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Verbrennungskammer für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft
eine Verbrennungskammer von Brennkraftmaschinen, die ein hohes Kompressionsverhältnis
zuläßt, ohne daß Klopfen erfolgt.
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Der Wärmefluß zwischen der Wand der Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine
und den in der Kammer eingeschlossenen Gasen kann infolge des periodischen Anwachsens
und Abfallens der Gastemperatur während des Betriebes in zwei Komponenten zerlegt
werden, von denen die eine im folgenden die stetige Komponente und die andere die
periodische Komponente genannt werden soll. Als stetige Komponente des Wärmeflusses
ist der Teil der Wärme bezeichnet, der während eines gegebenen kleinen Zeitraumes
die Wand der Kammer durchdringt und das Kühlmittel auf der anderen Seite der Wand
erreicht. Der übrigbleibende Teil der Wärme, der von der Wand während eines Teiles
des Arbeitsspieles absorbiert und während eines anderen Teiles des Arbeitsspieles
wieder an die Gase innerhalb der Kammer abgegeben wird, stellt die periodische Komponente
dar.
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Die Wand der Verbrennungskammer muß bekanntlich gekühlt werden, um
die Temperatur innerhalb der Kammer so tief zu halten, daß keine vorzeitige Zündung
des eingespritzten Brennstoffes stattfindet. Da die durch die Kühlung abgeführte
Wärmemenge nicht in mechanische Arbeit umgesetzt wird, wird dadurch der thermische
Wirkungsgrad der Maschine verschlechtert. Aus diesem Grunde muß die durch Kühlung
abgeführte Wärinemenge so niedrig wie möglich gehalten werden.
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Nach der Zündung und während des Fortschreitens der Verbrennung wächst
die Temperatur des unverbrannten Gases vor der Flamme außerordentlich schnell an,
wobei das Gas eine Temperatur erreichen kann, bei der es sich plötzlich von selbst
entzündet. Auf diese Weise entsteht das sogenannte Klopfen, das besonders bei hoher
Kompression auftritt. Um das Klopfen zu verhindern, muß nach der Zündung derjenige
Teil des unverbrannten Gases, der zuletzt verbrannt wird, so kühl wie möglich gehalten
werden.
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Zwischen den beiden aus dem Obigen sich ergebenden einander entgegengesetzten
Bedingungen kann man einen Ausgleich dadurch erzielen, daß man die stetige Komponente
der von der Wandung aufgenommenen Wärme so klein wie möglich hält und die periodische
Komponente in der Weise regelt, daß der Wärmefluß während des letzten Teiles der
Verbrennungsreaktion
in der Kammer am größten ist. Die Erfindung ergibt eine Lösung der gekennzeichneten
Aufgabe und ge-
stattet, c'.ie Dompression zu vergrößern, ohne' daß Klopfen
eintritt.
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Die Erfindung besteht darin, daß der Zylinderkopf, in dem sich die
Verbrennungskammer befindet, mit einer Wandung versehen wird, die aus verschiedenen
Materialien derart zusammengesetzt ist, daß die gesamte Wärmemenge, die an die Wandung
von dem ersten oder Hauptteil des verbrennenden Gases abgegeben wird, relativ vermindert
wird, während die Wärmemenge, die an die Wandung von dein letzten Teil des unverbrannten
Gases während des letzten Teiles der Reaktion abgegeben wird, relativ vergrößert
wird. Der Hauptteil der Wandung der Verbrennungskammer in dem Zylinderkopf wird
daher vorzugsweise aus einer Eisenlegierung, beispielsweise Stahl, hergestellt und
relativ dünn ausgeführt, soweit sie die Kammer von der Kühlflüssigkeit trennt, und
verbunden mit einer Schicht aus Kupfer oder einem ähnlich geeigneten Material von
hoher Leitfähigkeit. Dieser Teil ist so angeordnet, daß er sich in Berührung mit
dem zuletzt verbrennenden Teile des Gases befindet.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
dargestellt.
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Fig. i ist ein Teilschnitt durch den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
parallel zur Zylinderachse.
