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Luftverdichtende, selbstzündende Brerlrikraftmaschine Die Erfindung
betrifft eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine, bei welcher der
flüssige Kraftstoff gegen Ende des Verdichtungshubes in den Zylinder eingespritzt
und unmittelbar auf eine Brennräumwand aufgetragen und dort in Filmform ausgebreitet
wird. Die Brennraumwand ist dabei auf einer Temperatur gehalten, die unter der thermischen
Zerfalltemperatur des Kraftstoffes, aber noch in dessen Siedebereich liegt. Um den
Kraftstoff in Filmform auf der Brennraumwand auszubreiten, erfolgt dessen Auftragung
auf die Wandung des Brennraumes in der Weise reflexionsfrei, daß eine möglichst
große Fläche der Brennraumwand mit Kraftstoff benetzt wird, der an der Wand häftenbleibt;
_ dies wird dadurch erreicht, daß ein oder mehrere Kraftstoffstrahlen bei jeweils
kurzer freier Strahlweglänge unter spitzem Auftreffwirikel auf die Brennraumwand
gerichtet sind. Die Verbrennungsluft; welcher bereits bei ihrem Eintritt in den
Zylinder eine Rotationsbewegung gleichsinnig zur Kraftstoffeinspritzung erteilt
wird, wird dabei mit hoher Geschwindigkeit an den Auftreff= stellen des Ikraftstoffes
und der filmartig vom Kraftstoff benetzten Wandungsfiäche vorbeigeführt; wodurch
der Kraftstoff, allmählich in Dampfform von der Wand abgelöst, mit der Luft vermischt
und verbrannt wird. Eine in dieser Weise arbeitende Brennkraftrnäschine ist in der
deutschen Patentschrift 865 683 beschrieben.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung der bekannten
Brennkraftmasehine durch besondere Maßnahmen hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung
und des Verdichtungsverhältnisses, welche eine zuverlässige Zündung gewährleisten,
ohne daß dadurch die Eigenschaften der bekannten Maschine im Hinblick auf geräuscharmen
Verbrennungsablauf und Wirtschaftlichkeit nachteilig beeinflußt werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende bekannte Maschine weist insofern
einen entscheidenden Fortschritt gegenüber allen sonstigen mit überwiegender Luftverteilung
des Kraftstoffes arbeitenden Brennkraftmaschinen auf, als durch die filmartige Auftragung
des Kraftstoffes an der Brennraumwand vorzeitige chemische Zerfallsreaktionen des
Kraftstoffes, die einen zu plötzlichen Verbrennungsablauf mit hohen Drucksteigerungen
und Auftreten von Klopfgeräuschen zur Folge haben, vermieden werden.
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Es hat sich nun aber gezeigt, daß bei einer filrriartigen Äuftragung
des Kraftstoffes auf die Brennraumwand mit Ablösung und Vermischung desselben in
Dampfform an die Zündung des so gebildeten Brennstoffdampf-Luft-Gemisches bestimmte
Anforderungen zu stellen sind, die bei der bekannten Maschine noch nicht in befriedigender
Weise erfüllt werden. Die Zündung in einer Dieselmaschine wird bekanntlich durch
die am Ende des Verdichtungshubes entstehende Kompressionswärme herbeigeführt. Während
nun bei Brennkraftmaschinen, welche mit ausgesprochener Luftverteilung des Kraftstoffes
arbeiten; in dieser Hinsicht keine Schwierigkeiten bestehen, da die Verdichtungsendtemperatur
über der Zündtemperatur des in die Luft eingespritzten Kraftstoffes liegt und der
in die Luft verteilte Kraftstoff im Dampfzustand den Zündpunkt der Flüssigkeit aufweist,
ist dies bei einem Gemisch; das aus an der Brennraumwand verdampftem Kraftstoff
und Luft besteht, wesentlich anders. Der Verdampfungsvorgang an der Brennraumwand,
der schnell aufeinanderfolgend nur Teilmengen erfaßt, läßt ein Brennstoffdampf-Luft-Gemisch
entstehen, dessen Zündpunkt so hoch liegt; daß es in der kurzen zur Verfügung stehenden
Zeit allein durch die Verdichtungsendtemperatur nicht mehr gezündet werden kann.
