DE1211436B

DE1211436B - Luftverdichtende, selbstzuendende Einspritzbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1211436B
Application number: DEM43882A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Siegfried Meurer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1960-01-02
Filing date: 1960-01-02
Publication date: 1966-02-24

Description

Luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten Brennraum, der rotationskörperförmig ausgebildet ist. Abweichend von dem hier angewandten und durch das deutsche Patent 865 683 geschützten Einspritz- und Gemischbildungsverfahren ist ein einziger Kraftstoffstrahl vorgesehen, der zu seinem größten Teil unter der Wirkung einer zur Kraftstoffeinspritzung gleichgerichteten, um die Zylinder- bzw. Brennraumlängsachse drehenden Luftströmung bei kurzer, freier Strahlweglänge und flachem Strahlauftreffwinkel filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen, durch die Luftströmung von der Brennraumwand in Dampfform allmählich abgelöst, in diesem Zustand mit der Luft vermischt und dann verbrannt wird.
Bei der Erfindung hat die bekannte Erscheinung der Randablösung am Kraftstoffstrahl insofern eine besondere Bedeutung, als nämlich der Kraftstoff auf seinem Weg von der Mündung der Einspritzdüse bis zur Auftreffstelle auf der Brennraumwand infolge der großen Dichte der Verbrennungsluft einen gewissen Substanzverlust in Form von sich ablösenden Kraftstofftröpfchen erfährt. Außerdem spielt hier noch die zentrifugierende Wirkung der im Brennraum kreisenden Luftströmung eine besondere Rolle.
Beim Gegenstand des deutschen Patentes 865 683 steht das dort geschützte Einspritz- und Gemischbildungsverfahren im Vordergrund aller Betrachtungen. Die Strahlrandablösung eines geringfügigen Kraftstoffanteiles wird hier auf Grund der jedem Fachmann geläufigen Erkenntnisse über das Verhalten eines Kraftstoffstrahles in einer Luftströmung als bekannt hingenommen und daher nicht weiter zur Sprache gebracht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen möglichst großen Anteil der je Einspritzvorgang in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge auf eine möglichst große Fläche der Brennraumwand filmartig aufzutragen, ohne daß dabei der für die Zündung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches erforderliche, unmittelbar in der Verbrennungsluft verteilte Kraftstoffanteil unterschritten wird.
Erfindungsgemäß wird zur Vergrößerung der Fläche des auf die Brennraumwand aufgetragenen Kraftstofffilms der Kraftstoffstrahl so beeinflußt, daß von dem Kernstrahl außer einem zur Zündung erforderlichen luftverteilten Kraftstoffanteil weitere Kraftstofftröpfchen abgelöst werden, die durch eine entsprechend bemessene Drehgeschwindigkeit der Luft auf die Brennraumwand ausgeschleudert werden, wobei die Länge (L) der Düsenspritzbohrung das 3- bis 5fache ihres Durchmessers beträgt und die Drehgeschwindigkeit der Luft im Brennraum 28 bis 40 m/sec beträgt, gemessen auf den 0,7fachen Brennraumdurchmesser im stationären Strömungsversuch bei einer Geschwindigkeit von 10 m/sec in Richtung der Zylinderachse und 85 % des maximalen Ventilhubes.
Durch diese Maßnahmen gelingt es, daß nur der bei der Loslösung von Kraftstoffteilen vom Kernstrahl sehr feine, d. h. kleine Tröpfchen enthaltende Kraftstoffanteil von der Luftströmung im Brennraum auf Kreisbahnen mitgerissen wird. Diese kleinen Tröpfchen gelangen von ihrer Verbrennung in der heißen Luft nicht mehr auf die Brennraumwand, da infolge ihrer Kleinheit ihr aerodynamischer Widerstand größer ist als die im Drehfeld der kreisenden Luft auf sie ausgeübte zentrifugierende Massenwirkung. Der andere, vom Kernstrahl abgelöste Kraftstoffanteil besteht aus nunmehr größeren Tröpfchen, die durch die Drehbewegung der Luft erfaßt und noch rechtzeitig auf die Brennraumwand zentrifugiert und dort filmartig angelagert werden. Dabei gelangt dieser andere Kraftstoffanteil auf Wandungsteile des Brennraumes, die nicht im Bereich der durch den Kernstrahl gebildeten Filmfläche liegen, was als besonderer Vorteil der Erfindung zu bewerten ist.
Wenn die vorgeschlagenen Maßnahmen eingehalten werden, ist der Kraftstoff im Kernstrahl zunächst ausreichend gegen die Einwirkung der oxydierenden Luft geschützt. Verläßt der für die Filmauftragung vorgesehene Kraftstoffanteil den kompakten Strahlverband, dann ist es erforderlich, daß er auf kurzem Weg der vor übermäßiger Oxydation schützende Brennraumwand erreicht, so daß sich weder an der Oberfläche des entstandenen Kraftstofftröpfchens Sauerstoffanhäufungen bilden können, noch ein zu umfangreicher Verdampfungsvorgang stattfinden kann, der zur vorzeitigen Bildung eines detonationsfähigen Gemisches führt. Daher muß das Drehfeld der Lufteine gewisse Intensität haben, um auf die relativ großen abgelösten Kraftstofftröpfchen eine ausreichende zentrifugierende Wirkung ausüben zu können. Außerdem muß die Intensität der Luftdrehung genügend groß sein, daß der vorgesehene gesamte auf die Brennraumwandung aufgebrachte Kraftstoffanteil wieder in Dampfform abgelöst werden kann.
Durch die Erfindung ist es auch möglich, mit einem einzigen Kraftstoffstrahl und daher mit einem einzigen Düsenspritzloch auszukommen, das in diesem Falle im Gegensatz zu einer Mehrstrahldüse zum Durchspritzen der jeweils gesamten Kraftstoffmenge je Einspritzvorgang einen entsprechend großen Durchströmquerschnitt aufweist. Dadurch wird gegenüber der Anwendung einer Mehrlochdüse mit relativ kleinen Spritzlochdurchmessern die Gefahr der Verkokung eines Spritzloches mit Sicherheit vermieden.
