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Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Brennkraftrnaschine,
in der der Kraftstoff je nach der Motorbelastung durch die Verdichtungswärme oder
durch eine Glühkerze ohne Zeitpunkt-Fremdzündung gezündet wird.
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Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine, die einen scheibenförmigen
Brennraum aufweist, in dem sich die Verbrennungsluft während des Verdichtungshubs
in kreisender Bewegung befindet und in den zerstäubter flüssiger Kraftstoff in Richtung
der kreisenden Luft während des letzten Teils des Verdichtungshubs in einen örtlich
begrenzten Teil der komprimierten, kreisenden Luft unter Bildung einer aus einem
brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemisch bestehenden Wolke eingespritzt wird. Bei der
Verbrennung wird diese Wolke auf der einen Seite durch reine Verbrennungsluft begrenzt,
die sich auf die Wolke zu bewegt. Auf der anderen Seite ist die Wolke durch die
gasförmigen Verbrennungsprodukte begrenzt, die sich von der Flammenfront der Wolke
entfernen. Die Verbrennung des Gemisches erfolgt demnach in dem Maße seiner Bildung
nur innerhalb der Wolke in einem örtlich begrenzten Bereich des Motorzylinders.
Infolgedessen können sich nur geringfügige oder keine »Rückstandsgase« bilden, und
selbst wenn sie entstehen, werden sie solchen Drücken und Temperaturen, bei denen
Selbstzündung erfolgt, nicht so lange ausgesetzt, daß Zündung eintritt. Infolgedessen
tritt selbst bei Kraftstoffen mit niedrigen Antiklopfwerten das unerwünschte »Klingeln«
oder »Klopfen« des Motors nicht ein.
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Bei hoher Motorbelastung wird der erste Teil des Gemisches mehr als
20° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens eingespritzt, während
eine Glühkerze, die nur durch die Kraftstoffverbrennung erhitzt wird, in dem Brennraum
in Richtung der kreisenden Luft etwa 30 bis 60° Radialwinkel von der Einspritzstelle
entfernt dort angeordnet ist, wo der erste Teil des eingespritzten Kraftstoffs mit
der kreisenden Luft ein brennbares Gemisch am vorderen Rand der Wolke bildet und
sich bei hoher Motorbelastung so hoch erhitzt, daß sie dieses Gemisch zündet und
sofort eine über den Brennraumradius sich erstreckende Flammenfront erzeugt. Die
Kraftstoffeinspritzung wird bei jedem Arbeitsspiel während einer bestimmten Zeitdauer
nach der Zündung und Bildung der Flammenfront fortgesetzt, und zwar in eine begrenzte
Zone der direkt vor der Flammenfront befindlichen Verbrennungsluft, so daß fortlaufend
neues brennbares Gemisch vor der Flammenfront gebildet und durch diese gezündet
wird und das Gemisch so schnell verbrennt, wie es sich bildet.
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Eine nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine ist Gegenstand
des deutschen Patentes 1032 024. Dabei wird zur Einleitung des Verbrennungsvorgangs
bei jedem Arbeitsspiel eine durch die Verdichtungswärme gezündete besondere Zündwolke
verwendet und bei hoher Motorbelastung eine Glühkerze. Die getrennte Xraftstoffeinspritzung
zur Bildung der Zünd- und der Hauptwolke erfolgt hierbei nacheinander mit verschiedenen
Mengen. Beim übergang zur Glühkerzenzündung kann die kurze Einspritzung zur Bildung
der Zündwolke, die der verhältnismäßig langen Einspritzung zur Bildung der Hauptwolke
vorausgeht, fortfallen.
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Gemäß der Erfindung erfolgt die Kraftstoffeinspritzung bei jedem Arbeitsgang
nicht in zwei getrennten Teilmengen, sondern in an sich bekannter Weise ohne Unterbrechung,
wobei das brennbare Gemisch beim Starten des Motors und bei geringer Motorbelastung
bei jedem Arbeitsgang durch die Verdichtungswärme, jedoch bei hoher Motorbelastung
und entsprechend erhöhtem Kraftstoffverbrauch durch eine Glühkerze gezündet wird,
die durch die höhere Verbrennungswärme aufgeheizt wird. Die Glühkerzenzündung erfolgt
so lange, wie die für die hohe Motorbelastung erforderlichen Kraftstoffmengen eingespritzt
werden. Erfindungsgemäß wird dabei der Einspritzbeginn bei geringer Motorbelastung
näher zum oberen Totpunkt des Arbeitskolbens am Ende des Verdichtungshubs verlegt,
um die Zündung durch die Verdichtungswärme zu fördern, während bei hoher Motorbelastung
der Einspritzbeginn vorverlegt
wird, um direkte Glühkerzenzündung
und Kraftstoffeinsparung zu ermöglichen. Dabei wechselt die Zündung automatisch
je nach der Motorbelastung von Kompressionszündung auf Glühkerzenzündung, und umgekehrt.
