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Gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere für schwer verdampfbare
Brennstoffe Zwei Eigenschaften der sogenannten Schweröle (Petroleum, Gasöl, Teeröl),
nämlich ihre hochliegende Siedekurve und ihre Zündfreudigkeit, lassen sie an sich
für die Verwendung in gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen wenig geeignet erscheinen.
Trotzdem werden immer wieder Versuche in dieser Richtung unternommen, und zwar sowohl
durch Beimischung als auch durch ausschließliche Verwendung von Schwerölen, weil
sie erheblich billiger sind als Leichtöle (Benzin, Benzol).
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Hochsiedende flüssige Brennstoffe, die bei normaler Temperatur und
den in einem Vergaser üblichen Unterdrücken gar nicht oder in ungenügendem Maße
verdampfen, ergeben nur bei erhöhter Temperatur ein zündfähiges und eine einwandfreie
Verbrennung ermöglichendes Gemisch. In diesem Zusammenhang werden zweckmäßig der
Brennstoff und die Luft für sich schon vor der Gemisch-Bildung erwärmt, wobei es
besonders vorteilhaft ist, wenn die beiden Gemischbestandteile annähernd die gleiche,
etwa dem Siedepunkt des betreffenden Brennstoffes entsprechende Temperatur haben.
Jedenfalls ist einerseits ein Nachverdampfen flüssigen Brennstoffes, andererseits
ein Kondensieren von Brennstoffdämpfen in der Gemischleitung oder gar in den Arbeitszylindern
möglichst zu vermeiden. Als Heizmittel werden vielfach die Auspuffgase der gleichen
Maschine verwendet.
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Während man der schweren Verdampfbarkeit der genannten Brennstoffe
durch Vorwärmung Rechnung trägt, ist bisher keine geeignete Lösung bekanntgeworden,
um den unangenehmen Nebenwirkungen ihrer großen Zündfreudigkeit zu begegnen. Diese
ist zwar bei luftverdichtenden Dieselmotoren im Sinne eines geringen Zündverzuges
nach Beginn der Brennstoffeinspritzung durchaus erwünscht, zumal man dort den ganzen
Verbrennungsvorgang
und den damit zusammenhängenden Druckverlauf
im Arbeitszylinder durch die Art und Dauer der Einspritzung steuern kann. In gemischverdichtenden
Brennkraftmaschinen mit ihrem ohnehin mehr explosionsartigen Verbrennungsvorgang
dagegen bewirkt ein besonders zündfreudiger Brennstoff sehr hohe, plötzlich auftretende
Spitzendrücke, die beim Einwirken auf den Kolbenboden etwa im oberen Totpunkt unerwünschte
Beanspruchungen und Geräusche " verursachen (Kolbenkippen, Klopfen).
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Um die letzterwähnten Schwierigkeiten zu beseitigen und auch insofern
die Voraussetzungen für eine technisch brauchbare Verwendung von Schwerölen mit
niederen Oktanzahlen in gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung
und im Vergleich zu Dieselmotoren wesentlich geringeren Verdichtungsdrücken zu schaffen,
sollen derartige Maschinen erfindungsgemäß mit einer Vorkammer ausgerüstet werden,
die einen Teil der verdichteten Gemischladung aufnimmt und in der die Verbrennung
durch eine Zündvorrichtung eingeleitet wird. Die Zündung in der Vorkammer, die abweichend
von der Bemessung der bei luftverdichtenden Brennkraftmaschinen bekannten Vorkammern
vorzugsweise den größeren Teil des gesamten Verdichtungsraumes bildet, erfolgt unter
Berücksichtigung der Zünd- und Brenneigenschaften des jeweils verwendeten Kraftstoffes
in einem solchen Zeitpunkt, daß die aus der Vorkammer ausströmenden Brenngase den
im Arbeitszylinder befindlichen Teil der verdichteten Gemischladung erst nach Überschreiten
des obren Kolbentotpunktes zünden. Für das mit einem Leichtkraftstoff durchzuführende
Anlassen kann im Bereich des Arbeitszylinders eine zweite Zündvorrichtung angeordnet
werden, durch welche die Verbrennung des in diesem Raum befindlichen Teiles der
verdichteten Gemischladung zusätzlich eingeleitet wird.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt im senkrechten Längsschnitt quer zur Kurbelwelle eine
gemischverdichtende Viertakt-Brennkraftmaschine. Indem Zylindergehäuse i, das oben
vom Zylinderdeckel 2 und unten von der Kurbelwanne 3 begrenzt wird, sind parallel
nebeneinander angeordnet der Arbeitskolben 4 und zwei zum Einlaß der Gemischladung
bzw. zum Auslaß der Verbrennungsgase dienende Ventile, von denen in der Bildebene
das Einlaßventil5 und der zugehörige Einlaßkanal 6 zu erkennen sind. Die Nockenwelle
7 dient zum Antrieb der Ventile.
