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Verfahren und Einrichtung zum Betrieb von gemischverdichtende fremdgezündeten
Brennkraftmaschinen mit Schwerkraftstoffen Aus wirtschaftlichen Gründen hat man
schon mehrfach versucht, in gemischverdichtenden Brenn-'kraftmaschinen mit Fremdzündung,
den sogenannten Ottomotoren, an Stelle der üblichen Leichtkraftstoffe (Benzin, Benzol)
wesentlich billigere Schwerkraftstoffe, also hochsiedende flüssige Brennstoffe,
wie z. B. Petroleum oder Traktorenöl zu verwenden. Dabei wird,der Kraftstoff im
Vergaser oder unmittelbar vor diesem so weit erwärmt (auf etwa Zoo bis
300' C), daß er möglichst weitgehend verdampft und die Bildung eines Gemisches
mit guten Zünd- und Brenneigenschaften ermöglicht wird.
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Selbst wenn aber für eine entsprechende Vorwärmung auch der Mischluft
und eine Beheizung eher vom Vergaser zu den Arbeitszylindern führenden Gemischleitung
gesorgt wird, läßt sich durch den beim Ansaugen entstehenden Unterdruck sowie den
Einfluß der von der Gemischladung während des Saughubes auf ihrer ganzenLänge bestrichenen,
im allgemeinen nicht über 85° C erwärmbaren Zylinderwandungen eine gewisse Verringerung
der Gemischtemperatur und damit, wenigstens teilweise, eine Kondensation von Kraftstoffdämpfen
nicht vermeiden. Damit sind dann die bekannten Nachteile, wie Schmierölverdünnung,
Verrußung infolge unvollkommener Verbrennung usw., mit ihren unangenehmen, unter
Umständen zu schweren Betriebsstörungen führenden Folgen verbunden. Außerdem tritt,
besonders bei Belastung des Motors, ein beträchtlicher Leistungsabfall auf. Dieser
ist u. a. bedingt durch die starke Klopfneigung
der handelsüblichen
Petrolkraftstoffe und die dadurch bedingte weitere Herabsetzung des in einer gemischverdichtenden
Brennkraftmaschin2 ohnehin nur mäßigen Verdichtungsverhältnissen sowie ferner durch
die bei der Vorwärmung der Gemischbestandteile eintretende Volumenvergrößerung,
die sich ebenfalls im Sinne eines verringerten Ladungsgewichtes auswirkt, Für eine
betriebstechnisch und wirtschaftlich vorteilhaftere Verwendung von Schwerkraftstoffen
in einer Brennkraftmaschine müssen also andere Wege beschritten werden,- In diesem
Zusammenhang geht die vorliegende Erfindung von der Aufgabe aus, eine möglichst
einfache und brauchbare Lösung für das gegebenenfalls nur vorübergehend;. Umstellen
von Ottomotoren auf den Betrieb mit schwer verdampfbaren flüssigen Kraftstoffen
zu schaffen. Aus der Erkenntnis, daß der Hauptgrund für die mit den bisherigen diesbezüglichen
Vorschlägen verbundenen Mängel in dem Beibehalten der Gemischverdichtung liegt,
soll gemäß der Erfindung während .des Betriebes mit einem Schwerkraftstoff die durch
den Vergaser bei gesperrter Kraftzufuhr desselben angesaugte Luft im Arbeitszylinder
für sich verdichtet werden, ",-oliei ein Teilder Luftladung, etwa im Sinne des für
Dieselniotoren bekannten Vorkammerverfahrens, durch einen verhältnismäßig engen
Verbindungskanal in einen besonderen Raum übertritt. In diesem Rauin wird nach Vermischung
des hier im allgemeinen schon vorher auf anderem Wege eingespritzten und verdampften
Kraftstoffes mit der betreffenden Luftmenge eineTeilverbrennung mittels Fremdzündung
herbeigeführt sowie infolge der dabei entstehenden erheblichen Druck- und Temperatursteigerung
der bisher dampfförmige Kraftstoff durch thermische Zersetzung vergast. Anschließend
werden die Brenn- und Kraftstoffgase durch den Verbindungskanal in den Arbeitszylinder
getrieben, "-o die weitere Verbrennung stattfindet.
