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Gemischverdichtende Brennkraftmaschine Bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen
ist es bekannt, im Arbeitszylinder eine Schichtenlagerung beispielsweise derart
vorzusehen, daß zwecks Bildung der Ladung das Brennstoff-Luft-Gemisch zwischen zwei
Luftschichten oder ähnlich gelagert wird. Zit diesem Zweck hat man z. B. am Ende
des Arbeitshubes und am Ende des Saughubes Pre ßluft in den Zylinder eingeführt.
Ein anderer bekannter Vorschlag geht dahin, daß der Brennstoff nur während einer
bestimmten Zeit des Saughubes durch eine Pumpe in die Saugleitung eingespritzt wird.
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Ferner hat man auch bereits vorgeschlagen, zunächst während des größeren
Teiles des Saughubes Luft in den Arbeitszylinder und nachher auf der letzten Strecke
des Saughubes das Brennstoff-Luft-Gemisch einzusaugen. Damit wurde der Zweck verfolgt,
das reiche Gemisch in der Nähe der Zündkerze am Zylinderdeckel abseits vom Kolben
zu lagern. Die Ansaugung von Luft allein soll bis auf drei Viertel des Saughubes
ausgedehnt werden, und man arbeitet dabei mit je einem getrennten Gemischeinlaßventil
und Lufteinlaßventil. Ersteres ist jedoch ein bloßes Rückschlagventil, und nur das
Luftventil wird gesteuert. Eine zwangsläufige Zusammenwirkung ist nicht vorgesehen,
die Wirkung also mindestens unsicher. Alle bekannten Arbeitsweisen und Vorri-htungen
führen die zusätzliche Luft unter einem durch künstliche Verdichtung erzeugten beachtlichen
Druck zu. In Verbindung mit dieser erheblichen Verdichtung hat man die Einführung
des Brennstoff-Luft-Gemisches und der Luft oder Spülluft auch bereits durch zwei
ineinandergesteckte Ventile vorgenommen. Durchweg öffnet sich dabei das Luftventil
zuerst und allein, während erst später das Gemischventil geöffnet wird. Einerseits
wegen der beachtlichen Verdichtung der Luft und andererseits wegen der Aufeinanderfolge
der Ventileröffnungen ergibt sich jedoch der Mangel, daß in der Ladung die gewünschte
Schichtung und ein günstiges Verhältnis nicht zuverlässig erreicht wird. In der
Regel k äim die nötige Menge an Brennstoff-Luft-Gemisch in der verfügbaren Zeit
nicht eingeführt werden. Oder aber der Eintrittsquerschnitt für das Brennstoff-Luft-Gemisch
wird beim Schließen des gemeinsamen Ventils zuerst und nach ihm die Luftzufuhr abgesperrt..
Dabei ist die letzte Schicht unter dem Zylinderdekkel wieder ärmer an Brennstoff,
worunter die Zuverlässigkeit der Zündung in ähnlicher Weise leidet; wie es der Fall
ist, wenn man das Brennstoff-Luft-Gemisch zwischen zwei Luftschichten lagert.
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Demgegenüber will die Erfindung die Ladung
so zusammensetzen,
daß sich nahe dein Kolben eine Luftschicht, in der Mitte eine Gemischschicht mit
geringerem Brennstoffgehalt und nahe dem Zylinderdeckel das reiche Brennstoff-Luft-Gemisch
befindet. Um diesen Erfolg herbeizuführen, verwendet die Erfindung für das Brennstoff-Luft-Gemisch
und für die zusätzliche Luft in bekannter Weise zwei getrennte Zuführungsleitungen,
die nebeneinander in den Arbeitszylinder einmünden und deren Mündungen ventilgesteuert
sind.
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Erfindungsgemäß werden nun die Mündungen der Gemischleitung-und der
Zusatzluftieitung so zueinander angeordnet, daß die Ventileröffnung während der
Einlaßperiode beide Mündungen gleichzeitig freigibt und die Zusatzluft über die
Mündung der Gemischleitung so hinwegströmt, daß der Austritt des Brennstoff-Luft-Gemisches
verzögert wird. Ferner wird erfindungsgemäß in die Zusatzluftleitung ein mechanisch
bewegter Steuerkörper eingeschaltet, der bei Beginn der Öffnung des Zylindereinsatzes
den Luftdurchgang offen hält. und sich vor dem Ende der Einlaßperiode schließt.
