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Luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit einem im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten Brennraum. Der Kraftstoff wird hier im wesentlichen in Form eines dünnen Filmes über eine möglichst grosse Fläche der Brennraumwand ausgebreitet und durch eine rotierende Luftbewegung in Dampfform von der Wand abgelöst, vermischt und dann verbrannt. Die Brennraumwand ist vorzugsweise durch eine den Wärmefluss drosselnde Brennraumschale ausgefüttert, die als ein nicht frei-oder selbsttragendes Einbauelement angeordnet ist. Diese Brennraumschale kann daher unter Einwirkung des Gasdruckes im Brennraum mit dem sie umgebenden Bettungsmaterial (Kolben oder Zylinderkopf) in weitgehend innige Berührung kommen.
Desgleichen findet kein Wärmetransport in Richtung der Ausfütterung statt infolge der dünnen Wandstärke der Brennraumschale.
Zweck der Erfindung ist es nun, bei einer Brennkraftmaschine der vorstehend genannten Kraftmaschinengattung für eine optimale Verdampfung bzw. Verdunstung des in den Brennraum eingespritzten und an der Brennraumwand angelagerten Kraftstoffes an bestimmten Zonen der Brennraumwand verschiedene Temperaturstufen einzuhalten, d. h. es geht hier um eine dosierte Wärmeverteilung innerhalb der Brennraumwand.
Die Anordnung von Isolierelementen im Brennraum von Einspritzbrennkraftmaschinen ist an sich bekannt. Diese Isolierungen haben jedoch nur teils die Aufgabe, die Temperatur innerhalb des Brennraumes auf einem bestimmten Niveau zu halten bzw. eine Temperaturerhöhung im Brennraum zu bewirken, so dass dann die Verbrennung des Kraftstoffluftgemisches im Brennraum schneller und zuverlässiger durch- geführt werden kann ; teils werden solche Isolierelemente auch im Bereich der Auftreffstellen des Kraftstoffstrahles angeordnet, um dort eine Zündstelle erhöhter Temperatur zu bilden und so insbesondere das Anlassen des Motors zu erleichtern oder auch die Verbrennung selbst wiederum zu beschleunigen.
Dabei bestehen solche Isolierungen entweder aus keramischem Material oder es können im Brennraum auch metallische Ausfütterungen vorgesehen sein, die meist so angeordnet sind, dass sich zwischen ihnen und den gekühlten Teilen des umgebenden Materials ein Spalt oder eine schlecht wärmeleitende Berührung ergibt. Teilweise werden die Ausfütterungen auch so ausgeführt, dass der Gasdruck von der Ausfütterung selbst aufgenommen wird, d. h. der isolierende Spalt zwischen Brennraumausfütterung und umgebender Aushöhlungswandung ist gegen Gaseintritt vomBrennraum her abgedichtet. Anderseits sind auch Ausführungsformen bekannt, bei denen ein Gaseintritt in diesen Isolierspalt möglich ist, d. h. zugelassen wird.
In all diesen Fällen bereitet es jedoch Schwierigkeiten, die Temperatur bestimmter Wandungszonen des Brennraumes unterschiedlich gegenüber anderen Wandungszonen zu halten, insbesondere wenn es sich um räumlich eng begrenzte Zonen handelt, wie dies in bestimmten Fällen wünschenswert sein kann.
Gerade bei der eingangs genannten Kraftmaschinengattung hat es sich als notwendig erwiesen, die Wandung des Brennraumes relativ kühl zu halten, um den Brennstoff dort ohne Gefahr vorzeitiger chemischer Zerfallserscheinungen auftragen zu können.
Die Ablösung des Kraftstoffes in Dampfform erfolgt dabei teils durch Verdampfung oder Verdunstung infolge der Wandungswärme, teils durch Strahlungseinwirkung der über die benetzten Wandungsteile hinwegstreichenden Luft-und Gasmassen ; ausserdem ist die Verdampfung und Verdunstung noch von der
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Dicke der Kraftstoffschicht an den verschiedenen Wandungszonen abhängig, die unterschiedlich sein kann. Die hiebei einzuhaltenden Temperaturstufen für eine optimale Verdampfung oder Verdunstung des Kraftstoffes sind aber, wie die Erfahrung zeigte, an bestimmten Zonen der Brennraumwand verschieden. So ist z.
