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Schnellaufender Dieselmotor mit im Kolben liegendem, rotationsförmigem
Verbrennungsraum Die Erfindung betrifft einen schnellaufenden Dieselmotor mit im
Kolben liegendem rotationskörperförmigem Verbrennungsraum und stellt eine gegenständliche
Weiterbildung zur Durchführung des Verfahrens nach Patent 865 683 dar.
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Das Hauptpatent betrifft ein Einspritzverfahren für einen schnellaufenden
Dieselmotor mit im Kolben liegendem rotationskörperförmigem Verbrennungsraum und
schräg außerhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneter Düse, bei dem der Kraftstoff
als dünner Film auf die Wandung des Brennraumes aufgebracht und zugleich der einströmenden
Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, daß hierdurch der Kraftstoff in Dampfform
von der Wandung allmählich abgelöst, vermischt und verbrannt wird. Unter anderem
ist als eines der Merkmale des Dieselmotors mit rotationskörperförmigem Verbrennungsraum
und schräg außerhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneter Düse in der Beschreibung
des Gegenstandes des Hauptpatents angeführt, daß der Brennraum kugelig oder leicht
flachgedrückt ausgeführt und die Austrittsöffnung der Kugel nach dem Zylinderraum
hin durch einen Zylinder (Übertrittskanal) gebildet ist, dessen Querschnitt etwa
6511/o des größten Brennraum-Querschnitts beträgt und dessen Höhe mit 15 bis 30°/o
des Brennraumradius in der Kolbenachsrichtung bemessen ist.
In der
Beschreibung des Hauptpätents ist weiterhin ausgeführt worden, daß der Luftbewegung
gemäß der Erfindung eine doppelte Bedeutung zukomme; sie muß eine genügende schnelle
und wirksame Ablösung des Kraftstoffes und außerdem eine nachfolgende Vermischung
des Kraftstoffes mit der Luft ergeben. Es können nur zwei Arten der Luftbewegung
unterschieden werden: r. die sogenannte Quetschströmung, die durch die Verdrängung
der Luft aus dem Hauptbrennraum - oder Zylinderraum - in den Kolbenraum entsteht
und deren Geschwindigkeit von der Kolbengeschwindigkeit bestimmt ist, und a. eine
während des Saughubes erzeugte kreisförmige Luftbewegung um die Zylinderachse, die
als sogenannte initiale Luftdrehung bezeichnet sei. Beide Arten der Luftbewegung
kommen beim Gegenstand des Hauptpatents zugleich vor.
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Für die Gemischbildung beim Aufspritzen hat sich die Quetschströmung
allein als ungenügend erwiesen, was verständlich ist, weil die Luftgeschwindigkeit
im Bereich des oberen Totpunktes, also dem für die Gemischbildung wichtigsten Kurbelwinkelabschnitt
gleich Null wird. Im Unterschied dazu erreicht die achsensymmetrische Drehbewegung
bei einem mittig liegenden Brennraum gerade im oberen Totpunkt ihre höchste Geschwindigkeit;
sie ist also für die Ablösung des aufgespritzten Kraftstoffes besonders geeignet.
Da aber die Luftbewegung genügend heftig sein muß, um den Kraftstoff schnell wieder
ablösen zu können, wird man bemüht sein müssen, zu der Drehbewegung noch die Quetschströmung
heranzuziehen, die mit einfachsten Mitteln hervorgerufen werden kann. Vor allem
entstehen durch die Quetschströmung an den Einströmkanten,wie sie bei einem abgeteilten
Kolbenraum vorhanden sind, turbulente Ablösungserscheinungen, die örtlich eine Verstärkung
des Mischeffektes ergeben. Bei der üblichen Brennraumanordnung mit einer scharfen
Kante am Eintritt gelingt es wohl, beim Einströmen der Luft die an der Kante entstandenen
Wirbel auf die im oberen Teil des Brennraumes liegende Auftreffstelle des Kraftstoffes
und die von dieser ausgehenden Kraftstoffdämpfe zu konzentrieren, aber beim Ausströmen
der Luft bzw. Gase aus dem Brennraum liegen die an der Kante entstehenden Wirbel
im Hauptbrennraum und können deshalb nur auf schon abgelöste Kraftstoffteile einwirken,
nicht mehr aber zur Ablösung selbst beitragen.
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Diesem dem Gegenstand des Hauptpatents noch anhaftender Mangel soll
durch die Zusatzerfindung abgeholfen werden. Gegenstand derselben ist sonach ein
schnellaufender Dieselmotor mit im Kolben liegendem rötationskörperförmigem Verbrennungsraum
und schräg außerhalb der Mitte im Zylinderdeckel angeordneter Düse, bei dem der
Kraftstoff in einem Strahl oder in mehreren fächerartig verteilten Strahlen ausschließlich
als dünner Film auf die Wandung des Brennraumes reflexionsfrei aufgebracht und zugleich
der einströmenden Luft eine solche Drehbewegung erteilt wird, daß hierdurch der
Kraftstoff in Dampfform von der Wandung allmählich abgelöst, vermischt und verbrannt
wird, nach Patent 865 683.
