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Luftverdichtende Verbrennungskraftmaschine mit Einspritzung des flüssigen
Kraftstoffes in eine vom Arbeitsraum der Maschine abgesetzte Brennkammer Die Erfindung
bezieht sich auf eine luftverdichtende Verbrennungskraftmaschine mit Einspritzung
des flüssigen Kraftstoffes in eine vom Arbeitsraum der Maschine abgesetzte Brennkammer,
die gegen Ende der Verdichtung zwischen 40 und 100 1/ß der Verbrennungsluft aufnimmt
und die mit dem Arbeitsraum der Maschine durch einen oder mehrere in sie tangential
einmündende, in der Brennkammer einen geordneten Luftwirbel erzeugende übertrittskanäle
verbunden ist. Dabei wird der flüssige Kraftstoff tangential zum Luftwirbel in Richtung
der Luftbewegung eingespritzt.
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Die vom Arbeitsraum abgesetzte Brennkammer kann hier beispielsweise
nach Art einer rotationskörperförmigen kugeligen Wälzkammer, gegebenenfalls auch
mit flachen Endflächen oder auch als ein polygoner Hohlkörper ausgebildet sein.
Infolge der tangentialen Einmündung des übertrittskanals vom Arbeitsraum in die
Brennkammer entsteht in dieser eine heftige Drehbewegung der Luft. Dieser Luftwirbel
hat eine starke zentrifugierende Wirkung zur Folge, die ähnlich wie in einer Zentrifuge
zu einer selbständigen Scheidung von schwereren und leichteren Anteilen der Gasmassen
führt. Wird beispielsweise in eine solche wirbelnde Luftbewegung ein Brennstofftröpfchen
eingespritzt, so hat dieses Tröpfchen zunächst die Tendenz, von seiner Bal?n abzuweichen
und unter dem Einfluß der Drehbewegung nach außen, d. h. gegen die Brennkammerwand
zu fliegen, denn es besitzt eine wesentlich größere Massendichte als die rotierende
Luft. Verdampft nun dieses Tröpfchen und entzündet sich die entstehende Kraftstoffwolke,
dann erhöht sich deren Temperatur, und ihre Massendichte wird kleiner als die der
umgebenden Luft. Damit ist im Zentrifugalfeld zwangsweise der Weg nach innen, d.
h. nach der Rotationsachse des Luftwirbelkernes gegeben. Damit ergibt sich in einer
Brennkammer, die ein derartiges Wirbel- bzw. Zentrifugalfeld aufweist, eine zwangsweise
Schichtung der Ladung, indem außen an der Peripherie des Luftwirbels im wesentlichen
die noch nicht durch eine Verbrennung erwärmte Luft bzw. die schwereren Kraftstoffteilchen
sich ansammeln, während die spezifisch leichteren Bestandteile, also die brennenden
Teilchen oder stark erhitzten Gasteile, auf die Rotationsachse des Luftwirbelkernes
hingetrieben werden.
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Die verbrannten bzw. nur teilweise verbrannten heißen Gasteile können
aber aus dem Bereich des Luftwirbelkernes, der bekanntlich eine tote Zone darstellt,
nicht abströmen, da ja der üblicherweise angeordnete - einzige - übertrittskanal
an der Peripherie der Brennkammer in diese einmündet. Die oftmals nur halb verbrannten
Anteile, die sich im Bereich des Luftwirbelkernes befinden, kommen auf diese Art
während des Expansionsvorganges erst sehr spät aus der Brennkammer heraus und können
sich demgemäß mit dem im Hauptbrennraum (Arbeitsraum) der Maschine noch vorhandenen
Luftsauerstoff zur restlosen Verbrennung erst zu spät vermischen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, dafür zu sorgen, daß die genannten,
noch nicht vollständig verbrannten heißen Gasteile rechtzeitig aus dem Bereich des
Luftwirbelkernes in den Arbeitsraum der Maschine gelangen.
