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Arbeitsverfahren für Freiflugkolben-Brennkraftmaschinen
| Die Erfiüdung betrifft ein Arbeitsverfahren |
| für mit Frischluftspülungoder -la-dungund Ver- |
| dichtungszündung arbeitendie Freiflugkol:ben- |
| Brennlzraftmaschinen mit einem Arbeitsraum, |
| der nur zur Erzeugung motorischer Arbeit |
| durch. Verbrennung eines. Brennstoff-Luft-Ge- |
| misches dienst. Der Brennstoff, insbesondere |
| flüssiger, z. B. Gasöd, wird bei dien Ma- |
| schinen von der Brennluft getrennt in den |
| Motorarbeitsraum eingeführt und mittels Ver- |
| dichtungszündung zur Verbrennung gebracht. |
| Die Erfindung bezweckt vor allem die Ver- |
| vollkommnung des im Motorarbeitsraum |
| stattfindenden, Verbrennungstvorganges, um |
| einerseits eine bessere Ausnutzung des. ein- |
| gefüh.rtemBnenns.boffes zuerzielenundande.rer- |
| seits die Bildung von Verbrennungsrückstän- |
| den (Ölkohle u. d-gl.) im Arbeitsraum, z. B. an |
| den; Begrenzungswänden der Ausdaßöffnungen, |
| weitgehend zu verringern. Dies, wird nach der |
| Erfindung erreicht, indem der gesamte, je |
| Arbeitsspiel in; den Motorarbeits,raurn ein- |
| zubringende Brennstoff oder ein erheblicher |
| Teil desselben wähirend dies Brennladungs- |
| Verdic htungshubes. bereits vor Erreichen der |
| Selbstzündungstemperatur in dien Motor- |
| arbeitsraum einigiefühirt wiird!, so diaB ein |
| Brennstoff-Luft-Gemisch, gebildet und dieses |
| Gemisch weiter verdichtet wird, bis eis schließ- |
| lich seine En:tzündungs-tempematur erreicht |
und verbrennt. Die Einführung des Brennstoffes kann hereits während
des Schließens der Auslag öffnungen beginnen.
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Bei dem Arbeitsverfahren gemäß der Erfindung steht für die i@iiseliang
von Brennluft uti3 Brennstofft eine verhältnismäßig lange Zeit zur Verfügung, so
daß die Verhältnisse für die Erzielung einer guten Durchinischung und scriiit auch
für die Herbeifülirunz einer möglichst vollkommenen Verbrennung günstiger liejeii,
als es beispielsweise Leim normalen Dieselverfahren der Fall ist, bei dem der gesamte
Brennstoff erst nach Erreichen dar Sellrsstziindungstemperatar in den Brennraum
wird und bei dem deshalb die zur Verbrennnung erforderliche innige Durchmischung
von Brennstoff und Luft schwieriger erreichbar ist.
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Man hat schon vorgeschlagen, bei einem sogenannten Freifiugkolben-Treibgaserzeuger
besonderer Bauart den Brennstoff vor der ErreiAiung der Zündtemperatur in den. Zylinder
einzuführen. Die diesem Vorschlag zugrunde li;gende Maschine besitzt einen Arbeitsrahm,
der scwohI als Verdichter zur Erzeugung von Treibluft als auch als Brennraum zur
Erzeugun- motorischer Arbeit und unter Druck stelzenden. der Treibluft beizumengenden
Abgasen dient. Die in diesen Arb-eitsrauni eingesaugte Luftmenge wird zunächst schwach
(bis auf den Treibgasdruck) verdichtet und der grcßere Teil dieser Luftmenge hei
diesem Druck ausgesehoben, während der Luftrest, der die für die nachfolgende Verbrennung
erforderliche Brennluft bildet, eine weitere hohe Verdichtung erfährt. Dass Einführen
des Brennstoffs in den Arbeitsraum erfolgt bei dieser Maschine nicht während der
den hohen Enddruck ergebenden Verdichtung des als Brennluft dienenden Luftrestes,
sondern 5clion während der vorausgzlienden, nur schwachen Verdichtung der Gesamtluft,
dabei b.:stelit die Gefahr, daß beim Ausschieben der Treibluft aus dem Arbeitsraum
auch mit Brennstoff angen4iclierte Luft mit ausgeschoben: wird, dieser Bannstoff
also verlorengeht.