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In dem ebenso wie der Arbeitszylinder wassergekühlten Zylinderdeckel
befindet sich oberhalb des Kolbens eine kugelförmige Vorkammer 8, die durch einen
Kanal 9 in der als besonderer Teil eingesetzten Trennwand io zwischen der Kammer
und dem Verdichtungsraum i i im Arbeitszylinder rilit dem letzteren in Verbindung
steht. Eine Zündkerze 12 ragt in die Vorkammer hinein.
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Fig. 2 gibt in Seitenansicht die Einrichtung zum Vorwärmen der Gemischbestandteile
für die Brennkraftmaschine gemäß Fig. i wieder. Die Frischluft wird durch ein Filter
13 angesaugt und dann in der Saugleitung 14, die in ihrer ganzen Länge mit der Auspuffleitung
15 in einer eine möglichst gute Wärmeübertragung ermöglichenden Weise zusammengebaut
ist, zunächst in der einen und dann in 'der entgegengesetzten Längsrichtung der
Maschine geführt. Anschließend strömt die von den heißen Auspuffgasen vorgewärmte
Luft durch die Leitung 16, deren letzter, mit Längsschlitzen versehener Teil von
einem Drehschieber 17 umgeben ist, dem Vergaser 18 zu. Dieser ist, wie üblich, mit
einer Hauptdüse i9 und einer nicht dargestellten Leerlaufdüse für den Brennstoff
ausgerüstet, der sich in einem Schwimmergebäuse 2o befindet, dessen unterer Teil
von einer als Vorwärmkammer dienenden Erweiterung 21 einer Nebenauspuffleitung 22
umgeben ist. Letztere hat einen erheblich kleineren Querschnitt als die Hauptauspuffleitung
15, von der sie im Bereich der Zylinderanschlüsse abzweigt und in die sie an einer
hinter der Drosselklappe 23 liegenden Stelle wieder einmündet.
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Die in der Hauptauspuffleitung angeordnete Drosselklappe ist, wie
durch eine strichpunktierte Einfiußlin.ie 24 angedeutet wird, mit der Drosselklappe
25 des Vergasers gekuppelt, und zwar. derart kraftschlüssig, daß sie bei einer Verstellung
der letzteren selbsttätig im gleichen Sinne verstellt wird, umgekehrt dagegen ihre
eigene Verstellung sich auf die Vergaserdrossel nicht auswirkt. Die vom Vergaser
zu den Einlaßkanälen 6 (vgl. Fig. i) der einzelnen Arbeitszylinder führende Gemischleitung
ist mit 26 bezeichnet.
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Für die vor allem in Betracht kommende Verwendung einer solchen Brennkraftmaschine
als Antriebsmotor für Fahrzeuge ist die von den Auspuffgasen beheizte Luftansaugeleitung
14 am vorderen Ende zum Schutz gegen den Fahrtwind und die kühle Ventilatorluft
mit einer Kappe 2y versehen. Die Strömungsrichtungen der Luft, des Gemisches und
der Auspuffgase in den verschiedenen Leitungen sind durch mehrere Pfeile gekennzeichnet.
Ein weiterer Pfeil bezeichnet den Eintritt des Brennstoffes aus einer nicht dargestellten
Leitung in das Schwimmergehäuse 20 des Vergasers.
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Das Querschnittsverhältnis der beiden zueinander parallel geschalteten
Auspuffleitungen 15, 22 ist nach dem Wärmemengenverhältnis zu bemessen, das zur
Erwärmung einerseits der durch die Ansaugleitung strömenden Luft, andererseits des
im Schwimmergehäuse des Vergasers befindlichen Brennstoffes auf annähernd die gleiche
Temperatur erforderlich ist. Um die für ein gut zündfähiges Gemisch geignete Temperatur
auch bei geringer Belastung und Drehzahl der Maschine zu erreichen, muß die Wärme
der Auspuffgase dann besser ausgenutzt werden. Zu diesem Zweck wird die Hauptauspuffleitung
15, wie auf der Zeichnung .dargestellt, zugleich mit dem Vergaser stark gedrosselt,
so daß die Auspuffgase sich in der größeren Leitung 15 stauen. und zum überwiegenden
Teil durch die kleinere Leitung 22 strömen.
