-
Brennkraftmaschine mit Fremdzündung ohne elektrische Zündanlage Es
ist bekannt, bei Brennkraftmaschinen durch Aufspritzen von Kraftstoff, insbesondere
von Schweröl, auf glühende Stellen der Brennraumwände die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
auszulösen, wobei der Zündpunkt durch den Zeitpunkt der Einbringung des Kraftstoffes
bestimmt ist. Es ist ferner von den ersten Ottomotoren her bekannt, mit einer Zündflamme,
die durch Steuerorgane vom Brennraum abtrennbar ist, im Zündzeitpunkt die Zündung
einzuleiten.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb von Brenn.kraftmaschinen
mit Fremdzündung ohne elektrische Zündanlage mit Gemischbildung außer- oder innerhalb
des Zylinders, wobei im letzteren Fall die Einbringung des Kraftstoffes vor Auslösung
der Zündung oder gleichzeitig mit dieser erfolgen kann. Die Erfindung besteht darin,
daß zum Zeitpunkt der Zündung ein gesteuerter Zündkörper in den Brennraum der Maschine
eintaucht, der auf Grund seiner durch Eigen- oder Fremderwärmung erzielten Temperatur
und/oder chemischer Wirkung z. B. durch Katalysatoren das Kraftstoff-Luft-Gemisch
entzündet und zu einem solchen Zeitpunkt aus dem Zylinder wieder austritt, daß das
für den nächsten Arbeitstakt im Zylinder gebildete Gemisch keine vorzeitige Entzündung
erfährt, worauf sich dieses Arbeitsspiel wiederholt.
-
Der Erfindung liegt die Erfahrungstatsache zugrunde, daß Ottomotoren
bei schlechter Kühlung oder bei zu geringen Glühzündwerten ihrer Zündkerzen nach
dem Abstellen des Zündstromes Glühzündungen zeigen. Es ist ferner bekannt, daß sich
schwer entzündbare Öle an glühenden Metalloberflächen, vermutlich durch katalytische
Wirkung, verhältnismäßig leicht entzünden. Bei Ottomotoren mit Glühzündungen ist
allerdings eine einwandfreie Festlegung des Zündzeitpunktes nicht möglich, so
daß
ein geregelter Betrieb auf dieser Grundlage ausgeschlossen ist. Bei den Brennkraftmaschinen
nach vorliegender Erfindung sind an dem dem Brennraum zugekehrten Ende -einer gesteuerten
Nadel, eines Kolbens oder eines membrangedichteten Stempels Zündkörper vorgesehen,
?die an dem gesteuerten Organ so gelagert sind, daß ihre Wärmeableitung an dieses
möglichst unterbunden ist. Dies kann z. B. durch Metallscheiben, die lose in Nuten
der Zündnadel axial gelagert sind, durch eine Drahtspirale oder durch in einem käfigartigen
Kopf der Zündnadel gelagerte Metallwolle erzielt werden. Die diese Zündkörper tragende
Nadel wird so gesteuert, daß, ihr Zündkörper zum Zündzeitpunkt in den Brennraum
eintritt und eine kräftige Zündung bewirkt. Dlie Zündkörper bleiben zur wirkungsvollen
Aufwärmung während des Arbeitshubes im Brennraum und: werden zum Frischgaseintritt
oder auch schon vor Beginn des Auslaßhubes aus ihm wieder zurückgezogen. In der
Führungsbohrung .der Zündnadeloder des membrangedichteten Stempels behalten die
Zündkörper, von jeder Gasströmung geschützt, ihre Temperatur, bis sie zur nächsten
Zündung wieder in den Brennraum eingeführt werden und die Zündung einleiten. Um
in der versenkten Lage keine Frühzündungen auszulösen, werden die Zündkörper ,am
brennraumseitigen Ende erfindungsgemäß mit einem durch gute @V ärmeableitung gekühlten,
schirmartigen Kopf versehen. Dne Zündnadel kann in der Zündkerzenbohrung .angeordnet
werden und durch den Verbrennungsdruck direkt oder indirekt betätigt werden. Sie
kann mit oder ohne Abdichtung durch eine Membran im Gleichgewicht mit der Gegenkraft
einer Stahlfeder oder einer Luftfederung und/oder der Membran selbst als federnde
Gegenkraft stehen. Sie kann aber auch mechanisch, z. B. unmittelbar von der darüberliegenden
Nockenwelle oder von der Seite betätigt werden. Die Zündnadel kann aber auch im
Kolben gelagert werden, derart, daß sie mit einem Fingeroder einem Nocken am oberen
Pleuelauge unmittelbar durch die schwingende Bewegung der Pleuelstange in Überlagerung
zu der Kolbenbewegung gesteuert wird. Die Zündnadel könnte auch durch einen an die
Hauptpleuelstange angelenkten Hilfspleuel gesteuert werden.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß eine kräftige
Zündung des Brennrauminhaltes mit einem einzigen zusätzlichen Teil unabhängig von
Drehzahl und Belastung genau zum gewünschten Zeitpunkt erfolgt. Die einfache pneumatische
oder mechanische Steuerung der Zündnadel vermeidet Störungen der Zündanlage, insbesondere
der Zündkerze, wie Verkoken, Feuchtigkeitsniederschlag an den Elektroden, Durchschlagen
der Isolierung und Wassereinwirkungen von außen. Bei großer Betriebssicherheit sind
die Kosten- und Gewichtseinsparungen, besonders bei Klein- und Kleinstmotoren, sehr
erheblich. Das Einsetzen bzw. Auswechseln einer Zündnadel ist ebenso einfach wie
das einer Zündkerze.
