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Luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Selbstzündung und Wirbelkammer
Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Selbstzündung
und Einspritzung des Kraftstoffes in eine kugel- oder scheibenförmige Wirbelkammer,
deren Überströmkanal tangential in die Wirbelkammer einmündet und bei welcher der
Kraftstoff auf einen Wandungsteil der Wirbelkammer aufgespritzt wird, Zweck der
Erfindung ist es, bei derartigen Maschinen die Gemischbildung in der Weise herbeizuführen,
daß im wesentlichen nur an der Brennraumwand verdampfter Kraftstoff mit der Verbrennungsluft
zur Vermischung gelangt, wie dies für eine Maschine mit im Kolben angeordnetem offenem
Brennraum bereits vorgeschlagen wurde. Bei dieser bekannten Maschine wird der Kraftstoff
durch einen oder mehrere tangential gerichtete Kraftstoffstrahlen in Form eines
dünnen Filmes auf die Brennraumwand aufgebracht und durch eine gleichsinnige Kraftstoffeinspritzung
gerichtete Luftdrehung in Dampfform allmählich von der Wand abgelöst, mit der Luft
vermischt und verbrannt. Auf diese Weise wird bei niedrigem Kraftstoffverbrauch
unter Vermeidung von Rußbildung eine Beseitigung des Klopfgeräusches erreicht.
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Für Wirbelkammermaschinen sind bislang noch keine Maßnahmen angegeben
worden, die einen Gemischbildungserfolg wie bei der vorgenannten bekannten Maschine
erwarten lassen. Andererseits können auf eine Wirbelkammermaschine die Maßnahmen
der bekannten Maschine nicht ohne weiteres übertragen werden, da durch die Eigenart
der Wirbelkammer andere Luftströmungs- und Gemischbildungsbedingungen als bei einem
offenen Brennraum gegeben sind.
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Alle bekannten Wirbelkammermaschinen gehen hinsichtlich der Gemischbildung
davon aus, daß die großen, im Überströmkanal vom Hauptverbrennungsraum zur Wirbelkammer
erzeugten Luftgeschwindigkeiten dazu ausgenutzt werden, um eine intensive Mischung
des üblicherweise zerstäubt eingespritzten flüssigen Kraftstoffes mit der Luft herbeizuführen.
Bei einer bekannten Maschine dieser Art wird dies dadurch erreicht, daß am Übergang
vom überströmkanal zur Wirbelkammer Kraftstoff sowohl in Richtung der in die Wirbelkammer
übergeschobenen Luft als auch entgegen dieser Luftströmung eingespritzt wird. Beide
Kraftstoffeinspritzungen erfolgen mit überwiegender Luftverteilung des zerstäubt
eingespritzten Kraftstoffes, was noch dadurch unterstützt wird, daß die Düsenmündung
in der Ebene der Hauptluftströmung des überströmkanals angeordnet ist. Hierdurch
wird der eingespritzte und zerstäubte Kraftstoff von der überströmenden Luft bereits
bei seinem Austritt aus der Düse erfaßt und verwirbelt.
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Bei einer anderen bekannten Wirbelkammermaschine ist die gleichfalls
in der Hauptluftströmungsebene liegende Einspritzdüse derart zum Überströmkanal
angeordnet, daß der Kraftstoff durch den Brennraum hindurch auf eine nächst der
überströmkanalmündung liegende Stelle eines wärmeisoliert angeordneten Einsatzkörpers
gespritzt wird, welch letzterer als eine Art Glühstelle dient; außerdem wird bei
dieser Maschine die Zündung durch eine Hilfszündquelle in Gestalt einer elektrischen
Zündkerze sichergestellt.
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Aber auch bei den sonstigen bisher verwendeten Wirbelkammermaschinen
sind in der Regel die in der Hauptluftströmungsebene aus der Düse austretenden Kraftstoffstrahlen
entweder sehnenförmig oder radial vorgesehen. Diese Strahllage dient dazu, daß der
Kraftstoff von der wirbelnden Luft mitgerissen wird, wobei sich jeweils bereits
flüssiger Kraftstoff in entsprechend zerstäubter Form auf die Luft verteilt und
dadurch jene Reaktionen ablaufen, die zu dem bekannten Dieselklopfen führen.
