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Mit Luftverdichtung und Selbstzündung des gegen Ende des Verdichtungshubes
eingespritzten Kraftstoffes arbeitende Brennkraftmaschine Die Gestaltung des Brennraumes
von mit Luftverdichtung und. Selbstzündung des gegen Ende des Verdichtungshubes
in einen einheitlichen Brennraum eingespritzten Kraftstoffes arbeitenden, und zwar
insbesondere schnell laufenden Brennkraftmaschinen, sollte- nach dem letzten Stande
der Erkenntnis folgenden Forderungen gerecht werden: Für niedrigsten Kraftstoffverbrauch
und beste Starteigenschaften ist das Verfahren der direkten Einspritzung anzuwenden.
Die Brennraumoberfläche soll möglichst klein und der Brennraum nicht unterteilt
sein, da große Oberflächen unnötige Wärmeverluste und Unterteilungen überschiebverluste
verursachen. Außerdem behindern unterteilte Räume die wünschenswerte Ausspülung
der Restgase.
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Die Brennraumwände sollen zur Herabsetzung der Wärmeverluste und zur
Förderung der Zündung und Verbrennung möglichst hohe Temperaturen aufweisen. Deshalb
sollen ein möglichst großer
Teil der heißen Kolbenoberfläche und
das heiße Auslaßventil zur Begrenzung des Brennraumes herangezogen werden.
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Der aus mechanischen Gründen bei der inneren Totpunktlage zwischen
Kolbenboden und Zylinderdeckelinnenfläche gebildete Restraum soll klein gehalten
werden, da die in diesem Raum befindliche Luftmenge nur unter ungünstigsten Bedingungen,
häufig aber überhaupt nicht, zur Verbrennung herangezogen werden kann.
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Dieser Restraum soll zur wirtschaftlichen Herbeiführung der für die
Gemischbildung erforderlichen Luftbewegung herangezogen werden.
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Die Gemischbildung durch die Bewegung der Verbrennungsluft soll durch
eine geordnete Bewegung dieser Luft erfolgen, da eine ungeordnete Bewegung den zeitlich
ablaufenden Verbrennungsvorgang dadurch ungünstig beeinflußt, daß später zur Verbrennungsreife
gelangende Kraftstoffteile in Gebieten bereits herabgesetzter Sauerstoffkonzentration
zur Reaktion kommen.
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Da infolge der kleinen Abmessungen des Brennraumes, des zeitlichen.
Ablaufes des Einspritz- und Gemischbildungsvorganges und der zur Mischung von Kraftstoff
und Luft erforderlichen Luftbewegungen eine geordnete und gleichförmige Luft-Bewegung
nur eine rotierende sein kann, so soll der Brennraum rotierende Luftbewegungen zulassen.
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Da die Erzeugung von Luftbewegungen zum Zwecke der Gemischbildung
einen nicht rückgewinnbaren Energieaufwand erfordert, sollen Luftbewegungen mäßiger
Geschwindigkeit für die Gemischbildung ausreichend sein.
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Die Gemischbildung erfolgt grundsätzlich durch zwei Faktoren: einmal
der von der Düse erzeugten Gemischbildung und zum anderen durch den Einfluß der
Bewegung der Verbrennungsluft. Die Steuerung der Luftbewegung soll deshalb so erfolgen,
daß der durch die Düse eingeleitete Gemischbildungsvorgang durch die Luftbewegung
gefördert und vervollständigt wird.
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Die durch den Verbrennungsvorgang ausgelöste Druck- und Temperatursteigerung
soll nicht hauptsächlich zur Gemischbildung herangezogen werden, da dann Vorgänge
erzwungen werden müßten, die Energieverluste zur Folge haben.
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Da Luftbewegungen quer zur Strahlachse den von der Düse ausgehenden
Gemischbildungsvorgang stören, sollen solche Luftbewegungen nicht in Anwendung kommen.
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Dem Strahl ist in Richtung seiner Achse ein möglichst großer Weg zur
Verfügung zu stellen, damit die von der Düse ausgehende Gemischbildung nicht vorzeitig
durch Aufspritzen gestört wird. Da die größte verfügbare Abmessung eines Brennraumes
der Zylinderdurchmesser ist, soll dem Brennstoffstrahl möglichst der Zylinderdurchmesser
dargeboten werden.
