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Gemischverdichtende Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und Kühlung
des Verbrennungsraumes Die Erfindung betrifft eine gemischverdichtende Brennknaftmaschine
mit Fremdzündung, bei der der Zylinder und der Zylinderkopf durch .ein geeignetes
Mittel, insbesondere Wasser, gekühlt werden.
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Solche Brennkraftmaschinen sind bereits bekannt, sie haben aber den
Mangel, daß, wenn die heiße Zone, d. h. derjenige Teil des Zylinderkopfes, in dein
das Ausla&ventil und die Zündketze angeordnet sind, zur Venneidung von Frühzündungen
genügend herabgekühlt wird, die kalte Zone, d. h. derjenige Teil des Zylinderkopfes,
in dem das Einlaßventil liegt, eine zu weitgehende Abkühlung erfährt, so daß Brennstoffteilchen
an den Wandungen niedergeschlagen werden und so eine den Betrieb der Maschine erheblich
verteuernde Brennstoffverschwendung stattfindet. Der Vorteil der mit einer solchen
Kühlung versehenen Brennkraftm:aschine,,'d. h. die Vermeidung von Frühzündungen
und deren Folgen, ist also durch ihre Unwirtschaftlichkeit, d. h. durch ihren Mehrverbrauch
an Betriebsmaterial, insbesondere bei .den jetzt gebräuchlichen schweren Brennstoffen,
mehr als aufgehoben.
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Dieser Mangel ist durch den Gegenstand der Erfindung beseitigt, und
zwar erfindungsgemäß dadurch, daß die gekühlte Wandung des Verbrennungsraumes im
Zylinderkopf unterteilt ist in eine verhältnismäßig kleine, in der Nachbarschaft
der Zündvorrichtung liegende Zone, die dabei bis auf eine die Selbstentzündungstemperatur
der zu verdichtenden Ladung weit unterschreitende Temperatur gekühlt wird, und eine
den übrigen Teil der Verbrennungsraumwandung umfassende Zone, die durch die Kühlung
auf einer Temperatur gehalten wird, die oberhalb derjenigen liegt, bei der ein Niederschlagen
des Brennstoffes eintritt.
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Dabei kann jede der beiden genannten Zonen einen besonderen Kühlmantel
besitzen, und jedem dieser Mäntel wird das Kühlmittel in solcher Temperatur und
Durchflußgeschwindigkeit zugeführt, daß die richtige Kühlung der Mäntel nicht unter-
bzw. überschritten wird.
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Vorteilhaft sind die beiden Kühlmäntel hintereinander-geschaltet,
so daß nur ein Kühlmittelstrom im Kreislauf zugeführt zu werden. braucht, der natürlich
zuerst in den Mantel der kleinen bzw. heißen Zone eintritt. Es können Faber auch
zwei verschiedene Kühlmittel in Anwendung kommen, und zwar für den die kleinere
Zone umgebenden Mantel
eine Kühlflüssigkeit von verhältnismäßig
hohem Siedepunkt, z. B. Öl, und für den die große Zone umgebenden Mantel eine Kühlflüssigkeit
von niedrigerem Siedepunkt, z. B. Wasser.
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Wird nur ein Kwhlmittelstrom benutzt, können beide Zonen auch nur
von einem einzigen Kühlmantel eingeschlossen sein, wobei dann das Fließen des Kühlmittels
mit verschiedenen Geschwindigkeiten über die beiden Zonen durch geeignet eingebaute
Ablenkflächen oder Wände erzielt wird.
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Die Zeichnung veranschaulicht mehrere Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes.
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Abb. i ist ein Schnitt durch einen Zylinderkopf, der für eine Maschine
geeignet ist, bei der die Ventile nebeneinander in einem seitlichen Hohlraum liegen,
und der mit einem ungeteilten Wassermantel versehen ist, durch welchen Wasser mittels
einer Pumpe hindurchgeführt wird.
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Abb. 2 ist ein Querschnitt nach einer Linie 2-2 der Abb. i.
