-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Gebiete des Ingenieurswesens, die
die Kraftstoffverbrennung in Motoren mit Hubkolben nutzen, ob diese
nun linearen Typs mit freien Kolben oder des Typs mit Kurbelantrieb
mit Kurbelwellen sind.
-
Genauer
betrifft sie Motoren, die einen neuen Verbrennungsprozess nutzen,
der von dem betreffenden Anmelder in der Patentanmeldung PCT/TB
97/01362 beschrieben wurde und der in einer oder mehreren Vorverbrennungskammern
ausgeführt
wird, die in Zylinder münden,
wobei die Ausdehnungsdynamik der Gase, die in ihnen enthalten sind,
ausgenutzt wird, um die von der Verbrennung erzeugten Flammenfronten
praktisch feststehend zu erhalten, mit anderen Worten, um in der
Praxis eine Bewegung der Flammenfronten nur um Zehntel von Millimetern
von den Zündpunkten
weg zu gestatten, welche sich nahe den Öffnungen befinden, durch die wie
gesagt die Vorverbrennungskammern in die entsprechenden Zylinder
münden,
welche im Falle von linearen Verbrennungsgeneratoren Fortführungen voneinander
oder die zueinander benachbart sein können, wie es gewöhnlich bei
Motoren mit Kurbelwellen der Fall ist.
-
Der
oben beschriebene Verbrennungsprozess hat grundsätzlich das Ziel und den Vorteil,
dass er bewirkt, dass die Verbrennung solcherart stattfindet, dass
die Flammentemperatur an allen Punkten ausreichend gering bleibt,
um die Bildung von Stickoxiden auf ein Minimum zu reduzieren.
-
Um
die Flammen in dem gewünschten
Zustand zu halten, hat der Erfinder in der oben genannten Patentanmeldung
vorgeschlagen, die Elektrode zu Beginn des entsprechenden Prozesses
in einer koaxialen Position zu belassen, um eine Trennwand der gewünschten
Dicke zu bilden, die als ein thermisches Schwungrad für die Flamme
wirkt, die mit hoher Geschwindigkeit durch es hindurchströmt, wobei verschiedene,
in ihm gebildete Öffnungen
benutzt werden und die Flamme in Folge der Ausdehnung der Gase (Kraftstoff-Luft-Gemische), die
in der Vorverbrennungskammer getrennt enthalten sind, in der Vorverbrennungskammer
gebildet und ausgestoßen wird.
-
Untersuchungen
und Tests auf diesem Gebiet haben jedoch Beschränkungen für die Form und die Anordnung
der Teile einer Vorverbrennungskammer und eines Elektrodensystems
wie oben beschrieben ergeben, da wegen der Form der Gasausdehnungskurve
eine Elektrode in Form einer Trennwand in einem relativ begrenzten
Zeitraum, in dem die Flamme im Wesentlichen fixiert ist, für ihren Zweck
geeignet ist.
-
Außerdem besteht
im Falle einer Vorverbrennungskammer mit einer Öffnung von begrenztem Durchmesser
(weniger als 18 mm beispielsweise) die Gefahr, dass die Temperatur
der Flamme in der Form eines zylindrischen Rings, der sich in dem Zylinder
oder den Zylindern entwickelt, in einigen Bereichen die festgelegte
Grenze übersteigt,
wegen des Wärmeaustausches
zwischen einander gegenüberliegenden
Bereichen des Rings.
-
Um
alle diese Probleme zu vermeiden und gleichzeitig das gewünschte Ziel
zu erreichen, die Flammentemperatur an allen Punkten angemessen niedrig
zu halten, der Flammenfront jedoch, falls nötig, in einem wesentlichen
Maße die
Bewegung in Bezug auf die Öffnung
der Vorverbrennungskammer zu erlauben und die Füllmenge der Mischung begrenzt zu
halten, ohne dass unerwünschte
Verdünnung
in einem ihrer Bereiche in Folge übermäßiger Turbulenz auftritt, hat
der Erfinder der vorliegenden Lösung eine
Baueinheit aus Vorverbrennungskammer und Elektrode konstruiert,
in der die Elektrode die Form eines rotationssymmetrischen Festkörpers aufweist, der
koaxial in dem Teil der Vorverbrennungskammer enthalten ist, der
mit dem Kraftstoff gesättigt
ist, und der eine Ausdehnung in Längsrichtung solcherart aufweist,
dass während
des gesamten Zeitraums, in dem die Verbrennung stattfindet, die
Flammenfront, während
sie sich in Folge der Dynamik der Gase bewegt, stets in Kontakt
mit der Elektrode bleibt.
