Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmasehine und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmasclhine und eine Finrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren genmiss der Erlin- dung ist dadurch gekennzeichnet, dass man Brennstoff sowie ein Verbrennungsmittel un ter l )ruck, welches mehr als 30j Sauerstof enthält, in den Zylinder der Maschine mnin- destens temporär und in einer solchen rela tiven Menge 7um Brennstoff einführt, dass eine ausgesprochen unvollständige Verbren nung stattfindet.
Das Verbrennungsmittel kann aus mit Sauerstoff angereicherter Luft bestehen, wie sie mit etwa 40%Sauerstoff- gehalt bei der Zerlegung von flüssiger Luft hervorgeht; es kann aber auch flüssiger Sauerstoff verwendet werden, der zum Bei spiel nach Verdampfung unter Druck in dern Zylinder eingeführt wird. 1ie Einführung von Brennstoff und Verbrennungsmittel zur Erzielung einer ausgesprochen umvollständi- gen Verbrennung kann dauernd, dlas heisst bei allen Betriebszuständen, erfolgen.
Eine besonders vorteilhafte Anwencdung des Ver fahrens ist die temporäre Einführung von Brennstoff und Verbrennungsmittel, dlas heisst bei bestimmten Betriebszuständen, für den nachstehend erläuterten Zweck.
Die' Gesamtbelastung welche zunm Bei spiel ein Flugzeug vomn Boden anheben kann, ist unter andern Faktorein durch die Maxi- nmalleistung begrenzt, welche seine Maschinen während der Abflugdauer erzeugen können. Ausser dieser sehr kurzen Zeitdauer und ge wissen Notständen ist die während des Fluges erforderliche Leistung weit geringer. Die Not wendigkeit, während des Fluges sowohl Bau- geewicht als Brennstoff zu ersparen, auferlegt starke Begrenzungen der maximalen Leistung, welche für Abflugzwecke verfügbar gemacht werden kann, wenn man nicht das Gewicht der Maschinen oder deren Brennstoffver brauch über die wirtschaftliche Grenze hin aus erhöhen will.
M1liehe Bedingungen be stehen bei Verbrennungskraftmasehinen für Land- und Wasserfahrzeuge, wo die Be lastung der Bauteile in bezug auf die nor male erforderliche Leistung ein entscheiden der Umstand ist.
Das gegenwärtige Verhältnis zwischen normaler Flugleistung (Bedingungen mnit minimalem Brennstoffverbrauch) und Ab flugleistung (maximal zulässige Leistung) ist ungefähr 1 :2. Das Verfahren nach der vor liegenden Erfindung ermöglicht, die Abflug leistung im Verhältnis zur normalen Leistun- sehr beträchtlich zu erhöhen, ohne die für den normalen Flugzustand wirtsehaftlielisten Be- clingungen zu beeinflussen.
Es ist. ferner bekannt, dass trotz mancher Vorteile, z. B. dem sehr niedrigen Brenn stoffverbrauch, die Entwicklung von Koni- pressionszüncluiigs -VerbrenntZngskraftmaschi- nen für Flugzeuge behindert war, weil ihr Leistungsgewicht dasjenige von Funkenzün- cdmgs-Benzinmaschinen übersteigt.
Das Ver fahren nach der Erfindung gestattet Kom pressionszündungs-Verbrennungskraftmaschi- nen zu bauen, bei denen das Leistungsgewicht nicht höher als bei Funkenzündungs-Benzin- maschinen ist. Auch bei Motoren für statio näre oder Fahrzeugzwecke lässt sich bei An wendung des Verfahrens nach der Erfindung die Maximalleistung gegenüber der Normallei stung bedeutend erhöhen, ohne dass die maxi malen Zylinderdrücke erhöht werden.
Eine zweckmässige Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass zwecks Steige rung der Leistung über die Normalleistung zusätzlicher Brennstoff Lund Sauerstoff unter Druck in solchem Mengenverhältnis beim obern Totpunkt eingeführt werden, dass eine ausgesprochen unvollständige Verbrennung bewirkt wird.
Unter ausgesprochen unvollständiger Verbrennung wird eine so gesteuerte Ver brennung verstanden, dass der vorhandene Sauerstoff in Mengen vorhanden ist, die im genügend sind, um eine vollständige Verbren nung des Brennstoffes zu unterhalten, und dass die Auspuffgase in der Hauptsache aus den zweiatomigen Gasen Kohlenoxyd und Wasserstoff zusammengesetzt sind. Der Zu stand, bei welchem die Maschine mit erhöhten Brennstoffmengen und Sauerstoffzufuhr, wie vorstehend festgelegt ist, arbeitet, wird nach folgend als Sauerstoffaufladumg bezeichnet.
