-
Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschinen mit einer
Vorkammer, die in ihrem dem Zylinderraum zugewandten Teil ein Einsatzstück besitzt,
das aus einer mittleren Öffnung und einem durch Stege unterteilten äußeren Durchtrittsquerschnitt
besteht, wobei der eingespritzte Brennstoffstrahl ungefähr die Wand der Mittelöffnung
berührt.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Temperaturen der mit
dem eingespritzten Brennstoffstrahl und mit der während des Verdichtungshubes in
die Vorkammer einströmenden Luft in Berührung kommenden Teile so einzustellen, daß
innerhalb der mittleren Öffnung eine Zündung des eingespritzten Brennstoffes bei
sehr kurzem Zündverzug und eine anschließende langsame Verbrennung mit einem Druckanstieg
bis zu 60 bis 65 kg/cm2 bei einer Druckanstiegsgeschwindigkeit von etwa 2 kg/cm2
pro Grad Kurbelwinkel, unabhängig von der Cetanzahl (Zündwilligkeit) des eingespritzten
Brennstoffes und ohne Verschlechterung des Kaltstartverhaltens gegenüber einer normalen
Vorkammer, stattfindet. Die vorstehend angegebenen Werte kennzeichnen einen Zustand,
der bei der Gestaltung von Verbrennungsräumen von Dieselmotoren stets angestrebt,
aber nie vollständig erreicht wurde. Der Höchstwert des Zünddruckes von 60 bis 65
kg/cm2 stellt bei einem für kleine, schnell laufende Dieselmotoren, für die die
Erfindung in erster Linie in Frage kommt, notwendigen Verdichtungsverhältnis von
etwa 1 :20 das erreichbare Minimum an Druckbelastung des Triebwerkes dar.
-
Die geringe Druckanstiegsgeschwindigkeit von 2 kg/cm2 pro Grad Kurbelwinkel
senkt den Körperschall des Verbrennungsgeräusches noch unter den Geräuschpegel der
übrigen Geräuschbildner, wie Ventile, Kolben, Zahnräder usw. Die angestrebte Unabhängigkeit
von der Cetanzahl des Brennstoffes ist notwendig, um alle flüssigen Kohlenwasserstoffe,
auch Benzine mit hohen Oktanzahlen, deren Cetanzahl sehr niedrig liegt, ohne Schwierigkeiten
verarbeiten zu können. Durch diese Kraftstoffunabhängigkeit wird der Anwendungsbereich
der Dieselmaschine ganz bedeutend erweitert.
-
Es sind Dieselmotoren bekanntgeworden, die den vorstehend erläuterten
Forderungen. annähernd genügen. Das bei den bekanntenMaschinen angewendete Verbrennungsverfahren
arbeitet mit einer filmartigen Brennstoffauftragung auf die Wände eines im Kolben
gelegenen Brennraumes, die auf einer Temperatur von etwa 350° C gehalten werden.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß ein Kaltstart nur mittels einer
Luftheizanlage möglich ist, welche die Verbrennungsluft um etwa 60° C erhitzt, so
daß die notwendigeTeinperatur der Brennraumwände erreicht wird. Eine derartige Anlage
ist für kleinere Motoren, für die die Erfindung in besonderem Maße zur Anwendung
kommt, aus Platz- und Kostengründen viel zu aufwendig. Das schlechte Kaltstartverhalten
eines Kraftstoffilmes, der von der Wärme der Brennraumwände verdampft werden muß,
bedingt ferner das Vorhandensein einer Mehrlochdüse, die außer dem Filmstrahl einen
Zündstrahl liefert und zusätzlich noch eine Startmengeneinstellung der Einspritzpumpe
von 180°/o der Vollastmenge. Diese Abweichungen bedingen sowohl ein Verlassen der
heute schon stan= dardisierten Einspritzeinrichtungen - ein für den Ersatzteildienst
schwerwiegender Nachteil - als auch eine vermehrte Empfindlichkeit der Düse gegenüber
den normalerweise bei Kleindieselmotoren verwendeten robusten Zapfendüsen.
-
Es ist ferner eine Vorkaminerbauart bekanntgeworden, die in ihrem
dem Zylinderraum zugewandten Teil mit einem Einsatzstück versehen ist, das eine
mittlere Öffnung und durch Stege unterteilte äußere Durchschnittsquerschnitte aufweist.
