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Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung und unterteiltem Brennraum
Es ist bekannt, bei Brennkraftmasehinen mit unterteiltem Brennraum den Brennstoff
in oder vor den Verbindungskanal zwischen dem den Hauptbrennraum bildenden Zylinderraum
und dem abgeteilten Raum zu spritzen, um die in diesem engen Kanal herrschende starke
Strömung für eine innige Vermischung von Brennstoff und Luft auszunutzen. Bei einigen
Bauarten erfolgt die Einspritzung durch die abgeteilte Vorkammer hindurch in der
Richtung gegen den Zylinderraum, während bei anderen Maschinen, den sogenannten
Luftspeichermotoren, in umgekehrter Richtung vom 'Zylinderraum her gegen den Verbindungskanal
oder Hals in den Speicher gespritzt wird. Dabei soll die aus dem abgeteilten Raum
während des Ausdehnungshubes zurückströmende Luft noch nachträglich mit dem Brennstoff
vermischt und für die Verbrennung nutzbar gemacht werden.
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Die Strömungsverhältnisse der durch den Kolben während des Verdichtungshubes
verdrängten Luft bringen .es mit sich, daß der eingespritzte Brennstoff in der gesamten
Luftmenge sehr ungleichmäßig verteilt wird. Während die vor der Einspritzung in
den abgeteilten Raum verdrängte Luft überhaupt keinen Brennstoff erhält, ergibt
die Mischung am Anfang der Einspritzung infolge der starken Luftströmung einen zu
reichlichen Luftüberschuß. Je .mehr sich der Kolben dem Totpunkte nähert, um so
mehr verlangsamt sich die Geschwindigkeit der verdrängten Luft im Verbindungskanal,
während umgekehrt der Brennstoffstrahl die gleiche Stärke beibehält oder eher noch
wächst. Die während der Kolbenumkehr in der Nähe der Einspritzstelle befindliche
Luft wird also viel. zu reichlich mit Brennstoff überladen, wodurch eine vollkommene
Verbrennung ausgeschlossen ist. Beim Ausdehnungshub soll sich zwar die aus dem abgeteilten
Raum zurückströmende Luft nachträglich mit dem übersättigten Gemisch vereinen, was
bei dein bisherigen Bauarten aber nur mangelhaft möglich ist. Denn diese unverbrauchte
Speicherluft wurde durch die Verbrennung in den dem Verbindungskanal abgekehrten
toten Winkel des Speichers zurückgedrängt, und zwischen ihr und der Einspritzstelle
hat sich eine die Vermischung hindernde Wand von verbrannten Gasen gebildet. Bis
die Speicherluft infolge der Ausdehnung zum Verbindungskanal gelangt, ist die Einspritzung
beendet und die mit Brennstoff überladene Gasschicht in den Zylinderraum abgewandert,
so daß die Speicherluft nur noch wenig an der Verbrennung teilnimmt und höchstens
Nachbrennen verursacht.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur besseren Vermischung der
Speicherluft mit dem Brennstoffstrahl die Verbindung zwischen Zylinderraum und abgeteiltem
Brennraum aufzuteilen in einen Hauptkanal und mehrere Nebenkanäle. Letztere münden
aber in einem dem Verbindungskanal zugekehrten toten Winkel des abgeteilten Brennraumes
aus, in dem
sieh keine unverbrauchte Speicherluft vorfindet, weil
durch diese Nebenkanäle während des ersten Teils der Verbrennung ebenfalls brennende
und übersättigte Gase in den Speicherraum ausgeblasen wurden. Im Gegensatz dazu
ist bei vorliegender Erfindung die Verbindung zwischen Zylinderraum und abgeteiltem
Brennstoff so gestaltet, daß mindestens seine Nebenverbindung von der dem Hauptverbindungskanal
abgekehrten Seite des abgeteilten Brennraumes abgeleitet ist, wohin die vom Brennstoff
nicht erreichte Speicherluft verdrängt wurde. Ferner mündet diese Nebenverbindung
im Hauptkanal oder vor dessen Ausgang in den Zylinderraum derartig aus, daß durch
sie kein Brennstoff in den abgeteilten Brennraum eindringt und daher nach Umkehr
der Strömungsrichtung nur unverbrauchte Luft aus dem toten Winkel des Speichers
dem übersättigten Gemisch zugeleitet und zur Verbrennung mitverwertet wird.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in drei Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen senkrechten Querschnitt des ersten Beispiels,
Fxg.2 einen Querschnitt der zweiten Ausführungsform und Fig.3 die dritte Ausführung
ebenfalls im Querschnitt.