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Fig. 2 ist eine teilweise Ansicht von unten auf den Zylinderkopf einer
mehrzylindrigen Maschine.
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Fig. 3 ist eine teilweise schaubildliche Ansicht des Dachteiles aus
Metall, in dem der Verbrennungsraum bzw. die Verbrennungsräume angeordnet sind.
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Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine etwas abgeänderte Ausbildungsform
des Dachteiles. Fig. 5 ist eine graphische Darstellung zur E4läuterung der Wirkungsweise
der Erfindung.
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Fig. 6 zeigt einen abgeänderten Kolben gemäß der Erfindung.
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In der Zeichnung bedeutet io einen Zylinderblock, der einen oder mehr
Zylinder 12, ferner'Einlaßleitungen fü'r das Brennstoff-Luft-Gemisch und Auslaßleitungen,
von denen eine, 14, durch ein Ventil 22 gesteuert wird, und die üblichen Leitungen
16 für die Kühlflüssigkeit besitzt. In dem Zylinder 12 bewegt sich der Kolben 2o,
der in Fig. i bei seinem Kompress.ionshube nahe seiner Endlage gezeigt hat, wobei
die Ventile geschlossen sind.
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Gemäß der Erfindung ist der Zylinderkopf zusammengesetzt aus einem
kräftigen äußeren Hauptteil 24 und einem inneren Teil 30, der zwischen dem äußeren
Teil und dem eigentfichen Zylinderkopf angeordnet ist. Der :.äußere Teil 24 kann
aus irgendeinem geeig-'xIaeten Material, vorzugsweise aus Gußeisen, bestehen und
mit geeigneten Rippen 26 und `Durchlässen 28 für die Kühlflüssigkeit versehen sein.
In dem inneren Teil 3o des Zylinderkopfes sind entsprechend der Anzahl der Zylinder
eine oder mehrere Verbrennungskammern vorgesehen, die durch ein Preßverfahren aus
geschmiedetem Blech, vorzugsweise aus einer Eisenlegierung, z. B. Stahl, hergestellt
sind, daß nach der Pressung eng mit einer Schicht aus einem Stoff von höherer Wärmeleitfähigkeit
verbunden ist, ,vie iv eher unten näher beschrieben werden soll. Der innere Teil
30 ist durch die genannten Rippen oder Streben 26 verstärkt. Er besitzt in
der gezeigten Ausführungsform einen Teil 34, in dem die Zündkerze 35 eingeschraubt
ist. Der Teil 34 kann mit dem inneren Teil 3o durch Schweißung verbunden sein. Er
ist durch eine Öffnung 36 des äußeren Teiles a4 nach außen geführt und mit einem
Flansch 4o versehen, der unter Zwischenschaltung einer geeigneten Dichtung
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durch eine Mutter 38, die auf den Teil 3.1. aufgeschraubt ist, an den äußeren
Teil 24 gedrückt wird. Der Rücken des genannten inneren Blechteiles 30 ist
bei der dargestellten Ausführungsform in direktem Kontakt mit dem Kühlwasser, abgesehen
von den Stellen, wo die Rippen 26 und der Teil 34 gegen das Blech anliegen. Der
Teil 3o kann durch Schweißung oder auf andere Weise mit dem äußeren Teil 24 verbunden
sein. Er kann aber auch nur durch Bolzen 42 und Muttern 44, welche den ganzen Zylinderkopf
mit dein Block io derart verbinden, daß der Teil 30 zwischen die innere Fläche des
äußeren Teiles 24 und die Endfläche des Blocke io zu liegen kommt, gehalten werden.
Zwischen dem Ende des Blockes io und dem inneren Teil 30 des Zylinderkopfes
kann, wenn erforderlich, eine Dichtung 46 angeordnet werden.
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Bei der dargestellten Verbrennungskammer befinden sich in dein Boden
der Kammer Ventilöffnungen, die durch den Zylinderblock an einer Seite des Zylinders
gehen. Eine oder mehrere Zündstellen sind in der Nachbarschaft der Ventile vorgesehen.