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Abb. 3 ist ein Schnitt nach Linie 3-3 der Abb. i.
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Abb. q. veranschaulicht einen Schnitt nach Linie 4-4 der Abb. 3.
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Abb. 5 zeigt einen Schnitt nach Linie 5-5 der Abb. 3.
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Abb.6 stellt einen Querschnitt eines Zylinderkopfes, und eines Teiles
des Zylinders einer Maschine dar, die nebeneinander angeordnete Ventile sowie-ein
Galerierohr besitzt, welches !sowohl den Manteldes Zylinderkopfes als auch den Mantel
des Zylinders versorgt.
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Abb. 7 ist ein Grundriß des halben Zylinderkopfes und zeigt die allgemeine
Fließrichtung des Wassers um die Zündkerzenhülsen. Die andere Kopfhälfte ist in
gleicher Weise symmetrisch ausgebildet.
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Abb.8 veranschaulicht eine Seitenansicht mit dem Galerierohr.
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Abb. 9 ist ein Schnitt nach Linie 9-9 der Abb. 7.
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Abb., io veranschaulicht einen Schnitt nach der Linie io-io der Abb.
7 zwischen. den beiden Bolzenlöchern i 5..
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Abb. i i ist ein mach Linie i i -i i der Abb. 12 genommener Querschnitt
eines Zylinderkopfes einer Maschine, bei der die Ventile mit Bezug auf den Zylinder
oben angeordnet sind und der mit einem geteilten Wasiserm:antel versehen ist, dessen
eine Seite von einem Galerierohr..und dessen andere Seite von dem Zylindermantel
aus gespeist wird: Abb. 1.2 zeigt einen Schnitt nach Linie .12-i2 der Abb. ii..
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Abb. 13 stellt den Grundriß einer Maschine mit einem Kopf .der
in Abb. ri und i2 gezeigten Art dar und veranschaulicht die Anordnung von zwei Thermostaten,
die den Abfluß des Wassers von dem Zylinderkopf regeln, um in den beiden Mänteln
verschiedene Temperaturen aufrechfizuerhalten.
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Abb. 14 zeigt ein Galerierohr, von welchem Wasser sowohl unmittelbar
nach einer heißen Zone nahe der Zündkerze als auch zum Zylindermantel geführt wird,
und Abb. IS ist ein Querschnitt eines Zylinderkopfes und des. Teiles eines Zylindermantels,
welcher so angeordnet ist, daß das Wasser durch Thennosiphonwirkung zirkuliert.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. i bis 5 ist der Zylinderkopf i zur
Anwendung bei einem mit einem Wassermantel versehenen Zylinderblock ausgebildet,
welchem Wasser durch eine Pumpe zugeführt wird. Die obere Fläche des Zylinderblockes
ist mit den .in Abb. 2 und 3 gezeigten Schlitzen 2 versehen, die dem Zylinderkopf
das Wasser zuführen. Bisher standen diese Schlitze mit entsprechenden Schlitzen
gleicher Größe an der Unterfläche des Zylinderkopfes. in Verbindung, die so angeordnet
und verteilt. waren, daß das Nasser annähernd gleichförmig um den Zylinderkopf herumgeführt
wurde. Gemäß der Erfindung dagegen sind, wie .aus Abb. 2 und 3 ersichtlich, verhältnismäßig
große Durchlässe 3 an. jener Seite des Zylinderkoprfes vorgesehen, an der das Auslaßventil
und die Hülse q: für die Zündkerze liegen, während an der .anderen Seite der Zylinderkopf
mit dem Zylindermantel nur durch verhältnismäßig kleine Öffnungen 5 in Verbindung
steht: Wie aus Abb. 3 ersichtlich, ist der Durchgang 3 von dem -Hauptwassermantelr.aum
über dem Zylinderkopf durch eine Ablenkfläche 6 abgeteilt, die -mit Bezug auf die
Zündkerzenhülse so angeordnet ist, daß ein beschränkter Raum. 8 für das Fließen
des Wassers an der Hülse vorbei entsteht. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit
an der Hülse vorbei wird eine wirksame Kühlung der in dieser befindlichen Zündvorrichtung
erzielt. Noch dem Hindurchgehen des Wassers durch die verengten Räume 8 wird seine
Geschwindigkeit vermindert, und es fließt langsam über den Zylinderkopf und aus
einem Auslaß am Ende des Zylin.derkopfblocks heraus. Es fließt- ferner ein langsamer
Wasserstrom von. denn Zylindermantel -durch die Löcher 5 aufwärts und vereinigt
sich .mit ,dem Haüptwasserstrom, der über den Zylinderkopf nach dem Auslaß hin sich
bewegt. Zur Befestigung des Zylinderkopfes sind verschiedene Bohrungen IS für Befestigungsbolzen
vorgesehen. Die Verstärkungsrippen 7 befinden sich in einer Wandung des Zylinderkopfes.
