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Luftverdichtende selbstzündende Einspritz-Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor
Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende selbstzündende Einspritz-Brennkraftmaschine, insbeson- dere Dieselmotor, mit einem im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten, an seiner Öffnung zum Zylin- derraum eingeschnürten Brennraum, der an seiner Wandung wenigstens eine von einem Ausschnitt des Öff- nungsrandes in derKolbenbodenebene ausgehende radiale Erweiterung aufweist,
durch die der Kraftstoff in mindestens einem flach auf die Brennraumwand mit spitzem Auftreffwinkel gerichteten Brennstoffstrahl von kurzer freierstrahlweglänge in Form eines dünnen Filmes auf die Brennraumwand aufgebracht und zu- gleich der in den Zylinder einströmenden Luft eine derartige Drehbewegung gleichsinnig zur Kraftstoffenspritzung erteilt wird, dass hiedurch der Kraftstoff in Dampfform allmählich von der Wand abgelöst, mit der Luft vermischt und verbrannt wird.
Zweck der Erfindung ist es, die räumliche Gestaltung des Brennraumes im Hinblick auf eine möglichst grossflächige Filmausbreitung des Kraftstoffes und eine intensive Luftströmung im Bereich der benetzten Wandungsfläche zu verbessern.
Bei den nach dem bekannten Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen werden, wenn mehrere Kraftstoffstrahlen aus der Düse austreten, diese vorzugsweise fächerartig auf die Brennraumwand aufgespritzt, wobei dieselben innerhalb einer aussermittig vom Brennraummittelpunkt schräg oder nahezu schräg in Richtung des Drehsinnes der Luft gestellten planen Ebene oder auf einem in gleicher Richtung verlaufenden, von der EinspritzdüsenmUndung ausgehenden Hohlkegelmantel liegen. Zur Erzeugung der Drehbewegung der Luftladung im Zylinder wird vorzugsweise ein Einlasskanal vorgesehen, der in Gestalt einer Spirale auf das Einlassventil zuläuft.
Der im Kolben liegende Brennraum ist dabei kugelig oder leicht flachgedrückt d. h. ellipsoidartig ausgeführt und die Austrittsöffnung der Kugel nach dem Zylinderraum hin ist durch einen zylindrischen Übertrittskanal gebildet, dessen Querschnitt etwa 6ff1/o des grössten Brennraumquerschnittes beträgt und dessen Höhe mit 15-30% des Brennraumradius in der Kolbenachsrichtung bemessen ist.
Bei der bekannten Brennkraftmaschine hat der aus einer Einspritzdüse durch einen oder mehrere Kraftstoffstrahlen an der Brennraumwand vorgelagerte Kraftstoffilm im Vergleich zur gesamten Brennraumwand noch keine grösstmögliche Ausbreitungsfläche. A us diesem Grunde kommt nur ein Teil der Frischluft gleich nach dem Einströmen in den Brennraum mit der Kraftstoffschicht auf der Wand oder mit dem Wandungsteil in unmittelbare Nähe dieser Kraftstoffschicht in Berührung, während der restliche grössere Teil der Frischluft erst später nach Beendigung der Einströmung an die Kraftstoffschicht der Brennraumwand herankommt oder sich mit dem bereits gebildeten Kraftstoffdampf vermischt.
Um diesenMangel zu beseitigen. wird vorgeschlagen, die Verbrennungsluft durch einen tangential in den Brennraum mündenden Kanal zu einem grossen Teil zu einem geschlossenen Strom zusammenzufassen, der den Kraftstoffstrahl oder die Kraftstoffstrahlen an seiner/ihrer Randzone berührt und über die mit dem Kraftstoff benetzte (n) Stelle (n) der Brennraumwand hinwegströmt. In ähnlicher Weise wird das teilverbrannte Brenngas-Luftgemisch hinter der Auftreffstelle des Kraftstoffes nach aussen abgeführt.
Die nach dem Hauptmerkmal der Erfindung hiezu vorgeschlagene Massnahme besteht demgemäss darin, dass die Erweiterung in eine gegenüber der Öffnung des Brennraumes in der Strahlrichtung muldenartige, den Brennraum erweiternde Hinterschneidung übergeht, die im Drehsinn der Luft gesehen in einem weitgezogenen Bogen allmählich in die Grundform des Brennraumes ausläuft und dass die Achsen der Einspritzdüsenöffnungen derart gerichtet sind, dass die Kraftstoffstrahlen auf Stellen der Brennraum-
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wand auftreffen, die wenigstens teilweise innerhalb der muldenartigen Hinterschneidung liegen. Die Grund- form des Brennraumes kann dabei rotationskörperförmig oder auch in anderer Weise, z. B. quadratisch oder rhomboid, gestaltet sein.
