DE1178637B - Brennkraftmaschine mit Verdichtungsselbst-zuendung und direkter Kraftstoffeinspritzung - Google Patents

Description

• Brennkraftmaschine mit Verdichtungsselbstzündung und direkter Kraftstoffeinspritzung Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Verdichtungsselbstzündung und direkter Kraftstoffeinspritzung aus einer im Randbereich des Zylinderkopfes angeordneten Düse, aus welcher der Kraftstoff in einem schräg zur Zylinderachse verlaufenden Strahl mit seinem Hauptteil in einen im wesentlichen rotationskörperförmigen Kolbenbrennraum mit eingezogener Öffnung gespritzt wird, während ein kleiner Teil des Kraftstoffes derart gegen eine heiße Brennraumwandstelle in unmittelbarer Nähe der Brennraumöffnung gerichtet ist, daß er den Kolbenboden an der Auftreffstelle überspritzt.
• Bekanntlich wird der beste Verbrennungsablauf, d. h. insbesondere eine rauch- und klopffreie Verbrennung, dann erreicht, wenn es gelingt, die Verbrennung zuverlässig gleichbleibend an ein und derselben, als besonders günstig erkannten Stelle des Brennraumes einzuleiten. Man verwendet z. B. häufig eine Mehrstrahleinspritzung, wobei ein Strahl, von dem die erste Zündung ausgehen soll, als besonderer Zündstrahl dient, während die übrigen, meist längeren Strahlen den Kraftstoff an entferntere Wandstellen des Brennraumes bringen, wo sie in Verbindung mit der durch besondere Maßnahmen in Rotation versetzten Verbrennungsluft zu dem anschließend verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisch aufbereitet werden. Nachteilig ist dabei einerseits, daß zur Erzeugung des besonderen Zündstrahles eine Einspritzdüse mit einem entsprechend kleinen, besonderen Austrittsloch benötigt wird, welches sich leicht zusetzt und dann die richtige Kraftstoffeinspritzung in Frage stellt, und anderseits, daß die heftige Rotationsbewegung der einströmenden Verbrennungsluft nur unter entsprechenden Druckverlusten und verringerter Füllung erreicht wird.
• Während die meisten bisher bekanntgewordenen Einstrahleinspritzungen demgegenüber den anderen Nachteil aufweisen, daß sie vornehmlich eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes (in Form eines Kraftstoff-Luft-Gemischnebels) über den ganzen Brennraum und keinesfalls irgendeine Wandberührung des Kraftstoffes anstreben, ist auch schon ein neuerer Vorschlag einer Einstrahleinspritzung mit ausdrücklicher Wandanspritzüng bekanntgeworden. Nach diesem soll der Kolbenbrennraum nach der Außenseite des Kolbens - und damit zugleich nach der im Zylinderkopf angeordneten Kegelstrahldüse - hin eine flach ansteigende Fläche bilden, auf die der Kraftstoff zu einem wesentlichen Teil in flüssiger Form schräg aufgespritzt wird. An der dieser Fläche gegenüberliegenden Seite bildet der Kolbenboden gegenüber dem im übrigen tiefer im Kolben befindlichen Brennraum ein Überfallkante, über welche die Verbrennungsluft nahezu vollständig in Form einer Quetschströmung in den Brennraum einströmt. Der nicht auf die genannte schräge Fläche auftreffende Teil des konischen Einspritzstrahles soll sich dabei über den Brennraum verteilen. Wenn sich hierbei auch eine günstige Aufbereitung des von der Wand wieder abgelösten und verdampften Kraftstoffanteils ergibt, fehlt es doch an einer örtlich zuverlässig gleichbleibenden ersten Zündstelle des Kraftstoffes, da bekanntlich um den ganzen, mehr oder weniger geschlossenen Einspritzstrahl herum Bereiche der Randablösung entstehen; die bei einem Verzicht auf eine Fremdzündung, wie sie beim Anlassen durch eine Glühkerze gegeben ist, alle annähernd gleich günstige Voraussetzungen für eine erste Selbstzündung mit sich bringen. Die Zündung wird an unterschiedlichen, vornehmlich in dem der Kolbenachse zugekehrten Bereich des Brennraumes befindlichen Stellen einsetzen, so daß die Verbrennung in der bekannten, verhältnismäßig langsamen Weise der Lufteinströmüng entgegen - nach der genannten Schrägfläche hin - erfolgt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Mängel zu beheben und trotz Vermeidung einer Mehrstrahleinspritzung und einer besonderen Dralleinströmung der Verbrennungsluft den Ort der ersten Selbstzündung mit Sicherheit festzulegen und eine optimale Verbrennung mit einer in Strömungsrichtung der Luft erfolgenden Flammenfortpflanzung zu gewährleisten.
• Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Achse des aus einer Einloch-, Zapfen- oder sonstigen Spaltdüse austretenden Kraftstoffstrahles derart gerichtet ist, daß der Hauptanteil des Kraftstoffes in an sich bekannter Weise an verhältnismäßig kühle Wandteile gespritzt wird und daß kurz vor Beendigung der Einspritzung durch Eintauchen eines Kantenabschnittes des Brennraumöffnungsrandes in den Mantel des Kraftstoffstrahles ein kleiner Kraftstoffanteil eine in der Nähe der Düsenmündung liegende Kolbenbodenstelle überspritzt.
• Bei einer solchen Einspritzung breitet sich der auf den Kolbenboden überspritzte Teil des Einspritzstrahles der einströmenden Luft entgegen aus und wird dabei einerseits vom heißen Kolbenboden her aufgeheizt und anderseits durch die entgegenströmende Verbrennungsluft aufgestaut, was zu einer sehr zuverlässigen ersten Selbstzündung ausschließlich an der Auftreffstelle dieses kleinen Strahlanteils führt. Da die Zündung zu einem Zeitpunkt erfolgt, wo die Strahlspitze des Hauptanteiles des Einspritzstrahles gerade erst den relativ kühlen Boden des rotationskörperförmigen Brennraumes erreicht hat, kann sich die von der ersten Zündstelle ausgehende Flammenfront - unterstützt durch die während des letzten Teiles des Verdichtungshubes des Kolbens zunächst vorzugsweise radial einströmende und sich anschließend in geordneten Wirbeln über den Brennraumboden ausbreitende Verbrennungsluft - ohne Gefahr der Bildung einer zweiten Zündstelle in den Brennraum hinein ausbreiten und schließlich auch den darin befindlichen, durch die vorgenannten Wirbel vom Brennraumboden wieder abgelösten und bereits weitgehend aufbereiteten Kraftstoff erfassen und vollständig verbrennen.
• Mit der erfindungsgemäßen Einspritzung wird gegenüber bisher bekannten Einstrahleinspritzungen ein wesentlich ruhigerer Lauf der Maschine und eine vollkommene Verbrennung unter bester Luftausnutzung erreicht, wie es bisher selbst durch eine mit den eingangs genannten Mängeln behaftete Mehrstrahleinspritzung mit zusätzlichem Luftdrall kaum möglich war. Die wirksame Beseitigung von Klopfgeräuschen bringt außerdem eine erhebliche Herabsetzung der mechanischen Beanspruchung des Kurbeltriebes und insbesondere der Kolben-, Pleuel-und Kurbelwellenlagerung mit sich, obgleich die Leistung an der Rauchgrenze noch gesteigert werden kann.
• Bei einer anderen, gegenüber der erfindungsgemäßen nicht vorbekannten Einstrahleinspritzung ist zwar schon vorgeschlagen worden, einen kleinen Anteil des Kraftstoffes gegen einen oberen Rand des Kolbenbrennraumes zu spritzen. Hier handelt es sich jedoch lediglich um eine Anspritzung des der Einspritzdüse abgelegenen Randes der Brennraumöffnung, die nur zu Beginn der Einspritzung mit einem der Strahlwurzel abgelegenen Strahlanteil möglich ist. Das Ziel dieser Einstrahleinspritzung ist nämlich, den Kraftstoff gleichsam wie einen Schleier über die Öffnung des Brennraumes zu legen, damit er dann von der verdichteten Luft sofort in den Brennraum hinein mitgerissen wird. Dies erfordert aber einen erstsprechend weichen Einspritzstrahl, der die gewünschte Wirkung nur in einem verhältnismäßig kleinen Drehzahlbereich zuläßt.
• Wegen des dort ausdrücklich angestrebten Verwehend des über die Brennraumöffnung gespritzten Kraftstoffschleiers muß bei dieser bekannten Ausführung damit gerechnet werden, daß Kraftstoffaufstauungen und erste Zündungen schon vor dem Erreichen der in Einspritzrichtung erst hinter der Brennraumöffnung liegenden Randstelle erfolgen. Solche Anordnungen eignen sich nicht für relativ schnell laufende Motoren, die in weiten Drehzahlbereichen regelbar sein sollen und einen Kraftstoffstrahl mit kompaktem Strahlkern und verhältnismäßig kleinem »weichem« Mantel erfordern. Die Anwendung einer solchen Düse würde bei der bekannten Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen zu unvollständiger Verbrennung mit Rußbildung führen.
