DE1112670B - Luftverdichtende, selbstzuendende Einspritz-brennkraftmaschine mit einem im Kolben angeordneten Brennraum - Google Patents

Description

• Luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolben angeordneten Brennraum Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolben angeordneten rotationskörperförmigen und an seiner Öffnung eingeschnürten Brennraum, der im Bereich seiner Öffnung eine taschenartige Ausbuchtung aufweist, und mit einer Einspritzdüse, die den Kraftstoff entweder durch die eingeschnürte Öffnung des Brennraumes oder durch die taschenartige Ausbuchtung hindurch gegen die Brennraumwand spritzt, wo der Kraftstoff als dünner Film aufgetragen und durch eine primär zugeordnete Luftdrehung, die beispielsweise durch ein Schirmventil oder einen Drallkanal erzeugt werden kann, in Dampfform allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und danach verbrannt wird.
• Zweck der Erfindung ist es, den Brennraum für nach dem vorstehenden Verfahren arbeitende Brennkraftmaschinen so auszubilden, daß durch selbständige Anpassung der Gemischbildung an die jeweiligen Betriebsbedingungen besondere Kaltstarthilfseinrichtungen oder entsprechende Regelmaßnahmen von außen her überflüssig werden.
• Bei den vorstehend erwähnten, bekannten Brennkraftmaschinen wird eine Verbesserung des Kaltstartes dadurch erreicht, daß beim Anfahren der kalten Maschine, wo die Verdampfung des Kraftstoffes auf der Brennraumwand noch nicht genügend bzw. nicht genügend rasch erfolgen kann, ein größerer Anteil des Kraftstoffes unmittelbar in die Verbrennungsluft eingespritzt wird, um die Selbstzündung zu beschleunigen. Die Mittel hierzu sind entweder eine Veränderung der Strahllage der Düse durch Drehen derselben oder Veränderung der Drehrichtung der primären Luftdrehung durch Verstellung beispielsweise eines Schirmventils. Diese Maßnahmen erfordern jedoch entweder zusätzliche konstruktive Ausgestaltungen bereits vorhandener Einrichtungen oder Bereitstellung zusätzlicher mechanischer Hilfsmittel, die außerdem bei jedem Anlaßvorgang zu bedienen sind. Dadurch wird aber die Maschine baulich und betrieblich komplizierter und auch in der Herstellung teurer.
• Die Erfindung geht unter Vermeidung dieser Mängel einen anderen Lösungsweg zur Verbesserung der Kaltstartbedingungen bei den eingangs genannten Maschinen, wobei ebenfalls von dem erwähnten bekannten Grundgedanken Gebrauch gemacht wird, daß man den Kaltstart dadurch verbessern kann, daß in der Anlaßphase der luftverteilte Anteil des eingespritzten Kraftstoffes erhöht wird. Das Neuartige der Erfindung beruht jedoch darauf, daß nicht mehr besondere mechanische Hilfsmittel und von außen her vorzunehmende Regelmaßnahmen zur Erreichung dieses Effektes notwendig sind, sondern daß dieser Effekt durch zweckmäßige Ausgestaltung des Brennraumes selbst und der dadurch bedingten besonderen Luftführung im Brennraum erreicht wird. Die Erfindung stützt sich dabei auf die Erkenntnis, daß beim Anlassen oder Starten der Maschine infolge der in dieser Betriebsphase niedrigen Drehzahl und damit geringeren Luftgeschwindigkeit für die primär erzeugte Luftdrehung die Einströmbedingungen und die Luftdichte im Brennraum andere als im Normalbetrieb sind. Die primär erzeugte Luftdrehung hat nämlich in der Anlaßphase infolge der in diesem Zeitpunkt geringeren Luftgeschwindigkeit eine Einströmtendenz, welche in ihrer Drehwirbelbildung um die Brennraumachse relativ flachgängiger ist, d. h. mit flacherem, zur Drehachse geneigtem Spiralwirbel vor sich geht als irn Vollast- oder Normalbetrieb, wo die primäre Luftdrehung bei höherer Luftgeschwindigkeit sich in Form einer sehr steilgängigen Wirbelspirale um die Brennraumachse ausbildet. Entsprechend diesem unterschiedlichen Verlauf der primären Luftdrehung in Form von Spiralwirbeln im Brennraum erfolgt jeweils auch die Ausbreitung des Kraftstoffilmes auf der Brennraumwand unterschiedlich, d. h., bei hohen Drehzahlen wird der Kraftstoff ebenfalls in einer steilgängigen Spirale mehr nach dem Brennraumgrund hingezogen, während bei niedrigeren Drehzahlen der Kraftstoffilm nahezu in Höhe der gesamten Brennraumwand sich an dieser ausbreitet bzw. an ihr herumgezogen wird. Eingehende Versuche haben diese Tatsache bestätigt.
