CH659106A5

CH659106A5 - Luftverdichtende, direkteinspritzende brennkraftmaschine.

Info

Publication number: CH659106A5
Application number: CH6843/82A
Authority: CH
Inventors: Alfred Neitz; Alfonso Nunzio D; Hans Pickel
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1981-11-27
Filing date: 1982-11-24
Publication date: 1986-12-31
Also published as: SE456262B; HU190045B; US4487178A; IT8224189A0; SE8206256L; FR2517374B1; DE3147015C2; GB2113297A; RO85972A; JPS58131307A; DD212076A1; KR840002496A; TR21664A; DE3147015A1; IT1154565B; FR2517374A1; GB2113297B; JPH0131006B2; SU1138051A3; RO85972B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung, welche im Kolben einen rotationskörperförmigen Brennraum aufweist, bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt wird und bei der der Kraftstoff über eine aussermittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse mit nur einem Strahl derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird, das an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstoffilms möglich ist.

Derartige Brennkraftmaschinen, die nach dem Verfahren der Kraftstoff-Wandauftragung arbeiten, sind bereits hinreichend bekannt. Sie haben eine Reihe von Vorteilen, wobei insbesondeere die gute Kraftstoffausnutzung, die geringe Abgastrübung und die Gangruhe zu erwähnen sind. Auch wurde festgestellt, dass sich die Abgasqualität weiter verbessern lässt (Verminderung der Weiss- und Blaurauchbildung und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe), wenn man die im Leerlauf und im unteren Drehzahl- und Lastbereich erforderliche, geringe Einspritzmenge nahezu ausschliesslich unmittelbar mit der Verbrennungsluft vermischt, da in diesen Bereichen die für eine ausreichend schnelle Verdampfung des filmartig aufgebrachten Kraftstoffes erforderliche Temperatur der Brennraumwand nicht vorhanden ist, wodurch eine unvollkommene Gemischaufbereitung und damit Verbrennung stattfindet. Im oberen Drehzahl- und Lastbereich hingegen hat sich die Kraftstoff-Wandauftragung sehr gut bewährt.

Es hat sich nun gezeigt, dass der Kraftstoff, der bei Leerlauf und im unteren Drehzahl- und Lastbereich mit der Luft vermischt wird, gleich nachdem er die Düsenbohrung verlassen hat, eine mit geringer Durchschlagskraft versehene Wolke bildet, die leicht von der rotierenden Luft verweht wird. Dabei kann der Kraftstoff gegen die Brennraumwand, in den Zwischenraum Kolbenboden/Zylinderkopf oder, bei eingeschnürten Brennräumen, gegen die Schnaupenwand getragen werden. Das Auftragen auf diese kälteren Stellen verursacht wiederum eine Verschlechterung der Abgaswerte, insbesondere der unverbrannten Kohlenwasserstoffe.

Auch bei hoher Drehzahl und Last wird der mit grosser Durchschlagskraft ausgebildete Hauptstrahl am Anfang und am Ende der Einspritzung von kleinen Kraftstoffwolken begleitet. Noch stärker als bei niedriger Drehzahl werden diese Kraftstoffwolken von dem nun schneller rotierenden Gas abgelenkt und vorwiegend in die Räume zwischen Zylinderkopf und Kolbenboden getragen. Ausserdem strömt das Gas unmittelbar nach OT mit hoher Geschwindigkeit vom Brennraum in den sich schnell vergrössernden Spalt zwischen den Zylinderkopf und den Kolbenboden und reisst bevorzugt die Kraftstoffwolken und -Tröpfchen, die gegen Ende der Einspritzung entstehen, mit. Der dorthin gelangte Kraftstoff wird somit dem eigentlichen Verbrennungsvorgang entzogen, wird von der sich im Brennraum ausbreitenden Flammenfront nicht erfasst und verbrennt schlagartig durch Selbstzündung. Dabei haben diese Kraftstoffwolken starke erosive Auswirkungen auf die sehr nahen Oberflächen des Kolbens und des Zylinderkopfes.

