DE1272620B

DE1272620B - Luftverdichtende, selbstzuendende Brennkraftmaschine, insbesondere fuer Vielstoffbetrieb

Info

Publication number: DE1272620B
Application number: DED39572A
Authority: DE
Inventors: Werner Traub; Hans Tucher; Wilhelm Wagner
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1962-08-07
Filing date: 1962-08-07
Publication date: 1968-07-11
Also published as: US3253584A; GB984265A

Description

Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine, insbesondere für Vielstoffbetrieb Man ist bestrebt, bei Dieselmotoren den Zündverzug klein zu halten, damit die Zündung schon zu einem Zeitpunkt einsetzt, zu dem erst ein Teil des Kraftstoffes eingespritzt ist. Das Durchzünden der in diesem Augenblick noch verhältnismäßig kleinen Kraftstoffmenge ergibt dann keinen unerwünscht harten Zündschlag.
Besonders wichtig sind Maßnahmen zur Verkürzung des Zündverzuges bei Vielstoffmotoren, also Motoren, die außer mit Dieselkraftstoff auch mit erheblich weniger selbstzündfreudigen Kraftstoffen, wie z. B. klopffestem Benzin, betreibbar sein sollen. Da die Selbstzündungstemperatur von Benzin bei etwa 550° C, die von Dieselkraftstoff bei etwa 350° C liegt, verringert sich bei Benzinbetrieb die Temperaturdifferenz zwischen der Selbstzündungstemperatur und der Verdichtungstemperatur von etwa 650° C; entsprechend verlängert sich der Zündverzug. Beim Vielstoffmotor sollen aber im Interesse eines möglichst gleich guten Laufverhaltens bei Verwendung der verschiedenen in Frage kommenden Kraftstoffe die Zündverzüge nicht zu stark voneinander abweichen. Deshalb muß man besonders hierfür nach geeigneten Maßnahmen zur Verkürzung des Zündverzugs suchen.
Eine solche Maßnahme ist z. B. bekanntermaßen die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und damit der Verdichtungsendtemperatur. Ein entsprechend hohes Temperaturniveau läßt sich außerdem, wie ebenfalls bekannt ist, durch folgende Mittel erreichen: durch Ansaugluftvorwärmung (etwa durch Wärmetausch seitens des Auspuffrohres), durch Rufladung sowie durch teilweise lastabhängige Auspuffgasrückführung in den Ansaugstutzen.
Man kann den Zündverzug auch dadurch verkürzen, daß man den Kraftstoff auf besonders heiße Teile aufspritzt. So ist eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem im wesentlichen im Zylinderkopf angeordneten, als besonderen Einsatz ausgebildeten kegeligen Brennraum bekannt (deutsche Patentschrift 973 933), wobei der dem Zylinderraum zugekehrte Teil des Einsatzes als allseitig gasbespülte Glocke frei im entsprechend ausgenommenen Zylinderkopf hängt und mittels eines zylindrischen Ansatzes bei Einwanderung des Kolbens in die obere Totlage in eine zylindrische Mulde im Kolbenboden eindringt. Der Kraftstoff wird hierbei durch eine zentral angeordnete Düse von innen kegelförmig gegen den Einsatz gespritzt.
Bei einer anderen bekannten Maschine (deutsche Patentschrift 280 442) befindet sich im Brennraum ein allseitig von Luft umgebener und nach unten offener Hohlring, an dessen äußere Seitenwand von innen her der Kraftstoff tangential aufgebracht wird.
Es ist ferner bekannt (USA-Patentschrift 1856 328), die Seitenwand eines zylindrischen Brennraums aus vier über den Kolbenboden aufragenden Ansätzen und aus vier dazwischen befindlichen Teilen des Zylinderkopfes zu bilden, wobei die Kraftstoffstrahlen von einer zentral angeordneten Düse aus auf die durch den Kolben gebildeten Teile der Brennraumseitenwand aufgespritzt werden.
Das erhöhte Temperaturniveau während des Zündreifeprozesses bzw. das Aufspritzen des gesamten Kraftstoffs auf heiße Stellen im Brennraum verkürzt zwar, wie beabsichtigt, den Zündverzug, hat aber den Nachteil, daß langkettige Moleküle in kurze Bruchstücke zerfallen, d. h., daß Kracken eintritt (thermischer Zerfall). Da Molekülbruchstücke mit geringer Anzahl von C-Atomen kleinere Reaktionsgeschwindigkeiten haben, wird bei eintretendem Kracken der Ablauf des eigentlichen Verbrennungsvorganges verzögert, was im Hinblick auf den Gütegrad der Verbrennung eine Verschlechterung bedeutet. Dabei können diese Abbaureaktionen so weit laufen, daß schließlich Kohlenstoffskelette übrigbleiben, für deren Oxydation die Zeit bis zum Öffnen der Auslaßventile nicht mehr ausreicht (rauchende Verbrennung).