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Fig. q. zeigt eine Einzelheit der Fig. 3 in abgeänderter Ausführungsweise.
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In Fig. i bedeutet a den Kolben, der möglichst nahe gegen den Zyhnderderkel
heranläuft, damit der größte Teil der Verbrennungsluft beim Verdichtungshub durch
den Hauptkanal b in den abgeteilten Brennraum oder Luftspeicher c verdrängt wird.
Im Dekkel des letzteren befindet sich die Brennstoffdüse d, die in einem derartigen
Abstande vom Kanal b angeordnet ist, daß der Brennstoffstrahl diesen in seiner Hauptausdehnung
überdeckt und sich gleichmäßig mit der entgegenströmenden Luft vermischt. An der
dem Kolben zugekehrten Seite des Hauptkanals b mündet die Nebenverbindung e,- die
den Hauptkanal, mit der oberen Seite des abgeteilten Brennraumes e verbindet.
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In der gezeichneten Stellung steht der Kolben a im Totpunkt. Die Luftströmung
aus dem Zylinder in den abgeteilten Brennraum hat aufgehört, da der Überdruck im
letzteren infolge der eingetretenen Verbrennung den Verdichtungsdruck des Kolbens
ausgleicht. Nimmt man an, daß im Punkt/ ungefähr - der Mittelpunkt des Mischungsvorganges
zwischen Brennstoff und Luft und somit der eigentliche Zündungsherd liegt,, so -pflanzt
sich von hier aus -die Verbrennung in ringförmigen Wellten nur in das Innere des
Brennraumes c fort, solange in diesem die Luftströmung aus dem Zylinder andauert.
Die in Fig. i gezeichneten punktierten Kreislinien stellen diese Verbrennungsschichten
dar, die nicht nur einen vom Zündungsherd/ aus allmählich zunehmenden Fortschritt
des Verbrennungsstadiums von der Peroxyd- bis zur Kohlensäurebildung andeuten, sondern
von denen jede Schicht gegenüber der benachbarten auch ein anderes Mischungsverhältnis
zwischen Brennstoff und Luft aufweist, da infolge der schnell abnehmenden Luftzufuhr
aus dem Zylinder das Gemisch in den äußeren Schichten zu luftreich, in der Nähe
der Zündstelle i aber zu brennstoffreich ist.
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In Fig. i ist die äußerste ringförmige Verbrennungsschicht im Brennraum
c schraffiert gezeichnet und deutet an, daß hier die Verbrennung bereits vollständig
durchgeführt ist und sich eine immer dichter und breiter werdende Zone von Abgasen
angesammelt hat, die der darüberliegenden Schicht unverbrauchter Luft den Zutritt
zum Zündungsherd versperrt. Dieses ist diejenige Luft, die sich bereits vor Beginn
der Einspritzung im abgeteilten Raume befand, und diese kann in letzterem auf den
Verbrennungsvorgang keinen Einfluß mehr ausüben. Denn erstens erschwert die äußere
Wand von Abgasen um die Verbrennungszone den Zutritt weiterer Luft zum Brennherd
(der auch entgegen der Richtung des Verbrennungsüberdruckes erfolgen müßte), und
zweitens haben die äußeren Verbrennungsschichten bereits von Anfang an einen derartigen
Luftüberschuß erhalten, daß sie nachträglich nicht noch weiteren Sauerstoff benötigen
und aufnehmen können.