Denn der Zündpunkt derartiger Gemische liegt erfahrungsgemäß bei etwa 700° C, während
die bei der Kompression entstehende Endtemperatur nur etwa 500° erreicht. Würde
man also den Kraftstoff 100 1/aig auf die Wand verteilen und in dieser Verteilung
zur Verdampfung bringen; dann würde eine Zündung durch die Kompressionswärme.nicht
mehr zustande kommen: Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei der Bildung
eines Gemisches, welches aus an der Brennraumwand verdampftem Kraftstoff und Luft
besteht, zur Einleitung der Zündung ein luftverteilter Kraftstoffanteil erforderlich
ist; der eine bestimmte Mindestgrenze einhalten muß; damit in allen Betriebszuständen
eine zuverlässige Zündung gewährleistet ist. Diesem Umstand wird die bekannte, mit
Wandverteilung des Kraftstoffes arbeitende Brefinkraftmaschine
nur
in unvollkommener Weise insoweit gerecht, als zwangläufig auch dort mit der auf
die Wand verteilten Kraftstoffeinspritzung durch Randablösung eine gewisse Luftverteilung
verbunden ist, welche vom geschlossenen Kraftstoffstrahl abgesplitterte Kraftstoffteilchen
zur unmittelbaren Vermischung mit der Luft gelangen läßt, wodurch die Einleitung
der Zündung für das übrige Brennstoffdampf-Luft-Gemisch ermöglicht wird. Eine in
dieser Weise bewirkte Zündung ist jedoch unbestimmt, d. h. mehr oder weniger noch
dem Zufall überlassen, und führt zum Versagen, wenn die Wandverteilung des Kraftstoffes
über eine zulässige Höchstgrenze hinaus ausgedehnt wird, wie dies bei der bekannten
Maschine freigestellt ist. Andererseits gibt die bekannte Maschine auch noch keinen
Aufschluß darüber, wie bei Unterteilung der Kraftstoffeinspritzung in einen wand-
und luftverteilten Kraftstoffanteil bestimmter Größenordnungen das Verdichtungsverhältnis
zu wählen ist, welches für die Zündung des luftverteilten Kraftstoffes gleichfalls
eine Rolle spielt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese bei der bekannten Maschine
noch bestehenden Mängel zu beseitigen. Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß
bei einer Brennkraftmaschine mit Wandverteilung des Kraftstoffes der eingangs beschriebenen
Art der Hauptteil des eingespritzten Kraftstoffes, jedoch nicht mehr als 981/o,
in filmartiger Verteilung auf die Brennraumwand aufgetragen wird, während gleichzeitig
der restliche Teil des Kraftstoffes, mindestens aber 21/9 und höchstens so viel,
daß sich im Lauf der Maschine gerade kein wahrnehmbares Zündgeräusch mehr zeigt,
unmittelbar in die Verbrennungsluft eingespritzt wird, wobei das Verdichtungsverhältnis
so gewählt ist, daß eine Selbstzündung des luftverteilt eingespritzten Kraftstoffanteils
mit Sicherheit erfolgt, daß dagegen der auf die Wand aufgebrachte Kraftstoff allein
nicht zündet.
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Die Zündung wird sonach erfindungsgemäß als Selbstzündungsvorgang
eines bestimmten luftverteilten Kraftstoffanteiles, der eine Mindestgrenze nicht
unterschreiten und eine Höchstgrenze nicht überschreiten darf, sichergestellt. Die
Luftverteilung des Kraftstoffes liegt dabei zweckmäßig zwischen 2 und 10%. Dadurch
ergibt sich eine gute Stabilisierung der Zündung, und es erübrigt sich der Einbau
einer Hilfszündung, welche nach in der Dieselmotorentechnik bekannten Vorbildern
bei unsicheren Zündverhältnissen das nächstliegende wäre.
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Die Wahl des Verdichtungsverhältnisses, welche in der erfindungsgemäß
angegebenen Weise auf - die Zündeigenschaften des Luft- und wandverteilten Kraftstoffes
abgestellt ist, hängt natürlich auch von der Art des verwendeten Kraftstoffes ab
und wird mit durch den vorgegebenen Zylinderdurchmesser bestimmt. Das Verdichtungsverhältnis
einer Maschine gemäß der Erfindung liegt im Bereich der bei Dieselmaschinen üblichen
Werte, ist hierbei jedoch infolge der erfindungsgemäß vorgegebenen Bedingungen verhältnismäßig
eng begrenzt. Für den Betrieb mit Gasöl kommt beispielsweise ein Verdichtungsverhältnis
1 :17, bei Betrieb mit Benzin ein Verdichtungsverhältnis von etwa 1 : 20
in Betracht.