-
Ein Festfressen der Zündnadel ist unmöglich, da ihre Wärmeaufnahme
kleiner ist als die der umgebenden Teile bzw. ihre Wärmeabfuhr so groß ist, 'daß
sie im Betrieb in ihrer Bohrung noch genügend Spiel hat. Für membrangedichtete Zündnadeln
oder Führungsstempel ist dieses Problem von geringerer Bedeutung. Zur Kühlung von
Kolben und Zündnadel kann, wenn die Zündnadel im Kolben gelagert ist, bei Zweitaktmotoren
das Frischgas vor seinem Eintritt in den Zylinder durch ein Fenster im Kolben hindurchgeleitet
werden, wobei es am innenseitigen Kolbenboden umgelenkt wird und dieisen kräftig
kühlt. Um Rußansätze an den Zündkörpern unmöglich zu machen, kann eine Selbstreinigung
bei :entsprechend heißem Auspuff dadurch bewirkt werden, daß die Zündnadel so im
Kolben gelagert wird, daß ihr Zündkopf in der Nähe des Auslaßventils liegt und beim
öffnen desselben in den Bereich des scharfen Auspuffstromes kommt. Bei Viertaktmotoren
kann die gleiche Wirkung erzielt werden, wenn der Zündkörper in der Gasströmung
des geöffneten Auspuffventils angeordnet wird.
-
Der gewünschte Glühzündzeitpunkt kann durch Längenänderung der Zündnadel
eingestellt b.zw. beeinflußt wenden, z. B. durch Ausbildung der Nadel in mehreren
Teilen, die durch ein Gewinde miteinander verbunden sind. Durch Verdrehen der Teile
gegeneinander kann diegewünschte Längenänderung und damit die Einstellung des Zündzeitpunktes
erzielt werden. Für Hochleistungsmotoren sieht die Erfindung vor, die Zündnadelteile
durch eine Spiralfeder mit Gegenfeder elastisch abzustützen, so daß der Zündnadelkopf
mit dem Zündkörper entsprechend der Drehzahl unter der Wirkung des Verbrennungsdruckes
in überlagerte Schwingungen gerät und so bei höherer Drehzahl relativ zur Kolbenstellung
früher in den Brennraum eintritt, also früher zündet als bei niedriger Drehzahl.
Zur Zündzeitpunktverstellung wird die Zündnadel in Abhängigkeit vom Druck im Brennraum
und der Wirkung einer Gegenfeder durch Verlagerung von deren Abstützung auch während
des Betriebes verschoben. Dies kann auch in Abhängigkeit von einem Drehzahlregler
selbsttätig erfolgen.
-
Das Anlassen der Maschinen kann auf verschiedenste Arterfolgen, z.
B. mit einer von der Batterie geheizten Glühkerze, die nicht wie bei Dieselmotoren
den Brennraum aufheizt, sondern lediglich durch geeignete Abstimmung ihres elektrischen
Widerstandes eine solche Temperatur erhält, daß während der wenigen Sekunden des
Andrehens durch sie die ersten Glühzündungen, und zwar am besten als Nachzündungen
eingeleitet werden. Hierdurch werden die fast rnasselosen Zündkörper innerhalb weniger
Arbeitshübe zum Glühen ,gebracht, wodurch sofort die Zündung erfolgt. Dia die Zündung
nun genau zum richtigen Zeitpunkt eingeleitet wird, tritt eine Drehzahlsteigerung
ein, wodurch der Strom für die Glühkexze von selbst abgeschaltet wird.
