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Selbstzündende, luftverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine selbstzündende, luftverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine
mit einer seitlich am Hubraum angeordneten, als Ventilkammer dienenden Brennkammer,
welche in ihrer maschineneinwärts liegenden Begrenzungsfläche mindestens ein stehend
angeordnetes Ventil, zweckmäßig je ein stehend angeordnetes Ein-und Auslaßventil,
aufnimmt, als Wirbelkammer oder angenähert herzförmigen Querschnitt besitzende Doppelwirbelkammer
mit zu den Ventilachsen gleichgerichteten Drehachsen ausgebildet ist und mit dem
Hubraum durch eine breite niedrige Öffnung in Verbindung steht, wobei die Verbindungsöffnung
der Brennkammer mit dem Hubraum gegen Ende des Verdichtungshubes durch den Kolben
unter Freilassung einer kanalartigen Ausnehmung übersteuert wird und gleichzeitig
mittels einer im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse flüssiger Brennstoff, z.-
B. durch die kanalartige Ausnehmung hindurch gegen die den Luftstrom teilende Herzspitze
zu bzw. gegen die Ventile gleichsinnig mit der überströmenden Luft, in die Brennkammer
eingespritzt wird.
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Brennkraftmaschinen dieser Gattung sind bekannt. Bei den bekannten
Maschinen übersteuert jedoch die obere Kolbenkante die Oberkante des seitlichen
Brennraumes im
wesentlichen erst unmittelbar im oberen Kolbentotpunkt,
so daß erst eine allmähliche Drosselung zwischen dem Zylinderraum und dem seitlichen
Brennraum mit Annäherung an den oberen Kolbentotpunkt eintritt. Bis zum oberen Kolbentotpunkt
besteht dagegen zwischen der seitlichen Brennkammer und dem Hubraum eine Verbindungsöffnung,
deren Breite im wesentlichen der Breite der seitlichen Brennkammer entspricht, so
daß bis zum oberen Kolbentotpunkt ein breiter Luftstrom in die Brennkammer übertritt,
welcher eine Drehbewegung der Luft in der Brennkammer und damit eine wirksame Durchwirbelung
von Brennstoff und Luft in derselben nicht in dem erwünschten Maße bewirken kann.
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Demgegenüber besteht nun die Erfindung darin, daß der Kolben die Kante
der oberen Begrenzungsfläche der Brennkammer schon vor dem Ende des Verdichtungshubes,
z. B. 501& des Hubes vor dem oberen Kolbentotpunkt oder früher, durch
Eintritt in eine Ausnehmung des Zylinderkopfes übersteuert und die Brennkammer von
diesem Zeitpunkt ab während des restlichen, im wesentlichen die Dauer des Einspritzvorgangs
umfassenden Kolbenhubes lediglich über eine tangential zu der als Wirbelkammer ausgebildeten
Brennkammer gerichtete kanalförmige Ausnehmung im Kolben, deren Breite nur einen
Bruchteil der Breite der ungedrosselten Verbindung zwischen Brennkammer und Hubraum
beträgt, mit dem letzteren in Verbindung steht.
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Die Erfindung ergibt einerseits den auch der bekannten Maschine eigentümlichen
Vorteil, daß über den größeren Teil des Hubes ein großer nahezu ungedrosselter Querschnitt
zwischen der seitlichen Brennkammer und dem Hubraum vorhanden und somit eine gute
Füllung und restlose Ausspülung des Zylinderinnern gewährleistet ist. Andererseits
wurden jedoch gleichzeitig die bekannten Vorteile von Maschinen mit unterteiltem
oder abgetrenntem Brennraum beibehalten, weil der seitliche Brennraum schon eine
wesentliche Zeit vor dem oberen Kolbentotpunkt von dem Zylinderraum abgeschnürt
wird und somit lediglich eine enge gleichbleibende Drosselverbindung zwischen beiden
Teilräumen während des restlichen Kolbenhubes, d. h. also während der Einspritzung
des Brennstoffes, bestehenbleibt. Durch die beim Erfindungsgegenstand gegenüber
der bekannten Maschine hierbei entstehende hohe Einströmgeschwindigkeit der Luft
in den seitlichen Brennraum wird eine noch wirksamere Mischung von Luft und Brennstoff
innerhalb desselben, ferner aber auch infolge der größeren und länger dauernden
Drosselung eine erhebliche Drucksteigerung im Brennraum gegenüber dem Zylinderraum
mit der Wirkung einer guten Zerstäubung, Verteilung und Verbrennung des in den Zylinderraum
austretenden Brennstoff-Luft-Gernisches erzielt.