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Erfahrungsgemäß erzeugen Abgasreste in der verdichteten Ladung eine
Vergrößerung des Zündverzuges. Das hat bekanntlich einen harten Gang der Maschine
und ein entsprechendes, für den Dieselmotor charakteristisches Geräusch zur Folge.
Deshalb sollen Abgasreste beim Gaswechselvorgang möglichst weitgehend ausgespült
«erden. Der Brennraum soll deshalb unbegrenzte Ventilzeitüberschneidungen im oberen
Totpunkt zulassen. Er soll dabei so aasgebildet sein, daß eine möglichst vollkommene
Entfernung der Reste vom vorhergehenden Arbeitsspiel erfolgen kann.
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Es sind mit Luftverdichtung und Selbstzündung des gegen Ende des Verdichtungshubes
in einen einheitlichen Brennraum eingespritzten Kraftstoffes arbeitende Brennkraftmaschinen
bekannt, die sich in zwei Gruppen aufteilen lassen. Bei der einen Gruppe ist der
Brennraum entweder im Zylinderkopf oder im Kolben vorgesehen und wird durch den
Kolben bzw. Zylinderkopf bei Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt abgeschlossen.
Brennkraftmaschinen der zweiten Gruppe weisen je eine Ausnehmung im Zylinderkopf
und Kolben auf, die bei Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt den Brennraum
bilden. In diesem Fall liegen die den Brennraum und die Toträume bildenden Zylinderkopfflächen
und Kolbenflächen je in verschiedenen Ebenen, wobei sich der Brennraum im wesentlichen
in Längsrichtung eines einzigen Durchmessers erstrecken kann und in seiner Länge
dem Zylinderdurchmesser entspricht.
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Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine der
zweiten Gruppe. Während der Querschnitt des Brennraumes, der sich quer zu seiner
Längsrichtung erstreckt, bisher tropfenförmig, flachoval oder unsymmetrisch gestaltet
war, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, Kolben und Zylinderkopf je mit einer gleichen
treppenförmigen Stufe zu versehen, deren einander zugewandte Flächen die Brennraumlängsseiten
und die Totraumbegrenzung bilden, wobei alle den Brennraum und die die Toträume
bildenden; einander zugewandten Flächen, mit Ausnahme der von der Zylinderlauffläche
bzw. ihrer Verlängerung gebildeten Flächen, zueinander parallel verlaufen, die Breite
des Querschnitts des länglichen Brennraums mehr als doppelt so groß ist als die
Querschnittshöhe und der Brennstoff, wie an sich bekannt, von einer Schmalseite
des Brennraumes her bzw. von beiden Schmalseiten aus in Längsrichtung desselben
eingespritzt wird. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die zugeführten Luftstrahlen
den Strahlmantel des eingespritzten Brennstoffstrahls vom Strahlkern laufend losschälen
und dem Strahlkern ständig frische Luft zugeführt wird. Durch dieses Abschälen und
ständiges Zuführen frischer Luft zum Strahlkern wird der Gemischbildungsvorgang
beschleunigt. Im Zusammenhang damit wird die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht
und damit die Brenndauer verringert. Diese Vorteile ermöglichen die gewünschte Drehzahlsteigerung.
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Bei Viertaktbrennkraftmaschinen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Bauart werden je ein Aus-und Einlaßventil in Längsrichtung des Brennraumes nebeneinander
angeordnet. Die Breite des Brennraumes ist dabei so zu wählen, daß die Ventile auch
in der oberen Totpunktlage des Kolbens in den Brennraum hinein geöffnet «-erden
können.
Durch die vorgeschlagene Querschnittsform des Brennraumes
können die Ventile im oberen Totpunkt des Kolbens voll geöffnet sein. Dies ermöglicht
ein praktisch vollständiges Ausspülen des Brennraumes. Der Abgasanteil der frischen
Luftladung wird so weit herabgesetzt, daß keine Vergrößerung des Zündverzuges mehr
eintritt. Hierdurch wird ein weicher Gang der Maschine erzielt. Die vollkommenere
Gemischbildung und das schnelle Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemisches wirken
der Oualmbildung entgegen.