Bei dieser bekannten Bauart berührt der Brennstoffstrahl mit seinem äußeren Kernstrah-ldurchmesser
nicht die Wand der Öffnung, wie es gemäß der Erfindung vorgesehen ist, sondern prallt
mit seiner Hauptmasse gegen die düsenseitige Stirnfläche der Wand der mittleren
Öffnung. Außerdem ist die durch den bekannten Einsatz hervorgerufene Drosselung
der Luft, die während des Verdichtungshubes in die Vorkammer fließt, so stark, daß
in der mittleren Öffnung eine heftige Luftbewegung herrscht, die noch durch die
an den scharfen Bohrungskanten entstehenden Wirbel verstärkt wird. Gemäß den der
Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnissen verhindert eine derartig starke Luftbewegung,
welche die Sollform des Brennstoffstrahles
verändert, die Aufbereitung
desselben durch die Wärme der Wand der mittleren Öffnung, da der Brennstoffstrahl
in diesem Falle schon vor Erreichen des Einsatzes zündet. Demnach ist es mit dem
bekannten Einsatz weder gelungen, den Verbrennungsablauf zu beeinflussen, noch die
Verarbeitung von schwer zündenden Brennstoffen zu ermöglichen. Diese Bauart hat
demgemäß auch keine praktische Bedeutung erlangt.
-
Es ist lediglich eine Ausführung eines in eine Mittelöffnung und mehrere
Außenquerschnitte unterteilten, an der Verbindungsstelle zwischen Vorkammer und
Zylinderraum gelegenen Einsatzstückes bekanntgeworden, die hinsichtlich der Lage
des Brennstoffstrahles und der Forderung nach schwacher Luftbewegung in der Mittelöffnung
mit dem Erfindungsgegenstand übereinstimmt. Der bekannte Einsatz ist zwar durch
einen Luftspalt gegen den Zylinderkopf wärmeisoliert, doch ist nichts über die an
der Wand der Mittelbohrung, noch über die an den Außenwänden des Einsatzes einzuhaltenden
Temperaturen, noch über geeignete Maßnahmen zur Verwirklichung derselben offenbart.
Die Einhaltung bestimmter Temperaturen ist aber entscheidend für die Wirkung des
Einsatzes. Die Wand der eigentlichen Vorkammer ist nicht wärmeisoliert gegen den
Zylinderkopf, was in erfindungsgemäßer Erkenntnis die Wirkung eines derartigen Einsatzstückes
stark beeinträchtigt.
-
Es ist weiter bekannt, die Wände von Vorkammern und die eine Verbindung
zum Hauptverbrennungsraum darstellenden, in ihrer Form von der erfindungsgemäßen
Gestaltung abweichenden Einsätze mittels Luftspalten gegen den Zylinderkopf zu isolieren.
Die Wirkung dieser Maßnahmen kann nicht mit der des Erfindungsgegenstandes verglichen
werden, da weder die Einhaltung bestimmter Temperaturen offenbart, noch eine Unterteilung
in Mittelöffnung und Außenquerschnitte vorgesehen ist.
-
Um die weiter oben erläuterte Erfindungsaufgabe zu lösen, wurden völlig
andere Wege eingeschlagen, die mit den bekannten Lösungen nichts gemeinsam haben
und die nicht nur Nachteile derselben vermeiden, sondern noch eine überraschende
Verbesserung des Kaltstartverhaltens zur Folge haben. Das Kaltstartverhalten des
erfindungsgemäßen Brennraumes übertrifft dasjenige des normalenVorkammerverfahrens
und nähert sich den bei direkter Einspritzung mit einheitlichem Brennraum erreichten
Werten. Es ist möglich, die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem normalen
Anlasser ohne jede Anlaßhilfe bei Temperaturen bis zu - 10° C anzuwerfen. Unterhalb
dieser Temperatur ist ein kurzes Vorglühen mittels einer elektrischen Glühkerze
oder Zündpapier, wie es auch bisher schon bei abgeteilten Brennräumen üblich war,
notwendig.
-
Dieses Ergebnis wird an einer Brennkraftmaschine der im ersten Absatz
der Beschreibung erwähnten Bauart dadurch erreicht, daß der größte Teil der Vorkammer
in an sich bekannter Weise durch Luftspalte gegen den Zylinderkopf von wassergekühlten
Brennkraftmaschinen wärmeisoliert ist, während die Vorkammer bei luftgekühlten Maschinen
unter weitgehender Vermeidung von wärmeleitenden Berührungsflächen zum Zylinderkopf
in an sich bekannter Weise im Kühlluftstrom angeordnet ist, und daß die Größe der
entweder durch einen Auflageflansch allein oder durch einen Führungsansatz oder
beide zugleich gebildeten Berührungsflächen des Einsatzstückes mit dem Zylinderkopf
und das Verhältnis des wärmeableitenden Gesamtquerschnittes der Stege, welche die
Wand der Mittelbohrung tragen, zur Mantelfläche der mittleren Öffnung so gewählt
sind, daß die Temperatur an der vom Brennstoffstrahl berührten Wand der 'Mittelbohrung
während des Betriebes der Maschine zwischen -150 und 650' C liegt und daß
die Temperatur der Außenwand des Einsatzstückes im Betrieb nicht über 300° C ansteigt.