B. bei der üblicherweise zur Ablösung des Kraftstoffilmes vorgesehenen Luftdrehung um eine gleichsinnig zur Zylinderachse verlaufende Brennraumachse bei gleicher Winkelgeschwindigkeit der Luftströmung um diese Achse die Luftgeschwindigkeit am Brennraumboden am geringsten. In diesem Bereich ist es daher zweckmässig, wenn nicht sogar erforderlich, die Wandungstemperatur zwecks rascherer Verdunstung anzuheben, während die wesentlich höhere Luftgeschwindigkeit in den Äquatorzonen des Brennraumes dort eine stärkere Kühlhaltung der Brennraumwand gestattet.
Ähnliche Verhältnisse liegen an der Brennraumwand in unmittelbarer Nähe der Düsenmündung bzw. im Bereich der unmittelbaren Wandaufspritzung des Kraftstoffes vor. Hier kann leicht infolge Überlagerungen von Kraftstoff mehrerer Kraftstoffstrahlen die Filmschicht zu dick werden und ausserdem wird auch die Wandung durch die hier grosse darüber hinwegfliessendeKraftstoffmenge unter Umständen zu stark abgekühlt. Auch an dieser Stelle ist es also zweckmässig, die Wandungstemperatur örtlich begrenzt anzuheben.
Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel anzugeben, durch die eine solch 10hal begrenzte Erhöhung der Wandungstemperatur in einfacher Weise bewirkt wird. Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass an örtlich begrenzten Stellen der Brennraumschale oderBrennraumwand im Bereich einer für die Verdampfung des Kraftstoffilmes ungenügenden Luftgeschwindigkeit und/oder im Bereich vermehrter Kraftstoffauftragung liegenden Stellen, die Brennraumschale oder Brennraumwand zur Erhöhung ihrer Temperatur gegenüber benachbarten Zonen überlagernde Beilagen aus Metall oder einem den Wärmefluss hemmenden Material angeordnet sind.
Erfindungsgemäss kann mindestens eine Beilage am Brennraumboden im Bereich der Brennraumachse und/oder im Bereich der unmittelbaren Kraftstoffeinspritzung angeordnet sein. Diese Beilagen sind nach weiteren Merkmalen der Erfindung ihrerseits schalen- oder scheibenförmig ausgebildet und können an der Innen-oder Aussenseite der Ausfütterungsschale angesetzt sein ; im letzteren Falle sind sie zwischen der Aussenseite und dem sie umgebenden Bettungsmaterial (im Kolben oder Zylinderkopf) angeordnet. Die Beilagen können beispielsweise dünne Blechscheiben oder Blechkalotten sein, deren Umrissform rund oder sonstwie der Grösse der zu beeinflussenden Wandungszone angepasst ist.
Ist die Ausfütterungsschale in das umgebende Bettungsmaterial eingegossen, dann werden zweckmässig, wenn die Beilagen an der Aussenseite der Ausfütterungsschale angeordnet sind, besondere Ausnehmungen im Bettungsmaterial vorgesehen, welche die isolierenden Beilagen aufnehmen. Die Scha1en- oder Kalottenform der Beilagen kann sowohl an der Aussen- wie Innenseite der Ausfütterungsschale zur Anwendung kommen, während die Scheibenform nur an der Innenseite möglich ist ; in diesem Fall überbrücken die Beilagen sehnenartig die Ausfütterungsschale und bilden dadurch zusammen mit derselben einen lokal begrenzten Hohlraum, der die isolierende Wirkung noch verstärkt.
