DE1476351A1 - Verbrennungsmotor mit thermisch isolierter Verbrennungskammer - Google Patents

Verbrennungsmotor mit thermisch isolierter Verbrennungskammer

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DE1476351A1 DE19661476351 DE1476351A DE1476351A1 DE 1476351 A1 DE1476351 A1 DE 1476351A1 DE 19661476351 DE19661476351 DE 19661476351 DE 1476351 A DE1476351 A DE 1476351A DE 1476351 A1 DE1476351 A1 DE 1476351A1
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Description

Patentanmeldung
der !Firma „ ·
Les Applications !Techniques Industrielles (L.A.T.I.) (Societe Civile), 17, rue Saussier- Leroy, Paris 17°,
"Verbrennungsmotor mit thermisch isolierter Verbrennungskammer."
Die licfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit thermisch isolierter Verbrennungskammer, bei dem die Verbrennungskammer getrennt vom Zylinder angeordnet ist und bei dem der Brennstoff so vollständig wie möglich verbrannt ist, bevor er den eigentlichen Zylinder betritt, zu welchem von der Verbrennungskammer herein Verbindungsweg führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bei derartigen Motoren auftretenden Wärmeumsatz entscheidend zu verbessern.
Der Wärmeumsatz und dessen Wirkungsgrad ist abhängig von dem Verhältnis der durch den Brennstoff zugeführten Kalorien und der in Arbeitsenergie umgewandelten Kalorienmenge. Verlustes? ergeben sich.dadurch, daß Verlustwärme nach außen abgestrahlt wird^ daß Verlustwärme durch das Schmieröl, das
— cL -
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Kühlwasser und durch, die Auspuffgase abgeführt wird, „enn daher der Nutzungsgrad verbessert we_rden soll, so müssen ersichtlich diese Verluste verringert werden.
Ein in diese Hichtuno· führender Weg besteht dariii, daß eine Verbrennungskair.mer verwendet wird, die von den angrenzenden feilen des 1.Io tors thermisch isoliert ist. Die durch den Verbrennungsvorg'-mg frei werdende Wärmemenge bleibt nabeu vollständig in den V/änden der Brennkammer eingeschlossen, um zum ^ Teil im nachfolgenden Zyklus verteilt zu werden. Diese Anordnung erbringt noch den weiteren Vorteil, daß in der Verbrennungskammer am Ende der Kompression eine höhere Temperatur herrscht, als sie bei den klassischen Motoren auftritt. Da hierbei d-ss Verdichtungsverhältnis herabgesetzt und die negative Arbeit im Zyklus verringert werden kann, ist eine Verbesserung des Nutzungsgrades die Folge.
Dieser Lösungsvorschlag führt jedoch zu einer allgemeinen fc Erhöhung der Temperatur im Zyklus und damit auch zu einer Erhöhung der 'Temperatur in den Auspuffgasen. Aus diesem Grunde geht die auf diese Weise eingesparte Kalorienmenge ?d.eder durch die Auspuffgase verloren, was ebenfalls zu einer Temperaturerhöhung im nachfolgenden Zyklus führt, so daß der Verbesserungs effekt hier an eine Grenze stößt.
Ferner herrscht am JS3|ne des Zyüus im Innern der Verbrennungskammer, insbesondere in der Mähe der Brennpunkte, eine erhöhte Temperatur, rferden in diesen überhitzten Raum Brennstofftröpf— chen eingespritzt, so verkohlen diese, indem sich an inrer
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Oberfläche Peroxyde bilden, die als Isoliermittel „irken
und die vollständige Verbrennung der -irennstofftröpfchen behindern, so daiJ .ie zusammen mit den Auspuffgasen in i?'orm von Rußteilchen fortgeführt v/erden. Aus diesem Srund wird ebenfalls nur ein Teil der zugeführten potentiellen Wärmeenergie in Nutzarbeit umgewandelt.