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Es sind auch Wirbelkammermotoren bekannt, bei denen der Kraftstoffstrahl
zugleich mit der einströmenden Luft in die Wirbelkammer eingeschossen wird. Diese
Motoren sind ein eindrucksvolles Beispiel dafür, daß sich bei der dort angewandten
Strahllage die von der Einspritzdüse vorgegebene Verteilungsrichtung des Kraftstoffes
nicht mehr gegen die in der engen Eintrittsmündung zur Wirbelkammer außerordentlich
heftige Luftbewegung durchsetzen kann. Denn obgleich diese oder jene dabei benutzte
Strahllage vermutbar macht, daß der Brennstoff auf die Wand gelangen könnte, tritt
doch hier der Fall ein, daß die Luft den Brennstoffstrahl in dem engen Hals der
Wirbelkammer bereits zerreißt und den zerstäubten Brennstoff an der Wandung vorbei
luftvermischt in die Wirbelkammer mitnimmt. In diesem Fall ist also die Verteilung
des Kraftstoffes nicht mehr von der Düse und der Strahlrichtung ausgegangen, sondern
im wesentlichen durch die Luftbewegung bestimmt.
Alle diese mit
Luftverteilung des Kraftstoffes arbeitenden Wirbelkammermaschinen erreichen zwar
einen guten Mitteldruck, laufen jedoch mit dem typischen Klopfgeräusch der dieselmotorischen
Verbrennung.
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Nun ist von der eingangs erwähnten Maschine her bekannt, daß die filmartige
Wandauftragung des Kraftstoffes und Verdampfung desselben vor seiner Vermischung
die Möglichkeit bietet, die Klopfgeräuschbildung von Verbrennungsmotoren zu beseitigen.
Die Erklärung hierfür kann nach neuesten Forschungsergebnissen (Terres in »Brennstoff-Chemie:<,
1956) dadurch gegeben werden, daß das Klopfen seine Ursache in einer zu hohen Verbrennungsgeschwindigkeit
hat, die ihrerseits wiederum durch eine zu hohe Oxydationsgeschwindigkeit entsteht.
Durch die Wandauftragung des Kraftstoffes und Verdampfung desselben vor seiner Vermischung
wird diese hohe Oxydationsgeschwindigkeit bereits in ihrem Entstehen verlangsamt,
indem ein vorzeitiger chemischer Zerfall der Kraftstoffmoleküle vermieden wird,
welcher im üblichen dieselmotorischen Verbrennungsprozeß in den ersten mit hoher
Oxydationsgeschwindigkeit vorzugsweise unter Peroxydbildung ablaufenden Vorreaktionen
sofortige Klopferscheinungen bewirkt und dann unter Verringerung der Oxydationsgeschwindigkeit
zu einem Molekülabbau bis zu Crackprodukten von niedrigstem Kohlenstoffgehalt führt,
deren keaktionsgeschwindigkeit schließlich so träge ist, daß unverbrannte Teile
als Ruß im Abgas erscheinen.
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Um den gleichen Vorteil einer primären Verlangsamung der Oxydationsgeschwindigkeit
und damit Beseitigung des Klopfgeräusches auch bei einer Wirbelkammermaschine zu
erreichen, wird daher gemäß der vorliegenden Erfindung auch bei dieser Maschinengattung
von dem an sich bekannten Mittel der Wandauftragung des Kraftstoffes Gebrauch gemacht.
Jedoch ergeben sich bei einer Wirbelkammermaschine hinsichtlich der Zuordnung einer
den Kraftstoff erst zur Verdampfung kommen lassenden und dann ablösenden Luftbewegung
besondere Erfordernisse, die bei einem offenen Brennraum nicht zu bedenken sind.
Da im Überströmkanal einer Wirbelkammer ein außerordentlich heftiger und gebündelter
Luftstrom erzeugt wird, würde eine Zuordnung von Kraftstoffeinspritzung und Luftbewegung
nach Art der bekannten Maschine nicht zum Erfolg führen, da ein unmittelbares Heranführen
dieses Luftstromes an die Stelle des Kraftstoffaustrittes im Gegensatz zu der mäßigeren
Luftströmung in einen offenen oder halboffenen Brennraum den Kraftstoffstrahl unweigerlich
zerreißen würde. Es muß vielmehr dafür Sorge getragen werden, daß der Kraftstoff
vor seiner Ausbreitung an der Wirbelkammerwand zunächst der außerordentlich heftigen
Luftbewegung, wie sie insbesondere unmittelbar am Eingang des Luftüberströmkanals
in die Wirbelkammer auftritt, entzogen wird. Nur auf diese Weise kann unter möglichster
Vermeidung von Luftzerstäubung überwiegend auch hier nur solcher Kraftstoff mit
der Luft zur Vermischung gelangen, der zuvor an der Wirbelkammerwand verdampft wurde.