-
Die Erfindung .sieht eine Glühkerze vor, deren Achse in der oberen
Totpunktstellumg des Kolbens in die Richtung der Zündnadelachse fällt, so daß durch
Ausschrauben der Glühkerze eine gute Kontrolle über die Zündkörper und ein Auswechseln
der
Zündnadeln möglich ist. Die Nadel kann auf diese Weise besonders einfach bei Zweitaktmotoren
ausgewechselt werden, da sie bei ihnen in jeder Kolbenstellung durch den Verbrennungs-
oder durch den Verdichtungsdruck bzw. durch die Kolbenverzögerungen und -beschleunigungen
einfach kraftschlüssig auf einen Steuerfinger der Pleuelstange aufgesetzt werden
kann.
-
Die Zündnadel kann als Zündkörper eine Glühspirale tragen,
die einerseits am Abschirmkopf, andererseits am Nadelmantel befestigt ist. Beide
Teile sind gegeneinander isoliert. Sie sind über die Masse <bei Motorgehäuses
und Kolbens einerseits und über das Kurbeltriebwerk, die Pleuelstange und den Zündnadelkern
samt Schirm andererseits mit der Batterie verbunden. Dadurch wird auch die Anlaßglühkerze
überflüssig, da der Zündkopf mit seiner Glühspirale selbst eine solche Wirkung ausübt.
Dias hat auch den Vorteil, daß bereits die: Zeitpunkte der ersten Zündungen gesteuert
werden. Die zum Anlassen oftmals erwünschte Spätzündung kann hierbei einfach durch
einmalige Abstimmung der Stromstärke mit dem Heizwiderstand der Glühspirale erzielt
werden. Hierbei müssen Hauptlager und Kurbelzapfenlager zur Motormasse bzw. zum
Kolben isoliert werden.
-
Für Motoren ohne Batteriezündung, z. B. für Fahrrad'hilfsrnotor en,
kann die Einleitung der Zündung durch Selbstzündung erfolgen, indem ein Teil des
Brennraumes etwa durch ein I>oppelsitzventil, das in Zwischenstellung auch gleich
als Dekompressionsventil wirken kann, abgeschaltet und damit die für eine Selbstzündung
erforderliche Verdichtung geschaffen wird. Nach Einsetzen der Zündung wird das Ventil
zurückgezogen und damit wieder die normale Größe des Brennraumes hergestellt, während
die Zündungen von der Zündnadel übernommen werden.
-
Nachfolgend werden die zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens
benötigten Gegenstände in beispielsweisen Ausführungen an Hand von Abbildtyngenerläutert.
-
Im Fig. i ist die Zündnadel i im Kolben 5 so schräg gelagert, daß
ihre Glühspirale 2 dem Abgasstrom ausgesetzt ist. Der schirmartige Glühkopf 3 schützt
die G ühspirale 2 in versenkter Stellung vor Frischgaszutritt und Abkühlung. Dias
dem Glühkopf 3 entgegengesetzte Ende der Zündnadel i stützt sich auf den Steuerfinger
4 der Pleuelstange i o ab. Beim Aufwärtsgang des Kolbens hält die Nadel i durch
den Verdichtungsdruck sowie die Komponente des Beschleunigungsdruckes, die durch
entsprechende Schräglage der Nadel i gewünscht vergrößert werden kann, kraftschlüssige
Fühlung mit dem Steuerfinger 4. Mit zunehmender Verdichtung verschwindet die Nadel
i immer mehr in ihrer Führung. Sie erreicht beim größten Pleuelausschlag ihre tiefste
Versenkung, wird mit weiterem Anstieg des Kolbens rasch in den Brennraum geschoben
und leitet bei der hohen Temperatur des verdichteten Gemisches die Zündung ein.
Im oberen Totpunkt liegt die Nadel i denn Stopfen 9, der auch eine Anlaßglühkerze
sein kann, axial gegenüber. Sie kann durch dessen Bohrung überprüft und leicht ausg4nvechselt
werden. Während des Kolbenabwärtsganges schiebt der Steuerfinger ¢ die Zündnadel
i in den Brennraum hinein, wobei der Glühkopf 3 aufgeheizt wird. Nach dem größten
Pleuelausschlag beginnt die Zündnadel i wieder ihre Versenkungsbewegung. Sie steht
aber während des Auspuffhubes noch im Brennraum. Darauf wiederholt sich das Spiel.