Der in Abb. 5 veranschaulichte Querschnitt zeigt Kanäle 9, durch die das
Wasser
von einem Zylinderkopf zu einem anderen strömt.
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Aus der Art der oben beschriebenen Wasserströmung geht hervor, daß
das mit hoher Geschwindigkeit fließende Wasser in unmittelbarer Berührung mit der
Zündkerzenhülse und finit der heißen Zone des Zylinderkopfes steht, von welchem
es Wärme abführt.
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Bei den Ausführungsformen nach Abb:6 bis 1o wird das Kühlwasser unmittelbar
einem mit dem Zylinderkopf aus einem Stück gegossenen Galerierohr io zugeführt.
Dieses Rohr ist mit einem Einlaßfl:ansch i i versehen, an welchem eine Wasserzuleitung
befestigt werden kann. Das Galerierohr 1o erstreckt sich über die Länge des Zylinderkopfes
an. jener Seite, an der die bei :der veranschaulichten Maschine nebeneina.nderliegenden
Ventile angeordnet sind. Das Galerierohr ist mit Öffnungen i 2, die mit dem Zylindermantel
in Verbindung stehen, sowie mit Öffnungen 13 versehen, die mit dem Mantel über den
Zylinderkopf verbunden sind. Auf der anderen Seite,des Zylinderkopfes befinden sich
verhältnismäßig kleine Öffnungen 14, die mit dem Zylindermantel in Verbindung stehen.
Der Auslaß für das Wasser ist längs der Oberseite des .Zylinderkopfes angeordnet.
Die mit dem Mantel des Zylinderkopfes in Verbindung stehenden Öffnungen des Galerierohres
sind so angeordnet, daß sie das Wasser in einem Strome von. hoher Geschwindigkeit
an :den Zündkerzenhülsen vorbeileiten, und zwar durch .die aus den Abb. 9 und 1o
ersichtlichen Kanäle. Die .in der Zeichnung dargestellten Pfeile deuten die allgemeine
Fließrichtung des Wassers an. In der Abb.6 zeigt der auf der linken Seite gezeichnete
Pfeil, daß das Wasser aus dem Zylindermantel auch nach oben mit geringer Geschwindigkeit
durch die Öffnungen 14 fließt, weil der Wasserauslaß sich -an der Oberseite des
Zylinderkopfes befindet.
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Die in Abb. i i bis 13 veranschaulichte Ausführungsform weist einen
Zylinderkopfmantel mit zwei getrennten Kammern 21 und 22 rauf. Die Kammer :2,i wird
von einem Galerierohr 2o und die Kammer 22 von dem Zy lirnderm.antel 23 gespeist.
Der Zylinderkopf besitzt obenliegende Ventile, ein in einer seitlichen Ausnehmung
25 angeordnetes Auslaßventil 24 und ein über dem Zylinder 27 befindliches Einlaßventi126,
das den Kanal 28
steuert, der von einem mit dem Zylinderkopf in einem Stück
gegossenen Einlaßverteiler 29 gespeist wird. Die Zündkerzenhülse 30 liegt an der
dem Zylinder abgewendeten Seite des Auslaßventils.
