DE1260858B - Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung - Google Patents

Description

• Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung und weitere Ausgestaltung von Brennkraftmaschinen mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit einer ganz oder angenähert zentral in deren Arbeitskolben angeordneten rotationskörperförmigen Ausnehmung als Brennraum, mit einer drosselfreien oder -armen Überströmöffnung zwischen diesem und dem Zylinderraum, mit Mitteln zur Erzielung eines um die Brennraumachse kreisenden Luftwirbels zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung mit einer im Zylinderkopf exzentrisch angeordneten Zwei-, Drei- öder Vierlochdüse, wobei die Zwei- und Dreilochdüse jeweils einen Strahl, die Vierlochdüse einen oder zwei Strahlen mit einer Komponente in Gegendrallrichtung zur Brennraumwand spritzt, während von den übrigen Strahlen entweder einer genau oder angenähert quer zum Drall und die übrigen in Drallrichtung gespritzt werden.
• Bei den bekannten derartigen Maschinen spritzt mindestens ein Strahl durch das Brennraumzentrum hindurch. Auch die übrigen Strahlen liegen weitgehend im Zentrum oder zumindest in dessen Nähe. Dadurch entsteht der Nachteil, daß ein zu großer Kraftstoffanteil in den Zentrumsbereich des Brennraumes gelangt, nach Einsetzen der Zündung dem rasch mit heißen Gasen sich anfüllenden Wirbelkern ausgesetzt ist und durch die von außen nach innen drängenden heißen Gase hindurch muß. Durch die hohe Relativgeschwindigkeit und innige Berührung zwischen den. heißen Brenngasen und Kraftstoff besteht die Gefahr, daß er zu stark crakt und durch die Gegenbewegung von Brenngas und Kraftstoff zu viel Kraftstoff im heißen Feuergaskern hängenbleibt und seine Verbrennung dort unter örtlichem Luftmangel leidet.
• Die vorliegende Erfindung hilft diesem LUbelstand ab. Sie besteht darin, daß die Spritzbohrungen an der Düsenmündung derart angeordnet sind, daß die Achsen der Einspritzstrahlen, im Grundriß des Brennraumes gesehen, eine die Brennkammerachse konzentrisch umlaufende Linie, hier Einspritzgrenze genannt, eines Kreises, dessen Durchmesser mindestens dem halben Brennraumdurchmesser entspricht, nicht mehr schneiden, sondern höchstens tangieren.
• Durch die Erfindung kommen die Kraftstoffstrahlen nur mit dem im äußeren Brennraumbereich kreisenden Luftring in Berührung. Sie befinden sich daher immer im Bereich von Luftüberschuß ohne örtlichen Luftmangel, wie er im Wirbelkern nach dem Einsetzen der Verbrennung auftritt. Der Auftreffbereich der Strahlen an der Brennraumwand kann bis zu 240° Umfangswinkel betragen. Durch diese gegenüber einer Einlochdüse damit wesentlich größere Umfangserfassung braucht der Luftdrall nicht übermäßig kräftig zu sein, so daß noch brauchbare Füllungsgrade erreichbar sind. Da durch die der Drehrichtung des Luftwirbels entgegengerichteten und höchstens der halben Gesamteinspritzmenge entsprechenden Kraftstoffstrahlen eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen der Luft und einer zur Zündung ausreichenden Kraftstoffmenge gesichert ist, ist auch eine rasche Zündeinleitung mit kurzem Zündverzug und damit ein guter Start gewährleistet. Da nur diese Teilmenge Kraftstoff mit höchster Relativgeschwindigkeit der rotierenden Luft entgegengerichtet ist, bleibt die luftverteilte, schnell reagierende Kraftstoffmenge in einem durch die Zahl und die Richtung der »Gegendrall«-Strahlen beeinflußbaren Rahmen. Da ferner die Fliehkraft allen Kraftstoff rasch an die Wand des Brennraumes befördert, vermag er dort nach Einleitung der Zündung geordnet abzubrennen. Durch die aus der Brennraummitte herausversetzte Düse ergibt sich insbesondere für Zweiventilmotoren der Vorteil, daß man beide Ventilachsen weit in den Zylinderdurchmesser hinein verlegen kann, was die Anwendung großer Ventildurchmesser ermöglicht. Außerdem ist die Düse thermisch geringer beansprucht, als wenn sie in der Gegend der Brennraummitte und damit im heißen Brenngaskern angeordnet ist.
