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Gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung Den Gegenstand
der Erfindung bildet eine neuartige Ausgestaltung der Teile im Innern des oder der
Zylinder von Verbrennungsmotoren, die insbesondere die Verwendung von Brennstoffen
mit hohem Flammpunkt, z. B. von Alkoholen, schweren Ölen, Gasöl, vegetabilischen
Ölen usw., ermöglichen soll. Dabei sollen die folgenden wesentlichen Wirkungen erzielt
werden: z: Vollständige Umwandlung des Brennstoffes vor der Zündung in gesättigten
oder überhitzten Dampf. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Brennstoffteilchen beim
Eintritt in den Zylinder in Form einer Suspension oder eines Nebels in dem Brennstoffgemisch
enthalten sind, das an sich in beliebiger Weise z. B. durch einen Apparat nach Art
der üblichen Vergaser oder auch durch direkte Einführung in den Zylinder unter Herbeiführung
eines feinen Verteilungszustandes mit Luft erzeugt werden kann.
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a. Turbulente Bewegung des, wie erwähnt, vor der Zündung erzeugten
Dampfes (also nicht, wie bisher, turbulente Bewegung des noch in Nebelform oder
in Form feiner suspendierter Tröpfchen befindlichen Brennstoffs).
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3. Eintritt der Zündung iri einem vollständig gleichmäßig von brennbarem
Gas erfülltem Raume, also nicht, wie bisher, in einem Raume, in dem noch flüssige
Teilchen vorhanden sind.
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q.. Verwendung niedriger Kompressionsdrücke und von dieser unabhängiger
Ausgestaltung der Zündung, daher die Möglichkeit größter Anpassung der Motoren an
jede gewünschte Beschleunigung.
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Anordnung der Zündkerze, derart, daB dieselbe in der Verbrennungskammer
gegen den außerhalb der Verbrennungskammer eintretenden Frischladungsstrom geschützt
ist. Hierdurch wird eine gute und gleichmäßige Wirkung der Zündkerze, insbesondere
bei der Verwendung schwerer Brennstoffe, erreicht. Um dieses Ziel zu erreichen,
ist es nach der Erfindung nicht erforderlich, der Zündkerze eine besondere Form
zu geben. Es genügt, wenn man sie an Stellen unterbringt, wo der Zutritt der zu
entzündenden Dämpfe zu ihr erschwert ist.
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Man hat die hier angestrebten Wirkungen bekanntlich teilweise, allerdings
nur mit mangelndem Erfolg, durch außerhalb des Zylinders vorgesehene Hilfsmittel
zu verwirklichen gesucht, z. B. durch besondere Konstruktion des Vergasers oder
der Zuführungs-
Leitung, durch Anordnung von Verdampfern, Überhitzern,
oder auch durch Anwendung hoher Kompressionsdrücke. Es wurde bereits vorgeschlagen,
bei Dieselmotoren mit selbsttätiger Zündung eine bessere Durchmischung der Luft
mit dem eingespritzten Brennstoff durch eine besondere Formgebung des Kolbens zu
erreichen, indem auf den Kolbenboden ein Ring aufgesetzt wurde, wodurch ein Strahl
hochverdichteter Luft im entgegengesetzten Sinne zur Kolbenbewegung wirksam wurde.
Auch wurde bereits vorgeschlagen, bei Schwerölmotoren mit zirkulierender Schmierung
besondere Flächen anzubringen, um eine Verdünnung des Schmieröles durch den Triebstoff
dadurch zu verhindern, daß der Triebstoff vor Berührung mit dem Schmieröl verdampft
wurde. Durch denGegenstand der Anmeldung wird das Ziel unter optimalen Bedingungen
für die Ausnutzung der Energie des Brennstoffgemisches ausschließlich durch neuartige
Ausbildung der Zylinderkammern erreicht. Die Wirkungsweise der im Innern des Zylinders
vorgesehenen Hilfsmittel ist eine ganz andere als bei den früheren Ausführungsformen.
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Beim Erfindungsgegenstand wird ein Teil der Ladung gegen Ende des
Verdichtungshubs mit großer Geschwindigkeit an den heißen Verdampferwänden vorbei
in eine besondere Verbrennungskammer verdrängt. Hierdurch wird eine bessere Verdampfung
und außerdem eine besondere Gemischdurchwirbelung als bei den bisher bekannten Maschinen
erreicht. Hierdurch wird die Ausnutzung des Triebstoffes eine wesentlich bessere
und der Gang des Motors ein sehr ruhiger.