Wenn beim . Wechseln
des Brennstoffes eine andere Temperatur von Luft und Brennstoff erreicht werden
soll, läßt sich diese durch ein von der Vergaserdrossel 25 unabhängiges Verstellen
der Auspuffdrossel z3 einregem. Eine zusätzliche Möglichkeit zur Regelung der Lufttemperatur
ist durch den Drehschieber 17 gegeben, indem der durch die Leitung 16 zuströmenden
Luft nicht vorgewärmte Frischluft zugemischt wird.
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Das Anlassen einer solchen Brennkraftmaschine erfolgt in üblicher
Weise mit Benzin oder einem anderen geeigneten Leichtbrennstoff, der nicht vorgewärmt
zu werden braucht und auch keine vorgewärmte Mischluft benötigt. Sobald die Maschine
sich genügend erwärmt hat und die zur Beheizung des schwer verdampfbaren Betriebsbrennstoffes
und seiner Mischluft erforderlichen Auspuffgase in genügender Menge und Temperatur
zur Verfügung stehen, wird umgeschaltet. Es kann aber auch durch Verwendung einer
von der Brennkraftmaschine unabhängigen Wärmequelle, etwa einer elektrischen Heizvorrichtung,
in den Luftleitungen und im Brennstoffbehälter des Vergasers schon vor dem Anlassen
die für den Betrieb mit Schweröl erforderliche Temperatur geschaffen werden. Eine
solche Heizvorrichtung ist besonders dann zweckmäßig, wenn die Maschine auch bei
Außentemperaturen betriebsbereit sein soll, die ein sicheres Anlassen ohne Vorwärmung
selbst mit leicht siedendem Brennstoff in Frage stellen.
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Das Brennstoff-Luft-Gemisch gelangt entsprechend der üblichen Arbeitsweise
einer solchen Maschine während des Saughubes des Arbeitskolbens in den Arbeitszylinder.
Bei dem darauffolgenden Verdichtungshub wird ein Teil der Gemischladung durch den
Kanalg in die Vorkammer 8 übergeschoben; dabei entsteht durch die Drosselwirkung
des Verbindungskanals imArbeitszylinder zeitweise ein höherer Druck als in der Vorkammer.
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Kurz vor dem oberen Kolbentotpunkt erfolgt in der Vorkammer die Zündung
mittels der Zündkerze 12. Die infolge der explosionsartigen Verbrennung des Schweröl-Luft-Gemisches
auftretenden sehr hohen Spitzendrücke werden in der Kammer aufgenommen. Wenn die
Druckwelle sich durch den Kanal <9 in den Verdichtungsraum des Arbeitszylinders
fortpflanzt und auch der hier befindliche Teil des Gemisches von den aus der Kammer
ausströmenden Verbrennungsgasen gezündet wird, hat der Kolben, etwa gemäß Fig. i,
seinen oberen Totpunkt bereits soweit überschritten, daß der weitere Verbrennungsvorgang
in dein sich nun wieder vergrößernden Zylinderraum ohne unerwünschte Nebenerscheinungen
verläuft. Es entsteht also kein Kolbenkippen oder Klopfen, sondern der auf den Kolben
sich auswirkende Druck wird weitestgehend in Antriebsleistung umgesetzt. Da die
hochgespannten Verbrennungsgase aus der VOrkammLr durch den verhältnismäßig engen
Düsenkanal 9 erst nach und nach ausströmen können, fällt der Druck im Arbeitszylinder
nicht so schnell ab, wie es sonst bei Ottomotoren nach der kurzzeitigen Verpuffung
der Fall ist. Vielmehr wird gewissermaßen das Gleichraumverfahren mit dem Gleichdruckverfahren
kombiniert.