Die Abdichtung der Zündnadel i kann durch eine Membrandichtung erfolgen, die großen
Steuerwegen und dem Druck und der Temperatur des Brennraumes gewachsen sein muß.
-
Zur Innenkühlung trägt der Kolben 5 seitlich eine Abdeckplatte 6,
die ein einseitiges Einströmen der Frischgase und ein Umlenken an der Innenseite
des Kolbenbodens auf dem Weg durch das Kolbenfenster 7 und den Kanal 8 in den Zylinder
bewirkt.
-
Fig. 2 zeigt einen Fahrradhilfsmotor. Hier ist die Zündnadel gedrungener,
mehr kolbenartig ausgebildet und in der Kolben.-nitte gelagert, wie auch Fig. 3
im Schnitt zeigt. Der Pleuel i o trägt einen Nocken i i, der über eine Druckkugel
12 und den Kolben 13 wieder den Glühkopf 3 mit den hier plättchenförmigen beiden
Zündkörpern 14 trägt. Die einseitige Nase 15 am Kolben 5 bewirkt ein Ablenken des
Frischgasstromes von den Zündkörpern 14, um ihre Abkühlung zu vermeiden. Das Doppelsitzventil
16 in Fig. 2 ist in Normalbetriebsstellung dargestellt. Die strichpunktierte Stellung
17 stellt die Djekompressionsstellung beim Anlassen dar, die Stellung 18 die Hochverdichtungsstellung
beim Einsetzen der Selbstzündungen, aus der nach wenigen Sekunden nach Aufglühen
der Zündkörper i ¢ wieder in die gezeichnete Normallage zurückgeschaltet wird.
-
Fig. 4 zeigt .eine Zündnadel gleichzeitig als Anlaßglühkerze ausgebildet.
Der Druckstennpel i9 ist über ein Gewinde 2o zur Zündzeitpunktesnstellung mit dem
Nadelkern 21, der den Glühkopf 3 trägt, längs verstellbar verbunden. Auf denn Nadielkern
21 sitzt, durch eine Isolierschicht 22 getrennt, der Führungsmantel 23. Zwischen
Glühkopf 3 und Führungsmantel 23 ist die . Glühspirale 2 eingeschaltet, die beirr
Anlassen über den Motor bzw. die unter Strom gesetzt wird. Nach Einsetzen der Zündung
bleibt die Glühspirale 2 Im Glühzustand und übernimmt ohne Stromzufuhr die Zündfunktion
in bekannter Weise.
-
Fig. 5 zeigt eine Zündnad@zl, bei der die Zündkörper 14 als Plättchen
wie in Fig. 3 ausgebildet sind. Die beiden Zündplättchen 14 sind hierbei in Nuten
24 lose gelagert, so daß ihre Wärme schlecht abgeleitet werden kann.
-
Fig. 6 zeigt einen käfigartigen Glühkopf 3, durch dessen Löcher 25
die Zündung von der im Hohlraum des Kopfes gelagerten Metallwolle oder Keramikkörper
erfolgt.
-
Fig.7 zeigt eine zwangsweise Nadelsteuerung. Die Zündnadel i trägt
hier ein Fenster 26, durch das der Steuerfinger 4 des Pleuels io hindurchgreift.
-
Fig. 8 zeigt eine Steuerung der Zündnadel i mit einem Schwinghebel
27 und einer Stoßstange 28 von der Nockenwelle aus. Bei Viertaktmotoren mit obenliegender
Nockenwelle
kann ,die Ventilsteuerung auch zur Steuerung der Zündnadel benutzt werden. Die im
Zylinderkopf gelagerte Zündnadel ist von oben zugänglich. Sie kann durch Stromanschluß
als Anlaßzündkerze verwendet «erden. Die Zündung erfolgt dabei mit einfachen Bauteilen
und betriebssicher. Dia die Nockenwelle mit halber Kurbelwellendrehzahl läuft, kann
die Zündnadel bei entsprechend gestalteten Nocken während des Auspuff-und des Ansaughubes
vollständig versenkt bleiben.
-
Fig. 9 zeigt eine Zündnadel für eine selbsttätige Zündzeitpunktverstehung
in Abhängigkeit von der Drehzahl. Die Zündnadel i trägt einen Ansatz 29 mit einem
Bund 3o. Diesen umschließt der Druckstempel i9 büchsenartig. Kopfseitig vom Bund
3o ist eine Feder 3 i und auf der entgegengesetzten Seite des Bundes eine härtere
Pufferfeder 32 gelagert. Zur Kühlung der Federn 31 und 3 2 ist der Druckstempel
i9 durchbrochen. Die Feder 32 ist so hart, daß ;sie auch durch den auf den Glühkopf
3 wirkenden Verdichtungs- bzw. Verbrennungsdruck nur wenig zusammengedrückt wird.
