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Brennkraftmaschine mit Außenverbrennung, vornehmlich für Fahrzeuge,
zur Verwendung schwer entflammbarer Brennstoffe Die Erfindung bezieht sich auf eine
Brennkraftmaschine, vornehmlich für Fahrzeuge, zur Verwendung schwer entflammbarer
Brennstoffe, wie schwere Teeröle und Rück-,standsöle, mit einer außenliegenden,
nur zeitweise mit dem Arbeitszylinder verbundenen, aus einem außen wärmeisolierten
und von einem Metallmantel umschlossenen Ouarzrohr bestehenden zylindrischen Brennhammer,
der durch Verdichter Luft zugeführt, in die ferner der Brennstoff an. der einen
Stirnseite eingespritzt und der das vollständig verbrannte, hochgespannte Gas an
der anderen Stirnseite entnommen wird. Bei derartigen Maschinen für schwer entflammbare
Brennstoffe, die infolge ihrer hohen Entflammungstemperatur, großen Entzündungsträgheit
und ihrer Neigung zur Bildung -zähflüssiger, klebriger oder fester Rückstände in
den üblichen Brennkraftmaschinen mit Verbrennung im Arbeitszylinder nicht erfolgreich
verarbeitet werden können, kommt es vor allein darauf an, die Verbrennung des Gasgemisches
in der außerhalb des Arbeitszylinders angeordneten Brennkammer sicherzustellen,
um einen befriedigenden thermischen Wirkungsgrad zu erreichen und häufige Betriebsstörungen
zii vermeiden. Eine Brennkraftmaschine dieser Art ist bereits bekanntgeworden, bei
welcher zur Gewährleistung der Verbrennung der Rauminhalt der Brennkammer sehr reichlich
bemessen werden soll, so daß jedes Brennstoffteilchen lange genug darin verweilt,
um während dieser Zeit hinreichend mit Luft vermischt - und völlig verbrannt zu
werden. Hierzu sind Brennkammern von sehr erheblichen Ausmaßen notwendig, zumal
j a die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in einer derartig großen Brennkammer
nur gering ist und daher die Strömungsbewegung als solche zur Durchmischung nicht
wesentlich beiträgt, das Gemisch vielmehr als nahezu ruhend anzusehen ist. Bauausführungen
dieser Art können jedoch wegen des großen Platzbedarfs der Brennkammer für Fahrzeuge
nicht verwandt werden.
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Die vorliegende Erfindung gibt nun einen Weg an, auf welchem das angestrebte
Ziel bei ganz wesentlich geringerem Platzbedarf mit noch größerer Zuverlässigkeit
und besserer Wirkung erreicht werden kann als bei der bisher bekanntgewordenen Bauart.
Das Neue der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die Brennkammer anstatt
als kessel- oder trommelförmiger Behälter
von großem Rauminhalt
und Durchmesser, vielmehr als lange, enge, rohrartige Kammer ausgebildet wird, deren
Länge mindestens das Zehnfache ihres lichten Durchmessers und etwa das Fünffache
des Kolbenhubes..in einem Arbeitszylinder beträgt.
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Es wurde nämlich gefunden, daß eine zuverlässigeVerbrennung des Gemisches
anstatt durch sehr langes Verweilen eines jeden Gemischteilchens in einem sehr großen
Gemischraum mit verhältnismäßig langsamer Strömung, viel wirkungsvoller durch eine
rasche, mit möglichst weitgehender Wandberührung verbundene Durchströmung einer
langen, engen, rohrartigen Kammer gesichert werden kann. Hierbei fördern die hohe
Strömungsgeschwindigkeit und die durch sie %-erursachte Wirbelung sowohl die Durchmischung
als auch die Wandberührung des Brenngemisches in hervorragendem Maße, und die letztere
begünstigt infolge des katalvtisch wirkenden Einflusses der Wandoberfläche in hohem
Maße den Zünd- und Verbrennungsvorgang. Systematische Versuche haben ergeben, daß
diese neuartige Ausführung unter den bei Fahrzeugmotoren praktisch gegebenen Verhältnissen,
d. h. insbesondere bei der hierfür üblichen Größenordnung der Kolbengeschwindigkeit,
eine völlig zuverlässige Verbrennung des Gernisches in der langen, engen, rohrartigen
Kammer ergibt, wenn die freie Länge der letzteren (d. h. die Länge des von jedem
Brennstoffteilchen von der Einspritzdüse bis zum Zylindereinlaßventil zu durchlaufenden
Weges) mindestens das Fünffache- eines Kolbenhubes und die lichte Weite des Brennraumes
nicht mehr als ein Zehntel seiner Länge beträgt. in diesem Fall sind die Strömungsgeschwindigkeit
und die Länge des Strömungsweges einerseits und die Größe der je Gemischraumeinheit
bestrichenen Wandoberfläche andererseits ausreichend, um den Ablauf der Verbrennungsvorgänge
bei den praktisch in Betracht kommenden Arbeitstemperaturen sicherzustellen.