Endlich bedient sich die Erfindung während des ersten Teils der Einlaßperiode eines
Druckunterschiedes zwischen der Zusatzluftleitung und der Gemischleitung, der gegebenenfalls
durch mechanische Hilfsmittel verstärkt werden kann.
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Auf dem angegebenen Wege erreicht die Erfindung den Erfolg, daß die
gegenüber dem Brennstoff-Luft-Geinisch einen Überdruck besitzende Luft bei Beginn
der Einlaßperiode unter Zurückdrängen des Gemisches allein in den Arbeitszylinder
einströmt, daß darauf nach Ausgleich der beiden Drücke Luft und Gemisch gleichzeitig
einströmen und schließlich nach Abschluß des in der Zusatzluftleitung angeordneten
Steuerkörpers gegen Ende der Einlaßperiode nur Brennstoff-Luft-Gemisch eintritt.
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Das mit der neuen Vorrichtung ausgeübte Arbeitsverfahren kennzeichnet
sich erfindungsgemäß ferner dadurch besonders, daß die Menge der vor dem Brennstoff-Luft-Gemisch
in den Zylinder eingeführten Luft so geregelt wird, daß sie im umgekehrten Verhältnis
zum Üffnungsgrade der Maschinendrossel in der Gemischleitung steht.
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Auch die Erfindung bedarf für die von ihr angestrebte Schichtenbildung
in der Ladung eines Druckunterschiedes zwischen der Zusatzluft und dem Brennstoff-Luft-Gen
lisch, aber sie führt denselben nicht durch eine beachtliche Verdichtung der Zusatzluft
so herbei, wie es bis jetzt geschehen ist. Versuche haben vielmehr gezeigt, daß
schon beim gewöhnlichen Arbeitsgange der Brennkraftmaschinen während des Einlasses
in der Luftzuführungsleitung ein höherer Druck als in der Brennstoff-Luft-Gemi:schleitung
besteht. Die Erfindung hat erstmalig festgestellt, daß bei langsamem Motorgange
der Druck in der Luftleitung um einige Zentimeter Wassersäule höher als. in der
Gemischleitung ist und daß dieser Unterschied bei rasch laufendem Motor sogar auf
einige Zentimeter Quecksilbersäule steigen kann, wobei natürlich beide Pressungen
unterhalb des Atmosphärendrukkes liegen. Der Unterschied dürfte sich aus der Ungleichheit
der Leitungen und der Ungleichheit der Räume, in welche die Leitungen an ihrem Außenende
münden, erklären. So bietet ein Vergaser für die Gemischbereitung einen größeren
Widerstand als ein Luftreiniger usw. Bei Mehrzylindermaschinen kommt auch der Einfluß
der anderen Zylinder hinzu: Dieser von der Erfindung aufgedeckte Druckunterschied
wird hier dazu benutzt, um unter entsprechender Anordnung der Mündungen der Gemischleitung
und der Zusatzluftleitung zueinander bei gleichzeitiger öftnung beider Mündungen
ein Zurückdrängen des Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Zusatzluft zu erreichen,
wodurch z. B. auch Frühzündungen in wirksamer Weise vorgebeugt wird. Auf das Einströmen
von Luft allein folgt gemäß obigem die Bildung einer Schicht aus ärmerem Gemisch
und dann der Nachschub einer Schicht aus reichem Gemisch. Der Erfindungsgegenstand
leistet mit dem bei gewöhnlichem Betriebe entstehenden Druckunterschied sehr vorteilhafte
Dienste, und vorhandene Motoren lassen sich nach den hier gemachten Vorschlägen
mittels der leicht nachträglich anbringbaren Hilfsteile vervollkommnen. Man kann
dabei irgendein einfaches mechanisches Hilfsmittel, wie z. B. ein Luftförderrad,
vorsehen, um gegebenenfalls den Druckunterschied zwischen der Luft und dem Gemisch
zu verstärken.