Die erfindungsgemässe Brennraumform hat sonach gegenüber dem Brennraum der bekannten Maschine i den Vorteil, dass dem Kraftstoff eine grössere Ausbreitungsfläche an der Brennraumwand zur Verfügung steht, wozu der weiterhin begünstigende Umstand kommt, dass eine stärkere Umlenkung der Kraftstoffteilchen erst relativ spät nach ihrem Austritt aus der Düsenmündung stattfindet. Auf diese Weise kann auch ein grösstmöglicher Teil der dem Kraftstoff beim Einspritzvorgang erteilten kinetischen Energie für die film- artige Ausbreitung des Kraftstoffes an der Wand ausgenutzt werden.
Anderseits ist die einströmende Luftmenge an der muldenartigen Hinterschneidung der Brennraum- öffnung grösser als dies bei einer rein kreisförmigen Öffnung des Brennraumes an dieser Stelle der Fall wäre. Die durch die Erweiterung in den Brennraum übertretende Luft ist dabei auf die mit Kraftstoff be- netzte (n) Stelle (n) der Brennraumwand gerichtet. Somit wird dem Kraftstoffilm auf der Brennraumwand eine grössere Frischluftmenge als bei der bekannten Maschine beim Einströmen zugeführt, so dass eine ! schnellere Verdampfung und Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft erreicht wird. Diese Wirkung wird noch erhöht, wenn die für die Lufteinströmung vorgesehene muldenartige Hinterschneidung bei ausser- mittiger Brennraumlage auf der von der Zylinderachse weiter entfernten Brennraumseite angeordnet ist.
Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, bei einem im Kolben einer Brennkraftmaschine angeord- neten Kugelbrennraum die Luftströmung zum Zweck der Begünstigung der Brennstoffilmausbreitung da- durch zu'beeinflussen, dass auf dem Kolbenboden, u. zw. am Mündungsrand des Brennraumes ein halb- kreisfönniger Ausschnitt vorgesehen wurde, der von dort ausgehend in einer in Strahlrichtung tangential in die Kugelwandung übergehenden Erweiterung endigt. Hier handelt es sich aber um eine einfache Ab- flachung des Brennraumrandes, so dass auch die Luftströmung nur unwesentlich beeinflusst wird. Ausser- dem ist der Erweiterungsteil, auf den der Kraftstoff gespritzt wird, kein hinterschnittener Wandungsteil, sondern nur ein Übergang in die Konturen des Kolbenbrennraumes.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass, in Strömungsrichtung der Luft gesehen, ausser der für die Lufteinströmung vorgesehenen muldenartigen Hinterschneidung hinter den Auftreffstellen des
Kraftstoffes eine zweite muldenartige Hinterschneidung vorgesehen ist, deren Umrissform, bezogen auf eine zwischen den muldenartigen Hinterschneidungen gedachte Symmetrielinie im wesentlichen spiegel- bildlich zu der Umrissform der muldenartigen Hinterschneidung für die Lufteinströmung ausgebildet ist.
Diese zweite muldenartige Hinterschneidung weist also eine Leitkanalform auf, die den Austritt des aus
Verbrennungsgasen und Luft bestehenden Gemisches strömungstechnisch unterstützt.
Hiedurch wird wäh- rend des Ausströmvorganges eine grössere Strömungsgeschwindigkeit an dem'Kraftstoffilm und damit eine schnellere Verdampfung des noch auf der Wand haftenden Kraftstoffes erzielt.
Die Einströmung der Luft an der zuerst genannten muldenartigen Hinterschneidung kann weiter ver-
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sich weiter von derKolbenmitte nach auswärts erstreckt, als bei achsgleicher Anordnung des Brennraumes zur Zylinderachse.
Gegenüber der bekannten Brennraumanordnung bedeutet dies insofern eine Neuerung, als dort die Brennraumachse mit derZylinderachse zusammenfällt. Der dadurch erzielte Vorteil besteht darin, dass die Lufteinströmung an der muldenartigen Hinterschneidung infolge Verringerung der Drosselwirkung weitgehend verlustfrei erfolgt und dadurch zusätzlich verstärkt wird, während sie am übrigen Umfang der Brennraumöffnung geringer ist ; ausserdem ist man nicht gezwungen, die Düsenmündung der Zylinderachse zu weit zu nähern.
