DE1040311B

DE1040311B - Einspritzbrennkraftmaschine mit einer vorzugsweise im Kolben liegenden Brennkammer

Info

Publication number: DE1040311B
Application number: DED17369A
Authority: DE
Inventors: Odilo Schwaiger
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1954-03-22
Filing date: 1954-03-22
Publication date: 1958-10-02

Description

Einspritzbrennkraftmaschine mit einer vorzugsweise im Kolben liegenden Brennkammer Die Erfindung bezieht sich auf ,eine Einspritzbrennkraftmaschine mit einer vorzugsweise im Kolben liegenden, exzentrisch zur Zylinderachse angeordneten, als Wirbelkammer ausgebildeten Brennkammer, «-elche auf der der Zylinderachse benachbarten Seite gegen den Spalt zwischen Kolben und Zylinderkopf durch eine von der Brennkammer unterschnittene Überfallkante und auf der dem Zylinderumfang benachbarten Seite durch eine schräg nach außen gerichtete Wandung begrenzt wird, wobei der Brennstoff durch eine schräg von außen gegen die Brennkammer gerichtete Einspritzdüse eingespritzt wird, so daß die im Verdichtungshub über die Überfallkante verdrängte Luft in dieser eine Drehbewegung ausführt und der Brennstoff in die sich drehende Luft eingespritzt wird.
Bei bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art wird der Brennstoff vom Zylinderkopf her etwa zentral in die im Kolben angeordnete, etwa birnenförmig gestaltete Brennkammer gespritzt. Das Einspritzen erfolgt jedoch hierbei derart, daß der Brennstoffkegel gleichmäßig über den kreisförmigen Querschnitt der im Kolben angeordneten Brennkammer verteilt wird, wobei die Brennstoffdüse mit Bezug auf die Wandungen des Brennraumes derart gerichtet ist, daß ein Anprallen von Flüssigkeitsteilchen an die Wandung des Verbrennungsraumes vermieden wird. Eine solche Maschine ergibt jedoch ebenfalls keine vollkommene Verbrennung.
Bei einer anderen bekannten Ausführung, bei welcher der Brennstoff gegen die Wandung der Brennkammer gespritzt wird, liegen die vom Brennstoff getroffenen Wandungen der Brennstoffdüse gegenüber, so daß der Brennstoff bereits die Brennkammer durchquert hat, bevor er die Wandung trifft. Hierbei ist jedoch der Brennstoff beim Auftreffen auf der Wandung bereits weitgehend vergast.
Die Erfindung bezweckt demgegenüber eine solche Einspritzung des Brennstoffes, daß er von der in die Brennkammer einströmenden Luft noch in flüssigem Zustand erfaßt und in Richtung des Brennstoffwirbels auf den Inhalt der Brennkammer verteilt wird. Die Erfindung besteht demgemäß im wesentlichen darin, daß die auf einer Seite der Zvlinderacbse liegende Brennkammer als walzen- oder wannenförmige Wirbelkammer mit einer sich etwa in Richtung der Walzenachse quer erstreckenden Überfallkante ausgebildet ist und der Brennstoff zu einem wesentlichen Teil in flüssiger Form auf die der Einspritzdüse benachbarte, der Überfallkante gegenüberliegende schräge Wand aufgespritzt wird, so daß er durch die über die Überfallkante kataraktartig überströmende rotierende Luft von der Wand abgelöst und in Wirbelrichtung mitgenommen wird. Durch die Erfindung läßt sich praktisch eine vollkommene Erfassung des auf die Wandung aufgespritzten Brennstoffes durch die über die Überfallkante überströmende Luft erzielen, indem der Luftstrom den etwa in gleicher Richtung eingespritzten Brennstoff über die Wandungsfläche der Wirbelkammer verhältnismäßig weit verteilt, so daß jedes Luftteilchen zu einem entsprechenden Brennstoffteilchen Zutritt hat und dadurch unter Ablösung und Verdampfung der einzelnen Brennstoffteilchen eine praktisch vollkommene Verbrennung des Brennstoffes in der Wirbelkammer sicherstellt. Für die weitgehende Verteilung des Brennstoffes auf die Wirbelkammer ist hierbei zugleich die walzen- oder wannenförmige Gestaltung derselben, z. B. im Gegensatz zu einer kugel- oder birnenförmigen Form, von besonderem Vorteil. Vorzugsweise ist in an sich bekannter Weise die kataraktartige Überfallkante derart ausgebildet, daß sie sich beiderseits nach dem Zylinderumfang oder dem Kolbenrand zu verjüngt bzw. verliert.
