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Brennstoff-Einspritzdüse #a ist eine Einspritzdüse bekanntgeworden,
die ein als Abreißkontakt dienendes Ventil aufwies, dessen Sitz von einem Widerstande
geheizt wurde, wobei das Öffnen des Ventils den Heizstrom unterbrach. Der Funke
sollte die Zündung bewirken. Es kann aber selbst bei einem für die Verdampfung des
gesamten eingespritzten Kraftstoffes ausreichend starkem Strom keine unmittelbare
Zündung erhalten werden, weil der Bogen an den Ventilkontakten nur von höchstens
einem Viertel der Wattzahl der Widerstandsheizung gespeist wird. Dieser Abreißbogen
muß deshalb und wegen Aden bei Fahrzeugnetzen gebräuchlichen sehr niederen Spannungen
gegenüber der Kühlwirkung bei Elektroden und schon der kleinsten Strahlanfangsmenge
sofort erlöschen. Er bringt daher überhaupt keine nennenswerte Wirkung auf. Ein
solcher Bogen kann insbesondere auch nicht zugleich durch die verdichtete Luft und
.den Strahlainfang schlagen, auch schon deswegen nicht, weil jener infolge des kragenartigen
Ventils während der sehr kurzen .Bogendauer gar nicht bis zum Ventilrande gelangen
könnte. Mit dieser Einrichtung konnte daher nur eine Erwärmung oder Verdampfung
des Kraftstoffes mittels des geheizten Ventilsitzes erzielt werden.
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Die in derselben Patentschrift noch vorgeschlagene Nadeldüse mit äußerer
oder innerer Hochspannungsfunkenstrecke an der Düsenöffnung ließ den durch 'Funken
erwärmten Kraftstoff noch
mit weiteren, vor der eigentlichen Düse
liegenden iletallteilen (Elektroden) in Berührung kommen, «-elche ihm besonders
beim Kaltstart die Wärme wieder entzogen. Der Funkendurchschiag wurde aber nicht
vom Ventil gesteuert. Man hatte zwar iilfolge der Energiespeicherung in der für
die Hochspannungserzeugunig benötigten Zündspule schon eine um mehrere Größenanordnungen
vervielfachte Funkenenergie gegenüber der Unterbrechung eines Ventilheizstromes.
Es bestand aber selbst -bei der Anordnung mit äußerer Funkenstrecke vor der Düsenöffnung
keine Gewähr für eine sichere Zündung, weil der Funke mangels genauer Üliereinstimmung
zwischen Flurnkenerzeugung und Strahlbeginn entweder zu früh kommt oder inmitten
des vollen Strahles keine Luft zur Zündung findet und darin erstickt. Blei :den
für die nötige Zerstäubung erforderlichen Strahl:gesohwindi:gkeiten von etwa 60
bis 200 m/s und Funkenstrecken von etwa o.5 mm liegt die notwendige Übereinstimmung
innerhalb von hundereta:usendstel Sekunden. Dagen sind die unterschiedlichen Einspritzverzögerungen
sehr groß, s o daß nur ganz zufällig eine wirkliche Zündung durch einen Funken genau
am Strahlanfang eintreten, würde, denn die anwendbare Zündenergie kann sonst nur
einen sehr geringen E.ruchteil der Einspritzmenge verdampfen.
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Mine neuere Anordnung mit einem als Abreißkoiltakt dienenden Ventil
sieht daher vor, daß das Ventil in an sich bekannter Weise als unmittelbar (also
ohne vor ;der Düse liegende Metallteile) in den Brennraum spritzendes Nadelventil
(bzw. Nadeldüse) ausgebildet ist. Der zwischen der abliebenden Ventilnadel un!d
dem Sitz entstehende Üffnun .gsfunke schlägt hierbei jedoch nur durch Kraftstoff.
