-
Luftverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere Fahrzeugmaschine
mit Eigenzündung, luftloser Einspritzung und einer Vorkammer Die Erfindung bezieht
sich auf eine luftverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere Fahrzeugmaschine
mit Eigenzündung. luftloser Einspritzung und einer Vorkammer, die durch Drosselöffnungen
mit dem Brennraum in Verbindung steht.
-
Es ist bekannt, den Brennstoff unmittelbar in den Brennraum einzuspritzen
(Strahlzerstäubung). In diesem Fall wird der Brennstoff von einer im wesentlichen
wirbellosen Luftmasse aufgezehrt, die ihre Selbstentzünd un.. gstemperatur ohne
weitere Energieverluste, also auch schon beim Anlassen oder im Leerlauf erreicht.
Solche Maschinen springen zwar sicher an, haben jedoch infolge der unmittelbar auf
den Arbeitskolben wirkenden Verbrennungsdrücke einen harten Gang (Dieselklopfen),
das sie für gewisse Anwendungsgebiete, namentlich als Antriebsmaschinen mit hoher
Drehzahl für Kraftfahrzeuge, ungeeignet macht.
-
Es ist auch schon bekannt, den Brennstoff nur mittelbar, also in eine
Vorkammer einzuspritzen (Zündzerstäubung). In diesem Fall wird dem in die Vorkammer
überschobenen Teil der Luftladung eine zusätzliche Bewegung aufgezwungen, die die
Aufbereitung des Brennstoffes in der Vorkammer begünstigt. Der Brennstoff wird hierbei
durch eine wirbelnde Luftmasse aufgezehrt. Solche Maschirren arbeiten sehr weich;
die für die Eigenzündung notwendige Endverdichtungstetnperatur wird jedoch nur im
Betriebszustand, d. h. bei warmer 'Maschine erreicht. Beim Anlassen hingegen und
im Leerlauf sind die Energieverluste des überschobenen Luftteiles so groß, daß die
«Maschine nur finit Hilfseinrichtungen, z. B. Glühkerzen, im Betrieb zu halten ist.
Derlei zusätzliche Einrichtungen sind aber aus baulichen, betrieblichen und wirtschaftlichen
Gründen sehr unerwünscht.
-
Die Erfindung bezweckt, die Vorteile dieser beiden Verfahren bei Vermeidung
ihrer Nachteile miteinander zu vereinigen, und zwar dadurch, daß die Drosselöffnungen
zwischen Vorkammer und Brennraum aus einem mittleren, axialen Kanal und mindestens
einem äußeren, tangentialen Kanal bestehen, so daß der äußere Teil der Ladeluft
im wesentlichen wirbelnd und der mittlere im wesentlichen wirbellos in die Vorkaintner
überschoben wird, wobei der Brennstoff teils in den wirbelnden, teils in den im
wesentlichen wirbellosen Luftteil eingespritzt wird. Dadurch ist unabhängig vom
jeweiligen Betriebszustand der Maschine eine sichere Zündung und Verbrennung bei
weichem Gang erreicht. Der von dem im wesentlichen wirbellosen Lut, -il aufgezehrte
Brennstoffteil stellt in
diesem Fall die Eigenzündung sicher und
leitet damit die Verbrennung des voni wirbelnden Luftteil aufgezehrten Brennstoff,:
teilen ein. Dabei erfährt nur der innere,-.. -i= der Regel kleinere Luftteil der
Vorkammer'. einen plötzlichen Druckanstieg, während der" äußere, in der Regel größere
Luftteil einen allmählichen Druckanstieg erfährt. Der anfängliche starke Druckanstieg,
der in den Bereich des oberen Totpunktes fällt, kann sich somit in keinem harten
Gang auswirken, weil er sehr früh von dem schließlicheii, allinähiichen Druckanstieg,
der in den Bereich des Ausdehnunghubes fällt, überholt wird. Es ist somit in der
Tat erreicht, daß die Zündschwierigkeiten beim Anlassen und im Leerlauf ohne jedes
weitere Hilfsmittel überwunden sind und daß dabei ein weicher Gang der Maschine
auch bei höheren Drehzahlen unter allen Umständen sichergestellt ist.
