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Einspritzpumpenlose und einspritzdüsenlose Kolbenbrennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine einspritzpumpenlose und einspritzdüsenlose
Kolbenbrennkraftmaschine mit einer mit dem Hauptbrennraum durch einen überströmkanal
verbundenen Brennkammer und mit einer der Vorlagerung von Kraftstoff in Nähe der
Brennkammer dienenden Vorratskammer und einem in diese mündenden Kraftstoffzulaufkanal
und zwei von der Vorratskammer aus ausgehenden Kanälen, die entweder in den Überströmkanal
münden, oder von denen einer in den überströmkanal oder in die Brennkammer und der
andere in den Hauptbrennraum, vorzugsweise an einer Stelle relativ geringer Luftströmungsgeschwindigkeit,
einmündet. Besonders zweckmäßig ist es bei derartigen Kolbenbrennkraftmaschinen,
wenn die Abmessungen des engsten Durchströmquerschnittes des überströmkanals und
der Hauptbrennraumvolumenänderung je Zeiteinheit bei der vorgesehenen Kolbengeschwindigkeit
sowie der Krümmungshalbmesser der Brennkammerwand, die stetig gekrümmt ist, wobei
der überströnikanal derart tangential in die Brennkammer einführt, daß die Überströmkanalwand
an mindestens einer Stelle stetig in die Brennkammerwand übergeht, derart aufeinander
abgestimmt sind, daß in der Brennkammer eine Rotationsströmung derartig hoher Strömungsgeschwindigkeit
erzielt wird, daß in dieser befindliche Kraftstofftröpfchen auf die Brennkammerwand
ausgeschleudert werden.
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Bei den bisher bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art ist im Zylinderkopf
eine große Anzahl von Bohrungen vorgesehen, die derart aneinander anschließen, daß
sie die genannten Kanäle ergeben. Zur Herstellung der bisher bekannten Zylinderköpfe
sind also zahlreiche Arbeitsvorgänge erforderlich, die zudem in bestimmter Weise
nacheinander ausgeführt werden müssen, da die Bohrungen aneinander anschließen und
somit nicht gleichzeitig gebohrt werden können. Diese zahlreichen Arbeitsvorgänge
bedingen eine teuere Herstellung, und darüber hinaus sind die durch die aneinander
anschließenden Bohrungen geschaffenen Kanäle schwer zu reinigen oder gar zu reparieren
und ergeben insbesondere durch die Knickstellen am Übergang von einer Bohrung zur
anderen einen hohen Strömungswiderstand. Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile
zu beseitigen und einen mit denkbar wenigen Arbeitsvorgängen herstellbaren und einfach
zu wartenden, übersichtlichen Zylinderkopf zu schaffen.
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Zu diesem Zweck sind gemäß der Erfindung die Einmündungsstellen der
Kanäle in den überströmkanal bzw. die Brennkammer und den Hauptbrennraum bei geeigneter
Anordnung dieser Teile derart gewählt und die Kanäle selbst derart ausgestaltet,
daß zwei der drei an die Vorratskammer angeschlossenen Kanäle gerade und koaxial
zueinander angeordnet sind, so daß sie in einem Bohrvorgang hergestellt werden können.
Zweckmäßigerweise ist dabei auch der dritte Kanal eine einzige gerade Bohrung, so
daß nur zwei Bohrvorgänge zur Herstellung aller drei Kanäle erforderlich sind. Beispielsweise
können der Kraftstoffzulaufkanal zur Vorratskammer und der diese mit dem Überströmkanal
verbindende Kanal gerade und koaxial zueinander angeordnet sein, so daß sie in einem
Bohrvorgang hergestellt werden können. Mit einem zweiten Bohrvorgang wird dann der
Kanal hergestellt, der die Vorratskammer beispielsweise mit dem Hauptbrennraum verbindet.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der die Vorratskammer mit
dem überströmkanal verbindende Kanal unter einem spitzen Winkel zur Achse des Oberströmkanals
derart in diesen einmündet, daß er zur Brennkammer hin gerichtet ist. Dadurch wird
einerseits erzielt, daß während des Verdichtungstaktes der Kraftstoff günstiger
aus der Mündung des Kanals heraus in den überströmkanal mitgerimn wird und wird
andererseits erzielt, daß während der Strömungsphasen mit Strömung von der Brennkammer
zum Hauptbrennraum einesteils während des Verbrennungsvorganges die Vorratskammer
durchgeblasen wird, so daß Kraftstoffreste aus ihr entfernt werden und anderenteils
bei Beginn des Saugtaktes im Hauptbrerinraum noch ein Teil der restlichen Gase in
der Brennkammer in diesen Kanal einströmt, so daß keine Gefahr besteht, daß während
des Saugtaktes schon Kraftstoff durch die Vorratskammer hindurch in den überströmkanal
gesaugt wird. Eine derartige
Neigung des in den überströmkanal
mündenden Kanals läßt sich leichter erzielen, wenn die beiden von der Vorratskammer
ausgehenden Kanäle, von denen einer in den Oberströmkanal und der andere in den
Hauptbrennraum mindet, gerade und koaxial zueinander angeordnet sind.
