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Luftverdichtende Brennkraftmaschine für staubförmige Brennstoffe mit
einer gesteuerten vorkammerartigen Kammer Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende
Brennkraftmaschine für staubförmige Brennstoffe mit einer gegen den Arbeitsraum
des Zylinders durch ein gesteuertes Absperrmittel zeitweise abschließbaren vorkammerartige4
Kammer, der der Brennstauh zugeleitet und in der der Brennstaub durch die vom Arbeitskolben
verdichtete Verbrennungsluft gezündet wird.
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Eine der Hauptschwierigkeiten beim Betrieb der bekannten Brennkraftmaschinen
für staubförmige feste Brennstoffe entsteht durch die Anwesenheit der Staubteilchen
im Arbeitszylinderraum der Maschine. Ein Teil des Staubes setzt sich nämlich an
den geschmierten Zylinderwänden fest und geht damit für die Verbrennung verloren.
Dieser verlorene Staub verunreinigt außerdem das Schmieröl und verursacht einen
außerordentlich hohen Verschleiß der Zylinderwände und des Kolbens. Diese Schwierigkeiten
waren bisher ein außerordentliches Hindernis in der Entwicklung der Brennkraftmaschinen
für staubförmige Brennstoffe. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile
zu beseitigen.
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Die Brennkraftmaschinen für staubf&rmige Brennstoffe besitzen
in der Regel eine vorkammerartige Kammer, in die der Brennstaub zunächst eingeführt
wird. Unter den bekannten Maschinen dieser Gattung gibt es solche, deren Kammer
mit dem Arbeitszylinderraum in ständiger offener Verbindung steht, und andere, bei
denen die Verbindung zwischen der Kammer und dem Arbeitszylinderraum gesteuert wird.
Das Austreiben des Brennstaubes aus der Kammer in den
Arbeitszylinderratini
hinein geschieht bei den bekannten Maschinen durch Teilverbrennung und den durch
diese Teilverbrennung in der Kammer erzeugten Überdruck oder durch.., Ausblasung
mittels Druckluft.
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Sofern die Kammern mit einem gesteuerten Absperrinittel versehen sind,
wird dieses dann geöffnet. wenn die Gefahr eines vorzeitigen Ausfalles des Brennstaubes
vorüber ist, also zu Beginn des Verdichtungshubes. Bei Brennkraftmaschinen für flüssige
Brennstoffe hat man allerdings die Steuerung des Verbindungsventils zwischen der
Vorkaiiinier und dein ArbeitszAinderraum auch schon unter anderen Gesichtspunkten
vorgenommen, nämlich das Verbindung#;ventil erst am Ende des Verdichtungshubes geöffnet,
wenn die Verdichtungsluft die Zündtelilperatur des Brennstoffes bereits erreicht
hat. Bei allen bekannten Motorenarten kommt aber der Hatiptteil des staubförmigen
Brennstoffes in festem Zustand in den Arbeitszylinderraum. Nach erfolgter Zündung
des Brennstoffes bleibt die Kammer bis über den Arbeitshub hinweg ununterbrochen
mit dem Arbeitszylinderraum in offener Verbindung.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß die' zunächst offene Verbindung
zwischen der vorkammerartigen Kammer und dem Arbeitszylinderraum im Laufe des Verdichtungshubes
nach Erreichen der Zündtemperatur ab-,geschlossen und erst gegen Ende des Verdfelitungshubes
oder züi Be-inn des Arbeitshubes wieder geöffnet wird. Die durch die Zündung in
der vorkammerartigen Kammer erzeugte Teilverbrennung findet also bei ab-Z, geschlossener
Kammer statt. Infolgedessen werden die Temperatur und der Druck innerlialb der Kammer
während ihres Abschlusses sehr in die Höhe getrieben,' die Teilverbrennung erfolgt
nämlich in einem Raum von unveränderlichem Rauminhalt. Durch die bei der Teilverbrennung
in der Kammer erzielte hohe Temperatur wird der Brennstaub weitgehend ausgegast
und hierdurch für die weitere Verbrennung im Arbeitszylinderraum sehr günstig aufbereitet.
