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Einspritzbrennkraftmaschine mit Verdrängerwirkung Die Erfindung betrifft
eine Einspritzbrennkraftmaschine mit Verdrängerwirkung, bei welcher eine mit dem
Arbeitszylinder verbundene, den eigentlichen Hauptbrennraum bildende Vorkammer durch
eine offene Düse gespeist wird, aus der die Brennstoffladung mittels eines aus der
Kolbenrandzone abgezweigten Luftstromes eingeblasen bzw. übergeschoben wird. Hier
findet sie gemäß der Erfindung den bereits zu einem früheren Zeitpunkt in den Vorraum
der offenen Düse eingespritzten und durch Wandungswärme zersetzten Brennstoff vor
und reißt ihn in die Vorkammer mit, woselbst eine rasche Vermischung mit dem Vorkammerinhalt
und eine schnelle Verbrennung stattfindet. Erfindungsgemäß wird also der Brennstoff
nicht wie beim Dieselverfahren verhältnismäßig kühl in eine heiße Brennluftladung
eingespritzt, um sich erst an dieser auf Überzündpunktwärme unter verhältnismäßig
großem Zündverzug zu erhitzen, sondern der Brennstoff wird bereits vor dem Einblasevorgang
durch Wandungswärme erhitzt und kann zunächst nur wegen Sauerstoffmangel noch nicht
verbrennen.
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Es sind bereits Verdrängermaschinen bekannt geworden, bei denen der
aus einer Einspritzdüse austretende Brennstoff mittels aus der Kolbenrandzone abgezweigten
Einblaseluftstromes gegen heiße Wandflächen der Vorkammer gespritzt und zur Verdampfung
gebracht wird, während der Rest der verdichteten Luftladung durch den einschiebenden
Kolben, 4.n dem Verdrängerzapfen vorbei in die Vorkammer eingepreßt und mit dem
Brennstoff vermischt wird. Bei derartigen Maschinen ist aber ein präziser Zündzeitpunkt
kaum erreichbar, vielmehr sind Vorzündung, unruhige Verbrennung und Nachbrennen
wahrscheinlich. Es ist auch eine Vorkammermaschine mit offener Vorkammer bekannt
geworden, bei welcher die Brennstoffladung in eine offene und in die Vorkammer hineinragende,
also heiße Kammer eingelagert und aus ihr mittels eines aus der Kolbenrandzone abgezweigten
Luftstromes in die Vorkammer eingeblasen wird. Aber die Brennstoffeinlagerung in
geschlossener Masse ergibt eine ungenügende Verteilung des Brennstoffes in dem Vorkammerinhalt,
auch läßt sich das Einsetzen der Zündung nicht mit solcher Genauigkeit wie beim
Einspritzen der Brennstoffladung in den Düsenvorraum erzwingen. Die Aufspeicherung
eines Teiles der Verbrennungswärme in großflächigen Wandungen und ihre Verwendung
zur Ölverdampfung im nächsten Arbeitsspiel ist gleichfalls bekannt. Aber auch dieses
Verfahren gewinnt in Verbindung mit der Verdrängerbauart und durch Einbau des Wärmespeichers
in die offene Düse eine neue Gestalt, da der nach Hubwechsel durch die offene Düse
eintretende Brenngasrückschlag eine besonders wirksame Beheizung des Wärmespeichers
ermöglicht, andererseits aber die schwer zu vermeidenden Koksablagerungen. auf den
Heizflächen wirksam verbrennt und abbläst. Indem man erfindungsgemäß den Wärmespeicher
in dem inneren Teil der
offenen Düse anordnet, wird ferner erreicht,
daß der während seiner Voreinspritzung nur mäßig erhitzte Brennstoff erst bei seinem
Ubertritt durch diesen inneren Düsenteil während des Verdrängungsprozesses auf Überzündpunktwärme
gebracht und verdampft wird, also eine Aufstapelung von großvolumigem Öldampf nicht
erforderlich ist.