-
Der Gegenstand der Erfindung ist auf der Zeichnung in drei Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. Es zeigt Fig. i einen senkrechten Hauptschnitt durch die erste
Vorkammerbauart, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. i, Fig. 3 einen
Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2, Fig. 4 einen senkrechten Hauptschnitt
durch eine zweite Vorkammerbauart, Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig.
4, Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5,, Fig. 7 einen Hauptschnitt
durch eine dritt.: Vorkammerbauart, Fig. 8 einen Schnitt längs derLinieVIII-VIII
der Fig. 7 und Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX in Fig. B.
-
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. i bis 3 ist die Vorkammer
durch ihre zylindrische Wandung 3 mit dem Boden 4 des Zylinderdeckels verbunden.
In dein Boden 5 der Vorkammer 2 sind Drosselöffnungen vorgesehen, die aus einem
mittleren axialen Kanal 6 und vier äußeren tangentialen Kanälen 7 bestehen. Die
tangentialen Kanäle 7 sind sternförmig um den zentralen Kanal 6 angeordnet und schraubenförmig
am Umfang der Vorkammer 2 ausgebildet. Die Mündungsstellen 8 der tangentialen Kanäle
7 in der Vorkammer .2 sowie die Mündungsstelle 9 des axialen Kanals 6 in den Zylinderraum
io sind jeweils gut ausgerundet. In der Deckelwandung i i der Vorkammer 2 ist die
Einspritzdüse 12 gleichachsig zum Kanal 6 eingesetzt, wobei die Düsenkappe 13 mit
der Deckelwandung ii etwa oben abschließt. Der Brenasto-ff wird durch vier sternförmig
verteilte #_ rahlen 14 in Richtung der Vorkanitnerwandung 3 eingespritzt, ohne diese
zu berühren.
-
Beim Aufwärtsgang des Kolbens 15 (Ver-@dichtungshub) wird die Ladeluft
aus dem "Zylinderraum io in die Vorkammer 2 überschoben. Der durch den axialen Kanal
6 im Sinne a überströmende Teil der Ladung breitet sich im wesentlichen wirbellos,
d. 1i. ohne zusätzliche Umsetzung von Druck- in Geschwindigkeitsenergie, in der
Vorkarniner 2 aus, bis er etwa die Zone A vorn Durchmesser d ausfüllt. Der durch
die tangentialen Kanäle 7 im Sinne b überströmende Teil der Ladung breitet sich
hingegen wirbelnd, d. 1i. unter zusätzlicher Umsetzung von Druck- in Geschwindigkeitsenergie,
in der Vorkammer 2 aus, wobei ein Kreiselwirbel in dieser angefacht wird, der die
Zone B ausfüllt. Die durch das Maß d gegebene Grenze zwischen den Zonen A, B hängt
natürlich vom Ouerschnittsverhältnis der Kanäle 6, 7 ab. Zweckmäßig ist das Volumen
der Zone B größer als das Volumen der Zone A. Wird nun der Brennstoff wie üblich
etwas vor oberem Totpunkt eingespritzt, so durchstoßen die Strahlen 14 zunächst
den im wesentlichen wirbellbsen Luftteil in der Zone A und werden in diesem teilweise
aufgezehrt, ehe sie in den wirbelnden Luftteil der Zone B gelangen, um dort gänzlich
aufgezehrt zu werden. Die Eigenzündung des Gemisches setzt dann in der Zone A ein,
weil die glühende Luftmasse in dieser Zone die Eigenzündungstemperatur des Brennstoffes
unter allen Umständen zuerst erreicht. Diese Luftmasse erleidet nämlich beim Überschieben
keine Wärmeverluste, teils infolge ihrer geringen Drosselung im Kanal
6, teils infolge ihrer Isolierung im Wirbelmantel der Zone B. Der
in die Zone B gelangende Brennstoff wird sofort verwirbelt, also mechanisch
sehr gut aufbereitet; seine Eigenzündungstemperatur erreicht er jedoch erst dann,
wenn er durch die Verdichtungswelle der Vorzündung in der Zone A weiter verdichtet
wird. Dann findet die Verbrennung plötzlich unter erheblicher Drucksteigerung in
der Vorkammer 2 statt, wodurch das Gemisch über die Drosselöffnungen 6, 7 in den