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Gegenüber dem Gegenstand des deutschen Patentes 1 032 024 zeichnet
sich die erfindungsgemäße Maschine durch ein einfacheres Einspritzverfahren aus,
da die Kraftstoffeinspritzung ununterbrochen erfolgt und keine gesonderten Einspritzvorrichtungen
zur Bildung einer Zündwolke und einer Hauptwolke benötigt werden.
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Arbeitet der erfindungsgemäße Motor bei geringer Belastung, so arbeitet
er im wesentlichen wie ein Dieselmotor. Bei höherer Belastung findet jedoch das
verbesserte, oben beschriebene Verbrennungsverfahren statt, so daß die Verbrennung
besser ist und Rauchbildung und Dieselklopfen vermieden werden.
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Der für den Motor verwendete Kraftstoff soll eine Cetanzahl von 40
oder mehr haben, so daß er beim Starten und bei geringer Belastung des Motors durch
die Verdichtungswärme zur Zündung gebracht werden kann. Gewünschtenfalls kann ein
Kraftstoff mit hoher Cetanzahl zum Starten des Motors verwendet werden, worauf dann
der Motor auf praktisch jeden Kraftstoff umgeschaltet werden kann.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 ist ein teilweiser senkrechter Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Motor; Fig. 2 ist ein teilweiser waagerechter Schnitt durch den Motor der Fig. 1
und zeigt die Lage der Kraftstoffeinspritzdüse, der Glühkerze und der Ventile; Fig.3
zeigt eine Kraftstoffpumpe, die für den Motor nach der Fig. 1 geeignet ist; Fig.
4 ist eine schematische Ansicht einer wechselweisen Kraftstoffzuführung für den
in Fig. 1 gezeigten Motor.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Motor handelt es sich um einen Viertaktmotor,
wie er in der deutschen Patentschrift 898 824 allgemein beschrieben ist, mit der
Ausnahme, daß der Motor mit einer Glühkerze versehen ist.
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Der Motor besteht aus einem Zylinder 10, der mit einem Kühlmantel
12 und einem mit Kühlkanälen 16 versehenen Zylinderkopf 14 versehen ist.
Ein in dem Zylinderkopf befindlicher Lufteinlaß 18 öffnet sich in den Zylinder durch
ein Tellerventil 20, das auf einer Seite mit einem halbkreisförmigen Schirm 20A
versehen ist.
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Der Schirm ist so angeordnet, daß er die während des Ansaughubes eingesaugte
Luft in eine schnell Wirbelbewegung um die Achse des Zylinders versetzt, wie durch
die Linie 21 angegeben ist. Der auf diese Weise erzeugte `Wirbel wird von der Kurbelwelle
des Motors gesteuert, d. h., die Wirbelgeschwindigkeit steht in einem im wesentlichen
konstanten Verhältnis zu der Drehzahl des Motors, und zwar unabhängig von Veränderungen
der Motorgeschwindigkeit. Es können verschiedene Verhältnisse zur Anwendung kommen,
jedoch ist bei Viertaktmotoren der hier in Frage kommenden Art eine Drehgeschwindigkeit
besonders geeignet, die etwa sechsmal so groß ist wie die Drehzahl des Motors in
Umdrehungen por Minute.
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Aus dem Zylinder führt ein in dem Zylinderkopf befindlicher Abgasauslaß
22, der ein übliches Tellerventil 24 enthält. Ein mit Kolbenringen 28 versehener
üblicher Arbeitskolben 26 bewegt sich in dem Zylinder hin und her. Der Arbeitskolben
ist mit einer üblichen Pleuelstange und Kurbelwelle (hier nicht gezeigt) versehen:
Eine Kraftstoffeinspritzdüse 30 ragt oberhalb des oberen Totpunktes des Arbeitskolbens
in den oberen Teil des Zylinders hinein und spritzt Kraftstoff in den wirbelnden
Luftstrom, so daß ein örtlich begrenzter Bereich des Luftstroms damit vermischt
wird und eine brennbare Wolke entsteht. Vorzugsweise wird der Kraftstoff aus der
Düse 30 fächer- oder kegelförmig stromabwärts und quer über den wirbelnden Luftstrom
gespritzt. Die Geschwindigkeit, mit der der Kraftstoff eingespritzt wird, steht
zu -der Geschwindigkeit der wirbelnden Luft und der Luftdichte so in Beziehung,
daß ein örtlich begrenzter Bereich des Luftstroms, der sich auf der einen Seite
eines Durchmessers der Verbrennungskammer befindet, mit Kraftstoff durchsetzt wird.
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Die Düse steht durch ein Rohr 32 mit einer Kraftstoffpumpe 34 in Verbindung.
