz
1 und 50; 21. Stützbeine des Halteflansches 2Q; 22. Kegelige Ringdichtung des Lichtleiter-Einsatzes
1 und 50; 23. Zylinderkopf-Dichtung; 24. Zentrierbund am Halteflansch 20; 25. Gehäuse
für das strahlenerzeugende Gerät; 26. Kühl luft-Eintritt; 27. Strahlungswärme-Schutzring
und Kühl luft-Leitring; 28. Kühl luft-Austritt; 29. Zentrierkappe; 30. Licht-Strahlen,
die z.B. Laser-Strahlen sind; 31. Vielfach-Lichtleiter im Lichtleiter-Einsatz 1;
32. Vielfach-Lichtleiter im Lichtleiter-Ring 2; 33. Hälften des Lichtleiter-Einsatzes
1, zwei gleiche Teile; 34. Rillen für einen halben Lichtleiter-Fächer in den Hälften
33; 35. Hälften des Lichtleiter-Ringes 2, zwei gleiche Teile; 36. Strahl-Austrittsfläche
am Lichtleiter-Einsatz 1 und 50, konvex geformt; 37. Strahl-Austrittsfläche am Lichtleiter-Ring
2; 38. Strahl-Eintrittsfläche am Lichtleiter-Einsatz 1 und 50; 39. Strahl-Eintrittsfläche
am Lichtleiter-Ring 2; 40. Brennraum-Längsri 1 len in den Kreiskolben-Böden; 41.
Umfangs-Dichtleisten des Kreiskolbens; 42. Flammen-Rückhalter in Form von nur am
Umfang abdichtenden zusätzlichen Dichtleisten, mit begrenztem Hub; 43. Haltestücke
für die Hubbegrenzung der Flammen-Rückhalter 42;
44. Brennraum-Schlitz
in der 1 roch<iden-Bahrl für Strahlen 30; 45. I)urchblasende und verlöschende
Verbrennungs-Gase; 46. Druck-Ausgleichsring, beseitigt Punktdrücke am Lichtleiter-Einsatz;
47. Zusätzlicher Zentriervorsatz des Halteflansches 20; 50. Lichtleiter-Einsatz
in alternativer einteiliger Ausführung, mit Mono-Lichtleiter in der Längsachse des
Lichtleiter-Körpers; 51. Voller Mono-Lichtleiter, außen verspiegelt; 52. Sammel-Linse
aus Quarz, brennkammerseitig gewölbt; 53. Konvergierende Licht-Strahlen; 54. Brennpunkt;
55. Zünd-Strecke; 56. Hohler Mono-Lichtleiter, innen verspiegelt, als Alternative
zu 51; 57. Strecke der inneren Verspiegelung; 58. Konkav-Linse; 59. Konvergierend
ankommende Lichtstrahlen; 60. Strahlenerzeugendes Gerät, z.B. Laser oder Hochdruck-Entladungslampe;
61. Kolbenboden-Vertiefung; 62. Entflammungsgrenze; 63. Klopfgrenze bei z.B. ROZ
= 92; 64. Abmagerungsgrenze bei elektrischer Einpunkt-Funkenzündung; 65. Arbeitsbereich
bei elektrischer Einpunkt-Funkenzündung; 66. Arbeitsbereich bei Lichtstrahl-Zündung
oder bei anderer Vielpunkt-Zündung; 67. Verschiebung der Abmagerungsgrenze 64 durch
die Lichtstrahl-Zündug; 68. Beispiel für einen Konstruktionspunkt einer lichtstrahlgezündeten
Brennkraftmaschine; 69. CH-Emission bei einem Zündfunken; 70. CH-Emission bei zwei
Zündfunken; 71. CH-Emission bei gedachten drei Zündfunken; 72. CH-Emission bei gedachten
fünf Zündfunken; 73. CH-Emission bei Lichtstrahl-Zündung, oder bei vielen Zündfunken;
74. "Herunterbiegung" des CH-Emissions-Astes durch die Lichtstrahl-Zündung; 75.