-
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Baueinheit aus Vorverbrennungskammer
und Elektrode, wie sie im Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 beschrieben
ist, und sie ist durch den Inhalt des kennzeichnenden Teils des
Anspruchs gekennzeichnet.
-
Nachfolgend
werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele
einer Baueinheit gemäß der Erfindung
ausführlicher
beschrieben; diese Beispiele sind nicht als beschränkend oder
eingrenzend hinsichtlich weiterer Ausführungsformen, die ein Fachmann
auf der Grundlage der Lehren des oben genannten Anspruchs 1 herstellen
kann, zu betrachten.
-
Im
Verlaufe der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen,
in denen zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel
der Baueinheit gemäß der Erfindung, bei
dem sowohl der Mittelkörper
der Elektrode als auch der Teil der Vorverbrennungskammer, der sie beherbergt,
von konischer Form sind;
-
2 einen
Querschnitt der Baueinheit in 1;
-
3 und 4 die
Baueinheit wie in den vorhergehenden Figuren dargestellt, jedoch
mit einer Elektrode, an der longitudinale Rippen gebildet sind;
-
5 einen
vergrößerten Längsschnitt durch
eine Baueinheit gemäß der Erfindung,
in der Mittel angewendet sind, um die Turbulenz im Durchlass zu
erhöhen;
-
6 einen
Querschnitt der Baueinheit der 5.
-
Zunächst mit
Bezug auf 1 und 2 zeigen
diese, dass in einer Baueinheit 10 gemäß der Erfindung eine Vorverbrennungskammer 1,
die durch eine Öffnung 1p in
einen Zylinder oder mehrere einander gegenüberliegende Zylinder 31 mündet, wie bereits
angegeben aus einem Teil besteht, der eine Elektrode 2 koaxial
beherbergt und in den der Kraftstoff 5 eingespritzt wird,
und aus einem weiteren Teil, der sich an ihrem geschlossenen Ende 1e befindet,
in den kein Kraftstoff eingespritzt wird.
-
Der
Kraftstoff 5 wird durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 eingespritzt,
deren Einspritzdüse 4n sich
in dem Teil befindet, der am geschlossenen Ende der Vorverbrennungskammer 1 liegt.
-
Die
Elektrode 2 besteht aus einem Mittelkörper 2''', mit dem zwei
Enden 2' und 2'' verbunden sind und der zylindrisch
sein kann (dieser Fall ist nicht dargestellt) oder konisch wie in 1 dargestellt,
und er ist koaxial solcherart in die Vorverbrennungskammer 1 eingesetzt,
dass zwischen der Elektrode und den Innenwänden der Vorverbrennungskammer 1 ein
ringförmiger
Durchlass 6 mit praktisch einheitlicher Breite bleibt,
der daher ebenfalls zylindrisch (dieser Fall ist nicht dargestellt)
oder konisch, wie in 1 dargestellt, ist.
-
Die
konische Form der Vorverbrennungskammer und Elektrode hat sich als
geeigneter für
die Verwendung von Mehrfachform-Injektoren des Typs mit glockenförmiger Düse erwiesen,
die einen Tröpfchenkegel
erzeugen, der sich leichter gleichmäßig innerhalb des entstandenen
Durchlasses verteilen lässt.
-
Die
Elektrode 2, für
die der Erfinder vorschlägt,
die Enden 2', 2'' mit gerundeter Form herzustellen
(beispielsweise in der Form kugelförmiger Kappen) und mit ihrem
Mittelkörper 2''' zu
verbinden, weist eine Gesamtlänge
L solcherart auf, dass die Flammenfront F, die sich mit einer Endgeschwindigkeit
fortbewegt, die die Vektorsumme der Verbrennungsgeschwindigkeit
des Kraftstoffs 5 und der Ausströmgeschwindigkeit der sich durch
den Durchlass 6 ausdehnenden Gase (wie durch Pfeil K angezeigt) ist,
stets in Kontakt mit der Elektrode 2 ist.
-
Zu
diesem Zweck kann es je nach der Geometrie des Verbrennungsmotors
und der Vorverbrennungskammer und je nach der Verbrennungsdauer zweckmäßig sein,
die Elektrode 2 der Länge
L so zu formen, dass sie aus einem ersten Teil mit einer Länge A, der
sich innerhalb der Vorverbrennungskammer 1 befindet, und
aus einem zweiten Teil mit einer Länge B besteht, der sich außerhalb
der Kammer befindet, solcherart, dass die Elektrode 2 die
Flammenfront F „begleiten" kann, selbst wenn
sich diese aus der Vorverbrennungskammer 1 herausbewegt.