Vom theoretischen Standpunkt aus ist je der aus irgendeiner Quelle erzeugte Sauer stoff geeignet; praktische Überlegungen ma chen es jedoch wünschenswert, aus flüssigem Sauerstoff erzeugtes Sauerstoffgas zu ver wenden, da flüssiger Sauerstoff nicht nur sehr zweckmässig aufgespeichert werden kann, sondern ein Verbrennungsmittel ergibt, das bei dem erforderlichen Druck verfügbar ist, ohne dass ein grosser Teil der Maschinenlei stung zu dessen Verdichtung gebraucht wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Einrichtung zur Durchführumg der vorstehend erwähnten Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher die Maschine eine Brennstoffdüse, eine Brennstoffeinspritzpumpe mit Mitteln mir Erhöhung der zugeführten Brennstoffmenge über die für Normallast erforderliche h1enge, .ferner ein Ventil zur Regelung der Sauer stoffzufuhr und eine Steuervorrichtung für dieses Ventil aufweist,
welche das Ventil im normalen Leistungsbereich der Maschine ge schlossen hält und welche die Öffnung des Ventils zulässt, wenn zusätzliche Brennstoff mengen zur Erzielung einer erhöhten Ma- schinenleistung zugeführt werden.
Die Erreichung eines grossen Überlast- Bereiches schliesst notwendigerweise den Ver brauch von grossen Mengen von Brennstoff ein; aber da diese Leistung mir während be grenzter Zeitperioden und nicht für normalen Betrieb verlangt wird, ist dieser übermässige Brennstoffverbrauch nur auf kurze Zeit. be schränkt und wird durch die erreichten Vor teile mehr als ausgeglichen.
Es ist zu beachten, dass die den Zylinder verlassenden Auspuffgase infolge unvollstän diger Verbrennung entzündbare Gase enthal ten, und es könnte eingewendet werden, da.ss bei nach der Erfindung arbeitenden Zwei taktmaschinen die den Auspuffgasen folgende Spülluft zur Vervollständigung der Verbren nung oder gar zur Explosion eines Teils die ser Gase führen könnte. Es wurde jedoch (be sonders bei schnellaufenden Maschinen) ge funden, dass dies infolge der geringen Fort pflanzungsgeschwindigkeit der Flamme nicht stattfindet oder, wenn es stattfindet, der Umfang der Nachverbrennung so gering fügig ist, dass kein Einwand dagegen zu er heben ist.
Sollte es erwünscht sein, jed-,vede Ent- flamm.mg der Gase in einer Zweitaktmaschine wie vorstehend erwähnt zu unterdrücken (z. B. für grosse, langsamlaufende Kompres- sionszündungsmaschinen), kann der Zutritt der Spülluftladumg leicht verzögert werden, oder es kann ihr eine Ladung aus inertem Gas, wie gewöhnliches Verbrennungsgas, Koh lendioxyd oder Wasserdampf vorausgehen, welche als eine Isolierschicht zwischen den Auspuffgasen und der eintretenden Luft wirkt.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Einrich tung zur Durchführung des Verfahrens dar gestellt, an Hand welcher auch das Verfall ren nach der Erfindung beispielsweise erläu tert wird.
Fig.l ist eine schematische Darstellung, welche die Anwendung der Erfindung an einer Vierzylinder-Viertaktkompressionszünd- maschine veranschaulicht.
Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Düse für luftlose Brennstoffeinspritzung, kombiniert mit einem Sauerstoffzuführventil.
Fig.3 ist ein Schnitt durch eine Brenn stoffpumpeneinheit der schematisch in Fig.1 angedeuteten Brennstoffpumpe und durch eine zugehörige Steuerpumpe für das Sauer stoffventil, zusammen mit einer Stange für die Steuerung der Brennstoffpumpen und der Steuerpumpe für normalen Betrieb und Sauerstoffaufladung.
In der in Fig.l schematisch dargestellten Ausführungsform der Einrichtung an einer Viertaktkompressionszündungs-Verbrennungs- kraftmaschine ist eine Maschine normaler Ausbildung und Gewicht mit den üblichen Mitteln für die Zuführung von Verbren nungsluft zu den Zylindern während des S S aughubes versehen, so dass diese beim Ver dichtungshub in normaler Weise verdichtet wird. Das Verdichtungsverhältnis kann irgendein normales Verhältnis, z. B. ungefähr 1 :12 bis 1: 18 sein.
Nach Fig. 2 ist in jedem Zylinderkopf 1, oder an ihn anschliessend eine Brennstoffeinspritzvorriehtung 2, welche in diesem Fall mit einem gesteuerten Sauerstoff- Einlassventilgehäuse 3 kombiniert ist, ange ordnet, und da diese einander gleich sind, wird nur eine beschrieben werden.
Der die Brennstoffeinspritzung betreffende Teil der Vorrichtung weist ein federbelastetes Brenn- stoffeinspritzventil 4 auf, das in einer Düse 5 sitzt und mit einer Kammer oder einem Hohl raum 5a in der Nähe des Unterteils des Ven tils versehen ist, in welchen Brennstoff unter Druck durch den Kanal 5b und die Rohr leitung 6 von einer Brennstoffpumpe 7 in ge wöhnlicher Weise zugeführt wird; die Vor- richtnung entspricht einer der bekannten Bau arten für luftlose Brennstoffeinspritzung.