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Das Arbeitsverfahren nach der Erfindung sei an Hand eines. Schaubildes
näher erläutert. In dem Schaubild ist auf der waagerechten, Achse die l erschieburi.g
s desotorko t@en@ abgetragen. Die Strecke <-'-ll)' entspricht dein Hub des lloto.rlolbens,
wobei _d den. äußeren. F den inneren Tatpunkt darstellt. Punkt C bedL-tit.t den
Beginn der -Verdichtung (Abschlug derAuslaßöffnungen des lloto.rarbei.tsraum- s).
Die Strecl;eB-D entspricht dem schädlichen Raum. Über der waagerechten. Achse sind
vier Kurven i bis d. aufgetragen. Die Kurven. i und 2 zeigen die Verschiebung la
des Eiri spritzl3umpenlcolbens., und zwar Kurve i für das 1°i Freülugkolben-Breiznhra.ftmaschinen
bisher übliche Dieselerfahren. Kurve 2 für ein Beispiel des Arbeitsverfahrens nach
der Erfindung. Die Isurve 3 zeigt den Verlauf der Verdichtungstemperatur
der im llotorarbeitsrauin eingeschlossenen Luft. Die Kurve [ stellt den Verlauf
der Zündtemperatur für einen Uestimmten hr, nnsto:f, beispielsweise Gasöl, dar;
diese Zündtemperatur nininit, wie b@kannI. finit zunehmender Verdichtung der ein
BreniistoFF-teilchen umgebenden Luft a1). Durch den Schnittpunkt S der beiden Kurven
3. d ist die Selbstzfindungstemperatttr des verwendeten Brennsto£f.es bestimmt;
sie liegt im vorliegenden Beispiel hei etwa ::2o= abs.
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Dem Punkt S entspricht auf der waagerechten Achse der Punkt E: bis
zu diesem Punkt E muß der lh@torarb.itskolhen auf seinem @-erdid:tun@shub vorgedrtingeit
sein. damit durch d:ie his dahin erfoi`rte Verdichtung der Brennluft die SelbstzündungSternperatur
des Brennstoffes erreicht wird. Bei dem in der Regel bisher verGvendeten normalen
Dieselverfahren wird erst nach Erreichen der Selbstzündung stemperatur der gesamte,
je Arbeitshub der Maschine erforderliche Brennstofft in den lIotararb:itsraum eingespritzt.
Die Einspritzung Leginat hierbei kurz hinter dem Punkt E an einer Stelle, die dem
Punkt F der Einspritzpumpenkolbenverschiebungskurve i entspricht. und dauert bis
zum Punkt G dieser Kurve i. Sie erstreckt sich sonach über den nur kurzen Weg «
(waa@ -rechter Abstand der Punkte F. G) des Motorarbeitskolbens und dauert dementsprechend
nur eine sehr kurze Zeit. Die hierbei eingespritzte -Menge wird durch die Strecke
b (senkrechter Abstand der Punkte F, G) daracestellt.
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Bei dem Arbeitsverfahren nach der Erfindung beginnt die Einführung
des Brennstoffes schon eine erhebliche Strecke vor dem Punkt E, nämlich im Punkt
H der Verschiebungskurve 2, und sie endet im Punkt -i derselben, der im dargestellten
Beispiel ein kurzes Stück hinter PunktE liegt. Die Einführung erstreckt sich hiernach
über eine Wegstrecke c (waagerechter Abstand der Punkte H, K), die weseritgrößer
als die Wegstrecke u ist und der auch eine längere Einführungszeit entspricht. Dabei
ist die eingeführte Brennstoffmenge die deiche wie vorher, nämlich die durch die
`trecke b dargestellte.