• Weitere Versuche haben nun gezeigt, daß es möglich ist, die unterschiedliche Wirbelbildung der primären Luftdrehung im Brennraum bei niedriger bzw. hoher Luftgeschwindigkeit dazu auszunutzen, um beim Kaltstart einen weit größeren Kraftstoffanteil unmittelbar mit der Luft zu vermischen, als dies im Normalbetrieb für die Einleitung der Selbstzündung gerade noch zugelassen wird, wenn der Brennraum so ausgebildet wird, daß dadurch selbsttätig eine die primäre Luftdrehung beeinflussende Sekundärluftströmung erzeugt wird. Je nach der primären Wirbelbildung bei Kaltstart oder Vollast wird diese Sekundärluftströmung auf die primäre Luftdrehung verschiedenen Einfluß haben. .
• Die Erfindung besteht darin, daß bei der eingangs erwähnten Brennkraftmaschine die im Bereich der Brennraumöffnung angeordnete taschenartige Ausbuchtung die Form eines gegen den Brennraumboden hin geneigten und etwa radial zur Brennraum-Rotationsachse verlaufenden Kanals aufweist, wobei die Projektion dieses Kanals auf den Kolbenboden eine Länge hat, die größer ist als der Radius des Brennraumes, und die Breite des Kanals am übergang in die Brennraumöffnung mindestens ein Viertel dieses Radius beträgt, so daß durch die Ausbuchtung am Ende des Verdichtungshubes ein mit seiner Drehachse zur Rotationsachse der primären Luftdrehung im wesentlichen senkrecht stehender Sekundärluftwirbel entsteht, der die im Anfahrzustand entsprechend schwächere primäre Luftdrehung überwindet und dadurch einen Teil der rotierenden Luftmasse zusammen mit von der Brennraumwand abgehaltenem Kraftstoff aus dem Brennraum heraus in den darüberliegenden Zylinderraum verdrängt, da-' gegen im Normal- oder Vollastbetrieb der Maschine die sich dabei im Brennraum ausbildende stärkere primäre Luftdrehung nur unwesentlich beeinflußt.
• Auf diese Weise ist es, wie Versuche bestätigt haben, möglich, im Kaltstart einen größeren Kraftstoffanteil ohne besondere Hilfsmittel unmittelbar in der heißen Verbrennungsluft zu verteilen und dadurch die Zündung beim Kaltstart zu beschleunigen. Durch mehr oder weniger starkes Zulassen des Sekundärluftwirbels ist es möglich, den luftverteilten Anteil des Kraftstoffes mehr oder weniger zu vergrößern. Wird durch entsprechende Maßnahmen am Brennraum der Sekundärluftwirbel nur insoweit zugelassen, daß das Hochtragen von Kraftstoff über den Brennraumöffnungsrand hinaus nur im Bereich der Startdrehzahlen auftritt, dann bleibt für den gesamten übrigen hohen Drehzahlbereich die gewünschte Wandverteilung des Kraftstoffes erhalten und damit auch der hierdurch bedingte ruhige Lauf der Maschine bei geringem Brennstoffverbrauch und gleichzeitig hoher Leistung.