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Gemäß einem weiterenSchrittderErfindung ist die Vorratskammer integrierender
Bestandteil der gemeinsamen Bohrung, so daß sie bei der Anfertigung der Bohrung
mit entsteht. Zu diesem Zweck besteht einer der beiden Kanäle aus einer Bohrung
mit dem gleichen Durchmesser wie die Vorratskammer, wobei in diese Bohrung eine
bis an die Vorratskammer heranreichende Hülse eingeschoben ist, die den Querschnitt
des Kanals derart verengt, daß die erforderlichen Strömungsverhältnisse geschaffen
werden. Beispielsweise beider erwähnten Ausgestaltungsform, bei der der Kraftstoffzulaufkanal
koaxial zu dem Kanal ist, der in den überströmkanal mündet, kann der Kraftstoffzulaufkanal
aus einem Rohr bestehen, welches in eine Bohrung eingepreßt ist, welche den Durchmesser
der Vorratskammer hat. Der Teil dieser Bohrung vor der Stirnfläche des Rohres ist
dann die Vorratskammer, und das Rohr kann in günstiger Weise gleich so aus dem Zylinderkopf
herausgeführt werden, daß eine Kraftstoffzuführungsrohrleitung oder ein Drosselventil
oder ein Schwimmerbehälter od. dgl. an dieses Rohr angeschlossen werden kann. Andererseits
kann es auch zweckmäßig sein, die Vorratskammer als einen integrierenden Bestandteil
der Bohrung vorzusehen, die in den Hauptbrennraum mündet. Die Hülse, die dabei den
die Vorratskammer mit dem Hauptbrennraum verbindenden Kanal bildet, kann dabei derartig
verschiebbar, beispielsweise federnd in dieser Bohrung gelagert sein, daß sie sich
unter Wirkung der Druck-Gefälle innerhalb der Bohrung1-,wegen kann und bei ihren
Bewegungen mit ihrer Stirnfläche gegebenenfalls auf in der Vorratskammer befindlichen
Kraftstoff, diesen verdrängend, einwirkt; aber auch eine fest und unbeweglich in
der Bohrung gelagerte Hülse kann mit erheblichem Spiel in die Bohrung eingefügt
sein, derart, daß der Ringraum um die Hülse den Kanal bildet. Insbesondere bei einer
derartigen Ausgestaltungsform kann es zweckmäßig sein, daß die Hülse eine Längsbohrung
aufweist, die mit der Kraftstoffzulaufleitung in Verbindung steht. Das ergibt den
Vorteil, daß der Kanal, obwohl er eine große Querschnittsfläche aufweist, für eine
Flüssigkeitsströmung schwer passierbar ist infolge der sehr großen Wandfläche und
der an dieser auftretenden Wandreibung. Das ist sehr vorteilhaft, wenn auf diese
Art und Weise der mit dem Hauptbrennraum in Verbindung stehende Kanal gebildet wird.
Durch die große Querschnittsfläche kann sich der Unterdruck während des Saughubes
also sehr leicht und ohne wesentliche Drosselung in die Vorratskammer fortpflanzen,
so daß für das Einsaugen von Kraftstoff in die Vorratskammer günstigste Bedingungen
gegeben sind. Andererseits wird durch diese Ausgestaltungsform verhindert, daß
- insbesondere schon während des Saugtaktes - Kraftstoff von der Vorratskammer
unmittelbar in den Hauptbrennraum gelangt. Ist während des Saugtaktes Kraftstoff
in einen Teil des zum Hauptbrennraum führenden Kanals gesaugt worden, ergibt gegebenenfalls
die Wandreibung eine wünsehenswerte Verzögerung bei dem überschieben in den überströmkanal
während des Verdichtungstaktes. Wenn an der Mündung des mit dem Hauptbrennraum verbundenen
Kanals in die Vorratskammer eine Drosselstelle vorgesehen ist, die derart bemessen
und ausgestaltet ist, daß sie einer Gasströrnung nur derart geringen Widerstand
entgegensetzt, daß durch sie während des Saugtaktes die in der Vorratskammer enthaltene
Gasmenge abströmen kann, während sie einer Flüssigkeitsströmung einen sehr großen
Widerstand entgegensetzt, der bei dem an dieser Stelle zu erwartendem Druckgefälle
und in dem während jeweils eines Saugtaktes zur Verfügung stehenden kurzen Zeitraum
keinen nennenswerten Durchfluß von flüssigem Kraftstoff von der Vorratskammer zum
Hauptbrennraum erlaubt, kann die Drosselstelle vorteilhaft dadurch gebildet werden,
daß zur Führung der Hülse in der Bohrung in der Nähe der Vorratskammer ein Ring
an der Hülse vorgesehen ist, der die Hülse in der Bohrung festlegt und dazu stramm
in der Bohrung sitzt und der mit Ausnehmungen, vorzugsweise Ausfräsungen, für den
Durchtritt der Strömung versehen ist, wobei die Randteile der Ausnehmungen zusammen
mit den zugeordneten Wandteilen der Hülse und der Bohrung die Drosselstelle bilden.