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Erfindungsgemäß sind bei der Verbrennungskraftmaschine der eingangs
beschriebenen Bauart in an sich bekannter Weise unabhängig von den übertrittskanälen
noch ein oder mehrere von der Brennkammer zum Arbeitsraum der Maschine führende
Nebenkanäle vorgesehen, die im Bereich der Rotationsachse des Luftwirbelkernes in
die Brennkammer einmünden.
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Außerdem muß dafür gesorgt werden, daß die durch diese Nebenkanäle
in die Brennkammer miteinströmende Kompressionsluft den eigentlichen Luftwirbel
in der Brennkammer hinsichtlich seiner Aufgabe, die Gemischbildung mit zu ermöglichen,
nicht wesentlich stören darf. Aus diesem Grund ist, wie an sich bekannt, der Gesamtquerschnitt
der Nebenkanäle kleiner als der des tangential in die Brennkammer einmündenden übertrittskanals;
er steht vorzugsweise im Verhältnis 1 : 1,5.
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Was die Anwendung der Erfindung bei den verschiedenen Arten von Verbrennungskraftmaschinen
anbelangt, kommt beispielsweise eine Hubkolben-
Brennkraftmaschine
in Frage, die eine im Kolben angeordnete, nach Art eines Rotationskörpers ausgebildete
Brennkammer aufweist. Hier sind nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, wie an
sich bekannt, am Maschinenkolben ein oder mehrere vom Zylinderraum der Maschine
her in die Brennkammer einmündende übertrittskanäle vorgesehen, die um eine mit
der Zylinderlängsachse zusammenfallende Durchmesserachse der Brennkammer längs am
Umfang eines zu dieser Achse senkrecht verlaufenden maximalen Kreises um diese Achse
angeordnet sind, auf welchem Kreisumfang die Kanäle in die Brennkammerwandung jeweils
unter einem flachen Anschneidwinkel derart tangential einmünden, daß durch sie beim
Kompressionshub ein um die Rotationsachse der Brennkammer kreisender Luftwirbel
erzeugt wird. Dabei weist die Brennkammer außerdem eine zum Zylinder führende, als
Nebenkanal für den Luftwirbelkern vorgesehene Öffnung mit kreisförmigem Querschnitt
auf, deren Rotationsachse mindestens angenähert mit der Rotationsachse des Luftwirbelkernes
zusammenfällt. Der eine oder beide übertrittskanäle bilden gleichzeitig die Durchtrittsöffnung
für den Kraftstoffstrahl. Erfindungsgemäß kann aber auch eine nur für den Kraftstoffstrahldurchtritt
geeignete Bohrung unabhängig von den Luftkanälen angeordnet werden. Es ist somit
die bei solchen Kolbenbrennräumen bisher für den gesamten Luft- bzw. Gasdurchtritt
vorgesehene halsartige Öffnung in ihrem Querschnitt derart verkleinert, daß sie
lediglich die Aufgabe zu erfüllen braucht, einen Nebenkanal zwischen dem Luftwirbelkern
und dem Arbeitsraum der Maschine zu bilden. Die übertrittskanäle können hierbei
gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung, in Richtung der Luftströmung gesehen,
entweder geradlinig oder bogen- bzw. spiralartig verlaufen, was an sich bekannt
ist. Bei spiralartigem Verlauf ist es angebracht, am Kolben eine besondere Durchtrittsöffnung
für den Kraftstoffstrahl anzuordnen.
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Ein weiteres kennzeichnendes Merkmal der Erfindung besteht noch darin,
daß wiederum in an sich bekannter Weise der Querschnitt der übertrittskanäle in
Richtung zur Arbeitsraummündung stetig oder leicht konisch zunimmt.
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Insoweit die erfindungsgemäßen Maßnahmen der Gasabführung aus der
Luftwirbelzone der Brennkammer bei Rotationskolben-Brennkraftmaschinen angewendet
werden, ist hier die Querschnittsachse jedes Nebenkanals an dessen Einmündung in
den Arbeitsraum der Maschine in einer durch den Querschnittsmittelpunkt gelegten
Ebene senkrecht zur Drehachse des Kolbens kürzer als in einer durch den gleichen
Punkt gelegten Ebene prallel zur Kolbendrehachse.