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Ein solcher Dieselmotor ist nach den Merkmalen der vorliegenden Zusatzerfindung
gekennzeichnet durch die Verwendung eines an sich bekannten, unterteilten Brennraumes,
dessen einer tiefer liegender und etwa 65% der gesamten axialen Brennraumhöhe einnehmender
Teil als Hauptbrennraum rotationskörperförmig ausgebildet und an seiner Öffnungsseite
bis auf etwa So% der maximalen Hauptbrennraum-Weite eingeschnürt ist und dessen
anderer, die restliche axiale Brennraumhöhe einnehmender Teil als Übertrittskanal
für die Verbrennungsluft mit trichterförmiger, konkav gewölbter Wandung ausgebildet
ist, wobei die Übergangsstelle vom tiefer liegenden Hauptbrennraum zum Übertrittskanal
durch eine keilförmig nach einwärts vorspringende Rundlaufkante gebildet wird, deren
Keilspitzwinkel kleiner als 9o° ist, während die trichterförmige, konkav gewölbte
Übertrittskanal-Wandung die Kolbenbodenfläche unter einem Tangenten-Winkel von nahezu
9o° oder kleiner als 9o° anschneidet und der Brennstoff ausschließlich auf die Wandung
des Übertrittskanals aufgespritzt wird.
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Es entsteht auf diese Weise am Übergang vom Hauptbrennraum zum Übertrittskanal
eine zweite Wirbelkante, an der sich beim Ausströmen des Gemisches oder der Gase
aus dem Hauptkolben-Brennraum Ablösewirbel bilden, die zu einer Reinigung der Auftreffstellen
des Kraftstoffes in dem halsartigen Übertrittskanal wesentlich beitragen. Im Gegensatz
zur Brennraumanordnung nach dem Hauptpatent sind also nunmehr in beiden Strömungsrichtungen
(Einström- und Ausströmrichtung) Ablösewirbel an den Kraftstoff-Auftreffstellen
im Übertrittskanal des unterteilten Brennraumes wirksam, was sowohl die Gemischbildung
als auch ständige Reinigung der Übertrittskanalwandung vorteilhaft beeinflußt.
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Es ist zwar bereits eine Einspritzbrennkraftmaschine mit unterteiltem
rotationskörperförmigem Brennraum bekannt, bei der der Brennstoff auf einen Übertrittskanal
aufgespritzt wird, dessen Wandung konkav ausgebildet ist und etwa 25% der gesamten
Brennraumhöhe einnimmt. Die Wandaufspritzung des Kraftstoffes erfolgt dort jedoch
nicht reflexionsfrei in filmartiger Verteilung des Kraftstoffes auf der Brennraumwand,
sondern vielmehr unter lebhaftestem Rückwurf der Brennstoffstrahlen von der Brennraumwand
mit dem Ziel einer möglichst intensiven Vermischung hochzerstäubten flüssigen Kraftstoffes
mit der Luft. Außerdem ist in Verbindung mit der bekannten Brennraumanordnung keine
ablösende Drehbewegung der Luft vorgesehen, die gleichsinnig zur Kraftstoffauftragung
erfolgt. Die bekannte Maschine ist an konstruktive und funktionelle Voraussetzungen
gebunden, welche eine Gemischbildung im Sinn des Patents 865 683, das der Zusatzerfindung
zugrunde liegt, nicht zulassen.
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Bei anderen bekannten Brennraumanordnungen wird wohl eine Luftdrehung
um die Zylinder- und
Brennraumachse herbeigeführt, aber die Kraftstoffverteilung
erfolgt auch hier nicht in Form einer filmartigen Wandauftragung des Kraftstoffes,
sondern durch luftverteiltes Einspritzen desselben; außerdem ist bei diesen bekannten
Anordnungen der Brennraum nicht im Sinn der Erfindung unterteilt.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Brennraumanordnung liegt in der
vorerwähnten doppelten Bildung von Ablösewirbeln sowohl beim Einströmen der Verbrennungsluft
als auch beim Ausströmen der verbrannten Gase, was sich bei der Einspritz- und Gemischbildung
nach dem Verfahren des Hauptpatents in besonders günstiger Weise auswirkt. Es wird
dadurch mit Sicherheit verhindert, daß es durch etwaige Rückstände bzw. Ablagerungen
an der Brennraumwandung einerseits zu Änderungen des Temperaturfeldes der Wandung
sowie andererseits zu einer unvollkommenen Ablösung des filmartig aufgetragenen
Kraftstoffes kommt, wodurch also alle jene Vorreaktionen ausgeschlossen werden,
welche nach der Lehre des Hauptpatents einen vorzeitigen chemischen Zerfall des
Kraftstoffes herbeiführen können und unter allen Umständen vermieden werden müssen.
