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Brennkraftmaschine mit Verdichtungszündung und Einspritzung flüssigen Brennstoffes.
Die Erfindung bezieht sich auf die Brennkammern von Brennkraftmasehinen mit Druckzündung und Einspritzung flüssigen Brennstoffes. Sie betrifft solche Brennkraftmasehinen, bei denen am Ende des Verdichtungshubes die Luft soweit als möglich sich in einer die Brennkammer bildenden Tasche befindet, die durch einen Kanal in einem heissen Körper, z. B. in einem wärmeisolierten Stopfen, mit der Zylinderbohrung in Verbindung steht. Die Wandung der Tasche ist annähernd eine Rotationsfläche, die symmetrisch zu einer rechtwinklig zu ihrer Achse angeordneten Ebene ausgebildet ist ; die Kanalachse liegt in dieser Ebene, schneidet die Achse der Rotationsfläche aber nicht, so dass die Luft mehr oder weniger tangential in die Brennkammer eintritt und an einer Kreiselbewegung um die Kammerachse teilnimmt.
Brennkraftmaschinen dieser Art sind bekannt ; hiebei hat die Brennkammer annähernd Kugelform, und der Brennstoffstrahl wird im wesentlichen in Durchmesserriehtung quer durch die Kammer getrieben. Mit andern Worten, es ist die Achse der den Brennstoffstrahl erzeugenden Düse auf einen Punkt gerichtet, der von der Stelle der Düse bezüglich der Kammerachse um einen Winkel von etwa 1800 verschoben ist.
Gemäss der Erfindung liegt die Achse des Brennstoffstrahles in der erwähnten Symmetrieebene der Kammer, in der sich auch die Kanalachse befindet, ist aber gegen einen Punkt an einem heissen Teil der Kammerwandung gerichtet, der, auf die Kammeraehse bezogen, gegen die Einspritzdüse in der Richtung des Luftumlaufes um einen Winkel versetzt ist, der ungefähr 1200 beträgt, während die Einmündung des Kanals ausserhalb dieses Winkelabstandes liegt. Der Winkelabstand zwischen Einspritzdüse und dem Richtpunkt der Brennstoffstrahlachse liegt vorzugsweise ungefähr zwischen 120 und 150 , kann aber auch ungefähr zwischen 1500 und wenigen Graden unterhalb 1800 liegen ; in jedem Falle führt die Strahlachse nicht diametral durch die Brennkammer.
Der heisse Teil der Kammerwandung, auf den die Strahlachse gerichtet ist, kann entweder durch einen wärmeisolierten Stopfen gebildet sein oder durch ein wärmeisoliertes Futter ; er kann aber auch durch irgendeinen andern entsprechend angeordneten Teil gebildet werden, der so angeordnet ist, dass er nicht kräftig durch Wasser oder anderswie gekühlt wird.
Offenbar wird die Strahlaehse die Richtung einer Sehne des kreisförmigen Umfanges der Brennkammer annehmen. Der Abstand der Sehne von der Kreismitte liegt vorzugsweise zwischen etwa einem Viertel und einer Hälfte des Kreishalbmessers (diese Grenzen entsprechen den Grenzen der erwähnten Winkelabstände). Die Kanaleinmündung, die Zuströmungsstelle der Luft zur Düse und die Kammerachse liegen alle auf der gleichen Seite dieser Sehne. Es wird mit andern Worten der Brennstoffstrahl tangential einem Kreis zugeführt, der konzentrisch zum Brennkammerumfang angeordnet ist und weniger als den halben Durchmesser der Kammer aufweist ; die Umlaufrichtung des eingetretenen Brennstoffes ist dabei die gleiche wie die Umlaufrichtung der einströmenden Luft.
Die Anordnung der Brennkammer zum Zylinder kann derart sein, dass die Kanalachse die Achse der Zylinderbohrung schneidet, sie kann aber auch so verschoben sein, dass sie an einer Seite der Zylinderachse verläuft.