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Der Erfindungsgegenstand bietet den Vorteil, daß alle Kondensationserscheinungen
des Brennstoffnebels vermieden werden, die sich z. B. infolge eines Unterdruckes
oder von Druckschwankungen bei der Zuführung des Brennstoffnebels oder infolge von
Stößen gegen die Wände oder auch infolge eines bei der Kompression auftretenden
überdrucks ausbilden können, insbesondere dann, wenn der Motor verhältnismäßig kalt
ist und mit einem Niederdruckvergaser arbeitet, der nicht imstande ist, den Brennstoff
zu verdampfen und zu entzünden.
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Beim Erfindungsgegenstand wird ferner der Nachteil des Leistungsverlustes
vermieden, der mit der Erwärmung zusammenhängt, die beim Aufprall des eingespritzten
Brennstoffes auf rotglühende Wände erfolgt, wie es z. B. bei Glühkopfmotoren der
Fall ist.
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Endlich wird auch der Nachteil der Verdampfungsverzögerung in Berührung
mit unterhalb des Flammpunktes abgekühlten Wänden vermieden, wie er z. B. beim Betrieb
von Motoren mit schweren oder im festen Zustande eingeführten Brennstoffen trotz
hoher Kompression eintritt.
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Auch kann die Zuführung des Brennstoffgemisches in möglicht dichtem
Zustande erfolgen, da das Brennstoffgemisch nicht zufolge eines Durchganges durch
außenliegende Vorwärmevorrichtungen u. dgl. an Dichte eingebüßt hat. Bei der unabhängigen
Anordnung der Zündung ist es ferner möglich, sehr große Geschwindigkeiten zu erreichen.
Zu diesem Zweck wird der Zylinderkopf des Motors durch einen Deckel gebildet, dessen
oberer Teil gegebenenfalls z. B. mit Hilfe von Vorsprüngen, z. B. angesetzten flügelartigen
Teilen, oder auch mit Hilfe von Wasser gekühlt werden kann (was jedoch nicht unbedingt
notwendig ist). Dagegen ist auf der inneren Seite des Deckels im Zylinder eine nicht
gekühlte Kammer angeordnet, deren Temperatur regelmäßig höher bleibt als die für
die Verdampfung erforderliche Temperatur und die eine Art Verbrennungs- oder Explosionskammer
von praktisch idealer etwas sphärischer und parabolischer Form bildet.
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Diese Kammer kann gegebenenfalls auch im Innern des Zylinders befestigt
sein, anstatt am Deckel.
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Der Kolben wird vorzugsweise als sogenannter Hohlkolben ausgebildet,
d. h. sein Boden wird nicht eben oder konvex, sondern hohl gestaltet und derart
angeordnet, daß die hohle Seite gegen das Innere der Verbrennungskammer gerichtet
ist.
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Im übrigen wird bei dem Kolben entsprechend der Erfindung ein vorspringender
Ring angeordnet, der fest mit dem Kolben verbunden oder in einfachster Weise auf
ihn aufgesetzt sein kann. Dieser ringförmige Körper greift in einen ringförmigen
Raum ein, der sich zwischen der Zylinderwandung und der Verbrennungskammer befindet.