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Würde man Ee i einer gewöhnlichen Brennkraftmaschine. deren Kolben
zwangsläufig an eine Kurl;,elwelle angeschlossen ist. eine solche Brennstoffzufuhr
verwirklichen. indem also die gesamte vor Erreichen der Se@lbstziindungstemperatur
während des Verdichtungshubes eingeführt wird, so wurde ain Selbstzündungspunkt
E des Kolbenweges, also eine erhebliche Strecke vor dein inneren
Totpunkt
B, die gesamte Brennladung plötzlich zur Verbrennung gelangen. Es entsteht dann
eine reine Gleich.raumverbrlennung, welche bekanntlich an sich: schon einen sehr
starken Druckans@tieg zur Folge hat. Da aber der Motorkolben durch die Kurbelwelle
weiterhin, nach einwärts über den inneren Tbit, punkt weg betrieben wird',
so wird dadurch dieser Druckan!atieg noch ganz, erheblich verstärkt und somit der
Arbeitsraum und das Triebi7,Nerk außerordentlich ha-h: b°anisprucht. Insbesondere
treten hierbei umgünstige: dynam.ische Beansprnuchungem in den elastischen Teilen
des Triebwerks auf. Da seich weiterhin bei einer derartigen Maschine der Arbeitskolben
verhältnismäßig lange in der Nähe. des inneren Toktpunkteis, aufhält, würde die
Wand dies Brennraumes lange Zeit der hierbei besonders hohen Temperatur der Brenngase
ausgesetzt sein, womit infolge der mit dem Druck anwachsenden Wärmeabfuhr ein erheblicher
Energieverlust und eine übermäßig hohe Wärmebeanspiruchung der Baustoffe verknüpft
wäre.
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Bei mixt Selbstzündung arbeitenden Kurbe@lweillenib,reninkraftmnaschinen
Ist schon vorgeschlagen worden, nur einen Teil des je Arbeitsspiel erforderlichen
Brennstoffs während des Verdichtungshubes einzufüh:nen und die restliche Brennstoffmenge
erst nach erfolgter Zündung im; den Arbeitsraum einzubringe:n. Auch, ist es bekannt"
bei einer Kuirb,eilwellenbrennkraftmaschine mit Fre@m;dzündlung und mit mittelgroßem
Verdichrbunngsverhältnis die B.rennnstoffzufuh,r bereits während dies Verdichtungshubes,
zu beginnen und bisi in dien Auswärtshub hinein fortzusetzen-.
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Ganz anders als bei Kurbelmaschinen liegen die Verhältnisse- bei.
Brenukraftmaschinen mit frei fliegendem Kolben. Bei diesen. ist dl--r innere Totpunkt
nicht zw,anngsdäufig durch ein Triebwerk beistimmt, Die Flugmasse kann .im Gegenteil
dann umkehren, wenn die Energie, mit der sie dem inneren Totpunkt zugeschleu: fiert
wird, durch die auf diesem Hub, zu leistende Verdichtungsarbeit aufgezehrt ist.
Sie wird deshalb auch. nicht längere Zeit in der Nähe des eiinneren Tatpunktes aufgehalten,
sondernerfäh.rtbeim Einwärtshub durch die bei der Verbrennung entstehende plötzlicheDrucksteigerung
eine sehr starke Verzögerung, welche sie zu raschem -Anhalten zwingt, und anschließend
eine starke Beschleunigung, die eine schnelle- Bewegung in der umgekehrten Richtjung
bewirkt. Die bei einer Karbelweldienmaschine auftretenden Nachteide sind also bei
Freiflugkolben-Brennkraftmaschinen nichtvorhanden. Diese- Tatsache ist auch durch:
mit Versuchen gewonnene Erfahrungen, bestätigt «-orden.