Entwicklungsmöglichkeit des super-mageren Verbrennungs-Konzeptes.
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Ein wesentlicher Bestandteil der erfindungegemäl3en Brennkraftmaschine
ist das Lichtleiter-Gehäuse, das in erster Ausführung, FIG. 6 und 7, vorgesehen
für Hubkolben-Maschinen, die Form eines Lichtleiter-Ringes 2,und in zweiter und
dritter Ausführung, FIG. 1; 2; 3; 4; 5; 8; 9; 11; 12 und 13, vorgesehen für Hub-und
Kreiskolben-Maschinen, die Form eines Lichtleiter-Einsatzes 1 und 50 hat. Der Lichtleiter-Ring
wird zwischen zwei Zylinderkopf-Dichtungen zwischen Zylinder und Zylinderkopf montiert.
Der Lichtleiter-Einsatz ist ein kleiner rotationssymmetrischer Körper, mit der Strahl-Eintrittsfläche
38, einem zylindrischen Zapfen, einer planen Ringfläche, rings um und am Ende des
Zapfens, einem zylindrischen grö(3ten Durchmesser, einer sich verjüngenden kegeligen
Dichtfläche und der Strahl-Austrittsfläche 36, und kann ohne Demontage des Zylinderkopfes
auch ausgewechselt oder zu Wartungszwecken ein-und ausgebaut werden.
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Der Lichtleiter-Ring 2 und der Lichtleiter-Einsatz 1 bestehen aus
jeweils zwei Hälften, 35 und 35, bzw. 33 und 33, die an ihren zueinandergekehrten
Berührungsflächen eingearbeitete Rillen für die Aufnahme der Lichtleiter 32 bzw.
31 haben, während der Lichtleiter-Einsatz 5C! FIG. 11; 12 und 13, einteilig ist,
und nur eine zentrale Längsbohrung aufweist.
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Die Rillen in den Lichtleiter-Ring-Häiften 35 sind Halbrillen, und
sie führen die eingelegten Lichtleiter 32 von der Strahl-Eintrittsfläche 39 auf
der Ring-Außenseite zur Strahl-Austrittsfläche 37 am inneren Bohrungsdurchmesser
des Ringes, wo die Licht leiter von allen Seiten in die innere Ringbohrung einmünden.
Die Rillen 34 in den Lichtleiter-Einsatz-Hälften 33 sind so tief, wie die Durchmesser
der Lichtleiter 31, und in jeder Einsatz-Hälfte sind nur Rillen für einen halben
Lichtleiter-Fächer eingearbeitet, der mit den austretenden und divergierenden Lichtstrahlen
nur eine Seite der Brennkammer bestreicht , FIG. 2 und 9. Wenn aber beide gleichen
Einsatz-Hälften 33 mit eingelegten Lichtleitern 31 zusammengefügt werden, weisen
die Lichtleiter-Austritte in der Strahl-Austrittsfläche 36 nach beiden Seiten, FIG.
2, so daß die austretenden Lichtstrahlen 30 als ganzer Fächer, FIG. 2 und 9, die
ganze flache Brennkammer bestrei chen. Hierbei liegen die zwei Halbfächer der Lichtleiter
und die
austretenden Strahlen in zwei Ebenen dicht übereinander,
und die Strahl-Austrittsfläche 36 hat einen kleinen Durchmesser, wodurch sie wenig
Wärme aufnimmt, und erhält eine konvexe Form, die das Säubern erleichtert. Auch
der Lichtleiter-Ring 2 hat eine kleine Gesamthöhe, wodurch die Strahl-Austrittsfläche
37 klein gehalten wird, und auch wenig Wärme aufnimmt.
