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V e r b r e n n u n g s m o t o r Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Einspritzdüsen fur das Einspritzen
dos Kraftstoffes in elne vor dem Kompressionsraum angeordnete Vorkammer, wobei der
fn den Verbrennungsraum eingebrachte Kraftstoff sich teilweise infolge dor polytropen
Kompression der Verbrennungsluft entzündet.
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Bei bekannten Diesel-Motoren wird die für die Selbstentzündung des
eingespritzten Kraftstoffs erfordurltche Temperatur durch vorheriges Verdichten
der Verbrennungsluft erhalten.
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FUr die Zündung des Kraftstoffs spielt die Wärmespeicherung und -Ubortragung
durch Glühkerze und [3rennkammerwnde elne weitgehend untergeordnete Rolle, da die
Glühkorze und eventuell die Brennkammerwände vor allem als Starthilfe dienen.
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Der Unterschied zum Otto-Motor liegt darin, dan nur reine Luft angesaugt
wird und das Kompressionsverhältnis wesentlich höher liegt als beim Otto-Motor,
dessen Kompression durch die Oktanzahl des Kraftstoffs begrenzt ist. In der Praxis
ist das Kompressionsverhältnis des Otto-Motors nur halb so groß wie beim Diesel-Motor,
wobei der Diesel-Motor ein Mindestkompressionsverhältnis aufweisen muß, um die Temperaturen
von 700 ° bis 900 o C für das Zünden dos Kraftstoffs zu erreichen. Das Verdtchtungsverhältnis
beim Diesel-Motor ist nach oben nur durch die Forderung nach nicht zu hoher Trlebwerksbeanspruchung
und nach leichter und billiger Motorbauart begrenzt. Die hohe Verbrennungstemperatur
beim Diesel-Motor bewirkt, daß dleser zur Zeit die Wärmekraftmaschine mit dem besten
thermischen Wlrkungsgrad darstellt.
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Bekannte Diesel-tiotoren arbeiten mit einer Gemisch-Bildung, die vor
allem von der ElnsprltzdUse und vom Einspritzdruck abhängig Ist, wobei die direkte
Einspritzung des Kraftstoffs frel von Luft erfolgt. Der Verbrennungsablauf wird
durch den Verlauf des Drucks der Einspritzpumpe, die Düsenform und die Schlleß-
und Öffnungszelten der ElnsprltzdUse sowie durch die Brennraumform beeinflußt. Beim
Diesel-Motor mit Dlrektelnspritzung Ist die DUse so beschaffen, daß der Kraftstoff
feln verteilt wird und üborall In den Brennraum zu der Verbrennungsluft gelangen
kann. Dies Ist erforderlich, wohl im Brennraum kaum elne Luftbewegung vorhanden
ist, so daß die Cemischbildung einzig und allein durch die entsprechende Verteilung
des eingespritzten Kraftstoffstroms in der Verbrennungsluft zustando kommt.
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Durch Anpassen des Brennraums an die Strahlform, wobei sich
ein
etwa kugolförmiger Brennraum im Kolben befindet, in welchen der Kraftstoff direkt
eingespritzt wird, kann eine Verbesserung dor Gemischbildung erreicht werden. Durch
einen Schirm am Elnlaßventll wird die einströmende Luft auf cinc Krelsbowegung gezwungen,
die sich belm Verdichten In den Brennraum fortsetzt, so daß der als flüssiger Flln
an der Brennraumwand niedergeschlagene überwiegende Teil des Kraftstoffs nach und
nach abgelöst und verdampft wird. Der ZUndstrahl entflammt und verbrennt ohne starken
Druckanstieg das Brenngemisch vollkommen.
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Bel einem bekannten Wirbeikammer-Dieselmotor ist ein vom lxompressionsraum
abgetrennter Wirbel raum vorgesehen, in den der größte Tell der Verbrennungsluft
bei der Verdichtung übergeschoben wird. Dor Kraftstoff wird durch eino DUse in die
Wirbeikammer eingespritzt, wobei die Verbrennung vor allem in der Wirbelkammer abläuft.