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Die Erfindung betrifft demgemäß eine luftverdichtende Brennkraftmaschine
mit Selbstzündung und Einspritzung des Kraftstoffes gegen Ende des Verdichtungshubes
in eine kugel- oder scheibenförmige Wirbelkammer, deren überströmkanal tangential
einmündet und bei welcher der Kraftstoff auf einen Wandungsteil der Wirbelkammer
aufgespritzt wird, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmündung gegenüber
der Überströmkanalmündung außerhalb des unmittelbaren Wirkungsbereiches des hier
einschießenden Luftstromes angeordnet ist und daß in an sich bekannter Weise der
Kraftstoff durch einen oder mehrere gleichsinnig zur Luftströmung gerichtete Kraftstoffstrahlen
von jeweils geschlossener Strahlforin und kurzer freier Strahlweglänge in Form eines
großflächigen Filmes auf die Wirbelkammerwand aufgebracht wird, die dabei auf einem
Temperaturniveau gehalten ist, das im Bereich der natürlichen Siedetemperatur des
Kraftstoffes liegt.
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Durch die erfindungsgemäße Versetzung der Einspritzdüse bzw. Düsenmündung
wird einerseits erreicht, daß trotz der Heftigkeit des gebündelt einschießenden
Luftstromes eine großflächige Verteilung des Kraftstoffes auf die Wirbelkammerwand
unter ungestörter Ausnutzung der kinetischen Energie des Brennstoffstrahles möglich
wird, während andererseits eine iiitetisi@-e Berührung der Luft mit dem Kraftstoff
erst an den Stellen der Wirbelkammer zur Wirkung kommt, wo der Kraftstoff bereits
in dünner Schicht an der Wand ausgebreitet und der iln Ü berströnikanal gebündelte
Luftstrom zu weitläufiger Entfaltung gelangt ist. Die Aufdampfwirkung wird dabei
hervorgerufen einesteils durch die im Bereich der natürlichen Siedetemperatur des
Kraftstoffes liegende Temperatur der Wirbelkanimerwand, andererseits aber auch durch
die Wärmestrahlung, die die beginnende Verbrennung auf die Wandung ausübt. Ein Vermischen
von flüssigem Kraftstoff mit der Luft, beispielsweise durch Randablösung. bleibt
auf die für die Einleitung der Zündung erwünschte geringe 'Menge beschränkt. Auf
diese Weise lassen sich auch bei einer Wirbelkammer günstige Voraussetzungen für
die erfindungsgemäß angestrebte Gemischbildung schaffen.
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Weitere 'Merkmale der Erfindung bestehen darin. daß die Düsenmündung
gegenüber der Überströmkanalmündung seitlich und in Richtung der durch den Überströmkanal
erzeugten Luftdrehung versetzt ist; oder das Düsenende ist zur Überströmkanalmündung
gegenüberliegend angeordnet, wobei zwei Düsenmündungen vorgesehen sind. aus denen
zwei fächerartig verteilte Kraftstoffstrahlen von geschlossener Strablforni bei
jeweils kurzer freier Strahlweglänge unter spitzen Auftreffwinkeln so auf die Brennrauinwand
gerichtet sind, daß sie im Bereich der Überströmkanalmündung einen toten, vom Kraftstoff
nicht benetzten Winkel bilden. Mittels dieser Ausgestaltungen lassen sich die Maßnahmen
der Erfindung für beliebige räumliche Lagen und Ausbildungen der Wirbelkammer zur
Anwendung bringen. So ist beispielsweise die zuletzt erwähnte Maßnahme dann vorteilhaft,
wenn Wirbelkammer und Überströmkanal derart exzentrisch zur Zylindermitte angeordnet
sind, daß der Überströmkanal in der Wirbelkammer eine Luftdrehung von der Zylindermitte
fort bewirkt. Umgekehrt ist die seitliche und gegebenenfalls Vorversetzung der Düsenmündung
gegenüber der Überströmkanalmündung dann zweckmäßig, wenn Wirbelkammer und Überströmkanal
derart exzentrisch zur Zylindermitte angeordnet sind, daß durch den Überströmkanal
in der Wirbelkammer eine Luftdrehung zur Zylindermitte hin erzeugt wird. Ist die
Wirbelkammer scheibenförmig, d. h. als sogenannte Wälzkammer ausgebildet, dann ist
gleichfalls die seitliche Versetzung der Einspritzdüse zu bevorzugen.