Auch durch Parallelverschiebung der Brennraumachse oder durch Parallelverschiebung des Brennraummittelpunktes bei schief liegender Brennraumachse nach der Seite hin. auf der die muldenartige Hinterschneidung angeordnet ist, kann eine Verbesserung der Lufteinströmung an der mit Kraftstoff benetzten Wandungsfläche erzielt werden ; die Brennraumachse kann dabei auch windschief im Raum liegen.
Derartige Versetzungen der Brennraumachse sind zwar an sich bekannt, jedoch nur bei Brennräumen ohne die Besonderheit einer muldenartigen Hinterschneidung, wobei der Kraftstoff im wesentlichen luftzerstäubt eingespritzt wird ; bei einer bekannten Brennkraftmaschine dieser Art hat z. B. die Schrägstellung der Brennraumachse den Zweck, den Einspritzbedingungen einer üblichen Austrittseinlochdüse zu genügen.
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Die Ausbildung des Brennraumes gemäss der Erfindung kann zusätzlich mit Anordnungen verbunden sein, welche die Geschwindigkeit bzw. kinetische Energie der Luftdrehung im Brennraum weiterhin begün- stigen. Demgemäss wird nach weiteren Merkmalen der Erfindung vorgeschlagen dass im Kolbenboden oder
Zylinderdeckel in an sich bekannter Weise mindestens ein Luftführungskanal eingeschnitten ist, der tani gential im Drehsinn der Luft in die muldenartige Hinterschneidung des Brennraumes einmündet. Dieser
Kanal fasst einen Teil der beim Verdichtungshub des Kolbens in den Brennraum einströmenden Luft zu einem geschlossenen Strom zusammen, welcher den Kraftstoffstrahl oder die Kraftstoffstrahlen an den mit Kraftstoff benetzten Stellen ausbreiten hilft und dabei über diese Stellen hinwegströmt.
Schliesslich kann ein weiteres Merkmal der Erfindung darin bestehen, dass um die Brennraumöffnung ein im Kolben oder Zylinderdeckel ausgesparter spiralförmiger Kanal angeordnet ist, der in die mulden- artige Hinterschneidung in Richtung der Luftdrehung einmündet. Die Zusammenballung des an die mul- denartige Hinterschneidung herangeführten Luftstromes ist dadurch eine besonders intensive.
Derartige Luftleitkanäle um eine Brennraumöffnung sind gleichfalls an sich bekannt, jedoch nur bei
Brennkraftmaschinen mit ausgesprochener Luftverteilung des eingespritzten Kraftstoffes, wo die Kanäle den
Zweck haben, die Verwirbelung des Kraftstoffes in der Luft noch zu unterstützen. Bei einer bekannten
Maschine dieser Art sind die Kanäle so angeordnet, dass sie den Luftstrom dem eingespritzten Kraftstoff entgegenfUhren.
Um einen möglichst ausgebreiteten Kraftstoffilm auf der Brennraumwand zu erzeugen, ist es vorteil- haft, die fächerartige Einspritzung des Kraftstoffes durch einensogenanntenHohlkegelstrahl zu ersetzen, wie dies bei der der Erfindung zugrunde liegenden bekannten Maschine bereits angewendet wird. Die
Eigenart dieser meist von Zapfendüsen erzeugten Strahlen liegt darin, dass der Kemstrahlantell gering ist und der Kraftstoff zum grössten Teil in einem Kegelmantel konzentriert ist. Selbstverständlich kann unter
Beibehaltung der erfindungsgemässen Strahllage der Kraftstoffstrahlen die Einspritzdüse nicht nur schräg. sondern auch parallel zur Zylinderachse angeordnet sein.
Die Erfindung schliesst weiterhin auch solche Anordnungen ein, bei denen statt nur einer Einspritzdü- se mehrere Düsen verwendet werden. Um auch in diesem Falle die Vorteile der Erfindung beizubehalten, besteht ein weiteres Merkmal derselben darin, dass am Umfang des Brennraumes bzw. der Brennraum- öffnung mehrere muldenartige Hinterschneidungen von grundsätzlich gleicher Formgebung wie die zuerst genannte muldenartige Hinterschneidung angeordnet sind, denen ebensoviele Einspritzdüsen zugeordnet sind, aus denen der Kraftstoff durch tangential gerichtete Kraftstoffstrahlen im wesentlichen auf die Wan- dung der muldenartigen Hinterschneidungen auftrifft.