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Die zwei Ring-Hälften 35 und die zwei Einsatz-Hälften 33 bestehen
z.B. aus technischer Keramik oder aus lnvar-Stahl, und sie sind miteinander verklebt
oder mit Silberlot verlötet. Auch der einteilige Lichtleiter-Einsatz 50 besteht
z.B. aus technischer Keramik oder aus Invar-Stahl; während die Lichtleiter z.B.
aus Quarz sind.
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Der Lichtleiter-Einsatz 1 und der Lichtleiter-Ring 2 werden nach Zusammenfügung
ihrer Hälften, insbesondere an den Dichtflächen und den Krafteinleitungsflächen,
bearbeitet, und die Strahl-Eintrittsflächen 38 und 39 als auch die Strahl-Austrittsflächen
36 und 37 werden feinstbearbeitet.
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Zur Abdichtung des Lichtleiter-Einsatzes 1 und 50 in der Brennkraftmaschine
dient eine kegelförmige Ringdichtung 22, die z.B. aus Kupfer ist. Die Ringdichtung
22 und die Zylinderkopf-Dichtungen 23 des Lichtleiter-Ringes 2 bewirken eine angemessene
Kühlung der Lichtleiter-Einsätze und des Lichtleiter-Ringes, wobei die aufgenomene
Wärme über die Dichtungen an den Kühlwassermantel der Brennkraftmaschine abgeleitet
wird, und wobei als angemessene Kühlung eine solche Kühlung zu verstehen ist, die
die Strahl-Austrittsflächen 36 und 37 von Kraftstoff-Tröpfchen frei hält, - andererseits
aber ein Glühen der Strahl-Austrittsflächen verhindert.
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Zur Befestigung des Lichleiter-Einsatzes 1 und 50 dient ein loser
Halteflansch 20 mit Stützbeinen 21, die am Umfang des Flansches liegen, wobei der
Halteflansch bevorzugt als Dreiecksflansch mit drei Halteschrauben und drei Stützbeinen
ausgebildet ist. Durch die mittlere Öffnung des Halteflansches geht der zylindrische
Zapfen des Lichtieiter-Einsatzes hindurch, und der Halteflansch übt eine Druck-Haltekraft
auf die plane Ringfläche des Lichtleiter-Einsatzes mittels eines Druck-Ausgleichsringes
46, z.B. aus Aluminium oder Kupfer, aus.
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Dabei ist das Tiefenmaß der innen verjüngten Aufnahmebohrung für den
Lichtleiter-Einsatz zur Anschraubfläche des Halteflansches 20 so toleriert, daß
die Ringdichtung 22 des Lichtleiter-Einsatzes dann den Dichtungseffekt ergibt, wenn
die Stützbeine 21 des Halteflansches auf die Anschraubfläche kraftschlüssig aufsetzen.
Außerdem hat der Halteflansch 20 einen äußeren Zentrierbund 24, auf. den die Zentrierkappe
29 des Gehäuses 25 für das strahlenerzeugende Gerät mit engem Schiebesitz passt,
sodaß das aus dem Gerät 5; 60 mittig austretende Strahlen-Bündel immer genau auf
das oder die Eintrittsenden der Lichtleiter 31; 51 oder 56 in der Mitte der Strahl-Eintrittsfläche
38 des Lichtleiter-Einsatzes gerichtet sind.