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art die durch die Kraftstoffablenkungen entstehenden Erosionen am Kolbenboden und Zylinderkopf zu vermeiden bzw. die Abgasemission hinsichtlich unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu verbessern.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Spritzbohrung der Einspritzdüse im oberen Totpunkt des Kolbens unter dem Kolbenboden liegt und in den Brennraum eingetaucht ist und der Hals der Einspritzdüse mit Spiel von einer längsgeschlitzten, stirnseitig offenen Hülse umgeben ist, welche über die Spritzbohrung vorsteht.

Durch diese Merkmale wird das angestrebte Ziel auf einfache Weise voll erreicht. Das Eintauchen der Spritzbohrung der Einspritzdüse in den Brennraum während des Einspritzvorganges verhindert, dass Kraftstoff zwischen Kolbenboden und Zylinderkopf gelangen kann. Der von der rotierenden Luft verwehte Kraftstoff wird bevorzugt an der unteren, vorstehenden Hülsenwandung niedergeschlagen, und da dieser Wandungsbereich sehr heiss sein wird, erfolgt dort eine schnelle Verdampfung des Kraftstoffes. Zudem schützt die Hülse die Einspritzdüse vor zu starken Erwärmungen, wobei Verkokungserscheinungen in der Düsenbohrung, die sich aufgrund des tieferen Eintauchens der Einspritzdüse in den Brennraum ergeben würden, absolut vermieden werden. Auch tritt kein Verziehen der Einspritzdüse auf, da durch die Hülse wegen des Spiels zum Düsenkörper zu starke Temperaturunterschied ein den oberen bzw. unteren Bereichen der Einspritzdüse nicht entstehen können. Die Hülse dient somit neben der Funktion als Auffangmittel für verwehten Kraftstoff zur Verbesserung der Gemischaufbereitung sowie als Wärmeschutz für die Einspritzdüse. Der Längsschlitz in der Hülse sorgt dabei für einen spannungsfreien guten Kontakt der Hülse mit dem gekühlten Zylinderkopf, auch bei asymmetrischer Temperaturverteilung in der Hülse. Dadurch wird verhindert, dass Risse und Brüche entstehen, weder in der Hülse selbst noch im Zylinderkopf. Der vorliegende Zwischenraum zwischen der Einspritzdüse und der Hülse (Spiel) wird mit der Zeit durch Russ- und Koksablagerungen gefüllt.

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Diese Ablagerungen wirken isolierend und bilden hiermit einen weiteren Wärmeschutz.

Zwar ist es bereits bekannt, als Wärmeschutz zylindrische Hülsen zu verwenden, die den Düsenschaft umhüllen und im Zylinderkopf festgehalten bzw. am Düsenhalter befestigt werden, wobei die Hülsen ganz oder teilweise mit Presssitz am zylindrischen Hals des Düsenvorsatzes anliegen (vgl. DE-PS 873 011). Bei der bekannten Einrichtung handelt es sich um eine direkt gekühlte Einspritzdüse, welche zentral über dem Brennraum angeordnet ist. Der Nachteil dieser bekannten Hülsen ist der, dass durch die Berührung der Hülsen mit den jeweiligen Düsenkörpern die Wärme weiterhin in die Düsenkörper geleitet wird, zumindest in die oberen Bereiche. Ebenfalls können im Betrieb in diesen Bereichen Spannungen in der Hülse entstehen, was zu Rissen in der Hülse führen kann. Nachteilig ist weiterhin der grössere Durchmesser, den die Düsenbohrung im Zylinderkopf haben muss, damit die Düse und die Schutzhülse eingeführt und fixiert werden kann. Dies fällt bei der bekannten Einrichtung zwar weniger ins Gewicht, da - wie bereits erwähnt - hier eine direkt gekühlte Einspritzdüse, welche zentral über dem Brennraum angeordnet ist, vorliegt. Dagegen wäre der grössere Durchmesser aus konstruktiven Gründen bei der vorliegenden Erfindung, bei der die Einspritzdüse ausser-mittig in der Nähe des Brennraumöffnungsrandes schräg zur Brennraumlängsachse angeordnet ist und die Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Einspritzdüse über die gekühlten Zylinderkopfflächen erfolgen soll, problematischer. Es ist weiter festzustellen, dass bei der bekannten Einspritzdüse die Spitze des Düsenvorsatzes in den Brennraum hineinragt. Warum dies so ist, ist der Beschreibung der DE-PS 873 Ol 1 nicht zu entnehmen. Da bei zentral angeordneten Einspritzdüsen das Problem der Kraftstoffverwehung in die Räume zwischen Zylinderkopf und Kolbenboden aufgrund der grösseren Entfernung weniger aktuell ist, muss angenommen werden, dass das Eintauchen der Einspritzdüse in den Brennraum hier einem anderen Zweck dient.