Das Ergebnis dieser Anordnung besteht darin, daß etwa am Ende des Kompressionshubes
eine Art Strecken des Brennstoffnebels in dünner Schicht gegen die warmen Wände
und durch den ringförmigen Raum zwischen dem mit dem Kolben verbundenen Ring und
der Wandung der Verbrennungskammer hindurch erzeugt wird. Der Brennstoffnebel wird
dadurch beschleunigt gegen den Boden des Kolbens und darauf ins Innere der Verbrennungskammer
geführt, wo er vollständig verdampft eintritt, nachdem er vorerst seiner ganzen
Menge nach zwangsläufig die heißen Wände der Verbrennungskammer und den hohlen Kohlenboden
intensiv bespült hat, wobei sich Verbrennungskammerwände und Kohlenboden während
des Ganges des Motors beständig wieder erhitzen. Insbesondere wird
dadurch,
daß die Seitenwände 4 der Mulde 3 des Arbeitskolbens :2 sich gegen Ende des Kolbenauswärtsganges
über die Verdampferwände 7 hinweg bis nahe an die Stirnwand des V erbrennungsrauines
schiebt, eine Verbrennungskammer gebildet, in welche hinein der von der Seitenwand
derMulde verdrängte Ladungsteil durch den Spalt zwischen den Verdampferwänden 7
und der Muldenseitenwand hindurchgedrückt wird. Hierbei wird dieser Ladungsteil
bei Berührung mit den heißen Verdampferwänden verdrängt und wirbelt den übrigen
Ladungsteil auf, so daß dadurch eine restlose Durchmischung der Verbrennungsgase
vor der Zündung erzielt wird. Der durch Berührung mit der heißen Fläche gebildete
Dampf wird somit bei der Einführung in die Verbrennungskammer sowohl einer die gute
und vollständige Verbrennung befördernden turbulenten Bewegung unterworfen wie auch
in Berührung mit den warmen Wänden der Verbrennungskammer und des Kolbens entsprechend
erhitzt. Diese vollständige Verdampfung und die gleichzeitig eintretende Erhitzung
oder Überhitzung werden mit der Maßgabe verwirklicht, daß die Kompression die Spannung
der Brennstoffdämpfe bei der betreffenden Temperatur der Verbrennungskammer und
des Kolbens nicht übersteigt und daß, wenn diese Temperatur größer ist als die Temperatur
des unter dein jeweiligen Kompressionsdruck gesättigten Dampfes, Überhitzung eintritt.
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Die hierbei einzuhaltenden Faktoren sind leicht durch den Versuch
zu bestimmen.
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Es sei noch erwähnt, daß die Anordnung auch im umgekehrten Sinne ausgebildet
werden kann, indem der ringförmige Körper mit dem Bodenstück des Zylinders verbunden
wird, während im Kolben dann der Raum vorgesehen wird, der den ringförmigen Körper
aufnimmt. In diesem Falle würde der Boden des Kolbens nicht mehr ganz nach Art eines
Hohlkolbens auszubilden sein.
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Andere Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes betreffen z. B.
die Zuführung des Brennstoffgemisches durch Ventile, die im oberen Teile des Zylinders
angeordnet sind.
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In der beiliegenden Zeichnung sind verschiedeneAusführungsformen des
Erfindungsgegenstandes beispielsweise dargestellt.
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Abb. z stellt in beispielsweiser und schematischer Ausführung einen
Motor entsprechend der Erfindung dar.
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Es bezeichnet hier die Ziffer z den Motorzylinder. Der Kolben ist
mit z bezeichnet. Derselbe besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel einen sogenannten
Hohlboden 3. Der obere Teil des Kolbens 2 wird durch einen ringförmigen Fortsatz
4 gebildet. Der Zylinderkopf ist mit 5 bezeichnet. Derselbe ist mit, rippen- oder
flügelartigen Ansätzen 6 versehen und besitzt ein° nach clem Zylinderinnern hin
vorspringende Wandung7, welche die Verbrennungskammer 9 bildet.
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In der Verbrennungskammer ist in bekannter Weise eine Zündkerze io
angeordnet, die gegenüber dem in den Zylinder einströmenden Brennstoffgemisch in
der Weise geschützt ist, daß das Brennstoffgemisch nicht gleich zu Beginn in den
Verbrennungsraum einströmt.
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Nach Abb. t ist der Kolben in einer Stellung dargestellt, welche er
nahe dem Ende des Verdichtungshubes einnimmt. In diesem Augenblick greift der Ring
4 in den ringförmigen kaum 8 ein. Wenn er in diesem Ringraum seinen Weg nach oben
fortsetzt, treibt er den in der Ringkammer 8 befindlichen Brennstoffnebel zwischen
dem Ring und der Wandung 7 entlang und weiter unter vollständig sich vollziehender
Verdampfung in das Innere der Kammer 9, wobei das verdampfte Brennstoffgemisch den
hohlen Boden des Kolbens 3 vollständig bespült. Die erste und wesentlichste Wirkung
besteht also in einer vollständigen Verdampfung des Brennstoffluftnebels, die hauptsächlich
dadurch erzielt wird, daß dieser Nebel gezwungen wird, in Forrn einer verhältnismäßig
dünnen Schicht zwischen der Wandung 7 der Verbrennungskammer und dem ringförmigen
Körper .I des Kolbens hindurchzuziehen. Weiter erfolgt die Einströmung des verdampfenden
Nebels in die Verbrennungskammer in Form einer turbulenten Bewegung, die durch den
Verlauf der Pfeile in Abb. z und Abb. 2 angedeutet ist, bis das Gemisch in einer
Verbrennungskammer von geradezu idealer Form (vgl. Abb.2) vollständig eingeschlossen
ist.