Für den Ablauf der Gemischbildung ist es gleich, ob der Brennraum - wie vorstehend beschrieben- im Kolben liegt oder ob er in den Zylinderkopf verlegt Ist. Es gehört daher mit zum Umfang der Erfin- dung analoge Massnahmen gegebenenfalls auch mit einem im Zylinderkopf angeordneten, unterteilten
Brennraum anzuwenden. Diese Massnahmen werden dann gewissermassen spiegelbildlich im Brennraum des Zylinderkopfes wirksam, wobei dies besonders für Zweitaktmotoren oder schiebergesteuerte Motoren gilt, bei denen die von Ventilen freie Zylinderfläche für die Unterbringung des Brennraumes zur Verfü- gung steht.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Hie- bei zeigen Fig. 1 einen lotrechten Schnitt nach der Linie l-l in Fig. 2 durch den einen rotationskörper- förmigen Brennraum enthaltenden Kolben einer Brennkraftmaschine mit im Aufriss andeutungsweise dar- gestellter Einspritzdüse ;
Fig. 2 eine Draufsicht zu Fig. 1 unter Fortlassung der Einspritzdüse ; die Fig. 3 und 4 die gleiche Brennraumanordnung, jedoch mit zwei muldenartigen Hinterschneidungen der Brenn- raumöffnung ; Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Kolben mit rotationskörperförmigem Brennraum unter der Annahme, dass die Brennraumachse gegenüber der Zylinderachse versetzt und ausserdem geneigt ist ;
Fig. 6 eine Draufsicht ähnlich Fig. 2, jedoch mit einem zusätzlichen Leitkanal für die Verbrennungsluft im Kolbenboden ; Fig. 7 eine Draufsicht ähnlich Fig. 6, wobei sich jedoch der Leitkanal für die Verbren- nungsluft im Kolbenboden spiralförmig um die Brennraumöffnung erstreckt ;
Fig. 8 einen Längsschnitt nach der Linie A-A der Fig. 9 durch einen im Kolben liegenden, nicht rotationskörperförmigen Brenn- raum mit mehreren Einspritzdüsen ; Fig. 9 eine Draufsicht zu Fig. 8i Fig. 10 eine schematische Längs- ansicht einer Brennkraftmaschine, teilweise im Schnitt, mit einem im Zylinderkopf angeordneten Brennraum ; Fig. 11 eine Projektion der Brennraumanordnung nach Fig. 10 in die Zylinderkopfebene B-B entsprechend der eingezeichneten Pfeilrichtung.
Im Kolben 1 (Fig. 1 und 2) ist der rotatiönskörperförmige, beispielsweise kugelförmige Brennraum 2 vorgesehen, dessen Achse 4 gegenüber der Zylinderachse 5 versetzt angeordnet ist und durch den Rand 3 an der Brennraumöffnung im Kolbenboden eingeschnürt ist. Der Brennraum 2 weist an seinem äusseren,
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dem Kolbenmantel zugekehrten Wandungsteil, der von der Zylinderachse 5 weiter entfernt ist, eine radiale
Erweiterung 6 auf, die gegenüber dem Rand 3 der Brennraumöffnung, insbesondere in der Strahlrichtung, muldenartig hinterschnitten ausgebildet ist und die von einer ausgeprägten radialen Ausbuchtungsstelle 7 aus allmählich in die Rotationsgrundform des Brennraumes übergeht.
Oberhalb der Erweiterung 6 be- ) findet sich die Einspritzdüse 8, die den Kraftstoff vorzugsweise in mehreren, beispielsweise zwei Strahlen
9,10 derart auf die Brennraumwand spritzt, dass die Auftreffstellen 11,12 noch innerhalb der muldenar- tigenHinterschneidung 6 liegen. Die Düse 8 ist schräg angeordnet und mit einer Ausspritzöffnung 8a oder deren mehreren versehen. Dabei kommt es stets nur auf die Lage des Kraftstoffstrahles, nicht dagegen auf die Lage der Düse selbst bzw. des Düsenhalters an. Der Erfindungsgedanke bleibt daher aucherhalten. wenn ) die Düsenachse bzw. die Achse des Düsenhalters bei unveränderter Lage der Strahlen 9,10 im Brennraum parallel zur Zylinderachse liegt.
Der Frischluftstrom macht während des Verdichtungshubes eine Drehung um die Zylinderachse 5, die ihr in an sich bekannterweise durch tangentiale Einströmung in den Zylinder mittels Einlass-Schirmventil, spiralförmigem Einlasskanal od. dgl. erteilt wird. Diese Luftdrehung ist in
Fig. 2 durch den Pfeil 13 angedeutet. Ein grosser Teil der beim Verdichtungshub aus dem Zylinder veri drängten Luft strömt dabei in die Richtung des Pfeiles 14 durch die muldenartige Hinterschneidung 6 in den Brennraum 2 ein und streicht über die vom Kraftstoff beaufschlagten Flächen 11, 12 hinweg.