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Außer den bereits erwähnten Vorteilen dies neuen Arbeitsverfah.rens
ergibt sich als weiterer Vorteil, daß die am Einspritzpumpen, kolben od. d;gl. wirkenden
Massenkräfte, die, wenn sie zu hoch werden, eine Störung des Ei:nspritzverlaufies,
zur Folge haben, wesen.tlich, gerinäter sind als bei dem normalen Dieselverfahven,
was sich ohne: weiteres aus dem viel flacheren Verlauf der Verschiebungskurve2 gegenüber
der viel steiler ansteigenden Kurve z ergibt. Dabei ist im. Schaubild, bei dem der
Beginn der Verschiebung dies Pumpenkolbens, etwa mit dem Beginn (Punkt C) der Verdichtung
zulsammenfällt, noch nicht einmal der günstigste Fall dargestellt. Es ist vielmehr
von besonderem Vorteil, wenn die B,rennstoffzufuhir bereits wähnend des Schließens
der A,uslaßöffnungen beginnt; in diesem Fall würde also der Zufuhrbeginn (Punkt
H) wesentlich weiter links (noch links von Punkt C) liegen, während das Zufuhrende
(Punkt K) seine Lage beibehalten kann,. Die Kurve :2 würde dann noch wesen@tlich
flacher verlaufen. Durch. einen derartiger] Einführungsverlauf wirdl zudem für die
Vermischiung von Luft und B.renustoff besonders viel Zeit zur Verfügung gestellt,
so daß sie sich besonders. günstig gestaltet..
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Das die Brennstoffeinführung cha:rakterisierende Stück H-K der Kurve
2 kann auch gegenüber der im Schaubild dargestellten Lage in. seiner Gesamtheit
weiter nach rechts verschoben sein, so daß lediglich: ein erheb-Micher Teil der
einzuführenden Brennstoffmenge, mindestens etwa 30'f0, vor Erreichen der Selbstz.ündungstemperatur
in den Motorarbeitsraum eingebracht ist. Auch, hierdurch wird schon: eine wesentliche
Vervollkommnung des Verbrennungsvorganges gegenüber dem normalen Dieselverfahren
erreicht.
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Als besonders zweckmäßig hat es sich auf Grund von Versuchen erwiesen,
dem Punkt K der Kurve 2, der das Ende der Brennstoffzufuhr angibt, und dem ihm entsprechenden
Punkt L auf der waagerechten Achse eine solche Lage zu geben, daß das. Verdichroungs.
raumverhältnns (Verhältnis der Strecke L-D zur Strecke C-D) etwa r :5,5 beträgt.
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Die Vorteile der Erfindung werden auch dann erzielt, wenn nur ein.
erheblicher Teil der je Arbeitsspiel benötigten Brennstoffmenge vor Erreichen; der
Selb@stzündungstemperatur in den Motorarbeitsraum ein: geführt und das, so gebildete
Gemisch bis zur Selbstzündung weiter verdichtet wird:, während der Rest der B-rennstofmengie
erst: nach erfolgter Zündung der erstgenaninten Teilmenge- zugeführt wird. Dadurch
wird zudem die Möglichkeit gegeben, die Höhe des bei der Verbrennung auftretenden
Druckanstieges zu beeinflussen, und ein allzu heftiges Einsetzen der Verbrennung
zu vermeiden.
Als weiterer Vorteil des Arbeitsverfahrens nach der
Erfindung gegenüber dem bisher üblichen Dieselverfahren hat sich ergeben, daß man
beim erstgenannten mit einer erheblich geringere Spülluftmenge auskommt, da auf
Grund der hierbei für die Durchmischung zur N'e.rfügung stehenden. längeren Zeit
eine kleinere Gesamtluftmenge genügt, um an jedes einzelne Brennstoffteilchen die
jeweils zu seiner Verbrennung erforderliche Teilluftmenge heranzubringen. Die für
die Spülluftbeschaffung aufzuwendende Leistung verringert sich dementsprechend.
Andererseits ist es bei unverminderter Spülluftzufuhr möglich, die Freiflugkolbenmaschine
zeitweise ganz erheblich zu überlasten, da auch bei l\Zehreinführung von Brennstoff
noch genügend Luft zur Bildung eines völlige Verbrennung ergebenden Gemisches vorhanden
ist.
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Die Verschiebungskurve 2 "entspricht bei Einführung des Brennstoffes
mittels einer Pumpe der Form des den Pumpenkolben antreibenden Nockens, der mit
einem Glied, das die Motorkolbenverschiebung mitmacht, fest v°rbunden ist.