Das Dach der Verbrennungskammer erstreckt sich über den Zylinder hinweg und kommt
in der oberen Totpunktlage des Kolbens nahe an die Kolbenfläche heran, und zwar
besonders an der Seite des Zylinders, die am weitesten von der Zündstelle entfernt
ist, so daß ein niedriger Raum von im Verhältnis zu seinem Volumen großer Oberfläche
in dem Teil der Kammer gebildet wird, die am weitesten von der Zündstelle entfernt
ist, in dem sich also der Teil
des Brennstoff-Luft-Gemisches befindet,
der zuletzt entzündet -,iv-d.
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Eine Schicht So aus einem Metall von hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise
Kupfer, ist durch Schweißung oder auf andere Weise mit dem Tai13o, der aus einem
eisenhaltigen Metall besteht, eng verbunden. Die Schicht 50 ist von beträchtlicher
Dicke und hat eine große Wärmeabsorptäonsfähigkeit. Sie liegt über einem Teil des
Kolbens, der am Ende des Kompressions- und de,s Auspuffhubes nahe an sie herankommt,
und ist in Kontakt "mit dem letzten Teil des zu verbrennenden Brennstoff-Luft-Gemisches.
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Obgleich der Zweck der Erfindung am besten durch eine Kupferschicht
5o in dem Dache der Verbrennungskammer erfüllt wird, kann auch, wie in Fig. 6 angegeben
ist, eine Kupferschicht 52 auf die Vorderfläche des Kolbens 2o aufgebracht sein.
Gegebenenfalls können sowohl an dem Dache der Verbrennungskammer als auch auf der
Vorderfläche des Kolbens Kupferschichten vorgesehen werden.
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Die Dicke des inneren Teiles 3o, der den Hauptteil des Daches der
Verbrennungskammer bildet, ist derart gewählt, daß die Kühlung gerade groß genug
ist, um eine vorzeitige Zündung zu verhindern, ohne daß der volumetrische Wirkungsgrad
zu sehr verschlechtert wird, und außerdem innerhalb der Kammer die richtige Wärmebilanz
zu sichern.
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Fig.4 zeigt eine leichte Abänderung des inneren Teiles eines Zylinderkopfes
gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform kann der Teil 3o' ein Guß- oder
Schmiedestück sein, das eine Schulter 3 r bzw. eine Aussparung aufweist, in die
die Kupferschicht 5o gerade paßt, so daß ein glattes Dach für die Verbrennungskammer
auch an der Stelle entsteht, wo der Eisen- oder Stahlteil 30' in die Kupferschicht
5o übergeht.
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Fig. 5 stellt graphisch die Wirkung einer Verbrennungskammer nach
der Erfindung auf die Temperatur des letzten Teiles des zu verbrennenden Brennstoff-Luft-Gemisches
während eines Arbeitsspieles eines Viertaktmotors im Vergleich mit der Wirkung der
üblichen gußeisern@en Wandung der Verbrennungskammer dar. Die graphische Darstellung
ist das Ergebnis einer Reihe sorgfältiger Untersuchungen unter schweren Betriebsbedingungen.
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In der Fig. 5 gibt die Kurve A, deren Anfang dem Ende des Ansaughubes
entspricht, das Steigen der Temperatur des eingeführten frischen Gasgemisches an.
Kurz bevor der Kolben in seine obere Totpunktlage gekommen ist, setzt die Verbrennung
im Punkte A1 ein. Das Brennstoff-Luft-Gemisch hat in diesem Punkte eine Temperatur
von ungefähr 98o° F (527° C) erreicht. Darauf steigt die Temperatur des brennenden
und des verbrannten Gases sehr rasch an und erreicht eine höchste Temperatur von
annähernd 3900° F (2 150' C), ehe der Kolben seinen Arbeitshub halb vollendet
hat, und fällt dann gemäß der Kurve B schnell ab.
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Die Kurve C zeigt das Anwachsen des Druckes innerhalb der Kammer in.