Vorteilhaft ist die Spritzdüse in der Symmetrieebene der Brennkammer angeordnet, wobei der Brennstoff in einem Strahl oder in mehreren Strahlen fächerartig auf die der Einspritzdüse benachbarte Wandung der Brennkammer gerichtet ist.
Zum Vorwärmen der Brennkammer kann in zweckmäßiger Weise eine Glühkerze in der -Nähe der die Brennkammer begrenzenden wulstförmigen Kante angeordnet sein, wo eine kräftige Durchmischung des Brennstoffstrahles mit einem Luftwirbel stattfindet. Das kann dadurch besonders wirksam beheizt und die Bereitschaft zur Zündung erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird des weiteren der Brennstoff in zwei Strahlen eingespritzt, von denen der eine in der Nähe der Einspritzdüse etwa in Richtung der Luftströmung gegen die Brennkammerwand und der andere Strahl in die Nähe der Überfallkante bzw. der Glühkerze gespritzt wird. Auch kann der Brennstoff in einem zusammenhängenden Schleierstrahl, etwa mittels einer Zapfendüse, eingespritzt werden, wobei die Spritzrichtung derart ist, daß der größere Teil des Strahles die Wand der Wirbelkammer benetzt, während der kleinere Teil sich unmittelbar dem gleichsinnigen Luftteil mitteilt.
Zur wirtschaftlichen Herstellung der im Kolben angeordneten und die obere Kolbenfläche unterschneidenden Wirbelkammer ist diese vorteilhaft derart gestaltet, daß sie als Rotationshohlraum von einem Fräser mit einer nahezu senkrecht zur Achse der Einspritzdüse stehenden Achse, gegebenenfalls bei relativem Verschwenken von Kolben und Fräser zueinander um eine in der Nähe der inneren Begrenzungskarte der Wirbelkammer liegende Querachse. hergestellt werden kann.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch den Brennraum und Zylinderkopf der '.Maschine, Fig. 2 einen Grundriß auf den Kolbenboden hierzu, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 eine etwas andere Ausführung entsprechend dem Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2 und Fig.5 eine etwas andere Ausführung des Brennraumes in einem de.r Fig. 1 entsprechenden Schnitt. Im Maschinengehäuse 10 führt der Kolben 11 in üblicher Weise seine Hin- und Herbewegung aus, wobei er in Fig.l im oberen Kolbentotpunkt dargestellt ist. Im wassergekühlten Zylinderkopf 12 ist lieben je einem Einlaß- und einem Auslaßventil 13 eine Einspritzdüse 14 schräg angeordnet, welche in eine einen Teil des Brennraumes bildende Vertiefung 15 auf der Unterseite des Zylinderkopfes ausmündet.
Der Brennraum wird im wesentlichen durch eine Wirbelkammer 16 gebildet, welche im Kolbenboden angeordnet ist und sich in der Hauptsache in Achsrichtung der Einspritzdüse 14 erstreckt. derart, daß die Kammer auf der Seite der Einspritzdüse in einer schräg ansteigenden Wand 17 in den Kolbenrand übergeht, während die gegenüberliegende Seite durch eine wulstförmig vorspringende Kante 18 des Kolbenbodens gegen den Zylinderkopf bzw. gegen den Spaltraum 19 zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf abgeschirmt ist.
Die Wand 17 kann hierbei eine kuppen- oder schwellenförmige Erhöhung 20 aufweisen.
Eine Glühkerze 21 ist neben der Einspritzdüse so angeordnet, daß der Glühdraht 22 in den Raum 15 oberhalb der eigentlichen Wirbelkammer 16 hineinragt.
Zweckmäßig ist die Wirbelkammer 16 im Kolbenboden derart ausgebildet, daß sie durch einen bei 23 angedeuteten Fräser mit der Fräserachse 24 hergestellt werden kann, und zwar vorteilhaft derart, daß Fräser und Kolben zur Herstellung des Brennraumes um einen Punkt A in der Nähe der Kante 18 relativ zueinander verschwenkt werden.