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Man hat zwar schon bei der Verwendung von Schwerkraftstoffen in einer
mit Fremdzündung arbeitenden Brennkraftm,aschine einerseits einen besonderen, mit
dem Arbeitszylinder durch einen schmalen Kanal verbundenen Hilfszündraum vorgesehen,
in welchem der Kraftstoff zerstäubt wird. Kaliei erfolgt aber, abgesehen von den
in anderer Hinsicht sich unterscheidenden Gliilikopfinotor:n, keine Vorverdampfung
geschweige denn N"; rgasung des Kraftstoffes oder keine Luftverdichtung. Andererseits
hat man den Kraftstoff unmittelbar in die verdichtete Luftladung des Arbeitszylinders
eingespritzt, und zwar entweder im Bereich des Verbrennungsraumes oder auch nach
Vorwärinung im heißen Arbeitskolben von diesem aus.
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Demgegenüber ist die Erfindung durch einen ganz bestimmten, andersartigen
Zusammenhang mehrerer ?Merkmale gekennzeichnet. Besondere Einzelheiten zur Durchführung
des Verfahrens bestehen vor allem in einem den Vorverbrennungsraum enthaltenden,
vorzugsweise leicht auswechselbaren Körper, welcher derart ausgebildet und angeordnet
ist, daß er während des im allgemeinen bei normalem Vergaserbetrieb und Gemischverdichtung
finit einem Leichtkraftsuifi durchgeführten Anlassens auf eine zum \"crdampfen des
Schwerkraftstoffes ausr2iclien<l2 Temperatur erwärmt und dann mindestens auf
dieser Temperatur gehalten wird. Bei einer etwas anderen Ausführung enthält der
betreffende Körper außer dem Vorverbrennungsrauin einen zweit.,ii. als Luftspeicher
und Blaskanimer dienenden Rauiii, der einerseits mit dem vom Arbeitszylinder zuni
Vorverbrennungsraum führenden Kanal tin(l andererseits auch unmittelbar mit dein
@'orvcrbrennungsraum durch einen besonderen, vorzugsweise engeren Kanal in Verbindun.
steht. Wciterc bauliche Merkmale sind aus der nachsteliendeii Beschreibung, den
betreffenden Unteransprüchen uncl der Zeichnung zu ersehen.
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In der Zeichnung sind in den Fig. i bis 3 beispielsweise verschiedene
Ausfiihrungsforinen einer zur Durchführung des erfinclungsgem_iß, ii Verfahrens
dienenden Einrichtung jeweils im Längsschnitt dargestellt. In allen Figuren sind
für gleiche Bauteile usw. dieselben Bezugszeichen ver\x-:nd2t.
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Ein aus zunderfreieni Stahl liergest°llter Körper i (gemäß Fig. i)
wird mit seinem am unteren Ende vorgesehenen Gewinde 8 an Stelle der hei einem Ottomotor
ini Bereich des Verbrennungsraumes eines Arbeitszylinders üblichen Zündkerze, et,va
in deti Zvlinderkolif, eingeschraubt. Da die an Hand der Zeichnung zu erläuternden
Erfindungsmerkmale sich auf den Körper i und die unmittelbar dazu geli<irendeii
Bauteile beschränken, sind keine Nveiteren Einzelheiten des Motors dargestellt.
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Der als besonderer Deckel ausgebildete obere Teil des Körpers i ist
mit einem an die Kraftstoffzuleitung angeschlossenen Kanal 2 versehen, der mit einer
düsenförmig verengten Öffnung in einen zylindrischen, im unteren Teil sich vei-jiitir;etid"ti
Raum 3 einmündet. Von der tiefsten Stelle des Raumes 3 führt ein Kanal 6 in ebenfalls
senkreclit2r Richtung, aber mit et"as grö(ierein I)tirclimesscr als der Kanal 2
zum Verdichtungsraum ini Arbeitszylinder. Eine Zündkerze 1 ist am L7bergang vorn
Kanal 6 zum Raum 3 vorgesehen. .hin Deckel sind außerdem mehrere Kühlrippen a angeordnet.