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Gegenüber den üblichen Vor- und Zündkammerdieselmaschinen ist außerdem
als Unterschied hervorzuheben, daß die Vor- oder Zündkammer ihrem Rauminhalt nach
nur einen verhältnismäßig kleinen Teil des Brennraumes ausmacht und auch nur zur
Entzündung des weitaus kleineren Brennstoffteiles dient, während bei dem Erfindungsgegenstand
die Vorkammer den Hauptbrennraum bildet und bei eingeschobenem Kolben die bei weitem
größere Hälfte des gesamten Verdichtungsraumes umfaßt.
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Gegenüber den schnellaufenden Dieselmaschinen mit Druckeinspritzung
wird eine wesentliche Schonung der Brennstoffpumpen erzielt, da sich die Brennstoffeinführung
auf einen bedeutend größeren Kurbelwinkel erstrecken kann.
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Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein Vierzylinder-Zweitakt-Einkolbenmotor
mit Aufladung. Bild i zeigt einen Querschnitt in Zylindermitte. Bild 2 ist eine
Darstellung der über den Kurbelkreis verteilten Vorgänge. Bild 3 ist ein Querschnitt
in Höhe der Düsenachse nach A-B in Bild i. i ist das Zylindergußstück mit dem Kühlmantel
2, dem Auslaßhohlstück 3 und der Luftzuleitung q.. 5 ist der mittlere Auslaßkanal,
6 bezeichnet die Spülschlitze und 7 die Aufladekanäle, welche durch das zwangsläufig
gesteuerte Ventil 8 und eine untenliegende Nockenwelle zusätzlich gesteuert werden.
g ist der Zylinderkopf mit dem Kühlmantel io, in ihm befindet sich die scheibenförmige
Vorkammer ii, der sogenannte Verdrängerhals i2 und die eine veränderliche Größe
bildende Ringkammer 13- 1q. ist der Kolben, 15 der starr mit ihm verbundene Verdrängeransatz,
während 16 und 17 Zapfen und Schubstange darstellen. Zum Schutz gegen die Einwirkung
der heißen Brenngase sind der Verdrängeransatz und ein Teil der Kolbenstirnfläche
mit einer Armierung aus hochwertigem Spezialstahl 18 versehen, die durch Verschraubung
befestigt wird. Der Halbmesser des Verdrängeransatzes ist etwas kleiner als die
lichte Weite des Halses i2, so daß auf beiden Seiten ein Spiel von etwa
0,3 mm und eine entsprechende Ringspalte auch bei eingeschobenem Verdrängerzapfen
bestehen bleibt. Außerdem erhält- die Verdrängerarmierung noch eine konische Abdrehung
ig, wodurch ein reibungsloses Einschieben weiter gesichert wird. Auch zwischen Zylinderkopf
g und Kolben a¢ befindet sich, selbst in der dargestellten innersten Einschubstellung,
ein Spiel von etwa o,8 bis 1,5 °,!° der Hublänge, um ein Anstoßen des Kolbens zu
verhindern. Die wirksame Länge des Verdrängers (Verdrängerhub) ist vom Ende der
Abdrehung ig bis zur :Mündung des Halses i2 in die Ringkammer 13 zu berechnen; er
beträgt hier beispielsweise 12% der Gesamthublänge und hat übrigens nicht nur Einfluß
auf das Volumen der verdrängten Luft, sondern auch auf den Kurbelwinkel und den
Zeitpunkt der Verbrennung. Vorkammer ii und Ringkammer 13 sind außer dem Hals i2
noch im Nebenschluß durch einen knieförmig gebogenen Einblaseluftkanal2o, 21, 22
miteinander verbunden ; bei ausgeschobenemVerdränger spielt diese Nebenverbindung
infolge ihres weit geringeren Stromquerschnittes gegenüber dem Hals 12 keine wesentliche
Rolle; ist der letztere jedoch durch den eingeschobenen Verdränger 15, 18
gesperrt, so hat die übrigbleibende schmale Ringspalte einen wesentlich kleineren
Strömungsquerschnitt als der Einblaseluftkanal selbst an seinen engsten Teilen besitzt,
so daß nunmehr dieser Kanal die Hauptverbindung darstellt. Innerhalb des Kanals
sind drei besondere Abschnitte zu unterscheiden: Der enge Teil 2o, das sackartige
Winkelstück 21 und das Mundstück 22, welches zur Treibölvergasung dient. 2o ist
bei der dargestellten Ausführung unmittelbar in den Zylinderkopf g gebohrt, doch
kann seine Wandfläche vorteilhaft mit einem gehärteten Stahlrohr verkleidet werden.
