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Luftverdichtende Brennkraftmaschine für staubförmige Brennstoffe Die
Erfindung bezieht sich auf eine Breniikraftinaschine mit Beikammer für staubförmige
Brennstoffe.
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Es sind bereits Brennkraftmascbinen mit einer Vorkammer vorgeschlagen
worden, bei denen der Brennstoff nach dem Arbeitszylinder zuerst dann durch die
Vorkammer gespritzt wird, wenn er im Arbeitszylinder wirken soll, also im allgemeinen
bei Kompressionsende. Er vermischt sich also dabei mit der heißen Vorkammerluft
nur während seiner sehr kurzen Durchströmzeit und muß gegen den hohen Vorkammerinnendruck
in die Vorkammer eingebracht werden. Staubförmiger Brennstoff läßt sich nun aber
nicht gegen einen hohen Innendruck einstäuben, so daß für staubförmige Brennstoffe
diese bisher bekannten Vorkammermaschinen nicht verwendbar sind. Es ist auch bereits
eine Brennkraftmaschine für flüssige Brennstoffe bekannt geworden, bei welcher die
Brennstoffladung zu einem beliebigen Zeitpunkt vor dem Ende der Verdichtung in die
Vorkammer eingebracht wird, während des Verdichtungshubes unter der Einwirkung der
aus dem Arbeitszylinder in die Vorkammer eindringenden verdichteten Arbeitsluft
steht und gegen Ende der Verdichtung Teilzündung in der Vorkammer mit anschließender
Ausspritzung des Brennstoffes in den Hauptbrennraum und Hauptverbrennung stattfindet.
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Die Erfindung besteht nun in der Verwendung einer derartigen Beikammer
bei Maschinen für staubförmige Brennstoffe, und zwar ist eine mit dem Hauptverbrennungsraum
in Verbindung stehende Beikammer vorgesehen, in welche der staubförmige Brennstoff
vor Beginn des Verdichtungshubes eingebracht wird und in welcher dieser mit Luft
vermischte Staub während des Verdichtungshubes unter einer solchen Einwirkung der
aus dem Arbeitszylinder in die Beik.ammer eindringenden verdichteten Arbeitsluft
steht, daß durch Teilverbrennung gegen Ende des Verdichtungshubes eine Ausblasung
des Kammerinhaltes in den Hauptverbrennungsraum stattfindet. Die Beikammer hat vorteilhaft
eine langgestreckte Form; der staubförmige Brennstoff wird möglichst entfernt von
der Ausblasemündung, z. B. am entgegengesetzten Ende der Beikammer, eingeführt und
der Beikaminerinhalt im Verhältnis zum Hubvolumen der Maschine so gewählt (er beträgt
z. B. bei den üblichen Verdichtungsenddrücken von 2a bis 36 Atm. ungefähr 1,5 bis
0,4 °/o des Hubvolumens), daß der Staub vor Verdichtungsbeginn durch den Beikammerhals
nicht wesentlich in den Arbeitszylinder eindringen kann, daß aber auch während der
Verdichtung die aus ihm entwickelten zur Expansion neigenden Bestandteile nicht
in den Arbeitszylinder überdringen können und daß gegebenenfalls auch beim Anlassen
der Maschine eine genügende Selbstzündung mit Beikammerausblasung entsteht, so daß
in diesem Falle besondere Anlaßzündvorrichtungen entbehrlich werden.
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Die Beikammer kann ständig in offener
Verbindung mit
dem Arbeitszylinder stehen, es kann aber auch am Beikammerhals ein Drosselkörper
angebracht sein, welcher den Eintritt der verdichteten Arbeitsluft aus dein Arbeitszylinder
.in die Beikammer so zu verzögern gestattet, daß der Zeitpunkt der Teilzündung in
der Beikammer mit anschließender Ausblasung des Brennstoffes in den Hauptbrennraum
und die Hauptverbrennung etwa in Nähe der Totpunktstellung der Maschine gelegt und
der Maschinendrehzahl angepaßt werden kann. Es kann ferner am Beikammerhals ein
periodisch gesteuerter Abschluß- oder Drosselkörper angebracht werden, der während
der Einführungsperiode des Brennstoffes den Beikammerhals vollständig abschließt
oder verengt, während des Verdichtungshubes den Beikammerhals aber mehr oder weniger
freigibt.