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Soll nun der betreffende Ottomotor mit einem Schwerkraftstoff betrieben
"-erden, so wird er nach dem Einbau des Körpers i zunächst iin norinal2n Vergaserbetrieb
mit einem Leic'htkraftstoft angcfassen. Ein Teil des im Arbeitszylinder verdichteten
Kraftstoff-Luft-1Gemisches aelaiigt durch d-211 Kanal 6 in den Vorverbrentiunrsraum
3 und v; ird hier mittels der Zündkerze .4 im gegeli,-nen Z2itpunkt gezündet. Durch
den bei der @-erl>r2nn@:n@@ dieses Gemisches im Raum 3 entsteliend;n druck werden
die Brenngase durch den Kanal C, zurück in den Arbeitsz_vlin.der getrieben. wo nach
Entzündung auch des übrigen G°inisches die weitere Verbrennung stattfindet.
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Durch die bei der Verbrennung, insbesondere im Vorverbrennungsrauni
3 auftretenden hohen Temperaturen wird der ganze Kiirper i schon in verhältnismäßig
kurzer
Zeit (etwa t bis 3 Minuten) in ei nein zum Betrieb in it Sciiwerkraftstott ausreichen
den Mafle erwärmt. Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird der Zufluß des Leichtkraftstoftes
zum Vergaser gesperrt und die 1)ros-selk1<tphe desselben voll geöffnet. Gleichzeitig
wird der bisher auf Nullförderung eingestellte Hebel zur Reglung der 1inspritzmenge
des Schwerkraftstoffes betätigt, bei Fahrzeugmotoren zweckmäßig mit dem Gaspedal.
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Wird die Leistung des 'Motors durch die Drosselklappe des Vergasers
geregelt, dessen Kraftstoffzufuhr gesperrt wurde, steuert in bekannter Weise die
Einspritzmenge der Pumpe pneumatisch den Unterdruck im Luftansaugkanal. Bei urgesteuerter
1?inspritzung wird der Kraftstoa nur im letzten Teil des Auspuffhubes und beim =\tisaughub
in den Vorverbrennungsraum gedrückt, während leim Verdichtungs- und beim Arbeitshub
Gier Kraftstoffzufluß durch den im Vorverbrennungsrautn herrschenden Druck mittels
eines Rückschlagventils g@-sperrt wird. Im letzteren Falle gehen die @insl>ritzleistungen
aller Arbeitszylinder von einem Druckkessel aus, in "welchem ein bestimmter, von
einer gemeinsamen Kraftstoffpumpe erzeugter und mittels eines in einen '\,rorratsl>ehälter
führenden Riickströmventils geregelterDruckaufrechterhalten wird. Bei gesteuerter
pumpenloser Einspritzung in einem ehrzylindermotor wird aus dem jeweils vorher zürndenden
Arbeitszylinder eine geringe Meng; der unter hohem Druck stehenden Gase durch eine
mit einem Rückschlagventil versehene Leitung entnommen, um den Kraftstoff in den
Vorverbrennungsrautn des in der Zündreihe nächstfolgenden:\rl>eitszylinders zu drücken.
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Der in den Vorverbrennungsraum 3 mit mäßiger Zerstäubung eingespritzte
Kraftstoff verdampft an den während der Anlaßzeit des Motors auf etwa 6oo bis goo`=
C erwärmten Wänden dieses Raumes. Dem verdampften Kraftstoff wird dann durch den
Verbindungskanal 6 ein Teil der im Arbeitszylinder verdichteten Luftladung zugeführt,
worauf der Verbrennungsvorgang im Raum 3 mittels derZi.indkerze 4 eingeleitet wird.
Dabei tritt eine erhebliche Druck- und Temperatursteigerung auf, so daß der bisher
dampfförmige Kraftstoff durch thermisch; Zersetzung vergast wird. Gleichzeitig beginnt
infolge des hohen Verbrennungsdruckes die Rückströmung aus dem Raum 3 in den Arbeitszylinder.
in welchem das aus den noch nicht verbrannten Kraftstoffgasen mit dem übrigen Teil
der verdichteten Luftladung gebildete Gemisch durch die bmreits vorhandenen Brenngase
zur Entzündung g°-bracht wird und dann die weitere Verbrentitin, stattfindet. Um
bei dem Rückströmen einen 'Feinperaturabfall der Brenn- und Kraftstoffgase ini Bereich
des Kanals 6 zu vermeiden, darf dieser nicht zu eng ausgeführt sein.