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Sobald aber hinter dem Totpunkt .die Rückströmung aus dem abgeteilten
Raum c einsetzt, kommt dne Wirkung der Nebenverbindung e gemäß der Erfindung zur
Geltung. Bei den bisherigen Ausführungen ohne diese Abzweigung fand der um den Zündungsherd
f im Totpunkt zu reichlich angesammelte Brennstoff nur die geringe Sauerstoffmenge
vor, die in der Luft im Verbindungskanal und vor diesem über dem Kolbenboden enthalten
äst. Der letztere Teil dieser Luft kommt aber nur wenig zur Geltung, da er sich
in dem schnell wachsenden Zylinderraum verteilt und von dem forteilenden Kolben
nachgesogen wird, also dem Brennstoff gewissermaßen davonläuft. Bei der Anordnung
gemäß der Erfindung kann aber die während des Verdichtungshubes in die Nebenverbindung
e und in den dem Hauptkanal abgekehrten toten Winkel des Brennraumes e verdrängte
unverbrauchte Luft sofort nach der Strömungsumkehr zu dem @ übersättigten Brennstoffgemisch
hinzutreten
und, da sich die beiden Bewegungsrichtungen annähernd rechtwinklig schneiden, sich
gut mit ihm vermischen. Diese Zufuhr unverbrauchter Speicherluft zum Brennstoff
und bereits in Verbrennung übergegangenen Gemisch dauert so lange an, als eine Rückströmung
aus dem abgeteilten Brennraum stattfindet.
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Die zweite Ausführungsform nach Fig. z unterscheidet sich von der
ersten nur dadurch, daß der abgeteilte Brennraum c'' als napfförmiger, auswechselbarer
Einsatz aus hitzebeständigem Stahl ausgebildet ist, bei dem mehrere nach allen Richtungen
radial verteilte Nebenverbindungen e' vorgesehen sind, um die Speicherluft von allen
Seiten zwecks guter Vermischung in feine Strahlen zerlegt zuzuführen. Im übrigen
ist die Wirkungsweise dieselbe wie in Fig. i, da der ringförmige Mantelraum g um
den Speichereinsatz sich an die Nebenverbindung.e' anschließt.
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Fig.3 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der die Düse d' in schräger
Richtung von der Zylinderseite her in den Hauptkanal b' einmündet. Hier wird der
Brennstoffstrahl demnach im Gleichstrom mit der vom Kolben a' in den Speicher c"
verdrängten Luft eingeblasen, im Gegensatz zu der Gegenstromeinspritzung der beiden
ersten Ausführungsbeispiele. Die Nebenverbindung wird hier durch eine oder mehrere
im Trichtereinsatz b' angebrachte seitliche Bohrungen,e" gebildet, die .nach oben
kaminartig in den Speicherraum c" hineinragen, um die in den oberen toben Winkel
desselben verdrängte Luft zu erfassen.
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In den beiden Ausführungsbeispielen nach Fig. i und 3 ist der abgeteilte
Brennraum seitlich von der Zylinderachse versetzt angeordnet, um Platz für die im
Zylinderdeckel vorgesehenen Ventile zu gewinnen. Diese Anordnung besitzt aber den
Nachteil, daß der aus dem Kanal b bzw. b' austretende brennende Gemischstrahl, der
wie eine Stichflamme wirkt, direkt gegen die Laufwandung des Zylinders gerichtet
ist, besonders bei der Ausführung nach Fig.3 mit schräg gegen die K6lbenlaufbahn
gerichtetem Trichter b'. Dadurch wird das auf der Laufbahn haftende Schmieröl verbrannt
und die Zylinderwandung überhitzt und beschädigt. Um dieser einseitigen Wärmestauung
abzuhelfen, hat der Trichtereinsatz b' nach Fig. 3 die aus Fig. 4 ersichtliche abgeänderte
Form erhalten, `bei der der Hauptkanal b" nach unten eine scharfe Biegung gegen
die Zylindermitte hin aufweist. Dadurch wird der brennende Gemischstrahl von der
Zylinderwandung ferngehalten und gegen die Mitte abgelenkt, wo er am Kolbenboden
abprallt und sich allseitig verteilt. Die scharfe Biegung im Hauptkanal b" hat gleichzeitig
den Vorteil, daß der Brennstoff in die durch diese Biegung verursachten Strömungswirbel
eingeblasen wird, die eine gute Mischung mit der Luft begünstigen. Die gleiche Abbiegung
nach der Zylindermitte kann auch der Hauptkanal b, in der Ausführung nach Fig. i
erhalten.