Das Winkelstück 21 wird durch einen zylindrischen Körper Zia gebildet, in dem er
an seinem dem Mundstück zugekehrten Ende eine halbkugelige Aushöhlung mit seitlicher
Durchbrechung besitzt; 21n trägt außerdem den aufgeschraubten Körper der offenen
oder hydraulisch gesteuerten Brennstoffdüse 23 und ist schließlich noch mit einer
Wasserkühlung gib versehen. Das Mundstück 22 wird nach außen hin durch ein Mantelstück
22n begrenzt, welches auf seiner Innenseite schwach konisch gestaltet ist und sich
in Richtung der Vorkammer ii verjüngt; auf seiner Außenseite ist 22a nur mit zwei
verhältnismäßig schmalen Paßleisten in den Ausbau g des Zylinderkopfes eingesetzt,
während zwischen den Paßleisten ein Hohlraum 22b gebildet wird, der gegen den Verdichtungsraum
abgeschlossen ist und die Wärmeleitung verringert. Festgehalten wird der Mantel
??,a durch den ihn nach innen drückenden Winkelstückkörper 21a, der seinerseits
mit dem Zylinderkopf verschraubt ist. 22c ist der Mundstückeinsatz, der aus einem
Kernstück mit einer Anzahl angegossener Längsrippen besteht; die Rippen stützen
sich mit ihren nach außen scharfen Kanten gegen die Innenwand des Mantels 22a und
können außerdem noch irgendwie lösbar befestigt werden. 22° verjüngt sich nach beiden
Enden zu kegelförmig, und auch die der Brennstoffdüse zugekehrten Stirnflächen der
Längsrippen können
in scharfe Kanten auslaufen, Zia, 22a und 22c
sind aus hochwertigem, hitzebeständigem Spezialstahl gefertigt undsollen durch entsprechende
Nachbearbeitung spiegelglatte, glasharte Innenflächen aufweisen; hierdurch wird
im Verein mit den nach außen geschärften Längsrippen von 22c und dem Hohlraum 226
der Wärmeübergang an die gekühlten Zylinderkopfwände ermäßigt; die glatte Innenfläche
verhindert auch die Gasreibung und erschwert den Niederschlag von Brennstoffrückständen,
begünstigt ferner, falls ein solcher überhaupt eintreten kann, die Reinigung. Zwischen
den einzelnen Längsrippen von 22c entstehen eine Anzahl schmaler und langer Kanäle,
welche an der Mitte des Kernstückes enger werden.
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Im Betriebe schließt der aufwärts gehende Kolben 14 zunächst die Spülkanäle
6, dann die Auslaßkanäle 5 ; durch das geöffnete Ventil 8 -und die Aufladekanäle
7 dringt dann noch immer etwas Ladeluft in den Zylinder, bis der Kolben auch 7 abschließt.