Nachdem es einen Zusammenhang zwischen Abstand des Kolbens vom Zylinderkopf bei Einspritzbeginn bzw. Einspritzende und optimaler Eintauchtiefe der Einspritzdüsenmündung in den Brennraum gibt (der jeweilige Abstand des Kolbens ist vom Hub der Brennkraftmaschine abhängig), kann vorzugsweise die Eintauchtiefe der Spritzbohrung in den Brennraum - in vertikaler Richtung gemessen - mindestens so viel betragen, wie der Kolbenboden am Ende der Kraftstoff-Einspritzung bei Nenndrehzahl und Vollast von der Unterkante des im oberen Totpunkt gebildeten Zylinderkopfspaltes entfernt ist. Das heisst, am Ende der Einspritzung kommt die Spritzbohrung der Einspritzdüse zumindest in der Höhe des Kolbenbodens zu liegen. Sie kann darunter liegen, aber nicht darüber.

Es hat sich gezeigt, dass die Vorgänge am Ende der Einspritzung im wesentlichen für die Entstehung der Kolbenbodenerosionen verantwortlich sind. Man kann also das Ende der Einspritzung bei Nenndrehzahl und Vollast als Massstab nehmen, um die Eintauchtiefe der Spritzbohrung festzulegen. Diese Position wird dann in den meisten Fällen auch optimal für die Abgasemissionen sein, auf die man besonders bei Schwachlast und bei niedriger Drehzahl achten muss. Einerseits sind dann nämlich die Spritzzeiten kürzer und Einspritzbeginn und Einspritzende liegen näher am oberen Totpunkt, andererseits sind die Gasbewegungen (Dreh- und Ausströmbewegungen) viel kleiner, da diese etwa der Drehzahl proportional sind.

Besonders gute Ergebnisse werden mit Hülsen erzielt, die zwischen 0,5 bis 2,0 mm über die Spritzbohrung überstehen. Weiter vorstehende Hülsen würden die Rotation der Verbrennungsluft stören.

Als zweckmässig hat sich erwiesen, wenn die Schlitzbreite der Hülse im montierten kalten Zustand 0,5 bis 2 mm beträgt und der äussere Durchmesser der Hülse im freien (nicht montierten) Zustand den 1,0- bis l,3fachen Wert des Durchmessers der Düsenbohrung im Zylinderkopf aufweist. Dies ermöglicht eine leichte Montage bzw. Einführung der Hülse in die Düsenbohrung, da die längsgeschlitzte Hülse sich gut elastisch verformen lässt.

Auch wird noch vorgeschlagen, im Bereich des Düsenhalters an der Hülse einen Bund vorzusehen. Dieser Bund bestimmt die Einbaulage der Hülse und verhindert ein Hineinrutschen der Hülse in den Zylinder.

Weiter ist es vorteilhaft, die Längsschlitzung (Schlitzlage) in den Bereich der Hüle zu legen, welcher ganz vom Zylinderkopf abgedeckt ist. Dadurch kann auch nicht durch den vorhandenen Spalt Kraftstoff auf die gefährdeten Bereiche auftreffen. Insbesondere wird dabei die im unteren Hülsenbereich (im Bereich des Zylinderkopfbodens) gebildete Zylinderkopfspitze nicht so stark durch die ungünstige thermische Verformung des aus dem Zylinderkopf herausragenden Hülsenteils beansprucht. Die Gefahr von Rissbildungen speziell an dieser Stelle bzw. ein Abbrand dieser Spitze werden hiermit vermieden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den unteren Teil einer im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse mit Hülse sowie durch den oberen Teil eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens mit Brennraum im oberen Totpunkt (OT).

Fig. 2 einen Schnitt II-II durch die Einspritzdüse und die Hülse nach Fig. 1.