Durch die Drucksteigerung in der Wirbelkammer infolge der Verbrennung entsteht eine
hohe Ausströmgeschwindigkeit in den Kompressionsraum des Diesel-Motors. Wegen der
Wärmeverluste durch die große Oberfläche des unterteilten Bronnraums und der Arbeitsverluste
beim Überströmen ist der Kraftstoffverbrauch hoch. nach wie eln Wlrbolk2mmer-Dieseimotor
ist ein Diesel-Motor mit einer Vorkammor aufgebaut, die von dem Kompressionsraum
abgeteilt ist. Die Vorkammer ist durch eine oder mehrere kleine öffnungen mit dem
Kompressionsraun verbunden. Die Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt durch eine
Elnstrahidüse In die Vorkammer, in welcher auch die Verbrennung einsetzt. Das teilweise
verbrannte Gemisch wird durch den Verbrennungsdruck In den Kompressionsraum getrloben,
wo es infolge guter Verwirbeiung zu einer praktisch vollkommenen Verbrennung kommt.
Der Kraftstoffverbrauch ist höher als bei direkter Einspritzung wegen des Uberströmens
der Vorkammer In den Kompressionsraum, in welchem der Verbrennungsdruck und sein
Anstieg in mäßigen Grenzen bleiben. Wegen der großen Oberfläche des zweigeteilten
Raums ist fiir das einwandfreie Anlassen eine Zündhilfe in Form einer Glühkerze
erforderlich.
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Beim Luftspeicherverfahren wird ein Diesel-Motor verwendet, der eine
vom Kompressionsraum getrennte und mit Ihm durch eine enge Öffnung verbundene Nebenkammer
als Speicher aufweist. In den Speicher strömt ein Tcil der Ladungsluft boim kompressionsvorgang
Uber. Der Kraftstoff wird in den Sompressionsraum eingespritzt, wobei ein kleiner
Teil vom Luftstrom in den Luftspeicher hlnetngerlssen wird, so daß das im Spelcher
entstehende Gemisch zündet und vom Verbrennungsdruck getrieben in den Kompressionsraum
überströmt. Die Rückströmung in den Kompressionsraum bewirkt eine guto Durchwirbeiung
des Kraftstoffstroms mit Beschleunigung des Verbrennungsvorgangs.
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Den voranstehend beschriebenen bekannten Diesel-Motoren mit unterteiltem
Raum Ist gemeinsam, daß die Vorkammer mit dem Kompressionsraum jeweils durch eine
oder mehrere öffnungen verbunden ist. Dle Unterteilung bezweckt vor allem eine bessere
Durchmischung des Kraftstoffs nit der Vorbrennuntsluft gegenüber dem Diesel-Motor
mit direkter Einspritzung und eine dadurch erzielbare nahe vollständige Verbrennung
des Gemisches.
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Bei allen bekannten Diesel-Motoren wird die Zündtemperatur des eingespritzten
Kraftstoffs weitgehend durch polytropo Kompressionen erzielt, die in idealisierten
Grenzfall als reversible adlabatische Prozesse Isentroptsch verlaufen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotor
zu schaffen, bel dem die Zündtemperatur In der Vorkammer durch das Zusammenwirken
von polytroper Kompression und Wärmeübgertragung erhaiten wird. Diese Aufgabe wird
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Vorkammer, In die der Kraftstoff
eingespritzt wird, und dem Kompressionsraum ein von der Verbrennungs luft bzw. den
Flammengasen durchströmter, als Regenerator ausgebildeter Wärmeübertrager angeordnet
ist.
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Durch den regenerativen Wärmeübertrager, der zwischen dem Kompressionsraum
und der Vorkammer angeordnet ist, kann ein be@ liebig groß gewähiter Teil der Vorwärmung
durch Wärmeüberinagung erzielt worden, so daß Druck und Temperatur von der Kopplung
durch
die Polytropen-Gleichung weitgehend unabhängig sind.