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Durch die Erfindung ergibt sich im ganzen der bei einer Wirbelkammermaschine
nicht ohne weiteres zu erwartende Vorteil, daß auch bei diesen Maschinen die unvermeidbaren
Klopferscheinungen vollständig zum Verschwinden gebracht werden.
Zur
vorliegenden Erfindung konnte die eingangs er wähnte bekannte Maschine mit Wandauftragung
des Kraftstoffes in einem im Kolben angeordneten offenen Brennraum nicht Anregung
geben, da dort die ungebündelte Luftbewegung örtlich nicht so heftig ist und daher
an der Kraftstoffaustrittsstelle der Einspritzdüse die Gefahr einer Zerreißung des
Kraftstoffstrahles und damit einer die beabsichtigte Gemischbildung in Frage stellenden
Wirkung der Luftströmung nicht besteht.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. Hierbei ist Fig. 1 ein Teil-Ouerschnitt eines Dieselmotors mit
erfindungsgemäßer Kraftstoffaufbringung auf die Wandung eines Wirbelkammer-Brennraumes,
bei dem der halsartige Überströmkanal so angeordnet ist, daß der dadurch beim Verdichtungshub
in die Wirbelkammer eindringenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung nach der Zy
linderkopfmitte hin erteilt wird, Fig. 2 ein Schnitt längs der Linie II-II in Fig.
1 mit Darstellung von weiteren Teilen im Grundriß, Fig.3 ein Teil-Ouerschnitt ähnlich
Fig. 1. jedoch mit erfindungsgemäßer Kraftstoffaufbringung auf die Wandung eines
Wirbelkammer-Brennraumes, bei dem der halsartige Überströmkanal umgekehrt angeordnet
ist wie in Fig. 1, Fig. 4 ein Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3 bei zweistrahliger
Kraftstoffvorlagerung an der Brennraumwand, Fig. 5 eine schematische Breitenansicht
eines Wälzkammer-Brennrauines für einen Dieselmotor, an dessen Brennraumwandung
der Kraftstoff in der erfindungsgemäßen Weise vorgelagert wird, Fig. 6 eine Stirnansicht
zu Fig. 5.
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In Fig. 1 bis 6 ist jeweils mit 1 der Arbeitszylinder, mit 2 der Kolben
und mit 3 der Zylinderkopf bezeichnet.
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Im Zylinderkopf von Fig. 1 ist eine Wirbelkammer 4 als Brennraum vorgesehen,
deren halsartiger Überströmkanal 5 so ausgebildet und angeordnet ist, daß dadurch
der beim Verdichtungshub in der Pfeilrichtung 6 eindringenden Luft eine Drehbewegung
in der Pfeilrichtung 7, d. h. nach der Zylinderkopfmitte hin, erteilt wird. Etwas
oberhalb der Lufteintrittsmündung 8 des Überströmkanals 5, jedoch um den Abstand
d seitlich davon versetzt (s. Fig. 2), befindet sich die Düsenmündung 9 der Einspritzdüse
10, aus der erfindungsgemäß der Kraftstoffstrahl 12 in der Drehrichtung der Luft
unmittelbar auf die Wandung 11 des Wirbelkammer-Brennraumes 4 aufgebracht wird;
die Strahllage des Kraftstoffstrahles 12 ist dabei so. gerichtet, daß ein Überschneiden
desselben mit dem durch die Lufteintrittsöffnung 8 einschießenden Luftstrahl nicht
stattfindet, so daß die filmartige Ausbreitung des flüssigen Kraftstoffes an der
Brennraumwand nicht gestört wird. Statt nur eines Kraftstoffstrahles 12 können auch
mehrere vorgesehen sein, sofern sie nur in derselben Strahlebene liegen und die
filmartige Ausbreitung des Kraftstoffes gewährleistet ist. Während bei den bisher
bekanntgewordenen Wirbelkammermotoren die Strahlrichtung des oder der in die Brennkammer
eingespritzten Kraftstoffstrahlen im allgemeinen immer sehnenförmig oder radial
angegeben ist, ist hier eine tangentiale Einspritzung längs der Brennraumwandung
vorgesehen, um die Vermischung des flüssigen Kraftstoffes mit der eintretenden Luft
soweit als möglich zu unterbinden. Dies gelingt noch besser, wenn man, wie am deutlichsten
in Fig. 2 zu ersehen, die Einbauebene der Kraftstoffdüse 10 bzw. der Düsenmündung
9 und die Ebene der Lufteintrittsöffnung 8 gegeneinander versetzt.
