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Einrichtung zur Gemischbildung und zum Speisen von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf die Speisung von Brennkraftmaschinen, die mit einem
auf erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck gehaltenen gemeinsamen Raum für die Speisevorrichtungen
der verschiedenen Zylinder versehen sind_und bei denen das Gasgemisch in den Zylindern
während der Kompressionsphase gebildet wird, wobei diese Zylinder zuvor mit reiner
Luft gefüllt worden sind, und zwar bei Viertaktmaschinen während der Einlaßphase
und bei Zweitaktmaschinen während der Spülphase.
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Zweck der Erfindung ist, die schnelle Bildung der Gasmischung in den
Zylindern zu erleichtern und ihre Homogenität zu gewährleisten.
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Es ist ein Verfahren zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff für
Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei dem man flüssigen Brennstoff mittels eines
Gasstromes, der durch ein Gebläse erzeugt wird und im Kreislauf geführt wird und
aus Luft und Auspuffgasen oder einem anderen nicht brennbaren Gas gebildet wird,
in Überschuß in einem Raum zerstäubt, der durch eine Düse mit dem Ansaugrohr der
Maschine verbunden ist. Bei dieser Einrichtung steht dieser Raten mit derAtmosphäre
inVerbindung, und an keinem Punkte der Kreisleitung, durch welche der gasförmige
Strom geführt wird,- besteht ein Unterdruck oder ein Druck. Der betreffende Raum
befindet sich vielmehr stets unter atmosphärischem Druck, und das mit flüssigem
Brennstoff gesättigte Gas wird in das Ansaugrohr gesandt, d. h. in eine Zone, wo
ein Unterdruck und eine niedrige Temperatur herrscht.
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Eine mit einer solchen Vorrichtung versehene Brennkraftmaschine kann
nur mit flüchtigen Brennstoffen arbeiten (Benzin oder Benzol) oder mit einer Mischung
aus Alkohol und Benzol; denn es tritt notwendigerweise eine Kondensierung eines
sehr großen Teiles der Brennstoffmenge auf den Wandungen des Ansaugrohres und der
Zylinder auf, und zwar aus folgenden Gründen: Geringe Umlaufgeschwindigkeit des
Gases in dem Ansaugrohr und Einführung des Gases in die Zylinder während der Einlaßphase
(Unterdruck und niedrige Temperatur), so daß" das Gas während einer verhältnismäßig
langen Zeit,, die den Phasen der Kompression, der Zündung und der Verbrennung entspricht,
in den Zylindern verbleibt.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gemischbildung und Speisung
von Brennkraftmaschinen mittels eines reichen Gasgemisches, welches durch Einspritzen
eines e
flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes in Luft oder
ein normales Gasgemisch hergestellt ist und in einer Kreisleitung mittels eines
Kompressors o. dgl. in beständigem Umlauf gehalten wird.
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Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Luft oder das
normale Gasgemisch unter Druck in die gegen die Außenluft völlig abgeschlossene
Kreisleitung eingeführt wird, welche einen für alle -Zylinder gemeinsamen Raum aufweist,
in dem beständig Brennstoff in die Luft oder das normale Gemisch eingespritzt wird,
so daß ein reiches Gasgemisch entsteht, welches mittels eines Kompressors in beständigem
Umlauf in für jeden Zylinder besondere Leitungen gedrückt wird, die in den gemeinsamen
Raum vor der Einspritzstelle für den Brennstoff münden, wobei das reiche Gasgemisch
während der Kompressionsphase der einzelnen Zylinder in diese elngepreßt wird, um
mit der in den Zylindern befindlichen reinen Luft ein normales Gasgemisch zu bilden.
