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Einspritzbrennkraftmaschine mit einer im Zylinderkopf angeordneten
Wirbelkammer An der Entwicklung von Einspritzbrennkraftmaschinen ist seit Jahren
intensiv gearbeitet worden; trotz zahlreicher Vorschläge zu ihrer Ausgestaltung
konnten diese Maschinen den Vergasermotoren nicht in nennenswertem Maße Abbruch
tun. Der Vergasermotor weist bei Vollast einen günstigen Brennstoffverbrauch auf,
der wesentlich auf den geringen Luftüberschuß infolge der guten Durchmischungsverhältnisse
zurückzuführen ist.
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Die Erfindung betrifft eine Einspritzbrennkraftmaschine besonderer
Bauart, welche nicht nur bei Vollast eine ähnlich gute Durchmischung wie beim Vergasermotor
erzielt, sondern auch im Teillastgebiet ein zündwilliges Gemisch wirtschaftlich
verbrennt.
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Die Erfindung geht davon aus, daß bei Brennkraftmaschinen mit innerer
Gemischbildung Brennstoff in einen Strömungsquerschnitt eingespritzt werden soll,
durch den die gesamte Verbrennungsluft strömt und der gerade gegen Ende des Verdichtungshubes
eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Um dies zu erreichen, wird
eine bekannte Wirbelkammer mit tangential einmündendem Überströmkanal angewendet,
wobei der Brennstoff der Verbrennungsluft während des Verdichtungshubes allmählich
beigemischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch auf eine unterhalb seiner Zündtemperatur
liegende Höhe verdichtet wird. Dies alles ist bekannt.
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Das Neue besteht darin; daß der Brennstoff in an sich bekannter Weise
vor seiner Einspritzung erwärmt wird und seine Einspritzung unmittelbar an der Übertrittsöffnung
zur Wirbelkammer quer zu der in die Wirbelkammer einströmenden Luft erfolgt, wobei
sich der Kolbenboden so weit wie möglich dem Zylinderkopf nähert und die Wirbelkammer
so weit seitlich versetzt ist, daß die Luft etwa senkrecht zur Zylinderachse in
die Wirbelkammer einströmt.
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Indem man den Kolben so nahe wie möglich, also jedenfalls auf weniger
als Dichtungsstärke oder unter 1 fl/o des Kalben-,veges an den Zylinderkopf annähert,
wird die gesamte Verbrennungsluft, und zwar gegen Ende des Hubes mit großer Geschwindigkeit,
an der Einspritzdüse vorbei in die Wirbelkammer geleitet. Die hohe Strömungsenergie
gewährleistet eine gute Durchmischung in der Wirbelkammer. Die zuletzt eingespritzten
Brennstoffteile werden von einem scharfen Luftstrahl erfaßt, so daß die Durchmischung
trotz der für diese Brennstoffteile besonders kurzen Zeit bis zur Zündung zu einem
zündbereiten Gemisch führt. Dieser scharfe Luftstrahl entsteht kurz vor dem Totpunkt
durch den auf der Verdrängerwirkung des Kolbens beruhenden Druck, der in dem schräg
gestellten Überströmquerschnitt in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Der Luftstrahl
umgibt den langen, eingespritzten Brennstoffaden zunächst wie ein Schlauch und wirbelt
ihn dann im weiteren Verlauf wirksam durch.
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Die Lage und Ausbildung der Wirbelkammer sind so gewählt, daß sich
der Gemischwirbel ungehindert ausbilden kann und daß umgekehrt nach der Zündung
die Feuergase sich möglichst ungehindert über den Kolbenboden ausbreiten können.
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Die neue Einspritzbrennkraftmasch,ine arbeitet in allen Lastbereichen
mit bemerkenswert geringem Brennstoffverbrauch und ist unempfindlich gegen Brennstoffänderungen.
Sie kann nicht nur mit Benzin und ähnlichen leichtflüchtigen Brennstoffen, sondern
ebenso mit Dieselkraftstoff und sogar mit leichtem Braunkohlenteeröl betrieben werden.