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Das Gehäuse 25 für das strahlenerzeugende Gerät hat drei Kühl einrichtungen,
damit die Wärme der Brennkraftmaschine vom strahlenerzeugenden Gerät 5 und 60 abgehalten,
und auch die im Gerät selbst erzeugte Wärme abgeieitet wird. Eine Kühleinrichtung
bilden äußere Luft-Kühlrippen am Gehäuse, die dafür sorgen, daß das hintere Ende
des Gehäuses, an das das strahlenerzeugende Gerät befestigt ist, kühler ist, als
das an der Brennkraftmaschine befestigte vordere Ende des Gehäuses. Die zweite Kühleinrichtung
ist ein Kühl luft-Strom durch das Gehäuse 25, der am hinteren Ende in das Gehäuse
eintritt 26, und am vorderen brennkraftmaschinenseitigem Ende des Gehäuses austritt
28. Die dritte Kühleinrichtung ist ein Strahlungswärme-Schutzring und Kühiluft-Leitring
27 mit polierter Oberfläche, der die Wärmestrahlung des Halteflansches 20 vom strahlenerzeugenden
Gerät 5 und 60 abhält und die Kühl luft auf das Geräteende richtet. Ein so gekühltes
strahlenerzeugendes Gerät kann man auch direkt an den Lichtleiter-Ring 2 anschließen.
In FIG. 6 und 7 ist aber ein alternativer Anschluß mittels eines Lichtleiter-Kabels
3 veranschaulicht, bei dem das Gerät 6 von der heißen Brennkraftmaschine weggebaut
ist. Diese weggebaute Anordnung mit Lichtleiter-Kabel kann man umgekehrt auch mit
dem Lichtleiter-Einsatz 1 oder 50 verwenden.
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Die Brennkammer der 1 ichtstrahlgezündeten Brennkraftmaschine hIt
tüt die Erzielung optimaler Verhältnisse eine andere Form, als die bisher für die
Funkenzündurlg verwendeten Brennkammern.
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Für die vorgeschlagene Lichtstrahl-Zündung mittels eines flachen und
divergierenden Strahlen-Fächers hat die optimale Brennkammer die Form einer flachen
Scheibe, in die der Strahlen-Fächer von der Scheiben-Peripherie radial nach innen
und in halber Scheibenhöhe eingeleitet wird, FIG. 1; 2; 6 und 7. Sollen die damit
verbundenen Vorteile gänzlich genutzt werden, ist bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen
mit Lichtleiter-Einsatz 1 und 50 eine Ausführung ohne Zylinderkopf-Dichtung zwischen
Zylinder und Zylinderkopf vorteilhaft, FIG. 1; 2 und 11. Das ist fertigungsmäßig
möglich, weil die Brennkammer, wie oben angeführt, die Form einer flachen Scheibe
hat, in der die Ventile der Brennkraftmaschine senkrecht stehen. Will man aber auf
die Zylinderkopf-Dichtung nicht verzichten, bietet sich die Ausführung mit Lichtleiter-Ring
2, FIG. 6 und 7, oder mit Lichtleiter-Einsatz 1 oder 50 nach FIG. 3 an. Bei der
zuletzt genannten Ausführung wird eine Scheiben-Brennkammer dadurch angenähert,
daß der Kolbenboden einen rotationssymmetrischen Höcker 18 erhält, der eine sphärische
Kuppe und ausgerundete Übergänge zum t<olbenboden aufweist, und dessen Achse
zur Kolbenachse exzentrisch 19 liegt.
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Der Lichtleiter-Einsatz 1 und 50 ist auch für Wankel-Kreiskolben-Brennkraftmaschinen
geeignet, hat aber eine größere Länge als bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen, weil
die nach der Epitrochoide geformte Gehäusewand der Maschine einen flachen Eintrittswinkel
für die Lichtstrahlen ergeben, FIG. 8. Deshalb ist es zweckmäßig am Halte-Flansch
20 einen zusätzlichen Zentriervorsatz 47 zu verwenden, der in eine entsprechende
Ausdrehung im Gehäuse der Brennkraftmaschine mit engem Schiebesitz hineinpasst.
Der Zentriervorsatz kann aber auch bei kürzeren Lichtleiter-Einsätzen vorhanden
sein und für die Hubkolben-Brennkraftmaschine verwendet werden.