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Diese Einrichtung ist insbesondere auf Brennkraftmaschinen der in
der deutschen Patentschrift 547 o58 beschriebenen Art anwendbar, d. h. auf Mehrzylinderbrennkraftmaschinen,
die mit einem für alle Zylinder gemeinsamen, auf erhöhter Temperatur und erhöhtem
Druck gehaltenen Raum ausgerüstet sind und in denen jeder Zylinder am Ende seiner
Kompressionsphase einen Teil des normalen Gasgemisches, das er enthält, in diesen
gemeinsamen Raum drückt. In dieser Maschine gemäß Patent 547 058 wird die von dem
gemeinsamen Raum kommende normale Gasmischung in der für jeden Zylinder besonders
angeordneten Zerstäubungsvorrichtung:mit Brennstoff angereichert, und die so erzeugte
reiche Gasmischung wird zu Anfang der Kompressionsphase in jeden Zylinder eingeführt,
nachdem dieser vollständig mit Luft gefüllt ist und seine Luftzuführungsöffnungen
geschlossen sind. Diese Speisungsart ermöglicht es, .Gasmischungen von Luft -und
schwerem Brennstoff zu erhalten, die auf die gewöhnliche Weise durch hochgespannte
elektrische Funken ,gezündet werden können, der durch die übliche Zündvorrichtung
aus Kerze und Magnetapparat erzeugt wird.
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Bei der Anwendung der Einrichtung-gemäß der Erfindung auf Brennkraftmaschinen
dieser Art wird das normal karburierte Gasgemisch in der Kreisleitung durch .die
Teilbeträge des Gasgemisches, die durch jeden Zylinder am Ende seiner Kompressionsphase
in den gemeinsamen Raum gedrückt werden, gebildet.
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Die Zeichnungen stellen eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
beispielsweise :dar. Abb. r ist eine Ansicht in senkrechtem Axialschnitt, teils
in Außenansicht der Speisevorrichtung für einen Zylinder.
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Abb. z ist ein waagerechter Querschnitt nach Linie 2-2 der Abb. i.
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Abb. 3 und 4 zeigen zwei Düsenanordnungen in .dem Kolbenventil der
Speisevorrichtung im Grundriß.
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Abb. 5 und 6 sind die entsprechenden Aufrisse.
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Abb.7 ist ein waagerechter Querschnitt durch das Kolbenventil bei
einer abgeänderten Ausführungsform.
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Abb. 8 und 9 sind entsprechende senkrechte Längsschnitte.
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Abb. io, i i und 12 zeigen die zur Bildung des reichen Gasgemisches
dienende Vorrichtung, und zwar Abb. io im Grundriß, Abb. i i im Aufriß und Abb.
12 in vergrößertem Maßstab in senkrechtem Querschnitt nach Linie i2-12 der Abb.
io und i i.
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Die Speisevorrichtung jedes Zylinders a enthält einen Körper b aus
gut wärmeleitendem Metall, der durch eine nichtdargestellte, ' schlecht wärmeleitende
Verbindung thermisch vom Zylinder a isoliert ist, um den Körper der Speisevorrichtung
auf einer höheren Temperatur halten zu können als die Wände des Zylinders. Ein.
Kolbenventil e, das Teile vorn verschiedenem Durchmesser hat, ist so angeordnet,
daß es sich im Körper b verschieben kann. Der untere Teil des Kolbens bildet das
zylindrische Ventil cl, das in eine entsprechende zylindrische Bohrung b1 im Körper
b eingepaßt ist. In diesen zylindrischen Teil cl sind kalibrierte Düsen d (Abb.
i) gebohrt, die konvergent-divergent ausgebildet sind und gleichmäßig um die senkrechte
Achse des Kolbenventils verteilt sind. Die Achsen dieser Düsen d können parallel
zu dieser Achse des Kolbenventils liegen (Abb. 1, 3, 5) oder hinsichtlich dieser
geneigt sein (Abb. 4 und 6). Statt-im Kolbenventil selbst angeordnet zu sein, wie
es in Abb. 1, 3, 4, 5 und 6 dargestellt ist, können die Düsen d, wenn man ihren
Durchgangsquerschnitt vergrößern will, ohne den Durchmesser des Kolbenventils zu
vergrößern, am Umfange des letzteren angeordnet sein, wie in Abb. 7, 8 und 9 dargestellt.
In diesem Falle ist eine gerademachende Hülle dl außen am unteren Teil cl des Kolbenventils
c angeordnet und so mit ihm verbunden, daß sie ein Stück mit ihm bildet und ihm
bei allen Verschiebungen folgt. Die Düsen d können parallel zur Achse des Kolbenventils
(Abb.8) oder gegenüber dieser Achse geneigt-(Abb. 9) sein.