Zum vorbekannten Stand der Technik wird folgendes bemerkt: Bei dem hier vorausgesetzten Einspritz- und Gemischbildungsverfahren, dem sogenannten M-Verfahren, ist es zwar an sich bekannt, daß die Drehgeschwindigkeit der Luft im Brennraum 28 bis 40 m/sec betragen kann. Inwieweit hier jedoch eine bestimmte Luftgeschwindigkeit in diesem Fall die Randablösung vom Kernstrahl beeinflussen könnte, wird in der bekannten Vorveröffentlichung nicht untersucht. Vielmehr bezieht sich der Vorschlag bezüglich der Luftgeschwindigkeit nur auf die Durchführung des M-Verfahrens selbst, wobei hier in erster Linie das Problem der aerodynamischen Güte bei Anwendung eines Schirmventils bzw. eines Drallkanals zur .Sprache gebracht wird.
Des weiteren ist eine Kraftstoffeinspritzdüse bekanntgeworden, deren sehr langes Spritzloch in zwei Abschnitte mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlicher Länge unterteilt ist, wobei der dem Brennraum zugewendete Spritzlochdurchmesser gegenüber dem Spritzlochdurchmesser des ersten Lochabschnitts größer ist. An der übergangsstelle der beiden Spritzlochabschnitte ist ein Querschnittssprung vorgesehen, so daß ein Kraftstoffstrahl erzeugt wird, der einen dichten Kern und einen aus versprühtem Kraftstoff bestehenden Mantel aufweist. Diese Maßnahmen sind jedoch auf herkömmliche, unmittelbare Vermischung des flüssigen. Kraftstoffes mit der Luft abgezielt, von der -beim Gegenstand der Anmeldung grundsätzlich abgegangen wird.
Bei einer anderen bekanntgewordenen Einspritzvorrichtung für selbstzündende Brennkraftmaschinen wird für das Spritzloch wiederum ein bestimmtes Verhältnis zwischen Länge und Querschnitt des Spritzloches vorgeschlagen, und zwar soll hier das Spritzloch eine Länge aufweisen, die ein Mehrfaches des Öffnungsmessers beträgt. Aber auch hierdurch soll lediglich eine möglichst innige, unmittelbare Vermischung des flüssigen Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft erreicht werden, so daß diese Maßnahmen zu einer Übertragung auf ein demgegenüber grundsätzlich andersartiges Verbrennungsverfahren in keiner Weise anregen können. Schließlich ist eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere Leichtkraftstoff, in mehreren Strahlen bekannt, wobei zwei Arten von Kraftstoffstrahlen vorgesehen sind, und zwar ein sogenannter Raumstrahl, der durch ein kurzes nach außen erweitertes .Spritzloch gekennzeichnet ist, und ein sogenannter Ortsstrahl mit einem langen Spritzloch. Der Raumstrahl gelangt in feinstzerstäubtem Zustand frei in den Brennraum, während der Ortsstrahl im wesentlichen gegen die Brennraumwand gerichtet ist und von da aus in den Brennraum in Form von Kraftstofftröpfchen reflektiert werden soll. Demnach beziehen sich auch diese bekannten Maßnahmen ausschließlich auf die Anwendung eines der vorbekannten verbrennungsmotorischen Verfahren mit unmittelbarer Kraftstoff-Luft-Vermischung, wobei auch diese Bemessungsangaben in keinerlei Relation zu irgendeiner Luftströmung gesetzt werden und damit abseits der beim Gegenstand der Anmeldung vorliegenden Problemstellung stehen.
In den Zeichnungen ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen im Motorkolben angeordneten Kugelbrennraum, F i g. 2 eine Draufsicht auf den Brennraum, wobei entsprechend der Schnittebene A -B der F i g. 1 ein Teil des Bodens herausgeschnitten ist, und F i g. 3 einen von der Kugelform abweichenden rotationskörperförmigen Brennraum, dessen Seitenwände in dem dargestellten Längsschnitt als Gerade erscheinen und dessen Boden flach toroidförmig ausgebildet ist.
Der als Hohlkugel ausgebildete Brennraum 1 mit eingeschnürter Brennraumöffnung ist gemäß den F i g. 1 und 2 im Motorkolben 2 gleichachsig zur Zylinderlängsachse angeordnent. Der Kraftstoff wird durch die Spritzbohrung 3 einer schräg außerhalb der Brennraummitte liegenden Düse 4 in einem einzigen Strahl s, und zwar gleichsinnig zu einer gerichteten Luftdrehung, die durch Pfeil 6 angedeutet ist, auf die Brennraumwand aufgespritzt, woselbst sich dieser Strahl von seiner Auftreffstelle 7 an unter der Wirkung der gerichteten Luftdrehung auf der Brennraumwand als dünner Film 8 ausbreitet. Wenn nun die erfindungsgemäßen Maßnahmen durchgeführt werden, bildet sich bei der Randablösung von der Düsenmündung 3 bis zur Auftreffstelle 7 des Kernstrahles eine entsprechende Anzahl größerer Kraftstofftröpfchen 9, die im Zusammenwirken zwischen ihrer Eigenbewegung und den Zentrifugalkräften- im Drehfeld der Luft in Richtung der eingezeichneten Pfeile 10 auf den Wandungsabschnitt 11 zwischen Düsenmündung 3 und Auftreffstelle 7 des Kernstrahles gefördert werden und dort zu einem Film 12 zusammenfließen. Dieser Film hat sich im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer Bogenfläche ausgebreitet, deren Zentriwinkel a etwa 80° beträgt. Unter Vermeidung zweier kleiner und sich leicht verstopfender Spritzöffnungen kann so mit einem einzigen Düsenstrahl eine entsprechend größere Kraftstoffmenge eingespritzt und eine vergrößerte Filmauftragungsfläche erzielt werden.
Der Brennraum 13 gemäß F i g. 3 hat die Form eines Hohlkegelstumpfes, dessen Boden 14 von den Übergangsrundungen 15 an flach toroidförmig ausgebildet ist, wobei die Spitze dieses Bodenteiles nach .lern Inneren des Brennraumes weist, der hier wiederum gleichachsig mit dem Kolben 2 und dem Zylinder 16 angeordnet ist. Der Kraftstoffkernstrahl 5 wird hier gegen die sich nach dem Inneren des Kolbens keglig erweiternde Seitenwand 17 des Brennraumes gespritzt. Von dieser Stelle ausgehend bildet sich ein Kraftstoffilm 18. Unter der Wirkung der um die Brennraumlängsachse rotierenden heftigen Luftbewegung 6 werden die sich vom Kernstrahl ablösenden größeren Kraftstofftröpfchen 19 an die Seitenwand 17 gefördert, und zwar auf eine Fläche, deren Höhe H bei diesem Ausführungsbeispiel etwa 60 % der Brennraumtiefe beträgt, wenn für die Gesamtbrennraumtiefe T in Richtung der Brennraumlängsachse 100 % zugrunde gelegt sind. Der so gebildete zweite Kraftstoffilm ist mit 20 bezeichnet.