Die Achse des Brennstoffstrahles braucht nicht mit der Achse der Brennstoffeinspritzvorrichtung zusammenfallen, vielmehr kann diese mit einer Düse versehen sein, die den Strahl seitlich oder schräg
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austreten lässt. In einem solchen Falle kann die Einspritzvolrichtung so angebracht sein, dass ihre Achse die Brennkammerachse schneidet, während trotzdem die Achse des wirklich zugeführten Brennstoff- strahles die oben geschilderte Lage zur Brennkammerachse aufweist.
Anderseits kann die Achse des zugeführten Brennstoffstrahles mit der Achse der Einspritzvorrichtung ganz oder annähernd zusammenfallen ; in diesem Falle wird die Einspritzvorrichtung so angeordnet sein, dass ihre Achse tangential verläuft zu einem Kreis, dessen Durchmesser weniger als die Hälfte des Schnittkreises der Brennkammer mit der erwähnten Symmetrieebene beträgt.
Die Brennkammer kann tatsächlich oder annähernd kugelig oder kugelähnlich sein, oder sie kann die Gestalt, einer doppelten konkaven oder konvexen Linse haben. Ferner kann sie zylindrisch oder tonnenförmig sein oder spindelförmig aus zwei abgestumpften Kegeln bestehen, deren kleinere Grundflächen in der Mitte der Brennkammerlänge miteinander in Verbindung stehen ; die Längsrichtung der Kammer verläuft dabei quer zur Brennstoffstrahlachse. In jedem Falle ist der Umriss der Brennkammer eine Rotationsfläche und ist symmetrisch aufgebaut zu einer Ebene, die normal zur Brennkammerachse gerichtet ist.
Bei der beschriebenen Anordnung wird die Strömung des Brennstoffes im Strahl in der allgemeinen Richtung zwischen Mitte bzw. Achse der Brennkammer und ihrem Umfange verlaufen. Der Strahl wird tangential an einen Kreis zugeführt, dessen Mittelpunkt in die Brennkammerachse fällt, u. zw. erfolgt die Zuführung umläufig bezüglich der Luftladung, die tangential durch den Kanal in dem Einsatz eingetreten ist.
Der Brenntsoff, der der Kammer auf diese Weise zugeführt wird, wird konzentriert in der Bahn des Teiles der in der Kammer kreisenden Luft, der eine hohe Lineargeschwindigkeit aufweist. Weiter wird der Brennstoff dort zugeführt, wo die grösste Luftmenge über oder durch den Brennstoffstrahl bei jedem Umlauf der kreisenden Luft hinwegzuströmen sucht. Der mittlere Teil der Brennkammer, in dem die Achse für die kreisenden Luftströme liegt, verlangt die Zuführung der geringsten Brennstoffmenge, weil an jener Stelle die Lineargeschwindigkeit der Luftströmung gering und fast verschwindend ist.
Wenn Brennstoff eingespritzt ist und die Verbrennung eintritt, so ist es erwünscht, dass das Verbrennungserzeugnis von dem Strahl weggeführt und durch Frischluft ersetzt wird, die in die Brennkammer eintritt und in ihr kreist, damit eine wirksame Verbrennung so lange stattfindet, bis die Brennstoffeinspritzung aufhört. Stellung und Richtung des Brennstoffstrahles und Umlaufgeschwindigkeit der Luftladung werden so bemessen, dass bei praktisch erreichbaren Grenzen bei vollbelasteter Maschine die Verbrennungserzeugnisse nicht von der umlaufenden Luft in den Strahl zurückgetrieben werden, bis die Luft in der Brennkammer grösstenteils zur Verbrennung herangezogen ist und die Brennstoffeinspritzung aufgehört hat.
Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben, die einige Ausführungsbeispiele wiedergeben, u. zw. ist Fig. 1 ein etwas schematischer lotrechter Querschnitt durch einen Zylinderkopf ; Fig. 2-4 schematische Schnitte abgeänderter Ausführungen ; Fig. 5 ein Schema, das die Winkelgrenzen für die Achse des Brennstoffstrahles erläutert ; Fig. 6 und 7 zeigen in zwei verschiedenen Ausführungsformen die Stellung der Brennkammer gegenüber der Zylinderbohrung.