• Bevorzugt wird eine sogenannte »Quetschströmung« ohne jede Drehung um die Zylinderachse, da sich hiermit, wie Versuche ergeben haben, an der Rauchgrenze die höchsten Mitteldrücke erreichen lassen. Dabei werden vorzugsweise die Zylinderachse, die Brennraumachse und die Achse des Verbindungskanals zwischen Brennraum und Zylinderraum, in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wobei die Brennraumachse gegenüber der Zylinderachse zur Einspritzdüse hin versetzt ist.
• Gemäß einem weiteren Erfindungsvorschlag liegt die Achse des Kraftstoffstrahles vorzugsweise in oder parallel zu der durch die Zylinderachse, die Brennraumachse und die Achse des Verbindungskanals gebildeten Ebene. Es kann aber auch die Achse des Kraftstoffstrahles so gelegt werden, daß sie die vorerwähnte Ebene im Bereich des Verbindungskanals durchdringt.
• In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt F i g. 1 den Arbeitszylinder einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem Kolben mit rotationskörperförmigem Kolbenbrennraum (in einem Teillängsschnitt nach der Linie 1-I der F i g. 2), F i g. 2 den Kolben gemäß F i g. 1 in einer Aufsicht auf den Kolbenboden.
• Der im dargestellten Zylinder einer Dieselbrennkraftmaschine mit direkter Einspritzung befindliche Kolben 1 weist einen im Kolben befindlichen Brennraum 2 von der Form eines Rotationsellipsoides auf, der mit dem übrigen Zylinderraum über einen runden Verbindungskanal 3 in Verbindung steht, dessen Ausmürrdung im Kolbenboden die eingezogene Brennraumöffnung bildet. Gegenüber der Zylinderachse 4 ist die Brennraumachse 5 und gegenüber dieser - innerhalb der durch die beiden genannten Achsen gebildeten Ebene - die Achse 6 des Verbindungskanals 3 nach dem Kolbenrand hin parallel versetzt, wodurch sich erreichen läßt, daß die angesaugte Verbrennungsluft beim Verdichtungshub über den ganzen Umfang der Brennraumöffnung mit nahezu konstanter Geschwindigkeit radial in den Brennraum 2 einströmt, sofern an der einströmenden Verbrennungsluft infolge unrichtiger Ausmündung des Saugkanals (Kernversetzung) keine größeren tangentialen Strömungskomponenten auftreten.
• Der Kolben 1 ist in F i g. 1 in einer Stellung seines Verdichtungshubes dargestellt, in der die Einspritzung sich unmittelbar vor ihrem Abschluß befindet. Wie aus der Figur hervorgeht, taucht hierbei gerade ein kleiner Teil 7 des Randes der Brennraumöffnung in einen sehr kleinen Teil des äußeren Strahimantels des einzigen Einspritzstrahles 8 ein, der mit seinem Hauptteil gegen die Bodenwandung des Brennraumes 2 gerichtet ist.
• Wie aus F i g. 1 weiterhin hervorgeht, ist die Achs-. richtung der im Zylinderkopf untergebrachten Einspritzdüse 9 gegenüber der Zylinderachse 4 geneigt, damit sich beim Verdichtungshub des Kolbens 1 die vorgenannte Einspritzung ergibt. Am Ende des verdichtungshubes befindet sich der Kolben 1 mit seinem Kolbenboden an der in F i g. 1 mit 10 bezeichneten und gestrichelt angedeuteten Stelle unmittelbar unterhalb des Zylinderkopfes, so daß sich am Ende des Verdichtungshubes nahezu die gesamte Verbrennungsluft im Kolbenbrennraum 2 befindet.
• Der auf den Kolbenboden überspritzte kleine Anteil des Einspritzstrahles breitet sich zunächst der einströmenden Luft entgegen aus und wird dabei einerseits vom heißen Kolbenboden her aufgeheizt und anderseits durch die entgegenströmende Luft aufgestaut, was zu einer sehr zuverlässigen ersten Selbstzündung an der Auftreffstelle des genannten kleinen Strahlanteils führt. Da diese Zündung zu einem Zeitpunkt erfolgt, wo die Strahlspitze des Hauptteiles des Einspritzstrahles gerade erst den relativ kühlen Boden des Brennraumes erreicht hat, kann sich die von der ersten Zündstelle ausgehende Flammenfront - unterstützt durch die während des letzten Teiles des Verdichtungshubes des Kolbens vorzugsweise radial einströmende und sich anschließend in geordneten Wirbeln über den Brennraumboden ausbreitende Verbrennungsluft - ohne Gefahr der Bildung einer zweiten Zündstelle in den Brennraum hinein ausbreiten und schließlich auch den darin befindlichen, durch die genannten Wirbel wieder abgelösten und bereits weitgehend aufbereiteten Kraftstoff erfassen und vollständig verbrennen.