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Bei der neuen Maschine ist jedes Mischungsverhältnis zündwillig, so
daß die Luftregelung entfallen kann. Die Maschine saugt also dauernd die volle Luftmenge
an, die Kompressionshöhe bleibt bei jeder Belastung erhalten. Sie kann höher getrieben
werden als bei den üblichen Benzin-Ottomotoren, weil der erhitzte, bereits vor und
in der Düse zu einem gewissen Grade aufbereitete Brennstoff nicht so stark zur Selbstzündung
neigt wie im Vergaser zerstäubte kalte Brennstoffe.
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Es sind Einspritzmotoren mit einer im Zylinderkopf angeordneten und
mit tangential einmündendem überströmkanal versehener Wirbelkammer als sogenannte
Hesselmannmotoren bekannt. Bei ihnen richtet die Einspritzdüse den Brennstoffstrahl
in die Wirbelkammer, wobei der Brennstoff während der Verdichtung über einen kurzen
Kurbelwinkel der Luft beigemischt und das Brennstoff-Luft-Gemisch auf eine unterhalb
seiner Zündtemperatur liegende Höhe verdichtet wird. Da kalter Brennstoff eingespritzt
wird und da der Kolben bei diesen Motoren im oberen Totpunkt mehrere Millimeter
vom Zylinderkopf entfernt bleibt und der Luftwirbel infolgedessen nicht so
hohe
Energie aufweist, lassen sich mit den bekannten Motoren nicht die günstigen Ergebnisse
wie bei der neuen Maschine erreichen.
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Bei einer anderen Einspritzbrennkraftmaschine mit Wirbelkammer und
tangentialem Eintritt in diese soll zwar der kugelkalottenförmige Kalbenboden so
nahe wie möglich an den Zylinderkopf geführt werden, der Überströmkanal zur Wirbelkammer
hat aber einen verhältnismäßig großen Inhalt, so daß ein beträchtlicher Teil der
Luft unvermischt in diesem Kanal verbleibt, zumal der Brennstoff axial in die senkrecht
stehende zylindrische Wirbelkammer eingespritzt wird.
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Ähnliches gilt auch von einer weiteren bekannten Einspritzbrennkraftmaschine
mit einer im Zylinderkopf über dem Kolben liegenden Wirbelkammer, bei welchem in
die Kammer eingespritzt wird und der mit einem Aufsatz versehene Kolbenboden in
der oberen Totpunktstellung einen erheblichen Luftraum beläßt, in dem sich im Augenblick
der Zündung durch eine Glühstelle nur Luft, aber kein zündfähiges Gemisch befindet.
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Allen diesen und anderen bekannten Bauarten von Einspritzbrennkraftmaschinen
mit Wirbelkammern oder auch mit einer Vorkammer und einer Wirbelkammer bietet die
neue Bauart den Vorteil, daß im Vollastgebiet mit ähnlich geringem Luftüberschuß
gearbeitet werden kann wie beim Vergasermotor, also mit einer Luftüberschußzahl
gleich oder nahezu gleich Eins.
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Der heiß eingespritzte Brennstoff neigt um so weniger zur Selbstzündung,
je heißer er ist. Deshalb kann die Kompression auch bei Leichtbrennstoffen, z. B.
Benzin, erhöht werden, so daß schließlich ein Verbrennungsverlauf ähnlich demjenigen
im Dieselmotor entsteht. Verdichtungsverhältnisse von 1:16 oder 1 : 17 sind möglich,
wobei man dann sogar ohne Fremdzündung auskommen kann. Der Motor arbeitet sowohl
im Vollastgebiet wie im Teillastgebiet wirtschaftlich.
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Auch in der Ausbildung der Wirbelkammer selbst, in der Anordnung der
Einspritzdüse in der Kammer und in weiterer Beziehung unterscheidet sich die neue
Maschine von den bekannten Bauarten, wie an Hand der Zeichnung näher erläutert wird.
In dieser zeigt Abb. 1 ein Schema des Verbrennungsraumes mit einer seitlich oberhalb
im Zylinderkopf angeordneten Wirbelkammer; Abb. 2 gibt ein Geschwindigkeitsdiagramm
wieder; Abb.3 zeigt eine Wirbelkammer, die unmittelbar in den Zylinderraum übergeht;
Abb.4 stellt ein Schema mit in den Kolbenboden einragender stehender Wirbelkammer
dar; Abb. 5 zeigt einen Grundriß dazu.