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Dieser Brennstoffvorraum wird hier mit dem neuen Wort »Beikammer«
bezeichnet, weil er eine Art Warteraum darstellt, in welchem sich der Brennstoff
etwa einen ganzen Maschinentakt lang aufhält. Im Gegensatz dazu sollte die Bezeichnung
»Vorkammer« dem Durchgangsraum vorbehalten bleiben, durch welchen das Treiböl kurz
vor seiner Ausbrenn.ung im Arbeitszylinder hindurchgespritzt wird. Das Treiböl hält
sich dabei nicht in der Vorkammer auf.
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Während der Verdichtung der Arbeitszylinderluft tritt durch den Be:ikammermund
aus dem Zylinder ein allmählich an Druck, Wärme und Menge zunehmendes Luftgemisch
in die Beikammer ein, bis dasselbe eine bestimmte Teilmenge des in der Beikammer
befindlichen Brennstoffes anbrennt. Die in der Beikammer dadurch hervorgerufene
Drucksteigerung bleibt aber bei der Beikammergröße gemäß der Erfindung bis zum Kompressionsende
kleiner als der Druck im Zylinder und kommt erst am Ende der Kompression zu explosionsartiger
Drucksteigerung, z. B. auf etwa 6o bis i oo Atm., so daß erst dann der hohe Beikamrnerüberdruck
den Beikammerinhalt in den Arbeitszylinder hineinwirft. Der Beginn der Zündung einer
Brennstoffteilmenge in der Beikammer wird nach Rechnung und Erfahrung nur -,wenig
von der Temperatur des verhältnismäßig kleinen Restgasgewichtes in der Beikainmer,
sondern im wesentlichen von der Endtemperatur des verhältnismäßig großen Teilgewichtes
der heißen Arbeitszylinderluft bestiinnit. Da aber dessen Betrag nur von dem gemäß
der Erfindung ausgeführten Beikammerinhalt (unter Berücksichtigung der Drosselung
durch den Beikammermund und Beikammerkühlung) abhängt und dieser Inhalt bei Leerlauf
und größter Maischinenbelastung immer fast gleich groß bleibt, so leuchtet ein,
daß der Zeitpunkt der Selbstaus'blasung von der Belastung der Maschine und vom Unterschiede
des Wärmezustandes der Beikammer zwischen Anlassen und Betrieb praktisch fast unabhängig
ist. Die Beikammer kann dabei durch ausreichende Kühlung auf einer verhältnismäßig
niedrigen Temperatur, fast wie beim Anlassen der kalten Maschine, erhalten werden.
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Die neue Beikammer bietet dem aus dem Vorrate pro Hub vom Regler abgemessenen
Brennstoffe eine sichere Aufbewahrungsstelle bis zur Zündung. Er findet auch dann
noch in der Beikammer Platz, nachdem er in ihr an den heißen Restgasen sich erwärmt,
verdampft oder vergast hat, so daß er nicht vorzeitig durch solche Volumenvergrößerung
in den Arbeitszylinder übergeschoben wird. Diese sichere Aufbewahrung bis zur Zündung
ist besonders für staubförmige Brennstoffe wichtig, weil diese nur in brennendem
Zustande in den Zylinder gelangen und mit der geölten Zyllnderlauffläche in Berührung
kommen dürfen, sonst klebt das Pulver an den geschmierten Wänden an und bringt den
Kolben zum Festsitzen. Andererseits kann aber . solch lockeres Brennstoffpulver
nicht gegen hohen Gegendruck in :die Maschine eingeführt werden. Es muß also schon
um die ganze Kompressionszeit vor der Zündung in die Maschine eingelagert werden.
Für staubförmige Brennstoffe besitzt diese neue Beikammerden großen Vorteil, daß
sie den verhältnismäßig langsam sich erhitzenden Pulverbrennstoff lange genug für
die Zündung vorbereitet und dadurch keinen Pulverteil ungezündet läßt.
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Die Zeichnung stellt eine beispielsweise Ausführungsform einer Beikammer
gemäß der Erfindung in Abb. i im senkrechten Längsschnitt und in Abb. 2 im Querschnitt
dar, bei der der Beikammerhals in ständig offener Verbindung mit dein Arbeitszylinder
steht.
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Da bei Viertaktmaschinen meist im Zyldnderdeckel möglichst große Ein-
und Auslaßventile angeordnet sind, so ist nur noch ein geringer verfügbarer Konstruktionsraum
vorhanden; hierdurch wird im allgemeinen eine langgestreckte Form der Beikammer
von tunlichst geringem Außendurchmesser bedingt. Der pulverförmige Brennstoff wird
möglichst an dem der Beikammermündung i entgegengesetzten Ende, durch ein Pulverfüllventil
gesteuert, zugeführt. Das Pulverfüllventil ist z. B. als Doppelventil a, 3 ausgebildet.