Daraus ist zu folgern, daß man versuchen sollte, nur einen so kleinen Teil des eingespritzten Kraftstoffs der den Zündverzug verkürzenden Erwärmung auszusetzen, der zur Einleitung der Zündung genügt, während der Hauptteil des Kraftstoffs bei einer möglichst niedrigen Temperatur der Verbrennung so zuzuführen ist, daß ein thermischer Zerfall weitgehend vermieden wird. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diesen sich anscheinend widersprechenden Forderungen zu genügen. Dazu ist ein Direkteinspritzmotor geeigneter als ein Vorkammermotor, bei dem der Kraftstoff in die heiße Kammerladung eingespritzt wird, deren Temperatur höher liegt als die Verdichtungstemperatur im Hauptraum (heißer Brenner erwärmt zusätzlich die einströmende Luft, Mischung mit heißen Kammer-Restgasen, Vorkammereinsatz der direkten Kühlung entzogen). In einem solchen Vorkammermotor führt - mit Ausnahme von geringer Teillast - der Reaktionsweg des Verbrennungsvorganges nach erfolgter Zündung (kurzer Zündverzug) über die Rußphase. Gefördert wird diese Art des Reaktionsablaufes noch durch die Tatsache, daß die Vorkammer, in die die gesamte Kraftstoffmenge eingespritzt wird, nur etwa 30 bis 40 % der Luftladung enthält, so daß also. dort nur eine Teiloxydation (Luftmangelverbrennung) stattfindet.
Im Gegensatz dazu tritt im Direkteinspritzmotor der Kraftstoffstrahl nach Verlassen der Einspritzdüse unmittelbar in die vorverdichtete Luftladung ein, deren Temperatur in erster Linie abhängig ist vom konstruktiv vorgesehenen Verdichtungsverhältnis, außerdem noch von der Lage des Spritzbeginns vor 0T. Danach ist das Temperaturniveau der Ladung und damit auch das der Kraftstoffteilchen, die während der Zündreifeperiode in die Ladung eingedrungen sind, recht gut festzulegen und kann auf das nach reaktionskinetischen Gesichtspunkten für die Verbrennung günstige »milde« Temperaturniveau (Vermeiden des Krackens) abgestimmt werden.
Diese Abstimmung ist sowohl theoretisch als auch praktisch nicht die richtige für die Zündreifeperiode, während der die feinen Kraftstoffteilchen am Strahlmantel, insbesondere zur Verkürzung der Zündverzugszeit für Leichtkraftstoffe, unter dem Einfluß einer wesentlich höheren Temperatur stehen sollten.
Um dies zu erreichen, wird für luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen, insbesondere für Vielstoffbetrieb, mit direkter Einspritzung durch eine zentrale Düse und einem kreisförmigen Kolbenmuldenraum mit in Zylinderlängsrichtung verlaufender Achse, bei der am Zylinderkopf ein in den Brennraum hineinragendes, durch die Verbrennungswärme auf verhältnismäßig hohe Temperatur gebrachtes Teil befestigt ist, das sich in der Nähe des Muldenrandes parallel zu diesem erstreckt und auf das Brennstoff aufgespritzt wird, gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der Kolbenmuldenraum den Brennraum bildet, daß in den Brennraum einzelne auf den Umfang verteilte, sich in der Nähe des Muldenrandes annähernd parallel zu diesem erstreckende Plättchen hineinragen, daß die Verbrennungsluft eine schon vor der Einspritzung vorhandene Wirbelbewegung um die Zylinderlängsachse vollzieht und daß von der Düse aus so viele radiale Kraftstoffstrahlen abgespritzt werden, wie Plättchen vorhanden sind, wobei die Achsen der aus der Düse austretenden, noch nicht durch die wirbelnde Luft abgelenkten Strahlen jeweils auf ein Gebiet zielen, das - in Bewegungsrichtung der Luft betrachtet -etwas vor dem zugeordneten Plättchen liegt.
