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Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit Vorkammer
Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine
mit einer im Zylinderkopf angeordneten Vorkammer, die über enge Kanäle mit dem Zylinderraum
verbunden ist, wobei der Kraftstoff auf die Wandung der Vorkammer aufgespritzt wird.
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Zweck der Erfindung ist es, bei einer derartigen Brennkraftmaschine
das Einspritz- und Gemischbildungsverfahren zur Anwendung zu bringen, wie es für
einen schnell laufenden Dieselmotor mit zinem im Kolben angeordneten rotationskörperförmigen
Brennraum dahingehend bereits beschrieben wurde, daß der Kraftstoff als dünner Film
auf die Wandung des Brennraumes aufgebracht und zugleich der einströmenden Luft
eine solche Drehbewegung um die Zylinder- bzw. Brennraumachse erteilt wird, daß
hierdurch der Kraftstoff in Dampfform allmählich von der Wandung abgelöst, mit der
Luft vermischt und verbrannt wird.
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Durch dieses bei der zuletzt genannten Maschinengattung bereits bekannte
Verfahren ist es erstmals bei Dieselmaschinen gelungen, die reaktionskinetischen
Vorgänge in rIer Brennkammer dahingehend wirksam zu beeinflussen, daß der harte
Dieselschlag beseitigt wird. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, daß entgegen
der bisher allgemeinen üblichen Verfahrensweise, den flüssigen Kraftstoff mit derLuft
sofort und so innig als möglich zu vermischen, eine solche Vermischung flüssiger
Kraftstoffteile mit der Verbrennungsluft bewußt vermieden wird. Der flüssige Kraftstoff
wird vielmehr nahezu ausschließlich durch Anlagerung desselben an der relativ kühlen
Brennraumwandung vor einer zu schnellen Erwärmung durch die hochverdichtete Verbrennungsluft
und damit vor einem verfrühten chemischen Zerfallvorgang vor seiner eigentlichen
Reaktion mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft bewahrt, welch letzterer Vorgang
die eigentliche Ursache für die unerwünschten klopfenden Geräuschbildu..ngen bei
allen Dieselmotoren darstellt.
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Weitere Überlegungen haben nun :ergeben, daß vorstehendes Verfahren
nicht nur für 'Motoren mit im Kolben liegendem rotationskörperförmigem Brennraum
geeignet ist, sondern mit Vorteil auch bei solchen Motoren angewendet werden kann,
bei denen der Brennraum als Vorkammer im Zylinderkopf ang1eordnet ist.
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Die Anwendung des an sich bekannten Verfahrens bei einer Vorkammermaschine
mußte zunächst auf Bedenken stoßen, da die Vorkammer grundsätzlich andere verbrennungsmotorische
Gegebenheiten hat als ein offener Brennraum im Kolben der eingangs erwähnten Art.
Bei der Vorkammer wird üblicherweise nicht die gesamte Verbrennungsluft beim N'erdichtungshub
in den Vorkammerraum übergeschoben, sondern nur etwa 30 bis 50% derselben; nur diese
letzteren prozentualen Anteile kommen unmittelbar mit dem in die Vorkammer eingesprizten
Kraftstoff zur Vermischung, während der restliche Teil im Zylinderraum zur Hauptverbrennung
dient. Demgemäß findet in der bisherigen Vorkammer infolge des geringen OZ-Gehaltes
im Verhältnis zur eingespritzten Kraftstoffmenge nur eine Teilreaktion statt.
