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Betriebsverfahren für Vorkammerdieselmaschineri Bei Vorkammerdieselmaschinen
ist es bekannt, zwei Vorkammern mit verengtem Übergangsquerschnitt hintereinander
zu schalten und den Brennstoff axial einzuspritzen. Man hat auch schon Vorkammern
verschiedenen Querschnitts angewandt und dabei eine derselben verhältnismäßig schlank
ausgeführt.
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Bei Vorkammerdieselmaschinen, insbesondere solchen für Schweröl, die
z. B. für Kraftwagen Verwendung finden sollen, sind die Betriebsverhältnisse außerordentlich
vielgestaltig. Bei sinkender Last und sinkender Tourenzahl neigen diese hfaschinen
leicht zu Klopfen und Stoßen. Sie werden in ihrer Arbeitsweise labil, fallen ab
und bedürfen einer Sonderregelung, wenn man nicht sogar noch gezwungen ist, bei
Mehrzylindermaschinen durch Abschalten von Zylindereinheiten befriedigenden Leerlauf
mit niedrigen Tourenzahlen im Dauerbetrieb herzustellen.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf ein Betriebsverfahren für Vorkammerdieselmaschinen
mit Durchspritzen des axial eingeführten Brennstoffstrahles durch eine verhältnismäßig
schlanke Vorkammer und besteht darin, daß in Anpassung an stark veränderliche Maschinendrehzahlen
der Einspritzdruck und damit die Durchschlagstrecke des Brennstoffstrahles derart
veränderlich gewählt wird, daß das Verhältnis dieser Strecke zu der mittleren Geschwindigkeit
der einströmenden Luft annähernd gleichbleibt.
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Weitere Merkmale der Erfindung bestehen in der besonderen Ausbildung
des Verfahrens sowie der Vorkammermaschine selbst. Die Erfindung erzielt einen weichen,
elastischen Gang nebst rauchfreier Verbrennung bei weitgehender Regulierfähigkeit
in bezug auf die Tourenzahl.
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Die Erfindung läßt sich in verschiedener Weise ausführen. Sie ist
in der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen veranschaulicht, und zwar zeigt:
Abb. z einen Längsschnitt durch das Kammersystem einschließlich der Einspritzdüse
bei Unterbringung desselben im Zylinderkopf, Abb. 2 einen Schnitt durch den hierbei
zu verwendenden Aufnehmer nach Linie A-B der Abb. i und Abb.3 einen Längsschnitt
durch das Kammersystem einschließlich der Einspritzdüse, wenn deren Anordnung seitlich
am Zylinder selbst erfolgt, während Abb.4 die dann zweckmäßig zu erstrebende Form
des Aufnehmers wiedergibt, 4 Abb. 5 zeigt ein Diagramm, das das ungefähre Verhältnis
der Durchschlagstrecke zu der mittleren Geschwindigkeit der einströmenden Luft angibt.
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In dem Zylinderkopf a1 ist nach den Abb. z und 2 in dem allseitig
vom Kühlwasser umspülten Zylindermantel b ein Kammersystem einschließlich der Einspritzdüse
untergebracht. Die Anordnung besteht aus der Einspritzdüse c, dem Düsenhalter
d, dem die Vorkammer h bildenden Zwischenstück e und dem Aufnehmer
f.
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Der Düsenhalter d trägt noch den Hilfskanal g für den Brennstoffstrahl
i und wird
durch das den Zylindermantel b umgebende Kühlwasser
gekühlt.
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Das Zwischenstücke, das- in seinem oberen Teil die Vorkammer h bildet,
ist im unteren Teilzum ,Vorkammerhals i für die Vorkammer ji.verengt. Die eigentliche
Vorkammer h ist w%; der Düsenhalter d wassergekühlt, während der Vorkammerhals i
nur mittelbar durch Zwischenschaltung eines isolierenden Luftmantels k an der Kühlung
teilnimmt.