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Da bei rasch laufenden Fahrzeugmotoren der Durchmesser des Arbeitszylinders
im allgemeinen annähernd gleich dem Hub (mit höchstens etwa 25 °/o Abweichung) bemessen
wird, ergibt sich aus den vorstehenden Angaben auch das Verhältnis der lichten Weite
der Brennkammer zum Kolbendurchmesser.
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Ein eigenartiges Merkmal der neuartigen Ausführung gemäß der Erfindung
besteht darin, daß die Bemessung der Brennkammer zwar gemäß Vorstehendem in engem
Zusammenhang mit den Abmessungen des Arbeitszylinders steht, dagegen von der Anzahl
der Zylinder sowie von der Drehzahl praktisch so gut wie unabhängig ist. Dies rührt
daher, daß es, wie oben gesagt, zur Sicherstellung der Verbrennung nur darauf ankommt,
daß jedes Gemischteilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit längs einer bestimmten
Weglänge eine gewisse Wandä ?lüerfläche j e Gasraumeinheit bestreicht. TIierbei
ist es gleichgültig, ob das gesamte die Brennkammer durchfließende Gemisch schließlich
in ein und denselben Arbeitszylinder gelangt oder ob es sich auf mehrere Zylinder
verteilt. Der einzige Unterschied besteht darin, daß im ersten Fall die Gemischsäule
in der Brennkammer während eines größeren Teiles des Arbeitsspieles stillsteht als
im zweiten Fall, in welchem die Einlaßzeitabschnitte der verschiedenen Zylinder
innerhalb des Arbeitsspieles aufeinanderfolgen. Dies hat aber für die Bemessung
der Brennkamtner keine nennenswerte Bedeutung, da es gemäß der Erfindung vornehmlich
auf die Bewegung des Gemisches durch die Brennkammer, nicht aber auf seinen Stillstand
in derselben ankommt.
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Die Drehzahl der Maschine hat deshalb praktisch keinen Einfluß auf
die Bemessung der Brennkammer, weil die Strömungsgeschwindigkeit der Gemischsäule
in der letzteren bei der gegebenen Abhängigkeit der Brennkammermaße von den Zylindermaßen
nur von der Kolbengeschwindigkeit abhängt; diese wird aber bei schnell laufenden
Fahrzeugbrennkraftmaschinen normalerweise stets in der gleichen Größenordnung (etwa
8 bis ro m/Sek.) gewählt.
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Bei der baulichen Durchbildung der Brennkammer muß man den Sonderanforderungen
Rechnung tragen, die bei dieser Bauart (im Gegensatz zu den Verhältnissen bei den
bekannten großräumigen Brennkammern) dadurch auftreten, daß einerseits die Länge
und die Wandoberfläche j e Volumeneinheit besonders groß sind, wodurch der Wärmeisolierung
zur Vermeidung von Strahlungs- und Leitungsverlusten und Erreichung einer hohen
Temperatur auch am Ende der langen Kammer eine besonders große Bedeutung zugeteilt
wird, und daß andererseits die Innenwandungen der Brennkammer, an denen sich ein
sehr erheblicher Teil der Verbrennung abspielt, besonders heftigen und plötzlichen
Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Diesen Bedingungen, zu denen noch die Beanspruchung
durch die mechanischen Erschütterungen der Maschine hinzukommt, kann in vorteilhafter
Weise dadurch entsprochen werden, daß das als innere Brennkammer dienende Ouarzrohr
von einer äußeren Lage aus feuerfestem Ton oder einem anderen hitzebeständigen,
die Wärmestrahlung zurückhaltenden Werkstoff umkleidet und von einer äußeren Lage
aus einer wärmeisolierenden nachgiebigen,
gewissermaßen federnden
Masse, wie z. B. Asbestflocken oder Schlackenwolle, umgeben ist.