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Der mittlere Teil c2 des Kolbenventils c hat auf seiner Oberfläche
schraubenförmige Flügel
c3, die zwischen sich Nuten oder Hohlräume
schraubenförmiger Gestalt c4 bilden, die dazu bestimmt sind, dem Gasstrom oberhalb
der Düsend im Augenblick des Einspritzens in den Arbeitszylinder a eine Wirbelbewegung
zu erteilen. Die Flügel c3 dienen auch zur Führung des Kolbenventils während seiner
Verschiebungen in der zylindrischen Bohrung bi im Körper b.
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Der obere Teil c5 des Kolbenventils weist größeren Durchmesser auf
und ist mit Dichtungsringen c6 versehen.
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Das Kolbenventil c ist mit einem Ventilteller e fest verbunden, der
die Verbindung zwischen der im Innern des Körpers b gebildeten Kammer und dem Zylinder
a herstellt.
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Die Gesamtheit aus Kolbenventil c und Ventilteller e wird durch
einen Nocken f gesteuert, der auf eine mit dem Kolbenventil c fest verbundene
Traverse f1 einwirkt, die auf Rückziehfedern f2 aufruht, die auf im Körper b der
. Speisevorrichtung befestigte Bolzen f3 aufgerollt sind. Der Nöcken f hat ein geeignetes
Profil, um zuerst eine langsame Öffnung des Ventils e derart zu ermöglichen, daß
das Gasgemisch von der Speisevorrichtung nur durch die Düsen d in den Zylinder
a eintritt. Hierdurch wird die Erreichung einer sehr großen Ausströmgeschwindigkeit
am Ausgang der Düsen ermöglicht, was nötig ist, um die Gasmischung zu vollenden
und sie mit einer ausreichenden lebendigen Kraft in den Zylinder zu stoßen, der
in diesem Augenblick (Beginn der Kompression) mit reiner Luft gefüllt ist.
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Am Ende des Kompressionshubes verläßt der untere zylindrische Teil
cl des Kolbenventils c unter Einwirkung des Nockens f seine Bohrung bi im Körper
b, und der so freigegebene ringförmige Durchtrittsquerschnitt kommt zu dem Düsenquerschnitt
hinzu und ergibt so einen größeren Verbindungsquerschnitt zwischen dem Zylinder
a und dem Innern der Speisevorrichtung.
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Die im Inneren des Körpers b unter dem oberen Teil c5 des Kolbenventils
c angeordnete Kammer g steht durch eine Leitung b2, die durch den Körper b gebohrt
ist, mit einer für alle Zylinder a des Motors gemeinsamen Sammelleitung h in Verbindung.
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Im Körper b sind ferner Leitungen il, i2 gebohrt, die von einem
Anschlußstück i ausgehen und in eine ringförmige Kammer oder Kehle j enden. Diese
mündet im Innern des Körpers b unter eine Scheibe k, die durch ein
Gewinde k1 geführt und auf .einem Sitz b3 gehalten wird, der im Körper vorgesehen
ist. Die Scheibe k hat auf ihrer Unterseite gegenüber der ringförmigen Kehle j eine
kreisförmige Kehle k2, von der kleine radiale Leitungen k3 ausgehen, die in den
schraubenförmigen Hohlräumen c4 im mittleren Teil c2 des Kolbenventils c enden.
Ein im Körper b befestigter, in eine Nut der Scheibe k eindringender Zapfen k4 richtet
diese so, daß sich die Leitungen k3 stets vor den schraubenförmigen Hohlräumen c4
befinden: Wie in Abb. y o, yi und i2 dargestellt, sind die Speisevorrichtungen der
verschiedenen Zylinder untereinander durch den gemeinsamen Sammler h verbunden,
der dazu bestimmt ist, nach der Zündfolge mit jedem der Zylinder a mittels der entsprechenden
Speisevorrichtung in Verbindung zu treten.
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Vom tiefsten Punkt des Sammlers k geht eine Abzweigung hl ab, die
ihn mit der Ansaugekammer h eines kleinen Kreiselkompressors l verbindet, der mit
großer Geschwindigkeit durch den Motor selbst über die Welle 12 angetrieben wird.