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Was den einschlägigen vorbekannten Stand der Technik anbelangt, wird
hierzu folgendes bemerkt: Es ist eine luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine
mit einer im Zylinderkopf angeordneten Brennkammer bekanntgeworden. Diese Brennkammer
ist mit dem Arbeitszylinder der Maschine durch einen mittig angeordneten Übertrittshauptkanal
und außerdem durch mehrere, am äußeren Umfang der Brennkammer vorgesehene Nebenkanäle
verbunden, welch letztere tangential in die Brennkammer einmünden. Beim Kompressionshub
des Kolbens wird der äußere Teil der Ladeluft im wesentlichen wirbelnd und der mittlere
Teil der Ladeluft im wesentlichen wirbellos in die Brennkammer übergeschoben, wobei
der flüssige Kraftstoff aus einer mittigen Mehrlochdüse teils in den wirbelnden
und teils in den im wesentlichen wirbellosen Luftteil der Brennkammer gespritzt
und damit verschiedenartig zerstäubt wird. Demnach stehen die bekannten Maßnahmen
jedenfalls hinsichtlich ihrer Aufgabenstellung und Wirkung in einem gegenüber dem
Anmeldungsgegenstand andersartigen kausalen Zusammenhang.
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Bei einer anderen bekannten Einspritzbrennkraftmaschine mit einem
im Kolben mittig angeordneten Brennraum ist dieser Brennraum zwar durch mehrere
übertrittskanäle mit dem Arbeitszylinder der Maschine verbunden, jedoch ist hier
im Kolbenbrennraum keine geordnete Wirbelströmung wie beim Anmeldungsgegenstand
beabsichtigt, so daß damit auch nicht das Problem auftritt, nämlich aus dem Bereich
eines sich nur bei einer gerichteten Luftströmung bildenden Wirbelkernes noch nicht
vollständig verbrannte heiße Gasteile hinsichtlich des Verbrennungsablaufes rechtzeitig
in den Arbeitszylinder der Maschine zurückströmen zu lassen. Darüber hinaus dient
bei der bekannten Maschine ein erster zentrischer übertrittskanal für die Kraftstoffeinspritzung,
während die anderen übertrittshilfskanäle derart auf dem Umfang des Kolbenbrennraumes
verteilt sind, daß ihre geometrischen Achsen parallel zur Brennraumlängsachse bzw.
tangential an Schraubenlinien um die Brennraumlängsachse verlaufen. Durch eine derartige
Anordnung der übertrittskanäle soll bei der bekannten Maschine erreicht werden,
daß zwischen dem Kolbenbrennraum und dem über dem Kolbenboden liegenden Verdichtungsraum
des Arbeitszylinders in jeder Phase des Kolbens jeweils gleiche Druckverhältnisse
vorliegen, was wiederum in keine Relation zum Anmeldungsgegenstand gesetzt werden
kann.
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Bei einer anderen bekannten Einspritzbrennkraftmaschine sind zwar
an einem kugeligen Kolbenbrennraum zwei tangential in diesen einmündende Hilfsübertrittskanäle
vorgesehen, so daß beim Kompressionshub des Kolbens im Brennraum eine gerichtete
Luftströmung mit einem Wirbelkern aufgebaut wird. Da jedoch die beiden Hilfsübertrittskanäle
in den Brennraum nicht im Bereich der Wirbelachse, sondern in Umfangsrichtung der
Luftdrehung einmünden, wird beim Expansionshub des Kolbens gerade keine Rückströmung
aus dem Luftwirbelkern erreicht. Demnach fehlen hier die beim Anmeldungsgegenstand
zugrunde liegenden Erkenntnisse. An sich bekannt ist hier lediglich, daß der Gesamtquerschnitt
der Hilfskanäle kleiner ist als der des Hauptkanals.