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Die Vorkammer bildet im vorliegenden Zusammenhang einen größeren Teil
des gesamten Verdichtungsraumes, als es bei Vorkammerdieselmotoren üblich ist, gegebenenfalls
sogar mehr als die Hälfte. Das hängt mit der andersartigen Aufgabe zusammen, welche
die Vorkammer bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen zu erfüllen hat. Erst
von einer gewissen anteilmäßigen Größe ab können nämlich die bei der Verpuffung
auftretenden Spitzendrücke in dem gewünschten Ausmaß aus dem Arbeitszylinder in
die Vorkammer verlegt werden.
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Im Anschluß an den Arbeitshub folgt in bekannter Weise der Ausschub
der Verbrennungsgase durch das geöffnete Auslaßventil in die Auspuffleitung.
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Während des Anlassens der Brennkraftmaschine kann hilfsweise eine
zweite, auf der Zeichnung nicht dargestellte Zündkerze im Bereich des Verdichtungsraumes
i i im Arbeitszylinder in Betrieb genommen werden.
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Die Anordnung der Vorkammer gibt in Verbindung mit der Einrichtung
zum Vorwärmen von Brennstoff und Luft eine Anregung, um die schon oft angestrebte,
bisher aber, soweit bekannt, noch nicht in ganz zufriedenstellender Weise erfolgte
Verwendnug von Schwerölen in gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen so zweckmäßig
durchzuführen, wie es nach den derzeitigen Erkenntnissen möglich ist. Die genaue
Bemessung der Vorkammer im Verhältnis zum gesamten Verdichtungsraum sowie des Kanals
9 muß dem Ergebnis praktischer Erprobungen unter Berücksichtigung der Eigenschaften
des jeweils verwendeten Brennstoffes und der baulichen Einzelheiten der betreffenden
Maschine überlassen bleiben. Bezüglich des Kanals ist zu beachten, daß dieser nicht
nur als Klopfbremse wirkt, in dem er beim Zündvorgang eine Dämpfung und zeitliche
Ausdehnung des Druckverlaufes im Arbeitszylinder herbeiführt, sondern auch während
des Verdichtungshubes durch das gedrosselte Überströmen der Gemischladung in die
Vorkammer in dem vor dieser liegenden Zylinderraum vorübergehend einen höheren Druck
als in der Vorkammer entstehen läßt, der gegebenenfalls sogar den durch das Verdichtungsverhältnis
bedingten Enddruck etwas übersteigt.
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Auch bei dem höchsten während des Verdichtungshubes im Arbeitszylinder
auftretenden Druck darf allerdings die Temperatur des Gemisches nicht so hoch werden,
daß eine Selbstzündung desselben erfolgt. In dieser Hinsicht ist jedoch nur dann
Vorsicht geboten, wenn das Gemisch Brennstoffbestandteile in noch flüssigem Zustand
enthält. Läßt sich dagegen die angestrebte Verdampfung auch und gerade bei einem
hochsiedenden Schweröl vollständig erreichen, so kann angesichts der hohen Zündtemperaturen
von Oldämpfen die Verdichtung im Arbeitszylinder sogar über das bei gemischverdichtenden
Brennkraftmaschinen sonst
übliche ?@laß hinaus gesteigert und dadurch
eine größere Maschinenleistung möglich gemacht werden.
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Die Vorkammerbauart ist natürlich nicht ausschließlich auf die Verwendung
von Schwerölen beschränkt, sondern grundsätzlich auch bei einer Verwendung von Leichtölen
im Vergasermotor anwendbar, selbst wenn sie bei zündträgen Brennstoffen nicht eine
solche Bedeutung als Klopfbremse hat wie im vorliegenden Zusammenhang. lm übrigen
können bereits vorhandene Brennkraftmaschinen verhältnismäßig einfach, unter Umständen
nur durch Auswechseln des Zylinderkopfes, in der erfindungsgemäßen Weise umgebaut
werde>>, was bei der großen Zahl der in Betrieb befindlichen Vergasermotoren für
den praktischen Wert der neuen Bauart besonders wichtig ist.
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Abschließend soll nur kurz erwähnt werden, daß die Verwendung von
hochsiedenden Schwerölen in einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine einige
weitere bauliche Merkmale und betriebsmäßige Maßnahmen erfordert, die an sich bekannt
sind und auf die deshalb im vorstehenden nicht besonders hingewiesen worden ist;
es handelt sich dabei z. B. um den zweckmäßigen Querschnitt und Verlauf der Gemischansaugleitung
zwischen dem Vergaser und den Arbeitszylindern, eine genügend höhe Kühlwassertemperatur
usw.