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Der Aufnehmer f ist in das Zwischenstück so eingesetzt, daß dabei
die Xachbrennkammer 1, -»i gebildet ist, die in an sich bekannter Weise als
Umdrehungskörper mit einem kegeligen Querschnitt ausgebildet ist, so daß in ihr
die einströmende Luft wie die abströmenden Brenngase eine wirbelringförmige Bewegung
erhalten, andererseits aus dem eigentlichen Aufnehmerraum m besteht, der
in die Verbindungskanäle n übergeht, die die Verbindung mit dem Arbeitszylinder
a herstellen. Das zentral im Aufnehmer f angeordnete pilzförmige Einsatzstück o
ist durch zwei oder mehrere Stege P mit dem,
Außenmantel des Aufnehmers f
verbunden. Durch die Stege p werden im Zusarnmenhange mit dem Außenmantel des Aufnehmers
die Kanäle q gebildet, die durch die entsprechend durchbrochene Wand des Zylindermantels
b der Kühlwasserzufuhr zum Innern y des pilzförmigen Einsatzstückes o dienen.
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Der freie Raum s, der zwischen dem Zylinderkopf a1 und dem Kolbenboden
t A nach Beendigung des Kompressionshubes verbleibt, wird so gering bemessen, als
es praktisch überhaupt möglich ist. Annähernd alle vom Kolben ac angesaugte Verbrennungsluft
muß demnach in das Kammersystem übertreten.
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Der Aufnehmer f und das Zwischenstück e sind so miteinander verbunden
und in den Zylindermantel b eingesetzt, daß ein Übertritt des Kühlwassers in den
Luftraum k mit Sicherheit vermieden ist.
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In dem Diagramm nach Abb. 5 ist in. Abhängigkeit von der Drehzahl
als Äquivalent für die Durchschlagstrecke der Druck des Ölstrahles in Atm. in der
Vorkammer h, und zwar am Manometer des .Ölpumpenakkumulators gemessen, und weiter
die mittlere Einströmgeschwindigkeit der Luft am Kammerhals, die erfindungsgemäß
im annähernd gleichbleibenden Verhältnis zur Durchschlagstrecke bleibt, dargestellt.
Aus den Kurven ergibt sich, daß die Durchschlagstrecke des eingespritzten Brennstoffs
in annähernd gleichbleibendem Verhältnis zur mittleren Einströmgeschwindigkeit bleibt.
Die Kurven sind nach den theoretischen Verhältnissen dargestellt.
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Bei der Ausführung nach den Abb. 3 und 4 ist das Kammersystem einschließlich
der Einspritzdüse neben dem Mantel und parallel zur Längsachse des Zylinders a angeordnet,
und in. der Mehrfach unterteilten Zylinderkammer b eingebaut, die außen vom Kühlwasser
umflossen wird. An die Brennstoffdüse c schließt @',Mch. wiederum der Hilfskanal
g an, der in die :-üÜ@eittelbar durch eine Verlängerung der Zy-0:iiikrkammer
b gebildete Vorkammer k ein-:m%tndet.
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Das Zwischenstück e bildet den Vorkammerhals i, dem der das pilzförmige
Einsatzstück o tragende Aufnehmer f vorgelagert ist, der ferner zur Bildung der
Nachbrennkammer l dient. An die Nachbrennkammer I schließt sich der Raum
na
an, der mit den Verbindungskanälen n in den Zylinderraum übergeht. Die
Kanäle n werden wiederum so gering bemessen, daß nach Beendigung des Kompressionshubes
nur soviel Spiel zwischen dem Zylinderkopf a1 und dem Kolbenboden t verbleibt, als
praktisch unumgänglich notwendig, so daß auch bei dieser Anordnung praktisch alle
Verbrennungsluft in das Kammersystem übertreten kann.
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Das pilzförmige Einsatzstück o und der Aufnehmer f, die im Zylinderkopf
a1 untergebracht sind, erhalten durch die Schlitze v und den Hohlraum w ausreichende
Wasserkühlung, durch die auch die Nachbrennkammer 1 so wesentlich mitgekühlt wird,
daß alle der Nachbrennkammer benachbarten Wände teils mittelbar, teils unmittelbar
an der Kühlung "teilnehmen. Das Zwischenstück e und die Zylinderkammer
b
schließen den um den Vorkammerhals i angeordneten Luftraum k ein. Der Vorkammerhals
i
ist also lediglich mittelbar gekühlt, während die Vorkammer h und die Brennstoffdüse
c unmittelbare Kühlung erhalten.