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Es ist auch eine Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Zylinderkopf
angeordneten Brennraum bekanntgeworden, in den der Kraftstoff in Richtung einer
rotierenden Luftströmung eingespritzt wird. Es findet hier eine Teilverbrennung
statt. Die Brenngase werden von einem ersten Verbrennungsraum aus über eine am Umfang
dieses Verbrennungsraumes angeordneten Leitung, deren Mittelachse im Gegensatz zur
Anordnung beim Anmeldungsgegenstand senkrecht zur Luftwirbelachse steht, in eine
zweite Kammer mit Spiralquerschnitt geleitet und von dort aus mit großer Drehgeschwindigkeit
in den Zylinderbrennraum geführt, um dann vollständig zu verbrennen. Der wesentliche
Unterschied gegenüber der Erfindung besteht darin, daß das noch unvollständig
verbrannte
Kraftstoffluftgemisch zwar in Richtung der Rotationsachse des zweiten Brennraumes,
jedoch in diesem Fall in eine Kammer eingeführt wird, in der sich infolge der spiraligen
Ausbildung dieser Kammer erst eine Luftdrehung aufbaut. Von einer toten Wirbelzone
kann daher nicht gesprochen werden, denn die Wirbelachse ist hier eine Art Druckzentrum
für einen sich in diesem Bereich bildenden Wirbel.
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Der technische Fortschritt der Erfindung besteht darin, daß bei Beginn
der Expansion die Rückströmung in den Arbeitsraum der Maschine auch von der Rotationsachse
des Luftwirbelkernes aus stattfinden kann. Dadurch erreichen zwangsweise die Kraftstoffteile,
die noch der Sauerstoffzufuhr bedürfen, d. h. jene, die nur zum Teil verbrannt sind,
noch rechtzeitig den Arbeitsraum der Maschine für ihre vollkommene Verbrennung.
Dies ergibt eine rußfreie Verbrennung und damit einen guten Wirkungsgrad der Maschine.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt einer rotationskörperförmigen
kugeligen Wirbelkammer, F i g. 2 die Wirbelkammer gemäß F i g. 1, von vorn in der
Schnittebene A-A gesehen, F i g. einen Längsschnitt in der Ebene B-B nach F i g.
4 durch den Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer im Kolben angeordneten
Brennkammer und F i g. 4 eine Draufsicht auf den Kolbenboden des in F i g. 3 dargestellten
Kolbens.
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In den F i g. 1 und 2 ist 1 eine rotationskörperförmige, kugelige
Brennkammer, die durch einen Übertrittskanal 2 mit dem Arbeitsraum 3 einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine
verbunden ist. Der Übertrittskanal mündet tangential in die Brennkammer 1 ein. Wenn
nun die Kompressionsluft vom Arbeitsraum 3 der Maschine in die Brennkammer 1 überströmt
und der flüssige Kraftstoff mittels der Düse 4 in die Brennkammer 1 eingespritzt
wird, kommt infolge der tangentialen Einmündung des überströmkanals in die Brennkammer
und der auf diese Art erzeugten heftigen Drehbewegung der Luft sowie infolge der
sich daraus ergebenden zentrifugierenden Wirkung eine Scheidung von schwereren und
leichteren Anteilen der Gasmassen sowie der Kraftstofftröpfchen zustande. Es findet
eine Schichtung der Ladung statt, derart, daß sich außen an der Peripherie 5 des
Wirbels im wesentlichen die noch nicht durch eine Verbrennung erwärmte Luft bzw.
schwerere Kraftstoffteilchen ansammeln. Dagegen werden die spezifisch leichteren
Bestandteile, d. h. die brennenden Teilchen oder stark erhitzten Gasteile auf die
Rotationsachse 6 des Wirbelkernes 7 zu getrieben.