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Im Sinne einer noch weitergehenden \ ermeidung plötzlicher, sehr starker
Drucksteigerungen, wie sie bei den üblichen Ottomotoren infolge fast gleichzeitiger
Zündung und explosionsartigen \-erl@rrnnung des gesamten Kraftstoff-Luft-Getnisches
:aiftreten. ist bei der Ausfü@hrttug nach zig. 2 ilt dem Körper i unterhalb des
etwas kleiner als bei der ersten Ausführung gehaltenen Vorverbrennungsraunies 3
noch ein zweiter, als Luftspeicher und ßlaskammer dienende Raum 5 vorgesehen.% Dieser
ist einerseits mit dem vom Arbeitszylinder zum Vorverbrennungsraum führenden Kanal
6 durch eine über den ganzen Umfang ,desselben sich erstreckende ringförmige Aussparung
7 -und andererseits auch unmittelbar mit dem Vorverbrennungsraum durch einen besonderen,
sehr engen Kanal io verbunden. Bezüglich der Anordnung der Zündkerze .4, des Anschlußgewindes
8 und der Kühlrippen 9 bestehen zwischen dieser und der ersten Ausführung keine
Unterschiede. Die Zusammensetzung des ganzen Körpers i aus zwei Teilkörpern ist
lediglich herstellungsmäßig bedingt.; Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 wird die nach
dein Einspritzen und Verdampfen des Kraftstoffes im Raum 3 aus dem Arbeitszylinder
durch den Kanal 6 eintretende verdichtete Luft zum größeren Teil über die ringförmige
Aussparung 7 in die Kammer 5 ,geleitet. Der kleinere Vorverbrenriun.gsraum 3, der
zudem schon den verdampften Kraftstoff enthält, kann dagegen nur eine verhältnismäßig
geringe Luftmenge -bis zum Druckausgleich mit dem Arbeitszylinder aufnehmen.
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Die in der Kammer 5 befindliche Luft wird durch den zu Beginn der
Vorverbrennun.g entstehenden Druckanstieg über den Kanal io zusätzlich verdichtet
und den anschließend durch den Kanal 6 zum Arbeitszylinder strömenden Gasen in der
ringförmigen Aussparung 7 teilweise zugemischt. Wenn während des Arbeitshubes der
Druck sowohl im Vorverbrennungsraum 3 als auch im Arbeitszylinder nachläßt, tritt
die noch unvermischte Luft aus der Kammer 5 teils durch den engen Kanal io in den
Raum 3 über, so daß dieser gespült und von den etwa noch vorhandenen Gasen gereinigt
wird, teils durch die Aussparung 7 unmittelbar in den Kanal 6 und von dort in den
Arbeitszylinder, wo sie zur restlichen Verbrennung beiträgt.
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Schließlich ist aus Fig. 3 eine noch andere Ausführung ersichtlich,
bei welcher der Verbindungskanal 6 zwischen dem Arbeitszylinder und dem Vorverbrennungsraum
3 in den letzteren mit einer rohrförmigen Verlängerung i i hineinragt, an deren
Anfang mehrere in den Vorverbrennungsraum mündende Querbohrungen 12 vorgesehen sind.
Der Einspritzkanal 2 des Kraftstoffes befindet sich hier an der Seitenwand und die
Zündkerze 4 oberhalb des Raumes 3 im Deckel des Körpers i. Eine zweite Zündkerze
4' ist nahe am unteren Ende des Kanals6 angeordnet. Gegebenenfalls 'kann der Körper
i auch in diesem Falle, entsprechend der Ausführung nach Fig. 2 im unteren Teil
einen zweiten Raum als Luftspeicher und Blaskammer enthalten.