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Die schnelle regonerative WärmeUbertragung Ist bol Gaskältemaschinon
nach dem Verdrängerprinzip bekannt. Um einen optimalon Wärmeaustausch zwischen dom
gasförmigen Arbeitsmedium und der Umgebung zu orrelchen, sind bei einer derartigen
Maschiene zwei Wärmeaustauscher vorgesehen, dlo den Wärmeübergang zwischen dem inneren
und äußeren Teil der Gaskältemaschine ermöglichen. Eln Regenerator ist zwischen
den beiden Wärmeaustauschern eingebaut, der dem Arbeitsmedium beim Durchströmen
von dem Hochtomperatur- in den Niedrigtemperaturraum Wärme entzieht und diese Wärmemenge
speichert. Beim Durchströmen des Gases in umgekehrter Rlchtung nimmt dieses die
im Regenerator gespeicherte Wärme wieder auf. Im Gegensatz zum Verdrängerprozeß
der mit äußerer Wärmozufuhr abläuft, arbeitet dor erfindungsgemäße liotor mit Inneror
Wärmeerzeugung durch Verbrennung.
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Darüber hinaus liegen hier die Betriebstemperaturen des Wärmeübertragers
höher als beim Verdrängerprozeß.
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Dlo Verwendung von Regeneratoren ist auch bei Gasturbinon-Prozossen
bekannt, wobei Jedoch eine technisch noch nicht bofrlodlgond gelöste Umschaltung
der Regeneratoren-Elomente zwlschon Caszufluß und Abgas, d. h. Hochdruck- und Niederdrucksolto
der Turbine, erforderlich ist.
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Das aktive Material des Regenorators für die Wärmespeicherung und
für die Wärmeübertragung besteht vorzugsweise aus poröser Keramik, die aus korn-
oder faserförmigen Keramikpartikein geblldet ist, die durch Sintern miteinander
formhaltlg verbunden sind. Das aktive Material dos Rogenorators kann des weiteren
aus Drahtnetzon bestehen, die auf der kälteren, nämlich der dem Kompressionsraum
zugewandten Seite des Regenerators angeordnet sind. Durch die poröse Koramik bzw.
die Drahtnetze wird olno im Verhältnis zum Volumen dos Regenorators möglichst große
Wärmeübertragungsfläche
erhalten.
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[)as Material des Regenerators oder seine aktive Oberfläche bestehen
zweckmäßigerweise aus einem katalytisch wirksamen Material, welches die Einstellung
des Gleichgewichtes boi den Vorbrennungsreationon beschleunigt.
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Zum einfachen Ein- und Ausbau des Wärmeübertragers bildet der Regenerator
mit einem Vorkammer-Oberteil eine bauliche Einheit.
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Eine Halterung preßt vorteilhafterweise das Vorkammer-Oberteil gegen
den Regenerator und Ist mittels Schrauben mit olnem Zylinderkopf verbunden. Dadurch
Ist es möglich, den Regenerator ohne Abnahme des Zyllndorkopfes auszubauen.
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Das Vorkammer-Oberteil kann forner auf der Innenseite mit einem Uberzug
versehen soln, dor die Wärmeverluste der Brennkammer verrlngert und/oder die Korroslon
des Oberteils verhindert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zwischen der oder don
Einspritzdüsen und dem Regonerator eine odor mehrere PralIplatten angeordnet sein,
wodurch verhindert wird, daß größere Kraftstofftropfen auf den Regenerator gelangen
können.
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Der Regenerator weist In bevorzugter Weise die Form einer ebenen Platte
odor Scheibe auf, während das Vorkammer-Oberteil halbkugol- oder ellipsoidförmig
gewölbt ist.
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SelbstverständlIch können die Vorkammer und der Regenerator zwol-
odor mehrfach unterteilt sein, wobel jeder oder einige der Vorkammerteilräume mit
elnor oder mehreren Einspritzdusen und mit einem odor mehreren Heizungsdrähten für
die Zündung dos Gemisches aus Kraftstoff und Verbrennungsluft vorsohen sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Regenerator ähnlich einer
(;locko gewölbt, wobol dle Spitze der Wölbung dem vom
pressionsraum
zugewandt Ist, wobei das Vorkammer-Oberteil als ebene Abschlußplatte des glockenförmigen
Regenerators ausgebitdet ist.