Bei der weiteren Aufwärtsbewegung wird der Luftinhalt des Zylinders i auf etwa 25
bis 3o Atmosphären verdichtet und hierdurch wie beim Dieselverfahren auf Überzündwärme
erhitzt. Eine gewisse Strecke vor der inneren Einschubstellung taucht der Verdrängeransatz
15, 18 zunächst mit seiner konischen Abdrehung i9, dann mit seiner vollen
zylindrischen Form in den Verdrängerhals 12 und schließt denselben größtenteils
ab. Die nun in der immer kleiner werdenden Ringkammer 13 noch befindliche Luftmenge,
die einen erheblichen Teil der Gesamtladung ausmacht und als Verdrängerluft bezeichnet
wird, ist an ihrem weiteren Übertritt durch x2 nach der Vorkammer =i plötzlich behindert;
sie muß jetzt, da sehr rasch eine empfindliche Druckdifferenz entsteht, durch den
Einblaseluftkanal 2o, 21, 22 sowie zum bedeutend kleineren Teil durch die bei 12
verbleibende schmale Ringspalte nach =i überströmen; dieser Vorgang hält etwa bis
zur Erreichung der inneren Totpunktstellung an. Vor diesem Zeitpunkt, und zwar bei
raschlaufenden Zweitaktmotoren um etwa 6o bis =8o° vor Verdrängungsbeginn anfangend,
bei Viertaktschnelläufern u.U. noch früher, spritzt die nicht dargestellte Brennstoffpumpe
die für ein Arbeitsspiel erforderliche Treibölmenge durch die Brennstoffdüse 23
in den mittleren Teil des Einblaseluftkanals 21 ein. Im Gegensatz zu den Dieselmotoren
mit Druckzerstäubung kann hier die Einspritzung allmählich während eines weit größeren
Kurbelwinkels und auch bei wesentlich geringerem Druck stattfinden, wodurch die
Brennstoffpumpe, auch bei hohen Drehzahlen, geschont wird; bei einem beispielsweise
viermal größeren Kurbelwinkel und 3 ooo Umläufen minutlich ist die Einspritzgeschwindigkeit
erst die gleiche wie bei einem Druckzerstäubungsmotor von 750 minutlichen
Umdrehungen. Der eingespritzte Brennstoff wird mehr oder weniger fein zerstäubt
und verbreitet sich in dem engen Raum 2i sowie in den anschließenden Teilen von
2o und 22; insbesondere schlägt er sich auf den ihm zugekehrten,. verhältnismäßig
sehr großen Flächen der Längsrippen und des Kernstückes von 22° sowie des Mantels
2211 in kleinsten Tröpfchen nieder und verdampft dort ganz oder teilweise infolge
der hohen Temperatur dieser Heizflächen und wohl auch unter der Einwirkung heißer
Abgasereste in 21 und 22.
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Da übrigens die Achse der Brennstoffdüse mit der Achse des Kernstückes
22° zusammenfällt, so wird der Treibölstreukegel im allgemeinen ziemlich zentrisch
aufgespalten und unter die zwischen den Rippen befindlichen Einzelkanäle einigermaßen
gleichmäßig verteilt; besondere Genauigkeit der Verteilung ist unwesentlich. Eine
Vorentzündung des Brennstoffes wird zunächst durch den Mangel an Sauerstoff behindert,
insbesondere, da 2o und 22 noch teilweise mit unverbrennlichen Restgasen besetzt
sind; selbst aber, wenn Ladeluft eingedrungen ist, so kann eine Vorentzündung bei
der Geringfügigkeit solcher Luftbeimengung, bei dem Mangel an Mischgelegenheit und
sehr geringem Zeitraum keine unerwünschte oder auch nur äußerlich bemerkbare Ausdehnung
annehmen. Nach erfolgter Absperrung des Verdrängerhalses 12 dringt die aus 13 verdrängte
Luftmenge durch 20, 21 und die Einzelkanäle von 22 in die Vorkammern =i. Hierbei
schiebt sie den bereits teilweise vernebelten, verdampften oder vergasten Brennstoff
vor sich her in die Vorkammer =i hinüber, und selbst noch flüssige, an den Wänden
von 22a und 22c niedergeschlagene Teilchen werden von der mit großer Geschwindigkeit
durchblasenden Luft mitgerissen. Bei diesem als Verdrängungsprozeß zu bezeichnenden
Vorgang muß das Brennstoffgemisch noch den engeren und längeren Teil der Einzelkanäle
von 22 durchströmen, wobei es unter der Einwirkung dieser sehr heißen und verhältnismäßig
großen Wandflächen völlig vergast und bei seinem Eintritt in die Vorkammer die für
die üblichen Treiböle geltenden Zündtemperaturen bereits überschritten hat. Während
nun bisher die Verbrennung behindert und verzögert wurde, wird sie jetzt in der
Vorkammer enorm beschleunigt. Hier findet der Brennstoff bei seinem raschen Übertritt
eine durch Verdichtung genügend erhitzte Luftladung vor und geht nun augenblicklich
ohne Zündverzug in Verbrennung über, so daß bei diesem Verfahren Mischung, Zündung
und Verbrennung gewissermaßen identisch sind. Zur weiteren Vervollkommnung des Arbeitsprozesses
mündet der Einblaseluftkanal in an sich bekannter Weise tangential in die scheibenförmige
Vorkammer ein (Bild 3), so daß eine kräftige Drehströmung
des Vorkammerinhaltes
einsetzt, welche die bereits verbrannten Schichten vor sich herschiebt und eine
reibungslose Verbindung des weiterhin tangential nachdrängenden Ölgases und der
Verdrängungsluft mit der peripherial nachdrängenden Luft des Vorkammerinhaltes sichert.