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Die etwa vorhandenen unverbrennbaren Bestandteile des Staubes werden
daher bereits in der Kammer ausgeschieden und vom Zylinderrauin ferngehalten. Die
brennbaren festen Bestandteile des Staubes sind dagegen vor dein Eintritt in den
Arl)eitszvlinder vergast, so daß die Gefahr einer Benetzung der geschmierten Zylinderwände
init noch unverbrannten oder nicht vollständig ausgebrannten festen Teilchen vermieden
ist. Der bei bekannten Brennkraftmaschinen für staubf8riiiige Brennstoffe so nachteilige
Verschleiß t' durch feste Staubteilchen fällt also beim Erfindungsgegenstand fort,
so daß die Zvlinderwand eine wesentlich längere Lebensdauer besitzt. Ferner wird
das Schmieröl vor Verunreinigungen durch feste Teilchen geschützt -,und bleibt länger
für den Betrieb der Ma-,.Ichine . Arnmenhang brauchbar. mit der Diese erzielten
Vorteile besseren sind im Brenn- Zustoffausnutzung für den Betrieb einer Brennkraftmaschine
für staubförmige Brennstoffe außerordentlich wichtig.
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Infolge des hohen Ternperaturanstiegs bei der Teilverbrennung in der
Kammer ist die Gewähr dafür gegeben, daß auch tatsächlich eine Ausgasung des Staubes
stattfindet. Die Erfindung läßt sich aber noch günstiger verwirklichen an einer
Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren vorkammerartigen Kaminern für jeden Zylinder,
und zwar in der Weise, daß die Veibindung zu ein& Kammer nach Erreichen der
Zündtemperatur abgeschlossen wird und diese Kammer den in ihr gezündeten Brennstaub
unter Überspringen eines bzw. mehrerer Arbeitshübe beibehält, während in diesen
übersprungenen Arbeitshüben die Verbindung zwischen dem Arbeitszvlinderraum und
der zweiten bzw. dritten ,zammer geöffnet ist, wie dies an sich ebenfalls schon
vorgeschlagen ist.
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Bei Brennkraftmaschinen für flüssige oder gasförmige Brennstoffe mit
Fremdzündung ist es bekannt, den Arbeitszylinder mit zwei Brennkammern wechselweise
zusammenarbeiten zu lassen, wobei aber in den Kammern eine vollständige Verbrennung
stattfindet. Die Erfindung besteht auch nicht etwa allgemein in der Anordnung mehrerer
wechselweise mit dem Arbeitszylinder arbeitenden Kammern, sondern in der Anwendung
der besonderen Art der Steuerung der Verbindung zwischen Kammer und Arbeitszylinderraum
an einer Brennkraftmaschine mit zwei oder mehreren vorkammerartigen Kammern.
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Zweckmäßig mündet der gesteuerte Verbindungskanal zwischen der vorkammerartigen
Kammer und dem Arbeitszylinderraum erfindungsgemäß zwischen dein Auspuffventil und
dem Arbeitszvlinderraum in den Auspuffkanal ein. Die beim Überströmen des Gemisches
aus der Kammer in den Arbeitszylinderraurn etwa sich in dein Verbindungs.-kanal
niedersetzenden VerbrennungsrÜckstände werden demnach beim Öffnen des Auspuffventils
und Ausströmen der Auspuffgase in den Auspuff getrieben und der Verbindungskanal
stets saubergehalten. Dieser Verbindungskanal kann auch injektorartig in den Auspuffkanal
einmünden und während des Auspuffes geöffnet werden. Dann saugen die Auspuffgase
auf ihrem Wege zum Auspuffventil auch etwaige Verbrennungsrückstände aus der Kammer
heraus und führen sie in den Auspuff kanal.
Die Ansaugluft des Arbeitszylifiders
kann zu ihrer Vorwärmung an den Kammerwänden vorbeigeführt werden. Sie erhitzt sich
dann anschließend im Arbeitszvlinder verhältnismäßig schnell auf die Zündtemperatur,
woraus sich die Möglichkeit ergibt, das Ventil zwischen Kammer undArbeitszylinderraum
frühzeitior zu schließen, so däß ein großer Zeitraum für die Ausgasung des Staubes
zur Verfügung steht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Fig. i einen Schnitt durch einen Zylinderkopf nach der Linie A-B-C-D-E-F
der Sig. 2, Fig. 2 einen Schnitt durch den Zylinderkopf senkrecht zur Zylinderachse,
Fig. 3 ein Ventilerhebungsdiagramm des Ventils 6,
Fig. 4 ein Kurbelwegdiagramm,
Fig. 5 ein pv-Diagramrn.