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Diese Teilreaktion .erzeugt neben einem Überdruck beträchtliche Temperatursteigerungen,
die zur Aufspaltung der infolge O,-klangels nicht in der Vorkammer verbrennbaren
Kraftstoffantveile führen. Die Spaltprodukte «erden durch den Üb-,rdruck in den
Hauptbrennraum befördert und reagieren nur mehr mit dein dort befindlichen Sauerstoff
bis zum Endprodukt. Dies..- bekannte Arbeitsweise der Vorkammer zeigt. daß hier
eine Verzögerung des Reaktionsablaufes dadurch zustande kommt, daß man den Brennstoff
zwar erwärmt und zerfallen läßt, die O; Zufuhr dagegen drosselt. Bei diesem Gemischbildungs-
und Verbrennungsablauf entsteht sehr viel freier, aus dem Molekülverband gelöster
Kohlenstoff, der mangels genügender Reaktionsgeschwindigkeit als Ruß im Abgas :erscheint.
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Alle bisher bekannten Vorkammermaschin:en haben diesen Reaktionsvorgang
b:ewußt für sich in Anspruch genommen, und es wird hierdurch bis zu eirein Grade
ein weicherer Verbrennungsablauf erreicht, jedoch unter Inkaufnahme der erwähnten
Abgastrübung.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Arbeitsweise
der bisherigen Vorkammer grundlegend so zu ändern, daß keinerlei Zersetzungsprodukte
und flüssige Kraftstoffteile mehr von der Vorkammer in den Hauptbrennraum gelangen,
sondern nur noch Brennstoffdämpfe. die in der Vorkammer
gebildet
und durch initiale Zündung in den Hauptbreii.nraum eingeblasen werden.
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Dies wird erfindungsgemäß bei einer im Zylinderkopf einer luftverdichtenden,
selbstzündenden Brennkraftmaschine angeordneten Vorkammer, die mit dem Zylinderraum
über enge- Kanäle verbunden ist, dadurch erreicht, daß die Kanäle zwischen Vorkammer
und Zylind,-,rraum tangential in die Vorkammer einmünden und in der Vorkamm-,r eine
geordnete Luftdrehung erzeugen und daß ferner der Kraftstoff, wie bei Dieselmaschinen
mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs in einen im Kolben angeordneten rotationskörperähnlichen,
eingeschnürten Brennraum und exzentrisch zur Brennraumöffnung angeordneter Einspritzdüsee
an sich bekannt, ohne die Vorkammer zu durchqueren in Form eines dünnen Films auf
die gekühlte Wandung der Vorkammer aufgetragen wird, wo "r von der rotierenden Luft
allmählich in Dampfform abgelöst wird und verbrennt.
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Der V orkammerraum gemäß der Erfindung hat vorzugsweise Rotationskörperform
und kann sowohl zentrisch als auch exzentrisch zur Zylinderachse angeordnet sein.
Wesentlich ist, daß in demselben beim Verdichtungshub eine heftige und geordnete
Luftbewegung zustande kommen kann, die imstande ist, den an der Brennraumwand angelagerten
Kraftstoff in dampfförmigem Zustand abzulösen. Der Brennraum kann daher sehr wohl
auch bis zu einem ge--vissen Grad von der Rotationsform abweichen, sofern nur die
Luft Tiber alle vom Kraftstoff benetzten Auftreffst-,llen wirksam hinwegstreicht.
Die Luftdrehung wird dann am günstigsten, wenn die mit dem Verdichtungsraum des
Zylinders in Verbindung stehenden Übertrittskanäle möglichst flach verlaufend, d.
h. unter einem möglichst spitzen Winkel zur Kolbenboden- oder Zylinderkopfeben-,
angeordnet sind und dabei tangential in die Brennraumwandung übergehen. In diesem
Falle wird bei einer stehenden Maschine mit rotationskörperförmigem V orkammerbrennraum
im Zylinderkopf die Einspritzdüse zweckmäßigerweise seitlich in einer 1-Iaximaldurchmesserebene
des Brennraumes angeordnet, und die Strahlrichtung der Kraftstoffeinspritzung verläuft
zur Zylinderkopf- oder Kolbenbod-enel)ene annähernd parallel.