Derjenige Teil des Gemisches aus Luft und Kraftstoff, der an den heißen Plättchen von beispielsweise 750° C vorbeistreicht, wird wirkungsvoll aufgeheizt und erfährt eine Verkürzung seines Zündverzugs, während der Rest des Gemisches nicht so heiß wird, daher nicht gekrackt wird und - durch den ersten Teil gezündet - einwandfrei, nicht rußend, verbrennt. Da sich die Plättchen mit ihrer Längserstreckung der Bewegungsrichtung der Verbrennungsluft anschmiegen, erfährt diese durch die Plättchen keinen nennenswerten Widerstand. Infolge der Kraftstoffstrahlrichtung auf ein Gebiet hin, das vor dem zugeordneten Plättchen liegt, gelangen die vom Strahlkern durch den Luftwirbel abgelösten Kraftstoffteilchen sofort an die Plättchen, wobei beide Plättchenoberflächen zur Aufheizung des Kraftstoffs dienen. Der Strahl selbst prallt nicht direkt an den Plättchen auf, was eine zu starke Kühlung der Plättchen herbeiführen könnte.
Zum Stand der Technik ist noch zu bemerken, daß durch die deutsche Patentschrift 374 879 eine Maschine bekannt ist, bei der von einer zentral angeordneten Düse aus Kraftstoffstrahlen in eine nicht wirbelnde Luft gespritzt werden und dabei zylindrische, achsparallele Zapfen tangieren, die am Zylinderkopf befestigt sind. Abgesehen davon, daß diese Maschine schon baulich überhaupt nicht zu der Maschinengattung gehört, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, können sich bei ihr auch die im vorigen Absatz erwähnten funktionellen Vorteile nicht ergeben, die aus dem erfindungsgemäßen Zusammenwirken einer ganz bestimmten Anordnung von Plättchen, der besonderen Strahlrichtung und dem Luftwirbel resultieren.
Aus Gründen der baulichen Vereinfachung empfiehlt es sich, die Plättchen durch eine insbesondere mit ihnen einstückige, am Zylinderkopf befestigte Grundplatte tragen zu lassen. Damit diese Grundplatte die Bewegung der Luft nicht stört, soll sie, bündig mit der brennraumseitigen Zylinderkopffläche abschließend, in den Zylinderkopf eingelassen sein. Bei Brennkraftmaschinen mit einem Vierventilkopf ist es im Interesse einer guten Raumausnutzung günstig, wenn die Grundplatte, sich mit ihren Rändern den Ventilsitzrundungen anpassend, in den Raum zwischen den Ventilsitzen angeordnet ist. Es ist nämlich günstig, wenn die Grundplatte eine nicht zu kleine Oberfläche bedeckt, da auch sie mit zur Aufheizung des Gemischs beitragen kann.
Damit die Plättchen warm genug gehalten werden, können sie bzw. die Grundplatte wärmeisoliert, insbesondere unter Belassung eines Luftspaltes, am Zylinderkopf befestigt sein.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt mit Kolben, Brennraum und Zylinderkopf, und F i g. 2 stellt einen Querschnitt in der Schnittebene II-II von F i g. 1 mit Blickrichtung gegen den Zylinderkopf dar.
Im Kolben 10, beispielsweise aus Leichtmetall, wird der Brennraum durch einen kreisförmigen Kolbenmuldenraum 11 gebildet, dessen Muldenrand 12 in F i g. 2 strichpunktiert angedeutet ist. Der Zylindermantel 13 und der Zylinderkopf 14 bestehen z. B. aus Grauguß. In der brennraumseitigen Zylinderkopffläche ist eine Ausnehmung 15 in Gestalt eines Sternes mit bogenförmig verlaufenden Flanken vorgesehen, in die eine vorzugsweise aus einem hitzebeständigen, hochlegierten Chromnickelstahl bestehende Grundplatte 16 eingelassen ist. Zwischen der Grundplatte 16 und dem Boden der Ausnehmung 15 ist ein wärmeisolierender Luftspalt gelassen, der nur von an der Grundplatte 16 befindlichen Augen 17 für die Befestigungsschrauben 18 durchsetzt wird. Das Mundstück 19 einer zentral angeordneten Kraftstoffeinspritzdüse 20 durchsetzt die Grundplatte 16.
Zwischen den Ventilsitzen 21 erstrecken sich die Plättchen 22, die mit der Grundplatte 16 einstückig sind.
Während des Ansaughubes erhält die einströmende Verbrennungsluft durch Schirmventile 23 oder andere bekannte Maßnahmen, wie z. B. durch geeignete Führung der Einlaßkanäle, einen Drall im Sinne des Pfeils 24 aufgezwungen. Entsprechend den vier Plättchen 22 sind vier Kraftstoffstrahlen 25 vorgesehen, die etwas an den Plättchen 22 vorbeizielen. Die im Sinne des Pfeils 24 drehende Luft führt diejenigen (wenigen) Kraftstoffteilchen direkt zur Rufheizung an die heißen Plättchen 22 heran, die sich im gleichen radialen Abstand vom Zentrum wie die Plättchen befinden. Von diesen Teilchen, die infolge des »Vorhaltens« des Strahles bereits von genügend Verbrennungsluft umgeben sind, geht die Zündung des übrigen, nicht so gefährlich hocherhitzten Gemischs aus.