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Durch diese Kombination wird außer weitestgehender Isolation gegen
Wärmeleitung und -strahlung auch zugleich ein vorzüglicher Schutz gegen Beschädigung
der Isolationsanordnung gewährleistet, da das innere (Quarzrohr den hohen Temperaturen
und den infolge der Wandverbrennung besonders heftigen und plötzlichen Temperaturschwankungen
vorzüglich standhält und den umgebenden Tonmantel, der zur Isolation gegen Wärmebestrahlung
dient, vor übermäßiger Temperaturbeanspruchung schützt, während die ::ußere Umhüllung
aus nachgiebigem Isoliermaterial, wie z. B. Asbestwolle oder Schlakkenwolle, die
von dem Gang der Maschine herrührenden Erschütterungen des äußeren Metallmantels
von dem keramischen Material fernhält und gleichzeitig noch eine zusätzliche Wärmeisolation
bewirkt. Infolge der besonders günstigen Wirkungen dieser Kombination der verschiedenen
Isolierelemente ist es möglich, in einer derartigen Brennkammer eine sehr hohe mittlere
Arbeitstemperatur (von annähernd iioo° C) aufrechtzuerhalten.
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Die Zeichnungen veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Abb. i ist eine teilweise geschnittene Endabsicht der Brennkraftmaschine
gemäß der Erfindung, wobei die Brennkammer und ein Arbeitszylinder im halben Schnitt
sowie ein Drehgebläse, ein Kühler und ein Kolbenverdichter in halber Ansicht dargestellt
sind; Abb. -2 zeigt einen Längsschnitt der Brennkammer: Abb. 3 zeigt einen Längsschnitt
eines Wä rmeaustauschers für große Maschinen. Die Maschine enthält einen oder mehrere
Arbeitszylinder i. Sämtliche Zylinder haben eine von einem Metallmantel 2 umgebene
geineinsame Brennkammer 16, eine Anzahl von Kolbenverdichtern 3, ein Drehgebläse
4. sowie einen Kühler 5. Eine Brennstoffpumpe 6 fördert Brennstoff zu einer in der
Brennkammer 16 angeordneten Brennstoffdüse 7, und von dort gelangen die verbrannten
Gase durch ein Einlaßventil 8 in den Arbeitszylinder i. Das Einlaßventil 8 und die
Brennstoffpumpe 6 werden durch Nocken 9, bzw. io von der Kurbelwelle i i aus mittels
der Stößel 12, 13 angetrieben.
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Das Ventil 8 ist innerhalb einer wassergekühlten zylindrischen Führung
14 verschiebbar und wird gegen seinen Sitz durch eine Feder gepreßt, die in einem
Gehäuse i j eingeschlossen ist.
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Die Brennkammer 16 besteht aus einem feuerfesten Quarzrohr, das von
einer Lage 17a aus fettei-festeni Ton oder einem anderen hitzebeständigen und undurchsichtigen
Werkstoff umgeben ist, um Wärmestrahlungsverluste zu verhüten, für die Quarz durchlässig
ist. Das Quarzrohr besitzt eine Länge, die wenigstens zehnmal so groß wie ihre Bohrung
und fünfmal so groß wie der Kolbenhub in einem Arbeitszylinder ist. Die aus dem
Quarzrohr und dem umgebenden Tonrohr 17a bestehende Anordnung ist in bekannter Weise
von einer äußeren Lage i7 b aus einem nachgiebigen, nicht wärmeleitenden Werkstoff,
z. B. Asbestwolle oder Schlackenwolle, umgeben. Der Zweck der aus dem Tonmantel
17a und der nachgiebigen Asbestschicht i7 b gebildeten Ummantelung 17 ist, die Wärmestrahlungsv
erluste auf ein Mindestmaß zu beschränken und eine Zerstörung des Quarzrohres 16
durch unmittelbare Berührung mit dem Metallmantel 2 der Brennkammer zu verhindern,
die sonst infolge Erschütterungen oder ungleichmäßiger Ausdehnungen eintreten würde.