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Zweckmäßig wird noch in weiterer Ausbildung der Erfindung die maschineneinwärts
liegende Begrenzungsfläche der Brennkammer gegen den Hubraum zu leicht abfallend
angeordnet.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß das Abströmen der durch den
seitlichen Brennraum eintretenden Luft in den Zylinderraum während des Abwärtshubes
des Kolbens bzw. das Austreten der Abgase während des Auf-,värtshubes desselben
begünstigt wird. Gleichzeitig können die Ventile besonders nahe am Zylinderraum
angeordnet, also ein besonders kleiner seitlicher Brennraum und ein hohes Verdichtungsverhältnis
erzielt werden.
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In der Zeichnung ist eine Viertaktbrennkraftmaschine mit den Merkmalen
gemäß der Erfindung als Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen
(Querschnitt durch den Zylinder mit Brennkammer, Abb. z einen Längsschnitt durch
die Brennkammer, Abb.3 einen Grundriß der Maschine bei abgenommenem Zylinderkopf,
Abb.4 beispielsweise ein Diagramm für die Geschwindigkeit der in die seitliche Brennkammer
überströmenden Luft in Abhängigkeit von der Kurbelstellung.
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In Abb. i ist a der Zylinder, b der Zylinderkopf, c der Kolben, welcher
in seiner oberen Stellung in eine zylindrische Aussparung d des Zylinderkopfes eintritt.
Die Brennkammer e ist seitlich vom Hubraum angeordnet und besitzt im Grundriß ungefähr
herzförmige Form. In ihren Teilräumen f und g sind das Einlaßventil 1a bzw. das
Auslaßventil i angeordnet. Die Ventile 1a und i sind gegen die Zylinderachse
zu etwas geneigt, und die die Ventilsitze aufnehmende maschineneinwärts liegende
Begrenzungsfläche der Brennkammer fällt gegen den Hubraum zu entsprechend ab. Nach
oben zu wird die Brennkammer durch die Dichtfläche k des Zylinderkopfes begrenzt.
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Der Brennstoff wird durch eine schräg im Zylinderkopf angeordnete
Einspritzdüse l durch einen Einspritzkanal in die seitliche Brennkammer e eingespritzt.
Der Einspritzkanal wird hierbei teilweise durch eine kegelige Bohrung in im Zylinderkopf
und in der oberen Kolbentotpunktlage teilweise durch eine schräge Aussparung ia
im Kolben c gebildet.
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Wie Abb.3 zeigt, mündet der Einspritzkanal
in den
seitlichen Brennraum zwischen den Ventilen gegenüber dem Vorsprung o der die Brennkammer
begrenzenden Wandung ein.