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Der Arbeitsvorgang ist bei beiden Anordnungsmöglichkeiten. des Kammersystems
der gleiche. Beispielsweise sei er an Hand der Ausführung nach den Abb. 3 und 4
beschrieben: Der Ansaughub sei beendet und der Arbeitszylinder a mit Frischluft
gefüllt. Vom Beginn des Kompressionshubes bis zu dessen Ende tritt dann die Luft
über die Kanäle na, n in die Nachbrennkammer 1, den Vorkammerhals
i und die Vorkammer h ein. Durch die besondere Ausbildung des Querschnitts
zwischen dem pilzförmigen Einsatzstück o und der Nachbrennkammerwandung erhält die
übertretende Luft eine wirkungsvolle wirbehzngförrnige Bewegung.
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Kurz vor Beendigung des Kompressionshubes wird der Brennstoff aus
der Düse c durch den Hilfskanal g und die Vorkammer h in einem schlanken vollen
Strähl in den Vorkammerhals i eingespritzt.
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Das Förderaggregat für das Brennöl (Pumpe oder Akkumulator) und die
Brennstoffdüse c führen nun dem Kammersystem den Brennstoff so zu, daß unabhängig
von der Tourenzahl, auf die die Maschine einreguliert wird, der Brennstoff auf die
in die Vorkammer h einströmende Luft stets nur in solchem Umfange nahe dem
Wirbelquerschnitt
im Vorkammerhals i aufgeteilt wird, daß der Zündbeginn unbedingt an dieser Stelle
einsetzen muß. Der Zündbeginn und die ihm im Augenblick entsprechende Teilexplosion
greift, gleichgültig unter welcher Last und mit welcher Tourenzahl gefahren wird,
stets so auf den zeitlich nachfolgenden Rest des Brennstoffes über, daß die Vorkammer
h gleichzeitig aber auch die Nachbrennkammer l in wachsendem Maße zur Verbrennung
bzw. zur Schlußverbrennung herangezogen werden, bis durch restlose Ausnutzung des
Luftvorrats einer weiteren Steigerung Grenzen gezogen sind.
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Das Brennstofförderaggregat und die Brennstoffdüse c erfüllen danach
also die Aufgabe, eine gleichbleibende Aufteilung des Brennstoffes in einer ganz
bestimmten Entfernung vom Austritt aus der Brennstoffdüse c bei allen Tourenzahlen
also auch bei Änderung der Strömungsenergie der in die Vorkammer h einströmenden
Luft zu gewährleisten. Neben dieser Aufgabe erfüllen sie aber noch die weitere,
das Ende der Einspritzung so zu legen, daß nach dem Umkehren der Kolbenbewegung
aus dem Kompressions- in den Expansionshub, also dann, wenn unter dem Einfluß einer
Teilexplosion in der Vorkammer und der Kolbenumkehr sich ein dauerndes Abströmen
brennender Ölgase aus dem Vorkammerhals i in die Nachbrennkammer 1 eingestellt hat,
kein Brennstoff mehr in das Kammersystem gelangt. Die Spritzzeit wird dabei durch
-einen sich über alle Betriebsverhältnisse annähernd gleichbleibenden Kurbelwinkel,
der zwischen Beginn und Ende der Einspritzung durchfahren wird, bestimmt.
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Im Leerlauf, bei niederen Tourenzahlen, leitet die Zündung des in
der Nähe des pilzfQrmigen Einsatzstückes ö erhaltenen zündfähigen Gemisches hier,
das heißt also im Anfangsteile des Vorkammerhalses, eine Teilverbrennung ein, die
auf den restlich folgenden Brennstoff übergreift, ihn auflockert und so zur Verbrennung
heranzieht, ohne daß aber die als Hauptbrennraum dienende Vorkammer h auch nur zu
einem wesentlichen Teile mit ihrem Gesamtvolumen an der Verbrennung teilnimmt. Die
Anfangszündung der Teilverbrennung hat ihre Wirkung auch auf die Nachbrennkammer
1 erstreckt, der als einem zusätzlichen Wirbelraum die Aufgabe der Einleitung und
Beendigung der Schlußverbrennung zukommt.