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Wenn die Hülse eine Längsbohrung aufweist, die mit der Kraftstoffzulaufleitung
in Verbindung steht und die Hülse Wand des Kanals ist, der in den Hauptbrennraum
mündet, kann die Wand der mit der Kraftstoffzulaufleitung in Verbindung stehenden
Bohrung röhrchenartig in die Vorratskammer hineinverlängert sein, damit sich die
Vorratskammer nicht von der Seite her füllt, an der der mit dem Hauptbrennraum in
Verbindung stehende Kanal in die Vorratskammer mündet, so daß die Gefahr besteht,
daß der Kraftstoff in diesen Kanal strömt, ehe er die Vorratskammer gefüllt hat.
Vielmehr wird durch eine derartige Ausgestaltungsforrn gesichert, daß das in der
Vorratskammer befindliche Gas durch den mit dem Hauptbrennraum in Verbindung stehenden
Kanal aus der Vorratskammer vor dem in die Vorratskammer eintretenden flüssigen
Kraftstoff abgesaugt werden kann und der Kraftstoff den in den Hauptbrennraum mündenden
Kanal erst dann erreicht, wenn die Vorratskammer restlos oder zumindest weitgehend
gefüllt ist.
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Am vorratskammerseitigen Ende eines in einer Hülse gebildeten Kanals,
vorzugsweise des in den Hauptbrennraurn münden#den Kanals, kann eine Drossel, beispielsweise
der erwähnten Art, und bzw. oder ein bewegliches Steuerorgan zur Beeinflussung der
Strömung durch den betreffenden Kanal in der Hülse angeordnet sein.
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Gemäß einem weiteren Schritt der Erfindung bestehen die beiden geradlinig
hintereinander angeordneten Kanäle aus einem flachen Spalt zwischen zwei Breitseiten
zweier den Spalt begrenzenden Bauteile. Beispielsweise kann ein derartiger Spalt
derart vorgesehen sein, daß eine Seite dieses Spaltes von einem Bauteil begrent
wird. das mit seiner gegenüberliegenden Seite den Oberströmkanal begrenzt. Ein derartiges
Bauteil kann gemäß einem weiteren Schritt der Erfindung zwischen zwei parallelen
Wänden derartig verschiebbar angeordnet sein, daß durch diese Verschiebbarkeit die
Breite des Spaltes änderbar ist. Wenn dabei dasjenige Bauteil verschiebbar ist,
das mit seiner anderen Seite den überströmkanal begrenzt, so wird auch dessen Breite
durch jede Verschiebung geändert, jedoch prozentual wesentlich
weniger,
da die Querschnittsfläche des überströmkanals ein großes Vielfaches der Querschnittsflächen
der von der Vorratskammer ausgehenden Kanäle bildet. Die Möglichkeit, die Querschnittsfläche
mindestens eines, vorzugsweise zweier hintereinander angeordneter, von der Vorratskammer
ausgehender Kanäle innerhalb gewisser Grenzen beliebig wählen zu können, ergibt
eine denkbar günstige Möglichkeit der Regelung.
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In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
im Schnitt dar-CP gestellt. F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit konzentrisch
in einer Hülse angeordnetem Spülkanal, und F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel
mit um eine Hülse herumliegeridem Spülkanal, Bei der in F i g. 1 dargestellten
Brennkraftmaschine ist von dem Hauptbrennraum 1 nur ein Ausschnitt dargestellt.