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Das Galerierohr. 2o steht mit einem Einlaß 31 in Verbindung, der sich
oberhalb der Zündkerzenhülse 30 und an einer Seite derselben befindet. Der Einlaß
31 führt in einen Kanal32, der die Zündkerz.enh.ülse umgibt. Jedes Ende des Kanals
32 steht mit dem Zylindermantel durch einen Einlaß 33 und auch mit einem Raum 35
in Verbindung, der die Auslaßkanäle einschließt und sich über die Länge des Zylinders
erstreckt. Die Wandung 36 des Einlaßverteilers bildet die Trennwand zwischen den
beiden Teilen des Mantels 21 und 22.- Das Wasser fließt, nachdem es durch die Kanäle
33 in den Zylindermantel eingetreten ist, um die Zylinderwandungen nach der anderen
Seite des Zylindermantels herum und gelangt durch die Öffnungen 37 nach oben in
,den Mantelraum 22. Jeder der Mantelräume2i und 22 ist mit einem besonderen Ausl.aßrohr
38 versehen, das, wie aus Abb. 13 ersichtlich, an einem Ende des. Zylinderkopfes
angeordnet ist. Das Fließen des Wassers von dem Zylindermantel nach jeder der erwähnten
Leitungen wird vorteilhaft durch Thermostaten 39 geregelt.
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Jeder; Thermostat kann ein Ventil enthalten, das in dem Ende des Auslaßrohres
nächst dem Zylinder liegt. Dieses Ventil wird durch ein sich unter Wärmewirkung
ausdehnendes Mittel gesteuert, .das in jenem Teile des Mantels angeordnet ist, dessen
Temperatur zu kontrollieren am wichtigsten ist. So kann jenes Mittel z. B. nahe
den Durchlässen 38 liegen. Die Thermostaten sind so eingerichtet, daß die Ventile
sich beim Sinken der Temperatur des. Kühlmittels unter einen bestimmten Betrag nach
ihrer Schlußstellung hin bewegen und dadurch die Zirkulation des Kühlmittels verringern,
umgekehrt. aber beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur sich in die Offenstellung
bewegen.
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Das Galerierohr 2o ist in der Nachbarschaft eines der Auslaßrohre
mit einem Einlaß 41 versehen und wird kreiner, je mehr es sich dem anderen Ende
des Zylinderblocks nähert.
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Mit Hilfe der Thermostaten kann die Temperatur des Einlaßrohres und
der Innenfläche des Zylinderkopfes unmittelbar über dem Zylinder unabhängig von
der Temperatur des Verbrennungsraumes in der Nachbarschaft des Auslaßventils geregelt
werden.
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Bei der Ausführungsform nach Abb.14 wird der Zylinderkopf von einem
Galerierohr 5o, das an. der Außenwand des Zylindermantels befestigt ist, mit Wasser
gespeist. In der Außenwandung des Zylindermantels ist eine Öffnung: 51 vorgesehen,
von der aus durch den Zylindermantel ein Rohr 52 nach oben in die Öffnung 58 der
oberen Fläche des Zylinderblocks führt. Diese Öffnung 58 steht unmittelbar mit dem
Kanal 54 in Verbindung, der die Zündkerzenhülse umgibt. Der Auslaß :des Rohres 52
liegt so, daß er einen Wasserstrom
mit hoher Geschwindigkeit gegen
die Zündkerzenhülsen richtet. Öffnungen 53 des Galerierohres stehen mit dem Zylindermantelraum
in Verbindung, der durch einen engen Durchgang 55 an diejenige Seite des Zylin@derkopfmantels
angeschlossen ist, die der obenerwähnten Zündkerzenhülse gegenüberliegt. Das Auslaßende
des Rohres 52 ist mit Bezug auf die Öffnung 58 so angeordnet, daß es im Zylindermantel
durch Ejektorwirkung eine Zirkulation hervorruft, d. h. das Wasser wird aus dem
Zylindermantel durch die Öffnung 58 abgesaugt.