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Wird jetzt die Brennstoffmenge vergrößert, so wird auch der Maschine
ein größerer Kraftimpuls erteilt, sie nimmt höhere Tourenzahlen auf. Damit wächst
die Strömungsenergie der in das Kammersystem übertretenden Luft und damit auch die
Wirbelung um das pilzförmige Einsatzstück o zwangsläufig. Das Brennstoffförderaggregat
sorgt deshalb durch entsprechende Regelung dafür; daß dem Brennstoffstrahl ein solcher
Energiezuwachs erteilt wird, daß die vorerwähnte Bedingung der Aufteilung des Brennstoffes
auf die Verbrennungsluft und der Beginn des Zündens am gleichen Ort unveränderlich
erhalten bleiben.
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Bis zur Vollast nimmt die Brennstoffmenge zu und von Intervall zu
Intervall auch die Tourenzahl und damit die Strömungsenergie der Luft am Wirbelquerschnitt
bzw. im Vorkammerhals i. Entsprechend sorgt das Brennstofförderaggregat für eine
Aufregulierung der Spritzenergie, damit für gleichbleibend günstige Brennstoffaufteilung
am Wirbelquerschnitt des Einsatzstückes o, an dem die Zündung immer wieder einsetzt.
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Mit wachsender Tourenzahl und wachsender Luftströmung dringt letztere
immer weiter in den Vorkammerhals i vor, gelangt schließlich in den Hauptbrennraum
bzw. die Vorkammer h hinein und breitet dadurch die Verbrennung der gleichfalls
wachsenden Brennstoffmenge über den ganzen Vorkammerhals i und die Vorkammer h immer
mehr aus.
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Ähnlich wie die Vorkammer h in wachsendem Maße mit wachsender Tourenzahl
und Maschinenbelastung an der Verbrennung teilnimmt, geschieht das gleiche mit der
Nachbrennkammer 1. Hier kommt zunächst gleichbleibend immer nur ein Teil der Verbrennung,
die gleichbleibend am Wirbelquerschnitt des Einsatzstückes o einsetzt, zur Wirkung,
um dann mit wachsendem Umfang der Gesamtverbrennung zu steigen.
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In allen Betriebsfällen findet aufbereitende Verbrennung im Zylinder
a nicht mehr statt. Beim Abregulleren der Maschine in Last und Tourenzahl treten
die umgekehrten Verhältnisse ein.
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Der konische Hilfskanal g vor der Einspritzdüse c nimmt an der Verbrennung
nicht tätig teil. Er hat lediglich den Zweck, die Erreichung der Leerlauftourenzahl
dadurch zu erleichtern, daß er eine weitere Entfernung des Austritts des Strahles
aus der Einspritzdüse vom Wirbelquerschnitt des Einsatzstückes o und somit die Herabminderung
des Energieinhaltes des Brennstoffadens ermöglicht. Der Hilfskanal g kann dann in
Fortfall kommen, wenn mit dem Brennstofförderaggregat ein entsprechend geringerer
Energieaufwand auch bei niedrigster Leerlauftourenzahlhervorgebracht werden kann.
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Die Auswirkung des neuen Betriebsverfahrens für Vorkammerdieselmaschinen
macht sich augenfällig dadurch bemerkbar, daß bei ruhigem Gang der Maschine jede
Tourenzahl zwischen Leerlauf und Vollast im Dauerbetrieb gefahren werden kann, daß
weiterhin beim Herauf- und Herunterregulieren der Tourenzahl keine Klopferscheinungen
auftreten, daß ferner eine einwandfreie Verbrennung ohne jede Rauchbildung bei allen
Tourenzahlen und auch während des Regulierens erzielbar ist und der Ablauf der
Verbt
ennung außerhalb des Zylinders a weder diesem noch dem Kolben u und seinen Ringen
und dem. Auspuffventil unerwünscht hohe Temperaturen zumuten.
