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Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung und Einspritzung eines
Brennstoffluftgemisches bei einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung und Einspritzung eines
Brennstoffluftgemisches bei einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine, sogenannten
Dieselmaschine.
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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein an Brennstoff bis
über die Zündgrenze bei hohem Druck hinaus angereichertes Gemisch zuerst in einem
luftverdünnten Raum bis zu teilweiser Verdampfung des Brennstoffes entspannt und
darauf einer Verdichtung von solchem Grade unterwarfen wird, daß die Verdichtungswärme
zur völligen Verdampfung des Brennstoffes führt und die Verdichtungstemperatur vorzugsweise
über dem kritischen Temperaturbereich des Gemisches liegt, daß endlich das Gemisch
in diesem Endzustande in den Arbeitszylinder eingespritzt wird.
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Die Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens enthält einen Hilfseinspritzzylünder,
der anders herum liegt wie der Arbeitszylinder und dessen Kolben an die Bewegungen
des Arbeitskolbens derart gebunden ist, daß der Saughub des Hilfskolbens während
des Verbrennungshubes des Arbeitskolbiens und der Verdichtungshub des Hilfskolbens
während des Verdichtungshubes des Arbeitskolbens stattfindet. Die Vorrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung des Brennstoffluftgemisches in den
Arbeitszylinder durch das Spiel von Ventilen in -dem Zeitpunkt eingeleitet wird,
wenn der Arbeitskolben die Endstrecke seines Verdichtungshubes und der Hilfskolben
den Totpunkt seines Verdichtungshubes erreicht.
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Das Verfahren erlaubt nur, vollständig verdampften Brennstoff in den
Arbeitszylinder einzuführen, selbst wenn es sich um schwere Brennstoffe mit einer
geringen Menge gasförmiger Flüssigkeit als Träger handelt.
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Wird das Brennstoffluftgemisch in einem Vergaser erzeugt, so läßt
dieser eine leichte Regelbarkeit der prozentual ixn Gemisch enthaltenen- Brennstoffmenge
zu und setzt die Brennstoffmenge in das richtige Verhältnis zum Gang des Motors.
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Die erwähnte Vorrichtung erlaubt, die Einspritzung bei sehr hohem
Druck selbsttätig vorzunehmen.
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Um den Augenblick der Einspritzung regeln zu kännen, regelt man den
Füllungsgrad' des Hilfszylinders. Zur Erreichung dieses Zwekkes sind verschiedene
Vorrichtungen geeignet.
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Um Verdichtungen dies Brennstoffes im Augenblick der Einspritzung
zu vermeiden, wird die Verbindung zwischen dien beiden Zylindern einzig und allein
,durch schmale Kanäle hergestellt, die durch selbsttätige Einspritzventile
absperrbar
sind. Der schädliche Raum des Hilfszylinders ist auf diese Weise sehr klein gehalten,
so daß starke Einspritzdrücke erreicht werden können. Das mit Brennstoff angereicherte
Gemisch wird in den Arbeitszylinder eingeführt, indem es über die als Prellfläche
dienende (konische) Sitzfläche des Einspritzventils geleitet wird, die es infolge
seiner hohen Geschwindigkeit fein in dem Arbeitszylinder verteilt. Da das Gemisch
nicht auf dem Ventilsitz verbrennt, so bleibt dieser stets sauber.
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Die schon durch den Vergaser eingeleitete Verdampfung des flüssigen
Brennstoffes wird gegebenenfalls, bevor das Gemisch. in dem Hilfszylinder entspannt
wird, auch in den schmalen Kanälen fortgesetzt, die das Gemisch, das vorher ein
selbsttätiges Einlaßventil durchströmt, in dien Hilfszylinder einführen. Die Erhitzung
und Reibung, die das Gemisch nach der Entspannung im Hilfszylinder in diesen Kanälen
erfährt, sowie die Verteilung durch die Prellfläche des Einspritzventils vollenden
die Vergasung dies Gemisches.