Durch die Maßnahmen gemäß der Zusatzerfindung wird mit großer Sicherheit ein geräuscharmer
Gang der Maschine bei kleinstmöglichem Kraftstoffverbrauch unter Ausschaltung jeder
Art von Dieselklopfen gewährleistet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind im übertrittskanal
des im Kolben angeordneten Brennraumes schräg radial verlaufende Nuten vorgesehen,
deren Kanten senkrecht zur resultierenden Lufteinströmung stehen. Hierdurch kann
die Ablösung des filmartig aufgetragenen Kraftstoffes von der Brennraumwand durch
zusätzliche Ablösewirbel weiter verbessert werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen
dargestellt. Hierbei zeigen Fig. i einen Schnitt durch den Zylinder und den Kolben
eines Dieselmotors mit einem Kolbenbrennraum gemäß der Erfindung, dessen Wandungsfläche
zur Brennraummitte konkav verläuft, Fig. 2 einen Schnitt ähnlich Fig. i, nur mit
dem Unterschied, daß die konkave Übertrittskanalwandung flacher verläuft; außerdem
ist hierin eine trichterförmige Übertrittskanalwandung angedeutet, Fig.3 einen Aufblick
auf einen Kolben mit Kolbenbrennraum gemäß Fig. 2, jedoch mit einer weiteren konstruktiven
Ausbildung des trichterförmigen Übertrittskanals.
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Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen benannt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. i ist der im Kolben i angeordnete
Brennraum in einen rotationskörperförmigen Hauptbrennraum q. und einen sich daran
anschließenden Übertrittskanal9 unterteilt, wobei die Höhe h des Übertrittskanals
9 in Richtung der Kolbenachse bis zu 30% der gesamten Brennraumachsenhöhe H beträgt.
Die Luft strömt beim Aufwärtshub des Kolbens in Richtung des Pfeiles 2 aus dem nur
angedeuteten Zylinderraum 3 in den Übertrittskanal 9 und Hauptbrennraum 4 ein. Die
Wandung 7 des Übertrittskanals 9 ist gegenüber der Brennraummitte konkav nach auswärts
gewölbt. In Fig. 2 ist die Wandung 12 des Übertrittskanals 9 schwächer gekrümmt
und flacher nach auswärts gewölbt, was unter Umständen insofern vorteilhaft sein
kann, als hierdurch die benetzte Übertrittskanalwandung dem Kraftstoff besser als
Leitfläche dient. Die Übertrittskanalwandung kann auch trichterförmig ausgebildet
sein, wie dies in Fig.2 unter 12, angedeutet ist. Der Hauptbrennraum ist an seiner
Öffnungsstelle zum Übertrittskanal 9 bis auf etwa 8o% der maximalen Brennraumweite
eingeschnürt. An der übergangsstelle bildet die Wandung des Hauptbrennraumes .4
zusammen mit der konkav ausgebildeten Wandung des übertrittskanals 9 eine nach einwärts
vorspringende Rundlaufkante io; der Keilspitzwinkel dieser Rundlaufkante ist dabei
kleiner als 9o°. Außerdem schneidet die trichterförmige bzw. konkav gewölbte Übertrittskanalwandung
12" bzw. 7, 12 jeweils die Kolbenbodenfläche bei der Kante 5 unter einem Tangenten-Winkel
von nahezu 9o° oder kleiner als 9o° an.