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Die Bewegungen des in die Zusatzluftleitung eingeschalteten Steuerkörpers
bzw. seines beispielsweise als Drehschieber ausgebildeten Steuerteils werden erfindungsgemäß
zum Arbeitstakt der Maschine abgestimmt. Mehrere Durchlässe in dem Drehschieber
dienen zur Verteilung der Luft auf die einzelnen Zylinder. Ein einstellbarer Hilfsdrehschieber
im Steuerkörper ist mit der Maschinendrossel gekuppelt und regelt die Dauer des
Lufteintritts. Unabhängig von seiner Stellung wird jedoch für eine gleichbleibende
Luftdurchgangs-Anfangseröffnung gesorgt. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus dein
Nachstehenden.
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Beim Erfindungsgegenstande läßt sich abweichend vom Bekannten mit
großer Zuverlässigkeit die gewünschte Schichtung in der Ladung herbeiführen. Der
Gehalt der Ladung
an Brennstoff nimmt vom Arbeitskolben nach dem
Zylinderdeckel hin so zu, daß die erreichbar günstigsten Verhältnisse bei der Zündung
und Verbrennung erreicht werden. Frühzündungen und Rückzündungen ist wirksam vorgebeugt,
und der Verbrennungsvorgang kann, da nach dem Verdichtungshube ein vom Kolben zum
Zylinderdeckel praktisch stetig reicher werdendes Gemisch vorliegt, sehr vollkommen
verlaufen. Der thermische Wirkungsgrad der neuen Maschine ist daher ein sehr günstiger,
ohne daß mechanische Hilfsmittel zur Herbeiführung einer erheblichen Verdichtung
der Zusatzluft erforderlich sind. Ausgedehnte praktische Fahrversuche haben gezeigt,
daß die neue Maschine hinsichtlich des Brennstoffverbrauchs bzw. überhaupt hinsichtlich
der Wirtschaftlichkeit des Betriebes den bekannten Motoren überlegen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung
dargestellt. Es sind Fig. i eine Draufsicht auf den Zylinderkopf, Fig.2 eine Seitenansicht
gegen die Maschine, Fig. 2a ein Schema der Verstellvorrichtung für den Steuerkörper,
Fig. 3 ein senkrechter Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. i, Fig. q. bis 8 Darstellungen
von Einzelheiten in größerem Maßstabe, Fig. 9 bis 14. Darstellungen einer abgeänderten
Ausführungsform, Fig. 15 eine vergrößerte Darstellung der Verstellvorrichtung für
den Steuerkörper.
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In Fig. i und 2 ist der Zylinderkopf i einer Sechszylindermaschine
angedeutet, in deren Gemischleitung z eine Drosselklappe 3 mit Verstellstange 4
sitzt. Eine Leitung 5 führt von einem Luftreiniger zur Maschinendrossel 3 und besitzt
einen Abzweig 6, der gereinigte Luft zum Steuerkörper A bringt. Im Zylinderkopf
i bzw. in einem Aufsatz 7 desselben sind in der durch Fig. 3 veranschaulichten Weise
zwei übereinanderliegende Kanäle ausgebildet, von denen der untere, 8, das aus der
Leitung 2 ankommende Brennstoff-Luft-Gemisch weiterleitet, während der obere, 9,
als Zusatzluftleitung dient. Eine waagerechte Wand io trennt beide Kanäle voneinander.
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Gemäß Fig. q. und 5 ist über jedem Arbeitszylinder für sein Einlaßventil
i i in die Scheidewand io ein zvlindrisches Rohrstück 12 eingesetzt, dessen unterer
Rand oder Ventilsitz 14 mit der Oberkante des Sitzes 13 für den Gemischauslaß bündig
liegt. Beide Sitze 13 und 1q. sind mit dem Ventil ii zusammengeschliffen.