Die besondere Gestaltung der Brennkammer, die Fig. 1 wiedergibt, ist bekannt. Die Maschine besitzt einen wassergekühlten Zylinderkopf A auf einem Zylinderblock B, in welchem der Kolben 0 angeordnet ist. An einer Seite der Zylinderbohrung weist der Zylinderkopf eine Tasche D auf, die die Brennkammer bildet und die hier die Gestalt einer Kugel aufweist, deren obere Hälfte aus einem wassergekühlten Wandteil des Zylinderkopfes besteht, während die untere Hälfte durch einen wärmeisolierten Stopfen E gebildet wird, der im Zylinderkopf durch einen Schraubring F festgehalten wird. In diesem Stopfen ist ein Kanal G gebildet, der von der Zylinderbohrung zu der kugeligen Brennkammer führt. Die Achse dieses Kanals liegt in einer Ebene durch einen Kugeldurchmesser, doch schneidet sie die Brennkammerachse nicht.
Während des Verdichtungshubes wird die Luftladung durch den Kanal in die Brennkammer eingetrieben und strömt mehr oder weniger tangential ein, so dass ein Luftumlauf um einen Durchmesser der Brennkammerachse'erzeugt wird. Im oberen Teil der Brennkammer liegt eine Brennstoffeinspritzvorrichtung H sowie eine Heizvorrichtung J.
Im Beispiel der Fig. 1 geht die Achse der Einspritzvorrichtung H durch die Mitte der Brennkammer. Der Brennstoffstrahl K ist schräg zur Achse der Vorrichtung H gerichtet, und der Brennstoff strömt einseitig an der Brennkammerachse vorbei.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 fällt die Achse des Strahles K mit der Achse der Einspritzvorrichtung H zusammen, und diese ist in den Zylinderkopf so eingesetzt, dass ihre Achse an einer Seite der Brennkammermitte im gewissen Abstande vorbeiführt.
Bei der Anordnung nach Fig. 3 ist die Achslage wie bei Fig. 2, nur ist hier die Einspritzvorrichtung am Zylinderkopf so angeordnet, dass ihre Achse lotrecht steht.
Bei der Anordnung nach Fig. 4 liegen sowohl Achse des Strahles K sowie Achse der Einspritzvorrichtung H waagrecht.
Bei den Gestaltungen gemäss Fig. 1-3 ist die Einspritzvorrichtung im Umfangssinne so angeordnet, dass der Strahl K auf einen Punkt auf dem heissen Einsatzstopfen E zu gerichtet ist. Bei der Anordnung
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nach Fig. 4 dagegen ist die Lage so, dass der Strahl auf einen Punkt an der oberen Wandung der Brenn- kammer zu gerichtet ist. In diesem Falle wird vorzugsweise die Wandung mit einem Futter oder Schild- teil L versehen, von dessen Fläche der grössere Teil ausser Berührung mit der wassergekühlten Brenn- kammerwand ist und demnach eine hohe Temperatur annehmen wird.
Fig. 5 gibt in einem Schema die Winkelgrenzen wieder, zwischen denen die Strahlachse gemäss der Erfindung liegen soll. Der Aussenkreis D bedeutet den Schnitt der Brennkammerwandung mit der
Symmetrieebene, die die Strahlachse enthält ; die Einspritzvorrichtung H ist an dem oberen Ende des
Schemas angedeutet. Kreist die Luft in Richtung des Pfeiles M, so ist die Strahlachse so geneigt, dass der Brennstoff mitläufig zur Luft in die Kammer einströmt. Die obere Neigungsgrenze ist gemäss der Erfindung durch den Pfeil P angedeutet. Ist R der Halbmesser des Kreises D (Umfang der Brennkammer), so verläuft der Pfeil P tangential zu einem Kreis, dessen Halbmesser annähernd gleich 1/2 R ist. Die Neigung ist vorzugsweise nicht kleiner, als durch den Pfeile angedeutet ist, der tangential zu einem Kreise vom Halbmesser gleich 1/4 R verläuft.