• Die Anordnung einer taschenartigen Erweiterung im Bereich eines im Motorkolben angeordneten Brennraumes ist zwar an sich bekannt. Es wird hier jedoch nur darauf abgezielt, das angewendete Einspritz- und Gemischbildungsverfahren als solches, und zwar über den gesamten Betriebsbereich des Motors, zu verbessern. Zu diesem Zweck ist nach einem älteren, nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag die Erweiterung so ausgebildet, daß die in den Brennraum einströmende Luftmenge an der Erweiterungsstelle größer ist, als es bei einer kreisförmigen Öffnung des Brennraumes an dieser Stelle der Fall wäre. Die durch die Erweiterung in den Brennraum übertretende Luft ist dann auf die mit Kraftstoff benetzten Stellen der Brennraumwand gerichtet. Auf diese Weise wird dem Kraftstoffilm auf der Brennraumwand eine größere Frischluftmenge als bisher zugefügt, so daß eine schnellere Verdampfung und Vermischung des aufgedampften Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft erreicht wird.
• Der Einfluß des Sekundärluftwirbels kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung noch dadurch gesteuert werden, daß der Brennraumboden eine Abflachung aufweist. Bei einem als Kugel oder Rotationsellipsoid ausgebildeten Brennraum ist dann der Boden desselben in größerem oder geringerem Abstand brennraumeinwärts vom Scheitelpunkt der bei diesen Brennraumformen sonst vorhandenen Bodenkrümmung als ebene Fläche ausgebildet. Durch die genannten Maßnahmen wird infolge früherer oder späterer Umlenkung des Sekundärwirbels durch diesen die primäre Luftdrehung in ihrem Gesamtwirbelverlauf mehr oder weniger nach oben gedrückt, so daß also beim Kaltstart je nach Voreinstellung mittels der angegebenen Maßnahme mehr oder weniger Kraftstoff aus dem Brennraum heraus verdrängt wird.
• In der Zeichnung ist die Erfindung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 1 eine Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolbenboden angeordneten rotationskörperförmigen Brennraum, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben einer Maschine nach Fig. 1, Fig. 3 die schematische Darstellung der Erzeugung einer primären Luftdrehung im Zylinder einer Brennkraftmaschine durch ein Schirmventil, Fig. 4 ein Schema der primären Luftdrehung im Brennraum beim Anfahren der Maschine für den Fall, daß kein Sekundärwirbel vorgesehen ist, Fig. 5 ein Schema der primären Luftdrehung im Brennraum bei Vollastbetrieb für den Fall, daß kein Sekundärwirbel vorgesehen ist, Fig. 6 ein Schema des erfindungsgemäß erzeugten Sekundärluftwirbels im Brennraum allein, d. h. ohne Berücksichtigung der primären Luftdrehung, Fig. 7 ein Schema des resultierenden Luftwirbels im Brennraum beim Kaltstart, wobei das Hochdrücken der primären Luftdrehung durch den Sekundärwirbel nebst der dadurch bedingten Verdrängung von Kraftstoff aus dem Brennraum mit angedeutet ist.