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Wenn die Breite des Querschnittes des Brennraumes mit Rücksicht auf
das freie Öffnen der Ventile im oberen Totpunkt zu schmal wird, kann man in einer
oder beiden treppenförmigen Stufen im Ventilbewegungsbereich ein oder mehrere taschenförmige
Aussparungen vorsehen.
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Um günstigere Durchströmverhältnisse am Ventil zu erreichen, ist es
zweckmäßig, die durch die Ventillängsachsen gelegte Ebene gegenüber der Brennraum-Symmetrieebene
versetzt verlaufen zu lassen. Besonders vorteilhaft ist es, die durch die Ventillängsachsen
gelegte Ebene zur Stufe des Kolbens hin zu versetzen.
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Normalerweise wird der Kraftstoff in Richtung der Mittelachse des
Brennraumes, so, wie er sich in der inneren Totpunktlage dies Kolbens ergibt, eingespritzt.
Mit Rücksicht auf Kolbenbewegung, Strahlentwicklun:g, Aufheizung des Kraftstoffes
durch die heiße Kolbenwandung und ähnliche Gründe kann es zweckmäßig sein, hiervon
abzugehen und den Kraftstoff diagonal, d. h. schräg oder zur Achsrichtung versetzt
einzuspritzen.
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Anstatt den Brennstoff von einer Schmalseite her einzuspritzen, kann
man an jeder Schmalseite des Brennraumes je eine Düse derart anordnen, daß die Achsen
der Brennstoffstrahlen gegenüber der Längsachse des, Brennraumes entgegengesetzt
seitlich versetzt verlaufen. Vorzugsweise liegen dabei diese Düsen bei der inneren
Totpunktlage des Kolbens gegen die horizontale Symmetrieebene des Brennraumes, in
Richtung auf die überströmende Quetschluft zu, versetzt.
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Erhalten das Ein- und das Auslaßventil verschieden große Durchmesser,
so wird dies bei der Brennraumgestaltung dadurch berücksichtigt, daß derselbe in
Richtung auf das Ventil mit kleinerem Durchmesser zu konisch verläuft.
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Die Zeichnung enthält in schematischer Darstellung Ausführungsformen
einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß der Erfindung.
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Abb. i und 2 zeigen einen Quer- und einen Längsschnitt durch den Brennraum.
Der Brennraum hat einen viereckigen Querschnitt und wird begrenzt an zwei Längsseiten
i und 2 durch den Kolben 3. Im übrigen wird er begrenzt durch den besonders gestalteten
Zylinderdeckel, der Ventile und 5 aufweisen kann.
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Die hier dargestellte Kolbenstufe unterscheidet sich ihrem Wesen und
ihrer Wirkung nach von den bei Zweitaktmotoren mit Schlitzspülung üblichen Nasenoder
Profilierungen, die dort allein der Ausrichtung der Spülströme dienen. Die Stufung
von Kolben und Zylinder dient unmittelbar der Brennraumgestaltung. Die Begrenzung
der Längsseiten des so, gebildeten Brennraumes 6 erfolgt durch die Zylinderwand
bzw. durch den Zylinderkopf.
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Bei der Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt entsteht in
den scheibenförmigen Räumen 7 und 8, die durch die Flächen 9 und io bz.w. i i und
12 des Kolbens und des Zylinderkopfes begrenzt werden, sogenannte Quetschluft, die
in den Brennraum 6 einströmen muß. Die hierdurch hervorgerufene Luftströmung erzeugt
einen etwa um die Längsachse des Brennraumes umlaufenden Wirbel, der im folgenden
Rollwirbel genannt wird. In Abb. 3 ist diese Luftbewegung schematisch dargestellt.
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Die Einspritzdüse 16 befindet sich an einer Schmalseite des Brennraumes
und spritzt den Kraftstoff in der Längsrichtung des Brennraumes ein. Dieser Vorgang
ist in Abb. q. schematisch dargestellt.