Die Luftaustrittsöffnung i ¢ und der Gemischaustritt 13 öffnen und schließen sich
also "E#eim Senken und Heben des Ventils i i gleichzeitig. Da die Zusatzluft im
Kanal 9 einen höheren Druck als das Gemisch im Kanal 8 besitzt, strömt die Luft
beim Offnen des Ventils i i vom Sitz 14 im wesentlichen quer über den ringförmigen
Gemischaustritt hinweg zum Sitz 13, und das Brennstoff-Luft-Gemisch wird zurückgedrängt,
während die Luft allein" in den Zylinder einströmt.
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Für die Erreichung dieses Erfolges ist die konzentrische Anordnung
der beiden Austrittsmündungen in solcher Weise vorgeschlagen, daß der mit etwas
höherem Druck austretende Luftstrom denn Gemischstrom den Weg verlegt. Das wird
bei innen angeordnetem Luftaustritt und ringförmigem Gemischaustritt am besten durch
gleich hohe Anordnung der beiden Ventilsitze 13 und 14 erreicht. Gewünschtenfalls
kann man allerdings die beiden Mündungen auch vertauschen, indem man beispielsweise
den Ventilsitz 14 tiefer als den Sitz 13 legt. Auf alle Fälle muß die Freigabe beider
Ventilsitze gleichzeitig erfolgen.
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Nach dem Eintritt einer gewissen Luftmenge gleicht sich der Druckunterschied
bei vergrößerter Ventilöffnung aus. Die Zusatzluft und das Brennstoff-Luft-Gemisch
mischen sich, und an die untere Luftschicht schließt sich ein ärmeres Brennstoff-Luft-Gemisch
an. Dann sperrt der Steuerkörper A die Zufuhr der Zusatzluft ab, und als dritte
Schicht tritt ein reiches Brennstoff-Luft-Gemisch allein in den Zylinder ein.
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Zur Zuführung der Zusatzluft dienen zwei Leitungen 15 und 15', die
vom Steuerkörper A zur Luftleitung 9 gehen. Die Rohre 15, 15' beginnen in Rohrbüchsen
16 des Steuergehäuses 17, die durch Schlitze i8 und ig mit dem Innern des Steuergehäuses
in Verbindung stehen (Fig. 6). Die mittels des Abzweiges 6 (Fig. 2) zugeführte gereinigte
Luft tritt bei 2o (Fig. 6 und 8) in den Steuerkörper A ein. Das Gehäuse 17 desselben
enthält zunächst einen Drehschieber 22, dessen Decke mittels Stiftes 28 und einer
Schraube 29 auf einem Bund 27 einer Welle 25 befestigt ist. Letztere wird von einer
Steuerwelle 26 durch das Zündsteuergetriebe 23 mit der halben Geschwindigkeit der
Kurbelwelle gedreht. In eine Öffnung 3o der Drehschieberdecke greift ein Kurbelfinger
31, der die Drehung der Welle 25 auf die Zündsteuerung 3a überträgt. Um den Druck
in der Luftleitung 9 etwas erhöhen zu können, kann gegebenenfalls auf der Welle
25 ein einfaches Luftförderrad 26' angebracht werden.
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Die bei 2o in das Gehäuse 17 strömende Luft tritt durch die drei Seitenöffnungen
2q. des Drehschiebers 22 (Fig: 7) bei der jeweiligen Deckung mit den Schlitzen ig,
18 in die
Leitungen 15 und 1$' über. Innerhalb des Drehschiebers
22 ist ein Hilfsdrehschieber 33 angeordnet, der nur zwei schmale Schlitze 34 besitzt,
die sich diametral gegenüberliegen. Der Hilfsschieber 33 stützt sich unten auf einen
Ringansatz des Gehäuses 17 und ist mit einem Arm 35 ausgerüstet, der durch einen
Gehäuseschlitz 35' nach außen geht und mittels dessen die Schlitze 34 in die richtige
bzw. gewünschte Lage zu den Schlitzen ig gebracht werden. Der Hilfsdrehschieber
33 ermöglicht es zugleich, den Luftdurchgang vom Steuerkörper A zu den Rohren 15,
15' vollständig zu unterbrechen.