Kilogramm für ein Quadratzentimeter an. Das Ansteigen erfolgt zunächst allmählich
bis zu dem Punkte, wo die Zündung erfolgt, also vor der oberen Totpunktlage des
Kolbens. Der Druck steigt dann steil an und erreicht einen maximalen Betrag von
26 kg für ein Quadratzentimeter, wenn die Kurbelwelle sich um etwa 4o° über die
obere Totpunktlage beim Arbeitshub gedreht hat und ehe die Temperatur des brennenden
Gases den höchsten Wert erreicht hat. Während des Restes des Arbeitshubes fällt
dann der Druck wieder schnell ab.
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Die horizontale Linie D zeigt die kritische Temperatur des unverbrannten
Gasgemisches an, d. h. diejenige Temperatur, bei der es sich von selbst entzündet.
Diese Temperatur liegt etwas oberhalb r4oo° F (760° C).
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Die gestrichelte Linie A2 zeigt das Anwachsen der Temperatur des unverbrannten
Gases nach der Zündung an, wenn es sich in Berührung mit der üblichen Wandung der
Verbrennungskammer aus Gußeisen befindet. Die gestrichelte Linie A3 zeigt das Anwachsen
der Temperatur des unverbrannten Gases an, wenn es sich in Berührung mit einer zusammengesetzten
Wandung gemäß der Erfindung befindet, deren Form jedoch dieselbe ist wie die der
gußeisernen Wandung. Wie man sieht, erreicht die Linie A3 die Linie D beim höchsten
Druck noch nicht.
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Da also während der Verbrennung die Temperatur des letzten Teiles
des unverbrannten Gases in einer Verbrennungskammer mit zusammengesetzter Wand gemäß
der Erfindung die kritische Temperatur beim höchsten Druck nicht erreicht, ist es
offenbar, daß mit einer derartigen Verbrennungskammer höhere Kompressionsdrücke
benutzt werden können, ohne daß Klopfen auftritt, als mit Verbrennungskammern derselben
Form, die mit den üblichen eisernen Wandungen ausgerüstet sind.
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Die Arbeitsweise der Verbrennungskammer nach der Erfindung ist im
übrigen die übliche. Das Gasgemisch wird durch einen Zündfunken entzündet und dann
durch den Kolben komprimiert. Die Verbrennung beginnt und breitet sich von dem Zündpunkt
nach allen Richtungen aus, wobei die Explosionswelle im allgemeinen kugelförmige
Gestalt hat. Der Teil des unverbrannten Brennstoffes, der zuletzt entzündet wird,
befindet sich daher in der größten Entfernung
von dem Punkte, an
dem die Zündung eingesetzt hat. Bei der dargestellten Verbrennungskammer befindet
sich daher der Teil des unverbrannten Gases, der zuletzt von der Flamme erreicht
wird, oberhalb des Kolbens in Berührung mit der Kupferschicht, die eine hohe Wärmeabsorption
besitzt. Das Kupfer entzieht dem mit ihm in Berührung stehenden Gase Wärme und gibt
die Wärme, wenn die Temperatur oberhalb der Kammer unter die Temperatur des Kupfers
gefallen ist, wieder an die Gase in der Kammer ab, so daß, bis zu einem gewissen
Grade die Wärmeverluste wiederaufgehoben werden, die sollst durch die Kammerwandungen
abgeleitet und in dem Kühlmedium zerstreut werden. Die Wandung 3o aus Eisen oder
Stahl, die hinter der Kupferschicht 5o liegt, verzögert die Wärmeübertragung von
dem Kupfer auf das Kühlmedium, so daß ein großer Teil der Wärme in dem Kupfer aufgespeichert
wird, bis die Temperatur des Gases so weit gesunken ist, daß der Wärmefluß in der
Wandung sich umkehrt und ein Teil der Wärme, die vorübergehend, um Klopfen zu verhindern,
abgeführt war, dem Gase wieder zugeführt wird. Die Biegsamkeit des relativ dünnen
Metalldaches der Verbrennungskammer nach der Erfindung, seine Benutzung zum Steuern
der Kühlung und seine Elastizität sind weitere Faktoren, die zu dein Wärmeausgleich
durch die zusammengesetzte Wand hinzukommen und die eine höhere Kompression als
die üblichen gußeisernen Verbrennungskammern zulassen, ohne daß Klopfen eintritt.