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In allen Abbildungen ist mit 1 der Kolben bezeichnet, welcher die
Luft im Kompressionshub durch den Überströmquerschnitt 2 in die Wirbelkammer 3 einströmen
läßt.
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In die Wirbelkammer ragt die Einspritzvorrichtung 4 ein, welche eine
der üblichen, gesteuerten Einspritzdüsen, jedoch mit Vorwärmung des Brennstoffes,
sein kann. Da die Einspritzvorrichtung in die Wirbelkammer einragt, wird sie von
den Verbrennungsgasen immer wieder aufgeheizt, so daß der Brennstoff in stark vorgewärmtem
Zustand eingespritzt wird.
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Der heiße Brennstoff hat nicht die gleiche Durchschlagskraft wie kalter
Brennstoff, er wird vielmehr von der mit hoherGeschwindigkeit vorbeistreichenden
und daher mit erheblichem Energiegehalt versehenen Luft sofort mitgerissen und danach
unter intensiver Durchwirbelung fein verteilt, so daß ein zündwilliges Gemisch entsteht.
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Die Zündung erfolgt bei den Ausführungsbeispielen nach den Abb. 3
und 4 durch eine Glühspirale 7 beim Start, nach Abb. 1 durch eine Zündkerze 5 wie
beim Vergasermotor. Während bei den Ausführungsbeispielen nach den Abb. 1 und 3
ein einfacher Flachkolben verwendet ist, wird bei der Ausführung nach Abb. 4 ein
Kolben mit Ringkanal 6 und einer der Wirbelkammer entsprechenden Vertiefung 8 vorgesehen.
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Der Kolben geht beispielsweise bis auf etwa 0,3 mm an den Zylinderkopf
heran. Der Abstand soll weniger als 1% des Kolbenweges betragen. Damit entsteht
am Hubende eine ungewöhnlich hohe Überströmgeschwindigkeit zur Wirbelkammer hin,
deren Verlauf aus Abb. 2 ersichtlich ist.
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Im Diagramm sind die Kolbengeschwindigkeit c, die Luftgeschwindigkeit
im Saugventil c, und die Luftüberströmgeschwindigkeit ck zur Wirbelkammer sowie
die mittlere Geschwindigkeit cm aus c, eingetragen. Das Diagramm zeigt, daß die
Geschwindigkeit und damit auch die Strömungsenergie der Luft und des Gemisches kurz
nach dem oberen Totpunkt stark ansteigt und z. B. größer ist als die Geschwindigkeit
im Saugventil. Sie kann ohne weiteres zwei- bis dreimal so groß wie die mittlere
Geschwindigkeit gemacht werden. Diese Wirkung läßt sich dadurch erreichen, daß der
Kolben bis auf Bruchteile eines Millimeters an den Zylinderkopf herantritt und die
Wirbelkammer am Rand und nicht in der Zylindermitte sitzt.
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Strömungsquerschnitt und Geschwindigkeit sind im Gegensatz zu bekannten
Ausführungen mit Ausnutzung der Saugventilströmung weitgehend wählbar.
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Besonders günstig ist auch die Gestaltung des Überströmquerschnittes
bei der Maschine nach der Erfindung. Um einen scharfen Luftstrahl am Ende des Kompressionshubes
zu erreichen, ist ein enger Querschnitt erwünscht. Der möglichst drosselfreie Austritt
erfordert einen möglichst großen Querschnitt. Beim Durchblasen des Luftstromes senkrecht
zur Zylinderachse am Ende des Kompressionshubes bietet der Kanal 2 einen engen elliptischen
Querschnitt, so daß sich die hohe Geschwindigkeit ausbilden kann. Andererseits steht
der große Übergangsquerschnitt beim Austritt der Gase zur Verfügung.
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Auch diese Gestaltung trägt zu der Bildung des zündwilligen Gemisches,
der weitgehenden Verbrennung, der Unempfindlichkeit der Maschine gegen Brennstoffänderungen
und zur Wirtschaftlichkeit des Motors bei.