CH640307A5

CH640307A5 - Luftverdichtende, direkt einspritzende brennkraftmaschine.

Info

Publication number: CH640307A5
Application number: CH828679A
Authority: CH
Inventors: Alfred Neitz; Hans Pickel; Nunzio D Dr Ing Alfonso
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1979-09-13
Publication date: 1983-12-30
Also published as: HU178291B; SE7908089L; SU936823A3; GB2033006B; IT1123741B; FR2437508B1; SE437400B; AT380071B; IT7926028A0; DD146199A1; IN151513B; ATA611279A; FR2437508A1; US4286556A; GB2033006A; DE2842457A1; DE2842457C2; JPS5549523A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende,

direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung, welche im Kolbenboden einen mit einem Hals versehenen, rotationskörperförmigen Brennraum aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt und der Kraftstoff durch eine im Hals des Brennraumes vorgesehene Schnaupe im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich weitgehend filmartig auf die Brennraum wand aufgetragen wird, während im Leerlauf sowie im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich des Motors eine weitgehend unmittelbare Kraftstoff-Luftvermischung erfolgt, wobei der Kraftstoffeinspritzdruck an der Einspritzdüsenbohrung über den gesamten Betriebsbereich des Motors konstant oder nahezu konstant gehalten wird.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist bereits durch die DE-A-27 09 161 bekannt, die allerdings nicht unbedingt einen rotationskörperförmigen Brennraum mit einem eingeschnürten Hals vorschreibt, sondern lediglich einen rotationskörperförmigen Brennraum. Durch die bekannte Brennkraftmaschine soll die Gemischaufbereitung und damit die Verbrennung bei Leerlauf sowie im unteren Drehzahl- und Lastbereich verbessert werden, indem der in diesen Bereichen eingespritzte Kraftstoff weitgehend unmittelbar mit der Verbrennungsluft vermischt wird, da die für eine ausreichend schnelle Verdampfung des filmartig aufgebrachten Kraftstoffes erforderliche Temperatur der Brennraumwand nicht vorhanden ist, was sich in den Motorkenndaten und in einer schlechteren Abgasqualität auswirkt.

Um diesen bekannten Nachteil zu vermeiden, wurden vorher schon viele Vorschläge gemacht, doch brachten diese immer wieder andere Nachteile mit sich. Entweder die Einrichtung war zu teuer oder zu kompliziert oder es wurden die dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung im oberen Betriebsbereich des Motors anhaftenden Vorteile zum Teil aufgehoben oder anderes.

Die vorbeschriebene Brennkraftmaschine brachte mit einfachen Mitteln eine echte Verbesserung, doch zeigte sich,

dass die Zerstäubungsfeinheit des Kraftstoffes in den unteren Betriebsbereichen des Motors noch nicht als optimal angesehen werden kann. In den oberen Betriebsbereichen wurden beste Ergebnisse erzielt.

So wurde bereits vorgeschlagen, u.a. die Geschwindigkeit der sich drehenden Verbrennungsluft und die Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffstrahles derart aufeinander abzustimmen, dass sie bei Nenndrehzahl des Motors gleich oder nahezu gleich sind, während mit abnehmender Motordrehzahl unter Bildung einer Relativgeschwindigkeit die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft wesentlich verringert wird. Durch diese Massnahme tritt in den oberen Betriebsbereichen des Motors zwischen dem Kraftstoffstrahl und der Verbrennungsluft keine oder nahezu keine die Strahlauflösung begünstigende Reibung auf, er bleibt daher als geschlossener Strahl erhalten. Im unteren Betriebsbereich des Motors hingegen entsteht durch die Relativgeschwindigkeit eine erhebliche Reibung, durch die der Kraftstoffstrahl fein zerstäubt wird. Weiter verbessert kann diese Zerstäubung schliesslich werden, wenn eine Zapfendüse mit vergrösserter Einspritzdüsenöffnung Verwendung findet, weil dadurch eine grössere Berührungsfläche zwischen Kraftstoff und Verbrennungsluft geschaffen wird.

Der Vorschlag erwies sich als wirkungsvoll und es wurde eine beachtliche Verbesserung der Gemischbildung und damit der Verbrennung erzielt.