so daß lediglich die Verdampfung eines sehr kleinen Teiles der Einspritzmenge bewirkt
wird. weil die Luft :dabei fehlt. Üie mit einer Zündsl)ule für 4o Watt Aufnahme
praktisch erzielbare Zündenergie von etwa o.2 Ws reichst nämlich kaum für eine Verdampfung
von etwa 0,1 mmz Öl aus, <1a ein erheblicher Teil .der Wärme wieder an
die Düsenwände und weiteres Öl abgegeben wird. Es bildet sich daher an der Düsenöffnung
zunächst ein D-ampfwölkchen, welches die Luft vom Biogen abhält, so daß derselbe
keine eigentliche, unmittelbare Zündung bewirken kann. Die Reaktion des Dampfwö:lkchens
findet zunächst nur an seiner Oberfläche gegen die Luft statt und ist bei der imähigeii
iDiampfteinperatur ziemlich träge. Man ist daher nach wie vor auf genügend heiße
Luft und entsprechenden Verdichtungsdruck angewiesen, weil sonst das Dampfwölkchen
durch das sofort anschließend schneller nachgespritzte 0I weder ab--ekühlt wird.
zumal -dessen Menge im Verhältnis sehr groß ist.
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Zur Verdampfung der Vollasteinspritzmenge z. B. eines Lastwagenmotors
von So PS mit 200 g/PSh Gasöl wären etwa 230o Watt Funkenenergie nötig. Mit einem
Ziindspulen-",liirkungsgrad von 23% brauchte man also 9 bis to kW, das ist Zoomal
mehr, als für eine Kerzenzündung üblich ist. Das muß als ganz unmöglich bezeichnet
werden und kann man also dementsprechend praktisch nur etwa 1/20o 'de' vollen Einspritzmenge
verdampfen, wobei von den Wärmeverlusten abgesehen ist. In Wirklichkeit wäre es
daher noch weniger. Die Praxis mußte daher bei der Selbstzündverdichtung bleiben.
Diese Einspritzdüsen sollten daher auch hauptsächlich als Anlaßhilfe bei Dieselmotoren
dienen. l;er durch den Zündverzug bedingte harte Gang besonders des schnell laufenden
Dieselmotors konnte mit solchen Einspritzdüsen nicht beeinflußt oder grundsätzlich
geändert werden. Die genannten Hinrichtungen konnten auch keine nennenswerte Verbesserung
der Mo:tore hinsichtlich der Unempfindlichkeit gegerii%ber den Kraftstoffeigenschaften,
insbesonders der Zündwilligkeit, ergeben.
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D 4e Erfindung bezweckt dagegen, durch sofortige Einleitung der Verbrennung
einer ganz kleinen Str.ahlanfangsmenge des eingespritzten hraftstoffcs wie bei der
Hochspannungskerzenzündung mit einer ähnlich kleinen Zündenergie auszukomireii und
insbesondere damit den Zündverzug unschädlich zu machen sowie Strahlzündmotoren
auch mit Verdichtungen. erheblich unter dem Selbstzünddrudc und mit beliebig gen
Kraftstoffen sicher betreiben zu können.
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Bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse mit Ventilabreiß.kontakt liegen
.daher die Austrittskanten der Ventiäspaltdüse frei im V erbrennungsi-tiftraum,
so daß der Abreißbogen ohne Külil"iil durch benachbarte Wände durch die Luft und
den Strahlanfang schlagen .muß und damit eine sofortige Anfangsflamme erzeugt, durch
welche die übrige Einspritzmenge des Kraftstoffes hindurchgespritzt wird.
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Die Verbrennung der durch die wachsende Anfangsflamme eingespritzten
Menge geschieht fortlaufend zwar noch mit einem kleinen Verzuge für die Aufbereitung
der Kraftstofftröpfchen, doch ist dieser Verzug für Iden Gang des Motors unschädlich
und bedeutet nur eine. Phasenverschiebung gegen die Einspritzung, weil sich plötzlich
durchbrennende Kraftstoffl.uftwolken nicht mehr ausbilden oder ansammeln können.
In ähnlicher Weise geschieht dies auch schon bei der Einspritzung in die Flamme
eines voreingespritzten Zündöltropfens. womit bekanntlich die schädlichen schnellen
Drucksteigerungen im Zvlind er vermieden werden können.