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Der untere Teil der Druckkammer L3 des Kompressors l ist mit den Speisevorrichtungen
der verschiedenen Zylinder durch Rohre m verbunden, die in dem Anschlußstück i im
Körper b der Speisevorrichtungen enden. Diese Rohre in sind' mit einer Wärmeschutzhülle
mal umgeben, um zu vermeiden, daß die Temperatur des Gasgemisches während des Durchganges
durch die Rohre sinkt.
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Ein Druckbrennstoffverteiler 14 dessen Abgabe veränderlich ist und
durch einen Hebel W geregelt wird, ist an die Welle Z2 des Kompressors gekuppelt
und wird wie der Kompressor Z selbst mit einer Geschwindigkeit angetrieben, die
mit der Geschwindigkeit der Kurbelwelle des Motors bei normalem Funktionieren in
unveränderlichem Verhältnis steht, aber größer ist als die der Kurbelwelle.
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Die Druckkammer des Brennstoffverteilers za ist durch ein Rohr n=
mit einer mechanischen Zerstäubungsvorrichtung o verbunden, die in der Ansaugekammer
h des Kompressors l liegt.
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Diese mechanische Zerstäubungsvorrichtung kann, wie gestrichelt bei
o1 in Abb. i2 gezeigt ist, durch eine Venturivorrichtung ersetzt werden, die einfach
oder mehrfach angeordnet sein kann und von der Art ist, die zur Zerstäubung des
Brennstoffes bei Vergasern angewendet wird und im Innern der Abzweigung hl, die
vom Sammler h zum Kompressor l führt, angeordnet ist.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Gegen Ende der Kompression
in jedem Zylinder a stellt der Nocken f durch Einwirkung auf die Traverse
f1 des Kolbenventils c die Verbindung zwischen dem Zylinder und seiner Speisevorrichtung
in verhältnismäßig großem Durchtrittsquerschnitt dadurch her, daß er das Ventil
e von seinem Sitz entfernt und den unteren zylindrischen Teil cl des Kolbenventils
c
um eine genügende Strecke senkt, so daß er aus der Bohrung b1 im Körper b hinausgeht.
Ein Teil des normalen Gasgemisches, das im betrachteten Zylinder gebildet wurde,
geht durch die Kammer g der Speisevorrichtung und durch die Leitung b2 in ihrem
Körper in den gemeinsamen Sammler h. Die verschiedenen Teilbeträge des normalen
Gasgemisches laden so den Sammler h.
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Der Kreiselkompressor l setzt diese Masse des normalen Gasgemisches,
die im Sammler h aufgespeichert ist, in Bewegung, indem er sie durch die Abzweigung
hl in die Kammer 11
ansaugt, sie in die Kammer 13 drückt und sie zum
,gemeinsamen Sammler h zurückschickt, indem sie durch die Speisevorrichtung jedes
Zylinders in folgender Reihenfolge geht: Rohr m, Anschlußstück
i, Leitung arm, i2, ringförmige Kehle j im Körper b, ringförmige
Kehle k2 und Leitung k3 in der Scheibe k, schraubenförmige Hohlräume c4 des Kolbenventils,
Kammer g, Leitung b2 im Körper b.
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Das normale Gasgemisch, das auf- diese Art in ständiger schneller
Bewegung gehalten wird, wird bei seinem Durchgang in die An-,saugekammer h des Kreiselkompressors
l
durch Zuführung von Brennstoff durch die mechanische Zerstäubungsvorrichtung
o oder durch die Venturivorrichtung am Eingang der Abzweigung hl zwischen Sammler
h und Kompressor l angereichert. Diese Brennstoffzufuhr, deren Betrag durch den
Verteilern geregelt werden kann, geschieht stets vordem Eintritt der gasförmigen
Masse in den Kompressor Z und in seine Ansaugezone.
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Die schnelle Zirkulation sowie die Anreicherung des im Sammler h aufgespeicherten
normalen Gasgemisches gehen sozusagen in geschlossenem Kreislauf vor sich. Der Kompressor
l ermöglicht es infolge der durch ihn erzeugten Rührbewegung, ein homogenes, sehr
brennstoffreiches Gemisch zu erhalten.