Bei Verwendung von schalen- oder kalottenförmigen Isolierbeilagen an der Aussenwand der Brennraumschale kann durch entsprechende Wahl des Krümmungsradius derselben erreicht werden, dass sie entweder an der Ausfütterungsschale eng, d. h. im wesentlichen spaltfrei anliegen, oder dass sie mit dieser gleichfalls einen isolierenden Hohlraum bilden. In besonderen Fällen ist es zweckmässig, diesen Hohlraum durch Bohrungen mit dem Inneren des Brennraumes zu verbinden, wobei die Achsen dieser Bohrungen entweder radial zur Brennraummitte hin oder tangential zur Oberfläche der Ausfütterungsschale oder Brennraumwand im Sinne der Luftdrehung gerichtet sind.
Hiedurch lässt sich erreichen, dass kleine Kraftstoffmengen in diesen Hohlraum eindringen und zu einer Teilverbrennung gelangen, welche örtlich die Turbulenz erhöht, was besonders in denjenigen Zonen von Vorteil ist, welche eine schwache Luftbewegung aufweisen.
Die Erfindung ist auch für Brennräume anwendbar, die keine wärmedrosselnde Ausfütterungsschale haben.
In der Zeichnung ist die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Brennkraftmaschinenkolben mit Brennraum und darin angeordneter Ausfütterungsschale nebst einer Isolierbeilage gemäss der Erfindung am Brennraumboden, Fig. 2 einen ähnlichen Kolben jedoch mit Andeutung der isolierenden Beilage im Bereich der Kraftstoffeinspritzung nächst der Mündung der Einspritzdüse, die Fig. 3 und 4 Ausschnitte von Brennraumböden mit jeweils einer isolierenden Beilage an der Innenseite der Ausfütterungsschale, und Fig. 5 einen Brennraum ohne Ausfütterungsschale mit am Brennraumboden aufgesetzter Isolierbeilage.
Im Kolben 1 ist die den Brennraum bildende Aushöhlung 2 eingeschnitten, welche beliebige Hohlkörperform aufweisen kann, im Beispiel als oben offene Kugel ausgebildet ist. In die Aushöhlung 2 ist eine
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wärmedrosselnde Wandausfütterung 3, z. B. in Gestalt einer aus dünnem Blech bestehenden Brennraumschale, eingesetzt, deren Innenwand 4 die eigentliche, vom Kraftstoff benetzte Wandungsfläche des Brennraumes bildet. Die Schale 3 ist in der Aushöhlung 2 nicht frei oder selbsttragend angeordnet, so dass sie von sich aus dem im Brennraum auftretenden Gasdruck nicht standhält ; die Schale 3 kommt daher unter der Einwirkung dieses Gasdruckes mit dem sie umgebenden Bettungsmaterial des Kolbens 1 in mehr oder weniger innige Berührung. Die Brennraumschale 3 kann im Kolbenmaterial unmittelbar eingegossen sein.
Aus der Düse 5 werden in bekannter Weise ein oder mehrere Kraftstoffstrahlen 6 derart auf die Innenwand 4 der Brennraumschale 3 gespritzt, dass sie dort einen sich im Sinne der durch den Pfeil 7 angedeuteten Luftdrehung bis zum Boden des Brennraumes hin erstreckenden Kraftstoffilm bilden, dessen Flächenausbreitung unter 8 und dessen Schichtstärke unter 8a angedeutet ist. Die Luftdrehung im Brennraum erfolgt um die Brennraumachse 9.
Am Boden des Brennraumes 2 ist im Bereich der Brennraumachse 9 die Brennraumschale 3 durch eine Aumehmung 10 im Kolbenmaterial l teilweise freigelegt. In die Ausnehmung1 0 ist eine isolierende Beilage 11 aus Blech oder einem den Wärmefluss hemmenden Material eingelegt, welche ihrerseits schalenförmig ausgebildet und in ihrer nicht weiter gezeigten Umrissform der örtlichen Ausdehnung der zu beeinflussenden Wandungszone angepasst ist. Die Umrissform der Beilage 11 kann rund oder auch anderswie geformt sein.