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Die Brennkammer-Form der I ichtstrahlgezündeten lAreiskolben-Maschine
weist aber Veränderungen gegenüber der bisherigen funkengezündeten Maschine auf,
und ist gekennzeichnet durch eine lange Längsrille 40 im Kreiskolben-Boden, die
auf jeder Seite des dreieckigen Kolbens von annähernd einer Umfangsdichtleiste bis
zur annähernd anderen Umfangsdichtleiste reicht, FIG. 8 und 9.
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In diese Längsrillen 40, die mit der Trochoidenwand eine flache rechteckige
Brennkammer bilden, FIG. 8 und 9, werden vom Mittelbereich einer Rechteckseite der
Brennkammer, das ist durch die Trochoidenbahn z.B. am Anfang der Brennkammer, und
in halber Brennkammer-Höhe die zündenden Lichtstrahlen eingeleitet.
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Die zweite Besonderheit der lichtstrahlgezündeten Wankel-Kreiskolben-Brennkraftmaschine
ist ein Flammen-Rückhalter 42 in Form einer nur am Umfang abdichtenden zusätzlichen
Dichtleiste mit begrenztem Hub, vor jeder der drei Umfangsdichtleisten 41, d.h.
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den Umfangsdichtleisten voreilend. Durch die Hubbegrenzung berühren
die Flammen-Rückhalter-Leisten 42 nicht die ganze trochoidal geformte Gehäusewand,
sondern nur die abgeflachten Teile der Trochoide.
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Die Wirkung der Flammen-Rückhalter veranschaulicht die FIG. 10. Wenn
die Umfangdichtleisten 41 den Brennkammer-Schlitz 44 der Zünd-Lichtstrahlen passieren
(der Schlitz ist breiter als die s.g.
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Schußöffnung bei funkenelektrischen Zündkerzen), umströmen die Verbrennungsgase
45 die F lammen-Rückha Iter-Leisten an beiden Seiten, dann durchströmen sie den
schmalen Spalt zwischen Kreiskolben und Trochoide zwischen den beiden Dichtleisten
41 und 42 nach innen, und gelangen schließlich außerhalb der Umfangsdichtieiste
41 und auf der Schlitzbreite 44 in das Frischgas der nachfolgenden Kammer. Dabei
werden die Brenngase durch die kühlen Maschinenteile,und insbesondere durch die
Trochoidenwand,abgekühlt und die Flamme verlöscht.
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Gleichzeitig wird aus dem Raum zwischen den beiden Dichtleisten das
Frischgas in die nachfolgende Kammer zurückgeblasen, und kann im weiteren Verlauf
des Kreiskolben-Prozesses nicht mehr als unverbrannter Kohlen-Wasserstoff-Antei
1 in die Auspuffgase gelangen, wodurch die HC-Emissionen verbessert werden.
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Die Flammen-Rückhalter-Leisten 42 sind z.B. aus Kohle oder aus technischer
Keramik gefertigt.
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Der Lichtleiter-Einsatz 1 kann in alternativer Ausführung - als Lichtleiter-Einsatz
50 bezeichnet - auch mit nur einem in seiner Längsachse liegenden Mono-Lichtleiter
51 oder 56 ausgestattet sein, FIG.
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11; 12 und 13. Der Mono-Lichtleiter hat einen größeren Durchmesser
als die vielfach Lichtleiter 31, transferiert ein rundes Strahlenbündel, und ergibt
die Möglichkeit, an der Strahl-Austrittsfläche 36 des Lichtleiter-Einsatzes eine
Sammel-Linse 52 oder eine sammelnde Fresnel-Linse zu verwenden, die brennkammerseitig
glatt und gewölbt sind, was ihre Säuberung erleichtert. Die Sammel-Linsen bewirken
ein Konvergieren 53der Lichtstrahlen des Strahlenbündels, und führen sie in einem
stark wärmeerzeugenden Brennpunkt 54 zusammen. Vor und hinter dem Brennpunkt erzeugen
die Lichtstrahlen eine Zone mit gesteigerter Wärmeentwicklung, die eine Zünd-Strecke
55 ergibt, FIG.12.