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Um die Öffnungs- und Schließdauer des Steuerkörpers mit Bezug auf
die Kolbenstellung der Maschine mit der Stellung der Maschinendrossel ändern zu
können, ist innerhalb des einstellbaren Hilfsdrehschiebers 33 noch eine feststehende
Schieberhülse 36 mit Durchtrittsöffnungen 37 angeordnet: Ein Ausschnitt 38 am unteren
Ende der Schieberhülse 36 gestattet der bei 2o eintretenden Luft den Durchgang in
das Innere des Steuerkörpers. Die Länge der Durchtrittsöffnungen 37 dieser festen
Schieberhülse 36, die Länge der Öffnungen 24 des von der Maschine aus angetriebenen
Drehschiebers 22 und die Öffnungen 34 des Hilfsdrehschiebers 33 sind so bemessen,
daß unabhängig von der Stellung des Hilfsdrehschiebers 33 immer eine gleichbleibende
Anfangseröffnung des Steuerkörpers gesichert ist. Nach dem Einbau wird die Schieberhülse
36 in ihrer richtigen Lage zum Gehäuse 17 beispielsweise mittels einer Schraube
39 festgehalten. Die Durchtrittsöffnungen 37 stehen dabei so, daß der Steuerkörper
beim Beginn des Einlaßhubes stets Luft durchtreten läßt. Durch die Verstellung des
Hilfsdrehschiebers 33 wird der Zeitpunkt des Schließens der Luftzufuhr geregelt.
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Gemäß Fig. 2a ist mit der Steuerstange 4 der Maschinendrossel 3 bzw.
mit ihrem Fußhebel 4o eine Stange 41 verbunden, die an den Arm 35 des Steuerkörpers
A angelenkt ist. Die Drossel 3 und der Steuerkörper A sind also miteinander gekuppelt.
Eine Schraubenfeder 42 beeinflußt die Öffnungsbewegung beschleunigend. In die Stange
41 ist ein Zylinder 43 mit einem Kolben 44 (Fig. 15) eingeschaltet. Das dem
Steuerkörper zugekehrte Ende des Zylinders 43 ist durch ein biegsames Rohr 45 mit
der Gemischansaugeleitung 2 verbunden. Bei der gewöhnlichen Benutzung des Fußhebels
4o zur Verstellung der Maschinendrossel 3 wird der Steuerkörper A durch Verdrehung
des Hilfsdrehschiebers 33 ganz oder teilweise geöffnet. Wird jedoch die Maschine
durch das Fahrzeug getrieben und ist dabei die Maschinendrossel geschlossen, so
erzeugt die Saugwirkung in der Leitung :2 einen ausreichenden Unterdruck im Zylinder
43, um ihn gegen den Kolben 44 zu bewegen und dadurch die Schlitze 34 des
Hilfsdrehschiebers 33 länger in ihrer Öffnungsstellung festzuhalten. Dabei wird
eine größere Menge Luft in die Maschinenzylinder eingelassen, und die Bremswirkung
des Motors wird verringert.
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Die Arbeitsweise ist folgende: In der zwischen dem Schließen eines
Einlaßventils ii (z. B. eines dreizylindrigen Satzes einer sechszylindrigen Maschine)
und dem Öffnen eines anderen Einlaßventils (desselben Satzes) liegenden Zeit kommt
einer der Durchlässe 24 des Drehschiebers 22 mit einem der Schlitze ig des Gehäuses
17 zur Deckung. Bei der entsprechenden Stellung der Schlitze 34 des Hilfsdrehschiebers
33 strömt also Luft auf dem Wege 6-20-38-37-34-24-19-18-15 (oder 15') zur zugehörigen
Luftleitung g. Wenn das betreffende Einlaßventil sich öffnet, strömt die Luft über
den Sitz 14 quer hinweg zum Sitz 13, drängt das Brennstoff-Luft-Gemisch mit seinem
geringeren Druck zurück und tritt zunächst allein in den Arbeitszylinder ein.