Claims

Patentansprüche: 1. Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine, insbesondere für Vielstoffbetrieb, mit direkter Einspritzung durch eine zentrale Düse und einem kreisförmigen Kolbenmuldenraum mit in Zylinderlängsrichtung verlaufender Achse, bei der am Zylinderkopf ein in den Brennraum hineinragendes, durch die Verbrennungswärme auf verhältnismäßig hohe Temperatur gebrachtes Teil befestigt ist, das sich in der Nähe des Muldenrandes parallel zu diesem erstreckt und auf das Brennstoff aufgespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenmuldenraum den Brennraum bildet, daß in den Brennraum einzelne auf den Umfang verteilte, sich in der Nähe des Muldenrandes annähernd parallel zu diesem erstreckende Plättchen hineinragen, daß die Verbrennungsluft eine schon vor der Einspritzung vorhandene Wirbelbewegung um die Zylinderlängsachse vollzieht und daß von der Düse aus so viele radiale Kraftstoffstrahlen abgespritzt werden, wie Plättchen vorhanden sind, wobei die Achsen der aus der Düse austretenden, noch nicht durch die wirbelnde Luft abgelenkten Strahlen jeweils auf ein Gebiet zielen, das - in Bewegungsrichtung der Luft betrachtet - etwas vor dem zugeordneten Plättchen liegt. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen durch eine am Zylinderkopf befestigte Grundplatte getragen werden. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte, bündig mit der brennraumseitigen Zylinderkopffiäche abschließend, in den Zylinderkopf eingelassen ist. 4. Mit einem Vierventilkopf versehene Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte, sich mit ihren Rändern den Ventilsitzrundungen anpassend, in dem Bereich zwischen den Ventilsitzen angeordnet ist. 5. Brennkraftmaschine nach vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen bzw. die Grundplatte wärmeisoliert, insbesondere unter Belassung eines Luftspaltes, am Zylinderkopf befestigt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 280 442, 374 879, 973 933; britische Patentschrift Nr. 115 166; USA.-Patentschrift Nr. 1856 328.