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Der Mono-Lichtleiter wird in der alternativen Ausführung des Lichtleiter-Einsatzes
50 der vorliegenden Erfindung in zwei Varianten verwendet: 1. als Quarz-Voll-Lichtleiter
51 außen verspiegelt; und 2. als Quarz-Hohl-Lichtleiter 56 innen verspiegelt.
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Auch die Strahl-Austrittsfläche 36 des Lichtleiter-Einsatzes 50 hat
einen kleinen Durchmesser, wodurch sie wenig Wärme aufnimmt.
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Beim hohlen Mono-Lichtleiter 56, F IG.13, ist an der Strahl-Eintrittsfläche
38 des Einsatzes 50 der Lichtleiter mit einem Quarz-Stopfen 58 verschlossen, damit
kein Schmutz in den Lichtleiter eindringen kann, wobei der Stopfen noch als Konkav-Linse
ausgebildet ist, so daß man auch konvergierend ankommende Lichtstrahlen 59 in den
Mono-Lichtleiter 56 einspeisen kann, FIG.13, und an Stelle eines Lasers auch ein
leistungsstarkes Hochdruck-Entladungslampen-Gerät 60 verwenden kann.
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Die optimale Brennkammer für eine Brennkraftmaschine mit Laser-oder
Entladungslampen-Zündung und Lichtleiter-Einsatz 50 mit Mono-Lichtleiter und Sammel-Linse
52 weicht von der flachen Scheibenform, für Hubkolben-Maschinen, und der flachen
Rechteckform, für Kreiskolben-Maschinen, etwas ab, und erhält in der Mitte eine
kleine Raumerweiterung.
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Das trägt der Zündstrecke 55 Rechnung, wobei Hubkolben-Maschinen in
der Mitte des Kolbenbodens eine leichte rotationssymmetrische Vertiefung 61 erhalten,
und Kreiskolben-Maschinen in der Mitte der Längsrillen 40 analoge Rillen-Vertiefungen
mit seitlichen Rillen-Verflachungen erhalten, die sich über die ganze Länge der
Längsrillen erstrecken.
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In FIG. 14 sind die Zusammenhänge dis super-mageren Verbrennungs-Konzeptes
mit Hilfe bekannter Brennkraftmaschinen-Diagramme und bei einer mittleren Turbulenz
in der Brennkammer dargestellt.
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Die FIG. 14 ist ein Doppel-Diagramm, das im oberen Teil die bekannten
Beziehungen zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis 1 und der Verdichtung £ darstellt,
und das im unteren Teil die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ,(
und den Abgas-Emissionen CO, NO und CH veranschaulicht. Da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
x in in beiden Teil-Diagrammen auf den horizontalen Achsen angeordnet ist, kann
man dessen Werte aus dem oberen Teil direkt in den unteren Teil übertragen, und
umgekehrt.
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Das super-magere Verbrennungs-Konzept nach der Erfindung ist in der
rechten Hälfte beider Teil-Diagramme, rechts von der Abmagerungsgrenze 64, angesiedelt.
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In diesem Bereich kann die konventionelle Einpunkt-Funkenzündung
nicht mehr vorteilhaft angewendet werden, weil in dem sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch
die Abbrandfront vorzeitig verlöscht, viel unverbrannte Kohlenwasserstoffe als Restgase
übrig bleiben. und die CH-Emissionen erhöhen. - Eine Verbesserung, d.i. die Verbrennung
der ganzen Zylinderladung kann nur durch eine Vielfachzündung erreicht werden, die
in vielen Punkten das Gemisch gleichzeitig anzündet. Dafür wären z.B. zehn oder
noch mehr Zündkerzen dienlich, die aber im Zylinderkopf nicht unterzubringen sind,
und deren Stromversorgung sehr teuer und schwierig sein würde.