Das die Ventilstangeumgebende hülsen-oder rohrförmige Gehäuse, durch das der Brenn stoffdurchlass 5b führt, ist von einem ringför migen Zwischenraum 2a in dem am Zylinder kopf befestigten Gehäuse 2 der Einspritzvor- richtung umgeben. Dieser Zwisehenraumkann geschlitzte oder durchbroehene Distanzringe oder eine schraubenlinienförmige Teilwand oder einen Flansch enthalten, der einen ent sprechenden sehr aubenlinienförmigen Durch lass (in der Zeichnung nicht gezeigt) ergibt, unm eine Wirbelungskomponente in der Sauer stoffzufuhr hervorzurufen.
Das untere Ende dieses Zwischenraumes steht mit einem ent sprechenden Zwischenraum 8a in einem kegel förmigen oder andern Ring 8 in Verbindung, der eine zu der Brennstoffdüse 5 koaxiale Einlassöffnung 8b hat. Dieser Ring 8 ist vor teilhaft aus hitzewiderstandsfähigem Stahl. hergestellt., um den hohen Temperaturen zu widerstehen,<I>welche</I> zum Beispiel beim nor malen Betrieb (das heisst ohne Sauerstoff aufladung), wenn der Ring nicht durch den Sauerstoffstrom gekühlt wird, erreicht wer den.
An den Zwischenraum 2ca schliesst ein Kanal 26 an, welcher an eine ventilgesteuerte Sauerstoffzufuhrvorrichtung 3 angeschlossen ist. Hierbei ist die Anordnung derart, dass der eintretende Sauerstoff vom Zwischen raue 8a über die Spitze des zerstäubten Brennstoffeinspritzkegels beine Austritt aus der Düse 5 gerichtet.
wird, um eine gründ liche Durchmischung des Sauerstoffes und des zerstäubten Brennstoffes während der Einspritzperiode oder eines passenden Teils derselben zu bewirken, wenn mit Sauerstoff- aufla.dung gearbeitet wird.
Der Sauerstoffansehluss der Vorrichtung ist durch eine Rohrleitung 9 mit einem Ver teilerrohr 9a für eine Gaszuführung verbun den. Der Sauerstoff ist in. flüssigem Zustand in einem wärmeisolierten Zylinder 10 gespei- ehert. Eine Pumpe 11 fördert flüssigen Sauer stoff zu einemWärme austausch-Röhrensystem 12. Dieses Röhrensystem ist mit dem Verteiler rohr 9n verbunden -und von einem Heizmai- tel 12a umgeben, der in passender Weise durch die Zirkulation eines Heizmittels durch die Leitungen 12b und 12e, oder elektrisch geheizt werden kann.
Der Wärmeaustauscher ist so ausgebildet, dass der flüssige Sauerstoff verdampft. Eventuell kann der gasförmige Sauerstoff in einem Gasspeicher gesammelt werden. Der Druck kann durch irgendeine Druckregulierungsvorrichtung geregelt wer,- den, oder die Betätigungsmittel für die Pumpe 11 können eine Vorrichtung für das Steuern des Druckes besitzen. Es können von Hand betätigbare Mittel vorgesehen sein, um die Maschine im Überlastbereich mit Sauer stoffaufladung zu betreiben.
Es können Mit tel von bekannter Bauart vorgesehen sein, welche den Augenblick der Brennstoffein spritzung steuern und welche auch den Augen blick der Sauerstoffzufuhr steuern; oder es können getrennte Mittel zur synchronen Steuerung der Sauerstoffzufuhr im Verhält nis zur Periode der Brennstoffeinspritzung oder des gewünsehten Anteils derselben vor handen sein.
In entsprechender Weise können Steuermittel für die Regulierung der Brenn stoffmenge im normalen Leistungsbereich und der im Überlastbereich erforderlichen Menge vorgesehen sein, und die Steuerung für die erhöhte Brennstoffzufuhr kann mit Mitteln verbunden sein, durch welche die zugelassene Sauerstoffmenge so eingestellt wird, dass eine ausgesprochen unvollständige Verbrennung gewährleistet ist.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel wird zur Erzielung der gewünsehten Aufladung der Eintritt von Sauerstoff zu dem Kanal 2b und dem Zwischenraum 2a durch ein Ventil 13 gesteuert, dessen Stange 13a einen Kolben 13b besitzt, der in einem Zylinder 14 arbeitet und durch die Feder 15 belastet ist.