• In Fig. 1 ist 1 der gerade im Bereich seiner oberen Totpunktstellung befindliche Kolben einer nur durch den inneren Zylindermantel 2 und die Zylinderkopfbegrenzungslinie 3 angedeuteten Brennkraftmaschine, bei welcher der Kraftstoff in bekannter Weise auf die Brennraumwand aufgespritzt und in Dampfform von der Brennraumwand durch eine zugeordnete Luftdrehung abgelöst wird. Der im Kolbenboden vorgesehene Brennraum, welcher rotationskörperförmig und an seiner Öffnung 5 eingeschnürt ist, ist mit 4 bezeichnet. Der Brennraum 4 weist im Bereich der Brennraumöffnung 5 eine taschenartige Ausbuchtung 6 auf, in die in der gezeigten Stellung auch die Mündung 7 a der Einspritzdüse 7 eingreift. Von der Düsenmündung 7a aus werden in bekannter Weise ein Kraftstoffstrahl 8 oder mehrere solche Kraftstoffstrahlen auf die Brennraumwand 9 so aufgespritzt, daß der Kraftstoff sich auf der Brennraumwand als dünner Film ausbreitet. Im Zylinderkopf ist ein Schirmventi110 angeordnet, durch das eine primäre Luftdrehung im Zylinder erzeugt wird, die in Fig. 2 und 3 durch die gepfeilten Linien 11 angedeutet ist. Diese primäre Luftdrehung würde sich, wenn nur das Schirmventil 10 allein für ihre Ausbildung verantwortlich wäre, nach dem Brennraum 4 hin in einem Drehwirbel fortsetzen, dessen Verlauf für die Anlauf-oder Startphase in Fig. 4 mit 12 und für Normal-oder Vollastbetrieb in Fig. 5 mit 13 schematisch angedeutet ist.
• Wie aus Fig. 4 zu ersehen, ist beim Anlauf oder Start der Maschine für den Luftwirbel 12 der Neigungswinkel a, ß der primären Luftdrehung gegenüber der Rotationsachse A -A groß und der Drehwirbel 12 daher spiralig flachgängig. Fig. 5 zeigt dagegen die Wirbelbildung im Vollastbetrieb, wo infolge der in dieser Arbeitsphase hohen Luftgeschwindigkeit der Luftdrehwirbe113 spiralgängig zur Rotationsachse A-A nach dem Kolbenboden hin verläuft und daher die Einströmwirbel a1, ßl dementsprechend wesentlich kleiner sind.
• Die taschenartige Ausbuchtung weist im Bereich der Brennraumöffnung 5 die Form eines gegen den Brennraumboden hin geneigten und etwa radial zur Brennraum-Rotationsachse A-A verlaufenden Kanals 6 auf. Hierbei ist die Projektion dieses Kanals auf den Kolbenboden von einer Länge, die größer ist als der Radius r des Brennraumes und die Breite b des Kanals am Übergang in die Brennraumöffnung beträgt mindestens ein Viertel dieses Radius. Bei Annäherung des Kolbens an seine obere Totpunktlage wird nun ein Sekundärluftwirbel 14 hervorgerufen, dessen Strömungsverlauf im Brennraum 4 in Fig. 6 schematisch durch den Kurvenzug S angedeutet ist. Wie aus dieser Figur zu ersehen, steht die Drehachse B des Sekundärluftwirbels 14 senkrecht zur Rotationsachse A -A der in Fig. 4 und 5 dargestellten primären Luftdrehung 12 und 13. Primäre Luftdrehung und Sekundärluftwirbel treten nun aber im Betrieb, gleichgültig ob bei Anlauf oder Vollast, jeweils immer gleichzeitig auf und werden sich daher in jedem Falle überlagern. Durch geeignete Bemessung und Richtungsgebung der taschenartigen Ausbuchtung 6 wird nun dafür Sorge getragen, daß der Sekundärluftwirbel 14 nur so stark auftreten kann, daß er immer nur den schwächeren primären Luftwirbel 12 in der Anlauf- oder Startphase überwindet und nach oben drückt, wie dies in Fig. 7 mit 12a dargestellt ist. Hierdurch wird zwangläufig auch ein größerer Kraftstoffanteil von der.Berührung mit der Brennraumwandung abgehalten und in den Zylinderraum 15 oberhalb der Brennraumöffnung5 verdrängt, wie dies in Fig. 7 durch die Punktierung 16 angedeutet ist. Indem