• Der Brennraumaxialschnitt kann einen zylindrischen, einen konisch sich nach unten verengenden, einen kugeligen oder toroidförmigen Querschnitt haben. Brennraum- und Zylinderachse sollen möglichst zusammenfallen. Ihre gegenseitige exzentrische Abweichung sollte, um die Drallfortpflanzung aus dem Zylinderraum in den Brennraum hinein nicht allzusehr zu beeinträchtigen, 16,9/o des Zylinderdurchmessers nicht übersteigen. Der Brennraumdurchmesser soll 45 bis 68,9/o des Kolbendurchmessers betragen, und die Brennraumtiefe soll 28 bis 70 ,9/0 des Brennraumdurchmessers groß sein. Die Brennstoffstrahlen sollen bei der oberen Kolbentotlage in einer Tiefe auf die Brennraumwand auftreffen, die gleich dem 0,18- bis 0,6fachen der Brennraumtiefe ist. Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend erwähnt und an Hand der zugehörigen Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigt F i g. 1 das brennraumseitige Ende eines Brennkraftmaschinenkolbens mit einem in diesem angeordneten Brennraum, im Axialschnitt, F i g. 2, 3 und 4 den Brennraum des Kolbens nach F i g. 1 im Grundriß mit jeweils mehreren Einspritzbeispielen für verschiedene Zwei-, Drei- und Vierlochdüsen.
• Wie die F i g. 1 zeigt, weist der Kolben 1 z. B. einen zentralen, napfförmigen Brennraum 2 mit einem zylindrischen Querschnitt und einem ebenen Boden 2' auf, der mit einer unteren Abrundung 2" in die zylindrische Wand 2 übergeht. Der Durchmesser d des Brennraumes ist 45 bis 68% des Kolbendurchmessers D groß. Die Brennraumtiefe H ist 28 bis 70 0/0 so groß wie der Brennraumdurchmesser d. Die Einspritzung der Kraftstoffstrahlen in den Brennraum erfolgt, im Aufriß gesehen, durch die beim Einspritzbeginn etwa in Höhe des Kolbenbodens 1' liegende Düsenmündung unter einem solchen Winkel, daß die Enden der kompakten Strahlen in einem Höhenbereich h, h' auf die Brennraumwand 2 auftreffen, der in F i g. 1 kreuzschraffiert angedeutet ist.
• In den Brennraumgrundrißskizzen der F i g. 2, 3 und 4 ist die eingangs erwähnte kreisförmige Einspritzgrenze mit 3, deren Durchmesser mit d und der im Brennraum kreisende Luftwirbel mit W bezeichnet.
• Die F i g. 2 zeigt das Einspritzschema einer Zweilochdüse für zwei Düsenanordnungsbeispiele E, E' und vier Einspritzbeispiele. Einmal ist die Düse E ganz an die Brennraumwand herausversetzt angeordnet, und ihr Abstand a von der Brennraummitte M entspricht etwa dem halben Durchmesser d des Brennraumes. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist die Einspritzdüse E' nahe an den Grenzkreis 3 herangerückt, und der Abstand ä der Düse vom Mittelpunkt M des Brennraumquerschnittes entspricht etwa dem halben Brennraumradius R. Zwischen den Lagen E und E' kann die Düse beliebig weit entfernt vom Brennraummittelpunkt M angeordnet werden. In beiden dargestellten Fällen spritzt die Düse E oder E' in einem Umfangsbereich gegen die Brennraumwand 2, der außerhalb eines Winkels liegt, den die von dem Düsenabspritzpunkt an den Einspritzgrenzkreis 3 angelegten Tangenten einschließen. Je nach der Düsenlage (z. B. bei der Anordnung E) beträgt dieser Bereich bis zu 240°, bei der Düsenlage E etwa bis 180°. Die sowohl die Düsen- als auch die Brennraumachse einschließende Ebene kann, im Grundriß gesehen, jede beliebige Winkellage einnehmen. Die Kraftstoffstrahlen und deren Auftreffstellen können gegenüber dieser Ebene symmetrisch oder unsymmetrisch liegen.
• Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 spritzt die Zweilochdüse E oder E' jeweils einen Strahl s1, s@, s3, s4 der Drehrichtung des Luftwirbels W entgegen und einen Strahl s., s6, s7, s$ in Drehrichtung des Luftwirbels, wobei die entgegen und in Richtung des Luftwirbels eingespritzten Strahlen beliebig kombiniert werden können, mit der Einschränkung, daß jeweils ein Strähl entgegen und ein Strahl in Drehrichtung eingespritzt wird und die Strahlen den Grenzkreis 3 höchstens noch tangieren, aber nicht mehr schneiden. Im übrigen können die Strahlen an einer beliebigen Stelle auf die Brennraumwand auftreffen.