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Die Wirkungsweise der Maschine ist folgende: Im größten Teil des Kolbenhubes
ist die seitliche Brennkammer e durch eine weite, nahezu ungedrosselte rechteckige
Öffnung zwischen den Kanten q und r mit dem Zylinderraum verbunden,
wie insbesondere aus Abb. 3 hervorgeht. Hierdurch steht der im Saughub durch das
Ventil h angesaugten Luft oder den durch das Ventil i aasgeschobenen Auspuffgasen
ein weiter Übertrittsquerschnitt zwischen dem Hubraum und der seitlichen Brennkammer
zur Verfügung. Es kann daher eine gute Füllung und eine möglichst vollständige Beseitigung'der
Abgase aus dem Zylinder erreicht werden. Beim Aufwärtsgehen des Kolbens wird im
letzten Teil des Verdichtungshubes die seitliche Brennkammer e vom Kolben übersteuert,
beispielsweise derart, daß die obere Kante p des Kolbens den Brennraum bei q.5°
vor dem oberen Totpunkt abzuschließen beginnt und bei 25° vor dem oberen Totpunkt,
d. h. etwa 5'/o des Kolbenhubes vom oberen Totpunkt entfernt, in die Aussparung
d des Zylinderkopfes eintritt. In diesem Augenblick ist die seitliche Brennkammer
durch den Kolben nahezu abgeschlossen und steht mit dem Hubraum bzw. der Aussparung
d im Zylinderkopf nur noch durch die schräge Aussparung n des Kolbens in Verbindung.
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In Abb. q, ist das Geschwindigkeitsdiagramm der aus dem Zylinderinnern
in die seitliche Brennkammer überströmenden Luft dargestellt. Vom Beginn der Absperrung
des Brennraumes durch den Kolben steigt die Geschwindigkeit der überströmenden Luft
schnell an, bis am Ende der Absperrung, etwa 25'° vor Totpunkt, die Luftgeschwindigkeit
einen Größtwert erreicht hat.
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Beim überschieben der Luft aus dem Zylinderraum in den als Wirbelkammer
und Ventilkammer ausgebildeten Brennraum werden im letzten Teil des Verdichtungshubes
die in Abb. 3 strichpunktiert angedeuteten Luftwirbel erzeugt. Hierbei wird der
Luftstrom durch die vorspringende Kante o geteilt und veranlaßt, entgegengesetzte
Drehbewegungen um die Achsen der Teilräume f und g bzw. der Ventile lt und
i auszuführen.
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Gleichzeitig beginnt bei etwa z5° vor dem oberen Totpunkt auch die
Einspritzung des Brennstoffes, der sowohl auf dem Weg von der Düse zur Wirbelkammer
als auch in der Wirbelkammer selbst wirksam mit Luft durchmischt wird. Der Brennstoffstrahl
wird hierbei durch den Einspritzkanal m, n schräg von oben her ungefähr gleichgerichtet
mit der überströmenden Luft gegen die untere Wandung bzw. gegen die vorspringende
Kante o der hinteren Abschlußwandung des Brennraumes zwischen den Ventilen la und
i eingespritzt, wobei er von den sich teilenden Luftströmen gegen die Ventile
abgelenkt wird. Da die Ventilteller eine verhältnismäßig hohe Temperatur besitzen
und ungekühlt sind, dienen sie gleichzeitig dazu, die Aufbereitung und Zündung des
Brennstoffes zu unterstützen, so daß in Verbindung mit der guten Durchmischung der
Luft mit dem Brennstoff eine rasche Entzündung und saubere Verbrennung gewährleistet
wird. Die Einspritzung des Brennstoffes ist ungefähr in der oberen Totpunktlage
des Kolbens beendet.
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Durch die Verbrennung wird in der seitlichen Wirbelkammer eine Drucksteigerung
erzeugt, welche infolge der starken Drosselung, die zwischen Wirbelkammer und Zylinderraum
bis zu etwa 25° nach oberem. Totpunkt besteht, d. h. solange die Verbindung zwischen
den beiden Räumen lediglich durch die Aussparung n im Kolben bewirkt wird, ein kräftiges
Ausblasen und damit eine wirksame Verteilung des Wirbelkammergemisches in dem Zylinderraum
gewährleistet. Dieses Abblasen der Wirbelkammer wird im wesentlichen etwa 2o bis
25'1> nach oberem Totpunkt beendet sein. In diesem Augenblick beginnt die obere
Kante p des Kolbens die weite Öffnung zwischen Wirbelkammer und Zylinderraum freizulegen,
so daß eine praktisch ungedrosselte Verbindung zwischen diesen beiden Räumen entsteht
und eine ungehinderte Ausdehnung der Brenngase stattfinden kann.