andererseits die taschenartige Ausbuchtung 6 so bemessen ist, daß nur der schwächere und flachgängigere Luftwirbel 12 der Anlaufphase durch den Sekundärluftwirbel 14 überwunden wird, ergibt sich zwangläufig ohne weitere Hilfsmittel oder äußeres Eingreifen, daß im Vollastbetrieb der wesentlich stärkere und steilgängigere Drehwirbel 13 (Fig.5) nicht mehr von dem Sekundärwirbel 14 überwunden wird, so daß der letztere nur im Brennraum 4 selbst noch zur Auswirkung kommt. Bei Vollast stellt sich somit die volle Wandverteilung des Kraftstoffes zur bestmöglichen Durchführung des der Erfindung zugrunde liegenden Einspritz- und Gemischbildungsverfahrens jeweils von selbst ein. Der Einfluß des Sekundärwirbels 14 kann nach weiteren Merkmalen der Erfindung noch dadurch gesteuert werden, daß der Abstand h des Brennraumbodens von der Brennraumöffnung 5 größer oder kleiner gehalten wird. Bei einem als Kugel oder Rotationsellipsoid ausgebildeten Brennraum, wie er im Beispiel gezeigt ist, wird vorteilhaft der Brennraumboden in größerem oder geringerem Abstand vom Scheitelpunkt der sonst vorhandenen Bodenkrümmung als ebene Fläche 17 ausgebildet.
• Durch die Erfindung wird somit der Vorteil erreicht, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs vorausgesetzten Art für Kaltstart- und Vollastbetrieb ohne irgendeinen äußeren Eingriff jeweils die gerade erwünschte Gemischbildung selbsttätig herbeizuführen, wobei der Übergang von Kaltstart- auf Volllastbetrieb ebenfalls in selbsttätiger Anpassung an die jeweils erforderliche Luft- bzw. Wandverteilung des Kraftstoffes erfolgt.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolben angeordneten rotationskörperförmigen und an seiner Öffnung eingeschnürten Brennraum, der im Bereich seiner Öffnung eine taschenartige Ausbuchtung aufweist, und mit einer Einspritzdüse, die den Kraftstoff entweder durch die eingeschnürte öffnung des Brennraumes oder durch die taschenartige Ausbuchtung hindurch gegen die Brennraumwand spritzt, wo der Kraftstoff als dünner Film aufgetragen und durch eine primär zugeordnete Luftdrehung in Dampfform allmählich abgelöst, mit der Luft vermischt und danach verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung die Form eines gegen den Brennraumboden hin geneigten und etwa radial zur Brennraum-Rotationsachse (A-A) verlaufenden Kanals (6) aufweist, wobei die Projektion dieses Kanals auf den Kolbenboden eine Länge hat, die größer ist als der Radius (r) des Brennraumes,. und die Breite (b) des Kanals am Übergang in die Brennraumöffnung mindestens ein Viertel dieses Radius (r) beträgt, so daß durch die Ausbuchtung am Ende des Verdichtungshubes ein mit seiner Drehachse (B) zur Rotationsachse (A-A) der primären Luftdrehung (12, 13) im wesentlichen senkrecht stehender Sekundärluftwirbel (14) entsteht, der die im Anfahrzustand entsprechend schwächere primäre Luftdrehung (12) überwindet und dadurch einen Teil der rotierenden Luftmasse zusammen mit von der Brennraumwand abgehaltenem Kraftstoff aus dem Brennraum heraus in den darüberliegenden Zylinderraum verdrängt, dagegen im Normal- oder Vollastbetrieb der Maschine die sich dabei im Brennraum ausbildende stärkere primäre Luftdrehung (13) nur unwesentlich beeinflußt.
2. 2. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumboden eine Abflachung aufweist.
3. 3. Einspritzbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2 mit einem als Kugel oder Rotationsellipsoid ausgebildeten Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachung als ebene Fläche (17) ausgebildet ist.