Die Asbestschicht verhütet ferner die Beschädigung des Quarzrohres durch von den
äußeren Metallwänden stammendes Eisenoxyd, das besonders bei Temperaturen oberhalb
6oo° C für den Quarz schädlich ist. Durch das lange, .enge Quarzrohr strömen die
Brenngase mit hoher Geschwindigkeit und werden an den glühenden Wandungen entlang
gewirbelt und so katalytisch aufbereitet und vollständig verbrannt, auch wenn sehr
geringwertige Brennstoffe verwendet werden. Eine solche Brennkammer kann beispielsweise
für eine Mehrzahl von Arbeitszylindern (bis zu sechs Zylindern) verwendet werden,
ohne daß die Gasgeschwindigkeit in ihr unzulässig steigt, da ja jeder Zylinder nur
etwa auf ein Sechstel seines Kolbenhubes oder weniger mit frischem Brenngas gefüllt
wird. Bei sechs an die Brennkammer angeschlossenen Arbeitszylindern würden dann
die Gase in der Kammer annähernd gleichmäßig bei weniger Arbeitszylindern dagegen
stoßweise strömen.
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Wenn Raumersparnis angezeigt ist, wie z. B. auf Schiffen, kann die
Brennkammer in Gestalt von einer oder mehreren länglichen U-Rohren ausgebildet sein.
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Die Metallwand des über das Einlaßventil zum Arbeitszylinder führenden
Kanals dringt, wie aus Abb. i und -2 ersichtlich, bei 18 durch die Asbestschicht
hindurch, so daß Asbestteilchen nicht mit den Gasen in den Arbeitszylinder gerissen
werden.
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Das Drehgebläse d. kann von der Motorwelle ii mittels einer Kette
i9 oder eines Riemens betrieben werden. Auch kann eine durch Auspuffgase betriebene
Turbine bei großen Maschinen für diesen Zweck verwendet werden.
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Die Arbeitsweise der Maschine ist etwa die folgende:
Die
in dem Drehgebläse auf i bis a Atm. Überdruck verdichtete Luft wird über den Kühler
5, in welchem sie annähernd auf die normale Lufttemperatur abgekühlt wird, zu einem
der Kolbenverdichter 3 geleitet, in dem sie bis auf etwa 2o Atm. verdichtet wird.
Diese Preßluft wird der Brennkammer 16 zugeführt, in die gleichzeitig Brennstoff
eingespritzt wird. Das Verhältnis von Brennstoff zu Preßluft wird derart bemessen,
daß eine mittlere Temperatur der Verbrennungsgase von etwa i ioo° C entsteht, wobei
die Gasmenge ohne Drucksteigerung wesentlich vergrößert wird.
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Die heißen Brenngase gelangen zu dem gekühlten Ventil 8 eines jeden
der Arbeitszylinder, und zwar nur auf einem Teil des Kolbenhubes, worauf das Ventil
geschlossen wird und das Gas während des übrigen Hubes entspannt wird. Das Auspuffventil
wird im entsprechenden Zeitpunkt in üblicher Weise geöffnet, so daß der wieder aufsteigende
Kolben die Auspuffgase nach außen treibt.
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Bei sehr großen Kraftmaschinen wird die Verbrennung von geringwertigen
Ü1en erleichtert und eine wesentliche Brennstoffersparnis erzielt, wenn die Auspuffgase
der Maschine durch einen Wärmeaustauscher geführt werden, durch den andererseits
die Preßluft aus den Kolbenverdichtern im Gegenstrom geleitet wird.
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Eine geeignete Ausbildung eines solchen Wärmeaustauschers ist in Abb,
3 dargestellt, nach welcher ein Stahlgehäuse 2o eine Eintrittsöffnung 2i und eine
Austrittsöffnung 2a für die Auspuffgase aufweist.
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Eine Anzahl von Metallrohren dient zur Führung der Preßluft, welche
bei 24 eintritt und bei 25 austritt, um der Brennkammer zugeführt zu werden.
Um zu verhindern, daß etwa Eiseiloxydteilchen aus den Rohren z3 in die Brennkammer
2 gelangen und das Quarzfutter beschädigen, sind die Rohre a3 zweckmäßig aus rostfreier
Stahl- oder Eis;nlegierung hergestellt. Der Kühler 5 ist von ähnlicher Ausbildung
wie der Wärmeaustauscher.
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Um beim Anlassen das Brenngemisch zu entzünden, wird irgendeine geeignete
Zündvorrichtung verwendet. Sie kann entweder unmittelbar das Brenngemisch oder auch
ein Hilf sbrenngemisch zünden, welches von einem besonderen Anlaßverdichter geliefert
wird.
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Der Erfindungsgegenstand ist besonders für Kraftmaschinen von größerer
Leistung als etwa ioo PS geeignet, weil der ununterbrochene Verbrennungsvorgang
hauptsächlich für mehrzylindrige Maschinen vorteilhaft ausnutzbar ist.