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Brennkraftmaschine mit dreigliedrigem Brennraum für luftlose Brennstoffeinspritzung
Es sind Brennkraftmaschinen für luftlose Brennstoffeinspritzung bekanntgeworden,
bei welchen der Brennraum durch drei verschiedene Räume oder Kammern gebildet wird,
nämlich dem infolge der Kolbenbewegung veränderlichen Zylinderraum, einer zur Aufnahme
des Brennstoffes und Einleitung einer Teilverbrennung dienenden Vorkammer und einem
Luftspeicher zur Aufnahme eines vom Kolben verdrängten Luftvorrates, mit dem die
Verbrennung hauptsächlich während des Ausdehnungshubes gespeist wird. Diese Brennräume
werden auf verschiedene Weise durch Kanäle und öffnungen miteinander verbunden,
und es ist hauptsächlich die Art dieser Verbindungen, die einen maßgebenden Eintluß
auf den Mischungs- und Verbrennungs-@-erlauf in der Maschine ausübt.
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Bei den bisher bekannten Maschinen mit dreigliedrigem Brennraum nird
hauptsächlich die durch die Kolbenbewegung erzeugte Luftströmung für die Vermischung
des abblasenden Vorkammergemisches mit der Speicherluft ausgenutzt. Daraus ergibt
sich der Nachteil. daß die Zufuhr der Speicherluft zum Brennherd im Totpunkt beim
Druck- und Strömungsausgleich zwischen Zylinderraum und Luftspeicher nicht nur zum
Stillstand kommt, sondern daß die Verbrennungsluft im Speicher und Zylinder durch
die abblasenden Vorkammergase von der Brennstelle weggedrückt und in die toten Winkel
der betreffenden Räume verdrängt wird. Zur Vermeidung dieses Übelstandes ist bei
der vorliegenden Erfindung die gegenseitige Lage und Verbindung der verschiedenen
Brennräume derartig ausgebildet, daß die mit der Brennstoffeinspritzdüse versehene
Vorkammer auf der dem Zylinderraum entgegengesetzten Seite mit dem neben ihr oder
ringförmig um sie angeordneten Luftspeicher durch dem Brennstoffstrahl nicht ausgesetzte
Kanäle verbunden ist, während beide Kammern auf der dem Zylinderraum zugekehrten
Seite gegeneinandergeneigte Stromdüsen besitzen. Letztere münden nahe beieinander
in den Zylinderraum so aus, daß die aus beiden Düsengruppen unter Druck austretenden
Ströme, nämlich das Vorkammergemisch einerseits, die Speicherluft anderseits, unter
einem Winkel, vorzugsweise einem rechten, zwecks gründlicher Vermischung aufeinanderprallen.
Es wird somit der durch die Teilverbrennung in der Vorkammer entstehende Überdruck
zu einem zwangsweisen Zusammenblasen der Speicherluft mit dem Vorkammergemisch verwendet,
welches ein annähernd gleichbleibendes Mischungsverhältnis ergibt und auch beim
Strömungsstillstand im Totpunkt wirksam ist.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in drei Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Fig. t einen senkrechten Querschnitt des ersten Beispiels
und
Fig.2 den Grundriß dazu im Schnitt nach Linie A-B der Fig.i.
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Fig.3 stellt den senkrechten Querschnitt und Fig. ¢ den Grundriß der
zweiten Ausführungsform dar, wobei der Grundriß einen Schnitt nach Linie C-D vorstellt.
In Fig.S ist das dritte Ausführungsbeispiel im senkrechten Querschnitt zur Darstellung
gebracht.
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In Fig. i und 2 bedeutet a eine Vorkammer bekannter Art und Wirkung,
in die der Brennstoff aus der Düse b vor Ende des Verdichtungshubes unter Druck
eingespritzt wird. Diese Vorkammera steht mit dem Zylinderraum d durch mehrere enge
Zündkanäle c in ständiger Verbindung, durch die während des Verdichtungshubes ein
Teil der angesaugten Frischluft in die Vorkammer verdrängt wurde, der mit dem eingespritzten
Brennstoff ein zündfähiges Gemisch bildet. Dadurch entsteht in der Vorkammer eine
Teilverbrennung, die den zerstäubten und teilweise entflammten Brennstoff durch
die Zündkanäle c in den Zylinderraum d schleudert, ein bei Vorkammermaschinen anderer
Bauart bekannter Vorgang.
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Neben der Vorkammer a befindet sich der Luftspeichere (Fig. i und
2), dessen Fassungsvermögen beträchtlich größer ist als dasjenige der Vorkammera.