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Sobald ein Zylinder a fest geschlossen ist, das heißt sobald .die
Zuführungsöffnungen oder das Einlaßventil geschlossen sind, am Beginn der Kompressionsphase
im Zylinder, wirkt der Nocken f auf das Kolbenventil c und das Ventile ein, die
fest miteinander verbunden sind. Das Ventil e öffnet sich zuerst langsam infolge
der dem Nocken f gegebenen Gestalt, während das Kolbenventil langsam abwärts geht,
wobei sein unterer zylindrischer Teil cl noch in der Bohrung bi im Körper b bleibt.
Es folgt daraus,) daß die Speisevorrichtung nur durch den verhältnismäßig kleinen
Querschnitt der Düsen d mit dem Zylinder in Verbindung steht.
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Das reiche Gasgemisch, das auf dem oben beschriebenen Weg durch die
Speisevorrichtung geht, strömt durch die schraubenförmigen Hohlräume c4, die ihm
eine Wirbgl-Bewegung erteilen, welche eine reguläre und gleichmäßige Beschickung
der Absperrdüsen gewährleistet, indem es durch die Gemischkammer c' zwischen den
Teilen c1 und c2 des Kolbenventils geht.
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Es wird also ein reiches Gasgemisch mit sehr großer Geschwindigkeit
durch die Düsen d gespritzt und durch Wirbelung in der im Zylinder a komprimierten
reinen Luft zerstreut.- Die große Ausströmgeschwindigkeit folgt .aus dem beträchtlichen
Druckverhältnis zwischen Sammler h und Zylinder a sowie aus dem Profil
der Düsend.
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Während der ersten Phase der Einspritzperiode in den Zylinder a erfolgt
die Entladung des Sammlers h einzig durch die Absperrdüsend., derart, daß, wenn
noch flüssiger Brennstoff in Tropfenform infolge der Unbeweglichkeit des Kolbenventils
c und des Ventils e während der vorhergehenden Periode vorhanden ist, diese Tröpfchen
durch Zerreißen getrennt und durch die Geschwindigkeit des am Ausgang des divergenten
Teiles der Düsen d sich ausdehnenden Gases zerstreut werden. Während dieser Zeit
setzt der Kolben seinen aufsteigenden Kompressionshub im Zylinder a fort, und der
Druckunterschied zwischen dem Zylinderinnern und dem Sammler h wird kleiner. Wenn
sein Betrag nicht mehr zur Zerstäubung ausreicht, läßt der Nocken f beim Fortgang
seiner Drehung den unteren zylindrischen Teil cl des Kolbenventils aus seiner Bohrung
bt im Körper b austreten. Ein beträchtlicher kreisförmiger Durchtrittsquerschnitt
tritt so plötzlich zu dem der Düsen d hinzu, und es entsteht ein Druckausgleich
zwischen dem Sammler h und dem Zylinder ca.
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Die Wärmezufuhr infolge der Kompression im Zylinder ermöglicht es,
den zerstreuten Brennstoff zu vergasen. In diesem Augenblick wird die Luft bis zu
einem normalen Betrag vollständig karburiert durch die Zerstreuung und die Mischung
des reichen Gases, das in die_im Zylinder enthaltene Luftmenge eingespritzt ist.
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Wenn der Kolben seinen Kompressionshub im Zylinder fortsetzt, wird
die. Richtung des Stromes zwischen Sammler h und Zylinder a umgekehrt. Der Zylinder
wird jetzt in den Sammler h- entladen, und zwar durch die Speisevorrichtung für
den betrachteten Zylinder. Eine normal karburierte Gasmenge wird in einem Volumen,
das dem der zuvor in den Zylinder a eingespritzten reichen Gasmischung entspricht,
in den Sammler h zurückgeschickt, wo sie sich mit der schon dort befindlichen Gasmenge
mischt, die auf dieselbe Weise von den anderen Zylindern am Ende ihrer Kompressionsphase
zurückgeschickt worden ist. Diese Gasmenge wird
bei ihrem Vorbeigehen
vor der mechanischen Zerstäubungsvorrichtung bzw. der Venturivorrichtung mit Brennstoff
angereichert, und das reiche Gasgemisch wird durch den Kompressor z in beständiger
Zirkulation durch die Rohre in, die Speisevorrichtungen für die Zylinder und den
Sammler h gehalten.