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Während bei allen beschriebenen Ausführungsformen und selbst bei der
Ausführungsform nach Abb. 14 wenigstens anfänglich die Zirkulation des Wassers mit
Hilfe einer Wasserpumpe bewirkt wird, erfolgt diese bei der in Abb: 15 dargestellten
Ausführungsform durch Thermosiphonwirkung.
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Die Hauptverbindung zwischen dem Zylinderkopfmantel und dem Wassermantel
geschieht durch eine verhältnismäßig weite Öffnung 6o in der unteren Fläche des
Zylinderkopfes. Diese Öffnung steht einer Öffnung 61 des Zylindermantels in der
Nachbarschaft der Auslaßleitung 62 gegenüber. Der Einlaß für das Kühlwasser liegt
bei 63 nach dem unteren Ende des Zylindermantels hin auf dessen der Auslaßleitung
62 gegenüberliegen= der Seite, während der Auslaß für das Kühlwasser bei 64 an der
Oberseite des Zylinderkopfes über dem Zylinder angeordnet ist. Der Einlaßverteiler
63 ist mit dem Zylinderblock aus einem Stück gegossen, so daß er unterhalb der Auslaßleitung
62 liegt und durch in dem Zylindermantel bei 66 stagnierendes Wasser erwärmt wird.
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Der Einlaß 63 und der Auslafl.64 für das Wasser und. die Verbindungskanäle
zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylindermantel sind mit Bezug auf die heiße Auslaßleitung
62 so angeordnet, daß eine Thermosiphonwirkung entsteht, die das Wasser im allgemeinen
in der Richtung der eingezeichneten Pfeile fördert und um den Einlaß 63 herum eine
verhältnismäßig ruhige Wassermenge beläßt.
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Außer den verhältnismäßig großen Öffnungen 6o und 61 des Zylinderkopfmantels
und des Zylindermantels -sind noch andere kleinere 'Öffnungen 67 und 68 zwischen
diesen beiden Teilen an der gegenüberliegenden Seite der Maschine angeordnet. Das
von dem Einlaß bei 63 nach oben in den Zylinder'kopfmantel unmittelbar fließende
und durch den- Auslaß bei 64 austretende Wasser ist in seiner Menge mangels einer
Thermosiphonwirkung auf diesen Teil viel geringer als das durch die Öffnungen 6o,
61 fließende Wasser.
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Bei vorhandenen Maschinen kann die Führung des Kühlmittels gemäß der
Erfindung mit Hilfe einer zwischen dem Zylinderkopf und den Zylindern eingefügten
Packung erreicht werden. Diese Packung ist dabei mit Öffnungen bestimmter Größe
versehen, die den Kühlstrom so leiten, daß der Hauptstrom nach der heißen Zone des
Zylinderkopfes hin fließt.
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Eine solche Packung ist in Abb. zz bei 70 angedeutet.
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Bei einer vorhandenen Maschine, in der z. B. der Mantelraum des Zylinderblocks
mit dem Mantelraum des Zylinderkopfes durch Durchlässe so in Verbindung steht, daß
Wasser dem Zylinderblock zugeführt und aus dem Zylinderkopf .abgeleitet wird, wobei
aber nacht genügend Wasser zur heißen Zone bei den Zündkerzen fließt, kann ein erhöhter
Zufluß zu diesen Stellen durch Anordnung einer Packung zwischen dem Zylinderblock
und dem Zylinderkopf bewirkt werden-; diese Packung muß Durchlässe enthalten, die
mit den ersterwähnten Durchlässen übereinstimmen und in der Größe so abgestuft sind,
daß die nicht zur heißen Zone führenden Durchlässe gedrosselt, dagegen die zu den
betreffenden Stellen leitenden Durchlässe in ihrer Größe belassen werden. Mit Hilfe
einer solchen Zwischenpackung kann das Fließen der Kühlflüssigkeit so geregelt werden,
daß die Temperatur in beiden Zonen des Zylinderkopfes der verlangten Grenze, Tiefe
bzw. Höhe, entspricht.