Fig. 3 einen Längsschnitt wie in Fig. 1 mit eingezeichneter Gasbewegung nach OT und eingezeichnetem Kraftstoffstrahl mit Kraftstoffwolke.

Fig. 4 ein Diagramm über die Bewegung des Kolbens während des Einspritzvorgangs mit Darstellung der Eintauchtiefe der Spritzbohrung (Strahlabspritzpunkt) in den Brennraum (in Vergrösserung).

Die Fig. 1 und 3 zeigen einen in einem Kolben 6 angeordneten, kugelförmigen Brennraum 7, der zum Zylinderkopf 5 hin einen eingeschnürten Hals aufweist, in dem ein schräg in den Brennraum 7 einmündender, als Schnaupe ausgebildeter Verbindungskanal 7a vorgesehen ist. In Verlängerung des Verbindungskanals 7a ist im Zylinderkopf 5 eine Kraftstoff-Einspritzdüse 2 angeordnet. Diese ist von einer Hülse 4 mit Spiel 16 umgeben und die Spritzbohrung 2a derselben liegt unter der Ebene des Zylinderkopfbodens 5a. Die Hülse 4 ist stirnseitig offen und weist eine Längsschlitzung auf, wobei die Schlitzbreite s (vgl. Fig. 2) im montierten kalten Zustand

0.5 bis 2,0 mm beträgt. Der äussere Durchmesser der freien (nicht montierten) Hülse 4 kann maximal den l,3fachen Wert des Durchmessers d der Düsenbohrung 11 im Zylinderkopf 5 aufweisen, bevorzugt wird eine Hülse mit dem

1, lfachen Wert verwendet. Der grössere oder mindestens gleich grosse Durchmesser der Hülse 4 gegenüber der Düsenbohrung 11 sorgt dafür, dass die äussere Fläche der Hülse 4 satt an der Zylinderkopfwandung anliegt. Dadurch wird die in die Hülse eingeleitete Wärme gut an die gekühlte Zylinderkopfwandung abgeführt.

Wesentlich ist, dass die Hülse 4 über die Spritzbohrung 2a der Einspritzdüse 2 vorsteht. Der überstehende Teil kann zwischen 0,5 und 2,0 mm betragen. Als sehr vorteilhaft hat sich ein Überragen von 1,0 mm bewährt.

In der oberen Totpunktstellung des Kolbens 6 (Fig. 1 ) taucht die Einspritzbohrung 2a sowie der zylinderhufartige

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Teil der Hülse 4 in den Brennraum 7 ein. Die Eintauchtiefe a der Spritzbohrung 2a in den Brennraum 7 - in vertikaler Richtung gemessen - beträgt dabei mindestens so viel, wie der Kolbenboden 6a am Ende der Kraftstoff-Einspritzung -bezogen auf Nenndrehzahl und Vollast - von der Unterkante des in OT gebildeten Zylinderkopfspaltes 5b entfernt ist.

Sofern eine noch weitere Verbeserung der Abgaswerte erwünscht ist (gilt beispielsweise für leichtere Fahrzeuge, wie Pkw's im Schwachlastbereich), ist es auch denkbar, die Spritzbohrung weiter in den Brennraum eintauchen zu lassen und die Eintauchtiefe a in Abhängigkeit von der Entfernung des Kolbens bei Einspritzbeginn bzw. einem Wert zwischen Einspritzbeginn und Einspritzende festzulegen.

In Fig. 1 ist noch die Düsenachse 1 eingezeichnet, die hier mit der Spritzlochachse zusammenfällt. Dies braucht aber nicht immer der Fall zu sein. Ausserdem ist der Düsenhalter mit 3 bezeichnet. Im Bereich dieses Düsenhalters weist die Hülse 4 einen Bund 4a auf. Dadurch wird die Hülse in ihrer Lage orientiert.

Die Fig. 3 zeigt die Stellung des Kolbens 6 nach dem oberen Totpunkt bzw. gegen Ende der Einspritzung. Es ist zu erkennen, dass um den eingespritzten Kraftstoff-Hauptstrahl 8 Kraftstoffnebel 9 bzw. energielose Kraftstoff-Tröpfchen vorliegen, die sich bevorzugt - bedingt durch die rotierende Luft 17 - an dem zylinderhufartigen Teil der heissen Hülsenwandung niederschlagen und dort verdampfen. Die Pfeile 15 zeigen die radiale Gasbewegung, die sich nach OT einstellt.