Das innere Ende des Kolbens 13b ist demn Druck in der Brennstoffleitung 6 über eine Zweigleitung 16 ausgesetzt, wenn das in ihr befincdliehe Absperrventil 16a geöffnet ist, derart, dass während jeder Einspritzperiode das Ventil 13 bestrebt ist, zu öffnen und Sauerstoff zu den Zwischenräumen 2a, 8a zuzulassen, was die gleichzeitige Zufuhr von Sauerstoff und Brennstoff gewährleistet, wenn die Maschine mit Sauerstoffaufladung arbeiten soll; der Sauerstoff ist jedoch am Durchgang zur Brennstoffdüse verhindert, wenn sich die Maschine im normalen Betriebszustand befin det, wie nachstehend erläutert wird.
Dem Ventilöffnungsdruck durch die Leitung 16 wirkt der auf die Oberseite des Kolbens 14 lastende Öldruck entgegen, der über die Lei tung 17, eine Verteilerleitung 18 von dem Be hälter 19 einer Steuerpumpe 20 geliefert wird. Letztere benützt aus Zweckmässigkeitsgrün den den Brennstoff als Mittel zur Erzeugung des erforderlichen hydraulischen Druckes. Wenn kein Sauerstoff zugeführt werden soll, wird das Ventil 13 durch den Druck von der Pumpe 20 zusammen mit dem Sauerstoff druck auf das Ventil plus dem Druck der Belastungsfeder 15 gesehlossen gehalten.
Um das Eintreten von Öl längs der Stanf,,e des Ventils 13 in die Kammer vor dem Ven tilkörper zu verhindern, ist die Stange von einem Hohlraum in einem Block 21 umgeben, welcher durch die Abzugkanäle oder öffnun- gen 21 mit der Atmosphäre in Verbindung steht.
Das Absperrventil 16a in der Zweigleitung 16 ist als Vorsichtsmassnahme vorgesehen, so dass das Sauerstoffventil 13 nicht ohne Ab sieht geöffnet werden kann. Das Absperrven til kann von irgendeiner bekannten Bauart eines Magnetventils sein, das geöffnet wird, wenn es durch die Betätigung eines Hand schalters oder durch einen mit den andern für die Maschine benutzten Steuermitteln ge- kuppelten Schalter elektrisch erregt wird, so dass, wenn die Maschine unter Normalzustand arbeitet, Sauerstoff nicht ohne Absicht ein gelassen werden kann.
Wenn anderseits die Maschine auf Aufladung mit Sauerstoff um geschaltet werden soll, wird das Ventil selbst tätig geöffnet, indem zum Beispiel der Schal ter durch eine Verbindung mit der nachste hend erwähnten Stange für die Einstellung der Brennstoffpumpe 7 und der Steuerpumpe 20 betätigt werden kann.
Die Brennstoffpumpe kann von irgend einer bekannten, für hutlose Brennstoffein- spritzung geeigneten Bauart sein, z. B. eine Brennstoffpumpe der Bauart Bosch, und die Steuerpumpe 20 kann von ähnlicher Bauart sein, welche jedoch so geändert ist, dass sie ihrer besonderen Funktion angepasst ist.
In Fig. 3 ist im Schnitt eine der Brenn stoffpumpen-Einheiten 7 zusammen mit der anschliessenden Steuerpumpe 20 dargestellt. Die Stange 22 des Pumpenkolbens endigt in einem Mitnehmer oder Stössel, der durch einen Nocken in bekannter Weise entgegen der Kraft einer starken Druekfeder (nicht gezeigt) betätigt wird. Der Pumpenkolben 23 ist im Zylinder 24 so angeordnet, dass er eine Teildrehung um seine Achse ausführen kann, und er besitzt eine Leerlauflängsnut 23a, die mit der Brennstoffansaugöffnung 24a in Übereinstimmung gebracht werden kann.
Ferner besitzt er eine schraubenlinien- förmige Schulter 23b und einen Hohlraum 23c, der mit der Längsnut in Verbindung steht, wodurch die Dauer der Einspritzung gemäss dem Ausmass der dem Kolben in bezug auf die Brennstoffansaugöffnung 24b erteil ten Drehung einstellbar ist.
Der Pumpenkolben 23 ist so im Zylinder 24 eingebaut, dass er sich sowohl hin und her bewegen als auch eine Teildrehung um seine Achse ausführen kann, letztere zur Steuerung der Einspritzdauer und damit der eingespritz ten Brennstoffmenge. Der Kolben hat eine Längsnut 23a, welche mit dem obern Teil des Zylinders 24 in Verbindung steht und an wel che eine schraubenförmige Schulter 23b an schliesst, die ihrerseits den obern Abschluss der ringförmigen Vertiefung 23c bildet, in die die Nut 23a seitwärts mündet.
Die Einlass- oder Ansaugöffnungen 24a, 24b sind in der Wand des Zylinders 24 an gebracht und stehen in Verbindung mit der gemeinsamen Ansaugkammer der Pumpe (nicht gezeigt).