Der Brennstoff wird einerseits durch einen Strahl 25 gegen die ansteigende Wandung 17 bzw. gegen die kuppen- oder schwellenförmige Erhöhung 20 in dieser Wandung derart eingespritzt, daß er die Wandung als dünne Schicht überzieht und infolge der hohen Temperatur des Kolbenbodens mehr oder weniger schnell verdampft, wobei er von der in Richtung der Wirbel x strömenden Luft in dampfförmigem Zustand auf die Wirbelkammer 16 verteilt wird. Um jedoch auch die übrigen Teile des Brennraumes genügend mit Brennstoff zu versorgen, ist ein zweiter Brennstoffsträhl26 vorgesehen, welcher die in Richtung x in die Wirbelkammer einströmende Luft durchquert und gegen die gegenüberliegende Kante 18 des Kolbenbodens bzw. gegen die angrenzenden Teile der Wirbel- oder Brennkammer gerichtet ist.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann der letztgenannte Strahl 26 als verhältnismäßig gebundener Strahl vorg r Sehen sein, während der Strahl 25 zweckmäßig in e aufgelöster Form auf die Wandung 17 bzw. derart auf diese oder die Erhöhung 20 aufgespritzt wird, daß der Brennstoff nach dem Aufspritzen auf die Wandung bzw. die Erhöhung 20 sieh schleierförmig über die ganze Wandung 17 verteilen kann.
Von besonderem Vorteil ist ferner, daß der Strahl 26 gegen eine Stelle gerichtet ist, an welcher die durch den Kolbenboden verdrängte Luft infolge der auf sie kataraktartig wirkenden Überfallkante 18 Ablösungswirbel bildet und dadurch die Mischung von Luft und Brennstoff besonders begünstigt.
Die Hauptverbrennung erfolgt in diesem Falle am Ablösewirbel der Wirbelkante, also an einer einheitliehen Front, die gegebenenfalls auch von einem oder mehreren Kraftstoffstrahlen fächerförmig und gleichsinnig mit der Luftbewegung beschickt werden kann. Der Brennstoff kann hierbei bzw. bei Einspritzung in den Luftraum der Wirbelkammer in bezug auf die zur Verfügung stehenden Luftmengen quantitativ abgestimmt werden.
Von Vorteil ist ferner die Anordnung der Glühkerze im Bereich eines Zündstrahles, welcher gegen den maximalen Wirbelimpuls gerichtet ist, so daß große Relativgeschwindigkeiten und kurze Zündverzüge gewährleistet sind.
Trotz der hohen Wirbelimpulse ist der Verbrennungsraum nur mäßig zerklüftet, so daß er günstigste Vorbedingungen für die Verbrennung ergibt. Gleichzeitig wird die Kolbenmulde durch den aufgespritzten und verdampfenden Kraftstoff gleichmäßig gekühlt. Der Steg zwischen den Ventilen ist thermisch geschützt, da die Hauptverbrennung auf der den Ventilen gegenüberliegenden Seite stattfindet und durch die vorspringende Kante 18 am Kolbenboden abgeschirmt ist. Durch ihre Lage außerhalb der Zylinder- und Verbrennungszone ist ferner die Einspritzdüse thermisch entlastet und ergibt gute Kühlmöglichkeiten.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ist die ansteigende Wandung 17 der Brennkammer im wesentlichen eben, ohne kuppen- oder schwellenförmige Ausbuchtung 20 vorgesehen. Der Brennstoff wird in diesem Falle z. B. in drei Strahlen 25a gegen die Wandung 17 gespritzt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Wandung 17 leicht konkav ausgebildet, und der Brennstoff wird im wesentlichen in einem zusammenhängenden kegelförmigen Schleier 27 in den Brennraum 16 derart eingespritzt, daß ein Tei127a, zweckmäßig der gräßere Teil des Schleiers in flüssigem Zustand des Brennstoffes unmittelbar die Wandung 17 trifft, während der übrige Teil des Schleiers 27 b auf den Luftraum der Kammer verteilt wird.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine einfache Zapfendüse mit trichterförmigem Strahlbild verwendbar ist, und ist infolge der teilweisen Kraftstoffaufbereitung durch Wandungsverdampfung einerseits und durch die unmittelbare Mischung mit der Verdichtungsluft andererseits vor allem für Maschinen mit hohen Drehzahlen geeignet.