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Das Neuartige und Überraschende der Erfindung besteht in folgendem:
die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen verwandeln die bisherige Vorkammer, welch-,
als Generator für zerfallene Kraftstoffmoleküle angesprochen werden kann. welch
letztere gegebenenfalls zusammen mit unzerfallenen flüssigen Krafts.toftanteilen
in den Hauptbrennraum ausgeblasen werden, in einen Verbrennungsraum, der nur mehr
dampfförmige und im wesentlichen unz-,rfallene Kraftstoffmoleküle ile in den Hauptbrennraum
bläst. Infolge der filmartigen Anlagerung des Kraftstoffs an der Vorkammerwand kommen
für den -Misch-und Austreibungsvorgang nur mehr die bei relativ niedrigen Temperaturen
im Zuge der Verdampfung entstandenen Brennstoffdämpfe in Betracht. Hierdurch wird
bei einer Vorkammermaschine der besondere Vorteil erreicht, daß Kraftstoff mit langem
Zündverzug in flüssiger, chemisch nicht zerfallener Form so lange in der Vorkammer
zurückgehalten werden kann, bis selbst ein langer Zündverzug überwunden ist. Bei
der bisherigen Vorkammer ist dies anders. Wenn hier ein Kraftstoff eingespritzt
wird, der einen sehr großen Zündverzug besitzt, dann gelangt chemisch unveränderter,
d. h. nicht zerfallener Kraftstoff in flüssigem Zustand durch die Cbertrittsöff
nung in den Haupt-Brennraum. Die Reaktionseigenschaften von nicht zerfallenem flüssigem
Kraftstoff sind aber solche, daß eine starke Klopfreaktion auftritt, die sich nicht
nur auf die Vorkammer beschränkt, sondern in starkem Maße auch im Hauptbrennraum
stattfindet. Hierdurch ergibt sich ein unbefriedigender Lauf des Motors. Durch die
Erfindung «-erden derartige Klopfreaktionen im Keime erstickt, da der an der Wand
verdampfende Kraftstoff nur aufeinanderfolgend im Zuge seiner Verdampfung, also
sozusagen im Gleichdruck zur Verbrennungsreaktion gelangt.
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Durch die Erfindung lasen sich weiterhin auch jene bekannten Nachteile
der bisherigen Vorkammer vermeiden, die darin bestehen, daß der aus der Vorkammer
ausgestoßene 1Naßdampf-Flüssigkeitsstrahl mindestens teilweise bis an die Zylinderwandung
vordringt und dort zu Ölverschmutzung und mit der Zeit zur Korrosionsbeschädigung
führt. Außerdem wird der Rußanfall, der bisher selbst im Teillastbetrieb relativ
hoch war. auf ein erträgliches Maß herabgesetzt.
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Die bisher verwendeten @-orkaminern zeigen in keinem bekannten Vorbild
die Maßnahmen der Erfindung. Allerdings ist es bei Vorkammern an sich bekannt, Übertrittskanäle
vorzusehen, die eine Luftdrehung in der Vorkammer erzeugen; der Kraftstoff wird
dabei jedoch unmittelbar in den rotierenden Luftstrom eingespritzt.
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Aber auch die eingangs erwähnte Brennkraftinaschine, bei der ähnliche
-Maßnahmen wie bei der vorliegenden Erfindung bei einem im Kolben angeordneten Brennraum
vorgesehen sind, konnte für die vorliegende Erfindung nicht Vorbild sein; denn bei
dieser Maschine findet der Gemischbildungs- und Verbrennungsablauf in einem offenen
@'erbreiinungsraum statt, der beim Verdichtungshub nahezu die gesamte verdichtete
Verbrennungsluft aufnimmt. Hierbei entstehen durch die Verdampfung von unzerfallenen
Kraftstoffmolekülen und deren Vermischung mit der Luft Brennstoffdampf-Luft-Gemische,
die einen wesentlich höheren Zündpunkt oder eine wesentlich höhere Induktionszeit
besitzen, als dies bei einer Vorkammer der Fall ist.
