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Luftverdichtende Einspritz-Brennkraftmaschine für Vier- oder Zweitakt
Bekanntlich sind Schweröl-Brennkraftmaschinen nur durch die Verkleinerung der eingespritzten
Brennstoffmenge und durch Verzögerung des Einspritzzeitpunktes bei Nichtbelastung
auf eine niedrigere Drehzahl als bei Vollast einstellbar. Diese niederste Drehzahl
ist aber bedeutend höher als bei den mit Benzin laufenden Motoren. Zudem werden
die Explosionen hart, und demzufolge ist ein ruhiger Langsamlauf bis heute noch
nicht erreicht worden. Ein weiterer Nachteil ist bei dieser Verminderung der Brennstoffmenge
und Verzögerung des Einspritzzeitpunktes der, daß trotz den größeren Luftmengen
und dem überschüssigen Sauerstoff die Verbrennung unvollkommen wird, d. h. mit den
Ölgasen werden unverbrannte Brennstoffteile ausgestoßen, und es entsteht ein sehr
starker, unangenehmer Geruch. Auch bleibt die Verdichtungsarbeit bei allen Drehzahlen
gleich groß, obwohl die Nutzleistung veränderlich ist. Der Verdichtungsenddruck
kann nur nach der Einspritzung durch die Verbrennungstemperaturen sich ändern, bleibt
aber bei der einmal durch die Raumverhältnisse gegebenen Volumenverkleinerung derselbe.
Bei fast allen bis heute verwendeten Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung (Dieselmaschinen)
muß der Verdichtungsdruck auf etwa 32 bis 36 Atm. gebracht werden, um eine kurze
Zündzeit und gute Verbrennung zu erreichen. Bei Abdrosselung des Brennstoffes sinkt
auch der Verbrennungsdruck, und die Verbrennung wird unvollkommen. Zweck der vorliegenden
Erfindung ist nicht nur die Behebung der obengenannten Mängel, sondern auch eine
weitere Regelung der Brennkraftmaschine mittels Veränderung des Verbrennungsdruckes.
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Es sind Dieselmotoren mit Verdrängerwirkung, bei welchen ein Verdrängeraufsatz
des Kolbens in einen am Zylinderdeckel befestigten, frei in den Zylinderraum hineinragenden
Ring eindringt, bekannt.
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Gegenüber dieser bekannten Anordnung unterscheidet sich die Schnellauf-Brennkraftmaschine
gemäß der Erfindung dadurch, daß der Verdrängerkolben zusammen mit einem Verbrennungskammerring,
welcher aus einem Baustoff von erheblich größerer Wärmeausdehnung als jener des
Verdrängerkolbens besteht, einen Verbrennungsraum bildet, wodurch bei Vollbelastung
mit höchstem Verbrennungsdruck ein größerer ringförmiger Verdrängerspalt als bei
Leerlauf und Zwischenbelastung entsteht, so daß mehr Druckluft von dem Verbrennungsraum
in den übrigen Zylinderraum verdrängt wird und die Verbrennung sich in dem gesamten
Verbrennungsraum verzögert, jedoch mit kürzester Zündzeit die gesamte Luftladung
mit inniger Brennstoffverteilung erfaßt und unter Gleichdruck stattfindet.
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Durch die bei hoher Drehzahl und starker Erhitzung der beiden Körper
und bei der größeren Ausdehnung des Ringes gegenüber dem Kolben stattfindende Vergrößerung
des
nur sehr kleinen ringförmigen Verdrängerspaltes kann daher ein
größerer Teil der verdrängten Druckluft in den übrigen Zylinderraum entweichen.
Bei kleiner Drehzahl wird dieser ringförmige Spalt zufolge der Verminderung der
Verbrennungswärme kleiner, und der Druck in der abgeteilten Verbrennungskammer wird
größer, da weniger Druckluft entweichen kann. Bei voller Belastung wird der Überdruck
in der Verbrennungskammer verhältnismäßig kleiner als bei niederer Belastung. In
den beiden Grenzbelastungen aber und in den Zwischenbelastungen gewährleistet der
in der abgeteilten Verbrennungskammer erzeugte Überdruck immer eine sichere Einleitung
und Entflammung des Brennstoffes und wirkt bei der Überleitung in den Arbeitszylinderraum
wiederum bei Vollbelastung schneller und bei Leerlauf langsamer, in beiden Fällen
aber verzögernd im Sinne einer Verbrennung unter gleichbleibendem Verbrennungshöchstdruck.