Die Gegenfeder 31 ist schwächer, so daß sie bei verzögerter Kolbenbewegung gegen
den oberen Totpunkt zu durch die Trägheit :des schwer ,ausgeführten Nadelkörpers
unter Überwindung des Verdichtungsdruckes zusammengedrückt wird. Die Zündnadel i
führt in Überlagerung zu der Bewegung des Kolbens eine schwingende Bewegung aus,
wobei sie bei steigender Drehzahl durch die ihr bei jedem Hub erteilte und gleichzeitig
steigende Bewegungsenergie von dem gegen den oberen Totpunkt stärker verzögerten
Kolben immer früher aus ihrer Normallage herausschwingt. Damit tritt sie im Verhältnis
zur Kolbenstellung mit steigender Drehzahl immer früher in den Brennraum ein und
bewirkt damit eine gleichmäßige Vorverlegung des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit
von der Drehzahl.
-
Fig. io zeigt eine Zündvorrichtung für Zwei-und Viertaktmotoren, bei
der die Auslösung der Zündung durch den Verdichtungsdruck gesteuert wird. Die Vorrichtung
kann an Stelle einer Zündkerze eingeschraubt werden. Dias Gehäuse 33 trägt in einer
Bohrung die Zündnadel i, .die sich mit ihrem einen Ende auf eine Spiralfeder 34
abstützt. Diese ist an einer in einem Gewinde verdrehbaren und daimit axial verschiebbaren
Scheibe 35 festgespannt. Die Zündnadel i trägt, durch den Glühkopf 3 abgeschirmt,
:einen Zündkörper 14 in Form einer Drahtwendel. Dies ist nur eine beispielsweise
Ausführungsform, da der Zündkörper 14 ,auch jede andere geeignete Gestalt haben
kann. Am brennraumseitigen Ende trägt das Gehäuse 33 über zwei Arme einen Ringwulst
36, der in der Ruhestellung den Zündkörper 14 umschließt. Durch den Druckanstieg
während des Verdichtungshubes wird die Zündnadel i unter Überwindung der Gegenkraft
der Spiralfeder 34 hochgedrückt, wobei der Zündkörper 14 mach einer 'bestimmten
Zeit entsprechend dem gewünschten Zündzeitpunkt aus dem Ringwulst 36 heraustritt
in den Zwischenraum zwischen Wulst 36 und Gehäuse 33 und die Zündung einleitet.
Der Druckanstieg drückt die Zündnadel i noch höher. Während der folgenden Entspannung
der Brenngase wird sie unter dem Einfluß der Gegenkraft der Spiralfeder 34 entsprechend
dem jeweiligen Gasdruck im Zylinder wieder gegen den Brennraum hin gedrückt. Sobald
die Brenngase am Ende des Auspuffhubes vollständig -entspannt sind, ist der Zündkörper
14 wieder in den Ringwulst 36 eingetreten. Dier während des Arbeitshubes .aufgeheizte
Zündkörper 14 ist nun von den kühlen Frischgasen während des Gaswechsels geschützt,
bis durch den nächsten Arbeitshub das Spiel wieder von neuem beginnt. Durch Verdrehen
der Scheibe 35 in ihrem Gewinde kann die Ruhestellung der Spiralfeder 34 höher -oder
tiefer verlagert werden und damit auch die Höhe der durch den Gasdruck im Zylinder
in Schwingung versetzten Zündnadel i in ihrer unteren Endlage gegenüber dem Ringwulst
36. Hierdurch kann während des Betriebes in Abhängigkeit von der Drehzahl der Zündzeitpunkt
verlegt werden. Brenukrafemaschinen mit dieser Zündanla,ge können dadurch angelassen
werden, daß der Zündkörper 14 einerseits über die Motormasse und andererseits durch
eine Stromzuführung über die Spiralfeder 3 5 und einen gegenüber der Zündnadel i
isoliert gelagerten Stift, der an einem Ende den Glühkopf 3 trägt, durch eine Batterie
zum Glühen gebracht wird. Die Scheibe 35 besteht hierbei aus Isoliermasse, und die
Spiralfeder 34 ist durch eine Isolierscheibe 37 von der Zündnadel i isoliert. Sobald
die ersten Zündungen eingesetzt haben, wird die Batterie abgeschaltet, da der Zündkörper
14 durch die Temperatur im Brennraum im Glühzustand bleibt.