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Die Einspritzdüse 10 bzw. Düsenmündung 9 sind sonach bewußt nicht
in den überströmkanal 5 oder vor denselben gesetzt, sondern an eine Brennraurnstelle,
an der der Luftstrahl durch sein Eindringen in die Wirbelkammer bereits nach allen
Seiten expan= diert und damit an Kraft verloren hat. Die in Fig. 1 dargestellte
Einbaulage der Einspritzdüse 10 zeigt etwa den geringsten vertikalen Abstand
e an, den man bei Anordnung in der gleichen Ebene der Düse 10 von dem Lufteintrittsloch
8 geben kann, um noch eine Filmbildung zu erreichen.
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In Fig. 3 und 4 ist eine Wirbelkammer 4a gezeigt, deren Überströmkanal
5a umgekehrt angeordnet ist wie in Fig. 1, so daß der beim Verdichtungshub in die
Wirbelkammer einschießenden Luft eine Bewegung in Richtung der eingezeichneten Pfeile
6a., 7a erteilt wird, d. h. eine Drehbewegung nach auswärts von der Zylinderkopfmitte
weg. Die Einspritzdüse 10 nebst Düsenmündung 9 liegen in diesem Fall der Lufteintrittsmündung
g a, des Überströmkanals 6 a ebenengleich gegenüber. Diese Anordnung ist beispielsweise
dann angezeigt, wenn die Forderung besteht. die Einspritzdüse in der Symmetrieachse
des Brennraumes unterzubringen, was aus konstruktiven Gründen vielfach erwünscht
ist. Bei dieser Anordnung kann die unmittelbare Vermischung von flüssigem Kraftstoff
mit der Einströmluft und die Bildung des Kraftstofffilmes an einer von der Luft
unberührten Stelle der Brennraumwand 11a beispielsweise dadurch erreicht werden,
daß die Kraftstoffstrahlen 13 und 14 beiderseits der Lufteintrittsöffnung 8a und
an dieser vorbei an der Brennraumwand 11 a vorgelagert werden. Das Strahlbild hierfür
ist im Schnitt gemäß Fig. 4 angegeben. Man erreicht auf diese Weise, daß zwar der
Kraftstoffilm sich in unmittelbarer Nähe der heftig bespülten Lufteintrittsmündung
8 a bildet, ohne daß jedoch der durch die Öffnung 8a einschießende Luftstrahl den
Kraftstoff vor seiner Berührung mit der Wandung mitreißen kann.
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In Fig. 5 und 6 ist schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens auf einen Wälzkammer-Brennraum gezeigt. In die scheibenförmige Wälzkammer
15 wird beim Verdichtungshub die Luft durch den Überströmkana116 verdrängt, wobei
derselben eine Drehbewegung in Richtung der Pfeile 17, 18 erteilt wird. Aus der
Düsenmündung 9 der Einspritzdüse 10 wird der Kraftstoffstrahl 19 in Drehrichtung
der Luft unmittelbar auf die Brennraumwandung 20 aufgetragen, wobei Sorge dafür
getragen ist, daß die aus der Lufteintrittsmündung 16a des Überströmkanals 16 in
die Brennkammer 15 einschießende Luft die Kraftstoffilmbildung an der Brennraumwand
nicht beeinträchtigt. Dies wird einmal dadurch erreicht, daß der Überströmkanal
16 und die Düsenmündung 9 in der Ouerrichtung des Brennraumes 15 gegenseitig um
den Abstand f versetzt sind und daß andererseits der Kraftstoffstrahl 19 so gerichtet
ist, daß er den aus dem Überströmkanal 16 austretenden Luftstrom erst überschneidet,
wenn der Film ausgebildet ist. Als Brennraumflache, auf der sich der Kraftstoffilm
ausbreitet, braucht keinesfalls nur die peripherische Rundung 20 a (s. Fig. 6) benutzt
zu werden, vielmehr kann dazu mit Vorteil auch eine der scheibenförmigen Wandungen
20b, 20c benutzt werden, je nachdem welcher Brennraumseite die Einspritzdüse 10
zunächst liegt. Hierdurch kann man auch den Abstand f der beiden Vertikalebenen,
in
denen der Luftübertrittskana116 und die Düsenmündung 9 angeordnet
sind, in günstiger oder gewünschter Weise beeinflussen. Auch hier kann statt nur
eines Kraftstoffstrahles 19 eine Serie mehrerer Kraftstoffstrahlen benutzt
werden, sofern nur die Vorlagerung an der Brennraumwand und die Strahlrichtung die
größtflächige filmartige Ausbreitung des Kraftstoffes sicherstellen.