Nach der
Zündung strömt ein Gemisch aus Verbrennungsgasen und Luft durch dieselbe muldenartige Hinterschnei- dung 6 aus dem Brennraum in der Richtung des Pfeiles 15 aus und streicht dabei nochmals über die mit
Kraftstoff benetzten Stellen 11,12 der Brennraumwand hinweg, so dass eine schnelle Verdampfung des restlichen, auf der Wand haftenden Kraftstoffes eintritt.
In zweckmässiger Ausgestaltung der Erfindung kann unmittelbar hinter der der Einströmung dienenden muldenartigen Hinterschneidung 6 in Strömungsrichtung der Luft gesehen, an der Brennraumöffnung eine zweite muldenartigeHinterschneidung 6a vorgesehen sein (Fig. 3 und 4). Aus dieser zweiten muldenarti-
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; Brennraumseite befindet, strömt das nach der Zündung über die Stellen 11,12 hinwegstreichende Ge- misch aus Verbrennungsgasen und Luft bevorzugt in Richtung des Pfeiles 15a aus, wozu die Hinterschnei- dung 6a eine strömungstechnisch geeignete Form erhält. Hiedurch wird während des Ausströmvorganges eine grössere Strömungsgeschwindigkeit an dem Kraftstoffilm und damit eine schnellere Verdampfung des noch auf der Wand haftenden Kraftstoffes erzielt.
Die Achse 4a des Brennraumes 2 kann im Gegensatz zu der parallel zur Zylinderachse 5 verlaufenden
Brennraumachse 4 (Fig. 1-4) mit der Zylinderachse 5 auch einen Winkel ss einschliessen (Fig. 5). Diese Neigung des Brennraumes kann zwecks Erhöhung der Drehgeschwindigkeit der Luft sowohl bei mittig als aussermittig angeordnetem Brennraum von Vorteil sein.
Bei der nur im Grundriss dargestellten Ausführungsform nach Fig. 6 ist im Kolbenboden ein Luftleitkanal 16 ausgespart, welcher den Kraftstoffstrahlen 9,10 bzw. den Auftreffstellen 11,12 bevorzugt Luft in Richtung der Luftdrehung 13 zuführt, wie dies durch den Pfeil 17 angedeutet ist. Der Kanal 16 geht vom Kolbenboden aus, ist in Richtung der Luftdrehung etwas gekrümmt und mündet tangential zur Brennraumwandung 2 in die muldenartige Hinterschneidung 6 ein. Die Ausströmung des teilverbrannten Brenngas-Luftgemisches erfolgt in der Pfeilrichtung 15 bzw. durch eine nicht dargestellte, die Ausströmung unterstützende muldenartige Hinterschneidung entsprechend der Anordnung nach Fig. 3 und 4. Gegebenenfalls können im Kolbenboden auch mehrere Kanäle 16 vorgesehen sein, von welchen jeder in eine muldenartige Hinterschneidung 6 mündet.
Die Kanäle können aber mit gleicher Wirkung auch im Zylinderdeckel der Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
Gemäss Fig. 7 ist um den Brennraum 2 herum ein ringförmig geführter Kanal 18 vorgesehen, der einen Teil der im Zylinder kreisenden Verbrennungsluft in Richtung des Pfeiles 19 spiralartig derart nach der muldenartigen Hinterschneidung 6 des Brennraumes 2 hinführt, dass dieser Luftanteil die Kraftstoffstrahlen 9,10 bevorzugt erfasst, wobei die Luftströmung an der Einmündungsstelle im wesentlichen nach den Auftreffstellen 11,12 hin gerichtet ist. Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt das Ausströmen des teil- verbrannten Brenngas-Luftgemisches entweder inRichtung des Pfeiles 15 entsprechend der Ausführung nach Fig. l und 2 oder durch die zweite muldenartige Hinterschneidung entsprechend der Ausführung nach Fig. 3 und 4.
Mit den beschriebenen Ausgestaltungen des Brennraumes bzw. Kolbens wird eine besonders gute Ablösung des Kraftstoffes an denAuftreffstellen derKraftstoffstrahlen im Brennraum und eine vorteilhafte Gemischbildung erzielt.
Der Brennraum kann unter Beibehaltung des Wesens der Erfindung auch eine von der Rotationskörperform abweichende Form aufweisen. Ausserdem kann die erfindungsgemässe Brennraumanordnung anstatt
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