Die neuesten Feststellungen der Wärmetechnik der luftverdichtenden Brennkraftmaschine
zeigen deutlich, daß, je höher die Temperatur der verdichteten Luft über der Zündtemperatur
des Brennstoffes liegt, um so kleiner die Zündzeiten werden, und zwar nehmen sie
nach einem Potenzgesetz ab. Es werden also wohl beide Einflüsse, die der höheren
Dichte der verdrängten Luft wie der höhere Druck, gemeinsam im Sinne einer Zündpunkterniedrigung
bzw. Abkürzung des Zündverzuges wirken. Es ist daher vorgesehen, daß die abgeteilte
Verbrennungskammer den bei Beginn der Verdichtung vorhandenen Druck auf ein Mehrfaches
steigern kann.
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Bekanntlich erfolgt bei Verdrängerwirkung die Verdichtung nicht nur
durch die volumetrische Verkleinerung der Verdrängerkammer, sondern es entsteht
darin auch eine Erhöhung der Temperatur. Bei der Verdichtung in der Verdrängerkammer
wird die Verdichtung wohl adiabatisch (k = i,4), dagegen bei der Verdichtung im
Hubraum des Zylinders polytropisch (k = 1,3) anzunehmen sein, da die Erhöhung der
Temperatur in der Verdrängerkammer größer ist. Beim Leerlauf der Maschine kann die
Abdrosselung des Brennstoffes so weit erfolgen, daß er nur für den in der Verdrängerkammer
vorhandenen Sauerstoff reicht, die Verbrennung sich also nur auf diese beschränkt.
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Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
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Fig. i ist ein Schnitt durch den Oberteil eines Zylinders mit gesteuerten
Ventilen einer Brennkraftmaschine mit luftlos eingespritztem Brennstoff, wobei im
wesentlichen die Anordnung und Ausführung der Verbrennungskammer in der obersten
Totpunktlage ersichtlich ist.
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Fig.2 zeigt denselben Schnitt in der Anfangs- bzw. Endstellung des
Abschlusses der abgeteilten Verbrennungskammer durch den Verdrängerkolben.
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Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine von zwei
zugeordneten Zylindern, die durch Tauchkolben gesteuert werden.
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In Fig. = und 2 ist c der Zylinderkörper, a der Kolben mit Boden a1,
a4 der Verdrängeraufsatz; f ist der Zylinderkopf, g die Drosselklappe; o ist ein
Brennstoff-Einspritzventilkörper, ze das Ventil, n1 der Ventilkopf und
d
der Verbrennungskammerring.
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In Fig. 3 ist c wiederum der Zylinderkörper, a der Tauchkolben, a1
der Kolbenboden und a4 der Verdrängeraufsatz,, b der obere Einsatz
und = der untere Einsatz, w der Verbindungskanal der zwei zugeordneten Zylinder,
m die Auslaßöffnung im Kolbenmantel und ml diese im Zylinder, e die Einströmöffnung
im Kolben und e1 im Zylinder, o die Druckluftaustrittsöffnung im Kolben und o1 diejenige
im Zylinder, g die Drosselklappe in dieser letztgenannten; k ist ein Drosselhahn
in dem Verbindungskanal, w und d sind wieder Verbrennungskammerringe.