Claims

Patentanspruch: Luftverdichtende, selbstzündende Einspritzbrennkraftmaschine mit einem im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten rotationskörperförmigen Brennraum, bei der ein einziger Kraftstoffstrahl zu seinem größten Teil unter der Wirkung einer zur Kraftstoffeinspritzung gleichgerichteten, drehenden Luftströmung bei kurzer freier Strahlweglänge und flachem Strahlauftreffwinkel filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen, durch die Luftströmung von der Brennraumwand in Dampfform allmählich abgelöst, in diesem Zustand mit der Luft vermischt und danach verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Fläche des auf die Brennraumwand aufgetragenen Kraftstoffilms der Kraftstoffstrahl so beeinflußt wird, daß von dem Kernstrahl außer einem zur Zündung erforderlichen luftverteilten Kraftstoffanteil weitere Kraftstofftröpfchen abgelöst werden, die durch eine entsprechend bemessene Drehgeschwindigkeit der Luft auf die Brennraumwand ausgeschleudert werden, wobei die Länge (L) der Düsenspritzbohrung das 3- bis 5fache ihres Durchmessers beträgt und die Drehgeschwindigkeit der Luft im Brennraum 28 bis 40 m/sec beträgt, gemessen auf den 0,7fachen Brennraumdurchmesser im stationären Strömungsversuch bei einer Geschwindigkeit von 10 m/sec in Richtung der Zylinderachse und 85 m/o des maximalen Ventilhubes. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 865 683; deutsche Auslegeschriften Nr. 1012 775, 1057 818, 1068 944; deutsche Patentanmeldungen D 1710 I a/46 c2, (bekanntgemacht am 10. 4. 1952), F 4900 I a/46 c2 (bekanntgemacht am 14. 7. 1955); britische Patentschrift Nr. 565 299; MAN-Forschungsheft, 1954, S. 65/66; Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens, 1932, Sept./Okt., S. 229 bis 240.