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Abb.5 zeigt die Einwirkung der seitlich einströmenden Quetschluft
auf den eingespritzten Strahl. Durch den Rollwirbel wird der Strahlmantel 14 vom
Strahlkern 15 gewissermaßen abgeschält und über den Brennraum 6 verteilt. Die abgeschälten
Strahlteile werden an den heißen Wänden entlang geführt, während zugleich der nun
freigelegte Strahlkern dauernd Frischluft erhält. Aus dieser Form der Gemischbildung
ergibt sich bei mäßigem Aufwand an Luftbewegung eine große Gemischbildungsgeschwindigkeit,
ein kurzer Zündverzug und schnelles Durchbrennen. Diese Art des Aufroallens eines
Kraftstoffstrahles stellt an sich eine Neuheit dar.
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Die Abb. 6, 7, 8, 9 zeigen verschiedene Anordnungsmöglichkeiten des
Strahles beim Einspritzen in den erfindungsgemäß gestalteten Brennraum bei Verwendung
einer Düse. Abb. 6 zeigt eine symmetrische Einspritzung, wie sie bereits beschrieben
worden ist. In Abb. 7 ist eine diagonale Einspritzung vorgesehen, um dem Strahl
einen noch größeren Weg zur Verfügung zu stellen. In Abb. 8 erfolgt die Einspritzung
so, daß der Strahl an seiner Aufspritzstelle eine als vorteilhaft anerkannte Führung
erhält. Nach Abb. 9 ist der Strahl so gelegt, daß unter der Einwirkung des heißen
Kolbens die Zündung beschleunigt wird.
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Der erfindungsgemäß gestaltete Brennraum ermöglicht in sehr zweckmäßiger
Weise die Verwendung von mehereren, insbesondere zwei Einspritzdüsen. Diese werden,
wie in Abb. io dargestellt ist, an den beiden Schmalseiten des Brennraumes angeordnet.
in einem solchen Falle ergibt sich allein durch die Strahlform eine nahezu vollständige
Erfassung der Luftladung. Der durch die Quetschluft erzeugte Rollwirbel beschleunigt
hierbei die Verbrennung.
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Die Abb. 11, 12, 13, 14 zeigen verschiedene Anordnungen zweier sich
einander gegenüberliegender Einspritzdüsen bzw. deren Strahlenpunkt. Die Strahlkerne
15 und die Strahlmäntel 14 werden hier je nach.der Lage der Achse des Strahles vom
Rollwirbel verschieden beeinflußt.
Abb. 15 zeigt eine unsymmetrische
Anordnung des erfindungsgemäß gestalteten Brennraumes im Querschnitt. Das bzw. die
Ventile sitzen außerhalb der Mitte des Brennraumes, so daß der Abstand zwischen
der Ventilachse und der vom Zylinderkopf gebildeten Brennraumlängsseite größer ist
als der Abstand der Ventilachse zur anderen Brennraumlängsseite r, die vom Kolben
gebildet wird. Hierdurch wird bei geöffneten Ventilen während des Saug- oder Ausschubhubes
ein größerer Querschnitt frei als bei symmetrischer Ausbildung. Diese Querschnittsvergrößerung
wirkt sich vorteilhaft bei Zylinderfüllung, Zylinderleerung, Ausspülung oder Auf
ladung aus.
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Dem gleichen Zweck dienen die in Abb. 16 und 17 gezeigten Aussparungen
in der Kolben- bzw. Zylinderstufe.
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Abb. 18 zeigt eine konische Form des Brennraumes 6. Sie kann vorteilhaft
bei verschieden großem Ventildurchmesser angewendet werden.
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Abb. i9 zeigt eine Verkleinerung der Fläche des Brennraumes in horizontaler
Richtung durch Verkürzung der Längsseiten. Eine solche Maßnahme kann bei großem
Ventilhub oder sehr hohem Verdichtungsverhältnis vorteilhaft angewendet werden.
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Die erfindungsgemäße Brennraumgestaltung ist sowohl bei Viertaktmotoren
als auch bei Zweitaktmotoren anwendbar.