Es hat sich gezeigt, dass diese radiale Gasbewegung überwiegend die Ursache für die Kolbenboden- bzw. Zylinderkopferosionen darstellt, da diese die Kraftstoffwolken bzw. -tröpfchen, die gegen Ende der Einspritzung entstehen, bevorzugt in den Spalt zwischen Zylinderkopf und Kolbenboden mitreisst. Da bei vorliegender Erfindung am Ende der Einspritzung die Einspritzbohrung 2a zumindest noch in der Ebene des Kolbenbodens 6a liegt (oder evtl. tiefer), tritt dieser Nachteil nicht auf. Dies gilt ebenso für den Einspritz-5 beginn vor OT, obwohl dabei in den meisten Fällen die Spritzbohrung 2a der Einspritzdüse 2 noch über dem Kolbenboden 6a liegen wird. In diesem Fall wird die mit grosser Geschwindigkeit in den Brennraum einströmende Quetschströmung eine Verwehung des Kraftstoffes in die Räume zwi-10 sehen Kolbenboden und Zylinderkopf weitgehend verhindern.

Im Diagramm der Fig. 4 ist in Form einer Parabel der Kolbenweg 13 in Abhängigkeit von den Kurbelwinkelgraden aufgetragen. Im Beispiel beginnt die Kraftstoffeinspritzung 15 bei 26° vor OT und endet bei 12° nach OT ; die gesamte Einspritzdauer bei Vollast ist mit 10 bezeichnet. Auch ist zu erkennen, dass sich der Kolben am Ende der Einspritzung in einem Abstand a vom Zylinderkopfspalt 5b befindet. Dieser Abstand a entspricht der Eintauchtiefe des Strahlabspritz-20 punktes 2a in den Brennraum, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Im Beispiel beträgt die Eintauchtiefe a etwa 1,3 mm und die Hülse 4 überragt die Einspritzbohrung 2a etwa 1 mm. Die Achse der Einspritzbohrung ist in der Fig. 4 mit 12 bezeichnet.

25 Abschliessend ist zu erwähnen, dass es nicht notwendig ist, durch das Vorliegen der Hülse die Durchmesserbohrung im Zylinderkopf für die Düse grösser auszuführen. Es wird vielmehr der Düsenhals etwas dünner ausgeführt. Dieser Materialabbau im Bereich des Düsenhalses bewirkt automatisch 30 (durch die kleinere exponierte Fläche und durch den inneren Kraftstoffluss) eine weitere Temperaturminderung an der Düse.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung, welche im Kolben einen rotationskörperförmigen Brennraum aufweist, bei der der einströmenden Verbrennungsluft eine Drehbewegung um die Brennraumlängsachse erteilt wird und bei der der Kraftstoff über eine aussermittig in der Nähe des Brennraum-Öffnungsrandes im Zylinderkopf angeordneter Einspritzdüse mit nur einem Strahl derart in Richtung der rotierenden Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt wird, dass an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstoffilms möglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzbohrung (2a) der Einspritzdüse (2) im oberen Totpunkt des Kolbens

(6) unter dem Kolbenboden (6a) liegt und in den Brennraum

(7) eingetaucht ist und der Hals der Einspritzdüse (2) mit Spiel ( 16) von einer längsgeschlitzten, stirnseitig offenen Hülse (4) umgeben ist, welche über die Spritzbohrung (2a) vorsteht.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (4) zwischen 0,5 bis 2,0 mm vorsteht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzbreite (s) der Hülse (4) im montierten kalten Zustand 0,5 bis 2,0 mm beträgt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Durchmesser der geschlitzten Hülse (4) im nicht montierten Zustand den 1,0 bis l,3fachen Wert des Durchmessers (d) der Düsenbohrung (11) im Zylinderkopf (5) aufweist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (4) im Bereich des Düsenhalters (3) einen Bund (4a) aufweist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsschlitzung in dem Bereich der Hülse (4) liegt, welcher ganz vom Zylinderkopf (5) abgedeckt ist.