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Um die gleiche Wirkung mit bedeutend einfacheren Mitteln zu erzielen,
wird die Lichtstrahl-Zündung vorgeschlagen, die die maschinenbautechnische Grundlage
für das super-magere Verbrennungs-Konzept darstellt, und beide zusammen den Gegenstand
der Erfindung bilden.
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Die Lichtstrahl-Zündung ist von vornherein dafür ausgelegt, viele
Zündpunkte zu erzeugen, die in der Brennkammer auch noch räumlich verteilt sind.
Vergleichbar dazu, ist z.B. eine räumliche Verteilung der Zündpunkte bei Zündkerzen
nicht möglich.
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Insbesondere eine Lichtstrahl-Zündung mit einem Strahlen-Fächer ist
geeignet, die in der Brennkammer durch eine mittlere Turbulenz in räumliche Schwirr-Bewegungell
versetzten Klein-und l<ieinst-Kraftstofftröpfchen nacheinander in den zündenden
Lichtstrahlen zu treffen
und deren Einzelabbrand oder Abbrand mit
mehreren kleinen Abbrandfronten zu bewirken. Dabei ist von Bedeudung, daß die zur
Erzielung der Zündung in den Lichtstrahlen erforderliche Temperatur-Erhöhung nicht
groß ist, da die Zündtemperatur des Luft-Kraftstoff-Gemisches bei erhöhter Verdichtung
schon bei ca. 250 C liegt, und dem auch noch die Temperatur-Erhöhung infolge der
Verdichtung entgegenkommt. Durch die räumliche Vielpunkt-Zündung bei einer mittleren
Turbulenz in der Brennkammer dürften kaum unverbrannte Kohlenwasserstoffe als Restgase
übrig bleiben, so daß die CH-Emissionen dieses Bereiches 66 wirksam gesenkt werden
können 74; 73.
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Auf dieser Grundlage ist in beiden Teil-Diagrammen ein Konstruktionspunkt
68 für eine 1 ichtstrahlgezündete Brennkraftmaschine eingetragen, mit z.B. einem
Luft-Kraftstoff-Verhältnis X von nu 1,9; einer Verdichtung # von n, 13 und einer
CH-Emission von # 1,5 g/KWh.
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Dabei wird angenommen, da(3 auch noch höhere Abmagerungen und Verdichtungen
75 realisierbar sein müssten.
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Außerdem bietet die Lichtstrahl-Zündung noch folgende betriebstechnische
Möglichkeiten: a). der Abgas-Katalysator ist überflüssig und kann weggelassen werden;
wobei die super-magere Verbrennung für geringe schädliche Abgas-Emissionen sorgt,
die noch günstiger ausfallen dürften als bei Verwendung eines Katalysators. Dadurch
wird die Brennkraftmaschine billiger in der Herstellung und in der Wartung; b).
das Kraftfahrzeug kann (vorübergehend) auch mit verbleiten Kraftstoffen betrieben
werden, ohne einen Schaden zu erleiden; c). der Kraftstoff-Verbrauch sinkt weiter
ab, weil das Luft-Kraftstoff-Gemisch noch einmal abgemagert wird; d). die klopfende
Verbrennung dürfte gänzlich wegfallen, weil durch die gleichzeitige räumliche Vielpunkt-Zündung
bei mittlerer Turbulenz keine Gemisch-Restbereiche übrig bleiben, die durch die
Zündungs-Druckerhöhung in der Brennkammer von selbst zünden;
e).
der Oktan-Zahl-Bedarf der Brennkraftmaschine wird gesenkt (ersichtlich im oberen
Teil-Diagramm der FIG. 14), wodurch man im Kraftstoff kein Bleitetraäthyl und vielleicht
auch kaum andere Klopfbremsen benötigt; f). die lichtstrahlgezündete Brennkraftmaschine
kann bei z.B. Einspritzung des Kraftstoffes auch mit Diesel-Öl oder mit Kerosin
betrieben werden.