Der Hauptbrennraum 1 ist mit der Nebenbrennkammer 2 durch einen Überströrnkanal
3 verbunden. Die Vorratskammer 4 ist einerseits durch einen Förderkanal
5 mit dem überströmkanal 3 und andererseits durch einen Spülkanal
6 mit dem Hauptbrennrau-m 1 verbunden. Tangential in die Vorratskammer
4 mündet weiterhin ein Kraftstoffzulaufkanal 9. Die Vorratskammer ist Teil
einer Bohrung, in die eine Hülse 7 eingepreßt ist. Die Hülse 7 weist
eine Längsbohrung auf, die den Spülkanal 6 bildet. Die Bohrung, in die die
Hülse 7 eingepreßt ist, und der Förderkanal 5 sind koaxial zueinander.
Die Stirnfläche 8 der Hülse 7 ist derart ausgestaltet, daß von der
Mündung des Kraftstoffzulaufkanals 9 in die Vorratskammer 4 einströmender
Kraftstoff, der auf die Stirnfläche 8 auftritt, von der Mündung des
Spül-
kanals 6 fort zur zylindrischen Wand der Vorratskammer 4 geleitet
wird.
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Es ist zu betonen, daß die Anordnung des Spül-
kanals
6 als konzentrische Bohrung in der Hülse 7
nur ein Ausführungsbeispiel
ist und daß der Spül-
kanal 6 auch außermittig in der Hülse
7 oder insbesondere als Nut am Umfang der Hülse 7, beispielsweise
auch als spiralige Nut ausgestaltet sein kann. Die Lage der Mündung des Spülkanals
6 in die Vorratskammer 4 kann die Strömungsverhältnisse in dieser beeinflussen.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Während des Saughubes bildet sich
ein Unterdruck in dem Hauptbrennraum 1, der sich über den überströmkanal
3 in die Nebenbrennkammer 2 fortpflanzt, so daß aus der Nebenbrennkammer
2 dort befindliche Gasreste in den Hauptbrennraum 1 abströmen und dabei auch
in die Mündung des Förderkanals 5 gelangen. Der Unterdruck pflanzt sich aber
durch den Spülkanal 6
in die Vorratskammer 4 fort und bewirkt, daß durch den
Kraftstoffzulaufkanal 9 Kraftstoff in die Vorratskammer 4 eingesaugt wird.
Gegen, Ende des Saugtaktes hat sich die Vorratskammer 4 mit Kraftstoff gefüllt.
Während des Verdichtungstaktes strömt die Luft von dem Hauptbrennraum
1 durch den überströmkanal 3 in die Nebenbrennkammer 2, wobei
im überströmkanal 3 an der Mündung des Förderkanals 5 eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
herrscht, so daß ein großes Druckgefälle zwischen dieser Stelle und der Mündung
des Spülkanals6 in dem Hauptbrennrauml entsteht, durch welches der Kraftstoff aus
der Vorratskammer4 durch den Förderkanal 5 in den Überströmkanal
3 übergeführt wird. Zur Herstellung des Kanalsystems wird vom Hauptbrennraum
1 aus eine Bohrung mit dem Durchmesser des Fördierkanals 5 bis in
den überströmkanal 3 gebohrt. Anschließend wird diese Bohrung in einem zweiten
Bohrvorgang oder aber durch einen abgesetzten Bohrer im gleichen Bohrvorgang auf
den Durchmesser der Vorratskammer 4 bis zu deren Tiefe aufgebohrt. Sodann wird die
Hülse 7 in die-se. entstandene erweiterte Bohrung eingepreßt und der Kraftstoffzulaufkanal
9 gebohrt. Mit diesen vier Arbeitsgängen sind sämtliche für die Kraftstoffzuführung
erforderlichen Kanäle, die Kraftstoffeinspritzpumpe und -einspritzdüse ersetzen,
geschaffen.