Um diese Nachteile zu vermeiden, zielü die vorliejinie Erfindung darauf ab, die in den Wänden der Verbrennungskammer eingeschlossene Wärmemenge dadurch zu begrenzen, iai ein '.ie- ^ stimmter Teil diecer Wärmemenge- durch d-s Küulwsssoer abgeführt wird und daß für diesen Zweck 'geeignete Bedingungen geschaffen und wirksame Llifcel zur Verfügung gestellt worden. Es liegt iuf der Hand, da;3 unterschiedliche .«ärmemengen abrgef-.-rt v.eraen müssen, da diese von der normalen -^aui'Ieistang des i^otores abhängen, d.h. also von dem mittleren Arbeitsdruck je Zyklus, von einer gegebenen mittleren Geschwindigkeit d_-s Kolbens (höchstens 11 m/sec.) und von den öffnungswinkeln ier Aus-criOtsöffnungen der Ventile, iis soll ^jew ils soviel Wärme abgeführt werden, da.j sicn an den Auspuffgase·.! eine !.'.aximairemcerauur in der Grö-ienordnang von büO° G einstellt.
Gelöst wird diese Aufgabe bei änem Verbrennungsmotor .T:it thermisch isolierter Verbrennungskammer dadurch, da3 zwischen der Außenwand der Verbrennungskammer und den angrenzenden Teilen des Motors zum Zwecke der thermischen Verbindung gegenseitige Berühru.nA-sflachen vorgesehen sind, deren Grö3e in einem Abhängigkeitsverhältnis zum mittleren wirksam werdenlen,, der Motorenleisrung entsprechenden Arbeitsdruck sperrt.
9 0 9 8 8 6 /0433 8A°
Zweckmäßig werden die Berührungsflächen zur thermischen Verbindung durch voneinander abgesetzte, aus der Außenwand der Verbrennungskammer austretende, ringförmige Vorsprünge gebildet. Ferner weisen die ringförmigen Vorsprünge zur Verbindung der durch sie gebildeten und abgeschlossenen Räume axial »verlaufende Nuten auf. Vorteilhaft sind die Nuten in den ringförmigen Vorsprängen etwa um 180° gegeneinander versetzt angeordnet.
Ss empfiehlt sich, die Berührungsflächen zur thermischen Verbindun · derart anzuordnen, daß ihr Schwerpunkt »twa mit dem Hauptwärmebrennpunkt in der Verbrennungskammer zusammenfällt.
D<~s Verhältnis ( in % ) zwischen der Summe der Berührungsflächen zur thermischen Verbindung und der geometrischen Innenfläche ier Verbrennungskammer bei verschiedenen Werkstoffen entspricht gemäß der Erfindung folgenden Tabellenwer-lens
Mittlerer Arbeitsdruck 7 kg/cm2 8,5 kg/cm2 12, 5 kg/cm2
T
Elektrolyt-Aluminium 16 % 18, 5 % 23 %
Slektrolyt-Bronze,
vergütet		 25 % 29 % 35 %
4 "
Siektrolyt-Bronze,
roh		 30 % 42 %
Elektrolyt-Chroiußo-
lybdän		 86 % 95 % 116 %
Gußstahl 100 % 115 % 138 %
Gemäß der Erfindung ist die Größe der Summe der Berührungsflächen .,..,,90 9 8 86/043 3 BAD ORIGINAL
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durch Anwendung der folgenden Aoinäheruhgsformel bestimmbar*
S0. * Summe der Berührungsflächen
Sj_ · Geometrische Innenfläche der Verbrennungskammer -
K ■ Wärmeleitwert des verwendeten Werkstoffs
Pme * Mittlerer Arbeitsdruck des Zyklus in kg/cm^
Weitere den Erfindungsgegenstand betreffende Einzelheiten könaen der nachfolgenden auf die Zeichnung bezugnehmenden Beschreibung entnommen werden, in-der eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird« Es zeigen*
1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Verbrennungskammer,
Figo 2 einen Querschnitt entlang der Linie H-II nach Fig. 1, Fig. 3 ein Diagramm zur Ermittlung der Werte der Funktion S0 ■ f (Se bei verschiedenen Werkstoffen)
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte eiförmige Verbrennungskammer 1 weist an ihrem oberen Ende die Injektionsöffnung 2 auf und ist an ihrem anderen Ende mit dem Zylinderraum 3 über den Kanal 4- verbunden, der sich in Richtung auf den Zylinder1 verbreitert und in eine in der Arbeitsfläche des Zylinders 6 vorgesehene Aufnahmetasohe 5 mündet. Die Außenwand 7 der besagten Verbrennungskammer wird darch die Dichtringe 8 und 9 von den angrenzenden Teilen des Motors im Abstand gehalben, wodurch einerseits der hermethisch abgeschlossene Raum 10 und anderersejäl &er Raum 11 entsteht« ÖÖ§80S/Ö433
: _: ;ί- ■ ■■■-.-„ W.