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Indem der Drehschieber 22 weiter umläuft, kommen seine` Durchtrittsöffnungen
24 nacheinander immer wieder entsprechend dem Takt, in welchem die Einlaßventile
ii sich öffnen und schließen, mit den Schlitzen ig, 18 zur Deckung. Die Abstimmung
zum Arbeitstakt des Motors ist dadurch erreicht, daß der Drehschieber 22 in einem
bestimmten Verhältnis zum Umlauf der Kurbelwelle umläuft. Wenn sich bei Leerlauf
oder aus sonstigen Gründen der Druck in der Leitung 2 verringert, wird durch die
Relativbewegung des Zylinders 43 und des Kolbens 44 die Stange 41 verkürzt und die
Öffnungsdauer des Steuerkörpers verlängert. Bei sehr langsamem Leerlauf zieht die
Feder 42 den Hebel 35 so weit nach links, daß der Steuerkörper A außer Wirkung kommt,
weil die Schlitze 34 des Hilfsdrehschiebers 33 von der feststehenden Schieberhülse
36 vollständig abgedeckt sind. Diese Lage ist in Fig. 7 dargestellt.
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Die Länge des Zylinders 43 gestattet eine Bewegung des Hebels 35 über
seinen ganzen Schwingungsbereich derart, daß auch bei geschlossener Drosselklappe
der Steuerkörper A offengehalten werden 'kann, um durch Luftzutritt in die Arbeitszylinder
die Bremswirkung der Maschine herabzusetzen, so daß sie größere Wegstrecken mit
aufgespeicherter Fahrzeugenergie durchlaufen kann und auch dadurch Brennstoff erspart
wird. Durch Verstellung der Verbindungshilfsmittel zwischen dem Fußhebel 40 und
dem Arm 35 läßt sich der Hilfsdrehschieber.33 so einstellen, daß die Zeit für den
Luftdurchgang entsprechend der
Stellung der Maschinendrossel geändert
wird, . beispielsweise auch derart, daß die Menge der Luft, die vor dem Brennstoff-Luft-Gemisch
in den Zylinder eintritt, zum Öffnungsgrade der Maschinendrossel im umgekehrten
Verhältnis steht. Auf demselben Wege läßt sich die Zeit ändern, in welcher der Steuerkörper
gegen Ende der Einlaßperiode den Luftdurchgang im Verhältnis zur Arbeitskolbenstellung
ganz absperrt.
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Die in Fig.9 bis 15 dargestellte abgeänderte Ausführungsform des Steuerkörpers
unterscheidet sich nur dadurch von der zuerst beschriebenen, daß gemäß Fig. 13 mehrere
übereinanderliegende Scheiben anstatt ineinandergesteckter Zylinder zur Anwendung
kommen. In das Gehäuse 5o tritt die Luft durch eine Öffnung 52 des Deckels 5i, während
im Gehäuseboden diametral gegenüber die Luftaustrittsöffnungen 53 für die Leitungen
15 und 15' angeordnet sind. Die unterste, dem Drehschieber 22 der ersten
Ausführungsform entsprechende Scheibe 54 enthält drei Öffnungen 55, deren radiale
Endwände bei 56 abgeschrägt sein können (Fig. ii und i4), um den Luftdurchgang zu
erleichtern. Ein Luftförderrad 57 'kann gewünschtenfalls zur Erhöhung des Druckunterschiedes
in der Luftleitung 9 und der Gemischleitung 8 benutzt werden.
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Über der mittels der Welle 26 und des Getriebes 23 in einem bestimmten
Verhältnis zum Kurbelwellenumlauf gedrehten Steuerscheibe 54 liegt eine verstellbare
Scheibe 58 mit zwei Öffnungen 59, die dem Hilfsdrehschieber 33 entspricht und gleichfalls
mit einem Verstellarm 35 zu denselben Zwecken, wie oben angegeben, versehen ist.
Über ihr ist eine feste Scheibe 6o mit zwei gegenüberliegenden Öffnungen 61 angeordnet,
die der Schieberhülse 36 entspricht und nach ihrem richtigen Einbau mittels einer
Schraube 62 in ihrer Lage festgehalten wird.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung entspricht vollständig der Wirkungsweise
des zuerst beschriebenen Steuerkörpers.