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Bezüglich der Vorteile der Arbeitsweise des neuen Verfahrens sei weiter
noch kurz folgendes angeführt Wahrscheinlich hängt die hier und da bei Vorkänunerdiesehuaschinen
beobachtete Störung des Gleichgewichts allein mit der Herabregulierung der Tourenzahl
zusammen. Da nämlich sowohl der Einspritzdruck als auch der Weg, der vom Brennstoffstrahl
in der Vorkammer bis zu seiner endgültigen Begrenzung unter allen Betriebsverhältnissen
durchmessen werden kann, gleich bleibt, die Bedingungen für die mechanische Zerstäubung
des Brennstoffadens in bezug auf Druck und Weg also praktisch keine Änderung erfahren,
so iuuß als wesentliche Ursache der Störung des Gleichgewichts die sich mit sinkender
Tourenzahl zwangsläufig ergebende Verminderung der Wirbelenergie beim Übertritt
der Luft in die Vorkammer angesehen werden.
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Praktische Versuche über verschiedene absolut mögliche Längen des
Spritz`veges, die sich nach der Vollast zu verkürzen, ergeben nun, daß dadurch der
Ort, an dem die. erste Zündung eintritt, eindeutig über alle Tourenzahlen festgelegt
werden kann und daß damit in jedem Betriebsfall stoßfreier, elastischer und stabiler
Gang in der Maschine erzielt wird. Wenn die Zündung stets an dem gleichen Ort einsetzt,
kann das als Bestätigung dafür angesehen werden, daß sich der relative Wert aus
Luftwirbelung und Spritzenergie in bezug auf die jeweilige Tourenzahl in jedem Belastungsfalle
gleichbleibt, eine Bedingung, die grundlegend ist für das beschriebene neue Betriebsverfahren
und die damit zu erzielende günstige Wirkung.
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Praktische Versuche mit dem Gegenstande der Erfindung ergaben weiter,
daß einwandfrei außerhalb des Zylinderraumes zu Ende geführte Energie schaffende
Verbrennung nur dann möglich ist, wenn das Ende der Einspritzung äußerst mit dem
Beginn des Abströmens der brennenden Ölgase aus der Vorkammer b bzw. dem Vorkammerhals
i in die Nachbrennkammer 1, hervorgerufen durch die Umkehr der Kolbenbewegung, zusammenfällt.
Ist das nicht der Fall, so wird keine reine Verbrennung erzielt, und der Verbrennungsbereich.
wird Zweit in den Expansionshub hineinverlegt. Das ist nur so zu erklären, daß der
nach Umkehr der Kolbenbewegung noch eingespritzte Brennstoff durch die bereits austretenden
Ölgase mit in die Nachbrennkammer 1 gelangt, die nun nicht mehr der Schluß, sondern
Zriehnehr zum großen Teil, und zwar unter sehr ungünstigen Bedingungen, der Fortfühnmg
der Hauptverbrdnnung dient und damit Voraussetzung dafür gibt, daß die Hauptverbrennung
selbst im Zylinderraum zu Ende geführt wird. Die in der Vorkammer h befindliche
Luft wird dabei erst außerhalb der Vorkammer zur Mischung und Verbrennung herangezogen.
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Bei der richtig verlaufenden Einspritzung dagegen findet die Hauptverbrennung
nur im Vorkammerhals i und bei wachsender Last unter ständig wachsendem unmittelbaren
Anteil der Vorkammer h statt, wie die Beobachtung der Brennzonen in dem Kammersystem
einwandfrei erkennen lassen. Damit wird die Nachbrenrikammer l zum zusätzlichen
Wirbelgebiet für die aus dem Vorkammerhals i über den Wirbelquerschnitt des Einsatzes
o austretenden brennenden Ölgase, der die Schlußverbrennung beherrscht, ohne daß
dem Zylinder, dem Kolben, den Ringen und dem Auspuffventil unerwünscht hohe Wärmegrade
zugemutet werden.