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Fremdgezündete, luftverdichtende Einapritzbrennkraftaasohine
Die Erfindung bezieht sich auf eine fremdgezündete, luft-
verdichtende
Einspritzbrennkraftaasohine, mit einem In Kol-
ben oder Zylinderkopf
angeordneten rotationakörperförnigen Brennraum, und mit einer im Zylinderkopf
angeordneten Zinspritzdüse, wobei der flüssige Kraftstoff mit einen oder
mehreren
Strahlen zu seinem größten Teil filmartig auf die
Brennraumwand
aufgetragen wird und im Brennraum eine solche
gerichtete luftatröaung
vorgesehen ist, daß hierdurch der
Kraftstoff in Dampffora
von der Brennrauawand allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt
und verbrannt wird.
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Bei Brennkraftmasohinen, die nach diesm Einapritz-
und Geaischbildungsverfahren arbeiten, wird in Anbetracht des
insbesondere
im Teillastgebiet vorhandenen hohen luftüberschusses danach gestrebt,
daß im Bereich der eigentlichen
Zündstelle ein von einer Zusaanensetzung
vorhanden ist, die mit Sicherheit innerhalb der
Zündgrenzen
liegt und somit die Einleitung der Verbrenun@ gewährleistet ist.
In
diesem Zusammenhang ist eine-Zündvorrichtung für eine
Binspritzbrennkraftasschine
mit einem im Kolben angeordne-
ten Brennraum bekanntgeworden,
bei der eine ummantelte Zündkerze jeweils in der oberen Kolbentotpunitstellubg
in , eine zum Brennraum und zum Kolbenboden hin offene, in die
Brennraumwand
eingearbeitete Rieche eintauoht. Hier wird dann ein Kraftstoffluftgemisoh
entzündet, das vorwiegend erst durch Verdampfung von Kraftstoffteilchen
gebildet wird,
die mit Hilfe leitrinnenartiger Auenehmungen in der Brennraumwand
am Boden der Nische konzentriert werden. Bine solche Zünävorriohtung
weist aber verschiedene Nachteile
auf.
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Die Nische ergibt eine Zerklüftung des Brennraumes,
so daß
die für die Gemischbildung wichtige geordnete
rotierende Luftströmung gestört wird. Außerdem kann der bei Vollast
i=
Übermaß, d.h. über die für die Zündeinleitung erforder-
liche
Menge hinausgehende, in die lisohe gelangende Kraft-
stoffanteil
an dem Wvse, der thers.eahen #emisohbildun6 nicht sehr ein%tndfrei
teilnehmen. »adurch tritt eine Versohleohterung des Verbrennungsablaufes
und damit der Lei-
stungsdaten ein. Das bilt besonders für
kleine Zylinder-
einheiten, da hier die durch die gerzeaaröße in ihrer
Bemessung festliegende Nische in Bezug auf die Brennrauma'>.-messungen
sehr groß wird. Auch gelingt ea trotz der in die
Brennraumwand
eingearbeiteten beitkaaäle nur schwer, in unteren 7Ästbereieh
an der durch die Lage der punkenstree4e genau festgelegten stelle
in Hülsenraum der Kerze ein inner-
halb der Zündgrenzen
liegendes Geniech zu erzielen. Das
trifft besondere für den Fall
zu, wenn die Zündvorrichtung, b$dingt durch die Anordnung von Einlab-
und Auslaßventil, dann der Einspritzdüse diametral gegenüberliegt,
da die
iraftetoffeinbringung in den Funkenraum über die relativ
langen
Wege unter den Einfluß der intensiven Luftströmung eraohwert
wird.
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Zwar wurde eohon vorgeschlagen, die Zündkammer
statt der
nischenförmigen Brennraumwandauenehsung sacklochartig in
den Kolbenboden einzuarbeiten und nur durch eine oder zwei
Bohrungen mit
dem Brennraum in Verbindung zu bringen. Da-
mit kann zwar
eine Störung des Luftwirbels vermindert und
der in eine der
Verbindungsbohrungen gespritzte Kraftstoff sicherer zur Zündfunkenstrecke
gefördert werden. Jedoch
läßt es sieh.sueh_hier nicht vermeiden,
daß der bei Vollast
im ÜberaaB, d.h. über die für die Zündeinleitung
erforderliehe Menge hinausgehende, in die Nische gelangende Kraft-
stoffanteil
an dem Prozeß der thermischen Gemischbildung nicht mehr einwandfrei
teilnehmen kann.