Auch das Nachbrennen noch zurückgebliebener Brennstoffteilchen mit der noch nachdrängenden
Verdrängungsluft und den wieder zurückströmenden, noch immer Sauerstoff enthaltenden
Brenngasen ist im Gegensatz zu anderen Brennkraftmaschinen bereits kurz nach Hubwechsel
abgeschlossen. Der vorgesehene Luftüberschuß verteilt sich ziemlich gleichmäßig
auf die verschiedenen Abteilungen des Verdichtungsraumes. Die Diagramme fallen nicht
spitzer aus als bei den Druckzerstäubungsmaschinen mit Drucksteigerung, da die verhältnismäßig
frühe und plötzliche Verbrennung durch die höhere Drehzahl und den rascher davoneilenden
Kolben wieder ausgeglichen wird. Durch Anwendung des geschränkten Kurbeltriebes
läßt sich die Diagrammspitze weiter abflachen, da hierdurch der Kolben im ersten
Teil des Expansionshubes eine zusätzliche Beschleunigung erfährt. Nach erfolgtem
Hubwechsel setzt alsbald die sogenannte Gegenverdrängung aus der Vorkammer ix in
die wieder größer werdende Ringkammer 13 ein, wobei die heißen Brenngase
zum kleineren Teil durch den stark gedrosselten Verdrängerhals i2, zum größeren
Teil durch den Einblaseluftkanal 22, 21, 2o zurückfließen. Infolge der vielfachen
Unterteilung und daher sehr großen Oberfläche der Einzelkanäle von 22 werden hierbei
die Gase kräftig gekühlt und übertragen einen wesentlichen Teil ihrer Brennwärme
auf die Längsrippen von 22c sowie auf das Kern- und Mantelstück, die dadurch sämtlich
auf hohe Betriebstemperaturen gebracht werden. Beim nächsten Arbeitsspiel geben
sie dann einen Teil der so aufgenommenen Wärme an den durchgeblasenen Brennstoff
wieder ab, und auch die nachgeschobene Verdrängungsluft wird aus der gleichen Quelle
weiter erhitzt. Diese feuerlose Brennstoffzersetzung durch gespeicherte Wandungswärme
ist ein wesentliches Erfindungsmerkmal; im Gegensatz zu der pyrogenen Aufbereitung
mittels Teilexplosion bei den Zündkammermotoren, im Gegensatz zu den Dieselmaschinen
mit Luft und Druckzerstäubung, bei denen die Brennstofferwärmung lediglich aus der
Luftwärme abgeleitet wird, und auch im Gegensatz zu den Glühkopf- und Bagnulomotoren,
die zwar 'gleichfalls mittels Wandungswärme vergasen, nicht aber die Verdrängerwirkung
benutzen, um den Brennstoff zwangsläufig während eines genau bestimmbaren Kurbelwinkels
durch die heißen, großflächigen Kanäle hindurchzublasen. Der Fortschritt gegenüber
diesen beiden letzteren Maschinengattungen liegt nicht nur in dem verringerten Brennstoffverbrauch
durch schnellere Umwandlung von Wärme in Kraft und in der durch Schnellauf erhöhten
spezifischen Leistung, sondern auch in dem kräftigen Durchblasen der heißen Kanäle
22 sowohl während des Verdrängungsvorganges als auch später beim Zurückschlagen
der Brenngase; hierdurch wird die bei Glühkopfmotoren vielfach beobachtete Olkoksbildung
unmöglich gemacht, und insbesondere die zurückschlagenden Brenngase verbrennen und
entfernen jeden Niederschlag an den heißen Flächen. Die trotzdem erforderliche gelegentliche
Reinigung des ganzen Einblaseluftkanals ist im übrigen durch Herausnehmen der Einsätze
