DE1211436B - Air-compressing, self-igniting internal combustion engine - Google Patents
Air-compressing, self-igniting internal combustion engineInfo
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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.Air Compressing Self-igniting Injection Internal Combustion Engine The Invention relates to an air-compressing, self-igniting, fuel-injection internal combustion engine with a combustion chamber arranged in the piston or cylinder head, which is shaped like a body of revolution is trained. Deviating from the one applied here and by the German patent 865 683 protected injection and mixture formation process is a single fuel jet provided, for the most part, under the action of a fuel injector rectified air flow rotating about the cylinder or combustion chamber longitudinal axis with a short, free beam path length and a flat angle of incidence of the beam applied to the combustion chamber wall by the air flow from the combustion chamber wall in vapor form gradually detached, mixed with the air in this state, and then burned will.
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.In the invention, the well-known phenomenon of edge detachment on Fuel jet is of particular importance, namely the fuel on its way from the mouth of the injection nozzle to the point of impact on the combustion chamber wall due to the high density of the combustion air a certain loss of substance in Learns the form of peeling off fuel droplets. Also still plays here the centrifuging effect of the air flow circulating in the combustion chamber is special Role.
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.The subject of the German patent 865 683 is the one protected there Injection and mixture formation processes in the foreground of all considerations. the Jet edge detachment of a small amount of fuel is due to the knowledge about the behavior of a fuel jet that is familiar to anyone skilled in the art accepted as known in a current of air and therefore not discussed further brought.
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.The object of the invention is to provide the largest possible proportion of the ever Injection process into the combustion chamber to an amount of fuel injected as possible to apply a large area of the combustion chamber wall in a film-like manner, without the need for the Ignition of the fuel vapor-air mixture required directly in the combustion air distributed fuel percentage is not reached.
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.According to the invention, to enlarge the area of the combustion chamber wall Applied fuel film affects the fuel jet so that from the core jet In addition to an air-distributed fuel component required for ignition, there are further fuel droplets be replaced by a correspondingly dimensioned rotational speed of the air be ejected onto the combustion chamber wall, the length (L) of the nozzle injection bore 3 to 5 times their diameter and the speed of rotation of the air in the combustion chamber is 28 to 40 m / sec, measured at 0.7 times the combustion chamber diameter in the steady flow test at a speed of 10 m / sec in the direction the cylinder axis and 85% of the maximum valve lift.
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.Through these measures it is possible that only the detachment from Fuel parts from the core jet are very fine, d. H. fuel fraction containing small droplets is carried along by the air flow in the combustion chamber on circular paths. These little ones Droplets from their combustion in the hot air no longer reach the combustion chamber wall, because their aerodynamic drag is greater than that in the Rotating field of the circulating air, centrifuging mass effect exerted on it. Of the the other part of the fuel detached from the core jet now consists of larger droplets, which is captured by the rotary movement of the air and still in time on the combustion chamber wall centrifuged and deposited there like a film. In doing so, this other one arrives Fuel percentage on wall parts of the combustion chamber that are not in the area of the through the core beam formed film surface, which is a particular advantage of the invention is to be assessed.
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.If the suggested measures are followed, the fuel is initially adequately protected against the effects of the oxidizing air in the core jet. If the proportion of fuel intended for film application leaves the compact jet system, then it is necessary to take a short route that protects against excessive oxidation Combustion chamber wall reached, so that neither on the surface of the resulting fuel droplet Oxygen buildup can form, nor too extensive an evaporation process can take place leads to the premature formation of a mixture capable of detonation. Therefore it must The rotating field of the air has a certain intensity in order to be detached on the relatively large To be able to exert a sufficient centrifuging effect on fuel droplets. In addition, the intensity of the air rotation must be large enough that the intended entire fuel proportion applied to the combustion chamber wall again in vapor form can be replaced.
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.The invention also makes it possible to use a single fuel jet and therefore get by with a single nozzle spray hole, which in this case in In contrast to a multi-jet nozzle for injecting the entire amount of fuel through has a correspondingly large flow cross-section for each injection process. Through this is compared to the use of a multi-hole nozzle with relatively small spray hole diameters the risk of coking a spray hole is avoided with certainty.