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Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen von Vorrichtungen zur
Durchführung des Verfahrens dargestellt.
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Abb. i zeigt schematisch den Längsschnitt einer ersten Ausführungsform,
und Abb.2 zeigt den Längsschnitt durch .eine zweite Ausführungsform, die besondere
Vorteile bietet.
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Abb.3 und q. zeigen senkrecht zueinander stehende Schnitte durch eilive
Einzelheit.
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In dem Motorzylinder i läuft .der Kolben 2, in einem wesentlich kleineren
Zylinder 3 der Kolben -.. Beide Kolben sind synchron gekuppelt. Die Kurbel des Kolbens
q. dreht sich mit derselben Geschwindigkeit wie die des Kolbens 2, wenn der Zylinder
i im Zweitakt, und mit der halben Geschwindigkeit, wenn er im Viertakt arbeitet.
Die Kupplung ist derart, daß beide Kolben beinahe gleichzeitig an das .Ende ihres
Hubes gelangen, so daß die stärkste Verdichtung in. jedem der beiden Zylinder- fast
in demselben Zeitpunkt stattfindet. Der Kolben 4 eilt gewöhnlich dem Kolben 2 etwas
voraus.
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Die Verdichtung im Zylinder 3 erfolgt unter einem Druck, der ungefähr
Il/2mal größer ist als der im Zylinder i. Der Druck im Zylinder i wird bestimmt
durch die Entzündungstemperatur des Brennstoffes, den man verwendet.
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Ein Einsatzstück 5 zwischen beiden Zylindern dient zur Führung .eines
Ventils 6, welches durch eine Feder 7 auf seinen Sitz aufgepreßt wird. Dieses Ventil
kann ein selbst. tätiges oder :ein gesteuertes sein. Im dargestellten Beispiel ist
es als selbsttätiges Ventil ausgebildet. Der Ventilteller ist konisch. Der Konus
verjüngt sich und geht in die Ventilspindel über. Diese Gestaltung hat sich als
die beste erwiesen, da das Ventil auf diese Weise gleichzeitig einen vollkommenen
Abschlug zum Zylinder und zur Spindelführung schaffft.
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Der Ventilsitz trägt eine Nut 8, welche durch einen Kanal 9 mit dem
kleinen Zylinder 3 und .durch einen Kanal. Io mit der Brennstoffzuleitung i i in
Verbindung steht. Zwischen beiden ist ein selbsttätiges oder gesteuertes Ventil
i2 eingesetzt, welches durch eine Feder 13 auf seinen Sitz gepreßt wird.
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Ein Vergaser läßt durch e Düse 1 4. den Brennstoff in Gestalt einer
Emulsion mit Luft oder nicht brennbarem Gas übertreten. Die Luft bzw. das nicht
brennbare Gas wird angesaugt. Die Öffnung 15 kann gegebenenfalls auch mit dem Auspuff
in Verbindung stehen.
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In dem kleineren Zylinder 3 ,ist eine in die Luft frei oder in den
Auspufftopf ausmündende Öffnung 16 angebracht, welche am Ende der Bewegung des Kolbens
4 geöffnet wird. Der Kolben 4 -legt sich bei seinem Abwärtsgang fast auf den Boden
des Zylinders 3, so daß: der Totraum des Zylinders nur aus den Kanälen 8, 9 und
io besteht.
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Erfolgt Speisung des Zylinders i im Zweitakt, ist die Arbeitsweise
folgende: Sobald eine Verbrennung stattfindet, bewegt sich der Kolben 2 nach unten
und der Kolben 4 nach oben. Der Kolben q. bildet in diesem Augenblick in dem Zylinder
3 ein gewisses Vakuum, das eine Saugwirkung auf den Vergaser 1 ¢ ausübt, so daß.
ein an Brennstoff reiches Gemisch eintritt. Dieses Gemisch gelangt in die .Nut 8
und wird darin infolge der hohen - Temperatur des Ventils 6 verdampft. Wenn sich
hie hohe Temperatur des Ventils nur auf einen Teil. des Gemisches auswirkt, so wird
die Verdampfung durch die Expansion des Gemisches innerhalb des Zylinders 3 vervollständigt.