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Jeder Verbrennungskammerring d ist aus einem Material, z. B. aus einer
Aluminiumlegierung, das gegenüber dem aus Stahl oder Gußeisen gefertigten Verdrängeraufsatz
a4 eine viel größere Wärmeausdehnung besitzt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Es wird durch die abwärts gehende
Kolbenbewegung atmosphärische Luft in den Zylinderraum gesaugt. In Fig. i öffnet
sich hierbei das Einlaßventil. In Fig. 3 geschieht dies durch die Öffnungen t1 und
t. Die im Ansaugkanal befindliche Drosselklappe g ermöglicht, die Füllung des Zylinders
zu verkleinern, was zur Folge hat, daß der Enddruck der Verdichtung verkleinert
wird. In der Stellung des Kolbens nach Fig.2 wird die Verbrennungskammer gegenüber
dem Zylinderraum abgeschlossen. Die in dieser Kammer befindliche Druckluft wird
je nach dem Erhitzungsgrad der beiden Körper a4 und d beispielsweise auf das dreifach
kleinere Volumen gepreßt. Der Druck vergrößert sich also nach der adiabatischen
Verdichtung auf das 3 X 1,4 = 4,2fache. Bei großer Erhitzung wird der Druckabfall
groß, bei der Inbetriebsetzung, Leerlauf und kleiner Belastung nur klein, vielleicht
% bis 1J5, so daß bei Annahme des Anfangsverdichtungsdruckes von io Atm. beim Abschluß
der Kammer ein Enddruck von ungefähr 32 bis 36 Atm. in der Verbrennungskammer erzeugt
wird, was selbst für die Inbetriebsetzung eine sichere Entzündung des Brennstoffes
gewährleistet. Der Enddruck der Verdichtung im übrigen Zylinderraum wird ungefähr
1g Atm. sein. Die Übertragung der Verbrennung von der
Verbrennungskammer
in den Zylinderraum wird durch das mit höchster Geschwindigkeit durch den engen
Spalt zwischen dem Verdrängeraufsatz a4 und dem Ring d durchgetriebene brennende
Gemisch bewirkt. Die Verbrennung wird dadurch verzögert, erfaßt aber immer größere
Mengen von Gemisch, so daß mit einem fast gleichbleibenden Verbrennungsdruck gerechnet
werden kann. Bei Vollbelastung wird der Verdichtungsdruck erhöht, er kann z. B.
in der Stellung des Kolbens nach Fig.2 ungefähr 2o Atm. sein; der Enddruck im Zylinder
beträgt dann ungefähr 3o Atm. Durch die Vergrößerung des ringförmigen Spaltes zwischen
ca4 und d ist der Druckabfall ein viel größerer, der Enddruck in der Kammer
beträgt vielleicht statt 2o X 4,2 = 84. Atm. nur 5o bis 6o Atm. Es erfolgt eine
sehr rasche Entzündung in der Verbrennungskammer und Fortpflanzung in den Zylinderraum,
die aber trotzdem im Verhältnis zur hohen Drehzahl eine Verzögerung bedeutet im
Sinne einer Verbrennung unter gleichbleibendem Verbrennungsdruck.
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Bei dem in Fig.3 gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt die untere
Kammer jeweils die Druckluft für die Verbrennung im benachbarten oberen Zylinder.
Diese muß durch die Öffnungen 0-o1 durch den Überströmkanal w durch die Öffnungen
ei e, die gleichzeitig mit o-o,. geöffnet werden, strömen und durchströmt
den Drosselhahn 1a. Wird dieser nun gedrosselt, ohne daß die Drosselklappe
lt gedrosselt ist, so wird die erzeugte, aber nicht benötigte Druckluft durch
die Öffnung in der Mitte des Hahnes h in einen Luftspeicher (Luftflasche) geleitet,
der mit hohem Druck gefüllt werden kann. Es kann z. B. die Verdichtungsarbeit (hoher
Druck) bei einem Kraftwagen als sehr intensiv wirkende Bremsung benutzt werden,
dadurch, daß der Hahn k ganz verschlossen wird. Die Bremsarbeit wird nicht vernichtet,
sondern als Druckluft aufgespeichert und wird dann zur Betätigung von Luftdruckbremsen
oder als Zusatzdruckluft für Überlastungen der Volleistung in die Verbrennungskammer
und den Zylinderraum geführt; sie kann auch zum Aufpumpen der Luftschläuche, zur
Betätigung des Signalhorns und zum Anwerfen der Maschine dienen.
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Von großer Wichtigkeit ist die Form und Größe der Maße des Verbrennungskammerringes.
Dieser ragt frei in den Zylinderraum hinein, kann dadurch eine große Erhitzung aufnehmen
und weist da, wo sie am größten ist, am meisten Material auf, so daß dieser gleichmäßig
erhitzt wird. Die Größe der Maße richtet sich danach, daß der Ring nie den Schmelzpunkt
erreicht. Der Ring ist zweckmäßig auswechselbar im Zylinderkopf f bzw. im oberen
Einsatz b angebracht.