-
Es ist in erfindungsgemäßer Erkenntnis notwendig, daß fünf Voraussetzungen
erfüllt sind, damit das als Aufgabe der Erfindung bezeichnete günstige Zündverzug-
und Verbrennungsverhalten bei völliger Kraftstoffgleichgültigkeit erreicht wird.
Diese Bedingungen lauten wie folgt: 1. Der Brennstoffstrahl darf nicht auf die heiße
Wand gespritzt werden, sondern darf sie nur gerade eben mit seinem Außendurchmesser
berühren. Er muß eine dicht geschlossene Form (Spritzwinkel 0 bis 4,') aufweisen.
-
2. Im Bereich der heißen Wand und des Brennstoffstrahles soll nur
eine schwache Luftströmung während des Verdichtungshubes herrschen, so daß die Sollform
des Brennstoffstrahles nicht verändert wird. Die Gesamtdrosselung durch den Einsatz
muß gering sein.
-
3. Die Temperatur der heißen Wand, die der Brennstoffstrahl berührt,
soll während des Betriebes zwischen .150 und 650° C liegen.
-
Die Spitze des Brennstoffstrahles muß im Augenblick der Zündung mindestens
an der kolbenseitigen Kante der mittleren Öffnung angelangt sein.
-
5. Die Temperatur der Wand der äußeren Durchtrittsquerschnitte soll
unter 300° C liegen.
-
Die beiden erstgenannten Forderungen werden durch eine bekannte Ausführung
einer Vorkammerdieselmaschine erfüllt. Die Hinzunahme der letzten drei Forderungen
ergibt aber erst das erwähnte günstige Verhalten.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dafür gesorgt, daß die
äußeren Querschnitte des Einsatzes, durch die der Hauptteil der Verbrennungsluft
strömt, keine über 300° C liegende Temperatur annehmen. Dieser Umstand ist insofern
sehr wesentlich, da in erfindungsgemäßer Erkenntnis auf den eingespritzten Brennstoffstrahl
außerhalb des Einsatzes keine so große Wärmeeinstrahlung treffen soll, die ihn vor
Erreichen des Einsatzes zu einer unkontrollierten Entzündung bringen könnte. Es
ist demgegenüber vielmehr anzustreben, daß der Brennstoffstrahl innerhalb der mittleren
Öffnung des Einsatzes zündet und auf seinem Weg in den Hauptverbrennungsraum dort
völlig verbrennt.
-
In der Zeichnung ist die Erfindung einmal in ihrer Anwendung für luftgekühlte
und zum anderen für wassergekühlte Dieselmotoren dargestellt, und zwar zeigt Fig.
1 die luftgekühlte und Fig.2 die wassergekühlte Ausführung; Fig. 3 zeigt einen Schnitt
durch den Einsatz längs der Linie A-B in Fig. 1; Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch
die Stege längs der Linie C-D in Fig. 3.
-
In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Einsatz mit 1 bezeichnet. Er besteht
aus der mittleren Öffnung 2, die von der Wand 3 umschlossen ist. Die Wand 3 ist
durch vier Stege 4 mit der Außenwand 5 verbunden. Der Einsatz 1 ist unter Freilassung
eines Luftspaltes 6 in den Zylinderkopf 7 bzw. 9 eingesetzt. Er liegt mit seinem
Flansch 8 auf der entsprechenden Gegenfläche im Zylinderkopf 7 bzw. 9 auf.
In
den luftgekühlten Zylinderkopf 7, der aus Leichtm,etall hergestellt ist, ist ein
Ring 10 aus Schwermetall eingeschrumpft, der eine Beschädigung der Dichtfläche verhindert.
Auf der anderen Seite des Flansches 8 liegt die luftgekühlte, mit Rippen 11 versehene
Vorkammer 12 auf, die von nicht dargestellten, am oberen Teil der Vorkammer angreifenden
Stiftschrauben angepreßt wird. Auf beiden Seiten des Flansches 8 liegen Dichtungen
13. In das Oberteil der Vorkammer 12 ist die Einspritzdüse 14 eingeschraubt. Sie
ist vorzugsweise als Drosselzapfendüse mit einem Spritzwinkel von 0° ausgebildet.