Am - Ende seines Sau,hubes ,öffnet der Kolben ¢ die Austrittöffnung 16. Der
Zylinder 3 füllt siele -vollständig, falls dies nicht schon durch die Saugwirkung
auf den Vergaser geschehen sein sollte.
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Beim Verdichtungshub wird die in den Zylinder i eingetretene Luft
durch den Kolben 2 zusamnlengepreßt. Gleichzeitig wird der Brennstoffdampf, der
sich bei der Einleitung des Brennstoffgemisches in dem Zylinder 3 gebildet hat,
-in diesem Zylinder mit der Luft. welche durch 16. eingesäugt worden ist, verdichtet.
Auf diese Weise- wird der Druck der Füllung auf die gewünschte Höhe gebracht.
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Der -Dampf wird infolge dieser Verdi:chtun
- erhitzt
und erfährt bei seinem Durchtritt durch die Nut g eine Überhitzung. Die Verdichtung
in dem Zylinder 3 ist eine stärkere als die in dem Zylinder i. In der Nähe des oberen
Totpunktes des Arbeitskolhens a öffnet sich das Ventils entweder 'infolge einer
geeigneten Steuerung oder nach Regelung der Spannung der Feder 7 infolge der Druckdifferenz
in beiden Zylindern selbsttätig derart, däß die Öffnung des Ventils in einem bestimmten
Augenblick erfolgt. Der verdampfte Brennstoff wird im: die heiße verdichtete Luft
des Zylinders i eingespritzt, entzündet sich, und der Arbeitszyklus beginnt von
neuem. Die Regelung des Motors geschieht durch zwei getrennte Verfahren: a : entweder
durch Änderung der Menge des bei jedem Zyklus eingeführten Brennstoffes, was durch
das Nadelventil 17 geschieht, welches durch Verengung der Austrittsdüse unmittelbar
auf das Volumen des angesaugten Brennstoffes einwirkt, oder durch eine Klappe 18,
deren Verstellung dien Unterdruck der Spritzdüse verändert und somit unmittelbar
auf das Volumen des angesaugten Brennstoffes einwirkt. Der Zyklus bleibt stets sich
selbst gleich, da sich lediglich der Maximaldruck .ändert; 1) , oder durch Veränderung
der Geschwindigkeit der Einführung derselben Brennstoffmenge in den Motorzylindier
durch das Ventil 6. Diese Änderung der Geschwindigkeit übt infolge des Ganges dies
Motors einen Einfiuß auf die Geschwindigkeit der Verbrennung aus, wobei aber das
Kräftemoment stets dasselbe bleibt. Es geschieht dies, durch Steuerung der Klappe
i9, die ihrerseits die Füllung des Einspritzzylinders und damit den Druck und die
Geschwindigkeit der Einspritzung regelt.
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Auf diese Weise entsteht eine Umbildung des Zyklus. Der Zyklus kann
durch: sämtliche Zwischenstadien zwischen dem Zyklus konstanten Volumens und dem
Zyklus konstanten Druckes hindurchgehen.
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Abb.2 zeigt eine vereinfachte und verbesserte Ausführungsform. bei
welcher das Brennstoffluftgemisch unmittelbar in den Hilfszylinder eingesaugt wird!.
Die den Abb. i und 2 entsprechenden Teile tragen dieselben Bezugszeichen. Der Unterschied
zwischen beiden Einrichtungen besteht in der Zufuhr des Brennstoffes. die im vorliegenden
Falle durch den Vergaser 2 i erfolgt, der unmittelbar durch die Öffnung 2o mit dem
Einspritzzylinder gegen Ende des Saughubes des Kolbens .4 in Verbindung steht. Diese
Öffnung kann auch durch eine kleine Anzahl reihenweise angeordneter Öffnungen ersetzt
werden.