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Die mit der Einspritzdüse nach der Erfindung mittels des Lichtbogens
durch den Strahlanfang und die Verdichtungsluft praktisch sofort eingeleitete Verbrennung
erzeugt somit eine weitgehendst dem Einspritzgesetz folgende Drucksteigerung, welche
daher wunschgemäß beeinflußt werden kann. Plötzliche Druckspitzen kann man infolgedessen
mit Sicherheit vermeiden. (Füreinen gegebenen Höchstdruck könnte man höhere Verdichtungsgrade
vorsehen.
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Gegenüber der Wirkung des stromstarken Abreißbogen.s auf die entsprechend
geringe Strahlanfangsmasse in der umgebenden verdichteten Luft werden Unterschiede
der Kraftstoffe in der Zündwilligkeit oder der Zetanzahl praktisch bedeutungslos.
Da
man auch leichtere Motore mit Verdichtungen unter dem Selbstzünddruck mit der Einspritzdüse
nach der Erfindung betreiben kann und hierbei plötzlich durchbrennende Kraftstoffwolken
vermieden sind, so daß keine Klopferscheinungen mehr möglich sind, entfallen die
Hauptgründe für den weiteren Bau des Ottomotors. Damit würde man aber auch von den
Anforderungen an die Oktanzahl eines Kraftstoffes unabhängig werden. Der Motor mit
Strahlzündung wird somit allgemein anwendbar und gegenüber beliebigen Kraftstoffen
unempfindlich oder neutral. Die Motortechnik wäre in die Lage versetzt, in .Zukunft
von besonderen. Anforderungen an Kraftstoffe absehen und jene universell verwenden
zu können. Für dieK.raftstoffwirtschaft werden die allgemeinen Absatzbedingungen
erleichtert und wird der besondere Weit eines Kraftstoffes hauptsächlich nach dem
Heizwert je Gewichtseinheit zu beurteilen sein.
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Der Motor mit Luftverdichtung ,unter dem Selbstzünddruck hat zwar
geringeren Wirkungsgrad als der Selbstzündldieselmotor,doch kann er durch Verkleinern
der Wandverluste noch verbessert werden. Es ist .bekannt, daß man eine gute Verbrennung
und hohen Wirkungsgrad auch ohne bes.ondere Luftwirbelung im Brennraum -bekommt,
wie z. B. der MAN-Motor von W i eb icke beweist. Dieser arbeitet mit einer Flachsitzdüse
und benötigt für .deren kegelförmigen Strahl einen Trichterraum im Zylinderkopf.
Die Kolbenbewegung erzeugt daher noch erhebliche Strömungen an den dadurch vergrößerten
und zerklüfteten Wandflächen.
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Die erfindungsgemäße, vorzugsweise mit nach innen öffnendem Tellerventil
arbeitende Einspritzzünddüse mit schei#benfö.rmigemoderflachkegeligem Fächerstrahl
wird dagegen vorzugsweise in der Zylinderachse angeordnet. Der Verbrennungsraum
erhält dann eine Scheiben- oder linsenartige Form ohne Zerklüftungen durch Taschen
im (Kolbenboden oder Zylinderkopf. Der Elinspritzventildurchmesser ist bei entsprechendem
Kraftstoffdruck so klein bemessen, daß die Strahlreibung in oder den Spalthub selbsttätig
regelnden Ventilspaltdüse nicht zu groß ausfällt und der Strahl bei Vollasteinspritzung
den Verbrennungsraum etwa gerade allseitig durchschlägt. Dann wird auch bei mäßiger
Anwurfdrehzahl die von der Einspritzzeit und Förderstoßmenge abhängige Ventilerhebung
ausreichend hoch, daß der Abreißbogen mit Sicherheit entsteht und nicht etwa durch
ein schiefes Anheben des Ventils unterdrückt wird.
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Der leichte Mbtor mit Zünddüse nach der Erfindung und Verdichtung
unter Selbstzünddruck hat noch :gegenüber dem Ottomotor folgende Vorteile: i. Die
Verdichtungshöhe ist vom Kraftstoff imabhängig und kann daher höher als beim Ottomotor
gewählt werden. fDer Verbrauch ist daher geringer.