-
Wie
oben erwähnt,
wirkt der zweite Teil mit einer Länge B im Falle einer Öffnung 1p in
der Vorverbrennungskammer mit kleinem Durchmesser (weniger als 18
mm beispielsweise) auch als ein Flammenteiler zwischen den einander
gegenüberliegenden
Wänden
des zylindrischen Rings, der von der in die Zylinder 3i eintretenden
Flamme gebildet wird, und verhindert so unerwünschte Temperaturanstiege an
einem seiner Punkte.
-
Es
wird darauf hingewiesen, dass, wenn Mischungen mit organischen oder
fossilen Kraftstoffen (und insbesondere Benzinkraftstoffe) verbrannt
werden sollen, der Erfinder vorschlägt, die Baueinheit gemäß der Erfindung
so herzustellen, dass der oben beschriebene Durchlass 6 eine
einheitliche Breite von etwa 6–8
mm aufweist.
-
Um
die Nettoquerschnittsfläche
des Durchlasses zu erhöhen,
ohne Temperaturanstiege über einen
festgelegten Grenzwert hervorzurufen, stellt der Erfinder auch die
Möglichkeit
bereit, in einer weiteren Ausführungsform 101 der
Baueinheit an der Außenfläche der
Elektrode 22, wie in 3 und 4 dargestellt,
mehrere Kerben oder Nuten zu bilden, die so geformt sind, dass sie
dieselbe Anzahl paralleler, longitudinal angeordneter Rippen 8e bilden,
die dazu dienen, die Wärmeaustauschoberfläche zwischen
der Flamme und der Elektrode 2 zu vergrößern.
-
Um
die oben erwähnten
Rippen 8e zu bilden, ist es möglich, Nuten 7e mit
einer Tiefe P von etwa 2 mm zu bilden, ohne wesentliche Temperaturanstiege hervorzurufen,
während
praktisch die Energie pro Arbeitsspiel, die aus der Verbrennung
einer Mischung, die eine gegebene axiale Länge des Durchlasses 6 einnimmt,
zu gewinnen ist, verdoppelt wird und somit die spezifischen Pferdestärken und
die Gesamteffizienz des Motors oder Generators erhöht werden.
-
Der
Abstand zwischen den Basen der Rippen 8e wird entsprechend
dem Kraftstofftyp und der Temperatur der dazugehörigen Flamme berechnet.
-
Im
Falle von Benzin kann dieser Abstand etwa 1,5 mm betragen.
-
Die
Verbrennungsgeschwindigkeit des im oben beschriebenen ringförmigen Durchlass 6 enthaltenen
Gemisches, hat Auswirkung auf die thermodynamische Effizienz der
Verbrennungseinheit, die mit einer Erhöhung dieser Geschwindigkeit
ansteigt.
-
Wegen
der begrenzten Breite des Durchlasses 6 (6–8 mm) ist
es notwendig zu verhindern, dass die durch die Verbrennung erzeugten
Gase, sich in dem Durchlass auf praktisch laminare Weise ausdehnen,
im Verlaufe der Verbrennung eine nicht turbulente Flammenfront tragen,
die sich relativ langsam bewegen und somit eine übermäßig langsame Verbrennung verursachen
würden.
Um die Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemisches zu erhöhen, schlägt der Erfinder
vor, die Turbulenz innerhalb des Durchlasses 6 zu erhöhen, indem
zu diesem Zweck geeignete Mittel 9d, 9e in der
Nähe der Öffnung 1p der
Vorverbrennungskammer 1 und im Bereich des hinteren Endes
der Elektrode 2 verwendet werden. (Siehe 5 und 6).
-
Diese
Mittel 9d, 9e, die als Strömungsablenker betrachtet werden
können,
sind wirksam, weil, wenn es eine Verzögerung, beispielsweise um eine Millisekunde,
vor dem Moment der Zündung
gibt oder bevor der Kolben (oder die Kolben) das Ende des Verdichtungstaktes
erreichen, die Luft mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern
pro Sekunde durch die Öffnung 1p in
die Vorverbrennungskammer 1 einströmt und diese Geschwindigkeit
sich wegen der Trägheit
nicht innerhalb von nur einer Millisekunde wesentlich verringern
kann.
-
Demzufolge
erzeugen diese Strömungsablenkmittel
in dem Durchlass 6 Wirbel, und diese Wirbel bestehen während der
ersten Momente der Verbrennung fort und initiieren eine Turbulenz,
die dann durch die Prozesse der Wärmeübertragung und der Ausbreitung
der Flammenfront verstärkt
wird.
-
In ähnlicher
Weise dehnt sich in den nachfolgenden Momenten, in denen die Verbrennung
fortschreitet, die Luft, die im hinteren Ende 1c der Vorverbrennungskammer 1 enthalten
ist, aus und dringt auch in den Durchlass 6 ein, wobei
sie sich mit wachsender Geschwindigkeit, die 50–60 m/s erreichen kann, zur Öffnung 1p hin
bewegt.