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Des weiteren ist zu berücksichtigen,
daß die in einem
Kraftstoff-Luft-Qemiaoh
für die Ionisation der Funkenstrecke und
damit
für den Funkenüberschlag
erforderliche Zündspannung
sehr stark
von der Geaisohzusaaoensetzung
abhängig ist und
mit zunehmender
Gemiseh-Abmagerung wächst. Da
es nicht ge-
lingt, bei allen Lastauständen
ein gleichbleibendes
und den
Funkenüberschlag begünatisendes Nischungaverhältnie
in un..
| mittelbarer Ühe der Funkenstrecke zu erzeugen, nehmen
die |
| Ionisationsspannungen mit abnehmender Einepritrmsenge sehr
. |
| ,hohe werte an, wodurbh entsprechend hohe Anforderungen
an |
| die gesamte Zündanlage gestellt werden aüssenr , |
| Aufgabe der Erfindung ist-en, die genannten Nachteile
8u |
| vermeiden und mit einfachen Mitteln eine Zündvorrichtung
- |
| zu schaffen, die in gesamten Betriebsbereioht Anlassen, |
| a |
| Leerlauf bis Vollast absolut sicher zündet. |
| ärfindungsgenäB ist für eine Einspritzbrennkraftaasohine
gor |
| eingangs beschriebenen Bauart für die Zündung eine Otab- |
| elektrode vorgesehen, die möglichst nahe und entlang 4#r |
| Erennrauawand gegen den Brennraumboden zu
verixutt, w ährend |
| die Brennrauawand den anderen pol bildet. Dabei kann nach
. |
| einen weiteren Vorschlag der Erfindung der nahe an der Blek |
| trode verlaufende wandungdabsohnitt des Brennrandes als |
| eine Otiukante ausgebildet sein, die durch eine leiehte |
| iraftstoffanreiohdrung der elektrodennahen lfaadsoneri noch |
| eine zusätzliche Gewähr für eine sichere Zündeinleitung |
| gibt. . |
| Auf diese Art entfällt die sehr schwer realisierbarO,lotde- |
| rux&, bei allen laatsuständen ein zündfähiges geeriss:."" |
| eine örtlich genau fixierte, durch die Lage der I'ufl1tiii- |
| ütrecke gegebene Stelle heranzubringen. Die
Zündung wird |
| s.. |
| dort eingeleitet, wo sich auch bei sehr kleinen Sinsprits- |
| aengen mit Sicherheit ein zündfähiges Gesisoh befindet. |
Oberhalb
des Kraftstoffilmes ist das immer der Fall.
Durch Versuche wurde festgestellt, daß die vorsehend er-
.wähnte Abhängigkeit
der Ionieationsspannung von der Gemischzusammensetzung
sehr ausgeprägt. ist.
Da dem Funken durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Möglichkeit geboten wird,
von verschiedenen Stellen der Elektrode zur Kolbenwand überzuspringen, erfolgt dies
vorzugsweise dort, wo durch das Vorhandensein einer zündfähigen Mischung die Ionisationsspannung
den kleinsten Wert hat. In gewissem Maße wird hier also nicht das Gemisch zum Funken,
sondern der Funke zum zündfähigen Gemisch gebracht. Es genügt, daß nur an irgendeiner
Stelle des möglichen Funkenüberschlages Teile des Kraftstoffilms vorhanden sind,
was bei einer entsprechenden Zuordnung von Strahlauftreffstelle--und Elektrodenlage
immer gewährleistet ist.
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Die nach der Zündeinleitung weitergehende Entflammung der nächsten,
durch die Verdampfung des greftstoffilms inzwischen vorbereiteten Gemischteile vollzieht
sich hier unter dem Einfluß des Luftwirbels dadurch, dafl die Verbrennungseinleitung
unmittelbar an der Filmoberfläche stattfindet, jetzt geordneter ist als in
den Fxlleh, in denen
eine Zündflamme erst aus einer Zündkammer
in den Brennraum zurückschlagen muß.