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2. Auch bei Teillast wird mit voller Verdichtung gefahren, was Aden
mittleren Betriebswirkungsgrad nochmals und entscheidend hebt. Die dem passend gewählten
Einspritzgesetz folgende Verbrennung ergibt dabei auch bei Teillasten :einen weichen
Gang. 3. Kraftstoffunempfindlichkeit. Teure Leichtkraftstoffe sind vermeidbar, die
:Brandgefahr ist vermindert.
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4. Das Schmieröl wird nicht mehr durch Kraftstoff verdünnt.
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5. Einfache Niederspannungszündanlage. «-elche kaum Funkstörungen
erzeugt und größere Betriel)ssicherheit aufweist. Jede Einspritzdüse ist zugleich
ein Unterbrecher für sich.
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Die Zeichnung zeigt zwei beispielsweise Ausführungen der Ventilzür@ddüse
nach der Erfindung im Schnitt.
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In Abb. i wird der Ventilschaft i in der Aclrs.c des Schraubkörpers
2 mittels der Isolierringe 3 geführt, so daß der dichte Sitz und eine genau parallele
Öffnung -gewährleistet sind. Der Ventilschaft i ist nach dem Einsetzen in 2 zu einer
Öse gebogen, so daß die auch in der geschlitzten Anschlußschraube 7 am Stift 6 eingehängte
Feder genau in der Ventilachse ziert. Die Anschlußsch.raube 7 ist in der isolierenden
Kegelhülse g im Rohrkörper 9 mittels der Isolierscheibe io und der Mutter i i :dicht
und drehsicher isoliert befestigt. Auf dem glatten Schaft von 7 ist die Kraftstoffleitung
12 :mittels des Nippels 13 und der Isolierkegel 14 nach allen Seiten drehbar angeschlossen.
Die Mutter 15 preßt mit dem Kabelschuh 16 der Zündleitung 17 die Kegel
14 in den Nippel 13 und gegen den Schaft von 7, so daß die Verlrindun" gegen
den Einspritzdruck dicht Ist. Dlie Ventilziir:ddüse kann daher im Zylinderdeckel
z in beliebiger Stellung festgezogen sein.
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Bei der Ventil,spaltzünddüse in Ausführung nach Abb. 2 ist eine mehrgängige
Wendelfeder 5 auf dem ,glatten Ventilschaft i und auf die Anschlußschraube 7 geschraubt.
Ferner sei der Ventilsitz 2a austauschbar in den Schraubkörper 2 eingesetzt. Der
Kraftstoff durchfließt die Feder 5 und den hohlen Ventilschaft i und tritt sodann
vor dem Sitz 2 durch Querbohrungen aus. Das isolierende Ventilführungs.roh@r kann
aus Wärme schlechtleitendem Stoff bestehen und hemmt dann -den Wärmeübergang in
den im Ventilschaft befindlichen Kraftstoff.
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Die geringste Trennung des Ventils i VOM Sitz 2 unterbricht sofort
Iden Strorn in ,der Zündspule i g, welcher durch den Schleifbürstenverteiler i9
über die Leitungen 17 zum jeweils einspritzenden Zylinder geleitet wird.
Der Stromkreis ist sodann über Masse, den Schalter 2i und die Batterie 22 geschlossen.
Das bei der Stromunterbrechung durch die Ventildüse einstürzende Feld erzeugt somit
genau am Strahlenfang eine der Stromänderungsgeschwindigkeit und dem Selbstinduktionskoeffizienten
der Zündspule entsprechende hohe Stoßspannung. Diese erzwingt daher infolge ihrer
selbsttätigen Anpassung eine Bogenentladung durch die StrahlanfangsJamelle vor den
frei in der verdichteten Luft liegenden Venti,lspaltkanten. Die Entlaidung beginnt
mit der zuletzt durch ,die Zündspule getriebenen Stromstärke aus dem Netz, z. B.
bei einer 6-Volt-Batterie mit 6 bis 8 A. Die Stromunterbrechung durch die schon
nach wenigen io-5 Sekunden einige
Mikron starke Ollamelle im Ventilspalt
kann in der entsprechend gebauten 7,iinidspule deicht über rooo Volt erzeugen. Bei
(der hohen Stoßspannungsiestigkeit dünner idielektrischer Schichten wird die Entladung
:dabei sofort an die Ventilkanten gedrängt und .durch die austretende Strahlizunge
ausgedehnt und in die Luft gedrückt. Die hohe Bogensp,anmung wird .daher schon benötigt.