Verwendet man nun unter Beachtung aller vorstehend angeführten Optimierungsmassnahmen einen rotationskörperförmigen Brennraum mit einem eingeschnürten Hals, so ist es allein wegen der erforderlichen Kraftstoffstrahllage, vielfach aber auch wegen konstruktiven Schwierigkeiten notwendig, für die Kraftstoffeinspritzung einen Verbindungskanal zum Brennraum oder eine Schnaupe in dessen Hals vorzusehen. Dabei stellte sich heraus, dass sich die Motorkenndaten bzw. die Gemischbildung und Verbrennung praktisch über den gesamten Betriebsbereich wieder verschlechtern. Der Grund hierfür liegt im unteren Drehzahl- und Lastbereich darin, weil der Strahlabspritzpunkt bzw. die Kraft-stoff-Einspritzdüsenöffnung einfach zu weit vom eigentlichen Brennraum entfernt liegt. Beim Druchtritt des Kraftstoffes durch den Verbindungskanal oder die Schnaupe kühlen zum Teil grössere Mengen des bereits dort vorhandenen Gemisches stark ab oder es erfolgt sogar eine Entmischung, welche ein teilweises Niederschlagen des fein verteilten Kraftstoffes an den Kanalflächen bewirkt. Die Folge davon sind insbesondere mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Geruchsträgern angereicherte schlechte Abgase. Den Verbindungskanal oder die Schnaupe in ihrem Querschnitt einfach grösser auszulegen, wäre keine Lösung, da dies eine Verkleinerung des eigentlichen Brennraums und eine Verschlechterung des Luftdralls und somit auch der Verbrennung zur Folge hätte.

Auch im oberen Drehzahl- und Lastbereich macht sich ein relativ grosser Abstand zwischen Abspritzpunkt und eigentlichem Brennraum unangenehm bemerkbar. In diesem Fall soll meist ein wesentlicher Teil des Kraftstoffes filmartig auf

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die Brennraumwand aufgetragen werden, um den Verbrennungsablauf bei einem Minimum an Russerzeugung und unter Vermeidung von zu hohen Druckspitzen wie bekannt zu steuern. Wie erwähnt, trägt dazu die fehlende Relativgeschwindigkeit zwischen Verbrennungsluft und Kraftstoffstrahl wesentlich bei. In dem vorgesehenen Verbindungskanal oder in der Schnaupe lassen sich solche Verhältnisse nicht herstellen. Hier ist, zumindest gegen Ende des Einspritzvorganges, eine Strömung der Verbrennungsluft,

welche die Relativgeschwindigkeit zum Kraftstoffstrahl gleich null oder nahezu null werden Iässt, nicht erreichbar, so dass eine unerwünschte, stärkere Strahlauflösung und damit eine höhere Russerzeugung auftritt.

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art, d.h. bei Anbringung einer Schnaupe, die durch diese auftretenden Nachteile, wie verschlechterte Verbrennung und Russbildung, zu vermeiden.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass - in Draufsicht auf den Brennraum gesehen - der Schnittpunkt der Kraftstoffstrahlachse mit der den Zylinder begrenzenden Zylinderkopfebene innerhalb eines gedachten Kreises mit auf der Achse des Rotationskörpers liegendem Mittelpunkt liegt, der höchstens das 1,1 fache des grössten Brennraumdurchmessers beträgt, und dass die Länge des Abschnittes der Kraftstoffstrahlachse zwischen dem Kraftstoff-Abspritzpunkt und der Mantelfläche des Rotationskörpers höchstens gleich 30% des grössten Brennraumdurchmessers ist.

Hierdurch entsteht eine Länge der Schnaupe, durch die eine Entmischung und damit ein Niederschlagen des Kraftstoffes an den Kanalflächen im unteren Betriebsbereich sowie eine zu starke Auflösung des Kraftstoffstrahles im oberen Betriebsbereich des Motors noch nicht wirksam auftritt, wobei der Querschnitt der Schnaupe nicht unnötig erweitert werden muss. Vorzugsweise kann die Längsachse der die Schnaupe bildenden, im Querschnitt etwa halbkreisförmigen Ausnehmung im Kolben in Richtung zum Boden des Brennraums hin um einen Winkel steiler als die Kraftstoffstrahlachse verlaufen, können sich die Kraftstoffstrahlachse und die Längsachse im Kraftstoff-Abspritzpunkt schneiden und kann der Winkel zwischen beiden Achsen grösser als 3° und kleiner als 15° sein. Der Radius der etwa halbkreisförmigen Schnaupe soll dabei vorzugsweise zwischen 4,75 und 5,0 mm betragen, egal ob es sich beispielsweise um eine 9-mm- oder um eine 14-mm-Einspritzdüse handelt. Die durch andere, eingangs erwähnte Massnahmen

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erreichte gute Gemischbildung und Verbrennung in allen Betriebsbereichen des Motors bleibt so erhalten.

Einzelheiten der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles entnommen werden. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf einen kugelförmigen Brennraum mit einem als Schnaupe ausgebildeten Verbindungskanal,

Figur 2 einen Schnitt II-II durch den Brennraum nach Figur 1 sowie die Anordnung der Kraftstoff-Einspritzdüse nach der Erfindung.