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Der Zeitpunkt des Funkenübersohlagee kann nach dem Mintref-
'. i _fen der ersten Filmteile an der Blektrode eo gewählt w4rden, daß sich für
den weiteren Verlauf der Verbrennung .
hinsichtlich
Leistung, Laufruhe usw. optimale Verhältnisee ergeben. Das ist bei den
Ausführungen, bei denen
ein zündfähiges Gemisch an einen räumlich
genau festliegen-
den Punkt herangebracht werden muß, in dem
fe nicht mög-' lieh. Dort ist der Zündzeitpunkt erfahrungsgemäß in
sehr
engen Grenzen festgelegt durch den Augenblick, in dem sich
gerade.
eine innerhalb der Zündgrenzen liegende Mischung an
den Elektroden
befindet. Das führt insbesondere-bei einem
Vielstoffmotor
und bei Kraftstoffen, die in der Zeit während ihres Hereinbringens
in eine Zündkammer, der anschließenden
Verdampfung und des Gemischtransportes
zur Funkenstrecke in-
zwischen schon selbatzündungsbereit
sind, zu großen Schwierigkeiten. Hei der vorgeschlagenen Zündvorrichtung
sind
aber diese Transportzeiten kürzer und zudem kann auch die
für
die Gemischbildung erforderliche Verdampfung am Ort der
Zündung
selbst durch den sehr heißen Funkenkopf unterstützt
werden.
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Da der Zündfunke bei allen Lastzuständen an der Oberfläche
des Kraftstoffilms eine den Ionisationsvorgang sehr be-
günstigende
Gemischzusammensetzung vorfindet, bleiben die
Zündspannungen, wie Versuche
ergeben haben, praktisch unabhängig von der Last und dabei auch wesentlich
kleiner, was
der gesamten Anlage zugute kommt. Die frei in den
BrenniJaum ragende ger$enelektrode wird durch die Strömung
der Frisch-
luft intensiv gekühlt, was auch aus Versuchen wit
Glühkerzen - hier allerdings im negativen Sinne - bekannt ist.
Dadurch
wird die Möglichkeit von Glühzündungen, die sonst
im palle einer
gegen die Strömung abgeschirmten Blektroden-
anordnung
gegeben sein kann, ausgeschaltet. Eine Brüokenbilduag9 die
zwischen den beiden, feststehenden Elektroden einer üblichen Zündkerze
auftreten und dadurch zu Zündaus= Setzern führen kann,
ist hier praktisch unmöglich.
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Den Vorteil, für die Zündeinleitung nicht an einen einzi-
gen
Raumpunkt de: Brennraunen gebunden zu sein, weisen
zwar auch
bekannte Zündvorrichtungen auf, bei denen an
Btelli einer Zündkerze
eine Glühkerze verwendet wird. Bine, derartige Zündvorrichtung
hat aber u.a. folgende Nachteile: . J Die Gemiechentsündung
erfordert relativ hohe Temperaturen . (wind. 10000 0) des dlühkörpers,
der elektrisch beheizt Wer-
den muß. Diese hohen rezperaturen
müssen bei allen Zraetzuständen vorhanden sein, wodurch einoral
die Beanspruchung des Glühstiftmaterials entsprechend groß ist
und zum andern f eine vom jeweiligen Notorbetriebspunkt abhängige
und sehr , aufwendige Regelung der iss Glühstift zugeführten
elektrisehen Energie erforderlich ist. Außerdem ist der Energie-
bedarf
erheblich größer als bei der hunkensündung. Bohließlioh ist der
Zündzeitpunkt aufs engste mit dem Binspritzseitpunkt gekoppelt.
Die vorstehend erwähnte und sehr wenentliohe Möglichkeit zu einer
unter BerUcksiohtigun¢ der.
vorhergehenden Kraftstoffilmausbildung
zeitlich optLmsl i i abgestimmten Zündeinleitung ist hier also nicht
gegeben.
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f Die als Gegenelektrode wirkende Brennraumwandzone
kann mit
Rücksicht auf Abbrandersoheinungen nach einet
weiteren Merkaal der Erfindung einen gegen die Zündfunken wideretands-
, ,
fähigen Belag aufweisen. Es ist aber zu erwähnen,
das der.
funken durch die mit den Betriebezuständen, d.h.
mit der ; elektrodennahen Pilaausbildung sich ändernden Stellen
kleinster
Ionisationsapannung an weohselnderi Punkten über-
springt und dadurch
der Abbrand nicht punktförsig lokalisiert wird, söndern
eine ausgedehntere Fläche betrifft
und damit zeitlich wesentlich
langsamer voranschreitet als bei einer üblichen Zündkerze. Außerdem wird
ertindungsgemäß noch vorgeschlagen, die beim Ottomotor übliche Zündspulenpolung
zu vertauschen, d.h. daß die glektrode hier
die Anode
bildet. Da der Abbrand vorzugsweise an der Anoden-
.
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leite auftritt, haben die Mittelelektroden der üblichen
Zündkerzen
negative Polarität zur Masse, .um dadurch für
die mittlere theraisoh
höher belastete Elektrode einen ge" wiesen Ausgleich zu schaffen.