Dieser Luftspeicher steht durch die Luftkanäle i mit dem Zylinderraum d in Verbindung,
die größer sind als die Zündkanäle c und von denen einer jeweils einem der letzteren
gegenüberstehend fingeordnet ist. Auf der oberen Seite steht die Vorkammer a mit
dem Luftspeicher e durch einen oder mehrere überströmkanäleg in Verbindung, durch
die der in der Vorkammer entstehende Druck der Teilverbrennung auch auf den Luftspeicherinhalt
übertragen wird. Dadurch wird die während des Verdichtungshubes durch die Luftkanäle
f in den Luftspeicher verdrängte reine Verbrennungsluft mit großer Geschwindigkeit
in den Brennraumd zurückgeblasen und trifft in kräftigen Strömen auf die zu gleicher
Zeit unter gleichem Druck in annähernd entgegengesetzter Richtung aus den Zündkanälen
c austretenden Strahlen des zerstäubten und entflammten Brennstofies. Durch entsprechende
Größenbemessung der Kanäle c und f hat man es in der Hand, daß Brennstoff und Luft
in annähernd richtigem, gleichbleibendem Mengenverhältnis gleichzeitig an mehreren
Stellen gegeneinander gerichtet werden, wodurch sich eine auf denkbar größter Oberfläche
der Gemischteilchen erstreckende innige Vermischung vollzieht, die eine vollkommene
Verbrennung in kürzester Zeit ohne großen Luftüberschuß gewährleistet. Durch möglichste
Verengung des Abstandes zwischen Kolbenboden und Zylinderdeckel wird der Inhalt
des Zylinderraumes im Totpunkt tunlichst klein, das Fassungsvermögen des Luftspeichers
dagegen nach Maßgabe des Verdichtungsverhältnisses möglichst groß gehalten, damit
der größtmögliche Teil. des angesaugten Luftvolumens der beschriebenen Zwangsmischung
unterworfen werden kann.
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Ein Vorteil der beschriebenen Arbeitsweise besteht darin, daß man
infolge einer gewissen Unabhängigkeit dieses Mischvorganges von der Kolbenbewegung
die Hauptverbrennung in möglichste Nähe des Totpunktes verlegen kann, wo die gesamte
Ladung auf kleinstem Raum zusammengedrängt ist und die Zündwege am kürzesten sind.
Maat braucht also mit der Brennstoffeinspritzung nicht so früh zu beginnen wie bei
anderen Bauarten, da hier die Mischung und Entflammung der Hauptladung in wesentlich
kürzerer Zeit durchgeführt wird, weil sie an einer beliebig großen Anzahl von Einzelstellen
auf großem Volumen mit voller Wucht gleichzeitig einsetzt und fortwährend frischer,
nicht durch Abgase verunreinigter Luftsauerstoff -unter Druck zugeblasen wird, ähnlich
wie bei einem Gebläsebrenner mit vielen Brennstellen. Durch die Späterverlegung
der Einspritzung erreicht man einen ruhigeren, stoßfreien Lauf und sichere Zündung
bei niedrigerer Verdichtungsendspannung.
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Der Gesamtquerschnitt der Zündkanäle e ist so eng bemessen, daß in
der Vorkammera bei der Teilverbrennung ein genügend großer überdruck gegenüber dem
Zylinderraum d entstehen kann, um den entflammten Brennstoff mit möglichster Geschwindigkeit
ausströmen zu lassen und eine Druckübertragung auf den Luftspeicher zu ermöglichen.
Damit sich in der Düsennähe beim Einspritzbeginn eine genügende Menge sauerstoffhaltigerLuft
vorfindet, die durch die Zündkanäle beim Verdichtungshub vielleicht nicht ausreichend
einströmen kann, kann eine zusätzliche Bohrungh vorgesehen werden. Diese ist so
bemessen und angeordnet, daß reiner Luftsauerstoff in nächster Nähe des Brennstoffstrahles
zur rechten Zeit sicher verbunden ist.
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In den Fig.3 und 4 ist das zweite Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Bei demselben ist die Vorkammer a' als auswechselbarer Einsatz aus
hitzebeständigem Stahl ausgeführt, bei dem ein ringförmiger Mantelraums' den Luftspeicher
bildet. Die Verbindung zwischen Vorkammer und Luftspeicher zwecks Druckübertragung
erfolgt durch die Bohrungen g'. Die Zündkanäle sind mit,c' und die Luftkanäle mit
f' bezeichnet. Da in der gezeichneten Ausführung diese Vereinigung von Vorkammer
und
Luftspeicher einseitig über dem Kolbenboden angeordnet ist,
um Platz für die Ventile zu gewinnen, so sind die Kanäle c' und f' strahlenförmig
gegenüberliegend und nach der Zylindermitte zeigend angeordnet (Fig. ¢), um das
austretende Brennstoff-Luft-Gemischgleichmäßig auf den Zylinderraum zu verteilen.