Die Kraftstoffpumpe wird durch einen Stößel oder Kolben 36 betätigt, der durch einen
auf einem Zapfen 40 sitzenden Nocken 38 bewegt wird. Der Nocken wird von
der Kurbelwelle durch übliche, hier nicht gezeigte, Vorrichtungen gesteuert und
macht eine vollständige Umdrehung bei zwei Umdrehungen der Kurbelwelle.
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Die Kraftstoffpumpe 34 wird mit Kraftstoff aus einem Tank 42 versorgt,
der eine Hochdruckpumpe 44 beliefert. Die Auslaßöffnung der Hochdruckpumpe steht
mit einem Sammeltank 46 in Verbindung, der wiederum über das Ventil 48 mit der Kraftstoffpumpe
34 in Verbindung steht.
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Eine Glühkerze 50 mit einem in den Zylinder hineinragenden
Teil 50 A ist zur Zündung des in dem Zylinder befindlichen brennbaren Gemisches
vorgesehen. Die Glühkerze ist von der Einspritzdüse 30 in Richtung der kreisenden
Luft etwa 30 bis 60' Radialwinkel entfernt. Nachdem sie auf eine bestimmte Temperatur
erhitzt ist, zündet sie den ersten Teil des brennbaren Gemisches, sobald dieses
gebildet ist. So entsteht an der Stirnseite einer jeden Wolke des brennbaren Gemisches
eine Flammenfront, so daß das Gemisch im wesentlichen so schnell verbrennt, wie
es entsteht. Diese Flammenfront neigt dazu, sich entgegengesetzt zu der wirbelnden
Luftmasse und auf die Stelle der Kraftstoffeinspritzung hin zu bewegen. Die in der
brennenden Wolke gebildeten Verbrennungsprodukte entfernen sich in Richtung des
Wirbels von der Flammenfront weg, und der Flammenfront werden weitere Mengen brennbaren
Gemisches zugeführt, das sich auf sie zubewegt und sich aus Kraftstoff bildet, der
in die wirbelnde Luft eingespritzt wird. Diese Mengen des Gemisches werden während
jeder Verbrennungsperiode des Motors bei oder nahe der Flammenfront der Wolke im
wesentlichen so schnell verbrannt, wie sie sich bilden. Die Kraftstoffeinspritzung
hört auf, sobald jeweils ausreichend Kraftstoff für jeden Arbeitshub eingespritzt
worden ist.
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Das Ende 50 A der Glühkerze 50 besteht aus einem gegen die Zylinderwand
wärmeisolierten Metallstück oder einer Metallspirale, die durch die Kraftstoffverbrennung
erhitzt wird, so daß eine äußere Kraftquelle zur Erhitzung der Glühkerze nicht erforderlich
ist.
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Die Kompression des Motors ist vorzugsweise verhältnismäßig niedrig,
z. B. etwa 12 : 1, um die
schwere Dieselmotorenkonstruktion zu vermeiden.
Jedoch muß die Kompression hoch genug sein, um die Zündung des Kraftstoffs durch
die Verdichtungswärme zu bewirken, wenn der Motor mit niedriger Belastung läuft.
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Wenn bei niedriger Belastung die Einspritzung beim Verdichtungshub
zu früh beginnt, hat der kurze Kraftstoffstoß in die schnell kreisende Luft Zeit,
sich im oberen Totpunkt des Arbeitskolbens am Ende des Verdichtungshubes auszubreiten,
so daß das entstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Zündung durch die Verdichtungswärme
unfähig ist. Andererseits begünstigt ein spätes Einspritzen des Kraftstoffs die
Zündung durch die Verdichtungswärme bei Betrieb unter geringer Belastung. Für die
Zündung durch die Verdichtungswärme bei hoher Belastung ist ein später Einspritzbeginn
ungünstig, da die längere Einspritzdauer für hohe Belastung einen beträchtlichen
Teil der Verbrennung in den Arbeitshub hineinträgt unter gleichzeitigem Verlust
an Arbeitsleistung und Kraftstoff.
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Zweckmäßig wird bei hoher Belastung der Kraftstoff in den Luftstrom
während etwa 80 bis 90 % der Zeit eingespritzt, die die Luft braucht, um
eine Drehung in dem Zylinder zu beenden. Wenn daher die Drehgeschwindigkeit sechsmal
so groß wie die Drehzahl des Motors in Umdrehungen pro Minute ist, so wird der Kraftstoff
während einer Zeit eingespritzt, die erforderlich ist, damit sich die Kurbelwelle
etwa um 50° dreht.
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Bei geringerer Belastung kann die Kraftstoffmenge verringert werden,
indem man die relative Dauer der Einspritzungsperiode verringert.