Bei der erfindungeaegßen M& vorrichtung läßt man den Abbrand
bevorzugt an der leicht auswechselbaren ierzenelektrode auftreten..
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Wenn aus konstruktiven Gründen der Abstand der Elektrode
zur
Zylindermitte etwas größer sein muß als bei Anordnung eines mittigen
Brennraumes, wird nach einen weiteren Merkaal der Erfindung
vorgeschlagen, den Brennraum außermittig anzuordnen; d.h.
daß der Brennraum.längs einer Verbindungsli7;ie zwischen Einspritzdüse
und Elektrode in an sich be-
kannter Weise eine parallele
Verschiebung aufweist. Dadurch können eventuell erforderliche Korrekturen
der elektrodennahen Wandkontur vermieden werden. Des weiteren wird er-
.. findungsgeaäß vorgeschlagen, daß der Brennraum senkrecht zu
einet
Verbindungslinie zwischen Einspritzdüse und Elektrode
:eine
parallele Verschiebung aufweist. Diese Anordnung hat insbesondere
bei einem Vielstoffmotor den Vorteil, den
. Strahlauftreffpunkt näher
an die Blektrodenzone heranzu-
bringen, ohne gleichzeitig
durch einen mehr von der Wand
weggerichteten Strahl den Anteil
des luftverteilten Kraft-
stoffes in unerwünschter Weise zu vergrößern.
Unter Ujtetänden kann es aber auch angebracht sein, die beiden
Maßnahmen der Verschiebung gleichzeitig anzuwenden.
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Die Elektrode soll vorzugsweise in einer zur Zylinderlängs- achse
parallelen Lage eingebaut werden. leichte, etwa kon-
struktiv bedingte
Schräglagen um einen Winkel beispielaweise zwischen 8 und 100 sind zulässig,
solange sich der Abstand
der Elektrode von der Brennraumwand
durch die Kolbenbewegungen-im Bereich der Zündzeitpunkte
dabei nur in kleinen
Grenzen ändert. Größere Abweichungen
können erfindungsge-
mäß dadurch ausgeglichen werden, daß die Elektrode,
im Längsschnitt gesehen, schwach keilförmig ausgebildet ist,
wobei
die Verdickung an den dem Brennraumboden zugewendeten
Ende liegt.
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Schließlich werden besonders günstige Bedingungen
für den
Zündablauf dadurch geschaffen, daß erfindungegeaäß@ die
Länge
des in den Brennraum hineinragenden Teiles der Blek--trode mindestens
ein Vierteil der jeweiligen Brennraumhöhe beträgt. . .Dis
vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf eine einzi-
ge Stabelektrode.
Wie genagt wird von der Erkenntnir aus-
gegangen,
daß ein unmittelbar an der Oberfläche des Kraftatoffilmea
überschlagender Funke die beste Voraussetzung ' für eine sichere
Zündung im gesamten Lastbereich des Mo-
tors ergibt.
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Darüber hinaus wird, wie gesagt, durch die Anwendung
einer
gestreokten Blektrodenanordnung den Funken die Möglichkeit
geboten, jeweils dort überzuspringen, wo durch das Vor-
handensein
einer zündfähigen Mischung die Ionisationespannung den kleinsten Wert
hat.
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Demzufolge könnte man bei einer Maschine der vorausgesetzt
aa Bauart erfindungsgemäß auch zwei Stabelektroden vorsehen
die
möglichst nahe und beide entlang der Brennraumwand gegen den Brennraumboden
zu verlaufen. Dabei ist eine die-
ser Elektroden die sonst durch die
Brennraumwand gebildete
Masse.
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Die Erfindung
ist in der Zeichnung
an Hand
einiger Ausführungsbeispiele
für eine Brennkraftnaschine
und zwar
hier mit einem im Kolben angeordneten Brennraum schematisch
dargestellt. Es zeigen:
Big.
1 einen Längsschnitt durch ein-Kolbenoberteil
mit
einem mittig
angeordneten, rotätionekörperförmigen Brennraum,
Big. a
eine Draufsicht auf den Kolben nach Fig.
1,
Big.