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In dem Raum 1Ö wird in Anwendung eines bekannten Verfahrens und eines in der Zeichnung nichu dargestellten Ventils ein geringer Unterdruck erzeugt. In dem in der Zeichnung dargestel_ten Beispiel sind an der Außenwand 7 ier Kammer femer zwei ringförmige VorSprünge 12 und 13 angeordnet, die entweder nachträglich, angebracht oder in einem Arbeitsgang zusammen mit der Kammer hergestellt worden sind. Diese ringförmigen Vorspränge "berühren mit ihrer äußeren ümfangsfläche die Innenwand 14 des Zylinderkopfes 15· Die ringförmigen Vorsprünge 12 und 13 sind au3enseitig mit achsial verlaufenden Nuten 16 usL 17 versehen, die an den einzelnen ringförmigen Vorsprüngen um eüwa 1oO° gegeneinander versetzt angeox'inet sind, Der Schwerpunkt G der Berührungsflächen zwischen den ringförmigen 'Vorsprüngen 12 und 13 und deren Innenwand 14 des Zylinderkopfes 15 fallt in etwa mit dem Hauptv/ärmebrennpunkt in der Verbrennungskammer zusammen.
Diese Anordnung undJGestalt der Kammer gestattet es, die in ihren V/änden gespeicherte Wärme zu begrenzen und einen i'eil dieser Wärme durch das Kühlwasser durch die Wand des Zylinderkopfes hindurch fortzuleiten. Auf diese V/eise vermeidet man eine zu große Erhöhung der Temperatur im Zyklus j.nd in den Auspuffgasen, die 600° 0 nicht übersteigen soll, sowie eines · zu starke Überhitzung am Ende des Zyklus innerhalb der Verbrennungskammer, insbesondere in der ITähe der Brennpunkte, die zur Verkohlung der Brennstofftröpfchen und damit, wie bereits oben dargelegt wurde, zur Bildung von zusammen mit den Auspuffgasen austretenden Rußteilehen führen würde. Die Anordnung von ringförmigen Vorsprüngen und die Verbindung der durch diese
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gebildeten und abgeschlossenen Zwischenräume durch, die axial verlaufenden Nuten 16 und 17> die gegeneinander um etwa 180° versetzt sind, bewirkt außerdem die Verceilung der Wärme mittels Wärmeleitung in dem ganzen luftverdünnten Raum 10, wodurch vermieden wird, daß durch das Kühlwasser unterschiedliche Wärmemengen von unterschiedlich erhitzten Zonen abgeführt werden.
Wenn D als der Innendurchmesser zwischen den Innenwänden 14 »ad des Zylinderkopfes angesehen und die jeweilige Breite der ringförmigen Vorsprung« 12 und 13 mit I^ und I2 beaich.net wird, so ergibt sich die gesamte Berührungsfläche zwischen der Verbrennungskammer und dem Zylinderkopf aus folgender Formel S0 - T · D · (I1 + I2).
Das optimale Verhältnis zwischen der besagten Berührungsfläche und der geometrischen Innenfläche :1er Kammer (die i^erschnittsflache des Zufuhr- und Abfuhrkanals wurde nicht berücksichtigt, wurde für eine Verbrennungskammer normaler .ianddicke empirisch ermittelt. Die Dicke der normalen Verbrennungskammer betrug etwa 15 Τ» bis 17 % des maximalen Halbmessers der Kammer. Bei dieser em^irischen Srmittlung warIe ferner der mittlere Arbeitsdruck des ^yklus sowie der Wärmeleitwert des Werkstoffs berücksichtigt, aus dem die Kammer hergestellt ist. Dieses Verhältnis läßt sich aus der folgenden Annäherungsformel ermitteln:
S1 " TO 15 ' g
1 + JJOHjiJ. 1
BAD ORIGINAL oder 9 098 86/043 3
6
K
15
Se ■ Summe der Berührungsflächen
Sj_ - Geometrische Innenfläche der Verbrennungskammer
Pme * Mittlerer Arbeitsdruck des Zyklus in kg/cm2
K » Wärmeleitwert des verwendeten Werkstoffes
Auf Grund der empirisch ermittelten Zahlen, die die Aufstellung der oben angegebenen Annäherungsformel ermöglichten, konnten für die verschiedenen Werkstoffe» die in Fig. 3 angegebenen Kurven gezeichnet werden, wobei die Abzisse die ii/erte der mittleren Arbeitsdrücke in kg/cm2 und die Ordinate das ' " Verhältnis S0 zu Sj, in % angibt.