Beim Einbringen des Brennstoffpulvers in die Beikammer wird zuerst das innere Ventil
:2 geöffnet, so daß ein etwa in der Beikamm@er vorhandener Überdruck durch den Zwischenraum
4 zwischen den
Ventilen :2 und 3 nach außen erst entweichen und
dann mit dem Brennpulver etwas Frischluft mit eingesaugt werden kann. Die Beikammer
kann beispielsweise durch senkrecht in der Beikammerwandung angebrachte Bohrungen
mit Wasser gekühlt werden. Diese Bohrungen i 9 münden oben in einen Ringkanal2o,
an welchen zwei nebeneinanderliegende Stutzen 21 für Zuleitung und Abführung des
Kühlwassers angeschlossen sind. Die Beikammer bildet also mit der Kühlung ein geschlossenes
ganzes Stück.
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Das Mundstück 26 kann auswechselbar sein, um die Weite der Ausblasemündung
i dein jeweils verwendeten Brennstoffe anpassen zu können. Es wird dabei (Abb. 3)
vorn Beikammerinneren aus eingeschraubt und herausgenommen, so daß der Beikammerdruck
das Mundstück 26, das sich gelockert haben könnte, nicht in den Arbeitszylinder
werfen kann. 'Die günstigste Weite der Beikaimneriniindung i ist leicht beim Einlaufenlassen
der Maschine auf dem Probierstand durch Erproben verschieden weiter Mundstücke zu
finden.
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Das Volumenverhältnis der Beikammer zum Arbeitszylinder wird so gewählt,
daß das während der Kompression vom Zylinder aus eingepreßte Sauerstoffgewicht so
viel von der ganzen Brennpulv erladung in der Beikaminer vorzündet, als zum völligen
Ausblasen der Beikammer nötig ist. Der Beikammerüberdruck durch diese Teilvorzündung
muß in der kurzen, vom Maschinengang vorgeschriebenen Zeit gegen den Verdüchtungsenddruck
die Beikammer rein ausblasen können. Die Beikammer darf aber auch nicht zu groß
gemacht werden, weil sonst die in ihr verbrennende Brennstoffteilmenge und ihre
Wärmeverluste an die Beikammerwandungen zu groß werden, also unter Umständen, besonders
bei geringer Belastung, der ganze Brennstoff schon in der Beikammer verbrennt und
keiner mehr für die Ausblasung in den Zylinder übrig ist. Für das günstigste Volumen
der Beikammer für verschiedene Kompressdonsenddrücke ergaben umfassende Forschungen
folgende Faustformel Das Beikammervolumen soll sich zum Kompressionsraum am Ende
der Kompression etwa verhalten wie der Kompressionsraum zum gesamten Inhalt des
Arbeitszylinders bei Beginn der Kompression.
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Die Beikammergröße nach dieser Formel muß aber dann noch etwas nach
anderen Einflüssen abgestimmt werden, z. B. nach der Zündtemperatur des Brennstoffes,
nach der Mahlfeinheit des Brennpulvers, nach dem Ausblasemundwiderstand, nach der
Gestalt und der Kühlung der Beikammer usw. Je größer nämlich .das Pulverkorn ist,
ebenso je enger die Mundöffnung eingestellt wird, um so größer muß der Beikammerinhalt
über das Formelmaß vergrößert werden, damit die Zündung richtig erfolgt.
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Bei den normalen Kompressionsenddrücken von etwa 22 bis 36 Atm. beträgt
danach der Beikammerinhalt ungefähr 1,5 bis 0,4 Hundertstel des Arbeitszylinderfr'vschl.uftvolumens.
Die Beikammer muß entsprechend verändert werden, wenn die Frischluft beim Eintritt
in den Arbeitszylinder bereits höhere Spannung als atmosphärischen Druck besitzt.
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Der lichte Inhalt der Beikammer kann danach so groß ausfallen, daß
ohne besondere Hilfszündvorrichtungen allein durch die während der Kompression aus
dein Arbeitszvlinder in die Beikaminer gedrängte hochkomprimierte, also hoch erhitzte
Luft brauchbare Anlaßzündungen bei kalter Beikammer hervorgerufen werden.
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Natürlich kann auch die Zylinder- oder Deckelwand selbst als Umschließung
des Beikammerinhaltes oder des Kammerkühlraumes benutzt werden.