Die schraubenförmige Kante der Schulter 23b bestimmt in Verbindung mnit der Öffnung 24b die wirksame Länge des Druck- oder Lie ferhubes der Pumpe, und die Einspritzdauer ist durch das Ausmass der Drehung, die man dem Kolben und seiner Schulter 23b erteilt, einstellbar. Wenn der kürzere Teil der Schul ter so gedreht wird, dass er der öffnung 24b gegenübersteht, ist die Einspritzdauer ein Uinimum, während sie anderseits entspre chend verlängert wird, wenn. der längere Teil gegenüber der Öffnung steht.
Zur Er höhung der für die erhöhte Leistung notwen digen Brennstoffmengen wird im vorliegen den Fall. eine Pumpe mit hinlänglich langem Hab benützt, so dass die öffnung 24b zu einem späteren Zeitpunkt freigegeben wird.
Uni eine Drehung des Kolbens herbeizu führen und zur Einstellung der schrauben förmigen Schulter 23b ist ein Kreuzstück 26 an der Ventilstange angebracht und in den Schlitzen 27 einer Büchse 28 geführt, die auf den Zylinder 24 drehbar aufgeschoben ist. Diese Büchse hat ein Zahnsegment<I>28a,</I> das in die Verzahnung 29 der Schaltstange 30 ein greift und die der Zahnstange ähnlich ist, welche gemeinhin für diesen Pumpentyp an gewandt wird und welche mit einem Hebel in Verbindung steht, der von Hand oder durch den Regelmechanismus betätigt wird.
Im vor liegenden Fall ist jedoch diese Zahnstange wie unten beschrieben abgeändert, um auch die Einstellung des Kolbens der Steuerpumpe 20 zu bewirken.
Die Steuerpilmpe 20 auf der rechten Seite der Fig. 3 ist der oben beschriebenen Brenn stoffpumpe in jeder Beziehung ähnlich, mit der Ausnahme, dass sie die sehraubenförmige Schulter 23b nicht besitzt. Der Kolben dieser Pumpe ist mit 31 bezeichnet und seine Längs nut ist. an der Stelle 32 angedeutet. Das Zahn segment 31a, des Kolbens 31 greift in eine zweite Verzahnung 29a auf einer Verlänge rung der Schaltstange 30 ein. Die Ansaug öffnungen 33 und 34 der Pumpe 20 sind mit der Brennstoffzufuhr verbunden, da in dem vorliegenden Beispiel der Brennstoff als hy draulisches Mittel zur Steuerung des Sauer stoffventils 13 verwendet wird.
Die Liefer seite der Pumpe 20 hinter dem Rückschlag ventil 25a ist durch die Umleitung 35 mit der Saugseite der Pumpe verbunden. Die Um leitung 35 hat eine Verengung 35a. Die relativen Einstellungen der Verzah nungen 29 und 29a in bezug auf die Zahn segmente an der Brennstoffpumpe 7 und der Steuerpumpe 20 sind derart, dass für alle durch Teildrehung bewirkten und für den normalen Betrieb der Maschine erforderlichen Einstellungen des Kolbens 23 und der Schul ter 23b die Längsnut 32 des Kolbens 31 der Steuerpumpe 20 nicht mit der Ansaugöff nung 33 zur Deckung kommt.
Die Pumpe 20 liefert in diesem Fall Druckmittel über den Druckbehälter 19 und die Leitungen 18, 17 zum äussern Ende des Kolbens 13b (Fug. 2) und hält hierdurch das Sauerstoffventil 13 geschlossen gegen die Druckpulsationen in den Brennstoffleitungen 6, 16, die durch die Pumpe 7 während der Lieferung des Brenn stoffes zur Düse 2 erzeugt werden.
Wenn der Kolben 23 sich während des Betriebes der Brennstoffpumpe 7 (Fug. 1 und 3) am untern Ende des Saughubes befindet, sind die Einlassöffnungen 24a, 24b offen und der Zylinder 24 ist mit Brennstoff gefüllt. Die Schaltstange 30 ist im normalen Lei stungsbereich in der Längsrichtung so ein gestellt, dass die Verzahnung 29 durch Dre hung des Segmentes 28a und damit des Kol bens 23 die Nut 23a so verschoben hat, dass sie nicht auf die Öffnung 24a ausgerichtet ist.
Die schraubenförmige Schulter 23b ist dabei so eingestellt, dass die Lieferung des Brenn stoffes am Ende der vorbestimmten Ein- spritzperiode dadurch beendigt wird, dass der Brennstoffüberschuss von der Lieferseite des Kolbens durch die Längsnut 23a, die Vertie fung 23c und die Öffnung 24b zurüekfliesst, wenn letztere durch die eingestellte Schulter 23b während des Aufwärtshubes des Kolbens freigegeben wird.