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Der Unterdruck im Zylinder 3 nach der Einspritzung des Brennstoffes
in den Zylinder i und nach Rückgang des Kolbens 4. bewirkt am Ende des Hubes des
Kolbens 4. eine heftige Saugwirkung auf den Vergaser a i. Während der kurzen Zeit,
die die Öffnung 2o offen ist, läßt der Vergaser die nötige Menge Brennstoffluftgemisch
übertreten, die im voraus durch geeignete Wahl der Spritzdüse und des Diffusors
.des Vergasers 2i geregelt werden kann. Die plötzliche Expansion 'im Zylinder ;
und -die Temperaturerhöhung infolge der darauffolgenden Verdichtung dies Brennstofluftgemisches
verdampft den Brennstoff vollständig. Der Druckunterschied zwischen dem Zylinder
3 und dem Zylinder i, in welchem die Luft verdichtet ist, veranlaßt das selbsttätige
Öffnen des Ventils 6.
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Die Einspritzung ist abhängig von der Spannung der Federn 7 und der
.gegenseitigen Stellung der beiden Kolben a und 4., die synchron miteinander verbunden
sind. Der Brennstoffdampf wird in die Luft dies Zylinders i eingepreßt, entzündet
sich an ihr und liefert die motorische Energie.
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Die Arbeitsweise dieses Motors ist in allen Punkten der des Motors
nach Abb. i entsprechend. Unterschiedlich ist nur die Ansaugeng der Mischung, die
hier unmittelbar in den Einspritzzylinder erfolgt.
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Der Zylinder wird durch einen Vergaser mit Spritzdüse und Diffusor
infolge Unterdruckes -speist. Der Vergaser ist in den Abb. 2 und 3 :schematisch
dargestellt und mit 21 bezeichnet. Zur regelmäPrigen Füllung des Einspritzzylinders
ist die Austrittsöffnung des Vergasers durch eine leichte und biegsame Metallplatte
3 i abgesperrt, die zwischen die Spritzdüse 32 und den Diffusor 33 einerseits und
die Eintrittsöffnung 2o des Einspritzzylinders ,1 anderseits eingeschaltet ist.
Sie legt sich auf die Fläche 36 :auf, wenn die Spritzdüse nicht unter Unterdruck
steht, und hebt sich von ihr ab, wenn ein Unterdruck entsteht, wodurch die Spritzdüse
dien Brennstoff austreten lassen kann.
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Diese Platte bat den Zweck, den austretenden Brennstoff bei seinem
Durchtritt durch den am Eintritt in den Zylinder gebildeten Schlitz m eine dünne
Schicht umzuwandeln. Anderseits bewirkt die Platte die ständige Füllung der Spritzdüse,
was besonders bei einem Einzylindermotor von Wichtigkeit isst, da man dann nicht
mehr gezwungen isst, bei jeder neuen Ansaugeng zunächst den Brennstoff in die Düse
einzusaugen, und verhindert wird, daß der Brennstoff während der Ansaugeng von selbst
austritt und sich unregelmäßig vor der Düsenölffnung anstaut, um dann bei der nächsten
Ausaugung auszutreten.
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Der Hub der biegsamen Platte wird durch
zwei Schrauben
37 und 38 begrenzt. Die Platte wird durch eine während des Ganges der Maschine durch
die Schraube 39 einstellbare Feder auf die Fläche 36 aufgedrückt. Die Regelung der
bei jeder Ansaugung austretenden Brennstoffmenge geschieht beispielsweise mittels
einer konischen Nadel 40, Welche innerhalb der Spritzdüse gleitet. Die Spritzdüse
wird durch dien Brennstoffbehälter 23 und das Rohr 22 gespeist, auf welches
der Hahn 2 4 aufgesetzt ist.