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.The following is noted about the prior art: In the Injection and mixture formation processes assumed here, the so-called M process, it is known per se that the rotational speed of the air in the combustion chamber 28 can be up to 40 m / sec. To what extent, however, a certain air speed in this case the edge separation from the core beam could influence, is in the known prior publication not examined. Rather, the proposal relates with regard to the air speed only to the execution of the M-process itself, where primarily the problem of aerodynamic quality when using a Umbrella valve or a swirl channel is brought to .Language.
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.Furthermore, a fuel injector has become known whose very long spray hole in two sections, each with a different diameter and of different lengths, the one facing the combustion chamber Injection hole diameter compared to the injection hole diameter of the first hole section is bigger. There is a jump in cross section at the transition point between the two spray hole sections provided so that a fuel jet is generated which has a dense core and has a jacket made of sprayed fuel. These measures are however, on conventional, direct mixing of the liquid. Fuel with aimed at the air, departed from the subject of the application in principle will.
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 another known injection device for self-igniting Internal combustion engines will in turn have a certain ratio between the spray hole Proposed length and cross section of the spray hole, namely the spray hole here have a length that is a multiple of the opening knife. But also this is only intended to ensure that the liquid is mixed as closely and directly as possible Fuel can be achieved with the combustion air, so these measures too a transfer to a fundamentally different combustion process in no way can stimulate. Finally, there is an injection nozzle for injecting of fuel, especially light fuel, known in several jets, whereby two types of fuel jets are provided, namely a so-called space jet, which is characterized by a short outwardly widened injection hole, and a so-called local jet with a long spray hole. The space ray arrives in finely atomized state freely in the combustion chamber, while the local jet essentially is directed against the combustion chamber wall and from there into the combustion chamber in the form of Fuel droplets should be reflected. Accordingly, these also relate to known Measures exclusively on the application of one of the previously known internal combustion engine Process with direct fuel-air mixing, whereby these rating information be placed in no relation to any air flow and thus apart the problem presented in the subject of the application.
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.In the drawings the invention is in two exemplary embodiments shown. It shows F i g. 1 shows a longitudinal section through an arranged in the engine piston Sphere combustion chamber, FIG. FIG. 2 shows a plan view of the combustion chamber, with corresponding to FIG Section plane A -B of FIG. 1 part of the bottom has been cut out, and F. i g. 3 a rotational body-shaped combustion chamber deviating from the spherical shape, whose Side walls appear as a straight line in the shown longitudinal section and its bottom Is formed flat toroidal.
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. The combustion chamber 1 designed as a hollow sphere with a constricted combustion chamber opening is shown in FIGS. 1 and 2 arranged in the engine piston 2 coaxially to the cylinder longitudinal axis. The fuel is sprayed through the injection bore 3 of a nozzle 4 located at an angle outside the center of the combustion chamber in a single jet s, in the same direction as a directed air rotation, which is indicated by arrow 6, onto the combustion chamber wall, where this jet itself approaches from its point of impact 7 spreads as a thin film 8 on the combustion chamber wall under the effect of the directed air rotation. If the measures according to the invention are carried out, a corresponding number of larger fuel droplets 9 are formed when the edge is detached from the nozzle mouth 3 to the point of impact 7 of the core jet, which in the interaction between their own movement and the centrifugal forces in the rotating field of the air in the direction of the arrows 10 are conveyed onto the wall section 11 between the nozzle orifice 3 and the point of impact 7 of the core jet and merge there to form a film 12. In the exemplary embodiment shown, this film has spread over an arcuate surface, the central angle a of which is approximately 80 °. While avoiding two small and easily clogged spray openings, a correspondingly larger amount of fuel can be injected with a single nozzle jet and an enlarged film application area can be achieved.
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.The combustion chamber 13 according to FIG. 3 has the shape of a hollow truncated cone, whose bottom 14 is formed flat toroidal from the transition roundings 15 is, with the tip of this bottom part pointing to the interior of the combustion chamber, which in turn is coaxial with the piston 2 and the cylinder 16 is arranged. The fuel core jet 5 is here against the after Inside the piston, side wall 17 of the combustion chamber that widens in a conical manner is injected. A fuel film 18 is formed starting from this point. Under the action the violent air movement 6 rotating around the longitudinal axis of the combustion chamber will be the larger fuel droplets 19 detaching from the core jet are conveyed to the side wall 17, namely on an area whose height H in this embodiment is about 60% the combustion chamber depth is, if for the total combustion chamber depth T in the direction of The longitudinal axis of the combustion chamber is based on 100%. The second fuel film thus formed is denoted by 20.
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