Die Beilage 11 hat bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eine Wölbung, deren Krüm- mungsradius kleiner als der Krümmungsradius der Brennraumschale 3 ist, so dass sie sich in der Mitte von der Brennraumschale 3 um einen Abstand d abhebt, während sie an ihrem Umfang an der Schale 3 fest aufliegt.
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an die Blechschale 3 eng anlegen würde, was nicht weiter gezeigt ist.
In Fig. 2 ist die Anordnung einer isolierenden Beilage 11 in einem Wandungsbereich nächst der Einspritzdüse 5 angedeutet.
In den Fig. 3 und 4 ist dargestellt, dass man Isolierbeilagen lla, 11b auch an der Innenseite der Brennraumschale 3 entweder in Schalenform (Fig. 3) oder in Flachscheibenform (Fig. 4) vorsehen kann, wobei gleichfalls Hohlräume 12a, 12b gebildet werden. Wird, wie in Fig. 3, eine schalenförmige Isolierbeilage lla verwendet, deren Wölbung oder Krümmung zur Wölbung oder Krümmung der Brennraumschale 3 entgegengesetzt ist, dann kann der Hohlraum 12a besonders geräumig gemacht werden, was in manchen Fällen erwünscht ist.
Werden die Hohlräume 12,12a, 12b durch Bohrungen 13,13a, 13b, die entweder in der Brennraumschale 3 oder in den Beilagen lla, llb vorgesehen sind, mit dem Brennraum 2 in Verbindung gesetzt, dann kann Kraftstoff teilweise in diese Hohlräume eindringen und es entsteht durch Teilverbrennung eine Blaswirkung, welche die Gasbewegung in diesem Bereich jeweils beschleunigt. Die Bohrungen 13,13a, 13b können dabei entweder, wie in Fig. l gezeigt, radial zur Brennraummitte hin oder, wie in den Fig. 3 und 4 zu sehen, tangential zur Wandung der Brennraumschale 3 im Drehsinn der Luftbewegung gerichtet sein. In Fig. 2 sind ähnliche Bohrungen unter 13c angedeutet.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der ein Brennraum 2 ohne Ausfütterungsschale vorgesehen ist. Auch hier kann die Erfindung mit Vorteil zur Anwendung kommen, wenn-beispielsweise wie-
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unmittelbar an der Aushöhlungswandung 2 des Kolbens 1 aufgesetzt ist. Auch hier kann durch entsprechende Anordnung und Formgebung der Beilage 11d ein isolierender Hohlraum 12d gebildet werden, der durch Bohrungen 13d mit dem Innern des Brennraumes in Verbindung steht.
Die durch die erfindungsgemässen Massnahmen erzielbare Wirkung besteht in folgendem :
Mittels der isolierenden Beilagen 11 wird örtlich eine erhöhte Drosselung des Wärmeflusses in Richtung zum Kolbenmaterial geschaffen, die durch den zwangsweisen mehrmaligen Wärmeübergang an den sich überlagernden Grenzschichten (Material - Luft - Material) zustande kommt. Im Bereich der von den Beilagen 11 überdeckten Wandungsabschnitte ist daher der Wärmefluss gegenüber dem nicht überdeckten Wandungsteil geringer. Es wird hiedurch somit eine örtliche Anhebung der Wandungstemperatur erreicht.
In den Figuren ist die Erfindung am Beispiel eines im Kolben liegenden Brennraumesveranschaulicht, jedoch könnte der Brennraum auch ebensogut im Zylinderkopf angeordnet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die hierin gezeigten Möglichkeiten und Ausführungsbeispiele beschränkt.
Sie kann beispielsweise auch im umgekehrten Sinn zur Anwendung gebracht werden, indem in Fällen, wo statt einer örtlichen Wärmeisolierung eine erhöhte Wärmeabführung erwünscht ist, an Stelle von Beilagen aus einem den Wärmefluss hemmenden Material solche aus einem den Wärmefluss fördernden Material, z. B. Kupfer, verwendet werden. In diesem Falle müssen allerdings die Beilagen 11 mit dem Bettungsmaterial (Brennraumschale, Brennraumwand) stets innigen Kontakt haben.