Wenn also von der Verbrennungskammer ^estimmeartr Form und ganz bestimmten Rauminhalts ausgegangen wird, deren geometrische Innenfläche Si- gegeben ist, und wenn der mit13ere der Motorleistung entsprechende Arbeitsdruck P1Qg bekannt ist, so kann mit Hilfe der für den betreffenden Werkstoff gültigen Kurve in Fig. J die Summe* der Berührungsflächen S "Kermittelt werden, so da3 sich hieraus nach der Gleichung
' 2 ■ die jeweiligen Breiten de» ringförmigen
Vorsprünge, die bei d?r betreffenden Verbrennungskammer zu wählen sind, bestimmen lassen. Die Aufteilung der Gesamtfläche auf die einzelnen ringförmigen Vorsprünge sowie die ftröße des Abstandes zwischen denselben kann danach so gewählt werden, daß der Schwerpunkt G der Berührungsflächen mit dem Hauptwärmebrennpunkt der Verbrennungkeaifcammer zusammenfällt.
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Es ist einfacher, die ringförmigen Vorsprünge zusammen mit und aus dem gleichen Werkstoff der Verbrennungskammer herzustellen.. Die Hinge können aber auch nachträglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auf eine außen'zylinderfÖBiige Verbrennungskammer aufgezogen werden, wobei diese mit Je einer Nut versehenen Hinge entweder aus dem gleichen Werkstoff wie die Verbrennungskammer oder aus anderem Werkstoff bestehen. In letzterem, Fall muß als Wärmeleitwert K in der Mherungsformel S0 ■ f (S6) das arithmetische Mittel der Wärme- % leitwerte der beidön unterschiedlichen Werkstoffe verwendet werden, welches noch um etwa JO % verringert werden muß, um dem erhöhten Widerstand an der Kontaktfläche zwischen den Singen und der Außenwand der Verbrennungskammer Rechnung zu tragen.
Von Bedeutung ist allerdings, daß zwischen den ringförmigen VorSprüngen und der Innenwand des Zylinderkopfes tatsächlich eine Berührung gegeben ist. Das für die Montage unerläßliche g Spiel zwischen der,Außenfläche der ringförmigen üorsprünge und der Innenwand des Zylinderkopfes darf daher nur zwischen 0,0030 und 0,0035 mm/cm des Durchmessers außerhalb der Verbrennungskammer betragen.
In der Fig. 3 wurden die Kurven, die das in % ausgedrückte
Verhältnis S^ in Abhängigkeit vom mittleren Arbeitsdruck Si .
und in Übereinstimmung mit der oben erläuterten Annäherungsformel darstellen, für folgende Werkstoffe angegeben: Schmelzaluminiumlegierung ( Kj^ -' 0,38 ) t Kurve A BAD ORlGlNAL.