Die Winkelwerte entsprechend diesen Ziffern sind wie folgt : Das Ende des Pfeiles P hat von der Einspritzdüse im Sinne des Umlaufs der einströmenden Luft einen Winkelabstand von etwa 120 und das Ende des Pfeiles N einen Winkelabstand von etwa 150 .
Nach einem waagrechten Schnitt der Fig. 6 ist die Brennkammer D durch mehrere Kreise an der rechten Seite angedeutet und die Zylinderbohrung durch einen grösseren Kreis B. Bei G ist der Luftübertrittskanal angedeutet, und die lotrechte Ebene durch seine Achse ist durch die strichpunktierte Linie Q dargestellt. Ersichtlich geht diese Linie Q durch die Mitte des Kreises B, d. h. die Achse des Kanals schneidet die Achse der Zylinderbohrung. Diese Anordnung ist praktisch zweckmässig, doch ist es nicht in allen Fällen notwendig, dass diese Bedingung erfüllt wird. Die Symmetrieebene der Brennkammer, die die Kanalachse und die Achse des Brennstoffstrahles enthält, kann gegen eine radiale Ebene durch die Zylinderbohrung beträchtlich versetzt oder dazu geneigt sein. Die Grenze dieser Neigung wird erreicht, wenn die Ebene im wesentlichen tangential zur Zylinderbohrung verläuft.
Diese Grenzlagen sind durch die strichpunktierte Linie ST in Fig. 6 angedeutet. Praktisch würde es jedenfalls bei Mehrzylindermaschinen kaum durchführbar sein, den Kanal in dieser Weise zu verschieben, und eine dem Normalfall besser entsprechende Anordnung gibt Fig. 7 wieder, wonach der Abstand zwischen Kanalachse und Zylinderachse etwa ein Drittel des Halbmessers der Zylinderbohrung beträgt. In jedem Falle muss natürlich der Kanal in die Zylinderbohrung überleiten.
In den dargestellten Fällen ist eine Brennkammer von Kugelform angenommen ; in manchen Fällen wird sich herausstellen, dass es vorzuziehen ist, als Brennkammer einen Rotationskörper anzuordnen, dessen Umrissform nicht kugelig ist. Beispielsweise kann die Brennkammer die Gestalt einer der obenerwähnten Formen annehmen. Die Anordnungen gemäss Fig. 1-5 treffen auch auf derartige Formen zu, soweit es sich um die Merkmale der Erfindung handelt.
In Fig. 6 ist ein Kanal angenommen, der im Querschnitt im wesentlichen rechteckig mit ausgerundeten Ecken ist ; es können aber auch andere Querschnittsformen Verwendung finden. Weiter ist bei der Beschreibung angenommen, dass die Zylinderachse lotrecht steht ; die Erfindung ist auch auf Maschinen mit waagrechten Zylindern anwendbar. Üblicherweise wird die Symmetrieebene der Brennkammer, die die Strahl-und Kanalachse enthält, parallel zur Zylinderachse liegen, d. h. bei einem stehenden Zylinder eine senkrechte Ebene sein ; doch erfasst die Erfindung Ausführungen, bei denen die Symmetrieebene schräg dazu geneigt ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Brennkraftmaschine mit Verdichtungszündung und Einspritzung flüssigen Brennstoffes und einer bei Ende des Verdichtungshubes im wesentlichen die gesamte Luftladung aufnehmenden Brennkammer, die als Rotationskörper gestaltet ist und in die ein tangential zur Rotationskörperwandung verlaufender, in einem heissen Körper gebildeter Kanal einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Brennstoffstrahles in der Symmetrieebene der Brennkammer liegt, die auch die Kanalachse enthält und auf einen Punkt eines heissen Teiles der Brennkammerwandung gerichtet ist, der, auf die Kammerachse bezogen, gegen die Einspritzdüse in der Richtung des Luftumlaufes um einen Winkel versetzt ist, der ungefähr 1200 beträgt, während die Einmündung des Kanals ausserhalb dieses Winkelabstandes liegt.