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Im Bereich des größten Umfanges der Brennkammer 1 sind nun zwei einander
gegenüberliegende Nebenkanäle 8, 9 angeordnet, die in den Arbeitsraum 3 der Maschine
einmünden (F i g. 2). Die Mittelachse der beiden in die Brennkammer einmündenden
Nebenkanalöffnungen fällt hier mit der Rotationsachse des durch die Anordnung des
übertrittskanals 2 erzeugten Luftwirbels zusammen. Durch diese beiden Nebenkanäle
können dann bei Beginn des Expansionsvorganges die im Wirbelkern 7 vorhandenen,
nur zum Teil verbrannten Anteile in den Arbeitsraum 3 der Maschine zurückströmen
(Pfeile 10, F i g. 2) und dort rechtzeitig während des Hauptverbrennungsvorganges
mit verbrennen.
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In F i g. 3 und 4 ist ein Längsschnitt durch den Kolben bzw. eine
Draufsicht auf den Kolben 11 einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine dargestellt.
Dieser Kolben weist eine rotationskörperförmige Brennkammer 12 auf, die durch zwei
übertrittskanäle 13, 14 mit dem Arbeitsraum 15 der Maschine verbunden ist, wobei
diese Kanäle in die Brennkammer derart tangential einmünden, daß durch sie beim
Kompressionshub ein um die Rotationsachse der Brennkammer kreisender Wirbel
16 entsteht. Der Kraftstoffstrahl 17 der im Zylinderkopf 18 angeordneten
Einspritzdüse 19 wird im Bereich der oberen Totpunktstellung des Kolbens, und zwar
wenn die öffnung des Hauptkanals 13 gerade der Strahlmündung der Einspritzdüse 19
gegenüber steht, in die Brennkammer 12 eingespritzt. Die Brennkammer 12 weist außerdem
eine kreisförmige Verbindungsöffnung 20 auf, die in diesem Fall als Nebenkanal für
den Luftwirbelkern 21 dient. Die Achse dieses Nebenkanals fällt mit der Rotationsachse
der Brennkammer zusammen. Außerdem ist der Querschnitt des Nebenkanals 20, der bisher
für den gesamten Luft- bzw. Gasdurchtritt bemessen war, nunmehr derartig verkleinert,
daß lediglich die erforderliche Verbindung zwischen Luftwirbelkern und Arbeitsraum
der Maschine hergestellt wird, während die eigentlichen Luft- bzw. Gasdurchtrittsöffnungen
jetzt die übertrittskanäle 13 und 14 sind. Daher verhält sich auch der Gesamtquerschnitt
der Kanäle 13 und 14 zu dem des Nebenkanales 20 etwa wie
1,5: 1.
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Die Wirkungsweise der einzelnen Kanäle gemäß den F i g. 3 und 4 ist
folgende: Bei Beginn des Kompressionshubes des Kolbens 11 strömt die Luft vom Arbeitsraum
15 der Maschine zum größten Teil durch die beiden Kanäle 13 und
14 in die Brennkammer 12 über. Infolge der jeweils tangentialen Einmündung
der beiden Kanäle 13 und 14 in die Brennkammer wird dort eine sich um die Rotationsachse
der Brennkammer drehende Luftbewegung (Pfeil 16) erzeugt. Wenn nun der Kraftstoff
gegen Ende des Kompressionshubes in die Brennkammer 12 eingespritzt wird,
findet im Wirbel-bzw. Zentrifugalfeld der Luftströmung eine zwangsweise Schichtung
der Ladung statt, indem sich an der Peripherie des Wirbels die noch nicht durch
eine Verbrennung erwärmte Luft bzw. schwereren Kraftstoffteilchen 22 ansammeln,
während die spezifisch leichteren Bestandteile, d. h. die brennenden Teilchen oder
stark erhitzten Gasteile auf die Wirbelachse des Kernes 21 des Luftwirbels zu getrieben
werden. Diese im Kern des Luftwirbels befindlichen Bestandteile 23 können beim Expansionshub
des Kolbens 11 nunmehr ohne Verzug durch den Nebenkanal 20 in den Arbeitsraum
15 überströmen, sich also rechtzeitig mit dem im Arbeitsraum noch vorhandenen Luftsauerstoff
zur restlosen Verbrennung vermischen.