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vergütete Schmelzbronze Rohschmelzbronze Gußstahl mit auf gezogenen Bronzeringen Schmelzguß aus Chrommolybdän
Gußstahl
0,24) : Kurve B 0,20) : Eurve C 0,09) : Kurve D 0,07) ϊ Kurve E 0,06) : Kurve Έ
Gemäß-..dem weiter oben Gesagten besieht der Wärmeleitwert des Gußstahls mit aufgezogenen Bronzeringen (Kurve D) aus dem arithmetischen Mittel der Wärmeleitwer1;e des Gußstahls und der Guße^bronze vermindert um 30 %z
• 0,7
o,of
Bei einem Motor mit einem Zylinderinnendurchmesser von 120 mm und einer Kolbenhublänge von 140 mm, der mit Yerbrennungskammeaiaus Gußstahl ausgestattet ist, die mit aus gleichem Werkstoff und zusammen mit den Kammern hergestellten ringförmigen Vorsprüngen versehen sind, mögen diese ringförmigen 7orsprünge eine Berührungsfläche gegenüber dem Zylinderkopf von 107 % der geometrischen Innenfläche der Brennkaiamer haben. Bin derartiger Motor müßte nach der oben angegebenen Annäherungs formel einen mittleren Arbeitsdruck von ungefähr 8 kg/cm aufweisen· Im übrigen wurden folgende Ergebnisse ermittelt:
BAD ORIGINAL
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Drehzahl Leistung Ättl· Brennstoff Auspuff grau
durch
sehe i-
nend
800 (PS) Arbeits
druck
(kg/o*2)		 verbrauch
(g/Fg.b )		 Tempera- Farbe *
tür		 grau,
sehr
durch
schei
nend
1190 38 6,78 172,5 410 farb
los
1500 61 7,3 169 450 farblos
1800 85,5 8,12 171,5 535 farblos
1995 105,3 8,36 173 580 farbloB
2105 117,5 8,35 175,5 610
121 8,2 175 620
Bei 1800 Umdrehungen beträgt der Leistungszuwachs gegenüber herkömmlichen Motoren bei einem im wesentlichen gleichbleibenden Brennstoffverbrauch 10 ^i.
An den Snden der Leistungskurve bleibt der Brennstoffverbrauch zwar der gleich wie derjenige, der bei optimalem Motorlauf (hier 173 g) erzielt wird, während er bei den herkömmlichen Motoren au «fen Kurvenenden beträchtlich ansteigt.
Ferner ist darauf hinzuweisen, da3 oberhalb diner Tourenzahl von 1500 die Auspuffgase vollkommen rauchlos werden*
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Claims (7)

U76351 tentansprüche
1. Verbrennungsmotor mit thermisch isolierter Verbnennungskammer, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Außenwand (7) der Verbrennungskammer (1) und den angrenzenden Teilen (14) des Motors (15) zum Zwecke der thermischen Verbindung gegenseitige Brührnngsflachen vorgesehen sind, deren Größe in einem Abhängigkeitsverhältnis zum mittleren, wirksam werdenden, der Motornennleistung entsprechenden Arbeitsdruck steht.
2· Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichmefc, daß die Berührungsflächen zur thermischen Verbindung, durch voneinander abgesetzte, aus der Außenwand der Verbrennungskammer austretende, ringförmige Vorsprünge (12, 1$) gebildet werden.
3· Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,· daß die ringförmigen Vorsprünge (12, 1J) zur Verbindung der durch sie gebildeten und abgeschlossenen Räume axial verlaufende !Tuten (16,17) aufweisen»
4-,' Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (16,17) in den Ringförmigen Vorsprüngen (12, 13) etwa um 180° gegeneinander versetzt angeordnet sind·
5· Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt der Berührungsflächen zur thermit] sehen Verbindung etwa mit dem Hauptwarmebrennpunkt (G) in der
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~ 13 -
.Verbrennungskammer zusammenfällt.
U76351
6« Verbrennungsmotor mit einer Verbrennungskammer, deren Dicke etwa 15-17 % ihres maximalen Innenhalbmessers beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis in Prozent zwischen der Summe der Berührungsflächen (S0) zur thermischen Verbindung und der geometrischen Innenfläche der Verbrennungskammer (Si) bei verschiedenen Werkstoffen folgenden iPabellenwerten entspricht;
Mittlerer Arbeitsdruck 7 kg/cm^ 8,5 kg/cm^ 12,5 kg/ci Elektrolyt-Aluminium 16 % 18,5 % 23 % Elektrolyt-Bronze
vergütet 25 %. 29 % 35 % Elektrolyt-Bronz e
roh 30 % 35 % 4-2 % Blektrolyt-Chrommo
lybdän 86 % 95 % 116 % Gußstahl 100 % 115 % 138 %
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Große der Summe der Berührungsflächen durch Anwendung der folgenden Annäherungsformel bestimmbar ist:
. ( 1 + -Sss-=-2.
I 100
Summe der Berührungsflächen
Geometrische Innenfläche der Verbrennungskammer
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K m Wärmeleitwert des verwindeten Werkstoffs Bae » Mittlerer Arbeitsdruck des Zyklus in
BAD ORIGINAL 909886/0433
Leerseite
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