Bei Anordnung in der Zylinderachse werden die Kanäle c' und f' vorteilhafterweise
radial nach allen Seiten auf den ganzen Umfang verteilt. Die Zündkerze l oder ein
an deren Stelle angebrachter Glühzünder bekannterArt dient dazu, um beim Anlaufenlassen
des kalten Motors die ersten Zündungen sicher @einzuleiten.
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Für die Anwendung der beschriebenen Arbeitsweise ist es gleichgültig,
ob der Motor mit reiner Selbstzündung durch hochverdichtete Verbrennungsluft oder
mit Fremdzündung infolge glühender Wandungsteile in der Vorkammer oder elektrischer
Glühzünder arbeitet oder ob er mit einem unter der Selbstzündungstemperatur liegenden
Verdichtungsverhältnis mit einer bei Vergasermotoren gebräuchlichen, ständig arbeitenden
Kerzenzündung bekannter Bauart versehen ist.
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In Fig. 5 ist das dritte Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, bei dem die als auswechselbarer Einsatz ausgebildete Vorkammer a" ebenfalls
einseitig von der Zylinderachse angebracht ist. Der Luftspeicher hat bei dieser
Ausführung die Form eines langen, gebogenen Stahlrohrese" erhalten, dessen Länge
und Durchmesser so bemessen ist, daß sein Gesamtinhalt demjenigen der anderen Ausführungsbeispiele
entspricht. Dieses Luftspeicherrohr mündet im Zylinderraum unterhalb der in der
Vorkammer a" angebrachten Zündkanäle c" ein mittels der düsenförmigen Öffnung f",
die vorteilhafterweise als breiter Spalt ausgebildet ist, damit die Verbrennungsluft
in einem breiten, schleierförmigen Strahl auf die recht-«vinklig dazu aus den gleichmäßig
verteilten Zündkanälen c" austretenden Brennstoffstrahlen trifft.
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Das dargestellte Luftspeicherrohr ist ferner mit einer Einrichtung
versehen, um es mittels der Auspuffgase heizen zu können. Zu diesem Zweck ist der
mittlere, umgebogene Teil in das erweiterte Auspuffrohr k eingelassen mit Hilfe
eines aufgeschweißten, abdichtenden Deckels 1. In dem gezeichneten Beispiel ist
der Zylinder eines luftgekühlten Zweitaktmotors dargestellt, bei dem die Auspuffgase
am unteren Hubende durch die Auspuffschlitze m ausströmen und durch das nach oben
abgekröpfte Auspuffrohr k entweichen können. Das Luftspeicherrohre" kann natürlich
auch in anderer Weise so geführt und geformt sein, daß sein mittlerer Teil durch
die heißen Auspuffgase bestrichen und dadurch die Luft in ihm erhitzt wird. Zur
Verbesserung dieser Wirkung wird das Luftspeicherrohre" an seinem in das Auspuffrohr
eingelassenen Teil außen vorteilhafterweise mit Heizrippen versehen.
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Die Erwärmung des Luftspeicherrohres bzw. der in ihm vorhandenen Luft
ist neben einer teilweisen Rückgewinnung der Auspuffwärme besonders dazu geeignet,
um die Verbrennung des aus den Zündkanälen c" ausgeblasenen Vorkammergemisches zu
beschleunigen. Bisher konnte praktisch nur durch eine Erhöhung der Verdichtung eine
höhere Temperatur der Verbrennungsluft erreicht werden, da eine künstliche Erwärmung
das Ladungsgewicht derselben verminderte und damit die spezifische Leistung des
Motors erniedrigte. Bei der vorliegenden Anordnung erhält jedoch der Motor das -volle
Ladungsgewicht an kalter Verbrennungsluft, die erst während der Verdichtung und
Verbrennung durch das verhältnismäßig lange und mit großer wärmeübertragender Oberfläche
versehene Luftspeicherrohr beim Durchströmen schnell erwärmt wird, um eine sichere
Zündung auch bei niedriger Verdichtungsspannung zu gewährleisten. Dabei erfolgt
die Erwärmung trotzdem außerhalb des eigentlichen Zylinders und kann die mittlere
Temperatur desselben nicht unzulässig .erhöhen, da die Wärmeleitung zwischen Rohr
und Zylinderwand durch isolierende Dichtungen vermindert werden kann. Es liegt somit
eher die Möglichkeit vor, einen mit dieser Einrichtung versehenen Motor mit Luftkühlung
zu versehen, wie dieses in dem in Fig.S gezeichneten Ausführungsbeispiel vorgesehen
ist.