• Die gleiche Bedingung besteht für die Drei- und Vierlochdüse nach den Fig. 3 und 4. In beiden Fällen ist die Düse E' entweder wieder unmittelbar an der Grenzkreislinie 3 angeordnet, so daß der Abstand a' der Düse E' vom Brennraummittelpunkt M wiederum etwa dem halben Brennraumradius R entspricht. Bei der Düsenanordnung E ist der Abstand a wiederum angenähert gleich dem Brennraumradius R.
• Der Einspritzbereich +/-z beträgt, auf die die Düsen- und Brennraumachse einschließende Ebene y bezogen, bei der Dreilochdüse (F i g. 3) wiederum höchstens 120° mit und entgegen der Drehrichtung des Luftwirbels. Außerdem spritzt ein mittlerer Strahl s9 zwischen den beiden äußeren Strahlen ohne eine Komponente in Gegendrallrichtung auf die Brennraumwand auf. Bei einem der drei Einspritzbeispiele nach F .i g. 3 fällt der mittlere Strahl s. mit der Ebene y zusammen. Bevorzugt wird jedoch auch noch eine Anordnung der Einspritzung des mittleren Strahles in Drallrichtung.
• Die Vierlochdüse spritzt naturgemäß in vier Strahlen unter den vorgenannten Spritzbedingungen ein.
• In allen Fällen erfolgt die Einspritzung im Höhenbereich h-h' von F i g. 1 in möglichst kompakten Strahlen. Die Erzeugung des Luftwirbels geschieht in an sich bekannter Weise, z. B. durch einen Drall erzeugende Luftansaugkanäle, einen tangential in den Zylinder einmündenden Ansaugkanal, durch am Ventildurchlaß vorgesehene Luftablenkstege oder durch ein Schirmventil.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit einer ganz oder angenähert zentral in deren Arbeitskolben angeordneten rotationskörperförmigen Ausnehmung als Brennraum, mit einer drosselfreien oder -armen Überströmöffnung zwischen diesem und dem Zylinderzaum, mit Mitteln zur Erzielung eines um die Brennraumachse kreisenden Luftwirbels zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, mit einer im Zylinderkopf exzentrisch angeordneten Zwei,, Drei- oder Vierlochdüse, wobei die Zwei- und Dreilochdüse jeweils einen Strahl, die Vierlochdüse einen oder zwei Strahlen mit einer Komponente in Gegendrallrichtung zur Brennraumwand spritzt, während von den übrigen Strahlen entweder einer genau oder angenähert quer zum Drall und die übrigen in Drallrichtung gespritzt werden, d a -durch gekennzeichnet, daß die Spritzbohrungen der Düse (E, E') derart angeordnet sind, daß die Achsen der Einspritzstrahlers, im Grundriß des Brennraumes (2) gesehen, eine die Brennraumachse (M) konzentrisch umlaufende Linie (3) eines Kreises, dessen Durchmesser (d@ mindestens dem halben Brennraumdurchmesser (d) entspricht, nicht mehr schneiden, sondern höchstens noch tangieren. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zwei- oder Vierlochdüse mit einer solchen Anordnung der Spritzbohrungen, daß die Kraftstoffstrahlen symmetrisch zu einer die Düsen- und Brennraumachse einschließenden Ebene (y) liegen. 3. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffstrahlen, im Aufriß gesehen, unter einem solchen Winkel zum Brennraumboden (2') geneigt eingespritzt werden, daß sie in einer Tiefe (h-h') des Brennraumes auf dessen Wand (2) auftreffen, die dem 0,18- bis 0,6fachen der Gesamttiefe (H) des Brennraumes bei innerer Kolbentotlage entspricht. 4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in an sich bekannter Weise in kompakten Strahlen eingespritzt wird. 5. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen napfförmigen Brennraum (2) mit zylindrischem Querschnitt und ebenem Boden (2'), der mit einer Abrundung (2") in die Zylinderwand (2) des Brennraumes übergeht. 6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen an sich bekannten kugeligen Brennraum. 7. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen, im Axialschnitt gesehen, in an sich bekannter Weise nach unten zu leicht konisch sich verengenden oder erweiternden Brennraum. B. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen an sich bekannten, im Axialschnitt gesehen, langrunden oder eiförmigen Brennraum. 9. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen an sich bekannten, vom Brennraumboden aufsteigenden Zentralkegel. 10. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Brennraumdurchmesser(d) das 0,48- bis 0,68fache des Kolbendurchmessers (D) beträgt und die Brennraumtiefe (H) wiederum das 0,28- bis 0,7fache des Brennraumdurchmessers (d) ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1035 966, 1057816.