Seitlich davon sitzt die Glühkerze 15, die beim Anlassen bei Temperaturen unter
- 10° C durch eine nicht dargestellte elektrische Batterie beheizt wird. Die Vorkammer
12 liegt im Kühlluftstrom, der etwa die Richtung des Pfeiles k nimmt.
-
Zum Unterschied gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 befindet sich
die Vorkammer 16, die aus dem Unterteil 17 und dem Oberteil 18 besteht,
innerhalb des wassergekühlten Zylinderkopfes 9, gegen den sie durch einen weiten
unteren Luftspalt 19 und durch einen engen oberen Luftspalt 20 isoliert ist. Sie
wird durch nicht dargestellte Schrauben auf den Flansch 8 unter Zwischenlage der
Dichtung 13 gepreßt. Das Oberteil 18 ist mittels einer Dichtung 21 gegen den Zylinderkopf
abgedichtet. Es besitzt eine Ausnehmung 22, durch die die Glühkerze in den Brennraum
hereinragt. Der Kolben 23 weist eine in der Ansicht auf den Kolbenboden kreis- oder
ellipsenförmige oder dreieckige Mulde 24 auf, die an der Ausmündung des Einsatzes
1 am tiefsten ist und mit zunehmender Entfernung von dieser Stelle flacher wird.
-
Die Vorkammer und die Strömungswege des Einsatzes fassen zwischen
30 und 70% der Verbrennungsluft, wenn der Kolben 23 im oberen Totpunkt steht. Der
obengenannte Volumenanteil, gemessen in cm3; geteilt durch den kleinsten Gesamtquerschnitt
des Einsatzes, gemessen in am2, ergibt -einen Wert, der zwischen 20 und 100 cm liegt.
Der kleinste Querschnitt der mittleren Öffnung 2 verhält sich zu der Summe der kleinsten
Querschnitte der Schlitze 25, die durch die Wände 3 und 5 sowie durch die Stege
4 umschlossen werden, wie 1 : 1 bis 1 : 10. Die Länge des Brennraumes, gemessen
von der Düsenmündung bis zur düsenseitigen Kante 26 der mittleren Öffnung, verhält
sich zu seinem größten Durchmesser etwa wie 1,3 : 1 bis 1 : 1. Dieses Verhältnis
bewirkt, daß sich der Brennstoffstrahl mit seiner Spitze im Augenblick der Zündung
je nach der augenblicklichen Drehzahl, zwischen der der Kolbenmulde zugewandten
Kante 27 der Mittelbohrung 2 und der Kolbenmulde selbst befindet. Diese Angabe gilt
für einen Hubraum von 0,7 bis 1,51 pro Zylinder.
-
Weiterhin ist in diesem Zusammenhang vorausgesetzt, daß der Einspritzdruck
einen normalen Wert aufweist. Als normal ist hierbei ein Druckbereich anzusehen,
der etwa zwischen 100 und 180 kg/cm2 liegt. Dieser verhältnismäßig groß erscheinende
Bereich ist notwendig, um die als Voraussetzung der erfindungsgemäßen Wirkung genannte
dicht geschlossene Strahlform bei den in Frage kommenden Öffnungsformen der Einspritzdüse
zu erreichen. Die Änderung des Einspritzdruckes in diesem Bereich ergibt nur geringfügige
Änderungen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Brennstoffstrahles, da das Druckgefälle
in der Hauptsache in dem Ventilspalt an der Düsennadel durch Reibung aufgezehrt
und nur zu einem kleinen, annähernd konstanten, Teil in Geschwindigkeit umgesetzt
wird. Bei anderen Zylindergrößen kann ei.n anderes Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis
des Brennraumes mit Vorteil angewendet werden. Das Verhältnis des Gesamtquerschnittes
der Stege 4 zur Innenfläche der Mittelbohrung 2 liegt zwischen 1 : 0,5 und 1 : 2.