In dem Masse wie der Kolben sich von sei ner Anfangsstellung aufwärts bewegt, ver drängt er Brennstoff durch die Öffnungen 24a, 24b, bis sein oberer Rand letztere deckt. Nach Abdeckung dieser Öffnungen wird der übrige eingeschlossene Brennstoff durch das Rückschlagventil 25 uind über die Brennstoff leitung 6 zur Brennstoffdüse 2 gedrückt. So lange die Öffnung 24b abgedeckt ist, wird Brennstoff durch den Kolben weiter einge spritzt. Bevor jedoch der Kolben das obere Ende des Hubes erreicht, gibt die schrauben förmige Schulter 23b gemäss ihrer Einstel lung die Öffnung 24b frei, und der überschüs sige Brennstoff oberhalb des Kolbens ent weicht in der oben geschilderten Weise in die Saugkammer der Pumpe.
Infolgedessen sinkt der Einspritzdruck in der Leitung 6, das Ven til 25 schliesst, und die Einspritzperiode ist beendet. Der Kolben beendet seinen Auf- vvärtshub, -und sobald sein oberer Rand in der Abwärtsbewegung des Sauglaibes die Öffnun gen 24a, 24b freigibt, wird eine frische Brenn stoffladung in Bereitschaft für den nächsten Einspritzlaib angesaugt.
Wenn die Hauptschaltstange 30, wie man in Fig.3 sieht, nach rechts durch den gan zen, für Normalbetrieb gültigen Einstellungs bereich des Brennstoffkolbens 23 und der Schulter 23b bewegt worden ist und die Ein stellung derart ist, dass die Einspritzdauer über das normale Mass hinaus verlängert wird, dann werden zusätzliche Brennstoff mengen zur Verbrennung mit dem nunmehr zuzuführenden Sauerstoff eingespritzt.
Die Nut 32 des Kolbens 31 der Steuer pumpe 20 ist dann auf die Öffnung 33 aus gerichtet, -Lind der Kolben läuft deshalb leer mit einem sich ergebenden Druckabfall in den Leitungen 18, 17 und einem Sinken des Druk- kes am äussern Ende des Kolbens 13b, so dass nach Betätigung des Magnetventils 16a der durch die Leitung 16 auf das innere Ende des Kolbens 13b wirkende Druck das Sauer stoffventil 13 gleichzeitig mit den Brennstoff- einspritzhüben der Brennstoffpumpe 7 öffnet.
Somit werden sowohl die Brennstoffeinsprit zung für normalen Lauf der Maschine als auch die Brennstoff- und Sauerstoffzufuhr für das Arbeiten mit Sauerstoffaufladung durch veränderliche Einstellung der Sehalt- stange 30 gesteuert. Durch eine Verbindung der vorstehend erwähnten Art kann der Schalter des Magnetventils 16a auch selbst tätig geöffnet werden, wenn die Schaltstange den Kolben 31 so weit verdreht hat, dass das Sauerstoffventil 13 in Übereinstimmung mit der Einspritzung von Zusatzbrennstoff bei Überlast öffnet.
Es sei nein die Arbeitsweise der Maschine im gesamten Leistungsbereich beschrieben: Die Zündung findet selbsttätig unter allen Bedingungen in der normalen Weise statt, und nach dem Expansionshub werden die Auspuffprodukte der Verbrennung durclh Auspuffventile in der üblichen Weise beim Auspuffhub ausgestossen.
Bei allen normalen Betriebsbedingungen der Maschine, das heisst innerhalb des nor malen Belastungsbereiches, wird die Luft ladung für den Masehinenzylinder angesaugt, verdichtet, die üblichen Mengen von Brenn stoff eingespritzt, entzündet und expandiert und in der normalen Weise ausgepufft, und unter diesen Bedingungen wird kein Sauer stoff durch das Ventil 13 zur Einspritzvor- richtung zugelassen. Wenn jedoch erhöhte Leistung gefordert wird, wird die Schaft stange 30 im angesetzten Sinn weiter ver schoben.
Der Saug- und der Kompressionshub der Maschine sind dieselben wie bisher; in die verdichtete Luftladung werden kurz vor dem Totpunkt vermehrter Brennstoff einge spritzt und zugleich eine angepasste Menge, welche eine vollständige Verbrennung verhin dert, von durch das Ventil 13 eintretendem Sauerstoff unter Druck eingeführt;
die Zün dung folgt nach und die kombinierte Zufuhr von Brennstoff und Sauerstoff wird noch über den obern Totpunkt hinaus fortgesetzt, wonaeh die Verbrennungsprodukte in der üb- liellen Weise expandieren, gefolgt von dem Öffnen des Auspuffes beim Auspuffhub.
Ge- nmäss dem Verfahren naelh der Erfindung ist die Sauerstoffmenge im Verhältnis zur erhöh ten Brennstoffmenge so eingestellt, dass es ungenügend ist, um eine vollständige Ver brennung des eingeführten Brennstoffes zu bewirken, fmnit demn Resultat, dass die Verbren nungsprodukte hauptsäehlieh die zweiatomi- gen Gase Kohlenoxyd und Wasserstoff auf weisen.