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Vorteilhafterweise bestcht der Regenerator aus elektrisch leitendem
Widerstandsmaterlal und Ist als heizkörper oder GlUhkerze über eine Stromzuführung
direkt elektrisch beheizt. Dte Stromzuführung Ist dann beispielsweise an die Regeneratormitte
angeschlossen, während der Rand des Regenerators zur Stromabfuhr auf einem Masse-Anschluß
liegt. Zweckmäßigerweise ist dte Stromzuführung isollert durch das Vorkammer-Oberteil
geführt und In Form einer Feder elastisch ausgestaltet. Dadurch kann die Stromzuführung
den Wärmespannungen elastisch nachgeben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ragt der Vorheizungsanschluß
durch das Vorkammer-Oberteil in das innere der Vorkammer und ist schlaufenförmig
zu dem Masse-Anschluß an der Oberseite des Vorkammer-Obertells geführt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von zeichnerisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Verbrennungsmotor
mit einem Wärmeübertrager und Flg. 2 und 3 weitere Ausführungsformen des Wärmeübertragers.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Diesel-Motors mit
einem Regenerator 10 in Form einer Scheibe oder ebenen Platte und einem Kolben 30,
der ich in einen Zylinder 28 tewegt. Zwischen dem Regenerator 1@ und dem Kolben
30 befindet sich ein Kompressionsraum 12. Die Vorkammer 15 weist eine
Gestalt
ähnlich ei einem abgeplatteten Ellipsoid auf und wird von dem Regenerator 10 und
einem Vorkammer-Oberteil 13 gebildet.
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Das aktive Material des Regenerators 10 besteht aus poröser Keramik
und/oder nicht dargestellten Drahtnetzen, durch weiche die Verbrennungsluft bzw.
die Flammengase in den Konpressionsraum 12 hindurchtreten können. Die Drehtnetze
sind vorzugsweise auf der kälteren Seite, nämlich der dem Kompressionsraum 12 zugewandten
Seite des Regenerators 10 angeordnet. In die Vorkammer 16 führt eine Einspritzdüse
24, durch weiche der Kraftstoff in das innere der Vorkammer 16 eingebracht wird.
Fin Heizungsdraht 2J, der über einen Vorheizungsanschluß 22 mit elektrlschom Strom
vorsorgt wird, heizt die Vorkarnr.n-r 16 vor, um den eingespritzten Kraftstoff zu
zünden. Der Regenerator 10 und das ßrennkammer-Obortei 1 18 sind In einem Zylinderkopf
32 angeordnet, der den Zylinder 23 abschließt. In den Zylinderkopf 32 ist das Brennkammer-Oberteil
18 mit einer Halterung 26 eingesetzt und nach dem Lösen von Schrauben 14 zusammen
mit dem Regenerator 10 entfernbar, ohne daß eine Abnahme des Zyl inderkopfes 32
erforderl ich ist. Dadurch wird erreicht, daß der Regenerator 10 ohne großen Arbeitsaufwand
ähnlich wie eine Zündkerze eines Verbrennungsmotors schnell ausgebaut werden kann.
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Der Regenerator 10 bildet mit dem Vorkammer-Oberteil 18 eine bauliche
Einheit oder ist von diesem trennbar angeordnet. Das Material des Regenerators 10
oder seine aktive Oberfläche bestehen aus einem katalytisch wirksamen Material,
weiches die Einstellung des Gleichgewichtes bei den Verbrennungsreaktionen beschieunigt.
Die innenseite des Vorkammer-Oberteils 18 ist vorzugsweise mit einer Auskleidung
versehen, die die Wärmeverluste der Vorkammer 16 verringert und/oder die Korrosion
des Oberteils 18 verhindert.