3 und 4
je eine Draufeicht
auf den Kolben mit je-
| will ein« außssuittiaea äresasaum und |
| P!«. 5 einen Uagesohnitt durch ein Kolbenoberteil mit |
| einer schräg angeordneten BlelCtroie: |
| ;n der Darstellung nach pig. 1 ist der Kolben mit 1 be- |
| zeichnet, der einen hier aittig angeordneten, rotations- |
| kürperförtigen Bresursum 2 mit 'ßreunrsmöfibtung
5 autvoist. |
| lufierdem ist hier an der Brenarsuaöffnung eine Sohnaupe |
| 4 vorgesehen, in welche die schräg außerhalb der
ärenn- |
| rausmitte in Zylinderkopf befestigte Siaspritzdüse
5 im |
| Bereich der oberen Totpunktstellung,des Kolbens 1 etwas |
| eintaucht. Die in dem nicht weiter dargestellte® Zylinder- |
| kopf eingeschraubte Induktions-BUnävorriohtuag f mit purer |
| Elektrode -7 liegt diau.etral zur EinepritsdUne S.
Die Blekt» |
| de hat in diesem AuafUhrmgsbeispiel ireismsä»
Quer- |
| schnitt (lig. 2). |
| Der mit einem oder mehreren Strahlen (8, lig. !j einge- |
| spritzte traftstof f- gelangt ganz oder zu seinen gMaten |
| Seil auf die breonrauutnmnd, woselbrt er sich von seiner |
| luftreffetelle aa unter dem hinfluß seiner kiaetisohen |
| Energie und der wirkuag der sich hier um die Bsenuausl.Knge- |
| aohse drehendes intensiven Luftströmung (Bis. 2,
St:ömwgs- |
| pfeil 9) auf der Brennraumnismd filmartig ausbreitet »d |
| dabei an die der Elektrode 7 seaeaüberliegesäem Wandpar- |
| tien gelangt, woselbst er an seiner OberfläQäe durch den |
| I°unken entzündet wird. An der Brennraumraod ist eine |
| kleine Staukante 10 tor4esehea, die durch eine leichte
'. |
| Kraftstoffanreicherung der elektrodenaahea itaedsoaen |
| noch eine zusätzliche Gewähr für eine sichere Zündeinlßi- |
| tung gibt. |
| In Fig. 2 ist der durch den Winkel 11 gekentizeiohne}te
lb- |
| stand der Elektrode 7 von der Einspritzdüse 5 mit
1800 an- |
| genommen. Dieser oder auch ein etwas kleinerer Winkelab- |
| stand ist konstruktiv vorgegeben, wenn, wie in
der pigur |
| angedeutet, je ein Einlaƒventil 12 und ein Auslaßventil
13 |
| vorgesehen sind. Wenn durch andere Ventilanordnungen
klei- |
| nere - immer in Drehrichtung der Luft gemessen -
Winkelab- |
| stände möglich sind, dann können sie entsprechend angewen- |
| det werden. |
| Die Draufsicht auf den Kolbenboden nach Big. 3 neigt, dal |
| der Brennraum längs der Verbindungslinie zwischen
Ilissprits.4 |
| düse und Elektrode um ein Maß a in Richtung
zur Elektrode |
| hin etwas versetzt ist, wenn aus konstruktiven
Gründen der |
| Abstand der Elektrode zur Zylindermitte unter-üaständen |
| etwas größer sein nuß als bei einen mittigen Brennraum, |
| (Fig. 1). Dadurch können andernfalls erforderliche Korrek- |
| turen der elektrodennahen Wandkontur vermieden werden. |
| Fig. 4 zeigt wiederum eine Draufsicht auf den
Kolben. Hier |
| weist der Brennraum senkrecht zu einer Verbindungslinie |
| zwischen Einspritzdüse 5 und Elektrode 7 eine parallele |
| Verschiebung b auf. Diese Anordnung ist insbesondere
bei |
| einem Vielstoffmotor von Vorteil. Man kann
hier den ßtr-ahl---. |
| auftreffpunkt näher an die Blektrodenzone heranbringen, |
ohne aber gleichzeitig durch einen mehr von der Brennraumwand
weggerichteten Strahl den Anteil des luftverteilten . Kraftstoffes in unerwünschter
Weise zu vergrößern. Gegebene. falls können die beiden Verschiebungen a und b auch
gleich--zeitig angewendet werden.
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Die Elektrode sollte vorzugsweise in einer zur Zylinderlängsachse
parallelen Lage eingebracht werden. leichte, etwa konstruktiv bedingte Schräglagen
dieser Elektrode um einen Winkel 14 (Fig. 5) sind zulässig, solange sich der Abstand
der Elektrode von der Brennraumwand durch die Kolbenbewegung im Bereich der
Zündzeitpunkte dabei nur in kleinen Grenzen ändert. Etwas größere Abweichungen werden
gegebenenfalls durch eine schwach keilförmig ausgebildete Elektrode ausgeglichen,
wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.