Es stehen daher für die kurze Strahlanfangszeit etliche Kilotvatt zur Verfügung,
welche die entsprechend kleine Ölrnenge der Strahlanfangszunge an der Ventilspaltdüse
mitsamt der "benachbarten Luft sofort auf die für schnelle Reaktion erforderliche
Temperatur bringen. Es ist wesentlich, daß die freiwerdende Verbrennungswärme den
Vorgang unverzüglich unterstützt, bevor durch idie mit wachsender Ventilerhebung
stärker und schneller eingespritzte, vielfach größere ölmenge ein zu starker Wärmeentzug
stattfindet und :die erste Zündung des Strahlenfangs wieder erstickt werden kann.
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)Die Abreißzündung neigt an sich kaum zu Schwingungen, weil größere
Kapazitäten im Stromkreis fehlen und nur mäßige Spannungen auftreten. Die Entladung
ist daher ein einmaliger Gleichstromvorgang. Die Abreißspannung ist weit niedriger
.als bei Ader Hochspannungskerzenzündung, weil die Zündspule nur eine Wicklung mit
kleiner Wendungszahl besitzt und der iBogen mit großer Stromstärke gezogen wind.
Maßnahmen zur Funkenstörung sind daher wohl allgemein entbehrlich.
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Zündstörungen durch Verrußung können nicht auftreten, da eine solche
vom Lichtbogen ,in der Brennraumluft ständig weggebrannt würde, während ein Schluß
an :dem in Ruhelage geschlossenen Ventil idurch irgendwelche Niederschläge überhaupt
nicht auftreten kann. Eine Rußschicht würde * die Verdampfung des Ventilkontaktmetalls
durch den Bogen vermindern.
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Man könnte noch die Ventnlabreißzündung nur bei Betriebsanfang benutzen:
und danach den Kraftstoffstrahl an von ihm vorher Glühkörpern 2o zünden lassen.
Dies bedingt aber wegen der viel geringeren Glühtemperatur und der hemimenden Grenzschichtenwirkung
einen grollen Zündverzug. Man muß idann auf die mit der Abreißzündung gebotenen
Vorteile hinsichtlich Gang des Motors und Kraftstoffunempfindlichkeit verzichten.
Der Schalter 21 ist hierbei zweckmäßig als Thermoschalter ausgebildet, um den Zündstrom
bei warmer Maschine selbsttätig zu unterbrechen.
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Die Einspritzung in und durch die vom Strahlbeginn ian wachsende Flamme
läßt ferner mit der Ventnlabreißzünd.ung durch. die schnellere Mikrozerteilung des
nachgespritzten Kraftstoffes eine bessere Verbrennung erzielen. Die Makroverteilung
ist bei dem völlig kernlosen Fächerscheibenstrahl der Ventil,spaltdüse bereits sehr
günstig. Die Sofortzündung mittels ides Ventil@abreißkontaktes läßt auch !den Miotor
die für den Verbrennungsvorgang gegebene günstigste Zeitspanne im @urbe@winkelmaß
bestens ausnutzen. Es wird somit insgesamt sicherlich eire Verkleinerung des Luftüberschusses
ermöglicht, so daß der Luftverdich,tungsmotor (Dneselmator) auch in idieser Hinsicht
eine Verbesserunig erfahren wird. Für die spätere Anwendung ides Ottoprinzipsdürften
daher keine technischen Gründe mehr bestehen. Die Venti'lspaltzünddüse kann daher
große Auswirkungen bringen.