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Obwohl nicht dargesteilt, können die Vorkammer 1@ und der Regenerator
10 wei- oder mehrfach unterteilt sein. in Jeden odur in einigen der Vorkammerteilräume
sind dann eine oder mehrere Einspritzdüsen vorgesehen und ein oder mehrere Heizdrähte
für die Zündung des Gemisches aus Kraftstoff und Verbrennungsluft
angeordnet
Da hier anders als im üblichen Diesel-Motor Kraftstoff nicht durch den Regenerator
in den Kompressionsraum übertreten kann, wird zweckmäßigerweise mit einer oder mehreren
Prallplatten unterhalb der Einspritzdüsen verhindert, daß größere Kraftstofftropfen
auf den Regenerator gelangen. Eine derartige Prallplatte 34 zeigt das Ausführungsbelspiel
nach Fig. 3. Es Ist selbstverständlich, daß auch in den Ausführungsbeispielen nach
den Flg. I und 2 solche Prallplatten vorgesehen sein kennen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Diesel-Motors gemäß Fig. 2
ist oln glockenförmiger Regenerator 3g, dor aus einer eloktrlsch leitenden Keramik
besteht, selbst beheizt. Dazu ist eine in Form oiner elastischen Feder ausgebildete
isolierte Stromzuführung 40 an die Mitte des Regenerators 36 angeschlossen, wobei
über den durch ein ebenes Oberteil 38 in dos Inncre der Vorkammer 16 ragenden Vorheizungsanschluß
22 eiektrischer Strom zugeführt und über einen Masse-Anschluß 42 am Rand des Regenerators
36 abgeführt wird.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 besteht gleichfalls aus dem glockenförmigen
Regenerator 36, dessen Spitze dem Kompresslonsraum 12 zugewandt ist und den das
ebene Vorkammer-Obertoi 1 38 abschließt. Der Vorheizungsanschluß 22 Ist durch das
Obertell 38 in das Innere der Vorkammer 16 geführt und verläuft schlaufenförmig
zu dem Masse-Anschluß 42 an der Oberseite des Vorkammer-Oberteils 38. Unterhalb
dor Einspritzdüse 24 ist die Prallplatto 34 angeordnet und mit Stützen 44 an dorn
Oberteil 38 befestigt. Wie schon voranstehend erwähnt, können auch mehrere derartige
Prallplatten vorgesehen seln, und zwar In jedem der beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Mit der vorilogenden Erfindung wird vor allorn der Vorteil orreicht,
daß Je nach der Beschaffenheit des Wärmeübertragers eine höhere Temperatur im Brennraum
des Regenorators erreicht
wird. @@@ @leich@edeutend mit einem @eringeren
Zündverzug.
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voliständiger Ver@rennung und @onerem @irkungsgrad ist e@ne daß die
Temperatur oder der Druck auf dem Kol@en @öhere Spitzenwerte erreichen muß. Vielmehr
kann die verzögerungsfreie und vollständige Verbrennung des Kraftstoffs die einen
hoheren Wirkungsgrad ergibt, @ei vermindertem Druck im Zylinder erfoigen, was den
Einsatz leichterer @rie@werke @ne insbesondere ais aktuelles Problem die Verwendung
des einstufigen Wankelfriobwerks im Diesel-Motor ermöglicht.
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Es ist einzusenen, daß höhere Verbronnungstemperaturen durch die Wärmeübertragung
erreicht werden, während die Verbesserung des Wirkungsgrades ohne Steigerung der
Temperatur im Kom.
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pressionsraum schwieri@ z@ erklären ist @ei der Wärmeübertragung gemäß
der vorliegenden Erfindungtreten zwei Verluste auf, da es sich um keinen ldeaiproze@
handelt, Neben dem Druckverlust im Regenerator tritt ein Misch@er@ust auf, da das
aus dem Regenerator austretende Gemisch :- al igemeinen e so andere Tomperatur besitzt
als ds Gas im Kompressionsraum, in den es ointritt. Dies gi lt auch für die Luft,
die aus den Kompressionsraum in die Vorkammer einströmt. Seim Überströmen des Gases
von der Vorkammer durch den Regenerator in den Kompressionsraum findot eine Wärmespeicherung
im aktiven laterial des rtegenorators statt. Sei der Verdichtung im Kompressionsraum
gibt der Regenerator umgekehrt Wärme an die in die Vorkammer einstr@-mende Luft
ab, weiche frotzdem zu @eg@nn des Kompressionstaktes eine niedrigere Temperatur
als das im inneren der Vorkammer verbliebene Gas aufweist. Mit der Erfindung wird
der überraschende Effekt erzielt, daß der Regenerator durch Wärmeaugabe eine Abkühlung
und im umgekehrten Arbeitsspiel durch Wärmeaufnahme im Expansionstakt eine Erwärmung
erzeugt. Dadurch wird der Wirkungsgrad verbessert, ohne daß Steigerung der Temperatur
ins Kompressionsraum auftritt.
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Ansprüche :