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Über die reaktionskinetischen Wirkungen einer Wandberührung des Kraftstoffs
ist zwar schon früher berichtet worden, Jedoch ist dort noch die Ansicht vertreten,
daß in der Wandberührung des Kraftstoffs ein den Ablauf der Gemischbildung hemmender
Vorgang zu sehen sei, da die Gemischbildung über die Bren,nraumwand einen zeitlichen
Umweg darstelle.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Fig. 1 eine halbschematische Schnittansicht eines Kolbens nebst einem
im Zylinderkopf angeordneten Vorkammerbrennraum, Fig. 2 einen Grundriß des Vorkammerbremnraumes.
In den Zeichnungen ist 1 der (nicht näher ausgeführte) Zylinderkopf und 2 der Kolben.
Im Zylinderkopf 1 ist zentrisch zur Zylinderachse der als Vorkammer auögebildete
Brennraum 3 angcordnet, welcher durch die Übergangkanäle 4 mit dem Zylinderraum
in Verbindung steht. der seinerseits in Fig. 1 entsprechend der oberen Totpunktstellung
des Kolbens nur durch den Spalt 5 angedeutet ist. Der Brennraum 3 kann ebensogut
auch exzentrisch zur Zylinderachse angeordnet sein. Diese Brennraumanordnung bietet
hinsichtlich der Lage der Einspritzdüse zum Raum der Vorkammer gewisse bauliche
und betriebliche Vorteile. die bekannt sind. Die Einspritzdüse ist mit 6 bezeichnet;
dieselbe ist seitlich in einer
111aximaldurchmesserebene des rotationskörperförmig,en
(kugeligen) Brennraumes 3 angeordnet und lagert den Kraftstoff in einem oder mehreren
Kraftstoffstrahlen 7 in Richtung der durch die Kanäle 4 beim Verdichtungshub erzeugten
Luftdrehung (Pfeillinie 8) unmittelbar, d. h. ohne die Luftströmung zu durchsetzen,
an der Wandung der Brennkammer 3 an. Die Ü bertrittskanäle 4 schneiden die Brennraumwandung
möglichst flach, d. h. unter einem spitzen Winkel a zur Kolhenboden- oder Zylinderkopfebene
9 bzw. 10 an, so daß die Rotationsebene der Luftdrehung 8 sich richtungsmäßig im
wesentlichen mit der Strahlebene des oder der Einspritzstrahlen 7 deckt. Auf diese
Weise hilft die rotierende Luftströmung den Kraftstoffstrahl 7 an der Brennraumwand
mit ausbreiten und löst den in Dampfform übergeführten Kraftstoff allmählich von
der Brennraumwand ab. Bei im Zylinderkopf angeordneter Vorkammer kann gegebenenfalls
als Anlaßhilfe eine Vorglühkerze 11 benutzt werden.
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Die Kanäle 4 sind in der Zeichnung nur schematisch angedeutet; in
der Praxis wird man dieselben aus baulichen Gründen zweckmäßigerweise in einem besonderen
Vorkammereinsatz unterbringen, wie dies an sich bekannt ist.
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Da die Übertrittskanäle bei Vorkammermaschinen bekanntlich einen relativ
engen Durchgangsquerschnitt aufweisen, entsteht für die Luftbewegung eine Art Düsenwirkung,
welche für die Ablösung des in Dampfform übergeführten Kraftstoffs von der Brennraumwand
sehr vorteilhaft ist. Die Kanäle 4 können dabei so dimensioniert werden, daß die
darin -erzeugte Luftbewegung in das Gebiet überkritischer Strömungsgeschwindigkeit
fällt. Die Luftdrehung kann in bekannter Weise auch noch dadurch unterstützt werden,
daß bereits der in den Zylinder einströmenden Luft eine Rotationsbewegung Zylinder
initiale Luftdrehung) erteilt wird.
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Der Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens ist erfahrungsgemäß am
größten, wenn die Brennkammerwandung relativ kühl gehalten wird.