Als eine Folge dieser unvollständigen Verbrennung ist die Temperaturerhöhung in folge der Anwendung von Sauerstoff als Ver brennungsmittel nicht übermässig, wie dies der Fall wäre, wenn Sauerstoff mit der Luft- ladung angesaugt würde, um in bekannter Weise die Leistung der Maschine zeitweise zu verbessern.
Das Verhältnis der Mengen von Brenn stoff und Sauerstoff lässt sieh durch Einstel lung der Schliessfedern am Brennstoffein- spritzventil und am Sauerstoffventil fest legen, wodurch die Öffnung der beiden Ven tile auf den gewünschten Brennstoffpumpen- Finspritzdruek eingestellt werden kann, tun die erforderlichen relativen Ventilhübe zu er- hlalten.
Durch eine Veränderung der Dauer der Einspritzperiode durch Betätigung der Steuer stange und durch Veränderung des Brenn stoff-Sauerstoff-Verhältnisses können ver schiedene Ggrade von Überlasten im Vergleich mit der normalen Leistung erreicht werden, welche Überlasten das Vierfaehe der Normal last erreichen können.
Es ist zu beachten, dass durch Erhöhung der Leistung in der beschriebenen Weise das normale hohe Verdichtungsverhältnis der Ma schine unbeeinflusst bleibt und daher der Brennstoffverbrauch beim Laufen unter nor maler Belastung ohne Sauerstoff so niedrig bleibt wie in der üblichen Komnpressionszün- dungsmaschine.
Ferner wird die sehr grosse Erhöhung der Leistung ohne Erhöhung des maximalen Zy linderdruckes erreicht, da der zusätzliche Brennstoff zusamnmen mit dem Sauerstoff dem Zylinder bei diesem begrenzten Druck zu;eführt wird.
Die Überlastung verursacht. keine entspre- ehende Erhöhung der mittleren Temperatur des Arbeitsprozesses, trotz der Anwendung von Sauerstoff, aus dein Urirad, -weil Brenn stoff und Sauerstoff, -wie oben angegeben, so eingestellt sind, dass sie eine unvollständige Verbrennung ergeben,
und die Maschine und ihr Iiülilsvstelii wird somit keiner zusät.z- liellen. thermischen Belastung ausgesetzt.
Sauerstoff ist natürlich schon bei Iioin- pressionszündungsmaschinen zum Zweck der Verbesserung ihrer Leistung benutzt, worden. Sauerstoff -wurde zusammen mit der Luft- ladung angesaugt und mit der Ladung ver dichtet, und es wurden keine Vorkehrungen getroffen, um unvollständige Verbrennung des Brennstoffes zu erreichen, mit der Folge, dass eine unerwünschte Erhöhung der Tem peratur eintrat, welche nur für sehr kurze Perioden zugelassen werden kann und ganz ausserhalb praktischer Möglichkeiten für wirt schaftlich tragbare Bedingungen fallen würde,
bei welchen die Lebensdauer einer Maschine von überragender Wichtigkeit ist.
Es sind zwei grundsätzliche Verfahren der Erhöhung der Leistung einer Maschine vor handen: (a) die Geschwindigkeit zu erhöhen oder (b) den mittleren wirksamen, durch die Gaskräfte auf den Kolben ausgeübten Druck zu erhöhen. Für den vorliegenden Zweck braucht nur das letztere besprochen zu wer den.
Es sei die Leistung einer normalen oder bisherigen Kompressionszündungs-Verbren- nungskraftmaschine und diejenige einer glei chen Maschine verglichen, welche gemäss der Erfindung für Betrieb mit erhöhter Leistung konstruiert ist: Die bisherigen Verfahren der Erhöhung des mittleren wirksamen Druckes bei Verbrennungskraftmaschinen bestehen in der Anwendung von höherer Verdichtung oder von Vorverdichtung, wobei beide Ver fahren den maximalen Zylinderdruck er höhen, was unerwünscht ist, da der letztere die erforderliche mechanische Festigkeit und daher das Gewicht der Maschine bestimmt. Somit besteht die wirkliche Frage darin, wie man den mittleren wirksamen Druck erhöhen kann, ohne dass der maximal zulässige Zylin derdruck überschritten wird.
Für einen feststehenden Maximaldruck ist der mittlere wirksame Druck proportional: (1) der fühlbaren Wärmemenge, welche durch Verbrennung während eines Arbeits spiels erzeugt werden kann, das heisst dem Gewicht der Brennstoffladung, (2) der Grösse der aus der erzeugten fühlbaren Wärme ent zogenen Arbeit, das heisst dem thermischen Wirkungsgrad des Kreisprozesses.