Der Luftspalt, der die Außenwand 5 von der entsprechenden Bohrung des Zylinderkopfes
7 bzw. 9 trennt, ist 0,1 bis 0,2 mm groß. Die vorstehenden Bemessungsangaben sind
nur als Richtwerte zu betrachten. Sie müssen im Einzelfall abgeändert werden, bis
sich die gewünschten Temperaturwerte einstellen. Die angegebenen Temperaturwerte
sind mit Thermoelementen gemessen, deren Spitze sich in der Mitte der Stege 4 bzw.
in der Mitte der Außenwand 5 befindet. Der Luftspalt 19 ist zwischen 1 und 2 mm
groß, der Luftspalt 20 dagegen aber beträgt nur 0,1 bis 0,2 mm. Hier gilt das gleiche
wie für den Luftspalt 6. Die Abmessungen der Luftspalte müssen so gewählt werden,
daß die Temperatur der Vorkammer zwischen dem Einsatz 1 und der Einspritzdüse 14
annähernd linear von 300 auf 80° C abfällt. Im Bereich des Luftspaltes 6 ist ein
möglichst kleiner Teil der Wand 5 so als Führungsansatz ausgebildet, daß er am Zylinderkopf
7 bzw. 9 anliegt. Dieser Führungsansatz kann verlängert werden, je nachdem, ob sich
die gewünschte Temperatur einstellt oder nicht. Alle angegebenen Temperaturen gelten
bei voller Belastung und bei voller Drehzahl für Beharrungszustand.
-
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann wie
folgt erklärt werden: Gegen Ende des Verdichtungshubes wird Brennstoff aus der Düse
14 (Förderbeginn etwa 20 bis 25° vor 0T bei 2000 U/min) in einem schlanken geschlossenen
Strahl (Strahlwinkel 0 bis 4°), der von einem dünnen Streustrahl umgeben ist, gegen
die mittlere Öffnung 2 hin gespritzt, so daß der Außendurchmesser des Kernstrahles
28 gerade die Wand 3 der Mittelbohrung 2 berührt. Die Verbrennungsluft strömt hauptsächlich
durch die Schlitze 25 ein, so daß in der mittleren Öffnung 2 nur eine schwache Luftströmung
herrscht. Der eingespritzte Brennstoff, der durch die Wärme der Vorkammer 12 bzw.
17 und 18 schon eine gewisse Zündreife besitzt, entzündet sich in der heißen Zone
der mittleren Öffnung bei sehr kleinem Zündverzug und brennt dort langsam ab, wobei
unverbrannter Brennstoff noch in die Kolbenmulde 24 gelangt und mit der dort befindlichen
Luft endgültig verbrennt. Nachdem der obere Totpunkt überschritten ist, mischt sich
die aus der Vorkammer 12 bzw. 16 über die Schlitze 25 austretende Verbrennungsluft
mit dem weiter eingespritzten, innerhalb der Mittelbohrung 2 entzündeten Brennstoff,
wobei die Schrägstellung der Stege 4 eine gute Durchmischung begünstigt. Während
dieses Vorganges entsteht praktisch kein Unterschied zwischen Vorkammer 12 bzw.
16 und Kolbenmulde 24. Es ergeben sich daher niedrige Brennstoffverbrauchswerte,
bezogen auf die effektive Leistung von 175 bis 178 g/PSh im Drehzahlbereich von
1000 bis 2000 U/min bei 12 PS Zylinderleistung und einem mechanischen Wirkungsgrad
von 0,72, praktisch unabhängig von der verwendeten Brennstoffart. Dadurch, daß der
Brennstoff direkt in die als Hauptbrennraum wirkendeKolbenmulde24 gelangt, ergeben
sich weiter die obenerwähnten günstigen Kaltstartwerte. Die Temperatur der Wand
3 ändert sich in Abhängigkeit von der Belastung nur wenig, da einer Temperaturerhöhung
durch den stärkeren Wärmeanfall bei hoher Belastung die größere Kühlwirkung
infolge
der Verdampfungswärme der entsprechend gesteigerten Brennstoffmenge entgegenwirkt.
Der Zündverzug ist so klein, daß der Brennstoff, so wie er in die mittlere Öffnung
gelangt, verbrennt, so daß eine gewisse Steuerung des Verbrennungsablaufes durch
das Einspritzgesetz möglich ist. Infolge der Kleinheit des Zündverzugs wird keine
Verstellung des Einspritzzeitpunktes in Abhängigkeit von der Drehzahl benötigt.
Bei Brennstoffen mit sehr niedrigen Cetanzahlen, wie Hochoktanbenzin, ist der Zündverzug
etwa doppelt so groß wie bei Gasöl, aber immer noch so klein, daß das günstige Verbrennungsverhalten
auch bei dieser Kraftstoffart aufrechterhalten bleibt.
-
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellte Ausführung.
Beispielsweise ist es auch denkbar, einen Einsatz zu verwenden, der eine andere
Form aufweist, sofern nur die Forderungen 1 bis 5, die weiter oben aufgestellt sind,
erfüllt sind.