Claims

PATE NTANSPPCCHI:: 1. Einspritzbrennkraftmaschine mit einer vorzugsweise im Kolben liegenden, exzentrisch zur Zylinderachse angeordneten, als Wirbelkammer ausgebildeten Brennkammer, welche auf der der Zylinderachse benachbarten Seite gegen den Spalt zwischen Kolben und Zylinderkopf durch eine von der Brennkammer unterschnittene Überfallkante und auf der dem Zylinderumfang benachbarten Seite durch eine schräg nach außen gerichtete Wandung begrenzt wird, wobei der Brennstoff durch eine schräg von außen gegen die Brennkammer gerichtete Einspritzdfise eingespritzt wird, so daß die im Verdichtungshub über die Überfallkante verdrängte Luft in dieser eine Drehbewegung ausführt und der Brennstoff in die sich drehende Luft eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einer Seite der Zylinderachse liegende Brennkammer als walzen- oder wannenförmige Wirbelkammer mit einer sich etwa in Richtung der Walzenachse quer erstreckenden Überfallkante ausgebildet ist und der Brennstoff zu einem wesentlichen Teil in flüssiger Form auf die der Einspritzdüse benachbarte, der Überfallkante gegenüberliegende schräge Wand aufgespritzt wird, so daß er durch die über die Überfallkante kataraktartig überströmende rotierende Luft von der Wand abgelöst und in Wirbelrichtung mitgenommen wird.
2. Einspritzbrennkraftmaschine nachAnspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die katarakta.rtige Überfallkante sich beiderseits nach dem Zylinderumfang oder dem Kolbenrand zu verjüngt bzw. verliert.
3. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzdüse in an sich bekannter Weise in der Symmetrieebene der Brennkammer angeordnet und der Brennstoff in einem Strahl oder mehreren Strahlen fächerartig auf die der Einspritzdüse benachbarte Wandung der Brennkammer gerichtet ist.
4. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufspritzbereich des Brennstoffstrahles kuppen- oder schwellenförmige Erhöhungen oder Vertiefungen in Form einer leicht konkaven Auswölbung der die Brennkammer begrenzenden schrägen Wand vorgesehen sind, die der Verteilung des Kraftstofffilms im Sinne der verhältnisgleichen Beschickung der Luftwalze dienen.
5. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im spitzen Winkel zur Düsenhalterachse eine Glühkerze in der Nähe der die Brennkammer begrenzenden wulstförmigen Kante angeordnet ist, wo eine kräftige Durchmischung eines Brennstoffstrahles mit einem Luftwirbel stattfindet.
6. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in zwei Strahlen eingespritzt wird, von denen der eine in der Nähe der Einspritzdüse etwa in Richtung der Luftströmung gegen die Brennkammerwand und der andere Strahl in die Nähe der Überfallkante bzw. der Glühkerze gespritzt wird.
7. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in einem zusammenhängenden Schleierstrahl, etwa mittels einer Zapfendiise, eingespritzt wird, wobei die Spritzrichtung derart ist, daß der größere Teil des Strahles die Wand der Wirbelkammer benetzt, während der kleinere Teil sich unmittelbar dem gleichsinnigen Luftwirbel mitteilt. B. Einspritzbrennkraftmaschinenach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß' die im Kolben angeordnete und die obere Kolbenfläche unterschneidende Wirbelkammer derart gestaltet ist, daß sie als Rotationshohlraum von einem Fräser mit einer nahezu senkrecht zur Achse der Einspritzdüse stehenden Achse, gegebenenfalls bei relativem Verschwenken von Kolben und Fräser zueinander um eine in der Nähe der inneren Begrenzungskante der Wirbelkammer liegende Querachse, hergestellt werden kann. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 652 650, 704 342, 865 683; österreichische Patentschriften Nr. 157 619, 149 914; schweizerische Patentschrift Nr. 264 714; britische Patentschrift Nr. 643 351.