leicht zu bewerkstelligen. Beim weiteren Aufschub des Kolbens 1q. legt der Verdränger
15, 18, ig den Verdrängerhals i2 wieder frei, urid der sich fortsetzende Übertritt
der Brenngase von ii nach 13 geht nun wieder größtenteils durch den Verdrängerhals
12, die Gegenverdrängung durch den Einblasekanalist hiermit beendet. In der zweiten
Hälfte des Ausdehnungshubes deckt der Kolben zunächst die Aufladekanäle 7 auf, wobei
die noch gespannten Gase durch Ventil 8 in bekannter Weise an einem weiteren Vordringen
in die Luftleitung verhindert werden. Dann werden die Auslaßkanäle 5 geöffnet, worauf
Vorauspuff stattfindet, schließlich auch die Spülkanäle 6, worauf die durch ¢ kommende
Spül- und Ladeluft den Brenngasrest durch 5 und 3 größtenteils herausschiebt. Nach
erfolgtem Hubwechsel werden 5 und 6 wieder geschlossen, während durch 7 und das
inzwischen geöffnete Ventil 8 noch immer Ladeluft aus q. nachströmt. Dann überdeckt
der Kolben auch die Kanäle 7, und das Arbeitsspiel beginnt von neuem. Durch die
abseitige Lage und den engen Querschnitt des Einblaseluftkanals 2o, 21, 22 wird
dieser von den Spülvorgängen im Zylinder wenig berührt; er bleibt daher größtenteils
mit unverbrennlichen Abgasresten angefüllt, die insbesondere in den überlangen Kanalteilen
2o und 22 verharren und sich dem danach in 2i eingespritzten Brennstoff zu beiden
Seiten vorlagern; auch während der Verdichtung, bis zum Beginn der Verdrängung,
bleiben die zurückweichenden Restgasschichten noch mehr oder weniger als eine schützende
Isolierung zwischen Luft und Brennstoff bestehen und helfen so die zu diesem Zeitpunkt
noch unerwünschte Zündung verhindern oder doch wenigstens verzögern.
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Bei Viertaktmaschinen ist der erfindungsgemäße Arbeitsvorgang prinzipiell
der gleiche; Ein- und Auslaß sind hier an der Vorkammer ix anzuordnen.
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Die Teile 22, 22a und 22° sind am besten als offene Düse, Düsenmantel
und Düseneinsatz, 2o als eigentlicher Einblaseluftkanal zu bezeichnen.
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Bei Langsamlauf wird der Brennstoff verspätet
eingespritzt,
so daß er die eigentliche Verdrängerwirkung ganz oder teilweise versäumt und erst
von der Gegenverdrängung, unterstützt durch die zündkammerartige Wirkung der etwa
bis in die Vorkammer schon eingedrungenen Brennstoffteile, in umgekehrter Richtung
durch 2o in die Ringkammer 13 eingeblasen wird, wo er erst bei ausschiebendem Kolben
verbrennt.
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Hierbei, wie insbesondere auch während des Anlassens, erfolgt die
Verbrennung nach Art des Dieselverfahrens ohne Vorvergasung des Treiböles; erst
nach hinreichender Erwärmung von 22, 22a und 22c beginnt die Olgasbildung und damit
die Möglichkeit höherer Drehzahlen. Der Erfindungsgegenstand ist als Ein- oder Mehrzylindermaschine,
einfach oder doppeltwirkend, in Zweitakt- oder Viertaktbauart, ohne prinzipielle
Veränderungen ausführbar.