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Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausgestaltungsform ist die
Nebenbrennkammer 12 mit einem Deckel 11 versehen, der im Zylinderkopf lageveränderbar
ist, so daß das Volumen der Nebenbrennkammekr 12 veränderbar ist. Zu diesem Zweck
kann der Deckel 11
durch in der Zeichnung nicht dargestellte Schraubenzwingen
oder dergleichen Spannvorrichtungen im Zylinderkopf gehalten sein. Bei annähernd
kugelfönniger Nebenbrennkammer 12 kann der Brennkammerdeckel 11 auch in dem
Zylinderkopf eingeschraubt sein. Sofern die Lage des Brennkammerdeckels
11 nicht im Betrieb verstellbar sein soll, können an seinen Stirnflächen
21 Unterlegscheiben aus hochwarmfestem Stahl vorgesehen sein, damit keine Spalten
entstehen, in die das Gas, vorzugsweise unter dem Verbrennungsdruck, eintritt. Die
Brennkammerwand ist an den Übergängen zwischen Zylinderkopf und Brennkammerdeckel
11 derart abgesetzt, daß bei der Rotationsströmung, die durch das Einströmen
der Luft während des Verdichtungstaktes in die Nebenbrennkammer 12 entsteht, an
&n Kanten 22 sich die Gasströmung ablöst. -Der Förderkanal 5 mündet einerseits
in den Überströmkanal 3 und andererseits in die Vorratskammer 14. Die Vorratskammer
14 ist Teil einer zum Förderkanal 5 kontentrischen Bohrung, in die eine Hülse
17 eingesetzt ist, die durch Abstandshalter 13 von der Wand in einem
derartigen Abstand gehalten wird, daß ein Spülkanal 16 mit ringförrnigem
Querschnitt entsteht. Die Hülse 17
weist eine konzentrische Behrung
15 auf, deren Wandung mit einem röhrchenartigen Fortsatz 18 in die
Vorratskammer,14 hineinragt. Die Hülse 17 weist weiterhin eine Bohrung
23 auf, die in die Bohrung 15
mündet und in die die Spitze eines Rohres
20 eingepreßt ist. Das Innere des Rohres 20 stellt gleichzeitig den Kraftstoffzulaufkanal
19 dar. Das Rohr 20 ist in eine entsprechende Bohrung in dem Zylinderkopf
fest eingepreßt und legt mit seiner Spitze gleichzeitig die Hülse 17 fest.
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Während des Saugtaktes pflanzt der Unterdruck in dem Hauptbrennraum
1 sich durch den Spülkanal 16
in die Vorratskammer 14 fort, so daß
durch den Kraftstoffzulaufkanal 19, die Bohrung 23 und die Bohrung
15 Kraftstoff in die Vorratskammer 14 gesaugt wird, die sich von dem dem
Spülkanal 16 gegenüberliegenden Ende her mit Kraftstoff füllt. Während des
Verdichtungstaktes tritt eine kräftige Strömung vom Hauptbrennraum 1 durch
den Spülkanal 16, die Vorratskammer 14 und den Förderkanal 5 auf,
durch die der in der Vorratskammer vorgelagerte Kraftstoff in den überströrnkanal
3 nütgerissen wird. Zur Herstellung des Zylinderkopfes werden zunächst als
Einzelteile die Hülse 17 mit den Bohrungen 15 und 23 sowie
dem röhrchenartigen Fortsatz 18 und den Abstandhaltern 13 hergestellt,
sowie das Rohr 20.
Sodann wird in den Zylinderkopf eine Bohrung
eingebracht, die später die Vorratskammer 14 und den Spülkanal 16 bildet,
und es wird sodann die Bohrung mit geringerem Durchmesser weitergebehrt, so daß
diese Fortsetzung der Bohrung den Förderkanal 5
bildet. Sodann wird die Bohrung
gebohrt, in die das Rohr 20 eingepreßt wird. Nunmehr wird die Hülse 17
in
die vorLyenannte große Bohrung eingeführt und das Rohr 20 derart in die entsprechende
Bohrung eingepreßt, daß es die Hülse 17 festlegt. Damit sind bereits sämtliche
Kanäle g ,eschaffen, die zur Kraftstoffzuführung in den Zylinderkopf erforderlich
sind. An Hand der F i g. 1 läßt sich auch eine weitere Ausgestaltungsform
des Erfindungsgegenstandes veranschaulichen, die darin besteht, daß die Kanäle
5
und 6 hintereinander angeordnete Spalte sind, die zusammen mit der
Vorratskammer 4 einen durchgehenden Trennraum bilden, auf dessen einer Seite das
Bauteil 10 angeordnet ist, das einerseits von den Spalten 5 und
6 und der Vorratskammer 4, andererseits von dem überströmkanal
3 und zu einem kleinen Teil von dem Hauptbrennraum 1 begrenzt ist.
Dieses Teil braucht nicht fest im Zylinderkopf angeordnet zu sein, sondern kann
in zwei parallel zur Zeichenebene liegenden Ebenen, die gleichzeitig die seitlichen
Begrenzungen der Spalte 5 und 6 und des Vorratsraumes 4 bilden, vom
Zylinderkopf getrennt sein und durch in der Zeichnung nicht dargestellte Führungselemente
derart im Zylinderkopf gelagert sein, daß es verschieblich ist, so daß die Breite
der Spalten 5
und 6 und damit der Vorratskammer 4 innerhalb gewisser
Grenzen wählbar einstellbar ist.