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Die Maschine gemäß der Erfindung ist weiterhin auch hinsichtlich der
Formgebung des Brennraumes an gewisse Voraussetzungen gebunden, die ähnlich wie
bei der bekannten Maschine im wesentlichen darin bestehen, daß erstens eine filmartige
Auftragung des Kraftstoffes möglich ist, zweitens die erforderliche Wandtemperatur
gewährleistet ist und drittens die Verbrennungsluft im Brennraum eine besonders
intensive, über die vom Kraftstoff benetzte Wandungsstelle hinwegstreichende Luftbewegung
ausführen kann.
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Praktisch kommen dabei in erster Linie Brennräume in Betracht, wie
sie in der deutschen Patentschrift 865 683 aufgezeigt sind. Auch die Luftbewegung
wird zweckmäßig in der gleichen Weise wie dort vorgesehen.
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Die Vorteile der erfindungsgemäß verbesserten Maschine gegenüber der
bekannten liegen darin, daß unter Beibehaltung der dieser letzteren eigentümlichen
ruhigen, stoßfreien Verbrennung bei geringer Abgastrübung und wirtschaftlichem Kraftstoffverbrauch
für alle Betriebszustände auch die Zündung des Brennstoffdampf-Luft-Gemisches in
einwandfreier Weise gewährleistet und stabilisiert ist.
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Zum Stande der Technik wird folgendes vermerkt: Über die reaktionskinetischen
Wirkungen einer Wandberührung des Kraftstoffes ist zwar schon früher berichtet worden,
jedoch ist dort, ungeachtet der erkannten Zusammenhänge, noch die Ansicht vertreten,
daß in der Wandberührung des Kraftstoffes ein den anordnungsgemäßen Ablauf der Gemischbildung
hemmender Vorgang zu sehen sei, da die Gemischbildung über die Brennraumwand einen
zeitlichen Umweg darstellt. Diese Anschauung trifft für die damals bekannten Ausführungsformen
von Dieselmotoren zweifellos zu. Durch die deutsche Patentschrift 865 683 sind jedoch
erstmals grundsätzlich und durch die Erfindung in verbesserter Form die Voraussetzungen
gegeben worden, unter denen man die Wandberührung des Kraftstoffes in vorteilhafter
Weise gegenüber der herkömmlichen Gemischbildung zur Anwendung bringen kann.
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Weiterhin ist auch bereits ein älterer Vorschlag bekannt, wonach bei
einem rotationskörperförmigen Brennraum mit taschenartigen Einschnitten an der Brennraumöffnung
der Kraftstoff durch einen dieser Einschnitte so eingespritzt wird, daß der Einspritzweg
längs der Brennraumwand verläuft und auf diese Weise Kraftstoff auf die Brennraumwandung
gelangt; hierbei soll durch die Einschnitte an der Brennraumöffnung eine Luftbewegung
herbeigeführt werden, welche die Zerstäubung des Kraftstoffes und Vermischung desselben
mit der Verbrennungsluft bewirkt. Auch diese vorbekannte Anordnung entspricht nicht
der Erfindung, da dort keine Maßnahmen vorgesehen sind, daß der Kraftstoff unvermischt
und filmartig auf die Wand kommt und daß gegebenenfalls auf die Wand gelangender
Kraftstoff so weiterbehandelt wird, daß er erstens nicht an der Wand vorzeitig chemisch
zerfällt und zweitens ohne einen solchen Zerfall in Teilmengen aufeinanderfolgend
im wesentlichen nur in Dampfform mit der Verbrennungsluft zur Vermischung gelangt.
Da bei der bekannten älteren Anordnung die innige Vermischung von hochzerstäubtem
Kraftstoff mit der Luft im Sinne der bisherigen Anschauung und im Gegensatz zur
Erfindung gewolltes Ziel und Ergebnis der dort vorgesehenen Maßnahmen ist, sieht
diese bekannte Brennraumanordnung eine Einspritzung des Kraftstoffes nicht nur in
Richtung der Luftbewegung, sondern in gleicher Weise entgegen der letzteren vor,
wodurch die beabsichtigte Zerstäubung und Luftverteilung des Kraftstoffes noch gesteigert
werden soll.