In den Figuren 1 und 2 ist der im Kolben 1 angeordnete, kugelförmige Brennraum mit 2 bezeichnet, der zum Zylinderkopf 3 hin einen eingeschnürten Hals 4 aufweist, in dem ein etwa tangential und schräg in den Brennraum 2 einmündender, als Schnaupe ausgebildeter Verbindungskanal 5 vorgesehen ist. Der grösste Durchmesser des Brennraumes 2 ist mit D bezeichnet. In Verlängerung des Verbindungskanals 5 liegt im Zylinderkopf 3 die Kraftstoff-Einspritzdüse 6, deren Düsenöffnung 7 gleichzeitig den Kraftstoff-Abspritzpunkt darstellt. Die Mittelachse der Einspritzdüse 6 ist mit x bezeichnet und gibt gleichzeitig die Richtung der Kraftstoffstrahlachse an.

Lotet man den Schnittpunkt zwischen geometrischen Kraftstoffstrahl x und der den Zylinder begrenzenden Zylinderkopfebene 8, der im dargestellten Fall mit dem Kraftstoff-Abspritzpunkt 7 zusammenfällt, in Figur 2 senkrecht nach unten, so liegt dieser, wie Figur 1 deutlich zeigt, innerhalb eines gedachten Kreises 10, der höchstens das 1,1 fache des grössten Brennraumdurchmessers D beträgt. Aus Figur 2 ist schliesslich noch erkennbar, dass der Abstand A des Kraftstoff-Abspritzpunktes 7 von der den Brennraum 2 begrenzenden, jedoch durch den Verbindungskanal 5 unterbrochenen Brennraumwand 9 in Richtung der Kraftstoffstrahlachse x kleiner oder höchstens gleich 30% des grössten Brennraumdurchmessers D ist.

Da im Beispiel der Verbindungskanal 5 als nahezu halbkreisförmig ausgebildete Schnaupe vorgesehen ist, erscheint es zweckmässig, deren Längsachse y um einen Winkel <p weiter in Richtung zum Boden des Brennraumes 2 hin steiler verlaufen zu lassen als die Kraftstoffstrahlachse x. Beide Achsen x und y schneiden sich im Kraftstoff-Abspritzpunkt 7, wobei der Winkel q> grösser als 3° und kleiner als 15° sein soll. Der Radius R der Schnaupe 5 liegt unabhängig vom Radius r der Einspritzdüse 6 zwischen 4,75 und 5,0 mm.

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1 Blatt Zeichnungen

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640307 PATENTANSPRÜCHE

1. Luftverdichtende, direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung, welche im Kolbenboden einen mit einem Hals versehenen, rotationskörperför-migen Brennraum aufweist und bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt und der Kraftstoff durch eine im Hals des Brennraumes vorgesehene Schnaupe im oberen Drehzahl-und/oder Lastbereich weitgehend filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen wird, während im Leerlauf sowie im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich des Motors eine weitgehend unmittelbare Kraftstoff-Luftvermischung erfolgt, wobei der Kraftstoffeinspritzdruck an der Einspritzdüsenbohrung (7) über den gesamten Betriebsbereich des Motors konstant oder nahezu konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass - in Draufsicht auf den Brennraum (2) gesehen - der Schnittpunkt der Kraftstoffstrahlachse (x) mit der den Zylinder begrenzenden Zylinderkopf -ebene (8) innerhalb eines gedachten Kreises (10) mit auf der Achse des Rotationskörpers liegenden Mittelpunkt liegt, der höchstens das 1,1 fache des grössten Brennraumdurchmessers (D) beträgt, und dass die Länge des Abschnittes (A) der Kraftstoffstrahlachse (x) zwischen dem Kraftstoff-Abspritz-punkt (7) und der Mantelfläche des Rotationskörpers höchstens gleich 30% des grössten Brennraumdurchmessers (D)

ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (y) der die Schnaupe (5) bildenden, im Querschnitt etwa halbkreisförmigen Ausnehmung im Kolben (1) in Richtung zum Boden des Brennraumes (2) hin um einen Winkel (cp) steiler als die Kraftstoffstrahlachse (x) verläuft, dass sich die Kraftstoffstrahlachse (x) und die Längsachse (y) im Kraftstoff-Abspritzpunkt (7) schneiden, und dass der Winkel (<p) grösser als 3° und kleiner als 15° ist.

3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (R) der etwa halbkreisförmigen Schnaupe (5) zwischen 4,75 und 5,0 mm liegt.