• Wie durch Messungen bestätigt wurde, ist auch bei der dargestellten »unsymmetrischen« Anordnung des Kolbenbrennraumes die Randtemperatur des Brennraumöffnungsrandes entlang dem ganzen Umfang der Öffnung praktisch gleich groß, so daß die den kleinen Tei17 des Brennraumöffnungsrandes bildende Kantenstelle irgendwo am Umfang der Öffnung gewählt werden kann, was bezüglich der Anordnung der Einspritzdüse 9 eine willkommene Rücksichtnahme auf die übrigen Konstruktionsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere auf die Ventilanordnung ermöglicht.
• Wie aus F i g. 2 hervorgeht, liegt die Einspritzdüse 9 mit ihrer Achse innerhalb einer Ebene, die gegenüber der vorgenannten, die Zylinderachse 4 und die Brennraumachse 5 in sich aufnehmenden Ebene seitlich um einen kleinen Betrag versetzt ist. Dadurch liegt auch der kleine Teil 7 des Brennraumöffnungsrandes bzw. des Kolbenbodens etwas seitlich der genannten Ebene, was jedoch praktisch die gleiche Wirkung hervorruft, als wenn sich die Achse der Einspritzdüse 9 innerhalb der genannten axialen Ebene befinden würde.
• Für die erfindungsgemäße Verbrennung wird eine möglichst genau radiale Einströmung der Verbrennungsluft in den Kolbenbrennraum 2 bevorzugt, wozu das Einlaßventi111 mit seinem Einlaßkana112 zweckmäßig die aus den F i g. 1 und 2 ersichtliche Anordnung erfährt, bei der der Einlaßkanal 12 - in Richtung der Achse 4 des Zylinders gesehen - entlang einer radial zur Zylinderachse 4 verlaufenden Richtung 13 in den Zylinder einmündet.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Brennkraftmaschine mit Verdichtungsselbstzündung und direkter Kraftstoffeinspritzung aus einer im Randbereich des Zylinderkopfes angeordneten Düse, aus welcher der Kraftstoff in einem schräg zur Zylinderachse verlaufenden Strahl mit seinem Hauptteil in einen im wesentlichen rotationskörperförmigen Kolbenbrennraum mit eingezogener Öffnung gespritzt wird, während ein kleiner Teil des Kraftstoffes derart gegen eine heiße Brennraumwandstelle in unmittelbarer Nähe der Brennraumöffnung gerichtet ist, daß er den Kolbenboden an der Auftreffstelle überspritzt, d a d u r ch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Achse des aus einer Einloch-, Zapfen- oder sonstigen Spaltdüse austretenden Kraftstoffstrahles derart gerichtet ist, daß der Hauptanteil des Kraftstoffes in an sich bekannter Weise an verhältnismäßig kühle Wandteile des Brennraumes gespritzt wird und daß kurz vor Beendigung der Einspritzung durch Eintauchen eines Kantenabschnittes des Brennraumöffnungsrandes in den Mantel des Kraftstoffstrahles ein kleiner Kraftstoffanteil eine in der Nähe der Düsenmündung liegende Kolbenbodenstelle überspritzt. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Brennraumes derart auf die Richtung und Geschwindigkeit des Einspritzstrahles abgestimmt ist, daß die Strahlspitze etwa im Augenblick der Überspritzung der heißen Kolbenbodenstelle auf innere Wandteile des Brennraumes, vorzugsweise den Brennraumboden auftrifft. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderachse (4), die Brennraumachse (5) und die Achse (6) des Verbindungskanals (3) zwischen Brennraum und Zylinderraum in einer gemeinsamen Ebene liegen und daß die Brennraumachse (5) gegenüber der Zylinderachse (4) zur Einspritzdüse (9) hin versetzt ist. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Kraftstoffstrahles (8) vorzugsweise in oder parallel zu der durch die Zylinderachse (4), die Brennraumachse (5) und die Achse (6) des Verbindungskanals (3) gebildeten Ebene liegt. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Kraftstoffstrahles (8) die durch die Zylinderachse, die Brennraumachse und die Achse des Verbindungskanals gelegte Ebene im Bereich der Brennraumöffnung durchdringt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 865 683; schweizerische Patentschriften Nr. 292 900, 296 441; französische Patentschriften Nr. 952 636, 1120 865; britische Patentschrift Nr. 465 565; MAN-Forschungsheft, 1954, S. 50 bis 73. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1032 597.