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Die Periode der Ladung des Sammlers h mit normaler Gasmischung durch
jeden der Zylinder a dauert bis zum Zündpunkt im betrachteten Zylinder. Sie wird
in diesem Augenblick durch das schnelle Schließen des Ventils e unterbrochen, das
durch die Federn f2 wieder auf seinen Sitz geführt wird, um die Verbrennung der
im Sammler h aufgespeicherten Ladung zu verhüten.
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Die Zündung im Zylinder wird durch den elektrischen Funken erzeugt,
die Verbrennung findet statt, und der Druck im Zylinder steigt bis zum Ende des
Hubes. Es findet dann die Expansion der Verbrennungsgase, gefolgt vom Ausstoßen
der verbrannten Gase statt. Der Zylinder erhält dann eine neue Ladung reiner Luft,
und wenn der Motorkolben sich von neuem am Anfang der tatsächlichen Kompression
befindet und alle seine Öffnungen geschlossen sind, öffnet sich das Ventil
e, gesteuert vom Nocken f, von neuem, um eine Einspritzung von reichem
Gasgemisch in die im Zylinder enthaltene reine Luft zu ermöglichen. Die verschiedenen
Phasen des Kreislaufes treten auf die oben beschriebene Weise wieder ein. Er ist
für alle Zylinder desselben Motors gleich in der Reihenfolge ihrer Zündung.
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Die Homogenität der Ladung, die man schließlich in jedem Zylinder
erhält und die von der Zerstreuung des reichen Gasgemisches in der im Zylinder enthaltenen
reinen Luft herrührt, ist bedeutend größer als die Homogenität des Gasgemisches,
das man erhält, wenn man ein sehr geringes Volumen flüssigen Brennstoff in eine
beträchtliche Luftmasse spritzt. Die Zündung dieser homogenen Masse wird leichter
erzielt, und ihre vollständige Verbrennung ist schneller, was ein wesentlicher Vorteil
für das ordnungsmäßige Funktionieren von Motoren bei erhöhtem Betrieb ist, dessen
Verwirklichung so erleichtert wird.
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Will man mit diesem Verfahren zur Bildung der einzuspritzenden Ladung
den besten Ertrag erzielen, so ist es nötig, die Leitungswände durch eine Zirkulation
von heißer Luft oder heißem Gas in einer die Leitungen umgebenden Hülle thermisch
zu isolieren, wie es bei p in den Abb. r o, r r, 12 dargestellt ist. Man braucht
die in den Leitungen zirkulierenden Gasmengen weder zu erwärmen noch abzukühlen,
wenn man die in der Konstruktion des Motors (Volumen der Kompressionskammern in
den Zylindern) vorgesehenen Gleichgewichtsbedingungen erhalten will, ausgehend von
einem gegebenen Motor.
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Um das Inbetriebsetzen des Motors in kaltem Zustand zu ermöglichen
unter Verwendung schwerer Brennstoffe, wie Brennpetroleum, Alkoholen, Gasölen, Pflanzenölen
u. dgl., deren Dämpfe bei gewöhnlicher Temperatur nicht entzündbar sind, wird ein
elektrischer Widerstand r (Abb. 12) auf eine Muffe r1 aufgerollt, die aus elektrisch
isolierendem, aber gut wärmeleitendem Stoff besteht und auf der gut wärmeleitenden
Wand des Abzweigungsrohres h1 angebracht ist, das den Sammler h mit_ der Ansaugekammer
1i des Kompressors Z verbindet. Der Widerstand r wird durch eine äußere Hülle r2
aus feuerfestem Stoff geschützt. Vor dem Inbetriebsetzen des Motors wird der Widerstand
r etwa eine Minute lang erwärmt durch den niedrig gespannten Strom, der durch eine
zum Anfahren des Motors dienende Akkumulatorenbatterie erzeugt wird.
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Man kann an Stelle des Kreiselkompressors mit Flügeln L eine Zentrifugenturbine
großer Geschwindigkeit, eine Kolbenpumpe, eine Scheibenpumpe o. dgl. verwenden,
ohne an der Art der Bildung und Zirkulation des zum Einspritzen in die Zylinder
bestimmten reichen Gasgemisches etwas zu ändern.