Um den höchsten mittleren wirksamen Druck zu erreichen, sind eine sehr grosse Brennstoffladung und ein entsprechend hoher Gehalt an Sauerstoff die ersten Erfordernisse mit den folgenden Wirkungen: Bei der übli chen Maschine ist die Anwendung von zwei stufiger Luftverdichtung notwendig: (1) hoher Ladedruck der angesaugten Luft und (2) kleines Verdichtungsverhältnis im Zylin der, um den zulässigen maximalen Druck nicht zu übersteigen.
Bei einer Maschine gemäss der Erfindung besteht jedoch keine Notwendigkeit, die Luft vor der Verdichtung im Zylinder vorzuverdichten; vielmehr wird die Ladung nach der Verdichtung der Luft durch Zuführen von Sauerstoff bei gleichblei bendem Druck erhöht, und daher besteht auch keine Notwendigkeit für das Senken des Verdichtungsverhältnisses.
Es wurden Berechnungen gemacht, -um die in beiden Fällen sich ergebenden Bedin gungen festzustellen, wenn der Brennstoff- und Sauerstoffgehalt gemäss den zwei im letz ten Absatz angegebenen Verfahren erhöht werden. Diese Berechnungen zeigen, dass bei einer Maschine gemäss der Erfindung mit einem Verdichtungsverhältnis von 18 :1 90 des ganzen Sauerstoffes mit dem Brennstoff während der Verbrennung eingeführt werden kann und dass dies einen extremen mittleren wirksamen Druck von ungefähr 56 kg/cm2 er zeugen würde.
Um eine bisherige Maschine mit derselben Wärmeenergie pro Arbeitsspiel aufzuladen, würde es nötig sein, das Verdichtungsverhält nis auf 3,2:1 bei Arbeiten ohne Luftüber- schuss -und 2,6:1 für einen Liütüberschuss von 20/-, herabzusetzen, weil sonst der maxi male Zylinderdruck die zulässige Grenze über schreiten würde.
Es hat keinen praktischen Sinn, eine sol che Maschine zu bauen, weil sie einen sehr kleinen thermischen Wirkungsgrad bei nor malen Arbeitsbedingungen haben würde. Im Gegensatz dazu wird die Maschine gemäss der vorliegenden Erfindung alle Vorteile eines hohen Wirkungsgrades und niedrigen Brenn stoffverbrauches beim Lauf unter normalen Belastungen ohne Sauerstoffzufuhr erzielen. Die obigen Berechnungen ziehen gleiche Wärmeenergiezufuhren pro Arbeitsspiel in beiden Fällen in Rechnung. Es kann gezeigt werden, dass bei extremen Belastungsbedin gungen die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung betriebene Maschine weit wirk samer als die bisherige Maschine ist, da sie viel mehr nützliche Arbeit aus derselben Wärmemenge entzieht.
In Bezug auf den thermischen Wirkungs grad ist die äussere, während eines Arbeits spiels geleistete Arbeit gleich der Summe: (1) der Arbeit während der Verbrennung bei konstantem Druck; (2) der Arbeit während der adiabatischen Expansion, von welcher abzuziehen ist (3) die Verdichtungsarbeit.
Von den drei erwähnten Komponenten hat die während der Verbrennung bei konstantem Druck erhaltene Arbeit den grössten Einfluss auf die Erhöhung des thermischen Wirkungs grades. Diese Arbeit kann bei demn vorliegen den Verfahren bis zu 30% grösser sein. Der nächtswichtigste Faktor besteht in der Ver dichtungsarbeit, welche bis zu 35% kleiner sein kann als bei dem bisherigen Verfahren.
Die adiabatische Expansionsarbeit ist an nähernd die gleiche für beide Verfahren, trotz des grösseren Betrages von nahezu 90% zweiatomiger Gase in den Arbeitsgasen gemäss dem Verfahren nach der Erfindung, wegen des kleinen adiabatischen Expansionsverhält nisses beim Verfahren nach der Erfindung.
Es ergibt sich daher, dass beim Verfahren nach der Erfindung ein mittlerer wirksamer Druck erreicht werden kann, welcher 50 höher ist als der gemäss dem bisherigen Ver fahren mit Vorverdichtung erreichbare Druck, wobei in beiden Fällen die gleichen maxi malen Zylinderdrücke angenommen sind. Das bisherige Verfahren der Vorverdichtung hat jedoch ein sehr kleines Verdichtungsverhält nis zur Folge, welches, da es nicht verändert werden kann, einen sehr hohen Brennstoff verbrauch verursacht, wenn die Maschine un ter normalen Belastungen läuft. Folglich er gibt das Verfahren nach der Erfindung eine sehr grosse Leistung pro Zylindervolumenein- heit zusammen mit maximaler Wirtschaftlich keit bei normalem Lauf.
Obschon die Erfindung hauptsächlich in ihrer Anwendung auf Kompressionszündungs- maseb inen beschrieben wurde, kann sie in äliiilicher Weise für Fremdzündungsmaschi- nen, welche die leichteren Kohlenwasserstoff Brennstoffe, wie Benzin, verwenden, verwirk licht werden.