Brennraum io abgeblasen wird. Durch die wechselseitigen Ausrundungen der Mündungsstellen
8, 9 kann man erreichen, daß der Drosselwiderstand des Kanals 6 beim Einströmen
und jener der Kanäle 7 beim Ausströmen sinkt. Dadurch ergänzen sich beim Rückströmen
des Gemisches über den Kanal6 und über die Kanäle 7 die dabei auftretenden Zerstäubungen
gegenseitig und gewährleisten eine gute Hauptverbrennung. " Beim Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 4 bis 6 ist der Boden 5 der Vorkammer 2 als Glüheinsatz ausgebildet,
der durch ein Gewinde
17 unmittelbar in der Wandung 3 befestigt
ist. Es sind hier sechs tangentiale Kanäle 7 vorgesehen. Die tangentialen Kanäle
7 münden an der Vorkammerseite und der mittlere axiale Kanal 6 an der Brennraumseite
in Wülste 18, i9. Der Brennstoff wird in drei Strahlen 14 in Richtung des Bodens
5 zwischen den Kanälen 6, 7 so schräg eingespritzt, daß der über den Strahlenkegel
(vom Winkel a) befindliche Teil der Vorkammer 2 im wesentlichen der Wirbelzone B
und der unterhalb desselben befindliche Teil der wirbellosen Zone A entspricht.
Die Brennstoffstrahlen 14 tauchen somit hälftig in beide Zonen A, B ein und werden
in diesen gleichmäßig aufgezehrt. Unter dem Vorkammerhoden 5 befindet sich zweckmäßig
eine Höhlung 20 im Kolbenboden 15. In der Wirhungsweise der Maschine hat sich gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch nichts geändert. Der Glüheinsatz als der
im starken Maße beanspruchte Teil ist baulich und betrieblich leicht zu beherrschen.
Er unterstützt dabei durch seine katalytische Wirkung die Selbstentzündungsfähigkeit
des Brennstoffes. Außerdem wird die Eigenzündung des Brennstoffes in der Zone A
durch die größere Strahloberfläche begünstigt.
-
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist es erfindungsgemäß auch möglich,
einen weiteren axialen Einspritzstrahl i6 zu verwenden, der gegen den Brennraum
io gerichtet ist und der etwa bis an die untere Mündungsstelle des Kanals 6 reicht.
Dadurch kann auch der im Kanal 6 befindliche Luftteil, der die besten Zündbedingungen
aufweist, mit Brennstoff gesättigt werden.
-
Beim dritten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 bis 9 ist der als
Glüheinsatz ausgebildete Boden 5 der Vorkammer 2 gegen die Einspritzdüse 12 hin
durchgewölbt. Die Wirbelzone B erstreckt sich im wesentlichen zwischen den Wandungen
5, 11, während die auf den Durchmesser d verkleinerte wirbellose Zone A sich durch
den axialen Kanal 6 zur Kolbenwölbung 2o erstreckt. Der Brennstoff wird durch drei
sternförmig verteilte Strahlen 14 in die Zone B und durch einen axial gerichteten
Strahl 16 in die Zone A gespritzt, so daß jede dieser Zonen eine genau zugemessene
Brennstoffmenge erhält. Die Selbstzündung des Brennstoffes wird dadurch besser,
wenn auch der weiche Arbeitsgang der Maschine infolge der unmittelbar auf den Arbeitskolben
15 sich auswirkenden ersten Zünddrücke nicht mehr erreicht werden kann.
-
Der Gegenstand der Erfindung vereinigt in baulich einfacher Weise
zwei Verfahren, die sich in ihrem zeitlichen Ablauf überdecken und daher in ihrem
Zusammenspiel sowohl eine kontinuierliche Zerstäubung als auch eine kontinuierliche
Verbrennung ergeben. Die baulichen Mittel für diese Vereinigung können natürlich
auch noch weiter abgewandelt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Verfahren lassen sich einerseits durch entsprechende Luftverteilung auf Vorkammer
und Brennraum und andererseits durch entsprechende Bemessung der Zonen
A, B im erwünschten Sinne leiten. Dabei geht die Frage der Luftaufteilung
mit der Frage der Brennstoffaufteilung durch geeignete Spritzbilder Hand in Hand.