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Wenn der Motor mit hoher Leistung arbeitet, beginnt die Kraftstoffeinspritzung
hinreichend vor der Erreichung des oberen Totpunktes des Arbeitskolbens. Der Zeitpunkt
der Kraftstoffeinspritzung ist so einstellbar, daß die Kraftstoffeinspritzung bei
verminderter Belastung während des Arbeitsspieles später beginnt. Zum Beispiel kann
die Kraftstoffeinspritzung bei niedriger Belastung etwa 15° Kurbelwinkel vor dem
oberen Totpunkt des Arbeitskolbens beginnen und gleichmäßig vorverlegt werden, wenn
die Belastung zunimmt, so daß die Einspritzung bei großer Belastung etwa bei 30°
Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens liegt.
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Fig. 3 zeigt eine Kraftstoffpumpe 34, die zur Einstellung der
Einspritzung je nach der Belastung des Motors geeignet ist. Die Kraftstoffpumpe
ist von der üblichen Art der in Dieselmotoren verwendeten Pumpen, mit der Ausnahme,
daß sie mit einer Vorrichtung versehen ist, um die relative Zeit der Kraftstoffeinspritzung
bei den verschiedenen Belastungen zu regeln. Diese Ausbildung bildet jedoch nicht
den Gegenstand der Erfindung.
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Die Kraftstoffpumpe hat einen Kolben 51, der sich in einem Zylinder
52 hin- und herbewegt. Eine Zahnstange 53 ist zur Verstellung des Kolbens
51 in dem Zylinder vorgesehen, so daß die Kraftstoffmenge, die während eines jeden
Arbeitsspieles eingespritzt wird, verändert werden kann. Der Kraftstoff tritt durch
eine Einlaßöffnung 54 ein und wird durch ein Ventil 55 in die Kraftstoffeinspritzdüse
geleitet. Eine Überströmöffnung 56 dient als Austrittsöffnung für den Kraftstoff
und verhindert den Kraftstofffuß durch das Ventil 55, außer während des Teiles eines
jeden Arbeitsspieles, bei dem die öffnung 56 durch den Kolben geschlossen ist. Der
Kolben 51 ist mit einem üblichen Schlitz 57 und einer Schnecken- oder schraubenförmigen
Fläche 58 versehen, um je nach der Stellung des Kolbens 51 die Dauer der
Kraftstoffeinspritzung zu verändern. Der Kolben 51 ist auch mit einer schraubenförmigen
Hilfsfläche 59 versehen, um je nach der Stellung des Kolbens 51 die Vorverlegung
der Einspritzung zu verändern.
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In Fig. 3 ist die Stellung des Kolbens 51 so dargestellt, daß eine
Kraftstoffeinspritzung von maximaler Dauer erfolgen kann, wie sie für den Betrieb
bei hoher Belastung erforderlich ist. Für Betrieb mit geringer Belastung wird die
eingespritzte Kraftstoffmenge durch Bewegung der Zahnstange 53 herabgesetzt, wobei
der Kolben 51, von oben gesehen, entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird. Die schraubenförmige
Hilfsfläche 59 bewirkt, daß der Kolben 51 bei Betrieb mit niedriger Belastung während
eines jeden Arbeitsganges die Überströmöffnung 56 später schließt. Folglich wird
die Vorverlegung der Einspritzung je nach der Motorbelastung verändert.
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Der für die in Fig. 1 gezeigte Anordnung verwendete Kraftstoff soll
eine hohe Cetanzahl von z. B. 40 oder mehr haben, so daß er durch die Verdichtungswärme
zur Zündung gebracht wird, wenn der Motor bei geringer Belastung arbeitet.
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Gewünschtenfalls kann ein Kraftstoff mit hoher Cetanzahl zum Starten
des Motors verwendet werden, worauf der Motor auf praktisch jeden geringwertigen
Kraftstoff umgeschaltet werden kann. Eine solche Anordnung ist vorwiegend für die
Verwendung in Motoren geeignet, die längere Zeit mit hoher Belastung arbeiten müssen.
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Fig.4 zeigt ein geeignetes Kraftstoffzuführungssystem zur Erzielung
dieser Betriebsart. Dieses System besteht aus der gleichen Anordnung, wie sie in
Fig. 1 zur Zuführung des Kraftstoffs mit hoher Cetanzahl gezeigt ist. Zusätzlich
dazu ist ein ähnliches Zuführungssystem für geringwertigen Kraftstoff vorgesehen,
das aus einem Tank 62, einer Pumpe 64 und einem Vorratstank 66 und einem Ventil
68 besteht. Die beiden Systeme sind mit der Kraftstoffpumpe 34 durch ein T-Rohr
70 verbunden, und die beiden Ventile 72 und 74 sind zum Ein- bzw. Abschalten des
Kraftstoffs in dem jeweiligen System vorgesehen.