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Diese Kammer wird durch die Verbrennungsvorgänge vollständig heiß
erhalten, und ihre Temperatur muß immer höher bleiben als diejenige des aus dem
jeweils benutzten Brennstoff gebildeten gesättigten Dampfes bei der jeweils angewandten
Kompressionshöhe.
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Aus vorstehendem folgt, daß die Kompression nicht zu weit hinausgetrieben
werden kann und daß sie in gewisser Beziehung zur Temperatur der Verbrennungskammer
zu regeln ist, da ja die letztere Temperatur genügend hoch sein muß, um die Verdampfung
des Brennstoffgemisches bei Kompressionsdruck zu bewerkstelligen und aufrechtzuerhalten.
Form und Masse der Wände der Verbrennungskammer, wie auch Form und Masse des Kolbenbodens
müssen dementsprechend derart gestaltet sein, daß sie eine möglichst hohe Temperatur
während des ganzen Kreisprozesses des Motors aufrechterhalten können.
DieZündung
desBrennstoffdampfgemisches erfolgt dabei zweckmäßig mit Hilfe einer äußeren Zündquelle,
z. B. einer elektrischen Zündkerze o. dgl., da sie in einem Motor mit niedriger
Kompression im allgemeinen nicht durch Selbstzündung sich wird herbeiführen lassen.
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Der Motor kann sowohl als Viertaktmotor wie auch als Zweitaktmotor
ausgebildet sein. In Abb. 3 ist schematisch und beispielsweise ein Zweitaktmotor
entsprechend der Erfindung dargestellt.
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Der hier von links eintretende Pfeil a bezeichnet den Weg des in den
Zylinder einströmenden Brennstoffgemisches. Der Pfeil b bezeichnet den Weg des verbrannten
ausströmenden Gemisches. Wie ersichtlich, liegt auch hier die Zündkerze io gegen
das einströmende Brennstoffgemisch geschützt.
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Abb.4 zeigt den Zylinder eines Viertaktmotors mit ebenfalls geschützt
liegender Zündkerze.
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Abb.5 zeigt rein beispielsweise einen Motor mit im Zylinderkopf angeordneten
Ventilen.
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Diese beispielsweise Ausführungsform, an die der Erfindungsgedanke
natürlich in keiner Weise gebunden ist, soll nur veranschaulichen, daß es keineswegs
nötig ist, die Verbrennungskammer zentral anzuordnen, sondern daß man ihr auch eine
torische, also ringförmige Gestalt, die durch Rotation z. B. eines Vierecks um eine
Achse entstanden gedacht werden kann, oder auch jede andere beliebige Anordnung
oder Ausgestaltung geben kann. Der Hauptzweck bleibt immer, den Brennstoffnebel
seiner ganzen Menge nach an heißen, ganz oder teilweise der Verbrennungskammer angehörigen
Wänden, unter Querschnittsverminderung, durchzuzwängen und die Zündkerze an einer
Stelle anzuordnen, wo. sie sich außerhalb des in den Zvlinder eintretenden Brennstoffgemischsi.r
omes befindet.
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Auch bezüglich der Anordnung der Ventile kann die in Abb. 5 dargestellte
Konstruktion abgeändert werden, z. B. derart, daß man die Ventile in dem ringförmigen,
die Verbrennungskammer umgebenden Raum anordnet, während die Zündkerze in dem zentralen
Raum vorgesehen wird, wobei dann der Kolben. wieder etwa nach Abb. 4. gestaltet
werden kann.
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Auch von den beschriebenen Ausführungsformen abgesehen, kann der Erfindungsgegenstand
in mannigfacher Weise unter Berücksichtigung der wesentlichen Gedanken konstruktiv
abgeändert und variiert werden.