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Die letztgenannteBauart kommt insbesondere für pumpenlose, also in
der bereits beschriebenen Weise über einen Druckkessel erfolgende Kraftstoffeinspritzung
in Betracht. Der Kraftstoff wird hierbei schon gegen .Ende des Auspuffhubes dein
Vorverbrennungsraum 3 zugeführt, wenn in diesem Unterdruck gegenüber dem Druckkessel
herrscht. Beim
Eindringen verdichteter Luft in den Raum 3 wird dann
schon an den Querbohrungen 12 der verdampfte Kraftstoff in kleinen, über den Umfang
des Luftstrahles verteilten Mengen mitgerissen und dadurch eine sehr gute, gleichmäßige
Vermischung von Luft und Kraftstoff erreicht. Das im oberen Teil des Raumes 3 aus
dem Verlängerungsrohr i i austretende Gemisch wird dann hier mittels der Zündkerze
.4 gezündet. Durch den entstehenden hohen Verbrennungsdruck entweichen bei der rückläufigen
Strömung zum Arbeitszylinder die Brenngase durch das Rohr i i, während die inzwischen
gebildeten, noch nicht verbrannten Kraftstoffgase aus dem unteren Teil des Raumes
3 teilweise durch die Bohrungen 12 in den Kanal und zum Arbeitszylinder gelangen.
Die .nähe am unteren Ende des Kanals 6 angeordnete zweite Zündkerze .4' soll, falls
erforderlich, die Zündung der Hauptmenge des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Arbeitszylinder
zur gegebenen Zeit unterstützen und damit hier einen rechtzeitigen Beginn der Verbrennung
gewährleisten.
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Beim Eintritt der Brenn- und Kraftstoffgase in den Arbeitszylinder
kann bei allen Ausführungen eine für die Gemischbildung und den Verbrennungsablauf
vorteilhafte Wirbelbewegung in an sich bekannter Weise durch ein am unteren Ende
des Körpers i angeordnetes, die Gase etwa quer zur Zylinderlängsachse in tangentialer
Richtung ablenkbares Organ erreicht werden.
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Wird an Stelle der ungesteuerten Einspritzdüse, in welcher der Kraftstoff
günstigerweise durch Leitkanäle in \'erivirbelung senkrecht zur Einspritzrichtung
gebracht wird, eine handelsübliche gesteuerte Ein- oder Mehrlochdüse verwendet,
so muß gegebenenfalls ein an den Düsenstöcken angepreßter Kühlwasserkanal afigeordnet
werden, um eine schäd-IiclieErwärmung derDüsenelemente zu verhindern. Ebenfalls
zum Verhindern übermäßiger Wärmebeanspruchungen läßt sich die Zündkerze .4 bei den
Ausführungen nach Fig. i und 2 an anderer Stelle, z. B. im Luft- oder wassergekühlten
Oberteil des Körpers i unterbringen.
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Zum Schluß soll nur noch kurz auf den großen praktischen Wert der
Erfindung li-ingewiesen werden, der vor allem darin 'besteht, daß mit Hilfe eines
solchen Körpers i und der damit zusammenhängenden geringfügigen betriebstechnischen
Maßnahmen sich jeder vorhandene Ottomotor in denkbar einfacher Weise und sehr kurzer
Zeit auf einen einwandfreien Betrieb mit Schwerkraftstoffen umstellen läßt. Dabei
bleibt die Vergaseranlage einerseits zum Anlassen, andererseits für eine eventuelle
spätere ausschließliche Verwendung von Leichtkraftstoffen bestehen., Als weiterer,
nicht zu unterschätzender Vorteil ist die Tatsache anzusehen, daß im vorliegenden
Zusammenhang auf eine Vorwärmung der Verbrennungsluft verzichtet und dadurch vergleichsweise
eine größere Luftladung in den Arbeitszylinder eingesaugt werden kann, als es die
Verwendung von Schwerkraftstoffen bei Gemischverdichtung ermöglicht. Ferner läßt
sich die Motorleistung auch noch durch ein Verdichtungsverhältnis steigern, das
über die bei den üblichen Ottomotoren wegen der Gefahr einer vorzeitigen Selbstzündung
des Gemisches einzuhaltende Grenze hinausgeht.