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Wie in Fig.2 angedeutet, wird aus der Einspritzdüse 14 der Kraftstoff
nahezu ausschließlich in Form eines dünnen, an der Wand haftenbleibend.en Films
auf die übertrittskanalwandung 12, 12, bzw. 7 aufgetragen, wobei der Hauptteil des
Kraftstoffes zwischen den Kanten 5 und io vorgelagert wird. Dieser Wandauftragung
des Kraftstoffes ist nach der Lehre des Hauptpatents eine Luftdrehung zugeordnet,
welche eine solche Drehenergie besitzen muß, daß die Ablösung des Kraftstoffes von
der Brennraumwand in Dampfform gewährleistet ist. Die Beschickung der Übertrittskanal-Wandungsfläche
mit Kraftstoff geschieht entweder durch nur einen Brennstoffstrahl 13, der
gemäß der Lehre des Hauptpatents im spitzen Winkel auf die Wand gespritzt wird,
oder es erfolgt gegebenenfalls eine fächerartige Einspritzung, wobei beispielsweise
mehrere im spitzen Winkel zueinander gerichtete Brennstoffstrahlen 13 an
aufeinanderfolgenden Stellen der zwischen den Kanten 5 und io liegenden Wandungsfläche
des Übertrittskanals 9 auftreffen. Die Ebene des Fächers kann dabei, falls eine
Staffelung der Brennstoffstrahlen angewendet wird, so gelagert sein, daß sie nahezu
senkrecht zur Zylinderachse verläuft. Obgleich der Übertrittskanal9, auf dessen
Wandung im wesentlichen der gesamte Brennstoff aufgespritzt wird, eine geringere
Höhe als etwa die virtuelle Höhe der nach dem Hauptpatent bespritzten Brennraum-Wandungsfläche
aufweist, läßt sich dennoch, da die Kolbenbewegung während des Einspritzvorganges
selbst nicht beispielsweise 30°/o der Brennraumhöhe ausmacht, die Strahllage leicht
so ermitteln, daß trotz der Kolbenbewegung der wesentlichste Teil des Kraftstoffes
zwischen den Kanten 5 und io auf der Wandung des Übertrittskanals 9 vorgelagert
wird. Da bekanntermaßen eine scharfe Kante die Wirbelbildung begünstigt, sind die
Kanten io und 5 unter den vorgenannten spitzen Winkeln bzw. Tangenten-Winkeln ausgebildet.
Dadurch,
daß der Hals- oder Übertrittskanal eine größere axiale Länge als im Hauptpatent
aufweist, wird in Verbindung mit der filmartigen Kraftstoffauftragung auf die Innenwandung
eines solchen Übertrittskanals der Vorteil erreicht, daß an der Auftreffstelle des
Kraftstoffes die achsensymmetrische Drehbewegung entsprechend der stärksten Einschnürung
ihre höchste Geschwindigkeit hat und Ablösewirbel wie folgt erzeugt werden: Beim
Einströmen der Luft ergibt sich durch die Übertragung der radialen Luftströmung
nach dem Brennraum mit der kreisenden Bewegung der Verbrennungsluft eine äußerst
lebhafte spiralförmige Luftbewegung im Brennraum, wobei an der Kante 5 die Ablösewirbel
6 entstehen. Auch noch, wenn eingespritzt wird, geht die Luftbewegung über die Auftreffstelle
des Kraftstoffes schräg zur Kolbenachse hinweg, wobei die Ablösewirbel 6 auf die
zwischen den Kanten 5 und io liegende Auftreffstelle des Kraftstoffes einwirken
und für eine möglichst vollkommene Ablösung aller auftreffenden Brennstoffteilchen
oder der davon ausgehenden Dämpfe sorgen. Umgekehrt bilden sich beim Ausströmen
des Gemisches aus dem Kolbenbrennraum 4 an der Kante io die Ablösewirbel 8 aus,
die zu einer Reinigung der Kraftstoff-Auftreffstellen im Übertrittskanal nach erfolgter
Zündung und Verbrennung wesentlich beitragen. Es sind also im Gegensatz zum Hauptpatent
nunmehr in beiden Strömungsrichtungen Ablösewirbel vorhanden, die bei der Anordnung
des Zusatzpatents in der zwischen den Kanten 5 und io liegenden Auftreffstelle des
Kraftstoffes wirksam werden. Wäre die Kante io nicht vorhanden, sondern handelte
es sich wie im Hauptpatent lediglich um einen Kolbenbrennraum mit nur einer Wirbelkante
5 an der Brennraumöffnung zum Zylinderraum hin, dann fiele die Einwirkung eines
Wirbels auf die Brennstoff-Auftreffstellen beim Ausströmen fort, da ein solcher
Wirbel dann nur in Ausströmrichtung hinter der Kante 5 entsteht, wo keine Brennstoffeinlagerung
mehr vorhanden ist.
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Fig. 3 zeigt bei grundsätzlich gleicher Brennraumunterteilung wie
vor in Draufsicht nochmals die Ausbildung des Übertrittskanals 9 mit trichterförmiger
Wandung wie unter 12" in Fig. 2, jedoch mit zusätzlichen Nuten 15 und entsprechenden
Hutkanten 16, die senkrecht zu der resultierenden Luftbewegung 17 liegen. Die Hutkanten
16 sind infolge ihrer senkrechten Lage zur Strömung im Sinne einer Begünstigung
der beschriebenen Ablösungsvorgänge zusätzlich wirksam.
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Die Erfindung ist nicht auf die hierin gezeigten Ausführungsformen
beschränkt. So könnte beispielsweise die Wandung des Übertrittskanals 9 anstatt
konkav auch konvex ausgebildet sein.