-
Wenn
die Strömungsablenkmittel 9e wie
angegeben in dem Bereich eingebaut sind, in dem der hintere Teil
der Elektrode 2 endet, bewirken sie während der Verbrennung des Kraftstoffgemisches 5 die Erzeugung
einer zusätzlichen
Wirbelbewegung in dem Durchlass 6 in einer Richtung, die
der Richtung der oben beschriebenen Bewegung entgegengesetzt ist,
mit der günstigen
Wirkung eines weiteren Anstiegs in der Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Flamme.
-
Die
Mittel 9d, 9e zum Erzeugen von Turbulenz können verschiedenen
Typs sein, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Fluiddynamik bekannt
sind.
-
Für eine bestimmte
Ausführungsform
einer Baueinheit 102 gemäß der Erfindung schlägt der Erfinder
unter anderem eine Lösung
vor (siehe 5 und 6), in der
an dem Mittelkörper 2''' der
Elektrode, in der Nähe
der Öffnung 1p der
Vorverbrennungskammer 1 und an der Innenwand der Vorverbrennungskammer 1 in
demselben Bereich geneigte Nuten 20e, 21e gebildet
sind und einander in einer versetzten Anordnung zugewandt sind.
-
In ähnlicher
Weise können
an dem Endteil der Elektrode 2 und an der Innenwand des
hinteren Teils 1c der Vorverbrennungskammer 1 andere
Nuten 23e, 24e gebildet und wie oben beschrieben
angeordnet sein.
-
Der
Erfinder schlägt
vor, jedes Paar einander zugewandter Nuten aus Nuten mit Längen und
Neigungen zu bilden, die von der Achse der Vorverbrennungskammer 1,
wie in 5 und 6 dargestellt, abweichen, um
die Bildung von Wirbeln zu fördern.
-
Die
Profile der Basen der Nuten können
geradlinig sein oder gekrümmte
Abschnitte aufweisen.
-
Durch
die Verwendung der Strömungsablenkmittel
werden Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Flammenfront im Bereich
von 10 bis 20 Metern pro Sekunde erreicht, mit den daraus folgenden günstigen
Auswirkungen auf die Effizienz des thermodynamischen Arbeitsspiels
der Verbrennungseinheit.
-
Die
Verwendung der betreffenden Mittel hat sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, wenn die Elektrode 2 keine der im vorliegenden
Text beschriebenen Rippen 8e aufweist.
-
Soll
die Energiemenge, die in einem Arbeitsspiel erzeugt wird, oder,
mit anderen Worten, letzten Endes die von dem Hubkolbenmotor erzeugte
Kraft variiert werden, muss der Kraftstoff unter anderen Bedingungen
eingespritzt werden (Einspritzdauer oder -druck), so dass Volumina
des Gemisches mit geeigneter Sättigung
erzeugt werden und Strecken des Durchlasses 6 einnehmen,
die kleiner sind als die Gesamtlänge
A des Teils des Durchlasses, der in der Vorverbrennungskammer 1 (1)
enthalten ist, und die beliebig positioniert sind, mit anderen Worten,
die in verschiedenen Abständen
von den Enden des Durchlasses 6 enden und/oder beginnen.
Um eine effiziente Verbrennung dieser Gemischvolumina mit verschiedenen
Längen
und beliebiger Position bereitzustellen, schlägt der Erfinder vor, mehrere Zündpunkte
E oder mehrere Gruppen davon, in gekreuzter Formation (drei in 1)
angeordnet, entlang der Achse der Elektrode 2 einzubauen,
so dass die Verbrennung des Gemischs am dienlichsten Punkt ausgelöst werden
kann, um die Flammenfront so feststehend wie möglich im Hinblick auf die Öffnung 1p der
Vorverbrennungskammer 1 zu machen. Dieses Ergebnis wird
erzielt, indem selektiv die Erzeugung eines Lichtbogens zwischen
einem dieser Zündpunkte
E und der Elektrode 2 hervorgerufen wird.
-
Wenn
die Verbrennungsvorgänge
dies erfordern, ist es auch möglich,
gleichzeitig oder nacheinander mehrere Lichtbögen zu erzeugen, die von mehreren
Zündpunkten
herrühren,
und somit eine höhere
Verbrennungsgeschwindigkeit selbst ohne die Verwendung der oben
beschriebenen Rippen und Strömungsablenkmittel
bereitzustellen und die thermodynamische Effizienz des Zykluses
zu erhöhen, der
in diesem Fall einem typischen Otto-Zyklus sehr ähnlich wird.