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Der Arbeitszylinderraum 3 steht durch einen Kanal mit zwei
vorkammerartigen Kammern 4 in Verbindung. Diese Verbindung wird durch die Ventile
6 gesteuert. Unterhall) der Ventilsitze 7 der Ventile 6 sind
schraubenförmige Leitwände 8 angeordnet. Die Kammern 4 werden durch
je eine mittels Ventil 5 gesteuerte Leitung mit Brennstaub bzw. Brennstaub-Luft-Gernisch
aufgeladen. Die Gehäuse der Kammer 4 sind dem Ansaugkanal i des Arbeitszylinderaumes
3 angeordnet, so daß sie von der Ansaugluft umsp ült werden. Der Ansaugkanal
i ist durch ein gesteuertes Ventil ?, gegenüber dem Arbeits-. zylinderraum zeitweise
abgeschlossen. '
Das Auspuffventil 13 ist so angeordnet, daß die Verbindungskanäle
der Kammern 4 zwischen dem Auspuffventil 13 und dem Arbeitszylinderraum
3 in den Auspuffkanat einmünden.
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Die Arbeitsweise der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung ist
unter der Annahme eines Viertaktverfahrens folgende: Während des Saughubes des Arbeitskolbens
ist das Ventil 2 geöffnet, und die Ansaugluft wird durch den Kanal i in den Zylinder
gesaugt, wobei die Gehäuse der Kammern 4 außen gekühlt werden; die Ansaugeluft wird
also vorgewärmt. Während des Verdichtungshubes des Arbeitskolbens ist das Ventil
2 geschlossen und das eine der beiden Verbindungsventile 6 geöffnet. Durch
das geöffnete Ventil 6 strömt nunmehr die verdichtete Luft in die Kammer
4 ein, wobei sie an den Leitwänden 8 in drehende Bewegung versetzt wird.
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Sobald die Verdichtungsluft die Zündtemperatur des Brennstoffes erreicht
hat, was ungefähr in dem Punkt G des Diagramms nach Fig. 5 der Fall
ist, wird das Ventil 6
geschlossen. Der Brennstaub kann gegebenenfalls in
Mischung mit Luft schon vorher durch das Ventil 5 eingeführt worden sein
oder er wird jetzt 'in die Kammer 4 eingebracht. Ein Teil des eingebrachten Brennstoffes
verbrennt nunmehr bei abgeschlossener Kammer 4, wobei die Temperatur sehr schnell
ansteigt und die Ausgasung der festen Brennstoffteilchen erfolgt.
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Der gleiche Vorgang hat sich ill dem vorangegangenen Verdichtungshub
bereits in der zweiten Kammer 4 abgespielt. Etwa in dem Punkt H des Diagramms nach
Fig. 5 wird das Ventil 6 dieser zweiten Kammer 4 geöffnet und ihr
Inhalt nunmehr durch den Auspuffkanal infolge des Überdruckes in der Kammer 4 in
den Arbeitszylinderraum 3 getrieben, wo die bei der Ausgasung gebildeten
Brenngase unter Arbeitsleistung vollständig verbrennen.
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Beim Ausströmen aus der Kammer 4 wird das Gemisch durch die Leitwände
8 in wirbelnde Bewegung versetzt. Etwa mitgerissene feste Teilchen werden
infolge der Schleuderwirkung durch.die Bohrungen io in den abgelegenen Teil des
Auspuffkanals oberhalb des Auspuffventils 13 abgelagert. Beim nachfolgenden Ausschubhub
nehmen die Verbrennungsrestgase aus dem Arbeitszylinderraum 3 nach Öffnung
des Auspuffventils 13 diese festen Verbrennungsrü#jckstände in den Auspuffkanal
14 mit. Beim Durchströmen der Verbrennungsrestgase durch den Auspuffkanal entsteht
in der Kammer 4 bei offenem Ventil 6 ein Sog, der durch die in Fig. 2 dargestellte
Leitfläche 15 im Auspuffkanal besonders wirksam wird und die in derKammer
noch vorhandenen Verbrennungsrückstände herausholt.
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Im darauffolgenden Verdichtungshub wird dann wieder das Ventil
6 der ersten Kammer etwa im Punkt H des Diagramms nach Fig. 5
geöffnet,
worauf das beschriebene Spiel sich wiederholt.
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In dem Ventilerhebungsdiagramm nach Fig. 3 gibt der äußere
Kreis die Offenstellung des Ventils 6 an.